KR20130050710A - 적외선 검출기 - Google Patents

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Abstract

적외선 검출기가 개시된다. 개시된 적외선 검출기는, 기판으로부터 이격되어 있으며 입사되는 적외선을 흡수하는 공진기와, 공진기에 접하며 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 된 열전재료층을 구비한다. 열전재료층과 기판 사이는 리드선에 의해 전기적으로 연결된다. 열격리층은, 기판과 열전재료층 사이에 마련되어 기판으로의 열전달을 차단한다. 그라운드 평판층은, 적외선광이 기판쪽으로 진행하는 것을 차단한다.

Description

적외선 검출기{Infrared detector}
적외선 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도가 있는 물체에서 방사되는 적외선을 수광하여 이를 감지하는 적외선 검출기에 관한 것이다.
적외선(또는 테라헤르츠) 대역의 파장을 가진 빛을 흡수하여 열로 변환하는 흡수체는 발생한 열을 전기적 저항 변화로 읽어 내는 볼로미터 타입의 검출기에 필수적인 구성 요소이다. 기존 볼로미터에 사용되는 흡수체는 솔즈베리 스크린(Salisbury screen) 타입으로 그라운드 평판과 박막 흡수체가 λ/4 간격을 갖는 적층 구조로 되어 있다. 이 구조는 흡수되는 광량이 면적에 직접 비례하므로 각 픽셀에서 흡수체의 채움 인자 (filling factor)를 가능한 최대로 만들어야한다.
이때, 광 흡수에 의한 열은 박막 흡수체 전체에서 고르게 발생하게 된다. 이 구조는 픽셀 크기가 줄어들수록 흡수되는 광량 또한 감소되어 픽셀을 일정 크기 이하로 줄이거나 신호 대 잡음 비를 향상 시키는 데 한계가 있다.
플라즈몬/메타물질 공명을 이용한 적외선 흡수체에 의한 열 발생이 효과적으로 흡수체의 온도를 상승시키도록 마련된 적외선 검출기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기는, 기판과; 상기 기판으로부터 이격되어 있으며 입사되는 적외선을 흡수하는 공진기와; 상기 공진기에 접하며 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 된 열전재료층과; 상기 열전재료층과 기판 사이를 전기적으로 연결하는 리드선과; 상기 기판과 열전재료층 사이에 마련되어 기판으로의 열전달을 차단하는 열격리층과; 적외선광이 상기 기판쪽으로 진행하는 것을 차단하는 그라운드 평판층;을 포함한다.
상기 열격리층은 상기 그라운드 평판층과 열전재료층 사이에 위치할 수 있다.
상기 그라운드 평판층은 금속을 포함하며 상기 기판상에 형성될 수 있다.
상기 공진기는 적외선 파장영역에서 상기 그라운드 평판층보다 열 발생이 많이 되는 금속을 포함할 수 있다.
상기 공진기는 티타늄, 니켈, 크롬, 구리, 백금 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 그라운드 평판층은 금, 은, 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 열격리층은 상기 기판과 그라운드 평판층 사이에 위치할 수 있다.
상기 그라운드 평판층은 금속을 포함하며 상기 열전재료층에 접할 수 있다.
상기 공진기는 상기 그라운드 평판층보다 열 발생이 많이 되는 다른 종류이거나 상기 그라운드 평판층과 동일 종류의 금속을 포함할 수 있다.
상기 공진기는, 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 적외선을 흡수하는 플라즈몬 흡수체이거나 메타물질 흡수체일 수 있다.
상기 열격리층은, 진공층 및 저열전도층 중 어느 하나일 수 있다.
상기 열전재료층은 바나듐 옥사이드, 비정질 실리콘 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 열전재료층은 상기 공진기를 지지할 수 있다.
상기 열전재료층은 상기 공진기와 같은 형태를 가지며, 상기 공진기와 같은 면적이나 큰 면적을 가질 수 있다.
상기 열전재료층은 적외선을 흡수하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기에 따르면, 플라즈몬/메타물질 공진기를 이용하는 흡수체 구조 안에 열격리층을 구비하므로, 적외선 흡수에 의한 열 발생이 효과적으로 흡수체의 온도를 상승시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기의 구조를 개략적으로 보인 사시도이다.
도 2는 도 1의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 검출기의 구조를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기에서의 흡수체 구조에 대한 흡수 파장 스펙트럼을 보여준다.
