KR20130028822A

KR20130028822A - 단결정 재료를 사용한 초전형 적외선 센서

Info

Publication number: KR20130028822A
Application number: KR1020110091597A
Authority: KR
Inventors: 이상구; 권명주
Original assignee: (주)아이블포토닉스
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-20
Also published as: WO2013035975A1

Abstract

본 발명은 단결정을 사용한 초전 적외선 센서에 관한 것이다. 본 발명의 초전 적외선 센서는, 적외선의 입사에 의해 전하를 발생시키는 초전 소자를 포함하되, 상기 초전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 초전 재료를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
여기서,
[P]는 산화납[PbO, PbO₂, Pb₃O₄]이고,
[M]은 산화마그네슘[MgO], 산화아연[ZnO] 또는 산화지르코늄[ZrO₂]이고,
[N]은 산화나이오비움[Nb₂O₅]이고,
[T]는 산화티탄[TiO₂]이고,
[L]은 리튬, 백금, 금, 은, 팔라디움, 로디움, 인디움, 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 망간, 구리, 이트리움, 이터비움, 나이오븀, 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속, 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 탄산염이다.
본 발명의 초전 적외선 센서는 적외선에 대한 응답 속도가 빠르고 우수한 노이즈 특성을 갖는다. 따라서, 엘리베이터 앞, 복도, 화장실, 창고, 계단 등의 경보, 방범, 화제 경보 장치로 활용될 수 있으며, 나아가 전력선 안전 감시 시스템, 전자기기, 자동차, 이동 통신 기기 등의 각종 첨단 기기 내의 센서로서도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

단결정 재료를 사용한 초전형 적외선 센서{PYROELECTRIC INFRARED RAY DETECTOR USING SINGLE CRYSTAL MATERIAL}

본 발명은 초전형 적외선 센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 단결정 재료를 사용하여 우수한 성능을 갖는 초전형 적외선 센서에 관한 것이다.

초전(pyroelectric) 적외선 센서는 강유전체가 갖는 초전효과를 이용하여 적외선을 감지하는 센서로서, 초전효과란 온도변화에 따라 강유전체의 자발분극이 변하게 되어 강유전체의 표면 전하가 변화하는 현상을 말하며, 초전 적외선 센서는 강유전체의 표면에 발생된 전하를 이용한다. 즉, 초전 소자에 불꽃을 포함하는 적외선이 입사되어 초전 소자의 온도가 변화할 때 초전 소자의 표면에는 일정한 전하가 발생하게 되며, 초전 적외선 센서는 이와 같이 발생한 전하를 이용하여 적외선을 감지하는 것이다.

이러한 초전 적외선 센서는 엘리베이터 앞, 복도, 화장실, 창고, 계단 등과 같이 사람이 언제 지나가거나 이용하게 될 지 알 수 없는 장소에 설치함으로써, 별도의 스위치 조작 없이 이동하는 인체를 감지하여 자동으로 조명을 온/오프시키거나 보안을 필요로 하는 특정한 공간에 방범, 화제 경보장치 등으로 널리 사용되고 있으며, 앞으로 더욱 다양한 분야에서 그 활용이 기대된다.

초전 적외선 센서에서 초전 소자는 직접 적외선을 수신하고 전하를 생성하는 소자로서 전체 센서의 성능을 크게 좌우한다. 초전 소자의 재질로서는 종래에 PLT[PbLaTiO₃], PZT[Pb(Zr,Ti)O₃] 등의 압전,초전 재료가 알려져 있었다. 그러나, 그 활용 분야가 더욱 다양해지고 첨단화됨에 따라 더욱 우수한 성능을 갖는 초전 소자에 대한 요구가 증대되고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 적외선에 대한 응답 속도가 빠르고 노이즈 특성이 우수한 초전 적외선 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러, 상기 초전 적외선 센서와 동일한 초전 재료를 사용하여 밀리미터 웨이브에 대한 응답 속도가 빠르고 노이즈 특성이 우수한 초전 밀리미터 웨이브 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 적외선의 입사에 의해 전하를 발생시키는 초전 소자를 포함하되, 상기 초전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 초전 재료를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전 적외선 센서를 제공한다.

