이미지 센서에서 전극과 컬러필터를 하나로-간섭계 전극을 이용한 고집적도 이미지 센서 개발

이미지 센서에서 전극과 컬러필터를 하나로-간섭계 전극을 이용한 고집적도 이미지 센서 개발

등록일 2019.02.20.

 

 

 

이미지 센서에서 전극과 컬러필터를 하나로!
- 간섭계 전극을 이용한 고집적도 이미지 센서 개발 -
 

□ 이미지 센서에서 컬러필터를 제외해 공간 집약도를 극대화한 기술이 개발되었다. 정대성 교수(DGIST) 연구팀이 간섭계 전극을 이용하여 컬러필터 없는 풀컬러 이미지 센서를 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 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.

 ㅇ 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.

 ㅇ 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 ㎚(나노미터) 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”이라고 연구 의의를 설명하며, “가시광선 뿐 아니라 근적외선, 적외선 이미지센서를 활용하는 모바일 기기까지 확대될 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 우주핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 재료분야 세계적 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 2월 1일 온라인 게재되었다.

<참고자료> : 1. 주요내용 설명  2. 그림 설명             3. 연구 이야기

? 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Bifunctional etalon-electrode to realize high-performance color filter frree image sensor
저  자
정대성 교수(교신저자, DGIST), 윤성원 박사과정(제1저자, DGIST), 심규민 통합과정(DGIST)

