초록 ▼

□ 연구개요
∙ 본 과제는 디스플레이가 외부 환경을 인지하고 상황에 맞는 맞춤형 화면 제공이 가능하도록 산화물 기반 CMOS 이미지 센서를 디스플레이 패널에 임베디드 (CIP, CMOS image-sensor on panel) 시키는 것이 최종 목표임.
∙ 이러한 산화물 기반 CIP를 구현하기 위해서 CMOS 이미지 센서의 기본 요소인 N형 및 P형 박막트랜지스터와 광다이오드 개발을 진행하였으며, 이를 기반으로 이미지 센서가 임베디드된 CIP를 위해 10X10 RGBS (RGB+Sensor) 픽셀 어레이를 구현하였음.

□ 연구개요
∙ 본 과제는 디스플레이가 외부 환경을 인지하고 상황에 맞는 맞춤형 화면 제공이 가능하도록 산화물 기반 CMOS 이미지 센서를 디스플레이 패널에 임베디드 (CIP, CMOS image-sensor on panel) 시키는 것이 최종 목표임.
∙ 이러한 산화물 기반 CIP를 구현하기 위해서 CMOS 이미지 센서의 기본 요소인 N형 및 P형 박막트랜지스터와 광다이오드 개발을 진행하였으며, 이를 기반으로 이미지 센서가 임베디드된 CIP를 위해 10X10 RGBS (RGB+Sensor) 픽셀 어레이를 구현하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
∙ 본 연구과제의 최종목표인 산화물 기반 CIP 구현에 앞서, 1차년도에는 N형 산화물 반도체에 비해 상대적으로 연구가 부족한 P형 산화물 반도체의 전기적 특성 제어, 2차년도에는 CIP 구현의 기본 요소인 N형 및 P형 박막트랜지스터와 광다이오드 개발하고자 하였으며, 이를 기반으로 3차년도에는 산화물 기반 CIP 설계 및 제작을 진행하고자 하였음.
∙ 이에, 고성능의 P형 산화물 박막트랜지스터를 구현하기 위하여 P형 산화물 반도체에 대해 원론적으로 접근하였으며, P형 산화물 반도체의 전도특성에 영향을 미치는 인자들을 확인하였음. 결과적으로 P형 산화물 반도체 내에 다양한 물질들을 도핑시켜, 기존 P형 산화물 박막트랜지스터의 특성 대비 이동도를 184% 향상시켰음.
∙ 더 나아가, 기존 P형 산화물 박막트랜지스터의 낮은 스위칭 특성을 향상시키기 위하여 소자의 구조적인 연구를 진행하였음. 이에 sputtered passivation layer를 도입하여 소자의 신뢰성 뿐만이 아니라 스위칭 특성을 향상시켰으며, 이를 통해 세계 최고 수준의 스위칭 특성 (I_on/I_off = ~10⁸)을 가진 P형 산화물 박막트랜지스터를 구현하는데 성공하였음.
∙ 추가적으로 기존 P형 산화물 박막트랜지스터의 S/D 전극에서 쓰이던 비싼 귀금속류를 저가의 Al로 대체하기 위하여 P형 산화물과 전극 사이에 electrical dipole layer를 삽입하였음. 이에, 귀금속 계열의 금속을 사용하지 않고 저가의 Al을 이용하여 우수한 성능의 P형 산화물 박막트랜지스터 구현에 성공하였으며, 이를 통해 P형 산화물 박막트랜지스터의 제작 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 예상됨.
∙ 산화물 기반 광다이오드 연구는 산화물 자체의 높은 밴드갭 에너지로 인해 장파장대의 가시광선 영역의 빛을 흡수하지 못한다는 한계점을 극복하고자 하였음. 이에, 산화물 기반 Solution Absorption Layer 및 Selenium 광반도체와 같은 추가적인 광흡수층 도입 및 mesh 구조를 통한 표면 텍스쳐링 효과를 적용하였음. 결과적으로, 산화물 기반 광다이오드가 가시광선 대부분 영역의 빛을 흡수가 가능하게 하여 광센서로의 활용도를 높였을 뿐 아니라 산화물 기반 CIP의 가능성을 확인하였음.
∙ 해당 기반 기술을 통해 최종적으로 이미지 센서가 임베디드된 산화물 기반 CIP를 위해 10X10 RGBS (RGB+Sensor) 픽셀 어레이를 구현하였음.
∙ 해당 연구 과제를 수행함에 있어 3년간 26건의 논문 출판 및 26건의 지식재산권을 확보하였을 뿐만이 아니라 SK 하이닉스로의 1건의 기술이전 등의 우수한 연구개발 성과를 달성하였음. 이를 기반으로 2019년 국가연구개발 우수성과 100선 중 ICT 융합분야에서 최우수 성과로 인정받았음.

□ 연구개발결과의 중요성
∙ 해당 과제의 최종목표인 지능형 디스플레이를 위한 산화물 반도체 기반의 CIP 기술은 기존에 시도되지 않았던 새로운 기술로, 카메라, 조도센서, 터치센서, 지문인식 센서와 같은 외부 모듈을 디스플레이 제품에 추가적으로 연결할 필요 없이 임베디드 산화물 CMOS 이미지 센서를 통해 다양한 외부 변화 감지가 가능할 것으로 기대됨.
∙ 이러한 산화물 기반 CIP 기술은 4차 산업혁명에 따른 스마트 전자 기기 시장의 변화에 발맞추어 쌍방향의 기능이 가능한 인터렉티브 디스플레이로 활용이 가능하여 디스플레이 시장의 성장 둔화 현상을 해결함과 동시에 디스플레이 시장의 새 전기를 마련해 줄 것으로 기대됨.
∙ 나아가 산화물 반도체는 대면적 공정의 용이성, 저온 공정의 용이성과 제조 단가가 저렴하다는 장점으로, 본 연구에서 개발한 산화물 반도체 기반의 CMOS 이미지 센서의 단위 소자 제작 기술이 단순히 디스플레이뿐만 아니라 플렉시블 및 웨어러블 전자기기 등에 적용이 가능한 핵심 기술로 발전하여 기존의 실리콘 기반 소자에서는 적용할 수 없었던 새로운 어플리케이션 적용을 위한 응용 개발이 가능할 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)