KR102148862B1 - 테라헤르츠(THz)파 검출 센서 및 이를 포함하는 테라헤르츠(THz)파 검출 장치 - Google Patents
테라헤르츠(THz)파 검출 센서 및 이를 포함하는 테라헤르츠(THz)파 검출 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 MXene 물질을 고감도 센싱 물질로서 포함하는, 테라헤르츠(THz)파 검출 센서 및 이를 포함하는 테라헤르츠(THz)파 검출 장치에 관한 것이다.
[화학식 1]
M(n+1)Xn
상기 화학식 1에 있어서, M은 앞 전이 금속(early transition metal) 원소 중에서 선택되는 적어도 하나의 전이 금속이고, X는 C 및 N에서 선택되는 적어도 하나이며, n은 1 내지 3 중 선택되는 정수이다.
[화학식 1]
M(n+1)Xn
상기 화학식 1에 있어서, M은 앞 전이 금속(early transition metal) 원소 중에서 선택되는 적어도 하나의 전이 금속이고, X는 C 및 N에서 선택되는 적어도 하나이며, n은 1 내지 3 중 선택되는 정수이다.
Description
본 발명은 MXene 물질을 고감도 센싱 물질로서 사용하는 테라헤르츠(THz)파 검출 센서 및 이를 포함하는 테라헤르츠(THz)파 검출 장치에 관한 것이다.
THz파는 적외선과 마이크로파 사이의 영역에 있는 전자기파로서 적외선이 가지는 빛의 직진성과 마이크로파가 가지는 투과성을 모두 가지고 있다. 이에 따라, THz파는 마이크로파와 같이 대부분의 비금속 물질을 투과할 수 있을 뿐만 아니라 마이크로파와 달리 미세한 공간 해상도를 제공할 수 있는 장점이 있다.
따라서, THz파를 사용하면 방사선이 없으면서도 X-ray와 같이 대다수의 비금속성 물질을 투과하며 스캐닝이 가능한 T-레이 비파괴 검사 시스템을 만들 수 있다. 또한, 적외선 영역의 분광 분석(spectroscopy)에서는 구분되지 않는 상당수의 분자들이 THz 영역(일반적으로, 0.3 THz 내지 3.0 THz)에서는 구분이 가능하기에 THz 기반 분광 분석기는 강력한 분자 식별 수단이 된다. 최근 이를 기반으로 다양한 조류 독감 바이러스들의 세부 하위 유형을 THz파 분광분석기를 이용하여 정확하고 빠르게 구별할 수 있는 분자 감지 기술이 개발이 되기도 하였다. 하지만, THz 분광 분석을 위한 THz 레이저 발생 및 감지 소자는 THz파의 특성에 기인하여 일반적인 레이저 발생 및 감지 소자와는 다른 특이하면서도 복잡한 구조를 가지고 있다. 한편 주파수 별 구분이 필요 없는 THz 이미징 기술에 사용되는 광 감지 소자의 개발도 다른 파장대의 센서 소자 연구에 비해 연구 개발이 많이 뒤쳐지고 있는 실정이며, 이는 THz파를 효율적으로 흡수 감지할 수 있는 물질이 드물며 뛰어난 성능을 가지는 새로운 물질을 개발하기가 매우 힘들기 때문이다. 그러므로, 효과적으로 THz파를 검출할 수 있는 물질을 발굴하는 연구는 THz파 감지소자 개발 연구에 있어서 핵심적인 부분이라 할 수 있다.
최근 개발된 이차원 물질인 MXene 물질은 화학적 조합 및 구조에 따라 수백 가지 이상의 물질 합성이 가능한 이차원 물질이다. MXene 물질은 뛰어난 전자적 및 화학적 성질에 의하여 이차 전지의 전극 물질, 수퍼 커패시터, 다공성막, 촉매 등 다양한 응용 기술 분야에서 뛰어난 성능을 보여주고 있다. 그러나, 아직 MXene 물질들의 물리적 특성들이 충분히 연구나 이해가 되지 않고 있는 실정이며, 특히 레이저 광학으로의 특성 분석과 응용은 거의 전무한 실정이다.
