적외선 센서 소재 및 응용현황

(1)

투명세라믹재료 특 집

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1. 서론

독일 태생의 영국의 천문학자인 윌리엄 허셜은 1800 년 프리즘을 사용하여 태양 복사를 연구하던 중 붉은색 밖의 영역에서도 온도계의 수은주가 올라가는 것을 발견 한 것으로부터 시작되었다(Fig. 1). 이후 적외선 연구는 빌헬름 빈이 1896년 적외선과 절대온도와의 관계를 규 명하고, 1901년 막스 플랑크가 흑체 복사 에너지에 대한

이론적인 규명을 완성하였다. 이후 적외선 영역의 감지 체에 대한 연구가 현재에 이르기까지 활발히 이루어지고 있다.

플랑크 복사에너지 수식을 보면, 파장별 복사 출력 M 는 전자기파의 방사와 흑체의 온도에 의해 아래 수식[1]

에 의해 정의될 수 있다.

²⁾

λ 는 파장, h는 플랑크 상수, c는 진공의 빛의 속도이며, T는 절대 온도이다. 또한 총 복사량은 스테판-볼쯔만 (Stefan-Boltzmann)식에 따라 온도의 4승에 비례한다.

Fig. 2는 온도가 -50~80℃로 변할 때 흑체에서 복사되는 적외선 영역의 복사스펙트럼을 계산한 결과이다.

적외선은 0.8~1.4 µm 영역의 NIR, 1.4~3 µm영역의 SWIR, 3~5 µm 영역의 MWIR, 8~15 µm 영역의 LWIR,

적외선 센서 소재 및 응용현황

글

_ 김희연, 김태현 나노종합기술원

Fig. 1.

적외선 연구의 기원

William Herschel.

¹⁾

Fig. 2. -50~80℃로 온도가 변할 때 흑체 복사 스펙트럼 계산결과 .

(2)

김희연, 김태현

특 집

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15 µm 이상의 FIR 등으로 분류하며, 특히 MWIR 및

LWIR 영역은 다른 파장대에 비해 공기에 대한 투과도가

좋아서 적외선 센서에 가장 많이 쓰이는 파장 영역이다.

Fig. 3은 특히 8~14 µm 영역의 대기의 창은 300 K에 해 당하는 적외선이 최대로 나오는 영역으로 물체를 식별하 는데 많이 사용되고 있으며, 3~5 µm 영역은 비행기나 미사일의 연기에서 나오는 온도 (900 K)와 일치하기 때 문에, 군사적으로 많이 사용되고 있다.

적외선 센서는 크게 감지형태인 광자형 (Photon)과 열 형 (Thermal)에 의해 분류된다. 광자형은 대표적으로 QWIP (Quantum Well Infrared Photodetectors)에 적용할 수 있는 MCT (Mercury Cadmium Telluride), InSb (Indium Antimonide), InGaAs (Indium Gallium Arsenide) 등의

감지 물질을 이용하여 파장에 따른 재료의 에너지 밴드 에 의해 photocurrent를 발생시켜 적외선 영역 파장을 감 지하는 형태이다. 이들 물질은 플랑크 복사공식의 파장 과 Activation 에너지와의 관계 수식[2]로부터 0.1eV (for LWIR) to 1.8eV (for NIR)의 활성화 에너지를 갖 고 있어야 하며, 높은 S/N비 및 성능을 위해서는 절대 온 도 77K의 환경에서 동작해야 한다. 높은 S/N비의 장점 으로 적외선 분광분석 분야 등에 이용되고 있다(Fig. 4).

²⁾

반면, 비냉각 방식으로 절대 온도 300 K인 상온에서 동작하는 열형 적외선 감지 형태는 별도의 냉각기가 없 기 때문에 소형화 할 수 있다. 대표적으로 Sn-Bi 등의 물 질로 제백현상을 이용하는 써모파일, 온도에 의해 분극 이 생기는 초전형, 온도에 의해 저항이 변하는 볼로미터 등의 형태가 있다. 이와 같은 열형 적외선 센서는 방사에 너지의 열을 이용하기 때문에 센서부분이 열 고립형태로 이루어져야 하고 일정시간동안 열을 고립해야 하기 때문 에 광자형 센서에 비해 응답속도가 느리다. 위와 같은 단 점에도 불구하고 20세기 반도체 공정기술의 고도화와 IC 와 동시에 만들 수 있는 장점에 의해 동영상에 적합한 60 Hz 미만의 응답속도를 달성하기 위해 많은 연구가 이루 어 졌으며, 대표적으로 마이크로 볼로미터를 이용한 비 냉각 적외선 카메라로 상용화에 성공하여 민간 및 국방 분야에 널리 사용되고 있다.

