적외선 센서

목차

1. 적외선 센서의 개요
1) 내부 광전효과
2) 외부 광전효과
3) 광전도 효과
4) 광전기력 효과
5) 열전효과
6) 포톤 드래그 효과
7) Hot Electron 효과

2. 적외선 센서의 종류

3. 열형 적외선 센서
1) 초전형 적외선 센서
2) 서모파일
3) 서미스터 볼로미터

4. 양자형 센서
(a) PbS 센서
(b) |nSb 센서
(c) HgCdTe 센서

5. 연구동향
1) (Pb, La)TiO3/LiTaO3/(Pb, La)TiO3 다층 강유전 박막을 이용한 초전형 적외선 센서
2) MgO 기판 위에 올린 박막의 특성과 적외선 센서의 제작

6. 향후 개발동향

7. 참고문헌

본문내용

각 열전대의 열기전력의 합이 되므로 출력전압을 높게 할 수 있다 . 열전대의 재료는 주로 Te와 InSb이다. 필요한 파장대의 적외선 검출을 검출하기 위해서는 광학필터를 사용한다.
서모파일은 감도는 다소 낮으나 초퍼나 전원이 불필요하고 견고하다는 장점이 있다. 서모 파일은 주로 비접촉 온도계로 많이 응용되고 있다.
<그림 8. 서모파일의 구조 - 센서기술(권대혁, 서화일 공저) P.57 참조>
3) 서미스터 볼로미터
적외선 흡수에 의한 온도상승을 서미스터로 측정하는 적외선 센서로 <그림 9.>에 그 구조를 나타내었다. 적외선이 입사하면 Ge 렌즈에 의해 검출용 서미스터에 집중되며, 이에 따라 온도가 상승하여 서미스터의 전기저항이 변화하면 이를 검출하게 된다. 최근에는 기판에 스퍼터링 등의 방법으로 서미스터 박막을 형성하여 사용하기도 한다. 서미스터 볼로미터는 기계적 진동이 강하며 상온에서 사용할 수 있다는 장점이 있다.
<그림 9. 서미스터 볼로미터의 구조 - 최신 센서공학(김한근, 박선국 공저) P.68 참조>
4. 양자형 센서
양자형 센서는 그 검출대상이 적외선이라는 것을 제외하고는 앞서 설명한 광센서와 그 동작원리가 동일하다. 양자형 센서는 열형 센서에 비해 감도 및 응답속도가 뛰어나 정밀측정이 가능하고 적외화상 검출용으로 사용 가능하나 냉각이 필요하다는 단점이 있다. 양자형 센서는 그 재료에 의해 PbS, InSb, HgCdTe 센서 등으로 구분되며, 그 동작원리에 의해 광도전형 (photoconductive type) 즉, PC 형과 광기전력형 (photovoltaic type) 즉, PV 형으로 구분 할 수 있다. <그림 10.>에 양자형 적외선 센서의 사용재료에 따라 사용파장영역을 나타내었다.
<그림 10. 양자형 적외선 센서의 사용파장영역 - 센서기술(권대혁, 서화일 공저) P.58 참조>
(a) PbS 센서
상온에서 사용하며 파장 1-3㎛까지의 근 적외선 검출용이다. 주로 광도전형으로 사용되며 구조가 간단하고 가격이 저렴해 오래전부터 많이 사용되고 있다.
(b) |nSb 센서
파장 3-5㎛에서 큰 감도를 가지는 중적외선용이다. 주로 광기전력형으로 사용되며 이 때 n형의 InSb에 Zn등의 불순물을 첨가해 p형 다이오드를 형성한다.
<그림 11. 양자형 적외선 센서의 분류 - 최신 센서공학(김한근, 박선국 공저) P.69 참조>
(c) HgCdTe 센서
반도체인 CdTe와 반금속인 HgTe의 혼합결정을 만들면 Hg1-xCdxTe의 반도체물질이 된다. X를 바꿈으로써 밴드 갭을 자유로이 변화시킬 수 있다. 그 결과 여러 파장대를 검출할 수 있는 센서를 만들 수 있다. <그림 12.>에 X 값에 따른 파장특성을 나타내었다.
