입력 2026.01.06 14:07
– 초박막·초유연 근적외선 센서로 MHz급 장거리 무선 광통신 구현
– Nature Communications 게재, 초박막 유기 광검출기 기술적 진전
서울시립대학교(총장 원용걸)는 김혁 교수(전자전기컴퓨터공학부·지능형반도체공학과) 연구팀이 3μm 초박막·초유연 근적외선 광센서를 개발해, 기존 유기 광검출기의 한계를 뛰어넘는 다각도·장거리 무선 광통신 구현 전략을 제시했다고 밝혔다.
피부에 붙이는 얇은 필름 하나로 보이지 않는 빛의 신호를 100m 밖에서도 끊김 없이 수신할 수 있는 이번 기술은, 손가락 주름처럼 미세하게 굴곡진 피부 위에서도 빛이 어떤 각도로 들어오든 흔들림 없이 신호를 포착할 수 있어 차세대 웨어러블 통신과 헬스케어 기술의 새로운 가능성을 열었다.
이번에 개발된 광센서는 최대 1MHz 속도의 데이터를 다양한 입사각에서 안정적으로 수신하고, 100m 거리에서도 오디오 신호가 변조된 광신호를 감지할 수 있는 고속·고감도 기술을 구현했다. 특히 손가락 주름 수준의 미세 곡면에도 피부처럼 밀착되며, 각도에 따른 성능 저하 없이 신호를 검출할 수 있어 차세대 웨어러블 헬스케어와 피부 부착형 광통신 기술의 핵심 플랫폼으로 주목받고 있다.
이번 연구성과는 ‘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, 세계적인 학술지 네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)에 2025년 12월 15일 게재됐다. 해당 저널은 임팩트 팩터(Impact Factor) 15.7의 다학제 과학(Multidisciplinary science) 분야 10위(JCR 상위 7.0 %)에 해당하는 저명 학술지다.
이번 연구에는 서울시립대학교 박사과정생 최효정 학생과 아주대학교 석·박사 통합과정생 김재현 학생, 오사카대학교(Osaka University)의 Kenjiro Fukuda 교수가 공동 제1저자로 참여했다. 중앙대학교 홍종인 교수는 PACz 계면물질 합성을, 동경대학교 Takao Someya 교수는 초박막화 및 피부 밀착형 구조 설계를 담당했다. 아주대학교 최준규 박사와 정재빈 연구원도 공동저자로 참여했으며, 박성준 아주대학교 교수와 김혁 서울시립대학교 교수가 공동 교신저자로서 연구를 이끌었다.
근적외선 유기 광검출기(NIR-OPD)는 보이지 않는 근적외선 신호를 전기 신호로 변환하는 기술로, 웨어러블 헬스케어, 피부 부착형 기기, 무선 광통신, 휴먼–머신 인터페이스 등 다양한 분야에서 핵심 요소로 주목받고 있다. 유기 반도체는 가볍고 유연해 인체 친화적이며, 유기 소자의 분자 구조를 조절해 감도·속도·파장 특성을 자유롭게 설계할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 기존 유기 광검출기는 고속 응답, 고감도, 기계적 유연성을 동시에 만족시키기 어려운 한계를 지니고 있었다. 고속 응답을 위해 고결정성 유기막을 사용하면 기계적 유연성이 떨어지고, 반대로 유연성을 높이면 전하 이동도가 낮아져 감도와 속도가 감소하는 ‘속도–감도–유연성’ 간 상충 문제가 존재했다. 또한 광활성층의 불균일한 상 분리와 계면 트랩은 전하 재결합과 노이즈를 증가시켜 고감도 구현을 어렵게 했으며, 기존의 단단한 기판 기반의 OPD는 손가락 주름(수 μm) 수준의 미세 곡면에서는 안정적 성능을 유지하기 어려웠다. 빛이 비스듬하게 들어올 경우 감도가 급격히 감소하는 각도 의존성 문제 역시 실제 피부 부착형 응용의 큰 걸림돌로 작용해 왔다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해, 소자 내부 광활성층과 정공 운송층 사이에 카바졸 기반의 아인산(carbazole-based phosphonic acid, 이하 PACz)의 박막 형성을 통해 전하 이동 경로를 정밀하게 제어하는 새로운 계면공학 전략에 주목했다. 특히 PACz 기반 계면층에 브롬(Bromine, Br)을 도입해 광활성층 내부의 상 분포를 보다 안정적으로 유지하고, 전하 전달 효율을 향상시키는 방식으로 유기 소자의 고속 응답성과 유연성을 동시에 확보할 수 있는 기술적 돌파구를 제시했다.
그 결과, 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. 더 나아가 실제 사람 피부에 부착한 환경에서도 장거리 무선 광통신 신호를 안정적으로 수신할 수 있는 시스템 구현에도 성공했다.
박성준 아주대학교 교수는 “이번 연구는 초박막 유기 광검출기에서 기존 기술이 직면해 온 속도·감도·기계적 유연성 간 상충 문제를 효과적으로 극복한 성과”라며, “웨어러블 기반 광통신과 차세대 헬스케어 기술의 실질적 적용 가능성을 크게 넓혔다”고 말했다.
김혁 서울시립대학교 교수는 “계면공학적 접근을 통해 초박막·초유연 구조에서도 MHz급 고속 성능과 각도 무관 특성을 동시에 구현한 점에서 학문적·기술적으로 중요한 진전”이라며 “피부 부착형 센서와 장거리 무선 광통신 등 다양한 웨어러블 응용으로 확장될 잠재력이 크다”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF), 산업통상자원부 등 정부 부처의 다양한 연구 지원 사업과 서울시립대학교 반도체연구센터의 지원을 받아 수행됐다.
CP