Table 1. 적외선 파장 영역별 분류

Fig. 3. 적외선 파장에 따른 대기 중의 투과 스펙트럼 .

Fig. 4. 광자형 감지소재의 흡수계수 . Fig. 5. 감지체 물질별 제조사 분류 (미국 ).

(3)

이러한 마이크로 볼로미터의 적외선 감지체로는 금속 산화물인 Vanadium Oxide와 Amorphous silicon의 두 가 지 물질이 가장 많이 사용되고 있으며, 미국 국방 연구기 관 등과 각 기업 간의 활발한 연구로 개발되었다(Fig. 5).

2. 적외선 센서 소재

2.1. 적외선 감지 소재

온도감지물질은 볼로미터의 감도 (NETD)에 큰 영향 을 미친다. 높은 온도저항계수 (TCR)와 작은 1/f 노이즈 를 가지는 물질이 요구된다. 또한, ROIC 회로 제작을 위 한 CMOS 공정과 호환성을 유지하여 저렴한 비용으로 제작이 가능하여야 한다. 오늘날, 대부분의 마이크로볼로 미터용 온도감지물질로는 바나듐 산화물 (VOx)과 비정 질 실리콘 (a-Si), 실리콘 다이오드 등이 사용된다. BST 와 같은 강전 (ferroelectric) 물질도 사용되나, 이는 초전 형 적외선 센서이고, 점차 활용도가 줄어들고 있으므로, 본고에서는 제외하기로 한다(Fig. 6, 7).

볼로미터의 NETD는 일반적으로 온도감지물질의 1/f 노이즈에 의해 제약을 받는다. 1/f 노이즈는 재료마다 큰 차이를 가지는 재료상수이며 재료조성의 작은 변화로도 1/f 노이즈 상수는 크게 변하게 된다. 대부분의 재료에 대해 1/f 노이즈에 대해 상세한 데이터는 알려져 있지 않 지만, 단결정 재료가 비정질이나 다결정 재료에 비해 우 수한 1/f 노이즈를 나타낸다고 보고되고 있다.

(1) VOx

바나듐 산화물 박막은 상온에서 2~3%/K의 TCR (Temperature Coefficient of Resistance)을 가지며, 가장 널리 적용되고 있는 물질이다. 바나듐 산화물은 VO

2

, V

2

O

5

, V

2

O

3

의 많은 상들이 존재하며 특정 온도에서 절 연체나 반도체로부터 금속상으로 상변태를 겪는다(Fig.

8). 단결정 VO

2

와 V

2

O

5

는 4%/K 이상의 TCR을 가지나 제조하기가 어렵다. 일반적으로 사용되는 Evaporation이 나 Sputtering은 비정질 또는 다결정 박막을 생성하며, 고압의 산소 분위기에서 바나듐 타겟을 이용한 이온빔 증착의 경우 V

2

O

5

가 형성되나 저항이 매우 높다. V

2

O

3

는 낮은 형성에너지를 가지며 저온에서 반도체로부터 금 속상으로 상변태를 겪으며 상온저항이 매우 낮다.

소자의 저항이 높을수록 노이즈가 증가하기 때문에 낮 은 저항을 가지는 V

2

O

3

의 생성이 중요하다. 바나듐 산화 물 박막을 제조하기 위하여 다양한 시도들이 있어왔다.

세계 각국의 연구그룹은 V

2

O

5

, V, V

2

O

5

의 샌드위치 구

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적외선 센서 소재 및 응용현황

Fig. 6. 전 세계 적외선 센서 재료 동향 .

Fig. 7. 적외선 파장 영역과 감지물질 , 기술 , 응용분야 별 분류 . Fig. 8. VO

2

박막의 온도 -저항 특성 .

