MEMS 기반 흑체 시스템의 온도 균일도 및 추정 정확도의 수치 해석적 검토 Numerical Investigation of Temperature Uniformity and Estimation Accuracy for MEMS-based Black Body System원문보기
적외선 검출기와 같은 우주용 영상센서는 작동 유무 및 시간경과에 따라 센서의 응답특성이 변하기 때문에 영상품질이 저하된다. 이러한 영상센서의 비균일 응답특성을 보정하기 위하여 궤도상에서 보정용 흑체시스템을 이용하여 주기적인 보정을 실시 할 수 있도록 해야 한다. 본 논문에서는 저온에서 고온에 이르는 다양한 기준온도에서의 높은 온도균일도 확보 및 흑체의 대표표면온도 추정이 용이하고, 초경량, 저전력, 고정밀도의 흑체 시스템을 구현하기 위해 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기반의 흑체시스템을 제안하였으며, 열해석을 통해 성능을 입증하였다.
적외선 검출기와 같은 우주용 영상센서는 작동 유무 및 시간경과에 따라 센서의 응답특성이 변하기 때문에 영상품질이 저하된다. 이러한 영상센서의 비균일 응답특성을 보정하기 위하여 궤도상에서 보정용 흑체시스템을 이용하여 주기적인 보정을 실시 할 수 있도록 해야 한다. 본 논문에서는 저온에서 고온에 이르는 다양한 기준온도에서의 높은 온도균일도 확보 및 흑체의 대표표면온도 추정이 용이하고, 초경량, 저전력, 고정밀도의 흑체 시스템을 구현하기 위해 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기반의 흑체시스템을 제안하였으며, 열해석을 통해 성능을 입증하였다.
Output Characteristics of the spaceborn image sensor such as infrared(IR) sensor are varied according to time elapses and sensor repetition on/off operation. As a result, the quality of IR sensor image is decreased. Therefore, spaceborne image sensor require a periodic calibration using a black body...
Output Characteristics of the spaceborn image sensor such as infrared(IR) sensor are varied according to time elapses and sensor repetition on/off operation. As a result, the quality of IR sensor image is decreased. Therefore, spaceborne image sensor require a periodic calibration using a black body system by correcting a non-uniformity of the sensor. In this paper, we proposed a MEMS-based black body system that can implement the high temperature uniformity at various standard temperatures ranging from low to high temperature and easily estimate the representative surface temperature. In addition, it has advantages lightweight, low-power and high accuracy. The feasibility of the proposed MEMS-based black body system was verified through the thermal analysis.
Output Characteristics of the spaceborn image sensor such as infrared(IR) sensor are varied according to time elapses and sensor repetition on/off operation. As a result, the quality of IR sensor image is decreased. Therefore, spaceborne image sensor require a periodic calibration using a black body system by correcting a non-uniformity of the sensor. In this paper, we proposed a MEMS-based black body system that can implement the high temperature uniformity at various standard temperatures ranging from low to high temperature and easily estimate the representative surface temperature. In addition, it has advantages lightweight, low-power and high accuracy. The feasibility of the proposed MEMS-based black body system was verified through the thermal analysis.
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문제 정의
본 논문에서는 종래의 적외선 검출기 교정용 흑체시스템의 단점을 극복하기 위해 시스템 단순화 및 고기능 구현이 가능하고 초경량, 저 전력, 고정밀도 구현이 가능한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 기반의 마이크로 히터와 가열 후 잔열 수송 및 심우주로 열을 방출하여 저온구간에서의 온도정보를 제공하기 위한 방열판을 제안하였으며, 상기 제안된 흑체시스템에 대한 열해석을 수행하여 해석결과 분석 및 열설계에 대한 타당성을 입증하였다.
기존의 흑체시스템의 경우 저온에서 고온에 이르는 흑체기준온도 제공을 위해 흑체로부터 외부에 위치한 방열판으로의 열적 전도 경로를 확보해야하는 등 시스템의 복잡화가 수반된다. 본 논문에서는 종래의 흑체시스템의 단점에 기인하여 MEMS기반의 흑체시스템을 제안하였다. 이를 통해 시스템 단순화 및 초경량, 저전력, 고정밀도의 구현이 가능하며, 흑체표면 근접위치에 히터와 온도센서의 고집접화 배치가 가능하여 온도균일화 및 대표표면온도를 추정이 용이하다.
