DGIST, 빛의 ‘회전 방향’ 읽는 초광대역 광센서 개발

대구경북과학기술원(이하 DGIST)이 에너지공학과 양지웅 교수 연구팀이 빛의 세기와 파장을 넘어 ‘회전 방향’까지 읽어낼 수 있는 차세대 광센서를 개발했다고 26일 밝혔다.이번 연구는 자외선부터 단파 적외선에 이르는 초광대역 영역에서 원형편광을 감지할 수 있는 양자점 기반 광센서를 구현한 것으로, 상용 실리콘 광센서에 버금가는 높은 검출 성능을 입증했다.원형편광은 빛의 전기장이 나선형으로 회전하며 진행하는 형태로, 광자의 스핀 정보와 직접 연결된다. 이 정보는 양자 통신과 양자 암호, 광 기반 양자 정보 처리 등 차세대 기술에서 핵심 신호로 활용돼 관련 센서 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.기존 광센서는 특정 방향성을 가진 ‘키랄 구조’ 소재에 의존해 사용 가능한 재료와 감지 파장이 제한적이었고 특히 적외선 영역 확장에 어려움이 있었다.연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 광 흡수 소재가 아닌 전하 이동 경로에 키랄 구조를 도입하는 새로운 설계 전략을 적용했다. 키랄 물질이 결합된 산화아연(ZnO) 전자 수송층을 양자점 광다이오드에 적용해 특정 스핀 방향의 전자만 선택적으로 통과시키는 방식이다. 이를 통해 원형편광 빛에 의해 생성된 전자의 스핀 상태 차이를 전류 신호로 변환, 빛의 회전 방향을 직접 검출하는 데 성공했다.이번 센서는 자외선과 가시광선은 물론 근적외선과 단파 적외선까지 아우르는 초광대역에서 원형편광을 감지할 수 있으며, 단일 소자로 이 같은 범위를 구현한 것은 이례적인 성과로 평가된다. 또 10¹² 존스 수준의 높은 검출 성능을 기록해 상용화 가능성도 높다는 평가다.양지웅 교수는 “광자의 스핀 정보를 검출하는 새로운 원리의 광센서를 제시했다는 데 의미가 있다”며 “양자 통신과 보안 광통신, 차세대 이미지 센서 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 활용될 것”이라고 말했다.한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원 등의 지원을 받아 수행됐으며, 재료과학 분야 국제 학술지 Advanced Materials에 게재됐다.