동국대는 조제웅·이세연 에너지신소재공학과 교수 연구팀이 심재원 고려대 연구팀과 함께 아토 스케일 초저잡음 근적외선 유기 광센서(OPD) 핵심기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
광 검출기(Photo diode)는 빛을 활용해 전기를 생성하고, 전기적 신호는 사물 및 물체 동작을 감지하는데 사용된다. 기존 광 검출기는 실리콘 반도체 기반 무기물 센서를 바탕으로 제작됐으나, 최근 용액을 활용한 저온 제조공정 기반 유기물을 활용한 유기 광센서(Organic photo diode, OPD) 연구가 활발히 진행된다.
연구에서는 높은 잡음 전류에 영향을 주는 암전류 밀도의 생성 메커니즘과 전하 역학적 해석을 통해 아토 (a, 10-18) 스케일의 초저잡음형 근적외선 OPD 개발에 성공했다. 이를 위해 두 개의 포스폰 산(phosphonic acid, PA) 그룹을 포함하는 신규 전자 차단층(electron blocking layer, EBL) 소재인 3PFABr를 설계했다. PA 그룹의 향상된 앵커링 기능 통해 균질한 전극 표면을 생성해 OPD 계면에서 트랩 형성을 억제했다.
OPD내 유기 반도체 층과 EBL 층 사이 에너지 수준 분석으로 암전류 생성의 주요 원인인 열 활성화 에너지(thermal activation energy) 경향을 해석했다. 근적외선 감광 특성을 활용한 OPD는 차세대 센서 기술인 자율 주행, 광 통신 및 감시 모니터링 등 확장 가능성으로 주목받는다. 근적외선 흡수 영역대의 높은 잡음 전류로 센서 검출 성능 저하는 상용화에 걸림돌이 됐다.
연구팀이 개발한 3PFABr 기반 OPD는 기존에 보고된 OPD 중 가장 낮은 잡음 수준(잡음전류, 852 aA, 잡음 등가 전력(NEP)), 4.18 fW(파장대역: 808nm)을 달성했다. 이는 상용 실리콘 광검출기의 잡음 전류 (59.4fA) 및 NEP (808nm에서 264fW)보다 현저히 낮은 잡음 수준이다. 연구팀은 연구를 통해 유기물을 활용한 광 센서 적용 확대 및 상용화 가능성을 확인했다.
해당 연구는 과학기술정보통신부 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' 제목으로 'Advanced Materials(IF=29.4, JCR 상위 2.312%)' 학술지에 게재됐다.
이지희 기자 easy@etnews.com
