KR101181248B1 - 자기 보호 특성을 갖는 적외선 볼로미터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터는 적외선을 흡수하는 흡수층과, 온도에 따라 저항값이 변하는 저항체를 포함하는 상부 기판; 상기 상부 기판과 서로 이격되어 있고 상기 저항체의 저항값의 변화에 따른 신호를 입력받는 집적회로가 내장된 하부 기판; 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 기계적 또는 전기적으로 연결하여 상기 신호를 상기 하부 기판에 전달하는 신호 다리; 및 상기 상부 기판에 연결되고 온도의 변화에 따라 자동으로 휘는 열전달 다리를 포함한다.

Description

자기 보호 특성을 갖는 적외선 볼로미터{Self-Protecting Infrared Bolometer}
본 발명은 적외선 검출기인 볼로미터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기 보호 특성을 갖는 적외선 볼로미터에 관한 것이다.
일반적으로 볼로미터는 적외선 센서의 일종이다. 볼로미터는 물체에서 방사되는 적외선을 흡수하며, 흡수된 적외선은 열에너지로 변환되어 볼로미터의 저항체 내의 온도를 상승시킨다. 이러한 온도 상승은 저항체의 전기 저항을 변화시킨다. 볼로미터는 저항체 내의 전기 저항 변화를 측정함으로써 물체에 직접 접촉하지 않으면서도 물체의 감지 및 방사 에너지를 검출할 수 있는 계기이다.
이러한 볼로미터는 민수용과 군수용으로 응용되고 있으며, 물체의 적외선 열을 흡수하는 흡수체와 흡수된 열에 의해 저항값이 변하는 저항체를 포함한다. 흡수체와 저항체는 신호다리에 의해 기판으로부터 분리되어 있는 구조를 갖는다.
볼로미터의 성능을 향상시키기 위해서는 방사되는 적외선 열을 손실없이 흡수할 수 있어야 한다. 이로 인해, 고온의 물체를 감지할 때 저항체의 온도가 급격히 상승하여 저항체의 전기적 특성이 일시적으로 달라지는 현상이 발생하게 된다. 예컨대, 고온에서 저항체의 저항은 온도에 따라 비선형적으로 변할 수 있다.
이러한 현상으로 인해, 볼로미터를 이용하여 고온의 물체를 촬상한 때 상기 고온의 물체를 제거한 뒤에도 물체가 관찰되는 잔상 효과가 야기된다. 이러한 잔상이 생기는 시간은 피사체의 온도와 촬상 시간에 의존하며, 길게는 수 시간까지 잔상이 유지될 수 있다. 이러한 잔상 효과는 열 화상을 실시간으로 처리하는 시스템에서 심각한 문제가 되고 있다.
따라서, 잔상 효과가 감소된 고성능의 볼로미터를 제공하는 것이 요구된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0060919호(2005.09.28)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점 및 요구에 대응하여 안출된 것으로, 고온에서 자기 보호 특성을 갖는 적외선 볼로미터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
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 실시예에 따른 적외선 볼로미터는 적외선을 흡수하는 흡수층과, 온도에 따라 저항값이 변하는 저항체를 포함하는 상부 기판; 상기 상부 기판과 서로 이격되어 있고 상기 저항체의 저항값의 변화에 따른 신호를 입력받는 집적회로가 내장된 하부 기판; 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 기계적 또는 전기적으로 연결하여 상기 신호를 상기 하부 기판에 전달하는 신호 다리; 및 상기 상부 기판에 연결되고 온도의 변화에 따라 자동으로 휘는 열전달 다리를 포함한다.
저항체의 온도가 소정 값 이상일 때 열 전달 다리가 하부 기판에 접촉할 수 있다.
열전달 다리는 열팽창 계수가 서로 다른 제1층과 제2층이 적층된 구조를 가질 수 있다.
제1층과 제2층 중 하나의 층은 상부 기판과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
상부 기판과 연결되지 않은 열전달 다리의 종단부는 제1층과 제2층 중 하나의 층으로만 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 추가적인 고온 감지 회로 또는 정전기력을 위한 회로 없이 고온에서 자기 보호특성을 가지는 적외선 볼로미터를 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 저항체의 온도가 소정 값 이상으로 올라간 때 저항체의 열을 빠르게 방출함으로써 고온에서 저항체의 전기적 특성이 변하는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터를 사용할 때 잔상 문제가 방지될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터의 구조를 도시한다.
