Sensor & Actuator 제5장 광센서 Prof. Kee-Joe Lim kjlim@cbnu.ac.kr, 043-261-2424 School of Electrical and Computer Engineering Chungbuk National University http://www.cbucc.com 2010/5/26

광 센서 개요 및 종류

광센서 photo sensor 광에너지를 전기적 에너지로 변환하는 센서. 광전센서는 비접촉식이라 측정력이 필요없으며, 따라서 마찰 마모가 없는 장점과 직접회로 기술발전에 힘입은 반도체 영상센서의 정밀 구조성 등 장점을 가지고 있어, 최근 활용빈도와 범위가 크게 확대되고 있다. 광센서는 광입자가 센서 물질에 충동하여 전기적 현상을 일으키는 내용에 따라 광도전형, 광기전력형, 광전자방출형, 복합형 등으로 나눌 수 있다. 용도에 따른 광센서의 분류 분 류 센서의 종류 특 징 주 용 도 광도전광센서 광도전 셀 소형, 고감도, 저비용 카메라노출계, 포토릴레이, 광제어, 복사기/카메라 이미지 센서 광기전력형 광센서 포토 다이오드, 포토트랜지스터, 광사이리스터 소형, 저비용, 전원불필요, 대출력, 대전류 제어 카메라 EE 시스템, 리모콘, 광전스위치, 바코드 리더 광전자방출형 광센서 광전 증배관, 광전관 초고감도, 응답속도가 빠르다, 펄스계측, 미약광 검출, 펄스 카운터 정밀 광계측 기기, 초고속 · 극미약광 검출 자외선센서 Si자외선, 포토 다이오드 UV 트론 소형, 전원불필요, 고감도 의료기기, 분석기기 복합형 광센서 포토 카플러, 포토 인터럽터 전기적 절연, 아날로그 광로에 의한 검출 무접점 릴레이, 자 광치 노이즈 컷, 광전식 카운터, 광전 스위치

광센서 photo sensor 원리에 따른 분류는 광자형과 열형으로 나눈다. 광자형은 전자파의 광자를 흡수하여 전하 캐리어로 직접 변환하는 센서이며, 대표적으로 광도전 센서, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터 등이 있다.열형은 주로 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변하고 이어 소자의 전기적인 특성이 변하는 간접적인 센서이며, 서모파일, 초전센서, 서미스터 등이 있다. 동작원리에 따른 광센서의 분류 동작원리 광센서 재료 내부광전효과 광도전형 광도전센서 CdS, CdSe, PbS, PbSe 접합형 포토 다이오드 Si, Ge, GaAs, InGaAsP Pin 다이오드 Si, Ge, GaAs 어밸런치 포토 다이오드 포토 트랜지스터 PSD(위치감지센서) Si 복합형 포토커플러, 포토인터럽터 LED - 포토 트랜지스터 외부광전효과 광전관 Ag-O-Cs, Sb-Cs 광전자증배관 Ag-O-Cs. Sb-Cs 열효과 초전형 LiTaO₃, PT계열 서모파일 열전대 볼로미터 Pt, Ni, 서미스터

광전효과 - 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상으로 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 튀어나온 전자의 상태에 따라 광이온화, 내부광전효과, 광기전력효과로 나뉜다. 광기전력효과 [光起電力效果, photovoltaic effect] 반도체의 p-n접합부나 정류작용이 있는 금속과 반도체의 경계면에 강한 빛을 입사시키면, 반도체 중에 만들어진 전자와 정공이 접촉전위차 때문에 분리되어 양쪽 물질에서 서로 다른 종류의 전기가 나타나는 '광기전력'이 발생하는 현상을 말한다. 이 때 만들어지는 전류를 광전류라 하며 포토다이오드나 광전지에 응용된다. 광전도효과 [光傳導, photoconduction] 절연체·반도체에 빛을 조사하면 충만띠 또는 불순물준위에 있는 전자가 광에너지를 흡수하여 전도대에 올라가 자유로이 움직일 수 있는 전자 또는 양공(陽孔)이 생겨 전도도가 증가하는 현상.

