단파장 적외선 (SWIR) 이미지 센서의 가능성
2021-07-13
org.kosen.entty.User@48aea7c4
조진연(george84)
1. 적외선이란?
태양에서 방출되는 빛은 오존과 대기에 존재하는 수분과 이산화탄소의 흡수로 인해 빛의 스펙트럼 분포가 그림. 1과 같이 변화하게 된다. 그래서 특정 파장을 기반한 소자를 제작시 태양광의 조사량이 많고 적음을 고려해야 한다. 태양광 빛이 없는 파장대는 소자가 직접 그 파장대의 빛을 조사하는 active illumination 소자가 적합하고, 태양광 빛이 많은 파장대 영역은 반사된 태양광 빛을 인식하는 passive illumination 소자에 적합하다.
2. SWIR파장의 특징
태양광 스펙트럼 중 750nm – 1000 µm 파장대를 적외선 (Infrared, IR)이라고 불린다.
표 1. 파장별 적외선 세부 구분.
표 1에 정리된 것 처럼, 파장대별로 적외선은 좀 더 자세히 나뉘게 된다. 파장이 달라짐에 따라 각각의 적외선 특성이 달라지게 된다. 게다가 파장이 달라지게되면 그 파장대를 흡수할 수 있는 재료들이 달라지게 됨에 따라 센서 기술이 달라지게 된다.
특히 SWIR 영역이 많은 관심을 받고 있는데, 주요 이유는 사람 눈에대한 안정성을 확보할 수 있기 때문이다.
그림. 2. (a) 빛의 파장별 눈에 투과및 흡수되는 위치 [1]. (b) 눈의 위치 및 빛의 파장에 따른 빛의 투과도 변화 [2].
그림. 2 (a)는 IR B (1400 nm 이상) 이상의 장파장에서는 수정체에서 모든 빛이 흡수되어 시신경 (Retina)에 도달하지 못하는 것을 묘사하였다. 그림. 2 (b)는 좀 더 구체적으로 눈의 각 위치별 파장에 따른 투과도를 나타내고 있다. 1400 nm 이상의 파장대는 눈에 시신경 (Retina)에 투과되는 빛은 0에 수렴하는 것을 잘 보여주고 있다. 이를 바탕으로 기존의 가시광선 혹은 NIR 영역의 빛은 출력 강도를 높이게 될 경우 눈 시신경까지 영향을 줄 수 있기때문에 최대 출력량을 제한하고 있다. 하지만, 1400 nm 이상의 장파장을 이용하게 될 경우 시신경 손상으로부터 자유로울 수 있기 때문에 그 파장대의 빛의 출력 강도를 더 높일 수 있고, 이에 따라 시그널 및 노이즈 비율을 향상시켜 고품질의 SWIR 파장의 센싱 결과를 얻을 수 있다.
3. SWIR 이미지 센서 응용 사례 및 관련 기술 소개
적외선관련 다양한 어플리케이션들이 있지만, 그 중 SWIR 파장대를 이용한 다양한 가능성을 보여주는 센서기술 응용사례를 소개하고자 한다.
그림. 3. SWIR 이미지센서의 응용사례 (a) 불투명 용기 안에 있는 액체 잔량 확인, (b) 포장지 내부 음식 확인 [3].
그림. 3에 나타낸 것처럼 SWIR 이미지센서를 이용할 경우, 겉 포장지 혹은 용기 내부 상태를 들여다 볼 수 있는 장점이 있다. 그래서 용기 속의 화학액의 잔량을 확인하거나, 이미 포장된 상태의 제품의 상태 (수량, 품질, 형태 등)를 확인 할 수 있다. 게다가 물질마다 빛의 흡수 정도가 다르기 때문에 상대적으로 재료가 같은재료인지 파악여부가 가능하다.
