SWIR / NIR 센서의 세계 - Sony IMX992 구조와 응용.

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SWIR/NIR 센서의 세계 — InGaAs와 Sony IMX992 완전 분석

InGaAs 물리 원리 · IMX992/993 사양 · CoaXPress 인터페이스 · 조명·렌즈 조건 · 실전 응용

1. NIR/SWIR 개요

2. InGaAs 물리·구조

3. IMX992/993 분해

4. CoaXPress 심화

5. 조명 & 렌즈 조건

6. 응용 & 로드맵

NIR와 SWIR — 전자기 스펙트럼의 어디에 있나?

가시광선(400~700 nm) 너머의 적외선은 여러 대역으로 나뉩니다. NIR(Near-IR, 근적외선)은 대략 750~1000 nm, SWIR(Short-Wave IR, 단파장 적외선)은 1000~2500 nm 범위를 가리킵니다. SWIR은 실리콘의 밴드갭(1.12 eV, 컷오프 ~1100 nm)을 넘어서므로 일반 CMOS 이미지 센서로는 감지할 수 없는 영역입니다.

핵심 포인트 — SWIR에서는 실리콘이 투명해집니다. 즉 웨이퍼·솔라셀·플립칩 다이 내부를 그대로 들여다볼 수 있어 반도체 검사에 필수적입니다.

스펙트럼 지도

왜 SWIR을 쓰는가?

• 실리콘 투과 — 웨이퍼·다이 내부 결함, 솔더 볼, 언더필 결함 검출
• 수분 흡수 — 1450 nm 부근 물 흡수 피크로 수분 분포 이미징
• 안개·연기 투과 — 자율주행/보안에서 야시 성능 개선
• 레이저 이미징 — 통신 대역(1310, 1550 nm) 정렬·프로파일링
• 야시(Night Glow) — 대기 방사(1000~1800 nm)를 이용한 저조도 이미징

InGaAs 광다이오드 — 왜 SWIR의 왕인가

InGaAs(인듐 갈륨 비소, In_xGa_1-xAs)는 III-V족 삼원 화합물 반도체로, 조성비 x를 조절해 밴드갭을 0.75 eV(1.7 µm)부터 1.42 eV(0.87 µm)까지 튜닝할 수 있습니다. 표준 조성인 In0.53Ga0.47As는 InP 기판에 격자정합되어 0.9~1.7 µm를 커버합니다.

λ_cutoff (µm) = 1.24 / E_g (eV)   ⟹   Si: 1.11 µm, InGaAs: 1.68 µm

밴드갭 튜닝

x = 0.53 격자정합 → 1.68 µm 컷오프. x를 늘리면 확장형 InGaAs(~2.5 µm) 구현 가능하나 격자 부정합으로 암전류 증가.

p-i-n 구조

InP 기판 위 흡수층(InGaAs) + InP 캡. 광자가 흡수층에서 전자·정공쌍 생성 → 역바이어스 전기장으로 분리·수집.

파장 vs 양자효율 (Quantum Efficiency)

전통 InGaAs FPA 구조 (범프 본딩)

전통 InGaAs의 한계 — 인듐 범프 본딩은 픽셀 pitch를 10 µm 이하로 줄이기 어렵고, 범프 산란 때문에 가시광 감도가 떨어집니다. Sony SenSWIR은 이 두 문제를 Cu-Cu 직접 본딩으로 해결합니다.

Sony IMX992 / IMX993 — 5.32 MP, 3.45 µm의 게임체인저

SenSWIR 2세대 Cu-Cu 하이브리드 본딩 Sony는 2024년 IMX990/991(1세대 5 µm pitch)에 이어, IMX992(5.32 MP)·IMX993(3.21 MP)를 발표했습니다. 업계 최소 3.45 µm 픽셀 pitch로 SWIR 이미지 센서의 해상도를 한 세대 끌어올렸습니다.

핵심 사양

항목	IMX990 (1세대)	IMX992	IMX993
광학 포맷	1/2"	1/1.4"	1/1.8"
유효 화소	1280×1024 (1.3 MP)	2624×2032 (5.32 MP)	2048×1568 (3.21 MP)
픽셀 pitch	5.0 µm	3.45 µm	3.45 µm
감도 대역	0.4~1.7 µm	0.4~1.7 µm (SenSWIR)	0.4~1.7 µm (SenSWIR)
본딩 방식	Cu-Cu	Cu-Cu 개선 (μ-피치)	Cu-Cu 개선
셔터	글로벌	듀얼 리드 롤링	듀얼 리드 롤링
변환 게인	단일	HCG / LCG 선택	HCG / LCG 선택
인터페이스	SLVS-EC / MIPI	SLVS / MIPI	SLVS / MIPI

SenSWIR — Cu-Cu 하이브리드 본딩의 원리

해상도·데이터 처리량 비교 (industry 대표 SWIR 센서)

왜 3.45 µm가 중요한가? — 픽셀이 작아지면 같은 광학계로 더 높은 해상도를 얻을 수 있고, 기존 머신비전 렌즈(C-mount, F-mount)와의 호환성이 개선됩니다. 무엇보다 가시광 감도(SenSWIR)가 붙어있어 한 대의 카메라로 가시+SWIR 정렬이 가능합니다.

CoaXPress — IMX992급 SWIR 카메라의 사실상 표준

IMX992는 5.32 MP × 12 bit × 60 fps 기준 ≈ 3.84 Gbps의 실시간 데이터를 뿜어냅니다. 수치만 보면 Camera Link Full(6.8 Gbps)로도 이론상 커버되지만, 고속·고화질 모드로 밀어붙이면 이야기가 달라집니다.

대역폭 시나리오

• 60 fps × 12 bit → 약 3.84 Gbps  →  Camera Link Full 가능, GigE(1 Gbps)는 불가
• 90 fps × 12 bit → 약 5.76 Gbps  →  Camera Link Full 한계 근접
• 120 fps × 12 bit → 약 7.68 Gbps  →  Camera Link Full(6.8 Gbps) 초과, CXP-12 필요
• 60 fps × 16 bit 팩킹 → 약 5.12 Gbps  →  Camera Link Full 실효 대역폭 부담

게다가 Camera Link Full은 MDR-26 케이블 2개가 필요하고, 유효 거리는 약 10 m에 불과합니다. 생산 라인처럼 카메라와 PC가 떨어져 있고, 프레임레이트를 유연하게 밀어붙여야 하는 환경에서는 CoaXPress(CXP)가 사실상 표준으로 자리 잡았습니다 — 얇은 동축 1선으로 40 m+, PoCXP로 전원·트리거·제어까지 한 케이블에 통합.

인터페이스 대역폭 비교

CoaXPress 버전 로드맵

버전	단일 링크	4-링크 aggregation	등장	커넥터
CXP-3	3.125 Gbps	12.5 Gbps	2010	BNC / DIN 1.0/2.3
CXP-6	6.25 Gbps	25 Gbps	2013	BNC / DIN
CXP-10	10 Gbps	40 Gbps	2019 (v2.0)	Micro-BNC (HD-BNC)
CXP-12	12.5 Gbps	50 Gbps	2019 (v2.0)	Micro-BNC
CXPoF	4×10 Gbps	40 Gbps (QSFP+)	확장	QSFP+ 광섬유

왜 굳이 CoaXPress?

동축 케이블의 강점

75Ω 임피던스, 40 m+ 장거리, 진동·EMI 강함. Camera Link의 무거운 MDR 다심 케이블 대비 훨씬 유연하고 저렴.

PoCXP (Power over CXP)

같은 케이블 하나로 데이터+전원+트리거+제어를 모두 전달. 배선이 극단적으로 단순해짐.

저지연 트리거

업링크 20.8 Mbps로 서브-마이크로초 트리거 정확도. 라인스캔/고속 검사에 필수.