일함수(work function) - 금속­진공 계면에는 (+)전하인 금속이온과 (-)전하인 전자 사이에 형성된 전기 이중층이 전도전자에 대해서 전위장벽을 형성한다. 금속내부의 전자가 이 전위장벽을 극복하고 진공으로 방출되는데 필요한 에너지를 일함수(work function)라고 부른다. - 금속에 일 함수 또는 그 이상의 에너지를 갖는 빛(광자)이 입사되면, 전자는 전위장벽을 극복하고 진공 속으로 방출된다. - 일함수 이하의 에너지를 갖는 빛이 입사하면 전자는 방출되지 않는다.

반도체의 경우는 빛에 의해 가전자대 중의 전자가 전도대 밑으로부터 전자친화력(x)만큼 또는 그 이상의 높은 에너지 위치로 여기되면 진공 중으로 방출된다. 반도체에서 광전자 방출을 일으키는데 요구되는 광자 에너지는

광전관 (光電管 ; phototube) 구조와 동작원리 - 광전음극(photocathode)과 양극(plate)이 유리관에 봉입되어 있는 2극관. - 광전음극 : 빛에 대해 높은 감도를 갖는 광전면이 있고, 여기에 빛이 입사하면 광전자가 방출된다. - 양극 : (+)전압을 인가하여 방출된 광전자를 수집하고, 입사광의 세기에 비례하는 양극 전류가 흐른다. - 유리창(window)의 재질에 따라 적외선 영역의 감도가 크게 변한다

출력특성 - 광전관은 다른 센서에 비해 전류는 작지만 감도가 안정되고, 빛의 세기에대해서 직선성이 좋으므로 정밀한 측광에 사용된다. - 감광면이 크게 되면 자외선 영역에 높은 감도를 가지며, 응답성이 좋은 것 등의 특징을 갖는다.

2.6.3 광전자 증배관 (photomultiplier) 구조와 동작원리 광전자 방출용 음극(photocathode), 복수 개의 2차 전자 방출용 전극인 다이노드(dynode), 2차 전자를 수집하는 양극(plate)이 진공 유리관내에 봉입되어 있다 . 다이노드의 수는 보통 9-12개이다.

빛이 음극에 입사하면 광전면으로부터 광전자가 방출되고, 이들 광전자가 가속되어 다이노드에 충돌하면, 그 결과 다이노드는 2차 전자(secondary electron)를 방출한다. 입사전자(I1)에 대한 2차전자 (I2) 의 비( )는 다이노드의 재료(Cs3Sb, BeO, NEA, GaP 등) 및 가속전압(100~800[V])에 의존한다. A : 상수, E: stage 사이 전압 α : dynode 재료와 기하학적 구조에 의해서 결정되는 계수이며, 보통 0.7~0.8이다.

- 이득 (gain) n 개의 dynode stage를 가지는 PMT의 음극과 양극 사이에 전압 V가 인가되었을 때 이득(gain)은 K : 상수

PMT 종류 Transmission mode Reflection mode

응용 예 광전자 증배관은 현존하는 광 검출기 중에서 최고의 감도를 가지며, 광전면으로부터 전류출력을 외부증폭회로 없이 증폭하면 잡음을 감소시킬 수 있고, 고이득, 고속응답이 가능하다. 응답시간은 전자의 주행시간에 따라 결정되며 1~10 [ns]이다. 광전자 증배관의 신호 대 잡음비(S/N)는 매우 높으며, 광자 1개가 입사하는 경우라도 검출할 수 있다. 광전자증배관은 높은 감도, 빠른 응답속도를 가지기 때문에 극미약광의 검출기로써 의학, 이과학, 정밀계측 분야에 널리 사용되고 있다.

광자 검출기 광전도도 광자 검출에 널리 사용 광전지소자와 광 다이오드 진성 반도체 : 복사에너지 갭 ＞ 에너지 갭 외인성 반도체 : 작은 에너지로도 가능 광전지소자와 광 다이오드 Schottky 광다이오드 Avalanche photodiodes (APD) Photomultiplier tube (PMT) : 가장 민감한 광 검출기 광자에너지가 emitter 역할을 하는 photocathode의 일함수를 넘을 때 전자 방출 단일 광자의 존재 검출 Photomultiplier tube

