(왼쪽부터) 장웅식 박사후 연구원(제1저자), 왕동환 교수

융합공학부 겸 지능형반도체공학과 왕동환 교수와 장웅식 박사후 연구원이 UC 산타바바라(UCSB, UC Santa Barbara) 툭 퀴옌 응우옌(Thuc-Quyen Nguyen) 교수팀과의 공동 연구를 통해 의료모니터링, 보안센서, 정보통신 등 차세대 통신발전을 이끌 유기반도체 기반의 고성능 포토디텍터를 개발했다. 

이 연구성과는 올해 피인용지수(IF, Impact Factor) 27.4를 기록한 JCR 상위 2% 재료 분야 권위지인 ‘Advanced Materials’에 온라인 게재됐으며, 내부 표지논문(Inside Front Cover)으로도 선정됐다. 

Advanced Materials 논문 Inside Cover Image

최근 특출난 감광 특성을 바탕으로 우수한 광전변환 성능을 나타내는 차세대 유기반도체 소재가 이미지 센서, 광센서 등에서 빛을 감지하는 소자 부분인 포토디텍터의 확장 연구에도 적용되고 있다. 

문제는 높은 광전류와 넓은 반응 파장을 나타내는 유기반도체 소재가 낮은 밴드갭을 형성해 주입 장벽 감소를 일으켜 노이즈 억제에 한계를 나타낸다는 점이다. 기존 유기반도체 구조인 이종접합 구조는 도너와 억셉터 구조가 미세하게 혼화돼 있는 구조이기에 광유도 전하를 빠르게 분리할 수 있지만, 무작위적 전하 전달 경로를 형성해 반응 속도와 노이즈 억제 측면에서 한계를 보였다. 

왕동환 교수 연구팀은 기존 구조의 한계를 극복하기 위한 신규 다층구조인 억셉터-이종접합(A/BHJ) 구조를 트랜스퍼 공정을 통해 도입해 효과적인 유기 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다.

억셉터-이종접합 구조가 도입된 포토디텍터는 엑시톤 확산 길이를 확장하고 주입 장벽을 효과적으로 형성하도록 설계돼 광신호 향상과 동시에 암전류 감소를 나타냈다. 1.06×1013 Jones의 성능과 56.3 dB의 신호 대 잡음비를 나타냄과 동시에 1.02 MHz의 빠른 반응 속도를 보여 우수한 감광 능력과 빠른 속도를 갖춘 우수한 구조임이 검증됐다. 고주파 대역에서도 신호 손실 없이 빠르고 안정적인 데이터 전송이 가능하다는 점에서 차세대 정보통신기술의 가능성을 활짝 열었다는 평이 뒤따른다. 

이변 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 주관하는 중견연구사업과 세종과학펠로우십의 지원으로 수행된 것이다. 한국연구재단도 이번 연구성과에 대해 보도자료(https://www.nrf.re.kr/cms/board/subject/view?menu_no=95&nts_no=229369)를 통해 대대적인 홍보에 나섰다. 

상세한 연구 내용은 ‘광기반 무선 통신을 위한 제어된 전송 기술을 위한 연속 구조를 통한 검출 주파수 향상 및 노이즈 감소(Enhancing Detection Frequency and Reducing Noise through Continuous Structures via Release-Controlled Transfer toward Light-Based Wireless Communication)’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 

Advanced Materials 논문 대표 그림 (Table of Contents)

연구팀은 “이번 연구는 기존 유기반도체 구조의 한계를 극복하기 위한 차세대 공정 기반 신규 다층구조에 관한 내용이다. 암전류 억제와 광전류 향상을 동시에 이끈 A/BHJ 구조의 효과를 차별화된 분석을 통해 입증함으로써 유기 포토디텍터의 개발과 더불어 초고속 데이터 전송이 가능한 광 기반 무선 통신 기술로의 확장에 이바지할 수 있는 계기가 됐다”고 했다. 

이어 “이번 결과를 토대로 유기반도체 소재를 위한 핵심 공정과 구조를 설계해 상용화가 가능한 차세대 광통신 시스템을 개발하고자 노력할 계획”이라고 말했다.