[스마트경제=복현명 기자] 백세웅 고려대학교 공과대학 화공생명공학과 교수 연구팀이 배인호 한국표준과학연구원 박사 연구팀과 친환경 InAs 양자점의 표면 결함을 제어하고 용액상 분산 정도를 높여 광전 소자의 효율을 올릴 수 있는 ‘연속 이중 리간드 치환’ 표면 개질 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 해당 분야의 최상위 국제 학술지인 ‘Advanced Science’(IF:15.1)에 한국시간 기준 1월 20일에 온라인 게재됐다.
자율주행, 로봇, 사물 인터넷, 양자 통신·센싱 인프라 등의 활용 분야의 등장으로 적외선 광소자에 대한 관심이 큰 주목을 받고 있다.
이 중 콜로이달 양자점 광검출기(Colloidal Quantum Dot Photodetector)는 적외선 대역 광자에 대해 높은 광 감도를 보이고 용액공정이 가능해 대량생산, 제작 단가를 줄일 수 있어 적외선 소재/부품 분야에서 향후 적용 가능성이 크다.
기존에 많이 연구돼 온 납, 카드뮴, 수은 등 독성 원소를 포함하는 양자점을 대체하고 유해 물질 사용 제한(Restriction of Hazardous Substances, RoHS) 기준을 만족하기 위해 연구되기 시작한 InAs 양자점은 용액공정을 통해 무기 반도체 기반 광전자 소자를 제작할 때 일반적으로 할로겐 또는 방향족 기반 용매를 사용한다.
이는 생산 과정에서 건강에 악영향을 미칠 수 있고 처리 과정에서 주변 환경에도 부정적인 영향을 미칠 수 있, 용액공정을 기반으로 한 반도체 소재, 소자를 상용화하기에 걸림돌로 작용하는 중요한 문제이다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 표면 제어를 통해 용액상에서 분산도를 조절가능한 콜로이달 양자점 소재의 특성을 활용해 순차적으로 리간드를 표면 치환하는 ‘연속 이중 리간드 치환’ 방식을 사용했다.
2-메틸아니솔, 2-메틸테트라하이드로퓨란 등의 친환경 용매 상에서 잉크 분산성을 향상하면서 동시에 잉크를 통해 전자 소자를 제작했을 때 930nm 파장 대역에서 290% 이상의 높은 외부양자효율(External Quantum Efficiency, EQE)과 40ns 이하의 빠른 반응속도(Response time)를 달성했다.
해당 기술은 순차적인 리간드 치환을 통해 InAs 양자점 입자 표면에 부착되는 리간드의 양을 미세하게 바꿔 이를 통해 전자 소자 내부에서 생기는 트랩 상태의 양을 기존 대비 12% 수준만 의도적으로 도입 가능할 정도로 정밀하게 조절할 수 있었다.
기존에 광전소자에서 주로 사용되던 포토다이오드 구조는 빠른 반응속도를 특징으로 하지만 광증폭이 불가능해 낮은 광응답도(Responsivity, R) 를 보이고 있는 반면 본 연구를 통해 제작된 광전소자의 경우 미세하게 도입된 트랩 상태에 전하를 의도적으로 가두었다가 배출하는 방식을 사용해 전하를 증폭시켜 기존의 InAs 기반 포토다이오드가 약 0.3 A/W 수준의 광응답도를 보이던 것과 비교해 약 7배 이상의 높은 광응답도를 확보할 수 있었고 동시에 36ns의 빠른 반응속도를 확보해 기존에 높은 광응답도와 빠른 반응속도를 동시에 확보할 수 없는 광다이오드의 한계를 극복할 수 있었다.
결과적으로 해당 연구를 통해 연구팀은 친환경 용매를 사용했으면서 기존 유기 소재, 페로브스카이트 등을 포함한 근적외선(Near-Infrared, NIR) 대역 용액공정 광전자 소자 중 가장 높은 이득-대역폭 곱을 확보했으며 이를 통해 친환경 양자점 광전소자의 새로운 가능성을 입증할 수 있었다.
교신저자인 백세웅 고려대 화공생명공학과 교수는 “이번에 개발한 양자점 표면 치환 기술은 다양한 리간드, 용매에 활용될 수 있는 만큼 범용성이 뛰어나고 친환경 용액공정이 가능하다. 개발된 고효율 적외선 양자점 광센서는 InGaAs를 대체하는 새로운 적외선 부품이 될 것이라 기대되며 자율주행, 로보틱스 그리고 양자 통신 · 센싱에 필요한 기반 주요 인프라 기술이 될 것이다”라고 말했다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
