KR100927598B1 - 광 게이팅 스위치 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 기판 상에 형성된 광 감지 소자를 포함한다. 광 감지 소자는 기판 상에 형성된 광 감지층 및 광 감지층의 양단부에 형성된 전극들으로 구성된다. 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 광 감지 소자가 형성된 기판의 하부에 광 감지 소자에 광을 조사할 수 있는 광원을 포함한다. 광 감지 소자는 광(전자파)을 가했을 때나 광과 전계를 동시에 가했을 때, 전극들간에 전류가 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있는 금속 절연체 전이소자이다.

Description

광 게이팅 스위치 시스템{Photo gating switch system}
본 발명은 광으로 게이팅(스위칭)을 하는 광 게이팅 스위치 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 광 스위치는 광에 의해 온 오프를 조절할 수 있는 광소자이다. 광 스위치는 다양한 분야에 사용할 수 있는데, 팩시밀리, 디지털 복사기 등의 영상 처리 장치나 영상 판독기 등에 이용될 수 있다.
광 스위치의 이용 예와 관련하여, "스위칭 광 감지 매트릭스 소자"라는 명칭으로 등록된 미국 특허 제5,354,981호를 들 수 있다. 등록 미국 특허에는 이미지 센서용 광 스위치 어레이가 설명되어 있다. 등록 미국 특허에는 광이 펄스 형태로 조사되면 출력 신호를 만들어내는 PNPN 사이리스터를 광 스위치로 이용한다.
광 스위치는 광에 의해 온 오프 되는 스위칭 속도가 빠르고, 광 감지 능력이 좋아야 하므로 스위칭 속도나 광 감지 능력이 좋은 광 스위치의 개발이 매우 중요하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광에 의해 빠르게 스위칭 되고 광 감지 능력도 우수한 광 게이팅 스위치 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 광원과 광 감지 소자를 용이하게 집적할 수 있는 광 게이팅 스위치 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 기판 상에 형성된 광 감지층 및 광 감지층의 양단부에 형성된 전극들로 구성된 광 감지 소자와, 광 감지 소자가 형성된 기판의 하부에 위치하여 광 감지 소자에 광을 조사할 수 있는 광원을 포함하여 이루어진다. 광 감지 소자는 광(전자파)을 가했을 때나 광과 전계를 동시에 가했을 때, 전극들간에 전류가 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있는 금속 절연체 전이소자로 구성된다.
광 감지 소자는 광 감지층과 광 감지층에는 광원을 통해 광이 조사되는 광 감지 영역을 포함하고, 광 감지 영역에 해당하는 기판 부분은 밑면으로부터 선택적으로 홈이 형성되어 두께를 얇게 구성할 수 도 있다. 기판의 밑면에 선택적으로 형성되는 홈은 광 감지 영역의 광 감지층이 노출되도록 구성할 수 도 있다.
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또한, 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 기판 상에 어레이 형태로 복수개의 단위 광 감지 소자들이 형성된 광 감지 소자 어레이를 포함한다. 단위 광 감지 소자는 기판 상에 형성된 광 감지층 및 광 감지층의 양단부에 형성된 전극들로 구성된다. 단위 광 감지 소자는 광(전자파)을 가했을 때나 광과 전계를 동시에 가했을 때 전극들간에 전류가 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있는 금속 절연체 전이 소자로 구성된다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 단위 광 감지 소자들이 형성된 기판을 포함하는 광 감지 소자 어레이의 하부에 광원이 위치한다. 광원은 단위 광 감지 소자들에 대응하여 각각 광을 조사할 수 있는 단위 광원들이 형성된 광원용 어레이 모듈 형태로 집적될 수 있다. 또는, 광원은 광 감지 소자 어레이에 균일한 세기의 광이 도달할 수 있도록 분산판을 이용하여 구현할 수 있다.
