KR20160090560A - 광자 검출 회로 및 이를 구비하는 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광자 검출 회로 및 광자 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 저렴하게 구현할 수 있는 복수 개 비교기를 이용해서 광자 검출 회로를 구현하는 기술이 제공된다. 본 발명에 의해서 비교적 저렴한 비용으로 광자 검출 회로를 구현할 수 있게 되어 가정용으로 쉽게 보급할 수 있게 되었다.

Description

광자 검출 회로 및 이를 구비하는 검출 장치{PHOTON DETECTING CIRCUIT USING PHOTODIODE AND DETECTING DEVICE WITH THE SAME}

본 발명은 광자 검출 회로 및 이를 구비하는 검출 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 APD 또는 SPM와 같은 비교적 저가의 광전센서를 이용하여 정확하게 광자를 검출하는 실용적인 광자 검출 회로 및 이를 구비하는 검출 장치에 관한 것이다.

바이오, 의학 분야, 핵 방사 검출 및 환경 모니터링 등에서 미세한 광자를 검출하는 장치를 필요로 한다. 예를 들어, 의학 분야에서 당뇨의 정도를 파악하기 위해서 혈액 또는 소변에 포함되어 있는 나트륨 성분이나 칼륨 성분의 양을 검출하여야 한다. 이를 검출하기 위해서 시약을 투입하면 시약이 나트륨 성분이나 칼륨 성분과 결합하면서 광자를 발생시킨다. 이렇게 발생된 광자의 량은 매우 작아서 육안으로 검출할 수 없기 때문에 이를 정밀하게 측정하는 장치를 필요로 한다.

광자를 검출하는 센서로는 광전자증배관(PMT, PhotoMultiplier Tube)이 사용되고 있으며 정밀도가 뛰어난 것으로 알려져 있으나 가격이 비싸 대중화된 검사 장치에는 사용하기 어려운 문제점이 있다. 예를 들어 가정용 또는 일반 소규모 의원 등에서 적용하여 사용하기 위한 측정 장치에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

광전자증배관을 대체하기 위해 최근까지 다양한 광 검출 소자들이 개발되어 왔다. 특히, 반도체 광자 검출 소자는 이득의 존재 여부에 따라 PN 및 PIN 광검출기와 아발란치 포토다이오드(Avalanche photodiode)로 구분될 수 있다. PN 및 PIN 광자 검출기는 검출되는 광자의 세기에 비례하여 흐르는 광전류를 통해서 광을 검출한다. 반면에, 아발란치 포토다이오드는 검출광에 대한 민감도를 더욱 높이기 위해서, 아발란치 과정(Avalanche Process)을 통해서 이득을 제공한다.

그러나, 아발란치 과정을 통해서 구현될 수 있는 이득에도 한계가 있다. 이득의 한계를 해결하기 위한 방법이 아발란치 포토다이오드를 가이거 모드(Gieger mode)로 구동하는 것이다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)를 항복 전압 이상의 역바이어스를 인가하면, 더 높은 이득이 구현될 수 있다. 이러한 바이어스 조건으로 아발란치 포토다이오드(APD)를 구동하는 것을 가이거 모드(Geiger mode)라 한다. 가이거 모드에서는, 이론적으로 단일 광자(Single Photon)의 검출이 가능하다.

일반적으로, 아발란치 포토다이오드(APD)는 항복 전압(VBR)보다 낮은 역바이어스 상태에서는 상대적으로 낮은 이득을 제공한다. 그 대신, 항복 전압보다 낮은 역바이어스 상태에서, 아발란치 포토다이오드(APD)는 입사되는 광자량에 비례하여 광전류(Photoelectric current)를 생성하는 선형 특성을 제공한다. 하지만, 가이거 모드(Geiger mode)에서 아발란치 포토다이오드(APD)는 더 이상 광자량에 비례하는 광전류(Photoelectric current)를 생성하지 않는다. 대신, 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드에서 선형 특성 영역에서의 이득보다 더 훨씬 큰 이득을 제공한다. 따라서, 가이거 모드에서는 저광량의 광자 검출이 가능하다. 더불어, 가이거 모드에서는 선형 모드일 때보다 상대적으로 큰 광전류(Photoelectric current)를 제공하므로 별도의 복잡한 저잡음 증폭기 없이 용이한 광검출이 가능하다.

