KSEA-CHI Open Seminar 적외선이미지센서의개발현황 2015. 2.13 KAIST 전기및전자공학과 이희철
자동차야간운전시의시야 w/o IR camera with IR camera 2
자동차 Night Vision 차량전면에설치된적외선카메라 출처 : BMW 홈페이지 3
차례 적외선감지소자소개 적외선센서의동작원리적외선센서의활용및발전단계 냉각형적외선이미지센서 냉각형반도체적외선센서의종류와원리 HgCdTe 감지소자발전추세및개발현황 비냉각형적외선이미지센서 비냉각형적외선센서의구조및원리 볼로미터발전추세및개발현황 미래의적외선카메라 현재의적외선카메라제작단계및가격구성 적외선카메라의미래상 4
적외선감지소자소개 5
적외선이란? 붉은색보다파장이길고밀리미터파보다파장이짧은빛 0.75um ~ 1000um 가시광선 SWIR 0.4~0.75um 1~3um MWIR LWIR 3~5um 8~14um 6
적외선센서의동작원리 (I) 1E23 IR Exitance [W / cm 2 - m] 1E21 1E19 1E17 6000K 800K 복사에너지 300K 1E15 0.1 1 10 100 Wavelength [ m] 최대복사에너지 30 의지상물체 (300K) 원적외선영역 (8~12μm) 에존재 제트엔진의배기화염 (800K) 중적외선영역 (3~5μm) 에존재 적외선의대기투과특성 표적에서방출하는적외선 복사에너지를감지 적외선센서 7
적외선센서의동작원리 (II) 가시광선정보 적외선정보 적외선카메라 구분가시광선카메라적외선카메라동작원리물체에서반사되는가시광선감지물체에서방사되는적외선감지광원필요함필요없음사용파장대역 0.3 ~ 0.7 m 1 ~ 12 m 8
적외선센서의활용 (I) 군용 의료용 IR Surveillance, IR Seeker, 야시장비등방위산업분야에폭넓게응용 유방암, 류마티스, 지방간, 수족냉증등다양한질병의조기진단및한방체열진단이가능 9
적외선센서의활용 (II) 산업용 전력선누전, 반도체칩비파괴검사, 건물안전진단등과같은산업시설및장비의상태점검 기타 범죄예방, 소방, 천체관측, 기상예보및차량안전등다양한분야에서활용 10
적외선센서의비교 원리 Photon Detector 빛에의해생성된전자를신호로바꿈 Thermal Detector 적외선에의한온도변화를감지하여신호로바꿈 Membrane h >E g E g IR T Substrate 동작온도 냉각 (10K~200K) 상온 (~300K) 속도 빠름 (~ 수천 frame) 느림 (~60 frame) 감지도 높음 (~10 10 cm Hz 1/2 / W) 낮음 (~10 8 cm Hz 1/2 / W) 휴대성 냉각기가별도로필요 소형, 경량 가격 높음 비교적저가 제작물질 HgCdTe, InSb, InGaAs, VO x, a-si, Ti, BST, 11
적외선센서의파장별종류 12
적외선센서개발국현황 프랑스 -냉각형 (HgCdTe,QWIP) Sofradir,Thales -비냉각형(a-Si) Ulis 미국 -냉각형 (HgCdTe,InSb,QWIP) Raytheon, FLIR, TS&I, L-3 Cincinnati electronics(ce) -비냉각형(VO x ) Raytheon,DRS,FLIR, L-3 CE, BAE systems 영국 -냉각형 (HgCdTe,InSb,QWIP) BAE systems, Qinetiq 이스라엘 -냉각형 (HgCdTe,InSb) SCD -비냉각형(VO x ) SCD 13
적외선센서의발전단계 1 세대 (~70 년대 ): 단소자및 소형 1 차원배열 스캐너를사용한영상취득 3 세대 (~ 현재 ): 2 차원 staring array 스캐너가필요없으므로크기가작으면서도고속, 고성능의시스템구현 2 세대 (~90 년대초 ): 1 차원배열, Time Delay Integration 신호취득회로의 multiplexer 를통해전자적으로 scan 4 세대 Multicolor detection Room-temperature operation 14
냉각형적외선이미지센서 15
냉각형적외선카메라 Cold shield Hermetic sealing 전극 Vacuum Sealing IR Window Getter inside Stirring Cooler FPA(IR sensor, ROIC)
냉각형적외선센서의구조 : Hybrid Chip HgCdTe Detector Array Infrared focal plane array IR Silicon ROIC (Readout Integrated Circuit) IR photons Detector array Indium Bump Interconnection Si Si readout circuit 적외선감지소자에서나오는광전류를영상처리에적합한신호형태로변환 17
