[지금은 과학] 늘려도, 구부려도 빛 감지 능력↑…신축성 나노소자 나왔다

[아이뉴스24 정종오 기자] 늘리거나 구부려도 빛 감지 능력이 뛰어난 신축성 나노소자가 나왔다. 머신러닝기법을 적용해 형태가 변형돼도 가시광선(적색, 녹색, 청색)을 정밀하게 감지할 수 있다. 인공망막 핵심 기술, 신축성 광전자 소자 개발 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자연구단 손동희 객원연구원(성균관대 전자전기컴퓨터공학과 조교수), 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수), 현택환 연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수) 공동연구팀은 다양한 형태로 변형해도 가시광선 영역의 빛을 정밀하게 감지할 수 있는 신축성 나노 소자를 개발했다.

구 형태인 사람의 눈은 곡률변화에도 다양한 파장대의 빛을 어떠한 시력 저하 없이 정밀하게 감지할 수 있다. 반면 전자소자는 늘어나거나 구부러지는 등 형태가 변하면 빛 감지 능력이 떨어진다.

연구팀은 인체 눈의 기능성을 모사하기 위해 양자점(자체적으로 빛을 내는 수 나노미터의 반도체 입자. 입자 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 광학적 성질을 지녀 QLED 등 다양한 광전소자로 응용), 유기 반도체성 고분자, 고무처럼 탄성력이 있는 탄성중합체를 최적의 비율로 합성해 고신축성 반도체 양자점 나노복합소재를 개발했다.

이러한 소재 기반으로 제작된 능동 매트릭스형 다층구조 포토트랜지스터 어레이(포토트랜지스터는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광센서로 능동형 매트릭스형은 각 픽셀이 포토트랜지스터로 작동하는 어레이를 말함)에 머신러닝기법을 적용해 형태가 변해도 다양한 빛을 정확하게 감지 할 수 있도록 했다.

연구팀은 나노복합소재에서 나타난 탄성중합체 내의 양자점과 유기 반도체 소재 간의 상분리 현상에 주목했다. 소재가 늘어나면 양자점의 간격이 벌어지며 전기적 성능이 떨어지는데 유기 반도체 소재가 이 간극을 메워 소재가 늘어나도 빛을 전기로 안정적으로 변환할 수 있게 했다.

나아가 머신러닝기법을 적용해 신축성 전자소자가 가지는 물성적 한계를 보완하며 광전기적 성능 안정성을 높였다. 신축성 전자소자의 전기적 성능은 끊임없는 외부 변형에도 일정하게 유지돼야 한다.

고무소재는 늘렸을 때 처음처럼 완벽하게 복원이 불가능해 전기적 성능이 점차적으로 떨어지는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 서로 다른 빛 감응성을 지닌 포토트랜지스터 어레이를 다층구조로 적층시켰다. 물리적 변형을 가하면서 다양한 파장대의 빛을 감지시켰다.

이때 발생된 전기적 성능 저하를 머신러닝기법으로 정확도를 높였다. 이번에 개발한 포토트랜지스터 어레이를 구성하는 모든 소재는 반도체 공정과 호환이 가능하다. 소자 집적도를 크게 높일 수 있어 의미가 크다. 기존 신축성 소재는 반도체 공정에서 변형이 일어나거나 녹아서 원하는 모양과 크기의 소자 제작이 어려웠다.

이번에 개발한 신축성 소재는 반도체 공정에 사용이 가능해 집적도를 기존보다 훨씬 높이며 더 작은 크기의 소자를 만들 수 있어 고해상도 구현이 가능하다.

고해상도가 요구되는 광각 카메라나 인공망막 기술의 핵심 소자로 응용될 것으로 기대된다. 기존 무기물 소재 기반 신축성 소자는 물리적 변형에 소자를 보호하기 위해 구불구불한 모양의 배선을 사용했다. 물리적 변형이 일어나면 소자간 사이가 멀어져 해상도가 떨어지고 불필요한 배선 면적으로 소자 밀도가 감소한다.

이번에 개발한 소자는 구부리거나 늘려도 높은 해상도로 빛을 감지해 인공망막의 핵심기술로 활용될 수 있다.

손동희 교수는 “고신축성 광전소재·소자 제작 기술과 머신러닝 기법 간의 융합은 인공망막 구현에 중요한 열쇠가 될 것”이라고 말했다.

김대형 부연구단장은 “유연한 광학 소재와 소자 제작 기술은 고해상도를 요하는 차세대 신축성 광전자소자 발전에 크게 이바지할 것”이라 전했다.

현택환 단장은 “개발된 나노합성물 제작 방법은 광학 소재뿐 아니라 여러 종류의 나노 소재들과 고분자, 탄성중합체를 조합할 수 있어 고기능성 신축성 나노 소재 제작에 다양하게 응용될 수 있다”고 덧붙였다.

연구 성과(논문명: Stretchable colour-sensitive quantum dot nanocomposites for shape-tunable multiplexed phototransistor arrays)는 나노분야 국제 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 7월 8일 온라인으로 실렸다.