동국대 조제웅·이세연 교수, 초저잡음 유기 광센서 개발

상용화된 실리콘 광검출기 성능 상회
근적외선 유기광센서 가능성 제시

[서울=뉴시스] (왼쪽부터)김태혁 석박사과정 (제1저자/고려대), 이지현 박사과정 (제1저자/동국대), 장민호 석사과정 (제1저자/동국대), 심재원 교수 (교신저자/고려대), 조제웅 교수 (교신저자/동국대), 이세연 교수 (교신저자/동국대). (사진=동국대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]이주영 인턴 기자 = 동국대 에너지신소재공학과 조제웅, 이세연 교수 연구팀은 고려대 심재원 교수 연구팀과 공동으로 100경분의 1초인 아토 스케일 초저잡음 근적외선 유기 광센서 핵심기술을 개발했다.

광 검출기는 빛을 활용해 전기를 생성하고 이러한 전기적 신호는 사물 및 물체의 동작을 감지하는데 사용된다. 기존의 광 검출기는 실리콘 반도체 기반의 무기물 센서를 바탕으로 제작됐다. 최근 용액을 활용한 저온 제조공정 기반의 유기물을 활용한 유기 광센서(Organic photo diode, OPD) 연구가 활발히 진행되고 있다.

근적외선 감광 특성을 활용한 OPD는 차세대 센서 기술인 자율 주행, 광 통신 및 감시 모니터링 등의 확장 가능성에 큰 주목을 받고 있으나, 근적외선 흡수 영역대의 높은 잡음 전류로 인한 센서 검출 성능 저하는 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

[서울=뉴시스] 아토 스케일 초저잡음 근적외선 유기 광센서. (사진=동국대 제공) *재판매 및 DB 금지

이번 연구에서는 높은 잡음 전류에 영향을 주는 암전류 밀도의 생성 메커니즘과 전하 역학적 해석을 통해 아토 스케일의 초저잡음형 근적외선 OPD 개발에 성공했다.

이를 위해 두 개의 포스폰 산 그룹을 포함하는 신규 전자 차단층 소재인 '3PFABr' 설계하고, 포스트 산 그룹의 향상된 앵커링 기능 통해 균질한 전극 표면 생성해 OPD 계면에서의 트랩 형성을 억제했다. 또한 OPD내 유기 반도체 층과 전자 차단층 사이의 에너지 수준 분석을 통해 암전류 생성의 주요 원인인 열 활성화 에너지의 경향을 해석했다.

연구팀이 개발한 3PFABr 기반의 OPD는 기존에 보고된 OPD 중 가장 낮은 잡음 수준을 달성했다. 이는 상용 실리콘 광검출기의 잡음 전류 및 잡음 등가 전력보다 현저히 낮은 잡음 수준이다. 이를 통해 유기물을 활용한 광 센서의 적용 확대 및 상용화 가능성을 확인했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 중견연구 및 우수신진연구 지원사업으로 수행됐다. 'Atto-Scale Noise Near-Infrared Organic Photodetectors Enabled by Controlling Interfacial Energetic Offset through Enhanced Anchoring Ability'라는 제목으로 관련기술 분야 학술지 'Advanced Materials'에 게재됐다.

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