RnDCircle Logo
arrow left icon

PIXEL LAB

포항공과대학교 반도체공학과

이지원 교수

Image Sensors

Pinned Photodiodes

Quantum Dots

PIXEL LAB

반도체공학과 이지원

PIXEL LAB은 반도체 기반 이미지 센서 분야에서 세계적인 연구 역량을 갖춘 연구실로, 차세대 이미지 센서의 설계, 시뮬레이션, 제작 및 응용에 이르기까지 전주기적 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 실리콘 기반 센서의 한계를 극복하기 위해 양자점, 유기 박막 등 신소재를 활용한 적외선 이미지 센서 개발에 집중하고 있으며, TCAD 시뮬레이션을 통한 이론적 분석과 실험적 검증을 병행하여 혁신적인 센서 구조를 제안하고 있습니다. 특히, 단일 광자 증폭 다이오드(SPAD), 수직형 핀드 포토다이오드, 박막 기반 포토다이오드 등 다양한 신구조 센서의 동작 원리를 심층적으로 연구하고 있습니다. 이를 통해 고해상도, 저잡음, 저전력 이미지 센서의 설계 및 제작 기술을 확보하고 있으며, 실제 CMOS 공정과의 호환성까지 고려한 실용적 연구를 진행하고 있습니다. 연구실은 SWIR(Short-Wave Infrared), NIR(Near-Infrared) 등 기존 실리콘 센서로는 감지하기 어려운 파장 영역까지 커버할 수 있는 이미지 센서 개발에 앞장서고 있습니다. 양자점 및 유기 박막 소재를 활용한 센서는 웨어러블, AR/VR, 자율주행, 의료 영상 등 다양한 미래 산업에 적용될 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 또한, 박막 트랜지스터와의 집적, 모노리식 집적 기술 등 첨단 공정 기술을 통해 초고해상도, 초고감도 이미징을 실현하고 있습니다. PIXEL LAB은 SPAD 기반 3D 센싱, FMCW LiDAR, TDI CCD 등 첨단 응용 분야를 위한 이미지 센서 설계 및 신호처리 알고리즘 개발에도 주력하고 있습니다. 이를 통해 자율주행, 산업용 로봇, 보안, 의료 등 다양한 분야에서 요구되는 맞춤형 센서 솔루션을 제공하고 있습니다. 국내외 산학협력, 정부과제, 특허 및 논문 발표를 통해 글로벌 이미지 센서 분야에서 선도적인 입지를 다지고 있습니다. 연구실은 앞으로도 반도체 이미지 센서의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 기술 개발을 통해, 미래 정보화 사회의 핵심 인프라를 구축하는 데 기여할 것입니다. 창의적이고 도전적인 연구를 바탕으로, 차세대 센서 기술의 글로벌 리더로 성장해 나가고 있습니다.