(4)

조를 통해 상조절이 용이한 제조공정을 제안하였고, 4.4%/K의 TCR과 20kΩ/sq 정도의 낮은 저항을 얻을 수 있었다. 이외에도 바나듐-텅스텐 산화물 및 Ti-W co- doping등을 통해 5%/K 이상의 저항을 보고하기도 하였 다. 다른 물질에 비해 면저항이 낮아 전자기파의 임피던 스 매칭을 위한 별도의 흡수층을 형성할 필요가 없기 때 문에 전 세계 비냉각 적외선 영상 센서로 가장 많이 사용 하는 물질이다. 그러나 산화물 자체 증착 조건을 관리하 기 난해하고 물질 특허에 의한 위험부담으로 적외선 연 구 개발의 후발주자로부터 외면 받고 있는 실정이다.3- 6,13,14,16)

(2) a-Si

액정 디스플레이의 TFT나 태양전지의 활성층으로 주 로 사용되어왔던 비정질 실리콘은 2000년에 Syllaios 등 에 의해 마이크로볼로미터에 적용되었다. 비정질 실리콘 은 2~3%/K 정도의 적절한 TCR을 가지고 있다. 특히 바 나듐 산화물이 특허권의 제약을 받아 수입이 자유롭지 않은 반면에 비정질 실리콘은 기존 반도체 생산설비에서 제조될 수 있는 장점으로 인하여 최근에 관심이 고조되 고 있다. 비정질 실리콘으로 된 볼로미터 멤브레인은 매 우 얇아 열용량이 낮으므로 열시상수를 유지하기 위해 열전도도가 낮게 유지하는 설계가 필요하다. Fig. 9와 같 이 비정질 실리콘은 주로 PECVD나 스퍼터링과 같은 비

평형 공정에 의해 제조되어 상대적으로 1/f 노이즈가 큰 것이 단점이라 할 수 있다.

3-6,13,14,16)

Fig. 10은 Boron 도핑된 a-Si:H의 TCR 특성이며 반도 성을 나타내어, 저항은 온도에 따라 비선형적인 특성을 나타낸다.

(3) 실리콘 다이오드

pn 접합 또는 Schottky 배리어 접합의 정방향 전압의 온도의존성을 통한 적외선 센싱이 가능하다. 일반적으로 pn 접합의 경우 0.7V, Schottky 다이오드의 경우 0.6V의 정방향 전압을 가지며, 1~2 mV/K의 온도-전압 특성을 통 해 0.2%/K의 TCR을 나타내며, 저항형 볼로미터보다는 낮은 값을 나타낸다. 다이오드를 사용하는 장점은 다이 오드가 저항체보다 훨씬 작은 면적으로 구현이 가능하여 훨씬 작은 픽셀 크기를 구현할 수 있다는 것이다.

^3,13,14)

(4) 기타

가장 용이한 온도 감지 재료는 금속박막이며, 이들은 CMOS ROIC 공정과 쉽게 호환이 가능하고, 1/f 노이즈 도 낮다. 그러나 TCR이 매주 낮아 (Ti의 경우 0.35%/K), 성능면에서 불리하다.

PECVD나 반응성 스퍼터링에 의해 제조된 비정질 Ge

x

Si1-

x

O

y

는 5.1%/K의 높은 TCR을 보이나 1/f 노이즈 가 높은 단점이 있다. 열전도도는 상대적으로 낮은 장점 을 가진다.

김희연, 김태현

특 집

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Fig. 9. a-Si:H 박막의 1/f 노이즈 특성 . (a) PECVD, (b) 스퍼터링 , (c) Johnson 노이즈 .

Fig. 10. Boron-doped a-Si:H 박막의 TCR 특성 .

(5)

LPCVD로 약 30%정도의 Ge 함량을 가지는 다결정 SiGe도 사용된다. 증착 및 열처리 온도가 높기 때문에 금속배선공정 전에 멤브레인이 형성되어야 한다. MBE 등 고진공으로 증착된 Si/SiGe 다층 에피박막의 경우 고 품질의 단결정을 형성하여 3.3%/K의 높은 TCR과 낮은 1/f 노이즈 특성을 보인 결과가 보고되었다.

넓은 밴드갭을 가지는 PECVD 증착된 비정질 또는 나 노결정 SiC 등도 적용되어왔는데, TCR은 0.7~2.3%/K 범 위내에서 조절이 가능하다. TCR이 증가함에 따라 노이즈 도 증가함으로 적절한 조절이 필요하다.

