Optical Characteristics of Bolometric Terahertz Sensor

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.5.335 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

볼로미터형 테라헤르츠 센서의 광학적 특성 연구

한명수⁺ · 송우섭· 홍정택· 이동희

Optical Characteristics of Bolometric Terahertz Sensor

Myung Soo Han⁺, Woosub Song, Jung Taek Hong,and Donghee Lee

Abstract

The optical characteristics of a terahertz (THz) antenna-coupled bolometer (ACB) detector were evaluated using a pulsed quantum cascade laser (QCL) and radiation blackbody sources. We investigated a method for measuring the responsivity and noise-equivalent power (NEP) of the THz detector using two different types of light sources. When using a QCL source with a frequency of 3 THz, the average responsivity of 24 devices was 1.44×10

V/W and the average NEP of those devices was 3.33 ×10

W/ Hz. The average responsivity and NEP as measured by blackbody source were 1.79 ×10

V/W and 6.51×10

W/ Hz, respectively, with the measured values varying depending on the light source. This was because the out- put power of each light source was different, with the laser source being driven by a pulse type wave and the blackbody source being driven by a continuous wave. The power input to the THz sensor was also different. Futhermore, the respon- sivity and NEP values measured using band pass filter (BPF) were similar to those measured when using only THz windows.

It was found that ACB sensor responds normally in the THz region to both the laser and the blackbody source, and the method was confirmed to effectively evaluate the characteristics of the THz sensor.

Keywords: Terahertz, Antenna-coupled bolometer(ACB), QCL, Blackbody source, Responsivity, NEP

1. 서 론

최근 테라헤르츠(terahertz, THz) 이미징 응용에 대한 관심이 급속히 증가하고 있다. 지난 20년간 THz 영역의 다양한 응용을 목적으로 기술적 진전이 있었는데, THz 이미징 분야에서는 집 적화, 튜닝, 광원소스 및 검출기의 저가화 노력이 있었다. THz 장비의 개발은 이미징분야 뿐 아니라 센싱, 분광기, 보안, 생 물학, 의료과학, 비파괴 검사, 공정제어, 환경 모니터링 등 다양 한 분야의 응용을 위해 진전을 거듭하고 있다[1-4]. 비냉각 THz 실시간 이미징 카메라는 2차원 센서를 집적화하여 개발되고 상 용화되고 있으며, 특별히 THz 이미징 시스템은 은폐된 물체를

탐지하는 응용분야에 가장 많이 사용한다[5-9]. 이는 THz 파가 대부분의 비금속 물질을 투과하는 성질이 있기 때문인데, 이러 한 응용분야의 고감도 능동 이미징을 위해서는 광원이 필요하 며, THz 파가 대상체를 투과하거나 반사되는 신호를 감지하여 영상화하게 된다. 고해상도의 카메라를 제작하기 위해서는 고감 도의 2차원 초점면 배열 센서를 요구하는데, 그 중에 볼로미터 센서는 냉각기를 사용하지 않고 상온에서 동작하고, 저가, 소형, 경량, 저전력 소모의 카메라를 제작할 수 있어 가장 많은 인기 를 얻고 있다.

볼로미터 센서는 일반적으로 열잡음이 적은 VOx 감지재료를 가장 많이 사용하며 안테나와 결합하여 THz 파를 감지하므로 2차원 어레이 센서로 제작하기가 용이하다. 이러한 센서의 특성 평가를 위해 감지파장의 광원이 필요하며, 레이저 소스를 비롯 하여 연속적인 방사광원을 이용하여 검출기 및 이미징 시스템 을 평가한다[10-12].

본 연구에서는 안테나 결합형 VOx 볼로미터 센서를 제작하 여 광학적 특성을 조사하였다. 또한, 광원의 종류에 따라서 THz 센서의 반응도 특성을 조사하였으며, 넓은 파장 밴드를 방사하 는 blackbody 소스와 능동광원인 고출력 quantum cascade laser(QCL) 을 사용하여 센서의 반응도 및 NEP 특성을 조사하 였다. THz 검출기의 광학적 복사측정은 지금까지 THz 범위에

Photonics Technology Institute)

