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페로브스카이트 박막 적층형 광센서 개발...광학 필터없이 빛 파장 분석
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페로브스카이트 박막 적층형 광센서 개발...광학 필터없이 빛 파장 분석
  • 김수철 기자
  • 승인 2020.09.24 17:04
  • 댓글 0
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필터 있어야하는 이미지 센서보다 2배 이상 높은 해상도로 색 구별
광학필터 없이 하나의 수직 적층형 소자만으로 빛의 색과 파장까지 구별
의료, 광통신, 스마트기기·자율주행자동차 등 다양한 산업에 활용 가능
제작된 광센서의 모식도(좌) 및 투과전자현미경으로 관찰한 소자의 단면(우) / 광주과학기술원

국내 연구진이 광학필터 없이도 빛의 색을 구별할 수 있는 차세대 적층형 광센서를 개발했다. 

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 정건영 교수 연구팀은 유무기 하이브리드 페로브스카이트 박막을 이중으로 수직 적층해 광학필터 없이 빛의 파장을 분석하는 단일 광센서를 개발했다고 24일 밝혔다. 

이 광센서는 기존의 광센서보다 매우 향상된 감도와 개선된 해상도가 기대되며, 의료·스마트기기·광통신·자율주행자동차 등 다양한 산업 분야에 널리 활용 가능하다. 

유무기 하이브리드 페로브스카이트는 특정 유기물과 금속 양이온을 혼합했을 때 페로브스카이트 결정구조를 가지면서 형성되는 반도체 박막이다. 가시광 흡수율이 높고, 흡수한 빛으로 광전자-홀 쌍을 만드는 효율이 높다. 

사이언스지에 따르면 페로브스카이트는 티탄산 칼슘(CaTiO3)으로 이루어진 칼슘 타이타늄 산화광물이다. 여러 다른 양이온이 이 구조에 들어갈 수 있어서 다양한 재료 공학 물질로의 개발이 가능하다.

메트릭스상의 페로브스카이트 결정

광센서는 태양전지 기술을 통해 널리 쓰이고 있으며 신재생 에너지 활용과 스마트폰, 사물인터넷(IoT), 광통신 등에 필수 부품이다. 

의료 분야의 경우는 다른 진단 방식에 비해 간편한 진단과 상시 모니터링이 가능해 광센서를 활용한 기술 개발은 활발히 진행되고 있는 추세다. 

연구팀에 따르면 현재까지 상용화된 실리콘 기반의 광센서는 빛의 색와 파장을 구별하기 위해 특정 파장의 빛만 투과시킬 수 있는 광학필터가 장착되어야만 했지만, 광학필터를 광센서와 결합하는 공정에서는 비용이 비싸고 빛이 필터를 통과할 때 양이 줄어들어 광센서 감도 저하의 문제가 발생한다. 

제작된 광센서의 색 구별. 0.5V와 -1V에서 생성되는 광전류 비율을 통한 적(파장 : 625nm), 녹(530nm), 청색(470nm) 광원 구별 (좌), 0.5V와 –1V에서 파장별 센서 감도 (우). /GIST

이번 연구에서 광학필터 없이 하나의 수직 적층형 소자만으로도 빛의 색과 파장까지 구별할 수 있는 새로운 개념의 소자를 GIST 연구팀이 구현했다. 또한 광센서에 가해주는 전압에 따라 각기 다른 빛의 스펙트럼을 추출했다. 

자연광의 색지수를 정확하게 추출해 내는 데 성공한 연구팀은 이 시스템을 이용하면 기존 세 가지 이상의 필터가 요구되는 이미지 센서보다 2배 이상 높은 해상도로 색을 구별할 수 있다고도 했다. 

GIST 신소재공학부 정건영 교수는 "기존 광학필터로 파생되는 문제점들을 단번에 극복할 수 있는 해결책을 제시했을 뿐만아니라 페로브스카이트 물질 활용에 대한 새로운 패러다임을 제시한 연구"라고 말했다. 

또한 향후 고해상도 이미지센서, 광학 기반 바이오센서, 광통신 시스템 등에 영역으로 연구범위를 확장할 예정이라고 밝혔다. 

이번 연구는 광학 분야 저명한 국제 학술지 '레이저 앤 포토닉스 리뷰'에 9월 11일자에 논문명 'Bias-modulated multicolor discrimination enabled by an organic-inorganic hybrid perovskite photodetector with a p-i-n-i-p configuration'으로 온라인 게재되었다. 

공동 교신 저자로 GIST 정건영 교수와 차세대에너지연구소 권순철 박사가 주도한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 신진연구자지원사업, GIST가 지원한 RISE 기관고유사업의 일환으로 수행됐다.


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