UNIST·서울대, 질감·재질 차이까지 정밀 구분 '전자눈' 개발

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 사물의 형태는 물론 재질 차이까지 정밀하게 구별할 수 있는 세계 최고 수준의 근적외선 원편광 광센서를 개발했다. 분자 배열을 단결정 수준으로 정렬하는 새로운 공정을 적용해 기존 기술의 한계를 극복한 것으로, 자율주행차와 바이오이미징, 광통신 등 차세대 광전자 산업의 핵심 기술로 활용될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수와 서울대학교 오준학 교수 공동연구팀은 키랄 유기반도체 박막을 수직형 트랜지스터 구조에 적용한 고성능 근적외선(NIR) 원편광 광검출기를 개발했다고 23일 밝혔다. 연구 성과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 온라인에 게재됐다.

원편광 광검출기는 빛이 왼쪽으로 회전하는 좌원편광과 오른쪽으로 회전하는 우원편광을 구별해 전기 신호로 읽어내는 광센서다. 일반 카메라가 형태와 색상을 인식하는 데 그친다면 원편광 센서는 표면의 질감과 재질, 생체 분자의 구조 등 더 많은 정보를 얻을 수 있어 자율주행과 의료영상, 보안기술 등에 필수적인 차세대 센서로 주목받고 있다.

하지만 근적외선 영역에서 원편광을 정확하게 검출하려면 빛의 비대칭성을 구분하는 키랄(Chiral) 구조의 유기반도체가 필요하다. 기존 소재는 분자가 촘촘하게 배열되지 못해 전기적 성능과 검출 정확도가 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 나선형 비대칭 분자의 말단에 불소(F)를 도입한 키랄 유기반도체 박막을 제작한 뒤 250도의 열처리 공정을 적용해 분자 배열을 단결정 수준에 가까운 '준2차원 평면형' 구조로 재정렬하는 데 성공했다.

이 과정에서 원편광 흡수 선택성은 열처리 전 약 0.03에서 열처리 후 0.1로 3배 이상 향상됐으며, 열처리 조건에 따라 박막 내부의 나선 배열 방향이 바뀌면서 검출하는 원편광의 회전 방향까지 제어할 수 있다는 사실도 확인했다.

연구팀은 이렇게 제작한 박막을 쇼트키 장벽 수직 유기 전계효과 트랜지스터(SB-VOFET)에 적용했다. 수직형 구조는 전류가 이동하는 거리가 짧아 신호를 빠르게 수집하고 높은 전류 밀도를 구현할 수 있는 것이 특징이다.

완성된 광검출기는 850나노미터 근적외선 영역에서 광전류 비대칭 지수(|gph|) 0.1을 기록했다. 또 미세한 빛을 구별하는 비검출도는 4.9×10¹¹ 존스(Jones), 외부양자효율(EQE)은 최대 909%, 응답 속도는 600마이크로초 이내를 나타내 현재까지 보고된 근적외선 원편광 광검출기 가운데 세계 최고 수준의 성능을 달성했다.

공동연구팀은 "분자 말단 원자의 종류와 열처리 조건이 박막의 분자 배열과 원편광 선택성에 미치는 영향을 체계적으로 규명했다"며 "이번 연구는 고성능 키랄 광전자소자의 후처리 기준을 제시한 성과로, 자율주행용 근적외선 센서와 바이오이미징, 광통신, 암호화 보안 등 정밀한 편광 정보가 필요한 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐다.

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