KR101570445B1

KR101570445B1 - 적외선 검출기

Info

Publication number: KR101570445B1
Application number: KR1020140023336A
Authority: KR
Inventors: 이귀로; 김민식; 백진혁; 박승현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-11-20
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: US9207127B2; US20150241283A1; WO2015130123A1; KR20150101713A

Abstract

본 발명의 실시형태에 따른 적외선 검출기는 적외선을 감지하여 전류 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 액티브 셀; 및 상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀에 대한 기준 전류 신호를 생성하는 기준 셀을 포함하고, 상기 기준 셀은 병렬 연결된 i개의 단위 웜 셀의 묶음 j개가 직렬 연결된 웜 셀 어레이 구조를 갖는 복수개의 단위 웜 셀로 구성되며, 상기 기준 셀은 상기 단위 웜 셀의 전기적 저항값의 j/i배의 전기적 저항값을 가지고, 상기 기준 셀은 상기 단위 웜 셀의 열 저항값의 1/(i*j) 배의 열 저항값을 갖지며, 여기서 상기 i 및 j는 자연수일 수 있다.

Description

적외선 검출기 {Infrared Detector}

본 발명은 적외선 검출기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기에서 마이크로 볼로미터의 고정패턴잡음, 1/f 잡음, 매칭(matching), 및 자체 가열 효과 상쇄 특성을 최적화할 수 있는 기술에 관한 것이다.

적외선 검출기는 일반적으로 원적외선 복사에 응답하는 광기반 검출기와 열기반 검출기로 크게 나뉜다. 열기반 검출기는 일반적으로 열감지 센서 어레이를 이용하여 대상 물체의 온도 이미지를 생성하도록 영상 시스템을 구현할 수 있다. 이와 같이 물체에서 방출되는 흑체 복사 에너지를 모아 피사체의 온도 영상을 얻는 장비를 원적외선 열영상 시스템(Far-Infrared Thermal Imaging system)이라고 지칭한다.

열기반 검출기는 볼로미터(bolometer), 마이크로 볼로미터(microbolometer), 초전기 및 열전대열을 포함하는 것으로 알려져 있다. 모든 물체에서 흑체 복사하는 8~14μm 대역의 원적외선을 렌즈로 마이크로 볼로미터 상에 집속하면, 마이크로 볼로미터의 온도가 상승/하강하게 되고, 이에 따라 마이크로 볼로미터의 전기적 저항이 변화하게 된다. 따라서, 마이크로 볼로미터 액티브 셀의 어레이, 즉, 마이크로 볼로미터 어레이(microbolometer array)의 전기 저항값을 측정함으로써 대상 장면의 온도 분포를 원격으로 이미징할 수 있게 된다.

이러한 마이크로 볼로미터 어레이는 통상 0.1% 이하의 열상에 의한 저항 변화에 따른 신호 크기를 갖는 것에 비해, 기판온도 1도(degree)마다 2~3%의 기판온도 의존성, 그리고 수%의 공정 비균일성 및 수%의 회로 미스매치(mismatch)에 따른 소위 고정패턴잡음(FPN, Fixed Pattern Noise)을 갖는다. 따라서, 열상에 의한 신호보다도 훨씬 큰 FPN을 어떻게 제거할 수 있는지가 해결해야 할 큰 문제이다.

이와 더불어 전기적 저항체의 온도 변화 특성을 위해서는 바이어스 전압을 인가한 후 전기적 저항체에 흐르는 전류를 측정하거나, 전류 바이어스를 인가한 후 저항체 양단에 걸리는 전압을 측정해야 한다. 이때, 줄열(joule-heating)에 의하여 전기적 저항체의 온도가 상승하게 된다. 이러한 현상을 자체 가열(self-heating)이라 지칭하며, 이는 검출하고자 하는 원적외선 복사와는 무관한 값으로서 반드시 보정되어야 한다.

또한, 마이크로 볼로미터의 전기적 저항체가 갖는 1/f 잡음은 적외선 검출기 성능을 결정하는 중요한 요인으로서 1/f 잡음을 개선할 필요성이 있다. 결국, 마이크로 볼로미터 어레이는 공정/기판온도/자체가열/1/f잡음 변화(PTSF: process/temperature/self-heating variation/1/f잡음)에 의한 매우 큰 고정패턴잡음(FPN: Fixed Pattern Noise)을 갖게 된다.

