고분자 광학 필터 통한 초저잡음 적외선 양자점 광검출기 핵심기술 개발

(윗줄 왼쪽부터 시계방향으로) 심재원 고려대학교 전기전자공학부 교수(교신저자), 오승주 신소재공학부 교수(교신저자), 최영균 석박사과정(제1저자), 김태혁 석박사과정(제1저자). /고려대학교

고려대학교 심재원 교수팀과 오승주 교수팀이 이끄는 연구진이 고분자 광학 차폐층을 이용한 초저소음 적외선 양자점 광검출기 핵심기술을 개발했다.

4일 고려대에 따르면 공과대학 전기전자공학부 심재원 교수팀과 신소재공학부 오승주 교수팀으로 이뤄진 고려대 연구진의 이번 연구결과는 해당 분야의 세계 최고 학술지인 Advanced Materials(IF:29.4)에 한국시간 기준 지난 11월 22일 온라인 게재됐다.

에너지 효율적이고 콤팩트한 사물 인터넷(IoT) 어플리케이션의 등장으로 광전자 시스템에 관한 관심이 높아지고 있다. 이 중 양자점 광검출기(Qunatum dot Photodetector, QPD)는 높은 광 감도로 원격 감지, 깊은 조직 침투 및 특정 분자 흡수에 필요한 선택적 근적외선(Near-Infrared, NIR) 감지에서 중추적인 역할을 한다.

기존 NIR PD중 실리콘 PD는 우수한 응답성과 호환성을 나타내지만, 1000nm 이상 감지에 어려움이 있고 NIR의 선택적 감지에 한계가 있었다. 그 외 가능한 대안으로, Indium gallium arsenide (InGaAs) PD는 NIR 영역 감지에 우수한 특성을 보이지만 인듐 포스파이드 (InP) 기판에 에피택셜 성장으로 높은 잡음 전류 및 외부 판독 집적 회로 (ROIC)에 통합을 위한 플립칩 본딩과 같은 복잡한 프로세스, 고비용으로 인한 원천적인 한계가 있다.

고려대 연구팀은 이러한 원천적인 문제를 해결하기 위해 두꺼운 고분자 광학 차폐층을 삽입해 선택적 NIR 감지와 동시에 극도로 낮은 노이즈를 갖는 장치를 개발했다. 이 장치의 소음 스펙트럼 밀도는 약 ~ 10-27 A2/Hz로 980nm 파장 대역에서 높은 검출도 (Specific Detectivity, D*)인 1.31 × 1011 Jones를 달성했다.

고분자 광학 차폐층을 양자점 반도체에 내부에 삽입해 자체 필터링이 가능한 기술로써 원하지 않는 가시광 영역(450-750nm)을 차단했으며 가시광 영역의 응답성(Responsivity, R)을 92% 이상 감소시켰다. 또한, 이 두꺼운 고분자층은 내부 결함과 열적으로 생성된 전류 억제 및 긴 정공 수송 경로를 제공해 잠재적으로 노이즈 전류를 크게 감소시켰다.

해당 장치는 좁은 밴드갭 재료의 높은 노이즈 전류의 한계를 해결했으며, 지금까지 보고된 양자점 광검출기 중 가장 낮은 노이즈 수준이다. 이번 성과는 적외선 양자점 광전자 장치 분야의 혁신적이고 독창적인 연구이며, 차세대 원격 모니터링과 보안 및 선택적 조직 침투 기술에 기여할 수 있는 새로운 가능성을 열어준 결과라 할 수 있다. 또한, 비용 및 간단한 공정 프로세스 기술로 잠재적인 경제성 확보와 광범위한 채택 가능성을 보여줬다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 지원사업, 이공중견연구자지원사업, 산업통상자원부의 기술혁신프로그램 지원으로 수행됐다.

자체 필터링 가능한 초저소음 적외선 양자점 광검출기 모식도 /고려대학교