ICT신기술

정보통신기획평가원 13

*

정용택

한국특허전략개발원 전문위원

I. 서론

1800년대에 윌리엄 허셀(William Herschel)이 프리즘을 이용해서 가시광선 온도를 측정하는

실험을 시도하였다. 예상과는 달리 빛이 없는 영역에서의 온도가 실온보다 높은 것을 발견하였으며,

허셀은 눈에 보이지는 않지만 어떤 형태의 전자기파가 존재한다는 사실을 처음 발견하였는데, 이것

이 적외선을 최초로 발견한 실험이었다[1]. 그 이후로 여러 연구자들에 의해 모든 물체는 적외선을

발산한다는 사실이 밝혀졌고, 적외선이 물체의 온도와 관련되어 있다는 이론적인 연구들이 슈테판

(Stefan)과 빈(Wien), 그리고 볼쯔만(Boltzmann) 등을 거쳐 1900년에 맥스 플랑크(Max Planck)

에 의해 파장과 온도의 함수로 된 복사법칙(Radiation Equation)으로 완성되었다. 물체에서 복사하

는 전자기파의 파장이 짧으면 에너지가 높기 때문에 물체의 온도는 높으며, 물체에서 복사하는 파장

이 길면 에너지가 낮기 때문에 물체의 온도는 낮다. 이러한 사실로부터 적외선 센서는 주로 온도

측정용으로 사용이 되었다.

전자기파 스펙트럼에서 적외선은 [그림 1]과 같이 0.75㎛에서 1,000㎛ 파장 영역에 해당되며,

적외선의 응용 목적에 따라 0.75~1.4㎛ 대역의 근적외선(Near InfraRed: NIR), 1.4~3.0㎛ 대역의

* 본 내용은 정용택 전문위원(☎ 02-3475-1318, iotsensor@naver.com)에게 문의하시기 바랍니다.

** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

적외선 센서의 최신 기술 동향

정용택, “적외선 센서의 최신 기술동향,” 홍릉과학출판사, 2014. p.3.

[그림 1] 전자기파에서의 적외선 영역

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단적외선(Short Wavelength InfraRed: SWIR), 3.0~8.0㎛ 대역의 중적외선(Middle Wavelength

InfraRed: MWIR), 8.0~14㎛ 대역의 원적외선(Long Wavelength InfraRed: LWIR), 그리고

15㎛ 보다 긴 파장 대역의 극적외선(Far InfraRed: FIR) 등 5개 영역으로 구분할 수 있다. NIR과

SWIR 영역은 매우 높은 고온 영역에 해당하며, 1,000℃ 이상의 온도 측정에 사용되며, 영상 획득

을 할 때에는 반사되어 온 적외선을 이용하기 때문에 반사형 적외선(Reflected InfraRed)이라 한

다. 그리고 MWIR과 SWIR은 상온에서부터 1000℃ 이하의 온도 측정에 사용되며, 영상 획득을

할 때에는 물체의 온도에 의해 스스로 복사하는 적외선을 이용하기 때문에 열형 적외선(Thermal

InfraRed)이라 한다.

현재까지 개발된 적외선(또는 온도) 센서는 [표 1]과 같이 요약할 수 있다. 크게 양자형(Quantum

Type)과 열형(Thermal Type) 두 종류로 구분한다. 양자형은 반도체 재료의 광전도(Photoconductive)

현상을 이용한 것이며, 양자 효율이 우수하고 매우 낮은 온도에서 동작하므로 열적 잡음이 작아

탐지도(detectivity) 및 잡음온도분해능(Noise Equivalent Temperature Difference: NETD)

