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3 장 광센서

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광센서

•광센서란– 인간이 눈으로 감지할 수 있는 가시광선 영역을 중심으로 자외선 및 적외선을 감지하는 센서는 인간과 밀접한 관계를 가지며 , 이러한 광신호를 전기신호로 변환하여 검출하는 소자

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광 에너지

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광센서

• 광자효과 : 광자가 물질 내부의 전자와 직접 작용하여 전기적인 신호를 주는 것

• 열효과 : 광의 흡수에 의해 센서의 온도가 변하고 이로 인하여 전기전도도가 변하는 간접적인 특성 변화

• 광센서의 종류 수광소자 : 광신호를 받아 전기신호로 바꾸는 소자 발광소자 : 반대로 전기신호를 광으로 변환하는 소자 광을 자유로이 구부려 검출하는 것이 가능 .

• 원리에 따른 분류 광자형 : 전자파의 광자를 흡수하여 전하 캐리어로 직접 변환하는 센서이며 , 대표적으로 광도전 센서 , 포토 다이오드 , 포토 트랜지스터 등

열형 : 주로 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변하고 이어 소자의 전기적인 특성이 변하는 간접적인 센서이며 , 서모파일 , 초전센서 , 서미스터 등

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광센서

• 광센서의 기본적인 구조 발광부 : 자연광을 사용하거나 혹은 별도의 발광소자를 사용하여 광을 발생시킴

수광소자 : 센서가 입사하는 광을 받게 됨

• 광센서를 형태별로 구분 투과형 회귀반사형 확산반사형 한정반사형 광각반사형 협시계반사형 거리설정형

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광 에너지

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광센서의 종류

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광센서

• 빛의 기본적인 특성– 빛의 직진성 – 빛의 반사성– 빛의 굴절성

• 광센서의 특성– 접촉식에 비해 수명이 길다– 대부분의 물체를 감지하는 것이 가능 – 검출거리가 길다 – 빠른 응답속도를 얻을 수 있다 – 분해능이 높은 검출이 가능하다 . .– 검출범위를 제어하기 쉽다 – 자기자 진동의 영향을 받지 않기 때문에 안정한 동작을 얻을 수 있다 .

– 색의 진한 정도에 대한 검출이 가능하다 . – 광을 자유로이 구부려 검출하는 것이 가능하다 . – 미세한 물체의 검출이 용이하다 . – 대부분의 물체를 감지하는 것이 가능하다 .

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광도전 센서

• 광도전 효과 : 광이 물체에 조사되었을 때 , 물체의 도전율이 증가하는 현상

• 광도전 센서 : CdS 나 CdSe 등의 분말을 성형하고 소성하여 만들어진 것이 많으며 , 적외선용으로는 PbS, PbSe, 또는 Au 를 도핑한 Ge:Au 나 Hg1-xCdxTe 등이 사용되고 있다 . CdS 는 고감도 소재로서 소형으로 저렴하며 전력용량이 많지만 , 응답속도가 느리다 . 광도전 효과를 이용한 광센서의 특징으로는 비교적 간단한 구조를 가진다는 것이며 , 광도전셀이라고 부르기도 한다 . 그러나 광기전력 센서에 비해 잡음이 크고 항상 바이어스를 인가하여야 하기 때문에 열 발생에 의한 성능이 저하할 수 있다는 것이 단점이다 .

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광도전 센서

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광도전 센서

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Cds 셀

• CdS 셀 : 광도전 센서에 속하며 , 일종의 광가변성 저항소자

• CdS 셀의 특징 – 분광특성이 가시광선 영역에 있어 인간의 시감도와 흡사하다 .– 비교적 큰 전류가 출력으로 검출되며 , 신뢰성이 우수하다 .– 교류 동작이 가능하다 .– 외부의 잡음에 강하고 , 가격이 저렴하다 .– 고감도인 반면에 응답속도가 느린 편이다 . (10~100 ms)– 전력의 조건에 따라 낮은 조도특성을 가진다 .– 주위광이 외란광으로 되기 쉬우므로 히스테리시스가 크다 .

