KR100363262B1 - 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서 - Google Patents

초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바늘 구멍 사진기의 원리를 이용하여 간단한 구조를 가짐과 동시에 적외선 검출(infra red detection)의 감도를 높이고 픽셀의 크기를 작게함으로써 해상도를 높이는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서에 관한 것이다. 소정의 직경을 가지는 적외선 통과공이 형성된 밀폐형 본체 내에 안착된 센서 회로부; 상기 센서 회로 상부에 형성된 한개 이상의 센싱 패드; 상기 센싱 패드와 소정의 거리를 이격하여 형성된 초전체층; 및 상기 초전체층 상부에 형성된 평판형 비전도성 적외선 흡수층을 구비한 상온 적외선 센서를 제공하여 열전도에 의한 감도저하를 방지할 수 있는 동시에 픽셀의 크기도 작은 크기로 유지시킬 수 있는 보다 간단한 구조의 상온 적외선 센서를 용이하게 제작할 수 있다.

Description

초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서{Uncooled IR sensor using the pyroelectric emission}
본 발명은 적외선 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바늘 구멍 사진기의 원리를 이용하여 간단한 구조를 가짐과 동시에 적외선 검출(Infra red detection)의 감도를 높이고 픽셀의 크기를 작게함으로써 해상도를 높이는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서에 관한 것이다.
열전하 물질을 응용하는 대표적인 소자로서 적외선 망원경, 온도 조절기등의 주로 빛 또는 열을 감지하는 센서(sensor)를 들 수 있다. 이러한 센서들의 동작 원리는 열전하 물질이 빛 또는 열을 받아 자체 온도 변화가 유도될 때 발생되는 전하들을 검출하여 입사하는 열 또는 빛의 세기를 측정하는 것이다.
종래의 비냉각식 초전체 적외선 검출기(Pryoelectric IR detector)는 강유전체층에서 발생하는 전하들을 검출하거나 방출된 전하들로 인하여 유도된 트랜지스터 채널(channel)의 전도성(conductivity)를 읽는 방법으로 구성되어 있다. 그러나, 이러한 구성에서는 디텍터 부분이 초전체층(pyroelectric layer)과 직접 접촉하기 때문에 열전달에 의한 감도 저하로 인하여 초 고감도용으로 적용시키기 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 초전체체층과 진공 또는 공기층을 이용하여 격리시킨 캐패시터(capacitor)형 검출기를 생각해 볼 수 있다.그러나, 이러한 경우에는 공통전극으로서의 적외선 흡수체에 수시로 존재하는 자유전하들이 노이즈 혹은 오류신호로 작동할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 열전달에 의한 감도 저하를 방지하고, 작은 픽셀을 유지할 수 있는 비냉각식 적외선 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서를 간략하게 나타낸 단면도이다.
도 2는 상기 도 1에 나타낸 하나의 센싱패드 부위를 확대하여 나타낸 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1... 적외선 통과공 2... 적외선 통과공이 형성된 본체 덮게
3... 본체의 덮게를 제외한 본체의 외곽 구조물
4... 적외선 통과공을 통하여 입사하는 적외선
5... 적외선 흡수체 6... 초전체층
7... 스페이서 8... 진공층
9... 센싱 패드 10... 센서 회로부
11... 초전체층에서 방출되는 전자
12... 절연층 13... 칼럼 라인
14... 실리콘층 15... 기판
16... SOI 구조체 17... 로우 라인
18... 채널 영역 19... 확산층
20... 전압 인가부
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 소정의 직경을 가지는 적외선 통과공이 형성된 밀폐형 본체내에 안착된 센서 회로부;
상기 센서 회로 상부에 형성된 한개 이상의 센싱 패드;
상기 센싱 패드와 소정의 거리를 이격하여 형성된 초전체층; 및
상기 초전체층 상부에 형성된 평판형 비전도성 적외선 흡수층을 구비한 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 센싱 패드 및 상기 초전체층은 진공영역을 사이에 두고 소정거리 이격되며, 상기 진공영역은 상기 센서 회로부 및 초전체층 사이에 형성된 스페이서에 의해 그 폭이 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 적외선 통과공은 그 직경이 약 1 내지 2mm인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 센서 회로부는 기판;