도 5는 공진기에서의 흡수된 에너지 분포(열 분포)를 보여준다.
도 6은 열전재료층에서의 흡수된 에너지 분포(열발생 분포)를 보여준다.
도 7은 그라운드 평판층에서의 흡수된 에너지 분포를 보여준다.
도 8a는 공진기와 그라운드 평판층에 모두 티타늄(Ti)을 사용한 경우의 상대적인 열 발생 분포를 보여준다.
도 8b는 공진기에 티타늄(Ti)을 사용하고, 그라운드 평판층에 금(Au)을 사용한 경우의 상대적인 열 발생 분포를 보여준다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기의 다양한 공진기 구조를 예시적으로 보여준다.
적외선 흡수체로, 플라즈몬 혹은 메타물질 공진 구조를 이용하면 특정 주파수에서 공진 현상으로 인해 광학적 흡수 단면적이 기하학적 흡수 단면적보다 증가하는 현상이 일어난다. 따라서, 픽셀 크기보다 훨씬 작은 크기의 공진 구조체를 사용하여도 공진 주파수에서 광 흡수가 크게 일어날 수 있다.
그런데, 플라즈몬/메타물질을 이용한 적외선 흡수체를 그라운드 평판(ground plane)층, 유전체 층, 금속 공진기층의 세 층으로 구성할 때, 광 흡수에 의한 열은 세층 모두에서 발생하게 된다. 이 때 발생한 열에너지는 전도에 의해 유전체 층과 그라운드 평판층을 통하여 기판으로 흐르게 된다. 그러므로, 이런 구조를 그대로 적외선 검출기 등에 응용하게 되면 기판으로의 열전도가 쉽게 이루어져 흡수체 자체의 온도 상승이 작게 발생할 수 있으며, 이는 볼로미터처럼 온도 변화를 저항 변화로 읽어 내는 검출 방식을 사용할 때 신호 크기가 크지 않아 효과적인 적외선 검출이 쉽지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기는, 플라즈몬/메타물질 공진기를 이용하는 흡수체 구조 안에 열격리층을 두어, 적외선 흡수에 의한 열 발생이 효과적으로 흡수체의 온도를 상승시키도록 마련된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)의 구조를 개략적으로 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 적외선 검출기(10)는, 기판(11), 상기 기판(11)으로부터 이격된 공진기(resonator:30), 상기 공진기(30)에 접하는 열전재료층(50), 열전재료층(50)과 기판(11) 사이를 전기적으로 연결하는 리드선(60), 기판(11)으로의 열전달을 차단하는 열격리층(70), 입사광 즉, 적외선광이 기판(11) 쪽으로 진행하는 것을 차단하는 그라운드 평판(ground plane)층(90)을 포함한다.
상기 기판(11) 위에 전체 흡수체가 구성되며, 기판(11)에 각 픽셀에서의 온도 변화를 읽어내는 판독 회로(read-out IC: 미도시)가 마련될 수 있다. 이 기판(11)에는 상기 리드선(60)과 기판(11)의 판독 회로와의 전기적인 연결을 위한 금속 배선(15)이 형성될 수 있다. 상기 기판(11) 상에 마련되는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)의 전체 흡수체 단면 구조는 대략적으로 도 2 및 도 3의 형태를 가질 수 있다. 이하에서는 기본적으로는 도 2의 형태를 예로 들어 설명한다.
상기 공진기(30)는 적외선을 흡수하도록 마련된다. 상기 공진기(30)는 금속을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 공진기(30)는 금(Au), 티타늄(Ti), 알루미늄, 구리, 백금, 은, 니켈(Ni), 크롬(Cr)을 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 금속 물질 또는 금속들의 합금을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 공진기(30)는 입사광 즉, 적외선광과의 공명에 의해 적외선광을 흡수하도록, 다양한 기하학적인 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 공진기(30)는 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 적외선을 흡수하는 플라즈몬 흡수체이거나 메타물질의 공명 현상을 이용하여 적외선을 흡수할 수 있는 메타물질(metamaterial) 흡수체일 수 있다. 여기서, 금속구조물이 유한한 크기를 가지면, 그 크기, 기하학적 모양, 입사광의 편광에 맞는 공진 파장이 존재하며, 국부적인 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance:LSPR)이 발생하게 된다. 상기 공진기(30)를 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있는 구조의 플라즈몬 흡수체로 구성함으로써, 작은 금속 구조물에서 넓은 영역의 광을 흡수하는 것이 가능하다. 이러한 국부적인 표면 플라즈몬 공명 현상을 통한 입사광과 금속 구조물과의 상호 작용이 발생하게 되면, 매우 좁은 영역에 광이 집중 될 수 있다.
