이번 연구를 수행한 KAIST 연구진. 김윤후(왼쪽부터) 전기및전자공학부 박사과정, 김병수 정보전자연구소 박사, 이정용 교수 [KAIST 제공]

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

최근 양자 큐비트 기술 분야에서는 양자 상태를 확보하기 위해 결정질 반도체를 활용한 아발란체 광다이오드 소자들이 활용된다. 하지만 높은 열잡음으로 인해 극저온 구동이 필수적이며, 적외선 대역에서 높은 탐지 효율을 갖는 소재의 부재로 기술적 한계에 직면했다.

이런 가운데 국내 연구진이 기존 양자점의 한계를 뛰어넘는 차세대 적외선 센서 기술 확보에 성공했다.

KAIST는 전기 및 전자공학부 이정용 교수 연구팀이 콜로이드 양자점을 활용해 하나의 적외선 광자 흡수를 통해 85배의 전자를 생성할 수 있는 아발란체 전자 증폭 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

화학적으로 합성된 반도체 나노입자인 콜로이드 양자점은 용액 기반 반도체로서 적외선 센서의 실용적인 후보로 주목받고 있다. 결정질 반도체와 다른 에너지 구조를 가져 열잡음 생성을 억제하는 장점이 있지만, 전하 이동도가 낮고, 양자점 표면에서 자주 발생하는 불완전 결합 때문에 전하의 재결합이 촉진되어 전하 추출이 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 강한 전기장을 인가해 전자를 가속하여 운동에너지를 얻고, 인접 양자점에서 다수의 추가 전자들을 생성함으로써 상온에서 적외선을 조사 시 신호가 85배 증폭되고 높은 탐지 감도를 가지는 소자를 구현했다. 이는 일반 야간 투시경보다 수만 배 정도 높은 감도를 보여준다.

적외선 광검출기는 자율주행차부터 양자컴퓨팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 하지만, 기존 양자점 기반 기술은 민감도와 잡음 문제로 한계가 있었다.

이번 연구는 새로운 패러다임 전환을 불러올 기술이 될 것으로 기대되며, 양자 기술이 관련된 핵심 원천 기술을 선점함으로써 글로벌 양자 기술 시장을 대한민국이 주도할 수 있는 중요한 기술적 토대를 확보했다고 평가받고 있다.

연구팀 김병수 박사는 “양자점 아발란체 소자는 기존에 보고된 바 없는 신개념 연구 분야로서, 이 기술을 통해 글로벌 자율주행차와 양자 컴퓨팅, 의료 영상 시장 등을 선도할 벤처 기업 육성을 주도할 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 온라인판에 게재됐다. 구본혁 기자