제 2 절 광 센서 검출 대상의 반사광 또는 복사광을 검출 물체에 의한 빛 차단 → 전기적으로 변화

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1 제 2 절 광 센서 검출 대상의 반사광 또는 복사광을 검출 물체에 의한 빛 차단 → 전기적으로 변화
광센서 (photo sensor) 광전자 센서, 광전센서 센서 기능에 중점 광 스위치(photo switch) 광전 스위치 개폐 기능에 중점

2 제 2 절 광 센서 빛의 성질 파­입자 이중성(wave ­ particle duality)
광학현상중 간섭/편광 현상등은 전자파성격을 띠고, 산란등의 현상은 입자적 성격을 띤다. 광파 (light wave) 광파는 전자파의 일종 광파(전자파)는 서로 직교하는 전계(電界)와 자계(磁界)로 구성 정현파로 진동하는 전계와 자계에 수직한 축 방향을 따라 진행

3 제 2 절 광 센서 (cont’d) 광 센서의 주 검출 대상 가시광선(visible light)
가시광, 적외선, 자외선을 검출 가시광선(visible light) 파장이 약 390[nm]~780[nm] 사이인 전자파 적외선 (赤外線; infrared; IR) 가시광선보다 긴 0.78[um]~1000[um] 파장의 전자파 0.78[um]~2.5[um]: 근적외선(近赤外線; near­infrared; NIR) 2.5[m]~50[um] : 적외선 50[um]~1000[um]:원적외선(遠赤外線 far­infrared; FIR) 또는 서브밀리(subm)파 자외선 (ultraviolet; UV) 가시광선보다 단파장의 전자파(1~400[nm])

4 광 센서의 분류 양자형(量子型; photon detector or quantum detector)
전자파의 양자를 흡수해서 전하 케리어(charge carrier)로 직접 변환하는 광 센서 광도전 셀(photocell), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터 (phototransistor) 등 양자형은 자외선에서 중적외선(mid­IR) 범위에서 동작 열형(熱型; 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

5 1. 광 센서의 개요 광(光) 전자파의 일부 광 파장과 진동수의 관계 λ : 파장, ν : 진동수, c : 빛의 속도

6 1. 광 센서 개요 (cont’d) 광 센서 외계(발광부)광 에너지 → 전기적 신호로 변환
수광부 응답 : 파장의 종류에 따라 달라짐 분광감도 : 파장에 대한 광센서의 감도 특성 광센서의 감도 → 입사광의 파장에 의존 → 광 센서 물질 재료에 따라 변화 입사광의 파장에 대한 광 센서의 감도 특성 파장 (←→) → 광자 자신 에너지 (↓) → 상대 감도 (↓) : ②번 그래프 파장 (→←) → 광자 자신 에너지 (↑) → 상대 감도 (↓) : ①번 그래프

7 1. 광 센서 개요 (cont’d) 수동형 능동형 광원으로 자연광, 실내 조명광을 사용 외란광 영향 제거 가능
검출대상이 발광원이면 광 센서만으로 검출이 가능하나 대부분 검출 대상은 빛을 내지 않는다. 수동형 광원으로 자연광, 실내 조명광을 사용 외란광 영향 제거 가능 광원의 발광 파장과 광 센서의 분광 감도의 피크가 일치 폭이 넓은 분광감도를 갖는 센서 → 좁은 대역 광학 필터 사용하여 광 계측 특성 향상 능동형 검출 대상을 비추기 위해 발광부(다른 광원)를 가지고 있는 경우 투과형 ,회귀 반사형, 확산 반사형 광전 스위치

8 1. 광 센서 개요 (cont’d) 광 이용 형태에 따른 분류 1차 변환형, 직접 변환형, 물성형
광기전력 효과, 광도전 효과, 광전자 방출 효과로써 광 그 자체를 감지하는 방법 2차 변환형, 간접 변환형, 기구 변환형 1차 광열 변환 → 2차 열전 변환과 같이 광을 하나의 수단으로써 다른 대상물을 감지

9 2. 광전 효과 광 에너지와 물질 사이의 물리적인 상호 작용 광센서에 이용되는 광전 효과
물질이 광에너지(광자)를 흡수하고 그 결과 전자를 방출하는 현상 광센서에 이용되는 광전 효과 광기전력 효과 광도전 효과 광전자 방출 효과

