KR101902920B1 - 광대역 표면 플라즈몬 공진기를 포함하는 적외선 검출기 - Google Patents
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Abstract
광대역의 표면 플라즈몬 공진기를 이용하여 넓은 대역폭의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있는 적외선 검출기가 개시된다. 개시된 적외선 검출기는, 서미스터 부재, 및 상기 서미스터 부재 위에 배치된 것으로 다수의 공진 모드에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키도록 구성된 공진기를 포함할 수 있다. 개시된 적외선 검출기는 하나의 공진기로 넓은 대역의 적외선 파장을 갖는 전자기파를 흡수할 수 있으며, 향상된 신호 대 잡음비를 가질 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 적외선 검출기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역의 표면 플라즈몬 공진기를 이용하여 넓은 대역폭의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있는 적외선 검출기에 관한 것이다.
흑체 복사의 원리에 따르면, 물체는 그 온도에 따라 특정 파장에서 최대치를 나타내는 넓은 대역의 전자기파를 방사한다. 예를 들어, 상온의 물체는 대략 10㎛의 파장 대역에서 최대치를 보이는 적외선을 방사하게 된다. 볼로미터(bolometer)는 이렇게 흑체 복사의 원리에 따라 방사된 적외선(또는 테라헤르츠) 대역의 파장을 갖는 전자기파를 흡수하여 열로 변환하고 열에 의한 온도 변화를 감지하여 주위에서 방사되는 복사 에너지를 측정하는 도구이다.
최근, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술이 발달함에 따라, 다수의 마이크로 볼로미터를 2차원 어레이로 배열한 적외선 검출기가 제작되고 있다. 이러한 적외선 검출기는, 예를 들어, 열상 이미지(thermo image)를 획득할 수 있는 열상 카메라 등에 이용될 수 있다. 고해상도의 높은 온도 정밀도를 갖는 열상 카메라를 구현하기 위해서는 화소의 크기를 소형화하는 것이 요구된다. 그러나, 그라운드 평판과 열 흡수체가 λ/4간격(여기서, λ는 검출하고자 하는 적외선 파장 대역의 중심 파장)을 갖는 솔즈베리 스크린(Salisbury screen) 방식의 볼로미터를 사용하는 경우, 화소 내의 스크린 크기를 작게 하면 각 화소에 입사하는 에너지량이 감소하여 온도 변화량이 작아지게 되고, 신호 대 잡음비도 낮아지게 된다.
솔즈베리 스크린 방식의 볼로미터 대신, 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 이용하는 볼로미터가 최근 제안되고 있다. 표면 플라즈몬은, 금속의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(charge density oscillation)에 의해 발생하는 일종의 전자기파이다. 플라즈모닉 흡수체(plasmonic absorber)를 이용하는 볼로미터는 국소 표면 플라즈몬 공명에 의해 낮은 흡수율과 낮은 신호 대 잡음비 문제를 개선시킬 수 있다.
그런데, 플라즈모닉 흡수체는 대역폭이 상대적으로 좁아서 열상 이미지를 얻는데 통상적으로 사용되는 8~14㎛의 전 영역을 효과적으로 흡수하기 어렵다. 이에 따라, 플라즈모닉 흡수체의 공진 대역폭을 증가시키기 위한 다양한 방안이 제안되고 있다. 예를 들어, 흡수체를 구성하는 물질을 대체하거나, 하나의 단위 화소 내에 서로 다른 크기를 갖는 다수의 공진기들을 배치할 수 있다.
넓은 대역폭의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있는 적외선 검출기를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 적외선 검출기는, 기판; 상기 기판에 이격되어 배치된 것으로, 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 서미스터 부재; 상기 서미스터 부재 상에 배치된 것으로, 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 공진기; 상기 서미스터 부재를 기판으로부터 이격되도록 지지하는 한 쌍의 열상 다리; 및 상기 한 쌍의 열상 다리의 표면 상에 각각 배치된 것으로, 상기 서미스터 부재와 공진기로부터의 신호를 상기 기판으로 전달하는 한 쌍의 도전성 리드 선;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 공진기는 다수의 공진주파수를 가지며 다수의 공진 모드에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키도록 구성될 수 있다.
