서울시립대·동아대, 고감도 광트랜지스터 개발

5V 이하 저전압서 근적외선 감지 구현

서울시립대학교와 동아대학교 공동연구팀이 하나의 유기반도체 소재에서 P형과 N형 동작을 모두 구현하면서 5V 이하의 낮은 전압에서도 근적외선(NIR)을 고감도로 감지할 수 있는 양극성 유기 광트랜지스터(OPT)를 개발했다.

실시간으로 변화하는 근적외선 신호 감지에도 성공해 라이다(LiDAR)와 비접촉 모션센서, 웨어러블 광센서 등 차세대 센싱 기술로의 활용 가능성을 높였다.

서울시립대·동아대 공동연구팀. 왼쪽부터 노희황 연구원, Swarup Biswas 연구교수, 이홍주 동아대 교수, 김혁 서울시립대 교수. 서울시립대학교

서울시립대학교는 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수와 동아대학교 반도체학과 이용주 교수 공동연구팀이 저전압에서 안정적으로 작동하는 고감도 근적외선 양극성 유기 광트랜지스터를 개발했다고 2일 밝혔다.

이번 연구 결과는 와일리(Wiley)가 발행하는 국제학술지 『Small』에 'Low-Voltage, High-Sensitivity NIR Ambipolar Organic Phototransistor Based on a Non-Fullerene Acceptor'라는 제목으로 지난 4월 27일 게재됐다.

노화평 연구원과 Swarup Biswas 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 이용주 교수는 공동저자, 김혁 교수는 교신저자로 연구를 이끌었다.

라이다를 비롯한 근적외선 기반 센싱 시스템은 미세한 광신호를 높은 감도로 검출하는 동시에 낮은 전압에서 안정적으로 작동하는 기술이 중요하다.

그러나 기존 유기 광트랜지스터는 높은 구동전압과 낮은 전하 이동도, 부족한 근적외선 흡수 특성 등이 한계로 꼽혀왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 근적외선 흡수 특성이 우수한 Y6 유기반도체와 높은 유전율을 가진 Al2O3 절연층을 적용했다.

여기에 ODPA 자기조립단분자막(SAM)을 활용해 계면 결함을 줄이고 Y6의 분자 배열과 결정성을 향상시켰다.

그 결과 하나의 유기반도체 소재에서 P형과 N형 동작을 모두 구현하면서 ±5V 이하의 낮은 전압에서도 근적외선을 안정적으로 검출하는 고감도 양극성 유기 광트랜지스터를 구현했다.

특히 연구팀은 개발한 소자를 이용해 실시간으로 변화하는 근적외선 신호를 감지하는 실증에도 성공했다.

손가락 움직임에 따라 근적외선 레이저가 반복적으로 차단되는 상황에서 이를 전류 신호의 변화로 뚜렷하게 검출해 동적인 근적외선 신호도 안정적으로 감지할 수 있음을 확인했다.

이번 성과는 향후 라이다를 비롯해 비접촉 모션센서, 웨어러블 광센서 등 저전력·고감도가 요구되는 차세대 근적외선 센싱 시스템에 폭넓게 적용될 가능성을 보여준다.

특히 휴머노이드와 지능형 로봇 등 피지컬 AI 분야에서 주변 환경과 움직임을 감지하는 센서 기술로도 활용이 기대된다.

김혁 교수는 "이번 연구는 초저전력 상시 구동이 가능한 낮은 구동 전압과 고감도 근적외선 검출을 동시에 구현해 차세대 광센서의 실용화 가능성을 높였다는 데 의미가 있다"며 "향후 라이다, 비접촉 센서, 휴머노이드용 웨어러블 전자기기 등 피지컬 AI에 활용 가능한 다양한 지능형 센싱 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌 기초연구실 지원사업(심화형), 산업통상부·한국산업기술기획평가원(KEIT)의 반도체 첨단전략산업초격차기술개발 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 서울시립대학교 반도체연구센터(UOS Fab)도 연구 인프라를 지원했다.

박호수 기자 lake@asiae.co.kr