센서 전자 공학

제 2 장 광 센서

내용 2.1 광 센서의 기초 2.2 광도전 셀 2.3 포토다이오드 2.4 포토트랜지스터 2.5 포토 IC 2.6 복합 광셍서 2.7 광전자 방출효과를 이용한 광센서

2.1 광센서의 기초 Genesis 1 Let there be light 빛이 없으면 생명체가 존재할 수가 없을 뿐만 아니라, 우리는 빛을 통해서 모든 사물을 본다. 이와 같이 빛은 우리의 일상생활과 매우 밀접한 관계를 갖고 있을 뿐만 아니라, 빛으로부터 많은 신호와 정보를 얻을 수 있기 때문에 빛을 검출하는 역사는 매우 오래되었다. 빛을 이용한 검출은 비접촉으로 할 수 있고, 빛 에너지를 전기 에너지로, 역으로 전기 에너지를 빛 에너지로 변환이 용이한 장점이 있다. 그러므로 광 검출은 매우 중요한 부분이고, 현재 다수의 광 센서가 개발되어 수많은 분야에 이용되고 있다. Genesis 1 Let there be light

빛의 성질 빛의 이중성(wave ­ particle duality) 광파(light wave) 광파는 전자파(電磁波; electromagnetic wave; EM wave)의 일종 광파(전자파)는 서로 직교하는 전계(電界)와 자계(磁界)로 구성되며, 정현파로 진동하는 전계와 자계에 수직한 축 방향을 따라 진행 전계(電界) 자계(磁界) 𝐸(𝑧,𝑡)= 𝐸 𝑜 cos⁡(𝜔𝑡−𝛽𝑧) 𝐻(𝑧,𝑡)= 𝐻 𝑜 cos⁡(𝜔𝑡−𝛽𝑧) 𝑬(𝒛,𝒕) 𝑯(𝒛,𝒕)

빛의 성질 광자(光子, photon) 또는 광양자(光量子; light quantum) 빛을 입자로 생각할 때 광자라고 한다. 주파수 ν인 빛의 광자가 갖는 에너지 𝐸 𝑝ℎ =ℎ𝜈=ℎ 𝑐 𝜆 ℎ=𝑃𝑙𝑎𝑛 𝑘 ′ 𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡=6.23 × 10 −34 J∙s 𝑐=빛의 속도=2.998 × 10 8 m/s 에너지가 hv인 광자 광파 (light wave) 광자(光子; photon)

빛의 성질 광센서의 주 검출대상 가시 광, 적외선, 자외선을 검출한다. 가시광(visible light) : 파장이 약 390 nm ~ 780 nm 사이인 전자파 적외선(赤外線; infrared; IR) : 가시광선보다 긴 0.78 μm ~ 1000 μm 파장의 전자파 0.78 μm ~ 2.5 μm : 근적외선(近赤外線; near­infrared; NIR) 2.5 μm ~ 50 μm : 적외선 50 μm ~ 1000 μm : 원적외선(遠赤外線;far­infrared; FIR) 또는 서브밀리(subm) 파 자외선 (ultraviolet; UV) : 가시광선보다 파장이 짧은 전자파(1~400 nm)

빛의 방출과 흡수 빛의 방출 원자 내에서 높은 에너지 준위에 있는 전자가 더 낮은 에너지 상태로 천이(遷移; transition)하면 빛이 방출된다 예 : 에너지 E2의 여기상태(준위)에 있는 전자가 에너지 E1의 기저상태(준위)로 천이할 때, 방출되는 빛의 주파수는 𝜈= 𝐸 2 − 𝐸 1 ℎ

빛의 성질 빛의 흡수 발광현상 물체가 빛(전자파)을 흡수하면, 전자는 기저상태에서 여기상태로 올라간다. 빛(전자파)을 방출하는 물체는 에너지를 상실하고, 흡수하는 물체는 에너지를 얻는다. 발광현상 루미네슨스(luminescence) : 열을 수반하지 않는 발광 물체나 분자를 구성하는 원자가 빛, x­선, 전자선, 방사선, 전기 또는 화학반응 등의 에너지를 흡수하여  여기 상태로 된 후 다시 천이하여 발광하는 현상 (예) 발광 다이오드(LED), 레이저(Laser)

