경희대학교(총장 조인원) 응용물리학과 최석호 교수(교신저자)와 김 성 교수(제1저자)가 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 6월 2일자 온라인판에 '그래핀 양자점 광센서'와 관련한 논문을 게재, 동시에 국내외로 특허를 출원했다. 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단(이사장 정민근)이 추진하는 도전연구사업 및 신진연구자사업의 지원으로 수행됐다.
현재 광검출기 소재로는 실리콘(Si)이나 인듐갈륨비소(InGaAs)가 이용되나 딱딱하고 불투명해 접을 수 있는 투명한 광전자기기에 사용하기에 한계가 있었다. 이러한 문제점을 해결하고자 최근 그래핀, 그래핀 양자점 등과 같은 2차원 물질을 이용하여 투명하고 유연한 광전자기기에 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
최 교수팀은 그래핀 양자점의 소자성능을 향상시키는 방법으로서 높은 광흡수에 의해 다수의 전자-정공 쌍을 생성시키는 나노입자를 그래핀 양자점 근처에 이웃하게 했다. 그리고 그래핀 양자점에서 발생한 전자-정공 쌍에, 나노입자에서 광흡수에 의하여 발생한 전자-정공 쌍을 더함으로써 소자의 효율을 증대시키고자 했다.
이번 연구에서는 그래핀 양자점-나노입자 에너지 전달 구조를 이용한 소자의 첫 번째 응용으로서 그래핀을 투명전극으로 사용한 그래핀 양자점-나노입자 광검출기(광센서)를 제작하고 그 특성을 평가했다. 새롭게 개발한 광검출기는 그래핀 양자점만 있는 광검출기와 비교해 광반응도가 1000배 이상 (~20 A/W) 증가했다. 이는 일반적으로 널리 사용되는 실리콘 및 갈륨비소 기반의 광검출기보다도 100배 이상 높은 수치다.
최 교수는 "이런 그래핀 기반 나노융복합 구조는 하나의 물질이 독립적으로 발휘할 수 있는 효율의 한계를 극복할 수 있는 소자구조로서 인접한 물질의 효율까지 더해져 소자의 효율을 증가시키고 극대화 할 수 있다"며 "또한 이러한 기술은 광검출기 뿐만 아니라 LED, 태양전지, 바이오센서에도 적용이 가능하여 그 성능을 향상시킬 것으로 기대하기 떄문에 광전소자 및 센서 산업 발전에 기여할 것이다"라고 말했다.
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