KR101476994B1 - 광학 근조도 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 은을 도금한 후 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기 중에서 산화되는 것을 방지하여 제조 단가를 낮출 수 있는 광학 근조도 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 하우징 판재를 준비한 후 IR LED칩을 실장하기 위한 제1 캐비티 홀과, 광센서 일체형 ASIC칩을 실장하기 위한 제2 캐비티 홀을 형성하는 단계; 상기 하우징 판재의 제1 캐비티홀에 은을 코팅하여 은코팅층을 형성하고, 은코팅층 위에 유전체를 코팅하여 유전체층을 형성하는 단계; PCB 기판을 준비하여 동박을 형성하고 쓰루 홀을 가공하며, 외부와 접속을 위한 패드를 형성하여 PCB 기판의 제1 캐비티 홀 영역에 IR LED칩을 실장하고 PCB 기판의 제2 캐비티 홀 영역에 광센서 일체형 ASIC칩을 실장하는 단계; 및 상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판을 결합한 후 필요에 따라 상부 캡을 부착하는 단계로 구성되어 제1 캐비티에 은을 코팅한 후 그 위에 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기 중에서 산화되는 것을 방지하여 광효율을 높이면서도 제조단가를 낮출 수 있는 것이다.

Description

광학 근조도 센서 및 그 제조방법{OPTICAL PROXIMITY SENSOR WITH AMBIENT LIGHT SENSOR AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 조도센서와 근접센서 기능을 일체로 구현한 근조도 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 은을 도금한 후 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기 중에서 산화되는 것을 방지하여 제조 단가를 낮출 수 있는 광학 근조도 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 근접센서(Proximity Sensor)는 물리적인 접촉 없이 사물의 접근을 감지하는 센서로서, 감지원리에 따라 자기 근접센서와, 초음파 근접센서, 정전형 근접센서, 유도성 근접센서, 광학 근접센서 등으로 구분된다. 광학 근접센서(Optical Proximity Sensor)는 빛을 발생하는 발광소자와 빛을 감지하는 수광소자로 이루어지는데, 발광소자로는 주로 적외선 발광다이오드(IR LED)가 사용되고 수광소자로는 포토 트랜지스터나 포토 다이오드가 사용된다.
한편, 조도센서는 인간의 눈이 느끼는 밝기를 감지하기 위한 것으로, 가시광 영역을 감지하는 수광소자로 이루어진다. 따라서 광학 근접센서와 조도센서는 유사한 부분이 있으므로, 조도센서와 근접센서를 동시에 필요로 하는 소형 전자제품 예컨대, 스마트 폰 등에는 조도센서와 근접센서를 일체로 구현한 근조도 센서를 사용하는 추세이다.
근조도 센서는 통상 발광부와 수광부가 하나의 조립체로 구현되는데, 발광부는 적외선을 방사하고, 수광부는 사물에서 반사된 발광부의 적외선을 감지하여 근접을 검출하기 위한 적외선 수광부와 주변의 가시광선을 감지하여 조도를 검출하기 위한 가시광선 수광부로 이루어진다.
(특허문헌 1) KR10-2011-0134326 A
(특허문헌 2) KR10-2012-0087368 A
종래의 근조도 센서는 사물(피사체)이 접근하고 있음을 검출하기 시작하는 일정 거리를 확보하기 위하여 광원의 광효율을 높이는 방법으로 사출 성형된 렌즈를 사용하였으나 빛의 누설(leakage)을 방지하기 위하여 별도의 밀봉재와 같은 추가적인 조치가 필요하고, 단일층의 PCB 판재에 반사경을 형성하는 방법도 판재에 균일한 모양의 미관통홀을 형성하기 어려워 수율이 현저히 떨어져 현실성이 미흡한 문제점이 있으며, 고가의 세라믹 기판을 사용하여 비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한 종래에는 적외선을 반사하기 위한 반사경에 금 도금을 하였기 때문에 제조단가가 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 단일층의 판재(plate)에 관통 홀을 형성하고 은을 코팅한 후 그 위에 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기중에서 산화되는 것을 방지하여 제조단가를 낮출 수 있는 광학 근조도 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 센서는, IR LED칩을 실장하기 위한 제1 캐비티의 측벽을 구성하며 개구부의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 큰 꼭지가 잘린 역원뿔형 홀과 제2 캐비티의 측벽을 구성하며 개구부의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 작은 꼭지가 잘린 원뿔형 홀이 형성되어 있고, 제1 캐비티의 측벽이 반사가 잘 되도록 표면의 조도를 갖추어 경면이 되도록 형성되고 은코팅층과 유전체층이 형성된 반사경이 일체화된 하우징 판재; 상기 하우징 판재와 접합되어 제1 캐비티와 제2 캐비티를 형성하며, 제1 캐비티의 바닥면과 제2 캐비티의 바닥면에 수용되는 소자를 각각 마운트하고 전기적 접속을 위해 결선할 수 있도록 회로 패턴이 형성된 PCB 기판; 상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판에 의해 형성된 제1 캐비티의 바닥면의 PCB 기판에 마운트되어 있고, 전원이 공급되면 적외선을 방출하는 IR LED칩; 및 상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판에 의해 형성된 제2 캐비티의 바닥면의 PCB 기판에 실장되어 전원이 공급되면 상기 IR LED칩을 구동함과 아울러 물체에서 반사된 적외선을 수광하여 근접을 감지하며 주변의 가시광선의 조도를 감지하는 광센서(photo sensor) 일체형 ASIC칩을 포함하여
