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늘리거나 구부려도 빛 감지 능력 뛰어난 신축성 나노소자- IBS, 고신축성 반도체 양자점 복합소재 기반의 포토트랜지스터 어레이 기술 개발

하이거 2022. 8. 14. 11:11

늘리거나 구부려도 빛 감지 능력 뛰어난 신축성 나노소자- IBS, 고신축성 반도체 양자점 복합소재 기반의 포토트랜지스터 어레이 기술 개발

보도일 2022-07-08 00:00 연구단명 나노입자 연구단

 

 


늘리거나 구부려도 빛 감지 능력 뛰어난 신축성 나노소자 
 - IBS, 고신축성 반도체 양자점 복합소재 기반의 포토트랜지스터 어레이 기술 개발 -
 - 머신러닝기법 적용해 형태 변형되어도 가시광선(적색/녹색/청색)을 정밀하게 감지 가능 -
- 인공망막 핵심 기술, 신축성 광전자 소자 개발 등에 응용 기대 - 

 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 감지 가능한 신축성 나노소자를 개발했다. 인공망막 인공망막: 인간의 망막 기능과 형태를 모사한 기기로, 외부에서 들어온 빛을 전기신호로 바꾸어 뇌에 전달함.
 구현, 신축성 광전자 소자 개발 등에 응용될 것으로 기대된다. 
 구 형태인 사람의 눈은 곡률변화에도 다양한 파장대의 빛을 어떠한 시력 저하 없이 정밀하게 감지할 수 있지만 전자소자는 형태가 변화하면 빛 감지 능력이 떨어진다. 연구진은 인체 눈의 기능성을 모사하기 위해, 양자점 양자점 (Quantum Dots): 자체적으로 빛을 내는 수 나노미터(nm)의 반도체 입자. 입자 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 광학적 성질을 지녀 QLED 등 다양한 광전소자로 응용됨.
, 유기 반도체성 고분자 유기 반도체성 고분자: 원자들이 단일/이중결합을 번갈아 형성해 전자가 이동 가능한 반도체 특성을 띄는 고분자.
, 고무처럼 탄성력이 있는 탄성중합체를 최적의 비율로 합성해 고신축성 반도체 양자점 나노복합소재를 개발했다. 이러한 소재 기반으로 제작된 능동 매트릭스형 다층구조 포토트랜지스터 어레이 능동 매트릭스형 포토트랜지스터 어레이: 포토트랜지스터는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광센서로 능동형 매트릭스형은 각 픽셀이 포토트랜지스터로 작동하는 배열구조(어레이)를 말함. 
에 머신러닝기법 머신러닝 (Machine learning): 인간의 학습 능력과 같은 기능을 컴퓨터에서 실현하고자 하는 기술 및 기법.
을 적용해 형태가 변해도 다양한 빛을 정확하게 감지 할 수 있도록 하였다.  
 연구진은 나노복합소재에서 나타난 탄성중합체 내의 양자점과 유기 반도체 소재 간의 상분리 현상에 주목했다. 소재가 늘어나면 양자점의 간격이 벌어지며 전기적 성능이 떨어지지만 유기 반도체 소재가 이 간극을 메꿔 소재가 늘어나도 빛을 전기로 안정적으로 변환할 수 있게 하였다.
 나아가, 머신러닝기법을 적용해 신축성 전자소자가 가지는 물성적 한계를 보완하며 광전기적 성능 안정성을 높였다. 신축성 전자소자의 전기적 성능은 끊임없는 외부 변형에도 일정하게 유지되어야 한다. 하지만, 고무소재는 늘렸을 때 처음처럼 완벽하게 복원이 불가능해 전기적 성능이 점차적으로 저하되는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 연구진은 서로 다른 빛 감응성을 지닌 포토트랜지스터 어레이를 다층구조로 적층시켜, 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 가능하고, 소자 집적도 집적도: 1개의 반도체 집에 구성되어 있는 소자의 수 
를 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. 
 특히, 고해상도가 요구되는 광각 카메라나 인공망막 기술의 핵심 소자로 응용될 것으로 기대된다. 기존 무기물 소재 기반 신축성 소자는 물리적 변형에 소자를 보호하고자 구불구불한 모양의 배선을 사용하는데, 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”이라 말했고, 김대형 부연구단장은 “유연한 광학 소재 및 소자 제작 기술은 고해상도를 요하는 차세대 신축성 광전자소자 발전에 크게 기여할 것”이라 말했다. 끝으로, 현택환 단장은 “개발된 나노합성물 제작 방법은 광학 소재뿐만 여러 종류의 나노소재들과 고분자, 탄성중합체를 조합할 수 있어 고기능성 신축성 나노소재 제작에 다양하게 응용될 수 있다”고 말했다.
 이번 연구성과는 나노분야 최고권위의 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)誌에 7월 8일 온라인 게재되었다.

[붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

연 구 추 가 설 명


논문/저널
Stretchable colour-sensitive quantum dot nanocomposites for shape-tunable multiplexed phototransistor arrays / Nature Nanotechnology
저자
송준걸(공동 제1저자, IBS/서울대), 김준희(공동 제1저자, IBS/서울대), 윤지용(공동 제1저자, 성균관대), 구자훈(공동 제1저자, IBS/서울대), 정현진(성균관대), 강규민(성균관대), 선우성혁(IBS/서울대), 유승원(IBS/서울대), 장호근(IBS/서울대), 조진웅(IBS/서울대), 백운혁(IBS/서울대), 이상화(IBS/서울대), 이민철(IBS/서울대), 김혜진(IBS/서울대), 신미경(성균관대), 유영진(광주과기대), 송영민(광주과기대), 현택환(공동교신저자, 연구책임자, IBS/서울대), 김대형(공동교신저자, 연구책임자, IBS/서울대), 손동희(공동교신저자, 연구책임자, IBS/성균관대)
주요내용
구 형태인 사람의 눈은 곡률변화에도 시력 저하 없이 다양한 파장대의 빛을 정밀하게 감지할 수 있는 성능을 가지고 있다. 본 연구진은 이러한 인체 눈의 기능성을 모사하기 위해, 양자점/반도체성고분자 탄성 중합체를 최적의 비율 배합을 통해 고신축성 반도체성 나노복합소재를 개발하였다. 
특히, 양자점 반도체성 나노복합소재 내에서 상분리 현상이 유도됨을 발견하였으며, 이러한 현상은 소재를 늘려도 안정적인 광전변환(빛을 전기로 변환)을 가능하게 하는 핵심 원리임을 입증하였다.
  또한, 이러한 복합소재를 이용하여 가시광선 영역의 빛을 감지할 수 있는 다층구조 포토트랜지스터 어레이를 구현하였다. 기계적 변형에도 안정적인 광전기적 성능을 확보하기 위해 머신러닝기법을 적용하여 다양한 파장대의 빛을 매우 높은 정확도로 감지할 수 있음을 증명했다.
연구 이야기
[연구배경]
  물리적 변형이 가능한 신축성 광전자소자는 생체의료기기, 인간-컴퓨터 인터페이스 그리고 증강현실과 같이 다양한 용도로 사용하기 위해 개발되고 있다. 이러한 신축성 소자는 물리적 변형에 의한 소자의 성능저하를 해결하는 것이 가장 중요하다. 기존의 무기물 소재 기반 신축성 소자는, 물리적 변형으로 가해지는 응력(외부 힘 작용에도 원형을 유지하려는 힘)으로부터 소자를 보호하기 위해 소자와 소자 사이를 길고 구불구불한 모양의 배선으로 연결하여 응력을 해소시키는 방식을 택해왔다. 이 방식은 소자의 성능 유지 측면에서는 탁월하나, 불필요한 배선 적용으로 인해 소자의 집적도를 희생한다는 점에서 단점이 매우 크다. 이를 극복하기 위한 방법으로 최근 본질적으로 인장이 가능한 소재 및 소자 개발이 각광 받고 있으나, 아직까지 무기물 소재 기반의 소자 대비 성능이 현저히 낮고, 반복되는 소자의 물리적 변형으로 인해 점탄성 소재의 낮은 기계적 복원력으로 인한 성능저하를 극복하는 것은 달성하기 어려운 목표였다. 본 연구에서는 본질적으로 유연한 소자의 한계를 극복할 수 있는 새로운 소재와 소자 제작법을 개발하고자 하였다.

