HOME>New Tech> 올해의 산업혁신기술상
자율주행자동차,
로봇 등 미래 기술 구현
핵심 소자 국산화 성공
10m 이내 중거리 상황인지를 위한 HD급
Sub-cm 고정밀도 뎁스 센서 Depth Sensor SOC
로봇 등 미래 기술 구현
핵심 소자 국산화 성공
10m 이내 중거리 상황인지를 위한 HD급
Sub-cm 고정밀도 뎁스 센서 Depth Sensor SOC
올해의 산업혁신기술상 신기술 부문
한국과학기술연구원
한국과학기술연구원
빛을 디지털신호로 변환해 이미지로 구현하는 역할을 하는 반도체인 이미지센서는 스마트폰에서 빼놓을 수없는 기술이 되었고, 자율주행자동차와 로봇 등 미래 기술을 구현하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다. 이런 가운데 한국과학기술연구원 이명재 책임연구원이 기존 세계 최고 성능 대비 최대 2배의 우수한 성능을 발휘하는 차세대 3D 이미지센서 및 라이다의 핵심인 단광자 아발란치 다이오드 SPAD 원천기술 개발에 성공해 큰 기대를 모으고 있다.
word 조범진 photo 이승재
현재 3D 이미지센서 및 라이다는 자율주행자동차를 비롯해 로봇 분야에서도 수요가 급증하면서 글로벌 첨단기업들의 연구 개발 노력 역시 가속화되고 있다.
HOW TO ▶
반도체 제품 연구개발 시 파운드리 업체의 공정을 활용해 설계 및 위탁생산을 하는 경우가 대부분이며, 이런 경우 제품화·양산화를 위해 추가로 많은 시간이 소요되어, 그 성공 가능성도 상대적으로 낮다는 단점이 있다. 그러나 본 연구 개발의 경우 파운드리 공정이 아닌 실제 이미지센서 제품을 생산하기 위한 양산용 반도체 공정을 거쳐 연구개발을 진행했다. 외부 설계를 허용하지 않고 높은 수준의 비밀 유지를 필수적으로 요구하는 양산용 공정의 특성 때문에 어려움이 많았다. 하지만 국내 반도체 기업과 주기적으로 온·오프라인을 통해 협업하며 어려움들을 하나씩 해결해나갔고, 결국 전 세계에서 가장 우수한 핵심 원천기술을 성공적으로 확보할 수 있었다.
차세대 3차원 이미지센서 필수 요소인 핵심 소자 SPAD
‘단광자 아발란치 다이오드 Single-Photon Avalanche Diode, SPAD ’는 극도로 높은 증폭 특성으로 단광자 Single Photon 까지 검출이 가능한 초고성능 센서 소자로, 궁극의 광센서·소자다.
그렇다면 눈사태라는 뜻의 단어인 아발란치 Avalanche 가 붙은 이유는 무엇일까? SPAD에서는 소자의 항복전압 Breakdown Voltage 보다 높은 전압을 걸어주었을 때 매우 큰 전기장에 따라 자유전자가 가속돼 강한 충돌을 일으킨다. 이에 따라 원자에 구속되어 있는 전자가 방출되어 자유전자의 수가 급속도로 증가하는 충격 이온화Impact Ionization 현상이 일어난다. 그리고 이 현상이 마치 산의 사면을 따라 발생하는 눈사태가 작은 눈덩이에서 시작되어 크나큰 눈사태가 되는 것과 같아 눈사태 증폭 Avalanche Multiplication 이라고도 하는 데서 비롯되었다.
다시 말해 외부에서 이미지센서로 조사된 광자로 인해 생성되는 자유전자의 수가 매우 크게 증가한다는 것으로, 주변 환경이 매우 어둡거나 아주 멀리서 빛이 조사돼 이미지센서에 미세한 수준의 광자만 들어와도 이 광자를 증폭해 아주 많은 광자가 들어온 것처럼 인식할 수 있다는 것이다. 즉, 군인들이 어두운 밤하 늘의 별빛이나 미세한 빛만으로도 어두운 공간에서 적 또는 사물을 마치 낮처럼 볼 수 있도록 도와주는 야간투시경을 떠올리면 된다.
