[논문]나노물질을 이용한 광센서

윤창준; 조경아; 김상식

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문제 정의

한편, 나노선은 전하전송의 우수한 특성을 가지고 있으나, 나노입자에 비해 수광효율은 떨어지는 단점이 있다. 이 글에서는 이러한 나노물질들을 이용하여 제작한 광센서에 관한 사례들을 소개하고자 한다.
지금까지 광센서 소재로써 나노물질들이 응용될 수 있는 가능성을 살펴보았다. 특히, 나노입자와 나노선을 융합하여 제작된 하이브리드 나노차원의 광센서는 차세대 고효율 광센서로 활용될 수 있으리라 여겨진다.

제안 방법

ZnO 나노입자에 흡수된 325 nm 파장의 빛에 의해 생성된 전하들이 나노입자와 접합되어 있는 나노선을 통해 보다 효율적으로 전달이 되기 때문이다. ZnO 나노입자-나노선 하이브리드 광센서의 반응 속도를 알아보기 위해 50초 간격으로 325 nm 파장의 레이저를 켜고 끄고를 반복하면서 시간에 따라 얼마나 민감하게 반응하는지를 알아보았다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 ZnO 나노입자-나노선 하이브리드 광센서는 ZnO 나노입자나 ZnO 나노선으로 이루어진 광센서에서는 볼 수없는 빛을 끈 후에 딜레이현상이 보여진다.
특히 ZnO 나노입자들이 채널로 구성된 광센서는 나노입자의 탁월한 수광효율로 인하여 높은 센싱효과를 가지고, 나노입자를 사용함으로써 용액기반의 공정을 사용함으로써 공정을 간략화 할 수 있다. 그러나, 너무 작은 크기의 ZnO 나노입자는 그레인사이에 존재하는 베리어들 때문에 전하전송능력이 떨어지는 단점이 있으므로, 70 nm 크기의 ZnO 나노입자를 사용하여 자외선 광센서를 제작하였다 [2].
3 μm 파장대역에서 확인하였다 [1]. 여기에서 사용된 HgTe 나노입자는 콜로이달 방법으로 합성된 것으로 스핀코팅방법을 이용하여 HgTe 박막을 형성하였으며, 나노입자 박막 광센서는 수평구조와 수직구조로 각각 제작하였다. 간단히 소자 제작방법을 설명하면, 수평 구조의 광센서는 유리기판 위에 패턴된 ITO 전극사이에 HgTe 나노입자들을 스핀코팅하여 박막을 형성하였고, 수직 구조는 ITO가 코팅된 유리기판 위에 HgTe 나노입자 박막을 스핀코팅법으로 형성시키고, 그 위에 Au 전극을 증착하였다.
이러한 가능성을 기반으로 HgTe 나노입자로 이루어진 박막 상태의 HgTe의 광특성을 1.3 μm 파장대역에서 확인하였다 [1].
조금 더 자세히 이 광소자들의 특성을 살펴보기 위해 30 초 간격으로 1.3 μm 파장대역의 레이저를 조사 및 차단하면서 이에 따른 소자들의 반응을 살펴보았다.

대상 데이터

ZnO 나노입자 기반의 자외선 광센서의 특성은 325 nm 파장의 He-Cd 레이저를 사용하여 측정하였다. 그림 4는 He-Cd 레이저를 조사하지 않은 상태와 레이저를 조사한 상태의 I-V 특성 곡선이다.
ZnO 나노입자-나노선 하이브리드 광센서의 특성의 우수성은 채널부분이 ZnO 나노선으로만 이루어진 광센서와 ZnO 나노입자만으로 이루어진 광센서를 비교함으로써 증명되었다. 수광실험은 325 nm 파장의 HeCd 레이저를 사용하여 수행하였다.

성능/효과

제작된 ZnO 나노입자 기반 광센서의 SEM 사진은 그림 3에 나타내었다. Au 전극사이에 코팅되어있는 ZnO 나노입자층을 확인되었으며, 고배율의 사진에서는 ZnO 나노입자들이 작게는 20 nm에서부터 크게는 120 nm정도의 직경을 가지는 것으로 관찰되나, 평균적으로는 70 nm정도의 직경을 가지고 있는 것으로 관찰되었다.
ZnO 나노입자-나노선 하이브리드 광센서의 특성의 우수성은 채널부분이 ZnO 나노선으로만 이루어진 광센서와 ZnO 나노입자만으로 이루어진 광센서를 비교함으로써 증명되었다. 수광실험은 325 nm 파장의 HeCd 레이저를 사용하여 수행하였다.
그림 7(a)는 각각 소자에 대한 광전류에 대한 I-V 곡선이고, 그림 7(b)는 레이저를 조사하지 않은 경우의 I-V 곡선이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 ZnO 나노입자-나노선 하이브리드 광센서가 각각 ZnO 나노선과 나노입자로 제작된 광센서보다 월등히 높은 광전류 효율을 보인다.
레이저의 on/off에 따라 광전류가 빠르게 증가/감소하는 특성을 볼 수 있고, 또한 광센서에 조사되는 레이저의 출력이 높아질수록 더 높은 광전류가 흐르는 것을 관측할 수 있었다. 이러한 경향성은 수직하게 제작된 소자와 수평하게 제작된 소자 양쪽에서 유사하게 보여진다.

후속연구

지금까지 광센서 소재로써 나노물질들이 응용될 수 있는 가능성을 살펴보았다. 특히, 나노입자와 나노선을 융합하여 제작된 하이브리드 나노차원의 광센서는 차세대 고효율 광센서로 활용될 수 있으리라 여겨진다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

광통신용 광센서 제작 시 중요한 기술은?

광통신에 응용하기 위한 광센서를 제작하려면, 중요한 기술 중 하나가 1.3 - 1.55 μm 대역에서의 빠른 속도와 정보 전송율을 가져야 한다. 특히 HgTe 나노입자는 광통신에 사용되는 파장 대역에서 응용 가능한 나노물질로 주목받고 있다.

HgTe 나노입자는 어떤 물질로 주목받고 있는가?

55 μm 대역에서의 빠른 속도와 정보 전송율을 가져야 한다. 특히 HgTe 나노입자는 광통신에 사용되는 파장 대역에서 응용 가능한 나노물질로 주목받고 있다. 3 - 4 nm정도의 직경을 가지는 HgTe 나노입자는 0.

나노물질들은 크게 나노입자와 나노선으로 구분할 수 있는데 각각 어떠한 장단점이 존재하는가?

나노물질들은 크게 나노입자와 나노선으로 구분할 수 있다. 나노입자는 등방성의 뛰어난 수광 특성과 크기 변화를 통해 밴드갭 에너지를 조절할 수 있어 원하는 수광 영역 파장대를 선택할 수 있는 장점이 있다. 한편, 나노선은 전하전송의 우수한 특성을 가지고 있으나, 나노입자에 비해 수광효율은 떨어지는 단점이 있다. 이 글에서는 이러한 나노물질들을 이용하여 제작한 광센서에 관한 사례들을 소개하고자 한다.

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