광주과학기술원, 수 나노초만에 반응하는 고성능 적외선 센서 개발

2020.03.12 01:31:53

[첨단 헬로티]

인간의 감각을 뛰어넘는 적외선 센서 개발은 새로운 세상에 대한 정보를 제공하며 열화상 카메라, 생의학 이미징, 야간 투시경, 정보통신, 군사시설 등 최신 다기능 시스템 개발에 활용될 수 있어 주목받는 분야다.

광주과학기술원(이하 지스트) 신소재공학부 김봉중 교수 연구팀이 전이 금속 산화물(전이금속에 산소원자가 결탁한 화합물)의 하나인 이산화바나듐(VO2의 화학식을 갖는 물질로, 섭씨 68도를 기준으로 그 이하에서는 절연체, 그 이상에서는 도체의 성질을 가짐) 단결정 나노 입자를 이용한 새로운 원리로 나노초만에 작동하는 고성능 적외선 센서를 개발했다.

현재까지 적외선 광 검출의 성능은 전자-정공 쌍을 효과적으로 분리할 수 있는 좁은 밴드 갭(반도체와 절연체에서, 가전자대와 전도대간의 에너지 영역)과 작동 메커니즘을 가지는 소재와 구조에 의해 결정되어왔다. 따라서 지금까지 개발된 물질과 작동 메커니즘으로는 적외선 광센서의 주요성능지수를 향상시키는 데 한계가 있다.

김봉중 교수 연구팀은 과다 수소 도핑(doping)된 준안정 상태의 단결정 HVO2 나노입자를 적외선 센서에 최초로 적용하였다. 일반적으로 이산화바나듐(VO2)이 수소 도핑이 되면 금속의 전기적 특성을 가지게 되지만, 그 상태보다 수소가 더 도핑이 되면(예: HVO2) 이산화바나듐 보다 훨씬 비저항이 높은(약 100배 이상 증가) 절연체가 된다.

이 나노입자 광센서의 작동은 광 조사시 격자내부의 가장 안정된 침입형 자리(원자로 이루어진 격자의 사이에 존재하는 공간)에 있던 수소가 다른 불안정한 침입형 자리로 이동하는 현상을 이용한다. 이러한 수소원자의 이동은 매우 빠르고 가역적이며, 특정 전압 구간에서 폭발적인 광전류의 상승을 이끌어내어 높은 반응성과 감도의 원인이 된다.

개발된 광센서는 실온에서 높은 반응성(수만 암페어/와트)과 감도(수조 존스, 광 센서의 탐지율을 나타내는 단위)를 유지하면서도 수 나노초의 반응속도를 보였다. 이러한 성능은 현존하는 이차원 단일층 및 이종구조로 이루어진 적외선 센서 중 가장 우수하며, 반응속도는 1000배 이상 빠르다.

김봉중 교수는 “이번 연구성과는 적외선 광센서에 전이 금속 산화물을 이용한 최초의 연구성과라는 점에서 의의가 있으며, 향후 작은 크기 원자의 도핑을 이용하여 광전소자 및 에너지 소자들의 성능을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.