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왼쪽부터 김혁 교수, 이용주 박사과정생. |
이번 연구 결과는 4월 22일, 세계적 권위의 학술지인 와일리(WILEY) 출판사의 Advanced Energy Materials(Impact Factor: 27.8)에 “Functionalized Interlayers in Self-Powered Organic Photodiodes for Enhanced Near-Infrared Sensing”라는 제목으로 게재되었으며, 저널 표지 논문(Front Cover)에 선정됐다.
근적외선 광센서는 체온, 혈류, 근육 수축 등 인체 내부 정보를 효과적으로 감지할 수 있어 헬스케어, 바이오센서, 환경 모니터링, 웨어러블 전자기기 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 주목받고 있다. 또한 자율주행 시스템에서도 저조도 또는 야간 환경에서의 물체 인식 및 라이다(LiDAR) 보조 센서로서의 활용 가능성이 높아, 실생활 속 다양한 산업 분야로 응용이 빠르게 확산되고 있다.
이번 연구의 핵심은 Polypyrrole(PPY)과 Polystyrene Sulfonic Acid(PSS)를 기반으로 새로운 전도성 고분자 PPY:PSS의 개발이다. 기존 정공수송층으로 널리 활용되던 PEDOT:PSS 전도성 고분자는 강한 산성과 높은 흡습성으로 인해 소자의 장기 신뢰성과 수명에 한계를 보이고 있으며, 고가의 전구체와 복잡한 제조 공정은 상용화에도 제약이 있었다.
김혁 교수 연구팀은 합성 공정 및 조성비 최적화를 통해, 산성도는 줄이고(pH 1.6 → pH 2.1), 광 투과율을 향상시키며(90.29% → 93.06%), 흡습성 또한 현저히 감소시킨 PPY:PSS를 개발해 광센서 소자에 적합한 물성 특성을 확보했다.
이를 기반으로 제작된 PTB7-Th:PCBM 기반 자가발전형 근적외선 광센서는 기존 대비 약 30% 향상된 전기적 특성과 약 104% 증가한 장기 안정성이 확인되었으며, 새롭게 설계한 근적외선 필터를 적용해 다양한 파장대(≥650 nm, ≥700 nm, ≥750 nm)의 근적외선 영역을 구현하였으며, 실제 근적외선 조건에서도 센서의 감도, 검출도, 장기 안정성이 모두 우수함을 실험적으로 입증했다.
경제성 측면에서도 이번 기술은 큰 도약을 이뤘다. 기존 PEDOT:PSS가 100mL당 $288의 고가 제품이었던 반면, 새롭게 합성한 PPY:PSS는 $3 / 100mL로 제조가 가능해 약 100배 이상의 비용 절감 효과를 입증했다.
김혁 교수는 “이번 연구에서 개발한 정공수송층 기반 근적외선 광센서는 외부 전원 없이도 안정적인 작동이 가능하며, 고온·고습 환경에서도 우수한 내구성을 입증했다”며 “특히 상용화에 적합한 공정 조건과 소재 경제성을 동시에 확보한 점에서, 향후 웨어러블 헬스케어 및 자율주행 센서 시장에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 서울시립대 박사과정 이용주 연구원이 제1저자로 참여했으며, 산업통상자원부 및 과학기술정보통신부의 지원을 받은 한국산업기술기획평가원(KEIT) 첨단전략산업초격차기술개발(반도체) 사업, 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업 및 창의·도전 연구 기반 지원사업의 지원과 서울시립대학교 반도체연구센터, 서울 스마트센서 연구센터(CS4), 반도체첨단패키징센터의 첨단 연구 인프라를 바탕으로 수행됐다.
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