빛의 색의 온도 표시 - 광원으로부터 방사되는 빛의 색을 온도로 표시한 것. 광원 자체의 온도는 아니며, 절대 온도(K)로 표시 한다. - 색 온도가 낮으면 붉은 색의 비율이 높아지고, 온도 가 높아질수록 푸른색의 비율이 높아진다. 따라서 색 온도에 따라서 스팩트럼 처럼 보이게 되는데 물리 학에서는 광선의 파장을 비교 측정하는 기준에 쓰이 며, 캠코더에서는 컬러밸런스를 조절하는 기본적인 규격으로 쓰인다. 색 온도의 측정은 보통 크로머메터 (Chromameter)를 이용한다.
각종 광원의 색온도표 주광색 : 태양광처럼 완전 하얀색 주백색 : 연한 주황색이 약간 섞인 백색 단위:켈빈(K) 주광색 : 태양광처럼 완전 하얀색 주백색 : 연한 주황색이 약간 섞인 백색 온백색 : 주황색이 적당히 섞인 따뜻한 백색 전구색 : 백열램프처럼 따뜻한 주황색
광 센서 광센서(photo sensor)란 인간의 눈으로 감지 할 수 있는 가시광선을 중심으로 적외선에서 자외선 영역의 광 자체 또는 광에 포함되어 있는 정보를 전기신호로 변환하여 검지하는 전자 디바이스(Device)의 총칭이다. 즉 광센서는 빛 에너지의 반사, 산란, 굴절, 편광, 회절등의 특성을 이용한 것으로 χ선 센서, 광파이버 센서, 적외선센서, 자외선센서, 이미지센서 등이 이에 속한다.
광 센서의 분류 1. 양자형(photon detector or quantum detector) 광양자를 흡수해서 전하 케리어(charge carrier)로 직접 변환하는 광 센서 광도전 셀(photocell), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터 (phototransistor) 등 양자형은 자외선에서 중적외선(midIR) 범위에서 동작 2. 열형(thermal detector) 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변화, 그 결과 소자의 전기적 특성 (저항, 열기전력, 전기분극 등)이 변하는 효과를 이용하는 광 센서 써미스터(thermistor), 볼로미터(bolometer), 서모파일(ther- mopile),초전센서(pyroelectric detector) 중적외선부터 원적외선 범위를 검출하는데 유용
광전효과 센서 광센서에 이용되는 광전 효과 1. 광기전력 효과 : 전자-정공의 생성에 의한 기전력 변화 - 포토다이오드, 포토트랜지스터, CCD 센서, 태양전지 2. 광도전 효과 : 전자의 증가에 의한 도전율의 변화 - CdS, PbS, Se셀 3. 광전자 방출 효과 : 물체표면에서의 전자의 방출 - 광전관/ 광전자증배관 (양자효율: 입사되는 광자수에의해 방출되는 전자 수의 비율)
광전효과 센서 종류 소자명 응용 예 및 기타 광기전력효과 포토다이오드 태양전지 포터 IC 응답속도가 빠르다 파장대역이 좁다 광도전효과 CbS CbSe 응답속도가 늦다 내부구조가 오믹접속 광전자방출효과 광전자 광전자배증관 일반적으로 대형이며 소비전력이 크다
광전 효과를 이용한 센서 광 에너지와 물질 사이의 물리적인 상호 작용 물질이 광에너지를 흡수하고 그 결과 전자를 방출하는 현상
광전효과 금속의 일 함수와 한계 진동수
광기전력 효과 광자 에너지를 흡수하여 반도체의 p-n 이나, 반도체와 금속의 접합면 에 전위차의 변화를 유발시키는 효과 광기전력 효과의 예 외부 입사광에 의해 EHP 생성 -> 표동전류
광도전 효과 빛을 비추었을 때에 내부의 전기 전도도가 커지는 효과 반도체에 빛을 조사하면 전자정공쌍 (EHP : electronhole pair) 이 발생
광전자 방출 효과 금속 또는 반도체 표면에 빛을 조사하면 금속내부의 전자가 에너지를 얻어 금속외부로 방출되는 현상, 이때 방출된 광전자의 수는 입사되는 빛의 강도에 비례하여 증가 전자가 진공중으로 방출되기 위해 필요한 에너지 :
포토 다이오드 구조가 간단 수광 소자의 기본 광기전력을 이용한 소자
포토 다이오드 동작원리 포토이오드는 PN 접합이나 PIN 구조로 되어있다. 충분한 광자 에너지의 빛이 다이오드에 입사되면 전하 정공이 생성되어 기전력의 변화가 유발된다. 만약 접합의 공핍층(depletion region)에서 광이 흡수작용을 하면, 공핍층의 전계에 의한 광전류를 생성한다.