그림. 4. (a) 기존 가시광선 카메라 와 (b) SWIR 카메라의 비교 [4]
그림. 4에 보이는 이미지와 같이,기존 가시광선 카메라에서 잘 안보이는 사물들이 SWIR 카메라로 이미지를 얻게 될 경우 명확하게 보이는 것을 확인할 수 있다. Trieye社의 소개에 따르면, 이 SWIR 카메라를 이용하게 될 경우, 시야 확보에 있어 날씨에 영향을 줄 일 수 있고, 도로 위 빙판이나 물의 상태를 사전에 파악이 가능하기 때문에 자동차 주행관련 안전센서로서 사용 가능성이 매우 크다. 기존의 SWIR 카메라의 경우 InGaAs 재료 기반으로 센서를 제작하여 상대적으로 가격이 비싸 군사용 혹은 최첨단 측정기기에만 사용되었지만, Trieye사의 CMOS 제조방식을 기반에 둔 SWIR 센서 제조기술을 통해 1/1000수준으로 제조비용을 줄일 수 있다고 설명하고 있다.
그림. 5. Ge 혹은 InGaAs 기반 APD(아발란치 포토다이오드) Quantum efficiency 비교 [5]
SWIR파장대를 센싱하기 위해서는 높은 양자효율 (Quantum efficiency)가 중요하다. 그림. 5에 보이는 것처럼, InGaAs 와 Ge이 SWIR 센싱을 위한 빛 흡수 재료로서 가능성이 있다. 약 1500 nm 이상의 장파장에서는 InGaAs가 확실한 우위를 보이지만, 1400 nm-1500 nm 사이는 두재료 모두 비슷한 양자효율을 보여주고 있다.
현재 시장에 나와있는 대부분 SWIR 센서는 InGaAs 재료 기반이다. InGaAs는 InP 웨이퍼 기판에 성장시켜 소자를 만드는데, InP웨이퍼 기판의 크기가 최대 6인치이기 때문에, 대면적 기판 사용을 통한 양산성 확보에 어려움을 겪고 있다. 게다가 기존 8인치 혹은 12인치 실리콘 기판에 형성된 회로와의 연결을 위하여 본딩이라는 프로세스를 하는데, 실리콘 기판과 InP기판의 크기 차이로 인해, InGaAs/InP 다이를 실리콘 기판위로 옮긴 뒤 본딩 프로세스를 진행 하기 때문에 제조법이 복잡하고, 공정에 많은 시간이 소요되어 공정 단가를 낮추는데 어려움이 있다.
그래서 이에 대한 대안으로 Ge 층을 Si기판위에 에피택셜 성장시켜 센서를 만들어보려는 노력을 하고 있다[6]. 하지만, Ge과 Si의 격자크기 차이로 인해 Ge 성장시 Ge 층에 구조적 결함이 생성되어 소자 특성에 부정적인 영향을 주는 결함을 발생시킨다. 이는 결국 소자의 누수전류 증가로 이어지게 되어 시그널의 품질이 떨어지게 된다.
비슷하면서도 다른 접근 방식으로서 실리콘기판 위 Ge층을 성작시킨 것이 아닌 Ge 웨이퍼 기판을 이용하는 방법이 있다. Ge 웨이퍼의 경우 Si 웨이퍼와 같은 크기인 8인치 혹은 12인치까지 제조가 가능하기에[7] 양산성 측면 및 공정 단순화 측면에서 많은 기회를 제공할 수 있다. 하지만 아직까지 대면적 8인치 혹은 12인치 Ge 기판에 센서를 구현한 결과는 아직 없는것으로 알고 있다.
격 SWIR 이미지 센서 개발은 SWIR 관련 시장 확대에 매우 중요한 요소이다. 대면적 기판의 적용 가능여부, 실리콘 기판과 동등한 기판 사이즈 확보, 소자 특성 개선, 규모의 경제 등이 어우러지면, SWIR 이미지 센서 시장은 더욱더 빠르게 우리 앞으로 다가올 것이라 생각된다.
