한미 공동 연구진이 기존 센서 대비 전력 효율이 높고 크기가 작은 고성능 이미지 센서를 구현할 수 있는 차세대 고해상도 이미지 센서 기술을 개발했다. 전 세계 시장에서 소니(Sony)가 주도하고 있는 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지 센서 기술에 대한 원천 기술을 확보해 향후 시장 진입 가능성이 크다.
김상현 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수 연구진은 인하대, 미국 예일대와 공동연구를 통해 초박형 광대역 광다이오드(PD)를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘빛, 과학과 응용(Light: Science & Applications)’에 지난 15일 발표됐다.
광다이오드는 빛을 전류로 변환하는 반도체 소자다. 일반적으로 광다이오드에서 빛을 받아들이는 흡수층이 얇아지면 화소 공정이 간단해져 높은 해상도 달성이 가능하다. 더불어 원가도 절감이 가능하다. 하지만 흡수층이 얇아지면 장파장의 빛의 흡수는 줄어들어 효율이 떨어지는 문제가 있다.
연구진은 이번 연구에서 광다이오드의 기존 기술에서 나타나는 흡수층 두께와 양자 효율 간의 상충 관계를 획기적으로 개선했다. 도파 모드 공명(GMR) 구조를 도입해 400㎚(나노미터, 10억분의 1m)에서 1700㎚에 이르는 넓은 스펙트럼 범위에서 광 흡수를 고효율로 유지할 수 있음을 입증했다. 이 파장 대역은 가시광선 영역뿐만 아니라 단파 적외선(SWIR) 영역까지 포함해 다양한 산업적 응용에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 도파 모드 공명은 특정 파동(빛)이 특정 파장에서 공명하는 현상으로, 일부 조건에서 에너지를 최대화해 효율을 높이는 데 쓰인다.
결과적으로 1㎛(마이크로미터, 100만분의 1m) 이하의 얇은 흡수층에서도 70% 이상의 높은 양자 효율을 달성했다. 기존 기술보다 흡수층 두께를 약 70% 줄이면서도 효율을 높인 것이다.
단파 적외선 영역에서의 성능 향상은 점점 고해상도화되는 차세대 이미지 센서의 개발에도 중대한 기여를 할 것으로 예상된다. 연구진은 “저전력 소자와 초고해상도 이미징 기술에 대한 국제 경쟁력을 높여 디지털카메라, 보안 시스템, 의료 또는 산업용 이미지 센서 응용 분야부터 자동차 자율 주행, 항공, 위성 관측과 같은 분야에 쓰일 미래형 초고해상도 이미지 센서의 실현 가능성을 크게 높였다”고 설명했다.
연구 책임자인 김상현 교수는 “이번 연구를 통해 초박막 흡수층에서도 기존 기술보다 훨씬 높은 성능을 구현할 수 있음을 입증했다”고 덧붙였다.
참고 자료
Light: Science & Applications(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01652-6