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세계 최초‘좌우회전 빛 구별 반도체’소재로 양자광학 혁신
기존 광센서가 측정할 수 없었던 빛의 방향성 정보를 정밀하게 구별할 수 있다면, 빛의 편광 정보를 활용하는 양자 반도체, 스핀 광소자, 라이다(LiDAR), 바이오 센서 등의 핵심 소재로 활용될 수 있다. 기존에는 복잡한 필터나 유기성 민감한 재료를 써야만 이 좌우회전 빛을 구분할 수 있었으나, KAIST 연구진이 복잡한 장치 없이 특정 방향의 원형편광(Circularly Polarized Light, CPL)에 선택적으로 잘 반응하는 편광 감지 센서를 개발하는데 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 셀레늄(Se) 나노결정의 원자수준 카이랄성 제어를 이용해, 자외선부터 단파장 적외선까지 감지가능한 광대역 원형편광(CPL) 검출 반도체 소재를 세계 최초로 개발했다.
이 기술은 원형편광(CPL)을 실온에서 고감도로 감지할 수 있는 필름형 소재로, 빛으로 암호화된 정보를 해독하거나 양자비트(qubit)를 제어하는 등 양자 컴퓨팅과 스핀트로닉스, 광센서 기술의 핵심 소재로 주목받고 있다.
카이랄성(Chirality)은 좌우 비대칭성을 의미하며, 분자 수준뿐 아니라 광학, 의약, 생명현상 전반에 걸쳐 매우 중요한 물리적 특성이다. 특히 빛의 스핀 각운동량을 탐지하는 데 중요한 원형편광(CPL)을 구별하는 기술이다.
기존에 CPL 센서가 습기나 자외선에 약하고 열화되기 쉬운 문제로 상용화에 큰 한계가 있다는 점을 염두에 두고, 염지현 교수 연구진은 자연적으로 비대칭 결정 구조(카이랄성)를 갖는 무기 소재인 셀레늄에 주목했다.
셀레늄은 고유한 카이랄성 구조를 가지고 있으며, 성능 안정성을 반영구적으로 늘릴 수 있다. 하지만, 자연적으로는 원자 구조가 오른쪽과 왼쪽 방향성이 섞여서 존재하며, 한 쪽 방향성으로 제어하는 것은 매우 어려워 현실적인 활용에 큰 어려움이 있었다.
연구팀은 셀레늄(Se)을 나노 크기 막대 형태의 ‘셀레늄 나노로드’로 만들면서, 그 격자 구조가 왼쪽 또는 오른쪽 방향의 비대칭성(카이랄성)을 갖도록 제어할 수 있는 ‘카이랄성 전이 기술’을 개발했다.
연구진은 제작한 셀레늄 나노필름 소자가 자외선(180 nm)부터 단파장 적외선(2500 nm)에 이르기까지 넓은 파장 영역에서 CPL을 감지할 수 있음을 확인했으며, 광응답 비대칭성 지수(gres)*가 최대 0.4에 달하는 즉, 추가적인 편광 필터 없이 편광 방향을 정밀하게 구분하는 우수한 성능을 기록했다.
*광응답 비대칭성 지수: 0는 좌우 빛을 전혀 구별못함이며, ±0.1은 미세한 구별 가능, ±0.4은 이상좌/우 원형편광을 매우 뚜렷하게 구별 가능하여 고성능 센서로 인정
또한, 13개월 이상 공기 중에서 성능 변화 없이 안정적으로 동작함을 실험적으로 확인하며 무기물 기반 광소자의 장기 안정성 측면에서도 매우 우수함을 입증했다.
기존에는 고가의 투가전자현미경(TEM) 장비를 통해 격자 카이랄성을 분석할 수 있었던 반면, 이번에 개발한 2차원 라만 광활성(2D ROA) 매핑 기법은 셀레늄 나노필름이 지닌 카이랄 구조(좌/우 비대칭성)가 필름 전체에 어떻게 분포되어 있는지를 지도처럼 시각화하고 정량 분석할 수 있는 새롭고 강력한 분석 기술이다.
염지현 교수는 “이번 연구는 반도체 광소재 분야에서 카이랄성 구현 및 분석의 새로운 방법론을 제시한 것”이라며 “빛의 원형편광 정보를 선택적으로 읽고 구분할 수 있는 만큼, 빛 기반의 양자 정보 처리나 저전력 반도체 기술 개발에도 응용될 수 있으며, 본 연구에 사용된 셀레늄 나노필름 합성 공정은 상온 환경에서 이루어지며, 유해 화학물질이나 고온 열처리가 불필요한 친환경 공정으로, 상온에서도 안전하게 실험이 가능하다” 라고 말했다.