특성이 매우 우수하다. 그러나 에너지갭에 따라 적외선에 반응하는 영역이 정해져 있으며, 동작온도

가 액체질소(77K) 온도 근처이며, 이를 위해 반드시 진공을 유지해야 하는 단점이 있다. 특히,

Hg1-xCxdTe(MCT)는 HgTe와 CdTe의 조성 비율인 x에 따라 감지영역의 조정이 가능하며, 이를

통해 다양한 적외선 영역을 감지할 수 있다. 따라서 이런 재료를 이용해서 만든 열화상 카메라는

가격이 매우 높아 민수용보다는 군사용으로 주로 사용된다. 열형은 온도에 따른 재료의 물리적인

[표 1] 전통적인 적외선 센서 재료

양자형 열형

종류 센서재료 사용영역 종류 센서재료 사용영역

내인성

PV

HgCdTe SWIR, MWIR, LWIR

볼로미터

V2O5

LWIR

Si, Ge NIR Poly-SiGe

InGaAs NIR, SWIR Poly-Si

InSb, InAsSb MWIR α-Si

PCHgCdTe SWIR, MWIR, LWIR 서모파일 Bi/Sb

PbS, PbSe MWIR초전체

LiTa

외인성 Si:X NIR PbZT

양자우물 GaAs/AlGaAs LWIR 강유전체 BST

광전자 방출 PtSi LWIR 미세 캔틸레버 바이메탈

정용택, “센서원리 및 응용기술”, 진샘미디어, 2017. p.100.

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변화를 이용한 것이다. 대표적으로 온도에 따라 재료의 저항이 변하는 원리를 이용한 것이 볼로미터

(Bolometer)이며, 온도에 따라 재료 내의 분극(Polarization)의 변화를 이용한 것이 초전체

(Pyroelectrics)와 강유전체(Rerroelectrics) 센서이며, 온도에 따라 기전력의 변화를 이용한 것이 서

모파일(Thermopile) 센서이며, 온도에 따라 길이의 변화를 이용한 것이 바이메탈(Bimetal) 센서이

다. 열형 센서는 대부분 상온에서 동작하기 때문에 냉각을 위한 진공이 필요 없어 센서 가격이 저렴

하다. 그러나 상온의 온도 때문에 기본적인 열적 잡음이 높아 신호 대 잡음비(S/N)가 냉각형인

양자형에 비해 떨어진다. 이런 이유로 열형 센서는 민수용으로 주로 사용된다[2]. 본 고에서는 이러

한 양자형 센서와 열형 센서의 최신 연구개발 동향에 대해 살펴보았다.

II. 양자형 적외선 센서의 기술 동향

이전의 양자형 센서의 연구방향은 주로 고화소를 구현하기 위해 픽셀 피치(Pixel Pitch)를 줄이는

방향으로 연구가 진행되었다. 그러나 십여년 전에 이미 100만 화소 이상의 영상을 얻을 수 있는

고화소 기술이 개발 완료된 이후로는 에너지 밴드의 특성을 이용한 다중컬러(Multi-Color) 구현과

냉각을 위한 비용을 절감하기 위해 동작온도를 높일 수 있는 방향으로 진행되고 있다. 현재 양자형

센서로 많은 연구가 진행되고 있는 재료는 HgCdTe, InSb, InGaAs, GaAs/AlGaAs 양자우물

적외선 광전도소자(Quantum Well Infrared Photoconductors: QWIP), Type-Ⅱ 초격자

(Superlattice) 등이다.

1. HgCdTe 기술 동향

HgCdTe는 가장 오랫동안 연구되어 온 센서 재료이며, 군사용으로 사용되는 열화상 카메라의

상당 부분을 차지하고 있다. HgTe의 에너지갭은 (-)이며, CdTe는 1.6 eV이기 때문에 이 두 물질

의 조성을 조절하면 에너지갭을 연속적으로 변화시킬 수 있는 장점이 있다. 초기에는 HgCdTe를

벌크(Bulk)로 성장시키는 결정(Bulk) 성장법이 연구되었으나, 소자로 만들기 위해 슬라이스하는

과정에서 손실되는 부분이 너무 많아 박막 성장 기술로 변경되었다. 박막 성장 기술 중에서 LPE

(Liquid Phase Epitaxy) 방법이 가장 성숙된 기술이며, 보다 낮은 온도에서 박막을 성장시키기

위해 MBE(Molecular Beam Epitaxy)와 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)

등이 연구되었다. MOCVD는 약 350℃ 근처의 온도에서 성장시켜야 하므로 p형의 도핑 제어가

어려운 것이 단점인 반면, MBE는 200℃ 이하의 온도에서 성장이 가능하기 때문에 도핑 제어가

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용이하여 초격자 구조 등 다양한 형태의 소자 제작이 가능한 장점이 있어 최근에는 MBE를 이용하

여 다양한 형태의 소자를 연구 개발하고 있다.

사파이어 기판 위에 CdZnTe 버퍼층을 이용한 LWIR용과 MWIR용 박막 성장 기술은 한동안

표준으로 되었다. 그러나 CdZnTe와 Si ROIC 회로 사이의 열팽창계수 차이로 인해 기판의 크기가

약 60cm2까지로 제한되는 단점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 가격이 상대적으로 저렴

한 Si 기판을 사용하는 것에 대해 오랫동안 연구가 진행되었다. 비용적인 측면에서 Si이 CdZnTe에

비해 매우 저렴하며 Si ROIC와의 열팽창계수 문제도 해결할 수 있기 때문이다. Si과 CdTe 사이에

약 19% 정도의 큰 격자 불일치가 있음에도 불구하고, MBE로 MWIR용 HgCdTe/CdTe/Si 박막

을 성장시키는 데에는 문제가 없으나, LWIR용으로는 큰 격자 불일치 문제 때문에 여전히 Si 기판을

사용하는 것에는 제약이 있다. Raytheon Vision System(RVS)에서 최근 [그림 2]와 같이 6인치

Si 웨이퍼 위에 20㎛ 픽셀 크기의 HgCdTe/Si를 4k×4k 배열의 픽셀이 99.9% 이상 동작하는

것을 구현하였는데, 이것은 10㎛ 픽셀 피치의 8k×8k 배열과 동일한 크기이다. NETD는 80K의

동작온도에서 20mK 이하의 성능을 보였다[3].

적외선 센서를 개발하는 연구자들의 주된 연구 방향 중의 하나는 비용을 획기적으로 줄일 수

있도록 하기 위해 보다 높은 동작온도에서도 액체질소의 동작온도에서와 동일한 성능을 나타내는

센서를 개발하는 것이다. 이렇게 구현이 가능한 구조 중의 하나가 바로 p-i-n 포토다이오드이다.

이의 구현을 위해 p-on-n HgCdTe 이중층(Double Layer) 포토다이오드에 대해 연구가 진행

A. Rogalski, “Next dacade in infrared detectors,“ Proc. SPIE 10433, Electro-Optical and Infrared Systems: Technology and Applications XIV, 104330L, 2017. p.17.

[그림 2] 6인치 직경의 HgCdTe/Si 웨이퍼

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중에 있으며, Kinch와 같은 연구자는 가까운 미래에 상온에서 동작하는 MWIR과 LWIR용 HgCdTe

포토다이오드가 개발될 것으로 예측하고 있다[4].

2. InSb 기술 동향

InSb 포토다이오드는 HgCdTe 다음으로 오랫동안 연구되어 온 재료이다. 이것도 HgCdTe와

마찬가지로 액체질소 온도에서 동작하며, MWIR 영역에서 가장 좋은 효율을 가지는 소자이다.

1980년대 중반에 58×62 배열을 가지는 소자가 최초로 만들어진 이후, 현재는 8192×8192 배열

을 갖는 센서가 개발되었다[5]. InSb 소자는 HgCdTe에 비해 대면적을 만드는 기술이 훨씬 더

성숙되어 있으며, 현재 6인치 직경의 웨이퍼를 상용으로 구입이 가능하다. 1993년에 Santa

Barbara Research Center(SBRC)에서 100만 화소 이상을 가진 ALADDIN 소자를 처음으로

개발한 이후로, 여러 회사에서 고화소 배열의 InSb 센서를 개발하였으며, 대표적인 제조회사로는

L-3 Communications, Santa Barbara Research Center(SBRC), SemiConductor Devices

(SCD), RVS 등이 있다. 최근 SCD에서 10㎛ 픽셀 크기의 300만 화소를 가지는 센서를 출시하였

다. 상용적으로 판매하고 있는 대표적인 InSb의 사양은 [표 2]와 같다. 국내의 I3Systems에서

개발한 InSb는 픽셀피치를 15㎛까지 줄였으며, 화소수는 320×256, 640×512, 1280×1024

등 다양하게 개발하였으며, 이들 센서의 NETD는 20mK 이하로 세계적인 수준의 기술을 보유하고

있다[6].

