`초박막+초고해상도`...日소니 뛰어넘는 이미지 센서 나왔다

KAIST, 전력효율 높고 초박막 이미지 센서 개발
기존 대비 2.5배 얇은 흡수층서 높은 양자효율

KAIST는 얇은 흡수층으로 고해상도 이미지를 구현하는 '초박막 이미지 센서'를 개발했다. KAIST 제공

김상현 KAIST 전기및전자공학부 교수

전력 효율이 높고 크기가 작은 고성능 이미지 센서 기술이 개발됐다. 일본 소니가 주도하는 초고해상도 단파 적외선 이미지 센서 기술에 필적할 만한 원천기술로 평가된다.

KAIST는 김상현 전기및전자공학부 교수팀이 인하대, 미국 예일대와 공동으로 초박막 고해상도 이미지 센서 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

단파 적외선 이미지 센서는 인듐-갈륨-아세나이드(InGaAs) 화합물 반도체를 사용한다. 가시광선을 넘어 광범위한 스펙트럼을 감지할 수 있어 기존 이미지 센서보다 더 많은 정보를 제공할 수 있다. 하지만 센서의 흡수층의 두께가 3마이크로미터(㎛) 이상으로 광학적·전기적 교차 왜곡 문제를 초래하고, 픽셀 해상도를 낮추는 단점이 있다.

연구팀은 도파 모드 공명(GMR) 구조를 도입해 400∼1700나노미터(㎚)의 넓은 파장 대역에서 높은 효율의 광 흡수를 유지할 수 있음을 증명했다. 도파 모드 공명은 특정 파동이 특정 파장에서 강한 전기·자기장을 형성하는 공명 현상으로, 해당 조건에서 에너지가 최대화돼 해상도와 성능을 높일 수 있다.

기존 센서 기술에서 나타나는 흡수층 두께와 양자 효율 간 상충 관계를 획기적으로 개선한 것으로, 1마이크로미터 이하의 얇은 흡수층에서도 70% 이상의 높은 양자효율을 달성했다.

또한 기존보 기술의 흡수층 두께를 70% 이상 줄였다. 흡수층이 얇아지면 화소 공정이 간단해져 높은 해상도를 구현할 수 있고 원가도 절감할 수 있지만, 장파장의 빛의 흡수가 줄어들게 되는 문제가 생긴다.

연구팀은 가시광선 영역뿐만 아니라 단파 적외선 영역까지 포함함으로써 보안 시스템, 의료·산업용 이미지 센서 응용 분야에서부터 자율주행, 항공·위성 관측 등 다양한 산업 분야에 활용할 수 있다고 설명했다.

김상현 KAIST 교수는 "초박막 흡수층에서도 기존 기술보다 훨씬 높은 성능을 구현할 수 있음을 입증했다"며 "일본 소니가 주도하고 있는 초고해상도 단파 적외선 이미지 센서 기술에 대한 원천 기술을 확보해 시장 진입 가능성을 열었다"고 밝혔다.

이 연구 결과는 국제 학술지 '빛: 과학과 응용(지난 15일자)'에 실렸다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr