[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 이정용 카이스트 전기및전자공학부 교수 연구팀이 콜로이드 양자점을 통해 하나의 적외선 광자 흡수로 85배의 전자를 생성할 수 있는 아발란체 전자 증폭 기술을 개발했다. 

이는 강한 전기장이 인가된 반도체에서 가속된 전자가 인접 원자와 충돌하면서 다수의 전자를 생성하는 신호 증폭 기술이다.

화학적으로 합성된 반도체 나노입자인 콜로이드 양자점은 용액 기반 반도체로서 적외선 센서의 실용적인 후보로 주목 받고 있다. 결정질 반도체와 다른 에너지 구조를 가져 열잡음 생성을 억제하는 장점을 가지고 있기 때문이다. 다만 전하 이동도가 낮고, 양자점 표면에서 자주 발생하는 불완전 결합 때문에 전하의 재결합이 촉진되면서 전하 추출이 저하되는 문제점을 안고 있었다. 

연구팀은 싸이올 기반의 리간드 소재를 활용하여 양자점층을 구성함으로써 높은 전기장이 인가된 상태에서 이온 이동을 억제해 안정적으로 구동되는 구조를 개발했다. 

이와 함께 전자 터널링에 의한 잡음 전류 생성을 막는 효율적인 전자 증폭 구조 설계를 위해서는 540nm 이상의 양자점층이 형성돼야 한다고 제시했다. 나아가 양자점 표면에서 전하를 띈 결함으로부터 전자 증폭이 발생한다고 제안하면서 입자 내 전자 증폭 메커니즘에 대한 미시적 거동을 규명했다.

이를 바탕으로 4.06nm의 입자간 거리에서 1×1014 Jones 이상의 탐지감도 및 85 이상의 증폭 이득을 가지는 초고감도 양자점 적외선 아발란체 다이오드를 개발했다. 이는 기존 양자점 다이오드 대비 약 10배 이상의 높은 성능 향상을 보였다. 

카이스트 측은 “이번 연구는 새로운 패러다임 전환을 불러올 기술이 될 것으로 기대된다”며 “양자 기술이 관련된 핵심 원천 기술을 선점함으로써 대한민국이 글로벌 양자 기술 시장을 주도할 수 있는 중요한 기술적 토대를 확보했다고 평가받고 있다”고 전했다. 

제1 저자인 김병수 박사는 “양자점 아발란체 소자는 기존에 보고된 바 없는 신개념 연구 분야”라며 “본 원천 기술을 통해 글로벌 자율주행차와 양자 컴퓨팅 및  의료 영상 시장 등을 선도할 벤처 기업 육성을 주도할 수 있을 것”이라 밝혔다. 

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 해당 재단의 주요 지원 사업으로는 나노및소재기술개발사업(경쟁형), 미래디스플레이 전략연구실사업, 개인기초연구사업 중견연구 등이 있다.