KIST, 편광 필터 필요없는 3D 이미지센서 구현

[아이뉴스24 최상국 기자] KIST 연구진이 별도의 편광필터 없이도 3D 입체영상을 구현할 수 있는 초소형 이미지센서 기술을 선보였다.

24일 KIST 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사 연구팀은 연세대 물리학과 임성일 교수팀과 공동으로 2차원 반도체 물질인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)와 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)를 사용해 추가적인 편광 필터 없이도 빛의 편광을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공했으며, 이를 활용해 3D 디지털 홀로그램을 위한 소형화된 홀로그래픽 이미지 센서를 구현했다고 밝혔다.

빛을 받아 전류 신호로 바꾸어주는 장치인 광다이오드는 디지털카메라, 스마트폰 카메라의 이미지 센서의 픽셀을 구성하는 필수 부품이다. 일반 카메라의 이미지 센서에 빛의 편광을 감지할 수 있는 기능을 추가하면 다양한 정보를 담을 수 있어 3차원 이미지를 저장하는 홀로그래피 기술로 활용할 수 있다. 하지만 기존의 편광 감지 카메라는 1㎛ 미만의 초소형 광다이오드 이미지 센서에 별도의 수백㎛ 크기의 편광 필터를 추가하는 방식이어서 집적화, 소형화가 불가능해 휴대용 전자기기에 사용할 수 없었다.

연구팀이 이번에 개발한 기술은 원자한층 두께의 2차원 반도체 물질을 기반으로 광다이오드에 편광감지 기능을 부여한 것이다. 이 기술로 100나노미터(nm) 이하의 두께로 편광 정보까지 감지할 수 있는 광다이오드를 제작할 수 있다. 이처럼 초소형화된 이미지센서가 편광정보까지 갖게 되면 스마트폰 같은 모바일 기기로도 홀로그램 영상을 촬영할 수 있게 된다.

개발된 광다이오드 소자는 2차원 반도체 물질인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)와 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)를 겹쳐 쌓은 구조를 갖고 있다. p형 반도체인 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)는 빛을 감지하는 특성이 뛰어나고, n형 반도체인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)는 근적외선(980 nm) 영역에서 빛의 편광정보를 감지한다.

연구팀은 "최근 활발한 연구가 이루어지고 있는 2차원 반도체 물질 중에서 레늄 (Re) 계열의 물질은 비대칭적인 결정구조를 가지고 있어 편광 정보를 감지할 수 있는 특성이 있어 이를 활용해 빛의 편광을 직접 관찰할 수 있는 광다이오드 소자를 개발하고자 했다"고 설명하고 "최종적으로 홀로그래피 시스템을 소형화하기 위해서는 개별 소자들을 소형화하고 집적화하는 연구가 진행되어야 한다. 이번 연구는 향후 홀로그래픽 카메라 센서 모듈 소형화를 위한 기초가 되는 연구"라고 소개했다.

연구팀은 이번 연구를 바탕으로 추가적인 광학 장치 없이 편광을 감지할 수 있는 이미지센서가 미래에 휴대용 카메라, 휴대폰에 탑재 될 수 있을 것으로 기대했다. 특히 근적외선 영역을 감지할 수 있어 3차원 야간 투시, 자율주행, 바이오, 문화재분석 및 복원을 위한 근적외선 정보 획득 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

이 연구는 국제학술지 ‘ACS Nano’ 최신 호에 게재됐다. (논문명: Near-Infrared Self-Powered Linearly Polarized Photodetection and Digital Incoherent Holography Using WSe2/ReSe2 van der Waals Heterostructure)

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