포토다이오드는 빛의 에너지를 전기에너지로 변환하는 광센서이다. 유기 포토다이오드는 응답속도가 빠르고, 색 대응 파장대의 조절이 가능해 컬러필터 없이 색을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 지금까지 보고된 색 조절 기술들은 대부분 포토다이오드를 두껍게 만들어 광 왜곡을 일으키기 때문에 작고 얇은 화면을 선호하는 요즘 기술 추세에는 맞지 않는다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀은 이런 수요에 맞춰 정확하고 간편한 접합 기술로 박막형 유기 포토다이오드를 구현해냈다. POSTECH 화학공학과 정대성 교수, 강민균 박사 연구팀에서 화학적 도핑을 통한 유기 포토다이오드(이하 OPD)의 정확하고 간편한 접합 공학 기술을 선보였다. 영국왕립화학회(Royal Society of chemistry, RSC)가 발행하는 재료 분야 국제 학술지 '머티리얼스 호라이즌스(Materials Horizons)'에 최근 게재됐다 포토다이오드는 반도체의 PN 접합부에 광 검출 기능을 추가한 것으로 빛이 다이오드에 닿으면 전자와 양(陽)의 전하 정공이 생겨 전류가 흐르고, 전압은 빛이 세질수록 커진다. 연구팀은 활성층의 전체 두께가 아닌 공핍 영역* 너비(폭)만 제어하여 색 선택성을 가지는 박막형 OPD를 구현했다. 전자 당김 특성이 강한 유기 소재를 반도체에 도핑시킴으로써 광 전하가 분리될 수 있는 영역을 정교하게 변경할 수 있도록 했다. 유기 포토다이오드는 얇고, 색 대응 파장대의 조절이 가능해 실리콘 포토다이오드를 대체하고 있다. 하지만, 유기 포토다이오드의 두께를 얇게 유지하면서도 색 대응 파장대를 동시에 조절 가능하다는 것을 확인한 사례는 이제껏 없었다. 이 연구는 포토다이오드의 색 대응 파장대를 자유자재로 조절할 수 있음을 확인한 최초의 사례로, 박막형 컬러필터 프리 광센서를 구현했다는 점에서 의미가 크다. 연구를 주도한 정대성 교수는 “화학적 도핑을 이용해 특정 파장에만 반응하는 포토다이오드를 개발함으로써 불필요한 파장에 의한 신호생성을 원천적으로 막는 광센서를 구현했다”며 “기존의 좁은 대역에서의 빛 감지 전략과 달리 자유롭게 빛의 파장대를 조절할 수 있는 것”이 차별점이라고 설명했다. 한편, 정대성 교수팀의 이번 연구는 2018년 7월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 지원을 받고 있다.
시대의 흐름에 맞춰 POSTECH 연구팀이 제조한 광센서는?
박막형 유기 포토다이오드