Infrared scene projector is a system that evaluates the performance of infrared sensors in a safe and cost / time-efficient by generating virtual infrared rays in lab environment. IRSP has been developed since 1970, and several devices (DMD, laser diode, etc.) have been developed and used as an IR emission device of IRSP, but resistive array type has been shown to have the desired qualifications for infrared scene projection applications. The foremost requirement for the next generation of resistive array is higher operating speed, high temperature dynamic range, and larger array size.
Several studies have been conducted for high-speed operation of resistive IR emitter arrays. By reducing the volume of the unnecessary area, there was a structural approach to the device, but there was a limitation in per-formance due to the fundamental physical property, and it was possible to increase the speed by about 30 ~ 40% by using the over-driving technique in terms of circuit. However, there is still a demand for emitter devices with higher operating speeds
In this study, the research was carried out targeting the high-speed operation of the IR emitter device, and the AAO material with a porous structure was selected to improve the speed of the device and applied. Especially, Alumina has a high thermal conductivity among ceramics, so it has advantage of high-speed operation by de-crease the thermal time constant related to operation speed. If AAO is used as a constituent of the membrane, speed enhancement of the emitter device is expected.
However, in order to apply a new material as a membrane component of an emitter device, mechanical properties and fabrication process set up are required. Especially, when the mechanical stability is not guaran-teed, the optical cavity between the reflect layer at the bottom of the device and the membrane is not formed due to the membrane deformation issue, so that normal infrared radiation is not occurring.
Therefore, in order to use AAO as a membrane component of a floating structure, first, a thin film stress anal-ysis was performed. Based on the stress analysis, a layer design was carried out to form a flat membrane. Sub-sequently, the device was successfully fabricated after set up the fabrication process, and then the operating speed of the device was measured. As a result of the operation speed measurement, the AAO-based emitter de-vice has been confirmed to have a two times faster operation speed compared with the $Si_3N_4$ based device due to the high thermal conductivity of AAO. In addition, due to the effect of reducing the heat capacity with in-creasing porosity of AAO, a device with a rise time of 5 milliseconds (with an operating speed of 200 Hz) was fabricated. Therefore, if an AAO-based emitter device is applied to an IRSP, it will be possible to project higher levels of infrared images, including representing fast moving objects, because of its high operating speed.
적외선 영상 투사기(IRSP)는 실험실 환경에서 가장의 적외선 이미지를 생성하여 안전하고 비용 및 시간 효율적으로 적외선 센서의 성능을 평가하는 시스템이다. IRSP는 1970년 이후 개발되어왔으며 다양한 적외선의 방출 장치들(DMD, 레이저 다이오드) 중 저항 어레이 방식은 적외선 투사기의 응용 분야에 필요한 여러 요구 사항을 충족하여 가장 널리 사용되어 온 방식이다. 차세대 적외선 방출 장치의 가장 중요한 요구 사항으로는 동작 속도가 높고 온도의 동작 범위가 넓으며 대면적의 어레이 등이 있다.
저항 어레이 방식의 적외선 방출 소자에 대해서 고속 동작과 관련된 여러 연구가 수행되었다. 불필요한 영역의 부피를 줄임으로써 장치에 대한 구조적 접근이 있었으나 구조체를 구성하는 물질의 물성으로부터 기인한 속도 성능 향상에 한계가 존재하였으며, 회로 설계 측면에서도 Over-driving 기술을 통해 30~40%의 속도 향상을 가능하게 하였다. 하지만 보다 높은 동작 속도를 갖는 적외선 방출 소자에 대한 수요가 여전히 존재하고 있는 실정이다.
본 연구에서는 적외선 방출 소자의 동작 속도의 향상에 대한 연구를 진행하였으며, 소자의 동작 속도를 향상시키기 위해 다공성 구조를 갖는 알루미늄 산화막을 소자의 구성물질로 선정하여 적외선 방출 소자에 적용하였다. 특히, 산화 알루미늄은 높은 기계적 안정성 뿐만 아니라 절연 물질 중에서도 높은 열전도 특성을 가지기 때문에 다공성 구조로 인한 낮은 열 용량 특성과 더불어 소자의 높은 동작 속도를 가능하게 할 것으로 기대하였다.
하지만, 적외선 방출 소자의 구성 물질로서 새로운 물질을 적용하기 위해서는 기계적 특성 및 제조 공정의 설계가 필요하다. 특히, 기계적 안정성이 보장되지 않는 경우, 막의 뒤틀림 문제로 인해 장치의 바닥면에 존재하는 반사층과 광학적 공진을 형성하지 않게 되며 막이 휘어져 바닥과 접촉될 경우 열적으로 단락되는 문제로 인해 소자의 정상 동작을 보장할 수 없게 된다.
따라서, 공중에 떠 있는 구조체의 구성물질로서 다공성 양극 알루미늄 산화막을 적용하기 위해 여러 형성 조건에 따른 박막의 응력 분석을 진행하였다. 응력 특성 분석에 기초하여 평평한 구조체를 제작하기 위해 구조체 디자인이 진행되었으며 소자 제작을 위한 공정 설계를 진행하였다. 최종적으로 제작 공정을 완료한 후 동작 속도를 측정하였으며 그 결과 다공성 양극 알루미늄 산화막의 높은 열전도 특성으로 인해 기존의 방식인 Si3N4 기반의 적외선 방출 소자 대비 2배 가량 빠른 동작 속도를 갖는 것으로 확인하였다. 또한 다공성 양극 알루미늄 산화막의 기공률을 증가시킴에 따라 소자의 전체 열용량이 감소하는 효과로 인해 5ms 수준의 낮은 열 상승시간을 나타내는 소자 제작이 완료되었다. 따라서, 다공성 양극 알루미늄 산화막 기반으로 제작된 적외선 방출 소자를 적외선 영상 투사기에 적용할 경우 표현 가능한 적외선 영상의 동작 속도의 범위가 넓어져 매우 빠른 속도로 움직이는 대상을 표현하는데 있어 매우 유리할 것으로 기대된다.
