KR102399941B1 - 자외선 측정 장치 및 이를 구비하는 휴대용 단말기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선 측정 장치 및 이를 구비하는 휴대용 단말기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 인듐 갈륨나이트라이드(InGaN)나 알루미늄 갈륨나이트라이드(AlGaN) 기반의 파장별 자외선(UV: Ultraviolet) 검출 센서를 이용해 보다 정밀한 자외선 측정이 가능할 수 있도록 하는 자외선 측정 장치와 이를 구비하는 휴대용 단말기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 측정 장치는, 전극이 형성된 기판; 상기 기판 내에 위치되며, 상기 전극과 전기적으로 연결되는 판독 집적회로부(ROIC); 및 상기 판독 집적회로부의 상부에 위치되어 상기 판독 집적회로부와 전기적으로 연결되며, 사파이어 기판 등의 절연성 기판 상에 형성되는 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 기반의 UVB 검출 센서;를 포함하되, 상기 기판의 상기 UVB 검출 센서 대응면에는 투명 재질의 투과창이 형성되고, 상기 판독 집적회로부는 상기 UVB 검출 센서의 출력 신호를 처리하며, 상기 UVB 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부는 접합에 의한 일체형 구조를 갖도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 측정 장치는, 전극이 형성된 기판; 상기 기판 내에 위치되며, 상기 전극과 전기적으로 연결되는 판독 집적회로부(ROIC); 및 상기 판독 집적회로부의 상부에 위치되어 상기 판독 집적회로부와 전기적으로 연결되며, 사파이어 기판 등의 절연성 기판 상에 형성되는 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 기반의 UVB 검출 센서;를 포함하되, 상기 기판의 상기 UVB 검출 센서 대응면에는 투명 재질의 투과창이 형성되고, 상기 판독 집적회로부는 상기 UVB 검출 센서의 출력 신호를 처리하며, 상기 UVB 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부는 접합에 의한 일체형 구조를 갖도록 이루어질 수 있다.
Description
본 발명은 자외선 측정 장치 및 이를 구비하는 휴대용 단말기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 인듐 갈륨나이트라이드(InGaN)나 알루미늄 갈륨나이트라이드(AlGaN) 기반의 파장별 자외선(UV: Ultraviolet) 검출 센서를 이용해 보다 정밀한 자외선 측정이 가능할 수 있도록 하는 자외선 측정 장치와 이를 구비하는 휴대용 단말기에 관한 것이다.
자외선(UV)은 사람이 볼 수 있는 빛 중 가장 파장이 짧은 보라색 파장 보다 더 짧은 10㎚에서 400㎚의 파장을 가지며, 에너지가 높아 화학 작용을 일으키거나 건강에 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 자외선은, 다시 파장에 따라 여러 종류로 구분 가능한데 그 광원으로는 자연광인 태양광과 자외선 램프와 같은 인위적인 광이 있다.
태양광의 경우 지표면에 도달하는 전체 자외선 중에 대략 90%가 UVA파장 대역이고, 대략 10%가 UVB파장 대역이며, UVC 파장 대역은 오존층 및 대기중에 흡수되기 때문에 지표면에 거의 도달하지 않는 파장 대역이다. 인위적인 광으로는 UVA, UVB, UVC 램프가 사용되어지고 있다.
UVA는 315㎚에서 400㎚의 파장을 가지며, 일정 시간 이상 노출될 경우 피부에 선탠(suntan)과 같은 색소 침착을 일으킬 수 있고, 과도하게 노출될 경우 여러가지 질병 등을 유발할 수 있는 것으로 알려지고 있다.
UVB는 280㎚에서 315㎚의 파장을 가지며, 적절하게 노출될 경우 비타민D의 합성, 건선 치료 등과 같은 유익한 작용을 하지만, 과도하게 노출되는 경우 피부암이나 백내장 등을 유발할 수도 있다. 자외선이 인체에 미치는 영향을 정량화 한 것 중 대표적인 것으로, 이와 같은 UVB의 입사량(入射量)으로 정의된 자외선 지수(UV Index)가 있다.
UVC는 100㎚에서 280㎚의 파장을 가지며, 대부분이 대기에 의해 흡수되어 지표까지 도달하지 못하지만, 에너지가 높아 노출될 경우 인체에 매우 해로운 것으로 알려져 있다. 살균용 자외선으로도 널리 알려져 있다.
