최적화된 IR 방출기를 사용하여 성능 트레이드오프 최소화

최초의 가시광선 스펙트럼 LED(발광 다이오드)는 1962년 Nick Holonyak Jr. 교수에 의해 개발되었으며 몇 년 내에 상용화되었습니다. 이는 빨간색으로만 제공되었으며 휘도가 낮고 배치마다 일관성이 없었습니다. 그럼에도 이는 백열 및 네온 광원에 비해 괄목할만한 발전을 구현하는 첫걸음이 되었으며, 무접점 조명이 대중 시장에서 현실화되는 데 기여했습니다.

초기의 단점에도 불과하고 이러한 LED는 곧 표시기 램프 및 디지털 판독기로 사용되었으며 LED 매트릭스 또는 바 모양의 렌즈를 가진 7세그먼트 디스플레이 형태로 제공되었습니다. 집중적인 연구와 개발의 결과로 추가적인 혁신이 실현되었습니다. 예를 들어 1970년대에는 노란색 및 녹색 LED가 개발되고, 결정적으로 1990년대 중반에는 고휘도 파란색 LED가 제작되었습니다.

이러한 개발은 파란색 LED와 빨간색 및 녹색 LED를 결합하거나 인광 코팅을 추가하는 방식으로 흰색 조명을 위한 길을 열었습니다. 백라이트, 영역 조명 등의 다양한 분야에서 LED가 주도적인 위치를 차지하게 된 나머지 이야기는 잘 알려져 있습니다.

그럼에도 불구하고 LED의 발전에는 그다지 눈에 띄지 않는 측면이 있습니다. 바로 스펙트럼의 적외선(IR) 영역에서 주로 또는 독점적으로 빛을 방출하는 무접점 장치의 개발입니다. 따라서 이들이 방출하는 빛은 눈에 보이지 않습니다. 일반 소비자 입장에서는 실용성이 없어 보일 수 있지만 이러한 IR LED, 더 정확히는 IR 방출기는 과학, 산업, 감지, 인증, 생체 인식 추적은 물론 일부 소비자용 응용 분야에 이르기까지 매우 중요한 가치를 지닙니다.

IR 방출기의 고유한 특성

빨간색 LED처럼 최초의 IR 방출기는 성능이 제한되고 일관적이지 않았습니다. 하지만 전통적인 IR 소스(예: 필터형 백열 필라멘트)에 비해 이점을 제공했습니다.

오늘날의 IR 방출기는 모든 주요 전기 및 광학 파라미터에 걸쳐 높은 성능을 제공합니다. 또한, 특정 성능 특성을 최적화 및 강조하도록 맞춤화되어, 사용자가 대상 응용 분야에서 뛰어난 성능을 제공하는 IR 방출기를 선택할 수 있도록 합니다.

이러한 장치는 850nm, 920nm, 940nm에 출력 파장이 집중되는 경향이 있습니다(그림 1). 850nm는 가시광선 영역과 적외선 영역 사이의 모호한 경계에 가까워, 파장이 더 짧은 IR 방출기에서 약간 붉은 빛이 발생합니다.

그림 1 : IR 방출기는 780nm ~ 1400nm 범위에서 작동하고, 널리 사용되는 850nm의 IR 파장은 가시광선의 빨간색 스펙트럼의 경계에 가까워 일부 붉은 빛을 띨 수 있습니다(이미지: Gigahertz-Optik Inc.).

최첨단 IR 방출기 부품

ams OSRAM의 OSLON P1616 및 OSLON Black IR 방출기는 IR 방출기의 기능 및 기술적 발전을 보여주는 예입니다. 두 계열 모두 성능 향상을 위해 ams OSRAM IR:6 칩 기술을 사용하며, 내부 칩 반사판 및 칩 미러 설계의 향상을 포함하여 다이 내 광학 손실을 줄이면서 방사 강도를 높입니다. ams OSRAM에 따르면 결과로 제공된 IR 방출기는 현재 시중 제품에 비해 42% 높은 벽 플러그 효율성과 35% 향상된 출력을 지원합니다.

OSLON P1616 계열과 OSLON Black 계열의 주요 차이점은 전자는 크기가 매우 작고, 후자는 폼 팩터 및 조명 패턴이 다양하다는 것입니다.

예를 들어, 940nm을 방출하는 고출력 IR 장치(그림 2, 왼쪽 하단) SFH 4182BS-CB2DB1-11(그림 2, 상단)과 같은 P1616 장치는 조밀하게 패킹된 설계를 위해 1.6mm × 1.6mm의 작은 실장 면적을 가집니다. 이러한 장치의 높이는 렌즈 및 스타일에 따라 달라질 수 있습니다. 응용 분야에는 액세스 제어를 위한 생체 인식 식별, 랩톱 및 스마트 도어벨을 위한 2D 안면 인식 인증, IR 조명이 포함됩니다.