확장성

여러 CXP 링크를 aggregation → 4×CXP-12 = 50 Gbps. 카메라 하나가 요구할 수 있는 최대에 근접.

IMX992 카메라 시스템 블록 다이어그램

SWIR 카메라, 조명·렌즈도 반드시 SWIR로 맞춰야 하나?

결론부터: 대부분의 경우 "예"입니다. 센서만 SWIR로 바꾸고 가시광 렌즈·조명을 그대로 쓰면 해상도가 무너지고, 조도가 부족해 노출을 늘리다 노이즈로 이미지가 뭉개집니다. 다만 Sony SenSWIR(IMX992 등)처럼 가시광 감도가 붙어있는 센서는 예외적 시나리오가 존재합니다.

가장 흔한 실수 — "일단 SWIR 카메라만 사면 되겠지" 하고 기존 C-mount 가시광 렌즈에 백열등/형광등으로 촬영. 결과는 초점이 파장별로 어긋난 저대비 이미지 + 심각한 조도 부족.

1) 렌즈 — 왜 SWIR 전용이 필요한가

색수차 (Chromatic Aberration)

가시광용 유리는 400~700 nm에서 색수차를 보정합니다. SWIR(1000~1700 nm)에서는 굴절률·분산이 달라져 파장별 초점이 어긋납니다. 결과: 이미지 흐림, MTF 급락.

AR 코팅 (반사방지)

가시광용 AR 코팅은 SWIR에서 거의 무의미합니다. 표면당 ~4% 반사가 렌즈 6~8매 통과 시 총 광 손실 30%+가 되어 노출 시간이 몇 배로 늘어남.

유리 소재

일반 크라운·플린트 유리는 대체로 ~2 µm까지 투과하나 분산이 큽니다. 아포크로매틱 보정을 위해 CaF₂, ZnSe, 칼코게나이드 유리가 활용됩니다.

플랜지·마운트

C-mount는 그대로 사용 가능합니다. 다만 IMX992 같은 1/1.4" 대형 포맷은 반드시 이미지 서클이 충분한 SWIR 렌즈여야 합니다.

가시광 렌즈 vs SWIR 전용 렌즈 (초점 개념 비교)

2) 조명 — 왜 SWIR 광원이 필요한가

피사체가 스스로 SWIR을 방사(고온체, 야시 발광)하는 경우가 아니라면 SWIR 광원이 반드시 있어야 합니다. 일반 백색 LED는 대부분 460 nm 청색 + 형광체 조합으로 SWIR 성분이 사실상 0입니다.

대표 SWIR 광원 옵션

광원	파장	특성	용도
할로겐 램프	400~2500 nm (연속)	브로드밴드, 열↑, 수명 짧음	하이퍼스펙트럴, 실험실
SWIR LED (1050 nm)	1050 nm	Si 컷오프 직후, 웨이퍼 투과 시작	실리콘 검사
SWIR LED (1200 nm)	1200 nm	지방·플라스틱 흡수	식품 분류
SWIR LED (1450 nm)	1450 nm	물 흡수 피크	수분 검출, 젖음 감지
SWIR LED (1550 nm)	1550 nm	Eye-safe (각막·수정체 흡수)	야외 감시, LiDAR, 통신 대역
SWIR LED (1650 nm)	1650 nm	탄화수소·CO₂·CH₄ 흡수	가스 감지
레이저 (1310/1550 nm)	협대역	고휘도·간섭성	정렬, 프로파일링, 형광

1550 nm의 특권 — 사람 눈의 각막과 수정체가 이 파장을 강하게 흡수해 망막에 거의 도달하지 못합니다. 따라서 안전 기준(IEC 60825) 아래 훨씬 높은 광량을 방사할 수 있어 야외·산업 환경에서 사실상 표준입니다.

