가시광선/적외선 실시간 선택 검출 광센서

- 가시광/적외선 이중 밴드 이미지센서
- 자율주행차 및 무인항공기 등 응용 기대

하나의 센서로 눈에 보이는 가시광 이미지와 눈에 보이지 않는 적외선 이미지를 구분해서 획득할 수 있는 듀얼 광센서가 소개됐다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 허준석 아주대학교 교수, 유건욱 숭실대학교 교수, 이규상 University of Virginia 교수 공동 연구팀이 새 이종접합 구조(게르마늄/이황화몰리브덴) 기반의 광센서를 제안하고, 이를 통해 가시광선과 적외선을 실시간 선택적으로 검출하는 데 성공했다고 12월 29일 밝혔다.
  물체의 색깔 같은 가시광 이미지뿐만 아니라 안개 같은 악천후나 야간에 유용한 적외선 이미지를 필요에 따라 선택적으로 얻는 것은 운전자 보조시스템이나 드론, 로봇 등 각종 비전 시스템의 중요한 이슈 가운데 하나이다. 기존에도 시야가 어두워질 때를 대비한 가시광선/적외선 동시검출 광센서가 연구되었지만, 가시광 이미지와 적외선 이미지가 혼재하여 별도의 필터로 각 이미지를 구분해야 하는 번거로움이 있었다.
  이에 연구팀은 별도 필터 없이 전압 조절만으로 가시광 이미지와 적외선 이미지를 구분해 얻을 수 있는 독특한 에너지 밴드 구조의 광센서를 설계했다. 차세대 반도체 소재로 많은 주목을 받는 2차원 이황화 몰리브덴을 게르마늄(p-타입)과 반데르발스 이종 접합하여 기존 격자상수로 제한되는 반도체 물질 조합에서는 얻을 수 없는 독특한 에너지 밴드 구조를 구현한 것이다. 그 결과 전압에 따라 특정 파장 대역에 대한 암전류 및 광전류 증폭률을 조절, 가시광선만 검출하거나 적외선만을 검출할 수 있었다.
  허준석 교수는 “실제 적용을 위해 대면적 어레이 형태로의 확장과 대면적 2차원 소재에 직접 게르마늄 등의 반도체를 성장해 이종접합 구조를 구현하는 연구가 필요하다”고 설명했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 차세대지능형반도체 기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’에 12월 15일 게재됐다.

[주요내용 설명]

1. 연구의 필요성
파장이 1μm 이상인 단파장 적외선(SWIR, shortwave infrared)을 이용하면 빛이 없는 야간이나 빛이 산란하는 안개 등의 악천후에서도 장애물을 확인할 수 있다. 기존 이미지센서에서 사용하는 실리콘은 밴드갭에너지가 이러한 단파장 적외선 빛의 에너지보다 크기 때문에 근본적으로 이를 검출할 수 없는 한계를 지니고 있다.
  따라서 InGaAs/InP 화합물 반도체를 비롯해 PbS 양자점 등 다양한 좁은 밴드갭에너지 소재들을 이용한 연구들이 있었고, 가시광부터 단파장 적외선까지 검출할 수 있는 다양한 소자들이 발표되었다. 지금까지 선행연구는 밴드갭에너지가 작은 물질에 기존 광 검출 원리를 적용한 것으로 밴드갭에너지 이상의 가시광/단파장 적외선에 구분 없이 모두 반응하게 된다. 따라서 광센서의 출력 신호가 가시광과 단파장 적외선 중 어느 빛에 반응한 것인지 알기 어렵다.
  단파장 적외선을 필요로 하는 많은 응용들은 가시광 이미지 정보와 단파장 적외선 이미지 정보를 분리해서 얻기를 원하기 때문에 광학 필터로 검출 대역을 제한한 두 개의 광센서가 요구된다. 이는 이미지센서 소형화 및 고해상도 구현에 큰 걸림돌이기 때문에 하나의 광센서에서 가시광과 단파장 적외선을 구분하여 검출할 수 있는 기술이 요구된다.

