초록 ▼

□ 연구개요
본 연구를 통해 근적외선 카메라의 크기, 비용 및 전력소모를 개선함과 동시에 영상의 성능 또한 높은 경쟁력을 갖추도록 하여, 차세대 웨어러블 기기 및 초소형 드론 등에 응용할 수 있는 초소형 근적외선 카메라 칩을 개발하고자 한다. 일반적인 소형 근적외선 카메라의 구성은, 크게 적외선 광학계, 적외선 센서 모듈 및 신호처리 보드 로 나뉜다. 적외선 카메라의 성능을 결정하는 주 요소는 적외선 센서 모듈로서, 감지 센서, 신호취득 회로 및 아날로-디지털 변환기(ADC)가 필요하다. 이와 더불어, 감지 센서의 기판 온도를

□ 연구개요
본 연구를 통해 근적외선 카메라의 크기, 비용 및 전력소모를 개선함과 동시에 영상의 성능 또한 높은 경쟁력을 갖추도록 하여, 차세대 웨어러블 기기 및 초소형 드론 등에 응용할 수 있는 초소형 근적외선 카메라 칩을 개발하고자 한다. 일반적인 소형 근적외선 카메라의 구성은, 크게 적외선 광학계, 적외선 센서 모듈 및 신호처리 보드 로 나뉜다. 적외선 카메라의 성능을 결정하는 주 요소는 적외선 센서 모듈로서, 감지 센서, 신호취득 회로 및 아날로-디지털 변환기(ADC)가 필요하다. 이와 더불어, 감지 센서의 기판 온도를 일정하게 하기 위한 온도 안정화 장치(TEC) 또는 냉각기가 필수로 사용되며, 이는 전체 카메라의 크기, 가격 및 전력소모를 크게 증가시킨다. 이에 따라 TEC를 사용하지 않는 구조를 제안하고 이를 픽셀 단위의 ADC에 접목하여, 단일 적외선 카메라칩을 구현하기 위한 핵심 기술을 마련하고자 한다. 근적외선 방사 에너지는 낮과 밤에 따라 크게 다르기 때문에, 목표로 하는 응용에서 만족할 만한 영상을 얻기에 어려움이 있다. 따라서, 최종적인 근적외선 영상 시스템은 매우 낮은 잡음과 매우 넓은 동작범위 특성을 가져야 하며, 본 연구를 통해 서 이 문제를 해결하고자 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
(1) 전류 모드 암전류 억제 방식과 바이어스 조정을 통해 온도 안정화 장치를 제거한(TEC-less) 신호취득회로: 이차원 배열 적외선 센서는 픽셀 마다 특성이 다르므로, 별도의 보정 데이터를 이용하여 불균일을 보정한다. 이 때, 적외선 검출기의 기판 온도가 일정하지 않으면 보정 데이터가 맞지 않아 불균일 보정이 어렵고, 이에 따라 공간 잡음이 크게 증가한다. 따라서, 적외선 센서 모듈에서 TEC는 필수적이지만, 이로 인한 전력소모, 크기 및 비용의 증가가 매우 심각하다. 이를 해결하기 위해, 암 전류를 효과적으로 억제하면서 온도 구간에 따라 센서의 바이어스를 조정하는 방식으로, 새로운 TEC-less 신호취득회로를 구현했다. 제안하는 암전류 억제 방식은 76% 이상의 보정범위에 대해 0.3% 이하의 매우 작은 보정오차를 나타내며, 이는 기존 방식의 보정오차에 비해 1/21 이하의 수치이다. 제안하는 TEC-less 신호취득회로는 매우 넓은 동작온도에서 매우 낮은 공간잡음 특성을 보이고 있으며, -20℃ 에서 50℃ 사이의 동작 온도에 대해 50mK 이하의 NETD를 기대할 수 있다.
(2) 캐패시터의 크기와 리셋 시점을 능동적으로 조정하여 매우 넓은 동작범위 특성 구현: 근적외선 감지센서의 전류는 밤과 낮에 따라 차이가 클 뿐만 아니라, 같은 시간대의 한 영상 내에서도 크게 다르므로, 올바른 영상을 얻기 위해서 이에 대한 신호취득회로의 동작범위는 매우 넓어야 한다. 본 연구에서는 각픽셀 내에서 실시간으로 발생하는 광량을 감지하여 적분 캐패시터의 크기와 리셋 시점을 능동적으로 조정했다. 이를 통해 사용 환경에 관계없이 실질적인 동작범위를 크게 개선하고자 했다. 제안하는 신호취득 회로는 매우 넓은 입력 범위에 대해 우수한 신호 대 잡음 비(S/N) 특성을 보이고 있고, 약 130dB 정도의 매우 넓은 동작범위를 가지며, 신호취득 잡음 또한 41 electron 이하의 우수한 특성을 보인다.
(3) 저전력 픽셀 단위의 아날로그-디지털 변환기(pixel-level ADC), 영상/신호처리 기능을 집적한 신호취득회로: ADC를 신호취득회로에 집적하면, 카메라 시스템의 크기와 가격뿐만 아니라 데이터 전달과정의 전력소모와 잡음을 크게 줄일 수 있다. 이러한 on-chip ADC 중에서도 픽셀 단위의 ADC는 잡음과 전력 소모가 작고 scaling이 용이하며, 센서의 출력을 지속적으로 제어하여 동작범위를 크게 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다. 적외선 검출기에서 얻어진 디지털 데이터는 별도의 보드를 통해 영상/신호처리 과정을 거치는데, TEC-less 신호취득회로와 저전력 픽셀 단위 ADC를 활용하면, 이러한 영상/신호처리 과정을 효과적으로 구현할 수 있다. 입력 신호의 최댓값에 관계없이 최적의 동작이 가능하고, 최대 S/N과 전력소모를 개선하도록 새로운 픽셀 단위의 ADC를 제안했다. 제안한 픽셀 단위의 ADC, 신호취득회로부, 아날로그 전원 회로부 및 영상/신호처리 부를 포함하여 900mW 이하의 전력 소모를 갖도록 설계 했다. 신호취득 잡음은 57 elelctron 이하이며, 픽셀 단위의 ADC에 대한 동작범위는 117dB 정도이다.