[화학식 1]

s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]

여기서,

[P]는 산화납[PbO, PbO₂, Pb₃O₄]이고,

[M]은 산화마그네슘[MgO], 산화아연[ZnO] 또는 산화지르코늄[ZrO₂]이고,

[N]은 산화나이오비움[Nb₂O₅]이고,

[T]는 산화티탄[TiO₂]이고,

[L]은 리튬, 백금, 금, 은, 팔라디움, 로디움, 인디움, 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 망간, 구리, 이트리움, 이터비움, 나이오븀, 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속, 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 탄산염이며,

상기 화학식 1에서,

0.4≤x≤0.8이고,

0.0001≤y≤0.4이고,

0.0001≤z≤0.4이고,

0.0001≤p≤0.4이고,

0.0001≤s≤0.4이다.

상기 초전 재료는 단결정인 것이 바람직하다. 이때, 상기 초전 재료는 <111> 배향 또는 <001> 배향의 단결정인 것이 바람직하다.

상기 초전 적외선 센서는 상기 초전 소자에 접속된 저항 소자를 더 포함할 수 있다.

상기 초전 적외선 센서는, 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 전계 효과 트랜지스터의 게이트는 상기 초전 소자 및 상기 저항 소자에 접속되는 구조를 가질 수 있다.

본 발명은 또한, 밀리미터 웨이브의 입사에 의해 전하를 발생시키는 초전 소자를 포함하되, 상기 초전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 초전 재료를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전 밀리미터 웨이브 센서를 제공한다.

[화학식 1]

s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]

여기서,

[P]는 산화납[PbO, PbO₂, Pb₃O₄]이고,

[N]은 산화나이오비움[Nb₂O₅]이고,

[T]는 산화티탄[TiO₂]이고,

상기 화학식 1에서,

0.4≤x≤0.8이고,

0.0001≤y≤0.4이고,

0.0001≤z≤0.4이고,

0.0001≤p≤0.4이고,

0.0001≤s≤0.4이다.

본 발명은 상기 초전 적외선 센서를 포함하는 전력선 안전 감시 시스템, 가정용 또는 개인용 전자기기, 자동차, 이동 통신 기기 및 초음파 기기를 제공한다.

본 발명의 초전 적외선 센서는 적외선에 대한 응답 속도가 빠르고 우수한 노이즈 특성을 갖는다. 따라서, 엘리베이터 앞, 복도, 화장실, 창고, 계단 등의 경보, 방범, 화제 경보 장치로 활용될 수 있으며, 나아가 전력선 안전 감시 시스템, 전자기기, 자동차, 이동 통신 기기, 초음파 기기 등의 각종 첨단 기기 내의 센서로서도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전 적외선 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전 적외선 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초적 적외선 센서의 등가 회로도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전 적외선 센서의 사시도이다. 도 1 을 참조하면, 본 실시예에 따른 초전 적외선 센서는 하우징(10)과 기판(30)을 포함한다.

하우징(10)에는 개구(20)가 형성되어 적외선이 하우징(10) 내부로 유입될 수 있도록 구성되며, 하우징(10)으로는 예를 들어 TO39 하우징을 이용할 수 있다.

기판(30)의 하부에는 세 개의 단자가 형성되는데, 각각 드레인 단자(60), 소스 단자(40) 및 접지 단자(50)이다. 드레인 단자(60)와 소스 단자(40)는 각각 하우징(10) 내에 형성된 트랜지스터의 드레인 및 소스에 연결되는 단자이다. 접지 단자(50)는 하우징(10)에 연결되어 전체 회로의 접지면으로 기능한다.

한편, 하우징(10) 내부에는 적외선을 수용하여 전하를 발생시키는 회로가 배치되는데, 이를 본 발명의 일 실시예에 따른 초전 적외선 센서의 단면을 도시한 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2 를 참조하면, 기판(30)에는 초전 물질층이 형성되어 트랜지스터(80)를 구성한다. 여기서, 트랜지스터(80)는 전계 효과 트랜지스터(FET)인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 접합 게이트 FET(JFET)을 사용할 수 있다.

트랜지스터(80) 상에는 초전 소자(70)가 배치되어, 개구(20)로부터 유입되는 적외선을 감지하고 전하를 발생시킨다. 초전 소자는 초전 성질을 갖는 초전 재료로 제조되는데, 초전 재료로는 하기 화학식 1로 표시되는 재료를 사용할 수 있다.

[화학식 1]

s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]

여기서,

[P]는 산화납[PbO, PbO₂, Pb₃O₄]이고,

[N]은 산화나이오비움[Nb₂O₅]이고,

[T]는 산화티탄[TiO₂]이고,

상기 화학식 1에서,

0.4≤x≤0.8이고,

0.0001≤y≤0.4이고,

0.0001≤z≤0.4이고,

0.0001≤p≤0.4이고,

0.0001≤s≤0.4이다.

