[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 포항공대(POSTECH) 화학공학과 정대성 교수팀과 한양대 유기나노공학과 정인환 교수팀은 공동 연구를 통해 자외선(UV) 영역을 정밀하게 감지하는 고성능 유기 광검출기(UV-OPD)를 개발했다고 15일 밝혔다.

연구팀은 제작한 광검출기를 증착 공정을 통해 기존 실리콘 기반 complementary-metal-oxide-semiconductor(CMOS) 광검출기에 수직으로 집적함으로써 새로운 이미지 센서 플랫폼을 구축했다.

자외선만을 정밀하게 검출하려면 넓은 에너지 밴드갭과 동시에 우수한 전하 이동 특성을 갖춘 유기 반도체 소재가 필요하다. 하지만 일반적으로 공액 구조가 길어질수록 밴드갭이 줄고 흡수 파장이 장파장으로 이동한다는 문제가 있다.

이에 따라 짧은 파장에 선택적으로 반응하면서도 전기적 특성이 우수한 분자 구조를 구현하는 것이 핵심 과제였다. 또한 실제 소자 제작 측면에서도 새로운 접근이 요구됐다.

진공 증착 공정은 인체에 유해한 용매를 사용하지 않고 정밀한 박막 형성, 우수한 계면 특성, 공정 호환성 등에서 강점을 지닌다. 그러나 자외선 선택성을 갖춘 유기 광검출기를 진공 증착 공정으로 구현한 사례는 극히 드물다.

연구팀은 티아졸로티아졸(thiazolothiazole, Tz)이라는 이종 고리 구조체를 바탕으로 전자 주개(donor) 역할을 하는 세 종류의 소분자(TzB, TzNα, TzNβ)를 설계했다. 각 분자는 공액 치환기의 구조와 위치를 달리해 분자 결정성과 정렬 특성에 차이를 유도하도록 고안됐다.

β-나프탈렌 고리를 도입한 TzNβ는 우수한 분자 평면성과 확장된 공액 구조를 갖춰 벌크 이종 접합 박막 내에서 분자 간 상호작용(π-π stacking)과 이상적인 정렬을 유도했다. 이로 인해 자외선 흡수 능력과 전하 이동 특성이 동시에 향상되며, 소자 성능 개선에 핵심적인 역할을 했다.

연구팀은 결과적으로 우수한 가시광 투과도를 보이는 상부 입광 구조의 유기 광검출기를 제작해 이를 CMOS 이미지 센서 위에 증착 공정으로 집적했다.

더해 자외선 선택성이 우수한 유기 광검출기와 가시광 검출에 적합한 실리콘 이미지 센서를 단일 플랫폼으로 통합해 파장 분리 감지, 공정 단순화, 비용 절감, 공간 효율 향상 등 기술적 장점을 확보했다.

한편 해당 연구는 세계적 권위의 재료과학 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials(JCR 상위 2.2%)' 온라인에 7월 게재됐다.


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