고려대, 무독성 고감도 텔루륨화은 광검출기 개발 

- 기존의 반도체 기반 단적외선 광검출기의 대체 가능성 보여 

▲  텔루륨화은 용액형 양자점의 성질 분석. 텔루륨화은 용액형 양자점의 (A) 흡수(검정색) 및 광발광(빨간색) 스펙트럼, (B) 크기 분포 및 투과 전자 현미경 사진, (C) 텔루륨화은 콜로이드 양자점(위)과 단사정계 텔루륨화은(아래)의 X-선 회절패턴, (D) 은(위)과 텔루륨(아래)의 X-선 광전자 분광법을 통한 표면 분석.

고려대학교(총장 김동원) 화학과 정광섭 교수와 화공생명공학과 백세웅 교수 공동 연구팀이 기존 고감도 광검출기의 한계를 넘어 확장된 단적외선 영역에서 빠른 반응을 하는 무독성 고감도 텔루륨화은 광검출기를 개발했다. 

본 연구 결과는 국제적인 학술지 ‘Advanced Science’(IF: 15.1)에 지난달 7일(월) 온라인 게재됐다. 

* 논문명: Silver Telluride Colloidal Quantum Dots Solid for Fast Extended Shortwave Infrared Photodetector

* 논문 URL: https://doi.org/10.1002/advs.202407453

확장된 단적외선 광검출기는 감시, 야간 투시, 화학분석 등 다양한 분야에 응용되어 쓰인다. 그러나 대부분 단적외선 영역에서 용액형 양자점 광검출기는 수은 및 납 칼코게나이드를 기반으로 사용하는데, 이 소재는 적외선 흡수 조절이 가능하나 중금속이라 독성을 갖기에 사용이 제한적이다.

이에 공동 연구팀은 무독성의 텔루륨화은(Ag2Te) 용액형 양자점을 흡광 소재로 하여 2㎛ 대역 이상 감지하는 단적외선 광검출기를 개발했다. 

텔루륨화은을 광 활성층으로 활용한 사례는 있으나 높은 암전류 누설과 느린 반응으로 한계가 있었다. 그러나 본 연구는 수직형 광 다이오드 구조를 채택하여 암전류 누설을 개선하고 빠른 반응 속도를 구현했다. 

이번 연구 결과는 빠른 광 응답시간이 중요한 바이오 이미징, 자율주행 전용 센서, 적외선 이미징, 생체 인식 방역, 홍채 인식 보안, 공공 보안 안정 등 과학적, 군사적 및 산업적으로 활용될 것으로 기대된다. 

화학과 정광섭 교수는 “확장된 단적외선 광검출기의 개발은 기존 독성을 갖는 광검출기와는 다르게 군사적 및 산업적으로 넓게 활용될 수 있으며, 본 연구의 결과로 빠른 광 응답 시간이 중요한 적외선 응용 분야에 큰 도움이 될 것”이라고 말했으며, 화공생명공학과 백세웅 교수는 “확장된 단적외선 광검출기의 기존 도전적인 독성 소재, 저온 구동의 한계점을 극복한 결과이며, 기존의 반도체 기반 단적외선 광검출기를 대체할 큰 가능성을 보여줌”이라고 기대감을 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단 나노‧소재기술개발사업, 중견연구, 우수신진연구 지원을 받아 수행됐다. 

[그림 1] 

[그림 1] 설명: (왼쪽부터) 정광섭 교수(교신저자, 화학과), 백세웅 교수(교신저자, 화공생명공학과), 안용남 박사과정(공동 제1저자, 화공생명공학과), 엄소영 박사(공동 제1저자, 화학과)

[그림 2] 

[그림 2] 설명: 텔루륨화은 용액형 양자점으로 제작한 확장된 단적외선 광검출기의 소자 성능 분석. (A) 검출기 소자 모식도 및 주사전자현미경 이미지, (B) 암전류 측정, (C) 외부양자효율 스펙트럼, (D) 2004 nm를 조사한 단락 회로에서의 온/오프 특성, (E) 주파수에 따른 잡음 스펙트럼 밀도 측정, (F) 광 검출력 스펙트럼, (G) 1550 nm로 조사된 광응답속도 측정, (H) 이전에 보고된 용액형 양자점 기반 광검출기의 차단 파장 대 하강시간을 나타낸 성능 지수 그래프