적외열상탐지기의 핵심 기능은 보이지 않는 적외선 복사 (물체 온도의 외적 표현) 를 계량화 가능한 전기 신호로 변환하여 최종적으로 열화상도를 생성하는 것이다.그 성능의 우열은 광전 변환 메커니즘의 효율에 직접적으로 달려 있으며, 그것은"신호를 정확하게 포획할 수 있는지"를 결정하며, 다음은 이 핵심 차원에서 상세한 해석을 전개한다.

적외선 복사의 광자 에너지는 가시광선(파장은 보통 1∼14μm)보다 훨씬 낮아 가시광탐지기처럼 반도체를 직접 자극해 강한 광전 효과를 낼 수 없기 때문에'간접 또는 특수 직접'의 물리적 과정을 통해 에너지 전환을 이뤄야 한다.전환원리에 따라 주류적외선탐측기는 열석전형, 미측복사열계형 (MEMS) 과 광자형 (량자함정/텔루륨카드뮴수은) 등 세가지로 나눌수 있는데 그 전환메커니즘에는 본질적인 차이가 존재한다.

1.열분해형 탐지기:"온도변화→극화전하→전신호"

열석전 탐지기는 열석전 결정체 (예를 들어 탄탈륨산 리튬, 황산 트리글리세린 TGS) 의 물리적 특성을 이용하여 변환을 실현하는데,"열탐지"범주 (먼저 적외선 복사를 온도 변화로 전환한 후 전기신호로 전환) 에 속하며, 중장파 적외선 (3~14μm) 에 적용된다.

변환 프로세스:

1.적외선 흡수: 탐지기 표면의 금속 흑막 (고흡수율) 은 적외선 복사를 흡수하여 복사 에너지를 열 에너지로 전환시켜 열 분해 전기 결정체의 온도를 높인다;

2.극화 변화: 열분해 전결정의"자발적 극화 강도"는 온도 변화에 따라 변경됩니다 (온도가 높아지면 극화 강도가 낮아집니다).

3.전하 분리: 결정체 양쪽의 전극은 극화 전하를 감지하고, 온도 변화 속도 (dT/dt) 가 0이 되지 않으면 전극의 전하가 흐름을 발생시켜 미약한 전류 신호를 형성한다;

4.신호 읽기: 전치 증폭기를 통해 미약한 전류를 전압 신호로 변환한 후 후속 회로를 통해 계량화 가능한 전기 신호로 처리한다.

주요 특징:

-'온도 변화'에만 민감(정적 온도는 신호가 없음)하며 기계적 참파기(주기적으로 적외선 복사를 막아 온도 파동을 만든다)에 맞춰 작동해야 한다.

- 구조가 단순하고 비용이 적게 들지만 응답 속도는 느립니다 (밀리초 수준). 보안 모니터링, 체온 검사와 같은 프레임 속도에 대한 요구가 높지 않은 장면에 적합합니다.

2.미측복사열계형탐지기(MEMS기술):"온도변화→저항변화→전기신호"

마이크로 보로미터 (Microbolometer) 는 현재 민용 적외선 열화상 카메라 (예: 보안, 소비자 전자) 의 주류 기술로, 역시"열 탐지"에 속하며, 핵심은 MEMS 마이크로 브리지 구조에 기반한 열 민감 저항으로 8~14μm 장파 적외선에 적용된다.

변환 프로세스:

1.적외선 흡수와 온도 상승: MEMS 마이크로브릿지 (질화규소 등 단열재로 만들어져 열저항을 지탱한다) 표면의 흡수층 (예: 산화바나듐, 비실리콘) 이 적외선을 흡수하여 온도가 상승한다 (미교구조는 열이 기저로 전도되는 것을 감소시키고 열민감도를 높인다).

2. 저항 변화: 산화 바나듐 VOx와 같은 열 민감성 재료의 저항은 온도에 따라 현저하게 변화합니다 (온도 계수 TCR은 보통 -2%~-4%/K, 음호는 온도가 상승하고 저항이 낮아짐을 나타냄).

3.전신호 전환: 열 민감 저항을 후이스톤 브리지 (직류 편향을 통해) 에 접속하면, 저항 변화는 브리지의 출력 전압차 신호 (전압 변화량은 온도 변화량과 상관관계가 있음) 를 초래할 수 있다;

4. 패턴화된 읽기:적외열상탐지기수십만 개 또는 수백만 개의 마이크로 브리지 유닛으로"초점 평면 어레이 (FPA)"를 구성하며, 각 유닛은 열화상도의 픽셀에 대응하며, 행렬 구동 회로를 통해 전압 신호를 점차적으로 읽고 완전한 열상으로 연결한다.

주요 특징:

- 참파기 (정적 온도를 직접 감지할 수 있음) 없이 열 방출 전기 (마이크로초) 보다 빠른 응답 속도와 30~60fps의 프레임 속도;

- MEMS 프로세스는 소형화, 저비용으로 구현되지만 장기간 사용하면 환경 온도에 취약합니다 (온도 보상 필요).

3.광자형 탐지기 (양자함정/QWIP, 텔루륨카드뮴수은 MCT):"적외선 광자→캐리어→전기신호"

광자형탐측기는 반도체의 량자효과를 직접 리용하여 적외선광자를 전자-공혈대 (캐리어) 로 전환시키는데"양자탐측"범주에 속하며 중단파적외선 (1~5μm) 에 적용되며 비교적 높은 민감도와 응답속도를 갖고있어 주로 장면 (예를 들면 군사, 항공우주) 에 사용된다.

비교적 널리 응용되는 량자함정적외선광자탐측기 (QWIP) 의 경우 그 전환절차는 다음과 같다.

1.양자 함정 구조: GaAs (갈륨비소) 와 AlGaAs (알루미늄갈륨비소) 가 번갈아 성장하여 다층 구조를 형성하고, GaAs 층의 에너지 대역이 AlGaAs 층보다 낮아"양자 함정"을 형성한다 (전자는 GaAs 층 내에 제한되어 특정 에너지 준위에서만 약진할 수 있다).

2.광자 흡수와 캐리어 자극: 적외선 광자 에너지 (E=hν, h는 플랑크 상수, ν는 주파수) 가 양자 함정의 에너지 준위차와 같을 때, 전자는 광자 에너지를 흡수하여 저에너지 준위에서 고에너지 준위 (자유로운 이동이 가능한 가이드) 로 도약하여 전자-공혈 쌍을 생성한다;

3.캐리어 분리 및 수집: 탐지기 양쪽에 편향 전압을 가하고, 전장은 전자와 빈 구멍을 반대 방향으로 이동하게 하여 광전류 신호를 형성한다(광전류 크기는 입사 적외선 광자 수와 상관이 있다).

4.저온 작업: 열 자극으로 생성된"암흑 캐리어"(빛이 없을 때의 누전류) 를 억제하기 위해 광자형 탐지기는 저온 환경에서 작업해야 한다 (보통 스털링 냉동기 또는 액체 질소를 통해 77K/-196 ℃ 로 냉각된다). 적외선 광자만 캐리어를 자극할 수 있도록 보장한다.

주요 특징:

- 민감도 (단일 광자급 신호 감지 가능), 응답 속도 (나노초급) 가 높지만 구조가 복잡하고 비용이 많이 들어 냉방 시스템에 의존해야 하며 탐지 정밀도가 까다로운 장면에 적합하다.