광센서

광센서(photosensor)

광센서(photosensor)는 빛을 감지하는 센서이다. 빛에는 여러 가지 파장의 빛이 있는데 파장 범위에 따라 그 용도가 다양하다. 원리는 빛에 대한 정보를 전기신호로 변환하여 전기의 절연상태를 검지하는 것이다. 광전변환원리에 따라 광전자 방출효과, 광전도효과, 광기전력효과 등의 소자로 분류할 수 있다. 광센서의 특징은 검지대상과 접촉하지 않아도 계측이 가능하다는 것과 고속도, 고감도라서 자동화에 편리하다는 점, 입력에너지가 작다라는 점, 원격계측 제어가 가능하며 잡음이 없다는 것이다. 대표적인 유형으로는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 IC, CDS, 태양전지, CCD 이미지 센서 등이 있다. 핸드폰, 차량용 부품, 로봇 등 다양한 분야에 광센서가 사용되고 있다.

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개요

사람의 눈에 해당하는 장비로 물체의 모양이나 상태·움직임 등을 감각한다. 과거에는 물체의 빛을 감지하는 방식이었으나, 지금은 기계에서 큰 빛을 내었을 때, 빛이 부딪혀 반사되어 오는 것을 토대로 그 물체의 정보를 얻는 방식을 사용한다.

센서란, 인간의 감각기관 구실을 하는 장치를 말하는데, 그 중에서 시각(視覺)에 해당되는 것이 광센서이다. 그래서 시각센서라고도 한다. 광센서는 빛의 양, 물체의 모양이나 상태 ·움직임 등을 감각하는데, 눈의 구실을 하는 것이 렌즈이다. 예전에는 자연의 빛을 감각하는 것이었으나, 지금은 인공적으로 큰 빛을 발하여, 그 빛이 물체에 부딪혀 반사되어 오는 것을 받아들여, 그 물체의 움직임이나 빠르기 따위를 알아내는 구조가 많아졌다. 광센서를 사용하면 로봇을 자동적으로 이동시킬 수가 있다.

초음파나 적외선을 로봇의 전방에서 발사하여, 물체로부터 되돌아오는 빛의 강약으로 제 위치를 안다. 장애물로부터 멀어져 있으면 받는 빛은 약해지고, 가까워지면 강해진다. 그러므로 어느 일정한 빛의 세기에서 멈추어 서도록 로봇에게 가르쳐 놓으면 앞쪽에 물체가 있을 때 판단해서 선다. 그리고 그 이상 앞으로 나아가지 않고, 진행 방향을 바꾸는 것이다.

센서 중에서도 주류를 이루는 것이 광센서이며, 특히 컴퓨터에 의한 이미지(화상 ·도형 ·문자 ·물체 등)의 직접 인식에 있어서, 높은 정밀도의 이미지 센서 수요가 늘어날 것이다.

동작원리 및 분류

광센서는 가시광선을 포함하여 전자기파 중에서 광학적인 영역으로 분류할 수 있는 자외선 및 적외선과 광 신호를 감지하여 전기적인 신호로 변환 검출하는 소자이다. 엑스선을 광학적으로 다루기는 어렵지만 엑스선을 측정하는 경우에도 광센서로 구분하기도 한다.

광센서의 기본적인 동작원리는 광전효과(Photoelectric effect)이다. 광전효과는 아인슈타인이 1905년에 정립한 물리현상으로 양자역학의 발견에 초석이 되었다. 후에 아인슈타인은 이 업적을 통해 노벨물리학상을 수상하였다. 광전효과에 따르면, 금속판에 특정 주파수 이상의 빛을 조사하게 되면 금속 내부에 속박되어 있던 있는 전자가 빛으로부터 에너지를 얻어 금속 밖으로 나올 수 있게 된다. 이렇게 금속으로부터 방출된 전자는 양극으로 이동하여 회로의 전기전도에 기여하게 된다.

광전효과는 외부광전효과, 내부광전효과, 광이온화효과 3가지로 세분화 할 수 있다. 외부광전효과는 고체 표면에 빛이 조사되었을 때, 외부에 자유전자를 방출하는 현상이며, 초기 광전효과의 실험에서 관측된 내용이다. 외부광전효과를 이용한 광전관은 진공으로 된 공간속에 한 전자를 방출할 수 있는 음극과 전위차를 만들 수 있는 양극이 존재하는 진공관이다. 높은 에너지의 빛이 광전관의 음극으로 입사하게 되면, 전자가 광에너지를 받아 튀어나온 후 이미 음극과 양극 사이에 형성되어 있는 전위차에 의해서 양극으로 흐르게 된다. 이때 발생한 광량과 전류의 세기는 비례한다.

내부광전효과는 광전도효과와 광기전력효과로 구분된다, 광전도효과는 절연체 또는 반도체에 빛을 조사하면 고체의 에너지 밴드 구조에서 가전자대(valence band)에 있는 전자가 빛으로부터 에너지를 흡수하여 전도대(conduction band)로 전이하여 발생하는 효과이다. 이렇게 전이된 전자는 고체 내부에서 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 되어 고체의 전도도를 증가시킨다. 광전도효과를 이용한 광전도센서는 조도센서로 많이 사용된다.

광전기력 효과는 PN 접합다이오드에 빛을 조사할 때 나타나는 효과이다. PN 접합 다이오드가 빛을 흡수하면 전자와 정공이 생겨나게 되고, 이들 전하 운반자는 PN 반도체 접합 경계면에 이미 형성된 전위차 때문에 서로 반대방향으로 이동하면서 회로 내의 전류를 흐르게 만든다. PN 접합 다이오드에는 P층과 N층 사이에 존재하는 공핍영역(depletion region)의 영향으로 축전기가 존재하게 되는데, 광다이오드는 이러한 축전효과가 크기 때문에 고속으로 동작하는 회로에는 부적합하다. 축전효과를 줄이기 위해서는 공핍영역을 크게 만들 필요가 있는데, 이런 용도로 개발된 것이 PIN 다이오드이다. PIN 다이오드는 고속으로 동작하기 적합한 회로이며, 주로 광통신용으로 사용된다.

광이온 효과는 알파선, 감마선 등 에너지가 높은 빛을 조사하였을 때, 기체분자의 원자가 전자를 내놓으면서 이온화 되는 현상으로, 많은 경우에 엑스선 센서에 응용된다.

광센서는 비접촉식으로 측정이 가능하기 때문에 접촉식 센서에 비해 수명이 긴 것이 장점이다. 또한 전자가 아닌 빛을 측정하기 때문에 검출할 수 있는 거리가 비교적 긴 편이며, 빠른 응답속도 및 높은 분해능을 가진 것 또한 장점이다. 그러나 측정 대상과 센서 사이에 빛의 투과를 방해하는 요인이 있거나, 외부에서 들어오는 다른 빛이 있는 경우에는 오차를 일으킬 수 있는 단점도 가지고 있다.

참고자료

• 〈광센서〉, 《두산백과》
• 〈광센서〉, 《물리학백과》
• 〈센서(photosensor)〉, 《사이언스올》

같이 보기

• 빛
• 센서
• 파장
• 광전효과
• 광이온효과
• 광기전력효과

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