Transcript Chapter 03-1 적외선 센서

센서 전자 공학
제3장
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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3.1 적외선 센서의 기초
 적외선의 정의와 분류
• 적외선(赤外線; infrared; IR)은 0.75μm -1000μm 범위의 파장을 갖는 전자파로 구성되
며, 파장 범위가 넓기 때문에 센서가 반응하는 특정 파장대역으로 세분화하여 다른 이
름으로 부른다.
• 적외선을 세분화하는 표준화된 방법은 없지만, 적외선을 이용하는 분야에 따라 조금씩
다른 명칭을 사용한다. 적외선 검출기의 응답에 따라 분류하면 다음과 같다.
근적외선(near infrared; NIR)
0.70μm-1.0μm
인간의 시감도 끝부터 실리콘 광 센서의 차단파장까지
단파 적외선(short-wave
infrared; SWIR):1.0μm-3μm
실리콘 광 센서의 차단파장부터 MWIR 대기 창(atmospheric
window)까지.
예로 InGaAs 적외선 센서의 차단파장은 약 1.8μm임
중파 적외선(mid-wave
infrared; MWIR):3.0μm-5μm
대기 창에 의해서 정의됨. InSb와 HgCdTe 적외선 센서가 이
범위에서 동작함
장파 적외선(long-wave
infrared; LWIR):8μm-12μm
또는 7μm-14μm
대기 창. HgCdTe와 마이크로볼로미터(microbolometer) 동작
영역
초장파 적외선(very-long
wave infrared; VLWIR):
12μm-30μm
도핑된 실리콘 적외선 센서 동작영역
제 3 장 적외선 센서
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적외선 센서의 기초
 적외선의 특징
• 인간의 눈으로 볼 수 없다
- 인간의 눈은 적외선에 대한 감도가 없다. 이 성질을 보안 분야에 적용하면 유용하지만,
적외선 측정과 광학 시스템 설계를 어렵게 만든다.
• 에너지가 작다
- 적외선 방사(복사) 에너지는 분자의 진동이나 회전 에너지와 같다. 이 현상은 분자를
구별해 내는 것을 가능케 한다.
• 파장이 길다
- 이것은 적외선이 덜 산란 되어, 여러 매질을 통해서
더 잘 통과할 수 있다는 것을 의미한다.
• 모든 종류의 물질로부터 방출된다
- 인체는 물론 가열된 모든 물체로부터 적외선 방사
가 일어난다.
제 3 장 적외선 센서
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적외선 센서의 기초
 적외선 방출
• 흑체(black body)
입사되는 모든 방사(복사)를 흡수하고 모든 파장의 전자파를 방출할 수
있는 물체
제 3 장 적외선 센서
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적외선 센서의 기초
• 흑체 방사에 관한 공식과 법칙
- 스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law):온도 T에서 방사 에너지는
𝑃 = 𝜎𝑇 4 J/m2 s
𝜎 = 5.670400 × 10−8 Js−1 m−2 k −4
동일온도라고 하더라도 물체의
종류나 표면 상태에 따라 방사
에너지는 변한다.
즉, 흑체가 아닌 다른 물체의
방사에너지는
𝑃′ = 𝜖𝜎𝑇 4
𝜖 =방사율(emissivity)
- 빈의 변위법칙(Wien displacement law)
𝜆𝑚𝑎𝑥 𝑇 = 2.8978 × 10−3 m · k
or W/m2 k 4
제 3 장 적외선 센서
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적외선 센서의 기초
 적외선 센서의 구성과 분류
적외선 원
전송 시스템
광학 시스템
검출기
신호처리
• 적외선 원(infrared source) : 적외선을 방출하는 물체, 즉 검출대상.
- 열방사 (thermal radiation)
> 물체를 가열함으로써 적외선이 방출되는 것
> 파장 : 1~50 μm
- 냉방사 (cold radiation)
> 가스의 방전(discharge)에 의해서 적외선이 방출되는 현상으로, 수은등
이나 제논 등(xenon lamp)
> 파장 : 0.8~2.5 μm
- 자극방출(stimulated emission)
> 레이저 작용과 같은 방출을 말하며, 각종 레이저 다이오드.
> 파장 : 가시광선 부터 700 μm까지
제 3 장 적외선 센서
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적외선 센서의 기초
적외선 원
전송 시스템
광학 시스템
검출기
신호처리
• 전송 시스템
- 진공, 대기, 광섬유
• 광학 재료
- 적외선을 모으든가 또는 초점을 맞추기 위해서 파장에 따라 광학 렌즈
나 거울 등과 같은 광학 재료가 사용된다.
