신개념 양자점 적외선 센서 개발…기존 성능보다 10배 이상↑

[아이뉴스24 정종오 기자] 최근 양자 큐비트 기술 분야에서는 양자 상태를 확보하기 위해 결정질 반도체를 활용한 아발란체 광다이오드 소자들이 활용되고 있다. 높은 열잡음으로 인해 극저온 구동이 필수적이며, 적외선 대역에서 높은 탐지 효율을 갖는 소재의 부재로 기술적 한계에 직면했다.

한국과학기술원(KAIST) 연구팀은 양자점 소재가 차세대 양자 기술로 활용될 돌파구를 제시했다. 아발란체 광다이오드 소자는 매우 미세한 빛을 증폭해 감지하는 고성능 센서 소자로서 야간 투시경이나 자율주행차, 우주 관측, 양자통신 등에 사용한다.

KAIST(총장 이광형)는 전기 및 전자공학부 이정용 교수 연구팀이 콜로이드 양자점을 활용해 하나의 적외선 광자 흡수를 통해 85배의 전자를 생성할 수 있는 아발란체 전자 증폭 기술을 개발해 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 감도를 달성했다고 8일 발표했다.

아발란체 전자 증폭 기술은 강한 전기장이 인가된 반도체에서 전자가 가속돼 인접 원자와 충돌을 통해 다수의 전자를 생성하는 신호 증폭 기술을 일컫는다.

화학적으로 합성된 반도체 나노입자인 콜로이드 양자점은 용액 기반 반도체로서 적외선 센서의 실용적 후보로 주목받고 있다. 결정질 반도체와 다른 에너지 구조를 가져 열잡음 생성을 억제하는 장점이 있는데 전하 이동도가 낮고 양자점 표면에서 자주 발생하는 불완전 결합 때문에 전하의 재결합이 촉진돼 돼 전하 추출이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 강한 전기장을 인가해 전자를 가속, 운동에너지를 얻고 인접 양자점에서 다수의 추가 전자들을 생성함으로써 상온에서 적외선을 조사했을 때 신호가 85배 증폭되는 등 일반 야간 투시경보다 수만 배 정도 높은 감도를 보여준다.

적외선 광검출기는 자율주행차부터 양자컴퓨팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 핵심적 역할을 하는데 기존 양자점 기반 기술은 민감도와 잡음 문제로 한계가 있었다.

이번 연구는 새로운 패러다임 전환을 불러올 기술이 될 것으로 기대된다. 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 분야”라며 “이번 원천 기술을 통해 글로벌 자율주행차와 양자컴퓨팅, 의료 영상 시장 등을 선도할 벤처 기업 육성을 주도할 수 있을 것”이라고 말했다.

KAIST 정보전자연구소 김병수 박사와 IMEC의 이상연 박사, 한국세라믹기술원의 고현석 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명 : Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors)는 국제학술지 `네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 12월 18일 자 온라인판에 실렸다.

KAIST 연구팀이 하나의 광자 흡수를 통해 약 85개의 전자를 생성하는 전자 증폭 기술 등을 이용해 높은 탐지 감도를 달성한 양자점 소자를 개발했다.