아주대 연구팀, 양자점 기반 친환경 광검출 소자 개발

아주대 연구팀은 단파 적외선 영역에서 광학 성능을 나타내는 새로운 친환경 양자점을 제조하고, 광검출 소자에 이를 적용하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

단파 적외선은 근적외선보다 긴 파장대를 가져 투과성이 좋고 태양광이나 수분에 의한 간섭이 비교적 적어, 자율주행이나 무인 이동 시 주변 환경을 인식하기 위한 장치에 활용돼왔다.

그러나 단파 적외선이 감응하도록 하는 소자는 1100nm 이상의 긴 파장 영역 대에서 감도가 낮아지고, 가격도 비싸다는 한계를 가졌다.

이에 상대적으로 비용이 낮고 상온에서도 구동이 가능한 비냉각형 소재로 이뤄진 양자점(Quantum Dot)이 대안으로 학계의 관심을 받아왔다.

반도체 나노입자 소재인 양자점은 수 나노미터(nm) 크기의 물질로 이뤄져 있어 가시광부터 적외선 영역에 이르기까지 전자기파의 파장을 조절하는 데 용이하다는 장점을 지니고 있다.

올해 노벨화학상 수상자로 양자점 발견과 합성에 기여한 문지 바웬디(62), 루이스 브루스(80), 알렉세이 예키모프(78) 등 3명이 선정되기도 했다.

김상욱 아주대 교수 및 이행근 한국화학연구원 박사 공동연구팀은 납(Pb)이나 수은(Hg)을 사용하지 않는 InSb 양자점에 주목해, 새로운 유형의 광검출 소자로 활용하고자 했다.

InSb 양자점이 표면 산화에 취약해 성능을 보이기 어렵다는 점을 감안, 이에 염소 이온을 첨가해 양자점 표면 산화를 최대한 억제한 것이다.

또 무기리간드 치환(유기물로 보호된 양자점 표면을 무기물로 치환해 성능 저하를 방지하는 기술)을 통해 소자의 안정성을 높였다.

연구팀은 이렇게 만든 고밀도의 양자점 필름을 ITO 기판에 코팅해 포토다이오드 타입의 광 검출 소자에 적용한 결과, 상온의 1370nm와 1520nm 영역에서 각각 11.2%, 6.3%의 외부 양자효율을 달성, 별도의 냉각 장치 없이도 높은 성능이 나타남을 확인했다고 밝혔다.

또 합성된 InSb 양자점의 단파 적외선 흡광 성능뿐 아니라 발광 또한 확인해 새로운 광원으로서의 가능성 또한 발견했다고 덧붙였다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 개발한 InSb 양자점 제조 기술은 유독성 중금속을 활용하지 않은 친환경 기술"이라며 "가격 경쟁력과 효율도 높아 앞으로 자율주행 등 미래 기술에 활발히 응용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science) 이달 호 온라인판에 게재됐다.

/연합뉴스