[표 2] 대표적인 InSb의 사양 비교

변수2048×2048

(RVS)1024×1024

(L-3 communications)1024×1024

(SBRC)1920×1536

(SCD)

픽셀 피치(㎛) 25 25 19.5 10

픽셀 전기용량(electrons)

>3×105 1.1×107 8.1×106 4×106

전력 소모량(mW)

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3. InGaAs 기술 동향

InGaAs 화합물 반도체의 에너지갭은 InAs와 GaAs의 혼합량에 따라 0.35eV(InAs)에서 1.43eV

(GaAs)까지 조절할 수 있다. 이 중에서 In0.53Ga0.47As 합금(Eg=0.73eV)은 격자 구조가 잘 일치하

는 InP 기판 위에 성장시키는 기술이 개발되었으며, SWIR 영역대의 센서로 사용되고 있다. 53:47

의 비율이 기판 재료인 InP와 격자 정합(lattice matched)되는 비율이며, 이 비율에서 암전류가

가장 작고 1.68㎛ 파장까지 감지할 수 있다. 82:18까지 변화시키면 반응하는 파장대역이 약 2.6㎛

까지 넓어지지만, 기판과의 격자 부정합으로 인해 InGaAs 박막의 특성이 떨어져 암전류가 높아지고

픽셀간 불균일성도 증가한다. Sensor Unlimited에서 12.5㎛와 25㎛ 픽셀 크기의 다양한 화소를

가진 배열 센서(1280×1024와 1024×1024 배열)를 개발하였으며[7], 이외에도 FLIR systems,

Teledyne Judson Technologies, XenICs, SCD, Spectrolab, Sofradir, I3systems 등에서 제

품으로 출시하고 있다. 최근 일본의 Sumitomo Electric Industries에서 InGaAs/GaAsSb type-

Ⅱ 양자우물 구조를 이용하여 320×256 어레이를 제작하여, 210K의 동작온도에서 1㎂/㎠ 수준의

암전류 밀도를 제어하여 높은 S/N비를 구현한 논문이 발표되었다. 이 연구에서 디자인한 양자우물

구조는 [그림 3]과 같다[8].

Hiroshi Inada, etc., “Recent development of SWIR focal plane array with InGaAs/GaAsSb type-Ⅱ quantum wells,” Proc. SPIE, Vol. 9819, 2016. p.2.

[그림 3] InGaAs/GaAsSb type II 양자우물 구조의 디자인

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4. 양자우물 기술 동향

HgCdTe는 조성에 따라 측정할 수 있는 적외선 파장 대역을 선택할 수 있으며, 이러한 특성으로

이중컬러 구조의 구현도 쉽게 할 수 있는 장점이 있으나 고화소용으로 제작하기 위해서는 픽셀을

2차원 상에서 많이 구현해야 하는데, 그러기 위해서는 반드시 대면적의 기판이 필요하며 이로 인해

제조 단가가 올라갈 수 밖에 없다. 이를 해결하기 위해 가격이 저렴한 기판인 Si이나 사파이어에

대해 많은 연구를 진행하고 있으나 매우 큰 격자 부정합으로 인한 특성의 열화로 개발이 쉽지 않았

다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 제안된 기술이 에너지 밴드갭 조절이 가능한 양자우물 광전도소

자(Quantum Well Photoconductors: QWIP)와 응력 초격자(Strained-Layer Superlattice:

SLS)이다.

이러한 밴드갭 조절형은 MBE와 MOCVD 기술로 원자층 제어가 가능한 박막성장 기술이 발전하

면서 1980년대 후반부터 연구되기 시작했다. QWIP 기술은 표준 GaAs 공정 기술을 그대로 적용할

수 있으며, 6인치 이상의 GaAs 기판 위에 매우 고른 특성을 가진 픽셀의 제작이 가능하여 고수율

및 저가격 구현이 가능한 장점이 있다. 그러나 QWIP 소자는 양자효율이 10% 정도로 상대적으로

매우 낮으며, 감지하는 파장대역이 매우 좁고, 70K 이하의 동작온도에서 약 LWIR 영역대의 차단파

장을 가지고 있다. 여러 연구기관에서 QWIP에 대해 연구를 진행하고 있으며, 모스크바 연구소에서

최근 LWIR용 픽셀피치 25㎛, 384×288 화소수의 AlGaAs/GaAs 양자우물 구조를 MBE로 성장

시킨 연구 결과를 발표했다. GaAs 기판위에 50Å

두께의 50층 GaAs 양자우물, 450Å 두께의 51

층 barrier층으로 디자인 했으며, 65K의 동작온도

에서 NETD는 20~30mK 정도의 결과를 얻었다.