따라서, 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기에서 FPN 특성과 1/f 잡음 특성을 줄이고 자체 가열 효과를 상쇄시켜 적외선 검출 성능을 향상시킬 수 있는 기법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

본 발명은 종래의 필요성을 충족시키기 위해 안출된 것으로써, 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기에서 FPN 특성과 1/f 잡음 특성을 줄여서 적외선 검출 성능을 향상시킬 수 있는 적외선 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 적외선 검출기가 검출하고자 하는 원적외선 복사와 무관한 자체 가열 효과를 상쇄할 수 있는 적외선 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시형태에 따른 적외선 검출기는 적외선을 감지하여 전류 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 액티브 셀; 및 상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀에 대한 기준 전류 신호를 생성하는 기준 셀을 포함하고, 상기 기준 셀은 적어도 하나 이상의 단위 웜 셀을 포함하여 구성되며, 상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀 및 상기 단위 웜 셀 각각은 전기적 저항체를 포함하며, 상기 전기적 저항체는 단위 전기적 저항체의 반복된 패턴으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기에서 FPN 특성과 1/f 잡음 특성을 줄여서 적외선 검출 성능을 향상시킬 수 있는 적외선 검출기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시형태에 따르면 적외선 검출기가 검출하고자 하는 원적외선 복사와 무관한 자체 가열 효과를 최소화할 수 있는 적외선 검출기를 제공할 수 있다.

도1은 일반적인 마이크로 볼로미터 액티브 셀의 구조를 예시한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 액티브 셀의 다양한 형상을 예시한다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 열저항을 낮출 수 있는 웜 셀 구조를 예시한다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 열저항을 낮출 수 있는 다양한 웜 셀 구조를 예시한다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀을 어레이로 구성한 기준 셀을 예시한다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀을 어레이로 구성한 기준 셀과 종래 단위 웜 셀로 구성한 기준 셀을 예시한다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 기준 셀과 마이크로 볼로미터 액티브 셀에 직류 전압을 인가한 시점부터 시간에 따른 온도 변화를 그래프로 나타낸다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면들 중 인용부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 인용부호들로 표시됨을 유의해야 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

일반적으로, 적외선 검출기에 포함되는 마이크로 볼로미터 어레이의 경우 PTSF에 의해 통상 수십%의 전류 변화를 갖게 되는데 반해 피사체로부터의 원적외선으로 인한 최소 신호 레벨은 0.001% 정도의 전류 변화를 갖게 된다. 따라서, 마이크로 볼로미터 어레이로부터 피사체로부터의 원적외선에 따른 신호를 판독하기 위해서, 기준 셀을 이용하여 불필요한 직류 바이어스(DC Bias)를 제거하기 위한 스키밍(Skimming) 기법이 사용된다.

하지만, 스키밍 기법을 이용하더라도 마이크로 볼로미터 액티브 셀과 기준 셀의 부정합(Mismatch)에 의한 잔여 오프셋(Residual offset)과 이득의 비선형성(Nonlinearity) 때문에 추가의 오프셋/이득 보정(Offset/Gain calibration)이 요구되고 있다.

따라서, 마이크로 볼로미터 액티브 셀 및 기준 셀의 FPN 및 1/f 잡음을 줄이는 것 외에도 마이크로 볼로미터 액티브 셀과 기준 셀 사이의 매칭 특성을 개선할 필요성이 있다. 또한, 액티브 셀과 기준 셀간의 자체 가열 효과를 상쇄할 필요가 있다.

이하에서는 전술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명을 상세히 설명한다.

도1은 일반적인 마이크로 볼로미터 액티브 셀의 구조를 예시한다. 도1에 도시된 바와 같이, 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)은 바디부(120), 바디부(120)의 양단으로부터 각각 연장된 2개의 레그부(140), 및 2개의 레그부(140: leg) 종단에 각각 부착된 앵커부(130: anchor)로 구성될 수 있다.

