신소재공학부 김선국 교수 연구팀, 저조도 환경에서도 더 선명하고 빠른 촬영을 위한 이미지 센서 개발

- 초고감도, 초고속, 광대역(가시광선-적외선) 검출용 이미지 센서 개발

▲ (왼쪽부터) 신소재공학부 김선국 교수, 박희경 박사, Anamika Sen 박사과정생

밝은 낮이나 어두운 밤 등 빛의 환경에 상관없이 선명하고 빠른 카메라를 위한 새로운 유형의 이미지 센서가 개발되었다. 실리콘 기반 센서를 사용하는 기존 카메라와 달리 이 새로운 센서는 원자 몇 개 두께에 불과한 이황화몰리브덴(MoS2)이라는 이차원 소재로 만들어졌다. 이 재료는 매우 얇아서 쉽게 나노구조로 패턴화될 수 있고, 특별히 설계된 나노 다공성 구조는 매우 약한 빛 신호뿐만 아니라, 가시광선과 적외선까지 포착할 수 있어 낮과 밤에 상관없이 이미지 품질을 향상시킬 수 있는 혁신적인 기술로 떠올랐다.

신소재공학부 김선국 교수 연구팀은 최근 고감도, 광대역, 초고속 동작 특성을 가진 나노 다공성 MoS2 능동 픽셀 이미지 센서를 개발했다고 밝혔다. 이 연구결과는 2023년 3월 세계적으로 권위 있는 저널 Advanced Materials에 게재되었으며 저널의 표지논문으로 선정되었다.

원자층 두께의 MoS2는 전기적, 광학적으로 우수한 특성 덕분에 차세대 광센서로의 가능성을 보였지만, 합성 기술의 더딘 발전과 합성 재료의 낮은 광반응성으로 인한 한계로 상용화에 어려움을 겪어왔다. 이러한 과제를 극복하기 위해 연구진은 물리적 기상증착방법에 화학적 기상증착법을 더한 2단계 성장법을 적용하여 4인치 크기의 균일한 MoS2 필름을 제조하였다. 뿐만 아니라 블록공중합체 리소그래피 공정을 MoS2 상에 적용하여 독특한 나노 다공성 구조를 형성함으로써 재료의 광반응성을 500배 이상 향상시키고 가시광선-적외선에 이르는 광대역 빛의 검출을 가능하게 했다. 이를 통해 저조도 환경에서도 더 선명한 이미지를 촬영할 수 있었다. 나아가 나노 다공성 MoS2의 밴드 구조 시뮬레이션을 통해 향상된 검출 특성의 원인을 조사했다.

이러한 새로운 나노 다공성 MoS2 광센서는 기존 카메라보다 더 빛에 민감할 뿐만 아니라 더 나은 화질과 빠른 성능을 제공할 수 있다. 또한 연구진은 MoS2 광센서를 고성능 IGZO 산화물 반도체 기반 스위칭/구동 트랜지스터와 통합하여 빠른 이미지 캡처 및 처리가 가능한 이미지 센서 픽셀을 제작하였다. 이차원 재료 기반의 이미지 센서 픽셀의 구동 특성은 본 연구를 통해 최초로 보고되었으며, 픽셀의 구동 속도가 50ms 이하로 측정되어, 실험실 장비가 가진 한계를 고려한다면 초당 약 20~30프레임 이상의 속도로 이미지를 캡처할 수 있을 것으로 예상되었다. 이는 일반적으로 초당 약 30프레임으로 이미지를 캡처하는 현재의 카메라 기술과 비슷한 수준이다.

▲ 나노 다공성 MoS2 능동 픽셀 이미지 센서 모식도 및 실제 디바이스 사진

김선국 교수는 이와 관련하여 "이번 연구는 이차원 재료 기반 이미지센서 집적회로의 상용화를 향한 주요한 발전을 이루어냈다. 이 기술은 추후 렌즈리스 카메라, 자율주행 자동차용 카메라, 의료용 이미지센서 등을 포함한 다양한 응용 분야로 확장할 수 있을 것"이라고 설명했다.

본 연구에는 신소재공학부 김선국 교수, Harvard Medical School 교수이자 양자생명물리과학원장인 Luke P. Lee교수, University of Waterloo의 윤영기 교수가 공동교신저자로 참여하였으며, 신소재공학과 박희경 박사와 Anamika Sen 박사과정 학생이 제1저자로 참여하였다. 본 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 이루어졌다.