2023년 11월, 한양대학교 ERICA 나노광전자학과 이지원 교수와 벨기에 imec 공동 연구팀이 유기 또는 양자점 기반의 초저가 이미지 센서 화질을 획기적으로 개선할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 이를 통해 고화질 단파 적외선 센서를 초저가로 구현할 수 있어 관련 제품들의 시장 경쟁력이 기대된다. 이번 연구 성과는 관련 분야 상위 0.18% 수준의 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF 34.3, JCR 0.18%)에 게재되는 기염을 토했다.

​안 보일 때도 볼 수 있는 단파 적외선 센서

단파 적외선 대역 카메라는 연기나 짙은 안개와 같은 악천후 또는 야간에 시야 확보를 가능하게 하거나, 스마트폰 디스플레이 하부에서 얼굴인식을 통한 잠금 해제를 가능하게 하는 등의 중요한 산업적 가치를 지닌다. 단파 적외선이 무엇이길래 이를 가능케 하는 것일까?

​먼저 적외선은 우리의 눈으로 볼 수 있는 영역, 가시광선보다 파장이 긴 전자기파다. 적외선을 파장별로 분류할 수 있는데, 1400~3000nm 파장에 속하는 적외선을 단파 적외선(SWIR)으로 분류한다. 단파 적외선은 물체에서 반사되는 빛을 탐지할 수 있고 물체가 내뿜는 미세한 빛을 감지할 수 있어서 이미지를 더욱 선명하게 만들거나 깜깜한 밤에도 이미지를 담아낼 수 있다.

​이미지 센서로서 강력한 장점을 가진 단파 적외선 센서도 큰 단점이 있는데, 바로 매우 비싼 가격이다. 단파 적외선 센서는 단파 적외선 검출을 위해서 III-V 족 기반의 반도체(InGaAs)를 활용한 이미지 센서가 사용된다. 그러나 이와 같은 이미지 센서는 수천만 원 이상의 고가로 국방과 같은 제한적인 상황에만 활용되는 실정이다.

​박막물질을 활용한 이미지 센서

연구결과 모식도 / 단파 적외선 센서에 TFT 기술을 활용해 화질 개선에 성공했다.

신기술 개발 전에도 단파 적외선 센서를 저렴한 가격으로 구현하기 위한 노력이 있었다. 퀀텀닷이나 OLED와 같은 박막 물질을 사용해 단파 적외선을 탐지하는 데 성공했다. 박막물질은 적외선 감지에 탁월하고 실리콘 기판 위에 모놀리적 집적이 가능해 최근 InGaAs의 유망한 대안으로 주목받고 있다. 하지만 잡음(noise) 특성이 좋지 못해 고화질 이미지 센서로 구현이 어렵다는 단점을 가진다.

​기존 단점 해결을 위해 본 기술에선 산화물 반도체와 박막물질을 동시 집적한 박막 기반 포토게이트를 고안했다. 센서 사이 픽셀의 빛을 조절하는 TFT(Thin Film Trangister, 박막트랜지스터)를 배치해 잡음을 줄이는 데 성공했다. 이를 통해 저잡음 이미지 센서 구현이 가능한 전압 고정형 수광 다이오드(Pinned Photodiode, PPD) 기반의 이미지 센서를 세계 최초로 구현했다.

​모두가 누릴 수 있는 고화질

연구 결과, 신기술은 기존 대비 10배 이상 암부 잡음을 줄일 수 있다. 이는 초저가 박막물질 기반의 단파 적외선 이미지 센서로 상용 실리콘 이미지 센서 수준의 고화질을 구현할 수 있다.

​상용화를 위해 여러 과정이 필요하겠지만, 이를 적용한다 가정할 때 기존 가격의 최소 10분의 1, 많게는 100분의 1까지 절감된다. 현재 수천만 원 상당의 카메라를 수백, 수십만 원에 구매할 수 있을 것이다.

​특히나 신기술은 특정 상황에만 적용되는 것이 아니라 이미지 센서를 사용하는 모든 사례에 적용될 수 있기에 이점이 무궁무진하다. 센서 가격이 저렴해져 기존엔 사용할 수 없던 곳에 사용할 수 있고, 센서에 소모되는 비용을 다른 부품에 투자해 또 다른 혁신을 일으킬 수도 있다.