연세대 채영철 교수팀, 세계 최초 웨이퍼 스케일 SPAD X-ray 센서 개발

[이데일리 김현아 기자] 연세대학교 전기전자공학과 채영철 교수 연구팀이 세계 최초로 웨이퍼 스케일 고속, 초저선량, 고해상도 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) X-ray 센서를 개발하는 데 성공했다.

이 획기적인 기술은 시스템 반도체 설계 분야 최우수 학술대회인 ‘IEEE VLSI 심포지엄’ 발표 논문으로 선정되어, 6월 18일에 발표됐다.

개발된 저선량, 고속, 고해상도 SPAD X-ray 센서를 통한 550만 화소 샘플 이미지. 출처=연세대

이번 연구는 실리콘 공정 기반의 SPAD 기술과 디지털 픽셀 회로 기술을 결합하여 SPAD X-ray 센서를 웨이퍼 스케일로 구현하는 데 성공한 결과이다.

특히, 이 센서는 고속 글로벌 셔터 기술을 적용해 동영상 촬영 시에도 선명한 X-ray 영상을 제공하며, 회로 잡음이 없는 디지털 픽셀 회로 기술을 통해 기존 CMOS X-ray 센서 대비 40dB 더 넓은 116dB의 세계 최고 다이내믹 레인지 성능을 달성했다.

또한, 기존 센서보다 14% 수준의 선량으로도 동일한 이미지 품질을 제공한다.

채영철 교수는 “이번 연구는 기존 TFT/CMOS X-ray 센서의 속도, 잡음, 해상도 문제를 해결한 초격차 기술을 확보한 결과”라며, “2023년 ISSCC에서 기존 CMOS X-ray 센서 기술의 한계를 뛰어넘는 SPAD X-ray 센서를 세계 최초로 선보인 바 있다. 이후 8만 화소에 불과했던 SPAD X-ray 센서의 한계를 극복하고, 웨이퍼 스케일의 550만 화소 구현에 성공했다”고 설명했다.

이번에 개발된 SPAD X-ray 센서는 저전력 회로 설계 기술을 적용하여 기존 동일 해상도의 CMOS 센서 대비 전력 소모가 15% 수준인 0.6W로, 다양한 응용 분야에서의 활용이 기대된다.

채 교수는 “이 기술의 상용화가 이른 시일 내에 가능할 것으로 보이며, 실시간 X-ray 촬영이 필요한 고난도 수술에 새로운 전기를 마련할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 범부처 전주기 의료기기 연구개발 사업 ‘Global Shutter 기반의 20 x 20cm 대면적 Hybrid X선 동영상 검출기 개발’ 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.

이 혁신적인 연구는 의료기기 분야뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서도 큰 변화를 가져올 것으로 예상된다.