□ 연구의 주요내용
 1. 연구의 필요성
  ○ 자율 주행 차량, 머신 비전 및 가상/증강 현실 등의 차세대 산업이 발전함에 따라, 이들에 필수적으로 사용되는 이미지 센서 기술 또한 관심을 받고 있다. 현재 실리콘(Si)을 광활성층으로 사용하는 CMOS 이미지 센서가 가장 널리 사용되고 있는데, 실리콘의 간접 밴드 갭(indirect band gap)에 기인하는 낮은 흡광계수와 색 선택성의 부재, 이로 인한 긴 광경로에 따른 집적도의 한계를 극복하지 못하고 있다. 특히, CMOS 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀 소자인 광다이오드가 입사광의 색을 구분하기 위해 필요한 컬러필터의 경우, 컬러필터 자체의 흡광에 의한 소자의 양자 효율 감소 및 컬러필터 설치를 위한 추가 공정의 필요와 같은 단점을 지니고 있어, 차세대 고성능 이미지 센서의 개발을 위해서는 단위 픽셀 소자의 박막화 뿐만 아니라, 컬러필터의 배제 역시 고려되어야 한다.
  ○ 상기 CMOS 이미지 센서의 단점들을 보완하기 위해, 실리콘 대신 높은 흡광계수를 가지는 유기 반도체를 이용하는 유기 이미지 센서가 최근 주목을 받기 시작하였고, 2018년 2월 파나소닉(Panasonic) 사에서 최초로 유기 반도체를 이용한 이미지 센서의 시제품을 선보였다. 기존 센서 구조에서 실리콘 대신 유기 반도체를 이용하여 광활성층의 두께를 기존의 약 3 μm에서 0.5 μm 수준으로 혁신적으로 감소시킬 수 있었고 이에 따른 유효 입사각의 향상 및 수광면적의 확대 등 다양한 장점을 구현할 수 있었다. 하지만, 이 제품의 경우에도 여전히 색 선택성을 부여하기 위해 컬러필터를 사용하였기 때문에 컬러필터에 의한 단점은 해결하지 못하였다고 할 수 있다.
 2. 연구내용
  ○ CMOS 및 유기 이미지 센서의 한계를 두루 극복하기 위해, 기존 광다이오드의 광입사부 투명 전극을 색 선택성을 가지는 간섭계 전극 구조로 대체하여, 전극과 컬러필터 역할을 동시에 수행하도록 구현했다. 박막형 (두께 < 800 nm) 광다이오드를 단위 픽셀로 활용하여 컬러필터를 배제한 이미지 센서로부터 이미지를 촬영할 수 있음을 확인하였다.
  ○ (간섭계 전극 형성) 광입사부 투명 전극에 도입한 간섭계는 파브리-페로 간섭계* 구조로서, 불화 리튬(LiF) 박막 양면에 은(Ag) 박막을 붙인 구조이다. 그 외부에는 반사 방지를 위해 불화 리튬 박막을 추가적으로 적층했다. 중심 불화 리튬 및 은 박막의 두께를 조절하여 R/G/B의 중심 파장에 대해 높은 선택성을 가지면서도 높은 전기 전도도를 가지도록 구현했다.
     * 파브리 페로 간섭계(Fabry-Pérot interferometer) : 유리와 같은 높은 투과도를 가지는 박막(광학 스페이서)의 양면에 은과 같은 높은 반사율의 박막을 붙인 구조의 간섭계로, 간섭계 내 다중 간섭에 의해 특정 파장에 대해 높은 투과도를 가지게 됨.
  ○ (광활성층 개발) 3종의 유기 반도체를 혼합해 전색성* 광활성층을 개발했다. 실제 광다이오드로 적용할 때 가시광선 전 영역에서 1013 Jones 이상의 일정하면서도 높은 광검출능을 보였다. 현재 널리 사용되는 실리콘 광다이오드와 비견되는 성능이다.
     * 전색성 : 가시광선 전 영역(400～700 nm)에서 흡광 및 감광이 가능한 성질
  ○ (광다이오드 및 이미지센서 제작) 유리 기판 위에 간섭계 전극을 증착하고 상부에 전색성 광활성층을 적층, 그 위에 알루미늄 전극을 증착하여 R/G/B에 대해 높은 선택성을 가지는 광다이오드를 형성했다. 형성한 광다이오드는 R/G/B 세 중심 파장에 대해 모두 1012 Jones 이상의 높은 감광 성능과 각 중심 파장에 대해 반치폭 120 nm 이하의 높은 파장 선택성을 보였다. 선형 동적 범위(일정한 감광 효율을 나타내는 빛의 세기의 범위) 또한 세 R/G/B 선택성 소자 모두 160 dB에 가까운 높은 성능을 보였다. 이는 매우 약한 빛부터 태양광에 가까운 강한 빛까지 넓은 범위의 빛의 세기에 대해 소자 성능이 일정하게 유지됨을 의미한다. 최종적으로는 10×10 픽셀로 구성된 컬러필터 프리 이미지 센서의 시제품을 제작하였고, 이를 통해 별 모양의 풀 컬러 이미지를 얻어, 해당 간섭계 전극 구조 기술이 컬러필터 프리 이미지 센서의 핵심 기술로 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
 3. 연구성과/기대효과
  ○ 개발한 간섭계 전극 구조를 이용한 유기 이미지 센서가 현재 사용되는 CMOS 이미지 센서를 대체하게 된다면, 1) 기존의 3 μm에 달하는 실리콘 반도체 대신 약 800 nm의 두께를 가지는 유기 광다이오드를 단위 픽셀로 사용하여 2 μm 이상의 센서 두께에 해당하는 공간을 추가로 확보할 수 있는데, 이는 글로벌 셔터 기능과 같은 이미지 센서의 고성능화를 위하여 추가되는 모듈을 삽입하기 용이하게 한다. 또한 2) 컬러필터를 이미지 센서 구조에서 배제할 수 있고, 그에 따른 공정 비용의 감소와 더불어 컬러필터 두께 (수 백 nm ~ 수 μm)에 해당하는 공간을 전극의 역할과 컬러필터의 역할을 동시에 할 수 있는 간섭계 전극 (230 nm 이하)으로 대체하여, 이를 통해 이미지 센서 소자 내 공간을 한 층 더 확보할 수 있다. 그리고 3) 단위 픽셀의 총 두께가 800 nm 이하이기 때문에, 휨 및 인장력에 대해 안정성이 필요한 웨어러블 소자에 적용하기에 실리콘 반도체에 비해 더욱 적합하다.
  ○ 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 이끌어 낼 수 있을 것으로 기대된다.
  ○ 상기 예상되는 장점들은 모두 기존의 이미지 센서의 한계를 돌파할 수 있는 장점으로, 현재의 이미지 센서 기술을 한 발자국 더 나아가게 하는 새로운 돌파구가 될 수 있을 것으로 예상한다. 나아가 컬러필터의 제거가 필요한 다양한 여타의 응용 기기에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

? 그림 설명

(그림1) 색 선택성을 가지는 간섭계 전극의 형성
광학 시뮬레이션을 통해 적색광, 녹색광, 청색광(R/G/B)에 대해 높은 투과도를 가지는 두께 조합을 조사하였다.
(그림2) 고성능 전색성 광다이오드의 제작
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).

(그림3) 간섭계 전극을 이용한 색 선택성 광다이오드의 형성
상기 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).
(그림4) 컬러필터 배제형 이미지 센서 시제품 제작
상기 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).

