최근 전자산업기술이 발전하면서 디스플레이 산업 역시 하루가 다르게 변모하고 있다. 무엇보다 요즘 가장 이슈가 되는 것은 휘어지는 디스플레이의 개발로, 이를 실생활에서 불편 없이 사용할 수 있도록 구현하기 위해서는 다양한 제반 기술들이 발전할 필요가 있다는 게 전문가들의 의견이다.

이러한 제반기술 가운데 중요한 것 중 하나가 유연한 광센서를 개발하는 것이다. 광센서란 빛을 검출해 전기적 신호로 바꿔 주는 센서로, 이 중에서도 광센서 안에 있는 광다이오드는 매우 중요한 역할을 한다. 빛에너지를 전기에너지로 변환해 빛을 검출하는 반도체 다이오드 역할을 수행하기 때문이다.


하지만 기존의 광다이오드 소자는 대부분 실리콘을 기반으로 단단한 기판 위에 제작되기 때문에 쉽게 구부릴 수 없는 단점이 있었다. 또한 고온의 초저진공 상태에서 제조해야만 하기에 다양하게 응용하는 데는 여러 한계에 부딪혀야 했다.

이를 극복하기 위해 기존 연구자들 사이에서 다양한 시도가 진행됐지만, 그 과정은 생각만큼 호락호락하지 않았다. 광반응 특성과 전자이동도가 우수한 단결정 실리콘을 사용하면서도 유연성을 부여하는 것은 어려운 과제였던 것이다.

유‧무기 물집 접합… 유연한 광센서 개발

이러한 가운데 국내 연구진이 높은 전자이동도와 우수한 유연성을 모두 갖춘 광센서를 개발해 주목을 받고 있다. 주병권 고려대 전기전자공학부 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 ‘유연한 고감도 광센서’를 개발한 것이다.

주병권 교수팀은 연구를 통해 광반응성이 높은 무기반도체 물질과 유연한 유기반도체 물질을 접합, 각각의 장점을 모두 살리는 데 성공했다. 이 연구결과는 그 성과를 인정받아 나노분야 학술지인 ‘첨단기능성소재(Advanced Functional Materials)’지 온라인판에 표지논문으로 게재되기도 했다.

“저희 연구팀은 높은 감도를 보이는 광센서를 개발했습니다. 개발한 광센서는 기존 광다이오드와 견줘 수 배에서 수십 배까지 뛰어난 광반응성을 보이고 있습니다. 특히 붉은색과 노란색, 녹색의 빛에서 높은 광반응 특성을 보이고 있죠. 무엇보다 유연하게 휘어지고 투명하다는 점이 가장 큰 특징이라고 할 수 있습니다.”

주 교수팀은 유기물질과 무기물질을 접합해 이번 연구를 성공시켰다. 여기서 유기물질과 무기물질을 접합한 것은 각각의 장점을 차용하기 위한 것으로 유기반도체의 유연성과 무기반도체의 높은 광반응 성능을 모두 구현할 수 있었다.

“개발한 광센서는 구부려도 잘 부러지지 않을 정도로 매우 유연한 성질을 갖고 있죠. 연구의 핵심은 합성고무를 스탬프처럼 이용하는 것이었습니다. 이렇게 하면 단단한 기판에 놓인 수백 나노미터 두께의 실리콘 박막을 유연한 기판으로 옮겨 찍을 수 있어요. 더불어 여기에 유기반도체 물질을 증착시켜 두 물질을 서로 접합시킬 수 있는 것입니다.”

앞서 언급했듯, 기존 광다이오드 분야는 이미 소재가 갖고 있는 한계로 인해 난관에 부딪힌 상황이었다. 단단한 기판 위에서 제작되기 때문에 쉽게 구부릴 수 없을 뿐 아니라 제작환경까지 어려워 다양한 분야에 손쉬운 응용을 기대할 수는 없었다.

“최근에는 이러한 문제들 때문에 유연성이 높고 제조가 간편한 유기 광다이오드 소자가 개발되고 있어요. 하지만 개발된 제품들은 기존의 실리콘 광다이오드에 비해 광반응 특성이 많이 떨어진다는 문제점이 있었습니다. 이를 극복하기 위해 저희 연구팀이 제시한 해결책은 유기물질과 무기물질을 접합하는 것이었어요. 이를 통해 광센서에 유연성과 고감도 특성을 부여할 수 있었죠. 단단한 기판에 놓인 실리콘 박막을 유연한 기판으로 옮기고 여기에 유기반도체 물질을 붙였습니다. 합성고무를 스탬프처럼 이용해 실리콘 박막을 유연한 기판으로 찍어 올린 것이 이번 연구의 핵심 기술이라고 할 수 있어요.”

