글 | 마이크 킹(Mike King), 첨단 광학 솔루션 부문 수석 제품 매니저, ams

비용 효율적인 솔루션 구현을 위한 광학 기능의 설계에 있어 핵심 요소는 광학 필터의 투과 특성 및 센서 채널 이득에 있다. 

▲ 마이크 킹(Mike King), 첨단 광학 솔루션 부문 수석 제품 매니저, ams

광전 센서(Optoelectronic Sensor)는 일반적으로 광 스펙트럼의 일부 특정 범위를 선택적으로 이용하거나 제한해 센서의 응답으로 한다. 조도 센서(Ambient Light Sensor)는 가시광선 바깥의 파장에 대한 응답을 억제하며, 적외선(IR) 센서는 가시광선 및 이보다 더 짧은 파장에 대한 응답을 억제한다.

간섭 필터는 원하는 대역에 대해서는 높은 대역통과(Band Pass) 투과율과 원하지 않는 대역에 대해서는 낮은 저지대역(Stop Band) 투과율 및 뚜렷한 천이 등의 매우 유용한 특성을 갖추고 있어 특정 파장 범위로 응답을 제한하는 탁월한 툴을 제공한다. 간섭 필터는 〈표 1〉과 같은 유전체의 박막들로 구성된다.

적절한 굴절 지수와 층의 두께를 선택함으로써, 통과대역 영역을 생성하는 필터에 특정 파장을 투과시키거나 저지대역 영역을 생성하는 필터에 특정 파장을 반사시킬 수 있다. 저지대역에서 투과율이 낮은 것은 이 같은 반사 때문이므로 흡수되는 광 전력은 매우 적다. 여러 층을 적층하면 통과대역에서부터 저지대역 영역까지 보다 가파른 천이영역을 생성할 수 있다(그림 1 참고).

장파장 및 단파장 투과 필터와 노치(Notch) 필터는 통상 100층 이상을 사용해 가파른 천이영역을 형성한다. 층수가 많아져도 통과대역 파장은 90% 이상의 높은 투과율을 유지하며, 저지대역 파장의 투과율은 1% 미만이다. 필터의 천이는 10 nm까지 낮출 수 있다. 〈그림 2〉의 그래프는 가시광선 파장은 통과시키고 적외선 파장은 차단하도록 만든 간섭 필터의 예를 보여준다.

층수를 줄이고 추가적인 굴절 지수를 도입함으로써 간섭 필터에 가중 응답(Weighted Response) 특성을 추가할 수 있으며, 천이 영역 구간도 길게 할 수 있다. 가중 응답 특성을 추가하면 센서가 특정한 광학 기능을 복제/재현하고 모니터링되는 대상이나 소스에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있기 때문에 센서 설계에 많은 도움이 된다. 필터에 의해 복제할 수 있는 광학 기능의 좋은 예로는 색 분석에 사용되는 3자극치 응답(Tristimulus Function)을 꼽을 수 있다(그림 3 참고).

필터를 이용해 광학 기능을 복제할 수 없다면 동일한 정보를 얻기 위해 더 복잡하고 비싼 스펙트럼 스캔이 필요하다. 반도체 상에 여러 번의 필터층 증착과 에칭 공정을 적용할 경우 설계자는 반도체 다이에서 각각의 독립적인 채널에 대해 고유의 가중된 광학 기능을 지정할 수 있어 여러 기능의 센서를 단일 패키지에 담은 제품을 개발할 수 있고, 결국 비용과 공간을 절감하고 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 〈그림 4〉는 2개의 IR 채널(흰색에 가까운 색으로 나타나는 반사)에 협대역 필터를 적용하고 나머지 채널(컬러로 나타나는 반사)에 대해 3자극치 필터를 적용한 다중 채널 센서를 나타낸 것이다.

설계 시 고려해야 하는 간섭 필터의 특성은 센서 수광각이다. 조명원의 입사각이 커질수록 간섭 필터 특성이 달라진다. 조명원의 입사각이 커지면 저지대역 투과율이 증가하고 천이 파장도 이동한다(그림 5 참고).

센서의 화각을 제한하면 자연적으로 이러한 효과가 최소화된다. 화각을 더 크게 할 필요가 있는 경우라면 디퓨저(Diffuser)를 광학적 스택에 포함할 수 있다. 디퓨저는 광학 에너지를 소스 입사각과 무관하게 임의 방향으로 분산시킨다. 시스템의 수광각은 디퓨저 조리개 열기, 센서 활성 영역, 그리고 센서와 디퓨저 간 거리의 기하학적 관계에 의해 제한할 수 있다(그림 6 참고).

디퓨저는 입사각이 센서에 미치는 영향을 아예 없애지는 못하지만 소스 입사각과 관련해 시스템 응답을 보다 안정적으로 만들어준다. 따라서 큰 소스 입사각과 관련한 비대칭 스펙트럼 응답을 수용할 수 있도록 시스템 레벨 설계를 보다 손쉽게 수행할 수 있다.

유기 필터(Organic Filter)는 간섭 필터에 대한 대안적인 선택으로, 소스 입사각에 대해 간섭 필터만큼 민감하지는 않다. 그러나 유기 필터는 광학 기능 및 효율에서 간섭 필터에 필적할 만한 기능을 제공하지는 못하며, 간섭 필터보다 낮은 동작 온도와 저장 온도를 갖는다.
저온 스퍼터링(Sputtering) 제조 공정과 리프트 오프(Lift Off) 기술은 간섭 필터가 온도 변화와 고습 노출에 덜 민감하게 한다.

첨단 증착 공정 기법은 필터가 가혹한 환경에서 높은 품질과 성능을 유지하도록 보장한다. 최고 수준의 제조업체들은 층의 두께와 재료 균일도를 검사하는 공정 내 제어 모니터를 통합함으로써 허용오차를 낮게 유지하도록 한다. 빠른 광학적 피드백이 결합된 플라즈마 스퍼터링 공정은 세밀하게 제어 가능한 박막(Film Stoichiometry) 구조를 생성한다.

또한 소프트웨어를 이용함으로써 간섭 필터 설계를 모델링하고 원하는 투과 특성과 일치하도록 필터의 형태를 최적화할 수 있다. 센서 설계 최적화를 위한 그 밖의 고려사항으로는 실리콘 스펙트럼 응답과 광학적 스택의 영향에 대한 보상이 있다. 제조업체의 공정 허용오차를 필터 분석에 통합하는 것은 신뢰성 있는 설계를 위해 필수적이다.

광학 필터의 투과 특성 및 센서 채널 이득은 단순하고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적인 솔루션을 구현하기 위한 광학 기능 설계의 핵심 요소다. 광학 기능에 기반한 센서 설계와 제품을 성공적으로 제공하려면 다음의 경험과 능력을 갖춘 반도체 제조업체를 선택하는 것이 바람직하다.

ㆍ 간섭 필터 설계와 관련된 엔지니어링 툴과 풍부한 경험
ㆍ 필터를 이용해 시스템 성능을 최적화하는 패키지 및 시스템 레벨 광학 분석 능력
ㆍ 반도체 상에 직접 구현하는 다중 필터 증착 공정 및 이러한 공정과 관련된 문제를 제거하는 노하우
ㆍ 광전 센서와 관련한 양산 능력
ㆍ 유전체 층 두께와 재료 균질성에 대한 정밀 모니터링이 가능한 장비를 제조 공정에 통합
ㆍ 광학 소자를 포함해 패키지로 구성되는 전자부품을 제공할 수 있도록 수직 통합된 구조