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지난 20년 간 디지털 카메라를 주도한 것은 CMOS를 이용한 이미지 센서였는데, 이제 그 자리를 양자점(quantum dots)이 차지할 것으로 보인다. 최근 출시되는 스마트폰은 최소 2개의 카메라를 장착하고 있고 전문가 외에는 따로 카메라를 들고 다니지 않을 정도로 좋은 화질을 제공한다. 하지만 밝은 조명 아래 사라지는 부분이 있고 어두운 조명 하에서는 거칠고 선명하지 않다. 이것은 카메라가 가시광선만 이용하기 때문이다.만약 적외선을 이용할 수 있는 양자점을 이용한다면 사진 기술에 혁명을 가져올 수 있다. 양자점은 나노사이즈의 반도체로 빛을 흡수할 때 화학결합을 통해 자유로운 전자를 방출하는 반도체와 달리 양자 구속(quantum confinement)이라는 현상을 통해 전자가 가장자리에서 압착되고 특별한 속성을 갖게 한다.이 속성을 사진에 적용할 경우 양자점에 흡수되는 빛을 조절할 수 있다. 이것은 적절한 재료와 입자 크기를 선택할 경우 가시광선에서 적외선에 이르는 모든 스펙트럼을 조정할 수 있다는 의미다. 이것을 역으로 적용하면 양자점을 사용한 TV 혹은 디스플레이 장치에 보다 풍부한 색을 표현할 수 있게 된다. (가장 잘 알려진 이름이 바로 QLED다.)이 외에도 양자점은 작은 크기로 인쇄할 수 있기 때문에 더 얇은 이미지 센서를 만들 수 있고 이 센서는 아주 어두운 것부터 아주 밝은 것까지 광범위한 파장에 민감한 장점을 가지게 된다.현재 적외선 카메라는 납-셀레나이드, 인듐-안티모네이드, 수은-카드뮴 텔루라이드, 인듐-갈륨-아르세나이드 등 반도체를 이용하여 실리콘이 흡수할 수 없는 빛을 판독한다. 적외선 검출 배열은 CMOS회로와 별도로 제작되어야 하고 각 회로는 금속-금속 결합을 통해 모든 픽셀과 연결되어야 한다. 이것을 복잡한 하디브리디엑시에이션(hybridixation)이라고 하고 화질의 혁신 가능성을 제한하는 핵심 요소로 비용도 많이 든다.반면에 양자점은 대규모 화학처리 없이 합성할 수 있고 하이브리드화가 필요없이 빠르고 쉽게 제조할 수 있다. 픽셀 사이즈는 15 마이크로미터보다 작아 직접하기가 용이해 더 저렴한 가격에 적외선 카메라를 만들 수 있게 한다.하지만, 안정성, 효율성, 균일성에 있어 양자점 상용화의 장애물이 존재 한다. 또한 공기와 접촉할 경우 산화되는 문제점이 있어 디스플레이용으로는 특별한 화학과정을 개발함으로써 쉽게 극복할 수 있었다. 그러나 양자점을 광자 검출에 이용하려면 폴리머를 이용해 개별 양자점을 봉쇄하는 것은 전자가 자유롭게 이동하는 것을 어렵게 하기 때문에 적절하지 않다.따라서, 전체 장치 혹은 전체 층을 캡슐화하는 방법이 초기 대안으로 제시히되고 있고 자체적으로 안정성과 가공성을 유지하면서 전하의 이동을 막지 않도록 하여 산화에 따른 영향을 줄이는 특별한 설계를 채택할 수도 있다.또 다른 장애물로 양자점의 안정적인 용액을 유지하기 위해 사용하는 유기 계면 활성제가 있다. 절연체 역할을 하는 계면 활성제의 문제를 단분자 형태로 바꿔 전도성을 높이는 방법으로 해결한다. 하지만 시간에 따라 취약해져 성능저하를 유발할 수 있다.단결정 반도체를 이용한 광검출기에는 결함이 적어 효율이 50%에 달하지만 양자점 검출기는 20%에 그친다. 개별 양자점 검출기는 실리콘 검출기보다 우수한 성능을 보이지만 양자점을 기반으로 한 검출기 전체의 효율을 달성하지는 못하고 있다. 하지만 이 효율은 재료 및 설계의 개선에 따라 점점 증가할 것이다.그리고 제조사의 규모 및 공정에 따라 양자점 광검출기의 성능에 큰 차이가 있을 수 있어 소규모 업체의 경우 균등한 품질의 제품을 만드는데 더욱 노력해야 한다.이처럼 여러 어려움에도 불구하고 제조사들은 양자점을 기반으로 하는 카메라를 만들고 있고 점차 주류가 되고 있다.초기 사례로는 SWIR 비전 시스템에서 출시한 애큐러스(Acuros) 카메라를 들 수 있다. 기존의 값비싼 적외선 카메라에 대응하여 단파 적외선 양자점 카메라에 집중하고 있다. 이 카메라는 황화 납 양자점을 적용하여 단파 적외선을 검출한다. 기존 인듐-갈륨-아르세나이드계 기술이 80%의 효율을 보이는 것에 비해 15%의 광자를 검출하는 것에 해당하는 15%의 효율을 내는 것이 훨씬 낮다고 볼 수 있으나 15 마이크로미터라는 크기를 강안하면 매우 합리적인 가격으로 쓸 수 있는 혁신적인 적외선 카메라가 될 수 있다.애플도 이 기술에 관심을 보여 양자점 카메라 회사인 인비사지(InVisage)를 인수한 바 있다. 애플은 적외선과 센서를 이용하여 안면인식을 적용하고 있는데 높은 해상도의 저렴한 카메라에 관심을 보이는 것은 자명하다.앞으로 5년 안에 양자점 카메라가 장착된 스마트폰을 가지게 될 것으로 예상되며, 적은 광량에서도 좋은 화질의 사진과 동영상을 찍고 안면인식 기술도 향상할 수 있을 것이다. 그 외에도 일상속에서 적외선 검출이 더 많아지고 지금보다 더 작고 저렴한 센서를 사용하게 될 것이다. |
