한국-미국 공동연구팀이 차세대 고해상도 이미지 센서 기술을 개발했다. 개발한 기술은 기존 센서 대비 전력 효율이 높고, 크기가 작은 고성능 이미지 센서를 구현할 수 있다. 특히 기존에 일본 기업인 소니(Sony)가 주도해 온 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지 센서 기술의 원천기술을 확보해 향후 시장 진입 가능성이 큰 것으로 공동연구팀은 내다본다.
KAIST는 전기및전자공학부 김상현 교수팀이 인하대, 미국 예일대와 공동연구를 진행해 초박형 광대역 광다이오드(PD)를 개발했다고 20일 밝혔다.
우선 공동연구팀은 광다이오드의 기존 기술에서 나타나는 흡수층 두께와 양자 효율 간 상충관계를 개선해 1㎛ 이하의 얇은 흡수층에서도 70% 이상의 높은 양자 효율을 달성했다.
흡수층이 얇아지면 화소 공정이 간단해져 높은 해상도 달성이 가능하다. 또 캐리어 확산이 원활해져 광캐리어 획득에 유리하고, 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
하지만 일반적으로 흡수층이 얇아지면 장파장의 빛의 흡수가 줄어드는 문제에 부딪힌다. 공동연구팀은 이러한 문제를 개선해 기존 기술의 흡수층 두께를 70%가량 줄이는 데 성공했다.
공동연구팀은 도파 모드 공명(GMR·전자기학에서 사용하는 개념으로 특정 파동(빛)이 특정 파장에서 공명(강한 전기·자기장 형성)하는 현상) 구조를 도입했을 때 400㎚~1700㎚ 사이의 넓은 스펙트럼에서 고효율의 광 흡수를 유지할 수 있다는 사실도 입증했다.
이 파장 대역은 가시광선 영역뿐만 아니라 단파 적외선(SWIR) 영역까지 포함해 다양한 산업적 응용에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
단파 적외선 영역에서의 성능 향상은 차세대 이미지 센서의 개발에 새로운 전환점이 될 수 있다. 특히 도파 모드 공명 구조는 상보적 금속산화물 반도체(CMOS) 기반의 신호 판독 회로(ROIC)와의 하이브리드 집적, 모놀리식 3D 집적으로 해상도 및 기타 성능을 높일 가능성을 가진다.
공동연구팀은 저전력 소자 및 초고해상도 이미징 기술이 디지털카메라, 보안 시스템, 의료 및 산업용 이미지 센서 응용 분야부터 자동차 자율 주행, 항공 및 위성 관측 등 미래형 초고해상도 이미지 센서 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
김상현 KAIST 교수는 "공동연구팀은 이번 연구로 초박막 흡수층에서도 기존 기술보다 훨씬 높은 성능을 구현할 수 있음을 입증했다”며 "특히 세계 시장에서 소니가 주도하는 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지 센서 기술에 대한 원천 기술을 확보함으로써 향후 시장 진입도 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.
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한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다. 연구 논문에는 인하대 금대명 교수(前 KAIST 박사후 연구원)와 임진하 박사(現 예일대 박사후 연구원)가 공동 제1저자로 이름을 올렸다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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