이지훈 교수 연구팀, 페로브스카이트 양자점 기반 근자외선(NUV) 포토센서

효율성 및 반응속도 향상 구현

- 양극산화알루미늄(AAO), 메타표면 플라즈몬 나노입자 및 무기 페로브스카이트 CsPbBr3 양자점 나노-하이브리드 (Nano-Hybrid) 구조에 기반하여 향상된 효율과 반응성의 근자외선 (NUV) 포토센서 개발 -

- JCR IF 11.459 Small 과학전문지 게재 -

본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀(사진)은 우한공과대학 이명옥 교수팀(Wuhan university of technology, Wuhan, China, 본교 전자공학과 박사 출신)과 국제공동연구를 통해 페로브스카이트 양자점 기반 근자외선 (NUV) 포토센서의 효율 및 반응성 향상에 성공했다. 새롭게 제안된 근자외선 포토센서 구조는 양극산화알루미늄 (AAO)를 입사광 반사기판으로 적용하여 다중 광자활용 구조를 만들었고 플라즈몬 나노입자 및 페로브스카이트 양자점 나노-하이브리드 구조를 액티브 레이어로 사용하여 전자-정공 생성율을 혁신적으로 향상 시키는 구조이다.

근자외선 (NUV) 포토센서는 환경 및 생물학적 모니터링, 광전자, 산업 자동화, 화염 감지, 군사, 통신 및 우주 탐사 등의 광범위한 응용 분야에서 많은 관심을 얻고 있다. 예를 들어, UV 통신 시스템은 가시광선의 간섭이 적고, 기상조건 및 산란에 둔감하기 때문에, 이를 응용한 무인 접지센서 네트워크 시스템이 성공적으로 개발되었으며, 무인 화염감지 시스템에도 적외선 센서와 더불어 적용되어, 초기 화염 감지 등에 아주 유용하게 응용이 가능하다. 우수한 UV 포토센서 시스템 응용을 위해서는 고감도, 빠른응답, 낮은 소비전력 및 안정적인 구동이 선제 조건이 된다.

페로브스카이트(perovskite)는 티탄산칼슘(CaTiO3)으로 이루어진 칼슘타이타늄 산화광물로서, 1839년에 구스타프 로즈(Gustav Rose)에 의해 러시아의 우랄 산맥에서 발견되었으며, 러시아의 광물학자인 레브 페로브스키(Lev Perovski, 1792-1856)의 이름을 따서 명명되었다. 초기 발견이래 현재까지 수십종의 페로브스카이트의 물질이 구현되고 있으며 다양한 광전자소자 적용가능성에 대한 활발하게 연구가 진행되고 있다. 페로브스카이트는 우수한 광전자 특성을 나타내고 있어, 차세대 태양전지, LED, 포토센서 등에 적용되고 있다.

하지만, 페로브스카이트는 안정성이 다소 취약한 약점을 가지고 있다. 예를 들면, 대기중에서 습도에 노출되면 자가분해를 통하여 자체적으로 퇴화하는 특성을 가지고 있으며, 일반적인 반도체 공정에서 자주 사용되는 열처리에 다소 약한 특성을 가지고 있다. 동시에 나노 크기의 작은 금속성 나노구조체, 즉 메타표면 플라즈몬 나노입자,는 입사 광자에 의해 여기 될 때 표면 전자의 집단진동 (Resonant Coupling)을 통해 강한 광흡수, 산란 및 국소 전자기장의 특성인 국소화된 표면 플라즈몬 공명 (localized surface plasmon resonance, LSPR) 효과를 나타낸다. 메타표면 플라즈몬 나노입자의 LSPR 특성은 특히, 포토 디텍터의 광반응을 혁신적으로 개선시킬 수 있다.

사진 설명: CsPbBr3 QD 기반 Ag NP / AAO 플라즈몬 나노구조 근자외선 (UV) 포토센서 구조 및 광 반응성 측정 도표

이번 연구에서 국제공동연구팀은 입사광 제한에 의한 무기 페로브스카이트 CsPbBr3 양자점 (QD)의 포토센서 성능 한계를 돌파하는 새로운 근자외선 포토센서 디바이스 구조를 제안하였다. 또한, 메타표면 플라즈몬 나노입자가 장식된 양극산화알루미늄 (AAO) 하이브리드 나노구조에 페로브스카이트 액티브 양자점 레이어를 적용하여, 근자외선 (NUV) 포토센서의 효율성 및 반응성 향상하였다.

일반적인 포토센서 구조에서는 광자의 입사시 전자-전공 생성이 1회 이루어진다. 양극산화알루미늄 (AAO) 하이브리드 나노구조 적용시, 광자의 나노구조내 산란으로 주기적 광자 활용이 가능해진다. AAO 매트릭스 내에서 플라즈몬 결합에 의해 유도된 광자는 다중 간섭을 효과적으로 모을 수 있는 기공 크기를 제어함으로서 최적화 되었다. 또한 대기에서 제조된 CsPbBr3 양자점 (QD)은 명백한 분해없이 수주 동안 습한 공기(90% ？95% RH)에 노출 될 때 향상된 안정성을 보여주었다. 제안된 ‘CsPbBr3 QD / Ag NPs / AAO 하이브리드 나노구조’ 기반 근자외선 (UV) 포토센서는 1V 490nm 조명 아래에서 비교 디바이스에 비해 43배 향상된 혁신적인 광반응 효율 및 150 ms의 아주 우수한 반응속도를 나타내었다.

한편, 이번 연구는 광운대 이지훈 교수팀과 이명옥 교수팀(Ming-Yu Li, Wuhan university of technology, Wuhan, China)의 국제공동연구로 이루어졌다. 우리 대학에서는 Sundar Kunwar박사과정 학생이 디바이스 측정 및 나노물질 생성에 공동연구원으로 참여하였다. 본 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 중점연구소 및 중견연구자 지원사업으로 수행되었고 연구결과는 “Enhanced Spatial Light Confinement of All Inorganic Perovskite Photodetectors Based on Hybrid Plasmonic Nanostructures”의 제목으로 과학전문지 Small (IF: 11.459)에 2020년 11월자 온라인 판에 출판되었다.

* Web link : https://doi.org/10.1002/smll.202004234