제1 캐비티에 은을 코팅한 후 그 위에 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기 중에서 산화되는 것을 방지하여 광효율을 높이면서도 제조단가를 낮출 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 유전체층은 SiO2, TiO2, Al2O3 중 어느 하나로 이루어진 단일 층 또는 SiO2, TiO2, Al2O3 중 서로 다른 두 개의 재료를 교번으로 코팅하여 다중 층으로 이루어진 것이고, 상기 유전체층은 유전체 박막의 두께를 조절함으로써 원하는 파장영역대의 반사광의 반사율을 향상시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 하우징 판재를 준비한 후 IR LED칩을 실장하기 위한 제1 캐비티 홀과, 광센서 일체형 ASIC칩을 실장하기 위한 제2 캐비티 홀을 형성하는 단계; 상기 하우징 판재의 제1 캐비티홀에 은을 코팅하여 은코팅층을 형성하고, 은코팅층 위에 유전체를 코팅하여 유전체층을 형성하는 단계; PCB 기판을 준비하여 동박 도금 후 금을 도금하고 쓰루 홀을 가공하며, 외부와 접속을 위한 패드를 형성하여 PCB 기판의 제1 캐비티 홀 영역에 IR LED칩을 실장하고 PCB 기판의 제2 캐비티 홀 영역에 광센서 일체형 ASIC칩을 실장하는 단계; 및 상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판을 결합한 후 필요에 따라 상부 캡을 부착하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 근조도 센서는, 판재에 관통 홀을 형성하여 반사경을 용이하게 형성할 수 있고, 이에 따라 광원의 광효율성을 높이며, 상기 판재가 수용되는 소자를 보호하기 위한 하우징 역할도 겸하게 되어 구조가 간단하게 되므로 공정이 개선되고 제조비용을 절감할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 근조도 센서는 적외선 LED를 수용하기 위한 캐비티에 은을 코팅한 후 그 위에 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기 중에서 산화되는 것을 방지하고 광효율을 높이면서도 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 근조도 센서의 제조 절차를 도시한 순서도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도,
도 3은 도 2에 도시된 하우징 판재의 사시도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도,
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도,
도 7은 본 발명에 따른 광학 근조도 센서의 구성 블럭도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 근조도 센서의 제조 절차를 도시한 개략도이다.
본 발명에 따른 근조도 센서의 제조절차는 도 1에 도시된 바와 같이, 사각 판재에 반사경 및 실장공간을 위한 홀을 형성하고 은을 코팅한 후 그 위에 유전전체를 코팅하는 제1 서브 어셈블리 과정(S1~S4)과, 사각 PCB 기판을 준비한 후 동박층을 형성시키고 금 도금 및 쓰루 홀을 가공하고 외부와 접속을 위한 패드를 형성하여 PCB 기판의 바닥면 일부에 LED칩을 실장하고 PCB 기판의 바닥면 다른 일부에 ASIC칩을 실장하여 와이어 본딩하는 제2 서브 어셈블리 과정(S5~S10)과, 사각 판재와 PCB기판을 결합하여 조립체를 구성한 후 필요에 따라 상부 캡(커버)을 부착하는 메인 어셈블리 과정(S11,S12)으로 구성된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예의 제1 서브 어셈블리 과정에서는 사각 판재에 소정 형상의 관통 홀을 형성하여 IR LED칩과 ASIC칩을 실장하기 위한 캐비티의 측벽을 형성한다(S1,S2). 예컨대, 캐비티를 위한 관통홀의 형상은 꼭지가 잘린 원뿔형이나 꼭지가 잘린 역원뿔형, 원기둥형, 꼭지가 잘린 타원뿔형, 꼭지가 잘린 역타원뿔형, 꼭지가 잘린 사각뿔형, 꼭지가 잘린 역사각뿔형, 타원기둥형, 사각기둥형, 또는 상기 형태의 이중 결합형(한 예로 사각기둥형 위에 원기둥형이 가능하다) 등 다양한 형상이 가능하다. 이와 같이 캐비티가 형성된 사각 판재는 소자를 수용하는 하우징으로서의 역할도 겸하게 된다. 이하의 설명에서는 사각 판재를 '하우징 판재'라 한다. 하우징 판재는 금속 또는 플라스틱 재료로 가공 또는 사출 성형법으로 형성하고, 판재에서 적외선 LED를 수용하기 위한 캐비티에 은을 코팅한 후 그 위에 유전체를 코팅하여, 반사경 일체형 하우징 구조로 구현한다(S3,S4). 이때 유전체 박막의 광학적 두께를 조절하여 다중 층으로 구현하면 원하는 파장 영역대의 반사광의 반사율을 더 높여 은에서 반사되는 빛을 손실없이 증강시킬 수 있고, 유전체로는 SiO2,TiO2, Al2O3 등이 사용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 실시예의 제2 서브 어셈블리 과정에서는 사각형의 FR-4 PCB 기판을 준비한 후 실장공간의 바닥면을 형성할 동박을 형성하고 쓰루 홀을 가공한 후 패드를 형성한다(S5~S8). 그리고 제1 캐비티 위치에 IR LED칩을 실장하고, 제2 캐비티 위치에 수광소자(광센서)를 포함하는 ASIC칩을 실장한 후 와이어 본딩한다(S9,S10).