THz파 감지 센서 개발의 어려움은 뛰어난 물성을 가지는 THz 감지 물질을 찾기가 매우 힘든 것이 주요한 요인의 하나이다. 본 발명은 새로운 THz파 감지 물질을 발굴하고 이를 이용하여 단순한 구조를 가지면서도 뛰어난 성능을 보이는 THz파 검출 센서 및 이를 포함하는 THz파 검출 장치를 제공하고자 한다.
구체적으로, 본 발명자들은 범밀도 함수 양자 계산(density functional theory calculation)을 이용하여 MXene 물질이 탁월한 THz파 흡수 성능을 가지고 있음을 입증하였으며, 맥신의 우수한 광열 변환 및 광열전 변환 효율과 페르미 에너지 준위 근처의 높은 전자 에너지준위 상태 밀도에 의하여 뛰어난 성능의 MXene 물질 기반 THz 레이저광 검출 소자를 개발할 수 있음을 밝혀내었다. 또한 상기 양자 계산을 통하여 MXene 물질 이차원 물질은 적층(stacking)의 정도(벌크 크기의 물질까지 포함)에 무관하게 우수한 THz파 감지 성능을 가짐을 확인함으로써 상기 소자의 개발 용이성이 매우 높다는 것을 보였다.
이에, 본 발명은 MXene 물질을 고감도 센싱 물질로 사용하는 새로운 THz파 검출 센서 및 이를 포함하는 THz파 검출 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는, 하기 화학식 1로 표시되는 MXene 물질을 센싱 물질로서 포함하는, 테라헤르츠(THz)파 검출 센서를 제공한다.
[화학식 1]
M(n+1)Xn
상기 화학식 1에 있어서,
M은 앞 전이 금속(early transition metal) 원소 중에서 선택되는 적어도 하나의 전이 금속이고,
X는 C 및 N에서 선택되는 적어도 하나이며,
n은 1 내지 3 중 선택되는 정수이다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 THz파 검출 센서를 포함하는 THz파 검출 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 THz파 검출 센서는 고감도로 THz파를 감지할 수 있으며, 이를 이용하여 THz파를 검출하는 응용 장비에 적용하여 효율을 극대화시킬 수 있다. 구체적으로, MXene 물질의 우수한 THz파 광흡수도와 광열 및 광열전 변환 효율을 이용하여 단순한 형태로도 효율적인 THz파 검출이 가능한 THz파 검출 센서 및 상기 THz파 검출 센서가 포함된 THz파 검출 장치를 제공할 수 있다. 특히, 이차원 물질이 적층된 구조인 MXene 물질은 페르미 에너지 준위 근처의 풍부한 전자의 상태 밀도(density of states)에 의해 순간적으로 집중되어 들어오는 THz파인 THz 레이저광을 효율적으로 광열 변환시킬 수 있을 뿐 아니라 얇은 두께의 막 제조가 용이하기에 이에 따른 효과적인 온도 상승이 가능하여 THz파 감지 효율을 극대화할 수 있다. MXene 물질의 페르미 에너지 준위 근처에서 풍부한 전자의 DOS 제공은 테라헤르츠 분광학에서 일반적으로 사용되는 낮은 파워의 THz레이저광뿐만 아니라 테라헤르츠 이미징 기술에서 사용되는 높은 파워의 THz 레이저광에서도 THz파 감지 효율을 최대화할 수 있다.
도 1a는 표면에 -F와 -OH 화학 기능기가 결합된 단층 Ti3C2 MXene 물질의 자세한 구조를 예시적으로 보여주는 것이다.
도 1b는 단층 Ti3C2 MXene 물질(좌)과 단층 MXene 물질이 적층된 층상구조의 Ti3C2 MXene 물질(우)을 나타낸 것이다.
