한국세라믹기술원 고현석 박사와 송혜정 연구원은 하나의 적외선 광자를 흡수해 85개의 전자를 생성할 수 있는 상온 구동 가능한 증폭 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

한국세라믹기술원 연구팀이 하나의 적외선 광자를 흡수해 85개의 전자를 생성할 수 있는 상온 구동 가능한 증폭 기술을 개발했다. 한국산업기술원 제공

이 연구는 KAIST 전기 및 전자공학부 이정용 교수 연구팀과 협력해 양자점 기반 적외선 센서의 성능 한계를 극복한 성과로 평가된다.

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.

또 최근에는 적외선 센서를 양자 정보 기술 분야에 적용하기 위해 아발란체 광다이오드 기반 소자를 활용해 탐지 기능의 민감도를 개선했지만 높은 열잡음으로 인해 극저온 구동이 필수적이며 높은 탐지 효율을 갖는 소재는 여전히 구하기 힘든 실정이다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 화학적으로 합성된 콜로이드 양자점을 이용해 강한 전기장에서 전자를 가속, 전하 증폭 현상을 유도하는 아발란체 전자 증폭 기술을 개발했다.

또 연구팀은 이를 통해 상온에서도 적외선 신호를 85배 증폭하며 1.4×1014 Jones 이상의 높은 탐지 성능을 구현해 기존의 적외선 센서가 가진 단점을 개선할 방법을 제시했다.

연구팀은 기존 적외선 센서 기술에서는 관찰되지 않은 ‘양자점 아발란체 소자’라는 새로운 개념을 적용해 적외선 광자가 양자점 내에서 전자와 상호작용하며 충돌 이온화를 통해 2차 전자를 생성하는 과정을 규명했다.

한국세라믹기술원 고현석 박사는 “양자 레벨의 반응 메커니즘은 실험적 관측이 제한적이기에 이론적 계산이 이를 보완하고 통찰을 제공한다”고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 KAIST 이정용 교수가 교신저자로 참여하고 정보전자연구소 김병수 박사와 IMEC 이상연 박사, 한국세라믹기술원 고현석 박사가 공동 제1 저자로 참여해 국제 최상위 학술지 네이처 나노테크놀로지에 2월호에 게재됐다.