- 몇몇 응용분야에서는 특정 파장의 적외선 빔을 통과시키든가 또는 차
단하기 위해서 광학 재료를 사용한다.
제 3 장 적외선 센서
적외선 센서의 기초
• 적외선 검출기
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제 3 장 적외선 센서
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적외선 센서의 기초
• 양자형 적외선 검출기(quantum detector)
- 적외선의 양자를 흡수해서 전하 케리어(charge carrier)로 직접 변환하는 센서
- 순수 반도체를 이용한 진성형(intrinsic type)과, 불순물을 첨가한 외인성형
(extrinsic type)으로 분류
- 동작원리; 광도전효과와 광기전력 효과 (제2장의 광센서에서 이미 설명)
- 양자형의 광 감도는 파장에 의존하지만, 열형에 비해서 더 높은 감도와 더 빠른
응답속도를 제공한다.
- 일반적으로 양자형 검출기는 근적외선 영역에서 사용되는 것을 제외하고는 정확
한 측정을 위해서 냉각이 필요하기 때문에 사용되는 패키지가 다양
- 무냉각 검출기는 금속 캔 패키지를 사용
- 적외선 센서를 드라이아이스 등으로 냉각시키는 경우에는 유리(금속) 듀어
(dewar) 사용
- 열전 냉각( thermoelectrical cooling; TE cooling)
제 3 장 적외선 센서
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적외선 센서의 기초
• 열형 적외선 검출기(quantum detector)
- 열을 적외선 에너지로 사용한다.
즉, 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변화하고, 그 결과 소자의 전기적 특성(저항,
열기전력, 전기분극 등)이 변하는 효과를 이용하여 적외선을 검출한다.
- 열형 센서 예 :
서미스터(thermistor), 볼로미터(bolometer), 서모파일(thermopile), 초전센서
(pyroelectric detector)
- 중적외선부터 원적외선 범위를 검출하는데 유용하다.
- 열형 검출기는 그 광감도가 파장에 무관하며, 냉각이 불필요한 장점이 있지만,
그러나 응답시간이 느리고, 검출 감도가 작다.
제 3 장 적외선 센서
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3.2 광도전형 적외선 센서
 PbS(lead sulfide)와 PbSe(lead selenide) 적외선 센서
• 근적외선 검출기(nearIR detector)로써, 실온에서도 동작 가능.
실온형에서는 센서가 금속 패키지 속에 기밀봉지되어 있다.
• 냉각형은 센서, 서미스터 온도센서, 열전 냉각기(thermoelectric cooler)가 진공
(또는 질소) 분위기의 금속 케이스 속에 밀봉되어 있다.
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서
• PbS 분광감도특성과 광감도 특성
- PbS는 1~3.2 μm의 파장영역에서 동작
- PbS의 에너지 갭은 온도에 따라 감소하기 때문에 소자를 냉각하면 감도파장
한계가 장파장 쪽으로 이동하며, -20℃에서 응답파장은 3.2 μm까지 확장 가
능하고, 동시에 피크 감도도 변함.
- 주위온도가 변화하면, PbS 소자의 분광감도특성, 암저항(dark resistance),
응답속도 등이 변한다.
> 온도 증가는 감도의 저하를 가져올 뿐만
아니라 소자열화의 원인
> 암저항의 온도변화: 실온에서 3%/℃
> 응답속도는 온도하강과 함께 모두
5.3%/℃ 정도의 비율로 지연되며, PbS
의 대표적인 응답시간은 비냉각시 약
200μs, 냉각시 600 μs 정도.
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서
• PbSe 분광감도특성과 광감도 특성
- PbSe의 분광감도 특성의 경우, 비냉각 PbSe 셀은 1.2∼4.0 μm의 파장영역
에서 동작하며, 4.0 μm에서 피크감도를 가진다.
- -20℃에서 응답파장은 5.2 μm까지 확장시킬 수 있다.
- PbSe 소자의 암전항의 온도변화는 실온부근에서 2.5%/℃이다.
- 대표적인 응답시간은 비냉각시 약 3 μs, 냉각시 5 μs 정도이다.
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서
• PbS와 PbSe 센서의 특징
- 동일 파장대역에 있는 다른 적외선 센서와 비교해서, PbS와 PbSe 광전도형 검
출기는 더 높은 검출 능력과 더 빠른 응답속도를 갖는다.
- 또한 실온에서 동작한다.
- 그러나 암저항, 광감도, 응답특성은 주위 온도에 따라 변한다.