여기서, L은 첨가제로서 상기 범위에서 첨가됨으로써 유전율을 낮추고, 초전 특성을 올리며, 온도 안정성 등을 향상시킨다.

상기한 초전 재료는 단결정으로 성장시켜 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 결정의 배향을 <111>로 하는 경우 초전 재료가 매우 우수한 성능을 갖고, 센서의 응답 속도 및 노이즈 수준이 크게 개선된다. 아울러, 상기 초전 재료의 배향을 <001>로 한 경우에도 우수한 응답 속도 및 노이즈 특성을 얻을 수 있다.

한편, 초전 소자(70)는 그 자체로는 매우 작은 크기의 전하를 발생시키므로, 이를 증폭하기 위해 추가적인 회로가 결합될 수 있으며, 이에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초적 적외선 센서의 등가 회로도를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 회로는 도 2의 기판(30) 상에 배치되며, 초전 소자(70)는 2개의 초전 재료(72, 74)를 포함할 수 있다. 이때, 두 개의 초전 재료(72, 74)를 서로 반대의 배향으로 부착함으로써, 적외선 감지에 의한 전하 발생이 증폭될 수 있다.

각각의 초전 재료(72, 74)는 높은 값의 저항(92, 94)의 양단에 접속된다. 이에 의해, 미약한 전하가 발생하여 낮은 전류가 흐르더라도 저항(92)에 의해 큰 전압이 발생할 수 있고, 이에 의해 적외선 감지 여부가 용이하게 감지될 수 있다.

초전 재료(72)와 저항(92)의 일단은 트랜지스터(80)의 게이트 단자에 접속된다. 이로써, 적외선 입사 시에 초전 재료(72)에 의해 발생한 작은 전하는 저항(92)에 의해 큰 값의 전압으로 변환되고, 이는 다시 트랜지스터(80)의 증폭을 거쳐 외부 회로에서 사용하기에 적절한 신호로 변환되어 출력되는 것이다.

위와 같은 구성의 초전 적외선 센서는 적외선에 대한 응답 속도가 빠르고 우수한 노이즈 특성을 갖는다. 따라서, 엘리베이터 앞, 복도, 화장실, 창고, 계단 등의 경보장치로 활용될 수 있으며, 나아가 각종 첨단 기기의 센서로서도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 위와 같은 본 발명의 초전 센서는 밀리미터 웨이브 센서로 이용될 수도 있다. 상기한 초전 재료는 밀리미터 웨이브를 감지한 경우에도 적외선 감지의 경우와 유사한 방식으로 전하를 발생하므로, 역시 우수한 성능의 센서를 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 실시예를 들어 기술할 것이나, 이하에서 예시될 실시예가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

도 1 내지 도 3의 구성에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 초전 센서를 구현하였다. 이때, 하우징으로는 TO39 하우징을 사용하고, 트랜지스터로서는 JFET를 사용하였다. 초전재료는 InO-MnO-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ 단결정을 사용하였고, 각 성분의 함량은 InO, MnO, Pb(Mg₁ _/3Nb₂ _/3)O₃, PbTiO₃ 각각 4.72 mol%, 0.94 mol%, 29.25 mol%, 65.09 mol%이며, 배향은 <111>을 사용하였다. 여기서, 하우징의 개구의 크기는 5.0 mm²,초전 재료의 크기는 2.0 X 2.0 mm², 2개의 저항(92, 94)의 크기는 각각 33 GΩ을 사용하였다.

실시예 2

도 1 내지 도 3의 구성에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 초전 센서를 구현하였다. 이때, 하우징으로는 TO39 하우징을 사용하고, 트랜지스터로서는 JFET를 사용하였다. 초전재료는 LiTaO₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ 단결정을 사용하였고, 각 성분의 함량은 LiTaO₃, Pb(Mg₁ _/3Nb₂ _/3)O₃, PbTiO₃ 각각 2.91 mol%, 30.10 mol%, 66.99 mol%이며, 배향은 <111>을 사용하였다. 여기서, 하우징의 개구의 크기는 5.0 mm²,초전 재료의 크기는 2.0 X 2.0 mm², 2개의 저항(92, 94)의 크기는 각각 33 GΩ을 사용하였다.

