융합공학부 왕동환 교수가 빠른 속도로 빛을 검출하는 비납계 페로브스카이트 소재 기반 포토 디텍터를 개발했다. 주석을 기반으로 한 페로브스카이트 소재를 개발함으로써 노이즈 억제 원리를 규명하는 성과도 거뒀다. 

페로브스카이트(perovskite)는 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조다. 높은 전하 이동과 빛 흡수성을 지니고 있어 차세대 태양전지 개발의 선두주자로 손꼽힌다. 

페로브스카이트는 흡광도 조절이 가능해 무기 감광 소재를 대체할 수 있는 차세대 감광 소재로 각광받고 있지만, 납으로 인한 유해성이 있어 상용화하는 데 난항을 겪어왔다. 또한, 기존 납계 페브로스카이트는 납 이온과 할로겐 이온 사이 결합력이 상대적으로 낮다. 이온들이 구조 내에서 쉽게 이동하는 특성으로 인해 외부 전하의 주입을 쉽게 만들어 이미지센서나 광센서에서 빛을 감지하는 소자인 포토디텍터의 성능 저하를 부르는 노이즈 발생을 야기해 왔다. 

왕동환 교수는 성균관대와 공동 연구팀을 구성해 납을 대체할 수 있는 성분인 주석 소재를 활용했으며, 페로브스카이트 소재 박막의 안정성을 향상시키고자 패시베이션 공정도 도입했다. 표면 반응을 막기 위해 용매 등의 처리를 통해 피막을 형성해 부동태화하는 해당 공정을 적용한 결과 노이즈를 효과적으로 억제한 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다. 

주석 기반 비납계 페로브스카이트 포토디텍터 구조 모식도 및 주석 성분에 의한 노이즈 억제 효과 설명 그림.

주석 기반 비납계 페로브스카이트를 적층한 포토디텍터 모식도. 기존 페로브스카이트 구조에서는 납에 의한 결합력 저하로 내부 이온 이동에 의한 노이즈가 발생하지만, 본 연구에서 개발한 비납계 페로브스카이트는 주석에 의한 결합력 증가로 내부 이온 이동을 최소화하여, 주입 장벽을 유지함으로써 노이즈 발생을 억제하여, 차별화된 포토디텍터 구현이 가능함.

주석 소재를 활용한 새로운 페로브스카이트 소재는 주석과 할로겐 이온의 강한 결합 에너지를 통해 내부 이온의 이동을 제한함으로써 노이즈 발생을 억제하는 데 탁월한 성능을 보였다. 성능을 약화시키는 주입 전류가 차단되면서 우수한 감광 능력과 빠른 속도를 갖추는 장점도 보유하게 됐다. 

새롭게 개발된 주석 기반 페로브스카이트 소재를 적용한 차세대 포토디텍터는 친환경과 성능 향상을 동시에 구현한 기술이기에 기대를 모은다. 향후 페로브스카이트 소재를 기반으로 한 다양한 차세대 광전변환소자와 디스플레이 분야에 적용도 가능할 전망이다. 

본 연구에서 개발한 주석 기반 비납계 페로브스카이트 소재의 구조 및 포토디텍터를 이용한 이미지 센서 적용. 

본 연구를 통해 개발된 주석 기반 비납계 페로브스카이트 포토디텍터를 이미지 센서에 적용하였을 경우, 나타나는 기대효과에 대한 설명으로, 어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈의 전면 표지 논문으로 선정됨. 기존 납계 페로브스카이트 포토디텍터보다 우수한 감광 성능과 빠른 반응 속도를 통해 빠르게 움직이고 있는 벌의 날개 움직임을 정확하게 포착할 수 있음. 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구 및 신진연구)의 지원을 받아 수행된 것이다. 연구성과는 12월 16일 재료 분야 국제 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 게재됐으며, 우수성을 인정받아 표지 논문으로도 선정됐다. 

왕 교수는 “비납계페로브스카이트 소재는 납을 포함하지 않아 산업계에서 보다 친환경적으로 적용 가능하다. 용액 공정이 가능한 소재이기에 비교적 용이한 방법으로 적층이 가능하다”며, “향후 트랜지스터 접합 기반 픽셀 회로의 집적기술과 융복합기술을 통해 고성능 차세대 이미지 센서를 개발한다면, 다양한 신산업을 이끌어 나갈 수 있을 것”이라고 전했다.