2. 연구내용
2차원 반데르발스(van der Waals) 물질인 이황화몰리브덴과 p-타입 게르마늄으로 구성된 이종접합 구조를 이용해 type-II 밴드 정렬¹⁾을 구현, 동작 전압에 따라 가시광 또는 단파장 적외선에만 구분되어 반응하는 광센서를 개발하였다.
게르마늄같이 3차원 결합구조를 가지고 있는 경우 격자상수가 일치하는 물질끼리만 접합 구조를 만들 수 있지만, 2차원 반데르발스 물질을 이용함으로써 기존 물질 조합보다 다양한 이종접합 구조가 가능했고, 이들 물질의 도핑과 두께를 최적화해 독특한 type-II 밴드 정렬을 구성할 수 있었다. 이를 통해 전압 크기에 따라 전자와 정공의 흐름을 조절하고, 파장 대역에 따라 암전류 및 광전류 증폭률을 다르게 조절함으로써, 동작 전압에 따라 가시광만을 검출하거나 적외선만을 검출하는 광센서를 개발할 수 있었다.
  개발된 소자를 이용해 가시광과 단파장 적외선에 대해 구분된 이미지를 확보하는 듀얼 밴드 이미징 실험을 실시하였다. 실리콘 기판 앞면에는 웃는 얼굴, 뒷면에는 화난 얼굴을 가진 ‘지킬 앤드 하이드’ 패턴 앞쪽과 뒤쪽에 각각 가시광과 적외선을 비춘 상태에서 실험을 진행하였다. 개발한 광센서를 광기전(Photovoltaic) 모드에서 이미징하면 웃는 얼굴이 나타나지만, 광전도(Photoconductive) 모드에서 이미징하면 적외선을 검출하게 되어 숨겨진 화난 얼굴이 나타난다. 개발된 소자를 이용하면 가시광으로 파악할 수 없는 정보를 적외선을 통해 확인할 수 있음을 보여준 것이다.

3. 기대효과
하나의 광센서로 가시광과 단파장 적외선을 구분해서 검출할 수 있는 기술은 실리콘 이미지센서를 비롯해 기존 광센서에서 찾아볼 수 없는 기능을 가진 신개념 소자다. 가시광으로 인지할 수 없는 야간 또는 악천후 상황에서 적외선으로 장애물을 파악할 수 있어 운전자 보조시스템을 비롯해 드론, 로봇 등 기계 비전 시스템에 다양하게 활용할 수 있다. 무엇보다 가시광과 적외선을 선택적으로 이미징할 수 있어 적외선으로 물체의 형태를 파악하는 동시에 가시광으로 물체의 색깔 정보까지 획득할 수 있다.
  학술적인 측면에서도 2차원 반데르발스 물질과 기존 반도체를 조합한 이종접합 구조를 기반으로 격자 길이에 제한된 이종접합 구조에서 벗어나 새로운 소자를 개발할 수 있다는 가능성을 보여주었다는 점에서 의의가 크다. 기존 반도체 물질에서 불가능했던 구조 및 기능을 새로운 2차원 물질과의 조합을 통해 구현할 수 있을 뿐 아니라, 기존 반도체의 성숙한 공정 기술을 접목할 수 있어 상용화 가능성이 큰 새로운 반도체 소자 개발이 가능하다.

그림 1. 게르마늄/이황화몰리브덴 이종접합 광센서 모식도.
게르마늄(Ge) 기판에 2차원 이황화 몰리브덴 (MoS2)을 이종접합 광센서 모식도. 기존 반도체 이종접합이 격자 길이에 제한되었던 점에서 벗어나 반데르발스 이종접합 구조를 통해 차별화된 광센서 구현이 가능했다. (그림설명 및 그림제공 : 아주대학교 허준석 교수)

그림 2. 개발한 광센서를 이용한 가시광/적외선 듀얼 이미징.
앞뒤가 다른 ‘지킬앤드하이드’ 패턴을 이용해 가시광과 적외선을 선택적으로 검출할 수 있음을 검증하였다. 앞에는 가시광선을 비추고 뒤에는 적외선을 비춘 상태에서 광센서의 동작모드를 제어해 두 가지 이미징 결과를 얻었다.
- 광전도 모드에서는 가시광선만 검출하므로 앞면의 웃는 얼굴이 나타난다.
- 광기전 모드에서는 적외선만 검출하므로 뒷면의 화난 얼굴이 드러난다.
(그림설명 및 그림제공 : 아주대학교 허준석 교수)

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