미국 듀크 대학교의 엔지니어들이 지금까지 기록된 것 중 가장 빠른 초전기 광검출기를 만들었습니다. 이 장치는 흡수된 후 빛으로 변환된 열을 포착하여 빛 신호를 "감지"합니다. 이 새로운 초박형 센서는 실온에서 작동할 수 있고 외부 전원 공급 장치가 필요하지 않으며 칩 시스템에 통합되어 거의 전체 전자기 스펙트럼의 빛에 반응할 수 있습니다. 이는 차세대 다중 스펙트럼 이미징 기술의 개발을 촉진할 것으로 예상됩니다. 관련 연구 결과는 Advanced Functional Materials 저널에 게재되었습니다.
현재 대부분의 디지털 카메라 장비는 반도체 광 검출기에 의존하여 표면에 떨어지는 가시광선을 전류로 변환한 다음 전자 회로에서 처리하여 이미지를 형성합니다. 이러한 유형의 장치의 작동 대역은 인간의 눈과 유사하며 주로 제한된 가시광선 범위 외부에 집중되어 있으며 종종 다른 대역의 전자기 방사에 대해 "눈을 멀게"합니다. 더 넓은 대역을 감지하기 위해 연구자들은 일반적으로 초전기 감지기를 사용합니다. 물질이 빛을 흡수하면 온도가 상승하여 전기 신호가 생성됩니다.
그러나 전통적인 초전 검출기는 응답 성능 측면에서 오랫동안 반도체 솔루션보다 열등했습니다. 충분한 신호를 얻기 위해 장치에는 두꺼운 흡수층이나 매우 강한 입사광이 필요한 경우가 많으며 이로 인해 전체 볼륨이 커지고 응답 속도가 느려집니다. Duke University의 전기 및 컴퓨터 공학과 교수인 Maiken Mikkelsen은 상업용 초전 감지기의 반응성이 제한적이며 "매우 밝은 빛이나 매우 두꺼운 흡수층이 필요하며 열 자체가 매우 빠르게 이동하지 않기 때문에 자연적으로 속도가 느려집니다"라고 지적합니다.
Duke 팀의 획기적인 발전은 "메타표면(metasurface)"이라는 구조 설계에서 비롯되었습니다. 연구진은 약 10나노미터 두께의 투명한 층으로 분리된 매우 얇은 금 필름 위에 수많은 은 나노큐브를 정밀하게 배열했습니다. 빛이 이러한 나노큐브에 닿으면 은의 전자를 여기시켜 플라즈몬 효과를 통해 국소 구조에 빛 에너지를 가두게 됩니다. 포착되는 특정 파장은 나노큐브의 크기와 간격에 따라 달라지므로 나노구조 엔지니어링을 통해 흡수 빈도를 제어할 수 있습니다.
이 나노구조는 빛을 "포착"하는 데 매우 효율적이기 때문에 연구자들은 충분히 강한 전기 신호를 생성하기 위해 그 아래에 매우 얇은 초전성 물질 층을 배치하기만 하면 됩니다. 팀은 2019년에 이 아이디어를 처음 시연했지만 당시에는 응답 속도가 측정되지 않았습니다. Mikkelsen은 “열 광검출기는 이론적으로 매우 느려야 합니다. 따라서 열 광검출기가 실리콘 광검출기에 가까운 시간 척도를 보인다는 사실을 발견했을 때 전체 분야는 놀랐습니다.”라고 회상합니다.
최근 몇 년 동안 Mikkelsen 팀의 박사 과정 학생인 신은소는 값비싼 전문 장비에 의존하지 않고도 궁극적인 속도를 측정할 수 있도록 장치 구조를 더욱 최적화하고 저렴한 테스트 솔루션을 설계했습니다. 업그레이드된 디자인은 직사각형 구조 대신 원형 메타표면을 사용하여 입사광에 대한 효과적인 캡처 영역을 늘리는 동시에 장치 내부의 신호 전송 경로를 단축합니다. 팀은 또한 더 얇은 초전성 물질 층을 도입하고 신호를 읽고 전송하는 데 사용되는 회로 설계를 개선하기 위해 공동 작업자와 협력하고 있습니다.
테스트 세션에서 신 교수는 두 개의 분산 피드백 레이저로 구성된 실험 플랫폼을 구축했습니다. 레이저 주파수가 광검출기의 작동 한계에 점진적으로 접근함에 따라 장치의 출력 신호의 응답이 크게 변경되며, 이를 통해 실제 작동 속도를 추론할 수 있습니다. 결과는 새로운 광검출기가 최대 2.8GHz의 주파수에서 작동할 수 있다는 것을 보여줍니다. 이는 입사광을 약 125피코초의 시간 단위로 측정 가능한 전기 신호로 변환할 수 있음을 의미합니다.
신 교수는 “초전식 광검출기는 일반적으로 나노초에서 마이크로초 범위에서 작동하는데 이번에는 결과가 수백 배, 심지어 수천 배 더 빠르다”고 신 교수는 말했다. 연구팀은 초전식 광검출기의 물리적 메커니즘의 상한 속도를 탐색하면서 속도를 더욱 높이기 위해 계속 노력하고 있다고 언급했다.
응용 가능성을 기대하면서 연구원들은 초전성 물질과 판독 회로를 나노큐브와 금 필름 사이의 좁은 공간에 추가로 "패킹"함으로써 장치 두께를 지속적으로 압축하고 성능을 향상시킬 것으로 기대합니다. 또한 단일 장치가 여러 파장과 편광 상태를 동시에 감지할 수 있도록 다층 메타표면 구조의 사용도 모색하고 있습니다. 후속 설계 반복 및 제조 프로세스가 성숙해짐에 따라 이 기술은 차세대 강력한 다중 스펙트럼 이미징 시스템으로 이어질 것으로 예상됩니다.
이러한 감지기는 작동 시 외부 전원 공급 장치가 필요하지 않기 때문에 드론, 위성 및 다양한 우주선에 배치되어 장기적이고 기동성이 뛰어난 원격 감지 임무를 수행할 수 있는 가능성이 있습니다. 정밀 농업 시나리오에서 이 이미징 시스템이 장착된 무인 플랫폼은 실시간으로 관개 또는 비료가 필요한 작물을 식별하여 보다 정확한 자원 관리를 달성할 수 있습니다. Mikkelsen은 장치가 충분한 주파수를 동시에 감지할 수 있게 되면 "피부암 진단, 식품 안전 감지 및 원격 감지 차량과 같은 응용 분야에 대한 문이 열릴 것입니다. 이러한 응용 프로그램은 아직 진행 중이지만 이것이 우리가 향하고 있는 방향입니다."라고 믿습니다.