사진. 한국연구재단
의료모니터링, 보안센서, 정보통신 등 차세대 통신기술 발전을 이끌 유기반도체 기반의 고성능 포토디텍터가 개발됐다. 한국연구재단은 중앙대 왕동환 교수와 캘리포니아대 응우옌(T.-Q. Nguyen) 교수 공동연구팀이 기존 유기반도체의 단점을 보완한 억셉터-이종접합 연속 구조를 개발하고, 이를 기반으로 고속‧고감도‧저잡음 무선통신시스템 구현에 성공했다
기술 개요
포토디텍터 공정 기술을 이미지 센서의 핵심 기술로, 해당 소재는 미세한 빛도 감지할 수 있는 높은 민감도가 요구된다. 빛에 감응해 전기 신호를 발생시키는 센서이기 때문에, 다양한 광원에 따른 스펙트럼과 강도가 다르기에, 이를 효과적으로 탐지하기 위해서는 광학적 특성을 제어할 수 있는 감광 반도체 소재의 도입이 필수적이다.
유기 반도체 소재는 높은 흡수율과 특정 감응 파장으로 인해 각광 받고 있으며, 다양한 센서 기술과 차세대 광통신에서도 중요한 역할을 할 수 있다. 최근, 유기 반도체를 포토디텍터의 감광층으로 도입하려는 연구가 시작되면서 효과적인 소재를 도입해 성능을 증가시키는 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
하지만 기존의 이종접합 구조는 무작위적인 전하 전달 경로로 인해 반응 속도가 저해되며, 노이즈 전류로 인해 민감도가 낮아지는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 구조적 접근이 필요했다. 또한 기존 용액 공정은 하부층으로의 용액 침투가 필연적이기에, 유사한 용매가 적용되는 소재를 연속적으로 사용하는 것은 불가능에 가까운 실정이다. 특히, 용액 침투는 박막 계면 특성 저하에 따른 노이즈 발생시켜, 이를 해결하기 위한 신규 공정 도입 및 노이즈의 발생원인 규명을 통한 감도 향상 기술개발이 필수적이다.
연구내용
연구팀은 기존 이종접합 구조의 단점을 극복하기 위해 용액 공정 한계를 탈피하고 기존 박막형 포토디텍터의 성능 향상을 위한 효과적인 광 감응층으로써, 단일 억셉터와 이종접합 구조를 결합한 새로운 다층 구조를 도입함에 따라, 고감응/고속 포토디텍터 개발을 목표로 중앙대학교 융합공학부 장웅식 박사 및 왕동환 교수팀과 UCSB H.M. Luong 박사 및 T.-Q. Nguyen 교수팀이 공동연구를 수행했다.
본 연구는 유기반도체 포토디텍터의 감도를 향상하고, 동시에 노이즈는 억제하기 위해, 단일 억셉터 층과 이종접합 층을 결합한 억셉터(A)/이종접합(A/BHJ) 구조를 개발했다.
연구진은 기존 용액 공정을 통해 A/BHJ 구조를 형성할 때, 억셉터 층이 용매에 의해 씻겨나가는 현상을 확인했다. 이에 따라, 안정적인 이종접합 계면 구조를 형성할 수 있는 전사 인쇄 공정을 도입했다. 억셉터와 하부 기판 간의 접착력이 약했기 때문에, 각 계면에서 발생하는 에너지 방출률을 계산해 적절한 온도와 속도로 공정을 최적화했고, 결국 전사 인쇄 공정을 설계해 성공적으로 A/BHJ 구조를 구현했다.
전사 인쇄 공정 기반 A/BHJ 구조는 단일 억셉터 층을 통해 주입 장벽을 증가시킴으로써 노이즈가 억제됐고, 이종접합 층에서 생성된 광 유도 전하의 효과적인 전송을 유도함으로써 감도가 향상됐다. 차별화된 분석인 자외선 광전자 분광학을 통해 주입 장벽 효과가 검증됐다. 또한, 빠른 응답 속도와 넓은 반응 대역을 나타내며, 효율적인 광통신 수신부로의 구동 특성을 확인했다. 특히, 유기 반도체 기반 포토디텍터를 제작해 암전류 및 광전류에 따른 전기적 분석을 통해 전하이동도 및 트랩 밀도를 계산해 값을 도출했고, 효과적인 엑시톤의 확산 길이를 나타냄으로써, 본 A/BHJ 구조 기반 포토디텍터가 광전류 향상 및 암전류 억제에 효과적임을 입증했다.
이처럼 저온/비진공/용액 공정을 통해 구현된 A/BHJ 구조는 기존의 BHJ 구조에 비해 통해 높은 검출 민감도와 빠른 반응 속도를 달성할 수 있었다. 결과적으로, 노이즈 전류를 차단함으로써 자가 구동 범위에서 1013 A/Hz0.5 이하로 감소된 노이즈를 나타냈다. 해당 연구로 개발된 유기반도체 페로브스카이트 포토디텍터는 1.06×101㎝ Hz1/2 W-1의 감지 성능과 1.02 MHz의 차단 주파수를 보여, 우수한 감광 능력과 빠른 속도, 넓은 대역을 갖춘 우수한 기술임을 검증했다.
연구성과
본 연구는 유기 반도체 광검출기의 성능을 크게 향상 시켰으며, 이를 기반으로 차세대 통신 기술과 고감도 센서 기술 분야에서 광범위하게 응용될 가능성이 높다. 특히, 저잡음 고감도 성능을 통해 의료 모니터링, 보안 센서, 정보통신 등 다양한 산업에서 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
특히, 다양한 유기반도체 소재 기반 차세대 광전변환소자 전반 및 디스플레이 분야에 적용 가능성을 열어 관련 기술 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대되며, 우수한 반응 속도 및 넓은 대역폭을 나타내는 포토디텍터 제작을 위한 신규 다층구조를 구현할 수 있는 전사 인쇄 공정 기술 설계 분야의 원천기술 확보에 이바지할 수 있을 것으로 판단된다.