여기서 바디부(120)는 적외선 흡수체로 이루어져 원적외선의 흡수에 따라 온도가 상승/하강하게 된다. 레그부(140)와 앵커부(130)는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)을 기판(미도시)에 고정시키되 바디부(120)가 상기 기판으로부터 이격되어 흡수된 열이 빠져나가지 않도록 하는 역할을 한다.

마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)은 도1에 도시된 바와 같은 전기적 저항체(110)를 더 포함한다. 원적외선이 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)에 집속되면 적외선 흡수체의 온도가 상승/하강하게 되고 이에 따라 전기적 저항체(110)의 온도도 상승/하강하게 된다. 통상의 전기적 저항체의 경우 온도가 올라감에 따라 저항값이 작아진다. 따라서, 전기적 저항체(110) 양단에 걸리는 전압/전류를 측정함으로써 피사체의 온도를 검출할 수 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 일반적인 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)에서 전기적 저항체(110)는 길이(L) 및 너비(W)로서 저항값이 L/W 값에 비례하고 전기적 저항체(110)의 면적은 L*W에 해당한다. 도1에 도시된 바와 같은 구조의 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)은 전기적 저항체(110)의 면적이 매우 좁아 1/f 잡음 특성이 나쁘며, 전기적 저항체(110)가 단일 구조체로 구성되어 있어 공정오차에 매우 민감하여 다른 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100) 또는 웜 셀(warm cell: 300)과의 매칭(matching) 특성이 좋지 않다.

따라서, 적외선 검출기에 포함되는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)과, 해당 마이크로 볼로미터 액티브 셀의 전류 신호로부터 불필요한 DC 바이어스 전류를 제거하기 위한 기준 신호를 생성하는 웜 셀(300)을 도1에 도시된 바와 같은 구조로 제작하는 경우에는 전술한 문제점이 야기될 수 있다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100)에 대한 다양한 형상을 예시한다. 도2에서는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)을 제작한 것을 예시하나 동일한 구조가 웜 셀(300)에도 적용될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀(300)의 경우 열전달 물질을 추가로 더 포함할 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액티브 셀(200)의 전기적 저항체(210)를 다양한 패턴으로 형성할 수 있다. 도2의 (a) 내지 (c)에서는 전기적 저항체(210)가 도1에 도시된 전기적 저항체(110)와 동일한 물질로 형성될 때, 전기적 저항체(110)와 동일한 저항값(L/W)을 갖되 전기적 저항체(110)의 면적(LW)보다 큰 값을 갖도록 설계될 수 있다. 이에 따라 액티브 셀(200)은 종래 길이 L 및 너비 W의 단일 구조체로 형성되는 셀의 전기적 특성은 그대로 유지하면서도 1/f 잡음을 줄일 수 있다. 전기적 저항체(210)의 부피 또는 면적이 증가할수록 1/f 잡음의 크기가 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 전기적 저항체(210)를 단일 구조체로 형성하지 않고 단일 구조체를 반복한 복수의 구조체로 형성함으로써 공정오차의 영향을 줄이고 다른 셀과의 매칭 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전기적 저항체(210)의 패턴은 도2의 (a) 내지 (c)에 예시된 것에 한정되지 않는다.

도2의 (a)를 먼저 살펴본다. 도2의 (a)에서 전기적 저항체(210)는 3개의 구조체로 분리될 수 있다. 제1구조체 내지 제3구조체(210_1, 210_2 및 210_3) 각각의 길이는 L 및 너비는 3W에 대응한다. 따라서, 전기적 저항체(210)의 저항값은 3L/3W로 표현될 수 있고 면적은 9LW로 표현될 수 있다. 이렇게 함으로써 전기적 저항체(210)는 동일한 저항값을 가지면서도 면적이 9배 커져 1/f 잡음을 9배 줄일 수 있다.

도2의 (a)에서 전기적 저항체(210)는 도1의 전기적 저항체(110)를 복수 개 직렬 및 병렬 연결하여 구성한 것이다. 제1구조체(210_1) 내지 제3구조체(210_3)는 각각 도1의 전기적 저항체(110)를 3개 병렬 연결한 것에 대응하고, 제1구조체(210_1) 내지 제3구조체(210_3)는 서로 직렬 연결된 것이다. 도2의 (a)에서 제1구조체(210_1) 내지 제3구조체(210_3) 각각은 핑거(finger) 구조로 지칭될 수 있고, 이들을 통합한 전기적 저항체(210)는 멀티핑거(multi-finger) 구조로 지칭될 수 있다.