그리고 하우징 판재와 PCB 기판을 접합하여 IR LED칩이 실장된 제1 캐비티와 ASIC칩이 실장된 제2 캐비티를 갖춘 조립체를 완성한다(S11). 또한 필요에 따라 하우징 판재의 상부에 캡을 부착한다(S12). 상부 캡은 플라스틱(Plastic)이나 실리콘, 러버(Rubber), 폼(Foam), 스폰지, 수지, 금속 재질로 구현될 수 있으며, 러버와 실리콘, 폼, 스폰지의 경우 기구 밀착성이 향상되는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 하우징 판재에 가공 기술 또는 사출 성형을 이용하여 용이하게 홀을 형성하여 제조원가를 줄일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 근조도 센서는 수용되는 소자를 보호하기 위한 하우징용 판재에 일체화시킨 반사경 구조 자체로 광효율을 높힐 수 있어 이 반사경을 통해 방사광의 집광도가 높아지고 결과적으로 피사체에서 반사되어 광센서에 도달되는 빛의 양도 많아지므로, 보다 먼 거리에 있는 피사체에서 반사된 빛을 검출할 수 있다. 그리고 광센서 일체형 ASIC 칩에서 필요한 임계 광량을 빠르게 축적하여 인티그레이션 시간을 줄임으로써 근접 감지 반응 속도나 출력 신호 처리 속도를 빠르게 할 수 있으며, 반사면에 은을 도금한 후 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기중에서 산화되는 것을 방지하여 광효율을 보다 높일 수 있다. 특히. 유전체 박막의 광학적 두께를 조절하여 다중층으로 구현하면 원하는 파장 영역대의 반사광의 반사율을 더 높여 은에서 반사되는 빛을 손실없이 증강시킬수 있고, 이때 유전체로는 SiO2,TiO2, Al2O3 등이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 사용되는 하우징 판재(110)의 사시도이다.
본 발명에 따른 광학 근조도 센서(100)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, IR LED칩(140)을 실장하기 위한 제1 캐비티(112)의 측벽(114a)을 구성하는 꼭지가 잘린 역원뿔형 홀(이하의 설명에서는 간단히 '역원뿔형'이라 한다)과 제2 캐비티(118)의 측벽(114b)을 구성하는 꼭지가 잘린 원뿔형 홀(이하의 설명에서는 간단히 '원뿔형 홀'이라 한다)이 형성되어 있고, 특히 제1 캐비티(112)를 구성하는 측벽(114a)이 반사가 잘 되도록 표면의 조도를 갖추어 경면이 되도록 형성되고 은을 코팅한 후 그 위에 유전체가 코팅된 반사경 일체형 하우징 판재(110)와, 하우징 판재(110)와 접합되어 제1 캐비티(112)와 제2 캐비티(118)를 형성하며, 제1 캐비티(112) 및 제2 캐비티(118)의 바닥면에 IR LED칩(140)과 광센서 일체형 ASIC칩(150)을 각각 마운트하고 전기적 접속을 위해 결선할 수 있도록 회로 패턴이 형성된 PCB 기판(120)과, 하우징 판재(110)와 PCB 기판(120)에 의해 형성된 제1 캐비티(112)의 바닥면의 PCB 기판에 마운트되어 있고, 전원이 공급되면 적외선을 방출하는 IR LED칩(140)과, 하우징 판재(110)에 개구부의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 작은 원뿔 형태로 형성시킨 홀을 형성시키고 PCB 기판(120)과 접합되어 제2 캐비티(118)를 형성하며, 제2 캐비티 바닥면의 PCB 기판에 실장되어 전원이 공급되면 IR LED(140)를 구동함과 아울러 물체에서 반사된 적외선을 수광하여 근접을 감지하며 주변의 가시광선의 조도를 감지하는 광센서(photo sensor) 일체형 ASIC칩(150)과, 제 1 캐비티(112)에서 IR LED(140)의 빛을 방사하기 위해 하우징 판재에 형성된 역원뿔형 홀의 끝단에 형성된 개구부(112a)와, 제2 캐비티에 ASIC칩의 수광부측으로 광을 인입시키기 위해 하우징 판재에 형성된 원뿔형 홀의 끝단에 형성된 개구부(118a)로 구성된다. 여기서, 제1 캐비티의 측벽(114a)에는 적외선 반사 특성이 양호한 은이 코팅된 은코팅층(10)과, 은코팅층 위에 은의 산화를 방지하기 위한 유전체가 코팅되 유전체층(20)이 형성되어 있고, IR LED칩(140)과 ASIC(150)은 접착제(162)를 통해 PCB기판(120)에 접착되어 있다.
도 2와 도 3을 참조하면, 제 1 실시예의 하우징 판재(110)에는 개구부(112a)의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 큰 역원뿔 형태로 형성시킨 제1 캐비티 홀(112)과, 개구부(118a)의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 작은 원뿔 형태로 형성시킨 제2 캐비티 홀(118)이 형성되어 있으며, 특히 제1 캐비티(112)를 구성하는 측벽(114a)은 반사가 잘 되도록 표면의 조도를 갖추어 경면이 되도록 형성되어 있고, 은 코팅층(10) 위에 유전체층(20)이 코팅되어 있다. 하우징 판재(110)의 일부에만 은 코팅을 수행할 경우에는 제1 캐비티(112)의 측벽에 국부적으로 시행하고, 필요할 경우 제2 캐비티(118)의 측벽에도 국부적으로 시행할 수 있다.
