아주대·한국화학연구원, 적외선 빛→전류 신호 전환 유기소재 개발

10월 저명 학술지에 연구 게재

국내 연구진이 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 빛을 전류 신호로 전환할 수 있는 유기 소재를 개발했다. 이 소재를 이용하면 적외선 빛을 고감도로 감지할 수 있어 자율주행차와 우주 및 군사 시설, 바이오 헬스케어 분야에 활용될 전망이다.

21일 아주대는 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀이 한국화학연구원 소속의 고서진·윤성철 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 근적외선 광을 효율적으로 흡수할 수 있는 유기 반도체 소재와 이를 이용한 유기 포토디텍터 소자를 개발했다고 밝혔다.

해당 내용은 ‘신규 비풀러렌계 비대칭 전자수용소재를 이용한 고광검출력 근적외선 유기 포토디텍터 개발’이라는 제목으로 소재 분야 저명 학술지인 'ACS Nano'에 지난 10월 게재됐다. 이아영씨(분자과학기술학과 석박사 통합과정), 한국화학연구원의 하종운 박사가 공동 제1저자로 참여했고 김 교수와 한국화학연구원 고서진·윤성철 박사는 공동 교신저자로 함께 했다.

아주대 연구팀이 포토디텍터 소자 설계와 성능 최적화 연구를 수행했고 한국화학연구원에서는 근적외선 흡광 소재 개발 연구를 맡았다. 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)와 허준석 교수(지능형반도체공학과·전자공학과) 연구팀도 소자 분석 연구에 참여했다.

적외선은 가시광선과 달리 사람이 직접 눈으로 확인할 수는 없으나 다양한 분야에서 이용되고 있다. 인체를 비롯한 생물체와 엔진, 천체 등이 방출하는 열을 이미지화하여 감지하고 식별할 수 있기 때문이다. 이에 자율 주행차와 우주·군사 시설을 비롯해 바이오 헬스케어 센서, 광통신 등의 분야에서 활용되고 있다.

[자료출처= 아주대학교]

그러나 적외선 대역의 광신호는 낮은 에너지를 가지고 있어 일상 생활에 존재하는 여러 노이즈 신호와 구분이 힘들고, 소재 개발이 어려워 장파장 근적외선을 민감하게 감지할 수 있는 유기 포토디텍터의 개발은 뒤처져 있다.

이에 공동 연구팀은 광흡수 파장 제어가 용이하면서도 근적외선 광을 잘 흡수할 수 있는 유기물 근적외선 흡수 소재를 개발했다. 해당 소재를 이용한 박막(film)의 나노구조를 제어하는 방식을 통해 고감도 근적외선 포토디텍터를 구현하고자 했다.

공동 연구팀은 이번에 개발한 유기 반도체 소재를 공액고분자와 함께 벌크헤테로졍션 필름으로 제작하여 포토디텍터에 적용할 때, 1000nm 근적외선 광에 대해 1012Jones 이상 높은 수준의 광감지가 가능한 고감도 광센서의 구현이 가능함을 확인했다. 이는 기존에 상용화된 실리콘 포토디텍터 보다 4~5배 더 높은 수준이다.

나아가 신규 소재를 기반으로 제작된 고감도 포토디텍터를 이용하여 광 혈류 측정 센서에 응용해 신체 맥파도 분석했다. 이번에 개발된 포토디텍터를 이용하면 혈관의 건강 상태도 정밀 감지할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

김 교수는 “그동안 1000nm 이상 근적외선 빛의 고감도 검출에 여러 어려움이 있었으나, 이번 연구로 해결책을 제시할 수 있게 됐다”며“이번에 개발한 소재·소자 기술이 고감도의 근적외선 카메라와 적외선 통신, 바이오 헬스케어 센서 등 여러 신산업에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

박준이 기자 giver@asiae.co.kr