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서
 InSb(Indium selenide) 적외선 센서
• -60℃에서 InSb의 분광응답곡선 :
> 3~5um(대기창)에서 고감도, 고속, 저잡음 적외선 센서
> 온도가 증가함에 따라 감도는 감소하고, 분광응답범위는 단파장 쪽을 향해
이동한다.
• 열전 냉각하면 6.5 μm까지 고속, 고감도를 보장한다. 응답속도는 0.4μs 임
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서
 MCT(HgCdTe) 적외선 센서
• MCT는 광도전형과 광기전력형이 있으며, 여기서는 빛을 받으면 저항이 감소
하는 광도전형을 설명한다.
• 그림 3.8은 각종 광도전형 MCT 적외선 센서의 외관을 나타낸 것이다.
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서
• Hg1-xCdxTe 반도체는 수은과 카드뮴의 조성비 x를 조절함으로써 에너지 밴드 갭을
0~1.5 eV까지 변화시킬 수 있다.
• 예를 들면, 그림 (b)에서 x =0.2이면 Hg0.8Cd0.2Te는 0.1 eV의 에너지 갭을 가지며,
8∼14 μm 범위의 파장에서 높은 감도를 나타낸다.
• MCT는 빛을 받았을 때 전자가 가전대에서 전도대로 직접 천이하는 특징을 갖는다.
x=0.3
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서
 분광 특성
• HgCdTe 반도체를 이용하면, 파장 2 μm 부근의 근적외선 영역에서부터 파장
22μm에 달하는 원적외선 영역에 이르기까지 다양한 파장대역의 우수한 적외선
감지 소자를 제작할 수 있다.
센서 A, B, C
센서 1, 2
센서 3
제 3 장 적외선 센서
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광도전형 적외선 센서 요약
• PbS와 PbSe 적외선 센서는 동일 파장대에서 사용하는 다른 센서에 비해, 더 높
은 감도를 가지며, 실온에서 사용이 가능하기 때문에 응용 범위가 넓다.
• 특히 PbSe는 상온에서 감도가 높고, 응답속도가 빠르다. 냉각시 S/N이 높고,
고감도, 고속이다. 이러한 특성들로 인해 분석 장비, 방사 온도계, 다른 정밀 광
측정기 등에 널리 사용된다.
• MCT는 2μm 부근의 근적외선 영역에서부터 파장 22μm에 달하는 원적외선 영
역에 이르는 다양한 파장대역의 우수한 적외선 감지 소자이다.
제 3 장 적외선 센서
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3.3 광기전력 적외선 센서
 InGaAs pin 포토다이오드
• 구조와 동작원리
- 실리콘 반도체보다 에너지 갭이 더 작기 때문에 더 긴 파장 범위에 대해서 감도
를 가진다.
- InGaAs의 에너지 갭은 In과 Ga의 조성비에 따라 변하기 때문에 조성비를 변화
시키면 여러 가지 파장 범위에 응답하는 적외선 검출기를 만들 수 있다.
• 특성
- 분광 응답 특성:
분광감도는 비냉각 시 0.9∼1.7um,
0.9∼1.9um(피크 감도 1.75um),
0.9∼2.1um(피크 감도 1.95um),
1.2∼2.6um(피크 감도 2.05um)로 다양
- 낮은 잡음과 우수한 주파수 응답특성을 갖는
근적외선(NIR) 검출기이다.
- 현재 차단파장이 1.7um, 1.9um, 2.1um,
2.6um인 InGaAs pin 포토다이오드가 시판
되고 있다.
제 3 장 적외선 센서
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• 응용 분야
- InGaAs pin 포토다이오드는 고속응답, 낮은 암전류, 낮은 잡음 등의 특징을
가지기 때문에, 광통신, 광전력계, 레이저 다이오드 모니터, 가스 분석기,
수분양 분석기, 극적외선 측광기, 기타 적외선 검출 등에 사용된다.
 기타 화합물 반도체 포토다이오드
• GaAsP 포토다이오드는 인간의 눈과 유사한 분광 응답특성(300∼680um)를
갖는다. 피크 감도 파장은 640 μm이며, 낮은 암전류, 높은 안정도를 나타낸다.
• GaP 포토다이오드는 GaAsP와 유사한 특성을 갖는다. 분광응답범위는 190~550
μm이고, UV가 우수하고, 낮은 암전류를 보인다.
• GaAsP와 GaP 포토다이오드는 주로 UV 검출, 분광 광도계(spectrophotometer),
컬러 센싱 등에 사용된다.