3D 이미지센서는 색상 정보만을 획득하는 일반 이미지센서와 달리 물체까지의 거리 정보를 측정할 수 있는 센서로 주로 라이다(LiDAR, Light Detection and Ranging)로 불리며 전파를 사용하여 거리를 측정하는 레이더와 달리 빛을 이용하기 때문에 거리 정밀도가 높은 고해상도 3D 영상을 얻을 수 있어 각광받고 있습니다. 라이다는 Structured Light (SL) 기술이나 Time-of-Flight (ToF) 방식 등 다양한 방법으로 구현할 수 있으며 사용자가 원하는 거리 및 해상도에 따라 최적의 기술이 활용되고 있는데요. 일례로 사용자 인식을 위해 널리 활용되는 얼굴 인식은 1미터 이내의 가까운 거리 정보가 필요하므로 SL 기술이 주로 사용되고 있고, 스마트 홈이나 스마트 공장, 서비스 로봇 등에서 원하는 20~30미터 수준의 중거리 어플리케이션에는 indirect ToF (iToF) 혹은 플래시 direct ToF (dToF) 기술이, 자율주행차에서 필요한 100미터 이상의 원거리는 스캔 dToF 기술이 주로 채택됩니다.

그림 1. 거리 별 라이다 기술 및 주요 적용처

여러 가지 기술 중에서 iToF 방식은 변조된 빛의 위상 차이를 감지하여 거리 정보를 획득하는 방법으로 성숙된 CMOS 공정 기술을 그대로 활용할 수 있을 뿐 아니라 픽셀 구조가 단순하여 고해상도 3D 영상을 얻기에 가장 좋기 때문에 마이크로소프트, 소니, 삼성전자 등 전세계 유수의 기업들이 개발해오고 있습니다. 하지만 외부 광원에 쉽게 포화되고 악천후 대응성이 낮아 실외 사용이 어렵고 최대 감지 거리가 10미터 이내로 짧아 시장 규모가 상당히 제한적입니다. 본 연구에서는 상술한 iToF 기술의 단점을 해결하기 위해 Short Wave Infrared (SWIR) 광원을 사용하는 iToF 센서를 개발하고자 합니다. SWIR 대역은 1~2µm 사이의 파장을 갖는 적외선으로 태양광에 포함되지 않거나 세기가 약한 파장이 있어 실외광에서 자유로운 편이고, 산란도가 낮아 심한 안개 상황에서도 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있어 악천후 대응이 용이하며, 육안에 감지되지 않고 망막에도 피해를 주지 않아 광 출력을 높여 최대 측정 거리를 늘리기에도 유리합니다. 하지만 SWIR 광원은 실리콘 포토다이오드로는 감지할 수 없는 큰 문제를 갖고 있습니다. 저희는 SWIR 광원에 반응하는 양자점 소재를 활용하여 박막 포토다이오드 소자를 만들고 CMOS 웨이퍼에 모노리식하게 집적하는 해결책을 제시하고자 합니다.

그림 2. SWIR 광원을 활용하는 3D 이미지센서와 픽셀 구조 개념도

특히, 이번 연구 과제에서 SWIR 광원에는 반응할 수 있으나 동작 속도가 느린 양자점 포토다이오드와 SWIR 광원 반응성은 없지만 고속 동작에 최적화된 실리콘 포토다이오드를 결합한 형태의 하이브리드 픽셀 구조를 제안합니다. 여기에는 SWIR 대역 수광을 위한 양자점 포토다이오드 소자를 개발하는 것 뿐 아니라 두 소자의 연결을 위한 인터페이스 공정 및 실리콘 포토다이오드 소자 설계가 포함됩니다. 더불어 신호 크기에 따라 노출 시간을 자동으로 조절하는 픽셀 회로를 개발합니다. 일반적인 iToF 픽셀은 거리를 전압으로 변환하기 때문에 부족한 광 출력 외에도 감지 가능한 최소-최대 측정 거리를 나타내는 Dynamic Range (DR) 한계로 인해 최대 측정 거리를 늘리기가 어렵습니다. 저희는 전압 뿐 아니라 시간 축을 활용하여 DR을 확장할 수 있는 새로운 구조의 픽셀 회로를 설계함으로써 문제를 해결할 것입니다. 본 과제 목표가 성공적으로 달성된다면 3D 이미지센서 산업의 게임 체인저가 될 것으로 기대하며 메타버스나 서비스 로봇 등 관련 산업 발전에도 기여할 수 있을 것으로 굳게 믿고 있습니다.