단위 광 감지 소자는 광 감지층과 광 감지층에는 단위 광원을 통해 광이 조사되는 광 감지 영역을 포함하고, 광 감지 영역 하부의 기판 부분은 밑면으로부터 선택적으로 홈이 형성되어 두께를 얇게 구성하거나, 홈이 광 감지 영역을 노출하도록 구성할 수 있다. 단위 광원들 사이 및 홈 양측의 광원용 어레이 모듈 상에는 단위 광원들을 구분하는 격벽이 설치되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 기판 상에 어레이 형태로 복수개의 단위 광 감지 소자들이 형성된 광 감지 소자 어레이를 포함한다. 또한, 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 단위 광 감지 소자들이 형성된 기판을 포함하는 광 감지 소자 어레이의 하부, 즉 뒷면에 위치하여 단위 광 감지 소자들의 뒷면에서 광을 조사할 수 있는 단일 광원을 포함할 수 있다. 단일 광원은 광 감지 소자 어레이에 균일한 세기의 광이 도달할 수 있도록 분산판을 이용할 수 있다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 광 감지 소자로 금속 절연체 전이 소자를 이용할 수 있어 광에 의해 빠르게 스위칭 되고 광 감지 능력도 우수하다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 광 감지 소자와 광원을 별도로 구성한다. 따라서, 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 광 감지 소자의 패키징과 별도로 광원을 집적할 수 있어 제조 공정 수율을 증가시킬 수 있고, 광 감지 소자 또는 광원의 열화에 따라 발생하는 잔류 가스의 영향으로부터 광 감지 소자 및 광원을 서로 분리하여 대응할 수 있다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 커버 글래스를 이용하지 않고 광 감지 소자를 커버 글래스로 사용하여 광원을 집적할 수 있다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 홈이 형성된 기판을 구비하는 광 감지 소자를 포함한다. 이에 따라, 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 홈을 통하여 광의 투과율이 증가시키고 광 감지 영역에 광을 집중시킬 수 있다. 또한, 홈 영역의 두께가 0이 되도록 제조할 경우에는 광 감지 소자의 광 감지 영역만이 선택적으로 광을 투과할 수 있게 되므로 비 투과성 기판에도 동일하게 적용할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보 다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 이하, 실시예에서 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템은 광, 즉 전자파에 민감하게 감응하는 광 감지 소자와 광원으로 구성된다. 광 감지 소자는 다양한 구조나 형태의 광 감지층을 구비한다. 광 감지층은 광이 조사되었을 때 광을 감지하는 층이다. 광 감지층의 예로 금속 절연체 전이(metal insulator transition, MIT)층을 들 수 있다. 금속 절연체 전이층은 외부 자극이 가해졌을 때 금속 절연체 전이 현상(metal insulator transition, MIT)을 일으키는 물질층이다. 금속 절연체 전이층을 광 감지층으로 이용할 경우, 광 감지 소자는 금속 절연체 전이 특성을 이용할 수 있다.
여기서는, 금속 절연체 전이 현상 및 이를 이용하는 광 감지 소자에 대해 보다 자세하게 설명한다. 금속 절연체 전이(MIT) 현상은 전계(또는 전류), 열, 광, 압력 등의 외부 자극이 금속 절연체 전이층에 임계 크기 또는 임계 세기 이상으로 가해졌을 때 발생한다. 지구상에 존재하는 물질의 전반에 걸쳐 일정한 조건이 갖추어질 경우 금속 절연체 전이 현상이 일어날 수 있다. 금속 절연체 전이 현상이 일어날 수 있는 외부 자극의 임계치는 금속 절연체 전이층의 소재에 따라 다르다.
따라서, 본 발명의 광 감지 소자는 금속 절연체 전이 현상이 일어날 수 있는 모든 소재를 이용할 수 있다. 대표적으로, 금속 절연체 전이층은 화합물 반도체로 알려져 있는 II-VI족 화합물, III-V족 화합물과 같은 반도체성 물질이나, 산화물과 같은 절연성 물질을 들 수 있다. 이하에서 설명하는 금속 절연체 전이 소자는 2단 자 소자를 예시적으로 나타낸 것으로, 3단자 소자나 그 외의 구조로도 변경할 수 있음은 당업자 수준에서 가능하다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 광 감지 소자로 이용된 금속 절연체 전이 소자를 설명하기 위한 단면도들이다.
구체적으로, 본 발명에 이용된 금속 절연체 전이 소자(7)는 비투과성 기판(1a) 상에 광 감지층으로 금속 절연체 전이층(3)이 형성되어 있고, 금속 절연체 전이층(3)의 양단에 전극(5)이 형성되어 있다. 그런데, 도 1의 금속 절연체 전이 소자(7)는 두 전극(5)에 전원(9)을 통해 일정 크기 이상의 전계, 즉 전압 또는 전류를 금속 절연체 전이층(3)에 가해 주면 금속 절연층 전이 현상이 발생한다. 이를 이용할 경우, 도 1의 금속 절연체 전이 소자(7)는 두 전극(5) 간에 전류가 흐르거나 흐르지 않게, 즉 스위칭을 할 수 있다.
도 2의 금속 절연체 전이 소자(7)는 두 전극(5) 사이의 금속 절연체 전이층(3), 즉 광 감지 영역(13)에 광(11)을 조사하면 금속 절연체 전이 현상이 발생한다. 이를 이용할 경우, 도 2의 금속 절연체 전이 소자(7)는 두 전극(5) 간에 광을 조사하거나 차단함으로써 전류가 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있다. 도 3의 금속 절연체 전이 소자는 도 1 및 도 2의 조합 형태로써 금속 절연체 전이층(3)에 전원(9)을 통하여 전계를 가하고, 이와 함께 광(11)을 동시에 조사하면 보다 용이하게 금속 절연체 전이 현상이 발생한다. 이를 이용할 경우, 도 3의 금속 절연체 전이 소자(7)는 두 전극(5) 간에 전류가 흐르거나 흐르지 않게 스위치할 수 있다.
