Transcript Chapter 03-2 적외선 센서

내용
3.1 적외선 센서의 기초
3.2 광도전형 적외선 센서
3.3 광기전력형 적외선 센서
3.4 초전형 적외선 센서
3.5 서모파일
3.6 볼로미터
3.7 적외선 센서 요약
제 3 장 적외선 센서
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3.4 초전형 적외선 센서
 초전효과
• 초전기(焦電氣; pyroelectricity) 현상은 영구전기쌍극자(permanent electrical
dipole moment)를 갖는 분자로 구성된 강유전체(ferroelectric material)에서 발
생한다.
• 이러한 단결정에서 퀴리 온도(Curie temperature)라고 부르는 임계온도 이하에
서는 전기쌍극자들이 특정 결정축 방향으로 배열하여 결정에 자발분극
(spontaneous polarization)을 일으킨다.
• 물질이 가열되면, 분자의 열운동에 의해 전기쌍극자의 배열이 흐트러져 분극은
감소하게 되고, 퀴리 온도 이상으로 되면 분극은 0으로 된다.
제 3 장 적외선 센서
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초전형 적외선 센서
(예) 티탄산바륨(barium titanate) : BaTiO3
• 퀴리 온도(130℃) 이상에서, 그림 (b)와 같이, (+)전하의 질량 중심과 (-)전하의
질량 중심이 일치하여 순 분극(net polarization)은 0이다. 즉 P = 0 이다.
P=0
• 그러나 퀴리온도(130℃) 이하로 되면 그림 (c)와 같이 (+)전하의 중심과 (-)전하
의 중심이 일치하지 않게 되고, 결정은 분극 벡터P를 가지게 되어 강유전체로 된
다.
• 이와 같이 외부전계가 없는 상태에서 결정 내부에 전기 쌍극자 들이 특정 결정축
방향으로 배열하여 일어나는 분극을 자발분극(spontaneous polarization)이라고
부른다
제 3 장 적외선 센서
초전형 적외선 센서
• 강유전체 결정은 그림 (d)와 같이 강유전 구역(ferroelectric
domain)으로 나누어진다. 각 구역의 자발분극의 방향과 크기
는 서로 다르다.
• 만약 강유전체 물질이 가열되면 분자의 열운동에 의해 전기
쌍극자의 배열이 흐트러져 분극은 감소하게 되고 퀴리온도
(130℃)이상으로 되면 분극은 0으로 된다.
• 이와 같이, 강유전체의 분극 세기는 온도에 따라 변화한다.
강유전체의 온도가 ΔT 만큼 변화할 때, 결정내부에서 원자배
열의 변화에 따라 자발분극의 세기가 ΔP만큼 변화하는 현상
을 초전기 또는 초전효과라고 부른다. 이 효과의 크기는 초전
계수(pyroelectric coefficient) p 로 나타낸다.
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제 3 장 적외선 센서
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초전형 적외선 센서
 구조와 동작원리
(a) 초전 효과를 갖는 결정은 일정 온도(즉 열적
평형상태)에서 그림 (a)와 같이 자발분극에
의해서 그 표면에는 항상 (+)와 (-)전하가
발생한다. 이것을 분극전하라고 부른다.
분극전하
부유전하
(a)
(b) 이 분극전하들은 공기 중을 떠돌아다니는 부 (b)
유전하(이온)(floating charge)를 포획하여
전기적으로 중성으로 된다.
(c) 이 상태에서 적외선이 흡수되면 초전체의 온
도가 상승하고, 그 결과 자발분극의 세기가
(c)
감소한다. 그러나 표면에 부착된 전하는 자
발분극의 변화에 신속히 대응하여 변화할 수
없기 때문에 결정표면의 전하는 불평형으로
되고, 이 불평형 분의 전하를 전압 또는 전류
변화로 출력한다.
(d)
(d) 만약 온도가 감소하면 자발분극의 세기는 증
가하고, 더욱 많은 전하가 전극에 부착되므
로 전류방향은 반대로 된다.
