이번 연구결과가 게재된 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 표지.[중앙대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과 미국 연구진이 의료모니터링, 보안센서, 정보통신 등 차세대 통신기술 발전을 이끌어나갈 유기반도체 기반 고성능 포토디텍터를 개발했다.

한국연구재단은 중앙대 왕동환 교수와 캘리포니아대 응우옌 교수 공동연구팀이 기존 유기반도체의 단점을 보완한 억셉터-이종접합 연속 구조를 개발하고, 이를 기반으로 고속‧고감도‧저잡음 무선통신시스템 구현에 성공했다고 밝혔다.

포토디텍터 공정기술은 고성능 이미지 센서의 핵심기술로, 해당 소재는 다양한 광원의 미세한 빛도 감지할 수 있는 높은 민감도가 요구된다.

유기 반도체는 높은 흡수율과 제어 가능한 밴드갭 특성으로 주목받는 감광소재이다. 하지만 기존의 이종접합 구조는 도너와 억셉터가 혼화된 형태로 무작위적 전하 전달 경로로 인해 반응 속도가 저하되고, 노이즈 전류로 민감도가 낮아지는 한계가 있다.

연구팀은 단일 억셉터 층 상부에 이종접합을 결합한 새로운 접근을 시도했지만, 기존 용액 공정의 한계로 안정적인 결합이 어려웠다.

왕동환 교수팀은 에너지 방출률 계산을 통해 설계된 전사 인쇄 공정 기술을 도입, 안정적인 계면 특성을 구현했다.

새로운 억셉터-이종접합 연속 구조는 단일 억셉터 층으로 주입 장벽을 효과적으로 형성하도록 설계했다.

포토디텍터의 성능을 악화하는 주입 전류를 차단하자 암전류는 감소하고, 광전류는 향상됐다.

억셉터-이종접합 연속 구조는 고감도, 저잡음의 장점을 살려 다양한 응용 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

특히 100 kHz 이상 고주파 대역에서도 신호 손실 없이 빠르고 안정적인 데이터 전송으로 무선 데이터 통신 등 차세대 정보통신기술로의 가능성을 열었다.

왕동환 교수는 “포토디텍터를 통신 시스템으로 구현하기 위해서는 트랜지스터와의 결합이 필수”라며 “이번 결과를 토대로 유기반도체 포토디텍터를 트랜지스터 기술과 융합할 수 있는 차세대 공정법을 발전시켜, 상용화가 가능한 광 기반 무선 통신 원천기술 확보를 위해 정진하겠다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 및 세종과학펠로우십의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 내부 표지논문으로 선정됐다.