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김경환 DGIST 연구원 "컬러필터 없는 이미지센서 개발...활용분야 무궁무진"
  • 박희범 과학기술전문기자
  • 승인 2018.06.14 12:00
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<대구경북과학기술원의 김경환연구원(왼쪽)과 정대성 에너지공학전공 교수>

“이미지센서는 카메라 등의 영상 입력장치의 핵심 요소입니다. 4차 산업혁명의 도래와 함께 자율주행자동차에 탑재되는 각종 센서와 카메라, 항공 촬영에 이용되는 드론, 보안 시스템, 머신비전 등에 응용이 가능합니다. 새로운 고부가가치 산업분야로 떠오르고 있는 이유입니다. ”

컬러필터 없는 이미지 센서를 개발한 김경환 대구경북과학기술원 에너지공학전공 연구원의 얘기다. 김 연구원은 정대성 대구경북과학기술원 에너지공학전공 교수(교신저자)의 지도를 받아 이 연구결과를 재료공학 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인(5월30일)에 제1저자로 이름을 올렸다. 조만간 표지논문으로도 게재예정이다.

현재까지 대부분의 상용화된 이미지센서는 실리콘을 재료로 사용하는데, 실리콘은 흡광계수가 낮아 픽셀 부피가 커지고 컬러필터를 필수적으로 사용해야 하며 광 경로가 길어 전체 픽셀의 두께가 두껍다는 단점이 있다.

또 이를 보완하기 위해 개발된 유기 이미지센서는 유기 반도체의 높은 흡광계수를 이용해 약 500~600 nm의 두께를 달성하는 데는 성공했지만 아직 박막 상태에서 컬러필터를 배제하는 기술에는 도달하지 못한 상태다.

김 연구원은 “화학적 표면 처리를 통해 표면 결함의 밀도를 감소시킨 이상적인 산화아연 박막을 제작해 유기 반도체와의 쇼트키 접합을 구현했다”며 “황 원자 전구체를 사용해 저온 용액공정법을 통해 형성된 산화아연 박막 표면에 존재하는 산소 결손부분을 황 원자로 도핑시키는 새로운 화학공정 개발이 핵심”이라고 밝혔다.

연구진은 “컬러필터 프리 이미지센서 구현을 위한 핵심 기술은 R/G/B 색 선택성 광다이오드의 개발”이라며 “색 선택성 반도체 소재와 투명전극 간의 쇼트키 접합을 유도하게 되면 색 선택성 광다이오드의 개발이 가능하다는 아이디어에 착안해 유기 반도체 소재와 투명전극 간의 쇼트키 접합을 구현할 수 있는 기술을 개발했다”고 설명했다.

“용액공정을 통해 박막형 소자를 만드는 방법의 가장 취약한 요소는 시편마다 성능의 편차가 크다는 점입니다. 이에 따라 하나의 박막에 추가적인 처리를 할 경우 그 위에 적층될 다른 박막의 형성과정에 미칠 영향을 고려해야 합니다.”

김 연구원은 그동안의 연구과정에서의 장애요소를 설명하며 “ 사이오시아네이트 이온을 산화아연 박막 위에 코팅하고 열처리를 하면 박막의 표면이 남아있는 이온으로 인해 매우 거칠어 유기 반도체 층이 형성될 때 좋지 않은 영향을 미친다는 사실을 알고 이를 해결하는데 애를 먹었다”며 “이를 방지하기 위해 황 원자 도핑을 거치고 남아있는 사이오시아네이트 이온을 제거할 수 있으면서 산화아연 박막에는 영향을 미치지 않는 용매로 세정과정을 거쳐 유기 반도체 층이 일관성 있게 형성될 수 있도록 했다”고 말했다.

황 원자 도핑 과정의 메카니즘을 보여준다. 저온 졸-겔 합성법으로 제조된 초기 상태의 산화아연 박막(a)은 산소 결손 부분이 존재한다. 이 부분을 사이오시아네이트(SCN-) 이온으로 코팅시킨 후(b) 열처리를 거쳐(c) 성공적으로 복원시켰다(d).

“최근 일본의 파나소닉(Panasonic) 사 등에서 유기 반도체를 이용한 박막형, 고집적도 이미지센서의 시제품을 내놨습니다. 하지만 아직 컬러필터 프리의 기술에는 도달하지 못한 형편입니다. 이번 연구에서 소개한 색 선택성 광다이오드를 이미지센서에 차용하면 값비싼 컬러필터를 사용하지 않으면서도 유기 반도체의 박막 특성을 활용한 고집적도의 구현이 가능한 새로운 이미지센서 개발이 가능합니다.”

김 연구원은 새로운 기술 개발에 자신감을 드러냈다. 김 연구원은 이번 연구결과가 도전 연구의 끝이 아니라, 새로운 시작이라고 힘주어 말했다.

황 원자 도핑에 의한 전극과 유기 반도체 사이의 쇼트키 접합을 보여준다. a그림은 원자 도핑 전의 각종 접합 특성을 정리한 도표. 고갈층 두께는 155 nm, 쇼트키 장벽은 0.66 eV, 내장 전위는 0.54 eV으로서 이상적인 쇼트키 접합이 구현되지 않았다. b그림은 황 원자 도핑 후의 각종 접합 특성을 정리한 도표. 고갈층 두께는 269 nm, 쇼트키 장벽은 0.81 eV, 내장 전위는 0.75 eV으로서 이상적인 쇼트키 접합이 구현된 것을 보여준다.

 

박희범 과학기술전문기자  snews@s-news.kr

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#DFIST#김경환연구원#이미지센서#자율주행자동차#4차산업혁명#정대성교수

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