도 2a는 단층 Ti3C2 MXene 물질과 THz 대역에서의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2b는 적층된 Ti3C2 MXene 물질과 적층된 그래핀(초록색의 1점 쇄선)의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2c는 단층 Ti3C2 MXene 물질, 적층된 Ti3C2 MXene 물질, 적층된 그래핀의 페르미 에너지 준위 근처에서의 전자 density of states 상태를 나타낸 것이다.
도 3는 층상 구조의 Ti3C2 물질의 열전 특성을 확인하기 위한 장치(a) 및 이의 열전 성능 지수(thermoelectric figure of merit, ZT) 스펙트럼(b)을 나타낸 것이다.
도 4a와 도 4b는 각각 온도 300K과 400K를 가지는 단층 구조의 Ti3C2 물질에서 전자의 에너지 준위에 따른 투과(transmission) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 MXene 물질 기반 볼로미터형 THz파 검출 센서를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6는 안테나가 결합되어 효율을 높여주는 MXene 물질 기반 볼로미터형 THz파 검출 장치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은 특정 THz 파장을 증폭하여 투과 및 반사할 수 있는 메타 물질을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 8a는 직렬로 연결된 THz 안테나 결합 볼로미터형 THz파 검출 센서의 구조를 도시한 것이다. 나아가, 도 8b는 안테나 결합 볼로미터형 THz파 검출 센서들이 직렬 및 병렬로 연결된 어레이(array)의 구조를 도시한 것이다.
도 1b는 단층 Ti3C2 MXene 물질(좌)과 단층 MXene 물질이 적층된 층상구조의 Ti3C2 MXene 물질(우)을 나타낸 것이다.
도 2a는 단층 Ti3C2 MXene 물질과 THz 대역에서의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2b는 적층된 Ti3C2 MXene 물질과 적층된 그래핀(초록색의 1점 쇄선)의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2c는 단층 Ti3C2 MXene 물질, 적층된 Ti3C2 MXene 물질, 적층된 그래핀의 페르미 에너지 준위 근처에서의 전자 density of states 상태를 나타낸 것이다.
도 3는 층상 구조의 Ti3C2 물질의 열전 특성을 확인하기 위한 장치(a) 및 이의 열전 성능 지수(thermoelectric figure of merit, ZT) 스펙트럼(b)을 나타낸 것이다.
도 4a와 도 4b는 각각 온도 300K과 400K를 가지는 단층 구조의 Ti3C2 물질에서 전자의 에너지 준위에 따른 투과(transmission) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 MXene 물질 기반 볼로미터형 THz파 검출 센서를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6는 안테나가 결합되어 효율을 높여주는 MXene 물질 기반 볼로미터형 THz파 검출 장치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은 특정 THz 파장을 증폭하여 투과 및 반사할 수 있는 메타 물질을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 8a는 직렬로 연결된 THz 안테나 결합 볼로미터형 THz파 검출 센서의 구조를 도시한 것이다. 나아가, 도 8b는 안테나 결합 볼로미터형 THz파 검출 센서들이 직렬 및 병렬로 연결된 어레이(array)의 구조를 도시한 것이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 발명자들은 MXene 물질의 THz 파에 대한 탁월한 광흡수도와 우수한 광열 및 광열전 변환 효율에 의하여 MXene 물질을 THz파 검출 장치의 핵심 센서 물질로 사용할 수 있음을 세계최초로 입증하고 제시하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 일 실시상태는, 하기 화학식 1로 표시되는 MXene 물질을 센싱 물질로서 포함하는, THz파 검출 센서를 제공한다.
[화학식 1]
M(n+1)Xn
상기 화학식 1에 있어서,
M은 앞 전이 금속(early transition metal) 원소 중에서 선택되는 적어도 하나의 전이 금속이고,
X는 C 및 N에서 선택되는 적어도 하나이며,
n은 1 내지 3 중 선택되는 정수이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1의 M은 Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 전이 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, M은 하나 이상의 전이금속들로 이루어질 수 있다. 상기 MXene 물질이 2 이상의 전이 금속을 포함하는 경우, MXene 물질의 각 층이 둘 이상의 전이금속들이 혼합된 형태이거나 표면 층과 내부 층이 다른 종류의 금속으로 이루어진 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, X는 C와 N을 동시에 포함할 수 있다. 이 경우, C 및 N의 원자수는 각각 1 또는 2일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 MXene 물질의 표면에 -O, -OH 및 -F 중 선택되는 적어도 하나의 화학 작용기가 결합될 수 있다.
