아주대 공동연구팀, 피부 부착 초박막·초유연 '광센서 개발' 성공

속도·감도·유연성 모두 갖춘 광센서 구현 성공, 웨어러블 기기 등 적용 기대
아주대·서울시립대·도쿄대 공동 연구, '네이처 커뮤니케이션즈' 12월 게재

【파이낸셜뉴스 수원=장충식 기자】아주대학교는 아주대·서울시립대 공동 연구팀이 초박막·초유연 근적외선 광센서를 개발했다고 5일 밝혔다.

두께 3μm(마이크로미터)의 이 센서는 기존 광센서를 뛰어넘는 속도와 감도를 갖춘데다 유연성까지 우수해 피부 부착형 센서와 웨어러블 기반 광통신 등에 널리 활용될 수 있을 전망이다.

해당 연구는 '각도 무관·장거리 근적외선 통신이 가능한 피부 부착형 MHz급 유기 광검출기 개발(Skin-Conformal MHz-Speed Organic Photodetectors for Angle-Free and Long-Range Near-Infrared Communication)'이라는 제목으로 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 12월 게재됐다.

광센서(Photo Sensor)는 빛의 유무와 변화 및 강도를 감지해 특정 물체의 존재나 크기 혹은 상태 등을 파악하는 데 활용된다.

스마트폰에서 주변 환경에 맞게 화면의 밝기를 자동으로 조정하거나, 심박수나 혈중 산소포화도 등을 감지하고 측정하는 스마트워치, 화재 감지나 침입 경보 같은 안전 및 보안 시스템과 자율주행 기술 등에도 광센서는 널리 활용되고 있다.

광센서는 자외선, 가시광선, 적외선 중 어떤 특정 영역의 빛을 감지하고, 어떤 원리나 구조를 활용하는지에 따라 활용 방식이 다양하다.

그 중 '근적외선 유기 광검출기(NIR-OPD)'란 우리 눈에 보이지 않는 근적외선(NIR) 영역의 빛을 전기 신호로 변환할 수 있는 유기 반도체 기반 센서다.

이 기술을 활용하면 미세한 빛을 노이즈 없이 감지할 수 있어 생체 신호나 특정 가스의 농도 등의 정보를 센싱할 수 있다. 이에 최근 웨어러블 헬스케어, 피부 부착형 기기, 무선 광통신, 휴먼-머신 인터페이스 등 다양한 분야에서 핵심 요소로 주목받고 있다.

가볍고 유연한 유기 반도체 소재의 특성 덕분에 실제 피부나 의류에 밀착이 가능하고, 유기 소자의 분자 구조를 조절해 감도·속도·파장 특성을 자유롭게 설계해 최적화할 수 있다는 장점이 있다.

특히 최근에는 센서의 반응 속도를 더욱 빠르게 하기 위해 박막화, 소자 면적 축소, 계면층 엔지니어링 등 다양한 접근이 시도되고 있다.

웨어러블 기기의 수요가 증가하면서 실제 피부의 굴곡이나 인체의 움직임에도 안정적으로 동작하는 유연·초박막 구조에 대한 관심 또한 높아지고 있다.

그러나 기존에 활용되어온 센서 기술은 여전히 여러 한계를 가지고 있으며, 그 중 '속도-감도-유연성' 간 상충이 가장 주요한 문제로 남아 있다.

고속 응답을 위해 고결정성 유기막을 사용하면 기계적 유연성이 떨어져 변형 시 쉽게 성능이 저하되고, 반대로 유연성을 높이면 전하 이동도가 낮아져 감도와 속도가 모두 저하되기 때문이다.

공동 연구팀은 다학제적 협력을 통해 기존 센서의 속도와 감도 및 유연성의 한계를 해결하기 위해, 소자 내부 광활성층과 정공 운송층 사이에 카바졸 기반의 아인산(carbazole-based phosphonic acid, PACz) 박막을 만들어 전하 이동 경로를 정밀하게 제어하는 새로운 계면공학 전략에 주목했다.

특히 PACz 기반 계면층에 브롬(Bromine, Br)을 도입함으로써 광활성층 내부의 상 분포를 보다 안정적으로 유지하고, 전하 전달 효율을 향상시키는 방식으로 유기 소자의 고속 응답성과 유연성을 동시에 확보할 수 있는 기술적 돌파구를 제시했다.

연구팀은 이를 바탕으로 두께 3μm 수준의 초박막 구조에서도 1MHz 이상의 근적외선 응답 속도와 높은 검출도, 0-90° 전 입사각에서의 성능 유지를 모두 만족하는 유기 광감지 소자 개발에 성공했다.

박성준 아주대 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)는 "초박막화와 계면 설계를 동시에 고려한 이번 접근법은 실제 인체 환경에서의 신뢰성을 한 단계 끌어올린 사례"라며 "웨어러블 기반 광통신과 차세대 헬스케어 기술의 실질적 적용 가능성을 크게 높였고, 앞으로 휴먼-머신 인터페이스를 포함한 다양한 인체 친화형 광전자 시스템으로 확장되는 핵심적 기술이 될 것"이라고 말했다.

[e-mail] 장충식 기자