도2는 고온의 적외선을 흡수한 때의 본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터의 동작을 도시한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 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.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터의 구조 및 동작을 설명하면 아래와 같다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터의 구조를 도시한다. 본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터는 적외선을 흡수하는 흡수층(미도시)과, 온도에 따라 저항값이 변하는 저항체(미도시)를 포함하는 상부 기판(10), 상부 기판(10)과 서로 이격되어 있고 저항체의 저항값의 변화에 따른 신호를 입력받는 집적회로가 내장된 하부 기판(20), 상부 기판(10)과 하부 기판(20)을 기계적 또는 전기적으로 연결하여 상기 신호를 하부 기판(20)에 전달하는 신호 다리(30), 및 상기 상부 기판(10)에 연결되고 온도의 변화에 따라 자동으로 휘는 열전달 다리(40)를 포함한다.
상부 기판(10)의 흡수체는 물체 또는 피사체에서 방사되는 적외선 파장을 흡수한다. 예컨대, 상기 흡수체는 8㎛ 내지 12㎛ 파장의 적외선을 흡수할 수 있다. 이렇게 흡수된 적외선은 열에너지로 변화되어 상부 기판(10)의 저항체의 온도를 상승시킨다.
상부 기판(10)의 저항체는 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 물질로 이루어진다. 이러한 저항값의 변화에 따른 전기적인 신호가 신호 다리(30)를 통해 하부 기판(20)으로 전달된다.
저항값의 변화에 따른 이러한 전기적인 신호는 하부 기판(20)에 내장된 집적회로에 입력된다. 집적회로에서는 입력된 전기적인 신호를 처리하여 적외선을 방사하는 물체의 온도를 결정할 수 있다. 이에 따라 적외선을 방사하는 물체를 감지할 수 있고, 상기 물체의 온도, 즉 상기 물체에서 방사되는 에너지를 측정할 수 있다.
상부 기판(10)에 연결된 열전달 다리(40)는 저항체의 온도가 소정 값 이상인 때 하부 기판(20)과 접촉하도록 구성된다. 예컨대, 열전달 다리(40)는 열팽창 계수가 서로 다른 두 가지 물질의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 열전달 다리(40)는 도1에 도시된 바와 같이 제1층(41)과 제2층(42)으로 구성될 수 있다.
이때, 제1층(41)은 열팽창 계수가 상대적으로 높은 물질로 이루어지고 제2층(42)은 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 온도가 상승할 때 열팽창 계수의 차이로 발생하는 스트레스(stress)로 인해 열전달 다리(40)는 하부 기판(20) 측으로 휘어질 수 있다. 저항체 및 상부 기판(10)의 온도가 소정 값 이상이 될 때 상기 열전달 다리(40)는 하부 기판(20)에 접촉하도록 설계할 수 있다.
상기 소정 값의 온도는 저항체의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예컨대, 저항체의 전기적 특성이 달라지기 시작하는 온도 값으로 설정될 수 있다. 이때, 저항체를 이루는 구성물질에 따라 온도가 미치는 영향이 다르게 나타나고 특정 온도에서 그 영향력이 바로 나타나는 것이 아니기 때문에 상기 소정 온도 값은 낮은 것이 바람직하다. 하지만, 소정 온도 값이 낮은 경우 센서의 성능이 감소하므로 상황에 따라 이 두 가지 요소를 고려하여 소정 온도 값을 설정할 수 있다. 예컨대, 저항체가 바나듐옥사이드(Vanadium Oxide)로 이루어진 경우 저항체의 전기적 특성은 대략 60°C 내지 100°C 사이에서 변하기 시작한다. 따라서, 필요한 센싱 감도에 따라 상기 소정 온도 값은 60°C 내지 100°C 사이의 값을 선택할 수 있다. 예컨대, 높은 정도의 센싱 능력이 필요한 경우 100°C에 가까운 값으로 소정 값을 선택할 수 있고, 낮은 정도의 센싱 능력이 필요한 경우 60°C에 가까운 값으로 소정 값을 선택할 수 있다.