[연구내용]
  IBS 나노입자 연구단은 다양한 파장대의 빛을 감지하는데 최적화된 구조를 가진 신축성 나노복합소재 제조법을 개발하였다. 최적화된 비율로 무기 양자점, 반도체성 유기 고분자, 그리고 탄성중합체를 배합하면, 탄성중합체 내의 양자점과 유기 반도체 소재 간의 상분리가 발생된다. 이런 상분리 현상에 의해, 빛을 흡수하는데 가장 핵심적인 역할을 하는 양자점이 나노복합소재의 바깥쪽 표면으로 위치하게 되어 빛을 더욱 효과적으로 감지할 수 있게 된다. 또한, 중간에 위치한 탄성중합체는 늘려진 나노복합소재에서 축적된 응력을 효과적으로 분산하여 변형에 따른 광 감지 성능의 안정성을 높이게 된다. 이러한 나노복합소재 내 양자점의 크기를 조절하여 특정 파장대의 빛을 흡수할 수 있도록 하였다.
  한편, 신축성 전자소자의 전기적 성능은 끊임없는 변형 하에서도 일정하게 유지되어야 한다. 하지만, 기존의 점탄성 고무소재는 응력 완화 특성에 의해 완벽한 기계적 복원이 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 점탄성 소재 기반의 물성 한계로 인한 전기적 성능 안정성저하 문제를 해결하고자 하였다. 이를 위해, 소재적 측면에서 점탄성 재료의 인장 복원력 한계를 극복하고, 소자적 측면에서 기계적 변형에 따른 광전기적 성능 안정성을 높이고자, 머신러닝기법을 적용하였다. 서로 다른 빛 감응성을 지닌 반도체성 나노복합소재와 탄성중합체 기반의 절연막 및 기판 그리고 신축성 나노전극박막 각각을 옮겨서 능동 매트릭스형 포토트랜지스터 어레이를 다층구조로 적층시켜, 물리적 변형을 가하면서 다양한 파장대의 빛을 감지하였다. 이때 발생된 전기적 성능 저하를 머신러닝기법을 통해 극복하여 높은 정확도로 다양한 빛을 감지 및 판별하였으며, 물리적 변형 전후 변함없는 성능을 보여주었다.

[기대효과]
  무기 및 유기 소재간의 장점을 극대화한 고신축성 반도체성 양자점 나노복합소재의 합성 및 제작 방법론은 차세대 유연광전자소자의 반도체 개발에 있어 매우 중요한 초석이 될 것으로 기대된다. 또한, 기계적 변형에도 가시광선 영역의 빛을 높은 정확도로 감지 가능하게 하는 소재-소자-머신러닝 융합기술은 향후 차세대 인공 망막용 신축성 광전자소자를 개발하는데 주요한 역할을 하리라 기대한다.


그   림   설   명


[그림] 물리적 변형에 의해 저하된 성능을 머신러닝 기법을 통해 보정하는 기술
  연구진은 최적의 비율로 고신축성 반도체성 양자점 나노복합소재를 제작하였고, 형태가 변형되도 안정적인 빛 감지 성능을 유지하는 원리를 입증하였다 (A). 나노복합소재 내에서 양자점과 유기 반도체 소재간의 상분리 현상을 통해, 적절한 양의 양자점들이 나노복합소재의 위아래 표면에 자리함으로써 광전변환(빛을 전기로 변환)이 용이함을 보였다 (B). 양자점 크기에 따라 가시광선 대역의 각기 다른 파장대(파란색, 녹색, 빨간색)의 빛을 감지할 수 있는 능동 매트릭스형 포토트랜지스터 어레이를 각각 개발했고, 각 소자 어레이를 3층 구조로 적층하였다 (C). 사진은 3층 구조의 능동 매트릭스형 포토트랜지스터 어레이가 굴곡이 있는 렌즈에 안정적으로 부착되어 있는 모습을 보여주고 있다 (D). 기존의 포토트랜지스터 어레이는 물리적 변형 시, 점탄성 소재의 낮은 복원력 및 수차발생으로 인한 빛 감지 오류가 필연적으로 발생된다. 하지만 머신러닝 기법을 이용하여 여러 입력 데이터에 따라 예상되는 출력 데이터에 대한 학습을 적용하면, 이러한 소자의 성능 저하를 방지할 수 있다 (E). 십자가 모양으로 뚫린 마스크를 포토트랜지스터 어레이에 부착 후, 3가지 색상의 빛을 순차적으로 입사하여 기계적 변형 전 후로 감지하였다 (F, 왼쪽). 머신러닝 적용 이후, 각각의 빛에 대해서 매우 높은 정확도를 보이며 구분하였다 (F, 오른쪽 상단). 색상 필터 없이도, 빛의 색을 구분하는 알고리즘에 의해 입사된 빛 정보를 정확하게 인지하였다 (F, 오른쪽 하단).

