Organic Nanomaterials Lab.

(왼쪽부터) 대학원 융합공학과 대학원생 천지윤, 김병기, 김진영, 장웅식 박사 및 왕동환 교수(교신 저자)

우리 대학 융합공학부 왕동환 교수 연구팀이 최근 고 내구성 페로브스카이트 양자점 및 산화물 반도체 나노입자를 이용한 패시베이션 기술을 개발해 고감도 광검출기 제작에 성공하였다.

페로브스카이트는 우수한 광 전기적 특성을 가지며, 조정 가능한 밴드갭, 높은 색 순도 등을 보이는 유망한 반도체 소재이며, 산화물 반도체는 우수한 투과도와 전하 이동도 등의 다양한 소재적 이점을 나타내기에, 광학 및 전자소자에 활용하고자 하는 연구가 이뤄졌었으나, 양자점 및 나노입자의 내구성 문제가 걸림돌로 작용했다.

왕동환 교수 연구팀은 자체적으로 실리카 캡슐화를 통해 고내구성 코어쉘 양자점 소재(QD@APDEMS)를 확보하였고, 이를 광 감응층인 페로브스카이트 층 위에 적층함으로써 박막 내 트랩과 누설전류를 효과적으로 억제하였다. 이는 소수성 실레인 리간드의 도입으로 코어쉘로 개질함으로써, 페로브스카이트 결정립계 내 불안정 구조를 효과적으로 안정화시킨 패시베이션 메커니즘에 기인한다.

 실리카 캡슐화 양자점 기반 페로브스카이트 포토디텍터 모식도

산화물반도체 나노입자의 산소 결함 패시베이션 기술 모식도

연구팀은 구조적, 전기적, 광학적 분석 기법을 통해 광 감응층의 품질 향상과 박막 내 결함 감소를 규명하였고, 이로 인해 소자 내 전하 이동 및 재결합 특성 또한 크게 개선되었음을 확인하였다. 동시에 해당 양자점 소재는 에너지 준위 관점에서 정공 전하 주입을 효과적으로 차단하는 장벽 역할을 하여 소자의 누설전류 억제에 탁월한 효과를 보였다.

이번 연구 성과는 ‘Passivation engineering via silica-encapsulated quantum dots for highly sensitive photodetection’ 및 ‘Oxide vacancy passivation through interface engineering of tetraphenylethylene-based small-molecule with sulfonate functional group for efficient organic photodetector’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 에너지 관련 재료 분야 권위 학술지인 ‘Carbon Energy’(IF 20.5)와 화학공학 분야 권위 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF 15.1) 에 각각 온라인 출판되었다.

왕동환 교수는 “이번 연구는 반도체 나노입자 기반 포토디텍터 소자 내 계면 패시베이션 기술로써, 광 감응층 박막의 품질 및 성능을 효과적으로 개선하였다.”라며, “향후 다양한 양자점 및 나노입자 소재를 활용하여, 고성능 차세대 광 감응 디바이스 기술에 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 말했다.