도2에는 흡수체가 고온의 적외선을 흡수하여 저항체의 온도가 소정 값 이상인 때 본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터의 동작을 예시한다. 이와 같이 열전달 다리(40)가 하부 기판(20)에 접촉한 때 저항체의 열 에너지가 하부 기판(20)으로 방출될 수 있다.
이때, 열전달 다리(40)는 높은 열전도도를 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라 저항체의 열 에너지가 하부 기판(20)으로 빠르게 방출될 수 있다. 이때, 상기 열전달 다리(40)의 열전도도는 신호 다리(30)의 열전도도보다 높은 것이 바람직하다. 저항체의 전기적 특성이 변하기 전에 열 방출이 될 수 있도록 열전달 다리(40)의 열전도도가 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터는, 열전달 다리(40)를 포함함으로써 저항체가 고온 상태로 유지되는 것이 방지될 수 있다. 즉, 저항체가 고온 상태에서 전기적 특성이 변화되어 발생하는 문제점을 회피할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 열전달 다리(40)의 두 개의 층, 즉 제1층(41)과 제2층(42) 중 하나의 층은 상부 기판(10)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1층(41)과 제2층(42) 중 하나의 층과 상부 기판(10)은 동일 기판을 사용하여 동시에 제조되고, 나머지 층이 상기 하나의 층에 접착되어 형성될 수 있다.
이와 같이 상부 기판(10)과 열전달 다리(40)의 하나의 층이 공유됨으로써 상부 기판(10)의 열이 열전달 다리(40)를 통해 빠르게 방출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 열전달 다리(40)가 하부 기판(20)에 접촉하는 종단부분은 제1층(41)과 제2층(42) 중 하나의 층으로만 이루어질 수 있다. 이와 같이 열전달 다리(40)를 구성함으로써 열전달 다리(40)와 하부 기판(20)의 접촉이 용이하여 열 전달이 빠르게 이루어질 수 있다. 예컨대, 하부 기판(20)과 접촉되는 열전달 다리(40)의 종단 부분은 제2층(42)만으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 열전달 다리(40)의 제1층(41)은 열팽창 계수가 비교적 높은 금속 물질로 이루어지고, 제2층(42)은 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1층(41)은 Ti(타이타늄)으로 이루어지고 제2층(42)은 SiO2(실리콘다이옥사이드)로 이루어질 수 있다. 하지만, 이는 단지 실시예일 뿐이며 열팽창 계수가 서로 다른 두 물질이라면 어느 물질이라도 제1층(41)과 제2층(42)을 구성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터에서는, 저항체의 열에너지를 하부 기판(20)으로 빠르게 방출하여 고온에서 저항체의 전기적 특성이 바뀌는 문제를 회피할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 볼로미터에서는, 추가적인 고온 감지 회로 또는 정전기력을 회로 등에 대한 요구 없이 고온으로부터 볼로미터가 스스로 보호될 수 있다. 이에 따라 저항체의 온도가 높아져 발생하는 잔상 문제가 방지될 수 있다.
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.
10 : 상부 기판
20: 하부 기판
30: 신호 다리
40: 열전달 다리
41: 열전달 다리(40)의 제1층
42: 열전달 다리(40)의 제2층

Claims (5)

  1. 적외선을 흡수하는 흡수층과, 온도에 따라 저항값이 변하는 저항체를 포함하는 상부 기판;
    상기 상부 기판과 서로 이격되어 있고 상기 저항체의 저항값의 변화에 따른 신호를 입력받는 집적회로가 내장된 하부 기판;
    상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 기계적 또는 전기적으로 연결하여 상기 신호를 상기 하부 기판에 전달하는 신호 다리; 및
    상기 상부 기판에 연결되고 온도의 변화에 따라 자동으로 휘는 열전달 다리를 포함하는,
    적외선 볼로미터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항체의 온도가 소정 값 이상일 때 상기 열 전달 다리가 상기 하부 기판에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 적외선 볼로미터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열전달 다리는 열팽창 계수가 서로 다른 제1층과 제2층이 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 적외선 볼로미터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1층과 제2층 중 하나의 층은 상기 상부 기판과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 적외선 볼로미터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상부 기판과 연결되지 않은 상기 열전달 다리의 종단부는 상기 제1층과 제2층 중 하나의 층으로만 이루어진 것을 특징으로 하는, 적외선 볼로미터.
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