그러나 동작온도가 70K 정도로 올라가게 되면

NETD가 60mK 정도로 급격히 올라가는 결과를

얻었다. 두 샘플에 대한 동작온도에 따른 NETD의

변화는 [그림 4]와 같다[9]. GaAs/AlGaAs의

QWIP 기술은 GaAs 기판을 이용하여 대면적으

로 성장하는 것은 가능하나 아직은 성능적인 측면

에서 개선되어야 할 부분이 많이 있는 것으로 보

인다.

K.O.Boltar, etc., “Long-wave Infrared Focal Plane Arrays Based on a Quantum-Well AlGaAs/ GaAsStructure with 384×288 Elements,” J. Comm. Technology & Electronics, Vol.63, 2018. p.302.

[그림 4] 동작온도에 따른 NETD의 변화

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5. Type-Ⅱ 초격자 기술 동향

1987년에 Smith와 Mailhiot가 InAs/GaSb T2SL(Type-Ⅱ Superlattice, 2형 초격자) 구조의

적외선 센서를 처음으로 제안하였다[10]. 초격자는 밴드 구조의 차이로 크게 Type I과 Type II로

구분한다. Type I은 양자우물 구조와 동일한 에너지 밴드 구조를 가진 것으로 전자와 정공이 같은

층에 구속된 상태의 구조를 의미한다. 반면, Type II는 간접 밴드갭 구조로 되어 있으며, 전자와

정공이 서로 다른 층에 구속된 상태의 구조이다. 이 중에서 에너지갭이 제로인 구조를 Type III라고

한다. 많은 연구기관에서 100만 화소 이상을 갖는 MWIR과 LWIR용 T2SL 센서를 개발하였으며,

이 중에서 독일의 Fraunhofer 연구소에서 15㎛ 피치 간격의 640×512 화소수를 가지는 LWIR용

InAs/GaSb T2SL을 최근에 발표하였다. 데모용 카메라에서 55K의 동작온도에서 F/2의 광학계를

이용하여 획득한 300K의 배경 영상에서 NETD가 30mK 이하의 매우 좋은 성능을 나타냈으며,

이 값은 LWIR에서는 매우 우수한 값으로 평가된다. [그림 5]는 이 연구소에서 개발한 센서를 이용

하여 획득한 열영상이다. 이렇게 획득한 영상은 HgCdTe와 InSb로 획득한 영상과 비교해도 큰

차이가 없을 정도로 우수하다[11].

6. 다중컬러 기술 동향

열화상 이미지 시스템은 처음에 물체를 감지(detect)한 다음 식별(identify)을 한다. 일반적으로

식별거리는 탐지거리보다 2~3배 정도 짧다. 이 거리를 늘리기 위해서는 시스템의 분해능과 민감도

를 증대해야만 가능하다. 3세대 이후 시스템은 대상물의 탐지 및 식별거리를 개선하는 방향으로

R. Rehm, etc., “Type-II superlattice infrared detector technology at Fraunhofer IAF,” Proc. SPIE 9819, 9819-24, 2016.

[그림 5] 15㎛ 피치의 640×512 InAs/GaSb T2SL의 열영상 샘플

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개발되고 있으며, 이를 위해 다중컬러(Multicolor) 센서기술이 개발되었다. 더 멀리 떨어진 물체를

식별하기 위해서는 다른 파장 대역으로 측정한 영상을 서로 비교함으로써 식별 성능을 향상시킬

수가 있다. MWIR 범위에서의 인식거리는 LWIR 대역 탐지거리의 약 70% 수준이다. 따라서 탐지

목적으로는 LWIR 열화상이 MWIR 열화상보다 더 멀리 떨어져 있는 물체에 대한 정보를 제공한다.

이를 위해 HgCdTe 포토다이오드뿐만 아니라 QWIP와 T2SL 기술로 다중컬러를 구현하고 있다.

