【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST 연구진이 빛의 세기와 파장을 넘어 ‘회전 방향’까지 감지할 수 있는 차세대 광센서 기술을 개발했다.

▲ (좌측부터) DGIST 에너지공학과 양지웅 교수, 김민서 석박사통합과정생  © DGIST

DGIST 에너지공학과 양지웅 교수 연구팀은 자외선부터 단파 적외선까지 아우르는 초광대역 영역에서 ‘원형편광’을 감지할 수 있는 양자점 기반 광센서를 구현했다고 밝혔다. 해당 소자는 상용 실리콘 광센서에 버금가는 높은 검출 성능도 입증했다.

원형편광은 빛의 전기장이 나선형으로 회전하며 진행되는 특성을 지닌 빛으로, 광자의 스핀 정보와 직결된다. 이 정보는 양자 통신과 양자 암호, 광 기반 정보처리 등 차세대 기술에서 핵심 신호로 활용되며, 이를 정밀하게 검출할 수 있는 센서 기술이 주목받고 있다.

기존 원형편광 광센서는 특정 방향성을 갖는 ‘키랄(Chiral) 구조’ 소재에 의존해 왔지만, 적용 가능한 소재가 제한적이고 감지 가능한 파장 범위도 자외선과 가시광선에 머무는 한계가 있었다. 특히 적외선 영역으로의 확장이 어려워 실용화에 제약이 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 광 흡수 소재가 아닌 전하 이동 경로에 키랄 구조를 도입하는 새로운 설계 방식을 제시했다. 키랄성 물질이 결합된 산화아연(ZnO) 전자 수송층을 양자점 광다이오드에 적용해 특정 스핀 방향의 전자만 선택적으로 통과시키는 기술을 구현했다.

이로써 원형편광 빛에 의해 생성된 전자의 스핀 상태에 따라 전류 차이가 발생하고, 이를 통해 빛의 회전 방향을 직접 판별할 수 있게 됐다.

이번에 개발된 광센서는 자외선·가시광선뿐 아니라 근적외선과 단파 적외선까지 감지 가능한 ‘초광대역’ 성능을 확보했으며, 단일 소자로 이 같은 범위를 구현한 것은 이례적인 성과로 평가된다. 또한 10¹² 존스(Jones)에 달하는 높은 검출 능력을 기록해 상용화 가능성도 제시했다.

양지웅 교수는 “광자의 스핀 정보를 검출하는 새로운 원리의 광센서를 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 양자 통신, 양자 센싱, 차세대 이미지 센서, 보안 광통신 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 Advanced Materials에 게재됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

DGIST Develops Ultra-Wideband Optical Sensor Capable of Reading Light’s ‘Rotation Direction’… Expected to Be a Core Technology for Quantum Communication

Researchers at DGIST have developed a next-generation optical sensor technology capable of detecting not only the intensity and wavelength of light, but also its ‘rotation direction.’

A research team led by Professor Ji-Woong Yang of the Department of Energy Engineering at DGIST announced that they have realized a quantum dot-based optical sensor capable of detecting ‘circular polarization’ in an ultra-wideband range encompassing ultraviolet to short-wave infrared. The device has also demonstrated high detection performance comparable to commercial silicon optical sensors.

Circular polarization is light characterized by its electric field rotating in a spiral pattern, which is directly linked to the spin information of photons. This information serves as a key signal in next-generation technologies such as quantum communication, quantum cryptography, and optical-based information processing, drawing attention to sensor technologies capable of precisely detecting it.

Existing circular polarization optical sensors have relied on ‘chiral structure’ materials with specific directional properties; however, they faced limitations due to a restricted range of applicable materials and a detection range limited to ultraviolet and visible light. In particular, practical application was constrained by the difficulty of extending into the infrared region.

To overcome these limitations, the research team proposed a new design approach that introduces chiral structures into the charge transport pathway rather than using light-absorbing materials. By applying a zinc oxide (ZnO) electron transport layer combined with chiral materials to a quantum dot photodiode, they implemented a technology that selectively allows only electrons with specific spin directions to pass through.

As a result, current differences arise depending on the spin state of electrons generated by circularly polarized light, enabling the direct determination of the direction of light rotation.

The newly developed photosensor has secured "ultra-broadband" performance capable of detecting not only ultraviolet and visible light but also near-infrared and short-wave infrared light; achieving such a range with a single device is considered an exceptional achievement. Furthermore, it demonstrated high detection capability reaching 10¹² Jones, suggesting potential for commercialization.

"This is highly significant in that it presents a photosensor based on a new principle for detecting spin information of photons," said Professor Yang Ji-woong. "In the future, it can be utilized as a core technology in various fields such as quantum communication, quantum sensing, next-generation image sensors, and secure optical communication."

Meanwhile, this research was conducted with support from the Ministry of Science and ICT, the National Research Foundation of Korea, the Ministry of Trade, Industry and Energy, and the Korea Institute for Industrial Technology Promotion. The results were published in the international materials science journal Advanced Materials.