아주대·한국화학硏, 적외선 빛→전류신호 전환 유기소재 개발

눈으로 식별 안 되는 적외선 빛 신호의 전류신호 변환, 이미지 센서에 활용

[수원=뉴시스] 아주대학교 선구자상. 2021.6.30. (사진=아주대학교 제공) *재판매 및 DB 금지

[수원=뉴시스] 박종대 기자 = 국내 연구진이 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 빛을 전류 신호로 전환할 수 있는 유기 소재를 개발해 향후 자율주행차와 우주·군사 시설, 바이오 헬스케어 분야에 활용될 수 있을지 여부에 관심이 모아지고 있다.

20일 아주대학교 김종현 교수(아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀에 따르면 근적외선 광을 효율적으로 흡수할 수 있는 유기 반도체 소재와 이를 이용한 유기 포토디텍터 소자를 개발했다.

포토디텍터는 광신호를 전류신호로 변환시켜주는 기능을 하는 핵심 전자 소자다. 스마트폰을 비롯한 모바일 기기의 디지털 카메라에서 이미지를 구현하는 역할을 맡는다.

이번 연구는 한국화학연구원(KRICT) 고서진·윤성철 박사 연구팀과의 공동 연구로 진행됐다. 해당 내용은 ‘신규 비풀러렌계 비대칭 전자수용소재를 이용한 고광검출력 근적외선 유기 포토디텍터 개발’이라는 제목으로 소재 분야 저명 학술지인 'ACS Nano'에 지난 10월 게재됐다.

아주대 이아영 학생(분자과학기술학과 석박사 통합과정), 한국화학연구원의 하종운 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

아주대 김종현 교수와 한국화학연구원 고서진·윤성철 박사는 공동 교신저자로 함께 했다. 아주대 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)와 허준석 교수(지능형반도체공학과·전자공학과) 연구팀도 소자 분석 연구에 참여했다.

아주대 연구팀이 포토디텍터 소자 설계와 성능 최적화 연구를 수행했고, 한국화학연구원에서는 근적외선 흡광 소재 개발 연구를 맡았다. 공동 연구팀은 광흡수 파장 제어가 용이하면서도 근적외선 광을 잘 흡수할 수 있는 유기물 근적외선 흡수 소재를 개발, 해당 소재를 이용한 박막의 나노구조를 제어하는 방식을 통해 고감도 근적외선 포토디텍터를 구현하려고 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 연구했다.

공동 연구팀은 이번에 개발한 유기 반도체 소재를 공액고분자와 함께 벌크헤테로졍션 필름으로 제작해 포토디텍터에 적용할 때 1000nm 근적외선 광에 대해 1012 Jones 이상 높은 수준의 광감지가 가능한 고감도 광센서의 구현이 가능한 점을 확인했다.

이는 기존에 상용화된 실리콘 포토디텍터 보다 4~5배 더 높은 수준이다. 연구팀은 나아가 신규 소재를 기반으로 제작된 고감도 포토디텍터를 이용해 광 혈류 측정 센서에 응용, 신체 맥파 분석에도 성공했다.

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”고 말했다.

김종현 아주대 교수는 “이번에 개발한 소재·소자 기술이 고감도의 근적외선 카메라와 적외선 통신, 바이오 헬스케어 센서 등 여러 신산업에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.


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