세라믹기술원 등, 초고감도 양자점 적외선 센서 신기술 개발 

- 단일 적외선 광자로 85배 전자를 생성하는 아발란체 양자점 개발 및 원리 규명

적외선 광자 흡수를 통한 전자증폭 원리. (자료제공: KICET)

국내 연구진이 적외선 광자 흡수를 통한 전자 증폭 기술을 개발했다. 이 연구는 양자점 기반 적외선 센서의 성능 한계를 극복한 성과로 평가된다. 

한국세라믹기술원(KICET, 원장 정연길)은 수소디지털융복센터 고현석 박사와 송혜정 연구원이 KAIST(총장 이광형) 전기 및 전자공학부 이정용 교수 연구팀과 협력하여 하나의 적외선 광자를 흡수하여 85개의 전자를 생성할 수 있는 상온 구동 가능한 증폭 기술을 개발했다고 2월 27일 밝혔다. 

적외선 센서는 적외선 파장 대역에 속하는 광자를 탐지하고 신호로 변환하는 것이 기술의 골자이며, 자율주행차부터 양자컴퓨팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있다. 하지만, 현재의 적외선 센서 기술은 소재 희소성과 구조의 한계로 인해 실용화에 어려움을 겪고 있다. 

또한, 최근에는 적외선 센서를 양자 정보 기술 분야에 적용하기 위해 아발란체 광다이오드 기반 소자를 활용하여 탐지 기능의 민감도를 개선했지만, 높은 열잡음으로 인해 극저온 구동이 필수적이며 높은 탐지 효율을 갖는 소재는 여전히 구하기 힘든 실정이다. 아발란체 광다이오드 소자는 매우 미세한 빛을 증폭하여 감지하는 고성능 센서 소자로서 야간 투시경이나 자율주행차, 우주 관측, 양자통신 등에 사용한다. 

연구팀은 이를 극복하기 위해 화학적으로 합성된 콜로이드 양자점을 이용해 강한 전기장에서 전자를 가속, 전하 증폭 현상을 유도하는 아발란체 전자 증폭 기술(강한 전기장이 인가된 반도체에서 전자가 가속되어 인접 원자와 충돌을 통해 다수의 전자를 생성하는 신호 증폭 기술 )을 개발했다. 이를 통해 상온에서도 적외선 신호를 85배 증폭하며, 1.4×1014 Jones 이상의 높은 탐지 성능을 구현하여 기존의 적외선 센서가 가진 단점을 개선할 방법을 제시하였다.

연구팀은 기존 적외선 센서 기술에서는 관찰되지 않은 “양자점 아발란체 소자”라는 새로운 개념을 적용하여 적외선 광자가 양자점 내에서 전자와 상호작용하며 충돌 이온화(impact ionization)를 통해 2차 전자를 생성하는 과정을 규명했다.

특히, 연구팀은 “적외선 검출기에서 전자의 증폭(electron multiplication)과 양자점 간 전자의 이동(electron hopping)이 경쟁적으로 작용하는 메커니즘을 이론적으로 규명하였을 뿐만 아니라, 양자점 간 거리를 조절하여 전자 증폭 역치를 낮추면서도 전자 이동성을 유지하는 최적 조건을 도출했다는데 큰 의미가 있다”고 말했다.

한국세라믹기술원 고현석 박사는 “양자 레벨의 반응 메커니즘은 실험적 관측이 제한적이기에 이론적 계산이 이를 보완하고 통찰을 제공한다”며 “본 연구는 이론과 실험의 협력을 통해 성공적으로 메커니즘을 규명했다는데 큰 의미가 있고, 양자점을 이용한 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다”라고 말했다.

이번 연구 성과는 KAIST 이정용 교수가 교신저자로 참여하고 정보전자연구소 김병수 박사와 IMEC 이상연 박사, 한국세라믹기술원 고현석 박사가 공동 제1저자로 참여하여 국제 최상위 학술지 ‘Nature Nanotechnology’ 2025년 2월호에 게재(온라인 게재(’24.12.18))됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]