전북대학교 전자공학부 김기현 교수 연구팀과 서울시립대학교 화학공학과 김민 교수 연구팀으로 구성된 공동 연구진이 실리콘 기반 근적외선(NIR) 광센서의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 차세대 광센서 기술을 개발했다. 이 연구 결과는 재료 및 소자 분야의 저명한 국제 학술지인 『Small Science』에 게재되며 우수성을 인정받았다.
17일 전북대에 따르면 공동 연구팀은 높은 CMOS 공정 호환성과 저비용이라는 실리콘 장점은 그대로 유지하면서도 근적외선 감도를 극대화할 수 있는 새로운 센서 구조를 제시했다.
연구진은‘스캘럽-페로브스카이트 양자점 텐덤 구조’를 갖춘 새로운 형태의 근적외선 광센서를 구현했다.
이 센서는 상용 CMOS 공정을 활용해 실리콘 기판 위에 고종횡비(high aspect ratio) 스캘럽 나노선을 형성, 여기에 페로브스카이트 양자점을 결합함으로써 빛의 공진 현상을 극대화해 기존 실리콘 기반 센서 대비 우수한 검출 성능을 확보했다.
스캘럽 구조는 빛의 체류 시간을 증가시키고 실리콘으로 검출이 어려운 1,100nm 근처의 근적외선을 효과적으로 흡수할 수 있도록 설계됐다.
또한 장파장 흡수 특성을 향상시키고 실리콘과의 밴드 정렬을 최적화 해 광전 변환 효율(IPCE)를 대폭 향상시켰다.
특히 연구에 사용된 페로브스카이트 양자점은 저온 스프레이 코팅 방식으로 스캘럽 나노선 구조에 균일하게 증착이 가능하며, 대면적 제조 공정과의 호환성과 경제성에서도 강점을 보였다. 이에 자율주행용 LiDAR, 우주 탐사, 방위산업 등 고성능 근적외선 센서가 요구되는 첨단 산업 분야에서의 활용이 기대된다.
연구팀은 “이번 연구는 실리콘 기반 저비용 근적외선 광센서의 실현 가능성을 제시한 것”이라며 “향후 실리콘-양자점 계면의 안정성과 장기 신뢰성을 확보하는 후속 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.
/장은성 기자
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