2005년에 InAs/GaSb 초격자 구조를 이용한 이중컬러 센서를 이용한 카메라를 독일 회사인 AIM

Infrarot-Module GmbH에서 세계 최초로 소개하였다[12]. 그 이후 Northwestern University 연구

그룹에서 T2SL 구조에서 MWIR과 LWIR을 선택적으로 사용할 수 있는 다중컬러 센서를 소개하였

다. MWIR에서는 160K의 동작온도에서 5.2㎛의 차단파장을 가지며, LWIR에서는 77K의 동작온

도에서 11.2㎛의 차단파장을 나타내었다. 인가하는 전압에 따라 반응대역이 달라지는데, 제로 바이

어스에서는 MWIR용으로 동작하며, 200mV에서는 LWIR용으로 동작하였다. 이 센서의 탐지도

M. Razeghi, etc., “High-performance bias-selectable dual-band mid-/long-wavelength infrared photodetectors and focal plane arrays based on InAs/GaSb type-II superlattices,” Proc. SPIE 8704, 87040S, 2013.

[그림 6] 이중 컬러 센서의 탐지도 특성과 이로부터 획득한 영상 비교

zhiFeng Li, etc., “Multi-band integrated Quantum Well Infrared Photodetectors,” International Conference on Infrared, Milimeter, and Terahertz Waves, Vol.2018, 2018.

[그림 7] 다중컬러 QWIP의 구조(a) 및 구현이 가능한 파장 대역(b)

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특성과 이를 통해 획득한 영상은 [그림 6]과 같다[13].

최근 중국 연구그룹에서 [그림 7]과 같이 GaAs/AlGaAs 양자우물 구조를 이용하여 13.0~15.2㎛

파장대역에서 7개 밴드를 선택할 수 있는 다중컬러 센서를 구현하였다[14]. Northwestern대학의

연구팀에서는 InAs/GaSb/AlSb T2SL에서 바이어스를 조절하여 삼색컬러를 구현한 SWIR/

MWIR/LWIR용 센서를 발표하였다. 이 센서의 구조는 [그림 8]과 같다[15].

III. 열형 적외선 센서의 기술 동향

열형 적외선 센서는 양자형에 비해 제조 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 열화상 카메라에 탑재되

는 열형 적외선 센서 중 마이크로볼로미터는 산화바나듐(Vanadium Oxide: VOx)과 비정질 실리콘

(α-Si, amorphous silicon) 재료로 구현하며, 강유전체로는 티탄산바륨스트론튬(Barium Strontium

Titanate: BST) 재료로 구현되었다. 그러나 BST는 원리적으로 기계적인 쵸퍼(Chopper)의 사용으

로 광량의 50%만 센서로 입사하기 때문에 민감도가 낮다는 것과 기계적인 쵸퍼가 충격에 약하다는

단점으로 인해 2000년대 이후로는 거의 사라지게 되었다. 1990년대 중반부터 비정질 실리콘(α-Si)

을 이용한 카메라 기술이 연구되기 시작하였는데, α-Si의 가장 큰 장점은 실리콘 제조공정을 그대로

사용할 수 있다는 것이다. 그러나 VOx 볼로미터도 실리콘 공정으로 제조가 가능해지면서 2010년

A.M. Hoang, etc., “High performance bias-selectable three-color short-wave/mid-wave/long- wave infrared photodetectors based on type-II InAs/GaSb/AlSb superlattices,” Sci. Rep.6, 24144; doi: 10.1038/srep24144, 2016.

[그림 8] 삼색컬러 T2SL의 구조

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경에는 민수용으로 사용되는 열형 적외선 센서 중 산화바나듐의 마이크로볼로미터(microbolometer,

μ-B)가 95% 이상을 차지하였다.

열형 열화상 카메라의 핵심적인 트레이드오프는 민감도(Sensitivity)와 반응시간(Response

Time)에 있다. 열전도 계수(Thermal Conductance) Gth가 매우 중요한 파라미터인데, NETD가

Gth에 비례한다. 그러나 열적 반응시간인 τth는 열전도 계수에 반비례한다. 즉, 센서의 제조공정의

향상으로 열전도 계수가 좋아지면 민감도는 좋아지지만 반대로 열적 반응시간은 느려지게 된다.

