CMOS 단파 적외선 센서 세트 – 보이지 않는 것을 해석하기

새로운 연구, 연구원들은 무독성 콜로이드 양자점을 기반으로 한 새로운 고성능 SWIR 이미지 센서를 만들었습니다. 단파 적외선(SWIR)은 가시 스펙트럼(400nm~700nm)을 훨씬 넘어 900nm에서 2500nm 사이의 파장 대역입니다. SWIR 이미징에는 이 범위에서 작동할 수 있는 센서가 필요합니다. 

전통적인 시스템은 전하 결합 소자(CCD)와 상보성 금속산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서를 사용하여 가시광선 스펙트럼 내에서 이미지를 효과적으로 캡처할 수 있지만, SWIR 기술을 활용하면 적외선 스펙트럼의 더 깊은 파장에서 이미지를 캡처할 수 있습니다. 이를 통해 시스템은 가시 스펙트럼 밖의 세부 사항도 볼 수 있습니다.

가시광선보다 긴 파장은 전용 센서만이 감지할 수 있습니다. 그리고 단파 적외선(SWIR) 영역의 빛은 눈에 보이지 않지만, 이 빛은 가시 파장과 유사하게 물체와 상호작용합니다. 

가시광선과 마찬가지로, SWIR 빛도 물체에 반사되어 그림자와 대비가 생깁니다. SWIR 이미지는 색상이 아니라 흑백이기 때문에 물체를 쉽게 인식하고 개별 식별이 가능합니다. 또한 SWIR 이미징은 유리를 통과해 촬영할 수 있는 능력이 있습니다.

따라서 SWIR는 작은 크기, 낮은 전력 소비, 높은 감도와 해상도, 저비용 가시 스펙트럼 렌즈, 그리고 은밀한 비콘과 레이저를 야간 하늘 광에서도 볼 수 있는 능력 등으로 인해 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

이처럼, 단파 적외선 이미징은 실리콘 웨이퍼 검사, 레이저 빔 프로파일링, 의료 이미징, 머신 비전, 화학 및 플라스틱 감지, 농업 감지, 감시 시스템, 그리고 위조 방지, 수분 감지, 분류 등에 사용되는 것 외에도, 산업 및 과학 분야에서 많은 가능성을 열어줍니다. 또한 휴대폰의 얼굴 인식 센서, 방위 분야의 표적 식별 및 위장 탐지, 그리고 그림자 환경에서의 자율 주행 차량 등에 활용됩니다.

일반적으로 SWIR 이미징에는 InGaAs 센서가 사용됩니다. InGaAs(인듐 갈륨 비소)는 광자학용 반도체 제조에 사용되는 합금입니다. 이러한 센서는 900~1700nm 파장이 필요한 응용 분야에 사용됩니다. 그러나 비용이 높고 고해상도 어레이, 온도 변화에 대한 감도, 제한된 스펙트럼 범위 등에서 어려움을 겪습니다.

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무독성 양자점 기반 SWIR 이미지 센서

따라서 새로운 연구에서는 무독성 콜로이드 양자점을 기반으로 한 고성능 SWIR 이미지 센서를 개발했습니다. SWIR 감도를 가진 이미지 센서는 안개, 강한 햇빛, 안개, 연기와 같은 악조건에서도 신뢰성 있게 작동할 뿐만 아니라 눈에 안전한 조명원을 제공할 수 있습니다. 이렇게 SWIR는 분자 이미징을 통해 물질의 특성을 파악할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 

콜로이드 양자점(CQD) 기반 이미지 센서 기술은 근적외선에서 대량 생산이 가능한 이미지 센서를 제공하는 유망한 기술 플랫폼을 제시합니다.

양자점은 1980년에 처음 발견된 인간이 만든 작은 입자 또는 나노 규모의 결정으로, 독특한 전자 및 광학 특성을 가지고 있습니다. 여기에는 전자를 전달하고 독특한 색을 생성하는 능력이 포함됩니다. 이러한 인공 합성 반도체 나노입자는 크기가 2~10nm이며, 직경이 약 10~50개의 원자에 해당하고, 태양전지, LED 및 고체 조명, 디스플레이, 광전지, 트랜지스터, 초고속 전광학 스위치, 논리 게이트, 형광 생물 라벨링, 양자 컴퓨팅, 의료 이미징, 바이오센서 등 다양한 분야에 활용됩니다.