상기 기판 상부에 형성된 제 1절연체층;
상기 절연체층 상부에 형성되며, 그 내에 확산층, 채널 영역 및 로우 라인을 구비한 실리콘층;
상기 실리콘층 상부에 형성된 제 2절연체층; 및
상기 절연체층 상부에 형성되며, 상기 제 2절연체층을 통과하여 상기 확산층과 연결된 칼럼 라인;을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 센싱 패드는 상기 채널 영역과 전극을 통하여 전기적으로 연결되며, 상기 적외선 흡수층 및 상기 기판 사이에 전압을 인가할 수 있는 구조를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 제 1절연체층; 상기 절연체층 상부에 형성되며, 그 내에 확산층, 채널 영역 및 로우 라인을 구비한 실리콘층; 상기 실리콘층 상부에 형성된 제 2절연체층; 상기 절연체층 상부에 형성되며, 상기 제 2절연체층을 통과하여 상기 확산층과 연결된 칼럼 라인;을 구비하며 소정의 직경을 가지는 적외선 통과공이 형성된 밀폐형 본체내에 안착된 센서 회로부; 상기 센서 회로 상부에 형성된 한개 이상의 센싱 패드; 상기 센싱 패드와 소정의 거리를 이격하여 형성된 초전체층; 및 상기 초전체층 상부에 형성된 평판형 비전도성 적외선 흡수층을 구비한 적외선 센서의 작동 방법에 있어서,
(가)상기 본체의 적외선 통과공을 통하여 입사하는 적외선을 상기 적외선 흡수층에 의해 흡수하여 발생된 열에 의해 상기 초전체층에서 전자를 방출하는 단계;
(나)상기 방출된 전자를 상기 센싱 패드를 통해 상기 채널 영역으로 모으는 단계;
(다)상기 채널 영역의 전기적 변화를 상기 채널 영역과 전기적으로 연결된 로우 라인 및 상기 채널 영역과 전기적으로 연결된 확산층을 통해 상기 칼럼 라인을 통해 읽어내는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서의 작동 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계는 상기 적외선 흡수층 및 상기 기판 사이에 전압을 인가할 수 있는 구조를 더 구비하여 상기 초전체층에서 전자를 방출하는 경우 상기 적외선 흡수층 및 상기 기판에 전압을 인가하는 것을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명의 실시예에 대해 보자 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 의한 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서를 간략하게 나타낸 단면도이다.
먼저 그 구조를 설명하면, 본 발명에 의한 적외선 센서는 바늘 구멍 사진기의 원리를 이용한 것으로 소정의 크기를 가지는 적외선 입사구(1)가 본 발명에 의한 적외센 센서 본체(2, 3)의 일부위에 마련된다. 상기 적외선 입사구(1)은 약 1 내지 2mm의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 그 일부위에 상기 적외선 입사구(1)가 마련된 본체(2, 3)는 본 발명에 의한 적외선 센서의 외형을 이루며 상기 적외선 입사구(1)를 제외하고는 광을 통과시키지 않는 재질이 선택되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 본체(2, 3)은 적외선 입사구(1)가 마련된 덮개(2)를 따로 제작하여 상기 덮개(2)를 제외한 외곽 구조물(3)에 결합할 수 있다.
상기 적외선 입사구(1)가 마련된 본체(2, 3)내에는 상기 적외선 입사구(1)에서 입사하는 적외선(4)을 감지하는 평판형 비전도성 적외선 흡수층(5)이 마련되어 있다. 이러한 적외선 흡수층(5)은 상기 입사하는 적외선(4)의 상을 받아들여 적외선 흡수층(5) 뒷면에 형성된 초전체(pyroelectric)층(6)에서 전자를 방출시키는 역할을 한다.
본 발명에서는 상기 초전체층(6)과 적외선 판독용 집적회로(read-out integrated circut, 이하 ROIC이라 한다.)(10)와 소정의 거리를 두고 이격시킨 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 초전체층(6)과 ROIC(10) 사이에는 진공층(8)이 형성되어 있고, 그 사이의 간격은 상기 초전체층(6)과 ROIC(10) 사이의 스페이서(7)를 이용하여 조절한다. 상기 초전체층(6)과 대향하는 상기 ROIC(10)의 일면상에는 초전체층(6)에서 방출되는 전자를 감지하기 위한 센싱패드(9)가 형성되어 있다. 이러한 센싱 패드(9)는 상기 ROIC(10)의 일면상에 하나 이상이 형성되어 있으며, 각각의 센싱 패드(9)는 하나의 픽셀을 나타내게 되며, 본 발명에서는 이러한 픽셀의 크기를 작게 유지하는 것을 특징으로 한다.