이외에도 반도체성 YBaCuO, CMR (colossal magneto resistance), 탄소 박막 등도 적용이 보고되고 있다.

3,5,6,13,14,16)

2.2. 적외선 윈도우 및 렌즈소재

적외선 영역의 투과율을 갖고 있는 재료는 Fig. 11과 같이 다양하다. 이들 재료들에 대해 타깃 파장 영역의 투 과도가 있다고 모두 사용할 수 있는 것은 아니며, 대부분 의 재료가 고가이고 AR (Anti-Reflection) coating 처리

등을 통하여 적외선 윈도우 및 렌즈로 가공된 재품으로 사용할 수 있게 된다.

Fig. 12와 같이 SWIR 영역에서는 AR coating 하지 않은 상태에서도 높은 투과율을 갖고 있는 sapphire, MgF, AMTIRI 등의 재료가 있으며, LWIR 영역으로는 대표적 으로 Ge 재료가 자체 투과율은 낮지만 8 µm 이상의 파 장 영역 투과율이 일정하여 AR coating으로 쉽게 투과 율을 향상시킬 수 있는 장점을 가져 가장 보편적으로 사 용되고 있다. 최근 초소형, 저가형 시장이 대두됨에 따라 LWIR 영역의 투과율이 뛰어나지 않지만 AR coating 기 술로 이를 극복하여 IR window로 Silicon이 많이 사용 되는 추세이다.

¹¹⁾

특히 적외선 렌즈는 5매까지 들어가는 High end 분야 를 제외하더라고 모든 적외선 카메라에 최소한 1개의 렌 즈가 장착된다. 이는 전체 적외선 카메라 가격의 30% 이 상을 차지하고 있다. Ophir사는 Germanium 재료로 적 외선 카메라용 렌즈 공급 세계시장 1위를 선점하고 있으 며, Umicore사는 칼코지나이드 몰드 유리 재료로 Germanium 렌즈 대비 75% 수준의 저가형 렌즈를 공급 하며 점차 세계시장에서의 비중이 높아지고 있는 실정이 다. 몰딩 제작을 할 수 있는 장점을 가진 칼코지나이드 재료는 Lightpath사 등의 후발 주자에서 단가를 더 낮추 려는 연구 개발이 지속적으로 이어지고 있어 세계 적외 선 카메라 가격이 더욱 낮아질 전망이다(Fig. 13).

¹⁵⁾

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적외선 센서 소재 및 응용현황

Fig. 11. 적외선 영역별 다양한 투과 재료 .

Fig. 12. 적외선 영역의 투과 재료별 투과율 . Fig. 13. 적외선 광학 재료별 제조사 동향 (Yole report, 2012).

(6)

(1) Germanium

저마늄은 적외선 소재로 가장 많이 사용되는 재료이다.

적외선 흡수층의 화합물부터 패키징의 적외선 투과창은 물론이고, 렌즈까지 모듈을 이루는 부품의 적외선 투과에 관련된 재료는 대부분 이 재료를 사용한다. 원자번호 32 번으로 주기율표에서 탄소 (C), 규소 (Si), 주석 (Sn), 납 (Pb)과 함께 14족 (4A족)에 속하는 탄소족 원소이다. 지각 존재비율이 0.00016%로 53번째인 비교적 희귀한 원소이 다. 적외선 영역의 파장 투과도가 높으며 굴절율이 4이상 으로 높고 LWIR 영역의 고른 투과 특성을 보이기 때문에 AR coating 후에 특정 파장영역의 투과 효율을 극대화하 기 용이하다(Fig. 14). 렌즈 재료 부분에도 굴절률이 높지 만 투과율이 일정한 특성으로 LWIR의 렌즈는 대부분 Ge 를 사용하고 있다. 다만 재료 자체 단가가 비싸기 때문에

저가 시장은 더 이상의 경쟁력을 기대하기 힘들다.