MXene 물질의 범위는 상기에 국한하지 않으며, 논문이나 학회를 통해 보고된 MXene 범위(일 예로, Nature Review Materials, 2017, 2, 16098 참조)를 모두 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 MXene 물질은 Ti2C, Ti3C2, Ti4C3 및 Mo2TiC2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 MXene 물질은 2차원의 단층 구조를 가지는 것일 수 있다. 상기 단층 구조의 MXene 물질에서 단층은 원자층이 하나란 것을 의미하지 않으며 MXene 2차원 물질의 층수가 하나인 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 MXene 물질은 2차원의 단층 MXene 물질이 적층된 층상 구조를 가질 수 있다. 상기 층상 구조의 MXene 물질은 drop-casting 등의 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 층상 구조의 MXene 물질은 층 간에 화학 기능기만 존재하는 것일 수 있다. 또한, 상기 층상 구조의 MXene 물질은 층 간에 화학 기능기, 물 분자 또는 이온을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 MXene 물질은 고분자 매트릭스에 분산되어 구비되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 MXene 물질은 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP)과 같은 고분자의 매트릭스 구조체에 분산될 수 있다. 즉, 상기 THz파 검출 센서는 고분자 매트릭스 내에 상기 MXene 물질이 분산된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 테라헤르츠(THz)파 검출 센서를 포함하는 테라헤르츠(THz)파 검출 장치를 제공한다. 구체적으로, 상기 테라헤르츠(THz)파 검출 장치는 상기 테라헤르츠(THz)파 검출 센서를 포함하는 테라헤르츠(THz)파 검출 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 THz파 검출 센서는 볼로미터(bolometer)형 THz파 검출 센서일 수 있다. 즉, 상기 테라헤르츠(THz)파 검출 장치는 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치, 또는 광열전 기반의 테라헤르츠(THz)파 검출 장치일 수 있다.
도 5는 MXene 물질 기반 볼로미터형 THz파 검출 장치를 예시적으로 나타낸 것이다. 상기 볼로미터형 THz파 검출 장치는 상기 MXene 물질의 광열 효과를 이용하여 THz파를 검출할 수 있다. 구체적으로, THz파의 효율적인 광열 변환이 가능한 상기 MXene 물질을 포함하는 THz파 검출 센서는 얇은 막의 형태로 만들어 주변과 최대한 열적 접촉이 없이 공중에 띄워지도록 하여, THz 레이저파의 입사 시에 온도 상승이 용이하게 할 수 있고, 이를 감지하여 THz파를 검출할 수 있다. 특히 픽셀 당 상기 구조의 마이크로 볼로미터 모듈들을 어레이로 모아 이미징을 하는 기술은 저비용으로도 높은 해상도의 THz 이미징을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 THz파 검출 장치는 상기 THz파 볼로미터형 검출 센서와 안테나가 결합된 구조를 포함할 수 있다.
도 6는 안테나가 결합되어 효율을 높여주는 MXene 물질 기반 볼로미터형 THz파 검출 센서를 예시적으로 나타낸 것이다. 상기 볼로미터형 THz파 검출 장치는 볼로미터 센서를 전자기파 포집에 효율적인 특정 모양의 THz 안테나의 간극 사이에 배치하여 집중 가열시킴으로써 효과적으로 THz파을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 안테나가 결합된 테라헤르츠(THz)파 검출 센서는 복수개가 직렬 또는 병렬로 연결된 형태로 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 안테나가 결합된 테라헤르츠(THz)파 검출 센서는 복수개가 직렬 또는 병렬로 연결된 형태로 구비된 어레이를 포함할 수 있다.