각 구조체(210_1, 210_2 및 210_3)에 포함되는 핑거의 개수(즉, 병렬 연결되는 핑거의 개수)를 N개라고 가정하면 전기적 저항체(210)를 이루기 위한 구조체의 개수도 N개로 설정할 수 있다. 이러한 경우, 전기적 저항체(210)의 면적은, 기존의 길이 L 및 너비 W인 저항체의 면적의 N²배로 증가할 수 있다. 이에 따라, 1/f 잡음은 1/N² 수준으로 낮출 수 있을 뿐 아니라 총 N²개의 핑거를 사용함으로써 통계적으로 N배 정도 저항 균일도가 향상될 수 있다. 도2(a)에서는 N=3인 경우를 예시한다.

도2의 (b)를 살펴보면, 전기적 저항체(210)는 복수개의 구조체(210_1 내지 210_N)를 포함할 수 있다. 도2의 (b)는 도2의 (a)에 도시된 전기적 저항체(210)의 멀티핑거 구조의 변형 예에 해당할 수 있다. 도2의 (b)에서 복수개의 구조체(210_1 내지 210_N) 각각은 구불구불한 미앤더(meander) 구조를 가질 수 있다. 복수개의 구조체(210_1 내지 210_N) 각각의 길이는 L에 해당하고, 너비는 구불구불한 형상으로 인해 N*W로 표현될 수 있다. 이때, 너비가 W에서 N*W로 증가함으로써 발생하는 저항값의 감소를 보상하기 위해서 전기적 저항체(210)는 N개의 구조체(210_1 내지 210_N)로 구성될 수 있다. 이에 따라 획득될 수 있는 효과는 도2의 (a)의 그것과 동일할 수 있다.

도2의 (c)를 살펴보면, 전기적 저항체(210)는 단위 저항체를 2차원 평면적으로 반복한 어레이 구조를 갖는다. 도2의 (c)에서 전기적 저항체(210)는 수 많은 단위 저항체들로 구성되어 있어 공정 오차에 매우 둔감하다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 열저항을 낮출 수 있는 웜 셀 구조를 예시한다.

본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기는 적외선을 감지하여 전류 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200); 및 상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)과 구조 및 전기적 특성이 동일하며, 상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)에 대한 기준 전류 신호를 생성하는 웜 셀(300)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기의 웜 셀(300)은 기본적으로 액티브 셀(200)과 동일하되 열저항 값만을 용이하게 낮출 수 있도록 열전달 경로를 추가로 포함할 수 있다. 열전달 경로를 통해 웜 셀(300)로부터 열이 기판(미도시)으로 용이하게 전달될 수 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 적외선 검출기는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)에 대한 기준 전류를 생성하는 웜 셀(300)로부터 열을 외부로 빠르게 배출할 수 있도록 열전달 물질(350)을 추가로 포함할 수 있다. 이는 실질적으로 액티브 셀(200)의 경우에는 증착된 열전도 박막을 제거하는 대신에 웜 셀(300)의 경우에는 이를 제거하지 않고 그대로 남기는 것이 될 수 있다. 웜 셀(300)은 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)에 비해 열을 더 빨리 외부로 배출할 수 있어야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀(300)은 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)과의 매칭 특성을 향상시키기 위해 다른 모든 구조를 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)과 동일하되, 열저항만을 낮출 수 있도록 액티브 셀(200) 제작시 사용하는 질화막이나 산화막 등의 열전달 물질(350)을 제거하지 않도록 설계될 수 있다.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 열저항을 낮출 수 있는 다양한 웜 셀 구조를 예시한다. 도4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 열전달 물질(351, 353)은 웜 셀(300)의 바디부(320)와 앵커부(330) 사이 및 웜 셀(320)의 바디부(330)와 레그부(340) 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 형성되어 있을 수 있다.

