[서울=뉴스핌] 소가윤 기자 = 성균관대학교는 중앙대 공동 연구팀과 함께 빠른 속도로 빛을 검출하는 '비납계 페로브스카이트 포토디렉터'를 개발했다고 11일 밝혔다.

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조다. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있다.

어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지 논문. [사진=성균관대] 소가윤 기자 = 2023.01.11 sona1@newspim.com

포토디텍터는 이미지 센서와 광센서 등에서 빛을 감지하는 소자 부부분이다.

전일 성균관대 나노공학과 교수와 김규선 성균관대 나노과학기술원 박사는 왕동환 중앙대 융합공학부 교수, 장웅식 융합공학부 박사 공동 연구팀과 함께 납을 사용하지 않은 페로브스카이트 소재 박막의 안정성 향상을 위해 패시베이션 공정을 도입했다.

이를 통해 노이즈가 효과적으로 억제된 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다.

최근 무기 감광 소재를 대체할 수 있는 차세대 감광 소재로 조성에 따라 흡광도 조절이 가능한 페로브스카이트 소재가 각광받고 있지만, 납으로 인한 유해성으로 상용화에 어려움이 있었다. 

기존의 납계 페로브스카이트는 납 이온과 할로겐 이온 사이의 결합력이 상대적으로 낮아 이온들이 구조 내에서 쉽게 이동이 가능하다. 이러한 특성은 외부 전하의 주입을 쉽게 해 포토디텍터 성능 저하의 가장 큰 원인인 노이즈를 발생시켰다.

이에 공동연구팀은 납을 대체할 수 있는 성분인 주석 소재를 활용했고, 안정적으로 박막을 형성할 수 있는 패시베이션 기술을 적용해 양질의 비납계 페로브스카이트 소재를 개발했다. 

기존의 납계 소재와 달리 주석을 기반한 페로브스카이트 소재는 주석과 할로겐 이온의 강한 결합 에너지를 통해 내부 이온의 이동을 제한해 포토디텍터 내에서의 노이즈 발생을 억제했다.

이를 통해 성능을 악화시키는 주입 전류가 차단돼 우수한 감광 능력과 빠른 속도를 갖춘 비납계 페로브스카이트 포토디텍터 구현이 가능함을 검증했다.

성균관대 관계자는 "이번 연구로 주석 기반 페로브스카이트 소재가 적용된 차세대 포토디텍터가 구현돼 친환경 기술과 성능 향상 기술의 동시 구현이 가능할 것"이라며 "특히 다양한 페로브스카이트 소재 기반 차세대 광전변환소자 및 디스플레이 분야에서의 적용이 가능해져 관련 기술도 발전할 것"이라고 전망했다.

한편 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 지난해 12월 16일 게재됐으며 표지 논문으로도 선정됐다.

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