이어 “양자광학, 보안광학, 생체 진단 및 이미지 센서 등 다양한 분야에 실제 응용 가능한 기반기술로 확장할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 부경대학교 나노융합공학전공 권준영 조교수(前 KAIST 박사후연구원)가 제1 저자로 참여했으며, KAIST 신소재공학과 김경민교수 팀과 공동연구로 진행되었다. 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communication)에 5월 3일 자로 온라인 게재되었다.
※ 논문명: Enantioselective Se lattices for stable chiroptoelectronic processing media https://doi.org/10.1038/s41467-025-59091-9
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 우수신진연구사업 등의 지원을 받아 수행되었다.
2025.05.28 조회수 867 -
천 배 축소된 분광기로 과일 당도 정밀 측정
눈으로 보기에 잘 익은 사과의 당도를 휴대용 분광기로 정확하게 예측이 가능한 기술이 개발됐다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 가시광선 및 근적외선 분광을 바탕으로 현장 진단에 적합한 고해상도의 휴대용 분광 센서를 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.
물질이 반사 또는 흡수하는 빛의 파장 분포를 통해 고유의 성분을 분석할 수 있다는 면에서 분광측정은 다양한 응용 분야에서 비파괴 시료 분석에 활발히 사용되고 있다. 기존 상용분광기는 실시간 성분분석을 제공하지만, 시스템의 크기가 커서 휴대용이나 현장 진단에 활용하는데 한계가 존재한다.
최근 마이크로나노공정 기술의 발전으로 소형 분광센서가 개발돼 품질 평가, 환경 모니터링, 위약 진단 및 헬스케어 등에서 활용되고 있다. 하지만 현재의 소형 분광센서들은 내부 광부품들의 간소화를 거치며 광학 성능이 크게 저하돼 시료 분석의 정확도를 낮추고 있으며, 여전히 광학 성능이 저하되지 않으면서 동시에 크기를 줄이는 데 어려움을 겪고 있다.
연구팀은 수 밀리미터 두께의 분광기 내로 들어온 가시광선이 석영(Quartz) 속에 제작된 회절판을 거치며 짧은 거리에서 넓게 분산시키는 형태인 고체잠입회절판구조를 최초로 제안하였다. 또한, 회절판과 굴절률이 유사한 렌즈를 접합하여 분산된 빛이 이미지센서에 평면 초점을 맺히도록 설계하여 가시광선 전 영역에서 균일한 분광분해능을 갖도록 제작하였다. 연구팀이 제작한 마이크로분광기 모듈은 8 mm × 12.5 mm × 15 mm의 크기를 가지고, 이는 기존 상용분광기를 1천 배 이상 축소시킨 성과이다. 또한, 상용분광기의 성능과 비슷한 평균 5.8 nm의 고해상도 및 작동 파장 범위 내 76% 이상의 고감도를 나타낸다.
연구팀은 마이크로분광기 모듈의 응용예시를 실험적으로 검증하기 위해 휴대용 분광 센서를 설계·제작하고, 분광 응용 분야 중 가장 대표적인 사례인 과일의 품질 검증을 진행했다. 제작한 마이크로분광기와 백색 LED 등을 결합한 분광 센서는 과일의 표면에 부착하여 손쉽게 분광 신호를 획득했다. 또한, 분광 신호의 형태를 분석하여 과일의 성숙도를 예측해 실제 성숙도와 비교하고, 0.91 이상의 높은 상관계수로 신뢰도 높은 예측 모델을 정립했다.
이를 통해 기존 소형 분광기에서 발생했던 광학 성능의 저하를 고체잠입회절판구조의 마이크로분광기를 이용해 해결하고, 연구팀은 휴대용 분광 센서의 현장 진단에 활용 가능함을 확인했다.
정기훈 교수는 “이 초박형 및 고해상도의 마이크로분광기는 식음료 품질검사는 물론 현장형 검사/진단이 필요한 농수산물·헬스케어 분야뿐만 아니라 고속 품질분석이 필요한 제약·바이오·반도체 검사 분야에서 정확하고 비침습적인 분석을 위한 중요한 도구 역할을 수행할 수 있을 것”이라고 연구의 의미를 설명했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 박정우 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 게재됐다. (논문명: 휴대용 가시광선 및 근적외선 분광 응용 분야를 위한 초박형 고체잠입회절판구조 마이크로분광기, Fully Integrated Ultrathin Solid Immersion Grating Microspectrometer for Handheld Visible and Near-Infrared Spectroscopic Applications)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부, 재단법인 범부처전주기의료기기연구개발사업단, ㈜파이퀀트의 지원을 받아 수행됐다.