상기 열전재료층(50)은, 공진기(30)를 기계적으로 지지하는 동시에, 이 공진기에서 적외선광 흡수에 의해 발생된 열이 바로 전달되도록 공진기(30)에 접하며 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 열전재료층은 광의 입장에서 유전체층으로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 즉, 열전재료층(50)은 흡수된 적외선에 의한 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질을 포함하도록 형성될 수 있다. 또한, 열전재료층(50)은 입사되는 적외선의 일부를 흡수하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 열전재료층(50)은 비정질 실리콘(a-Si), 바나듐 옥사이드(vanadium oxide:VOx), 니켈 옥사이드 등과 같이 높은 저항의 온도 계수(temperature coefficient of resistance: TCR)값을 갖는 열전재료 또는 열전재료와 다른 유전체의 복합 물질로 이루어질 수 있다.
상기 열전재료층(50)은 평판 구조가 아니라, 도 1에 보인 것처럼, 공진기(30)와 같은 형태를 가질 수 있으며, 그 면적은 공진기(30)와 같거나 약간 큰 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 도 1에서는 공진기(30)가 고리형태로 형성되고, 열전재료층(50)이 공진기(30)보다 약간 크게 공진기(30)와 동일한 모양의 고리형태로 형성된 예를 보여준다. 여기서, 열전재료층(50)을 평판 구조가 아니라, 공진기(30)와 같은 형태로 형성하는 이유는 전체 흡수체의 열질량(thermal mass)을 최소화시켜 광흡수에 의한 온도 상승 효과를 향상시키기 위한 것이다.
한편, 열전재료층(50)은 리드선(60)과 연결되어 있다. 이에 따라, 열전재료층(50)과 리드선(60)을 통하여 전류가 흐르며, 이에 의해 흡수한 열에 의한 저항 변화를 검출할 수 있다.
상기 리드선(60)은 열전 다리(thermal leg)로서, 열전재료층(50)과 기판(11) 사이를 전기적으로 연결하여, 흡수한 열에 의한 저항 변화를 검출한 전류 신호가 이 리드선(60)을 통해 기판(11)으로 전달될 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)에 따르면, 열격리층(70)을 구비함에 의해, 적외선 흡수에 의해 발생된 열이 이 리드선(60)을 통해서만 기판(11)쪽으로 전달될 수 있으므로, 기판(11)쪽으로의 열전달을 최소화할 수 있다. 리드선(60)은 열전 재료를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 리드선(60)은 상기 열전재료층(50)과 동일 재질로 형성되거나, 다른 열전 재질로 형성될 수 있다.
상기 열격리층(70)은, 기판(11)과 열전재료층(50) 사이에 마련되어 상기 공진기(30) 및 열전재료층(50)에서 발생된 열이 기판(11)으로 전달되는 것을 차단하기 위한 것으로, 진공층 및 공기층과 같은 저열전도층 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 열격리층(70)은 도 2에서와 같이, 그라운드 평판층(90)과 열전재료층(50) 사이에 위치할 수 있다. 다른 예로서, 열격리층(70)은 도 3에서와 같이 기판(11)과 그라운드 평판층(90) 사이에 위치할 수 있다.
바꾸어 표현하면, 상기 그라운드 평판층(90)은 도 2에서와 같이, 열격리층(70)과 기판(11) 사이에 위치하거나, 도 3에서와 같이 열전재료층(50)과 열격리층(70) 사이에 위치할 수 있다. 상기 그라운드 평판층(90)은 입사되는 적외선광을 공진기(30)쪽으로 반사시키며, 공진기(30)와 함께 플라즈몬 공명을 발생시켜 적외선 흡수 효율을 보다 증대시킬 수 있다. 상기 그라운드 평판층(90)은 입사되는 적외선광이 기판(11)으로 거의 투과하지 않도록 일정한 두께 예를 들어, 약 100nm 이상의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 그라운드 평판층(90) 밑의 기판(11)은 공진 현상에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다.