외인성 반도체 (extrinsic semiconductor) 순수한 진성반도체에 불순물 (도펀트)를 소량첨가 (도핑)한 것이다 외인성 반도체 (extrinsic semiconductor) 순수한 진성반도체에 불순물 (도펀트)를 소량첨가 (도핑)한 것이다. 도핑하는 원소에 의하여 캐리어가홀 (정공)인 P형 반도체, 캐리어가 전자인 N형 반도체를 얻을 수 있다. 캐리어의 종류는 불순물 원소의 최외각전자수에 의존적이며, 최외각전자가 4보다 클 경우는 N형 반도체, 최외각전자가 4보다 작을 경우는 P형 반도체가 된다. 반도체의 한종류인 규소를 예로 들면, 비소, 인의 경우에는 N형 반도체, 붕소의 경우에는 P형 반도체가 된다.

불순물 반도체 : Doped Semiconductors N Type (doped with P, As, Sb - Col V elements) 5족 원자를 불순물로 넣는 경우 많은 전도전자를 형성 이 불순물을 Donar 원자라고 함 이로인해 전자의 개수가 많아짐 ND >> NA P Type (doped with B - Col III elements) 3족 원자를 불순물로 넣는 경우 홀이 많이 생김 이 불순물을 Acceptor 원자라고 함 이로인해 홀의 개수가 많아짐 NA >> ND

APD(Avalanche Photo Diode) 전기사태 현상을 이용하여 광신호를 전기신호로 변환 PN 접합에 역바이어스 증가 → 전자가 높은 전압에 의해 가속 → 다른 원자와 충돌 → 새로운 전자와 정공 발생 → 또 다른 새로운 전자와 정공 생성 역바이어스 전압 증가 → 광전류 증가 항복전압 VB에 도달 → 충격 이온화에 의한 캐리어의 급속한 증배 발생 → 광전류 급격히 증가 SNR 높고, 고속 디지털 회선에 적합 But 온도 의존성이 큼 급속한 증배에 따라 큰 증배 잡음 발생 캐리어의 충돌 전리가 랜덤 → 증배전류가 흔들림

암전류 [暗電流, dark current] 광전효과에 의해 광전류를 발생하는 물체 또는 장치에서 열적(熱的) 원인, 절연성 불량 등의 원인에 의해 빛을 쬐지 않았을 때에도 흐르는 전류를 가리킨다. 광전관에서 이 전류는 대개 무시된다.

CdS 셀의 특징 분광특성이 가시광선 영역에 있어 인간의 시감도와 흡사하다. 비교적 큰 전류가 출력으로 검출되며, 신뢰성이 우수하다. 교류 동작이 가능하다. 외부의 잡음에 강하고, 가격이 저렴하다. 고감도인 반면에 응답속도가 느린 편이다. (10~100 ms) 전력의 조건에 따라 낮은 조도특성을 가진다. 주위광이 외란광으로 되기 쉬우므로 히스테리시스가 크다.

CdS 셀의 조도와 저항특성 조도의 변화에 따라 저항값은 변한다. 분광특성은 565nm부근에서 가장 감도가 크며, 이는 인간의 시감도 특성과 유사하다.

촬상관 (Image Pickup Tube) 외부 광전효과(빛을 입사했을 때, 일함수: W)를 넘어서 여기된 전자의 방출현상) 또는 내부 광전효과(빛에 의해 물질의 도전율이 변하는 현상) 현상을 이용하여 광학 영상을 전기 영상 신호로 변환하는 장치이다. 현재, 촬상관은 산업용이나 특수 목적의 의료용을 제외하고는 CCD 등의 고체 촬영소자를 주로 사용한다. Photoelectric Effect Image Pickup Tube

촬상관의 개요와 동작 Face plate glass 면에 투명전극(SnO2, In2O3) 등의 박막으로 광투과성의 도전막을 증착(evaporation)하고, 투명 전극상에 광도전막(Sb2S3, CdSe, a-Se, 셀렌화 아연-텔루리움화아연-텔루리움화 카드늄의 복합층)을 적층시키고 있다. Glass 면은 전자총이 넣어진 glass관과 접합하여 진공상태로 한다.