부유전하
제 3 장 적외선 센서
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초전형 적외선 센서
• 초전형 적외선 센서의 내부 구조와 외관
- 지지대 위에 고정된 초전체 박판(초전소자)을 금속 베이스의 중앙에 고정
시키고, 금속 베이스는 적외선 필터(실리콘 판)를 접착한 금속 켄(can)으
로 차폐되어 있다.
- 초전소자는 임피던스가 매우 높기(1012 Ω) 때문에, 그대로 사용하면 외부
잡음을 유도하기가 쉽게 되어 임피던스 매칭 회로를 같은 케이스에 내장
하고 있으며, 보통 FET를 사용한 소스 폴로워(source follower)가 사용됨.
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초전형 적외선 센서
• 초전형 적외선 센서의 동작모드
- 초전체는 임피던스가 매우 높기 때문에 극히 작은 전류만을 공급한다. 초전체
표면에 있는 전하를 전기신호로 변환하는 방법에는 전압 모드와 전류 모드가
있으며, 일반적으로 전압 출력형 초전 센서가 사용된다.
- (a)전압 모드 : 임력 임피던가 매우 높은 전압 폴로워(Voltage follower) 회로
가 사용된다. 전압 모드는 회로가 간단하고, 잡음이 작고, 피크 감도가 비교적
저주파에서 나타난다. 이러한 특징을 이용해서, 인체를 검출하는 센서 등에 사
용됨.
- (b)전류 모드 : 초전체 표면에 있는 전하가 전류로 출력된다. 전류형 초전센서
는 높은 이득, 일정 감도 등의 특성이 있어 레이저 검출 등에 자주 사용된다.
주파수 하한은 증폭기의 상수에 의해서 결정된다. 그래서 주파수 응답은 증폭
기 회로 형식을 조정하면 향상시킬 수 있다.
(a)전압 모드
(a)전류 모드
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초전형 적외선 센서
 특성
• 주파수 특성
- 초전 센서는 센서의 온도변화가 있을 때 만 적외선을 검출하기 때문에 정지해 있는
물체를 검출하기 위해서는 광 초퍼(optical chopper)가 요구된다.
- 그림 (a): 전압 모드의 전압감도-초핑 주파수(chopping frequency) 특성의 일례를
나타낸 것으로, 초핑 주파수에 따라 전압감도가 증가하다가 급격히 감소함
- 그림 (b): 전류 모드의 전류감도-초핑 주파수 특성을 나타낸 것으로, 전류감도는 넓
은 초핑 주파수에 걸쳐 일정하다.
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초전형 적외선 센서
• 분광 응답특성
- 초전 센서는 열형 검출기이기 때문에, 어떠한 파장 의존성도 가지지 않으며, 분광 응
답 범위는 사용되는 창 재료에 의해서만 결정된다.
- 그림 3.18은 초전 센서의 대표적인 분광 응답 예를 나타낸다.
제 3 장 적외선 센서
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초전형 적외선 센서
 특징
초전 검출기(전압 출력 모드)는 다음과 같은 특징을 갖는다.
- 실온에서 동작한다.
- 분광 응답이 평탄하다.
- 입사 에너지(적외선)의 변화가 있을 때만 출력신호가 얻어진다.
- 임피던스 변환 FET를 내장하고 있다.
- 가격이 저렴하다.
- 수명이 길다.
- 다른 열형 검출기에 비해서 고감도이다.
 응용 분야
- 적외선 온도센서
- 폭발 검출
- 비접촉식 온도측정
- 분광계(spectrometers)
- 프로세스 온도 모니터링
- 복사계(輻射計 radiometer; 가시광선이
나 적외선 등의 복사에너지를 측정하는
계기),
- 이동 검출기(motion detection)
- 화재 및 불꽃 검출기
- 산업 및 의료분야에서 가스 분석기
- 분석 계측기
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3.5 서모파일
 구조와 동작원리
• 서모파일 검출기는 열전대를 기본으로 하기 때문에 먼저 열전대에 대해서 간단히
설명한다(제5장).