또한 제 1 실시예의 하우징 판재(110)는 제1 캐비티(112)에는 역원뿔형의 반사경을 형성하여 IR LED(140)로부터 방출되는 빛을 효율적으로 개구부(112a)측으로 방사시킬 수 있고, 하우징 판재(110)가 금속일 경우 제2 캐비티(118)에 형성된 금속체 홀과 하우징 판재에 접합되는 PCB 기판(120) 위에 형성된 금속층으로 구성되어 제2 캐비티가 금속체로 이루어지므로 제 2 캐비티(118)에 수용되는 소자를 전자파 노이즈로부터 대폭 차폐시킬 수 있도록 된 것이다. 하우징 판재(110)를 플라스틱 재료로 구성하는 경우 필요에 따라 즉, 전자파 노이즈로부터의 영향이 발생할 경우 하우징 판재(110)를 금속으로 코팅하여 전자파 노이즈를 차폐한다. 그리고 제 1 캐비티(112)에서 IR LED(140)의 빛을 방사하기 위해 하우징 판재(110)에 형성된 역원뿔형 홀의 끝단에 개구부(112a)가 형성되어 있고, 제2 캐비티(118)에도 ASIC칩(150)의 수광부측으로 광을 인입시키기 위해 하우징 판재(110)에 형성된 원뿔형 홀의 끝단에 개구부(118a)가 형성되어 있다.
이와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 근조도 센서(100)는 수용되는 소자를 보호하는 하우징 판재(110)에 개구부(112a)의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 큰 역원뿔 형태로 홀을 형성시키면서 사선 형태의 측벽(114a)이 경면이 되도록 형성하고 은 코팅층(10)과 유전체층(20)을 코팅한다. 그리고 PCB 기판(120)의 상면에 동박층(122a)을 형성한 후 은 코팅층(10)과 유전체층(20)을 코팅함과 아울러 IR LED(140)를 마운트한 후 하우징 판재(110)와 결합하여 반사경 형태를 갖춘 일종의 스템(stem) 구조로 제 1 캐비티(122)를 구성한다. 이렇게 구성한 제1 캐비티(112)의 IR LED(140)에서 발광된 빛은 역원뿔 형태의 반사경에서 반사되므로 발광된 빛을 효율적으로 하우징 판재 상부의 개구부(Apature;112a)로 통과시킬 수 있는 장점이 있다. 본 발명은 캐비티가 형성된 판재(110)를 하우징 겸용으로 사용하는데, 제1 캐비티(112)에서 반사경을 구성할 수 있는 높이는 판재의 두께(높이)까지임을 감안할 때, 판재(110)는 단일층으로 하우징을 겸할 수 있도록 충분한 두께를 사용하므로 반사경의 측벽의 높이를 확보하는 데 여유가 있어 IR LED(140)에서 방출된 빛의 집광성을 높이는 주요 인자인 반사 경로를 길게 할 수 있고, 반사량을 충분히 크게 할 수 있다.
또한 구성이 복잡하고 제한된 공간을 가지고 있는 종래의 발명에서 살펴 볼 수 있듯이 충분한 반사 경로를 가지지 못할 경우 방사된 빛이 개구부의 측면으로 방사되어 원하는 영역 내에서의 빛의 분포도가 줄어들게 된다. 따라서 종래에는 이를 방지하기 위하여 추가의 제조 공정을 거쳐 렌즈를 추가하여 빛을 모으려 하거나 또는 렌즈 자체만으로 빛을 모으려는 시도가 있으나, 본 발명은 반사경 일체형 하우징 판재가 단일층으로 구조가 간단하여 공간 활용성이 높아지고, 이 단일층의 높이를 충분히 활용할 수 있게 되므로 손쉽게 충분한 반사경로를 확보하여 광효율을 높일 수 있다. 이렇게 구성된 반사경은 IR LED에서 임의의 방향으로 방출된 빛이 일정한 각도의 경사면을 가진 긴 반사 경로를 통과하면서 개구부 면의 수선 방향으로의 방사율이 높아지므로 렌즈가 없이도 집광성이 높아져 필요한 각도 내에 방사된 광량의 증대가 용이하고, 측벽의 반사면의 각도 조절로 방사된 빛의 광분포 조절 및 광량의 조절도 용이하다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 근조도 센서(100)는 수용되는 소자를 보호하기 위한 하우징 겸용 판재에 일체화시킨 반사경 구조 자체로 광효율을 높힐 수 있어 이 반사경을 통해 방사광의 집광도가 높아지고, 결과적으로 피사체에서 반사되어 광센서에 도달되는 빛의 양도 많아지므로, 고정된 검출력을 가진 광센서와 고정된 자체 방사 광량을 가진 IR LED를 사용한다면, 보다 먼 거리에 있는 피사체에서 반사된 빛을 검출할 수 있고, 광센서 일체형 ASIC 칩(150)에서 필요한 임계 광량을 빠르게 축적하여 인티그레이션 시간을 줄임으로써 근접 감지 반응 속도나 출력 신호 처리 속도를 빠르게 할 수 있으며, 또한 반사면에 적외선 반사 특성이 양호한 은코팅층(10)과 은의 산화를 방지하기 위한 유전체층(20)을 형성하여 광효율을 보다 높일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 높은 광효율 구조에서는 피사체의 검출 거리를 보다 멀게 할 수 있으므로, 역으로 응용에 따라서는 사용에 필요한 일정 수준까지 검출 거리를 낮출 수도 있는데, 그 방법으로 IR LED(140)의 방사 광량을 결정하는 주요 인자 중의 하나인 LED 칩의 면적을 줄일 수 있게 되어 원가를 절감할 수 있는 효과도 발생한다.