? 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

현재 사용되고 있는 이미지 센서는 광활성층 소재인 실리콘이 가지고 있는 두꺼운 두께나 색 선택성의 부재와 같은 다양한 단점들을 가지고 있었습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 컬러필터를 배제할 수 있는 방법을 물색하던 중 파브리-페로 간섭계에 대해 알게 되었고, 이 구조를 투명전극부분에 적용할 수 있다면 컬러필터 없이도 색 선택성을 부여할 수 있을 것으로 생각되어 이번 연구를 진행하게 되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

파브리-페로 간섭계에 대해 알게 되고 투명전극 구조를 대체하기로 결론을 지은 후, 형성한 간섭계 또한 투과율이 100%가 되지는 않기 때문에, 투과율에 의한 손실을 고려하더라도 높은 감광 효율을 갖도록 하기 위해 고성능 광다이오드를 개발할 필요를 느꼈습니다. 또한 색 선택성을 오롯이 간섭계 전극의 변화에만 의존하도록 하기 위해, 가시광선 전 영역에 대해 일정한 수준으로 흡광 및 감광하는 전색성 광다이오드를 구현하고자 했습니다. 전색성 광다이오드의 투명전극 위치에 간섭계 전극을 도입하여 형성한 광다이오드 감광 스펙트럼이 예상한 바와 같이 R/G/B에 대해 높은 선택성을 가지면서도 꽤 높은 성능을 보여, 이들을 단위 픽셀로 이용하여 일종의 간이 이미지 센서를 만들어 이미지를 촬영하게 되었습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

광다이오드는 광활성층 이외에도 투명전극, 반사성 전극 및 이들과 광활성층 사이에 존재하는 버퍼층 등 다양한 층이 수직 적층된 구조이기 때문에, 처음에는 그 중 어느 층에 파브리-페로 간섭계 구조를 도입하는 것이 가장 효율적일지 직관적으로 알기는 어려웠습니다. 그래서 간섭계를 구성하는 물질의 종류나 두께, 그리고 이에 따른 광학 상수들의 변화 등 간섭계 자체에 대한 분석을 통해 광다이오드의 투명전극 부분을 대체하는 것이 가장 효율적일 것으로 결론을 지었습니다.
투명전극을 대체한다는 결론을 지은 이후에는 전극으로 사용할 수 있는 물질로 한정하여, 이에 대한 광학 시뮬레이션을 거쳐 현재의 간섭계 전극을 구현하였습니다. 광학 시뮬레이션을 통한 전극의 최적화 또한 꽤 오랜 기간이 걸렸지만, 최적화의 한 단계 한 단계를 착실히 밟아나가, 결국 최적화된 간섭계 전극을 형성하는 조건을 성공적으로 찾을 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재의 이미지 센서 개선을 위한 가장 중요한 2가지 키워드를 꼽자면, ‘박막화’와 ‘컬러필터 배제’라고 생각합니다. 이러한 키워드들의 관점에서 보았을 때, 두 키워드 중 하나를 개선한 연구 결과는 매우 많았지만, 두 키워드에 대해 모두 개선한 연구 결과는 여태까지 보고된 적이 없다고 생각합니다. 또한, 간섭계 전극을 형성하는 방법인 열증착 방법은 현재 산업계에서 다양한 형태의 전극을 형성하기 위해 사용되는 방법 중 하나이기 때문에, 산업계에 적용하기 한층 더 편리하다는 점에서도 큰 의미를 가진다고 할 수 있습니다.
또한 R/G/B 픽셀에 대하여 같은 두께의, 같은 조성의 유기 소재를 적용할 수 있어 대면적 패터닝 등에 있어 훨씬 더 유리한 장점이 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

간섭계 전극 기반의 이미지 센서가 실용화된다면 기존 이미지 센서보다 훨씬 얇은 두께를 가질 것으로 예상되는데, 이러한 특성은 글로벌 셔터 기능과 같은 다양한 기능을 이미지 센서에 부여하기 용이하게 할 수 있어, 이미지 센서를 다기능화하기에 훨씬 적합하다고 생각합니다.
하지만, 간섭계 전극 기반의 광다이오드를 실용화하기 위해서는 위에서 언급한 것과 같이 이미지 센서를 구성하는 회로와 같은 다른 요소들에 대한 최적화가 필요하기 때문에, 아직은 시기상조라고 생각합니다. 그러나 현재 전자 소자들을 제작하기 위해 사용되고 있는 공정을 이용해서 간섭계 전극을 어렵지 않게 구현할 수 있기 때문에, 통상적인 연구 결과들에 비해 실용화에 훨씬 더 다가가 있다고 생각합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이번 연구와 같은 이미지 센서의 시제품이 아닌 실제 카메라에 적용이 가능한 이미지 센서를 제작하고, 이를 통해 10×10 수준이 아닌 수백만 화소로 이루어지는 이미지 촬영이 가능하도록 이미지 센서를 구성하는 회로에 대한 연구를 진행할 계획입니다. 이를 통해, 차후 연구에서는 우리 연구실에서 제작한 이미지 센서를 이용하여, 상용 카메라로 촬영한 것과 유사하거나 능가하는 양질의 이미지를 확보하는 것을 목표로 하고 있습니다.