기술이 발전하고 비냉각 열화상 디텍터의 제조 방식이 개선됨에 따라 이 애플리케이션은 점점 늘어나고 있습니다.

 

1950년대에 군사용으로 개발된 열화상으로 사람의 눈으로 확인할 수 없었던 열 방사선을 볼 수 있게 되었습니다. 사람의 눈인 가시광선만 감지할 수 있지만, 몇 가지 기술을 사용하면 특정 적외선 스펙트럼 대역폭을 볼 수 있는 환경에서 정보를 추출할 수 있습니다.

비냉각 Microbolometer 기반 디텍터의 큰 발전으로 인해 열화상은 다양한 유형의 많은 애플리케이션으로 상당히 많이 진출하기 시작했습니다.

 

 

 

 

 

열화상은 흑백으로 열 특성을 나타냅니다. 어두운 부분은 개체에서 적은 방사선이 방출되는 것을 나타내고, 밝은 영역은 방출되는 열 방사선이 많은 것을 나타냅니다. 안경의 어두운 부분은 방출되는 방사선이 유리 개체를 투과하지 않고 있음을 나타냅니다.

이 센서들은 7.5 ~ 14 μm 사이의 장파장 적외선 영역에서 동작합니다. Microbolometer는 기존의 냉각 디텍터에 비해 여러 장점을 제공합니다. (작은 크기, 가벼운 무게, 낮은 비용, 즉시 구동 가능, 소비 전력 감소, 긴 MTBF (mean time between failure)) 

 

냉각 vs. 비냉각 열 디텍터

microbolometer와 달리 열 디텍터는 ?70 ~ ?150 °C 사이의 동작 온도를 유지하기 위한 보조 장비가 있어야 합니다. 이 냉각 장비는 비용이 많이 들고, 부피가 크고, 소비 전력이 높고, 냉각 시간(첫 이미지 생성이 약 10분~20분)이 많이 듭니다. 일부 고성능 애플리케이션에서는 이러한 제약 조건이 허용됩니다. 예를 들어, 군대에서는 Microbolometer보다 더 긴 거리에서 훨씬 높은 성능 기술을 요구합니다. 이러한 애플리케이션은 더 크고 더 비싸며 즉시 이미지를 획득할 수 없는 냉각 열화상 시스템을 계속 사용할 것입니다.

 

 

 

 

10 °C 온도마다 달라지는 뜨거운 영역과 차가운 영역으로 표시되는 microbolometer 카메라가 찍은 적외선 열화상 -  염증으로 인해 증가한 혈류를 나타냅니다.

 

하지만 일부 군사용으로 사용하는 것을 포함한 다른 애플리케이션에서는 비냉각 열 센서 기술이 있어야 합니다. 이미지를 생성할 때까지 기다릴 수 없는 지상군 또는 화재를 진압해야 하는 소방관들은 중요한 정보를 즉시 사용할 수 있어야 합니다. 열화상 기술은 휴대용으로 사용할 수 있고 헬멧에 장착할 수 있으므로 장치는 적은 배터리 전력을 소비해야 하고 휴대용으로 가벼워야 합니다.

비냉각 열 디텍터는 냉각 디텍터와 비교하여 다음과 같은 특정 단점이 있습니다. 이들은 본질에서 느리고 비교적 감도가 약합니다. (일반 시간 상수는 10 ms입니다.) 높은 성능 또는 속도가 필요하지 않고 사용할 수 있을 만한 이미지 품질로 충분한 비용 민감 상용 애플리케이션이 증가하고 있어 이러한 제한은 적합성에 영향을 미치지 않습니다. 사실 상용 애플리케이션 대다수에서 고비용 냉각 적외선 디텍터를 사용할 수 없습니다.

 

비냉각 디텍터 기술의 발전

비냉각 디텍터 기술이 지속적으로 발정하여 Microbolometer가 제공하는 개선된 값은 이러한 제한을 능가합니다. Microbolometer 어레이의 개발 경향은 바로 픽셀 수의 증가와 픽셀 피치의 감소입니다. 최근 17 μm 어레이가 생산되고 있고, 최근 12 μm 픽셀 어레이가 도입되어 더 높은 해상도와 더 작은 크기의 디텍터를 사용할 수 있습니다.