또한, 도3 및 도4의 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀(300)에서 열전달 물질(350, 352, 360)은 웜 셀(300) 각각의 모서리에 위치하여 형성되어 있을 수 있다. 도3 및 도4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 열전달 물질(350)은 웜 셀(300)의 바디부(320)와 해당 웜 셀(300)에 이웃한 웜 셀(300_1)의 앵커부(330_1) 사이에 공통되어 형성될 수 있다.

도4의 (c)에서는 열전달 물질(360)이 하나의 모서리에서 인접한 웜 셀(300, 300_1, 300_3, 300_4) 사이에 공통되어 형성된 것이 예시된다.

이때, 기준 셀은 하나의 단위 웜 셀(300)을 이용하여 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)에 대한 기준 신호를 생성하게 하거나, 복수의 단위 웜 셀을 직렬/병렬로 연결하여 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)에 대한 기준 신호를 생성하게 할 수 있다. 후자의 경우 저항값은 도1 및 도2에 도시된 바와 같은 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100, 200) 하나의 전기적 저항체(110, 210)의 그것과 동일하게 유지하면서도 웜 셀(300)의 전체적인 열저항값과 1/f 잡음을 크게 줄일 수 있다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀 어레이 구조를 갖는 기준 셀(500)을 예시한다. 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기준 셀(500)은 병렬 연결된 i개의 단위 웜 셀들의 묶음을 j번 직렬 연결한 웜 셀 어레이 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 첫 번째 i개의 웜 셀(300_11 내지 300_1i)은 서로 병렬 연결되고...이와 마찬가지로 j번째 i개의 웜 셀(300_j1 내지 300_ji)은 서로 병렬 연결되어 있다. 이와 같이 병렬 연결된 웜 셀 묶음 j개가 서로 직렬 연결되는 것이다. 이와 같은 웜 셀 어레이 구조로 구성된 기준 셀(500)은 단위 웜 셀 저항값의 j/i배의 저항값을 가지면서 동시에 저항체의 면적은 j*i배만큼 늘어나게 된다. 이에 따라 단위 웜 셀을 사용하는 경우에 비해서 j*i배만큼의 1/f 잡음 특성과 균일도가 개선될 수 있다.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀 어레이 구조를 갖는 기준 셀과 종래 단위 웜 셀로 구성된 기준 셀을 예시한다. 도6에서는 기준 셀이 복수 개의 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200_1 내지 200_m)에서 공유되는 것을 예시한다. 예컨대, 도6의 (a)에서 기준 셀로부터의 기준 전류 신호는 동일한 기준 셀에 연결된 복수 개의 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200_1 내지 200_m) 각각에 대해 DC 바이어스 신호를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 도6의 (b)에서 복수의 단위 웜 셀(300_11 내지 300_33)으로 구성된 기준 셀(500)로부터의 기준 전류 신호는 마찬가지로 복수 개의 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200_1 내지 200_m) 각각의 DC 바이어스 신호를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이때, 복수 개의 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200_1 내지 200_m)은 MXN 행렬로 배열된 마이크로 볼로미터 어레이에서 동일 열(row) 또는 동일 행(column)에 위치한 셀들일 수 있다.

도6의 (a)에 도시된 바와 같이 단위 웜 셀(300) 하나를 기준 셀로 사용하는 경우, 기준 셀에서 발생하는 공정 오차가 매우 클 수 있으며 자체 가열 특성도 고정될 수 있다. 또한, 전기적 저항체의 면적이 작으므로 기준 셀의 1/f 잡음이 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)의 1/f 잡음과 합쳐서 그대로 출력 신호에 반영될 수 있다.

이와 대조적으로, 도6의 (b)에 도시된 바와 같이 i² 어레이로 배열된 단위 웜 셀(300_11 내지 300_ii)로 구성된 기준 셀(500)을 사용하는 경우, 저항값은 도1 또는 도2에 도시된 바와 같은 마이크로 볼로미터 액티브 셀(100, 200)의 전기적 저항체(110, 210)의 그것과 동일하게 하면서도, 1/f 잡음과 공정 오차를 크게 줄일 수 있다. 또한, 자체 가열 또한 크게 줄일 수 있다. 자체 가열 효과가 상쇄될 수 있는 원인에 대해서는 도7을 참조하여 설명한다. 도6의 (b)에서는 i=3인 경우의 기준 셀(500)의 구성을 예시하고 있다.