도 4 및 도 5는 광을 조사하기 전후에 얻은 도 1 내지 도 3의 금속 절연체 전이 소자의 전압 전류 특성을 도시한 그래프들이다.
구체적으로, 도 4 및 도 5는 금속 절연체 전이층(3)의 일 예로써 각각 바나듐 이산화막(VO2)과 p형 GaAs층을 이용하고, 금속 절연체 전이층(3)에 적외선을 조사하면서 전압 전류 특성을 조사한 그래프이다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 전계를 가하면 전류가 급격히 증가하는 금속 절연체 전이 현상이 발생한다. 다만, 도 4에서는 적외선을 가하면 금속 절연체 전이 현상이 나타나는 금속 절연체 전이 전압이 상대적으로 낮은 전압에서 발생하였고, 도 5에서는 적외선을 가하면 금속 절연체 전이 전압이 높은 전압에서 발생하였다. 이렇게 금속 절연체 전이 전압의 변화는 광의 세기에 따라 비례하여 선형적으로 감소하거나 증가한다.
여기서, 도 4 및 도 5를 이용하여 도 1 내지 도 3의 금속 절연체 전이 소자(7)의 광 스위칭 과정을 설명한다.
구체적으로, 도 4에서는, 온(on) 오프(Off) 조절 전압 영역(14) 내의 어느 한 전압을 금속 절연체 전이 소자(7)에 인가해 놓고, 광을 8mW 만큼 조사하게 되면 금속 절연체 전이 소자(7)는 오프 상태에서 온 상태로 스위칭 된다. 이때 인가한 전압의 크기에 따라 턴온(turn-on) 시킬 수 있는 광의 세기가 결정되며, 광의 세기를 크게 하면 턴온되는 전압이 매우 낮아질 수 있다. 본 발명의 바나듐 이산화막을 이용한 금속 절연체 전이 소자는 광의 세기가 증가할수록 턴온되는 전압의 크기가 선형적으로 감소하였다.
반대로 도 5에서는, 온 오프 조절 전압 영역(14) 내의 한 전압을 금속 절연 체 전이 소자(7)에 인가하면, 금속 절연체 전이 소자(7)는 광을 조사하지 않은 상태(0μW)에서는 온 상태이나, 광을 0.88μW 만큼 조사하면 오프 상태로 스위칭 되며, 광의 세기를 크게 하면 턴온되는 전압이 더 높아질 수 있다. 본 발명의 p형 GaAs층을 이용한 금속 절연체 전이 소자는 광의 세기가 증가할수록 턴온되는 전압의 크기가 선형적으로 증가하였다. 이러한 특성은 회로를 추가할 경우 스위치 특성이 반대로 동작하도록 할 수 도 있다.
앞서의 도 4 및 도 5에서 설명한 바와 같이, 금속 절연체 전이 소자를 이용하면 광에 의해 스위칭(게이팅)이 잘 됨을 알 수 있다. 특히 도 5에서는 광의 세기 변화에 따른 금속 절연체 전이 전압의 변화가 훨씬 크게 나타나, 보다 고감도의 광 감지 소자를 제조할 수 있음을 알 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 금속 절연체 전이층(3)의 소재에 따라, 광 감도가 크게 달라질 수 있고 온 오프 상태의 반전도 가능함을 알 수 있다.
금속 절연체 전이 소자(7)의 안정성은 금속 절연체 전이 현상이 발생한 후 흐르게 되는 전류의 세기가 클수록 저하될 수 있는데, 광 감지 소자의 용도에 따라 전류의 세기를 제한해 줌으로써 광 감지 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 금속 절연체 전이 소자(7)의 크기와 광의 세기에 따라 금속 절연체 전이 전압이 달라지기 때문에 광 감지 소자의 용도에 따라 전압을 다르게 가할 수 있고 온 오프에 필요한 광의 세기도 달라질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 광 감지층인 금속 절연체 전이층을 이용하여 광의 온 오프 상태를 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 다음에는, 금속 절연체 전이 소자를 광 감지 소자로 채용한 광 게이팅 스위치 시스템을 설명한다. 물론, 앞서 설명한 바와 같이 금속 절연체 전이층을 광 감지층으로 이용하지 않을 경우, 광 감지층은 광에 의해 반응하는 다양한 물질층으로 구성할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 광 게이팅 스위치 시스템의 가장 간단한 개념을 도시한 단면도이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 광 감지 소자의 기판의 뒷면에 형성된 홈의 모양의 일례들을 나타낸 평면도이다. 도 8 및 도 9에서, 홈의 모양은 패턴닝의 편의성, 비용 등을 고려하게 다양하게 변형할 수 있다.