¹⁰⁾

(2) Silicon

반도체를 Silicon이 이끌 수 있는 계기는 부존량이 Germanium보다 많고 생산가격이 월등히 저렴하며, 가 공이 용이하다는 등의 장점을 잘 살렸기 때문이다. IR 재 료로서의 Silicon도 개발 초기단계로 Germanium 보다 특 성이 우수 하지 않지만 재료 단가가 많이 들지 않는다는 점 하나만으로 충분히 경쟁력이 있는 재료이다. 최근 시 장의 추세가 저가형 영상모듈을 원하는 곳이 증가되어 WLP (Wafer Level Package) 개발이 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 그 핵심은 Silicon이 LWIR 영역에서 dis- persive 한 투과특성을 갖고 있지만 AR coating 재료와 기술의 발전으로 가능성을 보여주고 있기 때문일 것이다.

균일한 파장별 투과 특성이 주요한 IR 렌즈제작 용의 진 입은 불가능할지 모르겠으나 IR window의 재료는 향후 몇 년 안에 silicon으로 대체될 것으로 전망되고 있다. 이 미 국내 업체에서도 LWIR 영역의 Silicon AR coating개 발이 완료되어 제품에 사용되기를 기다리고 있다(Fig. 15).

Fig. 16과 같이 FZ (Float Zone) wafer는 Cz (Czoc hral- ski) wafer에 비에 Oxygen 농도가 낮아 9 µm 영역에 상 대적으로 유리하며, 더욱이 1 mm이하의 두께인 경우, Silicon Lattice absorption band에 의한 흡수마저 줄어들 게 된다. 또한 AR coating을 하게 되면 Germanium 보다 는 높지 않지만 유사한 수준의 LWIR 영역의 투과 특성 김희연, 김태현

특 집

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Fig. 14. Ge window의

¹⁾

재료 투과율 및

²⁾

AR coating 후 투과율 비교 .

Fig. 15. 500 µ m 두께 OZc wafer의 AR coating된 투과율 .

(7)

을 나타낼 수 있다.

²⁰⁾

(3) 칼코지나이드

칼코지나이드 (Chalcogenide)는 주기율표 6족에서 산 소 (O)를 제외한 황 (S), 셀레늄 (Se), 텔레늄 (Te) 등의 칼코젠 원소를 하나 이상 포함하는 이원계 이상의 화합 물로 구성되어 있는 소재를 나타낸다. 적외선 광학 기기 로 사용되는 칼코지나이드 유리소재 (Ge

20

Sb

15

Se

65

)는 고 가의 소재인 Ge 성분을 약 20% 정도만을 함유하여 기존 Ge 등의 고가의 단결정 소재보다 생산 공정비용이 낮

다.

^17,18)

또한 몰드 성형이 가능하여 SPDT (Single Point

Diamond Tuning)이나 폴리싱 공정으로 제작하는 단결 정 유리 소재에 비해 생산단가 역시 낮출 수 있다. 따라 서 저가 보급형 적외선 렌즈 대량생산에 여러 연구가 보 고되고 있는 실정이다. 최근 문헌에 의하면 제작시 열팽 창, 응력 등에 의해 발생되는 성형오차 및 형상오차에 대 해 보정 등의 제작시 노하우가 필요하지만, 그 성능은 적 외선 광학계로 충분히 사용가능한 수준을 보이고 있어

향후 적외선 카메라 전체가격을 낮출 수 있기 때문에 주 목받고 있는 재료이다(Fig. 17).

3. 적외선 응용분야 및 전망

적외선 영상 센서는 최근 스마트 시대를 맞아 산업전 반에 보편화 되고 있는 실정이다. 최초 고가의 군수용품 으로만 사용되었기 때문에 선진국 및 국방력이 강한 강 대국을 중심으로 기술 개발이 이루어져 기술 교류가 매 우 어려웠고 해당 분야에 사용되는 재료 연구 역시 같은 상황이었다. 그러나 이미 모바일에 장착하여 언제 어디 서는 적외선 영상을 보고 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있는 시장이 열렸다.

Fig. 18(a) 그래프에서 2010년을 기점으로 판매액이 군수시장 대비 민수시장의 비율이 50%를 넘어섰으며 자 동차, 보안 등은 10% 이상의 높은 성장률을 예상하고 있 어 2017년에는 판매액 점유율이 61% 이상으로 전망하 고 있다. Fig. 18(b)의 판매량으로 보면 연평균 25% 이 상의 성장률을 예상하고 있는 것을 알 수 있다. 이를 통 해 앞으로의 재료의 연구 개발 분야 역시 고성능의 고가 보다는 보편화 할 수 있는 값싸고 생산성이 높은 재료 개 발이 활발히 진행될 것으로 전망 할 수 있다.

