Photodetector
광검출기

본 연구실에서는 소자 구성 및 작동 원리의 유사성을 바탕으로 태양전지 연구의 한 범주로서 광 검출기 기술 개발에도 관심을 두고 있습니다.
광 검출기란 특정 파장의 광원을 흡수하고 이것을 전기적인 신호로 바꾸어 줌으로써 광 검출의 기능을 하는 소자인데, 태양전지 소자에 적용되는
광활성층(에너지흡수층)의 광여기(photo-excitation)시 발생하는 광전류(photocurrent) 측정을 광 검출의 표지로 이용합니다.
현재 페로브스카이트 태양전지 소자의 기본 구성은 유지하되 귀금속 나노 입자를 도입하여 소자 내부에 표면 플라즈몬 공명 효과를 유발하거나 광활성층의
차원 제어를 통해 소자의 효율 및 안정성을 높이는 연구를 진행하고 있습니다.

Perovskite photodetector

최근 페로브스카이트 물질은 높은 전하 이동성, 광대역 흡수, 용이한 공정 등 다양한 장점으로 인해 학계의 많은 관심을 받았으며,
특히 페로브스카이트 광검출기는 우수한 광전류(및 이득)로 인해 검출 능력을 극대화할 수 있기에 광통신, 이미지 센싱 등 다양한 분야의 응용 연구가
진행되고 있습니다.

페로브스카이트 기반 광검출기 핵심 활성층 소재와 광검출기 적용에 관한 리뷰 논문 (표지논문 선정)

 본 연구실에서는 페로브스카이트 기반 광검출기 핵심 활성층 소재와 이를 광검출기에 적용한 최근의 논문들을 포괄적으로 조망한 리뷰 논문을 작성하였습니다. 
 본 리뷰에서 저희 연구진은 소자 구성 및 소재의 구조/형태에 초점을 맞춘 페로브스카이트 기반 광 검출기의 최근 전세계적인 연구 성과에 대한 포괄적인 고찰과 우수한 성능 지표 도출에 대한 다양한 기법을 정리하여 기술하였습니다. 
 유기 반도체의 우수한 용액 공정 및 높은 전하 이동성 등의 장점을 동시에 보유하고 있는 페로브스카이트는 현재 상용 실리콘을 대체하는 차세대 광 검출 핵심 소재로써 응용될 수 있을 것으로 전망됩니다.

차원제어 페로브스카이트 광 검출기 개발

 본 연구실은 차원이 제어된 페로브스카이트를 사용하여 자가동력이 가능한 고안정성의 광다이오드를 제작하였습니다. 
본 연구는 준2차원 페로브스카이트를 사용하여 기존의 3차원 페로브스카이트(MAPbI3)가 가지고 있는 낮은 안정성의 치명적인 문제점을 극복하고, 0 V에서 작동하는 자가동력형 다이오드 제작에 성공하였습니다. 
개발된 페로브스카이트 다이오드는2.20 × 10^12 J의 검출도 (D *)와 0.53 A/W의 감응도(R)라는 우수한 성능을 보였습니다. 이에 더하여, 준2차원 
페로브스카이트의 도입으로 인해서 기존의 3차원에서 가지지 못했던 낮은 누설 전류와 안정성을 개선할 수 있었습니다. 
 준2차원 페로브스카이트 광 다이오드는 대기 조건에서 80 일이 경과한 후에도 초기 수준의 전류 밀도의 76%를 유지하였으며, 이는 3차원 페로브스카이트의 경우 (15% 유지)에 비해 월등히 개선된 안정성을 확인할 수 있었습니다. 
 본 연구는 페로브스카이트의 안정성을 개선하며 우수한 성능을 유지함으로써, 기존의 3차원 물질이 가진 한계점을 극복하고 고안정성/고효율의 준2차원 페로브스카이트 광다이오드의 출현을 제안하였습니다. 
 본 연구는 향후 페로브스카이트 광다이오드의 상용화 및 LED, 트랜지스터 등 전반적인 응용분야에 적용될 것으로 기대됩니다.

금 나노 막대를 도입한 페로브스카이트 광 검출기 제작

 본 연구진은 기존의 한계를 극복하여 낮은 구동전압에서도 높은 출력을 
가지는 광 검출기를 제작하고자, 수직형 광전도체(photoconductor) 구조를 채택하고 플라즈모닉 효과를 도입하였습니다. 
금속 나노막대의 표면 플라즈몬 효과에서 기인하는 향상된 흡수, 근접장 증폭 및 산란 효과 등을 통해, 고성능의 페로브스카이트 광검출기를 도출하였습니다. 
 본 연구에서는 -1V의 낮은 구동전압에서 최대 317A/W의 높은 응답성을 발현하여 금속 나노입자가 도입되지 않은 소자의 성능(200 A/W) 대비 약 60% 이상 증대된 결과를 얻었으며, 이는 지금까지 보고된 수직형 페로브스카이트 소자 가운데 가장 우수한 성능을 기록한 것으로 보고됩니다. 
 또한, 금속 나노막대가 도입된 하이브리드 페로브스카이트 소자는 전하 추출 및 수송을 용이하게 하여 약 95 ns 수준의 매우 빠른 응답 속도를 보였습니다. 
 본 연구를 통해 페로브스카이트 광검출기 성능 향상을 위한 플라즈모닉 나노 구조체의 설계 및 도입에 관한 새로운 관점과 이론적 모델을 제시하였고, 도출된 기법은 페로브스카이트 광검출기 뿐만 아니라 향후 트랜지스터, 태양전지, LED 등 다양한 페로브스카이트 전자소자에 응용될 수 있는 유용한 지침을 제공한 것으로 평가됩니다.

 Representative works in PNML:

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Y. Nah, O. Allam, et al., ACS Nano 2021, 15(1), 1486 – 1496
J. Lim et al. Nano Energy 2020, 75, 104984.
J. Han et al. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 2105-2113.
H. Kwon et al. Nanoscale 2019, 11, 19586-19594.
Y. Jang et al. J. Power Sources 2019, 438, 227031.
J. Lim et al. J. Power Sources 2019, 438, 226956.
J. Lim et al. Nano Energy 2019, 57, 761-770.
H. Wang et al. Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701397.
J. Lim et al. Nano Energy 2017, 33, 1-20.
Y. H. Jang et al. ACS Energ. Lett. 2017, 2, 117−123.
Y. Oh,§ J. W. Lim,§ et al. ACS Nano 2016, 10(11), 10143 – 10151.
L. N. Quan et al. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138(8), 2649 – 2655.
L. N. Quan et al. ChemSusChem 2014, 7(9), 2590 − 2596.
Y. H. Jang et al. Nanoscale 2014, 6(3), 1823 − 1832.
Y. H. Jang et al. Nano Lett. 2012, 12(1), 479 – 485.