상기 적외선 검출기는 상기 기판의 표면 상에서 상기 서미스터 부재 및 공진기와 대향하도록 배치되며 입사 전자기파를 반사하는 반사판을 더 포함할 수 있다.
상기 적외선 검출기는 상기 기판 상에 수직하게 돌출하여 배치된 한 쌍의 지지 부재를 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 1 단부는 상기 한 쌍의 지지 부재의 상부에 캔틸레버 형태로 각각 연결되고, 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 2 단부는 상기 서미스터 부재에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 서미스터 부재의 양측에는 상기 한 쌍의 열상 다리가 각각 연결될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 적외선 검출기는 직렬 또는 병렬 연결 방식으로 배열된 다수의 서미스터 부재를 포함하며, 이 경우 상기 한 쌍의 열상 다리 중 제 1 열상 다리는 상기 다수의 서미스터 부재 중 하나에 연결되고, 상기 한 쌍의 열상 다리 중 제 2 열상 다리는 상기 다수의 서미스터 부재 중 다른 하나에 연결될 수 있다.
상기 적외선 검출기는 인접한 두 서미스터 부재 사이를 연결하는 연결 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 적외선 검출기는 상기 다수의 서미스터 부재 상에 각각 배치되는 다수의 공진기를 포함할 수 있으며, 상기 다수의 공진기들은 동일한 크기와 모양을 가질 수 있다.
인접한 두 서미스터 부재 사이의 간격은 검출하고자 하는 적외선 대역의 파장보다 작을 수 있다.
예를 들어, 상기 간격은 8㎛보다 작을 수 있다.
상기 서미스터 부재는, 예를 들어, 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 니켈 산화물 및 Si-Ge 반도체 재료 중에서 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 공진기는, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 포함하는 금속의 박막으로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공진기는 4개의 변을 갖는 직사각형의 기본 형태를 가지며, 각각의 변에는 그 변에 수직한 방향으로 적어도 2개의 아암들이 각각 돌출하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 방향으로 서로 대향하는 2개의 아암들 사이에 2개의 제 1 공진부가 형성되며, 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 서로 대향하는 2개의 아암들 사이에 제 2 공진부가 형성되고, 서로 이웃하는 아암들 사이에 4개의 폴딩된 형태의 제 3 공진부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 아암들의 돌출 길이가 모두 같을 수 있다.
다른 실시예에서, 서로 대향하는 맞은 편의 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 다르며, 같은 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 같을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 서로 대향하는 맞은 편의 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 같으며, 같은 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 다를 수 있다.
서로 대향하는 두 아암들의 단부들 사이의 거리는, 예를 들어, 2.5㎛ 내지 3㎛일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공진기는 원형 디스크의 기본 형태를 가지며, 상기 원형 디스크의 외주면에 원형으로 돌출된 다수의 아암들을 포함할 수 있다.
또한, 상기 공진기는 십자가 형태로 서로 직교하는 2개의 막대 성분을 포함하며, 각각의 막대 성분의 단부 부분이 수직하게 절곡될 수 있다.
또한, 상기 공진기는 십자가 형태로 서로 직교하는 2개의 막대 성분, 및 각각의 막대 성분의 단부에서 양측면으로 돌출된 돌출부를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 적외선 검출기는 다수의 공진 모드에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 공진기를 포함한다. 즉, 적외선 검출기의 단위 화소에 배치된 표면 플라즈몬 공진기가 다수의 공진주파수를 갖는다. 따라서, 개시된 실시예에 따른 적외선 검출기는 하나의 공진기로 넓은 대역의 적외선 파장을 갖는 전자기파를 흡수할 수 있다. 또한, 화소 내에 하나의 공진기만을 사용할 수 있기 때문에, 열상 다리(thermal leg)와 리드 선을 위한 공간을 확보하기 용이하다. 더욱이, 본 실시예에 따르면, 회절 손실을 줄여 흡수율을 더욱 향상시킬 수 있고, 흡수체가 작은 열질량(thermal mass)을 갖기 때문에 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 이러한 장점을 기초로, 적외선 검출기의 단위 화소의 크기를 줄여 해상도를 향상시키는 것도 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 하나의 단위 화소의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2는 단위 화소 내에 다수의 공진기가 배치될 경우에 다수의 공진기의 배치 구조를 예시적으로 보인다.