¹⁵⁾

3.1. 자동차

사람과 주위환경과의 높은 명암대비 효과로 마이크로 볼로미터를 적용한 적외선 카메라는 야간에 주로 사용되 는 보안감시분야에 매우 적합하다. 일반적인 보안 감시

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적외선 센서 소재 및 응용현황

Fig. 17. 한국광기술원에서 개발 제작한 칼코지나이드 유리소재 적외

선 비구면 렌즈 .

Fig. 16. Silicon OCz wafer와 FZ wafer의 파장별 투과율 비교 및 두께별 투과율 비교 .

(8)

카메라뿐만 아니라, 최근에 가장 높은 성장속도를 보이 고 있는 것이 자동차용 나이트 비젼 (Night Vision) 분야 이다.

나이트 비젼 시스템은 야간뿐만 아니라, 안개, 우천시 등 열악한 운전상황에서 운전자의 시야를 확보하고 (Fig.

19), 차선이탈방지 및 자율주행시스템등과 연동되어 지

능형 자동차 개발에 있어서 필수기능으로 평가를 받고 있다. 현재 나이트 비젼은 적외선 열원을 통해 방출된 적

외선이 물체에 반사되어 돌아오는 적외선을 검출하는 능 동형의 근적외선 방식과 인체를 비롯한 대상물체에서 방 출되는 적외선을 검출하는 수동형의 원적외선 방식으로 구분된다. 마이크로볼로미터를 적용한 원적외선 방식은 가격이 높다는 단점이 있으나, 근적외선 방식에 비해 긴 가시거리와 우수한 노이즈 특성으로 인해 고가차량 위주 로 채용이 확대되고 있는 실정이다.

차량에 탑재하기 위해서는 외부환경에 노출될 수밖에 없고 사고 시 인명에 연관이 되어있기 때문에 높은 신뢰 성이 필요하다. 온도, 진동 등의 환경이 경박, 단소한 초소 형 모듈로는 극복하기 힘들기 때문에 메탈 패키징이 유 리하다. 또한 일반 Glass는 적외선을 투과하지 못하기 때 문에 차량 내부에 적외선 카메라를 장착할 수 없어서 Fig. 20과 같이 전장에 장착해야 하기 때문에 외부에 노 출된 윈도우나 렌즈의 강도도 매우 중요한 요소이다. 높 은 강도를 위해 AR coating 후에 DLC (Diamond Like Carbon) coating을 하는 방법이 일반적이다.

^8,12)

3.2. 모바일

최근 세계 적외선 카메라 시장 1위 업체인 FLIR는 FLIR ONE이라는 제품을 출시하여 시장을 선도하고 있 다(Fig. 21). 스마트 폰 내부에 탑재하는 방식은 아니지 김희연, 김태현

특 집

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(a) 세계 LWIR 비냉각 적외선 카메라 시장(판매액 )

(b) 세계 LWIR 비냉각 적외선 카메라 시장 (판매량)

Fig. 18. 세계 LWIR 적외선 영상 카메라 시장 (a) 판매액 (b) 판매량 (Yole report, 2012).

Fig. 19. BMW 차량에 장착된 나이트 비젼 시스템 사례 .

Fig. 20. (a) 차량전면부에 장착 사진 및 (b) 장착된 QVGA급 마이크 로볼로미터 센서 .

Fig. 21. 모바일에 적용한 FLIR의 FLIR ONE 제품 및 적외선 영상 . (a)

(b)

(9)

만 실생활에서 쉽게 온도 및 그 분포를 알기 위한 필요성 이 대두되고 있다는 증거로 볼 수 있다. 스마트 폰 뒷면 에 부착하는 방식으로 visible CMOS CCD 영상과 적외 선 영상을 동시에 보며 온도분포를 알 수 있는 형식이다.

160 × 120 array 이하로 화소 수는 적지만 비접촉식으 로 온도값과 그 분포를 한눈에 알 수 있기 때문에 활용성 이 뛰어나다.

⁹⁾

일반적인 적외선 카메라의 크기가 아닌 초소형 적외선 영상 모듈을 구현하기 위해서는 WLP (Wafer Level Package) 기술로만 초소형 모듈로 제작할 수 있다(Fig.

