DGIST, 차세대 자율주행용 적외선 이미지 센서 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 이종수 교수팀이 한국과학기술연구원(KIST) 박민철 책임연구원팀, 한국재료연구원(KIMS) 김용훈 책임연구원팀과의 공동연구를 통해 양자점과 2차원 반도체를 결합한 차세대 근적외선 이미지 센서 기술을 개발했다.

단파 적외선(SWIR)영역을 감지하는 적외선 센서는 낮과 밤은 물론 안개나 연기 속에서도 물체를 명확히 인식할 수 있어 자율주행 자동차, 로봇, 야간 감시, 의료 영상 등 미래 지능형 기술의 핵심 요소로 꼽힌다. 하지만 기존 센서는 주로 고가의 반도체 소재(InGaAs 등)를 사용해 제작 비용이 매우 비싸고, 넓은 면적의 센서로 만들기 어렵다는 치명적인 한계가 있었다.

이종수 교수 연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 빛 흡수율이 뛰어난 'Ag₂Te 양자점'과 전하 이동이 매우 빠른 'MoS₂ 2차원 반도체'를 결합한 하이브리드 광센서 구조를 제안했다. 양자점 특유의 느린 전하 이동 단점은 2차원 반도체로 보완하고, 각 소재의 장점만을 극대화해 새로운 대안을 제시한 것이다.

두 소재가 맞닿는 경계면에서 빛을 받을 때 발생하는 '포토도핑(Photodoping)' 효과를 활용해 광신호를 크게 증폭시키는 데 성공했다. 그 결과 개발된 센서는 7.5×10? A/W의 높은 광응답도와 10? Jones 수준의 검출도를 기록하며 매우 약한 적외선 신호까지 빠르고 정확하게 감지할 수 있는 탁월한 감도를 증명했다.

나아가 연구팀은 단일 소자 수준을 넘어 32×32 픽셀로 구성된 적외선 이미지 센서 배열을 직접 제작해 실제 이미지 측정이 가능함을 확인했다. 이는 개발된 기술이 기존 CMOS 기반 반도체 공정과 융합돼, 저비용·대면적의 차세대 SWIR 카메라 및 이미지 센서로 곧바로 상용화될 수 있는 가능성을 입증한 것이다.

DGIST 에너지공학과 이종수 교수는 “양자점 소재의 높은 광흡수 특성과 2차원 반도체의 빠른 전하 이동 특성을 결합해 기존 적외선 센서의 근본적인 한계를 극복할 수 있었다”며, “앞으로 고해상도 적외선 카메라와 차세대 지능형 광센서 시스템 개발에 중요한 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구사업(중견과제)와 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 통해 수행됐으며, 연구결과는 차세대 광센서 분야의 핵심 기술로 인정받아 세계적인 재료과학 학술지 'Advanced Materials' 3월호에 게재됐다.