상기 공진기(30)에서 플라즈몬 공진이 발생하여 전류가 발생되는 경우, 상기 그라운드 평판층(90)에서는 공진기(30)에서 발생된 전류의 미러 이미지가 형성되어, 역평행(antiparallel) 전류에 의해 강한 자기장이 형성되며, 이에 의해 공명을 통한 적외선 흡수 효율이 보다 좋아질 수 있다. 이와 같이, 그라운드 평판층(90)은 흡수체 구조의 공진기의 일부 구성 요소로서 역할을 하게 되며, 그라운드 평판층(90)에서도 일부 열이 발생할 수 있다.
도 2에서와 같이, 열격리층(70)이 그라운드 평판층(90)과 열전재료층(50) 사이에 위치하는 경우, 그라운드 평판층(90)에서 그라운드 평판층(90)은 금속을 포함하며 기판(11)상에 형성될 수 있으며, 공진기(30)는 적외선 파장영역에서 상기 그라운드 평판층(90)보다 입사광의 흡수에 의한 열 발생이 많이 되는 금속을 포함하도록 형성되어, 그라운드 평판층(90)에서 열 발생이 최소화되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 공진기(30)는 티타늄을 포함하며, 그라운드 평판층(90)은 금(Au), 은, 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도 2에서와 같이 그라운드 평판층(90)이 기판(11) 상에 형성되는 경우, 그라운드 평판층(90)에서 발생된 열은 신호 검출에 사용되지 않으며, 손실에 해당할 수 있다.
다른 예로서, 열격리층(70)은 도 3에서와 같이 기판(11)과 그라운드 평판층(90) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 그라운드 평판층(90)은 금속을 포함하며 열전재료층(50)에 접하도록 위치할 수 있다. 그라운드 평판층(90)이 열전재료층(50)에 접하도록 된 경우, 그라운드 평판층(90)에서 발생된 열도 신호 검출에 사용될 수 있으므로, 공진기(30)는 상기 그라운드 평판층(90)보다 열 발생이 많이 되는 다른 종류이거나 그라운드 평판층(90)과 동일 종류의 금속을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)에 따르면, 떠있는 플라즈몬 혹은 메타물질 흡수체 구조를 갖는 것으로, 입사되는 적외선광에 대해, 공진기(30), 열전재료층(50), 열격리층(70), 그라운드 평판층(90)이 결합하여 흡수체 구조를 이루며, 특정 파장에서 예를 들어, 플라즈몬 공진 또는 메타물질 공진 현상을 일으킨다. 이 네 개의 구성 요소 각각의 물질 유전 상수, 크기, 두께 등을 최적화시키면 플라즈몬 공진 파장 또는 메타물질 공진 파장 근처에서 완전한 광흡수가 일어나도록 만들 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)처럼, 열격리층(70)을 삽입하게 되면 플라즈몬 공진 현상이 영향을 받게 되므로, 열격리층(70)의 두께, 열전재료층(50)의 모양 및 두께, 공진기(30)의 크기 및 두께의 최적치를 조정할 수 있으며, 새롭게 최적화된 인자들을 사용하면 플라즈몬 공진 파장 또는 메타물질 공진 파장에서 거의 100%의 광흡수가 가능해진다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)에서의 흡수체 구조에 대한 흡수 파장 스펙트럼을 도 4에 나타내었다. 도 4에서, 반사율이 최저가 되는 파장이 흡수가 최대로 일어나는 파장대역이 된다.
이때 흡수된 광 에너지는 각 층에서 열에너지로 변환된다. 이때, 구성 요소에서 발생하는 열에너지는 로 주어진다. 예를 들어, 입사되는 적외선 파장 10μm에서 흡수된 에너지의 분포가 도 5 내지 도 7에 나타나 있다. 도 5는 공진기(30)에서의 흡수된 에너지 분포(열 분포)를 보여준다. 도 6은 열전재료층(50)에서의 흡수된 에너지 분포(열발생 분포)를 보여준다. 도 7은 그라운드 평판층(90)에서의 흡수된 에너지 분포를 보여준다. 도 5 내지 도 7의 흡수된 에너지 분포는 공진기(30)가 십자바 형태를 가지는 경우를 예를 들어 보인 것이다. 도 5 내지 도 7의 흡수된 에너지 분포(열발생 분포)는 도 2의 적층 구조 즉, 그라운드 평판층(90)이 기판(11) 상에 위치하는 경우를 예시한다.
