광계측공학 강의 노트 2 (한국공학대학교 김윤석 교수님)

* 교재 : 광계측공학 (서울교과서 출판, 박승남, 박성종, 이동훈 저)

 

 

 

 

4. 광원과 검출기

 

4-1. 광원

 

- 태양 복사에 의한 빛이 가장 기본 (이용에 어려움이 있음)

- 연소를 이용 : 열에 의해 들뜬 원자들이 빛을 방출

- 방전 현상을 이용 : 원자핵 주변의 전자가 궤도 천이를 일으킬 때 빛을 방출

- 반도체 접합에 전류를 흘릴 경우 전자와 정공이 만나 재 결합하며 빛을 방출

- 반딧불, 플랑크톤의 생체 발광 : 인광

- 형광

 

** 표준 광원 : Spectrum이 일정하고 광량이 정해져있는 광원. 표준광 A / B / C 또는 D65등이 있다. 

 

 

1. 흑체(Blackbody)

: 표준광 A,  온도 2856K, 스펙트럼 300 - 830nm (광측정, 색측정에서 표준으로 사용)   

 

 - 어떤 파장의 빛이든 모두 흡수, 분광 반사율 = 0   

 - 가시광을 비추면 가시광을 모두 흡수하여 검정으로 보임   

 - 완전 복사체 (Perfect radiator) : 가열되면 같은 온도를 유지하고 있는 어떤 물체보다도 밝기가 높은 물체를 말하며 이 때 방출되는 빛을 포함한 전자기파의 방출을 흑체 복사라고 함

 

 

File:Black body.svg - Wikimedia Commons

온도가 감소하면서, 흑체복사 곡선의 정점이 크기는 줄어들고 파장은 길어지는 방향으로 이동

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/19/Black_body.svg

 

   λm = hc / 5kT ∝ 1 / T   ,   λm = b / T      ( 빈의 변위 상수 b=2.8977685 x 10˘­³ mK )

   - 분광복사휘도 곡선과 파장축이 이루는 면적은 복사 출력(W)에 비례

   - 흑체의 온도가 올라가면서 복사 출력이 광출력으로 변환되는 비율은 555nm에서 최대

   - 물체를 가열하여 얻을 수 있는 조명 효율의 이론적 한계는 95 lm/W

 

 

 

2. 자연 태양광

: CIE 표준광 D65 ( 국제 조명 위원회에서 정의하여 국제적으로 널리 사용)

       ** CIE : 국제 조명 위원회의 약자 (Commission internationale de l'éclairage)

 

   - 태양은 수소의 핵 융합으로 온도를 유지

   - 태양의 표면 온도는 6500K인 흑체로 근사할 수 있음 (색온도 CCT 동일)

       ** CCT : 색온도, Color Correlated Temperature

   - 조명의 연색지수(CRI)에서 D65를 100으로 정의 

       ** CRI : Color Rendering Index. 색상 정확도로 표시된 색상 렌더링 색인.

                 이상적인 광원과 비교하여 물체의 색상을 충실하게 표시할 수 있는 능력을 정량적으로 측정한 것.

File:SPD D65.png - Wikimedia Commons

  

 

3. 백열등

 

  - 흑체 복사로, 전류를 필라멘트에 흘려 발생하는 열(2,000˚C이상)에 의해서 빛을 얻어내는 소자

  - 필라멘트 내에는 진공 혹은 불활성 기체를 채워둠 (필라멘트 끊어짐을 방지)

  - 전압의 범위가 넓고(1.5V to 300V) 직류/교류에 상관없이 동작

  - 조명 효율 : 전력의 약 90% 이상을 열로 소모 (광변환 효율이 매우 낮다.)

  - 동작 전압을 5% 낮추면 광출력은 20% 낮아지나 수명이 약 2배 증가

 

 

4. 형광등 

 

  - 전력이 광출력으로 변환 (전자의 비탄성 충돌로 인함)

  - 형광등 내에서 발생하는 파장은 주로 253.7nm, 185nm의 자외선

  - 형광체를 여기시키는 데에 이 자외선을 이용함 

  - 방전광 내부에 불황성 기체, 형광 물질이 도포되어 있고 방전광 색 온도에 따라 분류됨

    1) 주광색(Cooldaylight) : 약한 푸른 빛. 6500K

    2) 주백색(Daylight) : 하얀 백색 형광등. 5000K

    3) 백색(Coolwhite) : 백색에 약간의 노란색이 섞임. 4100K

    4) 온백색(Warmwhite) : 할로겐 전구, 노란 빛이 도는 따뜻한 백색. 3000K

    5) 전구색(Incandlelight) : 백열등 색상. 2700K

 

 

  - 형광체가 너무 크거나 작을 경우 변환 효율이 감소함 (10㎛가 적당)

  - 조명 효율은 보통 50~ 67 lm/W이고 색온도와는 연관 없음

  - 삼파장 전구 : 주요 파장이 세 개(RGB)인 전구, 고주파로 변환시켜 점등되는 방식

                      백열 전구에 비해 수명이 길고 낮은 전력으로 밝은 빛을 냄

                      눈의 피로도가 오파장이나 칠파장 대비 높음 (파장 많을 수록 자연광과 유사)