22). 센서 wafer와 Cap wafer를 진공 부착하기 위해서는 Ge 재질이 아닌 Si 재질이어야 하기 때문에 성능보다는 활용성에 그 주안점이 있으며, 고진공 패키징을 하기 위 해서는 좁은 공간에 불필요한 가스를 흡착 할 수 있도록 Getter가 삽입되어야 하는데 기존 Bulk형이 아닌 Film형 Getter 재료, 고진공 Package를 위한 Solder 재료, 높은 강 도의 AR coating 재료 및 공정기술 개발이 수반되어야 한 다. 모바일 기기에 적용되기 위해 렌즈 역시 일반 Ge 렌 즈가 아닌 칼코지나이드 유리 재료 적용이 증가되고 있 다. 이와 같은 배경으로 전세계 적외선 카메라 관련 업계 에서는 이러한 초소형 저가형 적외선 영상 센서 개발에 많은 노력을 하고 있는 실정이다.

^19,20)

3.3. 스마트홈

2010년부터 정부는 대형건물의 경우 에너지목표관리 제를 시범실시하고 있는데, 이때 건물의 에너지 사용정 도와 누출위치를 찾을 때 가장 효율적인 방법이 적외선 열영상이다. 특히 벽이나 땅속에 묻힌 배관의 경우 파손 없이 배관의 파손여부를 적외선 열영상으로 확인이 가능

하다. 일반적으로 Fig. 23의 Hand held type의 160 × 120 이상의 화소수의 센서가 장착되어 한손에 잡고 소형 디 스플레이로 적외선 영상을 확인 할 수 있는 카메라 형태 이다. 극한 외부환경이 아니기 때문에 중저가 패키지인 세라믹 패키징을 사용한다. 기존 메탈 패키지보다 작고 WLP 보다 크지만 독립 모듈로 영상까지 볼 수 있어야 하기 때문에 센서만의 크기는 작을수록 유리하다. 이러 한 이유로 센서 패키징에 사용되는 재료가 WLP에 사용 되는 재료를 사용하는 것으로 보고되고 있다.

모바일에 적용되기 이전부터 시장 수요에 의해 산업계 에 보편화 되어있어 이미 많은 기술개발이 되어 있는 상 태이지만 일반 CCD 카메라 시장도 그렇듯이 뛰어난 해 상도를 점차 원하게 될 것으로 전망할 수 있으며, 스마트 홈 뿐만 아니라 민수용 적외선 카메라에 사용되는 고성능 저가형 재료 개발도 발맞추어 개발될 것으로 기대한다.

⁹⁾

3.4. 국방 및 보안

일반적으로 군사용으로 적외선 검출기가 활용되는 곳 은 야간시계를 확보할 필요성이 있는 곳이다. 해안 또는 철책선의 감시장비 (Thermal Observation Device, TOD), 포병의 사격을 위한 주야 관측장비, 전차의 전차장 및 포 수의 열상 조준경 등의 지상 장비로부터 정밀 유도무기의 탐색기, 무인기를 포함한 항공기의 항법용 FLIR (Forward Looking IR) 및 정보 수입용 탑재장비, 정찰 위성 등에도 적외선 검출기는 열상 시스템에 탑재하여 사용되며, 최근 미사일 경보시스템 등의 전자광학전에도 적외선 검출기 기술은 필수 핵심기술로 활용된다. 미국의 경우, 초기에 는 냉각형 검출기 위주로 개발 및 적용되었으나, 마이크 로볼로미터 타입의 비냉각 검출기 기술이 충분히 성숙되

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적외선 센서 소재 및 응용현황

Fig. 22. 초소형 적외선 영상 센서 (a) WLP 모듈 , 칼코지나이드 몰딩

렌즈 , (b) 64x64 array 적외선 영상 . Fig. 23. Hand held 적외선 카메라 및 적외선 영상 .

(a) (b)

(10)

었다는 판단하에 최근에는 바나듐 산화물계의 마이크로 볼로미터 적용이 점차 늘어나고 있는 추세이다.

먼저 인식하고 조치해야 하는 것이 가장 우선인 군용의 경우는 저가형 보다 정밀도와 성능이 중요한 요소이다.

