▲ 초고감도 광대역 페로브스카이트-유기 반도체 하이브리드 광센서의 구조(상단)와 성능(하단) / 하단 우측은 파장별 광응답도(responsivity)를 비교한 것으로, Y2PhO 기반 소자가 830 nm 근적외선 영역에서 가장 높은 응답을 기록했음을 보여준다. 하단 오른쪽 그래프는 외부 양자효율(EQE) 분포로 이번에 개발된 센서가 이제껏 개발된 하이브리드 센서 중 가장 외부양자효율(EQE)이 높다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

가시광선과 근적외선을 동시에 감지하는 초고감도·고정확도 유연 광센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 색 정보를 인식하는 가시광 영역과, 재질·내부 구조를 파악하는 근적외선 영역을 하나의 센서로 아우르며 차세대 이미징·보안·웨어러블 전자기기의 핵심 기술로 주목된다.

UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수팀은 근적외선 영역에서도 감지 효율과 정확도가 뛰어난 ‘페로브스카이트–유기반도체 이종접합 광센서’를 개발했다고 밝혔다. 이번 성과는 용액 공정 기반 광센서 가운데 최고 수준의 성능 지표를 동시에 달성했다는 점에서 의미가 크다.

이종접합 설계로 ‘감지 대역’과 ‘정확도’ 동시 해결

광센서는 빛을 전기 신호로 변환해 전자기기가 인식하도록 하는 핵심 부품이다. 기존 이종접합 구조는 근적외선 영역에서 감지 효율과 정확도가 급격히 저하되는 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 유기 반도체 내부 분자 구조를 정밀 설계했다.

핵심은 유기 반도체 수용체 분자(Y계열 비풀러렌 수용체)의 곁가지 산소 원자 위치를 미세 조절하는 전략이다. 이 설계는 ▲전하 분리 효율을 높여 근적외선 감지 효율을 향상시키고, ▲유기 반도체층의 과도한 응집을 억제해 페로브스카이트층과의 밀착도를 개선한다. 두 층의 밀착도가 높아질수록 전하 이동 중 손실이 줄어들어 센서 정확도가 크게 개선된다.

EQE 90%·LDR 109.1dB... 성능 지표 ‘최상위권’

실험 결과, 유기 반도체(Y2PhO)를 적용한 센서는 830nm 근적외선에서 외부양자효율(EQE) 90% 이상을 기록했다. 이는 센서에 도달한 광자 100개 중 90개 이상을 전기 신호로 바꾸는 수준으로, 용액 공정 기반 광대역 광센서 중 최고 수준이다.

아울러 빛이 없는 상태에서 발생하는 암전류를 획기적으로 낮춰 미약한 광 신호도 명확히 구분할 수 있었고, 선형 동적 범위(LDR) 109.1dB를 달성해 강한 빛과 약한 빛이 혼재한 환경에서도 안정적인 인식이 가능함을 입증했다.

제1저자인 박지원 연구원은 “산소 원자 위치 조절이라는 간단하지만 정밀한 분자 설계만으로 이종접합 광센서 상용화의 병목이던 감지 대역 확대와 정확도 향상을 동시에 해결했다”고 설명했다.

웨어러블·이미징·광통신까지 응용 확대

양창덕 교수는 “가시광과 근적외선을 모두 포괄하는 광대역 유연 센싱 기술은 향후 광통신, 의료·산업 이미징, 웨어러블 전자기기의 원천 기술이 될 수 있다”며 기대를 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials에 지난달 22일 온라인 공개됐다.

논문명은 Oxygen-Positional 2D Side-Chain Engineering of n-Type Acceptors for Record >90% Near-Infrared External Quantum Efficiency in Broadband Perovskite–Organic Photodetectors이다.