[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

광통신·이미징·정밀 센싱 분야에서는 가시광선과 근적외선을 동시에 감지하는 초고감도 광센서의 필요성이 빠르게 커지고 있다. 페로브스카이트–유기반도체 이종접합 포토디텍터(photodetector, PD)는 두 소재의 흡수 대역을 결합해 넓은 파장 영역을 다룰 수 있다는 장점이 있지만, 성능은 페로브스카이트와 유기반도체(Bulk Heterojunction, BHJ)가 맞닿는 매몰 계면의 에너지 정렬 문제와 계면 결함(trap), 그리고 BHJ 내부에서 발생하는 과응집거칠기 때문에 제한되는 경우가 많았다. 특히 기존 Y6 계열 수용체는 높은 결정성으로 인해 박막이 쉽게 뭉치고, 그 결과 계면 전하 추출이 원활하지 않아 근적외선 감도가 급격히 떨어지는 현상이 반복돼 왔다. 유기반도체 연구에서 ‘사이드체인 엔지니어링(side-chain engineering)’은 분자 물성을 직접 조절할 수 있는 대표적 방법이지만, n형 수용체의 사이드체인만을 조절해 매몰 계면의 에너지 정렬과 결함을 함께 제어한 사례는 거의 없었다.

2.연구내용

연구팀은 n형 비풀러렌 수용체(non-fullerene acceptor)의 2D 공액 사이드체인에 산소 원자 한 개를 서로 다른 위치에 넣은 Y1PhO·Y2PhO 두 종류의 분자를 설계·합성했다. 이를 PM6와 혼합해 벌크 이종접합(Bulk Heterojunction, BHJ)을 형성하고, CsFA 페로브스카이트 위에 적층해 POH-PD를 제작했다. 산소 위치를 바꾼 결과, 분자의 쌍극자 모멘트(dipole moment)와 유전율(dielectric constant)이 달라지고, 전자 에너지 준위(frontier orbital)가 조정되며, 결정성이 지나치게 높아지는 과응집(over-aggregation)이 줄어드는 경향을 보였다.

박막의 미세 구조 변화를 확인하는 사입각 와이드앵글 X선 산란(GIWAXS, Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering) 분석에서는 Y2PhO 박막에서 face-on 배향이 증가하고 산란 피크 감소로 도메인 분포가 더 균일해졌음을 확인했다.

계면에서의 전하 이동 변화를 확인하는 형광 소광 분석(PL quenching, Photoluminescence quenching)과 시간분해 형광 분석(TRPL, Time-Resolved Photoluminescence)에서는 전하 추출이 빨라지고 재결합 손실이 줄어든 것으로 나타났다. 전하 이동 경로의 결함 밀도를 평가하는 공간전하 제한 전류 측정(SCLC, Space-Charge-Limited Current)에서도 트랩 밀도 감소가 확인되었다.

이러한 구조·계면 개선 효과 덕분에 Y2PhO 기반 소자는 830 nm 근적외선에서 광변환 효율을 나타내는 외부 양자 효율(EQE, External Quantum Efficiency)이 90% 이상을 기록했다. 또한 빛을 전류로 바꾸는 민감도인 광응답도(responsivity)는 0.623 A/W에 달했으며, 약한 빛 신호를 구분하는 능력을 나타내는 쇼트노이즈 한계 검출도(Dshot)는 7.05×10¹² Jones(Jones: cm·Hz¹ᐟ²/W의 검출도 단위), 전체 잡음 조건에서의 노이즈 한계 검출도(Dnoise)는 1.43×10¹¹ Jones를 보였다.

아울러 센서가 밝기의 넓은 범위를 왜곡 없이 인식하는 정도를 나타내는 선형 동적 범위(LDR, Linear Dynamic Range)도 109.1 dB로 넓게 확보되어, 기존 Y6 기반 소자 대비 전반적인 성능이 크게 향상되었다.

또한 굽힘 테스트에서도 PET 기판 상에서 성능 저하 없이 작동해, 실제 유연·웨어러블 환경에서도 안정성을 유지할 수 있음이 확인되었다.