실험예

상기 실시예 1 내지 실시예 3의 초전 적외선 센서에 대해 전압 응답성, 노이즈 밀도 및 감도를 측정하였으며, 그 결과는 아래 표 1과 같다.

	실시예 1	실시예 2
전압 응답성(rms) [500K, 10Hz, 25℃, 개구 없는 경우]	175 V/W	171 V/W
전압 응답성(rms) [500K, 10Hz, 25℃, 개구 있는 경우]	10 V/W	9 V/W
노이즈 밀도(rms) [10Hz, BW 1Hz, 25℃]	85 nV/(sqrt[Hz])	83 nV/(sqrt[Hz])
감도(detectivity) [500K, 10Hz, BW 1Hz, 25℃]	7.3*10⁸ cm(sqrt[Hz])/W	6.0*10⁸ cm(sqrt[Hz])/W

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3의 초전 센서의 노이즈 밀도는 종래 센서의 노이즈 밀도 50μV/(sqrt[Hz])에 비해 현저히 개선된 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 주파수 응답성(fequency responsivity)을 측정한 결과, 1Hz에서 100%의 값을 가져 종래의 센서에 비해 10배 이상 개선된 값을 얻을 수 있었다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

적외선의 입사에 의해 전하를 발생시키는 초전 소자를 포함하되,
상기 초전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 초전 재료를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전 적외선 센서.
[화학식 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
여기서,
[P]는 산화납[PbO, PbO₂, Pb₃O₄]이고,
[M]은 산화마그네슘[MgO], 산화아연[ZnO] 또는 산화지르코늄[ZrO₂]이고,
[N]은 산화나이오비움[Nb₂O₅]이고,
[T]는 산화티탄[TiO₂]이고,
[L]은 리튬, 백금, 금, 은, 팔라디움, 로디움, 인디움, 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 망간, 구리, 이트리움, 이터비움, 나이오븀, 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속, 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 탄산염이며,
상기 화학식 1에서,
0.4≤x≤0.8이고,
0.0001≤y≤0.4이고,
0.0001≤z≤0.4이고,
0.0001≤p≤0.4이고,
0.0001≤s≤0.4이다.
제1항에 있어서,
상기 초전 재료는 단결정인 것을 특징으로 하는 초전 적외선 센서.
제1항에 있어서,
상기 초전 소자에 접속된 저항 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전 적외선 센서.
제3항에 있어서,
전계 효과 트랜지스터를 더 포함하며,
상기 전계 효과 트랜지스터의 게이트는 상기 초전 소자 및 상기 저항 소자에 접속된 것을 특징으로 하는 초전 적외선 센서.
제2항에 있어서,
상기 초전 재료는 <111> 배향의 단결정인 것을 특징으로 하는 초전 적외선 센서.
제2항에 있어서,
상기 초전 재료는 <001> 배향의 단결정인 것을 특징으로 하는 초전 적외선 센서.
밀리미터 웨이브의 입사에 의해 전하를 발생시키는 초전 소자를 포함하되,
상기 초전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 초전 재료를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전 밀리미터 웨이브 센서.
[화학식 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
여기서,
[P]는 산화납[PbO, PbO₂, Pb₃O₄]이고,
[M]은 산화마그네슘[MgO], 산화아연[ZnO] 또는 산화지르코늄[ZrO₂]이고,
[N]은 산화나이오비움[Nb₂O₅]이고,
[T]는 산화티탄[TiO₂]이고,
[L]은 리튬, 백금, 금, 은, 팔라디움, 로디움, 인디움, 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 망간, 구리, 이트리움, 이터비움, 나이오븀, 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속, 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 탄산염이며,
상기 화학식 1에서,
0.4≤x≤0.8이고,
0.0001≤y≤0.4이고,
0.0001≤z≤0.4이고,
0.0001≤p≤0.4이고,
0.0001≤s≤0.4이다.
제1항 내지 제6항 중 선택되는 어느 한 항의 초전 적외선 센서를 포함하는 전력선 안전 감시 시스템.
제1항 내지 제6항 중 선택되는 어느 한 항의 초전 적외선 센서를 포함하는 가정용 또는 개인용 전자기기.
제1항 내지 제6항 중 선택되는 어느 한 항의 초전 적외선 센서를 포함하는 자동차.
제1항 내지 제6항 중 선택되는 어느 한 항의 초전 적외선 센서를 포함하는 이동 통신 기기.
제1항 내지 제6항 중 선택되는 어느 한 항의 초전 적외선 센서를 포함하는 초음파 기기.