도 5 내지 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 관심 파장 대역에서 손실이 큰 금속 즉, 열 발생이 많이 되는 금속(예를 들어, 티타늄)이 공진기(30)와 그라운드 평판층(90)에 사용될 경우 대부분의 열이 공진기(30)에서 발생하며, 일부분의 열이 열전재료층(50)과 그라운드 평판층(90)에서 발생한다.
도 2의 구조의 경우, 그라운드 평판층(90)에서 발생한 열은 기판(11)을 통해 빠져 나가므로 신호 손실에 해당된다. 서로 다른 종류의 금속을 공진기(30)와 그라운드 평판층(90)에 사용하면, 그라운드 평판층(90)에서 발생한 열이 기판(11)을 통해 빠져나가는 신호 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 손실이 큰 금속 즉, 열 발생이 되는 되는 금속 (예를 들어, 티타늄)을 공진기(30)에 사용하고 손실이 작은 금속 즉, 열 발생이 작게 되는 금속 (예를 들어, 금)을 그라운드 평판층(90)에 사용할 때, 그라운드 평판층(90)에서 발생한 열을 최소화 시킬 수 있어, 신호의 크기를 향상 시킬 수 있다.
두 경우에 대한 각 구성 요소에서의 상대적인 열 발생 분포를 도 8a 및 도 8b에 나타내었다. 도 8a는 공진기(30)와 그라운드 평판층(90)에 모두 티타늄(Ti)을 사용한 경우의 상대적인 열 발생 분포를 보여준다. 도 8b는 공진기(30)에 티타늄(Ti)을 사용하고, 그라운드 평판층(90)에 금(Au)을 사용한 경우의 상대적인 열 발생 분포를 보여준다.
공진기(30)와 그라운드 평판층(90)에 티타늄-금을 사용한 경우, 도 8a 및 도 8b의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 공진기(30)와 그라운드 평판층(90)에 티타늄-티타늄을 사용한 경우에 비해 그라운드 평판층(90)에서 기판(11)으로 빠져나가는 열 손실을 10% 가량 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 어느 경우이던 대부분의 열은 공진기(30)에서 발생하고 일부가 열전재료층(50)에서 발생하는데, 열격리층(70)의 삽입에 의해 기판(11)으로 직접적인 열전도를 차단할 수 있으며, 리드선(60)으로만 열전도를 유도할 수 있다. 따라서, 광흡수에 의한 열전재료층(50)의 온도 상승 효과를 극대화 시킬 수 있다.
한편, 도 3의 구조가 사용될 경우, 그라운드 평판층(90)에서 발생한 열은 그대로 리드선(60)을 통해서만 전도되므로, 공진기(30)와 그라운드 평판층(90)에 동일한 종류의 금속(예를 들어, 티타늄)만 사용하는 것으로도 충분하다. 도 3의 구조는 기판(11)으로의 직접적인 열전도를 방지할 수 있어 보다 효율적인 신호 크기 향상 효과를 기대할 수 있다.
한편, 이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)가, 도 1에서와 같이 고리형 구조의 공진기(30)를 구비하는 경우, 도 5 내지 도 7의 열발생 분포에서 십자바 형태(막대기형의 조합 형태에 해당함) 공진기(30)를 가지는 경우를 설명 및 도시하였는데, 이는 예시적으로 보인 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)는, 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 적외선을 흡수하는 플라즈몬 흡수체이거나 메타물질의 공명 현상을 이용하여 적외선을 흡수할 수 있는 메타물질(metamaterial) 흡수체 구성을 가지는 범위내에서, 공진기(30)의 기하학적인 구조 및 이에 대응되는 열전재료층(50)의 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 국부적인 표면 플라즈몬 공명에 의해 적외선광을 흡수하도록, 공명이 발생하는 공진기(30) 구조물의 길이 혹은 폭은 입사되는 적외선의 파장 λ에 대해, 대략적으로 λ/2 이하의 크기를 가지면서 다양한 형태로 형성될 수 있다.
공진기(30)의 구조는 디스크형, 고리형, 막대기형 및 막대기형을 조합한 형태로 형성될 수 있으며, 열전재료층(50)은 공진기(30)와 같은 형태를 가질 수 있으며, 그 면적은 공진기(30)와 같거나 약간 큰 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)의 다양한 공진기(30) 구조를 예시적으로 보여준다.
