Special 소재/소자 AI/데이터 활용 기술 현황과 전망(1)

데이터 및 AI를 활용한 유·무기 하이브리드 적외선 광전 소재 개발 동향

고서진_한국화학연구원 광에너지융합연구센터 책임연구원

1.    서론

적외선(IR) 광전 소재는 야간 투시, 환경 모니터링, 열영상, 통신 등 다양한 첨단 기술에 필수적인 요소입니다. 이러한 기술들은 산업과 일상생활에 걸쳐 점점 더 중요해지고 있으며, 이에 따라 새로운 적외선 소재의 필요성도 급격히 증가하고 있습니다. 다양한 유형의 IR 민감 소재 중에서 유기/무기 하이브리드는 유기 물질의 조정 가능성과 유연성, 무기 물질의 안정성과 높은 캐리어 이동성을 결합한 독특한 특성 덕분에 유망한 후보로 떠오르고 있습니다.

 이러한 매력적인 적외선 광전소재는 인터랙티브 디스플레이 플랫폼에 주요 키가 될 것으로 예상되고 있다. “인터랙티브 디스플레이”는 기존 표시기능의 디스플레이 패널에서 탈피하여 전화면 지문인식을 통한 보안강화, 심박수, 혈압, 스트레스 수준 등의 생체정보 측정을 통해 상호교감이 가능한 센서 일체형 융복합 디스플레이로서 다양한 산업분야로의 적용이 가능하여 더불어 관련 시장들이 폭발적으로 성장하고 있다. 국내에서도 DID(Digital Information Display)로 알려진 인터랙티브 디스플레이 업계는 소재 원천기술력이 뒷받침되지 못한 상황에서 시급한 상품화가 진행되었던 것으로 평가되고 있다. 

인터랙티브 디스플레이의 핵심인 발광 및 센서 기능을 모두 포함하는 디스플레이의 구현이며, 이를 위한 원천 소재확보 경쟁이 전 세계적으로 매우 치열한 상황이다. 이러한 디스플레이 기술의 발전과 함께 적외선 감지 센서가 일체화된 터치형 인터랙티브 디스플레이 수요 급증하고 있으며, 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 디바이스 등 다양한 인터랙티브 디바이스에서 적외선 감지 센서의 중요성이 대두되며, 이에 따라 적외선 발광/감지 유·무기 하이브리드 소재 개발 필요성이 강조되는 추세이다. (그림1) (韓) 삼성디스플레이, LG디스플레이, (독) Osram, (日) Sharp, NEC, Panasonic, (中) Leyard Optoelectronic, (美) Elo Touch Solutions, Crystal Display Systems, ViewSonic 등 인터랙티브 디스플레이 시장 개척을 위한 연구개발 진행 중이다.

그림 1. 인터랙티브 디스플레이 시장 전망 및 적용분야 

2.    본론

디스플레이용 적외선 감지 유·무기 하이브리드 광전 소재 개발 필요성 측면에서 적외선 광전소재개의 부재가 이슈가 되고 있는데 기존 실리콘 기반 850~1,100nm 적외선 감지소자는 근적외선 영역에서 감지 효율이 낮고, 차세대 디스플레이인 나노입자 기반 용액공정 및 증착 공정적용이 불가하여 신규 소재 개발이 필수적으로 수반되어야 한다. 유기물을 이용한 적외선 센서의 경우, 900nm 이상인 1050nm에서 높은 감지 효율을 보이고, 기존 나노입자 기반 차세대 디스플레이와 적층형 소자 구성으로 고해상도, 고감도 구현이 가능해 차세대 디스플레이 공정에 적용가능한 장점이 있다. 

한편, 900nm 내외 짧은 파장영역 적외선을 활용하는 경우, 시신경 손상 위험 방지를 위한 저광량 사용으로 고화질 이미지를 얻기 어려워 보다 긴 단파적외선 영역(1,000~2,500nm)을 활용한 FHD 이상 고해상도 적외선 센서용 소재가 필요하다. 기존에는 단파적외선 영역 감지 소재로 InGaAs(인듐갈륨비소) 단결정기반 적외선 광전 소재를 에피택시 기술을 통해 소자화하였으나, 진공증착, 용액공정 등의 디스플레이 패널 제조공정 적합성이 낮아 직접 적용이 불가능하다. 양자점 기반 단파적외선 광전 소재는 용액공정이 가능하여 기존의 InGaAs 감지소자보다 훨씬 낮은 공정 단가를 가지며, 밴드갭 조절이 용이하여 넓은 파장 범위까지 흡광이 가능하다는 장점이 있다. 

현재까지는 PbS 기반 양자점이 단파적외선 감지 소재로 상업화가 진행중이지만, 인체에 유해한 중금속(납)을 포함하고 성능이 낮아 신규 고성능 감지 소재 개발이 필요한 상황이다. (그림2) 이러한 유·무기 기반 근적외선 및 단파적외선 광전 소재는 차세대 OLEDs, 양자점 디스플레이 패널 제조공정에 직접 적용이 가능하여 감지/발광이 동시에 가능한 인터랙티브 디스플레이의 실질적 구현을 가능하게 할 것으로 예상된다. 또한 디스플레이용 적외선 감지 유·무기 하이브리드 광전 소재는 기존 디스플레이 공정과의 적합도가 높고, 스마트 글래스, 감시용 카메라, 군용 카메라 등 광범위한 인터랙티브 디스플레이 응용분야로의 시장확대가 기대된다.

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