즉, 전술한 바와 같이 자외선은 노출 정도에 따라 인체에 매우 해로울 수 있기 때문에, 사회적으로 건강에 대한 관심이 크게 증대됨에 대응하여 자외선으로부터 인체를 보호할 수 있도록 하는 자외선 차단제 등의 사용이 증가되는 한편, 휴대폰 등의 개인 휴대용 단말기를 이용하여 자외선 주의보/경보 등의 정보를 수신하도록 하는 기술이나, 나아가 개인 휴대용 단말기에 탑재된 자외선 센서를 통해 직접 실시간 자외선 지수를 측정하도록 하는 등의 기술이 개발 및 보급되고 있다.
실제로 2014년 출시된 모 스마트폰의 경우 자외선 센서를 탑재하여 사용자에게 자외선 지수 정보를 제공하도록 하였으나, 제조의 용이성 및 비용 등의 이유로 인해 가시광에 특화되어 있는 실리콘(Si) 센서를 활용하여 자외선 영역을 인위적으로 표기하도록 구성됨으로써, 사용자들에게 실질적인 효과를 제공하지는 못한 것으로 알려진 바 있다.
부연하자면, 자외선 지수를 표기하기 위해 UVB 파장 대역을 검출하여 표기하여야 하나 실리콘 기반 센서의 경우 직접 UVB 파장 대역의 자외선을 측정하는 것이 아니라 UVA 파장 대역의 일부와 가시광의 세기를 측정한 후 이를 바탕으로 자외선 지수를 예측하는 구조로 이루어지기 때문에, 이러한 실리콘 기반 자외선 센서가 적용된 자외선 지수 측정 장치를 이용하게 되면, 측정 자외선 지수와 실제 자외선 지수 사이에 큰 오차가 발생될 수밖에 없다는 문제점이 있다. 아울러, 고가(高價)의 필터가 필수적으로 요구되지만, 필터 사용에 따른 제조 단가의 상승은 물론, 이러한 필터를 사용더라도 가시광을 완전히 차단하지는 못한다는 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명에서는 측정 정확도를 향상시킨 자외선 측정 장치를 제안하는 한편, 이를 스마트폰 등의 개인 휴대용 단말기에 탑재하도록 함으로써 사용 편의성을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 방안을 제시하고자 한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 파장 조절이 용이한 InxGa1-xN(0<x1)이나, AlxGa(1-x)N(0<x<1) 기반의 파장별 UV 검출 센서를 이용해 보다 정밀한 자외선 측정이 가능할 수 있도록 하는 자외선 측정 장치와 이를 구비하는 휴대용 단말기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
보다 자세하게는, 내부에 광 전류를 자외선 지수를 얻을 수 있는 정보로 전환하기 위한 회로가 내장된 패키지를 제공하기 위한 것으로, 광 소자는 상기 패키지에 실장되어 있고 전기적으로 연결되어 있어, 광 소자에서 획득된 정보가 별도로 회로를 구비하지 않더라도 이와 같은 패키지를 부착하는 것만으로 최종적으로 원하는 신호를 바로 얻을 수 있도록 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전극이 형성된 기판; 상기 기판 내에 위치되며, 상기 전극과 전기적으로 연결되는 판독 집적회로부(ROIC: ReadOut Integrated Circuit); 및 상기 판독 집적회로부의 상부에 위치되어 상기 판독 집적회로부와 전기적으로 연결되며, 사파이어 기판이나 탄화규소(SiC) 기판 등과 같은 성장 기판 상에 형성되는 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 기반의 UVB 검출 센서;를 포함하되, 상기 기판의 상기 UVB 검출 센서 대응면에는 투명 재질의 투과창이 형성되고, 상기 판독 집적회로부는 상기 UVB 검출 센서의 출력 신호를 처리하며, 상기 UVB 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부는 접합에 의한 일체형 구조를 갖도록 이루어지는 자외선 측정 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 본 발명은, 상기 사파이어 기판 등에 의해 상기 UVB 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부 사이의 절연이 이루어지도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 판독 집적회로부에 의해 처리된 신호를 이용하여 생성되는 자외선 정보를 디스플레이 하기 위한 디스플레이부;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 투과창은 석영(quartz) 재질로 이루어지거나, 상기 케이스의 내부 공간은 실리콘(Si) 재질에 의해 충진되어 상기 UV 검출 센서를 덮도록(cover) 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 자외선 측정 장치는, 인듐 갈륨나이트라이드(InGaN) 또는 갈륨나이드라이드(GaN) 기반의 UVA 검출 센서;를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 UVA 검출 센서는 상기 판독 집적회로부와 접합에 의한 일체형 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 나아가, 본 발명은 알루미늄 갈륨나이트라이드(AlGaN) 기반의 UVC 검출 센서;를 더 포함할 수 있으며, 이때 역시, 상기 UVC 검출 센서는 상기 판독 집적회로부와 접합에 의한 일체형 구조를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
여기서, 상기 디스플레이부를 통해 디스플레이 되는 자외선 정보는, 자외선 광량 정보, 자외선 지수 정보, 비타민D 생성 알림 정보 또는 안전/위험 알림 정보 가운데 적어도 하나 이상의 정보일 수 있다.