인간의 시감 인간의 시감도 열방사(熱放射; thermal radiation) 연속 스펙트럼의 빛이 방출된다. 저온에서는 적외선이 방사되며, 고온으로 감에 따라 방사량이 증가되는 동시에 단파장의 가시광 쪽으로 이동하여 휘도를 증가시킨다. (예) 전구의 필라멘트, 태양 표면 인간의 시감도 인간의 비시감도(relative eye sensitivity) : 인간의 눈은 파장이 약 390 ~780 nm 사이인 전자파에 대해서 감도를 가지는 데, 이 파장대를 가시광선(visible light)이라고 부름 눈의 감도는 555 nm 파장의 빛에 가장 민감 광 센서의 검출파장(주파수)은 자주 눈의 시감도와 비교된다.

광센서의 분류 양자형(量子型, photon detector or quantum detection) 전자파의 양자를 흡수해서 전자와 정공(positive hole)으로 직접 변환하는 센서 예 : 광도전 셀(photocell), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor) 양자형 광센서는 자외선에서 중적외선(mid­IR) 범위에서 동작한다. 열형(熱型; thermal detector) 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변화하고, 그 결과 소자의 전기적 특성(저항, 열기전력, 전기분극 등)이 변하는 효과를 이용하는 광센서 예 : 서미스터(thermistor), 볼로미터(bolometer), 서모파일(thermopile), 초전센서(pyro- electric detector) 중적외선부터 원적외선 범위를 검출하는데 유용 열형 센서에 대해서는 제 3장의 적외선 센서에서 설명

광센서의 분류 동작원리 광 센서 종류 내부광전효과 (內部光電效果) 광도전형 광도전 셀 CdS, CdSe, PbS, PbSe, HgCdTe 접 합 형 pn 포토다이오드 Si, Ge, GaAs, InGaAsP, InSb pin 포토다이오드 〃 애벌랜치 포토다이오드 포토트랜지스터 PSD Si 1차원, 2차원 어레이 CCD형, CMOS형 복 합 형 포토인터럽터 포토커플러 LED-포토트랜지스터 LED-포토다이오드 외부광전효과 (外部光電效果) 광 전 관 Ag-O-Cs, Sb-Cs, Na-K-Sb-Cs 광전자 증배관 Ag-O-Cs, Sb-Cs 열 형 (熱型) 초 전 형 LiTaO3, PbTiO3, PVF2 서모파일 열전대(thermocouple), Bi와 Sb 박막 다결정 실리콘 볼로미터 Pt, Ni, 서미스터

2.2 광도전 셀 광도전 효과 반도체에 빛을 조사하면 전자­-정공 쌍(electron­-hole pair)이 발생하여, 그 부분의 전기 전도도(電氣傳導度；electrical conductivity; 보통 도전율이라고 부름)가 증가하는데, 이것을 광도전 효과(光導電效果;photoconductive effect)라고 함 자유전자와 정공(正孔, positive hole)과 같이 전기전도에 기여하는 입자들을 전하 케리어(charge carrier)라고 부름 L

광도전 효과 𝜎 𝑜 = 𝑛 𝑜 𝑒 𝜇 𝑛 + 𝑝 𝑜 𝑒 𝜇 𝑝 𝜎 𝑝ℎ =𝑛𝑒 𝜇 𝑛 +𝑝𝑒 𝜇 𝑝 광전도도(photoconductivity) 𝑛 𝑜 빛을 조사하기 전 전기 전도도(도전율) : 𝜎 𝑜 = 𝑛 𝑜 𝑒 𝜇 𝑛 + 𝑝 𝑜 𝑒 𝜇 𝑝 빛을 조사한 후 전기 전도도 - 빛에 의해 전도대의 전자농도 증가: 가전자대에서 정공농도 증가: 𝑛 𝑜 +∆𝑛 𝑝 𝑜 𝑝 𝑜 +∆𝑝 - 따라서 광전도도는 𝜎 𝑝ℎ =𝑛𝑒 𝜇 𝑛 +𝑝𝑒 𝜇 𝑝 = 𝑛 𝑜 +∆𝑛 𝑒 𝜇 𝑛 + 𝑝 𝑜 +∆𝑝 𝑒 𝜇 𝑝 = 𝑛 𝑜 𝑒 𝜇 𝑛 + 𝑝 𝑜 𝑒 𝜇 𝑝 + ∆𝑛𝑒 𝜇 𝑛 +∆𝑝𝑒 𝜇 𝑝 = 𝜎 𝑜 +∆𝜎 𝑛 𝑜 +∆𝑛 𝑝 𝑜 +∆𝑝 빛에 의해서 도전율이 Δσ만큼 증가