Korea Photonics Technology Institute(KOPTI), 108-9 Chumdanbencheo-ro, Buk-gu, Gwangju 61007, Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Aug. 22, 2018, Revised: Sep. 10, 2018, Accepted: Sep. 18, 2018)

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서 간과해온 경우가 많았었다. THz 센서의 특성을 결정하는 효 율적인 방법이 필요하며 최근 절대적인 추적가능한 THz 파워 측정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[12]. 센서에 입사되 는 THz 신호가 매우 작기 때문에 센서의 성능은 잡음의 한계 에 대해 측정할 수 밖에 없으며, 증폭회로 또는 검출기 신호취 득 잡음 등이 검출기의 성능을 제한할 수 있다. 따라서 THz 센 서의 성능을 결정짓는 요소는 잡음등가전력 (NEP)로 수렴된다.

NEP 는 검출기에 입사되어 센서의 신호를 발생시키는 최소 전 력으로, 신호와 잡음의 크기가 같아지는 입사광량으로 정의된다.

적외선 또는 서브밀리미터 파장에서의 볼로미터 검출기의 일 반적인 figure of merit은 적분시간에 종속되지 않는 밴드폭의 제곱근당 최소감지 파워이다. 따라서 이러한 THz 센서의 NEP 특성은 센서의 성능을 좌우하는 매우 중요한 요소이며, 본 연구 에서는 NEP 측정을 위한 방법을 제시하고, 광원 종류에 따라 NEP의 특성을 조사하고자 하였다.

2. 실험 방법

2.1 QCL을 이용한 테라헤르츠 센서의 반응도 측정방법

테라헤르츠 센서의 성능을 측정하기 위해서는 광원과 제작 된 검출기, 계측기 등의 구성이 필요하다. Fig. 1은 광원으로 QCL 을 사용한 테라헤르츠 센서 측정시스템의 개략도를 나타 낸 것이다. QCL은 미국 Longwave Photonics 사 제품으로 페 브리-페롯 레이저로 집광렌즈가 장착된 레이저 소스이며 발진 주파수는 2.9~3.1 THz 대역이다. QCL의 시간 평균 파워는 최고 10 mW 정도이며 수직편광된 광원으로 펄스레이저로 구 동된다. 따라서 반복률이 증가함에 따라 파워가 증가하는 방 식으로 파워미터에 의해 출력파워를 측정하였으며, Fig. 1에 QCL 광원을 이용한 THz 센서 측정시스템의 개략도를 나타내 었다. 레이저 소스에서 방사되는 THz 파는 콜리메이션 렌즈 및 집광렌즈를 거쳐 파워미터에서 파워를 측정하게 된다. 광 원의 출력에 따라 레이저의 반복율을 증가시키면서 파워미터 에서THz 입사파워를 측정한 후 검출기를 파워미터와 동일한 위치에서 신호 및 잡음을 측정한다.

2.1.1 테라헤르츠 안테나 결합형 볼로미터(ACB) 센서 본 실험에서 사용된 테라헤르츠 센서는 안테나가 결합된 VOx 볼로미터형 센서로 벌크마이크로머시닝 공정방법으로 제작하였 다. 소자의 배열형태는 160×1의 선형다소자로 설계하여 제작하 였으며, 볼로미터 단위소자의 반응면적은 2×6 μm

, 안테나를 포 함한 소자의 반응면적은 100×100 μm

로 설계하였다. THz를 감지하는 중심파장은 100 μm ( 3 THz)에 맞추어 설계되었다.

제작된 센서 칩의 구동을 위해 진공패키지에 장착하여 펌프를 통해 1×10

torr 이하의 압력하에서 측정하였다.

진공 패키지에 조립된 테라헤르츠 160×1 어레이 칩과 50 μm 이상의 테라헤르츠파를 투과하는 TPX(polymethyl-pentene) 윈도우가 사용된 캡을 장착한 사진을 Fig. 2에 나타내었다.

TPX 윈도우의 투과도는 80 μm 이상의 파장에서 약 80% 이 상이었다.