최근에는, 아발란치 포토다이오드(APD)의 응용을 위한 많은 시도가 이루어지고 있다. 특히, 3차원 영상을 구현하기 위한 광센서로 사용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예를 들면, 아발란치 포토다이오드(APD)를 사용하는 광검출기를 어레이로 구성하고, 단일 레이저 펄스를 조사하여 반사되는 빛들을 검출하면 사물의 전체적인 3차원 입체 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 장치를 3차원 영상 라이다(LIght Detection And Ranging: LIDAR) 시스템이라고도 칭한다.

사물에서 산란되어 검출기 어레이로 돌아오는 광자의 수는 거리가 멀어질수록 감소한다. 따라서, 검출되는 신호는 미약하다. 이러한 미약한 신호를 검출하기 위해서는 광검출기 어레이는 가이거 모드로 구동되는 것이 바람직하다. 또한, 광검출기 어레이를 2차원 초점면에 형성하기 위한 집적 회로로 구성하고, 광검출 효율을 극대화시키고 대중화 시키기 위한 기술들에 대한 요구가 절실한 실정이다.

특히 현재 구현되어 있는 아발란치 포토다이오드를 이용한 광자 검출장치는 광자 특성상 고속의 ADC(Analog to Digital Converter)와 이를 처리하기 위한 회로를 필요하기 때문에 생산 단가가 높아 가정용 등으로 사용할 수 있을 정도의 실용적인 제품으로 구현할 수 없는 문제점이 있었다.

특허문헌 1: 한국공개특허 제10-2011-0065285호 (2011.06.15. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 가정용 또는 일반 소규모 의원에서도 실용적인 비용으로 구매할 수 있을 정도로 실용적인 회로로 구현되며, 아발란치 포토다이오드를 이용하면서도 빠른 응답 속도를 구비하여 광자를 정확하게 검출할 수 있는 광자 검출 회로 및 이를 구비하는 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 시약의 반응에 의해 발생되는 광자를 검출하는 광자 검출 회로에 있어서, 복수 개 아발란치 포토다이오드로 구성된 광자 센서와, 광자 센서의 출력값을 전압값으로 증폭하여 출력하는 트랜스임피던스 증폭기와, 트랜스임피던스 증폭기의 출력단에 각각 연결되는 복수 개 비교기와, 비교기의 출력값을 카운터하여 일정 시간 동안의 발현된 광자 개수를 검출하는 연산 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출 회로에 의해서 달성 가능하다.

본 발명에 따른 광자 검출 회로 및 이를 구비하는 검출 장치는 비교적 저렴한 아발란치 포토다이오드로 구성되는 광자 센서를 이용하고, 고가의 ADC를 사용하는 대신 가격이 저렴한 비교기를 이용하여 구현함으로써 가정용이나 일반 소규모 의원에서도 사용할 수 있을 정도의 보편화된 광자 검출 장치를 보급화시킬 수 있게 되었다.

도 1은 시약을 이용하여 암실에 나트륨 성분과 칼륨 성분량을 측정하는 개략도.
도 2는 시약을 떨어뜨린 후 시간에 따른 밝기 변화 그래프.
도 3은 일정 시각에 동시에 발현되는 광자 개수에 따른 밝기 변화 그리프.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 광자 검출 회로도.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우 뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

혈액이나 소변에 포함된 나트륨 성분과 칼륨 성분량을 측정하는 방식에 대해 간략하게 설명하기로 한다. 도 1은 시약을 이용하여 암실에서 나트륨 성분과 칼륨 성분량을 측정하는 개략도이다. 암실(11)은 세 개의 실험관이 꽂혀지는 개구부만을 남겨놓은 상태에서 외부 광이 내부로 들어오지 않게 차단시키는 구조물로서, 외벽에는 알루미늄 은박지를 이용하여 밀봉시켜 사용한다. 혈액이나 소변(63)이 들어 있는 시험관(61) 상부에서 시약(71)을 송곳처럼 뾰족한 것을 이용하여 시험관 내부로 떨어뜨린다. 세 개 시험관(61)의 입구측에는 중앙에 구멍이 뚫려있는 노브(13)가 설치되고, 시약을 시험관 내부에 투입한 후 노브(13)를 잠궈서 외부와 차단되도록 하였다.

시험관 하부에는 아발란치 포토다이오드로 구성되는 광자 센서(10)를 설치한다. 광자 센서(10)는 도 1(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 시험관(61) 하부에 놓여져도 좋고, 도 1(c)에 도시된 바와 같이 측면에 위치시켜도 좋다. 단, 정확한 실험을 위해서 세 개 시험관(61)에 설치되는 아발란치 포토다이오드 위치는 모두 동일하게 유지시키는 것이 좋다. 즉, 도 1(a) 내지 도 1(c)의 모든 경우 아발란치 포토다이오드로 구성되는 광전 센서(10)를 시험관(61) 하부에 위치시키거나 또는 모두 시험관(61) 측면에 위치되도록 하는 것이다.

첫 번째 시험관은 표준 용액(63)을 시약(71)과 반응시키기 위한 것이고, 두 번째와 세 번째 시험관은 검사 대상자의 혈액이나 소변(65)을 시약(71)과 반응시키기 위한 것이다. 시약을 시험관 내부에 떨어뜨린 후, 도 1(b)에 도시된 바와 같이 표준 용액(S)에서 발생되는 광자 량을 측정하고, 나트륨 성분 반응에 대한 광자 량과 칼륨 성분 반응에 대한 광자 량을 측정하게 된다.

도 2는 시약을 떨어뜨린 후 시간에 따른 밝기 변화 그래프이다. 대략 15초를 전후해서 밝기의 최대치를 보이다가 서서히 줄어드는 현상을 보이므로 20초 내의 밝기를 측정한다. 물론 이러한 밝기는 너무 미약해서 육안으로는 확인할 수 없는 밝기이다.

본원 발명자가 아발란치 포토다이오드로 구성되는 광자 센서를 이용하여 밝기를 측정하면 20초 이내에서 동일한 시각에 발생되는 광자 개수는 한 개에서 네 개 사이인 것이 대부분(대략 95%)을 차지하는 것을 알 수 있었다. 간혹 동일한 시각에서 발생되는 광자 개수가 5개 또는 6개가 되기도 하였는데 거의 발생되지 않았다. 따라서 본 발명에서는 동일한 시각에 총 4개의 광자가 발견되는 경우를 카운터하는 것으로 한다.

여기서 아발란치 포토다이오드으로 구성되는 광자 센서 구조에 대해 간략하게 설명하기로 한다. 아발란치 포토다이오드로 구성되는 광자 센서(10)는 3,000개 내지 6,000개 포토 다이오드로 구성되며, 광이 인가되면 이를 구성하는 포토다이오드 중에서 광을 검출하는 포토다이오드가 켜지게 되고 이에 상응하는 전류를 출력하는 센서이다. 여기서 의미하는 광자 한 개가 발견되었다고 하는 것은 3,000 내지 6,000개의 포토 다이오드 중에 한 개만 켜지는 광량이라는 것을 의미하는 것이므로 물리학적인 측면에서 말하는 광자 한 개에 의해 발현되는 광량과는 전혀 다른 의미로 사용되고 있는 것이다. 하지만 설명의 편의상 이러한 설명에 따라 기술하도록 하겠다. 아발란치 포토다이오드는 통상 APD(Avalanchi PhotoDiode)로 불리어지며, SiPM(Silicon PhotoMultiplier)라는 제품도 상용으로 사용할 수 있다. SiPM도 아발란치 포토다이오드의 일종이다.

도 3은 아발란치 포토다이오드로 구성되는 광자 센서에서 주로 발생되는 광량을 분석한 것이다. 정확하게는 도 3(a)는 동일 시각에 광자 한 개가 발현되는 경우를 나타낸 것으로 20nsec 사이에 진폭이 100mV인 전압으로 표현됨을 알 수 있으며, 도 3(b)는 동일 시각에 광자 두 개가 발현되는 경우를 나타낸 것으로 20nsec 사이에 진폭이 200mV인 전압으로 표현됨을 알 수 있으며, 도 3(c)는 동일 시각에 광자 세 개가 발현되는 경우를 나타낸 것으로 20nsec 사이에 진폭이 300mV인 전압으로 표현됨을 알 수 있으며, 도 3(d)는 동일 시각에 광자 네 개가 발현되는 경우를 나타낸 것으로 20nsec 사이에 진폭이 400mV인 전압으로 표현됨을 알 수 있다. 여기서 100mV, 200mV, 300mV, 400mV 라는 수치는 각각 이후 설명하는 비교기의 기준값으로 사용되는 수치이다. 이러한 수치는 구현하는 회로의 증폭기 이득의 셋팅치와 검사 시료에 따라 다른 값을 가지는 것으로 이해되어져야 한다. 도 3에서 최고 피크치는 광자에 의해 포토다이오드를 발광하는 시점이 되며, 이후 지수적으로 감소되는 파형을 방전 구간으로 이해하면 된다.

