[충청뉴스 이성현 기자] 충남대학교는 응용화학공학과 이재원 교수 연구팀이 대구경북과학기술원 연구팀과 유기 반도체 분자의 ‘프로퀴노이드(pro-quinoidal) 구조’ 설계를 통해 초저밴드갭을 구현하고 1.4μm 장파장 영역까지 감지할 수 있는 광대역 유기 광검출기를 개발했다고 4일 밝혔다.
이번 연구는 유기 반도체 기반 적외선 센서의 감지 파장 한계를 실질적으로 확대한 결과로 평가되며, 국제 저명 학술지 ‘Small’에 11월 25일 게재됐다.
이번 연구는 충남대 응용화학공학과 BK21 Plus 교육연구단 소속 Shabaz Alam 박사와 한국화학연구원 박세정 박사과정생이 공동 제1저자로 수행했다.
공동 연구팀은 일반적인 유기 광반도체가 충분히 감지하기 어려운 1300nm 이상의 단파적외선(SWIR) 영역까지 성능을 확장하기 위해, 전자가 분자 전체로 넓게 퍼질 수 있도록 하는 프로퀴노이드성 분자 골격을 설계했다.
이러한 구조는 분자의 전자 흐름을 더 넓게 확산시켜 밴드갭을 효과적으로 줄이는 동시에, 분자들이 층층이 정렬되는 구조적 안정성을 높여 장파장 영역에서의 흡수 능력과 전하 이동 특성을 강화하는 역할을 한다.
연구팀은 이 전략을 적용해 세 종류의 새로운 유기 반도체 소재를 합성했고, 실제로 0.84–0.92eV의 좁은 밴드갭을 구현하는 데 성공했다.
연구팀이 신규 소재로 제작한 유기 광검출기는 1300~1400nm 장파장 영역에서도 일정한 감지 성능을 유지하는 초광대역 특성을 보였다.
또한 6.4μs의 빠른 응답 속도와 27.8kHz의 대역폭을 나타내 고속 신호 처리에도 적합했으며, 단파적외선 기반의 간단한 광통신 실험에서도 우수한 동작을 보여 SWIR 광통신 응용 가능성 역시 실험적으로 확인됐다.
이번 연구는 프로퀴노이드 구조 설계가 밴드갭을 크게 낮추면서도 필름의 안정성과 전기적 성능을 유지할 수 있는 효과적인 방법임을 입증했으며, 유기 반도체 기반 센서가 그동안 접근하기 어려웠던 1.4μm 장파장 감지 영역까지 가능함을 보여준 의미 있는 성과다.
또 유기 광센서는 가볍고 유연하며 잉크처럼 용액으로 제조할 수 있다는 장점이 있어, 이번 성과는 향후 웨어러블 의료 센서, 자율주행용 LiDAR, 로봇 비전, 국방·우주 분야 적외선 탐지, SWIR 이미징 및 광통신 등 다양한 산업 분야로의 확장 가능성을 제시하고 있다.