예를 들면, 반응시간을 10ms 이내로 빨리 가져가게 되면 NETD는 30mK 이하로 낮출 수가 없으

며, 반대로 NETD를 20mK 이하로 낮추게 되면 반응속도는 약 15ms로 느려지게 된다. 이렇게

되면 빠른 프레임으로 영상을 볼 수 없는 단점이 생긴다. 현재까지 개발된 가장 큰 μ-B(마이크로볼로

미터)는 Raytheon에서 개발된 17㎛ 픽셀피치의 2048×1536 어레이이다. 이것은 200mm 웨이

퍼에 9개의 2048×1536 어레이 소자가 포함되어 있다[16]. 상온에서 동작하는 μ-B의 NETD는

50~100mK 수준이며, 다양한 회사에서 상용으로 개발된 μ-B의 픽셀 사진은 [그림 9]와 같다[17].

열화상 카메라의 가격을 낮추기 위해서는 광학계의 크기를 줄여야 한다. 이렇게 하기 위해서는

센서의 크기를 줄여야 하는데 그렇게 하기 위해 픽셀피치를 줄이는 방향으로 많은 연구가 진행되고

있다. 대부분 센서의 픽셀 피치는 17~25㎛ 정도이다. 최근 FLIR사의 파트너사인 Raytheon에서

12㎛ 픽셀피치를 구현하였으며, 또한 독일의 Fraunhofer 연구소에서 칩 스케일의 진공 패키징이

가능한 12㎛ 픽셀피치의 센서를 공개하였다. 이 센서의 SEM 이미지 사진은 [그림 10]과 같으며,

(a) BAE의 VOx (b) Ulis의 α-Si (c) DRS의 VOx

(d) Raytheon의 VOx (e) SCD의 VOx (f) L-3 Communications의 α-Si/α-SiGe

A. Rogalski, “Next dacade in infrared detectors,“ Proc. SPIE 10433, Electro-Optical and Infrared Systems: Technology and Applications XIV, 104330L, 2017.

[그림 9] 상용의 볼로미터 디자인

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주간기술동향 2019. 5. 1.

칩 스케일의 진공 패키징 개념도는 [그림 11]과 같다. 이 센서의 NETD는 50mK 이하이며, 코팅

기술을 이용하여 LWIR뿐만 아니라 MWIR 영역에서도 높은 성능을 갖는다[18].

IV. 결론

향후 적외선 센서에 대한 연구 방향은 ➀ 픽셀 민감도의 향상, ➁ 픽셀 피치를 5㎛ 이하까지 줄이면서 화소수를 108개 이상으로 증대, ➂ 센서와 ROIC의 일체화 기술과 동작온도의 상승을 통한 비용 절감, ➃ 다중컬러 센서로 다양한 대역을 동시에 탐지할 수 있는 기능 구현 등으로 진행될 것으로 예측된다. 화소수에 대한 예측은 무어의 법칙(Moore’s Law)에 따라 해마다 급격히 늘어나

고 있는 추세이다. 그러나 100만 화소가 개발이 된 이후에는 시장에서 더 많은 화소 수에 대한

니즈가 그다지 강하지 않은 것으로 판단된다. 최근 VOx를 이용한 마이크로볼로미터 기술의 급격한

발전으로 민수용으로 사용할 수 있는 열화상 카메라의 가격이 획기적으로 낮아지고 있다. 양자형

센서를 전 세계적으로 제작할 수 있는 국가는 미국, 영국, 프랑스, 독일, 이스라엘, 중국, 한국뿐이

며, 제조할 수 있는 회사도 10여개에 불과하다. 이 중에서 미국의 FLIR사가 양자형뿐만 아니라

민수용에서도 전 세계적으로 가장 앞선 기술을 보유하고 있는 회사이다. 현재는 성능이 우수한 양자

형 재료인 HgCdTe와 InSb가 시장에서 가장 많이 사용되고 있지만, 액체질소의 동작온도보다 더

높은 온도에서 동작이 가능한 Ⅲ-Ⅴ족 원소를 이용한 양자우물 구조 또는 T2SL 구조에 대한 연구가

활발히 진행되고 있다. 아울러 그래핀(Graphene), 전이금속 칼로겐화합물(Transition Metal

Dichalcogenides: TMDCs), 탄소 나노튜브(Carbon Nanotubes), 나노와이어(Nanowire), 양자

점(Quantum Dot) 등에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다[19]. 이와 같이 새롭게 연구되고 있는

센서 재료에 대해서는 추후 게재하고자 한다. Kinch가 예견한 바와 같이 가까운 미래에 상온에서

동작하는 양자형 적외선 센서가 시장에 나올 것으로 기대해 본다.

