고려대-KIST, 자율주행차 ‘시력’ 높일 초고감도 광센서 기술 구현

[이데일리 김응열 기자] 고려대와 한국과학기술연구원(KIST)이 자율주행차의 성능을 크게 높일 초고감도 광센서에 필요한 핵심 기술을 구현하는 데 성공했다.

(왼쪽부터)고려대의 전기전자공학부 심재원 교수(교신저자), 오승현 석사과정(공동제1저자), 신소재공학부 오승주 교수(교신저자), 정병구 석박사통합과정(공동제1저자), 한국과학기술연구원(KIST) 박민철 박사(교신저자), 고현우 석박사통합과정(공동제1저자). (사진=고려대)

고려대는 심재원 전기전자공학부 교수와 오승주 신소재공학부 교수, KIST 차세대반도체연구소의 박민철 박사 공동 연구팀이 초미세 가시광 및 단파적외선 신호를 선택적으로 감지하는 ‘유기·양자점 단일형 광검출기’를 개발했다고 15일 밝혔다.

최근 자율주행, 비침습적 의료 진단, 광통신 및 차세대 반도체 공정 등 다양한 첨단 분야에서 이중 스펙트럼 광검출기의 수요가 급증하고 있다. 하지만 기존의 이중 스펙트럼 광검출기들은 가시광선과 적외선의 신호 간섭을 막기 위해 복잡한 전하 수송 중간층을 필수적으로 삽입해야 했다. 이는 소자 구조를 복잡하게 만들고 미세 신호 감지를 방해하는 ‘계면 노이즈’를 유발하는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 유기물과 양자점(Quantum dot) 반도체를 결합한 하이브리드 구조를 도입하고 두 소재가 스스로 가로·세로 방향으로 정렬(수직·수평 위상 분리)하게 만드는 구조 제어 기술을 적용했다. 이를 통해 복잡한 중간층 없이도 ‘광검출층’ 자체가 광학적·전기적 신호를 선별하는 ‘자가 필터링’ 기능을 갖추게 했다. 그 결과 전압의 방향을 플러스나 마이너스로 전환하는 단순한 조작만으로도 가시광선과 적외선 신호를 방해 없이 효과적으로 분리 추출하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 ‘유기·양자점 단일형 광검출기’는 빛의 간섭 현상을 가시광선 대역에서 약 -80dB, 단파적외선 대역에서 약 -60dB로 낮췄다. 노이즈 전류 특성을 낮추는 데에도 성공했다. 극한의 저조도 환경에서도 초미세 신호를 감지할 수 있다는 의미다.

특히 연구팀이 개발한 특수한 구조 덕분에 가시광선 대역에서 센서가 인식할 수 있는 빛의 범위(선형 동적 영역)가 기존 대비 100배 더 어두운 영역까지 확대됐다. 나아가 통상적인 센서 두께(약 200nm)보다 훨씬 두꺼운 활성층을 적용해, 센서를 두껍게 만들면 성능이 떨어진다는 기존의 고정 관념을 깼다.

이 기술은 반도체 3차원 적층·패키징 공정의 핵심인 ‘실리콘 웨이퍼 정렬’에도 적용 가능하다. 연구팀이 개발한 광검출기는 실리콘 웨이퍼 앞면(가시광선 반사)과 뒷면(적외선 투과)의 패턴을 복잡한 광학 장비 교체 없이 전압 전환만으로 식별했다.

심재원 교수는 “반도체 양산 공정은 물론 의료, 자율주행 등 차세대 산업 현장에 다양하게 적용할 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.