10 1. 반도체의 특성 (cont’d) 가. 광기전력 효과
광자 에너지를 흡수하여 반도체의 p n 접합이나 반도체와 금속의 접합면에 전위차를 발생시키는 효과 전위차 내부의 홀전자의 드리프트 drift 에 의해 발생 입사광의 강도에 따라 증가 사용 예 광다이오드, 광 트랜지스터, 태양전지

11 2. 광전 효과 (cont’d) 나. 광도전 효과 원리 진성반도체 : 충만대 → 전도대로 여기된 전자가 이동
빛을 비추었을 때에 내부의 전기 전도도가 커지는 효과 물질의 전기 저항이 변화 반도체에 빛을 조사하면 전자­정공 쌍(electron­hole pair)이 발생 원리 진성반도체 : 충만대 → 전도대로 여기된 전자가 이동 N형 반도체 : 도너 준위 → 전도대로 여기된 전자가 이동 P 형 반도체 : 충만대 → 억셉터로 준위 여기된 정공이 이동

12 2. 광전 효과 (cont’d) 다. 광전자 방출 효과 양자 효율
금속 또는 반도체 표면에 빛을 투과 → 표면 근처의 전자 → 광 에너지 흡수 → 표면으로 튀어나옴(광전자방출) 양자 효율 입사되는 광자수에의해 방출되는 전자 수의 비율 방출된 광전자의 수 입사되는 빛의 강도에 비례하여 증가

13 3. 포토 다이오드 구조가 간단 수광 소자의 기본

14 3. 포토 다이오드 (cont’d) 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

15 3. 포토 다이오드 (cont’d) 나. 출력 특성 포토다이오드의 성능을 결정하는 주요 특성
출력특성, 분광감도특성, 잡음특성, 온도특성

16 3. 포토 다이오드 (cont’d) 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

17 3. 포토 다이오드 (cont’d) 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 출력전압과 전류가 증가

18 3. 포토 다이오드 (cont’d) 출력전류와 출력전압 관계는
여기서, k = 볼쯔만 상수(Boltzmann constant), T = 절대온도, IF = 역방향 누설전류, Iph = 입사광의 세기에 비례하는 광전류

19 3. 포토 다이오드 (cont’d) pin 포토다이오드 애벌런치 포토다이오드

20 3. 포토 다이오드 (cont’d) 사용 예 Fiber optic link Smoke detector

21 4. 포토 트랜지스터 구조와 동작원리 보통의 트랜지스터와 마찬가지로 베이스(base; B), 이미터(emitter; E), 컬렉터(collector; C)를 갖음 등가적으로 포토다이오드와 트랜지스터를 조합 트랜지스터의 증폭작용에 의해 고감도의 광 센서가 얻어짐 광전류가 발생하는 원리는 포토다이오드와 동일

22 B-C 접합 : 역바이어스, B-E 접합 : 순바이어스
빛이 입사 → 베이스 영역에서 전자­정공 쌍이 발생 → 발생된 전자는 컬렉터 측으로, 정공은 이미터 측으로 이동 → 이것이 베이스 전류의 역할을 함 → 컬렉터­이미터 사이에 광량에 대응하는 전류가 흐름 → 이 전류 값으로부터 빛의 강도를 알 수 있음 포토트랜지스터의 출력전류 : : 트랜지스터의 이미터 접지 증폭률

23 포토트랜지스터의 광 전류 크기 결정 요인 베이스 접합면적 베이스­컬렉터 접합의 광전 변환효율 트랜지스터의 포토트랜지스터의 감도는 pin 포토다이오드와 APD 사이

24 포토트랜지스터의 종류 일반적인 구조

25 베이스 단자가 부착된 구조 : - 장점 : 암전류의 감소, 응답속도의 개선, 온도보상 등이 가능 - 단점 : 외부잡음을 받기 쉽다 포토다알링톤 (phtodarlington) : - 출력 전류가 크다. 릴레이를 직접 구동하는 것이 가능하다.

