차세대 통신 핵심기술 '고성능 포토디텍터' 개발
유기반도체에 새로운 다층구조 도입 ··· 고속·고감도·저잡음 성공
□ 의료모니터링, 보안센서, 정보통신 등 차세대 통신기술 발전을 이끌 유기반도체 기반의 고성능 포토디텍터*가 개발됐다.
* 포토디텍터(photodetector): 이미지 센서, 광 센서 등에서 빛을 감지하는 소자 부분.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 중앙대 왕동환 교수와 캘리포니아대 응우옌(T.-Q. Nguyen) 교수 공동연구팀이 기존 유기반도체의 단점을 보완한 억셉터-이종접합 연속 구조*를 개발하고, 이를 기반으로 고속‧고감도‧저잡음 무선통신시스템 구현에 성공했다고 밝혔다.
* 억셉터(A)-이종접합(Bulk-Heterojunction, BHJ) 연속 구조(A/BHJ 구조)
**이종접합: 유기 태양전지나 유기 포토디텍터에서 전하를 생성하고 분리하기 위한 구조로 전자를 주는 도너 물질과 전자를 받는 억셉터 물질이 섞여 있는 형태.
□ 포토디텍터 공정기술은 고성능 이미지 센서의 핵심기술로, 해당 소재는 다양한 광원의 미세한 빛도 감지할 수 있는 높은 민감도가 요구된다.
○ 유기 반도체는 높은 흡수율과 제어 가능한 밴드갭 특성으로 주목받는 감광소재이다. 하지만 기존의 이종접합 구조는 도너*와 억셉터**가 혼화된 형태로 무작위적 전하 전달 경로로 인해 반응 속도가 저하되고, 노이즈 전류로 민감도가 낮아지는 한계가 있다.
* 도너: 광에너지를 흡수하여 여기 상태로 전환된 전자를 억셉터에 제공하는 물질
** 억셉터: 도너가 방출한 전자를 받아들여 전하 이동을 유발하는 물질
○ 연구팀은 단일 억셉터 층 상부에 이종접합을 결합한 새로운 접근을 시도했지만, 기존 용액 공정의 한계로 안정적인 결합이 어려웠다.
□ 왕동환 교수팀은 에너지 방출률 계산을 통해 설계된 전사 인쇄 공정 기술을 도입하여, 안정적인 계면 특성을 구현하였다.
○ 새로운 억셉터-이종접합 연속 구조는 단일 억셉터 층으로 주입 장벽을 효과적으로 형성하도록 설계하였다.
○ 포토디텍터의 성능을 악화하는 주입 전류를 차단하자 암전류*는 감소하고, 광전류는 향상되었다.
* 암전류: 빛에 민감한 장치에서 빛을 비추지 않아 어두운 상태인데도 발생하는 전류. 역방향 누설전류라고도 함.
□ 억셉터-이종접합 연속 구조는 고감도, 저잡음의 장점을 살려 다양한 응용 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
○ 특히, 100 kHz 이상 고주파 대역에서도 신호 손실 없이 빠르고 안정적인 데이터 전송으로 무선 데이터 통신 등 차세대 정보통신기술로의 가능성을 열었다.
□ 왕동환 교수는 “포토디텍터를 통신 시스템으로 구현하기 위해서는 트랜지스터와의 결합이 필수”라며 “이번 결과를 토대로 유기반도체 포토디텍터를 트랜지스터 기술과 융합할 수 있는 차세대 공정법을 발전시켜, 상용화가 가능한 광 기반 무선 통신 원천기술 확보를 위해 정진하겠다”라고 앞으로의 계획을 밝혔다.
□ 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 및 세종과학펠로우십의 지원으로 수행되었다. 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 9월 9일 온라인 게재됐으며, 내부 표지 논문으로도 선정되었다.