3) 반드시 알아야 할 예외 — SenSWIR(IMX992)의 경우

IMX992는 0.4~1.7 µm 통합이라 이론상 기존 가시광 LED만으로도 이미지가 잡힙니다. 그러나:

• 가시광만 켠 상태 = 사실상 "감도 낮은 가시광 카메라"입니다. SWIR 정보는 얻을 수 없음.
• SWIR의 고유 이점(실리콘 투과, 물 흡수, 안개 투과)을 활용하려면 SWIR 광원 필수.
• SenSWIR의 진짜 강점은 가시광 조명 + SWIR 조명을 번갈아 켜서 한 대의 카메라로 정합된 이중 모드 이미지를 얻는 것 (지문 인식, 다층 필름 검사 등).

실전 체크리스트

렌즈 선택

• 커버 파장이 대상 대역 포함?
• AR 코팅 대역 확인 (예: 800~1700 nm)
• 이미지 서클 ≥ 센서 대각 (IMX992는 1/1.4")
• 가시광-SWIR 겸용은 아포크로매틱 필수

조명 설계

• 대상 물질 흡수 스펙트럼과 광원 파장 매칭
• 야외/사람 근접 = 1550 nm eye-safe 우선
• 다파장 검사는 스위칭 LED / 필터휠 조합
• SWIR 밴드패스 필터로 배경광 차단

SWIR 실전 응용 — 5.3 MP가 열어준 것들

실리콘이 1100 nm 이상에서 투명. 웨이퍼 내부 결함, 플립칩 솔더 결함, 언더필 보이드, TSV 검사. IMX992의 5.32 MP는 12" 웨이퍼 매크로 검사에서 스티칭 최소화.

2. 태양전지 EL/PL 이미징

결정질 Si 셀은 1050~1200 nm에서 발광. 마이크로크랙, PID 열화, 셀 균일성 정량화. 다이내믹 레인지 필요 → HCG/LCG 이중 게인이 유용.

3. 식품·농업 하이퍼스펙트럴

수분(1450 nm), 지방(1200 nm), 단백질(1500 nm) 흡수. 5.32 MP × SenSWIR로 가시광 컬러 + SWIR 분광을 단일 카메라에서.

4. 재활용/분류

PET, HDPE, PVC, PP 등 플라스틱 종류별 고유 SWIR 흡수 스펙트럼. 컨베이어에서 실시간 분류 → CXP-12 대역폭 필수.

5. 미술품·문서 감정

표면 층 아래 밑그림(underdrawing), 지워진 텍스트, 위조 감식. 400~1700 nm 통합으로 가시광 대조 촬영 동시 수행.

6. 자율주행·감시

안개·연기 투과, 야시(night glow) 이미징. 1550 nm는 인간 눈에 안전(eye-safe) → LiDAR와의 조합.

기술 로드맵

• 2024–2025 — IMX992/993 양산, 카메라 벤더(LUCID, FRAMOS, Allied Vision, Basler) 통합 완료
• 2026 — 2 µm pitch급 R&D, 확장 InGaAs(~2.5 µm) 통합, 냉각 없는(uncooled) 8 MP급 실증
• 중기 — 콜로이드 양자점(CQD) SWIR 센서 상용화 도전 (실리콘 CMOS 위 직접 성막)
• 인터페이스 — CXP-over-Fiber 확산, GenICam SFNC 3.x, GigE Vision 2.2 확장

정리 — Sony IMX992는 단순 "고해상도 SWIR 센서"가 아니라, 가시광 통합 + 미세 픽셀 + 이중 게인 + 표준 CMOS 인터페이스를 한꺼번에 갖춘 첫 세대입니다. CoaXPress CXP-12와 결합하면 고속·고해상 SWIR 머신비전이라는 새로운 카테고리를 사실상 확정합니다.

참고 자료

• Sony Semiconductor Solutions — IMX992/993 product page
• LUCID Vision Labs — Triton2 SWIR 5.2MP (IMX992)
• Axiom Optics — Sony IMX992 InGaAs Sensor: A Quantum Leap
• Teledyne Vision Solutions — InGaAs Cameras: The Basics
• Edmund Optics — Why Use a Lens Designed for SWIR Wavelengths?
• JIIA — CoaXPress 2.0 Specification