이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 메타표면 기반 그레핀 양자점, 산화아연 양자점, 금-백금 코어쉘 나노입자 하이브리드 기술 개발, 포토디텍터 탐지력 월등히 향상

광운대학교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 슈센린 석박통합과정 연구원(제1저자)과 함께 메타표면 플라즈몬 입자 기반의 금-백금 코어쉘 나노입자 (AuPt alloy hybrid nanoparticles (AHNPs), 그레핀 양자점 (graphene QD) 및 산화아연 양자점 (ZnO QDs)을 통합한 ‘하이브리드 UV (자외선) 포토디텍터’를 개발하는데 성공했다.

자외선(UV)은 피부노화 및 피부암과 같은 다양한 질병을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 작물 생산에 직접적인 영향을 미치고, 건축물의 수명에도 영향을 미치는 등, 우리 생활에 밀접을 영향을 가진다. UV 검출은 화염 감지, 공장 자동화, 미사일 발사 감지, 위성 통신, 오염 모니터링, 환경 모니터링, 생화학 분석 등에 폭넓게 쓰이고 있어, 많은 연구가 진행되고 있는 광전자 분야이다. 포토디텍터(photodetector, PD)는 광자와 전자기파를 탐지하는 광전자 소자이다. 포토디텍터는 광자를 전자로 전환하는 액티브 레이어와 이를 전도하는 층으로이루어지며, 흡수된 광자는 전자/정공 쌍을 생성하여, 광전류를 형성한다. 따라서, 액티브 레이어의 구성이, 포토디텍터 성능 향성의 결정적 요소가 된다. 최첨단 광검출기는 초고감도, 초감지력 및 빠른 응답을 요구하며 현재 다양한 재료 및 디바이스 구조가 연구되고 있다.

이지훈 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 새롭게 제안된 근자외선(NUV) 하이브리드 광검출기 구조개선을 제안하였으며, 하이브리드 구조 통합을 실현하여 향상된 포토디텍터 성능을 구현하였다. 금-백금 코어쉘 나노입자는 플라즈모닉 공명 현상을 이용하여 풍부한 국소화된 표면 플라즈몬 공명 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 및 핫스팟 (Hot spots)을 제공하고, 풍부한 광전자 생성에 기여하였다. 또한, 이그레핀 양자점 (graphene QD)을 포토디텍터 엑티브 층(layer)에 하이브리드 융합시켜, 추가 광전자 생성을 유도하는데 성공하였다. 우수한 산화아연 양자점 층은 디바이스 액티브 레이어의 낮은 암전류(Dark current)를 제공하고, 광전류 생성에 기여 하였다. 이를 통하여, 포토디텍터 디바이스 타지력을 월등히 향상시켰으며, 극소량의 광자 탐지는 초기 화염 탐지, 바이러스 탐지 등에도 응용이 가능하다.

이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 BK-21, 중점연구소와 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 ACS Applied Materials & Interfaces (JCR Q1 IF: 10.38) 온라인 판에 “Hybrid UV Photodetector Design Incorporating AuPt Alloy Hybrid Nanoparticles, ZnO Quantum Dots, and Graphene Quantum Dots”의 제목으로  게재되었다.

온라인 중앙일보