도 3은 도 1에 도시된 공진기가 다수의 공진주파수를 갖는 원리를 개략적으로 설명한다.
도 4는 도 3에 도시된 적외선 검출기의 적외선 흡수 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5f는 가능한 다양한 공진기의 예시적인 형태를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 2는 단위 화소 내에 다수의 공진기가 배치될 경우에 다수의 공진기의 배치 구조를 예시적으로 보인다.
도 3은 도 1에 도시된 공진기가 다수의 공진주파수를 갖는 원리를 개략적으로 설명한다.
도 4는 도 3에 도시된 적외선 검출기의 적외선 흡수 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5f는 가능한 다양한 공진기의 예시적인 형태를 개략적으로 보이는 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광대역 표면 플라즈몬 공진기를 포함하는 적외선 검출기에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 하나의 단위 화소의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 적외선 검출기(10)는 기판(11), 상기 기판(11) 상에 돌출하여 배치된 한 쌍의 지지 부재(12a, 12b), 상기 기판(11)과 이격되어 현가되도록 지지 부재(12a, 12b)에 의해 지지되는 서미스터 부재(15), 상기 서미스터 부재(15) 상에 배치되는 공진기(16), 상기 지지 부재(12a, 12b)와 서미스터 부재(15)의 사이를 연결하는 한 쌍의 열상 다리(thermal leg)(13a, 13b), 상기 열상 다리(13a, 13b)의 표면 상에 배치된 한 쌍의 리드 선(14a, 14b), 및 상기 기판(11)의 표면 상에 서미스터 부재(15) 및 공진기(16)와 대향하도록 배치되며 입사 전자기파를 반사하는 반사판(17)을 각각의 단위 화소마다 포함할 수 있다.
비록 도시되지는 않았지만, 적외선 검출기(10)의 동작을 제어하고 검출된 적외선을 세기를 읽기 위한 구동 회로, 영상 신호를 처리하기 위한 영상 신호 처리 회로, 및 다양한 도전성 배선들이 기판(11) 상에 더 배치될 수 있다. 또한, 서미스터 부재(15)와 공진기(16) 사이에 절연성 유전체층이 더 배치되어, 공진기(16)와 서미스터 부재(15)를 전기적으로 절연시킬 수도 있다.
지지 부재(12a, 12b)는 적외선 검출기(10)의 단위 화소 내에서, 예를 들어, 대각선 방향으로 각각 하나씩 기판(11) 상에 수직하게 돌출하도록 배치될 수 있다. 지지 부재(12a, 12b)의 상부에는 열상 다리(13a, 13b)의 일측 단부가 예를 들어 캔틸레버(cantilever)의 형태로 연결될 수 있다. 즉, 제 1 지지 부재(12a)에는 기판(11)과 이격하여 제 1 열상 다리(13a)가 연결되어 있으며, 제 2 지지 부재(12b)에는 제 2 열상 다리(13b)가 기판(11)과 이격하여 연결될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 열상 다리(13a, 13b)는 단위 화소의 가장자리를 따라 서로 평행하게 수평 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 각각의 열상 다리(13a, 13b)의 표면에는 도전성을 갖는 리드 선(14a, 14b)이 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에는 열상 다리(13a, 13b)의 상부 표면에 리드 선(14a, 14b)이 배치된 것으로 도시되어 있지만, 이는 단지 일예이며 열상 다리(13a, 13b)의 다른 표면에 리드 선(14a, 14b)이 배치될 수도 있다. 비록 상세히 도시되지는 않았지만, 각각의 리드 선(14a, 14b)은 지지 부재(12a, 12b)를 따라 기판(11) 상의 구동 회로(미도시)에 연결될 수 있다. 후술하겠지만, 상기 리드 선(14a, 14b)은 서미스터 부재(15)와 공진기(16)에서 발생하는 신호를 기판(11), 특히 기판(11)에 배치된 구동 회로에 전달하는 역할을 할 수 있다.