렌즈에 의해 투영된 광학 영상은 광도전막에서 흡수되어 전자(electron) 및 정공(hole) 쌍을 발생시킨다 렌즈에 의해 투영된 광학 영상은 광도전막에서 흡수되어 전자(electron) 및 정공(hole) 쌍을 발생시킨다.  전자-정공쌍은 인가 전압에 의하여 분리되고 빛의 강도에 비례한 전하상을 광전도막이 뒷면에 형성한다.  이 전하상을 전자 빔으로 조사하여 투명전극과 접속된 target ring으로부터 전기 신호로 출력한다.

빛이 CCD에 비춰지면, 그 빛을 전기적인 신호로 변환시켜주는 역할을 담당. 전기적인 신호에 의해 발생된 전하들을 일시적으로 충전상태로 보유. 수십, 수백만개의 광전변환소자들이 손톱만한 크기에 고밀도로 직접되어 있음. 보통 디카의 직사각형 형태의 Array CCD CCD내부에 놓여져 있는 미세한 수많은 광전변환소자들이 그 이미지를 각각 분담.

디지털카메라의 원리 중에서 가장 화질이 떨어지지만 움직이는 피사체 를 찍을 수 있다는 이유로 가장 많은 디지털카메라에 사용되고 있다. 1개 의 CCD Array에 1회 노출로 촬영이 되는 디지털카메라

1개의 CCD Array에 3회 노출로 촬영이 되는 디지털카메라로서 슬라이드를 능가하는 품질을 가진다. 화질이 흐려지는 것은 어쩔 수 없지만 정상적으로 활용하게 되면 매우 뛰어난 품질을 얻을 수 있다.

3개의 CCD Array에 1회 노출로 촬영이 되는 디지털카메라로서 Threes hot one array처럼 슬라이드를 능가하는 품질을 가진다. 컬러를 완전히 분리하여 이미지를 분석하므로 색상 해 석이 매우 정확하다. 요즈음 출시되고 있는 3CCD 디지털 캠코더가 여기에 해당된다.

Linear Array 혹은 Scanning-back(세 줄의 CCD라인을 이용하므로 Trilinear라고도 한다) 품질은 가히 세계 최고라고 할 만하여 드럼 스캐너보다도 더 뛰어난 품질을 보여준다. 완벽한 색 요소를 만들어낼 수가 있다. 정밀한 대형 사진을 촬영할 수 있다.

█ CCD 방식 (고체촬상소자 Charged Coupled Device) CCD 방식은 아날로그 회로에 기반한 전형적인 광학 시스템이다. 이 방식은 렌즈로 들어온 빛이 셀이라 부르는 집광장치에 입사되면 각 셀이 그 빛에 대한 전하를 저장하고 이 전하의 크기로 명암 정도를 판단한 후 변환장치로 보내 색상을 표현하는 방식이다. CCD 방식의 가장 큰 장점은 선명한 화질이다. CCD 방식은 영상 신호처리 영역이 작은 CMOS 방식에 비해 미세한 표현과 섬세한 색상구분이 가능하다. 또한 오랜 시간 사용해도 화질의 변화가 거의 없다. 반면 아날로그 신호를 출력하기 때문에 부가적인 회로를 필요로 한다. █ CMOS 방식 ( Complementary Metal Oxide Semiconductor) CMOS 방식은 반도체에 아날로그 신호와 디지털 신호처리 회로를 한 곳에 집적한 것이다. CMOS 방식은 전하를 저장하는데 상당한 양의 전력이 필요한 CCD 방식에 비해 전력 소비가 1/10 정도에 불가하며, 전체적으로 필요한 부분을 한 개 칩에 구현했기 때문에 소형제품의 구현이 가능하다. 반면 이미지의 선명도는 CCD에 비해 떨어진다고 한다.

- 왼쪽 그림은 일반적인 흑백 CCD camera module의 구성을 나타냄. - CMOS Image Sensor는 위의 그림에서 vertical driver, Timing generator, CDS/AGC/ADC, MICOM 및 EEPROM, Digital signal processor등을 one-chip화 시킬 수 있다. 현재 전세계 기술력은 digital signal processor를 동시에 one chip화 할 경우 발생하는 문제점을 확실히 제거를 하지 못하고 있는 실정이므로 일반적인 CMOS Image Sensor의 chip solution 은 2-chip solution으로 제공되고 있다. - 흑백 CCD의 경우, 일반적으로 4-chip solution으로 제공되며 color CCD의 경우는 오른쪽 그림에서 보는 바와 같이 6-chip solution으로 제공되고 있다.