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태양에서 방출되는 빛은 오존과 대기에 존재하는 수분과 이산화탄소의 흡수로 인해 빛의 스펙트럼 분포가 그림. 1과 같이 변화하게 된다. 그래서 특정 파장을 기반한 소자를 제작시 태양광의 조사량이 많고 적음을 고려해야 한다. 태양광 빛이 없는 파장대는 소자가 직접 그 파장대의 빛을 조사하는 active illumination 소자가 적합하고, 태양광 빛이 많은 파장대 영역은 반사된 태양광 빛을 인식하는 passive illumination 소자에 적합하다.
2. SWIR파장의 특징
태양광 스펙트럼 중 750nm – 1000 µm 파장대를 적외선 (Infrared, IR)이라고 불린다.
표 1. 파장별 적외선 세부 구분.
| 특정 적외선 영역 이름 | 파장대 |
| Near-infrared (NIR) | 0.75–1.4 μm |
| Short-wavelength infrared (SWIR) | 1.4–3 μm |
| Mid-wavelength infrared (MWIR) | 3–8 μm |
| Long-wavelength infrared (LWIR) | 8–15 μm |
| Far infrared (FIR) | 15–1,000 μm |
표 1에 정리된 것 처럼, 파장대별로 적외선은 좀 더 자세히 나뉘게 된다. 파장이 달라짐에 따라 각각의 적외선 특성이 달라지게 된다. 게다가 파장이 달라지게되면 그 파장대를 흡수할 수 있는 재료들이 달라지게 됨에 따라 센서 기술이 달라지게 된다.
특히 SWIR 영역이 많은 관심을 받고 있는데, 주요 이유는 사람 눈에대한 안정성을 확보할 수 있기 때문이다.
그림. 2. (a) 빛의 파장별 눈에 투과및 흡수되는 위치 [1]. (b) 눈의 위치 및 빛의 파장에 따른 빛의 투과도 변화 [2].
그림. 2 (a)는 IR B (1400 nm 이상) 이상의 장파장에서는 수정체에서 모든 빛이 흡수되어 시신경 (Retina)에 도달하지 못하는 것을 묘사하였다. 그림. 2 (b)는 좀 더 구체적으로 눈의 각 위치별 파장에 따른 투과도를 나타내고 있다. 1400 nm 이상의 파장대는 눈에 시신경 (Retina)에 투과되는 빛은 0에 수렴하는 것을 잘 보여주고 있다. 이를 바탕으로 기존의 가시광선 혹은 NIR 영역의 빛은 출력 강도를 높이게 될 경우 눈 시신경까지 영향을 줄 수 있기때문에 최대 출력량을 제한하고 있다. 하지만, 1400 nm 이상의 장파장을 이용하게 될 경우 시신경 손상으로부터 자유로울 수 있기 때문에 그 파장대의 빛의 출력 강도를 더 높일 수 있고, 이에 따라 시그널 및 노이즈 비율을 향상시켜 고품질의 SWIR 파장의 센싱 결과를 얻을 수 있다.
3. SWIR 이미지 센서 응용 사례 및 관련 기술 소개
적외선관련 다양한 어플리케이션들이 있지만, 그 중 SWIR 파장대를 이용한 다양한 가능성을 보여주는 센서기술 응용사례를 소개하고자 한다.
그림. 3. SWIR 이미지센서의 응용사례 (a) 불투명 용기 안에 있는 액체 잔량 확인, (b) 포장지 내부 음식 확인 [3].
그림. 3에 나타낸 것처럼 SWIR 이미지센서를 이용할 경우, 겉 포장지 혹은 용기 내부 상태를 들여다 볼 수 있는 장점이 있다. 그래서 용기 속의 화학액의 잔량을 확인하거나, 이미 포장된 상태의 제품의 상태 (수량, 품질, 형태 등)를 확인 할 수 있다. 게다가 물질마다 빛의 흡수 정도가 다르기 때문에 상대적으로 재료가 같은재료인지 파악여부가 가능하다.