한편, 종래와 같이 사출 성형하여 렌즈를 사용하는 경우에는 IR LED(140)의 측면에도 수지로 몰딩하여야 하기 때문에 측면으로 방사되는 빛의 집광성이 확보되지 못하여 방사되는 빛의 광효율이 충분하지 못한 것에 반하여, 본 발명의 경우 IR LED(140)의 측면으로 방사되는 빛도 IR LED의 측면까지 구성된 반사면에 의하여 개구부(112a)로 방사시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 제 1 캐비티(C1)에서 방출된 빛이 물체에 반사되어 인입되는 빛을 감지하기 위한 수광부는 하우징 판재(110)에 개구부(118a)의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 작은 원뿔 형태로 홀의 측벽(114b)을 형성시키고, PCB 기판(120)의 상면에 동박층(122b)을 형성한 후 그 위에 광센서를 갖는 ASIC칩(150)을 마운트한 다음 하우징 판재(110)와 결합하여 제 2 캐비티(118)를 구성한 것이다. 이렇게 구성한 제2 캐비티(118)는 ASIC칩(150)이 측벽부와 하부의 금속으로 차폐되어 주변의 강한 전자파 노이즈 환경에서도 EMI 차폐 특성이 향상되는 장점이 있다. 본 발명에서 하우징 판재(110)에는 금속 또는 플라스틱의 판재를 사용하고 판재의 전부 또는 일부에 금속 코팅을 시행할 수 있는데, 특히 플라스틱의 판재(110)에 일부에만 금속 코팅을 시행하는 경우 전자파 노이즈의 영향이 발생하는 환경에서는 제 2 캐비티(118)의 측벽에도 금속 코팅을 시행하여 전자파 노이즈에 대비할 수 있다.
아울러 제 1 캐비티(112)와 제 2 캐비티(118)가 금속 또는 금속이 코팅된 불투명의 플라스틱 계열의 재질로 구성되므로, IR LED(140)에서 발광된 빛이 ASIC칩(150)의 포토센서로 누설되어(leakage) 크로스 토크(Cross talk)되는 것도 방지할 수 있다.
본 발명에서 반사경 일체형 하우징 판재(110)의 재료는 통상의 금속 또는 사출 성형된 불투명의 플라스틱 재료를 사용하며, 하우징 판재(110)에 코팅되는 금속으로는 은과 은의 산화를 방지하기 위한 유전체를 이용하여 적외선을 효과적으로 반사시킬 수 있고, PCB 기판(120)은 PCB에 사용되는 재질을 사용하며 예컨대, FR-4를 들 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 근조도 센서(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, IR LED칩(240)을 실장하기 위한 제1 캐비티(212)의 측벽을 구성하는 역원뿔형 홀과 제2 캐비티(218)의 측벽을 구성하는 사각기둥형 홀이 형성된 하우징 판재(210)와, 하우징 판재(210)와 접합되어 제1 캐비티(212)와 제2 캐비티(218)를 형성하며, 제1 캐비티(212) 및 제2 캐비티(218)의 바닥면에 IR LED칩(240)과 광센서 일체형 ASIC칩(250)을 각각 마운트하고 전기적 접속을 위해 결선할 수 있도록 회로 패턴이 형성된 사각 PCB 기판(220)과, 하우징 판재(210)와 PCB 기판(220)에 의해 형성된 제1 캐비티(212)의 바닥면의 PCB 기판에 마운트되어 있고, 전원이 공급되면 적외선을 방출하는 IR LED칩(240)과, 하우징 판재(210)와 PCB 기판(220)에 의해 형성된 제2 캐비티(212)의 바닥면의 PCB 기판에 실장되어 전원이 공급되면 IR LED칩(240)을 구동함과 아울러 물체에서 반사된 적외선을 수광하여 근접을 감지하며 주변의 가시광선의 조도를 감지하는 광센서 일체형 ASIC칩(250)으로 구성된다. PCB 기판(220)에는 신호접속을 위한 쓰루홀(224a,224b)과 접속패드(226-1~226-5)가 형성되어 있다.
즉, 제2 실시예의 광학 근조도센서(200)는 하우징 판재(210)에 IR LED칩(240)을 수용하기 위한 제1 캐비티(212)의 역원뿔형 측벽(214a)과 ASIC칩(250)을 수용하기 위한 제2 캐비티(218)의 직벽형 측벽(214b)용 홀이 형성되고, PCB 기판(220)에는 제1 캐비티(212)의 바닥면(222a)의 PCB 기판(220) 위에 IR LED(240)를 실장하고 제2 캐비티(218)의 바닥면(222b)의 PCB 기판(220) 위에는 ASIC칩(250)을 실장한 것이다. 그리고 제 1 캐비티(212)에서 IR LED칩(240)의 빛을 방사하기 위해 하우징 판재(210)에 형성된 역원뿔형 홀의 끝단과 제2 캐비티(218)에서 ASIC칩(250)의 수광부측으로 광을 인입시키기 위해 하우징 판재(210)에 형성된 사각기둥형 홀의 끝단에 각각 개구부(212a,218a)가 형성되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 근조도 센서(200)는 수용되는 소자를 보호하기 위한 하우징 판재(210)에 개구부(212a)의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 큰 역원뿔 형태로 구멍을 형성시키면서 사선 형태의 측벽(214a)이 경면이 되도록 형성하고 측벽에 적외선 반사특성이 양호한 은을 코팅하여 은코팅층(10)을 형성하고 그 위에 은의 산화를 방지하기 위한 유전체층(20)을 코팅한다.
