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<자료문의> 중앙대학교 융합공학부 왕동환 교수(02-820-5074)

빠른 속도로 빛을 검출하는 비납계 페로브스카이트 포토디텍터 개발

- 주석 기반 페로브스카이트 개발로 노이즈 억제 원리 규명 -

□ 기존 연구대비 빠른 속도로 빛을 검출해낼 수 있는 비납계 페로브스카이트* 소재 기반 포토디텍터*가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

*  페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있음.

*  포토디텍터(photodetector): 이미지 센서, 광센서 등에서 빛을 감지하는 소자 부분.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 중앙대학교 왕동환 교수와 성균관대학교 공동연구팀이 납을 사용하지 않은 페로브스카이트 소재 박막의 안정성 향상을 위해 패시베이션* 공정을 도입하여 노이즈*가 효과적으로 억제된 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

*  패시베이션(passivation): 표면의 반응을 막기 위해 용매 등의 처리를 통해 피막을 형성하여 부동태화하는 공정.

*  노이즈: 다른 신호의 간섭을 비롯한 의도하지 않은 입력 신호의 왜곡으로, 감지를 방해하는 전기신호.

□ 최근 무기 감광 소재를 대체할 수 있는 차세대 감광 소재로 조성에 따라 흡광도 조절이 가능한 페로브스카이트 소재가 각광받고 있지만, 납으로 인한 유해성으로 상용화에 어려움이 있었다.

⃝ 또한, 기존의 납계 페로브스카이트는 납 이온과 할로겐 이온 사이의 결합력이 상대적으로 낮아 이온들이 구조 내에서 쉽게 이동이 가능한데, 이러한 특성은 외부 전하의 주입을 쉽게 해 포토디텍터 성능 저하의 가장 큰 원인인 노이즈 발생을 야기해 왔다.

□ 이에 공동연구팀은 납을 대체할 수 있는 성분인 주석 소재를 활용, 안정적으로 박막을 형성할 수 있는 패시베이션 기술을 적용해 양질의 비납계 페로브스카이트 소재를 개발하는 데 성공했다.

⃝ 기존의 납계 소재와 달리 주석을 기반한 페로브스카이트 소재는 주석과 할로겐 이온의 강한 결합 에너지를 통해 내부 이온의 이동을 제한함으로써 포토디텍터 내에서의 노이즈 발생을 억제하는 데 탁월함을 보였다.

⃝ 이를 통해 성능을 악화시키는 주입 전류가 차단됨으로써 우수한 감광 능력과 빠른 속도를 갖춘 비납계 페로브스카이트 포토디텍터 구현이 가능함을 검증할 수 있었다.

□ 이번 연구로 주석 기반 페로브스카이트 소재가 적용된 차세대 포토디텍터가 구현됨으로써, 친환경 기술과 성능 향상 기술의 동시 구현이 가능할 것으로 예상하고 있다.

⃝ 특히, 다양한 페로브스카이트 소재 기반 차세대 광전변환소자 및 디스플레이 분야에서의 적용이 가능할 것으로 보여 관련 기술 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구 및 신진연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 12월 16일 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정되었다.

주요내용 설명

<작성 : 중앙대학교 왕동환 교수>

논문명	Prevention of Noise Current Generation in Tin-Based Lead-Free Perovskites for Highly Sensitive Photodetection
저널명	Advanced Functional Materials
키워드	Lead-free perovskite, Tin perovskite, Dark current, Photo response, Noise suppression
DOI	10.1002/adfm.202207713
저 자	왕동환 교수(교신저자/중앙대학교), 전일 교수(교신저자/성균관대학교) 장웅식 박사(제1저자/중앙대학교), 김규선 박사(공동1저자/성균관대학교), 김병기 연구원(공저자/중앙대학교), 남정석 연구원(공저자/성균관대학교)

1. 연구의 필요성

○ 포토디텍터는 광 센서를 구성하는 주요 기술로, 미량의 빛을 통해서도 신호를 감지해야 하는 능력이 요구된다. 또한, 광원의 종류별로 빛의 스펙트럼과 강도가 다르게 나타나므로 이에 맞게 감광 소재의 밴드갭 에너지 최적화가 필요하다.

○ 최근 페로브스카이트 소재는 조성에 따라 흡광도 조절이 가능하여, 광전 변환 소자(주로 태양전지)의 성능 향상을 위한 핵심 소재로 주목받아 왔다.

○ 최근 페로브스카이트 소재는 차세대 태양전지 및 포토디텍터의 감광층으로 도입하는 연구가 시작되면서 우수한 광학 특성과 넓은 광 흡수 범위 등의 장점을 통해 효과적인 조성을 도입하여 성능을 증가시키는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 그러나 주로 보고되고 있는 관련 연구들은 환경 유해 물질로 이슈가 된 납이 함유된 페로브스카이트 소재를 사용함에 따라 양산 공정에 적용되기에는 일부 제한적인 실정이다.

