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▲ 열처리에 따른 카이랄 유기반도체 박막 내 분자 적층 구조 변화 모식도로, 열처리 전 불규칙하게 배열된 분자들이 열처리 후 조밀하고 질서 있는 구조로 재배열되며 원편광 선택성이 향상된다.

국내 연구진이 빛의 세기와 파장뿐 아니라 회전 방향까지 구분할 수 있는 고성능 근적외선 광검출기를 개발해 자율주행 센서, 바이오이미징, 보안 인증 등 차세대 광전자 기술 분야에서 활용 가능성이 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 김봉수 교수팀과 서울대학교 오준학 교수팀이 키랄 유기반도체 박막의 분자 배열을 열처리로 제어해 원편광(Circularly Polarized Light)을 정밀하게 검출하는 광검출기 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.

원편광은 빛의 전기장이 진행 방향을 기준으로 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 특성을 가진 빛이다. 일반적인 광센서는 빛의 세기만 측정할 수 있지만 원편광 검출기는 빛의 회전 방향까지 구분해 물체의 형태뿐 아니라 재질 차이까지 분석할 수 있어 자율주행 센서나 생체분자 관찰, 보안 기술 등에 쓸 수 있는 광센서다.

연구팀은 나선형 비대칭 구조를 가진 키랄 유기반도체 분자를 활용해 근적외선 영역에서 좌·우 원편광을 구분하는 광검출기를 구현했다. 키랄 분자는 구조의 좌우 대칭이 깨진 특수 분자로, 좌원편광과 우원편광의 흡수율이 달라 별도의 편광 광학부품 없이 빛의 회전 방향을 직접 구분할 수 있다. 하지만 일반적으로 키랄 분자를 박막 형태로 만들면 비대칭적인 구조 탓에 분자들이 차곡차곡 정렬되지 않아검출 성능이 제한되는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 불소가 결합된 키랄 유기반도체 박막에 열처리를 적용했다. 그 결과 박막 내부 분자들이 더욱 규칙적인 결정 구조로 재배열되면서 원편광 구분 성능이 크게 향상됐다. 실제 불소 치환 박막의 원편광 흡수 선택성은 열처리 전 0.03에서 250℃ 열처리 후 0.1까지 증가하며 약 3배 개선됐다.

또한 연구팀은 개선된 키랄 박막을 수직형 유기 전계효과 트랜지스터 구조에 적용해 고성능 광검출기를 제작했다. 개발된 소자는 850나노미터(nm) 근적외선 영역에서 광전류 비대칭 지수 0.1, 외부양자효율 최대 909%, 비검출도 4.9×10¹¹ Jones, 응답속도 600마이크로초(μs) 이하를 기록했다. 비대칭 지수가 높을수록 좌우 편광을 잘 구분 할 수 있는데 이는 기존 보고된 근적외선 원편광 검출기 가운데 최고 수준의 성능이다.

또한 연구팀은 좌원편광과 우원편광의 흡수 차이로 생긴 전류 차이를 증폭할 수 있도록, 이 박막을 수직형 트랜지스터에 적용했다. 수직형 트랜지스터는 수평형보다 전하 이동 거리가 짧고 분자가 쌓인 방향과 전류가 흐르는 방향이 맞아 빛으로 생긴 전하를 빠르게 모으고 증폭할 수 있다.

김봉수 UNIST 교수와 오준학 서울대 교수 연구팀은 “분자 말단 원자의 종류와 열처리 조건을 조절해 키랄 유기반도체의 분자 배열과 원편광 선택성을 제어하는 원리를 규명했다”며 “향후 자율주행용 근적외선 센서, 생체의료영상, 광통신, 보안 인증 등 편광 정보를 활용하는 차세대 광전자 기술에 적용될 수 있을 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자 지원사업 및 나노·소재기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Science에 6월 28일 온라인 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)