• 그림과 같이 서로 다른 금속선 A, B를 접합하고, 두 접점 사이에 온도차를 주면
두 접점 간의 온도차에 비례하는 기전력(emf)이 나타난다.
이 현상을 제벡 효과(Seebeck effect)라 하며, 이때 발생한 개방전압을 제벡 전압
또는 기전력(Seebeck voltage or emf)이라고 부른다.
온도 변화가 작을 경우, 제벡 전압은 온도에 직선적으로 비례한다. 즉,
𝑒𝐴𝐵 = 𝛼𝑆 ∆𝑇 = 𝛼𝑆 (𝑇ℎ − 𝑇𝑐 )
αS : 제벡 계수(Seebeck coefficient)
Th :열접점(hot junction) 온도
Tc : 냉접점(cold junction) 온도
제 3 장 적외선 센서
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서모파일
• 그림 (b)에서, 열전대의 한 접점을 적외선 흡수판에 접촉시키면 그 접점이 측정대
상으로부터 방출된 적외선을 흡수하여 두 접점 사이에는 온도차가 발생하고, 이
온도차에 비례하는 열기전력이 얻어진다.
𝑒𝐴𝐵 = 𝛼𝑆 ∆𝑇 ∝ 𝜖 (𝑇𝑏4 − 𝑇𝑎4 )
ϵ: 측정대상물체의 방사율(emissivity)
Tb :물체온도 , Ta :주위온도
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서모파일
• 그림은 서모파일의 기본 원리를 나타낸 것이다.
• 능동 접점(active junction)은 복사광을 집속하는 판에 열적으로 접속되어 있고,
열전대와 열전대를 접속하는 모든 기준접점(reference junction)은 방열판에 열
적으로 접속되어 능동 접점보다 더 낮은 온도로 유지된다.
• 모든 열전대는 전기적으로 직렬 접속되어 있으므로 개개의 열전대에서 발생하는
제백 전압은 더해져서 출력된다.
• 따라서 열전대의 개수가 증가하면 출력전압도 증가한다.
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서모파일
• 박막 서모파일
- 박막 기술의 발전과 함께 그림 3.21에 나타낸 것과 같은 박막 서모파일이 개발
되었다.
- 능동 접점(열접점)은 기하학적 중심 부근에 형성되고, 그 위에 입사 적외선의
흡수층을 코팅한다.
- 기준 접점(냉접점)은 소자의 주변부에 형성되고 능동접점이 있는 검출영역과
는 열적으로 절연된다.
- 열전대 물질:
안티몬(antimony, Sb)과
비스무스(bismuth, Bi)
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서모파일
• 반도체 서모파일
- 최근에는 실리콘 마이크로머시닝 기술(제 23장 참조)을 이용한 서모파일이 상
용화되었다.
- 열전 물질로 종래의 비스무스(Bi)와 안티몬(Sb) 대신 n형 다결정 실리콘과 p형
다결정 실리콘, 또는 n형 다결정 실리콘과 금(Au) 또는 알루미늄이 사용된다.
- 이방성 에칭에 의해서 1um 두께의 질화막 (silicon nitride) 맴브레인을 형성.
이 맴브레인의 열전도율은 매우 낮다. 맴브레인의 중심에는 열접점을 형성하
고, 그 위에 적외선 흡수층을 코팅한다. 냉접점은 실리콘 기판 가장자리에 위
치한다.
- 저가
- 높은 신뢰성과 온도 안정도
- 센서특성이 균일
제 3 장 적외선 센서
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서모파일
 특성
• 서모파일은 제조 회사별, 박막 또는 반도체형에 따라 매우 다양한 특성을 가진다.
• 열전대 접합수는 40∼120개, 감도(응답도)는 30∼100[V/W] 정도이다.
 특징
• 표 3.4는 박막 서모파일과 반도체 서모파일의 특징을 비교해서 나타낸 것이다.
• 박막형의 장점은 고출력, 고감도, 높은 S/N 비 이며, 반도체형은 저가, 낮은 온도
계수, 빠른 응답속도 등이다.
