광검출기선택가이드

광검출기는 빛을 전기신호로 변환해서 출력하는 장치입니다. 검출성능에 따라 PD, APD, SiPM, PMT 순으로 나열할 수 있습니다. 이 가운데서 어떤 검출기가 활용하고자 하는 목적에 가장 부합하는지를 결정할 때, 기본적으로 다음 세 가지는 항상 따져봐야 합니다.

수광 면적
신호대 잡음비( signal- to-noise raito, 이하 SNR)
비용

여기에 더해 측정하고자 하는 광원의 파장, 세기, 광량, 형태, 그리고 속도나 주파수대역과 같은 특성들도 상호 고려해야 합니다.

용도에 적합한 검출기 선정을 위해서 이 모든 정보들을 검토해 보고, 각 검출기의 SNR를 계산해야 합니다. SNR을 계산할 때는 단순히 검출기 자체만으로 한정하지 않고 전체적인 신호처리과정을 통해 이를 계산해야 합니다. 그래야만 비용과 SNR 사이에서 균형점을 찾아 올바른 선택을 할 수 있습니다.

01.

수광면적

검출기의 수광면적은 비용과 SNR에 영향을 미칩니다.

PMT의 장점은 수광면적을 키움에 따른 비용이 PD를 비롯한 반도체 검출기에 비해 훨씬 저렴하다는 점입니다. 또한 노이즈 수준도 탁월하게 낮습니다. 하지만 허용치 이상의 초과 광에 의해 영구적으로 손상을 입을 위험이 있고, 제품 크기도 커서 장치 내부에 설치할 때 구조적 제한이 따를 수 있습니다. 다음은 이를 잘 설명해 주는 사례입니다.

1) Super Kamiokande의 중성미자 실험

중성미자가 50,000 톤의 순수한 물을 통과할 때 발생하는 체렌코브 방출을 검출하는 실험으로 분산된 빛을 검출하기 위해 대면적 검출기가 필요했고 반도체 검출기보다 단위 면적당 비용이 저렴한 직경 20인치 PMT 채택했습니다.

2) 공초점 현미경

이 현미경은 특정 단면의 영상만을 얻기 위해 핀홀(Pinhole)에 빛을 통과시킵니다. 따라서 Image plane을 벗어난 부분의 광자를 제거하기 위해 핀홀을 사용합니다. 직경 100마이크로미터의 APD는 검출기와 핀홀 기능을 함께 할 수 있는 장점이 있지만, PMT를 사용하면 장치 내 배열이 훨씬 용이합니다. 비용은 거의 동일합니다. 실제 적용사례를 보면 APD나 PMT를 공히 사용하고 있습니다.

02.

신호대 잡음비(SNR)

노이즈 특성은 검출한계를 결정합니다. 그러므로 SNR는 검출기를 선택하는데 있어서 가장 중요한 요소입니다.

노이즈는 신호에 비례해서 발생하는 경우와 독립적으로 발생하는 경우로 나눌 수 있습니다. 신호에 독립적인 노이즈에는 션트저항을 비슷하게 하는 저항체의 열잡음전류(또는 Johnson noise), 그리고 암전류와 광전류에서 기인하는 Shot noise 전류가 있습니다. Johnson noise는 PD, APD, SiPM과 같은 반도체 검출기에서만 나타납니다.

03.

비용

최종적으로 검출기를 결정할 때에는 비용적인 면을 검토해야 합니다. 그러기 위해서는 검출하고자 하는 빛의 파장과 검출기의 유효수광면적을 고려해서 판단해야 합니다. 특히 검출기의 유효면적에 따른 mm당 비용과 입사되는 빛의 크기를 줄여 수광면적을 줄여주는 역할을 하는 광학기구들 사이의 비용을 비교함으로서 합리적인 선택을 할 수 있습니다.

* 분광영역에 따른 검출기 선택 예

- 200~1,100 nm -> 실리콘 검출기가 최적

- 1,000~2,600 nm대의 근적외(NIR)영역-> InGaAs 검출기가 좋은 성능을 발휘

- 2,600~10,000 nm -> thermopile(열전퇴), lead sulfilde(PbS), lead selenide(PbSe), indium arsenide(InAs), mercury cadmium telluride(HgCdTe)로 만든 검출기가 적합

04.

노이즈 관리

대부분의 광 검출기 활용에 있어 검출기는 광 전류를, digitizer는 신호를 생성합니다. 종종 이 프로세스를 수행하기에 충분치 않은 광량이 있을 수 있습니다. 이러한 상황에서는 ADC를 이용해 디지털 신호로 전환시킬 수 있는 만큼의 수준으로 광 전류를 증폭시켜야 합니다. 신호증폭을 위해서 광 검출기의 출력전류를 전압으로 변환시켜주는 역할을 하는 TIA(transimpedance amplifier)를 사용합니다.

많은 경우 최초의 광 전류가 너무 작기 때문에 앰프 자체의 노이즈가 증폭된 신호를 초과하는 경우가 있습니다. 이러한 경우에는 내부에서 광 전류 자체를 배증하면서도 TIA보다 노이즈가 훨씬 낮은 검출기가 필요합니다. 검토해 볼 수 있는 검출기로 APD, SiPM, PMT가 있습니다.

APD는 10mm 이하 수광면적, 수 백배의 gain
단일 SiPM은 APD 정도의 수광면적이지만 12x12 array 상용화, mega gain.
PMT는 직경 50cm까지 수광면 가능, 무시해도 좋을 수준의 노이즈, mega gain

05.

용도와 성능

마지막으로 용도와 실행 성능에 대한 고려입니다. PMT의 유일한 한계는 방사감도(Radiant Sensitivity, 단위:mA/W)로 표현되는 변환효율로 PD, APD보다 훨씬 떨어진다는 사실입니다. 방사감도는 양자효율(Quantum Efficiency, 단위 %)로 전환시킬 수 있는데, 방사감도(mA)를 파장(nm)으로 나눈 값에 124를 곱한 값입니다.

- Ultra Bialkali PMT : 43% QE

- SiPM : 50% 이하 PDE(Photon detection efficiency)

- PD, APD : 85% 이상 QE

PD 중에는 30pW에서도 거의 100:1의 SNR가 나오기도 하는데 이는 용도에 따라 충분한 성능일 수 있습니다. 저가의 CMOS 앰프를 집적시킨 PD는 가격절감 및 성능을 향상시켜 주는 단일 패키지로도 활용할 수 있습니다.

1,270nm에서 NIR PMT의 QE는 1%입니다. InGaAs, Ge 반도체 검출기는 90%의 QE가 얻어집니다. 하지만 액체질소 냉각기를 사용한다 해도 이 파장에서 극미약 발광을 검출하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 NIR PMT는 낮은 QE임에도 불구하고 mega gain을 얻을 수 있습니다.

적절한 검출기 선택하는데는 다양한 변수들이 있습니다.

예를 들어 형광계측을 위한 용도에서 PCR 관찰하기 위해 PD를 사용할 수도 있지만, 유전자 염기서열 분석기에서 DNA검출을 위해 PMT를 사용할 수도 있습니다. 그러나 two-photon microscopy 용도로는 APD와 PMT가 적절합니다.

기억해야 할 점은 검출기를 위한 최상의 선택이라는 것이 항상 가장 적절하거나 효과적인 가격만을 의미하지는 않습니다. 최상의 검출기 선정을 위해 SNR 계산을 이용하면 매우 유용합니다.

* 광검출기 선택 가이드의 내용은 다음의 자료에서 발췌한 것임을 알립니다.

[Choosing Your Detectors]

Kenneth Kaufmann, Hamamatsu Corp.