작은 분자를 더함으로써 유기 포토다이오드(organic photodiode, 이하 OPD)가 강한 빛에서도 물체를 감지하도록 한 기술을 국내 연구진에 개발했다.

OPD는 빛의 에너지를 전기에너지로 변환해, 색과 밝기를 감지하는 광센서다. 다만 태양과 같이 강한 빛을 받으면 물체를 쉽게 감지하지 못한다는 한계가 있었다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 정대성 교수·강민균 박사 연구팀은 분자 스위치를 합성, OPD의 성능을 높이는 데 성공했다.

빛의 세기가 강해질수록 많은 전기에너지를 만들어내는 무기 반도체와 달리, 전하 이동도가 낮은 유기 반도체는 빛의 세기가 강해져도 만들어지는 전기에너지의 양이 제한적이었다.

이 때문에 유기 반도체의 전하 이동도를 높여 더 강한 빛으로 많은 전기에너지를 만들어내고자 한 연구들이 진행된 바 있다. 그러나 그 과정에서 반도체의 성질이 바뀌며 OPD가 색을 표현하는 정확도가 떨어진다는 문제가 생겼다.

연구팀은 분자에 빛을 쬐거나 자극을 주면 다른 성질을 띠는 ‘분자 스위치(molecular switch)’에 주목했다. 분자 스위치를 합성해 포토다이오드의 유기 반도체층에 첨가한 결과, OPD가 우수한 광검출능(Detectivity)을 보이면서도 색을 정확하게 표현할 수 있었다. 특히 이 기술은 광활성층의 유기 반도체 종류와 상관없이 적용할 수 있다는 게 장점이다.

일반적인 분자 스위치는 초기 상태에서 자외선을 받으면 반도체로, 가시광선을 받으면 초기 상태로 돌아간다. 하지만 연구팀은 분자 스위치가 자외선과 가시광선이 모두 섞인 백색광의 세기에 따라 초기 상태와 반도체 상태의 분포가 변한다는 사실에 착안해, 입사광 세기에 따라 상태가 자율적으로 바뀌는 분자 스위치를 구현해냈다.

이미지 센서의 구성 소자인 OPD는 카메라뿐만 아니라 홍채‧지문 등 생체인식센서, 광통신 등 다방면에 활용될 수 있다. 특히, 강한 빛에서도 물체를 감지하게 함으로써, 태양빛에 자주 노출되는 자율주행자동차‧드론 센서의 성능을 높일 수 있다.

정대성 교수는 “빛의 세기에 따라 스스로 구동 기작을 바꾸는 포토다이오드의 구조를 제안했다”며 “구동 기작을 스스로 바꾸도록 유도하는 소재로 분자 스위치를 사용했다는 데 의의가 있다”고 말했다.

한편, 이 연구는 삼성전자 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 '강한 역광에서 이미지를 캡처하기 위한 분자 스위치 내장형 유기 포토다이오드(Molecular-Switch-Embedded Organic Photodiode for Capturing Images Against Strong Backlight-보기)'란 제목으로 지난달 1일 게재됐다.