▲ 스캘럽(Scallop)-페로브스카이트 양자점(CsPb0.6Sn0.4I3) 이종접합 텐덤 광센서 개요도(그림=전북대)  © 특허뉴스

자율주행 자동차부터 우주 탐사까지, 미래 산업의 눈 역할을 할 차세대 실리콘 기반 근적외선(NIR) 광센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 전북대학교 김기현 교수팀과 서울시립대학교 김민 교수팀은 기존 실리콘 센서의 한계를 극복하고도 CMOS 공정에 호환되는 고성능 광센서 기술을 선보이며, 고비용 소재인 InGaAs를 대체할 가능성을 열었다. 이 기술은 재료 및 소자 분야 세계적 학술지 ‘Small Science’에 게재되며 국제적 주목을 받고 있다. 

실리콘은 저비용이지만, 1,000nm 이상의 근적외선 흡수율이 낮아 고급 센서 소재로는 한계가 있었다. 이에 따라 InGaAs 같은 고가 화합물 반도체가 사용돼 왔으나, 비용 부담과 CMOS 비호환성이 문제였다.

공동 연구팀은 ‘스캘럽 나노선 구조’와 ‘페로브스카이트 양자점’을 결합한 텐덤 구조를 개발해 이 문제를 해결했다.

스캘럽 구조는 나노선 측벽에서 다중 반사와 Whispering Gallery Mode(WGM) 공진 현상을 유도해 빛의 체류 시간을 증가시킨다. 여기에 납(Pb)을 주석(Sn)으로 일부 치환한 CsPb₀.₆Sn₀.₄I₃ 양자점을 결합, 장파장 흡수력을 극대화하고 실리콘과의 밴드 정렬을 최적화했다.

그 결과, 1,000nm 파장에서 기존 실리콘 대비 77.1% 향상된 광전변환효율(IPCE)을 기록했으며, 8.2μs 수준의 빠른 응답속도와 200회 이상의 안정적 On/Off 반복성도 입증됐다.

이 센서는 저온 스프레이 코팅 방식으로 대면적 구현이 가능하며, 상용 CMOS 공정 호환성을 그대로 유지한다. 이는 곧, 자율주행용 LiDAR, 우주탐사 및 항공 센서, 방위산업 정밀 광학장비 등 고성능·고신뢰성을 요구하는 분야에서 대규모 적용이 가능함을 의미한다.

연구팀은 “고가의 InGaAs 센서를 대체할 수 있는 실리콘 기반 근적외선 센서의 상용 가능성을 처음으로 제시한 연구”라며, “향후에는 실리콘과 양자점 계면의 안정성, 장기 신뢰성을 확보하는 방향으로 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.