[대학저널 임지연 기자] 아주대학교(총장 박형주) 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 교류광전효과를 이용해 검출률이 높고 응답 시간 또한 빠른 근적외선 이미지 센싱 소자를 개발했다.

관련 내용은 ‘광대역 교류 광전효과: 고성능 감지와 신체 통증 이미징 활용(Broadband alternating current photovoltaic effect: An application for high-performance sensing and imaging body aches)’이라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 <나노 에너지(Nano Energy)> 8월 29일자 온라인판에 게재됐다.

아주대 박지용 교수, 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원(제1저자)이 함께 참여했다.

아주대 연구팀은 근적외선 활용이 가능한 광 센서 소자를 개발하기 위해 고품질 이산화티타늄 산화물(TiO2) 나노 필름을 실리콘(Si) 기판 위에 적층하고, 계면 특성을 제어하는 기술을 확보했다. 이와 동시에 은나노선을 이용해 광학 응답성을 극대화하는 광 검출 소자 구조를 개발했다.

이를 통해 기존보다 훨씬 높은 스위칭 비율(≈1E4)과 높은 검출률(≈1E11 Jones), 빠른 응답 시간 (~ 120 μs)의 고성능 광 검출 소자를 구현하는 데 성공했다. 기존에 상용화된 근적외선 검출 소자에 비해 모든 면에서 훨씬 우수한 성능이다.

연구팀은 광 센서에 교류 광전류를 이용했는데, 빠르게 꺼짐과 켜짐을 반복하는 입사광을 이용해 광 소자에서 전력을 스스로 생산하므로 외부 전원을 필요로 하지 않는다. 연구팀이 개발한 광 센서는 태양전지에서 활용되는 직류 광 전류에 비해 약 3만 9천 배 높은 광전류를 발생시켜 의료용에 적합한 고감도 광 센싱이 가능하다.

연구팀은 전도성 및 정전기 원자 현미경을 이용하여 이번에 발견한 광 센서의 작동 원리를 규명해냈다. 교류 광 입사로 인해 반도체 내부에 생성된 광 전하들이 위치별로 불균형적으로 생성되고, 이로 인한 ‘준 페르미 레벨 분할 및 재정렬’에 따르는 물리적 현상이 빠른 응답성과 높은 검출률의 특성을 유발함을 증명해 낸 것이다.

서형탁 교수는 “이번에 개발한 소자를 이용하여 스캔 이미징 방식으로 손가락 근조직의 내부 변화를 이미지화하는 데 성공했다”며 “이 소자를 이용하면 초고속으로 신체 통증을 감지하고 통증 부위를 이미징하는 것이 가능하다”고 설명했다.

이어 서 교수는 “근육뿐 아니라 다양한 신체 내부 조직의 변화 진단에 적용할 수 있을 것으로 기대하며, 특히 소아 대상 진단에 활용성이 높을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐으며 특허 출원이 진행 중이다.

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