구체적으로, 도 6 및 도 7은 광(전자파)이 기판(1)을 통과하여 광 감지 영역(13)에 가해지도록 구성한 광 게이팅 스위치 시스템(10)이다. 특히, 도 6의 광 감지 소자(7)는 평면형태의 기판(1)에 형성된 것이고, 도 7의 광 감지 소자(7)는 밑면으로부터 선택적으로 홈(16)을 형성한 기판(1)에 형성된 것이다. 홈(16)이 파진 광 투과 영역(17)의 기판(1)의 두께는 광을 효과적으로 활용하는 측면에서는 얇을수록 유리하다. 따라서, 광 투과 영역(17)의 기판(1)을 모두 제거하여 광 감지층으로써의 금속 절연체 전이층(3)의 배면을 노출시킬 수도 있다.
보다 상세하게, 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템(10)은 기판(1), 예컨대 광 투과성 기판 상에 광 감지 소자로써 금속 절연체 전이 소자(7)가 형성되어 있다. 금속 절연체 전이 소자(7)는 앞서 설명한 바와 같이 광(전자파)을 가했을 때나 광과 전계를 동시에 가했을 때 금속 절연체 전이 현상을 나타낸다.
또한, 광 게이팅 스위치 시스템(10)은 광 감지 소자, 즉 금속 절연체 전이 소자(7)가 형성된 기판(1)의 하부에 위치하여 금속 절연체 전이 소자(7)에 광을 조 사할 수 있는 광원(15)이 집적되어 구성된다. 기판(1)은 광원(15)에서 나오는 광을 투과할 수 있으면 족한데, 광 감지도가 높아지도록 홈(16) 부분의 기판(1)의 두께를 얇게 할 수 있다. 기판(1)은 Si, 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어, 고분자 플라스틱 투명 기판 등을 이용할 수 있다.
금속 절연체 전이 소자(7)는 광 투과성의 기판(1) 상에 광 감지층으로 금속 절연체 전이층(3)이 형성되어 있고, 금속 절연체 전이층(3)의 양단부에 전극(5)이 형성되어 있다. 물론, 광 감지층으로 금속 절연체 전이층(3)을 형성하지 않을 경우, 광에 반응하는 물질층으로 형성할 수 있다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템(10)은 기판(1)의 하부의 광원(15)에서 광 투과 영역(17)을 통하여 금속 절연체 전이층(3)의 광 감지 영역(13)으로 광(11)이 조사된다. 기판(1)은 투과성 기판이면 어떤 소재이든 사용 가능하다. 예컨대, 기판(1)으로 가시광선, 적외선 및 근자외선의 넓은 파장 영역을 투과하는 유리 기판을 이용할 수 있다.
유리 기판은 그 두께가 0.1 내지 1.0mm임이 바람직하다. 유리 기판은 용도에 따라 더 얇을 수 있다. 그런데, 유리 기판뿐만 아니라 다른 기판을 사용할 때 기판(1)의 두께가 광 감지 영역(13)의 크기에 비해 매우 두꺼울 경우, 광이 분산(scatter)되고 일부는 반사되어 광의 집중도가 약화되어 광 감지도가 약해질 수 있고, 후술하는 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템의 이웃한 단위 광 감지 소자에 영향을 미칠 수 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 도 7에 도시한 광 감지 소자를 발명하였다.
도 7의 광 게이팅 스위치 시스템(10)은 기판(1)의 밑면을 금속 절연체 전이 소자(7) 제조 전 또는 후에 부분 식각하여 오목하게 홈(groove, 16)을 선택적으로 형성한다. 홈(16)의 깊이는 기판(1)의 두께와 동일하게 구성할 수 도 있고, 도 7에 도시한 바와 같이 얇게 구성할 수 있다.
다시 말해, 광 감지 영역(13)에 해당하는 기판(1) 부분은 밑면으로부터 선택적으로 홈이 형성되어 광 감지 영역(13)에 해당하는 기판(1)의 두께가 그 이외의 영역의 기판(1)의 두께보다 얇게 구성된다. 광 감지 영역(13)에 해당하는 기판(1)의 두께는 0보다 크거나 같게 구성된다. 광 감지 영역(13)에 해당하는 기판의 두께가 0일 경우, 즉 광 감지층(3)의 배면이 노출될 경우 기판(1)은 비투과성 기판을 이용할 수 있다.
