DGIST, 양자 통신 앞당길 차세대 초광대역 광센서 개발

DGIST 에너지공학과 양지웅 교수 연구팀이 빛의 세기와 파장뿐 아니라 빛의 회전 방향(광자의 스핀 정보)까지 정밀하게 감지할 수 있는 차세대 광센서 기술을 개발했다. 연구팀은 자외선부터 단파 적외선에 이르는 초광대역 빛의 '원형편광'을 감지하는 양자점 기반 광센서를 구현해 냈으며, 이 소자는 상용 실리콘 광센서에 버금가는 매우 뛰어난 광 검출 성능을 입증했다.

'원형편광(Circularly Polarized Light)'이란 빛의 전기장이 나선형으로 회전하며 나아가는 빛을 말하며, 빛의 입자인 광자의 스핀(회전) 정보와 직접적으로 연결된다. 이 편광 정보는 양자 통신, 양자 암호 기술, 광 기반 양자 정보 처리 등 차세대 보안 및 통신 기술에서 핵심적인 신호로 활용되어 관련 광센서 기술이 전 세계적으로 주목받고 있다.

기존 원형편광 광센서는 주로 빛을 흡수하는 소재 자체가 특정한 나선형 방향성을 띠는 '키랄(Chiral) 구조'를 가져야만 했다. 이 방식은 사용할 수 있는 소재가 한정적일 뿐만 아니라, 감지할 수 있는 빛의 파장도 자외선이나 가시광선 영역에 좁게 머무는 치명적인 한계가 있었다. 특히 양자 통신과 광센싱에 필수적인 적외선 영역까지 기술을 확장하는 데 큰 어려움을 겪고 있었다.

양지웅 교수 연구팀은 광 흡수 소재가 아닌, 전자가 이동하는 길목(전하 이동 경로)에 키랄 구조를 도입하는 역발상적인 설계 전략으로 이 한계를 완벽히 돌파했다. 연구팀은 키랄성 물질이 결합된 산화아연(ZnO) 전자 수송층을 개발해 양자점 광다이오드에 적용, 특정 스핀 방향의 전자만 선택적으로 통과시키는 효과를 성공적으로 구현해 냈다. 원형편광 빛에 의해 생성된 전자가 이 특수한 층을 지나면서 스핀 상태에 따른 전류의 차이를 만들어내고, 이를 통해 빛의 회전 방향을 직접 읽어내는 원리다.

이번에 개발된 양자점 광센서는 자외선과 가시광선은 물론 근적외선과 단파 적외선 영역까지 아우르는 '초광대역' 파장 범위에서 원형편광을 감지할 수 있다. 단일 소자 하나로 이처럼 넓은 파장의 편광 정보를 모두 감지해 낸 것은 매우 이례적이고 독보적인 성과로 평가받는다. 또한, 10¹² 존스(Jones, 광검출 능력 단위)에 달하는 높은 성능을 기록해 실제 상용화 가능성도 매우 높다.

양지웅 DGIST 에너지공학과 교수는 “이번 연구는 광자의 스핀 정보를 검출하는 새로운 원리의 광센서를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며, “향후 양자 통신, 양자 센싱, 차세대 이미지 센서, 보안 광통신 등 다양한 양자 광전자 기술 분야를 이끌 핵심 센서 기술로 활용될 가능성이 크다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업, 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 국제공동기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 분야 최상위 국제 학술지인 'Advanced Materials'에 게재됐다.