그리고 PCB 기판(220)의 상면에 동박층(222a)을 형성한 후 은 도금을 시행하고 그 위에 유전체층을 코팅한 후 IR LED(240)를 마운트하고, 하우징 판재(210)와 결합하여 반사경 형태를 갖춘 일종의 스템(stem) 구조로 제 1 캐비티(212)를 구성한 것이다. 이렇게 구성한 제1 캐비티의 IR LED(240)에서 발광된 빛은 역원뿔 형태의 반사경에서 반사되므로 발광된 빛을 효율적으로 하우징 판재 상부의 개구부(Apature;212a)로 통과시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 제 1 캐비티(212)에서 방출된 빛이 물체에 반사되어 인입되는 빛을 감지하기 위한 수광부는 하우징 판재(210)에 직벽으로 홀을 형성하여 프로세서를 포함하는 ASIC(250)을 실장하기 위한 제2 캐비티(218)의 측벽(214b)을 형성하고, PCB 기판(220)의 상면의 중앙부에 동박층(222b)을 형성한 후 그 위에 ASIC칩(250)을 마운트하고 하우징 판재(210)와 결합하여 제 2 캐비티(218)를 구성한다. 이렇게 구성한 제 2 캐비티(218)는 ASIC칩(250)이 측벽부와 하부의 금속으로 차폐되어 주변의 강한 전자파 노이즈 환경에서도 EMI 차폐 특성이 향상되는 이점이 있다. 본 발명에서 하우징 판재(210)에는 금속재 또는 플라스틱 계열의 판재를 사용하고 판재의 전부 또는 일부에 금속을 코팅할 수 있는데, 특히 플라스틱 판재(210)의 일부에만 금속을 코팅하는 경우 전자파 노이즈의 영향이 발생하는 환경에서는 제 2 캐비티(218)의 측벽에도 금속을 코팅하여 전자파 노이즈에 대비할 수도 있다.
아울러 제 1 캐비티(212)와 제 2 캐비티(218)가 금속 또는 금속이 코팅된 불투명의 플라스틱 계열의 재질로 구성되므로, IR LED(240)에서 발광된 빛이 ASIC칩(250)의 포토센서로 누설되어(leakage) 크로스 토크(Cross talk)되는 것도 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 근조도 센서(300)는 IR LED칩(340)을 실장하기 위한 제1 캐비티(312)의 측벽을 구성하는 역원뿔형 홀이 형성되어 있고, 역원뿔형 홀의 측벽(314a)이 반사가 잘 되도록 표면의 조도를 갖추어 경면이 되도록 형성시키고 은코팅층(10)과 유전체층(20)이 형성된 반사경 일체형 하우징 판재(310)와, 하우징 판재(310)와 접합되어 제1 캐비티(312)를 형성하며, 제1 캐비티의 바닥면(322a)에 IR LED칩(340)을 마운트하고 전기적 접속을 위해 결선할 수 있도록 회로 패턴이 형성된 사각 PCB 기판(320)과, 하우징 판재(310)와 PCB 기판(320)에 의해 형성된 제1 캐비티(312)의 바닥면의 PCB 기판(320)에 마운트되어 있고, 전원이 공급되면 적외선을 방출하는 IR LED(240)와, 하우징 판재(210)에 끝단의 직경이 하부의 직경보다 작은 원뿔 형태로 홀(314b)을 형성시키고 PCB 기판(320)과 접합되어 제2 캐비티(318)를 형성하며, 제2 캐비티(318) 바닥면의 PCB 기판(310)에 실장되어 전원이 공급되면 IR LED(340)를 구동함과 아울러 물체에서 반사된 적외선을 수광하여 근접을 감지하며 주변의 가시광선의 조도를 감지하는 광센서(photo sensor) 일체형 ASIC칩(350)과, 하우징 판재(310)와 결합되어 IR LED(340)가 실장되는 제1 캐비티(312) 위에 IR LED(340)의 빛을 방사하기 위한 개구부(332)가 형성되어 있으며, 제2 캐비티(318) 위에 ASIC칩(350)의 수광부측으로 광을 인입시키기 위한 개구부(332)가 형성된 상부 캡(330)으로 구성된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 근조도 센서(300)는 제 1 실시예에서 기술한 발명의 구성에 수용되는 소자를 보호하면서 반사경이 일체화된 하우징 판재(310)와 결합되어 IR LED(340)가 실장되는 제1 캐비티(312) 위에 IR LED(340)의 빛을 방사하기 위한 개구부(332)가 형성되어 있으며, 제2 캐비티(318) 위에 ASIC칩(350)의 수광부측으로 광을 인입시키기 위한 개구부(332)가 형성된 상부 캡(330)을 추가로 구성한다.