제 3 장 적외선 센서
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서모파일
 응용분야
•
서모파일은 적외선 온도 센서로 그 사용 범위가 점점 확대되고 있다.
•
서모파일 감도는 다른 적외선 센서에 비해서 낮은 경향이 있지만, 초퍼(chopper)
나 안정화 전원 등이 불필요하고 견고하여 특히 방사 온도계에 많이 사용된다.
•
주요 응용 분야를 요약하면 다음과 같다.
- 귀속형 체온계(ear thermometer)
- 적외선 온도계
- 헤어 드라이어, 마이크로웨이브, 에어콘, 냉장고 등 가전제품
- 보안 시스템
- 가스 분석기나 센서에서 적외선 흡수 측정
- 열전 변환기(thermoelectric converter)
- 열속 유량계(heat flux flowmeter)
IR ear thermometer
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3.6 볼로미터
 구조와 동작원리
• 볼로미터 자체는 전자파 흡수체(absorber), 온도센서, 히트 싱크(heat sink)로 구
성된다.
• 흡수체와 온도센서는 히트 싱크와 약하게 열적으로 결합된다.
• 온도 센서와 흡수체는 열적으로 분리된 구조체 위에 만들어진다.
제 3 장 적외선 센서
볼로미터
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제 3 장 적외선 센서
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볼로미터
• 입사 적외선은 흡수체에 의해서 흡수되어 열로 변환되고, 이 열은 온도센서의
온도를 주위온도 이상으로 상승시킨다.
• 온도 상승은 입사하는 적외선 에너지에 비례한다.
• 온도 T인 볼로미터는 열전도도 G를 통해서 온도 To인 히트 싱크와 연결된다.
따라서 온도센서와 방열판 사이에는 온도차가 발생한다.
𝐸
∆𝑇 = 𝑇 − 𝑇𝑜 =
𝐶
T: 흡수체 온도센서 의 온도
To : 방열판 온도,
C: 열용량
, E:입사적외선 에너지
IR에 의해서 산화바나듐의
온도가 상승하여 그 저항이
변한다.
제 3 장 적외선 센서
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볼로미터
• 이 온도상승은 흡수체에 있는 온도센서의 저항 값을 변화시키고, 이때 저항 변화는
∆𝑅 = 𝛼𝑅∆𝑇
𝛼=
1 𝑑𝑅
𝑅 𝑑𝑇
R: 온도센서의 저항
α: 저항의 온도계수
• 직류 바이어스 전류 Ib가 볼로미터를 통해 흐르면, 전압 V가 발생한다.
• 입사 적외선의 에너지 E가 변하면 저항 R이 변화하고, 따라서 출력전압 V가 변함.
• 이때 출력전압의 변화는
∆𝑉 = 𝐼𝑏 ∆𝑅 = 𝐼𝑏 𝛼𝑅∆𝑇
온도센서의 저항변화 ΔR을 측정함으로써
흡수된 적외선 량을 계산할 수 있음
𝐼𝑏
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볼로미터
 종류와 특성
• 오늘날 이용 가능한 열 이미지(thermal image) 센서로 가장 흔히 사용되는 것은
반도체 기술을 이용해서 만든 마이크로볼로미터이다.
• 현재 가장 널리 사용되고 있는 볼로미터 재료에는 산화바나듐 (vanadium oxide;
VOx), 티타늄(titanium) 박막, 비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si) 등이다.
• 볼로미터의 성능은 온도계수와 잡음 레벨에 크게 의존한다.
• 표 3.5는 볼로미터의 온도계수를 나타낸 것이다.
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볼로미터
 적외선 센서 요약
• 다음 표는 지금까지 배운 중요한 적외선 센서의 일부 특성을 비교 요약한 것이다.
회사마다 다양한 모델을 가지고 있고, 또 새로운 적외선 센서가 계속 연구 개발 되
어 실용화되고 있기 때문에 절대적인 수치는 아니지만 검출원리나 방식의 차이를
비교하는데 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
μm
K
cm· Hz1/2/W