또한, 한 쌍의 열상 다리(13a, 13b)의 타측 단부에는 서미스터 부재(15)가 각각 연결될 수 있다. 따라서, 서미스터 부재(15)는 상기 열상 다리(13a, 13b) 및 지지 부재(12a, 12b)를 통해 기판(11)에 대해 이격되도록 지지될 수 있다. 도 1에는 4개의 서미스터 부재(15)가 예시적으로 도시되어 있지만, 2개나 3개, 또는 5개 이상의 서미스터 부재(15)를 사용할 수도 있으며, 또는 단지 한 개의 서미스터 부재(15)만이 적외선 검출기(10)의 단위 화소 내에 배치될 수도 있다. 단위 화소 내에 하나의 서미스터 부재(15)만이 배치되는 경우, 하나의 서미스터 부재(15)의 양측에 한 쌍의 열상 다리(13a, 13b)가 각각 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 서미스터 부재(15)가 적외선 검출기(10)의 단위 화소 내에 배치되는 경우, 상기 다수의 서미스터 부재(15)는 직렬 또는 병렬 연결 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 한 서미스터 부재(15)에 제 1 열상 다리(13a)가 연결되고, 다른 서미스터 부재(15)에 제 2 열상 다리(13b)가 연결되어 있으며, 상기 제 1 및 제 2 열상 다리(13a, 13b)에 각각 연결된 두 서미스터 부재(15) 사이에는 연결 부재(18)들을 통해 나머지 서미스터 부재(15)들이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 연결 부재(18)는 인접한 두 서미스터 부재(15)들의 사이를 연결한다.
서미스터 부재(15)는 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 서미스터 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 서미스터 부재(15)는 열에 의해 저항변화를 갖는 금속 재료, 금속 산화물, 또는 반도체 재료, 이를테면 비정질 실리콘(amorphous silicon), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), GeSbTe(Germanium-Antimony-Tellurium), Si-Ge 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 열상 다리(13a, 13b)와 연결 부재(18)들도 서미스터 부재(15)와 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 열상 다리(13a, 13b)와 연결 부재(18)가 서미스터 부재(15)와 동일한 재료로 이루어지는 경우, MEMS 방식으로 적외선 검출기(10)를 제조할 때 제조 공정을 용이하게 할 수 있다. 그러나, 열상 다리(13a, 13b)와 연결 부재(18)는, 예를 들어, 실리콘 질화물이나 실리콘 산화물과 같이 서미스터 부재(15)와 다른 절연성 유전체 재료로 이루어질 수도 있다.
서미스터 부재(15)의 표면 상에는 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 공진기(16)가 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 서미스터 부재(15)가 적외선 검출기(10)의 단위 화소 내에 배치되는 경우, 각각의 서미스터 부재(15)의 표면마다 공진기(16)가 배치될 수 있다. 또한, 공진기(16)가 서미스터 부재(15)로부터 전기적으로 절연되도록 각각의 공진기(16)와 서미스터 부재(15) 사이에는 절연성 유전체층(도시되지 않음)이 더 배치될 수 있다. 공진기(16)는 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있는 재료, 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 박막일 수 있다. 검출하고자 하는 적외선 대역의 파장(예를 들어, 8~14㎛)에서 표면 플라즈몬 공명이 일어날 수 있도록 공진기(16)는 소정의 형태로 패터닝될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 적외선 검출기(10)의 단위 화소 내에 배치되는 다수의 공진기(16)들은 모두 동일한 크기와 형태를 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 서미스터 부재(15)와 공진기(16)들은 2×2 매트릭스 형태의 어레이로 배열될 수 있다. 그러나, 이는 단지 한 예일 뿐이다. 적외선 검출기(10)의 단위 화소에는 단지 하나의 서미스터 부재(15)와 공진기(16)만이 배치될 수도 있으며, 또는 5개 이상의 서미스터 부재(15)와 공진기(16)가 배열될 수도 있다. 적외선 검출기(10)의 단위 화소에 다수의 서미스터 부재(15)와 공진기(16)가 배열되는 경우, 회절 손실(diffraction loss)을 감소시키기 위하여 인접한 서미스터 부재(15)들 사이의 간격을 적절히 조절할 수 있다. 즉, 인접한 서미스터 부재(15)들 사이의 간격은 일종의 회절 슬릿 역할을 하는데, 검출하고자 하는 파장 대역의 적외선이 상기 간격 사이에서 회절하게 되면 적외선 검출기(10)의 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 서미스터 부재(15)들 사이의 간격을 검출하고자 하는 적외선 대역의 파장보다 작게 설정함으로써, 적외선 검출기(10)에 입사하는 적외선이 서미스터 부재(15)들 사이의 간격에서 회절하지 않도록 할 수 있다. 예컨대, 서미스터 부재(15)들 사이의 수평 방향 간격(d1)과 수직 방향 간격(d2)은 8㎛보다 작을 수 있으며, 특히 대략 6㎛일 수 있다.
