카이스트, 세계 최초로 비대칭 구조 셀레늄 반도체 나노필름 기술 개발

[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 염지현 카이스트 신소재공학과 교수 연구팀이 셀레늄(Se) 나노결정의 원자수준 카이랄성 제어를 이용해 자외선부터 단파장 적외선까지 감지가능한 광대역 원형편광(CPL) 검출 반도체 소재를 세계 최초로 개발했다.

해당 기술은 원형편광(CPL)을 실온에서 고감도로 감지할 수 있는 필름형 소재다. 빛으로 암호화된 정보를 해독하거나 양자비트(qubit)를 제어하는 등 양자 컴퓨팅과 스핀트로닉스, 광센서 기술의 핵심 소재로 주목받고 있다.

카이랄성(Chirality)은 좌우 비대칭성을 의미하며, 분자 수준뿐 아니라 광학, 의약, 생명현상 전반에 걸쳐 매우 중요한 물리적 특성이다. 특히 빛의 스핀 각운동량을 탐지하는 데 중요한 원형편광(CPL)을 구별하는 기술이다.

연구팀은 기존 CPL 센서가 습기나 자외선에 약하고 열화되기 쉬워 상용화 되기 어렵다는 한계가 있다는 점을 염두에 두고 자연적으로 비대칭 결정 구조(카이랄성)를 갖는 무기 소재인 셀레늄에 주목했다.

셀레늄은 고유한 카이랄성 구조를 가지고 있으며, 성능 안정성을 반영구적으로 늘릴 수 있다. 다만 자연적으로는 원자 구조가 오른쪽과 왼쪽 방향성이 섞여서 존재해 한 쪽 방향성으로 제어하는 것이 어려웠다. 따라서 현실적인 활용에 큰 어려움이 뒤따랐다. 

연구팀은 셀레늄(Se)을 나노 크기 막대 형태의 ‘셀레늄 나노로드’로 만들면서, 그 격자 구조가 왼쪽 또는 오른쪽 방향의 비대칭성(카이랄성)을 갖도록 제어할 수 있는 ‘카이랄성 전이 기술’을 개발했다.

연구팀은 제작한 셀레늄 나노필름 소자가 자외선(180nm)부터 단파장 적외선(2500nm)에 이르기까지 넓은 파장 영역에서 CPL을 감지할 수 있음을 확인했다. 광응답 비대칭성 지수(gres)는 최대 0.4에 달했다.

이는 추가적인 편광 필터 없이 편광 방향을 정밀하게 구분하는 우수한 성능을 가지고 있음을 의미한다. 또한 13개월 이상 공기 중에서 성능 변화 없이 안정적으로 동작함을 실험적으로 확인했다. 무기물 기반 광소자의 장기 안정성 측면에서도 매우 우수함을 입증했다.

 염 교수는 “이번 연구는 반도체 광소재 분야에서 카이랄성 구현 및 분석의 새로운 방법론을 제시한 것”이라며 “빛의 원형편광 정보를 선택적으로 읽고 구분할 수 있는 만큼 빛 기반의 양자 정보 처리나 저전력 반도체 기술 개발에도 응용될 수 있다”고 전했다.

또한 “본 연구에 사용된 셀레늄 나노필름 합성 공정은 상온 환경에서 이루어지며 유해 화학물질이나 고온 열처리가 불필요한 친환경 공정으로 상온에서도 안전하게 실험이 가능하다”며 “양자광학, 보안광학, 생체 진단 및 이미지 센서 등 다양한 분야에 실제 응용 가능한 기반기술로 확장할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 권준영 부경대학교 나노융합공학전공 박사(前 카이스트 박사후연구원, 現 조교수)가 제1 저자로 참여했으며, 김경민 신소재공학과 교수팀과 공동연구로 진행됐다.