그림. 4. (a) 기존 가시광선 카메라 와 (b) SWIR 카메라의 비교 [4]
그림. 4에 보이는 이미지와 같이,기존 가시광선 카메라에서 잘 안보이는 사물들이 SWIR 카메라로 이미지를 얻게 될 경우 명확하게 보이는 것을 확인할 수 있다. Trieye社의 소개에 따르면, 이 SWIR 카메라를 이용하게 될 경우, 시야 확보에 있어 날씨에 영향을 줄 일 수 있고, 도로 위 빙판이나 물의 상태를 사전에 파악이 가능하기 때문에 자동차 주행관련 안전센서로서 사용 가능성이 매우 크다. 기존의 SWIR 카메라의 경우 InGaAs 재료 기반으로 센서를 제작하여 상대적으로 가격이 비싸 군사용 혹은 최첨단 측정기기에만 사용되었지만, Trieye사의 CMOS 제조방식을 기반에 둔 SWIR 센서 제조기술을 통해 1/1000수준으로 제조비용을 줄일 수 있다고 설명하고 있다.
그림. 5. Ge 혹은 InGaAs 기반 APD(아발란치 포토다이오드) Quantum efficiency 비교 [5]
SWIR파장대를 센싱하기 위해서는 높은 양자효율 (Quantum efficiency)가 중요하다. 그림. 5에 보이는 것처럼, InGaAs 와 Ge이 SWIR 센싱을 위한 빛 흡수 재료로서 가능성이 있다. 약 1500 nm 이상의 장파장에서는 InGaAs가 확실한 우위를 보이지만, 1400 nm-1500 nm 사이는 두재료 모두 비슷한 양자효율을 보여주고 있다.
현재 시장에 나와있는 대부분 SWIR 센서는 InGaAs 재료 기반이다. InGaAs는 InP 웨이퍼 기판에 성장시켜 소자를 만드는데, InP웨이퍼 기판의 크기가 최대 6인치이기 때문에, 대면적 기판 사용을 통한 양산성 확보에 어려움을 겪고 있다. 게다가 기존 8인치 혹은 12인치 실리콘 기판에 형성된 회로와의 연결을 위하여 본딩이라는 프로세스를 하는데, 실리콘 기판과 InP기판의 크기 차이로 인해, InGaAs/InP 다이를 실리콘 기판위로 옮긴 뒤 본딩 프로세스를 진행 하기 때문에 제조법이 복잡하고, 공정에 많은 시간이 소요되어 공정 단가를 낮추는데 어려움이 있다.
그래서 이에 대한 대안으로 Ge 층을 Si기판위에 에피택셜 성장시켜 센서를 만들어보려는 노력을 하고 있다[6]. 하지만, Ge과 Si의 격자크기 차이로 인해 Ge 성장시 Ge 층에 구조적 결함이 생성되어 소자 특성에 부정적인 영향을 주는 결함을 발생시킨다. 이는 결국 소자의 누수전류 증가로 이어지게 되어 시그널의 품질이 떨어지게 된다.
비슷하면서도 다른 접근 방식으로서 실리콘기판 위 Ge층을 성작시킨 것이 아닌 Ge 웨이퍼 기판을 이용하는 방법이 있다. Ge 웨이퍼의 경우 Si 웨이퍼와 같은 크기인 8인치 혹은 12인치까지 제조가 가능하기에[7] 양산성 측면 및 공정 단순화 측면에서 많은 기회를 제공할 수 있다. 하지만 아직까지 대면적 8인치 혹은 12인치 Ge 기판에 센서를 구현한 결과는 아직 없는것으로 알고 있다.
격 SWIR 이미지 센서 개발은 SWIR 관련 시장 확대에 매우 중요한 요소이다. 대면적 기판의 적용 가능여부, 실리콘 기판과 동등한 기판 사이즈 확보, 소자 특성 개선, 규모의 경제 등이 어우러지면, SWIR 이미지 센서 시장은 더욱더 빠르게 우리 앞으로 다가올 것이라 생각된다.