동국대(총장 윤재웅) 에너지신소재공학과 조제웅, 이세연 교수 연구팀 (제 1저자, 이지현 박사과정, 장민호 석사과정)은 고려대 심재원 교수 연구팀(제 1저자 김태혁 석박사과정)과의 공동연구를 통해, 아토 스케일 초저잡음 근적외선 유기 광센서(OPD) 핵심기술을 개발했다.

광 검출기 (Photo diode)는 빛을 활용하여 전기를 생성하고 이러한 전기적 신호는 사물 및 물체의 동작을 감지하는데 사용된다. 기존의 광 검출기는 실리콘 반도체 기반의 무기물 센서를 바탕으로 제작이 되어 왔으나, 최근 용액을 활용한 저온 제조공정 기반의 유기물을 활용한 유기 광센서 (Organic photo diode, OPD)의 연구가 활발히 진행되고 있다.

특히 근적외선 감광 특성을 활용한 OPD는 차세대 센서 기술인 자율 주행, 광 통신 및 감시 모니터링 등의 확장 가능성에 큰 주목을 받고 있으나, 근적외선 흡수 영역대의 높은 잡음 전류로 인한 센서 검출 성능 저하는 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

이번 연구에서는 높은 잡음 전류에 영향을 주는 암전류 밀도의 생성 메커니즘과 전하 역학적 해석을 통해 아토 (a, 10-18) 스케일의 초저잡음형 근적외선 OPD 개발에 성공하였음. 이를 위해 두 개의 포스폰 산(phosphonic acid, PA) 그룹을 포함하는 신규 전자 차단층 (electron blocking layer, EBL) 소재인 3PFABr 설계하고, PA 그룹의 향상된 앵커링 기능 통해 균질한 전극 표면 생성 하여 OPD 계면에서의 트랩 형성을 억제했다. 또한 OPD내 유기 반도체 층과 EBL 층 사이의 에너지 수준 분석을 통해 암전류 생성의 주요 원인인 열 활성화 에너지 (thermal activation energy)의 경향을 해석했다.

연구팀이 개발한 3PFABr 기반의 OPD는 기존에 보고된 OPD 중 가장 낮은 잡음 수준 (잡음전류, 852 aA, 잡음 등가 전력(noise equivalent power, NEP), 4.18 fW(파장대역: 808nm)을 달성하였으며, 이는 상용 실리콘 광검출기의 잡음 전류 (59.4fA) 및 NEP (808nm에서 264fW)보다 현저히 낮은 잡음 수준 임. 이를 통해 유기물을 활용한 광 센서의 적용 확대 및 상용화 가능성을 확인했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 중견연구 및 우수신진연구 지원사업으로 수행되었으며, “Atto-Scale Noise Near-Infrared Organic Photodetectors Enabled by Controlling Interfacial Energetic Offset through Enhanced Anchoring Ability” 라는 제목으로 관련기술 분야 세계 최고 수준 학술지 ‘Advanced Materials [IF=29.4, JCR 상위 2.312%]’에 게재됐다.