열 감지 카메라 등 차세대 적외선 이미지 센서 기술 발전 기대

중앙대학교(총장 박상규)는 왕동환 융합공학부 교수와 대학원 융합공학과 김민수 학생, 장웅식 학생이 고성능 차세대 태양전지와 근적외선 이미지 센서용 유기광전자소자를 구현했다고 22일 밝혔다. 이 연구 성과는 열 감지 카메라, 자율주행 자동차 레이더 센서 등 차세대 적외선 이미지 센서 기술 개발 방향을 제시하는 계기가 될 것으로 기대된다.

왕동환 교수 연구팀이 제 1저자와 공동 1저자, 교신 저자를 맡아 진행한 이번 연구의 성과는 '데칼코팅 공정 기반 비풀러렌계 박막의 모폴리지 형상제어를 통한 효율적인 광전변환 및 광 검출 소자 제작(Morphology Inversion of a Non-Fullerene Acceptor Via Adhesion Controlled Decal-Coating for Efficient Conversion and Detection in Organic Electronics)' 논문을 통해 확인할 수 있다.

해당 논문은 2021년 기준 인용지수(Impact factor) 18.808을 기록한 재료 분야 권위 학술지인 '고급 기능성 재료(Advanced Functional Materials)'에 6월 18일자로 온라인 게재됐으며, 최신호인 9월호 표지 논문(Front Cover)으로도 선정됐다.

연구팀은 최근 유기광전자소자 분야에서 주목받고 있는 비(非) 풀러렌계 소재 기반 반도체 감광층을 활용해 고분자 계면 기술을 접목한 형상 제어 박막 프린팅 공정을 개발함으로써 기존과 차별화 된 연구 성과를 거두는 데 성공했다.

기존에 용액공정으로 널리 채택된 스핀코팅은 시간과 비용 측면에서 우수하지만, 기판 상부에 직접 용액을 도포하기에 용매 침투에 의한 하부층 손상을 유발했다.

또한, 유기소자에 일반적으로 적용되는 이종접합구조(Bulk heterojunction) 감광층은 박막의 표면 상·하부에 전자 도너나 전자 억셉터 등 특정 소재가 편향되는 문제를 발생시켜 구조적으로 전하 흐름에 불리한 모습을 보였다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 고성능 소재로 알려진 비 풀러렌계 억셉터 기반 유기 광전변환 층에 표면 물성이 제어된 고분자 박막을 형성한 후 건식 상태에서 데칼 코팅(Decal-Coating)하는 프로세스를 최초로 개발했다. 용매가 하부층에 침투하는 것을 방지하고 박막 모폴리지를 형상 제어함으로써 암전류를 억제했으며 전하 흐름도 개선했다.

그 결과 연구팀은 프린팅 기반 적외선 감광 소자에서 10.7% 광전변환 효율과 -0.5 V 전압 인가 시 1.27 X 1012 Jones의 광 검출능을 동시에 나타내는 유기광전자소자를 구현했다. 데칼 코팅에 의해 형성된 박막의 표면 성분을 토대로 전기·광학적 분석을 실시해 성능 향상을 규명했으며, 대기 중 구동 안전성도 함께 검증했다.

왕동환 교수는 "이번 연구 성과는 차세대 적외선 이미지 센서 기술 개발을 위한 방향을 제시하는 계기가 될 것"이라며 "열 감지 카메라, 자율주행 자동차 레이더 센서의 정확도 향상 등 다방면에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이어 "향후 데칼 코팅 공정의 원천기술화를 기반으로 비 풀러렌계 소재에서 범위를 확장해 다양한 유·무기 반도체의 효율적 응용을 위한 핵심연구를 지속적으로 수행할 계획"이라고 밝혔다.