| 초록 |
연구개요 본 연구에서는 적외선 카메라를 초경량 헤드마운트 디스플레이(HMD) 등의 휴대기기에 접목하여, 야시경을 비롯하여 인간의 감각을 확장하려는 응용에 적용하려 한다. 일반적인 소형 중적외선(MWIR) 카메라는 렌즈, 셔터, 적외선 센서 모듈 및 영상/ 신호처리 보드로 구성되며, 크기, 무게, 가격, 전력소모 및 해상도 측면에서 가시광 카메라에 비해 크게 뒤처진다. 또한, 휴대기기에 응용하려면 주변 환경에 맞춰 적절한 영상을 취득할 수 있어야 하며, 이에 대한 조작과 시스템은 간단해야 한다. 본 연구에서는 목표 응용에 적용하기 위한 적응형 중적외선 카메라 칩을 제안하고, 이를 구현하기 위한 신호취득회로 기술을 개발하고자 한다. 제안하는 신호취득회로의 크기 및 전력소모를 크게 개선하기 위해, 온도안정화장치, 영상/ 신호처리 보드 및 셔터의 기능을 신호취득회로에 포함하도록 한다. 또한, 주변 환경에 따라 적절한 영상을 얻을 수 있도록, 실시간 고속 보정, 다양한 모드 지원 및 생체신호를 이용한 모드 선택 기능을 구현하고자 한다. 연구 목표대비 연구결과 연구목표를 위한 구체적인 연구내용은 크게 세 가지로 나뉜다. (1) Monolithic 불균일 보정(Non-uniformity correction, NUC): 적외선 센서는 픽셀 간 특성 차이가 크므로, 영상/ 신호처리 보드의 많은 부분이 NUC와 관련 있다. 따라서, 보드의 기능을 간소화하여 신호취득 회로에 집적하려면 NUC 기능을 효과적으로 구현해야 한다. 또한, 적외선 센서는 감응도가 낮으므로, 좋은 영상을 위해 정확한 NUC는 필수적이다. 본 연구에서는 기판온도가 변해도 온도안정화장치 없이 간단한 구조로 효과적인 NUC가 가능한 신호취득회로를 개발했다. 기본적인 오프셋 보정을 넘어서 이득 보정이 가능하며, 시간에 따라 특성이 변하는 'aging' 현상까지 보정할 수 있도록 했다. 더불어, 픽셀 단위의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 이용하여, 주변 환경에 맞춰 빠르고 정확한 보정을 하도록 했다. 제안하는 NUC 방식에 대해 수학적으로 검증하여 기본적인 가능성을 증명했다. 제안하는 NUC 방식은 넓은 동작 온도에서 매우 우수한 보정 오차를 보이며, 이를 잡음 등가 온도차(NETD)로 환산하면 10mK 이하이다. (2) 적응형 고해상도 신호취득회로(ROIC): 적외선 카메라의 크기가 작아지려면 센서의 크기를 줄여야 하며, 이에 따라 센서의 픽셀 피치는 지속적으로 줄어들었다. 픽셀 피치가 작으면 신호취득회로 구현이 어려우므로, 보다 세심한 구성과 설계가 필요하다. 또한, HMD 응용에 적합하려면, 매우 낮은 전력을 소모하면서, 주변 환경에 맞춰 다양한 모드를 효과적으로 제공해야 한다. 본 연구에서는 다양한 모드를 제공하면서도 영상/ 신호처리 기능이 복잡해지지 않도록, 새로운 픽셀 회로와 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 제안하고, 이에 대한 전력 소모, 신호 대 잡음 비(SNR) 및 동작범위 특성을 검증했다. 시분할 공유된 단위 회로를 이용하여, 네 가지 모드를 쉽게 구현할 수 있었다. Normal 모드에서 픽셀 당 20.5nW의 매우 낮은 전력 소모를 가지며, 모드 변경을 통해 얻을 수 있는 최종 동작범위는 96.7 dB이다. 적절한 타이밍을 사용하여 효율적인 윤곽선 검출 모드를 구현했으며, 윤곽선 검출에 대한 정확도는 8.72 bit이다. (3) 생체신호를 활용한 모드 선택: HMD 및 야시경을 위한 응용에 적합하도록, 실시간 조정이 필요한 간단한 기능 설정에 생체신호(안전도(EOG), 근전도(EMG) 등)를 활용할 수 있다. 이를 통해 사용자의 두 손을 자유롭게 하거나 장애인 사용자에게 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 전극으로부터 동시에 검출되는 생체신호 등을 입력으로 하여, 원하는 정보를 높은 SNR 특성으로 분리할 수 있는 회로를 구현했고, 이를 통해 여러 모드를 쉽고 정확하게 선택할 수 있도록 했다. 피드백 루프와 이중 이득 필터를 활용하여, 큰 잡음을 유발할 수 있는 앞 단의 고역통과필터(HPF) 없이 EOG, EMG 및 기저신호를 동시에 검출하는 생체신호 취득회로를 제안했다. 이를 통해 EOG/EMG 신호에 대한 동작범위와 SNR을 향상시키고, 기저신호까지 동시에 검출하여 사용자의 물리적인 동작을 관찰하는 데 응용할 수 있게 했다. 생체신호 취득회로는 매우 낮은 주파수에 대한 필터를 사용하므로, 외부 수동소자 없이 이를 단일칩으로 구성하기는 매우 어렵다. 본 연구에서는 스위치-캐패시터 방식의 필터를 설계함으로써, 큰 수동소자를 제거하고 단일칩에 집적할 수 있도록 했다. 최종 검출된 EMG 및 EOG 신호는 각각 58.8dB 및 56.0dB 이상의 SNR 특성을 보이며, 이는 기존 방식 대비 각각 12.5dB 및 13.0dB 정도 개선된 결과이다. 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 적외선 영상을 통해 인간의 시각정보 등을 크게 확장할 수 있으며, 이를 위한 응용분야는 무궁무진하다. 본 연구의 결과는 야시경 및 초경량 HMD 뿐만 아니라, 휴대를 목적으로 하는 다양한 기기 또는 소형 로봇 등에 응용할 수 있다. 따라서, 현재 다양하게 응용되고 있는 CMOS 이미지 센서와 더불어, 적외선 영상 장치에 대한 시장을 크게 확대할 수 있을 것이다. 적외선 카메라 분야는 군수 분야를 중심으로 많이 발전했으며, 이에 따라 국가 간 기술 장벽이 높고 국내 기술은 아직 미흡하다. 본 연구의 실용적인 결과를 통해, 해당 국내 산업에 밑거름이 되고자 했다. 본 연구는 센서, 신호처리 시스템, 반도체 소자 모델링 및 아날로그/ 디지털 집적회로 등의 광범위하고 미래 가치가 높은 분야를 다루었다. 따라서, 우리나라의 주력산업 중 하나인 반도체 시스템 분야를 위해, 폭 넓은 응용을 할 수 있는 인재 양성에도 기여할 수 있다. (출처 : 요약문 2p) |
