- KIST, 유기물기반 광전자 광검출기를 활용, 처음으로 단일 픽셀 이미징 성공

- 에너지 효율적이면서도 저조도에서 인간-컴퓨터 상호작용 구현 가능한 이미징 성능 가져 스마트 실내 환경 기술에 활용 기대

유기물 기반 광전자 기술은 기존 실리콘 기반 소자 대비 유연성, 경량성이 우수해 저전력 실내 전자 장치나, 무선 IoT 센서를 위한 에너지 효율적 전자 장치로 주목받는다. 매우 약한 빛에서도 에너지를 흡수해 전기를 생산할 수 있는 ‘유기 태양광전지’와 이미지를 획득할 수 있는 ‘유기 광 검출기’가 대표적이다. 하지만 지금까지는 이 두 장치에 대한 개발이 독립적으로 이루어져 차세대 소형 장치로써 실용화할 수 있을 만큼의 효율성을 달성하지 못했다.

한국과학기술연구원 광전소재연구단 박민철 박사 연구팀, 황도경 박사 연구팀, 고려대학교 전기전자공학부 심재원 교수팀, 이화여자대학교 화학나노과학과 박재홍 교수팀과 고려대학교 전기전자공학부 김태근 교수팀의 공동연구를 통해 OPV와 OPD의 기능을 통합해 에너지 효율성을 높이면서 조명이 거의 없는 실내 환경에서도 영상을 촬영할 수 있는 유기물 기반 광전자 장치를 구현했다고 밝혔다.

연구팀은 이 장치의 유기 반도체층을 다성분계 구조로 진화시킴으로써 실내 환경에서 32% 이상의 높은 광전 변환 효율을 가지면서도 130 dB 이상의 선형 동적 범위를 달성하였다. 조명이 거의 없는 환경에서 100 dB의 선형 동적 범위를 가지는 기존 실리콘 소자보다 명암비를 높여 더욱 선명한 화면을 보여줄 수 있다.

공동연구팀은 여기에 그치지 않고, 처음으로 단일 픽셀 이미지 센싱을 시연하는 데 성공했다. 이 이미지 센싱 시스템은 주변 빛을 수집해 전기 에너지로 변환한 후, 이 에너지를 이용해 이미지를 획득한다. 기존에는 저조도 및 일반 조명 환경에서는 특수 성능의 카메라가 반드시 필요했지만, 개발된 다성분계 반도체층 구조의 광 검출기를 이용하면 카메라 형태가 아닌 유리창 또는 벽에 붙이는 인테리어 소품 형태로도 사물이나 움직이는 물체의 형체가 파악되는 수준의 해상도를 얻을 수 있다.

다성분계 유기 반도체층 기반 이중기능 통합형 이미지 센서

KIST 박민철 박사는 “평소에는 에너지 하베스터로 작동하다가, 조명이 없는 상태에서 움직임을 감지하거나 동작 패턴을 인지하는 데 응용될 수 있는 기술”이라면서 “향후 인간-컴퓨터 상호작용 (HCI,Human-Computer Interaction) 연구뿐 아니라 스마트 실내 환경을 비롯한 여러 산업 분야에서 활용 가능성이 높다”라고 기대했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단의 중견연구 지원사업 및 리더연구사업으로 수행되었으며, 본 연구성과는 국제 학술지인 Advanced Materials (IF: 29.4, JCR(%): 2.312) 에 2023월 11월자로 온라인 출판되었다.

* (논문명) Self-Powering Sensory Device with Multi-Spectrum Image Realization for Smart Indoor Environments

 □ 저자

○ (제 1저자) 고려대학교 김태혁 학생연구원○ (제 1저자) 한국과학기술연구원 유병수 학생연구원

○ (제 1저자) 한국과학기술연구원 고현우 학생연구원

○ (공동저자) 한국과학기술연구원 조수연 학생연구원

○ (교신저자) 이화여자대학교 박재홍 교수

○ (교신저자) 고려대학교 김태근 교수

○ (교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 책임연구원

○ (교신저자) 한국과학기술연구원 박민철 책임연구원

○ (교신저자) 고려대학교 심재원 교수

□ 내용 요약

○ 연구배경

유기물기반 광전자 기술은 사물 인터넷 (IoT)기반 무선 센서 및 저전력 실내 전자 장치를 위한 에너지 효율적이고 친환경적인 전자 장치로 주목받고 있음. 그중 유기 실내광전지 (organic photovoltaic, OPV)와 광검출기 (organic photodetector, OPD)는 주변 미활용 빛을 효율적으로 활용하여 빛을 이용해 전기를 만들고, 이미지를 감지하는 능력을 갖고 있다. 하지만, 지금까지 이 두 장치는 독립적인 개발로 인한 많은 비용과 복잡성으로 차세대 소형 장치로써 실용성을 보장할 수 없으며, 특히 효율과 안정성에 있어 대대적인 개선이 필요하였다.

○ 연구내용

 연구팀은 이러한 원천적인 문제를 해결하기 위해 전기를 생성하고 이미지를 획득하는 기능을 하나의 장치로 통합하는 데 성공했으며, 이 장치는 유기 반도체층을 다성분계 구조로 진화시킴으로써 실내 환경에서 32% 이상의 높은 전력변환효율 (Power Conversion Efficiency, PCE) 및 높은 130 dB 이상의 선형 동적 범위 (Linear Dynamic Range, LDR)를 달성하였다.

또한, 세계 최초로 단일 픽셀 이미지 센싱을 성공적으로 시연하였으며, 이 이미징 센싱 시스템은 주변 빛을 수집하여 전기에너지로 변환한 후, 이 에너지를 사용하여 이미지를 획득함으로 매우 낮은 저조도에서도 영상을 성공적으로 획득하였다.

○ 기대효과

이번 성과는 유기 광전자 장치 분야의 혁신적이고 독창적인 연구를 제시, 유기 광전자 장치의 개발은 에너지 효율성을 높이면서 동시에 실내 모니터링과 보안에 기여할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 또한, 웨어러블 전자 장치, 스마트 홈 및 사물 인터넷 장치와 같은 다양한 분야에서 기술의 잠재적인 실용성을 강조하였으며, 실제 실내 환경에서 기술의 실현 가능성과 이점을 입증하여 광범위한 채택 가능성을 보여주었다.

기존에는 저조도 및 일반 조명 환경에서 다양한 HCI (Human Computer Interface)를 구현하기 위해서는 특수한 성능의 카메라가 필요하였고 실내에 이러한 카메라를 설치하는 것은 사용자 측면에서 감시를 당하고 있다는 강한 거부감을 주었으나 제안된 다성분계 반도체층 구조의 광 검출기는 카메라 형태라기보다는 유리창 또는 벽에 붙이는 인테리어 소품 형태로 제작되어 빛을 에너지로 변환하고, 이 에너지를 사용해 이미지를 획득하는 방식으로 보안 카메라, 자동화된 이미지 인식 시스템 및 기타 실내 모니터링 장치 등 여러 분야에서 유용하게 사용될 수 있도록 하였다.

KIST 홍보실 제공