'어두운 실내 촬영 OK'...에너지 흡수 광 이미지 센서 나온다

KIST-고려대 등 공동 연구팀, 광전자 에너지 하베스트-광검출기 결합

유기물 기반 광전자 기술은 실리콘 소자보다 유연하고 가벼워 저전력 실내 전자 장치나 무선 IoT 센서에 활용 가능성이 크다. 약한 빛에서도 에너지를 흡수해 전기를 생산하는 유기 태양광전지나 어두운 곳에서 이미지를 획득할 수 있는 유기 광 검출기가 대표적이다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 유기 태양광전지와 유기 광검출기 기능을 통합, 조명이 거의 없는 실내 환경에서도 높은 에너지 효율로 영상을 촬영하는 유기물 기반 광전자 이미지 센서를 구현했다고 19일 밝혔다.

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

다성분계 유기 반도체층 기반 이중기능 통합형 이미지 센서 (자료=KIST)

연구팀은 이같은 성과를 기반으로 단일 픽셀 이미지 센싱 시연에도 성공했다. 주변 빛을 수집해 전기 에너지로 변환한 후, 이 에너지를 이용해 이미지를 획득하는 시스템이다. 

저조도 및 일반 조명 환경에선 특수 성능의 카메라가 반드시 필요하지만, 이 다성분계 반도체층 구조의 광 검출기를 쓰면 카메라 형태가 아니라 유리창이나 벽에 붙이는 인테리어 소품 형태로도 사물이나 움직이는 물체의 형체가 파악되는 수준의 해상도를 얻을 수 있다. 카메라 설치에 대한 고객 거부감을 줄인 채 보안 카메라나 자동화된 이미지 인식 시스템, 실내 모니터링 장치 등에 활용 가능하다. 

박민철 KIST 박사는 "평소에는 에너지 하베스터로 작동하다 조명이 없는 상태에서 움직임을 감지하거나 동작 패턴을 인지하는 데 응용될 수 있는 기술"이라며 "향후 인간-컴퓨터 상호작용(HCI) 연구뿐 아니라 스마트 실내 환경을 비롯한 여러 산업 분야에 활용 가능성이 높다”라고 밝다.

이 연구는 KIST 광전소재연구단 박민철 박사·황도경 박사와 고려대 전기전자공학부 심재원 교수·김태근 교수, 이화여대 화학나노과학과 박재홍 교수 등 공동 연구팀의 성과다. 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 중견연구 지원사업 및 리더연구사업으로 수행됐다. 연구성과는 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 최근 출판됐다. 논문 제목은 'Self-Powering Sensory Device with Multi-Spectrum Image Realization for Smart Indoor Environments' 이다.