“자외선·단파장·적외선 동시 검출” KAIST, 셀레늄 반도체 신소재 개발

 염지현 신소재공학과 교수 연구팀
“유기물 없이 빛 방향성 감지 가능”

권준영(왼쪽) 부경대 나노융합반도체공학부 교수와 염지현 KAIST 신소재공학과 교수 [KAIST 제공]

KAIST는 염지현 신소재공학과 교수 연구팀이 셀레늄(Se) 나노결정의 원자수준 카이랄성 제어를 이용, 자외선부터 단파장 적외선까지 감지가능한 광대역 원형편광(CPL) 검출 반도체 소재를 세계 최초로 개발했다고 28일 밝혔다.

이 기술은 원형편광(CPL)을 실온에서 고감도로 감지할 수 있는 필름형 소재로, 빛으로 암호화된 정보를 해독하거나 양자비트를 제어하는 등 양자 컴퓨팅과 스핀트로닉스, 광센서 기술의 핵심 소재로 주목받고 있다.

카이랄성은 좌우 비대칭성을 의미하며, 분자 수준뿐 아니라 광학·의약·생명현상 전반에 걸쳐 매우 중요한 물리적 특성이다. 특히 빛의 스핀 각운동량을 탐지하는 데 중요한 원형편광을 구별하는 기술이다.

기존 CPL 센서가 습기나 자외선에 약하고 열화되기 쉬운 문제로 상용화에 큰 한계가 있다는 점을 염두에 두고, 연구팀은 자연적으로 비대칭 결정 구조(카이랄성)를 갖는 무기 소재인 셀레늄에 주목했다.

셀레늄은 고유한 카이랄성 구조를 갖고 있으며, 성능 안정성을 반영구적으로 늘릴 수 있다. 하지만 자연적으로는 원자 구조가 오른쪽과 왼쪽 방향성이 섞여서 존재하며, 한쪽 방향성으로 제어하는 것은 매우 어려워 현실적인 활용에 큰 어려움이 있었다.

연구팀은 셀레늄을 나노 크기 막대 형태의 ‘셀레늄 나노로드’로 만들면서, 그 격자 구조가 왼쪽 또는 오른쪽 방향의 비대칭성(카이랄성)을 갖도록 제어할 수 있는 ‘카이랄성 전이 기술’을 개발했다.

제작한 셀레늄 나노필름 소자가 자외선(180㎚·나노미터)부터 단파장 적외선(2500㎚)까지 넓은 파장 영역에서 CPL을 감지할 수 있음을 확인했으며, 광응답 비대칭성 지수가 최대 0.4에 달하는 즉, 추가적인 편광 필터 없이 편광 방향을 정밀하게 구분하는 우수한 성능을 기록했다.

염 교수는 “빛의 원형편광 정보를 선택적으로 읽고 구분할 수 있는 만큼, 빛 기반의 양자 정보 처리나 저전력 반도체 기술 개발에도 응용될 수 있다”며 “연구에 사용된 셀레늄 나노필름 합성 공정은 상온 환경에서 이루어지며, 유해 화학물질이나 고온 열처리가 불필요한 친환경 공정으로, 상온에서도 안전하게 실험이 가능하다”고 말했다. 이어 “양자광학, 보안광학, 생체 진단, 이미지 센서 등 다양한 분야에 실제 응용 가능한 기반기술로 확장할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 지난 3일 게재됐다. 구본혁 기자