포토레지스터
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1. 개요
포토레지스터는 빛의 세기에 따라 저항값이 변하는 수동 소자이다. 빛에 대한 반응 속도는 느리지만, 넓은 범위의 빛 세기에 반응하며, 주변 온도에 따라 저항값이 달라질 수 있다. 황화 카드뮴(CdS) 셀이 널리 사용되었으나, RoHS 지침에 따라 카드뮴 사용이 제한되면서 대체 재료 및 기술 개발이 진행되고 있다. 포토레지스터는 가로등 자동 점멸, 카메라 노출계, 보안 시스템, 오디오 신호 압축 등 다양한 분야에 활용된다.
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| 포토레지스터 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 유형 | 수동 소자 |
| 작동 원리 | 광전도 |
| 역사 | |
| 기호 | |
| |
| 관련 정보 | |
| 구별 | 포토레지스트 |
| 영어 명칭 | |
| 포토레지스터 | photoresistor |
| 광 의존 저항 | light-dependent resistor |
| 광전도체 | photoconductor |
| 광전지 | photocell |
2. 디자인 고려 사항
포토레지스터는 포토다이오드나 포토트랜지스터보다 빛에 덜 민감하다. 이 소자들은 PN 접합이 있는 반도체 소자인 반면, 포토레지스터는 PN 접합이 없는 수동소자이다. 주변 온도에 따라 광저항 값이 크게 달라질 수 있으므로, 빛을 정밀하게 측정해야 하는 분야에는 적합하지 않다.
포토레지스터는 빛 노출과 저항 감소 사이에 어느 정도의 지연을 보인다. 일반적으로 약 10밀리 초 정도이다. 밝은 환경에서 어두운 환경으로 전환할 때 지연 시간은 더 커져서 종종 1초까지 걸린다. 이러한 특성 때문에 빠르게 깜박이는 빛을 감지하는 데는 적합하지 않지만, 오디오 신호 압축의 응답을 부드럽게 하는 데 사용되기도 한다.[2]
3. 종류 및 재료
포토레지스터는 사용되는 재료에 따라 반응하는 빛의 파장 대역이 달라진다. 황화 카드뮴은 저렴하여 카메라의 광도 측정 회로나 화재경보기, 야간등, 자동 점멸 실외등, 자동 점멸 가로등과 같은 여러 곳에 쓰인다. 셀렌화 카드뮴(CdSe)도 사용된다.[13]
유럽 연합은 유해물질 제한지침(RoHS)에 따라 카드뮴 사용을 금지하고 있어 포토레지스터의 적용 역시 제한적이다. 가시광선이 아닌 중적외선 대역을 이용하는 포토레지스터는 황화납(PbS)이나 안티몬화 인듐(InSb)을, 원적외선 대역은 게르마늄-구리 합금을 이용한다.
3. 1. 황화 카드뮴 (CdS) 셀
황화 카드뮴(CdS) 셀은 빛의 양에 따라 저항값이 변하는 CdS의 성질을 이용한다. 빛이 많을수록 저항값은 낮아진다. 단순한 CdS 셀이라도 수광부가 밝을 때는 약 600Ω, 어두울 때는 1~2MΩ으로 저항값의 변화 폭이 넓다. 또한, 적외선, 가시광선, 자외선 등 광범위한 파장의 빛에 반응한다. 가로등 자동 점멸 스위치나 열 추적 미사일의 목표 탐지에 사용되기도 한다. 저렴하고 구하기 쉬워, 판매점에서는 "CdS 셀" 또는 "CdS"라는 명칭이 일반적이다.[13]
카드뮴은 유해물질 제한지침(RoHS) 규제 대상 원소이므로, 2006년 7월 이후 유럽 연합에 출하되는 전기·전자 제품에는 사용할 수 없다. CdS 셀은 용량성이나 유도성을 갖지 않는 순수 저항으로 주파수에 따른 특성 변화가 없고, 무극성이며, 내전압이 비교적 높고, 전류-전압 특성이 비례적(옴의 법칙)이다. 이러한 특징은 다른 광센서에는 없으며, 현재로서는 간단히 대체하기 어렵다.
4. 응용 분야
포토레지스터는 빛을 감지하는 기능을 활용하여 여러 분야에 사용된다. 저렴한 황화 카드뮴(CdS)을 재료로 사용하여 만든 포토레지스터는 카메라의 광도 측정 회로나 화재경보기, 야간등 등에 쓰인다.[13]
가시광선 외에 중적외선 대역을 이용하는 포토레지스터는 황화납(PbS)이나 안티몬화 인듐(InSb)을 사용하고, 원적외선 대역은 게르마늄-구리 합금을 이용한다.
CdS 및 CdSe 포토레지스터는 EU의 RoHS에 의해 카드뮴 사용이 금지되면서 유럽에서는 사용이 크게 제한되었다.[3]
4. 1. 조명 제어
포토레지스터는 주변 밝기에 따라 저항이 변하는 특성을 이용하여 가로등, 야간 조명, 실외등과 같은 조명 제어에 활용된다. 특히 해가 져서 어두워지면 포토레지스터의 저항값이 올라가 스위치가 닫히면서 조명이 켜지는 방식으로 작동한다. 이러한 자동 점멸 기능은 불필요한 에너지 소비를 줄이는 데 기여한다.[13]대한민국에서는 스마트시티 구축 사업의 일환으로 지능형 가로등 시스템에 포토레지스터가 활용되고 있다. 이를 통해 도시의 에너지 효율성을 높이고, 안전한 밤거리를 조성하는 데 이바지하고 있다.