한편, 상기 제1 실시예는 별도의 구성품을 추가하지 않아도 스마트 폰 등에 적용하여 본 발명의 효과를 구현할 수 있으나, 제1 실시예의 제품이 적용되는 휴대폰 등에서 광의 방출과 인입의 광학적 형합과 기구적 형합을 별도로 맞추어야 하는 경우가 발생하는데, 상기와 같이 추가의 상부 캡(330)을 구성할 경우 본 발명에서는 타 부품의 변경없이 상부 캡(330)의 개구부 간의 거리나 구경을 자유로이 조절하여 적용 대상과 광학적 기구적 형합을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.
상부 캡(330)은 플라스틱(Plastic)이나 러버(Rubber), 실리콘(Silicone), 폼(Foam), 스폰지, 수지, 금속 재질로 구현될 수 있으며, 실리콘이나 러버와 폼, 스폰지의 경우 기구 밀착성이 향상되는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광학 근조도 센서의 측단면도이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 광학 근조도 센서(400)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에서 기술한 발명의 구성에 수용되는 소자를 보호하면서 반사경이 일체화된 하우징 판재(410)와 결합되어 IR LED(440)가 실장되는 제1 캐비티(412) 위에 IR LED(440)의 빛을 방사하기 위한 개구부(432)가 형성되어 있으며, 제2 캐비티(418) 위에 ASIC칩(450)의 수광부측으로 광을 인입시키기 위한 개구부(432)가 형성된 사각형의 상부 캡(430)을 추가로 구성한 것이다. 한편, 상기 제2 실시예는 별도의 구성품을 추가하지 않아도 스마트 폰 등에 적용하여 본 발명의 효과를 구현할 수 있으나, 제2 실시예의 제품이 적용되는 휴대폰 등에서 광의 방출과 인입의 광학적 형합과 기구적 형합을 별도로 맞추어야 하는 경우가 발생하는데, 상기와 같이 추가의 상부 캡(430)을 구성할 경우 본 발명에서는 타 부품의 변경없이 상부 캡(430)의 개구부 간의 거리나 구경을 자유로이 조절하여 적용 대상과 광학적 기구적 형합을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.
상부 캡(430)은 플라스틱(Plastic)이나 러버(Rubber), 실리콘(Silicone), 폼(Foam), 스폰지, 수지, 금속 재질로 구현될 수 있으며, 실리콘이나 러버와 폼, 스폰지의 경우 기구 밀착성이 향상되는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, ASIC칩(150~450)과 IR LED(140~440)는 미도시된 PCB의 동박 패턴이나 와이어링 본딩을 통해 연결되어 있고, 홀 또는 비아홀(124~424)을 통해 PCB 기판(120~420)의 저면에 형성된 접속단자(126-1~126-5; 226-1~226-5; 326-1~326-5; 426-1~426-5)와 연결되어 전기적인 회로를 구성하고 있다. 자체가 금속이거나 금속이 코팅된 하우징 판재도 필요에 따라 홀 또는 비아홀을 통해 PCB 기판의 저면에 형성된 접속단자와 연결되어 접지할 수 있다. PCB 기판(120~420)은 FR-4 기판에 동박층이 형성된 구조로 되어 있다. 아울러 ASIC칩과 LED 및 와이어의 보호를 위하여 통상적인 방법 중의 하나로 수지나 에폭시, 실리콘 등으로 encapsulation한다.
도 7은 본 발명에 따른 광학 근조도 센서의 구성 블럭도이다.
본 발명에 따른 근조도 센서는 도 7에 도시된 바와 같이, 적외선을 방사하는 적외선 발광다이오드(IR LED;140)와, 사물에서 반사된 적외선을 수광하기 위한 적외선 감지부(151)와, 적외선 감지부(151)의 아날로그 감지신호를 디지털로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(152)와, 주변의 가시광선의 조도를 감지하기 위한 조도감지부(153)와, 조도감지부의 아날로그 감지신호를 디지털로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(154)와, 디지털로 변환된 감지신호를 처리하여 근접과 조도를 산출하기 위한 디지털 신호 처리부(155)와, 디지털 신호 처리부의 감지 데이터를 소정의 통신방식으로 외부와 소통하고 IR LED 구동부(157)를 제어하기 위한 인터페이스 및 제어부(156)와, 적외선 발광 다이오드(140)를 구동하기 위한 IR LED 구동부(157)로 구성된다. 여기서, IR 감지부(151)와, ADC(152,154), 조도감지부(153), DSP(155), 인터페이스 및 제어부(156), IR LED 구동부(157)는 ASIC칩(150)으로 구현되는 것이 바람직하고, 인터페이스 및 제어부(156)는 I2C 인터페이스 방식으로 외부의 컨트롤러(42)와 통신한다.