도 2를 참고하면서, 본 발명에 의한 상온 적외선 센서의 본체 내부 구조, 특히 센서 회로부에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 상기 도 1에 나타낸 하나의 센싱 패드(9) 부위를 보다 확대하여 나타낸 것이다. 본 발명에서는 상기 ROIC(8)를 SOI(silicon on insulator)(16) 구조로 형성된다. 상기 센싱 패드(9)는 전극을 통하여 채널 영역(18)과 연결되어 있다. 상기 센싱 패드(9)의 일측 부위에는 절연체(12) 및 칼럼 라인(13)이 형성되어 있다. 상기 전극을 통하여 연결된 채널 영역(18)은 실리콘층(14)의 일부위에 형성되어 있으며, 이러한 채널 영역(18)은채널 영역(18)과 전기적으로 연결되는 로우 라인(17) 및 확산층(19)과 함께 TFT(thin film transistor) 구조를 이루고 있다. 여기서, 상기 확산층(19)은 칼럼 라인(14)과 연결되어 매트릭스 구조를 가지도록 한다. 전체적으로 상기 센싱 패드(9)는 채널 영역(18)과 연결되고, 상기 채널 영역(18)은 실리콘층(14) 내부에서 직접 로우 라인(17)과 연결되도록 형성되며, 상기 칼럼 라인(14)은 실리콘층(14)의 내부의 확산층(19)을 통하여 절연층(12)을 관통하여 연결되도록 형성된다. 이렇게 채널 영역(18)이 형성된 실리콘층(14)은 다시 절연층(12)을 경계로 하여 실리콘 기판(15)이 마련되어 있다.
즉, 이를 기판(15)을 기준으로 설명하면 본 발명에 의한 상온 적외선 센서는 기판(15) 상부에 절연층(12)이 형성되고, 상기 절연층(12) 상부에 상호 전기적으로 연결된 채널 영역(18), 로우라인(17) 및 확산층(19)을 포함하는 실리콘 층(14)을 구비하고, 상기 실리콘층(14) 상부에 순차적으로 절연층(12), 칼럼 라인(13) 및 절연층(12)이 형성된다. 상기 절연층(12) 상부에 센싱 패드(9)가 형성되고 그 상부에 소정 거리를 이격하여 초전체층(6) 및 자외선 흡수층(5)이 형성된 구조를 지닌다.
여기서, 적외선 센서의 작동시 초전체층의 전자 방출을 보다 용이하게 하기 위하여 상기 기판(15) 및 적외선 흡수층(5) 사이에 전압을 인가할 수 있는 구조를 형성시키는 것이 바람직하다.
이하, 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명에 의한 상온 적외선 센서의 동작에 관해 설명하고자 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 적외선(4)이 본체(2, 3)의 적외선 통과공(1)을 통해 본체(2, 3) 내부로 입사하게 되면 먼저 적외선 흡수층(5)에 도달하게 된다. 적외선 흡수층(5)에 의해 적외선(4)이 흡수되어 열을 발생시키게 된다. 발생된 열에 의하여 초전체층(6)에서는 전자(11)를 발생시키게 된다. 즉, 초전체층(6)의 결정체에 열을 가하게 되면 그 표면에서 유전 분극에 의해 전하가 나타나며, 이는 외부 전계가 없는 경우의 자발 분극에 의한 전하의 평형이 온도 상승에 의해 무너져 전하가 나타나는 초전 효과가 나타나는 것이다. 어렇게 초전체층(6)에서 발생한 전자는 진공층(8)을 통과하여 센싱 패드(9)로 이동하게 된다. 상기 센싱 패드(9)에서 전자를 보다 잘 캡쳐하기 위하여 도 2에 나타낸 것과 같이 적외선 흡수층(5) 및 기판 (15)사이에 전압을 인가할 수 있는 구조(20)를 채용하는 것이 바람직하다.