더 작은 픽셀을 제조할 수 있지만, 현재 17 μm 픽셀을 대체하는 데에 시간이 더 걸릴 수 있습니다. 17 μm이 나타났을 때 경험한 것과 유사하게 업그레이드될 것으로 예상합니다. 17 μm 픽셀을 사용하기 전에는 25 μm 픽셀을 사용했었고 17 μm 픽셀을 사용하기까지 많은 시간이 필요했습니다. 이미징에서 아주 일반적인 이러한 "픽셀 레이스"에서는 작은 크기의 픽셀로 업그레이드될 때마다 이전 모델보다 더 나은 성능을 제공해야 합니다. 더 작은 픽셀을 사용하면 더 높은 해상도를 제공하거나 더 작고 가벼우면서도 더욱 에너지 효율을 높여 동일한 해상도를 제공할 수 있습니다. 이러한 기술의 발전으로 인해 Microbolometer의 비용을 절감하고 새로운 상용 시장과 애플리케이션을 만들 수 있습니다.

 

상용 애플리케이션

자동차 업계에서는 이미 안전 시스템의 일부로 열화상을 사용하고 있습니다. 예를 들어, 도로에 동물이나 사람이 나타나면 이들을 파악하고 잠재적인 위험 요소가 발생하기 전에 운전자에게 경고를 알려줍니다. 사람의 눈은 60 Hz로 움직임을 볼 수 있으므로 Microbolometer 기반 디텍터는 이러한 애플리케이션에서 적절한 성능보다 더 높은 성능을 제공합니다. 열화상 카메라는 현재 특정 모델의 고가 옵션으로만 고급 자동차 제조업체에서 제공하고 있지만, 이러한 기술 비용이 줄어듦에 따라 더 일반화될 것입니다. 후방 카메라와 같이 자동차 뒤를 볼 수 있는 시스템은 현재 미국에서 판매되는 모든 경차에 필수가 되고 있고, 열화상 기술은 언젠가 필수 안전 기능이 될 것입니다.

건물 검사관과 에너지 감사관 역시 지붕과 토대를 통해 물이 새는 문제, 전기 및 배수 문제, 구조적 결함, 수분 축적과 곰팡이의 성장, 절연 및 연 손실 등의 문제를 빠르게 감지하기 위해 열화상에 의존하고 있습니다. 소형으로 휴대할 수 있고 저렴해야 하므로 Microbolometer 열화상 기술의 장점을 사용하는 휴대용 장치를 사용합니다.

적외선 기술과 Microbolometer를 사용할 가능성이 큰 다른 시장으로는 보안 및 비디오 감시 부분이 있습니다. 비냉각 기술을 사용할 수 있는 비용이 계속 감소하고 있으므로 사람, 동물, 개체 등을 감지할 수 있는 야간 애플리케이션에서 열화상 카메라는 더욱 빠르게 사용할 것입니다.

 

장비 또는 도구

상용 애플리케이션은 작은 크기의 비용 효율적인 열화상 기술을 요구합니다. Microbolometer는 낮은 소비 전력과 작은 크기로 제공되면서 적절한 이미지 성능을 제공하므로 우수한 솔루션을 제공합니다. 미래를 내다보면 Microbolometer는 장비부터 도구까지 기술이 발전함에 따라 소비자 시장에 진입할 것입니다. 집을 수리하기 위해 동네 큰 상점에서 저가의 온도 측정 장치를 구매하여 사용할 것입니다.

열화상 카메라는 잠재적으로 휴대전화와 같은 유비쿼터스 장치에 탑재될 가능성도 있습니다. 소비자 시장에서 널리 사용하기 전에 해결해야 할 중요한 과제가 있습니다. 비용을 줄이기 위한 노력을 해야 하는 만큼 제조 수율을 끌어올려야 합니다. 현재, 중급 디텍터의 평균 비용은 스마트폰의 가격보다 더 비싸므로 휴대전화에 탑재하기 위해서는 디텍터의 비용을 10달러 미만으로 내려야 한다고 생각합니다.

