태양전지와 이미지 센서는 어떤 점이 비슷한가

결국 빛을 전자로 바꾸는 것

앞서 살펴본 바와 같이 태양전지는 띠틈보다 큰 모든 빛을 흡수하여 전기 에너지로 바꾸는 반도체 소자이다. 띠틈보다 더 큰 에너지를 갖는 빛을 흡수할 수 있다. 태양전지를 이용해서 더 많은 전기를 생산하려면 효율을 높이거나, 태양전지가 더 넓어지면 될 것이다. 그래서 사람들은 사람들이 살지 않는 사막에 태양전지를 아주 넓게 설치하는 것이다.

이미지 센서는 태양전지와 마찬가지로 빛을 흡수하는 반도체 소자이다. 그러나 전류를 꾸준히 발생시키는 태양전지와 달리, 이미지 센서는 디지털카메라나 핸드폰에 들어갈 정도로 작다. 면적이 작으면 흡수할 수 있는 빛의 양 역시 많지 않아 전류가 태양전지에 비해 낮을 수밖에 없다. 그러다 보니 이미지 센서에서는 축전기를 활용하여 전자를 축적하는 과정을 거치고 있다. 얼마나 많은 전기가 축전기에 축적되었는지 측정하여 빛의 세기를 가늠하는 것이다.

위와 같이 하면 흑백 사진은 구현할 수 있을 것이다. 여기에 색깔까지 구현하려면 색깔마다 빛을 다르게 흡수해야 할 것이다. 그런데 하나의 반도체를 이용해서는 특정한 색을 흡수하기 어렵다. 반도체가 띠틈의 에너지보다 짧은 파장은 다 흡수하기 때문이다. 실리콘의 경우, 띠틈이 1.1 eV이므로 1100 nm보다 짧은 파장은 모두 흡수할 수 있다. 빨간색의 파장이 650 nm 정도이고, 다른 색들은 이보다 모두 짧기 때문에, 실리콘은 가시광선을 모두 흡수할 수 있다. 실리콘만 가지고서는 이미지 센서를 만들 수 없는 것이다.

컬러필터가 이 문제를 해결해 준다. 예를 들어 빨간색 칼라필터는 빨간색 빛만을 통과시키는데, 통과된 빛을 pn 접합에 조사하면 빨간색 빛이 얼마나 밝은지 알 수 있다. 빨간색, 녹색, 파란색 칼라필터를 이용하면 각각의 색이 얼마나 밝은지 알 수 있고, 이들을 조합하면 원래 색깔을 구현할 수 있는 것이다.

참고 문헌

[1] 이용제·김영찬·장수진, 물리학과 첨단기술, 반도체 공정 기술과 이미지 센서의 발전 (2024년 4월 15일) DOI : 10.3938/PhiT.33.008