마이크로 머시닝 공정을 이용한 적외선 센서 제조 및 특성에 관한 연구

Abstract

적외선 센서는 의료용, 비파괴 검사용, 나이트 비전 및 군수용 등 다양하게 사용되어져 왔으며, 특히 비 냉각 방식의 적외선 센서로 마이크로 볼로미터는 마이크로머시닝 기술발전에 따라서 우수한 성능을 갖는 비 냉각형 열영상(Uncooled Thermal Imager) 장비로 지속적으로 발전하고 있는 추세이다. 본 연구는 금속판사판과 air cavity를 이용하여 λ/4 공진흡수 구조를 갖는 마이크로 볼로미터 적외선 센서에 대한 것으로, 2×8 배열의 적외선 센서 소자를 설계하고, 표면 마이크로 머시닝 공정을 통하여 제조하였다. 어레이 특성은 인체감지 영역인 적외선 파장대역 8～12 ㎛에서 특성평가를 수행하였고, 이에 대한 응용연구로 차량 내 탑승자 상태 인식에 대하여 수행하였다. 전도 열손실을 줄이기 위한 부유 구조의 형상 적용 및 지지대의 기하하적 구조를 최적화하기 위하여 지지다리 길이에 따라서 마이크로 볼로미터의 성능을 최적화 설계하였고, 적외선 흡수효율을 높이기 위한 공진흡수구조로 λ/4 구조의 배열과 바닥면에 반사판 적용하여 공정을 수행하였다. 적외선 흡수에 따른 고감도 검출을 위하여 높은 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 성능의 감지막으로 산화바나듐 텅스텐계 감지막을 적용하였고, 산화 열처리 시간에 따른 감지막 특성을 최적화 하였다. 유한요소법을 이용하여 마이크로 볼로미터의 물리적 구조의 안정성과 열전달 최적화를 위한 시뮬레이션을 적용하여 성능평가 및 향상에 초점을 두고 진행하였다. 마이크로 볼로미터 구조에서 자중에 의한 응력변형, 차량용으로 응용하기 위한 공진주파수, 외부 적외선 에너지에 의한 온도변화, 바이어스에 의한 전류밀도 및 저항 가열량 및 열팽창에 의한 응력과 변형에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 마이크로 볼로미터의 제작은 마이크로 머시닝공정으로 진행하였으며, 단위 셀 크기는 70×70 ㎛2, 적외선 감지막의 크기는 48×48 ㎛2, fill-factor는 51.85 %, 볼로미터의 지지다리 길이는 98 ㎛로 제작되었다. 3차원 구조로 제작된 마이크로 볼로미터는 부유된 브리지 구조를 갖기 위하여 폴리이미드의 제거 후 2 ㎛의 air cavity를 갖는 λ/4 구조를 얻을 수 있었다. 설계된 마이크로 볼로미터는 열용량 1.296×10-10 J/K, 열전도도 1.35× 10-6 W/K, 열시정수 9.6 ms로 계산되었으며, 초퍼 주파수 10 Hz, 인가전압 0.7 V에서 응답도 2.96×104 V/W 및 감지도 1.01×109 ㎝㎐1/2/W의 우수한 특성을 나타냈다. 또한 2×8 배열로 분할된 각 영역에서 차량 내 탑승자의 탑승 유무 및 성인, 유아를 판별할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 실제 제작된 마이크로 볼로미터는 차량 내 탑승자의 상태 인식 감지에 유효하게 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다.