또한, 기판(11)의 표면 상에는 상기 서미스터 부재(15) 및 공진기(16)와 대향하도록 반사판(17)이 배치될 수 있다. 반사판(17)은 서미스터 부재(15) 및 공진기(16)에서 적외선 흡수를 증가시키기 위하여 적외선 검출기(10)의 단위 화소에 입사하는 적외선을 반사하는 역할을 한다. 이러한 반사판(17)은 기판(11)의 상부 표면 전체에 걸쳐 형성될 수 있다. 상기 공진기(16)와 마찬가지로, 반사판(17)은 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 박막일 수 있다.
상술한 구조를 갖는 적외선 검출기(10)의 동작은 다음과 같다.
적외선 검출기(10)에 검출하고자 하는 적외선 대역(예를 들어, 8~14㎛)의 전자기파가 입사하면, 전자기파의 에너지에 의해 공진기(16)에서 표면 플라즈몬 공명이 일어나게 된다. 공진기(16)에서 흡수되지 않은 나머지 전자기파는 반사판(17)에 의해 반사되면서 다시 공진기(16)에 입사하므로 흡수 효율이 증가할 수 있다. 공진기(16)에서 표면 플라즈몬 공명이 일어나게 되면 열이 발생하게 되는데, 이로 인해 상기 공진기(16)와 접촉하고 있는 서미스터 부재(15)의 온도가 상승할 수 있다. 이러한 온도 변화는 서미스터 부재(15)의 저항을 변화시키게 된다. 한편, 서미스터 부재(15)의 저항은 열상 다리(13a, 13b)의 표면 상에 배치된 리드 선(14a, 14b)을 통해 측정될 수 있다. 예를 들어, 두 리드 선(14a, 14b) 사이에 전압을 인가하면, 서미스터 부재(15)의 저항에 따라 두 리드 선(14a, 14b) 사이에 흐르는 전류가 변하게 된다. 따라서, 기판(11) 상의 구동 회로(미도시)가 두 리드 선(14a, 14b) 사이에 흐르는 전류를 측정함으로써 적외선 검출기(10)에 입사하는 적외선의 세기를 측정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 공진기(16)는 검출하고자 하는 적외선 대역(예를 들어, 8~14㎛) 내에서 다수의 공진주파수를 갖도록 설계되어 다수의 공진 모드에서 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다. 이를 위해 공진기(16)는 다양한 형태로 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 공진기(16)는 네 개의 변을 갖는 직사각형의 기본 형태를 가지며, 각각의 변에는 그 변에 수직한 방향으로 2개의 아암(arm)(16a~16h)들이 각각 돌출하여 형성될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 공진기(16)는 제 1 방향으로 평행한 2개의 막대와 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 평행한 2개의 막대를 겹쳐 놓은 형태라고 볼 수 있다. 그러면, 제 1 방향으로 서로 대향하는 2개의 아암(16c, 16h; 16d, 16g)들 사이에 2개의 제 1 공진부(R1)가 형성될 수 있으며, 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 서로 대향하는 2개의 아암(16a, 16f; 16b, 16e)들 사이에 제 2 공진부(R2)가 형성될 수 있다. 또한 이러한 구조에서는, 서로 이웃하는 아암(16a, 16h; 16b, 16c; 16d, 16e; 16f, 16g)들 사이에 4개의 폴딩된 형태의 제 3 공진부(R3)가 더 형성될 수 있다. 제 3 공진부(R3)는 제 1 및 제 2 공진부(R1, R2)보다 짧은 공진 주파수를 가질 수 있다.
