아주대 박성준 교수팀, 속도·감도·유연성 모두 잡은 차세대 광센서 개발

아주대학교는 박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수팀이 서울시립대와의 공동 연구를 통해 초박막·초유연 근적외선 광센서를 개발했다고 5일 밝혔다. 이 센서는 두께 3마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만분의 1m)로, 기존 광센서를 뛰어넘는 속도와 감도를 갖췄다. 손가락에 부착할 정도로 유연해 피부 부착형 센서와 웨어러블(착용형) 기반의 광통신, 나아가 군사·보안 영역에 널리 활용될 전망이다.

광센서는 빛의 유무와 변화, 강도를 감지해 특정 물체의 존재나 크기, 상태 등을 파악하는 데 활용한다. 스마트폰에서 주변 환경에 맞게 화면의 밝기를 자동 조정하거나 심박수, 혈중 산소포화도 등을 감지하고 측정하는 스마트워치, 화재 감지나 침입 경보 같은 안전·보안 시스템과 자율주행 기술 등에도 활용된다.

광센서는 자외선, 가시광선, 적외선 중 어떤 영역의 빛을 감지하고, 어떤 원리나 구조를 활용하는지에 따라 활용 방식이 다양하다. 그 중 '근적외선 유기 광검출기(NIR-OPD)'는 우리 눈에 보이지 않는 근적외선(NIR) 영역의 빛을 전기 신호로 변환하는 유기 반도체 기반 센서다.

이 기술을 활용하면 미세한 빛을 노이즈(잡음) 없이 감지할 수 있어 생체 신호나 특정 가스 농도 등을 측정할 수 있다. 이에 ▲웨어러블 헬스케어 ▲피부 부착형 기기 ▲무선 광통신 ▲휴먼–머신 인터페이스 등 다양한 분야에서 핵심 요소로 주목받고 있다. 가볍고 유연한 유기 반도체 소재의 특성으로 피부나 의류에 밀착할 수 있고, 유기 소자의 분자 구조를 조절해 감도·속도·파장 특성을 자유롭게 설계해 최적화할 수 있다는 장점이 있다.

최근에는 센서의 반응 속도를 더욱 빠르게 하려고 박막화, 소자 면적 축소, 계면층 엔지니어링 등 다양한 접근이 시도되고 있다. 웨어러블 기기의 수요가 증가하면서 피부의 굴곡이나 인체의 움직임에도 안정적으로 동작하는 유연·초박막 구조에 대해 관심이 높다.

그러나 기존 센서 기술은 여러 한계가 있으며 그 중 '속도–감도–유연성' 간 상충이 가장 중요한 문제로 남아 있다. 고속 응답을 위해 고결정성 유기막을 사용하면 기계적 유연성이 떨어져 변형 시 쉽게 성능이 떨어진다. 반대로 유연성을 높이면 전하 이동도가 낮아져 감도와 속도가 모두 저하된다.

또한 광활성층의 불균일한 상 분리와 계면 트랩은 전하 재결합과 노이즈를 증가시켜 고감도 센서의 구현을 어렵게 했다. 단단한 기판 기반의 기존 유기 광검출기(OPD)는 사람의 손가락 주름과 같은 수 ㎛ 수준의 미세 곡면에서 안정적 성능을 유지하기 힘들었다. 빛이 비스듬하게 들어올 경우 감도가 급격히 감소하는 각도 의존성 문제도 센서를 피부 부착형 광통신이나 움직임이 많은 환경에서 웨어러블 센서로 확장하는 데 걸림돌로 남아 있었다.

공동 연구팀은 이런 한계를 해결하기 위해 소자 내부 광활성층과 정공 운송층 사이에 카바졸 기반의 아인산(carbazole-based phosphonic acid, PACz) 박막을 만들어 전하 이동 경로를 정밀 제어하는 새로운 계면공학 전략에 주목했다. 특히 PACz 기반 계면층에 브롬(Br)을 도입함으로써 광활성층 내부의 상 분포를 안정적으로 유지하고, 전하 전달 효율을 향상하는 방식으로 유기 소자의 고속 응답성과 유연성을 동시에 확보하는 기술적 돌파구를 제시했다.

연구팀은 이를 통해 두께 3㎛ 수준의 초박막 구조에서도 1㎒ 이상의 근적외선 응답 속도와 높은 검출도, 0~90° 전 입사각에서의 성능 유지를 모두 만족하는 유기 광감지 소자 개발에 성공했다. 또한 고속·고감도 특성을 피부 부착 환경에서도 유지하도록 설계해 사람 피부 위에서 100m 이상 떨어진 곳에서 나오는 영상의 오디오 신호를 안정적으로 수신할 수 있는 센서 시스템을 구현했다.

김혁 서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 교수는 "이번 연구는 유기 광검출기에서 오랫동안 제기돼 온 응답 속도, 형태 안정성, 입사각 의존성의 한계를 계면공학적 접근을 통해 동시에 해결한 것"이라며 "피부 부착형 센서와 장거리 무선 광통신 등 다양한 웨어러블 응용으로 확장될 잠재력이 크다"고 말했다.

연구 전반을 총괄한 박성준 아주대 교수는 "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 높였다. 앞으로 휴먼–머신 인터페이스를 포함한 다양한 인체 친화형 광전자 시스템으로 확장되는 핵심적 기술이 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구 논문 '각도 무관·장거리 근적외선 통신이 가능한 피부 부착형 ㎒급 유기 광검출기 개발'은 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난해 12월 15일 게재됐다. 아주대 김재현 석박사 통합과정생, 서울시립대 최효정 박사과정생, 일본 오사카대 전기전자정보통신공학부 후쿠다 겐지로 교수가 공동 제1저자, 아주대 정보통신전자연구소 최준규 박사·정재빈 석박사 통합과정생과 계면물질 합성을 담당한 중앙대 화학과 홍종인 교수가 공동저자, 일본 도쿄대 전기공학정보시스템학부 소메야 타카오 교수, 서울시립대 김혁 교수, 아주대 박성준 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 나노·소재 기술 개발 프로그램, 개인기초연구 과제, 신진연구자 인프라구축사업, 대학ICT연구센터사업, 중견연구자지원 사업, 글로벌기초연구실지원사업, 한국연구재단(NRF)의 시스템반도체 융합전문인력 육성사업과 산업통상부의 바이오 융복합기술 전문인력양성사업, 시장선도를 위한 한국 주도형 K-센서 기술개발 사업, 첨단전략산업초격차기술개발 사업, 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원 사업 및 서울시립대 반도체연구센터의 연구 인프라 지원을 받아 수행됐다.