아울러 SPAD 소자는 단광자가 들어왔을 때 출력으로 디지털 펄스 Digital Pulse 를 내보내는 특성이 있다. 그 때문에 SPAD를 센서로 활용해 송신부 Source 로부터 조사된 광자가 사물에 반사되어 돌아온 시간을 직접 측정함으로써, 사물의 거리를 정확하게 측정할수 있다.
또한 금속 산화막 반도체 Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS 공정 기반의 SPAD는 콤팩트할 뿐만 아니라 회로와의 집적화가 용이 하고, 저비용·대량생산에 있어 매우 유리하다는 장점이 있다. 반면 주변 회로들 때문에 수광 영역이 크게 제한받으며, 실리콘의 물질적 특성으로 인해 가시광선 영역 대비 라이다· ToF Time of Flight 동작 파장인 근적외선 영역에서의 효율이 크게 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 최근 글로벌 선도 그룹 및 기업들은 3차원으로 집적이 가능한 후면조사형 CMOS 이미지센서 공정을 기반으로 차세대 기술 연구 개발을 착수하고 있다.
그렇다면 눈사태라는 뜻의 단어인 아발란치 Avalanche 가 붙은 이유는 무엇일까? SPAD에서는 소자의 항복전압 Breakdown Voltage 보다 높은 전압을 걸어주었을 때 매우 큰 전기장에 따라 자유전자가 가속돼 강한 충돌을 일으킨다. 이에 따라 원자에 구속되어 있는 전자가 방출되어 자유전자의 수가 급속도로 증가하는 충격 이온화Impact Ionization 현상이 일어난다. 그리고 이 현상이 마치 산의 사면을 따라 발생하는 눈사태가 작은 눈덩이에서 시작되어 크나큰 눈사태가 되는 것과 같아 눈사태 증폭 Avalanche Multiplication 이라고도 하는 데서 비롯되었다.
다시 말해 외부에서 이미지센서로 조사된 광자로 인해 생성되는 자유전자의 수가 매우 크게 증가한다는 것으로, 주변 환경이 매우 어둡거나 아주 멀리서 빛이 조사돼 이미지센서에 미세한 수준의 광자만 들어와도 이 광자를 증폭해 아주 많은 광자가 들어온 것처럼 인식할 수 있다는 것이다. 즉, 군인들이 어두운 밤하 늘의 별빛이나 미세한 빛만으로도 어두운 공간에서 적 또는 사물을 마치 낮처럼 볼 수 있도록 도와주는 야간투시경을 떠올리면 된다.
아울러 SPAD 소자는 단광자가 들어왔을 때 출력으로 디지털 펄스 Digital Pulse 를 내보내는 특성이 있다. 그 때문에 SPAD를 센서로 활용해 송신부 Source 로부터 조사된 광자가 사물에 반사되어 돌아온 시간을 직접 측정함으로써, 사물의 거리를 정확하게 측정할수 있다.
또한 금속 산화막 반도체 Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS 공정 기반의 SPAD는 콤팩트할 뿐만 아니라 회로와의 집적화가 용이 하고, 저비용·대량생산에 있어 매우 유리하다는 장점이 있다. 반면 주변 회로들 때문에 수광 영역이 크게 제한받으며, 실리콘의 물질적 특성으로 인해 가시광선 영역 대비 라이다· ToF Time of Flight 동작 파장인 근적외선 영역에서의 효율이 크게 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 최근 글로벌 선도 그룹 및 기업들은 3차원으로 집적이 가능한 후면조사형 CMOS 이미지센서 공정을 기반으로 차세대 기술 연구 개발을 착수하고 있다.
전 세계에서 가장 우수한 센서 소자 개발·성능 검증 성공
차세대 핵심 원천기술인 SPAD를 표준 CMOS 공정 ❶ 에서 개발할 수 있다면 차세대 3차원 이미지센서·라이다 LiDAR 를 위한 최적의 솔루션을 제공할 수 있다.