도 8a는 THz파 검출 성능의 향상을 위하여, 직렬로 연결된 THz 안테나 결합 볼로미터형 THz파 검출 센서의 구조를 도시한 것이다. 나아가, 도 8b는 안테나 결합 볼로미터형 THz파 검출 센서들이 직렬 및 병렬로 연결된 어레이(array)의 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 볼로미터형 THz파 검출 장치는 상기 THz파 검출 센서에 메타 물질을 결합한 것일 수 있다. 이를 통하여, 특정 파장의 THz파에 대한 감지 성능을 향상시킬 수 있다.
도 7은 특정 THz 파장을 증폭하여 투과 및 반사할 수 있는 메타 물질을 예시적으로 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 7의 메타 물질을 상기 볼로미터형 THz 검출 장치의 검출 센서와 결합시키면 특정 파장에 특화된 검출 센서를 만들 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 THz파 검출 장치는 광열전 기반의 THz파 검출 장치일 수 있다.
상기 볼로미터형 THz파 검출 장치 및 광열전 기반의 THz파 검출 장치는 전술한 THz파 검출 센서를 적용한 것을 제외하고, 당 업계에서 알려진 구조를 적용할 수 있다.
본 발명자들은 상기 THz파 검출 센서의 효과를 입증하기 위하여, MXene 물질 중 하나인 Ti3C2의 THz파에 대한 광학적 물성 및 전자 구조 특성을 체계적인 범밀도 함수(density functional theory) 양자 계산을 통하여 상세히 분석하였다. 구체적으로, MXene 물질로서, 표면에 -F와 -OH 화학 기능기가 결합된 Ti3C2 물질을 고려하였다.
도 1은 표면에 -F와 -OH 화학 기능기가 결합된 단층 및 층상 구조의 Ti3C2를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 1(a)는 단층 Ti3C2의 상세 구조를 나타낸 것이고, 도 1(b)는 단층(좌측) 및 층상 구조(우측)의 Ti3C2를 나타낸 것이다. 상기 층상 구조의 Ti3C2의 경우에는 수소 결합에 의하여 안정적인 구조를 유지하면서도 2차원적인 특징을 상당히 잘 보존할 수 있으며, 적층에 따른 물질 증가로 충분한 광흡수 용량을 가질 수 있다.
나아가, 도 1과 같은 구조의 단층 및 층상 구조의 Ti3C2의 0.3 THz 내지 3 THz(즉, 0.0012 eV 내지 0.012 eV) 범위의 THz파의 흡수에 대한 체계적인 범밀도 함수(density functional theory) 계산을 수행하였다. 이와 같은 MXene 물질의 THz영역대의 파장에 대한 광학 흡수에 대하여는 지금까지 연구된 바가 없었으며, 상기 연구를 위하여 정립된 Kubo-Greenwood 식(1), 하기 식(2) 및 하기 식(3)을 사용하였다.
상기 χ(ω), ε(ω), η(ω), κ(ω)는, 각각 주파수 의존 민감성, 유전 상수, 굴절률, 소광 계수이고, πi mn은 상태 m과 n 간의 쌍극자 행렬 요소의 i 성분이고, f는 페르미 함수이고, Γ는 확장 파라미터이고, V는 부피 요소이다.
상기 관계식들을 이용하여, 0.0012 내지 0.012 eV에서의 단층 및 층상 구조의 Ti3C2의 광흡수도를 계산하였다.