최신 연구는 Nature Photonics에 게재되었으며, 고전 및 양자 통신 시스템 실험을 수행하는 광학 과학 연구소(ICFO)와 광범위 스펙트럼 이미지 센서 기술을 개발해 컴퓨터 비전 응용을 향상시키는 ICFO의 스핀오프인 QURV의 연구원들이 참여했습니다.

이 연구는 기능적이고 고품질이며 CMOS 기술과 통합 가능한 무독성 콜로이드 양자점을 제조하는 새로운 방법을 제시했습니다. CMOS는 현재 칩 또는 마이크로칩 산업에서 가장 널리 사용되는 기술로, 집적 회로(IC)를 형성합니다. 이 반도체 기술은 최신 CPU와 스마트폰에 사용됩니다.

CQD를 CMOS와 통합함으로써 SWIR 범위에 접근할 수 있지만, 이러한 SWIR 감지 양자점을 상업적으로 사용할 수 있는 기술로 전환하는 데 장벽이 있습니다. 이는 납이나 수은과 같은 중금속이 포함되어 있기 때문이며, 이러한 물질은 유럽의 유해 물질 제한(RoHS) 규정에 따라 상업용 소비자 전자 제품에서 사용이 제한됩니다.

팀은 태양전지 성능 향상을 위해 AsBiS2 기술의 적용 범위를 확대하려는 목적으로 AgBiTe2 또는 은 비스무트 텔루라이드 나노결정을 합성하는 방법을 탐구하던 중, 부수적으로 은 텔루라이드(Ag2Te)를 얻었습니다.

Ag2Te는 양자점과 유사한 강한 양자 구속 흡수를 보여주며, 이를 조절할 수 있었습니다. 팀은 은 텔루라이드가 SWIR 광검출기와 이미지 센서에 잠재력이 있음을 깨닫고, 이 Ag2Te 양자점의 무인산(Phosphine) 버전을 합성하는 새로운 공정을 고안하는 데 집중했습니다. 실제로 인산은 양자점의 광전 특성에 손상을 주는 것으로 밝혀졌습니다.

인산이 없고 크기 조절이 가능한 Ag2Te 또는 은 텔루라이드 양자점을 합성하기 위해, 연구팀은 기존 중금속 양자점의 장점을 유지하면서도 새로운 방법을 사용했으며, 이는 대규모 생산을 위한 SWIR 콜로이드 양자점 기술의 기반을 마련했습니다.

새로운 합성 방법에서는 연구원들이 은 전구체와 텔루륨과 같은 무인산 복합체를 사용했습니다. 이를 통해 스펙트럼 전반에 걸쳐 잘 제어된 크기 분포와 흥분 피크를 가진 양자점을 얻을 수 있었습니다. 이 양자점은 뛰어난 성능을 보였습니다. 기존의 인산 기반 기술로 만든 양자점과 비교해, 팀은 1500nm 이상에서 뚜렷한 흥분 피크를 구현하는 전례 없는 성과를 달성했습니다.

이 무인산 양자점을 이용해 팀은 일반적인 표준인 인듐 주석 산화물(ITO)으로 코팅된 유리 기판 위에 간단한 실험실 규모의 광검출기를 제작하여 특성 및 성능을 평가했습니다. 

팀은 실험실 규모 장치가 아래에서 빛을 비추어 작동하기 때문에 장치 구성을 뒤집는 “도전적인 과제”를 맡게 되었습니다. 연구의 공동 저자인 ICFO의 박사후 연구원 Yongjie Wang은 다음과 같이 언급했습니다:

“CMOS에 통합된 CQD 스택에서는 빛이 위에서 들어오며, 장치의 하부는 CMOS 전자 회로가 차지합니다.” 

초기 광다이오드는 SWIR 빛 감지 성능이 낮았으므로, 팀은 버퍼 층을 추가하여 성능을 크게 향상시켰습니다. 재설계된 SWIR 광다이오드는 350nm에서 1600nm까지의 스펙트럼 범위를 보였으며, 선형 다이내믹 레인지는 118dB를 초과하고 -3dB 대역폭은 110kHz를 넘었습니다. 또한 SWIR 광다이오드는 실온에서 10^12 Jones 수준의 감도를 가졌습니다.