도7은 본 발명의 실시예에 따른 기준 셀과 마이크로 볼로미터 액티브 셀에 직류 전압을 인가한 시점부터 시간에 따른 온도 변화를 그래프로 나타낸다. 도7에서는 외부로부터의 적외선 신호를 제외한 채, 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)과 해당 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)에 대한 기준 셀의 자체 가열을 시간에 따른 온도 변화로서 보여준다. 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)과 기준 셀 모두 일정 시간 후에 포화되는 성질을 가진다. 도7에서 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)은 "Active"로 기준 셀은 "Warm"으로 표시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀(300)로 구성된 기준 셀은 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)에 비해 열을 빠르게 기판(미도시)으로 전달하기 때문에 자체 가열에 의한 온도 상승 포화 속도가 빠르다. 기준 셀의 포화된 자체 가열 온도와 액티브 셀(200)의 평균 자체 가열 온도가 같아지도록 액티브 셀(200)에 대한 신호를 샘플링(sampling)한다면, 즉 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)의 평균 자체 가열 양을 기준 셀의 자체 가열 양과 같도록 만든다면 자체 가열 효과를 상쇄할 수 있게 된다. 이는 기존에 기준 셀로서 콜드 셀(cold cell)을 사용한 것과 대조된다. 콜드 셀의 경우 자체 가열이 전혀 발생하지 않도록 설계되어 있어 액티브 셀의 자체 가열 효과를 상쇄할 수 없다.

하지만, 도6의 (a)에 도시된 바와 같이, 하나의 단위 웜 셀(300)을 기준 셀로서 이용하는 경우에는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)의 자체 가열에 의한 온도 상승분과 기준 셀의 자체 가열에 의한 온도 상승분을 일치시키는데 어려움이 있다. 자체 가열을 완전히 상쇄하기 위한 조건은 ΔT_warm= ΔT_active이므로, 하나의 단위 웜 셀(300)만을 이용하는 경우 i=1이 되므로, 단위 웜 셀의 온도 변화는 하기 수학식(1)과 같이 표현될 수 있다.

수학식(1)

여기서, R_th,warm는 단위 웜 셀의 열저항이고 V 및 I는 단위 웜 셀에 인가되는 DC 전압 및 전류를 나타낸다. 하지만, 상기 수학식(1)에서 열저항을 포함하여 모든 파라미터(parameter)가 고정되므로 기준 셀의 온도 상승분을 조절할 수 없으므로 자체 가열 효과를 완전히 상쇄하는데 어려움이 있다.

따라서, 본 발명에서는 도5 및 도6의 (b)에 도시된 바와 같이 복수개의 단위 웜 셀이 적절히 배열된 어레이 구조를 기준 셀(500)로서 사용할 수 있다. 이는 도5와 같이 일반화될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 기준 셀(500)은 i*j 어레이로 배열된 복수 개의 단위 웜 셀(300_11 내지 300_ij)이 직렬 및 병렬 연결된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라 하기 수학식(2)로부터 도식화한 조건을 통해 자체 가열에 의한 효과를 완전히 상쇄할 수 있다.

수학식(2)

여기서, t_int는, 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)로부터 생성되는 신호를 적분하는 적분기(미도시)가 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200) 하나의 신호를 검출하는 시간, 즉 적분시간을 나타낸다. C_th,active는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)의 열용량(heat capacitor)을 나타낸다. 예컨대, 열시상수인 R_th*C_th=288μsec이고 적분시간인 t_int=64μsec인 경우를 가정하면, i=j=3을 유도할 수 있다. 이 경우, 3X3 어레이로서 3개의 직렬 연결과 3개의 병렬 연결로 복수개의 단위 웜 셀이 배열된 구조를 기준 셀(500)로 사용함으로써 자체 가열 효과를 완전히 상쇄할 수 있는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기에 포함되는 기준 셀(500)을 임의의 개수의 단위 웜 셀(300_11 내지 300_ij)을 포함하여 구성되도록 하고, 실시예마다 수학식(2)로부터 결정된 i, j의 값에 따라 필요한 단위 웜 셀만이 이용되도록 구현될 수 있다. 예컨대, 도5에 도시된 바와 같은 복수개의 단위 웜 셀(300_11 내지 300_ij) 각각의 온 및 오프, 그리고 상기 복수개의 단위 웜 셀 사이의 연결은 디지털적으로 프로그램하여 스위치를 통해 조작 가능하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 스위치는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 스위치일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 웜 셀 및 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)의 구조(도2에 예시), 열전달 물질을 포함하는 웜 셀(도3 및 4에 예시) 및 복수개의 웜 셀이 어레이로 배열된 기준 셀(도5 예시)은 실시예에 따라 서로 조합하여 이용될 수 있음은 당해 기술분야의 당업자에게는 자명하다.