CCD 와 CMOS 특성 비교 특성 Charge Coupled Device(CCD) CMOS Image Sensor(CIS) 구조 광전 변환 반도체와 전하 결합 소자로 구성. 광전 변환 반도체와 CMOS 스위치로 구성. 원리 빛 에너지에 의해 발생된 전하를 축적후 전송. 빛 에너지에 의해 발생된 전하를 반도체 스위치로 읽어냄. 장점 1. 화질이 우수하다. 2. 감도가 높다. 1. 회로의 집적도가 높고 주변 IC의 원칩화가 가능. 2. 저소비전력(대략 CCD의 1/10) 3. 가격이 저렴하다. 단점 1. 가격이 비싸다. 2. 주변 회로가 복잡하다. 3. 주변 IC와 원 칩화가 불가능함. 1. 노이즈가 많이 발생한다. 2. 감도가 낮다. 3. 다이나믹 레인지가 좁다. 활용 1. 고품질 디지털 입력기기에 주로 사용. 2. 고화소 고품질 지향 1. 저품질 디지털 입력기기에 사용. 2. 지속적인 기술 향상이 이루어지고 있다. Power* > 50mW 30 ~ 100 mW Voltage 5V, -9V, 15V -> 12V, 5V, -6V 5V, 3.3V System 집적도 Bad Good Noise Very Good Sensitivity > 25 uV/e- CCD > CMOS

포토 다이오드란? – 포토 다이오드는 pn접합 다이오드의 I-V 특성에서 광의존성을 이용. ※ 장점 입사광에 대한 출력전류의 직선성이 우수하여 아날로그 회로에서 동작하기 적합하다. 응답속도가 빠르고, 암전류가 적으며, 잡음이 적다. 감도에 대한 파장범위가 ㄴ럽으며(400~1100nm), 특히 700~900nm에서 감도가 매우 좋다. 출력의 분산이 적은 편이다. 주위온도에 대한 출력 변화가 적고, 내충격성과 내진동성을 가진다. 소형경량으로 수명이 길고, 신뢰성이 우수하다.

캐소드에 빛 조사는 전자들의 방출을 일으킨다. 전자는 애노드로 이동하고, 작은 전류가 발생된다. envelope에 더 높은 전압 전극들을 추가함으로써, 상당한 전류 증폭을 얻을 수 있다. Cadmium selenide, metallic sulphides, doped germanium과 같은 얇은 층으로 구성. 광원에 노출되었을때 저항이 줄어드는 빛으로 조절되는 가변 저항으로 작동된다.

Iron selenide의 얇은 층으로 덮여진 iron base와 상이한 재료의 한 sandwich로 구성되어짐. cell이 빛에 노출되어있을때 sandwich를 가로질러 전압이 발생된다. 빛 이외에는 외부 전력이 필요하지 않다. PN접합으로 활용된다. PIN 광다이오드는 긴 파장들의 감도영역을 확장하기 위해 p, n 층들의 사이에 진성반도체의 sandwich된 층을 가지고 있다.

포토인터럽터는 LED광원과 광전지 센서로 구성되어진다. 광 경로의 기계적 차단은 다양한 목적으로 쓰여질 수 있다. (counting, triggering, synchronization) photo-isolator의 기본은 저임피던스 전류회로에서 고임피던스 전압회로로 연결로 쓰여진다. isolator는 회로들 사이의 완벽한 전기적 격리를 제공하는데 유용하다.

수광소자 [受光素子, photodetector] - 소자에 흡수된 광자의 에너지를 측정할 수 있는 형태로 변환함으로써 광자 선속(線束)이나 광전력을 측정하는 소자. - 소자에 흡수된 광자에 의해 소자를 이루는 물질 내에 전자(electron), 홀(hole)과 같은 운반체(carrier)가 발생되며 이 운반체의 흐름으로써 측정 가능한 전류가 발생된다. - 작동 파장의 고민감도, 빠른 응답속도, 최소 잡음이라는 장점을 지니고 있어 근적외선영역(0.8~1.6 μm)에서 작동하는 광섬유 통신체계에서 광신호를 검출하는 소자로 널리 쓰인다.