아암(16a~16h)들의 돌출 길이가 모두 같으면, 상기 제 1 공진부(R1)와 제 2 공진부(R1, R2)는 공진 방향만 다르고 공진 주파수는 같을 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 공진부(R1, R2)가 약 10㎛ 정도의 공진 주파수를 갖는다고 할 때, 서로 대향하는 두 아암(16a, 16f; 16b, 16e; 16c, 16h; 16d, 16g)들의 단부들 사이의 거리(즉, 공진기(16)의 폭)(D)는 대략 2.5~3㎛ 정도일 수 있다. 또는, 제 1 방향으로 돌출한 아암(16c, 16d, 16g, 16h)의 길이와 제 2 방향으로 돌출한 아암(16a, 16b, 16e, 16f)의 길이를 다르게 할 수도 있다. 이 경우, 두 공진부(R1, R2)는 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다.
이렇게 공진기(16)가 다양한 공진 주파수를 갖도록 구성되기 때문에, 적외선 검출기(10)는 넓은 적외선 대역에서 일정하게 높은 검출 특성을 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 3에 도시된 형태의 공진기(16)에서의 흡수 스펙트럼을 시뮬레이션한 결과를 예시적으로 보이고 있다. 여기서, 공진기(16)는 정사각형의 네 변에 각각 2개씩 총 8개의 아암을 가지며, 서로 대향하는 아암들은 공진기(16)의 중심축을 기준으로 대칭적으로 형성되었다고 가정하였다. 도 4을 그래프를 참조하면, 공진기(16)의 흡수율이 8~14㎛의 대역 내에서 매우 일정하게 1에 가깝다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 공진기(16)를 사용하면 적외선 검출기(10)는 8~14㎛의 대역 내의 모든 적외선을 균일하게 높은 효율로 검출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 적외선 검출기(10)는 다수의 공진 모드에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 공진기(16)를 포함하기 때문에, 모양과 크기가 같은 단 한 종류의 공진기(16)만으로 넓은 대역의 적외선 파장을 갖는 전자기파를 검출할 수 있다. 따라서, 단위 화소 내에 다양한 종류의 공진기를 배치할 필요가 없어서, 열상 다리(13a, 13b)와 리드 선(14a, 14b)을 위한 공간을 확보하기 용이하다. 또한, 회절 손실을 줄여 흡수율을 더욱 증가시킬 수 있어서, 신호 대 잡음비를 또한 향상시킬 수 있다. 그 결과, 적외선 검출기(10)의 단위 화소의 크기를 줄여 해상도를 향상시킬 수 있다.
광대역 적외선 검출기(10)에서 사용할 수 있는 공진기(16)는 도 3에 도시된 형태 이외에도 매우 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5a 내지 도 5f는 가능한 다양한 공진기의 예시적인 형태를 개략적으로 보이는 평면도이다.
먼저, 도 5a에 도시된 공진기(26)는 도 3에 도시된 공진기(16)와 전반적으로 동일하지만 중심 부분에 개구(26a)가 더 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 중심 부분이 뚫려 있는 공진기(26)도 사용할 수 있다.도 5a에는 사각형 형태의 개구(26a)가 도시되어 있지만, 원형이나 다른 다격형 형태의 개구가 형성될 수도 있다.