“우리의 지식에 따르면, 여기 보고된 광다이오드는 최초로 용액 공정으로 만든 무독성 단파 적외선 광다이오드를 구현했으며, 성능 지표가 다른 중금속 함유 광다이오드와 동등합니다.”

– ICFO의 ICREA 교수 Gerasimos Konstantatos가 말했습니다. 

그는 덧붙여 이렇게 말했습니다:

“이 결과는 Ag2Te 양자점이 저비용 고성능 SWIR 광검출기 응용을 위한 RoHS 준수 소재로서 유망함을 더욱 뒷받침합니다.”

SWIR 이미지 센서의 잠재적 실제 활용 사례

ICFO 연구원 Lucheng Peng, Aditya Malla, 그리고 Wang이 Konstantatos의 지도 아래 중금속이 없는 양자점 기반 광검출기를 성공적으로 개발한 후, Qurv 연구원 Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black, Julien Schreier와 협력하여 SWIR 이미지 센서를 만들었습니다.

고성능 적외선 광검출기와 실온에서 작동하는 무독성 콜로이드 양자점 기반 SWIR 이미지 센서 개발에 대해 언급하면서, 연구진은 재설계된 광검출기를 CMOS 기반 ROIC(읽기 전용 집적 회로, 카메라의 주요 구성 요소이며 광검출기 뒤에 위치함) FPA와 통합했다고 밝혔습니다.

센서의 SWIR 작동을 입증하기 위해, 빛 아래에서 실리콘 웨이퍼의 투과 사진을 여러 장 촬영했습니다. 또한 팀은 가시광선 범위에서는 관찰할 수 없었던 플라스틱 병의 내용물도 확인할 수 있었습니다.

하지만 이것이 전부는 아닙니다. 다음 단계에서는 팀이 장치의 다양한 층을 설계하여 광다이오드 성능을 향상시키는 데 관심을 가지고 있습니다. 또한 연구진은 은 텔루라이드 양자점의 새로운 표면 화학을 탐구하여 성능을 증폭하고 환경 안정성을 향상시키려 합니다.

현재로서는, 콘스탄타토스에 따르면, 저비용 기술을 사용해 소비자 전자 제품에서 SWIR에 접근할 수 있는 센서의 능력은

“이 스펙트럼 범위의 잠재력을 해방시켜 자동차 산업(자동차)의 향상된 비전 시스템을 포함한 다양한 응용 분야에서 악천후에서도 시야와 주행을 가능하게 할 것입니다.”

자동차 응용 외에도, 그는 이것이 낮과 밤 모두 배경광이 없는 눈에 안전한 창을 제공하여 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR) 응용을 위한 LiDAR와 3D 이미징을 가능하게 할 수 있다고 언급했습니다.
로봇 분야에서는 이러한 센서가 특정 물질과 저조도 조건을 통과해 이미지를 촬영할 수 있어 물체 감지와 내비게이션에 특히 유용합니다. 이를 통해 로봇의 환경 인식을 향상시켜 보다 효율적으로 이동할 수 있게 합니다. 또한 완전한 어둠에서도 장애물 회피에 사용할 수 있어 안전한 내비게이션을 보장합니다.

적외선 기술의 개발 및 통합

FLIR Systems는 Teledyne Technologies의 일부로, 로봇 분야에서 SWIR 센서와 같은 적외선 기술의 개발 및 통합에 힘쓰는 기업 중 하나입니다. 2023년 말, Teledyne은 런던에서 열린 Defence Security and Equipment International 전시회에서 ‘Black Recon’ 차량 정찰 시스템(VRS)을 공개했습니다. 

약 5년간 개발되었으며, 종종 노르웨이 국방부와 협력해 온 이 장치는 자율적으로 발사되도록 설계되었습니다. 실시간 영상과 표적 정보를 차량 승무원에게 전송하며, 지뢰 탐색, 교량 하부 검사, 급조 폭발물 탐지 등에 사용할 수 있습니다. 또한 고정밀 정찰, 감시, 표적 획득을 자랑하며 GPS가 차단된 상황에서도 작동할 수 있습니다. ‘매우 높은’ 정밀도를 보장하기 위해, 이 장치는 SWIR 카메라와 LED 기술을 활용한 독자적인 추적 시스템을 사용합니다.