P1616 제품군의 제품은 190mW/sr에서 765mW/sr(밀리와트/스테라디안)에 이르는 동급 최강의 공칭 방사 강도와 1000mW ~ 1650mW 범위의 방사 플럭스를 제공합니다. SFH 4182BS-CB2DB1-11은 통상 455mW의 방사 강도와 최대 1650mW의 방사 플럭스를 제공합니다. 두 강도 및 플럭스 모두 1A(암페어)에서 측정되었지만 장치의 접미사에 따라 다를 수 있습니다.

SFH 4182BS-CB2DB1-11은 또한 테스트 조건 1A 순방향 전류와 10ms(밀리초)의 펄스폭에서 잘 정의된 각도별 방사 특성을 나타냅니다(그림 2, 오른쪽 하단). 이 계열은 Nanostack 기술을 사용해 출력을 약 180% 향상시켰으며, 렌즈형 버전은 즉각적인 디자인인이 가능하고, 비렌즈형 버전은 맞춤형 광학 배열을 허용합니다.

그림 2 : P1616 계열의 렌즈형 SFH 4182BS-CB2DB1-11 고출력 IR 방출기(상단)는 940nm의 좁은 방출 대역을 제공합니다(왼쪽 하단). 이 장치는 또한 잘 정의된 각도별 방사 특성을 나타냅니다(오른쪽 하단)(1A, 10ms 펄스)(이미지 출처: ams OSRAM).

P1616 계열은 세 가지 파장 옵션을 제공하는데, 높은 카메라 감도를 위한 850nm, 보안 및 실내용(세미 코버트 모드)으로 붉은 빛을 줄여 주는 940nm, 다양한 특성 간에 균형을 맞춘 920nm입니다. 사용 가능한 여러 시야각 옵션(±25° ~ ±60°)을 통해 직사각형 시야가 필요한 경우를 포함해 다양한 응용 분야에 적용할 수 있습니다.

OSLON Black 계열의 장치(예: SFH 4716B(그림 3, 상단))는 비용 효율적인 고성능 IR 방출기입니다. SFH 4716B는 850nm의 피크 파장을 제공합니다(그림 3, 왼쪽 아래). 이 계열은 920nm 및 940nm 소자도 포함하며, 3.75mm × 3.75mm 실장 면적의 소형 업계 표준 패키지에 매우 높은 총 광속 성능을 결합합니다.

이 방출기 계열은 다양한 패키지와 칩 옵션뿐만 아니라 서로 다른 휘도 수준을 위한 적층형 및 비적층형 칩 버전을 제공하므로 응용 설계에 높은 유연성을 제공합니다. 주요 응용 분야에는 2D 얼굴 인식, 장거리 및 단거리 CCTV 카메라, 홈 시큐리티, 머신 비전, 번호판 인식 등이 있습니다.

이 장치의 성능은 1A에서 200mW/sr ~ 280mW/sr의 방사 강도, 1A/2A에서 각각 1050mW 또는 2000mW의 방사 플럭스, 주변 온도 및 고전류 DC 작동으로 인해 온도가 높아지는 환경에서도 작동이 가능하도록 하는 낮은 열 저항을 포함합니다. SFH 4716B의 방사 패턴(그림 3 오른쪽 하단)은 유사한 테스트 조건에서 SFH 4182BS-CB2DB1-11의 방사 패턴과 약간 다릅니다. 그러나 Black 계열의 다른 제품과 마찬가지로 ±25°에서 ±60°의 동일한 넓은 시야각 범위를 유지합니다.

그림 3 : OSLON Black 계열 IR 방출기의 SFH 4716B(상단)는 850nm의 피크 출력(왼쪽 하단)을 제공하며, SFH 4182BS-CB2DB1-11과 약간 다른 방사 패턴(오른쪽 하단)을 표시합니다(이미지 출처: ams OSRAM).

결론

IR 방출기가 상대적으로 완성도가 떨어지고 불규칙하던 부품에서 일관되게 고성능을 지원하고 널리 이용 가능한 IR 소스로 발전되는 과정을 확인하는 것은 매우 흥미로운 일입니다. ams OSRAM OSLON P1616 및 OSLON Black 계열의 제품과 같은 최신 버전은 설계자에게 높은 성능과 함께 파장, 크기, 강도 및 기타 주요 파라미터에서 폭넓은 선택지를 제공합니다. 이 IR 방출기는 생체 보안 기술부터 영역 이미징 및 머신 비전에 이르는 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

관련 내용

1: Light is security: Selection guide and product portfolio for infrared vision applications(안내 책자)

https://look.ams-osram.com/m/39974ab4771efcd2/original/aO-IRED-Brochure-112023.pdf

2: SFH 4182BS OSLON P1616 규격서

https://look.ams-osram.com/m/154b521f0188e2f1/original/SFH-4182BS.pdf

3: SFH 4716B OSLON Black 규격서

https://look.ams-osram.com/m/19ecb8089d239a55/original/SFH-4716B.pdf