물리학과 김지희 교수 연구팀이 전원 없이도 빛에 의해 스스로 반응하고 이미지를 처리하는 새로운 형태의 자가 구동형 인센서 이미징(in-sensor imaging) 기술을 구현했다.

이번 연구는 빛의 세기와 방향뿐만 아니라 전류 응답의 부호를 제어해 감지와 연산이 하나의 소자에서 동시에 일어나는 ‘생각하는 하드웨어’의 가능성을 열었으며, 센서에서 직접 이미지 전처리를 수행할 수 있는 하드웨어적 기반을 구축함으로써 Vision(비전) AI 및 Edge(엣지) AI 기술과의 융합 가능성을 제시해 초저전력 인공지능(AI) 엣지 비전 기술로의 확장을 기대하게 한다. 

【김지희 교수】 

김지희 교수팀은 성균관대와의 공동연구로, 1차원 나노선 Nb₂Pd₃Se₈과 2차원 나노면 WSe₂를 결합한 새로운 반데르발스 이종접합 구조*를 이용해 게이트 전압**으로 전류 방향이 조절되는 자가 구동형 광검출기를 제작하고, 이를 인센서 이미지 처리*** 소자에 응용할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

이번 연구에서 개발된 소자는 전원 없이도 빛에 의해 스스로 전류를 생성하며, 게이트 전압 조절을 통해 전류의 극성(양↔음)을 전환할 수 있는 것이 특징이다. 이러한 양·음 광전류 전환(polarity switching) 기능은 신호의 가중치를 조절하거나 이미지 필터링 연산에 활용할 수 있어, 기존 이미지 센서와 달리 감지와 계산을 하나의 장치에서 동시에 수행할 수 있는 기반을 마련했다. 

또한 연구팀은 1차원 나노선인 Nb₂Pd₃Se₈의 좁은 밴드갭과 높은 비대칭성을 활용해 넓은 파장대(자외선~근적외선)에서 빠른 광응답을 구현했다. 

실험 결과, 소자는 약 3마이크로초(백만분의 1초)의 초고속 응답 속도와 232 mA/W의 높은 광응답도(photoresponsivity)를 달성했으며, 외부 양자 효율 77%와 탐지율(Detectivity) 6.25×10¹⁰ Jones의 우수한 성능을 보였다. 

【1D Nb₂Pd₃Se₈/ 2D WSe₂ 이종접합 광검출기의 게이트 조절형 전류 방향 전환】

게이트 전압 변화에 따라 양·음 광전류가 전환되며, 인센서 이미지 처리에 활용 가능한 양방향 광응답을 보여줌.

이번 성과는 1차원 나노선과 2차원 나노면의 결합을 통해 차세대 반데르발스 이종접합 소자에서 광-전기 신호를 정밀하게 제어할 수 있음을 실험적으로 보여준 것으로, 나노전자 및 광컴퓨팅 분야에서 새로운 소자 설계 방향을 제시한다는 점에서 학문적 의미가 크다. 

김지희 교수는 “이번 연구는 2차원 소재의 전자-광 특성을 정밀하게 제어해, 하나의 소자에서 감지와 연산이 동시에 이루어질 수 있음을 실험적으로 입증한 데 의의가 있다”며 “앞으로 이번 기술을 확장해 인공지능(AI) 하드웨어의 융합을 추진할 계획이다. 특히 인센서 이미지 처리 기술을 Vision AI와 Edge AI 시스템의 입력 단계에 적용해, 실시간 데이터 전처리·노이즈 제거·특징 추출을 수행하는 스마트 센서 플랫폼으로 발전시키려는 구상이다. 이는 자율주행, 로봇비전, 생체 모방 감각 시스템 등 미래 AI 융합산업의 핵심기술로 이어질 것으로 기대된다”고 설명했다.

해당 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지 『Advanced Materials』 2025년 10월 31일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Van der Waals integration of 1D Nb₂Pd₃Se₈ and 2D WSe₂ for gate-tunable in-sensor imaging processing (1D-2D 반데르발스 이종접합을 이용한 게이트 조절형 인센서 이미지 처리 소자)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.202500011 

※ 용어 설명

* 반데르발스 이종접합 구조: 원자층 물질을 서로 다른 종류로 적층해 약한 반데르발스 힘으로 결합시킨 구조로, 격자 불일치 없이 새로운 전자·광학적 특성을 구현할 수 있는 차세대 나노소자 구조임. 

** 게이트 전압: 반도체 소자에서 채널의 전자 밀도를 바꿔주는 전압으로, 여기서 스위치이자 연산 조절기 역할을 함.

*** 인센서 이미지 처리: 빛을 감지하는 이미지 센서 내부에 감지와 연산이 동시에 이루어지는 기술로, 별도의 전력 공급이나 외부 프로세서 없이 초저전력 지능형 이미지 처리를 가능하게 함. 

* 상단 연구 이미지: (위)레이저 세기를 아날로그 신호로 변환해 얻은 8비트 회색조 입력 이미지와 (아래)1D Nb₂Pd₃Se₈/ 2D WSe₂ 이종접합 소자의 게이트 조절형 광응답(R값)을 이용한 인센서 이미지 처리 시뮬레이션 결과. 다양한 커널(Sobel, Sharpen, Gaussian Blur 등)을 적용해 엣지 검출 및 이미지 향상 기능을 구현함.

[Abstract]

1D and 2D integrations provide significant promise for machine vision by enabling compact, power-efficient optoelectronic devices. However, the potential of 1D materials in mixed-dimensional structures for convolutional image processing remains largely unexplored. Here, high-quality 1D- Nb₂Pd₃Se₈ is synthesized and integrated with 2D-WSe₂ to form self-powered photodetectors, exhibiting gate-tunable bi-directional photoresponse for image processing. Utilizing the narrow band gap and favorable work function of 1D- Nb₂Pd₃Se₈, a type-I junction and 1D van der Waals interface are established with transition metal dichalcogenides. The gate tunable built-in electric field enables switching between n-p and n-n⁺ configurations, allowing the drift photocurrent direction to be reversed, achieving both negative and positive photocurrent. Furthermore, efficient conversion of high-energy photons along one dimension enhances sensitivity at 375 nm. The device achieves a responsivity of 232 mA W^-1, external quantum efficiency of 77% at 375 nm illumination, rapid response time of ~3 µs, detectivity of 6.35 × 10¹⁰ Jones, and broadband photodetection from ultraviolet to near-infrared. The demonstrated gate-controllable, bi-directional photoresponse with linear power dependence in a 1D heterojunction offers a promising platform for in-sensor convolutional processing with high integration and portability.

- Author (Pusan National University): Ji-Hee Kim (Department of Physics) 

- Title of original paper: Van der Waals integration of 1D Nb₂Pd₃Se₈ and 2D WSe₂ for gate-tunable in-sensor imaging processing

- Journal: Advanced Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adma.202500011 

- Contact e-mail: kimjihee@pusan.ac.kr