(왼쪽부터) 장웅식 박사후연구원(제1저자), 성균관대 나노공학과 전일 교수, 우리 대학 융합공학부 왕동환 교수

우리 대학 융합공학부 왕동환 교수와 장웅식 박사후 연구원이 성균관대 전일 교수팀과 공동 발표한 ‘저마늄 도핑 및 유기 양이온 매개 치수 제어를 통한 비납계 주석 페로브스카이트 포토다이오드의 향상된 성능 및 대기 안정성(Enhanced Photodetection and Air Stability of Lead-free Tin Perovskite Photodiodes via Germanium Incorporation and Organic Cation-Mediated Dimensionality Control)’ 논문이 2023년 인용지수(Impact Factor) 18.5, JCR 분야 상위 5% 재료 분야 권위지 ‘Advanced Functional Materials)’에 16일자로 온라인 게재됐다. 

최근 고 감응 특성을 바탕으로 우수한 광전변환 성능을 나타내는 차세대 페로브스카이트 소재가 포토디텍터 확장 연구에 적용되고 있다. 문제는 높은 광전류를 유도하는 페로브스카이트 조성이 유해한 납 성분을 함유하고 있어 산업 규정상의 제한으로 상용화에 상당한 어려움을 겪고 있다는 점이다. 

페로브스카이트 구조를 구성하는 납을 대체하기 위해 많은 연구자가 다양한 소재를 탐색해왔다. 가장 유력한 후보군 중의 하나로 주석 조성이 있지만, 물과의 반응성이 높아 박막 성형의 난이도가 높았고, 소자를 구현하더라도 안정성이 현저히 낮았다. 

공동연구팀은 주석 기반 비납계 페로브스카이트 박막을 보다 안정적으로 형성 가능한 조건을 찾기 위해 저마늄을 도핑했다. 이를 통해 안정적인 비납계 페로브스카이트 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다. 

새롭게 개발한 비납계 페로브스카이트 포토디텍터는 단일 주석 조성 대비 강한 결합 에너지로 양이온·음이온의 이동을 억제함으로써 안정성을 극대화했다. 저마늄 조성은 3D 구조의 페로브스카이트를 형성함과 동시에 전도대 에너지의 증가를 이끌어 향상된 암전류 감소 효과도 나타냈다. 1.6×10¹² Jones의 성능과 향상된 Signal-to-noise Ratio 및 μs 수준의 빠른 반응속도를 보이며 우수한 감광 능력을 갖춘 소재라는 점도 검증됐다. 

저마늄 도핑 주석 기반 페로브스카이트 포토디텍터 구조

연구팀 관계자는 “이번 연구는 기존 페로브스카이트를 대체하기 위한 비납계 조성에 관한 것이다. 암전류 억제와 반응속도 향상을 동시에 이끈 저마늄 도핑 주석 기반 페로브스카이트의 효과를 심도 있는 분석을 통해 증명함으로써 이미지 센서의 핵심 구조인 포토다이오드 발전과 더불어 친환경 감광 소재 개발에 이바지할 수 있는 계기가 됐다”며, “이번 연구성과를 토대로 상용화가 가능한 차세대 이미지센서를 개발하기 위한 연구를 수행할 계획”이라고 말했다.