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한국과학기술연구원 박민철 회원, Nature Electronics 지 논문 게재

사무국 hit 655 date 2025-02-06


 

Conductive-bridge interlayer contacts for two-dimensional optoelectronic devices

 

 

3차원 영상 기술은 물체의 깊이 정보를 정확히 기록하고 재현하여 공간적 데이터를 활용하는 데 필수적인 기술이다. 그러나 현재 사용되는 다수의 3차원 영상 획득 시스템은 다중 카메라 또는 결상렌즈와 마이크로렌즈 배열(microlens array; MLA)를 사용함에 따라 렌즈 간 수차(aberration)로 인한 영상 왜곡을 보정하기 위한 별도의 영상 보정 또는 전용 MLA가 필요하며, 이로 인해 고해상도 구현에 제약이 따른다. 본 연구에서는 기존의 집적 영상(integral imaging) 방식을 단일 화소(single-pixel) 기반 영상 센서와 결합하여 고해상도 3차원 영상을 생성할 수 있는 새로운 접근 방식을 제안하였다. 이 시스템은 단일 MLA를 활용하여 다중 시점의 장면 정보를 기록하고, 이를 광학적 복원(optical reconstruction)을 통해 사실감 있는 3차원 영상을 구현한다. 영상보정 등을 위한 복잡한 알고리즘 없이 MLA만으로 3차원 시각화를 구현할 수 있어 구조적으로 간단하면서도 실용적이다.

 

3차원 영상을 구현하기 위한 집적 영상 시스템은 획득(pickup)과 복원(reconstruction) 두 단계로 구성된다. 획득 단계에서는 MLA를 사용하여 다양한 시점에서 반사된 빛을 기록하고, 이를 통해 요소 영상(elemental image)을 생성한다. 이 요소 영상은 시점별 깊이 정보를 포함하여 3차원 복원의 기초 데이터를 형성한다. 복원 단계에서는 획득한 요소 영상을 렌즈 배열을 이용해 깊이와 입체감을 가진 3차원 영상으로 구현한다. 이러한 복원 방식은 추가적인 계산 없이 빠르고 효율적으로 3차원 영상을 제공한다.

 

또한, 본 연구에서는 단일 화소 센서를 활용한 3차원 영상 구현을 위해 2차원 반도체 기반 광 다이오드를 적용하였다. 기존 2차원 반도체 기반 광 다이오드는 5% 미만의 낮은 전력 변환 효율과 제한된 구동 범위로 인해 단일 화소 센서를 통한 고해상도 3차원 영상 구현에 한계가 있었으나, 본 연구에서 새로운 접촉 구조인 전도성 브릿지 중간층 접촉(conductive-bridge interlayer contact; CBIC) 개발을 통해 이 문제를 해결하였다. CBIC는 골드 나노 클러스트(gold nanocluster)가 포함된 산화물 중간층으로 구성되어, 낮은 직렬 저항을 통해 높은 전력 변환 효율과 뛰어난 광반응성을 제공한다. 구체적으로, CBIC 기반 단일 화소 기반 영상 센서는 122 ㏈의 선형 동적 범위(linear dynamic range), 0.29 A/W의 광응답도(photoresponsivity), 9.9％의 전력 변환 효율을 기록하며, 저광량 환경에서도 우수한 검출 능력을 보였다.

 

이러한 CBIC 기반 집적 영상 획득 시스템은 반사(reflection) 방식에서 동작하여 실제 응용 환경에 적합한 성능을 검증하였다. RGB 필터를 활용하여 650 ㎚, 550 ㎚과 450 ㎚ 파장에서 요소 영상을 획득하고, 이를 결합하여 풀 컬러 3차원 영상을 생성하였다. CBIC 센서는 낮은 광량에서도 안정적인 광전류(photocurrent)를 생성하며, 높은 대조비(contrast)와 선명한 물체 인식을 가능하게 한다. 이를 통해 생성된 3차원 영상은 사실적인 깊이와 입체감을 제공하며, 고해상도와 신뢰성을 모두 충족하는 기술적 기반을 마련하였다.

 

제안된 시스템은 렌즈 배열의 변경과 영상 센서의 배열 확장을 통해 다양한 크기와 형태의 3차원 영상 획득 시스템으로 확장할 수 있다. 예를 들어, 센서 배열의 확장은 더 넓은 시야각과 높은 깊이 해상도를 제공하며, 초고속 영상 처리와 대규모 데이터를 요구하는 산업 환경에서도 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 특히, 실시간 고해상도 풀 컬러 3차원 영상 구현에는 대규모 광센서 배열이 필수적이다. 이 배열은 더 많은 시점의 정보를 실시간으로 동시 기록하여 영상 품질을 극대화한다. 이는 자율주행 시스템의 실시간 환경 사상(mapping), 정밀 의료 진단, 문화재 복원, 증강현실(augmented reality) 및 가상현실(virtual reality) 장치에서 몰입형 3차원 시스템 구현에 핵심적인 역할을 한다. 결론적으로, CBIC 기반 단일 화소 센서를 활용한 2차원 및 3차원 풀 컬러 영상 획득 시스템은 실제 시제품으로의 응용 가능성을 제시하며, 다양한 산업 분야에서 활용될 잠재력을 보여준다.

 
 
 

Fig. 1 본 연구에서 제안된 CBIC 기반 광 다이오드를 활용한 3차원 풀 컬러 영상 획득 시스템의 구조 및 결과: (a) 3차원 집적 영상 방식의 획득 및 복원 과정.
요소 영상을 기록한 후 렌즈 배열을 통해 3차원 영상을 광학적으로 복원. (b) CBIC 단일 화소 센서를 활용한 3차원 집적 영상의 획득 과정 시스템 모식도. 
(c) 다양한 파장(빨강: 650 ㎚, 초록: 550 ㎚, 파랑: 450 ㎚)에서 기록된 요소 영상과 이를 결합해 생성된 RGB 풀 컬러 요소 영상. (d) 3차원 집적 영상 복원 과정. 
(e) 3차원 집적 영상 복원 과정의 세부 모습. 슬라이딩 방향으로 렌즈 배열이 이동하며 복원되고 있는 3차원 영상. (f) CBIC 단일 화소 센서를 활용해 복원된 
3차원 풀 컬러 영상. 여러 시점에서 3차원 객체를 사실감 있게 구현.

 
 

 

Reference

[1] J. Jang, J. P. Hong, S.-J. Kim, J. Ahn, B.-S. Yu, J. Han, K. Lee, A. Ha, E. Yoon, W. Kim, S. Jo, H. W. Ko , S. K. Yoon, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Baek, D.-Y. Kim , K. Lee, S. Mun, K. H. Lee, S. Park, K. Kim, Y. J. Song, S. A. Lee, H. J. Kim, J. W. Shim, G. Wang, J.-H. Kang , M.-C. Park , and D. K. Hwang ,“Conductive-bridge interlayer contacts for two-dimensional optoelectronic devices,”Nat. Electron. (2025).  

 

DOI

https://doi.org/10.1038/s41928-025-01339-9

 

 

집적영상 분야는 故 이병호 교수님께서 많은 기여와 뛰어난 실적을 남기신 분야로, 이번 성과에 부족한 점도 많지만 고인께서 보셨다면 매우 기뻐해 주셨을 것으로 생각하여 본 글을 기고합니다.  다시 한 번 고인의 업적을 기립니다.

 

 

 

 

 

 
첨부파일
Nature_Electronics.pdf