차세대 이미징 기술은 스마트폰을 넘어 지능형 디바이스, 로봇, XR(확장현실) 디바이스, 의료, CCTV 등 다양한 산업 분야로 빠르게 확장되고 있다. 이러한 기술 발전의 핵심에는 빛의 신호를 전기 신호로 변환하는 고효율, 초소형 이미지 센서가 필수적으로 자리 잡고 있다. 이미지 센서는 물체와 환경의 시각적 정보를 기록하고 처리해 모양, 크기, 공간 내 위치를 정밀하게 재구성하는 역할을 한다.

현재 상용 이미지 센서는 주로 실리콘 반도체를 기반으로 제작되지만, 최근 이를 대체할 가능성이 있는 2차원 반도체 나노소재를 활용한 차세대 이미지 센서 개발이 활발히 진행되고 있다. 2차원 반도체 나노소재는 수 나노미터 두께의 원자층으로 구성된 물질로, 뛰어난 광학적 특성과 소형화 가능성을 갖추고 있어 고성능 이미지 센서 구현에 적합하다. 하지만 이러한 센서의 성능을 극대화하기 위해서는 광신호를 효율적으로 처리할 수 있는 저저항 전극이 필수적이다. 기존 2차원 반도체 기반 센서는 낮은 저항을 가진 전극 구현에 한계가 있어 광신호 처리 효율이 저하되며, 이는 상용화의 주요 장애 요소였다.

이에 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 차세대반도체연구소 양자기술연구단 황도경 박사(고려대학교 KU-KIST 융합대학원, 학연교수)와 박민철 박사 공동 연구팀은 혁신적인 전극 소재인 'Conductive-Bridge Interlayer Contact(CBIC)'을 개발하여 높은 광신호 효율을 갖춘 2차원 반도체 기반 이미지 센서를 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 전극 내부에 금 나노입자를 형성해 전극의 저항을 획기적으로 낮추는 데 성공함으로써 2차원 반도체 이미지 센서의 성능을 크게 향상시켰다. 또한, 기존 전극 소재에서 발생하던 페르미 준위 고정 현상 문제를 효과적으로 해결해 센서의 광신호 효율을 한층 높였다.

특히, 연구팀은 이러한 기술을 적용해 잠자리 겹눈 구조와 유사한 형태의 기반 3차원 이미징 및 무안경 방식 디스플레이 기술을 성공적으로 구현했다. 이를 통해 3차원 물체의 형상을 기록하고 재현할 수 있는 집적영상 기술을 활용해 RGB 풀컬러 기반의 3차원 영상을 획득하고 재현하는 데 성공했다. 향후, 이러한 고성능 이미지 센서는 XR 디바이스, 인공지능(AI), 자율주행 시스템 등 다양한 첨단 산업 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

황도경 박사는 "이번 연구를 통해 기존 2차원 반도체 소자의 전극 문제로 인해 발생했던 기술적 한계를 극복함으로써, 광흡수성과 소형화에 유리한 차세대 이미징 시스템 기술의 산업화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다. 또한, "개발된 전극 소재는 제조가 간단하고 대면적화가 용이해, 다양한 반도체 기반 광전 소자에도 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라며 연구의 확장 가능성을 강조했다. 박민철 박사는 "페르미 준위 고정 현상 문제를 극복한 2차원 반도체 기반 광전 소자는 향후 초소형, 초고해상도, 고사양의 시각 센서가 요구되는 산업 전반에 걸쳐 큰 파급효과를 가져올 것"이라고 전망했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임), 문화체육관광부(장관 유인촌)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 개인연구사업 중견연구(RS-2023-NR077025), IITP ITRC 연구개발사업(IITP-2023-RS-00258639), 한국콘텐츠진흥원 문화기술연구개발사업(R2020040080, RS-2020-KC000685)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Electronics」 (IF: 34.5, JCR 분야 0.1%) 최신 호에 게재됐다.