포토 다이오드 가. 분광 감도(입사광의 파장에따른 센서의 감도 특성) 특성 : 사용 반도체 종류와 포토다이오드의 구조에 따라 다름 사용 영역 자외선(400[nm]) ~ 근적외선(2[µm]) 장파장 : 빛이 반도체 내에 흡수되지 못하고 투과 → 전자-정공쌍 생성 못함 단파장 : 빛이 반도체 표면에 흡수 → 생성 캐리어들이 접합부 공핍 영역까지 도달하지 못하고 재결합 → 광전류 발생 불가
포토 다이오드 구조와 동작원리 n형 실리콘 단결정의 표면에 p형 불순물(보통 보론(B))을 선택 확산하여 1[um] 정도 깊이의 pn 접합을 형성 빛을 p층 방향에서 조사 → 전자정공 쌍이 발생 → 광기전력이 발생 → 외부회로를 통해서 광 전류가 흐름
포토 다이오드 전류-전압 특성 빛이 없는 상태에서 포토다이오드에 전압을 인가 빛이 없는 상태에서 포토다이오드에 전압을 인가 곡선 ⓐ와 같이 일반 다이오드의 전류특성 외부로부터 빛이 조사 → 광전류 Iph 가 발생 → 곡선은 빛의 세기에 비례해서 ⓑ, ⓒ로 평행 이동 입사광의 세기(GL)가 증가 → 포토다이오드의 출력전류가 증가
포토 다이오드 (cont’d) 출력전류와 출력전압 관계는 여기서, k = 볼쯔만 상수(Boltzmann constant), T = 절대온도, IF = 역방향 누설전류, Iph = 입사광의 세기에 비례하는 광전류
포토 다이오드 pin 포토다이오드 빛이 I 층에 입사되면 전자정공쌍 (EHP)가 생성되고 -> 공핍층을 이동하여 -> 전류가 흐른다. 높은효율 : 반사방지막 설치 와 더불어 I 층의 두께를 입사된 빛이 모두 흡수할 수 있도록 설계 특성 : 고속, 양자효율 높음 암전류 적음, 동작전압 낮음
포토 다이오드 애벌런치 포토다이오드 빛은 P-영역에 입사-EHP생성 PN 접합에 큰 바이어스 전압 인가 -> 전계에 의해 전자 전공은 가속되어 큰 에너지를 얻고, 결정의 원자와 충돌-> 새로운 전자-정공쌍을 생성 위의 과정이 반복되면서 전자-정공의 수가 급격히 증가 (avalanche effect) -> 내부 증폭형 센서이다. 특성: 애벌런치 과정에서 과잉잡음 발생, 고속, 미약 광검출에 사용
애벌런치 효과
실리콘- APD의 감도특성 곡선 (400-1100 nm)
포토 다이오드 (cont’d) 사용 예 Fiber optic link Smoke detector
자외선(400[nm]) ~ 근적외선(2[µm]) 게르마늄의 경우 : 파장범위가 넓다. 암전류 크고, 동작온도가 낮은 단점 「トランジスタ技術」
전반적으로 500nm~850nm까지의 영역에서는 온도 의존성이 적다. 여기서 벗어난 파장역에서는 온도에 따라 매우 큰 차이를 보인다.
온도가 내려가면 단 파장 쪽으로 감도 곡선이 쉬프트 된다.
직선성이 그림과 같이 매우 좋으며 또한 다이나믹레인지도(6-9승) 크다
포토다이오드 직선성의 하한을 결정하는 것은 암전류라 불리는 잡음전류이다. 이것은 빛을 차단한 상태에서의 출력전 류를 의미한다 포토다이오드 직선성의 하한을 결정하는 것은 암전류라 불리는 잡음전류이다. 이것은 빛을 차단한 상태에서의 출력전 류를 의미한다. 암전류는 소자 면적 증가에 따라 커지고 온도상승에 의해 서도 증가한다.