또한, 본 발명은, 전원부, 프로세서, 메모리 및 디스플레이부를 구비하는 휴대용 단말기에 있어서, 상기 휴대용 단말기의 일면을 통해 노출되는 자외선 측정부를 포함하되, 상기 자외선 측정부는, 전극이 형성된 기판; 상기 기판 내에 위치되며, 상기 전극과 전기적으로 연결되는 판독 집적회로부(ROIC); 및 상기 판독 집적회로부의 상부에 위치되어 상기 판독 집적회로부와 전기적으로 연결되며, 사파이어 등의 절연성 기판 상에 형성되는 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 기반의 UVB 검출 센서;를 포함하되, 상기 기판의 상기 UVB 검출 센서 대응면에는 투명 재질의 투과창이 형성되고, 상기 판독 집적회로부는 상기 UVB 검출 센서의 출력 신호를 처리하되, 상기 판독 집적회로부에 의해 처리된 신호를 이용하여 생성되는 자외선 정보는 상기 디스플레이부를 통해 디스플레이 되며, 상기 UVB 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부는 접합에 의한 일체형 구조를 갖는 것 등을 특징으로 하는 휴대용 단말기를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 실리콘(Si) 기반이 아닌 인듐 갈륨나이트라이드(InGaN)나 알루미늄 갈륨나이트라이드(AlGaN) 기반의 파장별 자외선 검출 센서 적용을 통해 자외선 측정의 정확도를 크게 향상시킨 자외선 측정 장치 및 이를 구비하는 휴대용 단말기를 제공할 수 있게 되었다는 장점이 있다.
특히, 자외선 검출 센서와 판독 집적 회로(ROIC)가 효율적으로 결합된 패키지의 형성을 가능하도록 함으로써, 공정의 간소화 및 제조 비용 절감 등과 같은 부가적인 장점을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 측정 장치의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 센서 패키지의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 구비되는 자외선 센서 패키지의 다양한 구현예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 내지 도 6은 각각 다양한 UVA, UVB 및 UVC 검출 센서를 이용한 자외선 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 센서 패키지의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 구비되는 자외선 센서 패키지의 다양한 구현예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 내지 도 6은 각각 다양한 UVA, UVB 및 UVC 검출 센서를 이용한 자외선 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 측정 장치의 구성을 나타낸 설명도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 센서 패키지의 구성을 나타낸 설명도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 측정 장치는, 자외선 검출 센서(110), 판독 집적회로부(120), 메모리(130) 및 입출력부(140) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
자외선 검출 센서(110)는 외부에서 인가되는 광(光)을 직접 입력받아 자외선 성분을 검출하는 기능을 수행하며, 검출 가능한 자외선의 파장에 따라 UVA 검출 센서, UVB 검출 센서 및 UVC 검출 센서 등으로 구분될 수 있다.
이와 같은 자외선 검출 센서(110)는 본원 출원인의 기 출원 특허(대한민국 공개특허공보 제10-2014-086674호(발명의 명칭: 광 검출 소자), 대한민국 공개특허공보 제10-2014-086617호(발명의 명칭: 광 검출 소자), 대한민국 공개특허공보 제10-2014-092583호(발명의 명칭: 광 검출 소자), 대한민국 공개특허공보 제10-2014-094080호(발명의 명칭: 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 검출 패키지) 등)에 기술된 방식에 의해 제조되는 것이 바람직할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
판독 집적회로(ROIC)부(120)는 자외선 검출 센서(110)로부터 입력되는 자외선 검출 정보를 포함하는 자외선 검출 신호를 처리하는 기능을 수행한다.
판독 집적회로란, 입력 신호를 디지털 신호로 변화시키고 더 나아가 영상 신호 처리 등에 적합한 신호로 변환시키기 위한 회로로써, 일반적으로 증폭 기능, 잡음 제거 기능 및 셀 선택 등의 기능을 구비하며, 저전력, 저잡음, 선형성, 단일성 및 우수한 주파수 응답특성 등의 조건을 만족하도록 이루어진다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치에 적용되는 판독 집적회로부(120)는 자외선 검출 센서(110)로부터 입력받은 자외선 검출 신호를 출력부(140)에 직접 제공 가능한 형태로 처리하거나, 또는 자외선 검출 신호를 이용하여 다양한 형태의 부가 정보 생성이 가능한 형태로 처리하는 등의 기능을 수행할 수 있다.