냉각형적외선센서의종류와원리 적외선흡수원리에따라 Intrinsic, Extrinsic, QWIP로구분 Photon에의해생성된 carrier들이신호로변환 빠르고높은감지능력을가짐 적외선감지를위해서는열잡음억제가필요 소자의동작을위한냉각이필수적 h >E a Conduction Band E a E well h >E g E g Valence Band h >E well Intrinsic absorption : HgCdTe, InSb, PbTe... Extrinsic absorption : Ge:Cu, Ge:Hg, Si:In.. Quantum Well : AlGaAs, InGaAs 계열 18
냉각형적외선센서의구조 Photoconductive type 외부에서전기장을가하여적외선에의해발생한전도도의변화를관측 bias 전압인가단소자제작에많이이용됨 Photovoltaic type p-n 접합에서발생하는내부 전기장으로적외선에의해발생한전하를광전류 (I ph ) 로변환 bias 전압미인가 평면구조 - 고집적화에유리 Metal pad IR Metal pad 광흡수층전기장 I Illuminated Dark V IR n Metal pad I ph p 보호막 I open circuit voltage V di dv = 1 R D Dark current short circuit current 19
HgCdTe: 대표적냉각형적외선감지물질 냉각형적외선감지소자의대표적인재료로사용되는반도체물질 장점 Tunable bandgap : Hg/Cd의조성비에따라 1~30 m 범위의적외선을감지하도록자유로이조절가능빠른반응속도높은 Quantum efficiency와 Detectivity 다양한 heterostructure의적용으로동작온도를높일수도있음 단점 기판성장과정이여타 III-V 족반도체에비해복잡 : 대면적기판의가격이매우높음 20
HgCdTe 적외선센서의개발추세 (1) 픽셀수의증가 # of pixels per array 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 1 세대 (~70 년대 ) : 단소자및단소자가집합된소형 1 차원배열 3 세대 (~ 현재 ) : 대면적 2 차원배열 2 세대 (~90 년대초 ) : 신호취득회로가구현된선형배열 10 3 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Year Ref : A. Rogalski, recent progress in infrared detector technologies, Infrared Physics & Technology, 54 (2011), 136 21
HgCdTe 적외선센서의개발추세 (2) 단위소자의크기 Diffraction limit 에이르기까지소자의크기가줄어듬 Pixel pitch(um) 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 128x128 2D arrays Pitch evolution (at production level) 320x256 640x480 640x480 1024x1024 4096x4096 0 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Year Diffraction 에의한 blur 의크기 : d differaction = 2.44 F/# d MWIR ~ 15 m d LWIR ~ 30 m (F/#=1.2) 22
냉각형적외선센서의기술개발동향 23
HgCdTe Infrared Detectors - 미국 TS&I 사는 MBE 기술을바탕으로 대면적 IRFPA 를제작 HAWAII-4RG SWIR detector 세계최대크기의 HgCdTe 적외선감지 IRFPA 10um or 15um pitch 의 4096x4096 IRFPA 4 개결합하여 8192x8192 영상을 얻을수있음 - H4RG-10 감지소자로얻은천체관측사진 Raytheon 사는 Si 기판위에 MBE 로 HgCdTe 를성장하는기술을이용하여대면적 IRFPA 를제작 15 m pitch 를갖는 2048x2048 배열제작 4k x 4k SWIR FPA (Model: H4RG-10) 2k x 2k SW/MWIR FPA (Model: Virgo 2k) (2k x 2k)X16 FPAs Ref 1. http://www.teledyne-si.com/imaging/hawaii4rg.html 2. Peter J. Love et al,optical and Infrared Detectors for Astronomy, Proc. of SPIE Vol. 5499, 68