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구의 결과는 적외선 영상이 필요한 모든 경우에 적용될 수 있으며, 특히 웨어러블 기기 및 무인기 응용 등의 고성능 초소형 근적외선 카메라에 적합하다. 현재 근적외선 카메라에 대한 국내/외 연구가 센서의 소형화에 주로 집중되어 있어, 영상의 주요 성능은 다소 떨어지는 실정이다. 본 연구 결과는 이에 대한 기술적인 해결 방안을 제시하고 있다.
적외선 영상 시스템 분야는 국가 간 기술 장벽이 높은 분야이며, 우리나라의 경우 특히 근적외선 분야의 역량이 다소 부족하다. 초소형 적외선 영상 시스템 기술은 자동차, 무인기 및 보안 산업 등에 대한 국제 경쟁력을 강화할 수 있는 미래성장 기반기술이다. 본 연구 결과를 통해 해당 분야에 대한 기술 경쟁력을 더 높일 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구를 통해 얻은 기술을 발전시키면, 현재 핸드폰에 들어가는 CMOS 이미지 센서 모듈과 같이 활용 분야가 광범위하게 확대되어 더 큰 시장을 창출할 수 있을 것이다. 또한, 유비쿼터스 센서, 사물인터넷 및 가상 현실 시스템 등에도 접목하여, 미래형 스마트 감지시스템의 핵심부품으로 사용될 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• (1) 전류 모드 암전류 억제 방식과 바이어스 조정을 통해 온도 안정화 장치를 제거한(TEC-less) 신호취득회로 ... 4
• (2) 캐패시터의 크기와 리셋 시점을 능동적으로 조정하여 매우 넓은 동작범위 특성 구현 ... 7
• (3) 저전력 픽셀 단위의 아날로그-디지털 변환기(pixel-level ADC), 영상/신호처리 기능을 집적한 신호취득회로 ... 10
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 14
• 끝페이지 ... 14