여하튼, 도 7의 광 게이팅 스위치 시스템(10)은 광 투과 영역(17)을 통하여 광(11)이 통과하는 광 감지 영역(13)이 위치하는 부분의 기판(1) 부분 두께를 국소적으로 얇게 구성한다. 이렇게 될 경우, 광이 광 감지 영역(13)에 집중(focus)되어 보다 고감도의 광 게이팅 스위치 시스템(10)을 구현할 수 있다.
도 7의 광 게이팅 스위치 시스템(10)에서, 기판(1)의 경우에도 홈(16) 면의 각도에 따라 광 반사율이 달라진다. 전반사가 일어날 수 있는 각도가 될 경우 기판(1) 측면으로 새 나갈 빛이 반사되어 광 감지 영역(13)에 모이는 효과를 얻게 된다. 광원(15)으로부터 입사되는 광이 모두 반사(전반사)되기 위해서는 홈(16) 벽면으로의 입사각, 즉 수직선에 대한 입사각이 브루스터(Brewster) 각도(Brewster Angle)보다 크면 된다.
브루스터 각도는 아크탄젠트{arctan(n2/n1)}로 표시될 수 있다. 예를 들어, 공기 중에서 유리(glass)로 광이 입사된다면, n1은 대략 1.0으로 공기의 굴절률이고, n2는 약 1.5로 유리의 굴절률에 해당한다. 이 경우 가시광선의 브루스터 각도는 약 56도가 된다. 이 각도는 홈(16) 면의 각도가 아니라 광원(15)에서 나온 광이 홈(16) 면에 입사되는 각도를 말한다. 적절한 홈(16) 면의 각도는 광원(15)의 종류에 따라 다르지만, 소자면에 대한 각도가 더 클수록, 즉 더 수직에 가까울수록 본 발명의 목적에서 볼 때 더 유리하다.
광원(15)이 면 광원이나 점 광원일 수 있으므로, 이를 모두 고려할 때 홈(16) 면의 각도는 45도 보다 크면 효과가 클 것으로 판단된다. 더하여, 도 7의 광 게이팅 스위치 시스템(10)에서 홈(16)의 벽면이 광(11)이 한 가운데로 모여 광 감지 영역에 보다 강한 세기의 광이 전달되도록 하기 위해 홈의 벽면을 반사율이 큰 박막으로 코팅할 수도 있다.
또한, 도 7의 광 게이팅 스위치 시스템(10)은 제조 공정이 쉽고 국소 면적만을 식각해 내기 때문에 기판(1)의 내구성을 저해하지 않는다. 도 7의 광 게이팅 스위치 시스템(10)은 기판(1)의 원래 두께에 상관없이 국소 면적을 식각해 내어 필요한 영역에서 광의 높은 투과율을 얻을 수 있으므로 기판(1)의 두께나 광 투과성 여부에 상관없이 기판을 선택할 수 있는 장점이 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8은 홈(16)의 밑면의 모양이 사각형인 것이고, 도 9는 홈(16)의 밑면 모양이 원형인 경우이다. 홈(16)의 모양은 사각형 또는 원형을 가질 수 있고, 육각형, 팔각형 등의 유사한 구조는 모두 사용 가능하다. 홈(16) 내부가 광 투과 영역(17)이 된다.
앞서 설명한 바와 같이 오목하게 형성된 홈(16)은 기판(1) 두께가 얇아짐에 따라 광의 퍼짐을 줄이는 효과와 광이 광 투과 영역으로 집중(focus)되도록 하는 역할을 함께 하여 광 감지능력(sensitivity)이 더욱 개선된다. 홈(16)의 깊이는 기판의 두께와 같거나 그 보다 얕으면 된다. 홈(16)을 금속 절연체 전이 소자 형성 전에 형성할 경우, 금속 절연체 전이 소자를 제조하는데 영향을 주지 않을 정도의 두께만 남아 있으면 족하다.
본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템(10) 또는 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템(30)에 이용되는 광원(15)은 광, 즉 전자파를 발생하는 것이면 원칙적으로 사용 가능하다. 광원(15)은 자외선 영역, 가시광선 영역 및 적외선 영역 중에서 어느 한 영역의 파장을 포함하는 광을 발생시킨다. 광원(15)의 파장은 광감지 소자가 민감하게 흡수하는 영역의 파장이어야 하므로 광 감지 소재에 따라 정해진다.
광원(15)은 전계 발광 디스플레이(ELD, Electroluminescne display), 발광 다이오드(LED, light emitting diode), 유기 발광 다이오드(OLED, organic light emitting diode), 레이저 다이오드(LD, laser diode), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP, plasma display panel), 백 라이트 유니트(backlight unit)를 포함하는 액정 디스플레이(LCD, liquid crystal display), 전계 방출 디스 플레이(FED, field emission display), 형광등, 전구 및 레이저 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 이 중 ELD, OLED, PDP, LCD, FED 등이 어레이 형태의 광원(15)으로써, 후술하는 바와 같이 어레이 형태의 광 감지 소자에 이용될 수 있다.
