Research

POSTECH·벨기에IMEC·서강대, 페로브스카이트 기반 광소자로 기존 센서 한계 극복

 최근 반도체공학과·전자전기공학과·반도체대학원 이지원 교수팀이 벨기에 반도체 연구기관인 IMEC(아이맥), 서강대 김성진 교수 연구팀과 함께 차세대 이미징 기술을 선도할 3D 이미지 센서를 개발했다. 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 게재됐다. 

 자율주행차, 로봇, AR·VR 기기 등이 원활하게 작동하려면 주변 환경과 사물을 정확하게 인식해야 한다. 이를 가능하게 하는 핵심 기술이 바로 ‘3D 이미지 센서’다. 그러나 기존 실리콘 기반 센서는 여러 개의 센서를 겹쳐 사용해야 해 비용과 시간이 많이 들며, 반응 속도와 해상도에서도 한계를 보여왔다.

 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 ‘페로브스카이트(Perovskite)’라는 신소재를 활용했다. 이 소재는 빛을 효율적으로 흡수하고 전기를 빠르게 전달하는 특성이 있어 선명한 이미지를 빠르게 구현할 수 있다. 연구팀은 이를 빛을 흡수하는 얇은 필름 형태의 광소자로 활용해 ‘박막 포토다이오드(TFPD^*1)’ 기술을 개발하고, 기존 실리콘 센서와 결합해 2D와 3D 이미지를 동시에 처리하는 혁신적인 센서를 구현했다. 

 특히, 연구팀은 ‘간접 비행시간 측정(i-ToF^*2)’ 기술을 도입해 기존 센서보다 훨3 빠르고 정확하게 물체의 깊이 정보를 얻을 수 있도록 했다. 실험 결과, 이 센서는 센서가 빛을 전기 신호로 변환하는 효율을 나타내는 ‘외부 양자 효율(EQE^*3)이 매우 높아 더 밝고 선명한 이미지와 영상을 제공하는 것으로 확인됐다.

 이번 연구는 실생활에서도 큰 변화를 불러올 것으로 기대된다. 자율주행차는 보행자와 장애물을 더욱 정확하게 감지해 교통사고 위험을 낮출 수 있으며, 로봇은 정밀한 동작이 가능해져 가사와 의료, 산업 현장에서 활용도가 높아질 것이다. 또한, AR·VR 기기의 화질이 개선되어 사람들에게 더 생생하고 몰입감 있는 가상현실 경험을 제공할 것으로 기대된다.

 이지원 교수는 “이번 연구는 실리콘 기반 CMOS 이미지 센서 기술과 페로브스카이트 광다이오드의 우수한 광전자 특성을 결합한 첫 사례로, 차세대 이미징 기술의 중요한 진전을 이뤘다”라며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 

 한편, 이 연구는 2023년도 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원 지원사업 ‘민관공동투자반도체고급인력양성사업’의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13136

1. TFPD: Thin-Film Photodiode

2. i-ToF(indirect time of flight) : 방사한 광 신호와 물체에 반사된 신호의 위상 변화(phase shift)를 측정하여 신호가 이동한 시간을 간접적으로 계산하는 거리 측정 기술.

3. EQE(External Quantum Efficiency): 포토다이오드에 조사된 광자의 개수에 대한 생성된 전자의 개수의 비율로 포토다이오드의 효율성을 나타내는 지표.