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CDS 셀

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CDS 셀

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포토 다이오드

• pn 접합 다이오드의 I-V 특성에서 광의존성을 이용한 것으로 동작원리는 pn 다이오드에 역바이어스 VR 를 가하면 , 아주 작은 역포화전류가 흐른다 .

– 입사광에 대한 출력전류의 직선성이 우수하여 아날로그 회로에서 동작하기 적합하다 .

– 응답속도가 빠르고 , 암전류가 적으며 , 잡음이 적다 .– 감도에 대한 파장범위가 넓으며 (400~1,100nm), 특히 700~90

0nm 에서 감도가 매우 좋다 .– 출력의 분산이 적은 편이다 .– 주위온도에 대한 출력 변화가 적고 , 내충격성과 내진동성을 가진다 .

– 소형경량으로 수명이 길고 , 신뢰성이 우수하다 .

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포토 다이오드

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포토 다이오드

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포토 다이오드

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포토 다이오드

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포토 다이오드

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포토 다이오드의 종류

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포토 트랜지스터

• 포토 다이오드의 낮은 감도를 보완하기 위해 트랜지스터의 증폭작용을 이용하여 광전류를 증폭하는 소자

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포토 트랜지스터

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LED

• LED 의 특징

– 소비전력이 매우 적다 .– 소형경량으로 제조할 수 있으며 , 간단한 구조를 가진다 .– 수명이 매우 길다 .– 응답속도가 빠르다 .– 친환경적인 소재를 사용하기 때문에 응용분야가 넓다 .– 각종 리모컨을 비롯하여 가전제품 , 각종 장비 , 디스플레이 및 조명 등의 분야에 광범위하게 응용하고 있다 .

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LED

• 포토 트랜지스터의 특징

– 감지할 수 있는 파장 범위는 500~1,600nm 로 비교적 넓은 편이며 , 800nm 에서 가장 감도가 높다 .

– 현재 가장 보편적으로 사용하는 수광소자로서 , 포토 다이오드에 비해 출력에서의 광전류가 크며 , 포토 다이오드와 트랜지스터가 하나의 칩에 일체화되어 잡음이 적은 편이고 , S/N 비가 크다 .

– 온도가 높아질수록 S/N 비가 저하하기 때문에 온도 보상회로가 필요 없다 .

– 암전류가 적고 , 신뢰성이 높으며 , 내진동성과 내충격성이 우수하고 , 가격이 저렴하다 .

– 전류증폭률이 크며 , 일체화되어 소형경량이다 .– 광스위치나 단거리용 광통신기 등에 적용한다 .– 입사광에 대한 광전류의 직선성이 나쁘고 감도가 우수할수록 응답속도가 느린 편이며 , 포화전압이 높다는 결점을 가진다 .

– 발광 다이오드와 결합하여 직선성 , 응답속도 및 변환효율 등을 개선할 수 있다 .

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포토 트랜지스터

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발광 다이오드

• 반도체의 pn 접합에 전류를 흘려 빛이 방출되도록 만든 다이오드의 일종

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발광 다이오드

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발광 다이오드

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LED

• LED 의 특징

– 소비전력이 매우 적다 .–소형경량으로 제조할 수 있으며 , 간단한 구조를 가진다 .–수명이 매우 길다 .–응답속도가 빠르다 .–친환경적인 소재를 사용하기 때문에 응용분야가 넓다 .–각종 리모컨을 비롯하여 가전제품 , 각종 장비 , 디스플레이 및 조명 등의 분야에 광범위하게 응용하고 있다 .

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발광 다이오드

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발광 다이오드

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포토 커플러

• 발광소자와 수광소자를 결합시킨 광센서로서 , 주로 두 개의 회로 사이에 신호를 전송하기 위해 구성한 센서

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포토 커플러

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포토 커플러

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LED

• 포토 커플러의 일반적인 특징

– 소자의 입출력 사이가 전기적으로 완전히 절연되어 있기 때문에 전위차가 다른 두 개의 회로 사이에 신호전달에 유용하다 .

– 신호전달이 단일 방향이기 때문에 출력으로부터 입력으로 영향을 미치지 않는다 .

– 논리소자와 인터페이스가 용이하고 응답속도가 매우 빠르다 .– 소형경량이며 실장밀도가 대단히 높고 , 저렴하며 대량생산이 가능하다 .

