바렐 이미징 칼로미터를 위한 AstroPix 프로토타입 모듈 성능 평가

초록

AstroPix_v3는 500 µm 피셀 피치를 갖는 HV‑CMOS 단일칩 센서로, 저전력(3‑4 mW/cm²)과 25 keV‑700 keV 동적 범위를 제공한다. 본 연구에서는 단일칩, 4칩(quad‑chip), 3층 quad‑chip 스택, 9칩 모듈을 제작·시험하여 노이즈, 픽셀 활성율, ToT(시간‑오버‑쓰레시홀드) 분포, 히트 레이트 등을 평가했다. quad‑chip은 99 % 이상의 활성 픽셀 수율과 평균 ToT 5‑7 µs를 보였으며, 3층 스택에서는 12칩 동시 읽기가 정상 작동했다. 9칩 모듈은 전체 99 % 수율(마지막 칩 91.9 %)과 최대 1.6 kHz/칩 히트 레이트를 달성해 BIC와 A‑STEP 우주 임무의 요구사항을 만족한다.

상세 분석

AstroPix_v3는 ATLASpix와 MuPix의 설계 노하우를 계승한 고전압 CMOS(HV‑CMOS) 기반 모노리식 액티브 픽셀 센서이다. 500 µm 피셀 피치와 35 × 35 픽셀 매트릭스를 갖추어 2 × 2 cm² 면적을 제공하며, 180 nm 공정과 725 µm 두께의 고저항성 기판(200‑400 Ω·cm)을 사용한다. 전력 소모는 3‑4 mW/cm² 수준으로 대형 다층 텔레스코프에 적합하고, 2.5 MHz ToA(시간 도착)와 200 MHz ToT(시간‑오버‑쓰레시홀드) 카운터를 통해 8‑bit 및 12‑bit 정밀도를 제공한다.

다양한 구성(단일칩, quad‑chip, 3층 quad‑chip 스택, 9칩 라인형 모듈)을 시험하기 위해 A‑STEP 전용 하드웨어와 Cmod A7 FPGA 보드를 사용했으며, -150 V 바이어스와 200 mV 글로벌 쓰레시홀드를 기본 설정으로 적용했다.

Quad‑chip 테스트에서는 각 칩별 노이즈 스캔을 통해 2 Hz 이상 노이즈를 보이는 픽셀을 마스크했으며, 상단 두 칩은 디지털 버스 라인에 의한 노이즈 라인(직선·곡선)으로 인해 수율이 97 % 수준으로 약간 낮았다. 하단 두 칩은 99 % 이상의 활성 픽셀을 확보했다. 픽셀당 주입 전압을 동일하게 인가한 후 얻은 ToT 맵은 대부분 5‑7 µs 범위에 머물렀으며, Gaussian 형태의 분포를 보였다. 이는 단일칩에서 보고된 20‑30 % 픽셀‑투‑픽셀 변동과 일치한다.

3층 quad‑chip 스택(A‑STEP 페이로드)에서는 12칩(3 × 4)의 동시 동작을 검증하였다. 공통 ToA 클럭을 400 ns 틱으로 동기화해, 세 층 모두에서 동일한 이벤트가 기록되는 코스믹 레이 트랙을 재구성했다. 데이터는 칩 3→2→1→0 순으로 체인 전송되었으며, 다중 레이어 동시 읽기가 안정적으로 수행됨을 확인했다.

9칩 모듈은 BIC 이미지 레이어의 기본 단위로 설계되었다. 노이즈 스캔 시 1 Hz 이하의 기준을 적용해 전체 99 % 이상의 픽셀 활성율을 달성했으며, 마지막 칩만 91.9 % 수율을 보였다. 90 Sr 방사선원(10 µCi)을 3 mm·5 mm 콜리메이터로 이동시키며 히트 맵을 획득했을 때, 소스 위치와 히트 분포가 정확히 일치함을 확인했다. ToT 분포는 Landau‑Gaussian 혼합 함수로 잘 설명되었고, 칩 2, 6, 7은 약 3 µs, 나머지 칩은 약 4 µs의 최빈값을 보였다.

히트 레이트 측정에서는 콜리메이터 직경을 0.2 mm부터 1.8 mm까지 변화시키며 최대 1.6 kHz/칩(전체 7 kHz 수준)의 기록이 가능했으며, 7 mm 이상에서는 데이터 손실이 발생했다. 이는 EIC 환경에서 예상되는 925 Hz/칩, 우주 임무(AMEGO‑X)에서의 최대 45 Hz/칩 요구사항을 충분히 초과한다.

전반적으로 AstroPix_v3는 저전력, 높은 픽셀 수율, 안정적인 다칩 체인 읽기, 그리고 요구되는 히트 레이트를 만족한다는 점에서 BIC와 A‑STEP 양쪽 프로젝트 모두에 적합한 기술임을 입증했다. 향후 대량 생산 시 99 % 이상 품질 검증을 통과한 칩만 사용함으로써 전체 시스템 신뢰성을 더욱 강화할 수 있다.