성균나노과학기술원 전일 교수 연구팀, 빠른 속도로 빛을 검출하는

비납계 페로브스카이트 포토디텍터 개발

- 주석 기반 페로브스카이트 개발로 노이즈 억제 원리 규명

- Advanced Functional Materials 표지 논문 선정

▲ 성균나노과학기술원 전일 교수(왼쪽, 교신저자)와 김규선 연구원(오른쪽, 제1저자)

기존 연구대비 빠른 속도로 빛을 검출해낼 수 있는 비납계 페로브스카이트* 소재 기반 포토디텍터*가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

* 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있음

* 포토디텍터(photodetector): 이미지 센서, 광센서 등에서 빛을 감지하는 소자 부분

성균관대학교 전일 교수, 김규선 박사는 중앙대학교 왕동환 교수, 장웅식 박사 공동연구팀과 함께 납을 사용하지 않은 페로브스카이트 소재 박막의 안정성 향상을 위해 패시베이션* 공정을 도입하여 노이즈*가 효과적으로 억제된 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

* 패시베이션(passivation): 표면의 반응을 막기 위해 용매 등의 처리를 통해 피막을 형성하여 부동태화하는 공정

* 노이즈: 다른 신호의 간섭을 비롯한 의도하지 않은 입력 신호의 왜곡으로, 감지를 방해하는 전기신호

최근 무기 감광 소재를 대체할 수 있는 차세대 감광 소재로 조성에 따라 흡광도 조절이 가능한 페로브스카이트 소재가 각광받고 있지만, 납으로 인한 유해성으로 상용화에 어려움이 있었다.

또한, 기존의 납계 페로브스카이트는 납 이온과 할로겐 이온 사이의 결합력이 상대적으로 낮아 이온들이 구조 내에서 쉽게 이동이 가능한데, 이러한 특성은 외부 전하의 주입을 쉽게 해 포토디텍터 성능 저하의 가장 큰 원인인 노이즈 발생을 야기해 왔다.

이에 공동연구팀은 납을 대체할 수 있는 성분인 주석 소재를 활용, 안정적으로 박막을 형성할 수 있는 패시베이션 기술을 적용해 양질의 비납계 페로브스카이트 소재를 개발하는 데 성공했다.

기존의 납계 소재와 달리 주석을 기반한 페로브스카이트 소재는 주석과 할로겐 이온의 강한 결합 에너지를 통해 내부 이온의 이동을 제한함으로써 포토디텍터 내에서의 노이즈 발생을 억제하는 데 탁월함을 보였다.

▲ 주석 기반 비납계 페로브스카이트 포토디렉터 구조 및 주석 성분에 의한 노이즈 억제 효과

이를 통해 성능을 악화시키는 주입 전류가 차단됨으로써 우수한 감광 능력과 빠른 속도를 갖춘 비납계 페로브스카이트 포토디텍터 구현이 가능함을 검증할 수 있었다. 이번 연구로 주석 기반 페로브스카이트 소재가 적용된 차세대 포토디텍터가 구현됨으로써, 친환경 기술과 성능 향상 기술의 동시 구현이 가능할 것으로 예상하고 있다. 특히, 다양한 페로브스카이트 소재 기반 차세대 광전변환소자 및 디스플레이 분야에서의 적용이 가능할 것으로 보여 관련 기술 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

전일 교수 연구팀의 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 12월 16일 게재되었고, 연구 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정되었다.