아주대·한국화학연구원, 초고감도 근적외선 유기광센서 원천기술 개발

눈으로 식별 안되는 적외선 빛 신호 전류신호 변환, 이미지 센서에 활용

자율주행차, 우주 및 군사시설, 바이오 헬스케어 등에 적용 가능

연구팀의 연구성과가 소개된 '어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 2월호 표지ⓒ아주대 제공

국내 연구진이 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 빛을 전류 신호로 전환할 수 있는 유기 소재를 개발했다. 이 소재를 이용하면 적외선 빛을 고감도로 감지할 수 있어 자율주행차와 우주 및 군사 시설, 바이오 헬스케어 분야에 활용될 수 있을 전망이다.

아주대학교는 20일 김종현 교수(아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀이 한국화학연구원(KRICT, 원장 이영국) 고서진·윤성철 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 근적외선 광을 효율적으로 흡수할 수 있는 유기 반도체 소재와, 이를 이용한 유기 포토디텍터(Photodetector) 소자를 개발했다고 밝혔다.

내용은 ‘신규 비풀러렌계 비대칭 전자수용소재를 이용한 고광검출력 근적외선 유기 포토디텍터 개발(High Detectivity Near Infrared Organic Photodetectors Using an Asymmetric Non-Fullerene Acceptor for Optimal Nanomorphology and Suppressed Dark Current)’이라는 제목으로 소재 분야 저명 학술지인 <ACS Nano>에 지난 10월 게재됐다. 아주대 이아영 학생(분자과학기술학과 석박사 통합과정), 한국화학연구원의 하종운 박사가 공동 제1저자로 참여했고 아주대 김종현 교수와 한국화학연구원 고서진·윤성철 박사는 공동 교신저자로 함께 했다.

아주대 연구팀이 포토디텍터 소자 설계와 성능 최적화 연구를 수행했고 한국화학연구원에서는 근적외선 흡광 소재 개발 연구를 맡았다. 아주대 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)와 허준석 교수(지능형반도체공학과·전자공학과) 연구팀도 소자 분석 연구에 참여했다.

적외선은 가시광선과 달리 사람이 직접 눈으로 확인할 수는 없으나 다양한 분야에서 이용되고 있다. 인체를 비롯한 생물체와 엔진, 천체 등이 방출하는 열을 이미지화하여 감지하고 식별할 수 있기 때문이다. 이에 자율 주행차와 우주·군사 시설을 비롯해 바이오 헬스케어 센서, 광통신 등의 분야에서 활용되고 있다.

광 송수신을 통한 장애물 감지 라이다 시스템, 열 신호 감지 나이트 비전·열화상 카메라, 그리고 생체 내 분자 수준의 변화를 영상화하는 바이오이미징 등으로 학계와 산업계에서 사용하고 있는데 특히 유기물 반도체는 가볍고 휘어지는 특성을 가지고 있어, 이를 이용한 웨어러블 적외선 센서의 구현이 가능하다.

그러나 적외선 대역의 광신호는 낮은 에너지를 가지고 있어 일상 생활에 존재하는 여러 노이즈 신호와 구분이 힘들고, 소재 개발이 어려워 장파장 근적외선을 민감하게 감지할 수 있는 유기 포토디텍터의 개발은 뒤처져 있다. 포토디텍터는 광신호를 전류신호로 변환시켜주는 기능을 하는 핵심 전자 소자로, 스마트폰을 비롯한 모바일 기기의 디지털 카메라에서 이미지를 구현하는 역할을 하는 소자를 말한다. 우리 눈으로 식별할 수 있는 가시광 신호를 전류로 변환하는 포토디텍터는 무기물 실리콘 반도체 소재를 기반으로 상용화돼 있다.

이에 공동 연구팀은 광흡수 파장 제어가 용이하면서도 근적외선 광을 잘 흡수할 수 있는 유기물 근적외선 흡수 소재를 개발, 해당 소재를 이용한 박막(film)의 나노구조를 제어하는 방식을 통해 고감도 근적외선 포토디텍터를 구현하고자 했다.

즉, 1000nm 이상 파장대의 근적외선을 효율적으로 흡수하면서도 이상적인 박막나노구조를 형성할 수 있는 비풀러렌 계열의 유기 반도체 소재들의 개발과 최적의 소자구조 설계, 소자 성능의 최적화 방안을 함께 연구해 온 것이다.

공동 연구팀은 이번에 개발한 유기 반도체 소재를 공액고분자와 함께 벌크헤테로졍션 벌크헤테로졍션 필름으로 제작해 포토디텍터에 적용할 때, 1000nm 근적외선 광에 대해 1012 Jones 이상 높은 수준의 광감지가 가능한 고감도 광센서의 구현이 가능함을 확인했다. 이는 기존에 상용화된 실리콘 포토디텍터 보다 4~5배 더 높은 수준이다.

김종현 아주대 교수는 “그동안 1000nm 이상 근적외선 빛의 고감도 검출에 여러 어려움이 있었으나, 이번 연구로 해결책을 제시할 수 있게 됐다”며“이번에 개발한 소재·소자 기술이 고감도의 근적외선 카메라와 적외선 통신, 바이오 헬스케어 센서 등 여러 신산업에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

고서진 한국화학연구원 책임연구원은 “이번 연구는 근적외선 광센서 분야를 이끌어 갈 수 있는 세계적 수준의 성과”라며 “동시에 상업화 가능성이 매우 높은 원천 소재 및 소자 기술이라는 점에서 그 의미가 크다”라고 전했다.

한편 연구팀은 앞서 ‘시아노기 치환형 비풀러렌계 유기전자수용 소재 개발 및 이를 이용한 1000nm 이상 근적외선 광의 고검출 감지가 가능한 고성능 유기 포토디텍터 구현(Effect of Cyano Substitution on Non-Fullerene Acceptor for Near-Infrared Organic Photodetectors above 1000nm)’이라는 제목의 논문도 발표했다. 이번 연구 성과와 동일 선상의 연구로, 소재 분야 저명 학술지 <어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 2월호의 표지논문으로 선정됐다.

두 연구는 한국연구재단 국가핵심소재연구단 사업의 지원을 받아 수행됐다.