최근 차세대 스마트폰 후면용 3D 이미지센서를 위해 보다 거리 성능이 우수한 직접-ToF D-ToF, Direct-ToF 센서의 연구개발이 크게 요구되고 있다. 이를 위한 필수 핵심 기술로 CMOS-SPAD가 더욱 각광받고 있지만 해당 기술은 그 난이도로 인해 전 세계적으로 소수만 보유하고 있는 상황이다.
최근 차세대 스마트폰 후면용 3D 이미지센서를 위해 보다 거리 성능이 우수한 직접-ToF D-ToF, Direct-ToF 센서의 연구개발이 크게 요구되고 있다. 이를 위한 필수 핵심 기술로 CMOS-SPAD가 더욱 각광받고 있지만 해당 기술은 그 난이도로 인해 전 세계적으로 소수만 보유하고 있는 상황이다.
- ❶ 고집적화 및 저가·대량생산에 최적화된 반도체 플랫폼
이명재 책임연구원은 “현재까지 일본의 소니 Sony 만이 자사의 우수한 90nm 후면조사형 Backside Illumination, BSI CIS(CMOS 이미지센서) 공정을 기반으로 적극적인 투자와 함께 SPAD 기반 라이다 센서를 연구개발해 제품화에 성공했다. 이를 애플의 아이폰 및 아이패드에만 독점적으로 제공하고 있어 타 스마트폰에서는 이와 같은 솔루션을 이용할 수 없는 상황이다”라고 설명했다.“이번에 산업통상자원부의 연구개발 R&D 지원을 통해 개발된 SPAD는 소니의 SPAD 센서 효율보다 최대 약 2배 더 높은, 전 세계에서 가장 우수한 광자 검출 효율을 성공적으로 달성했다. 국내 반도체 기업의 양산용 CMOS 공정을 기반으로 해당 소자를 개발 했기 때문에 즉각적인 국산화 및 양산화가 가능하다”고 밝혔다.
또한 이 책임연구원은 “현재 이미지센서의 최대 수요처는 카메라의 비중이 높은 스마트폰으로 전체 수요의 70%를 차지하고 있다. 자율주행자동차를 비롯해 로봇 분야에서도 수요가 급증하면서 글로벌 첨단 기업들의 연구개발 노력 역시 가속화되고 있다”고 했다. 이어서 “차세대 이미지센서 시장을 주도할 새로운 폼팩터 Form Factor 로 주목받고 있는 3D 이미지센서 분야에서 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있는 가운데 이번 SPAD 개발 성공은 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대된다”고 말했다.
또한 이 책임연구원은 “현재 이미지센서의 최대 수요처는 카메라의 비중이 높은 스마트폰으로 전체 수요의 70%를 차지하고 있다. 자율주행자동차를 비롯해 로봇 분야에서도 수요가 급증하면서 글로벌 첨단 기업들의 연구개발 노력 역시 가속화되고 있다”고 했다. 이어서 “차세대 이미지센서 시장을 주도할 새로운 폼팩터 Form Factor 로 주목받고 있는 3D 이미지센서 분야에서 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있는 가운데 이번 SPAD 개발 성공은 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대된다”고 말했다.
한국과학기술연구원에서 개발한 후면조사형 BSI CMOS 이미지센서 CIS 공정 기반 SPAD 구조 및 성능 예시.
메모리에 이어 국내 시스템 반도체 분야 고부가가치 창출 기대
이미지센서의 경우 전후방산업과의 연관성이 매우 깊고 고부가 가치 창출이 가능하다. 그렇기 때문에 SPAD 기술의 경우 스마 트폰뿐만 아니라 증강현실 AR ·가상현실 VR ·혼합현실 MR , 로봇·드론, 자율주행자동차 등 다양한 미래 기술 분야에서 핵심적인 역할을할 것으로 예상된다.
