왼쪽부터 오승주 고려대 교수, 양희선 홍익대 교수, Tse Nga Ng UCSD교수, 오성근 고려대 박사과정

오승주 고려대 교수, 양희선 홍익대 교수 그리고 Tse Nga Ng UCSD (University of California San Diego) 교수로 구성된 한미 공동 연구진이 세계 최초로 양자점 기반 적외선 픽셀리스 이미징 기술에 '광증폭(Photomultiplication)' 메커니즘을 도입한 혁신적 센서를 개발했다. 이 센서는 982%의 광자 대 광자(p-to-p) 효율을 달성하며 기존 유기물 기반 업컨버전 센서 대비 4배 이상의 성능 향상을 기록했으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지(ACS Energy Letters) 11월 19일자로 게재됐다. 

연구팀은 적외선을 가시광선으로 변환하는 픽셀리스 구조로 양자점 포토다이오드와 발광다이오드를 하나의 소자로 결합하여, 기존 고해상도 픽셀 패턴화 공정의 복잡성을 획기적으로 줄였다. 센서 제작에는 역구조 형태를 기반으로 Mg-합금화된 ZnO 나노입자를 단일 전자 전송층으로 활용해 소자를 단순화하는 동시에 효율을 극대화했다.

특히, 본 연구는 광증폭 효과에서 발생하는 전자와 정공의 이동 및 재결합 과정을 이미지화하여 센서 효율 향상의 원리를 시각적으로 분석했다. 이를 통해 적외선 강도와 전압 조건에 따른 전자 및 정공의 이동 경로와 재결합 위치를 명확히 확인했으며, 전하 이동이 방출 효율에 미치는 영향을 구체적으로 규명했다. 이러한 시각화는 문턱 전압 이상에서 전자가 증폭되는 과정과 전하 균형 유지 메커니즘을 입증하였다. 

이번 센서는 적외선의 생체 조직 침투 특성을 활용해 맥박 감지를 성공적으로 시연했으며, 손동작(예: 가위바위보) 인식 등 동작 감지 기능도 구현했다. 대면적 소자에서 고려대학교 마크인 '호랑이'나 'KU'와 같은 원하는 이미지를 적외선을 통해 재현했으며, 50 마이크로미터 이하의 초미세 이미지 구현 가능성을 제시하였다. 

이번 연구는 한국연구재단 반도체디스플레이단 (원천기술국제협력개발사업)의 지원을 받았으며, 세계적인 학술지 ACS Energy Letters에 게재되었으며, 양자점을 기반으로 한 적외선 기반 이미징 기술의 새로운 가능성을 열었다는 점에서 주목받고 있다.