3.기대효과

이번 연구는 n형 수용체의 ‘산소 위치’라는 단일 변수만으로 BHJ 박막 형상과 매몰 계면의 에너지 정렬·트랩 특성을 동시에 제어할 수 있음을 보여준다. 분자 구조 변화가 박막의 배향성과 응집도를 바꾸고, 이것이 계면 전하 동역학과 최종 소자 성능으로 이어지는 과정을 정량적으로 규명했다는 점에서 의미가 있다. 가시광–근적외선을 모두 다루는 광대역 고감도 센서 구현 가능성을 높여, 광통신 수신이나 저조도 이미징, 바이오·웨어러블 기반 정밀 센싱 등 응용에서 성능 향상을 기대할 수 있다. 또한 용액공정 기반 소재를 사용해 대면적 제조가 수월하고 유연 기판에도 적용 가능해, 차세대 고성능 광센서의 실용화 가능성을 넓히는 기반이 될 수 있다.

[붙임] 용어설명

1.광센서(Photodetector)

광센서는 빛을 전기 신호로 바꿔주는 장치로, 밝기나 색의 변화를 숫자로 환산해 전자기기가 상황을 인식할 수 있도록 한다. 휴대폰 자동 밝기, 얼굴 인식, 의료용 근적외선 영상 등 다양한 장치에 쓰이며, 감도와 노이즈 특성이 성능을 좌우한다.

2.유기반도체(Organic Semiconductor)

유기반도체는 탄소 기반 분자로 이루어진 가볍고 유연한 반도체다. 전자를 내주는 공여체와 받아들이는 수용체를 한 층에 미세하게 섞은 구조가 벌크 이종접합(BHJ)인데, 이 내부 경계에서 빛을 흡수해 전하가 분리된다. 구조가 조금만 불균일해도 전하 이동이 막히기 때문에 섞임 정도와 박막 품질이 성능을 결정한다.

3.페로브스카이트(Perovskite)

페로브스카이트는 특정 결정구조를 가진 광흡수 소재로, 얇은 층만으로도 강하게 빛을 흡수하고 전하 이동이 빠르다. 낮은 온도에서도 제조할 수 있어 태양전지·센서 분야에서 빠르게 확산되고 있으며, 특히 가시광 영역에서 높은 감도를 제공한다.

4.페로브스카이트–유기 이종접합(Heterojunction)

페로브스카이트 위에 유기반도체 BHJ를 얇게 쌓아 만든 구조로, 두 소재의 흡수 대역을 합쳐 넓은 파장을 감지할 수 있다. 하지만 두 층이 만나는 계면의 에너지 정렬이 조금만 어긋나도 전하가 계면에서 포획되어(트랩) 성능이 떨어져, 이 계면 품질이 소자 성능의 병목이 된다.

5.사이드체인 엔지니어링(Side-chain Engineering)

유기반도체 분자에 붙은 ‘곁가지(side-chain)’의 구조나 위치를 조절해 분자의 정렬 방식, 뭉침 정도, 전기적 성질을 바꾸는 설계 방법이다. 곁가지 위치가 달라지면 쌍극자 모멘트와 유전율, 박막 형성 방식까지 함께 변해 계면 전하 이동과 감도에도 영향을 미친다.

6.비풀러렌 수용체(NFA, Non-Fullerene Acceptor)

유기반도체의 수용체중 하나. 흡수 스펙트럼과 전기적 특성을 설계로 조절할 수 있어 고성능 소자에 널리 쓰인다. 다만 결정성이 높아지면 박막이 쉽게 뭉쳐 전하 이동에 장애가 생기기 때문에 구조 조절이 중요하다.

[붙임] 그림설명

그림설명. 초고감도 광대역 페로브스카이트-유기 반도체 하이브리드 광센서의 구조(상단)와 성능(하단). 하단 우측은 파장별 광응답도(responsivity)를 비교한 것으로, Y2PhO 기반 소자가 830 nm 근적외선 영역에서 가장 높은 응답을 기록했음을 보여준다. 하단 오른쪽 그래프는 외부 양자효율(EQE) 분포로 이번에 개발된 센서가 이제껏 개발된 하이브리드 센서 중 가장 외부양자효율(EQE)이 높다.