<그림 12. 초전형 적외선 센서의 구조 및 등가회로 - 센서기술(권대혁, 서화일 공저) P.59 참조>
5. 연구동향
1) (Pb, La)TiO3/LiTaO3/(Pb, La)TiO3 다층 강유전 박막을 이용한 초전형 적외선 센서
초전형 적외선 센서를 제작하기 위하여 rf 마그네트론 스퍼터링법으로 (Pb, La)TiO3(PLT)/LiTaO3(LTO)/(PLT) 강유전 박막을 증착한 후 급속 열처리하여 열처리 온도와 시간에 따른 결정성을 조사하였다. 강유전 박막의 c축 배향도에 다른 비유전율 및 유전손실을 측정하고, c축 배향도가 가장 큰 강유전 박막으로 제작된 센서에 대해 초전계수를 측정하여 센서의 전압응답에 대한 성능지수(Fv)와 감도에 대한 성능지수(Fp)를 구하였다. 얻어진 Fv, Fp는 각각 6.15×10-10Ccm/J, 1.98×10-8Ccm/J였다.
<표 2. PLT, LTO 박막스퍼터링의 열처리 조건 - 2002년 7월 센서학회지 제 11권 4호 참조>
<그림 13. 초전형 적외선 센서의 구조 - 2002년 7월 센서학회지 제 11권 4호 참조>
2) MgO 기판 위에 올린 박막의 특성과 적외선 센서의 제작
La 조성이 5~15%이고 PbO 과잉인 PLT 타겟을 이용하여 MgO(100) 단결정 기판위에 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 PLT 박막을 제조하고, 고온 XRD 분석을 하였다. 제조조건은 기판온도를 580℃, 분위기압을 10mTorr, 고주파 전력밀도를 1.7W/㎠ 및 Ar/O2를 10/1로 하였을 때 PLT 박막들은 La 농도가 증가할수록 c욱 성장률과 정방정형성(c/a)이 감소하였고 화산형 상전이 특성을 나타내었다. 이러한 PLT 박막을 이용하여 초전형 적외선 센서를 제조하였으며 이력특성과 광특성을 측정하였다. 제조된 적외선 센서는 1.71μC/㎠ 이상의 잔류 분극도를 보였고, 500mV이상의 초전전압을 보였으며, 신호 대 잡음비는 10:1로 낮았다.
<그림 14. 적외선 센서의 제조 공정 단면도 - 1997년 6월 센서학회지 제 6권 3호 참조>
6. 향후 개발동향
적외선 센서개발은 초전형, 저항형, 그리고 열전대형 적외선 센서 또는 어레이를 실리콘 판독 회로위에 MEMS 기술을 활용하여 monolithic으로 제조하고 이를 적외선 영상센서로 상요하기 위한 방향을 진행되고 있는 것이 세계적인 추세다. 이미 기술적으로 크게 안정화가 이루어진 실리콘 판독회로의 설계 및 제조 기술은 센서 재료의 개발에 많은 연구와 노력을 기울일 수 있게 하였다.
현재 상용화가 이루어진 BST를 320×240 배열의 적외선 영상장비와 산화바나듐을 이용하여 마이크로 볼로미터를 제조한 320×240 배열의 적외선 영상장비의 성능을 개선하기 위한 노력들이 많이 진행될 것이다. 또한 MEMS 기술의 발달은 가열형 적외선 센서의 모든 경우에 열 차단 성능과 적외선을 검출하는 유효면적을 향상시킬 수 있게 될 것이다. 그리고 실리콘 판독 회로의 성능 향상을 위하여 잡음을 줄이고 응답속도를 향상시키기 위한 노력이 진행될 것이다. 측정온도의 범위가 큰 열전대 형 적외선 센서 제조 기술 개발도 가속화 될 전망이다.
7. 참고문헌
센서기술, 권대혁, 서화일 공저, 기전연구사
최신 센서공학, 김한근, 박선국 공저, 에드텍
전기 전자재료 1999년 12권 12호
1997년 6월 센서학회지 제 6권 3호
2002년 7월 센서학회지 제 11권 4호

키워드

적외선 센서,   센서,   센서의 종류