발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 커브드 이미지 센서는 작은 광학 수차, 소형화된 렌즈 시스템, 넓은 시야각 등의 장점으로 차세대 카메라 모듈로 주목받고 있습니다.

• 그러나 기존 커브드 이미지 센서는 광흡수 소재의 단단한 성질과 두꺼운 두께로 인해 고집적화에 어려움이 있었습니다.

기술의 필요성

• 기존의 한계를 극복하기 위해 유연하면서도 성능이 뛰어난 새로운 구조의 포토트랜지스터 개발이 필요합니다.

• 본 발명은 우수한 성능을 갖는 고집적 커브드 이미지 센서를 제공하여 차세대 이미징 기술의 발전을 선도하고자 합니다.

• 궁극적으로 이러한 기술은 신뢰성 있는 인공 망막 구현 등 혁신적인 분야로의 응용 가능성을 열어줍니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명의 포토트랜지스터는 이황화 몰리브덴(MoS2) 광흡수층과 그래핀(graphene) 전극의 안정적인 이종 접합 구조를 기반으로 합니다.

• 전체 소자 두께를 약 51nm 수준의 초박막으로 구현하여 유연성을 극대화하고, 구부러진 환경에서 발생하는 스트레인을 효과적으로 감소시킵니다.

• 절연 패턴을 '섬형 어레이(island-like array)'로 패터닝하고, 포토트랜지스터 어레이 전체에 '깎은 이십면체' 형상을 적용하여 기계적 안정성을 추가로 확보합니다.

구체적인 구현 방법

1. 제1 희생 기판 위에 제1 보호층과 섬형 어레이 구조의 제1 절연 패턴을 형성합니다.

2. 제1 절연 패턴 위에 그래핀(graphene)을 패터닝하여 제1 전극 및 제2 전극을 형성합니다.

3. 별도의 기판에서 CVD 공정으로 제작된 MoS2 광흡수층을 전사(transfer)하여 전극 위에 배치합니다.

4. 광흡수층 위에 제2 절연 패턴과 게이트 전극을 순차적으로 형성합니다.

5. 마지막으로 제2 보호층을 형성하고, 완성된 포토트랜지스터 어레이 전체를 최종 곡면 기판(PDMS) 위로 전사하여 커브드 이미지 센서를 완성합니다.

기술의 장점

• 우수한 유연성: MoS2(파단 변형률 약 23%) 및 그래핀(파단 변형률 약 25%) 등 유연한 소재를 사용하여 기계적 스트레인을 최소화합니다.

• 높은 광응답성: 기존 단결정 실리콘 포토트랜지스터 대비 100 ~ 1000배 높은 광응답성을 보여줍니다.

• 적외선 노이즈 제거: MoS2-GP 포토트랜지스터는 적외선을 흡수하지 않아, 별도의 적외선 필터 없이도 정확한 이미징이 가능합니다.

• 안정적인 대면적 전사: HF 용액을 이용한 전사 공정으로 불량률을 약 2% 이하로 획기적으로 낮춰 대량 생산의 기반을 마련했습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에서 제안하는 새로운 포토트랜지스터 제작 공정의 안정성을 검증하고, 이를 통해 제작된 MoS2-그래핀 기반 커브드 이미지 센서의 전기적·광학적 특성을 평가하여 기존 기술 대비 우수성을 입증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 전사 방법 비교: 본 발명의 HF 용액 기반 전사 방법과 비교예의 KOH 용액 기반 전사 방법을 사용하여 MoS2 어레이를 각각 제작하고, 전사 후 상태를 비교했습니다.

2. 불량률 측정: 두 방법으로 전사된 MoS2 어레이에서 구겨지거나 손상된 불량 셀(crumpled cell)의 비율을 광학 현미경으로 측정했습니다.

3. 특성 평가: 제작된 MoS2-GP 포토트랜지스터의 전달 곡선, 광도에 따른 광전류, 광응답성 및 적외선 반응 특성을 측정하고, 이를 단결정 실리콘 포토트랜지스터의 특성과 비교 분석했습니다.

실험 결과

전사 공정 비교 실험 결과, 본 발명의 HF 용액 기반 전사 방법이 기존 KOH 용액을 사용한 방법보다 불량률이 현저히 낮은 것으로 확인되었습니다.

또한, 제작된 MoS2-GP 포토트랜지스터는 기존 단결정 실리콘 포토트랜지스터 대비 월등히 높은 광응답성을 보였습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 플렉시블 고집적 커브드 이미지 센서

• 소형화 및 단순화된 렌즈 시스템을 갖춘 차세대 카메라 모듈

• 신뢰성을 갖춘 인공 망막 등 생체공학적 시각 장치

• 웨어러블 기기, IoT 센서, 로보틱스 등 다양한 형태의 차세대 전자기기

기대효과

• 기존 이미지 센서의 물리적 한계(강성, 두께)를 극복하여 제품 디자인의 자유도를 획기적으로 증대시킬 수 있습니다.

• 적외선 필터 제거를 통해 공정을 단순화하고 원가를 절감하여 가격 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

• 높은 광응답성을 바탕으로 저조도 환경에서도 고품질의 이미지 획득이 가능해집니다.

• 차세대 이미징 기술 시장에서 기술적 우위를 확보하고 새로운 시장을 창출할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

커브드 이미지 센서에 대한 직접적인 시장 자료는 아직 초기 단계이나, 기술의 핵심을 이루는 그래핀 및 유연 전자소자 관련 시장은 높은 성장세를 보이고 있습니다. 이는 본 기술의 상용화 시 진입할 수 있는 관련 시장의 잠재력이 매우 크다는 것을 시사합니다.

• 세계 전도성 잉크 시장: 2019년 33억 달러에서 2024년 40억 달러로 연평균 3.9% 성장이 전망됩니다. (출처: KERI 기술사업화 자료집, p.187)

• 세계 산화그래핀 시장: 2019년 6백만 달러에서 2024년 4천 5백만 달러로 연평균 49.6%의 폭발적인 성장이 예측됩니다. (출처: KERI 기술사업화 자료집, p.189)

산업 동인 및 기회 요인

1. 플렉서블 및 웨어러블 기기 시장의 급성장: 스마트워치, 폴더블폰, AR/VR 기기 등 다양한 폼팩터에 대한 수요가 증가하면서 유연한 전자 부품의 필요성이 커지고 있습니다.

2. 고성능 신소재 기술의 발전: 그래핀, MoS2와 같은 2D 신소재의 대량 생산 기술이 발전하고 상용화가 가속화되면서, 이를 활용한 고성능 센서 개발이 활발해지고 있습니다.

3. 차세대 카메라 모듈 수요 증대: 스마트폰, 자율주행차, 의료 내시경, 드론 등 다양한 산업 분야에서 더 작고, 가벼우며, 높은 성능을 갖춘 이미지 센서에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있습니다.