[대구=이데일리 홍석천 기자] DGIST 에너지공학과 양지웅 교수팀이 빛의 세기와 파장 뿐만 아니라 빛의 회전 방향(광자의 스핀 정보)까지 감지할 수 있는 차세대 광센서 기술을 개발했다.

연구팀은 자외선부터 단파 적외선에 이르는 초광대역 빛의 ‘원형편광’을 감지하는 양자점 기반 광센서를 구현했다. 이 소자는 상용 실리콘 광센서에 버금가는 매우 뛰어난 광 검출 성능을 입증했다.

기존의 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 한계가 있었다. 특히 양자 통신과 광센싱에 필수적인 적외선 영역까지 기술을 확장하는 데 어려움을 겪고 있었다.

양 교수팀은 광 흡수 소재가 아닌 전자가 이동하는 길목(전하 이동 경로)에 키랄 구조를 도입하는 역발상적인 설계 전략으로 이 한계를 돌파했다. 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.

양 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.

한편 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.