가설 설정
종래의 흑체시스템의 경우 흑체표면을 가열하기 위한 히터에 결함이 발생했을 때 보조 히터를 사용하여 교정임무를 수행하나 높은 온도 균일도 확보 및 대표표면온도 추정에 어려움이 존재하게 된다. 상기와 같이 히터의 결함이 발생했을 때 MEMS기반 흑체표면의 온도구배를 확인하기 위해 Fig. 3(a)에서 마이크로 히터가 1번, 2번, 4번, 5번 순서대로 결함이 발생했다고 가정하여 열해석을 수행하였다. 해석결과 Table 5와 같이 결함 개수가 증가할수록 가열 목표온도인 40℃를 만족 하지 못하는 것을 알 수 있었다.
제안 방법
MEMS기반 흑체시스템의 내부경계조건온도(BC1)는 10℃/30℃를 적용하였으며, 외부 경계조건온도(BC2)는 지상에서 열진공 챔버를 통해 검증시험이 우선적으로 이루어지기 때문에, 심우주 환경을 모사 가능한 경계조건온도인 –160℃를 적용하였다.
MEMS기반 흑체시스템의 열해석 모델은 Fig.3 (a)와 같이 마이크로 히터가 증착되는 흑체웨이퍼와 발열 유효면적을 고려한 마이크로히터와 잔열을 심우주로 방열하기 위해 0.028m2의 방열 면적을 가지는 방열판으로 간략화 하였으며, 방열판과 흑체웨이퍼 간 열전도도는 1500W/m2K을 적용하였다[9-11]. 흑체웨이퍼의 재료는 실리콘웨이퍼의 물성치를 적용하였고, 마이크로 히터는 백금, 방열판은 열전도율이 높은 Al-6063물성치를 적용하였다.
대표표면온도 추정은 흑체표면 가열 후 교정 임무를 수행하는 하강구간에서 흑체 표면온도(Ts)와 온도센서(T1, T2, T3)간 차이로 계산되며, 흑체에 내장된 온도센서의 출력 값은 온도센서가 배치되는 노드 점에 대한 온도 값을 통해 Cold/Hot조건에서 흑체 대표표면온도 추정을 수행하였다. Fig.
흑체웨이퍼의 재료는 실리콘웨이퍼의 물성치를 적용하였고, 마이크로 히터는 백금, 방열판은 열전도율이 높은 Al-6063물성치를 적용하였다. 또한, 흑체 면을 제외한 전자보드와 방열판에는 열적 단열을 위해 MLI(Multi Layer Insulation)를 적용하였다. Table 2는 열해석 환경 온도조건으로 worst Cold와 worst Hot 조건에서 해석을 수행하였다.
흑체의 표면온도를 최대한 정밀하게 추정하기 위해서는 표면과 근접한 위치에 온도센서를 배치해야한다. 상기에서 제안한 흑체시스템의 온도센서는 마이크로 히터와 동일한 공정으로 제작되며, RTD 마이크로 온도센서를 적용하였다. 흑체 웨이퍼에 증착되는 마이크로 온도센서의 위치를 Fig.
2와 같이 미로형태로 증착되었다. 열설계 수행 시 마이크로 히터의 형상이 미로형태임으로 이에 따른 유효면적을 고려하여 열설계를 수행하였으며, 마이크로 히터가 증착되어있는 실리콘 웨이퍼의 앞면에는 고방사율의 특성을 가지는 흑체 물성치를, 뒷면에는 흑색 페인트를 적용하였고 심우주로의 방열을 높이기 위해 방열판 상부는 흑체와 접촉하였으며, 방열판 하부 바닥면에는 SSM(Second Surface Mirror)을 적용하였다.
이와 같이 MEMS공정을 흑체시스템에 적용함으로써 초소형, 초경량, 저전력 구동이 가능하며, 흑체 표면 근접위치에 다수의 온도센서 및 히터의 집접화가 가능하여 흑체기능에 있어 대표 표면온도 추정과 온도균일화 확보에 매우 유리한 장점을 가진다. 이외에도 히터의 잔열 수송 및 심우주로 열을 방출하기 위해 열전도성이 우수한 Al-6063재질의 방열판을 적용하여 저온구간에서의 온도정보 제공이 가능하도록 하였다.
