한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 임정아 박사팀은 거울상 대칭 구조를 갖는 카이랄 분자와 반도체 소재를 이용하여, 원편광을 회전방향에 따라 감지하는 반도체 소자를 개발했다. 카이랄 분자(Chiral molecule)란 마주한 양 손과 같이 구조적으로 거울상 대칭 구조를 가져 서로 겹쳐질 수 없는 분자이고, 원편광(Circularly polarlized light)이란 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하면서 진행하는 빛을 말한다.

최근 광통신, QR코드 등 빛을 이용한 기술이 나날이 발전하고 있다. 이제는 빛을 이용한 정보처리 기술인 광 컴퓨팅이 미래 기술로 각광받고 있다. 이 기술에 필수적인 원편광에 담긴 정보를 인지하는 반도체 소자를 KIST 연구진이 개발하여 주목받고 있다.

▲ (a) 고분자반도체와 카이랄 분자의 분자구조 및 이들 블렌드 용액의 블레이드 코팅 모식도 P3CT : 본 연구에서 사용한 고분자반도체, poly[3-(6-carboxyhexyl)thiophene-2,5-diyl] BN : 본 연구에서 사용한 카이랄 분자,1,1'-binaphthyl-2,2'-diamine (b) 고분자반도체/카이랄 분자 블렌드의 상분리로 유도된 반도체 박막의 특이구조를 활용한 원편광 감응 반도체 다이오드 소자 모식도(상단) (좌측 아래) 제작한 원편광 감응 다이오드의 원편광 회전 방향에 따른 광전류 신호. (우측 아래) 카이랄 분자 마이크로 결정이 박막 상부에 위치하고, 고분자반도체/카이랄 분자 헤테로 응집체가 아래 막을 형성하는 구조를 보여주는 전자현미경 사진

지금까지 개발된 원편광 감지용 반도체 소자는 고가의 장비를 이용하여 까다로운 공정을 거쳐 제작해야 했다. 또한, 이 소자들은 균일한 박막을 제작하고 반도체 소자로 직접 응용하는데 어려움이 있었다. KIST 임정아 박사팀은 이러한 한계를 극복하고, 쉽고 간단한 공정으로 실제 응용 가능한 소자를 만들어 냈다.

KIST 연구진은 카이랄 분자와 고분자 반도체를 함께 녹인 용액을 도포하고 가열하여 특별한 박막을 만들었다. 이 박막은 카이랄 분자와 고분자 반도체 층이 분리되는 구조를 가진다. 카이랄 분자 결정은 원편광의 방향에 따라 빛을 흡수하는 양이 달라서, 빛을 흡수한 후 생성하는 전하의 양이 다르다. 이 점을 이용하여, 전하를 전달받은 반도체 층에서 빛의 방향을 감지할 수 있는 소자를 제작하였다.

KIST 임정아 박사는 “이번 성과는 원편광 감응 반도체 박막을 손쉽게 제작할 수 있는 새로운 길을 제시한 것으로, 앞으로 원편광 응용 기술 상용화에 중요한 계기가 될 것” 이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST의 기관고유사업과 한국연구재단 신진연구자지원 사업으로 수행되었다. 고려대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 13.325, JCR 분야 상위 3.767%) 최신호에 게재되었다. 논문명은 "Chiroptical-Conjugated Polymer/Chiral Small Molecule Hybrid Thin Films for Circularly Polarized Light-Detecting Heterojunction Devices"이다.