에너지과학과 정소희 교수팀, 세계 최고 성능 ‘친환경 양자점 적외선 카메라’ 최초 구현

- 독성 없는 소재로 기술 국산화... 자율주행·야간 보안의 핵심인 차세대 ‘눈’ 개발

- 기존 대비 누설 전류 1,000배 억제, 성능 20배 향상하며 산업 상용화 혁신

▲ (왼쪽부터) 에너지과학과 정소희 교수, 박영상 박사

에너지과학과 정소희 교수 연구팀이 독성이 없는 친환경 소재인 ‘InAs’ 기반 양자점을 활용해, 세계 최고 수준의 성능을 갖춘 초고속 적외선 센서와 실시간 적외선 이미지 센서(카메라)를 잇달아 개발하며 차세대 적외선 기술의 상용화 가능성을 입증했다.

적외선 광센서는 어두운 밤이나 안개가 자욱한 환경에서도 물체를 정확히 식별할 수 있게 해주는 장치로, 자율주행 자동차의 ‘눈’이라 불리는 라이다(LiDAR)와 야간 보안 감시, 의료용 이미지 촬영 분야의 핵심 부품이다. 하지만 기존에 사용되던 센서는 제작 비용이 매우 비싸고 공정이 복잡하다는 단점이 있었다. 이를 대체하기 위해 연구되던 기존 양자점 센서들 또한 인체에 해로운 ‘납(Pb)’ 성분을 포함하고 있어, 성능이 뛰어나면서도 인체와 환경에 무해한 친환경 소재 개발이 절실한 상황이었다.

▲ 전하수송층의 도핑 조절을 통한 소자 내부 전기장 분포 재구성 및  누설전류 억제. 표면 개질을 통한 실시간 적외선 이미징 솔루션 구현

정소희 교수 연구팀은 센서 내부에서 전기가 불필요하게 새어 나가는 ‘누설 전류’와 이로 인해 신호가 왜곡되는 문제에 주목했다. 연구팀은 기존의 일반적인 구조에서 벗어나, 소자 내부의 전기장을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 설계 방식을 제안했다. 그 결과, 누설 전류를 기존보다 1,000배 이상 줄이는 데 성공했으며, 빛을 감지하는 능력인 광검출도를 20배 이상 향상시켜 친환경 소자의 한계로 지적되던 느린 속도와 잡음 문제를 동시에 해결했다.

나아가 연구팀은 단순한 부품 연구를 넘어, 수만 개의 픽셀이 결합된 카메라 형태의 ‘적외선 이미저’를 세계 최초로 선보였다. 이는 실험실 수준의 기술을 넘어 실제 카메라로 구동이 가능하다는 것을 증명한 것이다. 특히 연구팀이 개발한 표면 처리 기술을 적용하면, 육안으로는 볼 수 없는 밤이나 안개 속에서도 물체를 선명하게 식별할 수 있어 보안 산업 전반에 걸쳐 큰 변화를 가져올 것으로 기대된다.

정소희 교수는 “이번 연구 성과는 친환경 양자점 기술이 단순히 실험실 안의 연구에 머물지 않고, 실제 산업 현장에서 쓰일 수 있는 ‘이미징 시스템’ 단계까지 올라왔음을 의미한다”며 “앞으로 자율주행차뿐만 아니라 민간과 군사 분야를 아우르는 차세대 보안 카메라 시장에서 우리나라가 핵심 기술을 선점하는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업, 미래기술연구실 및 중견연구사업, 교육부의 이공분야 학술연구지원사업과 핵심연구지원센터, 산업통산자원부 산업혁신인재성장지원사업, 시장주도형 K-센서 기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’와 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 각각 게재되어 그 학술적 가치를 인정받았다.

※ 논문명 1: Internal field tailoring enables low noise high speed colloidal quantum dot photodetectors beyond 1500 nm

※ 학술지: Nature communications

※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71335-w

※ 논문명 2: InAs Nanocrystal-based Infrared Imager Operating beyond Telecom Wavelengths

※ 학술지: Nano Letters

※ 논문링크: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00152

※ 관련 영상자료: https://www.youtube.com/watch?v=R3lwkpnhEcA