광이 발생하는 원리는 발광성 소재에 전계를 가해서 발광을 유도하는 전계 발광(Electroluminescne, EL), 형광체에 자외선, 청색, 녹색 등의 빛을 가하여 보다 긴 파장의 빛을 발생시키는 형광(photoluminescne, PL), 고에너지 전자를 충돌시켜 빛을 내는 냉광(cathodoluminescne, CL), 전자와 정공이 재결합하면서 빛을 내는 것(EL의 일종이며, LED의 원리) 등이 있다. 본 발명의 광 게이팅 스위치 시스템(10, 30)에 이용될 수 있는 광원(15)은 대부분 전술한 발광 원리중 어느 하나를 이용할 수 있다.
앞서 도 6 내지 도 9에서는 하나의 단일 광원을 이용하여 하나의 단위 광 게이팅 스위치 시스템을(10)을 구성하였다. 그런데, 어레이 형태의 광원(15)용 어레이 모듈과 이와 위치(dimension)가 일치되도록 한 광 감지 소자 어레이, 예컨대 금속 절연체 전이 소자 어레이를 접합 및 집적하면 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템(30)을 구성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템에 이용할 수 있는 광원용 어레이를 도시한 평면도이다.
구체적으로, 평판 디스플레이에 이용되는 광원용 어레이 모듈(21)은 컬럼(column, 세로) 라인과 로(row, 가로) 라인이 만나는 픽셀(단위 광원)을 매트릭스 형태로 구성하여 구동하는 수동 매트릭스 형태와, 상술한 각 픽셀(단위 광원) 각각에 박막 트랜지스터를 구비하여 각 픽셀(광원)을 독립적으로 구동하는 능동 매트릭스 형태로 구별된다. 본 발명의 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템(30)은 수동 매트릭스 형태나 능동 매트릭스 형태의 광원용 어레이 모듈을 모두 사용할 수 있다.
다만, 도 10에서는, 편의상 수동 매트릭스형의 광원용 어레이 모듈(21)의 모식도를 도시한다. 도 10에 도시한 바와 같이 i 컬럼 라인과 j 로 라인을 선택하면 I, j 위치의 픽셀(단위 광원, 19)이 켜져서 광을 발생시킨다. 각 픽셀(단위 광원)은 데이터 라인에 의하여 선택적으로 켤 수 있으며, 필요에 따라 전체 픽셀(광원)을 동시에 켤 수도 있다. 용도에 따라 전체 픽셀을 동시에 온 오프 해야할 경우 간단한 배선과 제어 회로에 의해 제어할 수 있다.
한편, 광원용 어레이 모듈(21)에 포함될 수 있는 광원은 앞서 설명한 바와 같이 광(전자파)을 발생하는 것이면 원칙적으로 사용 가능하다. 그리고, 광원용 어레이 모듈(21)은 후에 설명하는 바와 같이 광 감지 소자 어레이(20)와 집적 가능하다. 광 감지 소자 어레이(20)와 집적 가능한 광원으로는 평판 디스플레이형 광원, 예컨대 전계 발광 디스플레이(ELD), 유기 발광 다이오드(OLED), 플라즈마 디스플레이(PDP), 전계방출디스플레이(FED), 백 라이트 유니트(backlight unit)를 포함하는 액정 디스플레이(LCD, liquid crystal display)를 들 수 있고, 아울러 표면 발광형 레이저(LD), 표면 발광형 발광 다이오드(LED)를 이용할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템을 도시한 단면도이고, 도 13은 도 11 및 도 12에 도시한 광 감지 소자 어레이의 평면도이다.
구체적으로, 도 11은 기판(1)에 어레이 형태로 단위 광 감지 소자들(7)이 형성된 광 감지 소자 어레이(20)의 단면 개념도를 도시한 도면이다. 기판(1)은 광의 투과도를 향상시키기 위해 수십um 두께로 얇게 가공할 수 도 있다.
도 12는 기판(1)의 밑면에 선택적으로 홈(16)을 형성하고, 기판(1) 상에는 어레이 형태로 단위 광 감지 소자들(7)이 형성된 광 감지 소자 어레이(20)를 도시한 도면이다. 홈(16) 형성시 광 투과 영역에 잔류하는 기판(1)의 두께는 0 보다 크거나 같고 각 단위 광 감지소자들 사이의 간격보다 작게 하는 것이 바람직하다.