대상 데이터
Figure 1은 본 논문에서 제안한 MEMS기반의 흑체시스템 형상을 나타낸다. 상기의 흑체는 MEMS공정에 널리 쓰이는 2.5mm두께의 실리콘 재질의 웨이퍼로 제작되었으며, 고온의 온도정보 제공 및 표면온도균일화를 위해 실리콘웨이퍼 뒷면에는 마이크로 히터가 대칭형으로 증착되어있다. 이와 같이 MEMS공정을 흑체시스템에 적용함으로써 초소형, 초경량, 저전력 구동이 가능하며, 흑체 표면 근접위치에 다수의 온도센서 및 히터의 집접화가 가능하여 흑체기능에 있어 대표 표면온도 추정과 온도균일화 확보에 매우 유리한 장점을 가진다.
028m2의 방열 면적을 가지는 방열판으로 간략화 하였으며, 방열판과 흑체웨이퍼 간 열전도도는 1500W/m2K을 적용하였다[9-11]. 흑체웨이퍼의 재료는 실리콘웨이퍼의 물성치를 적용하였고, 마이크로 히터는 백금, 방열판은 열전도율이 높은 Al-6063물성치를 적용하였다. 또한, 흑체 면을 제외한 전자보드와 방열판에는 열적 단열을 위해 MLI(Multi Layer Insulation)를 적용하였다.
이론/모형
열설계 및 해석을 위해 상용 소프트웨어인 Thermal Desktop와 RadCAD[6]로 MEMS 기반 흑체시스템의 열설계 검증을 위한 열모델(TMM: Thermal Mathematical Model)을 Fig. 3과 같이 구축하였으며, 온도분포 해석을 위한 열해석 소프트웨어는 SINDA/FLUINT를 사용하였다. SINDA/FLUINT는 일반적으로 식 (1)과 같은 노드에 대한 열에너지 평형식을 통해 열분포와 온도 변화를 계산하게 된다.
성능/효과
이를 통해 시스템 단순화 및 초경량, 저전력, 고정밀도의 구현이 가능하며, 흑체표면 근접위치에 히터와 온도센서의 고집접화 배치가 가능하여 온도균일화 및 대표표면온도를 추정이 용이하다. MEMS기반 흑체시스템의 열설계는 150초 동안 흑체 표면을 가열하기 위한 마이크로 히터 및 잔열 수송 및 저온구간 온도정보를 제공하기 위한 방열판으로 구성되며, 열해석을 통해 교정임무수행 구간인 온도 하강구간에서 1K이하의 고온 및 저온의 온도정보 제공이 가능하고, 원형 대칭형태의 온도분포를 보임으로써 흑체의 대표표면온도 추정이 용이함을 확인하였으며, 마이크로 히터의 결함으로 인한 열 해석을 수행하여 설계 타당성을 검증하였다. 향후 상기의 공정을 기반으로 MEMS기반 EM(Engineering Model)흑체를 설계 및 제작하여 표면온도 균일도, 대표표면온도 추정등의 기본 성능 및 기능 측정시험을 통해 설계 유효성을 검증 할 계획이다.
5mm두께의 실리콘 재질의 웨이퍼로 제작되었으며, 고온의 온도정보 제공 및 표면온도균일화를 위해 실리콘웨이퍼 뒷면에는 마이크로 히터가 대칭형으로 증착되어있다. 이와 같이 MEMS공정을 흑체시스템에 적용함으로써 초소형, 초경량, 저전력 구동이 가능하며, 흑체 표면 근접위치에 다수의 온도센서 및 히터의 집접화가 가능하여 흑체기능에 있어 대표 표면온도 추정과 온도균일화 확보에 매우 유리한 장점을 가진다. 이외에도 히터의 잔열 수송 및 심우주로 열을 방출하기 위해 열전도성이 우수한 Al-6063재질의 방열판을 적용하여 저온구간에서의 온도정보 제공이 가능하도록 하였다.