광도전 효과 ∆𝐼=∆𝜎 𝑆 𝐿 𝑉=𝑒 ∆𝑛 𝜇 𝑛 +∆𝑝 𝜇 𝑝 𝑆 𝑉 𝐿 그림과 같이 센서에 전압을 인가하고, 빛을 조사하면, 저항은 감소하고 전류는 증가한다. 전류의 증가는 ∆𝐼=∆𝜎 𝑆 𝐿 𝑉=𝑒 ∆𝑛 𝜇 𝑛 +∆𝑝 𝜇 𝑝 𝑆 𝑉 𝐿 이 전류의 변화를 측정하면, 빛의 세기를 검출할 수 있다. L

광도전 효과 한계 파장 𝐸 𝑝ℎ =ℎ 𝑐 𝜆 > 𝐸 𝑔 𝜆 𝑐 = ℎ𝑐 𝐸 𝑔 = 1.24 𝐸 𝑔 𝜇𝑚 모든 빛이 광도전 효과를 나타내는 것은 아니다. 전자가 전도대로 올라가기 위해서는 빛(광자)의 에너지 Eph가 반도체의 에너지 갭 Eg 보다 커야 된다(그림에서 a). 𝐸 𝑝ℎ =ℎ 𝑐 𝜆 > 𝐸 𝑔 한계 파장(threshold frequency)은 𝜆 𝑐 = ℎ𝑐 𝐸 𝑔 = 1.24 𝐸 𝑔 𝜇𝑚 센서는 한계파장보다 더 짧은 파장의 빛만을 검출할 수 있다. 즉, 에너지 갭 Eg가 결정되면 센서의 장파장 측의 감도한계로 차단파장을 알 수 있다.

광도전 효과 광센서 재료로 흔히 사용되는 반도체의 차단파장 물질 에너지 갭 [eV] 차단파장 [ m] 영역 Ge 0.67 1.85 적외선 Si 1.11 1.12 GaAs 1.43 0.86 GaP 2.30 0.54 가시광 PbS 0.62 2.00 InSb 0.18 6.89 CdSe 1.74 0.72 CdS 2.45 0.51 CdTe 1.45

CdS 셀(cell) 구조와 동작원리 현재 가시광을 검출하는 가장 널리 사용되고 있는 광도전 셀 세라믹 기판 위에 CdS 분말을 소결(燒結)한 것으로, 소결체(燒結體)의 양단에 In, Sn 등의 오믹(ohmic) 전극을 형성 CdS를 꾸불꾸불한 형태로 만들어 전극과의 접촉면적을 크게 한다. CdS 셀은 습기에 의해 열화(劣化)되므로, 기밀봉지(氣密封止)되어 있다.

CdS 셀(cell) 빛은 유리 또는 플라스틱 도포막을 투과하여 셀 표면에 입사한다. 전극사이에 전압을 인가하고 노출되어 있는 CdS에 빛을 조사하면 자유전자와 정공이 발생하고, 입사광의 세기에 따라 CdS의 저항이 감소하여 전극에 흐르는 전류가 증가한다.

