이미지센서는 카메라 등 영상 입력장치의 핵심 요소로서, 4차 산업혁명의 도래와 함께 자율주행자동차에 탑재되는 각종 센서와 카메라, 항공 촬영에 이용되는 드론, 보안 시스템, 머신비전 등에 응용 가능하여 새로운 고부가가치 산업분야로 떠오르고 있다.

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.

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

최근 국내 연구진이 컬러필터 없이도 색이 선명한 신개념 이미지센서를 개발했다.

한국연구재단은 대구경북과학기술원 정대성 교수 연구팀이 유기 반도체와 투명전극 간의 접합 기술을 이용하여 색 선택성이 높은 유기 이미지센서를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 실리콘 이미지센서의 단점을 보완할 수 있는 유기 반도체를 기반으로 박막형 이미지센서를 개발하였다. 특히 이번 연구 성과는 유기 반도체의 색 선택성을 높여 주어 컬러필터를 사용하지 않아도 선명하게 영상을 구현할 수 있어 주목된다.

▲ 황 원자 도핑 과정의 메커니즘. 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).

연구팀은 산화아연으로 만들어진 투명전극 표면의 화학적 결함을 황 원자로 메워주는 방법을 개발했다. 이를 통해 유기 반도체와 투명전극 간의 쇼트키 접합 특성이 극대화되어 R/G/B 각 색상에 높은 선택성을 가질 수 있게 되었다.

또한 투명전극의 표면 결함이 극적으로 감소되어 박막의 품질이 우수하기 때문에 유기 반도체의 고질적 문제인 재생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

정대성 교수는 “유기 반도체와 투명전극의 이상적인 쇼트키 접합을 활용하여 고성능 컬러필터 프리 유기 이미지센서를 개발한 것”이라며 ”컬러필터 프리 이미지센서뿐만 아니라, 태양전지, 박막 트랜지스터, 가스센서 등 다양한 형태의 접합이 필요한 많은 산업적 응용에 적용할 수 있을 것으로 기대된다“고 밝혔다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 재료공학 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 5월 30일 온라인 게재되었으며 표지논문으로 게재될 예정이다.