열화상은 디지털 이미징과 매우 유사한 경로를 따르고 있다는 것은 매우 흥미롭습니다. 처음에는 높은 비용으로 인해 디지털 기술은 장비에만 탑재되었습니다. 더 저렴해지면서 휴대전화와 같은 상용 애플리케이션과 소비자 기기에 등장하기 시작했습니다. 현재 모든 스마트폰에는 카메라가 장착되어 있고 이들의 비용은 2달러 미만입니다.

 

비정질 실리콘 vs. 산화바나듐

비냉각 기술 개발과 다르게 지난 수십 년 동안 냉각 기술에 드는 노력은 주로 성능 향상에 초점을 맞추고 있고, 대량 애플리케이션을 위한 비용 절감에 대한 혁신은 덜 고려하고 있습니다. 비냉각 어레이는 1990년대에 연구실에서 처음으로 생산하기 시작했고, 업계는 비용에 관심을 집중하여 대량 저비용 시장을 겨냥해 Microbolometer를 사용하는 디텍터 소재 개발을 시작했습니다.

현재 Microbolometer의 재료 중 주요 유형 두 가지는 바로 바나듐 산화물 및 비정질 실리콘입니다. 두 가지 주요 유형 모두는 동일한 방식으로 동작하도록 설계되어 있지만, 감도, 노이즈, 해상도, Frame rate와 같은 성능 측면에서 약간의 차이가 존재합니다. 이들은 또한 제조하고 수출하는 과정에서의 편리성과 비용 그리고 연구개발 자금 지원에서 차이가 있습니다. 이러한 요인들의 조합은 비정질 실리콘과 비용은 비슷하지만, 산화바나듐이 더욱 우수하다고 생각하는 제조사와 소비자들이 있었습니다.

 

더 나은 제조를 위한 중요성

주류 상용 시장에서 수용할 수 있는 비냉각 디텍터의 성능 향상은 중요한 역할을 해왔지만, 낮은 불량률을 유지하면서 높은 수율로 생산하는 제조 가능성 또한 중요합니다.

최적의 수율과 최소한의 결함을 위한 정제 제조 공정의 중요성은 현재 1300만 달러의 지원금을 바탕으로 적외선 시장에 진입한 Teledyne DALSA와 같은 제조사들이 인식하고 있습니다. 지원금은 생산 수율을 증가시키고 적외선 이미징 기술 향상을 위한 개발에 사용되고 있습니다.

 

 

 

 

Teledyne DALSA의 640 X 512 픽셀 해상도 Microbolometer 장파장 적외선 카메라의 첫 번째 시제품

적외선 검출 기술로 바나듐 산화물을 선택했고, 필요한 성능과 높은 생산량에 도달할 수 있는 가장 좋은 기회를 제공한다고 믿고 있습니다. 성공의 열쇠는 Microbolometer를 만들 수 있을 뿐만 아니라 성공적으로 이 장치를 대량으로 생산할 수 있도록 충분한 제조 공정을 만드는 데에 있습니다. 이 시설은 Microbolometer 픽셀 영역과 웨이퍼 스케일 진공 패키지 모두를 하나의 공정 흐름 내로 통합하여 생산할 수 있습니다. 이것은 Microbolometer 사업을 시작하는 곳에서 흔하지 않은 고유한 구성의 도구와 기능으로 할 수 있었습니다..

 

미래를 내다 보면서

열화상은 기술이 크게 발전하고 비냉각 Microbolometer 기반 디텍터의 제조 수율을 향상할 것이므로 상용 및 소비자 애플리케이션에 진출을 계속할 것입니다. 이러한 발전은 현저하게 비용을 절감하고 전체 성능을 향상하면서도 열화상 장치와 시스템은 더 작고 가벼우면서도 소비 전력을 낮출 것입니다.

 

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