HgCdTe Infrared Detectors - 프랑스 Sofradir 는 HgCdTe 감지소자에서가장앞선기술을바탕으로 23 가지의다양한소자를발표하고있음 MWIR 감지소자 15um pitch 의 1280x1024 감지 IRFPA NETD 18mK LWIR 감지소자 15 m pitch 의 640x512 감지 IRFPA NETD 24mK(F/2, 210Hz) (Model: JUPITER-MW ) SWIR 감지소자 30um pitch의 1000x256 감지 IRFPA (Model: SCORPIO-LW ) (Model: SATURN-SW ) Ref : http://www.sofradir-ec.com/products-cooled.asp 25
HgCdTe Infrared Detectors 한국 (i3system) i3 system 은 HgCdTe 및 InSb 를이용한적외선카메라를생산하고있으며, 현재대한민국국방체계에적용되고있음 30um pitch의 320x256 MWIR InSb detector & dewar assembly NETD < 20mK Pixel Operability : > 99.5 % FPA Operating Temp. : < 85K InSb IRFPA 20um pitch 의 640x512 MWIR InSb detector & dewar assembly NETD < 20mK Pixel Operability : > 99.5 % FPA Operating Temp. : < 85K Dewar Assembly for IRFPA Ref : https://www.scd.co.il/dynamic-web.aspx?page_id =15&parent_id=0&pgnm=Detectors 26
비냉각형적외선이미지센서 27
비냉각형적외선센서의구조 비냉각형적외선카메라 Optics ( 렌즈 ) 적외선센서 영상신호처리 board 적외선센서어레이진공패키징 적외선센서 ( 볼로미터 ) 어레이 (Courtesy: ULIS) 볼로미터단위픽셀 28
볼로미터동작원리 입사된적외선이 absorber 에의해흡수됨 Absorber & Sensitive layer Supporter & electrical path Infrared radiation 적외선흡수에의해 sensitive layer 의온도변화 Current ROIC metal pad ROIC Reflector sensitive layer 내의적외선감지물질의저항변화 저항변화를 ROIC (Read-Out IC) 를통해읽어드림 29
볼로미터발전추세 80 년대 MEMS 기술의 도입으로비약적으로발전 MEMS-based Two-level microbolometer demo. MEMS-based one-level Prototype sensor ( 100um x 100um) 240 x 336 array 50um x 50um NETD: 39mK (f/1, 30Hz) 320 x 240 array 25um x 25um NETD: 50mK (f/1, 30Hz) 640 x 480 array 17um x 17um NETD: 50mK (f/1, 30Hz) Automobile The first bolometer (Platinum strips) Large size (1mm x 1mm ) Medical Industrial 1880 1978 1979 1982 1992 2001 2011 30
해외볼로미터적외선감지소자개발현황 고성능볼로미터주요공급처 : FLIR, L-3, BAE, DRS ( 미국 ), ULIS ( 프랑스 ) 그외의공급처 : Raytheon ( 미국 ), NEC, Mitubishi ( 일본 ), SCD ( 이스라엘 ) Company FLIR ( 미국 ) Raytheon ( 미국 ) Materials Array format Pitch NETD Spectral response VOx 640 x 480 17 m <50 mk LWIR VOx 640 x 480 25 m <50 mk LWIR L-3 ( 미국 ) VOx 640 x 480 25 m 40~70 mk LWIR Ulis ( 프랑스 ) a-si 640 x 480 17 m <55 mk LWIR SCD ( 이스라엘 ) NEC ( 일본 ) VOx: Vanadium oxide a-si: amorphous silicon VOx 640 x 480 17 m <50 mk LWIR VOx 320 x 240 23.5 m 75 mk LWIR 31 at production level, F/1.0, 300K, 30Hz
