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  • 기사등록 2019-02-19 11:58:04
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[기계신문] 한국연구재단은 경북과학기술원(DGIST) 정대성 교수 연구팀이 간섭계 전극을 이용하여 컬러필터 없는 풀컬러 이미지 센서를 개발했다고 밝혔다.


현재 사용되는 이미지 센서에는 대상의 색깔을 정확하게 촬영하는 기능을 위해 컬러필터가 포함되어 있다. 그러나 컬러필터 삽입으로 인한 전자소자의 효율 저하, 공정비용 증가, 센서의 두꺼운 부피 등 단점이 지적되고 있다.


연구팀은 기존 이미지 센서의 투명전극을 간섭계 구조의 전극으로 대체해, 전극과 컬러필터의 역할을 동시에 수행하도록 구현했다. 또한 이를 적용한 이미지 센서 시제품 제작에도 성공했다.



▲ (1) 광학 시뮬레이션을 통해 적색광, 녹색광, 청색광(R/G/B)에 대해 높은 투과도를 가지는 두께 조합을 조사하였다. (2) 3종의 유기 반도체 질량비가 1:3:3일 때 가시광선 영역(400~700 nm)에서 일정한 흡광을 보였고(A), 최적화된 조합으로 광다이오드를 제작해 약 1013 Jones의 높은 검출능을 확인했다(B).



간섭계 구조에서 빛의 다중 간섭이 일어나 특정 파장의 빛만 투과되는 원리를 이용했다. 특히 간섭계 전극 구성요소의 성분과 두께를 조절함으로써, 전기전도성을 희생하지 않고도 적색(R)/녹색(G)/청색(B) 각각의 색 선택성을 높여주었다.


개발한 간섭계 전극을 가시광선 전 영역을 흡광하는 고성능 광다이오드 구조에 적용하여 색 선택성 광다이오드를 제작하고, 이 광다이오드가 10×10 픽셀로 배치된 이미지 센서를 제작했다. 이미지 센서의 단위 픽셀 두께가 800 ㎚ 이하이므로 휘어지는 웨어러블 소자에 적용하기에 적합하다.


정대성 교수는 “이미지 센서에서의 컬러필터 배제와 박막화라는 두 가지 목적을 동시에 달성하여, 기존 이미지 센서의 구조적 한계를 돌파한 기술적 혁신”이라면서 “가시광선뿐 아니라 근적외선, 적외선 이미지 센서를 활용하는 모바일 기기까지 확대될 것으로 기대한다”고 말했다.



▲ (3) 개발한 간섭계 전극을 고성능 전색성 광다이오드 구조에 도입하여(A), R/G/B 중심 파장에 대해 1012 Jones 이상의 높은 검출능을 보이고(B), 160 dB 이상의 높은 선형 동적 범위 를 보임(C). (4) 개발한 간섭계 전극 기반 색 선택성 광다이오드를 10×10 픽셀로 배치한 형태의 이미지 센서 시제품을 제작하여(A), 별 모양의 풀 컬러 이미지 촬영에 성공함(B).



간섭계 전극의 파장 선택성은 가시광 영역에 그치지 않고 더 넓은 영역으로 자유롭게 응용 가능한 까닭에, 간섭계 전극을 적용한 이미지 센서의 경우 모바일 의료용 기기에 보편적으로 요구되는 근적외선 센서에 적용하기에 최적의 기술이 될 수 있다.


기존 무기 반도체 기반 적외선 센서가 밴드 패스 필터(band-pass filter)를 필요로 하는데 반하여, 이 기술은 간섭계 전극이 해당 역할을 대체할 수 있기 때문이며, 따라서 적외선 이미지 센서가 요구되는 다양한 모바일 기기의 집약도 및 성능 향상을 이끌어낼 수 있을 것으로 기대된다.


한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업, 우주핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료분야 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 2월 1일 온라인 게재되었다.

최우석 기자 choiws@mtnews.net

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