유기물 없이 작동하는 차세대 원형편광 센서 개발…KAIST, 무기 반도체 기반 기술 확보

• 유기물 없는 원형편광 감지 반도체 개발
• 셀레늄 카이랄성 구조 제어 기술 적용
• 기존 대비 4배 성능·13개월 이상 안정성 확보

국내 연구진이 유기물을 쓰지 않고도 빛의 편광 방향을 감지할 수 있는 반도체 소재를 개발했다. 기존 센서가 갖는 불안정성 문제를 해결하면서, 양자 정보와 차세대 광소자 분야의 핵심 기술로 주목된다.

KAIST 신소재공학과 염지현 교수 연구팀은 셀레늄(Se)의 고유 구조를 활용해 원형편광(CPL)을 감지할 수 있는 무기 반도체 센서를 구현했다고 28일 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판(5월 3일 자)에 게재됐다.

빛은 파장, 진폭, 위상 외에도 편광이라는 특성을 갖는다. 특히 원형편광은 빛의 전기장이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 상태를 뜻한다. 이는 양자 정보 처리, 스핀 광학, 광 기반 암 진단 등에서 필수적인 정보다.

지금까지는 원형편광을 감지하기 위해 유기 고분자나 페로브스카이트 기반 소자가 주로 활용됐다. 하지만 이들 소재는 습기나 자외선에 취약해 장기간 사용이 어렵다는 단점이 있었다.

KAIST 연구팀이 개발한 셀레늄 기반 카이랄 박막은 육안으로 구분 가능한 외관(a)과 나노 격자 구조(b)를 가지며, 다양한 편광 빛에 따라 뚜렷한 전류 반응 차이(c)를 나타낸다. 왼손형과 오른손형 구조에 따라 광학적 반응성이 다르게 나타났고(d), 13개월이 지난 뒤에도 성능이 유지되는 안정성(e)과 반복 실험에서도 일관된 응답성(f)을 보였다.

연구팀은 유기물 없이도 카이랄성(비대칭적인 거울상 구조)을 구현할 수 있는 셀레늄에 주목했다. 셀레늄은 나선형 구조를 가지는 무기물로, 이론적으로는 좌우 회전 방향의 빛을 구분할 수 있다. 그러나 천연 셀레늄에는 오른손형과 왼손형이 섞여 있어 감지가 불가능했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 셀레늄을 나노미터(㎚) 크기의 막대 형태로 만든 뒤, 이를 격자 구조로 배열해 특정 방향성을 갖도록 제어하는 기술을 개발했다. 이렇게 만든 소재는 자외선부터 단파장 적외선까지 넓은 파장에서 원형편광을 감지할 수 있다. 기존 원형편광 센서 대비 광응답 지수도 4배 이상 높다고 연구팀은 설명했다.

안정성 역시 개선됐다. 실험 결과, 이 센서는 13개월 이상 공기 중에서 성능 저하 없이 작동했다.

염 교수는 “무기물 기반으로도 안정적인 원형편광 감지가 가능함을 입증했다”며 “빛을 활용하는 저전력 반도체 기술, 양자 정보 처리 분야에서 응용 가능성이 크다”고 말했다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr