삼성미래기술육성사업이 지원한 ‘양자 암호통신용 광원’∙‘차세대 이미지 센서용 고감도 광검출 기술’ 등 연구 성과 발표

삼성미래기술육성사업이 지원하는 연구 과제가 양자암호 통신, 차세대 이미지 센서 등의 분야에서 그 성과를 인정받고 있다. 전기로 구동되는 단일광자원을 최초로 개발한 박홍규 교수 연구팀과 기존 대비 14.7배 향상된 광 검출 기술 개발에 성공한 정대성 교수 팀의 연구가 세계의 유명 학술지에 게재된 것. 삼성전자 뉴스룸이 두 연구팀의 연구 성과를 소개한다.

전기로 구동…양자 암호통신 상용화를 위한 차세대 단일광자원 개발

2020년 8월부터 삼성미래기술육성 사업의 지원을 받으며 연구를 진행한 고려대 물리학과 박홍규 교수 연구팀은 얇은 원자 두께의 2차원 물질을 이용해 전기로 구동되고 방출 위치가 조절되는 새로운 단일광자원을 최초로 개발했다.

박홍규 교수팀의 연구는 차세대 양자 암호 통신의 상용화를 위한 연구로 인정받아 지난 10월 20일(미국 현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 ‘Electrically driven strain-induced deterministic single-photon emitters in a van der Waals heterostructure’라는 제목으로 게재됐다.

양자 역학에 기반을 둔 양자 암호학은 고전 암호 기술의 도청 문제를 극복할 수 있는 중요한 해결책으로 주목받고 있다. 단일광자원은 양자 암호 기술과 양자 정보 처리 기술에 있어서 핵심이 되는 기본 소자로, 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 양자 소자다. 양자를 하나만 보내 통신하기 때문에 일부를 수집해 도청하는 것이 원리적으로 불가능하므로, 군사적으로나 산업적으로 중요한 응용 분야로 급부상하고 있지만, 기존의 단일광자원은 대부분 외부 빛 에너지를 주입하는 광펌핑 과정을 통해 동작한다는 단점이 있다. 원하는 때와 위치에서 단일광자를 방출시키는 것 또한 매우 어려운 일이다. 이는 단일광자원의 상용화를 위해 꼭 해결해야만 하는 문제다.

박홍규 교수 연구팀은 원자 두께로 얇은 2차원 물질을 이용해 전기로 구동되고 방출 위치가 조절되는 단일광자원을 개발하여 이러한 한계를 돌파했다.

우선, 도체의 특성을 갖는 그래핀, 부도체의 특성을 갖는 질화붕소, 반도체의 특성을 갖는 전이 금속 칼코게나이드 등 다양한 2차원 물질들을 결합해 원자 두께로 얇은 이종접합 발광 구조를 구현했다. 다음으로, 제작된 발광 구조를 휘어지는 폴리머 기판 위에 옮긴 후, 뾰족한 바늘 모양 나노 탐침으로 2차원 물질을 살짝 찔러, 찢어지지 않을 정도로 변형을 가하면, 찔린 위치에서만 2차원 물질의 밴드갭이 작아져서 마치 양자점(quantum dot)을 만든 것과 같은 상황이 된다.

이렇게 만들어진 인공 양자점에 전기를 흘려주면 전자는 2차원 물질의 인공 양자점 영역에 집속이 되고, 양자 구속 효과^[1]에 의해 단일광자를 방출하게 된다.

박홍규 교수는 “이번 연구는 전기로 구동되는 단일광자원을 실제로 개발했다는 데 의미가 크다. 온칩(on-chip) 양자 광원을 이용해 양자 센서나 양자 컴퓨터와 같은 복잡하고 기능적인 양자 시스템을 단순하게 구현할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

‘기존 대비 14.7배 향상’ 차세대 이미지 센서 기술을 앞당길 초고감광도 광검출기 개발

포스텍 화학공학과 정대성 교수의 연구팀은 빛을 검출하는 능력이 기존 대비 14.7배 향상된 광 검출 기술을 개발, 해당 연구는 차세대 이미지 센서 분야의 혁신적인 연구 성과로 인정받게 되었다.

2018년 8월부터 삼성미래기술육성사업의 지원을 받으며 진행한 연구 논문이 ‘Interfacial electrostatic interaction-enhanced photomultiplication for ultra-high external quantum efficiency of organic photodiodes’라는 제목으로 지난 10월 22일(독일 현지 시간) 최상위 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 게재된 것.

디지털카메라나 휴대폰 등에 널리 사용되고 있는 이미지 센서 기술의 활용 분야는 현재 다양한 산업 영역으로 확장되고 있다. 특히, 야간에 주행하는 자율주행차량이나 지문, 정맥, 홍채 등 생체 인식을 위한 이미지 센서는 어두운 환경에서도 해당 영상 정보를 획득하는 것이 필요하므로 아주 높은 감도의 광 검출 기술이 요구된다.

현재 광 검출기 소재로는 실리콘이 사용되고 있으나 광 흡수 능력이 본질적으로 낮은 문제가 있다. 그 대안으로 실리콘의 두께를 두껍게 하게 되면 픽셀 사이의 간섭 현상 때문에 정확한 정보를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 웨어러블 기기용으로 적용하는 경우 두께 때문에 기기 설계의 자유도를 떨어뜨리는 문제가 발생한다.

정대성 교수 연구팀은 빛을 흡수하는 물질인 활성층과 전극 사이에 고분자 전해질 층을 새롭게 도입해 기존의 문제를 해결했다. 고분자 전해질 층은 고분자 물질에 양이온과 음이온을 도입한 것으로, 기능적으로는 전기 이중층(electrical double layer)^[2]으로 작용한다. 활성층에 흡수된 빛은 전자와 정공으로 분리된 후, 전극으로 이동한다. 이번에 새롭게 제안한 구조에서는 활성층과 전기 이중층이 인접하게 되어 전자와 정공의 분리 효율이 증가하고, 그 결과 기존 기술 대비 빛을 감지하는 능력이 14.7 배 향상됐다.

정대성 교수는 “전기 이중층에 의한 효과는 시뮬레이션 등을 통해서도 이중으로 검증하였다. 고감도 이미지 센서의 핵심 기술 중 하나인 초고감도 광 검출 기술은 현재 모든 전자 회사들의 초미의 관심사인 바, 이번에 개발한 기술이 조기에 상용화될 수 있기를 기대한다”고 말했다.

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 사업으로, 지금까지 706개 과제에 9,237억 원을 집행했다.

한편, 삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 협력회사 상생펀드, 스마트공장, C랩 아웃사이드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.