도 9를 참조하면, 공진기(30)는 사각형 고리에, 마주하는 두변으로부터 연장된 부분과, 이 연장된 부분 단부에 막대기형이 서로 마주하는 구조를 가지며, 열전재료층(50)은 이 공진기(30)와 같은 형태를 가지며, 공진기(30)보다 약간 큰 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 복수의 고리형 공진기(30)를 구비하며, 열전재료층(50)은 이 공진기(30)와 같은 형태를 가지며, 공진기(30)보다 약간 큰 면적으로 가지면서, 열전재료층(50)의 고리형들이 직렬로 연결되는 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10)는 상기한 바와 같은 다양한 구조의 공진기(30) 및 열전재료층(50)을 구비하는 구조의 2차원 어레이를 구비하여, 2차원 픽셀 배열을 갖는 적외선 검출기, 적외선 열상 카메라, 적외선 열상 센서, 테라헤르츠 검출기, 테라헤르츠 이미지 센서 등에 직접 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 검출기(10) 구성에 의하여 공진기(30)의 단면적을 작게 할 수 있으므로, 흡수체의 열질량을 크게 감소시키고 발생하는 열의 전도에 의한 손실을 효과적으로 차단할 수 있다. 따라서, 검출기 혹은 이미지 센서의 각 픽셀에 도달하는 적외선 혹은 테라헤르츠 흡수에 의한 열전 재료의 온도 상승 효과에 의해 센서의 신호 대 잡음비를 크게 향상 시킬 수 있고 이미지 센서의 픽셀 크기를 축소할 수 있다.
10...적외선 검출기 11...기판
30...공진기 50...열전재료층
60...리드선 70...열격리층
90...그라운드 평판층

Claims (19)

  1. 기판과;
    상기 기판으로부터 이격되어 있으며 입사되는 적외선을 흡수하는 공진기와;
    상기 공진기에 접하며 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 된 열전재료층과;
    상기 열전재료층과 기판 사이를 전기적으로 연결하는 리드선과;
    상기 기판과 열전재료층 사이에 마련되어 기판으로의 열전달을 차단하는 열격리층과;
    적외선광이 상기 기판쪽으로 진행하는 것을 차단하는 그라운드 평판층;을 포함하는 적외선 검출기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열격리층은 상기 그라운드 평판층과 열전재료층 사이에 위치하는 적외선 검출기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그라운드 평판층은 금속을 포함하며 상기 기판상에 형성되는 적외선 검출기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 공진기는 적외선 파장영역에서 상기 그라운드 평판층보다 열 발생이 많이 되는 금속을 포함하는 적외선 검출기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 공진기는 티타늄, 니켈, 크롬, 구리, 백금 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 그라운드 평판층은 금, 은, 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적외선 검출기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열격리층은 상기 기판과 그라운드 평판층 사이에 위치하는 적외선 검출기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 그라운드 평판층은 금속을 포함하며 상기 열전재료층에 접하는 적외선 검출기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 공진기는 상기 그라운드 평판층보다 열 발생이 많이 되는 다른 종류이거나 상기 그라운드 평판층과 동일 종류의 금속을 포함하는 적외선 검출기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진기는, 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 적외선을 흡수하는 플라즈몬 흡수체이거나 메타물질 흡수체인 적외선 검출기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 열격리층은, 진공층 및 저열전도층 중 어느 하나인 적외선 검출기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 열전재료층은 바나듐 옥사이드, 비정질 실리콘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적외선 검출기.
  12. 제9항에 있어서, 상기 열전재료층은 상기 공진기를 지지하는 적외선 검출기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 열전재료층은 상기 공진기와 같은 형태를 가지며, 상기 공진기와 같은 면적이나 큰 면적을 가지는 적외선 검출기.
  14. 제9항에 있어서, 상기 열전재료층은 적외선을 흡수하는 적외선 검출기.
  15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열격리층은, 진공층 및 저열전도층 중 어느 하나인 적외선 검출기.
  16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전재료층은 바나듐 옥사이드, 비정질 실리콘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적외선 검출기.
  17. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전재료층은 상기 공진기를 지지하는 적외선 검출기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 열전재료층은 상기 공진기와 같은 형태를 가지며, 상기 공진기와 같은 면적이나 큰 면적을 가지는 적외선 검출기.