또한 이 책임연구원은 “SPAD는 다양한 바이오 및 양자 응용 분야에서도 크게 요구되는 센서 소자 기술이기 때문에 추후 보다 다양한 분야에서 추가 응용 또한 기대된다”며, “우리나라 주력 산업인 반도체 산업 분야에서 기존 메모리 반도체와 함께 시스템 반도체 분야에서 고부가가치를 창출하는 차세대 핵심 기술이될 것으로 전망된다”고 덧붙였다.
또한 이 책임연구원은 “SPAD는 다양한 바이오 및 양자 응용 분야에서도 크게 요구되는 센서 소자 기술이기 때문에 추후 보다 다양한 분야에서 추가 응용 또한 기대된다”며, “우리나라 주력 산업인 반도체 산업 분야에서 기존 메모리 반도체와 함께 시스템 반도체 분야에서 고부가가치를 창출하는 차세대 핵심 기술이될 것으로 전망된다”고 덧붙였다.
실제로 대표적인 시장조사기관인 욜 디벨롭먼트 Yole Development 가 2020년 발표한 자료에 따르면 3차원 이미지센서 시장은 2019년 약 50억 달러에서 2025년 150억 달러로 연평균 성장률이 약 20%에 달할 것으로 기대된다. 그 가운데 스마트폰 부문이 같은 기간 약 26.2%의 높은 성장률을 기록하면서 2025년에는 절반이 넘는 시장점유율을 기록할 것으로 전망했다. 자동차 부문 역시 약 27%로 가장 높은 연평균 성장률을 기록하며, 스마 트폰 다음으로 큰 시장을 형성할 것으로 내다봤다.
아울러 글로벌 시장조사업체인 마켓 앤마켓 Markets and Markets 은 2020년 ToF 센서 시장에 대한 조사자료 발표에서 직접-ToF D-ToF 센서는 2025년까지 간접-ToF Indirect ToF, I-ToF 가 약 11%의 연평균 성장률을 기록하는 동안 그 3배가 넘는 약 37.3%의 연평균 성장률을 달성할 것으로 전망했다. 이번 개발에 성공한 SPAD의 본격적인 사업화가 진행될 경우 직접-ToF 센서 및 라이다 센서 시장을 필두로 전 세계 시장에서 큰 영향력을 발휘할 것으로 기대된다.
아울러 글로벌 시장조사업체인 마켓 앤마켓 Markets and Markets 은 2020년 ToF 센서 시장에 대한 조사자료 발표에서 직접-ToF D-ToF 센서는 2025년까지 간접-ToF Indirect ToF, I-ToF 가 약 11%의 연평균 성장률을 기록하는 동안 그 3배가 넘는 약 37.3%의 연평균 성장률을 달성할 것으로 전망했다. 이번 개발에 성공한 SPAD의 본격적인 사업화가 진행될 경우 직접-ToF 센서 및 라이다 센서 시장을 필두로 전 세계 시장에서 큰 영향력을 발휘할 것으로 기대된다.
KIST 이명재 책임연구원은 SPAD가 시스템 반도체 분야에서 고부가가치를 창출하는 차세대 핵심 기술이 될 것으로 전망했다
한국과학기술연구원
한국과학기술연구원 KIST 은 국가 과학기술을 선도하는 창조적 원천기술의 연구개발과 그 성과의 확산을 목적으로 1966년 설립되었다. 오늘날 KIST는 과학기술을 통해 국민과 인류에 공헌하기 위해 세계 최초·최고 연구에 도전하고 있다.
대표적으로 차세대 반도체를 비롯해 인공뇌융합 반도체, 양자컴퓨팅, AI 기반 의료로봇, 차세대 백신 플랫폼, 기후변화 대응, 치매·자폐 치료, 시각장애 극복 등의 연구를 수행 중이다.
대표적으로 차세대 반도체를 비롯해 인공뇌융합 반도체, 양자컴퓨팅, AI 기반 의료로봇, 차세대 백신 플랫폼, 기후변화 대응, 치매·자폐 치료, 시각장애 극복 등의 연구를 수행 중이다.
이번 호 PDF 다운로드 