아토 스케일 초저잡음 근적외선 유기 광센서 핵심기술 개발
심재원 교수팀 연구 결과, 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 게재

▲ (왼쪽에서) 김태혁 석박사과정(제1저자), 이지현 박사과정(제1저자/동국대), 장민호 석사과정(제1저자/동국대), 

심재원 교수(교신저자), 조제웅 교수(교신저자/동국대), 이세연 교수(교신저자/동국대)

전기전자공학부 심재원 교수 연구팀과 동국대 에너지신소재공학과 조제웅 교수, 이세연 교수 연구팀은 아토 스케일 수준의 초저잡음을 가지는 근적외선 유기 광센서의 핵심 기술을 개발했다.

이번 연구 결과는 해당 분야의 세계 최고 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF=29.4)에 5월 6일 온라인 게재됐다.
- 논문명 : Atto-Scale Noise near-Infrared Organic Photodetectors Enabled by Controlling Interfacial Energetic Offset through Enhanced Anchoring Ability
- 논문 URL : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202403647

광센서의 구동 소자인 유기 광검출기(organic photodetector, OPD)는 빛을 효율적으로 활용하여 전기를 만들고, 사물 및 물체의 동작을 감지할 수 있다. OPD는 용액 공정 기반 저온 제조공정 및 용이한 확장성과 탁월한 근적외선 감광 특성으로 차세대 적외선 센서 기술(자율 주행, 광통신 및 감시 모니터링 등)에서 중요한 역할을 한다.

하지만, 근적외선 흡수대역 소재의 좁은 밴드갭은 바람직하지 않은 높은 잡음 전류를 생성하여 특정 검출도(specific detectivity, D*)가 제한되므로 실사용을 위한 대대적인 개선이 필요하다. 따라서, 잡음을 유발하는 암전류 밀도의 생성 메커니즘 및 전하 역학적 해석이 필수적이며 이를 기반으로 한 저잡음형 근적외선 OPD 개발이 필수적이다.

본 연구팀은 이러한 원천적인 문제를 해결하기 위해 유기 반도체층에서 발생하는 열 생성 전류의 효과적 차단을 위해 새로 합성된 자가 조립 단층 기반 3PAFBr의 전자 차단층(electron blocking layer, EBL)을 적용 및 개발하여 암전류 생성 메커니즘의 정량적 분석을 통해 아토 스케일의 초저잡음 수준의 근적외선 유기 광센서를 개발했다.

3PFABr기반 전자 차단층은 두 개의 포스폰산(phosphonic acid, PA) 그룹을 포함하는 향상된 앵커링 기능을 통해 보다 균질한 전극 표면 및 높은 일함수 형성으로 OPD에서 계면 트랩 형성을 크게 억제했다. 또한, 암전류 생성의 주요 소스인 열 활성화 에너지(thermal activation energy)는 유기 반도체의 LUMO 에너지와 3PAFBr의 HOMO 에너지 차이와 유사하였으며 낮은 HOMO 에너지 수준은 높은 에너지 장벽과 벌크 열적 생성된 암전류 밀도의 역학에 대한 중요한 통찰력을 제공했다.

이를 통해, 3PABr 기반 OPD는 852 aA의 잡음 전류와 4.18 fW(파장대역 : 808nm)의 잡음 등가 전력(noise equivalent power, NEP)을 달성했으며, 이는 보고된 초저잡음 OPD 중 가장 낮은 잡음 수준이다. 또한, 이는 상용 실리콘 광검출기의 잡음 전류(59.4fA) 및 NEP (264fW)보다 현저히 낮다.

이번 성과는 유기 광전자 장치 분야의 혁신적이고 독창적인 연구를 제시하며, 저잡음형 근적외선 유기 광센서 기술의 새로운 가능성을 열어줬다. 또한, 자율 주행 감지기, 스마트 홈 및 사물 인터넷 센서 장치와 같은 다양한 분야에서 실사용을 위한 장치 개발을 통한 광범위한 채택 가능성을 보여준다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 중견연구 및 우수신진연구 지원사업으로 수행됐다.

<그림 1>

그림 설명 : 아토 스케일 초저잡음 근적외선 유기 광센서 성능 수준