○ 또한, 납 기반 페로브스카이트 소재는 환경 문제뿐만 아니라, 가시광 영역만 감광 가능한 제한된 흡광 범위을 보여, 소재 특성에 의한 노이즈가 발생하기 때문에, 이를 해결하기 위한 신규 물성 기반의 소재 도입이 필요하며, 다양한 심화 분석을 통한 노이즈의 발생원인 규명은 필수적이다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 납계 페로브스카이트의 문제를 해결하기 위해 납의 유해성을 탈피하고 기존 박막형 포토디텍터의 성능 향상을 위한 효과적인 광 감응층으로써, 주석 기반 비납계 페로브스카이트 소재를 활용한 포토디텍터 개발을 목표로 중앙대학교 융합공학부 장웅식 박사 및 왕동환 교수팀과 성균관대학교 나노과학기술원팀이 공동연구를 수행하였다.

○ 본 연구에서는 박막형 페로브스카이트 포토디텍터의 성능을 향상시키기 위해 보다 넓은 범위의 빛에 반응하고, 주입된 전하에 의한 역방향의 전하 흐름을 억제할 수 있는 주석을 도입하여 표면 패시베이션 공정을 통해 비납계 페로브스카이트 소재를 개발하였다.

○ 주석 기반 비납계 페로브스카이트 소재는 주석과 할로겐 이온의 강한 결합을 통해 기존의 납 기반 페로브스카이트 소재보다 내부 이온의 분리를 억제하였고, 이를 통한 주입 장벽 감소를 최소화함으로써 노이즈  발생이 억제되는 것을 차별화된 분석을 통해 검증하였다. 또한, 빠른 응답 속도와 넓은 반응 대역을 나타내며, 효율적인 센서 구동 특성을 확인했다. 특히, 소자 내 전하 주입 메커니즘 분석을 위해 비납계 페로브스카이트 기반 포토디텍터를 제작하여 암전류 및 광전류에 따른 전기적 분석을 통해 내부전위장벽 계산하여 값을 도출하였고, 내부전위장벽 변화를 통해 본 기술기반 소자가 암전류 억제에 효과적임을 입증해낸 것이다.

○ 이처럼 비납계 페로브스카이트 소재의 활용은 효과적인 광 감응층으로 유해한 납 성분을 효과적으로 대체하여, 저온/용액 공정으로 형성이 가능하고, 역방향 전하의 흐름을 억제하여 우수한 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다. 결과적으로, 주석 기반 페로브스카이트는 역방향 바이어스에 의한 주입 전류를 차단함으로써 –0.1 V 기준 약 16배 향상된 암전류 감소 효과를 나타냈다. 해당 연구로 개발된 비납계 페로브스카이트 포토디텍터는 8.29×1011 cm Hz1/2 W-1의 감지 성능과 51.12 dB의 우수한 대역을 나타냄과 동시에 0.78 μs의 빠른 반응 속도와 763 kHz의 차단 주파수를 보여, 우수한 감광 능력과 빠른 속도, 넓은 대역을 갖춘 우수한 기술임을 검증하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 현재 연구 흐름으로 비납계 전구체의 안정성 이슈로 인해 기존 소재보다 태양전지로는 높은 성능을 기대하기 어려운 실정이었으나, 주석 기반 페로브스카이트 소재를 차세대 포토디텍터에 적용함으로써 친환경 기술과 성능 향상 기술을 동시에 구현할 수 있다.

○ 특히, 다양한 페로브스카이트 소재 기반 차세대 광전변환소자 전반 및 디스플레이 분야에 적용 가능성을 열어 관련 기술 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대되며, 우수한 반응 속도 및 넓은 대역폭을 나타내는 포토디텍터 제작을 위한 비납계 조성을 갖는 페로브스카이트 박막 공정 기술 설계 분야의 원천기술 확보에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 향후, 스마트센서 및 스마트기기 등의 미래 기술 적용 분야로의 창출의 가능하며, 실내 및 야외의 다양한 광-조사 환경에서의 이미지 센서 활용 가능성을 통해 높은 잠재적인 경제적 가치를 지닐 것으로 판단된다.

○ 유해성 이슈로 상용화에 어려움을 보였던 납을 대체하는 주석 기반 비납계 페로브스카이트 조성 개발은 친환경 기술개발을 통한 사회적 기여가 가능하며, 최종적으로, 광원 맞춤형 활용에 따른 인간사회-친화적 기술개발 기반 에너지원 공급으로 독립-분산전원 구현과 동시에 신개념 센서 시스템 원천기술 개발에 한발 나아간 연구로 큰 의미가 있다.

그림 설명

(그림1) 본 연구에서 개발한 주석 기반 비납계 페로브스카이트 소재의 구조 및 포토디텍터를 이용한 이미지 센서 적용.