센서 회로(10)에서의 동작에 대해 도 2를 참고하면, 센싱 패드(9)로 이동한 전자는 전극을 통하여 SOI TFT(16) 구조의 채널 영역(18)에 모이게 된다. 이 경우 도 2에서 나타낸 컬름 라인(14)과 접촉하지 않고 직접 채널 영역(18)으로 이동한다. 이렇게 채널 영역(18)에서의 상태를 각각 채널 영역(18)과 연결된 확산층(19)을 통하여 적외선 판독용 집적회로(read-out interated circut : ROIC)의 컬름 라인(14) 및 직접 연결된 로우 라인(17)에서 읽어내게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 종래 기술에 의한 적외선 센서의 초전체층과의 직접 접촉에 따른 열전도에 의한 감도저하를 방지할 수 있는 동시에 픽셀의 크기도 작은 크기로 유지시킬 수 있는 보다 간단한 구조의 상온 적외선 센서를 용이하게 제작할수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 소정의 직경을 가지는 적외선 통과공이 형성된 밀폐형 본체 내에 안착된 센서 회로부;
    상기 센서 회로 상부에 형성된 한개 이상의 센싱 패드;
    상기 센싱 패드와 소정의 거리를 진공으로 이격하여 형성된 초전체층; 및
    상기 초전체층 상부에 형성된 평판형 적외선 흡수층을 구비한 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센싱 패드 및 상기 초전체층은 진공영역을 사이에 두고 소정거리 이격되며, 상기 진공영역은 상기 센서 회로부 및 초전체층 사이에 형성된 스페이서에 의해 그 폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 적외선 통과공은 그 직경이 약 1 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 본체는 상기 적외선 통과공이 형성된 덮게; 및
    상기 덮게;를 제외한 외곽 구조물로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 센서 회로부는 기판;
    상기 기판 상부에 형성된 제 1절연체층;
    상기 절연체층 상부에 형성되며, 그 내에 확산층, 채널 영역 및 로우 라인을 구비한 실리콘층;
    상기 실리콘층 상부에 형성된 제 2절연체층; 및
    상기 절연체층 상부에 형성되며, 상기 제 2절연체층을 통과하여 상기 확산층과 연결된 칼럼 라인;을 구비한 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 센싱 패드는 상기 채널 영역과 전극을 통하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 적외선 흡수층 및 상기 기판 사이에 전압을 인가할 수 있는 구조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서.
  8. 기판; 상기 기판 상부에 형성된 제 1절연체층; 상기 절연체층 상부에 형성되며, 그 내에 확산층, 채널 영역 및 로우 라인을 구비한 실리콘층; 상기 실리콘층 상부에 형성된 제 2절연체층; 상기 절연체층 상부에 형성되며, 상기 제 2절연체층을 통과하여 상기 확산층과 연결된 칼럼 라인;을 구비하며 소정의 직경을 가지는 적외선 통과공이 형성된 밀폐형 본체내에 안착된 센서 회로부; 상기 센서 회로 상부에 형성된 한개 이상의 센싱 패드; 상기 센싱 패드와 소정의 거리를 이격하여 형성된 초전체층; 및 상기 초전체층 상부에 형성된 평판형 적외선 흡수층을 구비한 적외선 센서의 작동 방법에 있어서,
    (가) 상기 본체의 적외선 통과공을 통하여 입사하는 적외선을 상기 적외선 흡수층에 의해 흡수하여 발생된 열에 의해 상기 초전체층에서 전자를 방출하는 단계;
    (나) 상기 방출된 전자를 상기 센싱 패드를 통해 상기 채널 영역으로 모으는 단계;
    (다) 상기 채널 영역의 전기적 변화를 상기 채널 영역과 전기적으로 연결된 로우 라인 및 상기 채널 영역과 전기적으로 연결된 확산층을 통해 상기 칼럼 라인을 통해 읽어내는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서의 작동 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 센싱 패드 및 상기 초전체층은 진공영역을 사이에 두고 소정거리 이격되며, 상기 진공영역은 상기 센서 회로부 및 초전체층 사이에 형성된 스페이서에 의해 그 폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서의 작동 방법.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 센싱 패드는 상기 채널 영역과 전극을 통하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서의 작동 방법.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 적외선 통과공은 그 직경이 약 1 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서의 작동 방법.
  12. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 (가) 단계는 상기 적외선 흡수층 및 상기 기판 사이에 전압을 인가할 수 있는 구조를 더 구비하여 상기 초전체층에서 전자를 방출하는 경우 상기 적외선 흡수층 및 상기 기판에 전압을 인가하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전체 전자 방출을 이용한 비냉각식 적외선 센서의 작동 방법.
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