  19. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전재료층은 적외선을 흡수하는 적외선 검출기.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105393300A (zh) * 2013-07-18 2016-03-09 香港科技大学 杂化共振引起的超常声学吸收和杂化共振超材料表面的声电能转换
WO2020130606A1 (ko) * 2018-12-20 2020-06-25 재단법인 파동에너지 극한제어연구단 전자기파 흡수를 위한 메타구조체 및 이를 이용한 온도 감응형 센서

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012220207A1 (de) * 2012-11-07 2014-05-08 Robert Bosch Gmbh Bildpixelvorrichtung zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung, Sensorarray zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung und Verfahren zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung mittels einer Bildpixelvorrichtung
KR101910573B1 (ko) 2012-12-20 2018-10-22 삼성전자주식회사 광대역 광 흡수체를 포함하는 적외선 검출기
JP2014235146A (ja) * 2013-06-05 2014-12-15 セイコーエプソン株式会社 テラヘルツ波検出装置、カメラ、イメージング装置および計測装置
CN104181622A (zh) * 2014-07-07 2014-12-03 浙江大学 一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法
CN105355772B (zh) * 2014-08-20 2017-11-21 中国科学院化学研究所 一种光探测器及其制备方法与应用
US10168221B2 (en) 2016-03-18 2019-01-01 Board Of Trustees Of The University Of Illinois Uncooled, high sensitivity spectral selective infrared detector
WO2018193824A1 (ja) * 2017-04-17 2018-10-25 パナソニックIpマネジメント株式会社 焦電センサ素子及びこれを用いた焦電センサ
WO2019029207A1 (zh) * 2017-08-11 2019-02-14 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种电磁吸收超材料
US10983047B2 (en) * 2017-12-08 2021-04-20 Duke University Imaging devices including dielectric metamaterial absorbers and related methods
WO2020047572A2 (en) 2018-09-07 2020-03-12 Technische Universität Wien Infrared detector
US11933670B2 (en) * 2021-08-31 2024-03-19 Texas Instruments Incorporated Methods and apparatus to detect infrared wavelengths using a mechanical resonator with an integrated plasmonic infrared absorber
CN114695636B (zh) * 2022-05-31 2022-08-19 季华实验室 一种穿戴式光热热电设备

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3097591B2 (ja) * 1997-03-31 2000-10-10 日本電気株式会社 熱型赤外線検出素子
US6489614B1 (en) * 1999-09-16 2002-12-03 Sharp Kabushiki Kaisha Thermal-type infrared radiation detector cell and image capture device incorporating the same
US6621083B2 (en) 2000-12-29 2003-09-16 Honeywell International Inc. High-absorption wide-band pixel for bolometer arrays
US8305583B2 (en) 2005-11-11 2012-11-06 National Chung Cheng University Localized surface plasmon resonance sensing system, appartatus, method thereof
JP2007255994A (ja) 2006-03-22 2007-10-04 Canon Inc 標的物質検出システム
US7741933B2 (en) * 2006-06-30 2010-06-22 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Electromagnetic composite metamaterial
US7825381B2 (en) * 2007-06-29 2010-11-02 Agiltron, Inc. Micromechanical device for infrared sensing
JP2009019893A (ja) 2007-07-10 2009-01-29 Canon Inc センシング方法及びセンシング装置
US8487385B2 (en) * 2008-08-05 2013-07-16 California Institute Of Technology Uncooled IR detector arrays based on nanoelectromechanical systems
KR101372234B1 (ko) 2009-10-09 2014-03-24 한국전자통신연구원 나노 스페이서를 이용한 광학 센서 및 광학 센서를 이용한 검출 방법
KR101093203B1 (ko) 2009-10-20 2011-12-12 한국과학기술원 Lspr 광학특성 기반 구리 증착형 나노입자 배열 바이오칩 및 그 용도
US8921789B2 (en) * 2010-09-21 2014-12-30 California Institute Of Technology Tunable compliant optical metamaterial structures

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105393300A (zh) * 2013-07-18 2016-03-09 香港科技大学 杂化共振引起的超常声学吸收和杂化共振超材料表面的声电能转换
CN105393300B (zh) * 2013-07-18 2019-12-13 香港科技大学 杂化共振引起的声学吸收和杂化共振超表面的声电能转换
WO2020130606A1 (ko) * 2018-12-20 2020-06-25 재단법인 파동에너지 극한제어연구단 전자기파 흡수를 위한 메타구조체 및 이를 이용한 온도 감응형 센서
KR20200077693A (ko) * 2018-12-20 2020-07-01 재단법인 파동에너지 극한제어 연구단 전자기파 흡수를 위한 메타구조체를 이용한 온도 감응형 센서

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