국내 연구진이 유기물 없이도 안정적으로 빛의 방향성 정보를 구분할 수 있는 반도체 소재를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 염지현 교수 연구팀은 셀레늄(Se)의 카이랄성(거울에 비출 때 대칭이지만 서로 겹치지 않는 '거울상 이성질') 구조를 이용해 좌우회전 빛을 구분할 수 있는 '원형편광'(CPL) 검출 반도체 소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

빛은 파장, 진폭, 위상뿐 아니라 편광이라는 또 하나의 물리적 특성을 갖는다. 광소자가 다양한 신호를 받아들이기 위해서는 빛의 편광까지 인식하는 기능이 필요하다.

그중에서도 원형편광은 빛의 전기장이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 고차원적인 빛의 상태로, 양자 정보·스핀 광학·광 기반 암 진단 등 차세대 광소자 분야 핵심 기술이다.

원형편광을 감지하기 위해 유기 고분자나 하이브리드 페로브스카이트(부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 갖는 산화물) 소자를 활용한 센서가 개발되고 있지만, 습도나 자외선에 쉽게 분해되는 등 안정성이 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 좌우 회전 방향이 다른 빛의 방향에 대해 선택적으로 반응할 수 있는 카이랄성 소재에 주목했다.

무기 소재인 셀레늄은 고유의 카이랄성 구조를 갖고 있어 원형편광을 구분할 수 있지만, 셀레늄의 원자 구조가 오른쪽과 왼쪽 방향성이 섞여 있어 한쪽 방향성으로 제어하기 쉽지 않았다.

연구팀은 셀레늄을 ㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 길이 막대 형태로 만든 뒤 격자 구조로 제작, 그 격자 구조가 왼쪽 또는 오른쪽 방향의 비대칭성을 갖도록 제어할 수 있는 기술을 개발했다.

자외선부터 단파장 적외선에 이르기까지 넓은 파장 영역에서 원형편광을 감지할 수 있다. 기존 원형편광 센서보다 광응답 지수가 4배 이상 뛰어나다고 연구팀은 설명했다.

13개월 이상 공기 중에서 성능 변화 없이 안정적으로 동작하는 것도 확인했다.

염지현 교수는 "유기물 없이도 안정적으로 카이랄성을 구현할 수 있는 소재를 개발했다"며 "빛 기반의 양자 정보 처리나 저전력 반도체 기술 개발에 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' (Nature Communication) 지난 3일 자 온라인판에 실렸다.