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고려대 전기전자공학부 심재원 교수 연구팀, 초미세 가시광 및 적외선 신호를 선택적 검출하는 광센서 핵심 기술 개발
관리자 2026.06.26 Views 155
▲ (좌) 고려대학교 전기전자공학부 심재원 교수 (교신저자), (우) 오승현 석사과정 (제1저자)
△ VLPS 소자 개략도와 광검출 성능 지표 및 실리콘 웨이퍼 정렬 시연 결과
고려대학교 전기전자공학부 심재원 교수 연구팀이 동대학 신소재공학부 오승주 교수, 그리고 한국과학기술연구원 박민철 박사와 공동 연구를 통해 초미세 가시광 및 단파적외선 신호를 선택적으로 감지할 수 있는 ‘유기/양자점 단일형 광검출기’를 개발했다고 밝혔다.
이번 성과는 실내 스마트 광센서 구현을 위한 핵심 기술로, 다학제 분야 세계적 권위지인 Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-026-74407-z)에 게재되며 국제적 학문적 가치를 인정받았다.
최근 자율주행, 비침습적 의료 진단, 광통신 및 차세대 반도체 공정 등 다양한 첨단 분야에서 여러 파장대의 빛을 개별로 동시에 감지할 수 있는 이중 스펙트럼 광검출기의 수요가 급증하고 있다. 하지만 기존의 이중 스펙트럼 광검출기들은 두 빛의 신호 간섭(Spectral Crosstalk)을 막기 위해 복잡한 전하 수송 중간층을 필수적으로 삽입해야 했고, 이는 소자 구조를 복잡하게 만들고 미세 신호 감지를 방해하는 계면 노이즈를 유발하는 근본적인 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 난제를 극복하기 위해 유기물과 양자점(Quantum dot) 반도체를 결합한 하이브리드 구조를 채택하고, 유기물 층 내에서 ‘수직 및 수평 위상 분리(VLPS, Vertical and Lateral Phase Separation; VLPS)’ 형태를 유도하는 독창적인 구조 제어 기술을 도입했다. 이를 통해 복잡한 중간층 없이도 광검출층 자체가 광학적·전기적 신호를 선별하는 '자가 필터링(Self-filtering)' 기능을 갖추게 하였으며, 인가하는 전압의 방향 전환만으로 가시광선과 적외선 신호를 효과적으로 분리해 추출하는 데 성공했다.
또한, 이번 연구는 유기 광검출기 분야에서 상대적으로 주목받지 못했던 ‘위상 분리(Phase separation)'를 이중기능 소자의 핵심 기술로 끌어올렸다는 점에서 깊은 학술적 의의를 지닌다. 단순한 공정 최적화를 넘어, 소재의 형태 자체를 '기능적 설계 도구'로 활용해 기존 중간층의 역할을 완벽히 대체한 것이다. 특히 이 특수한 형태학적 효과는 가시광선 대역의 선형 동적 영역(Linear Dynamic Range; LDR)을 기존 대비 100배(두 자릿수) 더 낮은 광원 밀도 쪽으로 이동시켜 초미세 광 감지를 가능케 했다. 이는 기존의 중간층 기반 설계로는 얻을 수 없는 고유한 성과다. 나아가, 통상적인 유기 광소자(약 200 nm)보다 훨씬 두꺼운 활성층을 적용함으로써 두꺼운 ‘벌크 이종접합(Bulk Heterojunction; BHJ) 소자'의 구조-특성 상관관계에 대한 중요한 학술적 통찰을 제시했다.
이번 연구의 주요 성과 중 하나는 이 기술이 반도체 3차원 적층 및 패키징 공정에서 중추적인 역할을 하는 ‘실리콘 웨이퍼 정렬’에 응용될 수 있음을 입증한 점이다. 여러 장의 웨이퍼를 수직으로 쌓기 위해서는 미세한 정렬 패턴을 오차 없이 맞춰야 한다. 연구팀은 개발된 단일 소자를 통해 겹쳐진 실리콘 웨이퍼 앞면(가시광선 반사)과 뒷면(적외선 투과)의 패턴을 복잡한 광학 장비 교체 없이 전압 전환만으로 식별해 냈으며, 극히 미세한 오차 범위 내에서 성공적으로 물리적 정렬을 구현해 냈다.
본 연구는 산업통상부(MOTIR), 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 한국과학기술연구원(KIST) 기관고유사업의 지원으로 수행되었다.
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