유기반도체에 새로운 다층구조 도입…고속‧고감도‧저잡음 성공
▲에너지 방출률 계산 기반 신규 다층구조 구현 및 노이즈 억제/감도 향상 효과 결과 : 단일 억셉터 층 상부에 이종접합 층을 적층하기 위해, 에너지 방출률을 계산하여 전사 인쇄 공정 최적화함. 기존 구조에서는 주입 전류에 의해 노이즈가 발생하지만, 본 연구에서 개발한 신규 다층구조는 장벽 증가로 주입 전류를 차단하여, 노이즈 발생을 억제하고, 효과적인 전하 수송을 유도하여, 차별화된 포토디텍터 구현이 가능함. (그림=중앙대 왕동환 교수)
차세대 통신 기술의 중요한 도약이 될 유기반도체 기반 고성능 포토디텍터가 한국과 미국 연구진의 공동연구로 개발됐다. 이번 연구는 의료 모니터링, 보안 센서, 정보통신 등 다양한 분야에서 차세대 통신기술 발전에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 중앙대학교 왕동환 교수와 미국 캘리포니아대 응우옌 교수 공동 연구팀이 유기반도체의 성능 한계를 극복하기 위해 새롭게 고안된 '억셉터-이종접합 연속 구조(A/BHJ 구조)'를 개발했다고 발표했다. 이를 통해 고속, 고감도, 저잡음의 무선 통신 시스템 구현에 성공했으며, 해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행되었다.
유기반도체의 한계 극복을 위한 혁신적 접근
포토디텍터는 미세한 빛을 감지해 이미지를 전송하는 데 사용되는 핵심 기술이다. 기존 유기반도체의 이종접합 구조는 전자와 양자가 무작위로 혼합되어 전하 전달 경로가 비효율적이었고, 이에 따라 속도와 감도가 저하되며 노이즈가 증가하는 문제가 있었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 단일 억셉터 층 위에 이종접합을 결합하는 새로운 구조를 고안했고, 이를 통해 주입 전류를 차단함으로써 암전류를 감소시키고 광전류를 크게 향상시키는 데 성공했다.
성능과 안정성을 강화한 전사 인쇄 공정 기술 도입
이번 연구의 핵심은 전사 인쇄 공정 기술을 도입해 안정적인 계면 특성을 구현한 것이다. 왕동환 교수 연구팀은 에너지 방출률을 계산해 새로운 구조의 안정성을 확보했다. 이로 인해 100kHz 이상의 고주파 대역에서도 신호 손실 없이 데이터를 빠르고 안정적으로 전송할 수 있어, 무선 데이터 통신 등 차세대 정보통신 기술로서의 가능성을 열었다.
상용화를 위한 차세대 기술 개발 목표
왕동환 교수는 “포토디텍터를 통신 시스템으로 구현하려면 트랜지스터와의 결합이 필수"라며, 향후 유기반도체 포토디텍터와 트랜지스터 기술의 융합을 목표로 새로운 공정법을 개발해 상용화 가능성을 높일 계획임을 밝혔다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 9월 9일 온라인 게재되었으며, 내부 표지 논문으로도 선정되었다.
▲교신저자 중앙대 왕동환 교수(왼쪽), 제1저자 중앙대 장웅식 박사 (사진=중앙대)
※ 논문 정보
- 논문명 : Enhancing Detection Frequency and Reducing Noise Through Continuous Structures via Release-Controlled Transfer Toward Light-Based Wireless Communication
- 저널명 : Advanced Materials
- 키워드 : Organic photodetector, Light communication, Transfer printing, Signal improvement, Noise reduction
- 저 자 : 왕동환 교수(교신저자/중앙대), Thuc-Quyen Nguyen(교신저자/UCSB) 장웅식 박사(제1저자/중앙대), Hoang M. Luong 박사(공동1저자/UCSB), 김민수 연구원(공저자/중앙대)
▲이 논문은 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 9월 9일 온라인 게재되었으며, 내부 표지 논문으로도 선정되었다. (자료=중앙대 왕동환 교수)
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