고려대·KIST·이화여대 공동 연구진, 스마트 실내환경 위한 자가발전형 풀컬러 이미지센서 핵심기술 개발
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고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 심재원 교수팀(제1저자, 김태혁 석박사과정/공동저자, 조수연), KU-KIST 융합대학원 황도경 교수팀(제1저자, 유병수 박사과정), 김태근 교수팀, 한국과학기술연구원 박민철 박사 연구팀(제1저자, 고현우 박사과정), 이화여자대학교 화학나노과학과 박재홍 교수팀으로 구성된 국내 연구진이 차세대 스마트 실내환경을 위한 다중 스펙트럼 기반 이중기능형 이미지 센서의 핵심기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
연구성과는 해당 분야의 세계적 권위 학술지 Advanced Materials에 지난 28일 온라인 게재됐다.
다성분계 유기 반도체층 기반 이중기능 통합형 이미지 센서유기물기반 광전자 기술은 사물 인터넷(IoT) 기반 무선 센서 및 저전력 실내 전자 장치를 위한 에너지 효율적이고 친환경적인 전자 장치로 주목받고 있다. 그중 유기 실내광전지(organic photovoltaic, OPV)와 광검출기(organic photodetector, OPD)는 주변 미활용 빛을 효율적으로 활용하여 빛을 이용해 전기를 만들고, 이미지를 감지할 수 있다.
그러나, 지금까지 이 두 장치는 독립적인 개발로 인한 많은 비용과 복잡성으로 차세대 소형 장치로써 실용성을 보장할 수 없었고, 특히 효율과 안정성에 있어 대대적인 개선이 필요했다.
연구진은 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 달성했다.또한, 세계 최초로 단일 픽셀 이미지 센싱을 성공적으로 시연했다. 이 이미징 센싱 시스템은 주변 빛을 수집하여 전기에너지로 변환한 후, 이 에너지를 사용하여 이미지를 획득함으로 매우 낮은 저조도에서도 영상을 획득할 수 있다. 기존에는 저조도 및 일반 조명 환경에서 다양한 HCI(Human Computer Interface)를 구현하기 위해서는 특수한 성능의 카메라가 필요했고 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 있는 장점을 갖는다.
이번 연구를 주도한 심재원 고려대 교수는 “유기 광전자 장치 분야의 혁신적이고 독창적인 연구를 제시했다는데 그 의미가 크다. 유기 광전자 장치의 개발은 에너지 효율성을 높이면서 동시에 실내 모니터링과 보안에 기여할 수 있는 새로운 가능성을 열었다”고 말했다. 이어 “웨어러블 전자 장치, 스마트 홈 및 사물 인터넷 장치와 같은 다양한 분야에서 기술의 잠재적인 실용성을 강조했을 뿐만 아니라 실제 실내 환경에서 기술의 실현 가능성과 이점을 입증하여 광범위한 분야에서 채택 가능성을 보여주었다”며 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 중견연구 지원사업, 리더연구사업, 및 KIST 주요사업으로 수행됐다.