이 분야를 선도하는 다른 기업으로는 Rockwell Automation, iRobot, ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group, 그리고 Sony가 있습니다.

현재 전기차(EV)에서는 SWIR 이미지 센서가 신뢰할 수 있는 이미징을 제공하여 악조건에서도 보다 효율적이고 안전한 주행을 가능하게 함으로써 비전 시스템을 개선할 수 있습니다. 이러한 센서는 야간 시야 시스템 개발에도 기여하고 다양한 조명 상황에서 물체를 인식·구분하는 데 도움을 주어, 자율 주행 차량(AV)에서 도로 안전을 향상시키는 고급 운전자 지원 시스템(ADAS)에 유용합니다.

자동차 산업을 위한 센싱 기술

Luminar Technologies는 자동차 산업, 특히 LiDAR 기술을 위한 센싱 기술을 개발하는 기업입니다. 이 미국 LiDAR 제조업체는 향후 5년 내에 중국에서 100만 대의 Luminar 장착 차량을 출시할 계획입니다.

이 상장 기업은 시가총액 16억 5700만 달러이며, 주가는 현재 3.23달러로 연초 대비 약 3% 하락했습니다. 매출(TTM)은 5,879만 달러, EPS(TTM)는 -1.50, P/E(TTM)는 -2.17입니다.

한편, Tesla, VW Group, GM, BMW Group, Hyundai Motor 등은 EV 산업을 선도하고 있습니다.

증강 현실 및 가상 현실

현재 AR 및 VR 분야에서는 정확한 깊이 인식과 물체 인식이 필수적인데, 이러한 SWIR 센서는 보다 몰입감 있는 AR·VR 경험을 제공하는 데 크게 도움이 됩니다. 또한 어려운 환경에서도 이미지 품질을 유지하고, 가시광선 스펙트럼에서 직접 보이지 않는 물체 위에도 디지털 정보를 겹쳐 표시할 수 있도록 AR 애플리케이션에 활용될 수 있습니다. 저비용 기술이므로 SWIR 이미지 센서를 소비자 기기에 통합하면 넓은 사용자층에 제공되어 새로운 응용과 경험을 창출할 수 있습니다.

Sony는 AR 세계에서 이미지 센서를 활용하는 주요 기업이며, CMOS 기술도 포함합니다. 몇 달 전, Sony가 발표했습니다산업 장비용으로 5.32 메가픽셀과 3.45μm 픽셀 크기를 가진 IMX992 SWIR 이미지 센서를 발표했습니다. 효율적인 빛 포착을 위해, 이 센서는 넓은 스펙트럼에 걸쳐 고화질 이미징을 가능하게 하는 최적화된 픽셀 구조를 갖추고 있습니다. 

시가총액 1150억 달러인 SONY의 주가는 현재 91.22달러에 거래되고 있습니다. 매출(TTM)은 848.34억 달러이며, EPS(TTM)는 4.72, P/E(TTM)는 19.33, ROE(TTM)는 12.45%입니다. 또한 Sony는 0.61%의 배당 수익률을 제공합니다.

이 분야의 다른 주요 기업으로는 Microsoft, Google, AMD, NVIDIA, Samsung, Magic Leap, Meta Platforms, Unity 등이 있습니다.

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결론

보듯이, CMOS SWIR 센서는 단파 적외선 스펙트럼의 빛에 민감하여 전통적인 가시광선 센서의 범위를 넘어서는 이미지를 캡처할 수 있으며, 이는 특정 물질을 통과하거나 저조도 조건에서 가시성이 중요한 응용 분야에서 가치가 있습니다. 

이러한 방식으로, 자동차, 서비스 로봇, AR, VR, 소비자 전자 시장 등 다양한 산업에서 대량 생산 및 컴퓨터 비전 중심 응용 분야에서 전례 없는 성능과 신뢰성을 제공할 수 있습니다. 앞으로 기술이 계속 발전함에 따라, 이러한 센서의 통합은 우주 탐사와 같은 다른 분야에서도 확대될 수 있습니다.