포토 트랜지스터 구조와 동작원리 보통의 트랜지스터와 마찬가지로 베이스(base; B), 에미터(emitter; E), 컬렉터(collector; C)를 갖음 등가적으로 포토다이오드와 트랜지스터를 조합 트랜지스터의 증폭작용에 의해 고감도의 광 센서가 얻어짐 광전류가 발생하는 원리는 포토다이오드와 동일
- B-C 접합 : 역바이어스, B-E 접합 : 순바이어스 가 되도록 에미터와 컬렉터사이에 전압을 인가. - 빛이 입사 → 베이스 영역에서 전자정공 쌍이 발생 → 발생된 전자는 컬렉터 측으로, 정공은 에미터 측으로 이동 → 이것이 베이스 전류의 역할을 함 → 컬렉터에미터 사이에 광량에 대응하는 전류가 흐름 → 이 전류 값으로부터 빛의 강도를 알 수 있음 - 포토트랜지스터의 출력전류 : : 트랜지스터의 이미터 접지 증폭률 29
베이스 접합면적, 베이스컬렉터 접합의 광전 변환효율 - 포토트랜지스터의 감도는 pin 포토다이오드와 APD 사이 - 포토트랜지스터의 광 전류 크기 결정 요인 베이스 접합면적, 베이스컬렉터 접합의 광전 변환효율 - 포토트랜지스터의 감도는 pin 포토다이오드와 APD 사이 - 베이스 단자가 부착된 구조 : - 장점 : 암전류의 감소, 응답속도의 개선, 온도보상 등이 가능 - 단점 : 외부잡음을 받기 쉽다 - 포토다알링톤 (phtodarlington) 구조 : - 출력 전류가 크다. 30
주요특성 - 출력전류는 입사광의 세기에 비직선적으로 비례해서 증가 - 실리콘 포트트랜지스터는 직선성이 나쁘므로 광강도의 측정에는 별로 사용되지 않는다. 또한 속도가 느려 주로 광의 유무를 검출하는 스위치로써 사용되며, 통신용으로는 사용되지 않음
복합광센서 발광소자와 수광소자를 조합시킨 것 - 포토 인터럽터 : 물체의 유무/위치검출 - 포토 커플러 : 회로간 신호 전송 - 옵토 아이솔레이터 : 회로간 신호 전송
포토 커플러 서로 다른 시스템 간의 광 신호 정합용으로 사용 발광 다이오드와 포토 트랜지스터를 일체화
포토 커플러 광분기 : 1개의 단자에 입사된 광을 2개 이상의 단자로 출사하는 것 광결합기 : 2개 이상의 단자로 입사된 광을 1개의 단자로 출사하는 것 광분비결합기 = 광분기 + 광결합기 광방향성결합기 한가닥의 광섬유 심선에 상행광과 하행광 등 두 종류의 광신호가 흐르고 있는 경우 이 상행광과 하행광을 따로따로 인출할 수 있는 광부품 광 커플러 광분기기, 광결합기, 광분기결합기 및 광방향성 결합기 등을 넓은 의미에서 부르는 이름
포토 커플러의 종류
포토인터럽터 - 빛의 투과와 반사의 효과를 이용하여 물체의 유무와 위치를 검출, 광투과형과 광반사형으로 분류, 물체 삽입 → 수광부 광전류 차단 → 물체 유무 검출
투과형(transmissive) 구조와 동작원리 - 발광소자와 수광소자를 일정거리로 대향시켜 배치시킨 구조 - 두 소자 사이를 물체가 통과할 때 생기는 광량의 변화를 수광소자가 받아 물체의 유무와 위치 등을 검출 38
반사형(reflective) 구조와 동작원리 - 발광소자와 수광소자를 나란히 배치한 것 - 발광소자에서 나온 빛이 물체에 닿아서 반사된 빛을 수광소자가 받아 반사광 강도변화를 검출
포토아이솔레이터 발광부와 수광부를 부투명 수지로 감싼 구조 특징 전기적 절연 오동작 제거, 다른 회로 간의 인터페이스 목적 특징 입출력 측의 절연 저항 매우 크고, 결합 용량 작다 신호 전달이 단방향 응답 속도가 빠르다. 구동 전원 다른 반도체 소자와 함께 사용 가능 구조가 간단, 저가 수명 길고, 신뢰성 높음
구조와 동작원리 포토트랜지스터를 사용한 포토커플러의 내부 구조의 일례 - 포토인터럽터와 마찬가지로 발광소자와 수광소자를 조합하여 한 개의 소자로 한 것 - 포토인터럽터와는 달리 빛이 통과하지 못하는 흑색 수지로 패키 징하여 외부광의 영향을 받지 않는 점이 다름 - 발광소자를 구동하는 입력 측과 신호출력 측은 전기적으로 절연 - 발광소자를 직류에서 고주파까지 넓은 범위로 변조했을 때, 충실도가 높은 신호를 출력 측에서 얻어짐 42