26 특성 출력전류는 입사광의 세기에 비직선적으로 비례해서 증가 실리콘 포트트랜지스터는 직선성이 나쁨
광감도의 측정에는 별로 사용되지 않른 속도가 느려 주로 광의 유무를 검출하는 스위치로써 사용 통신용으로는 사용되지 않음

27 응용 포토트랜지스터는 단독으로 사용되는 경우보다, 발광원(LED)과 조합하여 사용
입출력을 전기적으로 절연한 광전달 소자, 포토커플러, 포토인터럽터 등으로 더 많이 응용

28 회로 기본적인 포토트랜지스터 회로 (I) : switching mode
Common-emitter amplifier : High → Low Common-collector amplifier : Low → High

29 5. 포토사이리스터 빛을 이용해서 개방된 두 단자 사이를 도통 전류의 On-Off 제어에 사용
게이트 단자 개방시 → 빛 조사 → 게이트 전류 공급 → 애노드와 캐소드간이 도통

30 6. 포토 커플러 빛을 매개로 한 신호 전달 장치의 총칭 광분기 : 1개의 단자에 입사된 광을 2개 이상의 단자로 출사하는 것
발광 다이오드와 포토 트랜지스터를 일체화 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 광섬유심선에 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

31 6. 포토커플러 가. 포토인터럽트 발광부와 수광부가 대향 대치 물체 삽입 → 수광부 광전류 차단 → 물체 유무 검출

32 투과형(transmissive; 透過型)
- 물체의 유무와 위치검출을 목적 - 구조에 따라 투과형과 반사형으로 구분 투과형(transmissive; 透過型) 구조와 동작원리 - 발광소자와 수광소자를 일정거리로 대향시켜 배치시킨 구조 - 두 소자 사이를 물체가 통과할 때 생기는 광량의 변화를 수광소자가 받아 물체의 유무와 위치 등을 검출

33 반사형(reflective; 反射型) 구조와 동작원리 - 발광소자와 수광소자를 나란히 배치한 것
- 발광소자에서 나온 빛이 물체에 닿아서 반사된 빛을 수광소자가 받아 반사광 강도변화를 검출

34 6. 포토커플러(cont’d) 1) 컬렉터 출력 회로 2) 이미터 출력 회로

35 6. 포토커플러(cont’d) 나. 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

36 구조와 동작원리 - 회로간의 신호전송을 목적 포토트랜지스터를 사용한 포토커플러의 내부 구조의 일례
포토인터럽터와 마찬가지로 발광소자와 수광소자를 조합하여 한 개의 소자로 한 것 포토인터럽터와는 달리 빛이 통과하지 못하는 흑색 수지로 패키징하여 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

37 7. 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

38 7. 컬러 센서(cont’d)

39 8. 광전자 방출형 센서 광전 효과 진공 속에 놓여있는 금속이나 반도체에 빛을 조사할 때 그 표면으로부터 진공 속으로 전자가 방출되는 현상 이때 방출되는 전자를 광전자(photoelectron)라 부름

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

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

42 8. 광전자 방출형 센서 광전자 방출효과를 이용한 센서
빛의 진동수가 어떤 한계 진동수보다 커지면 금속으로 전자가 방출되는 현상 광전자 방출위한 입사광 조건 h Vo ≥ Ø ,h : 플랑크 상수, Vo : 입사광의 진동수 h Vo > Ø : 전자가 외부로 방출 h Vo < Ø : 전자는 외부로 방출되지 않음 h Vo ≥ Ø : 한계파장, 광전자 방출을 이루는 입사광의 최저 진동수 광전자 방출 센서 종류 광전관 광전자 증배관

43 8. 광전자 방출형 센서(cont’d) 광전관 광전자를 방출하는 음극 + 광전자를 방출하는 양극
음극 : 반원통형, 양극 : 봉 형태

44 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

45 - 유리창(window) 유리창의 재질에 따라 spectral response short wavelength cutoff을 결정

46 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

47 8. 광전자 방출형 센서(cont’d) 광전자 증배관 광전관 + 2차 증배기 → 감도 향상
음극과 양극 사이에 2차 전자 방출 전극 설치 양극에 모인 광전자를 증폭 미약한 빛에도 큰 전기신호 얻음 고감도, 고속 응답성 → 분석기기, 의료용기기

48 구조와 동작원리 - 광전자 방출용 음극(photocathode), 복수 개의 2차 전자 방출용 전극인 다이노드(dynode), 2차 전자를 수집하는 양극(plate)이 진공 유리관내에 봉입

49 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

50 PMT 종류 Construction - 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)

51 - 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

52 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

53 9. 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

54 10. 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

55 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

56 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

57 나. CdS 기본 회로

58 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

59 11. 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

60 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

61 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

62 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

63 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

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