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양자우물 적외선 감지기의 비밀 무기: 왜 보이지 않는 적외선을 감지할 수 있을까?
양자우물 적외선 검출기(QWIP)는 양자우물에서 전자의 대역 간 이동을 이용해 광자를 흡수하는 적외선 검출기입니다. 적외선 감지를 위해 양자 우물의 매개변수를 조정하여 첫 번째와 두 번째 양자 상태 사이의 에너지 차이가 들어오는 적외선 광자의 에너지와 정확히 일치하도록 합니다. QWIP는 일반적으로 스마트폰과 고속 통신 장비에 널리 사용되는 소재인 갈륨비소로 만들어집니다. 양자 우물의 재료와 설계에 따라 QWIP의 에너지 레벨을 조절해 3~20마이크론의 적외선을 흡수할 수 있습니다. QWIP는 중파장 및 장파장 적외선 복사를 감지하는 데 사용할 수 있는 여러 가지 간단한 양자역학 장치 구조 중 하나이며 안정성, 높은 픽셀 균일성, 높은 픽셀 작동성으로 알려져 있습니다.
역사
1985년, Stephen Eglash와 Lawrence West는 다중 양자 우물(MQW)에서 강한 밴드 간 이동을 관찰했고, 이는 양자 우물의 개발로 이어졌습니다. 적외선 감지에 대한 보다 심층적인 고려 사항이 제공됩니다. 자유 흡수를 기반으로 한 적외선 감지에 대한 초기 시도에서는 광자 에너지를 효과적으로 감지하는 것이 불가능했고, 그 결과 감지기 감도가 충분하지 않았습니다. 그러나 1987년에는 양자우물 적외선 검출기의 기본 작동 원리가 확립되었고 적외선에서 민감한 감지 능력이 입증되었습니다. 1990년대에는 장벽 두께를 증가시켜 저온 감도를 더욱 향상시키는 기술이 사용되었습니다. 이러한 장치는 공식적으로 양자우물 적외선 감지기로 알려져 있습니다. 1991년에 이 기술을 이용해 최초로 적외선 이미지를 얻었습니다.2002년, 미국 육군 연구소의 연구자들은 원격 온도 감지를 위한 효율적인 파장 전환을 가능하게 하는 전압 조절식 2색 QWIP를 개발했습니다.
이 기기는 양의 바이어스로 10 켈빈에서 7.5마이크론의 감지 파장을 표시하고, 더 음의 바이어스에서는 8.8마이크론으로 전환됩니다. 하지만 QWIP 기술은 민간 분야에서 사용자에게 선호되는 반면, 군사적 요구를 충족시키기에 능력이 부족하다는 이유로 미군에서는 냉대하게 다루어졌습니다. 당시, 감지기는 빛이 재료 층과 평행할 때만 1차원 양자화를 감지할 수 있었는데, 이는 일반적으로 빛이 감지기의 가장자리에 부딪힐 때 발생합니다. 따라서 QWIP 기술의 양자 효율은 5%에 불과합니다.
이 문제를 해결하기 위해 육군 연구소는 2008년에 곡선형 양자 적외선 프로브(C-QWIP)를 개발했습니다. 이는 작은 거울을 사용하여 적외선을 양자 우물 영역으로 보내는 효과를 높였습니다.
C-QWIP의 45도 기울어진 검출기 측벽은 빛이 효과적으로 반사되어 재료 층에서 평행하게 반사되어 전기 신호를 생성합니다. ARL과 L-3 커뮤니케이션 신시내티 일렉트로닉스가 실시한 테스트 결과, C-QWIP의 대역폭은 3마이크론 이상으로, 당시 상용 QWIP의 대역폭보다 5배 높은 것으로 나타났습니다. C-QWIP는 갈륨비소로 제조할 수 있기 때문에 군용 헬리콥터에 사용되는 기존 적외선 감지기에 비해 비용 효율성이 높고, 분해능을 떨어뜨리지 않고도 튜닝과 유지관리의 필요성을 줄여줍니다.
기능
적외선 감지기는 일반적으로 물체에서 방출되는 복사선을 감지하여 작동하며, 복사선의 강도는 물체의 온도, 거리, 크기 등의 요인에 따라 달라집니다. 대부분의 적외선 광검출기와 달리 QWIP는 단일 에너지 대역 내에서의 광학적 이동을 기반으로 하기 때문에 검출 물질의 밴드갭과 무관합니다. 따라서 QWIP는 그 어느 때보다 낮은 에너지를 방출하는 물체를 감지하는 데 사용될 수 있습니다.
QWIP의 기본 구조는 장벽 층으로 분리된 양자 우물로 구성되며, 양자 우물은 제한된 상태와 장벽 상단에 정렬된 첫 번째 여기 상태를 갖도록 설계됩니다.
이러한 양자 우물의 주요 특징은 주입된 전자가 있는 기저 상태가 채워지고 넓어서 양자 터널링을 방지할 수 있다는 것입니다. 일반적인 QWIP는 20~50개의 양자우물로 구성됩니다. 바이어스가 적용되면 전도대 전체가 기울어지고, 빛이 없을 때 전자는 기저 상태에서 고정된 상태를 유지합니다. QWIP가 밴드 간 이동 에너지보다 같거나 더 높은 에너지의 빛으로 조사되면 전자가 여기되어 연속체 상태로 탈출할 수 있는데, 이를 광전류로 계산합니다. 외부에서 광전류를 측정하려면 양자우물에서 전자를 추출하기 위해 전기장을 적용해야 합니다.
광전류의 효율성은 여러 가지 변수에 영향을 받습니다. 검출기가 광자 플럭스 φ 로 조명된다고 대략 가정하면 광전류 I_{ph} = e \cdot φ \cdot η \cdot g_{ph} 는 다음과 같습니다. e는 기본 전하, η는 흡수 효율, g_{ph}는 광전도 이득입니다.
처음에는 타당하지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 광전도 이득
g_{ph}은 1보다 클 수 있습니다. 전자가 여기되어 광전류로 추출될 때마다 반대쪽(에미터) 접합에서 또 다른 전자가 주입되어 손실을 균형 잡기 때문입니다.
이러한 가능성으로 인해 양자우물 적외선 감지기는 응용 분야에서 더 높은 광전류 감도와 효율성을 달성할 수 있습니다. 궁극적으로 QWIP 기술은 안정성과 폭넓은 적용 가능성을 갖추고 있어 앞으로 다양한 연구 및 실용적 응용 분야에서 무한한 잠재력을 지닐 것으로 기대됩니다. 과학자들은 궁금해하지 않을 수 없습니다. 기술에 대한 수요가 증가하는 가운데, 우리가 발견해야 할 새로운 혁신은 무엇일까?