포토사이리스터 - 빛을 이용하여 개방된 두 단자 사이를 도통시킴 - 전류의 스위칭 (On-Off 제어)에 사용 - 게이트 단자 개방시 → 빛 조사 → 게이트 전류 공급 → 애노드와 캐소드간이 도통
광전자 방출형 센서 - 광전관 - 광전자 증배관
광전자 방출형 센서(cont’d) 광전관 광전자를 방출하는 음극 + 광전자를 방출하는 양극 음극 : 반원통형, 양극 : 봉 형태
구조와 동작원리 - 광전음극(photocathode)과 양극(plate)이 유리관에 봉입되어 있는 2극관. - 광전음극 : 빛에 대해 높은 감도를 갖는 광전면이 있고, 여기에 빛이 입사하면 광전자가 방출 - 양극 : (+)전압dmf 인가하여 방출된 광전자를 수집하고, 입사광의 세기에 비례하는 양극 전류가 흐름 - 유리창(window)의 재질에 따라 적외선 영역의 감도가 크게 변한다 46
유리창의 재질에 따라 spectral response short wavelength cutoff을 결정 - 유리창(window) 유리창의 재질에 따라 spectral response short wavelength cutoff을 결정 47
특성 출력특성 - 광전관은 다른 센서에 비해 전류는 작지만 감도가 안정되고, 빛의 세기에 대해서 직선성이 좋음 - 정밀한 측광에 사용 - 감광면이 크게 되면 자외선 영역에 높은 감도를 가지며, 응답성이 좋은 것 등의 특징 48
광전자 방출형 센서 광전자 증배관 광전관 + 2차 증배기 → 감도 향상 고감도, 고속 응답성 → 분석기기, 의료용기기 음극과 양극 사이에 2차 전자 방출 전극 설치 양극에 모인 광전자를 증폭 미약한 빛에도 큰 전기신호 얻음 고감도, 고속 응답성 → 분석기기, 의료용기기
구조와 동작원리 - 광전자 방출용 음극(photocathode), 복수 개의 2차 전자 방출용 전극인 다이노드(dynode), 2차 전자를 수집하는 양극(plate)이 진공 유리관내에 봉입
빛이 음극에 입사하면 광전면으로부터 광전자가 방출 → 이들 광전자가 가속되어 다이노드에 충돌 → 그 결과 다이노드는 2차 전자를 방출 입사전자(I1)에 대한 2차전자 (I2) 의 비( )는 다이노드의 재료(Cs3Sb, BeO, NEA, GaP 등) 및 가속전압(100~800[V])에 의존
PMT 종류 구조 및 동작 - Head-on type (End-on type) * 창의 내부 표면에 반투광성 photocathode (transmission- mode cathode)를 갖음 * side-on type 보다 더 좋은 uniformity * photosensitive area의 선택성 : from tens to hundreds of square centimeters)
- Side-on type * 빛이 유리관의 측면으로부터 입사 * 비교적 저가 * 일반적으로 spectrophotometer 와 general photometric system 에 널리 사용됨. * opaque photocathode (reflection-mode photocathode)와 circular-cage structure electron multiplier를 채용 * 비교적 낮은 전압에서도 good sensitivity와 high amplification을 갖음
응용 예 광전자 증배관은 현존하는 광 검출기 중에서 최고의 감도를 갖음 광전면으로부터 전류출력을 외부증폭회로 없이 증폭하면 잡음을 감소시킬 수 있고, 고이득, 고속응답이 가능 응답시간은 전자의 주행시간에 따라 결정되며 1~10 [ns] 광전자 증배관의 신호 대 잡음비(S/N)는 매우 높으며, 광자 1개가 입사하는 경우라도 검출 가능 광전자증배관은 높은 감도, 빠른 응답속도를 가지기 때문에 극미약광의 검출기로써 의학, 이과학, 정밀계측 분야에 널리 사용
광도전 셀 광도전 효과를 이용한 광 센서를 광도전 셀(photoconductive cell) 또는 포토셀(photocell) 이라고 부름. Photocell은 다음과 같이 분류 가시광 검출 : CdS photocell, CdSe photocell 적외선 검출 : PbS, PbSe, InSb, InAs, MCT(HgCdTe) 가. CdS 기본 구조 Hamamatsu PerkinElmer