2.1.2 반응도 및 NEP 측정방법

위 QCL에 의한 테라헤르츠 센서의 측정방법은 준비된 광원 및 광학계에 의해 최종 측정소자에 입사되는 THz 파워를 파워 미터에 의해 측정한다. 본 연구에서 사용된 파워미터는 독일 Sensor- und Lasertechnik 사의 THz 20 모델이었으며, pyroelectric detector 로 제작되었고, PTB 교정된 파워미터이다. 파워측정된 동일한 곳에 테라헤르츠 센서를 정렬하여 레이저를 입사시키지 않은 상태에서 잡음전압을 출력한다. 볼로미터 센서의 임피던스 매칭을 위해 로드저항을 센서의 저항과 같게 장착한 회로를 구 성하여 신호를 출력한다. 이 때 바이어스 전압을 약 1.0 V로 인 가하고, 레이저 광원이 센서에 조사될 때 신호전압을 출력하고 신호전압의 파워에 대한 기울기를 반응도로 산출하며, 잡음을 반응도로 나누면 NEP가 된다.

반응도(responsivity)와 NEP(noise equivalent power) 계산식은 다음과 같다.

(1)

(W/ Hz) (2)

여기서, R은 반응도이며, V

는 센서의 신호전압, V

은 잡

≈

R V

--- V W P ( ⁄ )

=

NEP V

--- R

= Fig. 1. Block diagram of terahertz sensor test system using QCL

source.

Fig. 2. Terahertz sensor package of 160×1 array devices (left), and

cap window package with vacuum jig sealed o-ring (right)

음전압, P는 입력파워, NEP는 잡음등가전력이다. 반응도는 잡음전압에 독립적이며, NEP는 잡음전압에 종속적임을 알 수 있다.

2.2 블랙바디소스를 이용한 THz 센서 측정시스템

블랙바디소스는 적외선 이상의 영역의 전파장이 방사되는 흑 체로써 본 실험의 테라헤르츠 파장인 1~10 THz (30~300 μm) 를 방사하는 광원소스이다. 적외선 센서는 보통 소스의 온도를 증가시켜 렌즈가 없는 센서의 신호를 증폭하여 신호를 획득하 여 반응도 및 탐지도를 측정한다. 테라헤르츠 센서 또한 적외선 센서와 동일하게 고온(약 500

C 이상)의 흑체를 이용하여 센서 의 성능을 평가한다.

Fig. 4 는 블랙바디소스를 이용한 테라헤르츠 센서의 측정 시스템 개략도를 나타낸 것이다. 블랙바디소스, 쵸퍼 어셈블 리는 SBIR사에서 제작한 RTB3000모델의 측정시스템을 사 용하였으며, 신호획득은 pre-amplifier (5113, Ametek Signal Recovery)를 이용하여 증폭하였으며, 증폭된 신호를 Lock-in amplifier(SRS850, Stanford Research system)에서 동기화하 여 신호를 획득, PC에서 신호 및 잡음의 50개의 평균값을 저 장하여 사용하였다.

여기서, 블랙바디소스의 방사파워는 해당파장인 90-110 um의 방사속을 플랑크의 법칙에 의해 방사되는 파워를 산출한다. 측 정대상인 센서에 입사되는 실제 광량은 윈도우의 투과율, BBS 와 센서의 거리, 센서의 반응면적을 고려하여 계산된다.

3. 결과 및 고찰

3.1 QCL 소스를 이용한 THz 센서의 광학적 특성평가

160×1 안테나 결합형 볼로미터(antenna coupled bolometer, ACB) 센서에 대한 광학적 특성평가를 위해 먼저 QCL 소스를 이용하여 광학계를 이용하여 진공패키지에 장착된 소자에 조사 시켜 신호전압과 잡음전압을 측정하여 센서의 반응도 및 NEP 값을 계산하였다. 160개의 소자에서 패키지의 핀 수의 부족으 로 24개의 소자를 선별하여 와이어 본딩 후 패키징하여 약 3×10

torr의 압력에서 저항을 측정하였다. 이 때 저항은 약 250~300 kW으로 나타났다.

Fig. 5 는 ACB 센서의 쵸퍼 주파수에 따른 반응도 및 NEP 특 성을 나타낸 것이다. 광원의 단속을 위한 쵸퍼 주파수를 1~50 Hz로 하고 바이어스는 1 V, QCL 반복률은 10 kHz 의 조건하 에서 측정하였다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이, 쵸퍼 주파수가 증가 할수록 반응도는 감소하고, NEP값은 주파수가 증가함에 따라 증가하는 현상을 나타냈다. 이는 저주파에서 센서의 1/f 잡음이 크고 고주파에서는 열잡음이 크게 작용하기 때문이다. 특히 NEP 는 잡음전압에 민감하므로, 주파수 증가에 따른 잡음전압의 감 소에 의해 NEP는 상대적으로 값이 증가함을 알 수 있다.

