채영철 교수팀, 세계 최초 웨이퍼 스케일 ‘SPAD X-ray 센서’ 기술 개발

기존 센서의 속도, 잡음, 해상도 문제 해결한 초격차 기술

실시간 X-ray 촬영이 필요한 고난도 수술 활용 기대

IEEE VLSI 심포지엄 발표 논문 선정

[그림 1. 개발된 저선량, 고속, 고해상도 SPAD X-ray 센서를 통한 550만 화소 샘플 이미지]

전기전자공학과 채영철 교수 연구팀이 세계 최초로 웨이퍼 스케일의 고속, 초저선량, 고해상도 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) X-ray 센서를 개발했다. 이 기술은 가치를 인정받아 시스템 반도체 설계 분야 최우수 학술대회인 ‘IEEE VLSI 심포지엄’ 발표 논문으로 선정돼 6월 18일에 발표됐다.

채영철 교수 연구팀은 단일 광자 검출을 가능하게 하는 실리콘 공정 기반의 SPAD 기술과 디지털 픽셀 회로 기술을 결합해 SPAD X-ray 센서를 웨이퍼 스케일로 구현하는 데 성공했다.

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. 또, 14% 수준의 선량으로도 동일한 이미지 품질을 획득할 수 있다. 

저전력 회로 설계 기술을 적용된 이 웨이퍼 스케일의 550만 화소 SPAD X-ray 센서는 기존 동일 해상도의 CMOS 센서 대비 전력 소모가 15% 수준인 0.6W로, 다양한 응용 분야에 활용이 가능할 것으로 기대된다.

연구를 주도한 채영철 교수는 "이번 연구는 기존 TFT/CMOS X-ray 센서의 속도, 잡음, 해상도 문제를 해결한 초격차 기술을 확보한 결과"라며, “우리 연구진은 2023년 ISSCC(International Solid-State Circuits Conference)에서 기존 CMOS X-ray 센서 기술의 한계를 뛰어넘는 SPAD X-ray 센서 기술을 세계 최초로 선보인 바 있다. 이후 8만 화소에 불과했던 SPAD X-ray 센서의 한계를 극복하고, 웨이퍼 스케일의 550만 화소 구현에 성공했다.”고 설명했다. 

이어 “개발된 고속, 초저선량, 고해상도 SPAD X-ray 센서의 상용화가 이른 시일 내에 가능할 것으로 보이며, 실시간 X-ray 촬영이 필요한 고난도 수술에 새로운 전기를 마련할 것으로 기대한다.”고 연구 의의를 밝혔다.

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

관련 정보

● 발표 논문: B. Park, H.-S. Choi, J. Jeong, J. Cheon, M.-J. Lee, and Y. Chae, "A 7.2inch 5.5Mpixel 600mW SPAD X-ray Detector with 116.7 dB Dynamic Range" IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits

● 학술대회 링크: https://www.vlsisymposium.org/