또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 공진기(36)는 비대칭적으로 돌출된 다수의 아암(36a~36h)들을 가질 수 있다. 예를 들어, 좌측의 아암(36g, 36h)들보다 우측의 아암(36c, 36d)들이 더 많이 돌출될 수 있으며, 상부의 아암(36a, 36b)들보다 하부의 아암(36e, 36f)들이 더 많이 돌출될 수도 있다. 즉, 서로 대향하는 맞은 편의 변에 있는 아암(36a, 36f; 36b, 36e; 36c, 36h; 36d, 36g)들의 길이가 서로 다를 수 있다. 그러나 도 5b의 경우에, 같은 변에 있는 아암(36a, 36b; 36c, 36d; 36e, 36f; 36g, 36h)들은 돌출 길이가 같을 수 있다.
또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 공진기(46)는 같은 변에 배치되어 있는 아암(46a, 46b; 46c, 46d; 46e, 46f; 46g, 46h)들이 서로 다른 길이를 가질 수도 있다. 도 5c에서, 공진기(46)는 좌우 방향으로 또는 상하 방향으로 대칭인 것으로 도시되어 있다. 즉, 서로 대향하는 맞은 편의 변에 있는 아암(46a, 46f; 46b, 46e; 46c, 46h; 46d, 46g)들은 돌출 길이가 서로 같을 수 있다. 그러나, 도 5b에서와 마찬가지로, 비대칭형으로 공진기(46)가 형성될 수도 있다. 예컨대, 8개의 아암(46a, 46b; 46c, 46d; 46e, 46f; 46g, 46h)들이 모두 다른 길이를 갖는 것도 가능하다.
도 3 및 도 5a 내지 도 5c는 직사각형의 네 변에 아암들이 형성된 구조를 예시하고 있지만, 다른 형태의 공진기도 사용할 수 있다.
예를 들어, 도 5d를 참조하면, 공진기(56)는 원형 디스크의 외주면에 원형으로 돌출된 다수의 아암(56a~56d)들을 가질 수 있다. 도 5d에서 화살표로 표시한 바와 같이, 상기 공진기(56)는 매우 다양한 공진 주파수들을 가질 수 있다. 도 5d에는 공진기(56)가 4개의 아암(56a~56d)들을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 한 예일 뿐이다.
또한, 도 5e에 도시된 바와 같이, 십자가 형태로 서로 직교하는 두 막대 성분을 갖는 공진기(66)도 사용될 수 있다. 여기서, 도 5e에 도시된 공진기(66)에서, 막대 성분의 단부 부분(66a, 66b)이 수직하게 절곡됨으로써 공진기(66)의 대역폭을 증가시킬 수 있다. 도 5e의 공진기(66)에는 2개의 단부 부분(66a, 66b)만이 절곡된 것으로 도시되어 있지만, 절곡된 부분의 개수는 설계에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 절곡된 부분의 길이도 필요에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
마지막으로, 도 5f에 도시된 바와 같이, 십자가 형태로 서로 직교하는 두 막대 성분, 및 상기 막대 성분의 단부에서 양측면으로 돌출된 돌출부(76a, 76b)를 갖는 공진기(76)도 사용될 수 있다.