 

 

5. LED

: P-N 접합으로 이루어졌으며, N형이 기판으로 사용됨

 초기 광도가 낮고 적색(R)만 있어 사용에 제한이 많았고 그린(G)도 일찍 개발이 되었으나 블루가 없었음

 1990년 대, 나카무라 상의 BLUE LED 상업화에 성공함 (노벨상 수상) 

 

 

 * 백색 LED 구현 방법

    1) 청색 LED + 황색 형광체

         : Nichia에서 형광체 개발하였고 나카무라 상이 Blue LED를 개발해서 가격 절감

           현존하는 LED의 95%가 이 방법, CRI가 100에 근접하지만 완벽하지는 않음.

           Nichia에 대부분의 특허를 가지고 있지만 거의 만료되어 다른 곳에서도 씀.

    2) UV LED + R, G, B 형광체 : CRI 조절이 가능하지만 자외선이 새어 나오고 광변환 효율이 낮음 (상업화 실패)

    3) R, G, B LED 조합 : 가격이 비싸지만 CRI 100

    4) 보색 관계를 갖는 2개 LED 조합 (ex. 청녹색 + 주황색) : CRI가 안 좋음 (상업화 실패)

 

 

D65에 가까운 White LED로 보임

 

백색 LED에서는 Ce:YAG가 고휘도의 청색 InGaN 다이오드의 코팅으로 사용되어 청색광의 일부를 황색으로 변환하고 함께 백색으로 나타남. 청색 쪽의 강도가 높지만 555nm가 우리 눈에 가장 잘 보이므로 백색으로 보임.

 

 

- GaN(Gallium Nitride) : 질화 갈륨으로 청색 LED, 전력 반도체, 레이다 등에 사용

- InGaN(Indium Gallium Nitride) : 질화갈륨인듐? 인듐갈륨질소화물? 인듐갈륨질소? 등 이름이 많음. Naver 검색해봤는데 홍익인간 잉여InGaN 왜 나옴;  GaN(질화 갈륨)과 InN(질화 인듐)의 혼합물로 청색 및 녹색 LED, 태양광 전지에 사용

- Ce : YAG : 세륨(III)이 도핑된 YAG로, 청색광/자외선/X선을 받으면 황색광을 방출하고 출력 밝기는 온도와 반 비례

* YAG (Yttrium Aluminum Garnet) : 합성 결정질 물질로, 어떤 희토류 원소를 도핑하냐에 따라 특성이 달라짐  

  ** 희토류 원소 : 자연계에 매우 드물게 존재하는 원소로, 주기율표 제3족인 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 및 원자번호 57에서 71인 란타넘 계열의 1 원소와 합친 17원소의 총칭. 화학적으로는 매우 안정된 물질이며, 열 전도율이 높고 전기적, 자성적, 발광적 성질을 지님.

 

 ex. [Tb : YAG] : 테르븀이 도핑된 YAG는 음극선관에 사용되는 형광체로, 544nm에서 황록색으로 방출

      [Nd:YAG] : 네오디뮴이 도핑된 YAG로 레이저를 방명하였고 1064nm의 파장에서 적외선을 생성.

                        주파수 2배 또는 3배 결정과 사용하면 각각 532nm의 녹색광 또는 355nm의 자외선 생성이 가능함.

 

 

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4-2. 광 검출기

 

1. 검출기 : '감응 파장 영역'과 '감응 민감도'를 고려해서 선정

  1) 눈 : 정량적 검출이 불가

  2) 양자 검출기 : 전자, 광자 등 빛의 광전 효과(광자가 광전 효과를 일으켜 전기적 신호를 발생)를 이용한 검출기. 

                       문턱 파장을 벗어나면 검출되지 않음. 감응할 수 있는 파장 대역이 짧음

  3) 광자 검출기 : 감도는 높지만 검출의 대역이 좁음

  4) 열 검출기 : 빛의 흡수는 넓은 파장에서 일어남. 감도는 낮지만 검출 범위가 높음

 

 

2. 검출

- 분광 감응도 (Spectral Response) : 파장에 따른 검출기의 전기적 응답의 세기 비율을 나타냄.

  즉, 복사선속을 검출기의 수광부(센서, 유효면적)에 떨어뜨리고 단위 복사선속 당 검출기의 세기를 측정함.

  (* 복사선속이 들어가지 않은 어두운 상태에서의 신호인 '암전류'는 감응도에서 제외함)

 

- PD (Photo Detector) : 광기전력 효과를 이용. 파장은 인식하지 않고 광-전자의 변환으로 강도만 인식

- PD (Photo Diode) : Diode 형태의 단순 소자, 감도가 낮고 가격이 저렴. 가시광 대역의 필터 이용 시 조도계로 사용

  * 감응 파장 영역 1) 실리콘 : 190 - 1100nm

                             2) 게르마늄 : 400  1700nm

                             3) 비소화 인듐갈륨 (InGaAs) : 800 - 2600nm

 

  >> PD는 분광기와의 조합으로 파장을 인식할 수 있다