Image Sensors
Pinned Photodiodes
Quantum Dots
최첨단 이미지 센서 모델링 및 TCAD 시뮬레이션
PIXEL LAB에서는 차세대 이미지 센서의 이론적 분석과 TCAD(Technology Computer-Aided Design) 시뮬레이션을 통해 반도체 기반 이미지 센서의 성능을 극대화하는 연구를 수행하고 있습니다. TCAD 시뮬레이션은 반도체 소자의 전기적, 광학적 특성을 정밀하게 예측할 수 있는 강력한 도구로, 실험적 한계를 극복하고 새로운 구조의 센서 설계에 필수적인 역할을 합니다. 연구실은 다양한 이미지 센서 구조에 대한 전자 이동, 전기장 분포, 광자-전자 상호작용 등을 분석하여 최적의 설계 방안을 도출하고 있습니다. 특히, 수직형 핀드 포토다이오드(Vertical Pinned Photodiode), 단일 광자 증폭 다이오드(SPAD), 그리고 유기 및 양자점 기반의 박막 포토다이오드 등 다양한 신소재 및 신구조 센서의 동작 원리를 심층적으로 분석합니다. 이를 통해 소자의 잡음 특성, 암전류, 양자 효율 등 핵심 성능 지표를 개선하고, 실제 CMOS 공정과의 호환성까지 고려한 설계 전략을 제시합니다. TCAD 시뮬레이션 결과는 실험적 데이터와의 비교를 통해 신뢰성을 확보하며, 새로운 소자 개발의 기반이 됩니다. 이러한 연구는 고해상도, 저잡음, 저전력 이미지 센서 개발에 직접적으로 기여하며, 모바일, 자동차, 의료, 보안 등 다양한 산업 분야에서 요구되는 맞춤형 센서 솔루션을 제공할 수 있는 기술적 토대를 마련합니다. PIXEL LAB의 TCAD 기반 모델링 연구는 미래 반도체 이미지 센서의 혁신을 이끄는 핵심 동력입니다.
양자점 및 유기 박막 기반 적외선 이미지 센서 개발
PIXEL LAB은 기존 실리콘 기반 센서의 한계를 극복하기 위해 양자점(Quantum Dot, QD)과 유기 박막(Organic Thin Film) 소재를 활용한 적외선(SWIR, NIR) 이미지 센서 개발에 집중하고 있습니다. 양자점은 밴드갭 조절이 가능해 가시광선은 물론 단파장 적외선(SWIR) 영역까지 감지할 수 있으며, 유기 박막은 유연성과 저비용 대면적 공정이 가능하다는 장점이 있습니다. 연구실은 이들 소재를 CMOS 공정과 집적하여 고성능, 저잡음, 고해상도 적외선 이미지 센서를 구현하고 있습니다. 특히, 콜로이드 양자점 기반 포토다이오드와 유기 포토다이오드를 단일 칩에 모노리식 집적하는 기술을 개발하여, 기존 실리콘 센서로는 구현이 어려운 파장 영역의 이미징을 실현합니다. 이러한 센서는 외부 양자 효율(EQE) 향상, 암전류 저감, 픽셀 간 간섭 최소화 등 다양한 성능 개선을 이끌어내고 있습니다. 또한, 박막 트랜지스터(TFT)와의 집적을 통해 초고해상도 및 초고감도 이미징이 가능하며, 웨어러블, AR/VR, 자율주행 등 차세대 응용 분야에 적합한 센서 플랫폼을 제시합니다. 이 연구는 단순히 센서 소자 개발에 그치지 않고, 실제 시스템에 적용 가능한 이미지 센서 모듈 및 하드웨어 구현까지 아우릅니다. 다양한 국내외 산학협력 및 정부과제를 통해 기술을 고도화하고 있으며, 특허 및 논문 발표를 통해 글로벌 이미지 센서 분야에서 선도적인 입지를 다지고 있습니다.
고성능 SPAD 및 3D 센싱용 이미지 센서 설계
PIXEL LAB은 단일 광자 증폭 다이오드(SPAD, Single Photon Avalanche Diode)와 3D 센싱 기술을 접목한 차세대 이미지 센서 개발에 주력하고 있습니다. SPAD는 극미량의 광자도 감지할 수 있는 초고감도 소자로, ToF(Time-of-Flight) 기반 거리 측정, 라이다(LiDAR), 3D 이미징 등 다양한 첨단 응용 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 연구실은 SPAD의 전기장 분포, 캐리어 생성 및 이동, 브레이크다운 확률 등 미세 동작 메커니즘을 TCAD 및 몬테카를로 시뮬레이션으로 정밀하게 분석하여, 최적의 구조와 공정 조건을 도출하고 있습니다. 특히, 후면조사형(BSI) SPAD, 수직형 구조, 전하 집중형 전기장 설계 등 다양한 혁신적 구조를 연구하여, 근적외선(NIR) 감도 향상, 타이밍 분해능 개선, 저잡음 특성 확보 등 성능 극대화를 실현하고 있습니다. 또한, SPAD 어레이와 전용 판독회로(ROIC)를 집적하여 대면적, 고속, 고해상도 3D 이미징이 가능한 센서 플랫폼을 개발하고 있습니다. 이러한 기술은 자율주행, 산업용 로봇, 의료 영상, 보안 시스템 등 다양한 미래 산업에 적용될 수 있습니다. 연구실은 SPAD 기반 이미지 센서의 실제 시스템 적용을 위해, 신호처리 알고리즘, 하드웨어 최적화, 저전력 설계 등 전방위적 연구를 병행하고 있습니다. 이를 통해 세계 최고 수준의 3D 센싱용 이미지 센서 기술을 확보하고, 국내외 학회 및 산업계와의 협력을 통해 기술의 실용화와 상용화를 적극 추진하고 있습니다.
1
페로브스카이트 기반 3D 이미지 센서 최초 개발
ACS nano, 1970
2
Distance Estimation by Digital Correlation for FMCW LiDAR Systems
Mauricio Velazquez Lopez, Orges Furxhi, Nikolas Papadopoulos, Azhar Din, Hwiwon Kim, Mathias Prost, Evgenii Tiurin, Jac Romme, Jiwon Lee, Marcus Dahlem
IEEE Transactions on Signal Processing, 2025
3
A Color-Separable Vertical Pinned Photodiode for Scaled CMOS Image Sensor Pixels
Jae-Hyeok Hwang, Minhyun Jin, Jiwon Lee
IEEE Sensors Journal, 2025
1
4.29663_이월과제(이관과제계속비)
산업통상자원부
2024년 ~ 2024년 12월
2
SWIR 대역 이미지 센서 개발
산업통상자원부
2024년 ~ 2024년 12월
3
[민간]SWIR 대역 이미지 센서 개발
산업통상자원부
2024년 ~ 2024년 12월