DGIST 양지웅 교수팀, 빛의 회전 방향 감지…차세대 양자점 광센서 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 양지웅 교수 연구팀은 자외선부터 단파 적외선에 이르는 초광대역 범위에서 빛의 ‘원형편광’을 감지할 수 있는 양자점 기반 광센서를 개발했다고 밝혔다. 

원형편광은 빛의 전기장이 나선형으로 회전하며 나아가는 빛으로, 양자 통신과 암호 기술에서 핵심 신호로 활용되는 광자의 스핀 정보와 직결된다.

기존의 원형편광 광센서는 빛을 흡수하는 소재 자체가 특정한 나선형 구조를 가져야만 해 소재 선택이 제한적이었고, 감지 파장 역시 좁은 영역에 머무는 한계가 있었다. 

양 교수 연구팀은 광 흡수 소재 대신 전자가 이동하는 경로에 키랄(Chiral) 구조를 도입하는 역발상적 설계로 이를 극복했다. 키랄성 물질이 결합된 산화아연(ZnO) 전자 수송층을 개발해 특정 스핀 방향의 전자만 선택적으로 통과시키는 원리를 소자에 적용한 것이다.

이번에 개발된 양자점 광센서는 단일 소자만으로 자외선, 가시광선은 물론 근적외선과 단파 적외선 영역까지 아우르는 초광대역 파장의 편광 정보를 모두 감지할 수 있다. 

특히 광검출 능력을 나타내는 단위인 존스(Jones)에서 $10^{12}$에 달하는 높은 성능을 기록해 상용 실리콘 광센서에 버금가는 경쟁력을 입증했다.

양지웅 교수는 “이번 연구는 광자의 스핀 정보를 검출하는 새로운 원리의 광센서를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “향후 양자 통신, 양자 센싱, 보안 광통신 등 다양한 양자 광전자 기술 분야를 이끌 핵심 기술로 활용될 것”이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 산업통상자원부 등의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료과학 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Materials’에 게재됐다.