연구진 이력사항

<현택환 단장, IBS 나노입자 연구단 단장 및 서울대학교 석좌교수>
 [공동 교신저자] 

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 
             서울대학교 석좌교수 화학생물공학부 
 



2. 경력사항
 ○ 1996 – 1997 Post Doctoral, Northwestern University
 ○ 1997 – 현재 서울대학교 공과대학 화학생물공학부 교수, 부교수, 조교수
 ○ 2002 – 2011 과학기술부 창의적연구진흥사업 산화물 나노결정 연구단장
 ○ 2010 – 2020 미국화학회지(JACS) 부편집장
 ○ 2011 – 현재 서울대학교 석좌교수 (2011-2013 중견석좌교수)
 ○ 2012 – 현재 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 단장 
 ○ 2013 – 현재 미국재료연구학회(MRS) 석학회원(Fellow)

3. 전문 분야 정보 
○ 2022 한국공학한림원 대상
○ 2020 Nobel Prize watch-list로 알려진 Citation Laureate 선정
○ 2016 대한민국 최고과학기술인상 (대통령상)
○ 2016 국제진공과학기술연합 IUVSTA 기술상  
○ 2008 POSCO 청암과학상
○ 2011 세계 100대 화학자선정 (UNESCO&IUPAC 화학 37위;재료과학 19위)





<김대형 IBS 나노입자 연구단 부연구단장 및 서울대학교 교수>
[공동 교신저자]

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 
            서울대학교 화학생물공학부 교수




2. 경력사항
 ○ 2002 – 2006 ㈜ 케이씨텍 선임 연구원
 ○ 2009 – 2011 일리노이주립대학 박사 후 연구원
 ○ 2009 – 2011 펜실베니아주립대학 방문 연구원
 ○ 2011 – 2015 서울대학교 화학생물공학부 조교수
 ○ 2015 – 2020 서울대학교 화학생물공학부 부교수
 ○ 2020 – 현재 서울대학교 화학생물공학부 교수
 ○ 2017 – 현재 기초과학연구원 나노입자연구단 부단장

3. 전문 분야 정보 
 ○ 2011 세상을 바꿀 젊은 과학자 TR35 선정 (MIT Technology Review)
 ○ 2013 대한민국 미래 100대 기술과 주역 (한국공학한림원)
 ○ 2015 제6회 홍진기 창조인상 (유민문화재단) 
 ○ 2017 한국과학기술한림원 젊은 과학자상
<손동희 IBS 나노입자 연구단 객원연구원 및 성균관대학교 조교수>
[공동 교신저자]

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 
            성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 조교수



2. 경력사항
 ○ 2009 – 2011 하이닉스반도체 연구소 선임연구원
 ○ 2015 – 2016 기초과학연구원 나노입자연구단 박사후 연구원
 ○ 2016 – 2017 스탠포드대학교 화학공학과 박사후 연구원
 ○ 2017 – 2019 한국과학기술연구원 의공학연구소 선임연구원
 ○ 2019 – 현재 성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 조교수

3. 전문 분야 정보 
 ○ 2015 신양신진학술상 (신양문화재단)
 ○ 2018 생명-보건의료 분야 기술수준평가 전문가 (과학기술정보통신부)
 ○ 2018 최우수 신진연구자 그룹 멤버 (세계과학한림원서울포럼)
 ○ 2019 미원상사신진학술상 (한국공업화학회)

<송준걸 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>
1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 
             서울대학교 화학생물공학부
 




<김준희 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 
             서울대학교 신소재공동연구소
 
<윤지용 성균관대학교, 공동 제1저자>
1. 인적사항
 ○ 소  속 : 성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과
 





<구자훈 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>
1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 
             서울대학교 화학공정신기술연구소