도 11 및 도 12에서, 기판(1)의 하부, 즉 뒷면에는 단일 광원(15)에서 발생된 광을 단위 광 감지 소자들(7)이 포함된 광 감지 소자 어레이(20)에 균일하게 조사하기 위해 분산판(미도시)을 위치시켜 집적할 수 있다. 도 11 및 도 12에서, 단위 광 감지 소자들은 단위 금속 절연체 전이 소자들로 구성할 수 있고, 광 감지 소자 어레이는 금속 절연체 전이 소자 어레이로 구성할 수 있다.
도 13은 도 11 및 도 12의 평면도로써, 기판(1) 위에 가로 및 세로 방향으로 어레이 형태로 단위 광 감지 소자들(7)을 형성한 광 감지 소자 어레이(20)를 도시한 것이다. 도 11 내지 도 13에서, 단위 광 감지 소자(7)에 대하여는 도 6 및 도 7에서 자세히 설명하였으므로 여기서는 생략한다.
도 14 및 도 15는 본 발명에 의한 광 감지 소자 어레이와 광원용 어레이 모듈을 집적한 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템을 도시한 단면도이다.
구체적으로, 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템(30)은 광 감지 소자 어레이(20)와 광원용 어레이 모듈(21)을 집적하여 구성한다. 도 14는 도 10과 도 11을 집적한 것으로, 기판(1) 위에 형성한 광 감지 소자 어레이(20)와 평판형 광원을 포함하는 광원용 어레이 모듈(21)을 집적한 것이다.
도 15는 도 10 및 도 12를 집적한 것으로, 홈이 형성된 기판(1) 위에 형성한 광 감지 소자 어레이(20)와 평판형 광원을 포함하는 광원용 어레이 모듈(21)을 집적한 것이다. 도 14 및 도 15에서, 참조번호 23은 실링 부재를 나타낸다. 도 14 및 도 15에서, 단위 광 감지 소자(7)에 대하여는 도 6 및 도 7에서 자세히 설명하였으므로 여기서는 생략한다.
통상적으로, 평판형 광원을 패키징할 때 커버 글래스(cover glass)를 보호용으로 쓰는 경우가 많고, 원리적으로 반드시 커버 글래스를 써야 하는 경우도 있다. 그런데, 본 발명의 광원용 어레이 모듈(21)은 기판(1)을 커버 글래스로 사용할 수 있어 별도로 커버 글래스를 사용하지 않을 수도 있다.
도 16 및 도 17은 본 발명에 따라 격벽을 포함하는 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템을 도시한 단면도이다.
구체적으로, 도 16 및 도 17은 도 14 및 도 15의 광 게이팅 스위치 시스템(30)에 격벽(25)을 포함한 것이다. 도 16 및 도 17에서 보인 바와 같이, 격벽(25)은 단위 광원들 사이 및 홈 양측의 광원용 어레이 모듈(21) 상에 단위 광원들을 구분하는 격벽이 설치되어 있다. 즉, 격벽(25)은 각 단위 픽셀(단위 광원, 19)에서 발생한 광이 이웃하는 단위 광 감지 소자(7)에 영향을 미치지 않고 직진하는 광만을 이용하게 한다.
물론, 도 17과 같이 기판(1)에 홈(16)을 형성할 경우, 격벽을 형성하지 않더라도 각 단위 픽셀(단위 광원, 19)에서 발생한 광이 이웃하는 단위 광 감지 소자(7)에 영향을 미치지 않게 할 수 있다. 도 16 및 도 17에서, 단위 광 감지 소 자(7)에 대하여는 도 6 및 도 7에서 자세히 설명하였으므로 여기서는 생략한다.
도 18은 본 발명에 따라 하나의 단위 광원이 어레이 형태의 광 감지 소자를 동시에 온 오프 할 수 있는 광 게이팅 스위치 시스템을 모식적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 광 게이팅 스위치 시스템(30)은 홈(16)이 형성된 광 투과성 기판(1) 상에 어레이 형태로 형성된 복수개의 단위 광 감지 소자들(7)을 구비하는 광 감지 소자 어레이(20)를 포함한다. 도 18에서는 홈(16)이 형성된 광 투과성 기판(1)을 이용하였으나, 앞서 설명한 바와 같이 홈(16)이 형성되지 않아도 무방하다. 그리고, 단위 광 감지 소자들(7)이 형성된 광 투과성 기판(1)을 포함하는 광 감지 소자 어레이(20)의 하부에 광(11)을 발생시킬 수 있는 광원(15)이 위치한다. 이에 따라, 광원(15)에서 발생된 광(11)이 어레이 형태의 광 감지 소자들(7)을 동시에 온오프 할 수 있다.
