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기존 양자점 뛰어넘는 적외선 센서 기술 개발​
조회수 : 1500 등록일 : 2025-01-08 작성자 : 홍보실

(왼쪽부터) 전기및전자공학부 이정용 교수, 김윤후 박사과정, 정보전자연구소 김병수 박사

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 이정용 교수, 김윤후 박사과정, 정보전자연구소 김병수 박사 >

최근 양자 큐비트 기술 분야에서는 양자 상태를 확보하기 위해 결정질 반도체를 활용한 아발란체 광다이오드 소자*들이 활용되고 있으나, 높은 열잡음으로 인해 극저온 구동이 필수적이며, 적외선 대역에서 높은 탐지 효율을 갖는 소재의 부재로 기술적 한계에 직면했다. 우리 연구진이 양자점 소재가 차세대 양자 기술로 활용될 돌파구를 제시했다.

*아발란체 광다이오드 소자: 매우 미세한 빛을 증폭하여 감지하는 고성능 센서 소자로서 야간 투시경이나 자율주행차, 우주 관측, 양자통신 등에 사용 

우리 대학 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀이 콜로이드 양자점을 활용해 하나의 적외선 광자 흡수를 통하여 85배의 전자를 생성할 수 있는 아발란체 전자 증폭 기술*을 개발하여 기존 기술의 한계를 뛰어 넘는 감도를 달성했다고 8일 밝혔다.

*아발란체 전자 증폭: 기술 강한 전기장이 인가된 반도체에서 전자가 가속되어 인접 원자와 충돌을 통해 다수의 전자를 생성하는 신호 증폭 기술 

화학적으로 합성된 반도체 나노입자인 콜로이드 양자점은 용액 기반 반도체로서 적외선 센서의 실용적인 후보로 주목 받고 있으며, 결정질 반도체와 다른 에너지 구조를 가져 열잡음 생성을 억제하는 장점이 있지만, 전하 이동도가 낮고, 양자점 표면에서 자주 발생하는 불완전 결합 때문에 전하의 재결합이 촉진되어 전하 추출이 저하되는 문제가 있었다.

연구진은 강한 전기장을 인가해 전자를 가속하여 운동에너지를 얻고, 인접 양자점에서 다수의 추가 전자들을 생성함으로써 상온에서 적외선을 조사 시 신호가 85배 증폭되고 1.4×1014 Jones 이상의 탐지 감도를 가지는 소자를 구현하였는데 이는 일반 야간 투시경보다 수만 배 정도 높은 감도를 보여준다.

그림 1. 양자점 소재(a) 및 소자(b)에서의 아발란체 전하 증폭 메커니즘 개요도. a, 높은 전기장이 인가되면 양자점 소재내 전하를 띈 결함이 전도 전자로부터 충돌을 통해 에너지를 받아 들뜬 상태를 형성한 후, 에너지적 안정화가 일어나며 2차 전자가 생성된다. b, 소자의 관점에서 전자가 충분히 가속되어 에너지를 얻기 위해서는 충분한 양자점 층의 두께가 요구되며, 540nm 이하의 두께에서는 전자가 가속간 증폭을 위해 충분한 에너지를 얻기 전에 금속 산화물 층간 계면에서 얇아진 에너지 밴드 구조로 인해 전자 터널링이 발생한다. 따라서 540nm 이상의 충분한 양자점 층을 형성시켜 주어야만 효율적인 전자 증폭을 유도할 수 있다. c, 최적 양자점 아발란체 다이오드 소자의 구조 및 탐지 감도. 본 연구에서는 하나의 광자 흡수를 통해 약 85개의 전자를 생성하는 전자 증폭 기술을 도입하여 최대 1×1014 Jones의 높은 탐지 감도를 달성한 양자점 소자를 개발하였다.

< 그림 1. 양자점 소재(a) 및 소자(b)에서의 아발란체 전하 증폭 메커니즘 개요도. a, 높은 전기장이 인가되면 양자점 소재내 전하를 띈 결함이 전도 전자로부터 충돌을 통해 에너지를 받아 들뜬 상태를 형성한 후, 에너지적 안정화가 일어나며 2차 전자가 생성된다. b, 소자의 관점에서 전자가 충분히 가속되어 에너지를 얻기 위해서는 충분한 양자점 층의 두께가 요구되며, 540nm 이하의 두께에서는 전자가 가속간 증폭을 위해 충분한 에너지를 얻기 전에 금속 산화물 층간 계면에서 얇아진 에너지 밴드 구조로 인해 전자 터널링이 발생한다. 따라서 540nm 이상의 충분한 양자점 층을 형성시켜 주어야만 효율적인 전자 증폭을 유도할 수 있다. c, 최적 양자점 아발란체 다이오드 소자의 구조 및 탐지 감도. 본 연구에서는 하나의 광자 흡수를 통해 약 85개의 전자를 생성하는 전자 증폭 기술을 도입하여 최대 1×1014 Jones의 높은 탐지 감도를 달성한 양자점 소자를 개발하였다. >

적외선 광검출기는 자율주행차부터 양자컴퓨팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 하지만, 기존 양자점 기반 기술은 민감도와 잡음 문제로 한계가 있었다. 

이번 연구는 새로운 패러다임 전환을 불러올 기술이 될 것으로 기대되며, 양자 기술이 관련된 핵심 원천 기술을 선점함으로써 글로벌 양자 기술 시장을 대한민국이 주도할 수 있는 중요한 기술적 토대를 확보했다고 평가받고 있다. 

제1 저자인 김병수 박사는 “양자점 아발란체 소자는 기존에 보고된 바 없는 신개념 연구 분야로서, 본 원천 기술을 통해 글로벌 자율주행차와 양자 컴퓨팅, 의료 영상 시장 등을 선도할 벤처 기업 육성을 주도할 수 있을 것”이라고 말했다. 

KAIST 정보전자연구소 김병수 박사와 IMEC의 이상연 박사 및 한국세라믹기술원의 고현석 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 최상위 학술지 `네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 12월 18일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01831-x) 

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 주요 지원 사업으로는 나노및소재기술개발사업(경쟁형), 미래디스플레이 전략연구실사업, 개인기초연구사업 중견연구가 있다.

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