후속연구
MEMS기반 흑체시스템의 열설계는 150초 동안 흑체 표면을 가열하기 위한 마이크로 히터 및 잔열 수송 및 저온구간 온도정보를 제공하기 위한 방열판으로 구성되며, 열해석을 통해 교정임무수행 구간인 온도 하강구간에서 1K이하의 고온 및 저온의 온도정보 제공이 가능하고, 원형 대칭형태의 온도분포를 보임으로써 흑체의 대표표면온도 추정이 용이함을 확인하였으며, 마이크로 히터의 결함으로 인한 열 해석을 수행하여 설계 타당성을 검증하였다. 향후 상기의 공정을 기반으로 MEMS기반 EM(Engineering Model)흑체를 설계 및 제작하여 표면온도 균일도, 대표표면온도 추정등의 기본 성능 및 기능 측정시험을 통해 설계 유효성을 검증 할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우주 궤도상에서 사용되고 있는 영상센서 중 적외선 검출기의 특징은?
우주 궤도상에서 사용되고 있는 영상센서 중 적외선 검출기 등은 작동/비작동 및 시간경과에 따른 동일 광원에 대한 응답특성 및 정밀도의 비균일성이 존재하게 되며, 이로 인해 촬영된 적외선 영상 품질의 저하를 야기한다. 따라서 적외선 검출기의 정상적인 임무수행을 위해서는 검출기의 비균일 응답 특성을 고려하여 영상획득 임무 수행 전 검출기 교정임무 수행이 반드시 선행되어야 하며, 이를 위해 일반적으로 탑재교정용 흑체가 적용되고 있다.
적외선 검출기의 정상적인 임무수행을 위해 선행되어야 하는 것은?
우주 궤도상에서 사용되고 있는 영상센서 중 적외선 검출기 등은 작동/비작동 및 시간경과에 따른 동일 광원에 대한 응답특성 및 정밀도의 비균일성이 존재하게 되며, 이로 인해 촬영된 적외선 영상 품질의 저하를 야기한다. 따라서 적외선 검출기의 정상적인 임무수행을 위해서는 검출기의 비균일 응답 특성을 고려하여 영상획득 임무 수행 전 검출기 교정임무 수행이 반드시 선행되어야 하며, 이를 위해 일반적으로 탑재교정용 흑체가 적용되고 있다. 탑재교정용 흑체의 주된 목적은 흑체 표면에서의 온도균일화 및 온도센서로부터의 표면 온도 추정이 가능한 고정밀 대표표면온도 정보 제공에 있으며, 일반적으로 검출기 교정을 위해 고온 및 저온에서의 온도제공이 가능하도록 복수의 흑체를 탑재하고 있으나, 상기의 경우 센서로부터 적외선 검출기로의 지향성 확보를 위한 메커니즘 적용이 요구되는 등 시스템 복잡화가 수반된다.
탑재교정용 흑체의 대표적인 사례?
탑재교정용 흑체의 주된 목적은 흑체 표면에서의 온도균일화 및 온도센서로부터의 표면 온도 추정이 가능한 고정밀 대표표면온도 정보 제공에 있으며, 일반적으로 검출기 교정을 위해 고온 및 저온에서의 온도제공이 가능하도록 복수의 흑체를 탑재하고 있으나, 상기의 경우 센서로부터 적외선 검출기로의 지향성 확보를 위한 메커니즘 적용이 요구되는 등 시스템 복잡화가 수반된다. 대표적인 사례로 1999년 발사된 Terra위성 기상탑재체인 MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrodiometer)[1]와 Sapritsky et al.이 제안한 중·저온 온도정보 제공 및 표면에서의 비균일 온도 특성 최소화를 위한 센서 및 히터설계를 통해 고 정밀 흑체를 비롯하여 적외선 검출기 교정용 흑체가 위성 시스템에 적용 되고 있다[2-4]. 이외에도 국내에서 개발된 탑재 교정용 흑체의 경우 하나의 흑체로 저온에서 고온에 이르는 교정온도 및 비균일 응답 특성에 대한 교정이 가능하나 검출기의 비균일 출력 특성 교정에만 한정되어 있어 제공 가능한 기준 온도정보가 매우 제한적이다.
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