빛의 ‘회전 방향’까지 읽는다⋯DGIST, 차세대 초광대역 광센서 개발

(좌측부터) DGIST 에너지공학과 양지웅 교수, 김민서 석박사통합과정생./ DGIST 제공

DGIST 에너지공학과 양지웅 교수 연구팀이 빛의 세기와 파장을 넘어 ‘회전 방향’까지 정밀하게 감지할 수 있는 차세대 광센서를 개발했다. 이번 기술은 양자 통신과 보안 분야의 핵심 요소인 광자의 스핀 정보를 직접 검출할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다.

연구팀은 자외선부터 단파 적외선까지 아우르는 초광대역 영역에서 ‘원형편광’을 감지할 수 있는 양자점 기반 광센서를 구현하는 데 성공했다. 해당 소자는 기존 상용 실리콘 광센서에 버금가는 수준의 높은 광 검출 성능을 입증했다.

원형편광은 빛의 전기장이 나선형으로 회전하며 진행하는 특성을 가진 빛으로, 광자의 스핀 정보와 밀접하게 연결된다. 이러한 정보는 양자 통신과 양자 암호, 광 기반 정보 처리 기술에서 핵심 신호로 활용된다. 이에 따라 원형편광을 정밀하게 감지하는 기술은 차세대 통신·보안 산업의 중요한 기반으로 평가된다.

기존 광센서는 특정 방향성을 지닌 ‘키랄 구조’를 광 흡수 소재 자체에 적용해야만 원형편광을 감지할 수 있었다. 이 방식은 사용할 수 있는 소재가 제한적이며, 감지 가능한 파장 영역도 자외선이나 가시광선에 국한되는 한계가 있었다. 특히 적외선 영역으로의 확장이 어려워 실용화에 제약이 컸다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 광을 흡수하는 소재가 아니라, 전자가 이동하는 경로에 키랄 구조를 도입하는 ‘역발상’ 전략을 적용했다. 키랄성 물질이 결합된 산화아연(ZnO) 전자 수송층을 개발해 양자점 광다이오드에 적용함으로써, 특정 스핀 방향의 전자만 선택적으로 통과시키는 구조를 구현했다.

이 과정에서 원형편광 빛에 의해 생성된 전자가 스핀 상태에 따라 서로 다른 전류를 형성하게 되며, 이를 통해 빛의 회전 방향을 직접 판별할 수 있다. 즉, 광자의 스핀 정보를 전기적 신호로 변환하는 새로운 검출 원리가 확립된 것이다.

이번에 개발된 센서는 자외선, 가시광선뿐 아니라 근적외선과 단파 적외선까지 포함하는 ‘초광대역’ 범위에서 원형편광을 감지할 수 있다는 점에서 의미가 크다. 단일 소자로 이처럼 넓은 파장 영역을 모두 커버하는 사례는 매우 드문 성과로 평가된다. 또 광 검출 능력 지표인 존스(Jones) 기준 10¹² 수준의 높은 성능을 기록해 상용화 가능성도 확인했다.

양지웅 교수는 “광자의 스핀 정보를 직접 검출할 수 있는 새로운 개념의 광센서를 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “향후 양자 통신, 양자 센싱, 차세대 이미지 센서, 보안 광통신 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 활용될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 Advanced Materials에 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다.

/김락현기자 [e-mail]