CdS 셀(cell) 주요 특성 분광감도특성(spectral response characteristics) CdS 셀은 515 nm 부근의 파장에서 최대의 감도를, CdSe는 730 nm 파장의 빛에 대해서 최대의 감도를 갖는다. CdS와 CdSe의 조성비를 제어함으로써 최대감도를 515∼730 nm 사이의 파장에서 최적화시킬 수 있어, 인간의 눈과 매우 유사한 분광감도특성을 갖는 셀도 가능하다.

CdS 셀(cell) 𝐼 𝐿 =𝐾 𝑉 𝛼 𝐸 𝛾 감도를 나타내는 식 CdS셀에 전압 V를 인가하고 조도 E[lux]의 빛이 입사되었다면, 이때 신호전류 IL은 𝐼 𝐿 =𝐾 𝑉 𝛼 𝐸 𝛾 K : 상수, α : 신호전류에 대한 전압지수(~1) γ : 신호전류에 대한 조도지수: 신호전류-조도 곡선의 기울기 보통 전류대신 셀 저항으로 나타냄 CdS 셀의 저항 값은 조사광의 세기가 증가하면 감소하지만, 조도와 저항 값 사이가 항상 비직선 관계로 되기 때문에 센서로서 사용하는 경우에는 보정이 필요하다.

CdS 셀(cell) 조도에 대한 저항치의 변화율 𝛾 𝑏 𝑎 =tan θ= ∆𝐼 ∆𝐸 = log 𝐼 𝑎 −log 𝐼 𝑏 log 𝐸 𝑎 −log 𝐸 𝑏 = log 𝐼 𝑎 𝐼 𝑏 log 𝐸 𝑎 𝐸 𝑏 = ∆𝑅 ∆𝐸 = log 𝑅 𝑎 −log 𝑅 𝑏 log 𝐸 𝑎 −log 𝐸 𝑏 = log 𝑅 𝑎 𝑅 𝑏 log 𝐸 𝑎 𝐸 𝑏

CdS 셀(cell) 그림에서 알 수 있는 바와 같이,의 값은 조도범위에 따라 일정치 않다. 일반적으로 γ 는 𝛾 10 100 (100 lux와 10 lux사이의 기울기) 로 나타냄. 즉 𝛾 10 100 = log 𝑅 𝑎 𝑅 𝑏 log 𝐸 𝑎 𝐸 𝑏 = log 𝑅 100 𝑅 10 log 100 10 = log 𝑅 100 𝑅 10 γ 값은 소결막(燒結膜)의 조성(造成)과 소결조건에 따라 0.5~1.0 범위에서 변하며, 일반적으로 γ=0.7~0.9 범위에서 사용되고 있다.

CdS 셀(cell) 응답 특성 응답속도는 빠르게 변하는 빛의 레벨이나 on/off 스위치를 설계하는데 중요한 점이다. 응답시간은 보통 셀이 조사된 후 저항이 포화값의 63[%]에 도달하는 데 요구되는 시간(상승시간)과, 빛이 제거되었을 때 저항이 포화 값의 37[%]로 떨어지는데 요구되는 시간(하강시간)으로 정의 응답속도는 입사광의 세기가 강할 수록 빨라지고, 어두운 곳에 오래 두었던 셀은 밝은 곳에 두었던 셀 보다 더 느린 응답속도를 나타낸다. 또한 부하저항이 증가하면 상승시간은 빨라지지만 하강시간은 반대로 된다. 일반적으로 CdS 셀의 응답시간은 10~100[ms]로 매우 느리다.

CdS 셀(cell) 특징 응용 분야 광이력 효과(광기억 효과) CdS 셀의 빛 조사 시 저항, 암저항(dark resistance), 응답속도는 셀이 과거 빛에 노출된 이력(조건)에 의해서 달라진다. 이것을 광이력 효과(light history effect) 또는 광기억 효과(light memory effect)라고 부른다. 특히 CdS 셀이 측정 전에 어두운 곳이나 밝은 곳에 있었을 경우 조사 시 저항(즉 감도)에서 차이가 나는데, 이 차를 광이력 오차(light history error) 라고 함. 특징 CdS는 고감도인 반면, 응답시간이 늦고, 히스테리시스(hysteresis)가 큰 결점을 가진다. 응용 분야 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 사용된다.