적외선 검출기에 포함된 마이크로 볼로미터 어레이에서 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200)과 기준 셀(300, 500) 각각의 FPN, 1/f 잡음, 및 이들 사이의 매칭 특성은 비냉각식 적외선 열영상 시스템 전체의 성능과 수율을 결정짓는 주요 요소이다. 이들 특성을 좋게 함으로써 검출 회로의 부하를 대폭 감소시키며 열영상의 화질을 높일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200) 및 기준 셀(300, 500)의 FPN, 1/f 및 매칭 특성을 개선하기 위해서 마이크로 볼로미터 액티브 셀(200), 단위 웜 셀(300) 및 기준 셀(300, 500) 구조를 최적화하고자 한다. 현재 마이크로 볼로미터를 이용한 비냉각식 적외선 카메라 시장을 이루는 사용화 제품들은 가격면에서 상당히 고가이므로, 시장 진입 및 선도를 위해서는 가격 경쟁력이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 구조적 최적화와 어레이 배열을 통해 향후 사업화 단계에서 중요 요소인 수율 문제를 적은 비용으로 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면 낮은 단가의 고성능 제품을 제작할 수 있으므로 향후 시장에서 타 제품군에 비해 높은 가격 경쟁력으로 시장을 선도할 수 있을 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100, 200: 마이크로 볼로미터 액티브 셀
300: 웜 셀 (기준 셀)
500: 웜 셀 어레이 구조 (기준 셀)