Fig. 6 은 ACB 센서 소자 24개에 대한 소자의 NEP 측정값을 나타낸 것이다. 24개 소자의 평균 NEP는 약 3.33×10

W/ Hz 이었다. 소자의 안테나는 보우타이 형태의 단방향 배치이며, 광 원에 평행하게 입사되는 QCL에 대해 더 큰 반응을 보였다. 또 한 QCL은 수직으로 편광이 되어 있다.

Fig. 3. Power measurement data on the QCL source and powermeter setup.

Fig. 4. Terahertz sensor measurement system block diagram with blackbody source.

Fig. 5. Responsivity and NEP of ACB sensor varing with chopper

frequencies

THz 파는 습기에 매우 취약하므로 잡음을 최소화하기 위해 측정시스템을 투명 아크릴 박스로 보호하였으며, 박스 내부에 건조공기를 주입하여 습기를 제거한 후 측정한 결과이다. 24개 의 소자 중 두개의 소자에서는 mid 10

W/ Hz값을 갖는 것 도 있었다. 이에 대한 더욱 정밀한 분석이 필요하나 구체적으로 분석해 볼 방법을 강구 중이다. 또한, 재현성을 위해서 약 1개 월을 공기중에 노출시킨후 재 측정을 하였을 경우 저항 및 NEP 값은 동일한 값을 나타내었다.

3.2 블랙바디 소스를 이용한 ACB 센서의 특성평가

블랙바디소스는 적외선 전 파장 영역에서 방사하는 흑체 광 원으로 적외선 센서 및 카메라를 평가하는 장비이다. 본 연구에 서는 테라헤르츠 센서의 광학적 특성 평가를 위해 광원으로 사 용하였으며, Fig. 4에 나타낸 것과 같이 측정시스템을 셋업하여 신호전압과 잡음전압을 측정하였다.

블랙바디소스의 온도는 600

C 로 하여 방사에너지를 planck 복사법칙에 의해 계산하였으며, 소자에 입사되는 광량은 90-110 μm 영역에서 방사된 광량을 소자의 면적, 윈도우의 투과도, 센 서와 블랙바디소스 간 거리를 고려하여 계산되었으며, 그 결과 5.47×10

W 의 파워[13]를 얻을 수 있었다. 쵸퍼주파수는 QCL 소스를 이용할 때와 동일하게 24 Hz로 하여 임피던스 매칭을 위해 ACB 센서 저항과 동일한 250 kΩ 을 장착하여 바이어스 전압 1.0 V를 인가하여 단위회로를 구동하였다.

Fig. 7은 ACB 센서의 24개 소자에 대한 반응도 및 NEP 특 성을 나타낸 것이다. 반응도 평균은 1.79×10

V/W, NEP 평균 은 6.51×10

W/ Hz 이다. QCL 소스를 이용한 결과값과 비 교해 볼 때 블랙바디소스에서 측정된 NEP 값이 더 낮게 나타 났으며, 이러한 원인은 QCL에서의 소스는 펄스로 동작되며, 3.1 THz 의 특정파장에서 강한 파워(~10 mW)가 입사되므로 상대적 으로 반응도가 낮게 나타난 것으로 판단된다. 블랙바디소스에 의한 소자에 입사되는 광량은 10

W 인 반면에 QCL에서의 입

사광량은 10

W 정도로 2-order 높게 나타나 상대적으로 NEP 값이 크게 나타난 것이라 사료된다.

Fig. 7 에 나타낸 신호전압에 의한 반응도의 크기가 과연 100 μm 파장인 3 THz에서 신호인가를 검증하기 위해 band pass filter(BPF)를 사용하여 신호반응도를 조사하였다. THz BPF는 1, 3, 10, 30 THz를 사용하였으며, 3 THz 필터의 밴드폭은 약

±0.3 THz 정도였으며, 마이크로 메쉬 타입으로 각 피크파장에 서 약75%의 투과도를 보였다. 또한 30 THz필터는 10~11 μm투 과대역의 Ge 소재이며, 투과도는 약 98% 정도이다.

