"아이언맨 슈트 현실로?"… UNIST, 초고감도 광대역 유연 광센서 개발

빛을 느끼고 반응하는 전자피부가 현실에 가까워졌다.

가시광선부터 근적외선까지의 빛을 전기 신호로 바꾸는 유연 광센서가 새롭게 개발됐다.

가시광선으로 사물의 색을 보고 근적외선으로는 내부 조직, 재질 등을 동시에 감지할 수 있는 기술 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수팀은 근적외선 영역에서도 감지 효율이 뛰어나고 정확도가 높은 '페로브스카이트와 유기 반도체 이종접합 광센서'를 개발했다고 22일 전했다.

연구진, 양창덕 교수(좌측)와 박지원 연구원. UNIST 제공

광센서는 빛을 전기 신호로 바꿔 전자기기가 이를 처리할 수 있게 해주는 장치다. 낮과 밤에 따라 밝기가 자동으로 조절되는 휴대폰 화면, 정맥 인식 보안 시스템 등에도 광센서가 들어간다.

연구팀이 개발한 광센서는 감지할 수 있는 빛의 파장 대역이 넓다. 눈에 보이는 가시광선부터 눈에 보이지 않는 근적외선 영역까지 감지할 수 있다. 가시광선 대역을 주로 감지하는 페로브스카이트와 근적외선 영역을 감지하는 유기 반도체가 결합한 이종접합 구조이기 때문이다.

일반적으로 이종접합 구조는 근적외선에서 감지 효율과 정확도가 급격히 떨어지는 문제가 있는데, 연구팀은 유기 반도체 내부 분자 구조 설계를 통해 이를 해결했다. 유기 반도체의 수용체 분자(Y계열 비풀러렌 수용체) 곁가지에 붙어 있는 산소 원자 위치를 정밀하게 조절하는 방식이다.

이러한 분자 설계 변화는 전하 분리 효율을 높여 적외선 영역에서 감지 효율을 향상시키고, 유기 반도체층 분자가 과도하게 응집되는 현상을 억제해 유기 반도체층과 페로브스카이트층이 빈틈없이 밀착되도록 돕는다. 두 층이 밀착될수록 전하가 이동할 때 새어 나가는 손실이 줄어 센서 정확도가 높아진다.

제1 저자인 박지원 연구원은 "산소 원자 위치만을 조절하는 간단한 설계 전략으로도 페로브스카이트와 유기 반도체 이종접합 광센서 상용화의 기술적 병목이었던 '감지 대역 확대'와 '정확도 향상' 문제를 해결할 수 있음을 입증한 연구"라고 설명했다.

실험에서 유기 반도체(Y2PhO)를 적용한 광센서는 830nm(나노미터) 파장의 근적외선 영역에서 90%가 넘는 '외부 양자 효율(EQE)'을 기록했다. 센서에 도달한 빛 입자(광자) 100개 중 90개 이상을 전기 신호로 바꿀 수 있다는 의미로, 현재까지 용액 공정으로 제작된 광대역 광센서 중 가장 높은 수준이다.

또 빛이 없는 어두운 상태에서 발생하는 불필요한 전류(암전류)를 획기적으로 낮춰, 아주 미약한 빛 신호도 명확하게 감지할 수 있는 성능을 확보했다. 센서가 빛의 밝기 차이를 얼마나 넓은 범위까지 구분할 수 있는지를 나타내는 '선형 동적 범위(LDR)' 역시 109.1dB로 매우 우수해, 강한 빛과 약한 빛이 섞인 환경에서도 정확한 인식이 가능하다.

양창덕 교수는 "가시광선과 근적외선을 모두 아우르는 광대역 유연 센싱 기술은 광통신·이미징·웨어러블 전자기기 개발의 원천 기술이 될 수 있을 것"이라고 기대했다.

초고감도 광대역 '페로브스카이트-유기 반도체' 하이브리드 광센서의 구조와 성능.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난달 22일 온라인 공개됐다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr
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