[한국대학신문 이정환 기자] 연기나 짙은 안개와 같은 악천후 또는 야간 시야 확보가 가능한 고화질 단파적외선 센서를 초저가로 구현할 수 있는 기술이 세계 최초로 개발됐다. 해당 기술은 수천만 원 수준의 고가로만 구현이 가능하던 단파적외선 대역의 카메라를 수십만 원 수준의 가격으로 구현할 수 있어 시장 경쟁력이 기대된다.

한양대학교 ERICA 나노광전자학과 이지원 교수와 벨기에 imec 공동 연구팀이 유기 또는 양자점 기반의 초저가 이미지 센서 화질을 획기적으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다고 한양대가 4일 밝혔다.

단파적외선 대역 카메라는 연기나 짙은 안개와 같은 악천후 상황 또는 야간에서의 시야 확보를 가능하게 하거나, 스마트폰의 디스플레이 하부에서 얼굴인식을 통한 잠금 해제를 가능하게 하는 등의 중요한 산업적 가치를 지닌다. 기존의 실리콘 기반의 이미지 센서는 가시광 대역의 파장을 검출은 가능하지만, 단파 적외선 검출을 위해서는 다른 반도체 물질의 활용이 필요하다.

이를 극복하기 위해서 기존에는 III-V족 기반의 반도체 (InGaAs)를 활용한 이미지 센서가 사용되고 있으나, 수천만 원 이상의 고가로 국방과 같은 제한적인 응용에만 활용되는 실정이다. 유기물 또는 양자점과 같은 박막물질은 적외선 수광 특성이 우수하고, 저가로 실리콘 기판에 모놀리식(monolithic) 집적이 가능하다는 장점으로 인해 최근 유망한 대안으로 주목받고 있다. 하지만 이러한 적외선 센서는 잡음특성이 좋지 못해 고화질 이미지 센서로 구현이 어렵다는 단점을 가진다.

연구진은 공정 완료된 실리콘 웨이퍼 위에 모놀리식 집적이 가능한 산화물 반도체 (InGaZnO) 물질이 박막기반 수광소자의 전자 전송층으로도 활용될 수 있다는 점에 착안해 산화물 반도체와 박막물질을 동시 집적한 박막기반 포토게이트(Photogate)를 고안했다. 이를 통해 저잡음 이미지 센서의 구현이 가능한 전압 고정형 수광 다이오드 (Pinned Photodiode, PPD) 기반의 이미지 센서를 세계 최초로 구현했다.

연구 결과, 새로 개발된 기술은 기존 대비 10배 이상 암부 잠음을 줄일 수 있다는 것을 확인했다. 이는 저가의 박막 기반의 단파적외선 이미지 센서로 상용 실리콘 이미지 센서 수준의 고화질을 구현할 수 있는 것으로, 5년 내 4조원 이상으로 예상되는(참조: Yole, SWIR Imaging 2023) 관련 신시장에서 승기를 잡을 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구 성과는 관련 분야 상위 0.18% 수준의 〈네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics, IF 34.3, JCR 0.18%)〉에 지난 8월 14일 게재됐다.