칼리토토학교 유기나노공학과 정인환 교수와 POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 정대성 교수팀은 공동 연구를 통해 자외선(UV) 영역을 정밀하게 감지하면서도 빠른 응답성과 낮은 잡음을 갖춘 고성능 유기 광검출기(UV-OPD)를 개발했다고, 15일 밝혔다.

이 소자는 자외선 선택성, 고속 응답, 낮은 암전류, 높은 가시광 투과도를 동시에 갖춘 것이 특징이다. 연구팀은 제작한 광검출기를 증착 공정을 통해 기존 실리콘 기반 complementary-metal-oxide-semiconductor (이하 CMOS) 광검출기에 수직으로 집적함으로써 새로운 이미지 센서 플랫폼을 구축했다. 이는 광 검출 파장대를 사용자가 능동적으로 조절할 수 있어, 다기능·고성능 이미지 센서를 비롯한 차세대 광전자 소자에 폭넓게 활용될 핵심 원천기술로 주목받고 있다.

자외선 감지 기술은 헬스케어, 환경 모니터링, 국방·보안, 정밀 영상 시스템 등 다양한 분야에 활용된다. 특히 자외선만을 정밀하게 검출하려면 넓은 에너지 밴드갭과 동시에 우수한 전하 이동 특성을 갖춘 유기 반도체 소재가 필요하다. 하지만 일반적으로 공액 구조가 길어질수록 밴드갭이 줄고 흡수 파장이 장파장으로 이동하는 경향이 있어, 자외선 감지 특성과 상충되는 문제가 발생한다. 이에 따라 짧은 파장에 선택적으로 반응하면서도 전기적 특성이 우수한 분자 구조를 구현하는 것이 유기 자외선 센서 분야의 핵심 과제로 제기돼 왔다.

또한 이러한 고유의 분자적 한계를 극복하는 동시에, 실제 소자 제작 측면에서도 새로운 접근이 요구됐다. 기존 유기 광검출기 연구는 주로 용액 공정을 기반으로 진행돼 왔는데, 이는 간편하고 저비용이라는 장점이 있으나 박막 두께 조절이나 계면 정합성 확보에 어려움이 있었다. 반면, OLED 산업에서 널리 활용되는 진공 증착 공정은 인체에 유해한 용매를 사용하지 않으면서도 정밀한 박막 형성, 우수한 계면 특성, 공정 호환성 등에서 강점을 지닌다. 그러나 자외선 선택성을 갖춘 유기 광검출기를 진공 증착 공정으로 구현한 사례는 극히 드물어, 이번 연구는 이 두 축 모두에서 기술적 도전을 해결했다는 점에서 주목된다.

연구팀은 티아졸로티아졸(thiazolothiazole, Tz)이라는 이종 고리 구조체를 바탕으로, 전자 주개(donor) 역할을 하는 세 종류의 소분자(TzB, TzNα, TzNβ)를 설계했다. 각 분자는 공액 치환기의 구조와 위치를 달리해, 분자 결정성과 정렬 특성에 차이를 유도하도록 고안됐다. 이 가운데 β-나프탈렌 고리를 도입한 TzNβ는 우수한 분자 평면성과 확장된 공액 구조를 갖추고 있어, 벌크 이종 접합 박막 내에서 강한 분자 간 상호작용(π-π stacking)과 이상적인 정렬을 유도했다. 이로 인해 자외선 흡수 능력과 전하 이동 특성이 동시에 향상되며, 소자 성능 개선에 핵심적인 역할을 했다.

연구팀은 결과적으로 우수한 가시광 투과도를 보이는 상부 입광 구조의 유기 광검출기를 제작했고, 이를 CMOS 이미지 센서 위에 증착 공정으로 성공적으로 집적했다. 자외선 선택성이 우수한 유기 광검출기와 가시광 검출에 적합한 실리콘 이미지 센서를 단일 플랫폼으로 통합함으로써, 파장 분리 감지, 공정 단순화, 비용 절감, 공간 효율 향상 등 다양한 기술적 장점을 확보했다.

이번 연구는 분자 구조와 소자 성능 간의 정량적 상관관계를 분자 수준에서 밝혔다는 점에서 학술적 의미가 크다. 나아가 실용화가 가능한 다기능 이미지 센서 기술로서의 가능성까지 제시해, 유기 광전자 소자의 응용 범위를 한층 넓혔다.

연구는 과학기술정보통신부의 재원(파장 정합성 유기 수/발광다이오드 및 수직트랜지스터 통합소자를 활용한 고성능 유연 광통신 시스템 개발)과 산업통상자원부의 재원(센서 일체형 OLED 디스플레이 구현을 위한 증착형 고내열 근적외선 유기 발광/흡광 소재 및 소자 개발)으로 지원을 받아 수행됐다.

해당 논문 “Rational Molecular Design of π-Extended Thiazolothiazole for High-Performance UV-OPDs Seamlessly Integrated with CMOS”는 세계적 권위의 재료과학 학술지 (JCR 상위 2.2%) 『Advanced Materials』 2025년 7월 온라인에 게재됐으며, 연구에는 한양대 박재희 박사과정생과 포항공대 표원준 박사과정생이 공동 제1저자로, 정인환 교수(한양대)와 정대성 교수(포항공대)가 교신저자로 참여했다.