이러한 핵심 기술을 거친 결과 주 교수팀은 기존 실리콘 기반의 광다이오드 소자와 비교해 유연성이 있음에도 광반응성이 크게 변하지 않는 광센서를 개발할 수 있었다. 주 교수는 “기존 실리콘 기반의 높은 광반응 특성을 가진다는 점과 유기 광다이오드 소자에 견줘 수 배에서 수십 배까지 뛰어난 광반응성을 보이는 것이 개발된 광센서의 특징”이라고 강조했다.

실리콘 전이공정 이용…이종접합기술 개발

이번 연구의 가장 큰 특징은 실리콘 전이 공정을 이용해 유연한 유·무기 이종접합기술을 개발했다는 점이다. 주 교수는 “실리콘 전이 공정을 이용해 유연한 유·무기 이종접합기술을 개발한 것이 이번 연구를 통해 얻은 가장 큰 성과라고 할 수 있다”며 “해당 기술을 이용하면 앞으로 다양한 유기물 반도체를 적용할 수 있어 더욱 좋은 성능의 유연 소자를 제작 할 수 있기 때문”이라고 말했다.


이번 연구는 유기물을 이용한 광센서 연구에 계속 몰두하던 중 연구실 내 서정훈 박사과정생의 연구가 좋은 계기를 마련할 수 있다는 생각에서 출발한 것이다.

“저희 연구실 출신인 서정훈 박사과정생은 현재 위스콘신 대학교에서 실리콘 전이 공정을 이용해 다양한 전자소자를 연구하고 있어요. 저희 연구실 역시 주기적으로 위스콘신 대학과 다양한 교류를 통해 공동 연구를 진행해 오고 있었죠. 그러던 중 몇 년 전부터 저희 연구실에서 유기물을 이용한 광센서를 연구하게 됐습니다. 하지만 연구결과가 실리콘 광다이오드 소자에 비해 유연성은 뛰어나지만 광반응성의 차이가 많이 발생해 이 문제를 해결하는 게 가장 중요한 상황이었습니다. 그러던 중 서정훈 박사과정생이 연구하고 있는 실리콘 전이공정을 적용하면 좋은 결과를 얻을 수 있겠다는 생각이 들었죠.”

그렇게 주 교수팀은 위스콘신 대학 연구팀과 공동연구를 진행하게 됐다. 하지만 지구 반 바퀴나 떨어진 해외 연구팀과 공동으로 연구를 진행한다는 것은 생각만큼 쉬운 작업이 아니었다.

“같은 연구실 내에서도 융합연구를 진행하는 것에 많은 어려움이 있는데 미국과 한국의 긴 거리를 극복하고 연구하는 것은 어려움이 더욱 컸죠. 무엇보다 먼 거리를 극복하며 샘플을 주고받는 데 많은 비용과 시간이 소요됐어요. 또한 시차 차이 때문에 연구회의가 주로 새벽에 진행된 점도 연구과정 중 어려웠던 점의 하나였죠.”

이러한 난관을 극복하고 진행된 연구는 앞으로의 산업 발전방향과 맞물리며 더욱 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대 받고 있다.

“최근에는 휘어진 OLED TV가 등장하기도 했어요. 앞으로도 휘어지거나 투명한 전자 기기의 등장은 더욱 활발해질 것입니다. 이번 연구 결과는 휘어지고 투명한 전자 기기에서 빛을 감지하는 센서로 활용될 수 있으며 향후 연구를 통해 태양전지와 디스플레이 분야로 확장될 수 있을 것으로 보입니다.”

주 교수는 이번 연구와 관련, 서로 성질이 다른 유·무기 물질이 접합해 두 물질의 장점만을 이용할 수 있도록 연구를 진행했다는 점에 의의가 있다고 이야기했다. 소재의 융합을 이용했기에 기존 단일 물질로 만들어진 소자보다 뛰어난 성능을 갖는 새로운 소자 개발에 박차를 가할 수 있었다는 것이다.

주 교수는 “이를 통해 앞으로 광센서 분야뿐 아니라 휘어지거나 투명한 전자소자 등에 적용할 수 있으므로 연구 가치가 높다고 할 수 있다”고 말했다.

이어 그는 “미래의 전자 소자와 시스템은 휘어지고 말(roll) 수 있으며, 접을 수 있고 신축성이 있는 방향으로 발전할 것”이라며 “이를 감안해 연구팀 역시 새로운 공정과 소자를 연구하고 우수한 인력을 양성하기 위해 노력할 것”이라며 앞으로의 포부를 밝혔다.