도 2a는 단층 Ti3C2 MXene 물질과 THz 대역에서의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2b는 적층된 Ti3C2 MXene 물질과 적층된 그래핀(초록색의 1점 쇄선)의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2c는 단층 Ti3C2 MXene 물질, 적층된 Ti3C2 MXene 물질, 적층된 그래핀의 페르미 에너지 준위 근처에서의 전자 density of states 상태를 나타낸 것이다. 도 2a 내지 도 2c에 따르면, Ti3C2 MXene 물질이 THz 영역에서 매우 뛰어난 광흡수 기능을 가지고 있음을 보여준다. 낮은 에너지 전자 상태를 변경할 수 있는 스핀-궤도 상호작용 효과는(도 2a 및 도 2b의 붉은 점선)은 THz 범위 내에서 단층 및 층상 구조의 Ti3C2의 THz파의 광학 흡수 특성에 영향을 거의 주지 않음을 알 수 있다.
전자 DOS 스펙트럼 분석에 따르면, 적층 그래핀은 페르미 에너지 준위 근처에서 Ti3C2에 비하여 낮은 전자 밀도를 나타낸다. 이에 비하여, 단층 및 층상 구조의 Ti3C2는 페르미 에너지 준위 주위에 여러 차수 더 높은 전자 밀도 상태를 가지며 이에 따라 더 큰 THz파 흡수 용량을 가진다. 따라서, 이차원 물질이 적층된 구조인 MXene 물질은 얇은 두께의 막 형태를 가지고 있더라도 순간적으로 집중되어 들어오는 THz파인 THz 레이저광을 거의 모두 흡수시킬 수 있는 최적화된 전자의 에너지 준위 상태 밀도(density of states)를 제공함으로써 THz 레이저광의 감지 효율을 극대화할 수 있다. 특히 MXene 물질의 페르미 에너지 준위 근처에서 풍부한 전자의 DOS 제공은 테라헤르츠 분광학에서 일반적으로 사용되는 낮은 파워의 THz레이저광뿐만 아니라 테라헤르츠 이미징 기술에서 사용되는 높은 파워의 THz 레어저광에서 THz파의 감지 효율을 최대화할 수 있다.
또한, 같은 종류의 표면 화학기들의 클러스터링이 일어난 경우에 THz파의 흡수가 그렇지 않은 경우보다 THz파의 흡수에 비해 최대 3배 증가하였음을 알 수 있었다. 나아가, 층상 구조 Ti3C2 층간에 있을 수 있는 물분자의 존재 여부와 관계없이 매우 높은 THz파의 광흡수도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
상기의 결과들로부터 Ti3C2을 포함하여 이와 유사한 특성을 보이는 것으로 알려진 MXene 물질들이 탁월한 THz파 흡수 감지 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.
상기 검토한 바와 같이 단층 또는 층상 구조의 MXene 물질은 효과적으로 THz파를 감지할 수 있으며, 이를 이용한 THz파 검출 센서는 우수한 효과를 구현할 수 있음을 알 수 있다. 나아가, 개별적인 단층 또는 층상 구조의 MXene 물질과 함께 패킹되어, MXene 물질은 고분자 매트릭스에 분산되어 구비되는 MXene 물질-고분자 복합체를 이용하여서도 THz파 검출 센서로 적용할 수 있음을 예상할 수 있다.
THz파의 감지를 위해서는 THz파의 흡수뿐 아니라 이를 열이나 전기로 변환시키는 효율이 커야 한다. 특히 THz파와 같은 매우 작은 에너지를 가지는 광자들에 대해서도 효과적으로 온도를 상승시킬 수 있어야 한다.
-O 및 -OH 기능기가 표면에 결합된 층상 구조의 Ti3C2 물질의 열전 특성을 확인하기 위하여, 채널 영역과 전극 영역으로 이루어지는 장치 시스템을 구성한 후, 비평행상태 그린(Green) 함수 체계 하에서 소스-드레인 전압을 가했을 때에 전자 이동 특성을 계산하였다. 도 3(a)는 층상 구조의 Ti3C2 플레이크의 열전 특성을 확인하기 위한 장치의 측면도이고, 도 3(b)는 층상 구조의 Ti3C2 물질의 열전 성능 지수 (ZT) 스펙트럼을 나타낸 것이다. 상기 층상 구조의 Ti3C2 물질의 열전 성능 지수(ZT)는 하기 식(4)와 같이 정의된다.
