입력 2025.05.14 10:58
- 기존 소재 대비 100배 이상 경제적인 광센서 개발
- 세계적 학술지 Advanced Energy Materials 표지 논문으로 선정
서울시립대학교(총장 원용걸) 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수 연구팀이 새롭게 합성한 정공수송층을 기반으로, 근적외선 영역에서도 뛰어난 전기적 성능과 장기 안정성을 갖춘 자가구동형 광센서를 개발하는 데 성공했다.
이번 연구는 기존 대비 100배 이상 제조 원가를 절감하며, 실용성과 경제성을 동시에 확보한 성과로 주목받고 있다.
해당 연구 결과는 2025년 4월 22일, 세계적 권위의 학술지인 와일리(WILEY) 출판사의 Advanced Energy Materials(Impact Factor: 27.8)에 “Functionalized Interlayers in Self-Powered Organic Photodiodes for Enhanced Near-Infrared Sensing”라는 제목으로 게재되었으며, 저널 표지 논문(Front Cover)에 선정됐다.
근적외선 광센서는 체온, 혈류, 근육 수축 등 인체 내부 정보를 효과적으로 감지할 수 있어 헬스케어, 바이오센서, 환경 모니터링, 웨어러블 전자기기 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 주목받고 있다. 또한 자율주행 시스템에서도 저조도 또는 야간 환경에서의 물체 인식 및 라이다(LiDAR) 보조 센서로서의 활용 가능성이 높아, 실생활 속 다양한 산업 분야로 응용이 빠르게 확산되고 있다.
이번 연구의 핵심은 Polypyrrole(PPY)과 Polystyrene Sulfonic Acid(PSS)를 기반으로 새로운 전도성 고분자 PPY:PSS의 개발이다. 기존 정공수송층으로 널리 활용되던 PEDOT:PSS 전도성 고분자는 강한 산성과 높은 흡습성으로 인해 소자의 장기 신뢰성과 수명에 한계를 보이고 있으며, 고가의 전구체와 복잡한 제조 공정은 상용화에도 제약이 있었다.
김혁 교수 연구팀은 합성 공정 및 조성비 최적화를 통해, 산성도는 줄이고(pH 1.6 → pH 2.1), 광 투과율을 향상시키며(90.29% → 93.06%), 흡습성 또한 현저히 감소시킨 PPY:PSS를 개발해 광센서 소자에 적합한 물성 특성을 확보했다.
이를 기반으로 제작된 PTB7-Th:PCBM 기반 자가발전형 근적외선 광센서는 기존 대비 약 30% 향상된 전기적 특성과 약 104% 증가한 장기 안정성이 확인되었으며, 새롭게 설계한 근적외선 필터를 적용해 다양한 파장대(≥650 nm, ≥700 nm, ≥750 nm)의 근적외선 영역을 구현하였으며, 실제 근적외선 조건에서도 센서의 감도, 검출도, 장기 안정성이 모두 우수함을 실험적으로 입증하였다.
경제성 측면에서도 이번 기술은 큰 도약을 이뤘다. 기존 PEDOT:PSS가 100mL당 $288의 고가 제품이었던 반면, 새롭게 합성한 PPY:PSS는 $3 / 100mL로 제조가 가능해 약 100배 이상의 비용 절감 효과를 입증했다.
김혁 교수는 “이번 연구에서 개발한 정공수송층 기반 근적외선 광센서는 외부 전원 없이도 안정적인 작동이 가능하며, 고온∙고습 환경에서도 우수한 내구성을 입증했다”며 “특히 상용화에 적합한 공정 조건과 소재 경제성을 동시에 확보한 점에서, 향후 웨어러블 헬스케어 및 자율주행 센서 시장에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 서울시립대학교 박사과정 이용주 연구원이 제1저자로 참여했으며, 산업통상자원부 및 과학기술정보통신부의 지원을 받은 한국산업기술기획평가원(KEIT) 첨단전략산업초격차기술개발(반도체) 사업, 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업 및 창의·도전 연구 기반 지원사업의 지원과 서울시립대학교 반도체연구센터, 서울 스마트센서 연구센터(CS4), 반도체첨단패키징센터의 첨단 연구 인프라를 바탕으로 수행됐다.