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전재훈(Jae Hoon Jeon),신영봉(Young Bong Shin),이희철(Hee Chul Lee) 대한전자공학회 2018 전자공학회논문지 Vol.55 No.10
적외선 영상 투사기는 고열을 발산하는 물체의 적외선 영상을 투사하는 시스템으로, 고온의 물체 및 고속으로 이동하는 물체를 영상으로 투사하기 위해서는 적외선 에미터의 유효온도와 동작속도 특성을 개선하여야 한다. 본 논문에서는 적외선 에미터의 동작속도 및 유효온도의 열 특성을 개선하기 위해 적외선 에미터의 구조에 다양한 설계 기법을 적용하였다. 고속으로 이동하는 물체의 영상을 구현하기 위해서는 에미터의 동작속도를 향상시켜야 하며, 에미터에 고사머 구조와 레그 영역에 금속물질을 적용하여 고속동작이 가능한 에미터를 설계하였다. 그리고 에미터의 유효온도는 소자가 실제 투사하는 영상의 온도이며, 유효온도 특성을 향상시키기 위해 에미터에 흡수체를 적용하였다. 흡수체가 적용된 에미터는 방사율이 향상되어 소자가 최대로 표현할 수 있는 유효온도를 향상시킨다. 열 특성 개선을 위해 구조적으로 설계된 에미터는 MEMS 공정을 기반으로 제작하였으며, 적외선 열영상 카메라를 이용하여 에미터의 열 특성을 측정하였다. 제작된 에미터는 113 Hz의 동작속도와 431.5 °K의 최대 유효온도 특성을 나타냄으로써 적외선 에미터의 구조 설계를 통해 동작속도 및 유효온도의 열 특성이 개선됨을 확인하였다. Infrarred scene projector is a system that projects an infrared image of an object with high temperature, and apparent temperature and operating speed of an infrared emitter device should be improved to project the object with high temperature and moving at high speed. In this paper, infrared emitter device with several design techniques is proposed for improvement of thermal characteristics such as operating speed and apparent temperature. First, emitter structure was designed to enhance the operating speed by applying both gossamer structure at membrane and metal material at leg region. Secondly, the apparent temperature which indicates the temperature of the object projected from the infrared emitter, is improved by adopting an absorber layer inserted in the membrane. The infrared emitter with the absorber layer makes emissivity of the membrane enhanced and then maximum apparent temperature of the infrared emitter is improved. Emitter device is fabricated using MEMS technology and thermal characteristics of the device are measured by infrared thermal imaging camera. Proposed emitter device has the operating speed of 113 Hz and maximum apparent temperature of 431.5 °K at an applied power of 200 μW. Finally, it is confirmed that thermal characteristics of the emitter device are enhanced with the designed structure.
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MEMS 기술을 이용하여 제작한 적외선 영상 투사용 에미터 단위 소자의 특성 분석
박기원(Ki Won Park),신영봉(Young Bong Shin),강인구(In-Ku Kang),이희철(Hee Chul Lee) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.3
본 논문에서는 가상의 적외선 영상을 투사하여 적외선 검출기의 성능 평가를 위한 목적으로 사용되는 적외선 영상 투사장치 (Infrared scene projector, IRSP)의 내부에서 적외선을 방사하는 역할을 하는 적외선 에미터 소자에 대한 연구가 수행되었다. 적외선 에미터 소자의 구조를 설계한 후 설계된 소자의 특성 파라미터들을 추출하였으며 각 특성 파라미터에 근거한 소자의 성능을 유한 요소법을 통해 예측하였다. 또한 소자를 구성하는 각 부분의 특성에 따른 물질 선정 후 MEMS 기반 반도체공정기술을 적용하여 에미터 단위소자를 제작하였고 중적외선 대역(3∼5μm)의 적외선을 관찰할 수 있는 적외선 영상 현미경을 사용하여 진공 환경을 갖춘 챔버 내부에서 소자의 성능을 측정한 결과 최대 423K의 유효온도 및 22msec의 응답 시간을 나타내는 것을 확인하였다. In this paper, designed infrared (IR) emitter device for infrared scene projector (IRSP) which is used for evaluating the performance of IR sensor systems was simulated by using finite element analysis (FEA) tool and fabricated by using MEMS (Micro Electro-Mechanical System) technology. The performance of the fabricated IR emitter unit device was characterized in the vacuum chamber by using IR image microscope for MWIR(3∼5μm), which showed 423K apparent temperature (Tapp) and 22msec time constant (τ).
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