CdS 셀은 인간의 눈과 매우 유사한 분광감도특성 감도 증가 위해 : 빗살 무늬 모양 전극 재료 증착 - 분광감도(分光感度)특성 : CdS 셀의 최대 감도 = 520[nm] 부근의 파장 CdS 셀은 인간의 눈과 매우 유사한 분광감도특성 CdSe 셀의 최대 감도 = 720[nm] 부근 감도 증가 위해 : 빗살 무늬 모양 전극 재료 증착 인간의 시감도
CdS는 고감도인 반면, 응답시간(應答時間；response time)이 늦고, 히스테리시스(hysteresis)가 큰 결점을 갖음 일반적으로 CdS의 응답시간 : 10~100[ms] CdS 셀의 응용분야 TV의 밝기와 명암의 자동조절, 카메라 노출계, 가로등 스위치, 물체의 존재유무 및 검출센서, 연기 검출기, 침입 경보기, 카드 리더(card reader), 복사기의 토너 밀도 측정 등에 사용
나. CdS 기본 회로
나. PbS PbS, PbSe 셀 PbS와 PbSe는 잘 알려진 근적외선 검출기(nearIR detector)로써 1~3.4[µm]의 파장영역에서 검출감도가 가장 높음 실온에서도 동작이 가능하므로 널리 이용 PbS PbSe
컬러 센서 백색광이 포함된 고유의 파장 대역을 감지하는 광 센서 가. 집적형 컬러 센서 나. 다층형 컬러 센서 R, G, B의 세 가지 단색 센서를 일체화 빛 조사 → 필터 통과 → 빛의 3원색만 투과 → 포토다이오드의 단락 전류를 측정하여 비교 → 색 식별 나. 다층형 컬러 센서 두 개의 다이오드를 세로로 형성 위 쪽 PN 접합 : 단파장(청색) 감도 우수 아래 쪽 PN 접합 : 장파장(적외선) 감도 우수 두 다이오드의 단락 전류를 측정하여 색 식별
컬러 센서
자외선 센서 가시광선보다 짧은 파장을 찾아내는 센서 자외선 용도 : 의학용, 군사용, 우주용 파장 380~10[nm]의 투과도 높은 전자기파 화학선 : 화학적 변화를 촉진 용도 : 의학용, 군사용, 우주용
이미지 센서 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 시계열의 전기 신호로 변환하는 광센서 찰상관 : 센서에 진공관 사용 고체 이미지 센서 : 센서에 반도체 사용 CCD형, MOS형
가. CCD(charge coupled device : 전하결합소자) 빛을 전하로 변환시켜 화상(畵像)을 얻어내는 센서 CCD 칩은 많은 광 다이오드 들이 모여있는 칩 각각의 광 다이오드에 빛이 조사 → 빛 알갱이의 양에 따라 전자가 발생 → 해당 광다이오드의 전자량이 각각 빛의 밝기를 나타냄 → 이 정보를 재구성 함으로써 화면을 이루는 이미지정보 생성
나. MOS 금속산화막 반도체를 이용한 고체 촬상 소자 CCD 이미지 센서와 동일하게 광다이오드를 사용하지만 제조 과정과 신호를 읽는 방법이 다름 단위 셀 마다 증폭기를 가지고 있음 광변환된 전기신호의 읽기에 의해서 전기 노이즈의 발생이 적어지는 특징 MOS 로직 LSI 제조 프로세서의 응용으로 대량생산이 가능 고전압 아날로그 회로를 가지는 CCD 이미지 센서와 비교해서 제조 단가가 낮음 소자의 크기가 작아서 소비 전력이 적은 장점
찰상관 영상신호를 전기 신호로 일종의 진공관 구성 전자총, 전자 빔 편향 장치, 광전도막 광전도막 광도전형 소자의 박막 물질 어두운 곳에서 높은 저항력을 갖음 빛 조사 → 빛이 전자를 여기 상태로 들뜨게 함 → 광전도막의 저항 낮아짐
진공관식의 촬상관에 비해 CCD는 고체촬상소자를 이용한 촬상관이 주로 사용 규칙적으로 배열된 화소와 각화소의 Adress를 지정하고 그의 전하량을 읽어내는 주사구조를 갖는 반도체 소자 1 제곱센티미터 실리콘 기판에 30만 ~40만 개라는 광전변환소자가 규칙적으로 배열 순서대로 전자신호를 뽑아내어 영상신호로 전환 CCD는 진공관식 촬상관에 비교하여 크기는 수십분의 1인 소형이고 또한 촬상관에 없는 많은 장점 핸디 카메라에 적합하게 개발