상술한 적외선 검출기(10)는 다수의 단위 화소들을 2차원 어레이로 배열한 적외선 열상 카메라에 이용될 수 있으며, 또는 단지 하나의 단위 화소 구조만으로 이루어진 적외선 감지 센서 또는 열상 센서 등에 이용될 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광대역 표면 플라즈몬 공진기를 포함하는 적외선 검출기에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....적외선 검출기 11.....기판
12a, 12b.....지지 부재 13a, 13b.....열상 다리
14a, 14b.....리드 선 15.....서미스터 부재
16, 26, 36, 46, 56 66, 76.....공진기
17.....반사판 18.....연결 부재
12a, 12b.....지지 부재 13a, 13b.....열상 다리
14a, 14b.....리드 선 15.....서미스터 부재
16, 26, 36, 46, 56 66, 76.....공진기
17.....반사판 18.....연결 부재
Claims (20)
- 기판;
상기 기판에 이격되어 배치된 것으로, 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 서미스터 부재;
상기 서미스터 부재 상에 배치된 것으로, 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 공진기;
상기 서미스터 부재를 기판으로부터 이격되도록 지지하는 한 쌍의 열상 다리; 및
상기 한 쌍의 열상 다리의 표면 상에 각각 배치된 것으로, 상기 서미스터 부재와 공진기로부터의 신호를 상기 기판으로 전달하는 한 쌍의 도전성 리드 선;을 포함하고,
상기 공진기는 다수의 공진주파수를 가지며 다수의 공진 모드에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키도록 구성되고,
상기 공진기는 4개의 변을 갖는 직사각형의 기본 형태를 가지며, 각각의 변에는 그 변에 수직한 방향으로 적어도 2개의 아암들이 각각 돌출하여 형성되어 있는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판의 표면 상에서 상기 서미스터 부재 및 공진기와 대향하도록 배치되며 입사 전자기파를 반사하는 반사판을 더 포함하는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판 상에 수직하게 돌출하여 배치된 한 쌍의 지지 부재를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 1 단부는 상기 한 쌍의 지지 부재의 상부에 캔틸레버 형태로 각각 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 2 단부는 상기 서미스터 부재에 연결되어 있는 적외선 검출기. - 제 3 항에 있어서,
하나의 서미스터 부재의 양측에 상기 한 쌍의 열상 다리가 각각 연결되어 있는 적외선 검출기. - 제 3 항에 있어서,
직렬 또는 병렬 연결 방식으로 배열된 다수의 서미스터 부재를 포함하며,
상기 한 쌍의 열상 다리 중 제 1 열상 다리는 상기 다수의 서미스터 부재 중 하나에 연결되고, 상기 한 쌍의 열상 다리 중 제 2 열상 다리는 상기 다수의 서미스터 부재 중 다른 하나에 연결되어 있는 적외선 검출기. - 제 5 항에 있어서,
인접한 두 서미스터 부재 사이를 연결하는 연결 부재를 더 포함하는 적외선 검출기. - 제 5 항에 있어서,
상기 다수의 서미스터 부재 상에 각각 배치되는 다수의 공진기를 포함하며, 상기 다수의 공진기들은 동일한 크기와 모양을 갖는 적외선 검출기. - 제 5 항에 있어서,
인접한 두 서미스터 부재 사이의 간격은 검출하고자 하는 적외선 대역의 파장보다 작은 적외선 검출기. - 제 8 항에 있어서,
상기 간격은 8㎛보다 작은 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 서미스터 부재는 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 니켈 산화물 및 Si-Ge 중에서 적어도 하나로 이루어지는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 공진기는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 포함하는 금속의 박막으로 이루어지는 적외선 검출기. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
제 1 방향으로 서로 대향하는 2개의 아암들 사이에 2개의 제 1 공진부가 형성되며, 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 서로 대향하는 2개의 아암들 사이에 제 2 공진부가 형성되고, 서로 이웃하는 아암들 사이에 4개의 폴딩된 형태의 제 3 공진부가 형성되는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 아암들의 돌출 길이가 모두 같은 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
서로 대향하는 맞은 편의 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 다르며, 같은 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 같은 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
서로 대향하는 맞은 편의 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 같으며, 같은 변에 있는 아암들은 돌출 길이가 서로 다른 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
서로 대향하는 두 아암들의 단부들 사이의 거리가 2.5㎛ 내지 3㎛의 범위에 있는 적외선 검출기. - 기판;
상기 기판에 이격되어 배치된 것으로, 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 서미스터 부재;
상기 서미스터 부재 상에 배치된 것으로, 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 공진기;
상기 서미스터 부재를 기판으로부터 이격되도록 지지하는 한 쌍의 열상 다리; 및
상기 한 쌍의 열상 다리의 표면 상에 각각 배치된 것으로, 상기 서미스터 부재와 공진기로부터의 신호를 상기 기판으로 전달하는 한 쌍의 도전성 리드 선;을 포함하고,
상기 공진기는 다수의 공진주파수를 가지며 다수의 공진 모드에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키도록 구성되고,
상기 공진기는 원형 디스크의 기본 형태를 가지며, 상기 원형 디스크의 외주면에 원형으로 돌출된 다수의 아암들을 포함하는 적외선 검출기. - 삭제
- 삭제
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