Claims

적외선을 감지하여 전류 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 액티브 셀; 및
상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀에 대한 기준 전류 신호를 생성하는 기준 셀을 포함하고,
상기 기준 셀은 병렬 연결된 i개의 단위 웜 셀의 묶음 j개가 직렬 연결된 웜 셀 어레이 구조를 갖는 복수개의 단위 웜 셀로 구성되며,
상기 기준 셀은 상기 단위 웜 셀의 전기적 저항값의 j/i배의 전기적 저항값을 가지고,
상기 기준 셀은 상기 단위 웜 셀의 열 저항값의 1/(i*j) 배의 열 저항값을 갖는,
여기서 상기 i 및 j는 자연수인,
적외선 검출기.
제1항에 있어서,
상기 액티브 셀의 전기적 저항값과 상기 기준 셀의 전기적 저항값은 서로 동일한,
적외선 검출기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기준 셀에 포함된 상기 복수개의 단위 웜 셀 각각의 온 및 오프, 및 상기 복수개의 단위 웜 셀 사이의 연결은 디지털신호로 조작 가능한,
적외선 검출기.
제1항에 있어서,
상기 액티브 셀 및 상기 단위 웜 셀 각각은 전기적 저항체를 포함하며,
상기 전기적 저항체는 단위 전기적 저항체의 반복된 패턴으로 형성된,
적외선 검출기.
제4항에 있어서,
상기 전기적 저항체는, 상기 단위 전기적 저항체 N개가 병렬 연결된 묶음 M개가 직렬 연결된 구조로 형성되며,
상기 전기적 저항체는 상기 단위 전기적 저항체의 전기적 저항값의 M/N배의 전기적 저항값을 갖는,
여기서, 상기 N 및 M은 자연수인,
적외선 검출기.
제4항에 있어서,
상기 전기적 저항체는, 길이 L 및 폭 N*W를 갖는 미앤더 형태의 상기 단위 전기적 저항체가 M개 직렬 연결된 구조로 형성되며,
여기서, 상기 N 및 M은 자연수인,
적외선 검출기.
제4항에 있어서,
상기 전기적 저항체는, 상기 단위 전기적 저항체가 2차원적으로 반복되는 어레이 구조를 갖는,
적외선 검출기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 액티브 셀 및 상기 단위 웜 셀 각각은 바디부, 상기 바디부의 양단으로부터 각각 연장된 2개의 레그부, 상기 2개의 레그부 종단에 각각 부착된 앵커부, 및 전기적 저항체 패턴을 포함하여 구성되며,
상기 액티브 셀의 바디부, 레그부, 앵커부 및 전기적 저항체 패턴은 상기 단위 웜 셀의 바디부, 레그부, 앵커부 및 전기적 저항체 패턴과 동일한,
적외선 검출기.
제8항에 있어서,
상기 단위 웜 셀은 상기 단위 웜 셀의 바디부와 앵커부 사이 및 상기 단위 웜 셀의 바디부와 레그부 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 형성되어 있는 열 전달 물질을 더 포함하는,
적외선 검출기.
제8항에 있어서,
상기 복수 개의 단위 웜 셀 중 적어도 2개 이상의 단위 웜 셀의 앵커부에 동시에 접촉하여 형성되어 있는 열전달 물질을 더 포함하는,
적외선 검출기.
적외선을 감지하여 전류 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 액티브 셀; 및
상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀에 대한 기준 전류 신호를 생성하는 기준 셀을 포함하고,
상기 기준 셀은 적어도 하나 이상의 단위 웜 셀을 포함하여 구성되며,
상기 마이크로 볼로미터 액티브 셀 및 상기 단위 웜 셀 각각은 전기적 저항체를 포함하며,
상기 전기적 저항체는 단위 전기적 저항체의 반복된 패턴으로 형성된,
적외선 검출기.
제11항에 있어서,
상기 전기적 저항체는, 상기 단위 전기적 저항체 N개가 병렬 연결된 묶음 M개가 직렬 연결된 구조로 형성되며,
상기 전기적 저항체는 상기 단위 전기적 저항체의 전기적 저항값의 M/N배의 전기적 저항값을 갖는,
여기서, 상기 N 및 M은 자연수인,
적외선 검출기.
제11항에 있어서,
상기 전기적 저항체는, 길이 L 및 폭 N*W를 갖는 미앤더 형태의 상기 단위 전기적 저항체가 M개 직렬 연결된 구조로 형성되며,
여기서, 상기 N 및 M은 자연수인,
적외선 검출기.
제11항에 있어서,
상기 전기적 저항체는, 상기 단위 전기적 저항체가 2차원적으로 반복된 어레이 구조를 갖는,
적외선 검출기.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액티브 셀 및 상기 단위 웜 셀 각각은 바디부, 상기 바디부의 양단으로부터 각각 연장된 2개의 레그부, 상기 2개의 레그부 종단에 각각 부착된 앵커부, 및 상기 전기적 저항체를 포함하여 구성되며,
상기 액티브 셀의 바디부, 레그부, 앵커부 및 전기적 저항체는 상기 단위 웜 셀의 바디부, 레그부, 앵커부 및 전기적 저항체와 동일한,
적외선 검출기.
제15항에 있어서,
상기 단위 웜 셀은 상기 단위 웜 셀의 바디부와 앵커부 사이 및 상기 단위 웜 셀의 바디부와 레그부 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 형성되어 있는 열 전달 물질을 더 포함하는,
적외선 검출기.
제15항에 있어서,
상기 기준 셀은 상기 단위 웜 셀을 복수 개 포함하며,
상기 기준 셀은 상기 복수 개의 단위 웜 셀 중 적어도 2개 이상의 단위 웜 셀의 앵커부에 동시에 접촉하여 형성되어 있는 열전달 물질을 더 포함하는,
적외선 검출기.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 셀은 상기 단위 웜 셀을 복수 개 포함하며,
상기 기준 셀이 상기 단위 웜 셀의 전기적 저항값과 동일한 전기적 저항값을 갖되 상기 단위 웜 셀의 열 저항값과 다른 열 저항값을 갖도록, 상기 복수개의 단위 웜 셀은 웜 셀 어레이 구조에서 서로 직렬 또는 병렬 관계를 갖도록 연결되는,
적외선 검출기.