– 수명이 거의 반영구적이고 , 신뢰성이 매우 높은 편이다 .– 빛을 이용하여 신호를 전달하기 때문에 잡음에 강하다 .

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포토 인터럽터

• 일종의 광결합소자이며 , 발광부와 수광부 사이에 통과하는 물체의 존재여부나 위치검출을 감지하는 광센서

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포토 인터럽터

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이미지센서

• 광학적인 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서 , 영상 이미지 저장 및 전송 , 디스플레이 장치에서 광학 영상을 재현하기 위해 사용하는 센서

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이미지센서

• CCD (charge coupled device) 이미지센서 : 빛을 전하로 변환시켜 화상을 만드는 소자

• 잡음이나 잔상 면에서 우수한 구조를 가지고 있지만 , 소비전력이 CMOS 의 50 내지 100배 정도이다 . 전하 전송방식이 라인방식이므로 각 화소별로 전송하는 CMOS 에 비해 5배 정도 빠르지만 , CMOS 보다 비싸고 제조공정이 복잡한 편이다

• CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서 : CMOS를 이용한 고체촬상소자

•최근 본격적인 기술개발로 인하여 잡음 등의 많은 단점이 보완되고 있으며 , 이미지센서로서 단위화소에 하나의 포토 다이오드와 4 개의 MOS 트랜지스터를 구성한다 . 포토 다이오드에서 집속한 광전하는 실리콘 기판 상에 절연막에 현성된 금속전극에 의해 4 개의 트랜지스터의 제어를 받아 전송하는 방식

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이미지센서

• CCD 이미지센서의 활용 : 소형경량으로 견고하고 , 수명이 길다는 장점이 있으므로 지능형 로봇의 시각센서 , 감시용 카메라 , 가전용 컬러 카메라 및 비디오 카메라 등으로 응용하고 있고 , 또한 팩시밀리나 복사기와 같은 OA 기기 , 거리측정기기 및 공업용 계측기기 등에 사용 . 차세대 이미지센서는 이와 같은 나노기술을 이용하여 고집적 , 고감도 , 초소형 , 초절전형 및 신기능 등의 기대치를 충족할 것으로 기대된다 .

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이미지센서

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이미지센서

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적외선 센서

•양자형 적외선센서 : 광기전력 효과를 응용한 포토 다이오드 , 태양전지 및 광도전 효과를 이용한 CdS 셀 등

• 열형 센서 : 열기전력 효과를 이용한 서모파일과 초전 효과를 응용한 PZT

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적외선 센서

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적외선센서

• 적외선센서의 기본원리

– 내부 광전효과– 외부 광전효과 – 광전도 효과– 광기전력 효과– 열전 효과– 광자 드래그 (photon drag) 효과– Hot electron 효과

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적외선 센서

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적외선 센서

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센서기술

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적외선센서

•초전형 적외선센서의 신호처리 과정– 여러 종류의 적외선 파장이 센서에 입사 .– 창문의 광학 필터에 의해 필요한 적외선만이 통과 .– 감지 소자의 표면에 있는 열흡수막에 의하여 적외선이 열로 변환 .– 소자의 표면 온도가 올라가고 , 초전 효과에 의해 표면 전하가 발생 .

– 발생한 표면 전하가 FET 를 통하여 전압이 증폭되고 , 임피던스가 변함

– FET 를 동작시키기 위해 드레인 단자에 전압을 공급 .– 증폭된 전기 신호는 외부에 접속된 소스 - 접지 간의 저항에서 바이어스 전압과 증폭된 전압으로 출력 .

•초전형 적외선센서의 특징– 물체에서 방출되는 적외선을 감지하여 물체의 표면 온도를 알아낼 수 있다 .

– 검출 대상물로부터 발생하는 적외선을 받는 수동형이므로 수광이나 투광이 필요한 능동형에 비해 간편하게 사용할 수 있다 .

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양자형 적외선센서

•광센서에서 기술한 포토 다이오드와 본질적으로 유사– 광도전형 (photo-conducting type)– 광기전력형 (photo-voltaic type)– 광전자형 (photo-electomagnetic type)–쇼트키형 (Schottky type)

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적외선센서

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센서기술