(a) 위에서 본 사진 (b) 경사면의 사진

[그림 10] 12㎛ 피치의 마이크로볼로미터 SEM 사진 [그림 11] 칩 스케일의 진공 패키징 개념도

ICT신기술

정보통신기획평가원 25

[ 참고문헌 ]

[1] Illustration by Vilmos Thernesz based on the original figure in Herschel, W., 1800: “Experiments

on the refrangibility of the invisible rays of the Sun,” Phil. Trans. Roy. Soc. London 90, 284–292.

[2] 정용택, “적외선 센서의 최신 기술동향,” 홍릉과학출판사, 2014.

[3] B. Starr, etc., “RVS large format arrays for astronomy,” Proc. SPIE 9915, 9915-1-14, 2016.

[4] M.A. Kinch, “An infrared journey,” Proc. SPIE 9451, 94512B, 2015.

[5] G. Gershon, etc., “3 Mega-pixel InSb detector with 10 mm pitch,” Proc. SPIE 8704, 870438,

2013.

[6] 아이쓰리시스템(주) 홈페이지, www.i3system.com

[7] R. Fraenkel, etc., “High definition 10㎛ pitch InGaAs detector with asynchronous laser pulse

detection mode,” Proc. SPIE, Vol. 9819, 2016.

[8] Hiroshi Inada, etc., “Recent development of SWIR focal plane array with InGaAs/GaAsSb type-

Ⅱ quantum wells,” Proc. SPIE, Vol. 9819, 2016.

[9] K.O.Boltar, etc., “Long-wave Infrared Focal Plane Arrays Based on a Quantum-Well AlGaAs/

GaAs Structure with 384×288 Elements,” J. Comm. Technology & Electronics, Vol.63, 2018.

[10] D.L. Smith and C. Mailhiot, “Proposal for strained type II superlattice infrared detectors,” J.

Appl. Phys. 62, 2545–2548, 1987.[11] R. Rehm, etc., “Type-II superlattice infrared detector technology at Fraunhofer IAF,” Proc. SPIE

9819, 9819-24, 2016.

[12] R. Rehm, etc., “Type-II superlattices: the Fraunhofer perspective,” Proc. SPIE 7660, 76601G-1–12, 2010.

[13] M. Razeghi, etc., “High-performance bias-selectable dual-band mid-/long-wavelength infrared

photodetectors and focal plane arrays based on InAs/GaSb type-II superlattices,” Proc. SPIE

8704, 87040S, 2013.

[14] zhiFeng Li, etc., “Multi-band integrated Quantum Well Infrared Photodetectors,” International

Conference on Infrared, Milimeter, and Terahertz Waves, Vol.2018, 2018.

[15] A.M. Hoang, etc., “High performance bias-selectable three-color short-wave/mid-wave/long-

wave infrared photodetectors based on type-II InAs/GaSb/AlSb superlattices,” Sci. Rep.6,

24144; doi: 10.1038/srep24144, 2016.

[16] S.H. Black, etc., “Uncooled detector development at Raytheon,“ Proc. SPIE 8012, 2011.

[17] A. Rogalski, “Next dacade in infrared detectors,“ Proc. SPIE 10433, Electro-Optical and Infrared

Systems: Technology and Applications XIV, 104330L, 2017.

[18] Dirk Weiler, etc., “Digital uncooled IRFOAs based on microbolometers with 17㎛ and 12㎛ pixel

pitch,” Pro. of SPIE Vol.10795, 2018.

[19] Chee L. Tan and Hooman Mohseni, “Emerging technologies for high performance infrared

detectors,“ Nanophotonics, Vol.7, 2018.

I. 서론II. 양자형 적외선 센서의 기술 동향III. 열형 적외선 센서의 기술 동향IV. 결론