아주대 연구팀, ‘단일 픽셀’로 피사체 시공간 변화 감지 가능 광센서 개발

서형탁 아주대 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 단일 픽셀로 이미지 정보를 다차원으로 처리할 수 있는 초고감도, 초저전력, 지능형 광센서를 개발했다.

해당 연구는 ‘센서 내 실시간 시공간 광학 정보 처리를 위한 단일 픽셀 기반 광활성 소자 (Single-Pixel Event Photoactive Device for Real-Time, In-Sensor Spatiotemporal Optical Information Processing)’라는 제목으로 소재·소자 분야 최상위권 저널인 「어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)」 최신호 표지 논문으로 게재됐다.

연구에는 아주대 서형탁 교수 외에 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과, 제1저자)와 박하영 학생(대학원 에너지시스템학과, 공저자)이 참여했다.

빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과를 기반으로 하는 광센서는 정보통신, 사물 인터넷, 광통신, 로보틱스 등의 분야에서 사용되는 필수 부품이다. 기존의 광센서는 별도의 여과없이 모든 광데이터를 감지해야 해 효율이 떨어졌다. 광센서를 통해 수집된 광데이터를 정보로 저장, 처리하는 이미지센서도 막대한 데이터 저장 용량이 필요했고, 이로 인해 인공지능형 이미지 인식과 판별 기술과의 접목에도 한계가 있었다.

이번에 개발한 센서는 피사체의 물리적 변화를 감지해 필요한 광 데이터만을 저장하고, 외부의 신호처리 칩 없이 센서 내에서 자체적으로 데이터를 처리할 수 있어 시스템의 용량과 전력 소모는 크게 줄일 수 있다. 또한 피사체의 움직임 감지 속도는 높여 로보틱스 산업에서 필요로 하는 초저전력 시각 센서의 해결책으로 많은 연구가 전 세계에서 이뤄지고 있다.

서 교수팀은 근적외선 영역(940nm)의 광신호를 단일 픽셀로 시간과 공간의 정보로 병렬 인식할 수 있는 광센서 소자 구조를 개발했다. 서 교수팀이 개발한 센서는 이벤트 기반의 인공지능형 센서로서 실현 가능성을 보였다는데 의미가 크다.

서 교수팀은 광커패시터(capacity) 방식을 이용했는데, 실리콘과 원자층증착방식으로 만든 6nm(나노미터) 두께의 갈륨산화물 초박막을 접합하여 커패시터 소자 2개가 연결된 단일 픽셀을 구성했다. 이러한 방식은 기존 광전류 발생을 위해 전하가 소자 전체를 가로질러 이동할 필요가 없어 감지 속도가 매우 빠르고 노이즈도 매우 낮아서 기존 광센서로 불가능했던 이벤트 감지도 가능하게 했다.

개발된 광센서는 단일 픽셀에서 4비트 이상의 광데이터를 25펨토줄(펨토줄=1/10의 14제곱 분의 1 줄(Joule))의 전력으로 처리해 기존보다 에너지가 100배나 절감된 성능을 보였다. 광신호 감지속도도 수백나노 초 수준이어서 동일 센서 내에서 굉장히 빠른 피사체의 움직임을 실시간으로 감지하고, 단기 저장이 동시에 가능함을 보였다.

서 교수는 “데이터 저장과 신호처리가 동시에 가능한 새로운 소재를 개발하고, 반도체 호환 공정으로 실현했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다”며 “개발된 광센서의 성능이 우수해 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물인터넷, 광통신 등에서 활용이 가능하고, 특히 초저전력 인공시각이 필요한 로보틱스 분야에서 활용 가능성이 높다”고 전망했다.

서 교수팀은 이번 성과를 기반으로 상용화 가능성과 파급효과가 높은 기술을 추가로 개발할 계획이다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 지능형반도체기술개발사업과 중견 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐으며, 특허 출원이 진행 중이다.

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