초록 ▼

□ 연구개요
1980년대 국방 기술로서 발명된 이후, 지금까지 매우 더디게 발전해온, 비냉각형 micro bolometer focal plane array(MBFPA) 열 영상센서와 카메라 기술을 대량 민수용으로 널리 보급하기 위해 다음과 같은 기술을 혁신한다. 첫째, 국내 N 기관에서 개발되어 공개 서비스 중인 CMOS 양산 파운드리 공정기반 MBFPA에서, 단지 마스크 패턴만 바꾸어, 다른 성능의 희생 없이, 기존대비 10배 이상 개선된 정합성과 1/f 잡음을 갖는 감지셀/스키밍셀 최적화 설계를 수행하고, 이를 실험적으로

□ 연구개요
1980년대 국방 기술로서 발명된 이후, 지금까지 매우 더디게 발전해온, 비냉각형 micro bolometer focal plane array(MBFPA) 열 영상센서와 카메라 기술을 대량 민수용으로 널리 보급하기 위해 다음과 같은 기술을 혁신한다. 첫째, 국내 N 기관에서 개발되어 공개 서비스 중인 CMOS 양산 파운드리 공정기반 MBFPA에서, 단지 마스크 패턴만 바꾸어, 다른 성능의 희생 없이, 기존대비 10배 이상 개선된 정합성과 1/f 잡음을 갖는 감지셀/스키밍셀 최적화 설계를 수행하고, 이를 실험적으로 검증한다.
둘째, 열(행) 내/간 고정패턴과 전원 전압 변동에 의한 잡음을 기존대비 10배 이상 줄일 수 있는 것으로 본 연구실에서 발명된, MBFPA에 적합한 다중 디지털 상관이중 표본화(MD-CDS^TM) 기반 차동 검출 회로를 설계하고, 이를 실험적으로 검증한다. 셋째, 동 MD-CDS^TM 기술을 이용, 열영(화)상 카메라에서 셔터를 제거함으로서 지금까지 아무도 성공하지 못했던 난제를 해결한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
[연구 목표 Ⅰ대비 연구 결과]
1. MBFPA 픽셀의 감지셀과 기준셀 간의 열적/전기적 정합 최적화 설계
- 감지셀과 기준셀의 열적/전기적 정합 최적화를 위한 설계 이론 분석
- 자기 가열 상쇄가 가능한 감지셀 및 웜셀 최적화 설계
- MBFPA 감지셀과 기준셀의 전기적/광적/열적 성능 실험적 검증

2. 웨이퍼 레벨 특성 평가를 위한 환경 구축
- MBFPA 주요 특성을 반영한 PCM 패턴을 이용한 웨이퍼레벨 특성평가 환경구축

[연구 목표 Ⅱ 대비 연구 결과]
1. 고정패턴 잡음을 획기적으로 감축시키기 위한 열(행) MD-CDS 검출회로 설계
- MD-CDS가 가능한 검출회로 설계
- 고해상도 CMOS 온-칩 온도센서 설계

2. 검출회로 CMOS 파운드리 제작 및 칩 레벨 성능평가 환경 구축
- 검출회로 CMOS 파운드리 제작
- 칩레벨/웨이퍼레벨 성능평가 환경구축

3. 열상 센서 칩 제작 및 MD-CDS 효과의 실험적 검증
- CMOS-MEMS-WLVP SoC 칩 제작
- PVT-변동에 대한 고정패턴잡음 감축 검증

[연구 목표 Ⅲ 대비 연구결과]
1. 셔터제거 알고리즘 개발 및 실험적 검증을 위한 측정 및 평가 환경구축
- 블랙바디, 항온챔버등 알고리즘 개발 및 성능평가를 위한 하드웨어 시스템구축
- 매트랩기반 열영상센서 평가용 소프트웨어 구현

2. 셔터와 열전냉각기가 모두 제거된 열영상 카메라 구현
- 상용 제품수준인 100mK의 온도분해능 달성
- 열전냉각기/셔터 제거 후, 온도분해능 이하의 잔여 고정패턴잡음 레벨 달성

□ 연구개발결과의 중요성
[연구 목표 Ⅰ달성의 중요성]
- 최적화된 감지셀 및 웜 셀 설계 방법론은 모든 마이크로 볼로미터에 적용 가능
- 후속 공정에서 웜 셀의 설계 난이도를 대폭 낮춤

[연구 목표 Ⅱ달성의 중요성]
- MD-CDS는 매우 단순한 디지털 프로세싱을 통해 구현이 가능함.
- MD-CDS는 기존의 매우 많은 내삽 계수를 대폭 줄임으로써, 기존의 NUC 보정
난이도를 대폭 낮춤과 동시에 필요한 메모리 (S-RAM) 용량을 크게 줄일 수 있음.
- 단순한 디지털 프로세싱 기법만으로 기존의 매우 고가인 외부 전자부품의 필요
성능을 대폭 낮춤으로써, 카메라 모듈 제작 단가를 크게 낮출 수 있다.

[연구 목표 Ⅱ달성의 중요성]
본 과제를 통해 개발된 픽셀, 디지털 프로세싱 기술은 기존에 해외에서 제작된 매우 고가의 열영상 카메라를 국내의 내제된 기술로 개발할 수 있음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구 개발 과제의 개요 ... 4
• 가. 연구의 필요성 및 연구 목표 ... 4
• 나. 연구범위 및 연구수행 방법 ... 10
• 2. 연구 수행 내용 및 연구 결과 ... 12
• 가. 1차 년도 연구 수행 ... 12
• 나. 2차 년도 연구 수행 ... 38
• 3. 연구 개발 결과의 중요성 ... 51
• 가. 연구목표 Ⅰ 달성 결과 ... 51
• 나. 연구목표 Ⅱ 달성 결과 ... 51
• 다. 연구목표 Ⅲ 달성 결과 ... 51
• 4. 참고문헌 ... 52
• 5. 연구성과 ... 53
• 대표적 연구실적 ... 54
• 끝페이지 ... 67