2023.10.24 조회수 6259 -
몸에 스티커 붙여 생체신호 측정한다
우리 대학 전기 및 전자공학과 유회준 교수, 유승협 교수 공동 연구팀이 신체 모든 부위에 손쉽게 부착이 가능한 생체신호 측정 스마트 스티커 센서를 개발했다.
연구팀의 스티커 센서는 반도체 칩과 휘어지는 유기광전소자를 결합한 초저전력 센서로 심전도, 근전도 뿐 아니라 산소 포화도도 측정 가능해 의료 및 헬스케어 분야에서 광범위하게 응용될 것으로 기대된다.
이용수 박사과정과 이현우 석사과정이 주도한 이 기술은 미국 샌프란시스코에서 열린 세계적 반도체 학술대회 ISSCC(국제고체회로설계학회)에서 3일(현지시간) 하이라이트 논문으로 발표됐다.
스마트 스티커 센서는 길이 55mm, 너비 25mm의 직사각형 페트 필름(PET Film)에 센서, 처리기, 무선송수신기 기능을 집적한 초저전력 시모스 단일칩시스템(CMOS SoC)을 부착한 형태로 하이브리드 집적기술을 활용했다.
연구팀은 적, 녹색의 유기발광다이오드(OLED)와 유기광센서(OPD)로 구성된 유기광전소자를 사용해 전력 소모를 크게 줄였다.
산소 포화도 측정에는 녹색, 적색 광원이 동시에 필요한데 녹색 파장대역에서 효율이 낮은 기존 발광다이오드와 달리, OLED는 두 색의 파장대역 모두에서 고르게 높은 양자효율을 보인다. 동시에 광손실이 적도록 인체에 밀착 가능한 유연함을 가져 적은 구동 전류로 충분한 신호를 확보했다.
연구팀은 기존 기기들이 블루투스 통신으로 데이터를 전송하는 것과 달리 전도성이 존재하는 인체를 통신매질로 이용했다. 고속 저전력 전송이 가능한 인체매질통신 기술을 실현해 무거운 외부 소자 없이 초저전력으로 데이터 통신이 가능하다.
또한 기존 기기들이 개인차나 부위에 상관없이 항상 최대의 빛을 방출하는 것에 비해 스마트 스티커 센서는 자동으로 수신부의 빛 양을 모니터링해 상황에 맞춰 빛을 조절한다.
이를 통해 주변 빛이나 동작에 따른 신호 잡음을 효과적으로 제거하는 기술도 갖췄다. 또한 유기광전소자 특성상 빛의 밝기가 시간의 흐름에 따라 서서히 감소할 수 있지만 이 스티커 센서는 일정한 빛이 나오도록 제어해 장기간 일정한 밝기를 유지할 수 있다.
스마트 스티커 센서는 총 200마이크로와트(μW) 미만의 초저전력으로 구동 가능해 기존 기기의 수~수십 밀리와트(mW)에 비해 매우 감소된 전력 소비량을 보였다. 또한 동전 배터리 포함 약 2그램의 무게로 피부에 완벽히 부착이 가능해 48시간 이상 지속적으로 생체신호를 측정할 수 있다.
유회준 교수는 “국내외 IT 기업들이 차세대 산업으로 웨어러블 헬스케어를 주목하고 관련 디바이스를 출시하고 있다”며 “시장 선점을 위해서는 초저전력 및 소형화는 물론이고 시계, 밴드 같은 액세서리 형태에서 한 단계 나아가는 변화를 보여야 할 것이다”고 말했다.
유승협 교수는 “이번 스마트 스티커 센서의 개발로 플렉서블 OLED와 유기광센서 응용에 새 가능성을 열었다”고 말했다.
연구팀은 관련 회사에 기술이전을 통해 올해 내로 상용화할 예정이라고 밝혔다.
□ 그림 설명
그림1. 스마트 스티커 센서에 쓰인 플렉서블 OLED와 유기포토센서
그림2. 반도체 칩과 유기광전 소자 결합 하이브리드 스마트 스티커 센서
그림3. 스마트 스티커 센서 씨모스 단일칩시스템(CMOS SoC)
2016.02.05 조회수 17457