기존 상보성금속산화물반도체(CMOS) 이미지센서가 안고 있던 단파적외선(SWIR)의 감지 한계를 극복한 양자효과(Quantum effect CMOS) 이미지센서 기술이 상용화에 이어 모듈 양산화를 앞두고 있어 주목된다.
김훈 씨디바이스 대표가 양자 기반 플라즈몬·양자 터널링 기술을 활용해 순수 실리콘 기반 CMOS 구조에서 SWIR 영역까지 빛을 감지할 수 있는 QMOS 센서로 기존 광센서 성능을 뛰어넘는 새로운 지평을 열고 있기 때문이다.
2017년 미국 캘리포니아에서 창업한 씨디바이스는 비용 효과적이고 입증된 표준 CMOS 공정에서 고성능 SWIR 기능을 제공하는 QMOS 기술을 상용화한 기술개발 중심의 전문 기업이다. 현재 QMOS 응용제품 국제특허 60개 이상을 보유하고 있으며 최근 '세미컨덕터 리뷰'지로부터 올해의 기업상을 받았다.
우선 실리콘 CMOS 센서는 파장 감지 상한선이 1000nm로 SWIR(1000~2500nm 미만) 파장대 영역을 감지할 수 없다. 현재 SWIR 감지를 위해 'InGaAs(인듐 갈륨비소) 센서'를 사용하지만 추가 공정과 재료가 필요한 탓에 제작 단가가 비싸고 긴 파장에서 감지 성능이 떨어지는 단점이 있다.
이러한 고비용과 기술적 한계로 인해 검사, 분류, 감시, 품질 관리 등 자동차·농업·바이오 등 산업 전반 응용 분야에서 머신 비전을 지원해 가시광선에 비해 더 많은 이점을 제공하는 SWIR 이미지 처리를 적극 활용하지 못하고 있다.
김훈 대표는 “SWIR 감지 기능을 지닌 이미지센서 대량 양산 성공을 위해 △선형과 비선형을 자유롭게 오가는 광학 구조 △SWIR 고감도 성능 △기존 실리콘 소재 성능 확장 △특정 파운드리 팹의 의존 탈피 등 4가지 조건을 손꼽았다”라고 말했다.
그는 이러한 빛 감지 성능과 CMOS 공정 조건을 갖추기 위해 양자 역학적 원리를 적용해 기존 광센서의 성능적 한계를 극복하는 QMOS 양산 기술을 확보했다. 플라즈몬은 금속 내 자유전자가 집단으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 양자 터널은 입자가 가진 운동 에너지보다 더 높은 퍼텐셜 장벽을 뚫고 마치 터널을 지나듯이 이동하는 현상인데 이들 핵심 기술을 함께 활용했다.
김 대표는 “이미지센서는 빛 정보를 처리하는 매개체인데 반도체 표면의 금속 처리 과정을 통해 양자 현상을 유도할 수 있다. 빛이 금속 막을 쏘면 빛 안에 있는 광양자(포톤)와 반응해 금속 내부에 집단으로 진동하는 플라즈몬과 결합해 새로운 물리적 현상인 '표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)'으로 변환하면서 에너지·주파수 변환이 발생한다”라고 말했다.
이어 “이 특성이 전기적 신호로의 변환에 주요 역할을 담당하는 전자와 전공이 결합하기 전에 즉시 전자를 분리해 통과시키는 접합 다이오드의 양자 터널링 현상과 중첩되면 반응속도와 감지 파장대가 확장돼 기존 실리콘 광센서 즉, CMOS의 성능 한계를 뛰어넘게 된다”라고 설명했다.
따라서 QMOS 이미지센서는 비용 효과성이 매우 높아 퀀텀닷(CQD) 등 경쟁기업의 센서들과 비교했을 때 비용 절감 효과가 수십, 수백 배에 달할 뿐 아니라 CMOS를 기반으로 하고 있어 성능 저하 없이 가성비가 탁월한 공정 체계를 유지할 수 있다.
특히, 씨디바이스의 QMOS는 표준 CMOS 공정과 SWIR 이미징의 장점만을 결합해 낮은 생산 비용으로 고품질 시각 데이터를 제공해 농업, 감시, 자동차, 생물의학, 머신 비전, 스마트폰 등 소비자 제품을 포함한 다양한 산업 전반에 걸쳐 널리 채택될 수 있는 게 장점이다.
회사는 이에 우선 QMOS 센서의 SWIR 기능을 기반으로 비침습적 혈당 측정기 상용화에 속도를 내고 있다. 일본 메가칩스와 라이센스 계약을 체결하고 현재 대만 TSMC에서 시험용 칩을 생산하고 있고 양산 공정 조건도 확보한 상황이어서 내년 하반기 무혈당 측정기가 출시될 것으로 전망했다.
김 대표는 “QMOS이미지 센서는 혈당 환자에서 적혈구 내 당화 혈색소 수치에 따라 혈류 움직임의 차이가 발생하고 이를 읽어내서 혈당 수치를 측정한다”라면서 “QMOS센서를 활용한 광학적 혈당 측정의 효과를 검증하는 다양한 인비트로·인비보 연구를 수행해 기존 채혈 방식과 비교해 약 90% 정확도 수준을 달성했다”고 말했다.
씨디바이스는 기술의 성능과 가능성을 인지한 한국의 다수 업체로부터 QMOS 센서칩의 공급을 요청받고 있다. 또 일부 반도체 업체들이 양산을 위한 협업 가능성을 타진하는 등 한국을 양자 센서 양산 기지로 만드는 방안도 여러모로 검토하고 있다.
안수민 기자 smahn@etnews.com