식 (4)에 있어서, 여기서, S는 제벡(Seebeck) 계수, σ는 전기 전도도, G는 열전도도, T는 온도이다.
도 3(a)에 따른 장치 시스템에서 요구되는 많은 계산을 피하기 위하여, Slater-Koster 방법에 기반한 tight-binding 밀도 함수 계산을 채택하여 전자 투과 스펙트럼을 계산하는 한편, 포논 투과 스펙트럼은 reaction 힘장을 기반으로 하는 분자 역학 계산을 사용하였다. 계산 결과는 탄소나노튜브 기반 THz파 검출기에서 탄소 나노튜브의 1.0 × 10-5 내지 1.8 × 10-4 범위에서 양호한 잡음 등가 전력을 얻을 수 있는 것으로 보고된 점을 고려할 때, 층상 구조의 Ti3C2 물질이 광열전(photothermoelectric)형 THz파 검출 센서용 물질로서 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.
다음으로 -O 및 -OH 기능기가 표면에 결합된 단층 구조의 Ti3C2 물질의 온도에 따른 저항도를 분자동력학(molecular dynamics)-Landauer 방법을 사용하여 계산을 하였다. 도 4a와 도 4b는 300K와 400K에서 각각 9번씩 시행된 분자동력학 시뮬레이션 과정 후 얻게 되는 상기 단층 구조의 Ti3C2 물질의 서로 다른 9개의 샘플링된 원자 구조들에 대해서 전자의 에너지 준위에 따른 투과(transmission) 스펙트럼들(검정색)과 이들의 평균(빨간색)을 나타낸 것이다. 이로부터 구한 상기 단층 구조의 Ti3C2 물질의 저항도는 각각 3.74E-05와 6.58E-05 Ω m이었으며 온도에 따라 저항도의 변화가 매우 큰 것을 알 수 있었다. 이러한 온도 상승에 따른 저항도의 큰 증가는 MXene 물질이 조금만 가열되더라도 전자-포논 커플링이 크게 증대함을 의미하며 이는 광열 변환이 더욱 효과적으로 일어남을 알려준다. 이러한 가열-광열효과증대의 순환적인 촉진 과정은 THz파와 같은 매우 작은 에너지의 빛에 대해서도 MXene 물질에서 매우 효율적인 광열 변환이 일어날 수 있음을 보여준다.
Claims (14)
- 하기 화학식 1로 표시되는 MXene 물질을 센싱 물질로서 포함하는 테라헤르츠(THz)파 검출 센서를 포함하고,
상기 MXene 물질은 고분자 매트릭스에 분산되어 구비되며,
상기 테라헤르츠(THz)파 검출 센서와 안테나가 결합된 구조를 포함하고,
광열전 기반으로 작동하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치:
[화학식 1]
M(n+1)Xn
상기 화학식 1에 있어서,
M은 앞 전이 금속(early transition metal) 원소 중에서 선택되는 적어도 하나의 전이 금속이고,
X는 C 및 N에서 선택되는 적어도 하나이며,
n은 1 내지 3 중 선택되는 정수이다. - 청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1의 M은 Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 전이 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 MXene 물질의 표면에 -O, -OH 및 -F 중 선택되는 적어도 하나의 화학 작용기가 결합된 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 MXene 물질은 2차원의 단층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 MXene 물질은 2차원의 MXene 물질이 적층된 층상 구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 MXene 물질은 Ti2C, Ti3C2, Ti4C3 및 Mo2TiC2 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 테라헤르츠(THz)파 검출 장치는 상기 테라헤르츠(THz)파 검출 센서에 메타 물질을 결합한 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 안테나가 결합된 테라헤르츠(THz)파 검출 센서는 복수개가 직렬 또는 병렬로 연결된 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 안테나가 결합된 테라헤르츠(THz)파 검출 센서는 복수개가 직렬 또는 병렬로 연결된 형태로 구비된 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는, 볼로미터(bolometer)형 테라헤르츠(THz)파 검출 장치.
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