- 유기반도체 기반 고성능 포토디텍터 개발

- 고속, 고감도, 저잡음 무선통신시스템 구현 성공

- 차세대 정보통신기술로의 가능성 제시

중앙대 왕동환 교수팀이 유기반도체의 단점을 보완한 억셉터-이종접합 연속 구조를 개발해 고속·고감도·저잡음 무선통신시스템 구현에 성공했다. 이로써 차세대 정보통신기술로의 가능성이 열렸다.

▲본 연구에서 개발된 전사 인쇄 공정 기반 신규 다층구조 포토디텍터를 이용한 차세대 광통신 기술 적용. 

본 연구를 통해 개발된 “전사 인쇄 공정 기반 신규 다층구조 포토디텍터 차세대 광통신 시스템”의 신호 수신부로 적용하였을 경우, 기대되는 효과를 나타내며, 어드벤스드 머터리얼즈의 내부 전면 표지 논문으로 선정됨. 기존 구조 포토디텍터보다 우수한 감광 성능과 빠른 반응 속도를 통해 왜곡 없이 빠르게 신호를 전송할 수 있음. 

[그림설명 및 그림 제공 : 중앙대학교 왕동환 교수]

의료모니터링, 보안센서, 정보통신 등 차세대 통신기술 발전을 이끌 유기반도체 기반의 고성능 포토디텍터(photodetector): 이미지 센서, 광 센서 등에서 빛을 감지하는 소자 부분)가 개발됐다. 

한국연구재단은 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(광에너지를 흡수하여 여기 상태로 전환된 전자를 억셉터에 제공하는 물질)와 억셉터(도너가 방출한 전자를 받아들여 전하 이동을 유발하는 물질)가 혼화된 형태로 무작위적 전하 전달 경로로 인해 반응 속도가 저하되고, 노이즈 전류로 민감도가 낮아지는 한계가 있다. 

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(빛에 민감한 장치에서 빛을 비추지 않아 어두운 상태인데도 발생하는 전류. 역방향 누설전류라고도 함)는 감소하고, 광전류는 향상되었다. 

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. 

▲에너지 방출률 계산 기반 신규 다층구조 구현 및 노이즈 억제/감도 향상 효과 결과.

단일 억셉터 층 상부에 이종접합 층을 적층하기 위해, 에너지 방출률을 계산하여 전사 인쇄 공정 최적화함. 기존 구조에서는 주입 전류에 의해 노이즈가 발생하지만, 본 연구에서 개발한 신규 다층구조는 장벽 증가로 주입 전류를 차단하여, 노이즈 발생을 억제하고, 효과적인 전하 수송을 유도하여, 차별화된 포토디텍터 구현이 가능함.

[그림설명 및 그림 제공: 중앙대학교 왕동환 교수]