도 7을 참조하면, IR 감지부(151)는 근접을 감지하기 위한 적외선 포토 다이오드이고, 조도감지부(153)는 주변의 가시광선의 조도를 감지하기 위한 포토 다이오드이며, 인터페이스 및 제어부(156)와 컨트롤러(42)는 인터럽트선(INTB), SCL선, SDA선을 통해 데이터를 교환한다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10: 은코팅층 20: 유전체층
110,210,310,410: 하우징 판재 112,212,312,412: 제1 캐비티
118,218,318,418: 제2 캐비티 120,220,320,420: PCB 기판
330,430: 상부 캡 140,240,340,440: IR LED칩
150,250,350,450: ASIC칩

Claims (6)

  1. IR LED칩을 실장하기 위한 제1 캐비티의 측벽을 구성하며 개구부의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 큰 꼭지가 잘린 역원뿔형 홀과 제2 캐비티의 측벽을 구성하며 개구부의 역할을 하는 끝단의 직경이 하부의 직경보다 작은 꼭지가 잘린 원뿔형 홀이 형성되어 있고, 제1 캐비티의 측벽이 반사가 잘 되도록 표면의 조도를 갖추어 경면이 되도록 형성되고 은코팅층과 유전체층이 형성된 반사경이 일체화된 하우징 판재;
    상기 하우징 판재와 접합되어 제1 캐비티와 제2 캐비티를 형성하며, 제1 캐비티의 바닥면과 제2 캐비티의 바닥면에 수용되는 소자를 각각 마운트하고 전기적 접속을 위해 결선할 수 있도록 회로 패턴이 형성된 PCB 기판;
    상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판에 의해 형성된 제1 캐비티의 바닥면의 PCB 기판에 마운트되어 있고, 전원이 공급되면 적외선을 방출하는 IR LED칩; 및
    상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판에 의해 형성된 제2 캐비티의 바닥면의 PCB 기판에 실장되어 전원이 공급되면 상기 IR LED칩을 구동함과 아울러 물체에서 반사된 적외선을 수광하여 근접을 감지하며 주변의 가시광선의 조도를 감지하는 광센서(photo sensor) 일체형 ASIC칩을 포함하여
    제1 캐비티에 은을 코팅한 후 그 위에 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기 중에서 산화되는 것을 방지하여 광효율을 높이면서도 제조단가를 낮출 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 광학 근조도 센서.
  2. IR LED칩을 실장하기 위한 제1 캐비티의 측벽을 구성하는 꼭지가 잘린 역원뿔형 홀과 제2 캐비티의 측벽을 구성하는 사각기둥형 홀이 형성되어 있고, 상기 꼭지가 잘린 역원뿔형 홀의 끝단과 상기 사각기둥형 홀의 끝단에 개구부가 형성되어 있으며, 상기 제1 캐비티의 측벽이 반사가 잘 되도록 표면의 조도를 갖추어 경면이 되도록 형성되고 은코팅층과 유전체층이 형성된 반사경이 일체화된 하우징 판재;
    상기 하우징 판재와 접합되어 제1 캐비티와 제2 캐비티를 형성하며, 제1 캐비티의 바닥면과 제2 캐비티의 바닥면에 수용되는 소자를 각각 마운트하고 전기적 접속을 위해 결선할 수 있도록 회로 패턴이 형성된 PCB 기판;
    상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판에 의해 형성된 제1 캐비티의 바닥면의 PCB 기판에 마운트되어 있고, 전원이 공급되면 적외선을 방출하는 IR LED칩; 및
    상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판에 의해 형성된 제2 캐비티의 바닥면의 PCB 기판에 실장되어 전원이 공급되면 상기 IR LED칩을 구동함과 아울러 물체에서 반사된 적외선을 수광하여 근접을 감지하며 주변의 가시광선의 조도를 감지하는 광센서 일체형 ASIC칩을 포함하여
    제1 캐비티에 은을 코팅한 후 그 위에 유전체를 코팅하여 적외선의 반사특성이 양호한 은을 사용하면서도 공기 중에서 산화되는 것을 방지하여 광효율을 높이면서도 제조단가를 낮출 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 광학 근조도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유전체층은
    SiO2, TiO2, Al2O3 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 근조도 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유전체층은
    SiO2, TiO2, Al2O3 중 서로 다른 두개의 재료를 교번으로 코팅하여 다중층으로 형성시키면서 유전체 박막의 두께를 조절함으로써 원하는 파장영역대의 반사광의 반사율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 근조도 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하우징 판재에 형성되는 제1 캐비티 또는 제2 캐비티의 형태는
    꼭지가 잘린 원뿔형이나 꼭지가 잘린 역원뿔형, 원기둥형, 꼭지가 잘린 타원뿔형, 꼭지가 잘린 역타원뿔형, 꼭지가 잘린 사각뿔형, 꼭지가 잘린 역사각뿔형, 타원기둥형, 사각기둥형, 또는 상기 형태의 이중 결합형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광학 근조도 센서.
  6. 하우징 판재를 준비한 후 IR LED칩을 실장하기 위한 제1 캐비티 홀과, 광센서 일체형 ASIC칩을 실장하기 위한 제2 캐비티 홀을 형성하는 단계;
    상기 하우징 판재의 제1 캐비티홀에 은을 코팅하여 은코팅층을 형성하고, 은코팅층 위에 유전체를 코팅하여 유전체층을 형성하는 단계;
    PCB 기판을 준비하여 동박을 형성하고 쓰루 홀을 가공하며, 외부와 접속을 위한 패드를 형성하여 PCB 기판의 제1 캐비티 홀 영역에 IR LED칩을 실장하고 PCB 기판의 제2 캐비티 홀 영역에 광센서 일체형 ASIC칩을 실장하는 단계; 및
    상기 하우징 판재와 상기 PCB 기판을 결합한 후 상부 캡을 부착하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광학 근조도 센서 제조 방법.
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