연구원, 적외선 '컬러' 감지 및 이미징을 위한 새로운 기술 발견

센트럴 플로리다 대학(UCF) 나노과학 기술 센터의 교수이자 연구원인 데바시스 찬다는 다양한 파장 또는 "색상"의 장파장 적외선(LWIR) 광자를 감지하는 새로운 기술을 개발했습니다.

해당 연구는 최근 미국화학회가 발행하는 저널인 Nano Letters 에 게재됐습니다.

새로운 감지 및 이미징 기술은 분광적 특성을 통한 재료 분석, 분광 이미징은 물론, 열 이미징 분야에도 응용될 수 있습니다.

인간은 1차색과 2차색을 감지하지만 적외선은 감지하지 못합니다. 과학자들은 뱀이나 야행성 동물과 같은 동물이 인간이 색상을 감지하는 것과 거의 비슷하게 적외선에서 다양한 파장을 감지할 수 있다고 가정합니다.

찬다에 따르면, 실온에서 적외선, 특히 LWIR을 감지하는 것은 광자 에너지가 약하기 때문에 오랜 과제였다고 합니다.

연구자에 따르면, LWIR 감지기는 대체로 냉각형 감지기와 비냉각형 감지기로 분류할 수 있다고 합니다.

냉각 감지기는 높은 감지율과 빠른 응답 시간이 장점이지만 극저온 냉각에 의존하기 때문에 비용이 크게 증가하고 실제 적용이 제한됩니다.

이와 대조적으로, 마이크로볼로미터와 같은 비냉각 감지기는 실온에서 작동할 수 있고 비용이 비교적 저렴하지만 감도가 낮고 응답 시간이 느리다고 찬다는 말합니다.

두 종류의 LWIR 감지기 모두 동적 스펙트럼 조정 기능이 부족하기 때문에 서로 다른 "색상"의 광자 파장을 구분할 수 없습니다.

찬다와 그의 박사후 연구원 팀은 기존 LWIR 감지기의 한계를 뛰어넘고자 했으며, 나노패턴 그래핀을 기반으로 한 고감도, 고효율, 동적으로 조정 가능한 방법을 시연하기 위해 노력했습니다.

Tianyi Guo '23PhD는 이 연구의 주 저자입니다. Guo는 2023년 Chanda의 멘토십 하에 UCF에서 박사 학위를 취득했습니다. 그는 Springer Nature에서 국제 논문 상을 수상했으며 잠재적인 LWIR 감지 방법을 탐구한 그의 논문은 Springer Theses 책 시리즈에 게재되었습니다.

찬다에 따르면, 이 새롭게 발견된 방법은 과, 찬다, 그리고 찬다 연구실의 다른 연구자들이 수행한 연구의 정점이라고 합니다.

"현재 냉각 또는 비냉각 감지기는 이러한 동적 스펙트럼 조정성과 초고속 응답성을 제공하지 않습니다." 찬다가 말했습니다. "이 시연은 실온에서 작동하는 엔지니어링된 단층 그래핀 LWIR 감지기의 잠재력을 강조하여 분광 이미징을 위한 높은 감도와 동적 스펙트럼 조정성을 제공합니다."

검출기는 비대칭 패턴 그래핀 필름 내의 재료의 온도 차이(제벡 효과라고 함)에 의존합니다. 빛이 비추고 상호 작용하면 패턴이 있는 반쪽은 흡수가 크게 향상된 핫 캐리어를 생성하는 반면 패턴이 없는 반쪽은 차갑게 유지됩니다. 핫 캐리어의 확산은 광열전 전압을 생성하고 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 측정됩니다.

그래핀을 특수 배열로 패터닝함으로써 연구자들은 향상된 흡수를 달성했고 LWIR 스펙트럼 범위 내에서 정전기적으로 더욱 조정하여 더 나은 적외선 감지를 제공할 수 있습니다. 이 감지기는 기존의 냉각되지 않은 적외선 감지기(마이크로볼로미터라고도 함)의 성능을 크게 능가합니다.

Chanda는 "제안된 감지 플랫폼은 가전제품, 분자 감지, 우주 등 광범위한 응용 분야를 위한 차세대 비냉각 그래핀 기반 LWIR 광검출기의 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.

Chanda 그룹의 연구원으로는 박사후 연구원인 Aritra Biswas '21MS '24PhD, Sayan Chandra, Arindam Dasgupta 및 Muhammad Waqas Shabbir '16MS '21PhD가 있습니다.

이 연구 결과는 약 2년 전에 수주된, 국방 고등 연구 계획국의 극한 광자 이미징 역량 프로그램을 통해 자금이 지원된 150만 달러 규모의 프로젝트의 결과입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241212115857.htm