- 흡광층 두께–전하 수송 trade-off 한계 극복… 두꺼운 페로브스카이트층에서도 듀얼모드 안정 구현
- 1V 이하 저전압에서 단일 소자로 VIS/NIR 분광 감지 가능
- 광전자·센서 분야 최상위 국제학술지 Chemical Engineering Journal 게재

▲ 왼쪽부터 동국대 성준영 석사과정생, 동국대 권순철 교수, 부산대 김민성 박사과정생, 부산대 이길주 교수, 전남대 김형훈 교수

동국대학교–부산대학교–전남대학교 공동연구팀(교신저자 동국대 권순철 교수, 부산대 이길주 교수, 전남대 김형훈 교수 / 제1저자 동국대 성준영 석사과정, 부산대 김민성 박사과정)은 블랙 실리콘과 페로브스카이트를 결합한 저전압 구동 듀얼모드(back-to-back) 광검출기를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 단일 소자에서 가시광(VIS)과 근적외선(NIR)을 외부 광학 필터 없이 선택적으로 감지할 수 있는 차세대 광센서 구조를 제시한다.

최근 자율주행, 환경 모니터링, 보안·감시, 바이오메디컬 이미징 등 다양한 응용 분야에서 입사광의 파장 정보를 동시에 획득할 수 있는 소형·저전력 광센서에 대한 요구가 증가하고 있다.

기존 분광 시스템의 대안으로 주목받은 back-to-back(BtB) 구조 기반 적층형 듀얼모드 광검출기는 광흡수 증가와 전하 수송 효율 사이에 trade-off가 발생하는 구조적 한계가 있어 흡광층 두께를 충분히 확보하기 어려웠다. 페로브스카이트 흡광층이 두꺼우면 가시광 흡수는 향상되지만, 전하 이동 경로가 길어지며 저항이 증가하고 전하 수집 효율은 낮아져 듀얼모드 동작과 근적외선 감지 성능이 크게 제한됐다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 나노구조 블랙 실리콘을 페로브스카이트 흡광층과 결합한 새로운 BtB 광검출기 구조를 설계했다. 금속보조화학식각(MACE) 공정을 통해 형성된 블랙 실리콘은 수직 나노 기둥 구조를 가지며, 입사광의 반사를 효과적으로 억제해 넓은 파장 영역에서 우수한 흡광 특성을 가진다.

특히 블랙 실리콘의 나노구조는 페로브스카이트층 내부에서의 전하 이동 거리를 국소적으로 단축시켰다. 이를 통해 기존 BtB 구조에 적용하기 어려웠던 약 500nm 수준의 두꺼운 페로브스카이트 흡광층을 유지하면서도, 전하 수송 저하 문제를 효과적으로 해결했다. 또한, 가시광 영역의 광흡수는 증가시키면서도 back-to-back 구조 고유의 듀얼모드 동작 특성을 안정적으로 구현했다.

개발된 광검출기는 1V 이하의 저전압 조건에서도 인가 전압의 극성에 따라 음의 바이어스에서는 가시광 선택적 감지, 양의 바이어스에서는 근적외선 선택적 감지가 가능하다. 특히 근적외선 영역에서는 기존 평탄 실리콘 기반 소자 대비 현저히 향상된 광응답 특성을 보여, 블랙 실리콘이 단순한 항반사층을 넘어 두꺼운 흡광층과 듀얼모드 광검출을 동시에 가능하게 하는 핵심 구조 요소임을 입증했다.

더 나아가 연구팀은 단일 픽셀 이미징 실험을 통해, 바이어스 전환만으로 서로 다른 파장 이미지 정보를 선택적으로 재구성할 수 있음을 보여줬다. 이는 외부 광학 필터 없이도 소형·집적형 분광 이미징 시스템 구현이 가능함을 보여주는 결과로, 차세대 광전자 플랫폼으로의 확장 가능성을 제시한 것이다.

권순철 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 흡광층의 두께 증가로 인해 발생하던 기존 듀얼모드 광검출기의 구조적 한계를 블랙 실리콘을 통해 효과적으로 극복했다는 점에서 의미가 크다”며, “저전력·고집적 차세대 광센서 플랫폼으로서 다양한 광전자 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)과 대한민국 산업통상자원부(MOTIE)의 지원(No. 20224000000020) 및 과학기술정보통신부(MSIT)의 지원을 받아 한국연구재단(NRF)이 지원한 연구(RS-2024-00421857)로 수행되었으며, <Low-bias, broadband photodetection enabled by MAPbI₃/black silicon dual-mode photodetector for compact optoelectronic platforms>라는 제목으로 광전자·센서 분야 최상위 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal (IF = 13.2)」에 게재되었다.