LED 를 광센서로 활용하기

LED를 광센서로 활용하는 방법은 두 가지 있다. Cathode (음극) 센싱과 Anode (양극) 센싱이 있다. 우선 LED 설명에 앞서 다이오드의 동작원리에 대해서 살펴보자. 다이오드는 아래의 그림과 같이 P형, N형 반도체와 중간의 Depletion 지역으로 구성된다. P형 반도체는 -극성을 갖고 있는 Electron을 수용할 수 있는 용기 같은 역할을 수용하고 N형 반도체는 -극성을 갖고 있는 Electron을 포함하고 있다.

http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/Marvin_Casanova/physics.htm

그리고 아래와 같이 P형 반도체 쪽에 양극을 N형 반도체 쪽에 음극을 연결하면 다이오드를 관통하는 전류가 발생한다.

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반대로 아래의 그림과 같이 전극 연결을 반대로 하면 전류는 전혀 흐르지 못하고 P형, N형 반도체 사이에 Depletion 지역이 발생하게 된다.

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여기서, LED를 광센서로 활용하는 (Cathode (음극) 센싱) 원리를 이해하기 위해서 바로 위의 그림 즉 다이오드를 정상 작동하지 못하는 역 전압이 걸렸을 때부터 시작해야한다.

http://jtgonz.com/led-sensing-matrix.html

역전압이 걸렸을때의 다이오드를 좀 더 자세히 살펴보면 위의 그림과 같다. P형 반도체는 +극성을 갖는 Hole들은 정체되어 왼쪽으로 쏠려 버리고, 마찬가지로 N형 반도체의 -극성의 electron들도 정체되어 오른쪽으로 쏠려 버리게 된다. 이 상태에서 Deplection 지역은 각각 쏠려 있는 hole과 electron 양 만큼의 반대 극성을 띄는 캐패시터가 순간적으로 형성된다.

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이 상태에서 LED에 광자가 유입되면 이 Depletion 지역에 Hole과 Electron이 유입되고 미세한 전류 흐름이 발생하게 된다. 그럼 다이오드에 걸려 있는 역전압을 해제하고 광자의 유입에 따른 미세 전류의 흐름에 따른 전압을 측정하면 LED를 광센서로 활용할 수 있다. (Depletion 지역에 캐패시터가 형성 되기 때문에 일정 시간 이후에도 광자에 의한 전류 흐름은 일정 시간 이후에http://jtgonz.com/led-sensing-matrix.html도 지속된다.)

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그리고 Anode (양극) 센싱은 Cathode 센싱에 비해서 추가적인 하드웨어 비용이 들지만, 수 ms나 s가 걸리던 센싱 시간을 us 단위로 줄일 수 있다. Anode 센싱을 위해선 아래의 그림과 같이 Anode 단에 analog input을 수용하는 단자를 연결하고, 반대편은 0V를 연결한다. 광자에 의한 전류의 흐름은 Cathode 센싱과 마찬가지로 이루어지고 전압차가 alalog input 단자에서 감지된다.

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앞서 이야기 했듯이 이방법을 사용하면 여러개의 LED을 스캔하는데 수 ms면 LED로 광량을 측정 할 수 있다. 그래서 속도적인 측면에서 Anode 센싱 기법을 사용하는 것을 추천한다. 하지만, 각각의 LED에 전용 ADC를 연결해야 하기 때문에 CPU에 내장된 ADC이상의 외부 ADC를 사용해야하는 경우가 발생하기 때문에 비용이 많이 든다.

[참고자료]
http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/Marvin_Casanova/physics.htm
http://jtgonz.com/led-sensing-matrix.html