자율주행차 ‘시력’ 획기적으로 향상시킬 초고감도 광센서 핵심 기술 구현

▲ VLPS 소자 개략도와 광검출 성능 지표 및 실리콘 웨이퍼 정렬 시연 결과

고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 심재원 교수와 신소재공학부 오승주 교수, 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 차세대반도체연구소 박민철 박사 공동 연구팀이 초미세 가시광 및 단파적외선 신호를 선택적으로 감지하는 ‘유기/양자점 단일형 광검출기’를 개발했다.

최근 자율주행, 비침습적 의료 진단, 광통신 및 차세대 반도체 공정 등 다양한 첨단 분야에서 이중 스펙트럼 광검출기의 수요가 급증하고 있다. 하지만 기존의 이중 스펙트럼 광검출기들은 가시광선과 적외선의 신호 간섭을 막기 위해 복잡한 전하 수송 중간층을 필수적으로 삽입해야 했다. 이는 소자 구조를 복잡하게 만들고, 미세 신호 감지를 방해하는 ‘계면 노이즈’를 유발하는 문제가 있었다. 

*이중 스펙트럼 광검출기: 눈에 보이는 빛(가시광선)과 눈에 보이지 않는 빛(적외선)을 개별적으로 동시에 감지할 수 있는 차세대 광학 센서 소자

연구팀은 이러한 난제를 극복하기 위해 유기물과 양자점(Quantum dot) 반도체를 결합한 하이브리드 구조를 채택하고, 두 소재가 스스로 가로·세로 방향으로 정렬(수직 및 수평 위상 분리)하게 만드는 독창적인 구조 제어 기술을 도입했다. 이를 통해 복잡한 중간층 없이도 ‘광검출층’ 자체가 광학적·전기적 신호를 선별하는 '자가 필터링' 기능을 갖추게 했다. 그 결과, 전압의 방향을 플러스나 마이너스로 전환하는 단순한 조작만으로도 가시광선과 적외선 신호를 방해 없이 효과적으로 분리 추출하는 데 성공했다. 

*광검출층: 센서 내부에서 외부의 빛을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 핵심적인 활성층

연구팀이 개발한 ‘유기/양자점 단일형 광검출기’는 빛의 간섭 현상을 가시광선 대역에서 약 –80 dB, 단파적외선 대역에서 약 –60 dB 이라는 기록적인 수준으로 낮췄다. 또 노이즈 전류 특성을 극도로 낮추는 데 성공해, 710 nm 가시광 영역에서 4.3 × 1012 Jones, 단파적외선에서 6.4 × 1011 Jones의 특정 광 검출도를 기록했다. 이는 극한의 저조도 환경에서도 완벽하게 초미세 신호를 감지해 낼 수 있는 고감도 성능을 뜻한다. 

*특정 광 검출도(Specific Detectivity; D*): 빛 센서가 얼마나 미세한 빛까지 감지할 수 있는지 나타내는 민감도를 측정하는 세계 공통 표준 지표. 단위는 존스(Jones)로, 수치가 높을수록 성능이 좋음

특히 연구팀이 개발한 특수한 구조 덕분에 가시광선 대역에서 센서가 인식할 수 있는 빛의 범위(선형 동적 영역)가 기존 대비 100배 더 어두운 영역까지 확대됐다. 나아가 통상적인 센서 두께(약 200 nm) 보다 훨씬 두꺼운 활성층을 적용함으로써, 센서를 두껍게 만들면 성능이 떨어진다는 기존의 고정 관념을 깨고 학술적 통찰을 제시했다. 

이 기술은 반도체 3차원 적층 및 패키징 공정의 핵심인 ‘실리콘 웨이퍼 정렬’에도 즉시 적용 가능하다. 연구팀이 개발한 광검출기는 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. 

이번 연구는 그동안 유기 광검출기 분야에서 상대적으로 주목받지 못했던 ‘위상 분리’를 센서 성능 향상의 핵심 기술로 재조명했다는 점에서 학술적 가치가 높다. 심재원 교수는 “유기 반도체 소재의 ‘모폴로지(Morphology)’ 자체를 기능적 설계 도구로 정립하여 기존 소자의 구조적·물리적 한계를 극복했다는 데 큰 의의가 있다”며 “반도체 양산 공정은 물론 의료, 자율주행 등 차세대 산업 현장에 적용가능한 범용적 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다. 

본 연구 성과는 다학제 분야 세계적 권위지인 ‘Nature Communications(IF=15.8)’ 온라인에 6월 12일 게재됐다. 

*논문명: Self-filtering monolithic organic/PbS quantum dot photodetector for visible and short-wave infrared selective vision in low-light

*DOI: 10.1038/s41467-026-74407-z

*URL: https://www.nature.com/articles/s41467-026-74407-z

이번 연구는 산업통상자원부(MOTIE), 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 한국과학기술연구원(KIST) 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

▲ (왼쪽부터) 고려대 전기전자공학부 심재원 교수(교신저자), 오승현 석사과정(공동제1저자), 신소재공학부 오승주 교수(교신저자), 정병구 석박사통합과정(공동제1저자), 한국과학기술연구원(KIST) 박민철 박사(교신저자), 고현우 석박사통합과정(공동제1저자)