셀레늄 나노필름 기반 광대역 편광센서… 양자광학·보안광학·바이오센서 혁신 기대
KAIST(총장 이광형) 염지현 교수(신소재공학과) 연구팀이 세계 최초로 자외선부터 단파장 적외선까지의 빛의 방향성을 구별할 수 있는 무기 반도체 소재를 개발하며, 차세대 양자광학 및 광센서 기술에 혁신적인 전기를 마련했다.
이 소재는 별도의 외부 필터 없이도 좌·우 회전 원형편광(Circularly Polarized Light, CPL)을 선택적으로 감지할 수 있어, 양자정보처리·암 진단·고분해능 이미지 센서 등 다양한 분야에 실용화 가능성이 높다는 평가를 받고 있다.
이번 연구의 핵심은 셀레늄(Se)이라는 무기 소재의 원자 구조에 ‘카이랄성(chirality, 좌우 비대칭성)’을 부여하는 기술이다. 연구팀은 L-시스테인 또는 D-시스테인과 같은 카이랄 아미노산을 성장 인자로 사용해, 왼쪽(L형) 또는 오른쪽(D형)으로 비틀린 나노결정(나노로드)을 제어 제작하는 데 성공했다.
이렇게 제작된 셀레늄 나노필름은 자외선(180 nm)부터 단파장 적외선(2,500 nm)까지 광범위한 파장에서 원형편광을 감지할 수 있으며, 최대 광응답 비대칭성 지수(g_res) 0.4를 기록해 고성능 편광 센서로서의 가능성을 입증했다. 이는 기존 유기물 기반 센서 대비 약 4배 이상의 성능이다.
고감도, 고안정성, 친환경 공정까지 모두 갖춘 차세대 광소자
이 기술은 단지 고감도에 그치지 않는다. 기존 CPL 센서의 약점으로 지적됐던 습기, 자외선에 대한 취약성을 극복하여, 공기 중에서도 13개월 이상 안정적인 성능을 유지한다는 점이 큰 강점이다. 또한 제작 공정은 상온·수용액 기반의 친환경적 조건에서 이루어져, 산업적 대량 생산 가능성도 확보했다.
특히 이번 연구는 기존 투과전자현미경(TEM)을 활용하지 않고도 나노필름 내 카이랄 구조를 지도처럼 시각화할 수 있는 2차원 라만 광활성(ROA) 매핑 기법을 개발하여, 구조 정량 분석 분야에서도 중요한 진보를 이루었다.
염지현 교수는 “이번 성과는 나노소재의 카이랄성을 반도체 소재에 구현하고, 이를 기반으로 양자 편광 정보를 선택적으로 읽을 수 있다는 점에서 매우 독창적인 시도”라며 “양자암호 통신, 스핀 광학, 생체조직 광진단 등 다양한 광학 응용 분야에서 새로운 플랫폼 역할을 할 것”이라고 말했다.
연구결과는 세계적 학술지 Nature Communications에 5월 3일자로 게재되었으며, 부경대학교 권준영 박사(前 KAIST 박사후연구원, 現 조교수)와 KAIST 김경민 교수 연구팀이 공동으로 참여했다. 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
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