Fig. 8은 BPF를 이용하여 신호 대 잡음 비를 나타낸 것이다.

측정조건은 Fig. 7의 센서측정 조건과 동일하며, BPF에 의해 센 서에 입사되는 파워가 다르다. THz 센서의 진공패키지에 TPX 윈도우만 사용하였을 경우와 파장별 BPF를 삽입하여 측정된 신 호 대 잡음비(SNR)를 나타낸 그래프이다. 그림에서 볼 수 있듯 이 필터로 인해 신호 대 잡음비가 현저히 감소하는 것을 볼 수 있으며, 특히 3 THz BPF를 장착했을 때 다른 파장의 BPF를 사 용했을 때보다 높은 SNR을 얻을 수가 있었다. 이는 센서 소자 가 3 THz에 맞춰 설계되었기 때문이다. 또한 3 THz BPF와 윈 도우를 동시에 사용했을 때, 두 필터의 누적 투과도가 감소하여 입사파워가 감소함으로 인해 반응도와 NEP의 값이 윈도우만 사 용했을 경우와 동일한 값을 얻을 수 있었다. 따라서, BPF를 사 용하여 센서의 감지 파장을 확인할 수 있었으며, 30 THz의 파장 에서는 신호가 감지되지 않음을 알 수 있는데, 이러한 현상은 제 작된 THz 센서가 적외선 영역에서는 반응하지 않는다는 것을 입 증하는 것이다.

이 외에 3 μm 대역의 BPF를 사용하여 측정하였을 때도 신 호는 감지되지 않았으며, 이 때에도 SNR은 1에 가까운 값을 나 타내었으며, 필터에 의해 신호가 차단됨을 확인하였다.

THz 윈도우만 사용한 경우와 3 THz BPF를 동시에 사용한 경우의 반응도 및 NEP 값을 Table 1에 나타내었다. THz 센서 의 평가방법으로 블랙바디소스를 사용할 경우 연속적 THz 방 사속으로 인해 정량적인 평가가 가능함을 본 연구에서 확인할 Fig. 6. NEP value of ACB 24 devices Fig. 7. Responsivity and NEP on ACB sensors measured by black-

body source

수 있었으며, 제작된 ACB THz 센서의 성능은 THz 카메라에 사용할 어레이 센서에 응용될 만한 수준임을 알 수 있었다.

4. 결 론

안테나 결합형 볼로미터 테라헤르츠 센서의 광학적 특성을 QCL 광원과 블랙바디 소스를 이용하여 평가하였다. 3 THz의 QCL 광원을 사용한 경우 반응도 값은 24개의 소자에서 평균 1.44×10

V/W 이었으며, NEP는 평균 3.33×10

W/ Hz 로 나타 났다. 이를 블랙바디소스를 이용하여 측정된 평균 반응도 및 NEP 는 각각 1.79×10

V/W, 6.51×10

W/ Hz 였으며, 광원에 따라 측정값이 다르게 나타남을 알 수 있었다. 이는 광원의 출 력파워가 다르기 때문이며, 레이저소스는 펄스형태의 구동방식 이며, 블랙바디소스는 연속파로 구동이 되어 THz 센서에 입사 되는 파워가 다르기 때문인 것으로 사료된다. 또한 BPF 필터를 이용하여 측정된 반응도와 NEP는 윈도우만 사용했을 경우와 그 값들이 유사하게 측정되었다. 이로써 THz 영역에서 ACB 센서 레이저 및 블랙바디소스에 모두 정상적으로 반응함을 알 수 있 었으며, THz 센서의 특성을 평가하는 좋은 방법임을 확인하였다.

감사의 글

이 연구는 2017년도 산업통상자원부 및 산업기술평가 관리원 (KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임(과제번호: 10052933)

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Fig. 8. Signal to noise ratios of ACB THz sensor according to BPF

Table 1. Responsivity and NEP values of ACB THz detector with Band Pass Filter of 3 THz region

Responsivity (V/W)

NEP (W/ Hz)

TPX Window 1.98×10

4.63×10

TPX Window +3T BPF 1.90×10

4.68×10