도 2에 제시된 그래프는 도 3(a) 내지 도 3(d)에 제시된 그래프가 종첩되면서 나타나는 것으로 이해하면 된다. 도 3(e)는 최초에 네 개의 광자가 발현한 후 20nsec 후에 세 개의 광자가 발현하는 경우를 나타낸 것이다. 20nsec 시각에 세 개의 광자가 추가로 발현하면 네 개의 광자에 해당하는 광량에 세 개의 광자에 해당하는 광량이 중첩되도록 광이 발현되는 것이 아니라 아발란치 포토다이오드의 병렬 연결 구조의 특성상 도 3(e)에 도시된 바와 같이 중첩되지 않고 별개로 표시됨을 실험을 통해 확인하였다.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 광자 검출 회로도이다. 광자 센서(10)로는 아발란치 포토다이오드를 사용하였다. 광자 센서(10)로부터 출력은 TIA(TransImpedance Amplifier, 20)로 입력되어 전압 형태로 출력된다. TIA(20)의 출력은 네 개의 비교기(31, 33, 35, 37)에서 비교되고, 연산 제어부(50)는 각 비교기의 출력값을 카운팅하여 전체 광량을 검출하는 것이다. 이때 제1비교기(31)는 기준값으로 한 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 셋팅하고, 제2비교기(33)는 기준값으로 두 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 셋팅하고, 제3비교기(35)는 기준값으로 세 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 셋팅하고, 제4비교기(37)는 기준값으로 네 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 셋팅한다.

연산 제어부(50)는 각 시각 대별로 입력되는 비교기의 출력값을 카운터함으로써 전체 광량을 계산할 수 있게 되는 것이다. 예를 들어 t1 시각에 (제1비교기, 제2비교기, 제3비교기, 제4비교기)에서 나오는 출력값이 (1,1,1,0)로 표시된다고 가정하자. 이때 (1,1,1,0)라는 것은 제1비교기, 제2비교기 및 제3비교기의 출력값은 1이고, 제4비교기의 출력값은 0임을 나타내는 것으로 해석하기로 한다. 이 경우 t1 시각에는 제3비교기까지 출력값이 1이 되는 상황이므로 총 세 개의 광자가 빛을 내는 것으로 카운팅하면 되는 것이다. 믈론 연산 제어부(50)는 비교기 출력값을 이용하여 전술한 방식 외 다양한 방식으로 처리가 가능하다.

도 4에 제시된 회로에서 네 개의 비교기는 하나의 ADC(Analog to Digital Converter)로 대체할 수도 있다. 그러나 전술한 바와 같이 하나의 광자가 켜졌다가 소멸하는데 소요되는 시간은 20n 초가 넘지 않으므로 회로 소자를 사용할 때 지연시간(propagation delay time)이 20n 초가 넘지 않는 소자를 사용하여야 한다. 이러한 요건을 충족하는 지연시간을 갖는 ADC는 개당 가격이 고가이므로 이를 이용하여 가정이나 일반 소규모 의원에서 사용하는 광자 검출기를 구현하기는 어렵다. 또한 ADC는 연속되는 전압값을 측정하므로 이를 처리하기 위해 별도의 DSP(Digital Signal Processor)를 사용해야 하는 등 회로 구현 비용이 상승하게 된다. 이에 비해 도 4에 제시된 바와 같이 네 개 비교기를 사용하더라도 전체 비용을 저렴하게 유지할 수 있게 되었다.

도 4에 제시된 광자 검출 회로에 디스플레이부 등을 결합하면 광자 검출 장치로 구현할 수 있다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 광자 센서 11: 암실
13: 노브 20: 트랜스임피던스 증폭기
31: 제1비교기 33: 제2비교기
35: 제3비교기 37: 제4비교기
50: 연산 제어기

Claims (3)

1. 시약의 반응에 의해 발생되는 광자를 검출하는 광자 검출 회로에 있어서,
   복수 개 아발란치 포토다이오드로 구성된 광자 센서와,
   상기 광자 센서의 출력값을 전압값으로 증폭하여 출력하는 트랜스임피던스 증폭기와,
   상기 트랜스임피던스 증폭기의 출력단에 각각 연결되는 복수 개 비교기와,
   상기 비교기의 출력값을 카운터하여 일정 시간 동안의 발현된 광자 개수를 검출하는 연산 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출 회로.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 비교기는 제1비교기, 제2비교기, 제3비교기 및 제4비교기로 구성되고, 상기 제1비교기의 기준값으로는 한 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 설정되고, 상기 제2비교기의 기준값으로는 두 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 설정되고, 상기 제3비교기의 기준값으로는 세 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 설정되고, 상기 제4비교기의 기준값으로는 네 개 광자를 검출할 수 있는 전압값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 광자 검출 회로.
   
3. 제1항 또는 제3항의 광자 검출 회로와,
   검출된 광자에 의한 광량을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출 장치.

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