UNIST·서울대, 근적외선 ‘좌우 회전 빛’ 읽어내는 고성능 광검출기 개발

- 키랄 유기반도체 박막 열처리로 원편광 구분 성능 3배 향상 

- 자율주행·바이오이미징 활용 기대

연구진 사진. (좌측부터) 김봉수 UNIST 교수, 오준학 서울대 교수, 안재용 서울대 연구원, 김광민 UNIST 연구원. (자료제공: UNIST)

키랄 유기반도체 기반 수직형 원편광 광검출기의 구조와 성능. (자료제공: UNIST)

적외선 빛의 원편광 성분을 검출하는 고성능 광검출기가 개발됐다. 사물의 형태 뿐만 아니라 재질 차이까지 구분할 수 있는 자율주행 센서, DNA·단백질 같은 생체 분자를 관찰하는 바이오이미징 기술 개발 등에 도움이 될 것으로 기대된다. 

UNIST 화학과 김봉수 교수와 서울대학교 오준학 교수팀은 키랄 유기반도체 박막 물질을 수직형 트랜지스터 구조에 적용한 고성능 근적외선 원평광 검출기를 개발했다고 7월 23일 밝혔다. 

원편광 검출기는 사물의 형태와 재질을 구분하는 자율주행 센서나 생체분자 관찰, 보안 기술 등에 쓸 수 있는 광센서다. 빛이 왼쪽으로 회전하는 좌원편광인지 오른쪽으로 회전하는 우원편광인지를 검출하는 것으로, 빛의 회전 방향에 따라 발생하는 전류의 크기를 읽어내는 방식으로 작동한다.

개발된 광검출기는 850나노미터 근적외선에서 원편광 구분 능력을 나타내는 광전류 비대칭 지수 0.1을 기록했다. 비대칭 지수가 높을수록 좌우 편광을 잘 구분할 수 있다. 미세한 빛을 잡음과 구별하는 비검출도는 4.9×10¹¹ 존스, 외부양자효율은 최대 909%였으며, 빛에 반응하는 시간도 600마이크로초 이내였다. 이는 기존 근적외선 원편광 검출기 가운데 최고 수준의 성능이다.

이 같은 고성능의 원인 중 하나는 검출기 안에 들어 있는 키랄 분자 박막을 열처리했기 때문이다. 키랄 분자는 구조의 좌우 대칭이 깨진 특수 분자로, 좌원편광과 우원편광의 흡수율이 달라 별도의 편광 광학부품 없이 빛의 회전 방향을 직접 구분할 수 있다. 

하지만 일반적으로 키랄 분자를 박막 형태로 만들면 비대칭적인 구조 탓에 분자들이 차곡차곡 정렬되지 않아 검출 성능이 저하되는데, 연구팀은 분자 끝에 불소가 달린 키랄 분자 박막을 열처리해 원편광을 구분하는 성능을 높였다.

열처리는 박막 속 분자들을 더 크고 규칙적인 결정 구조로 재배열하는 것으로 나타났다. 실제 불소 치환 박막의 원편광 흡수 선택성은 열처리 전 약 0.03에서 250℃ 열처리 후 약 0.1로 3배 이상 높아졌다. 박막 속 분자 배열을 분석해 보니, 열처리한 박막에서는 분자들이 단결정처럼 규칙적으로 정돈돼 있었다. 실제 단결정의 배열과 비교했을 때도 주요 특징이 일치했다.

열처리 후에는 박막이 더 잘 흡수하고 검출하는 원편광의 방향도 반대로 바뀌었다. 열을 받은 분자들이 다른 적층 구조로 다시 쌓이면서 박막 전체의 나선 배열 방향이 뒤집혔기 때문이다. 반면 분자 끝에 염소가 달린 박막은 약 150℃ 이후에는 구조 변화가 거의 나타나지 않았으며, 열처리 후 원편광 흡수 선택성도 오히려 낮아졌다.

연구팀은 좌원편광과 우원편광의 흡수 차이로 생긴 전류 차이를 증폭할 수 있도록, 이 박막을 수직형 트랜지스터에 적용했다. 수직형 트랜지스터는 수평형보다 전하 이동 거리가 짧고 분자가 쌓인 방향과 전류가 흐르는 방향이 맞아 빛으로 생긴 전하를 빠르게 모으고 증폭할 수 있다. 

공동연구팀은 “분자 말단의 원자 종류와 열처리 온도가 박막의 분자 배열과 원편광 선택성을 어떻게 바꾸는지를 규명해, 고성능 키랄 광전자소자를 만들기 위한 박막 후처리 기준을 제시했다”며 “자율주행용 근적외선 센서와 바이오이미징 등 편광 정보를 정밀하게 읽는 기술에 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 6월 28일 온라인 공개됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]