마이크로볼로미터 - 미국 FLIR 사는 VOx 를이용한 17um 와 25um pitch 의비냉각볼로미터와이를이용한열영상카메라를생산 L-3 CE 사는 VOx 를이용한 25um, 37.5um pitch 의비냉각볼로미터를생산 640x480 열영상카메라및열영상 (Model: Tau 2) Array: 640x480 Pitch : 17um Materia l: VOx NETD: <50mK at f/1.0 Array: 640x480 Pitch : 25um Material: VOx 640x480 array 및열영상 (Model: ITC-2210) NETD: 40~70mK at f/1.0 Ref : http://www.flir.com/cvs/cores/view/?id=51981 http://www.cinele.com/irvox.html 32
마이크로볼로미터 - 프랑스 ULIS 사는 a-si (amorphous silicon) 기반의 17um~35um pitch 를갖는 비냉각볼로미터를생산 640x480 array package (Model: Pico640E) Array: 640x480 Pitch : 17um Material: a-si NETD: <55mK ( at f/1.0 ) Array: 640x480 Pitch : 25um 640x480 array package (Model: Nano640E) Material: a-si NETD: <50mK ( at f/1.0, 60Hz ) Package metallic ceramic wafer level ( 개발중 ) Cost reduction Ref : http://www.ulis-ir.com/index.php?infrared-detector=documentation 33
마이크로볼로미터 한국 (i3system) I3system 사는 Titanium oxide 기반의 25um pitch 비냉각볼로미터를생산 Array: 640x480 Pitch : 25um 384x288 array package Material: TiO 2 NETD: < 50mK ( at f/1.0 ) Operability : > 90% 소총에서사격시발생하는충격에대응하기위하여고내구성과고내충격성을고려하여개발된제품 Image of the microbolometer (i3system) Ref : http://www.ulis-ir.com/index.php?infrared-detector=documentation 34
미래의적외선카메라 35
현재의적외선카메라제작단계 신호취득회로 (CMOS IC) 제작 신호취득회로상에적외선센서제작 온도안정화장치 (TEC) 를포함, 진공패키징으로센서모듈완성 컨트롤보드, 광학계를조립
현재의적외선카메라가격구성 적외선센서, 신호취득회로 (30%) 진공패키징 (15%) ( 온도안정화장치 (TEC) 포함 ) 컨트롤보드 (25%) (ADC/FPGA(DSP) 로구성 ) 적외선광학계 (30%) 센서 / 신호취득회로 /ADC 의 One chip 화, FPGA(DSP) 의 ASIC 화및 wafer level 진공패키징과더불어적외선광학계의제작비용을절감하는방식으로원적외선카메라의저가격화실현이가능해보임
적외선카메라의최근연구동향 소형화저가격화저전력화 크기 : 현재의캠코더 모듈 ( 패키지 ) 과신호처리보드로인한큰부피 가격 : 300~400 만원 패키지비용이카메라가격의큰비중차지 전력소모 : ~5W 온도안정화장치 (TEC) 가전력소모의절반이상차지 모듈및신호처리보드의소형화필요 패키지비용감소필요 온도안정화장치의제거필요 기존카메라와차별된제작방법혁신이필요 38
적외선카메라의미래상 Present Handheld Type IR Camera Near Future Small Size IR Camera Future Our target 크기 : 일반캠코더와유사 연삭가공게르마늄렌즈 다수의보드로이루어진영상처리컨트롤러 출처 : FLIR 사 (model : Quark) 크기 : ~ 1cm 2 SiP * Type IR Camera * SiP: System-in-Package 손톱만한크기의적외선카메라칩으로발전 39