[매일일보 최재원 기자] 중앙대 융합공학부 왕동환 교수 연구팀이 고성능 이미지 센서 기술을 선도할 것으로 기대되는 ‘차세대 이미지 센서용 유연 포토디텍터’ 구현에 성공했다.
중앙대학교(총장 박상규)는 융합공학부 왕동환 교수와 대학원 융합공학과 장웅식 학생(제1저자)이 디스플레이와 반도체 응용소자 분야에서 각광받고 있는 탄소나노튜브를 활용해 투과도·전도도와 기계적 강도가 우수한 투명 전극을 형성함으로써 이 같은 연구 성과를 거뒀다고 16일 밝혔다.
이번 연구 성과는 부산대 전일 교수팀과 공동 발표한 논문 ‘탄소나노튜브 투명전극 기반 유연 포토디텍터의 암전류 차단 효과(Strong Dark Current Suppression in Flexible Organic Photodetectors by Carbon Nanotube Transparent Electrodes)’를 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 나노기술 분야 권위 학술지인 ‘Nano Today’의 2021년 4월호에 게재될 예정이며, 6월 최신호의 표지 논문(Front Cover)으로도 선정됐다.
탄소나노튜브는 전도도와 기계적 강도가 우수하며 가시성이 뛰어나 기존 투명전극 소재인 ITO(Indium tin oxide)를 대체할 수 있는 유력한 후보다. 이에 반도체 응용소자 분야에서 탄소나노튜브를 활용하려는 시도가 있었지만, 탄소나노튜브에 의해 추가되는 합성·공정 단계를 뛰어넘는 성능 향상을 보이지 못했다.
연구팀은 탄소나노튜브를 원하는 기판에 형성 가능한 신규 공정을 도입했다. 동시에 유연 소자에 적합한 구조 디자인을 통해 역방향 바이어스에 의한 주입 전류를 차단했다. 그 결과 –1 V 전압 인가 시, 2.07×1014 Jones의 성능을 가진 유연 포토디텍터를 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 탄소나노튜브 전극이 낮은 일함수를 기반으로 큰 주입장벽을 형성한 것을 광학·전기학 기반 복합 분석을 통해 확인했다. 탄소나노튜브 전극은 기존 ITO 전극보다 105 배 향상된 암전류 억제 효과를 이끌었다. 기존 대체 전극 연구와 차별화된 우수한 성능은 물론 반복 굽힘 테스트에서도 성능이 유지되는 등 우수한 기계적 강도도 검증됐다. 유연 구조의 포토디텍터 구현으로 다각도의 빛 감지가 가능해져 기존 구조의 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상된다.
연구팀은 “이번 연구는 기존 투명전극 대체연구와 달리 암전류 억제와 기계적 강도 향상을 동시에 이끈 탄소나노튜브 주입 장벽 효과를 분석을 통해 증명함으로써 이미지 센서의 눈이 되는 포토디텍터 발전과 더불어 웨어러블 센서 개발의 계기가 됐다”며, “앞으로 신규 유기계 전극 소재 및 전도성 고분자 소재를 기반으로 고성능 이미지 센서 기술 선도 연구를 계속 진행할 계획”이라고 말했다.