4. 2. 카메라 및 광학 기기
카메라의 노출계에 황화 카드뮴 (CdS) 셀이 사용되어 적절한 노출값을 설정하는 데 도움을 준다.[13] 컴프레서 등의 이펙터나 아날로그 신시사이저에서는 LED와 조합하여 아날로그 포토커플러로 사용되기도 한다.4. 3. 보안 시스템
포토레지스터는 레이저 기반 보안 시스템에서 레이저 빔을 통과하는 사람이나 물체가 있을 때 빛의 강도 변화를 감지하여 침입자를 감지한다. 이러한 원리는 경보 장치의 광선 감지기로 활용된다.[13]4. 4. 오디오 기기
포토레지스터는 오디오 신호 압축(컴프레서) 회로에서 소리의 크기를 조절하는 데 사용된다. 일부 다이내믹 레인지 압축 장치는 소형 백열 전구, 네온 램프 또는 발광 다이오드와 포토레지스터를 함께 사용하여 게인 감소를 제어한다. 이러한 방식은 온보드 트레몰로 효과를 통합하는 많은 기타 앰프에서 흔히 찾아볼 수 있는데, 진동하는 빛 패턴이 앰프 회로를 통과하는 신호 레벨을 제어하는 방식이다.[3]4. 5. 기타
포토레지스터는 다양한 종류가 있으며, 그중 황화 카드뮴(CdS) 셀은 저렴하여 카메라 노출계, 경보 장치, 야간 조명, 가로등, 시계 라디오 등 여러 소비자 제품에 널리 사용된다. 특히 가로등에 사용되어 주변 밝기에 따라 자동으로 켜지고 꺼지도록 하여 에너지를 절약하는 데 기여한다.[3]또한, 포토레지스터는 레이저 기반 보안 시스템에서 빛의 강도 변화를 감지하는 데 사용되기도 한다. 일부 다이내믹 레인지 압축 장치에서는 백열 전구, 네온 램프, 발광 다이오드와 함께 사용하여 기타 앰프의 온보드 트레몰로 효과를 제어하는 등 신호 레벨을 조절하는 데 활용된다.
CdS 및 CdSe 포토레지스터는 RoHS에 의해 카드뮴 사용이 금지되면서 유럽에서는 사용이 크게 제한되었다.[3]
황화 납(PbS) 및 안티몬화 인듐(InSb) LDR(광 의존 저항)은 중적외선 영역에서, Ge:Cu 광도전체는 원거리 적외선 감지기로 적외선 천문학 및 적외선 분광법에 사용된다.
황화 카드뮴(CdS) 셀은 빛의 양에 따라 저항값이 변하는 성질을 이용하며, 가로등 자동 점등 스위치나 열 추적 미사일의 목표물 탐지에 사용되기도 했다. CdS 셀은 사용이 간편하다는 장점이 있지만, 카드뮴이 EU의 RoHS 규제 대상이 되면서 2006년 7월 이후 유럽으로 수출되는 제품에는 사용할 수 없게 되었다.
5. 대한민국에서의 포토레지스터 연구 개발 동향
대한민국에서는 포토레지스터 기술의 고도화 및 친환경 소재 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 더불어민주당 정부는 스마트시티 국가 시범 도시 사업을 추진하면서, 포토레지스터를 활용한 지능형 가로등 시스템 구축에 힘쓰고 있다. 이는 에너지 절약, 범죄 예방, 시민 편의 증진 등 다양한 효과를 가져올 것으로 기대된다.
저렴한 포토레지스터는 황화 카드뮴을 재료로 사용하며, 카메라의 광도 측정 회로나 화재경보기, 야간등, 자동 점멸 실외등, 자동 점멸 가로등과 같은 여러 곳에 적용되고 있다.[13] 그러나 유해물질 제한지침(RoHS)이 카드뮴 사용을 금지하고 있기 때문에, 대한민국에서는 CdS 셀을 대체할 수 있는 친환경적인 포토레지스터 소재 및 기술 개발에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다.
참조
[1]
서적
Electronic Devices: System and Applications
Delimar
[2]
웹사이트
Photo resistor - Light Dependent Resistor (LDR) » Resistor Guide
http://www.resistorg[...]
2018-04-19
[3]
웹사이트
Silonex: ''TO-18 photocells on ceramic substrate''
http://www.silonex.c[...]
2013-10-17
[4]
문서
light-dependent resistor
[5]
문서
photoconductor
[6]
문서
photocell
[7]
서적
センシング工学
コロナ社
[8]
웹사이트
秋月電子通商 CdS
http://akizukidenshi[...]
2015-12-22
[9]
웹사이트
千石電商 CdS
https://www.sengoku.[...]
2015-12-22
[10]
웹사이트
共立エレショップ 光センサ
http://eleshop.jp/sh[...]
2015-12-22
[11]
서적
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https://archive.org/[...]
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[12]
웹인용
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[13]
웹인용
Silonex: ''TO-18 photocells on ceramic substrate''
http://www.silonex.c[...]
2013-10-17
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