경북대 신소재공학부 이상욱 교수팀은 성균관대 신소재공학부 정현석 교수팀과 공동연구로 차세대 적층형 이미지센서용 페로브스카이트 반도체 신소재를 이용해 세계 최고 수준의 청색 광센서를 개발했다.
이번 청색 광센서 개발은 적·녹·청 적층형 광센서 기반의 차세대 이미지센서의 개발을 앞당길 뿐만 아니라, 청색 LED와 레이저 등 다양한 응용분야에 파급효과를 줄 것으로 기대된다.
스마트폰, 사물인터넷, 자율주행 자동차 등의 발전으로 고성능 카메라의 수요가 늘면서 고성능·고집적 이미지센서에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.
페로브스카이트 반도체 소재를 이용한 수직 적층형 이미지센서는 기존 이미지센서의 광손실과 집적화 한계를 극복할 수 있는 기술로 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 반도체 신소재는 빛을 흡수하는 특성과 이를 전기적 신호로 변환하는 특성이 매우 우수하다.
간단한 용액 공정으로 저온에서 손쉽게 합성할 수 있어 이미지센서, 디스플레이, 태양전지 등의 다양한 분야에 접목되고 있다. 이와 더불어 소재의 구성 성분을 미세하게 조절하면 빛을 흡수하는 파장영역을 쉽게 제어할 수 있다.
이미지센서가 받아들인 광학적 신호를 이미지로 시각화하기 위해서는 적·녹·청색을 흡수하는 각각의 광센서가 필요하다. 그동안 페로브스카이트 반도체 신소재에 대한 연구는 적·녹색 영역 조성, 즉 적·녹색을 흡수하는 영역 조성에 대해 주로 이뤄지고, 청색 광센서용 조성 연구는 미비했다. 그 원인 중 하나는 청색 영역 조성 시 상대적으로 낮은 형성에너지를 가져 고품질의 박막을 구현이 어렵기 때문이다.
공동연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 청색 페로브스카이트 소재의 형성에너지가 높은 조성을 도출하고, 이 조성을 기반으로 낮은 결함 농도와 높은 결정성을 지니는 페로브스카이트 박막을 실험적으로 구현했다.
이 페로브스카이트 박막을 이용해 기존의 상용 청색 광센서 보다도 우수한 감광특성을 가지는 최고 수준의 청색 광센서를 개발했다. 이번에 개발한 페로브스카이트 청색 광센서는 그동안 약점으로 지적되어 왔던 안정성 또한 크게 향상된 것으로 확인됐다.
공동연구팀은 “그동안 연구개발이 부족했던 청색 페로브스카이트 반도체 연구를 통해 기존 청색 광센서 기술의 한계를 돌파했다. 향후 적·녹·청 적층형 광센서 개발을 통해 고성능 차세대 이미지센서 개발에 큰 도움을 줄 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 11월 14일 온라인에 게재됐다. 이와 함께 연구의 우수성을 인정받아 내부 표지논문(Inside Cover Article)으로 선정됐다.
이번 연구의 제1저자는 경북대 첨단소재연구소 윤영훈 박사후연구원과 한길상 성균관대 연구교수이며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 소재융합혁신기술개발사업·기초연구실후속연구지원사업·중견연구자지원사업과 과학기술정보통신부의 ICT첨단유망기술육성사업, 산업통상자원부의 에너지개발사업 지원을 받아 수행됐다.