도 18의 광 게이팅 스위치 시스템(30)은 광원(15)의 형태에는 제약을 받지 않아서 레이저, 형광등, 구형의 전구 등이 모두 사용 가능하다. 물론, 디스플레이 기술의 개발로 매우 휘도가 높으며 크기가 가늘고 작은 냉음극 형광 램프(CCFL, cold cathode fluorescent lamp) 형태의 형광등도 광원으로 이용할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 광 감지 소자로 이용된 금속 절연체 전이 소자를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4 및 도 5는 광을 조사하기 전후에 얻은 도 1 내지 도 3의 금속 절연체 전이 소자의 전압 전류 특성을 도시한 그래프들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 광 게이팅 스위치 시스템의 가장 간단한 개념을 도시한 단면도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 광 감지 소자의 기판의 뒷면에 형성된 홈의 모양의 일례들을 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템에 이용할 수 있는 광원용 어레이를 도시한 평면도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템을 도시한 단면도이다.
도 13은 도 11 및 도 12에 도시한 광 감지 소자 어레이의 평면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명에 의한 광 감지 소자 어레이와 광원용 어레이 모듈을 집적한 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템을 도시한 단면도이다.
도 16 및 도 17은 본 발명에 따라 격벽을 포함하는 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템을 도시한 단면도이다.
도 18은 본 발명에 따라 하나의 단위 광원이 어레이 형태의 광 감지 소자를 동시에 온 오프 할 수 있는 광 게이팅 스위치 시스템을 모식적으로 도시한 도면이 다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 기판, 3: 금속 절연체 전이층, 5: 전극, 7: 금속 절연체 전이 소자, 9: 전원, 10: 광 게이팅 스위치 시스템, 13: 광 감지 영역, 15: 광원, 16: 홈, 20: 광 감지 소자 어레이, 21: 광원용 어레이 모듈, 30: 어레이 형태의 광 게이팅 스위치 시스템

Claims (23)

  1. 기판 상에 형성된 광 감지층 및 상기 광 감지층의 양단부에 형성된 전극들로 구성된 광 감지 소자; 및
    상기 광 감지 소자가 형성된 기판의 하부에 위치하여 상기 광 감지 소자에 광을 조사할 수 있는 광원을 포함하여 이루어지고,
    상기 광 감지 소자는 광(전자파)을 가했을 때나 광과 전계를 동시에 가했을 때, 상기 전극들간에 전류가 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있는 금속 절연체 전이소자인 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 감지 소자는 광 감지층과 상기 광 감지층에는 상기 광원을 통해 상기 광이 조사되는 광 감지 영역을 포함하고, 상기 광 감지 영역에 해당하는 상기 기판 부분은 밑면으로부터 선택적으로 홈이 형성되어 상기 광 감지 영역에 해당하는 상기 기판의 두께가 그 이외의 영역의 상기 기판의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 기판 상에 어레이 형태로 복수개의 단위 광 감지 소자들이 형성된 광 감지 소자 어레이; 및
    상기 단위 광 감지 소자들이 형성된 기판을 포함하는 광 감지 소자 어레이의 하부에 위치하는 광원을 포함하고,
    상기 단위 광 감지 소자는 상기 기판 상에 형성된 광 감지층 및 상기 광 감지층의 양단부에 형성된 전극들로 구성되고, 상기 단위 광 감지 소자는 광(전자파)을 가했을 때나 광과 전계를 동시에 가했을 때 상기 전극들간에 전류가 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있는 금속 절연체 전이소자인 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 단위 광 감지 소자는 광 감지층과 상기 광 감지층에는 상기 단위 광원을 통해 상기 광이 조사되는 광 감지 영역을 포함하고, 상기 광 감지 영역에 해당하는 상기 기판 부분은 밑면으로부터 선택적으로 홈이 형성되어 두께가 얇은 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 홈에 대응되는 광 감지 영역의 상기 기판의 두께는 상기 단위 광 감지 소자들 사이의 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 광원은 상기 단위 광 감지 소자들에 대응하여 각각 광을 조사할 수 있는 단위 광원들이 형성된 광원용 어레이 모듈이고, 상기 단위 광원들 사이 및 상기 홈 양측의 상기 광원용 어레이 모듈 상에는 상기 단위 광원들을 구분하는 격벽이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서, 상기 광원은 상기 단위 광 감지 소자들에 대응하여 각각 광을 조사할 수 있는 단위 광원들이 형성된 광원용 어레이 모듈인 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 광원용 어레이 모듈 상에는 상기 단위 광원들을 구분하는 격벽이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 광원용 어레이 모듈은 전계 발광 디스플레이(ELD, Electroluminescne display), 발광 다이오드(LED, light emitting diode), 유기 발광 다이오드(OLED, organic light emitting diode), 레이저 다이오드(LD, laser diode), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP, plasma display panel), 백 라이트 유니트(backlight unit)를 포함하는 액정 디스플레이(LCD, liquid crystal display) 및 전계 방출 디스 플레이(FED, field emission display)중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 게이팅 스위치 시스템.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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  22. 삭제
  23. 삭제
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