라이다 센서용 콜로이드 양자점의 모양과 센서 성능 상관관계 규명

단파 적외선 감지용 콜로이드 양자점(테트라포드 방파제 모양, 원형 모양) 기반 센서 소자 모식도 및 양자점 모양 변화에 따른 센서 성능 평가 결과(자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(원장 유광수)은 지상수 박사와 프랑스 국립과학연구센터(CNRS, Centre National de la Recherche Scientifique) Emmanuel Lhuillier(엠마뉴엘 륄리에) 박사는 최근 공동연구를 통해 “라이다(LIDAR, Light Detection And Ranging) 센서에 활용 가능한 콜로이드 양자점의 모양과 센서 성능과의 상관관계”를 밝혀냈다고 지난달 2일 밝혔다.
라이다 센서는 레이저를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 인식하는 센서 기술이다. 콜로이드 양자점은 수 나노미터(nm) 크기의 빛을 잘 흡수하는 반도체 입자가 용액 상태(콜로이드)로 분산되어 있는 형태를 말한다.
‘자율주행 자동차의 눈’으로 불리는 라이다 센서는 실시간으로 거리와 이미지를 측정하는 기능을 가지고 있어 자율주행 자동차 개발에 필수적인 핵심 부품이다. 일반적으로 상용화된 라이다 센서의 소재는 근적외선 파장대를 감지하는 실리콘이 주로 사용되지만 광효율이 낮고 근적외선 빛이 우리의 눈에 해를 끼치는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하고자 단파 적외선을 감지할 수 있는 인듐갈륨비소(InGaAs) 화합물 반도체 소재 기반 라이다 센서가 개발되었으나 제조비용이 높은 단점이 있어 최근에는 보다 공정비용이 저렴한 콜로이드 양자점 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재까지 콜로이드 양자점은 모양에 따라 전자구조가 변화하여 센서 성능이 달라질 수 있음에도 불구하고 그 상관관계가 명확하지 않았다. 이에 연구팀은 테트라포드 방파제 모양의 양자점과 원형의 양자점 센서 성능에 큰 영향을 미치는 전하 운반체들 간의 결합에너지를 시뮬레이션으로 계산한 결과, 모양 별 결합에너지 차이가 약 1% 수준으로 미미하였다.
이는 단위 입자 레벨 수준에서는 모양이 변화됨에 따라 센서 성능 변화에는 영향을 끼치지 않는다. 또한, 실제 양자점 모양에 따른 센서 성능 변화를 검증하기 위하여 센서 소자 위에 양자점 필름을 코팅하였다. 그 결과, 예상한 바와는 다르게 테트라포드 방파제 모양 기반 센서가 필름의 밀도가 높은 원형보다 성능이 약 7배 우수한 결과를 보였다.
이는 원형 양자점 내 전하 운반체의 움직임을 방해하는 트랩 에너지 준위 농도가 테트라포드 방파제 모양의 양자점보다 약 10% 정도 높아 센서 성능이 낮아진 것으로, 양자점 기반 센서의 성능은 단순히 필름의 밀도에 의존하지 않음을 최초로 밝혔다.
한국세라믹기술원 지상수 박사는 “양자점의 모양과 단파 적외선 감지 성능과의 상관관계를 규명하여 양자점 기반 센서의 성능 최적화에 대한 방향을 제시하였다”며 “향후 양자점 기반 단파 적외선 대역 라이다 센서 구현을 앞당길 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구 성과는 미국화학회에서 발행하는 나노과학분야 국제학술지 ‘Nano Letters’ 5월 26일자에 게재됐다.