Fig. 24의 그래프에 표현한 바와 같이 array size가 사물이 나 사람을 인식할 수 있는 매우 중요한 요소이며 그에 따 른 광학계 역시 중요한 요소이다. 개인화기 뿐만 아니라 자동화기에도 적용하기 위해서는 극한 환경에서의 내구 성 및 정밀도가 중요하기 때문에 고가의 특수 재료가 사 용될 수밖에 없다. 다만 개인화기에 적용하기 위한 경량 화를 위한 재료의 연구는 꾸준히 개발하는 실정이다.

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4. 결론

적외선 영상 센서는 깜깜한 밤에도 사물을 인식할 수 있고, 모든 물체에서 나오는 방사에너지로 온도와 그 분 포를 알 수 있는 장점이 있기 때문에 수십 년 전부터 연 구개발 및 상용화되어 있는 분야이다. 그에 따라 다양한 감지 물질 재료 및 광학 재료가 연구 되어 있다.

감지체로는 바나듐 산화물이 세계 적외선 센서 감지물 질 70% 이상의 점유율을 갖고 있으나 재료의 생산성 및 증착 조건의 난이도에 의해 비정질 실리콘 계열 재료도 많이 사용하고 있다. 또한, 재료의 성능과 특허 문제로 적외선 센서 개발의 후발 주자들은 더 새로운 감지체 연 구 개발을 꾸준히 진행하고 있는 실정이다.

윈도우 및 렌즈 부분은 전통적으로 LWIR 영역의 투 과도 및 AR coating에 용이한 Germanium이 많이 사용되 었다. 그러나 재료의 생산성이 좋지 않아 새로운 재료로 의 대체가 이루어지고 있다. 윈도우 부분은 초소형 저가 형 모듈 개발을 위한 WLP 제작을 위한 재료의 파장별

투과율이 좋지 않지만 Silicon에 AR coating 기술이 개발 되어 세계 선도 업체들은 이미 시장에 초소형 적외선 영 상모듈을 출시한 상태이다. 다만, 렌즈의 경우 초점면에 적외선 이미지가 결상되어야 하는 이유로 칼코지나이드 유리 재료 개발 및 그 성형에 관한 연구 개발이 진행 중 인 상태이다. 칼코지나이드 유리는 몰딩 방식으로 성형이 가능하여 기존 단결정 재료보다 가공에 용의하여 생산성 이 뛰어나다, 하지만 몰딩시 열 팽창, 응력 등의 이유로 신뢰성 부분의 연구 개발이 좀 더 필요한 재료이다.

최근 에너지 절감, 스마트 센서 등으로 가시광 영역에 서 할 수 없는 적용분야에까지 시장이 변화하는 추세이 다. 최초 군수품으로 개발되었던 적외선 센서 분야는 이 미 민수 비율이 판매액 기준 세계시장 60%를 넘어섰고 판매량은 연평균 25% 이상의 성장률을 갖고 있는 분야 이다. 그에 따라 재료 연구 분야도 생산성이 높은 재료 연구가 뒷받침돼야 한다. 그러나 이러한 시장변화에도 예전의 CMOS 이미지 센서가 그렇듯 저가형 저화소 뿐 만 아니라 더 좋은 영상 품질을 위한 고화소로의 발전할 수 있는 고성능의 재료 연구도 병행해야 할 것이다.

새롭고 획기적인 아이템으로 시장을 선도한 제품 속에 는 항상 새로운 소재나 독자적인 재료가 있었으며, 센서 의 감지체에서부터 패키지의 윈도우 카메라 모듈의 렌즈 까지 적외선 전반적인 분야에 영향력을 갖고 있는 적외 선 재료 연구는 차세대 적외선 센서 시장을 주도할 수 있 는 열쇠이다.

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Fig. 24. 개인화기의 적용예 및 Array size 와 인식 거리관계 그래프 .

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김 희 연

2005년 한국과학기술원 신소재공학과 박사 1993-2000년 국방과학연구소 선임연구원 2006-2008년 삼성전기 수석연구원 2008-현재 나노종합기술원 나노융합연구실장

김 태 현

2006년 한국외국어대학교 물리학과 학사 2006-2008년 전자부품연구원 위촉연구원 2008-2010년 ㈜오카스 전임연구원 2010-현재 나노종합기술원 나노융합연구실 연

구원