본 연구를 통해 개발된 주석 기반 비납계 페로브스카이트 포토디텍터를 이미지 센서에 적용하였을 경우, 나타나는 기대효과에 대한 설명으로, 어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈의 전면 표지 논문으로 선정됨. 기존 납계 페로브스카이트 포토디텍터보다 우수한 감광 성능과 빠른 반응 속도를 통해 빠르게 움직이고 있는 벌의 날개 움직임을 정확하게 포착할 수 있음.

그림설명 및 그림 제공 : 중앙대학교 왕동환 교수

그림 설명

(그림2) 주석 기반 비납계 페로브스카이트 포토디텍터 구조 모식도 및 주석 성분에 의한 노이즈 억제 효과 설명 그림.

주석 기반 비납계 페로브스카이트를 적층한 포토디텍터 모식도. 기존 페로브스카이트 구조에서는 납에 의한 결합력 저하로 내부 이온 이동에 의한 노이즈가 발생하지만, 본 연구에서 개발한 비납계 페로브스카이트는 주석에 의한 결합력 증가로 내부 이온 이동을 최소화하여, 주입 장벽을 유지함으로써 노이즈 발생을 억제하여, 차별화된 포토디텍터 구현이 가능함.

그림설명 및 그림제공: 중앙대학교 왕동환 교수

연구 이야기

<작성 : 중앙대학교 왕동환 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

효율적인 광전 변환 효과를 나타내는 페로브스카이트 소재는 최근 단위 소자로써 이론상 높은 성능지표를 나타내며, 차세대 태양전지의 우수성 면모를 보여주고 있습니다. 그러나 기존 페로브스카이트 소재는 납을 포함하고 있기 때문에 어느 정도 환경적 이슈에 직면해 있었습니다. 이에, 납을 대체할 수 있는 성분을 도입하여 비납계 페로브스카이트 소재를 개발하는 연구를 진행하면서, 주석 소재를 도입하여 납을 대체하는 친환경 페로브스카이트 소재의 가능성에 대해 큰 관심을 가지고 연구하게 되었습니다. 저희 연구진은 안정적으로 박막을 형성할 수 있는 패시베이션 공정을 통해 양질의 비납계 페로브스카이트를 형성하는데 성공하였고, 이미지 센서의 “눈” 역할을 하는 포토디텍터에 적용하였습니다. 최종적으로 빛의 유무에 따른 내부 전하 역학 분석을 통해 포토디텍터의 주요 성능 지표인 노이즈 발생원인을 규명하고자 하였습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 납계 페로브스카이트는 납 이온과 할로겐 이온 사이의 결합력이 상대적으로 낮기 때문에 이온들이 구조 내에서 쉽게 이동함에 따라, 각 전극 계면의 쌍극자 모멘트가 형성되어, 내부에서 생성된 전하들이 쉽게 전극으로 이동할 수 있었습니다. 그러나 이러한 특성은 외부에서 주입되는 전하 또한 쉽게 주입될 수 있도록 하여, 포토디텍터 성능 저하의 가장 큰 원인인 노이즈를 크게 발생시키는 것을 분석해냈습니다. 따라서 본 연구의 핵심은 주석 원소를 도입하여 이온 이동을 제한함에 따라 주입 장벽을 유지하면서, 노이즈 발생을 크게 감소시킬 수 있다는 부분입니다. 시그널 대비 노이즈 억제 효과는 감지 성능뿐만 아니라, 반응 속도에서도 의미 있게 작용하여, 더욱 빠른 신호응답 속도를 구현할 수 있게 됩니다. 따라서, 구동 특성인 노이즈 대비 시그널을 향상시켰고, 원리 규명을 통해 감지 성능이 우수한 차세대 포토디텍터 제작 원천기술 개발에 성공했습니다. 본 연구는 비납계 페로브스카이트 소재를 통해, 납계 페로브스카이트의 성능을 뛰어넘는 포토디텍터 구현이 가능하다는 점에서 그 의미가 크다고 판단되어 재료 분야의 저명한 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈의 Front 표지 논문으로 선정될 수 있었습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

페로브스카이트 분야의 기술력은 우리나라 연구진의 노력과 성과에 의해 세계적으로 선도해 나가고 또한 인정받고 있습니다. 이에 따라 최근 차세대 유/무기 반도체 소자 기반 이미지 센서가 각광받고 있는 시점에, 우수한 페로브스카이트 기술을 도입함으로써, 신호대 잡음비를 최대화함과 동시에 다양한 조도에서도 빛 감응 및 감지 속도 극대화를 통해 광 센서 분야를 선도할 수 있을 것입니다. 특히, 비납계 페로브스카이트 소재는 납을 포함하지 않아 산업계에서 보다 친 환경적으로 적용 가능하며, 용액 공정이 가능한 소재이기 때문에 비교적 용이한 방법으로 적층이 가능할 것으로 사료됩니다. 향후 트랜지스터 접합 기반 픽셀 회로의 집적기술 및 융복합 기술을 통해 고성능 차세대 이미지 센서가 개발된다면 다양한 신산업을 이끌어 나갈 수 있을 것이라 기대합니다.