이 과정에서, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치가 별도의 프로세서나 메모리(130) 등을 이용하도록 구성될 수 있음은 당연하며, 판독 집적 회로부(120)에 의해 처리된 자외선 검출 신호를 이용해 생성 가능한 다양한 자외선 정보 가운데 사용자가 필요로 하는 정보를 선택적으로 확인할 수 있도록 하기 위한 입력부(140) 등을 구비하는 것도 가능하다.
도 1의 실시예에 있어서는 입력부와 출력부가 단일의 입출력부(140)로 표시되었으나, 이는 스크린터치 방식의 입출력 장치와 같이 입력 기능 및 출력 기능을 동시에 제공하는 구성요소만을 의미하는 것은 아니며, 입력부 및/또는 출력부의 구비가 가능함을 표현하기 위한 것으로 이해되는 것이 바람직할 것이다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 검출 센서(110)는 알루미늄 갈륨나이트라이드(AlGaN) 기반의 UVB 검출 센서인 것이 바람직할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, UVB는 280㎚에서 315㎚의 파장을 가지며, 적절하게 노출될 경우 비타민D의 합성 등과 같은 유익한 작용을 하지만, 과도하게 노출되는 경우 피부암이나 백내장 등을 유발할 수 있다. 이러한 UVB는 자연광 상태에서 인간의 생활에 가장 많은 영향을 미치는 자외선 파장이기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치는 이와 같은 UVB를 직접 검출하여 자외선 광량 정보(㎽/㎠)를 제공하거나 이를 지수 정보(UV Index)로 환산하여 표출할 수 있으며, 또는 현재의 자외선 조건 하에서 적절한 양의 비타민D 생성에 요구되는 시간 정보 알람이나 위험 경고 등의 다양한 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 검출 센서(110)는 판독 집적회로부(120) 상에 접합됨으로써 일체형의 구조를 갖도록 이루어질 수 있으며, 별도의 케이스(미도시) 내에 형성되는 패키지(P)의 구성을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 케이스의 자외선 검출 센서(110) 대응면, 즉 자외선 검출 센서(110)의 광 입사(入射)면에는 자외선의 투과가 자유로운 투과창이 형성되어, 센서 내부의 회로를 보호하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
자외선 검출 센서(110)와 판독 집적회로부(120)의 접합에 의해 형성되는 자외선 센서 패키지(P)의 세부 구성에 대해서는 다음의 도 2a 및 도 2b를 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
먼저 도 2a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 검출 센서(110) 및 판독 집적회로부(120) 패키지(P)는 다수의 전극(E)이 형성된 케이스 내에 형성 가능함을 확인할 수 있다.
여기서, 상기 자외선 검출 센서(110)를 구성하는 InxGa1-xN(0<x1) 또는 AlxGa(1-x)N(0<x<1) 소자는 사파이어 기판이나 탄화규소(SiC) 기판 등과 같은 절연성 기판 상에 형성될 수 있으며, 이와 같은 절연성 기판을 이용해 자외선 검출 센서(110)와 판독 집적회로부(120) 사이의 절연이 이루어질 수 있도록 함으로써, 본 발명의 자외선 측정 장치는, 패키지(P) 구성을 위한 자외선 검출 센서(110) 및 판독 집적회로부(120)의 접합 과정에서 별도의 절연층 형성 과정이 불필요할 수 있는 구성을 갖는다. 참고로, 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어 자외선 검출 센서(110)가 사파이어 기판 상에 형성되는 것으로 일부 기술될 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 자외선 검출 센서가 사피이어 기판이나 SiC 기판 등과 같은 통상의 절연성 기판 상에 형성될 수 있음은 당연하다.
다시 말해, 소자의 저면이 절연 물질인 사파이어 등의 기판으로 이루어진 자외선 검출 센서(110)를, 별도의 절연층 형성 공정을 생략한 채 직접 판독 집적회로부(120)의 상면에 접합시킬 수 있게 됨으로써, 공정의 간소화는 물론 제조 비용 절감 등과 같은 부가적인 효과를 제공할 수 있다. 부연하자면, 자외선 검출 센서(110)와 판독 집적회로부(120)를 개별적으로 제조한 후 이를 단순 접합 공정을 통해 접합하도록 함으로써, 반도체 공정을 통해 일체형으로 생성되는 패키지 소자와 달리 불량 발생 등으로 인한 비용 손실 위험을 감소시키는 한편, 개별 소자 사이의 안정적 접합을 위한 절연층 형성 공정 등의 생략을 통해 공정 간소화와 이로 인한 제조 비용 절감 등의 효과 제공이 가능하다는 장점을 갖는다. 이때, 자외선 검출 센서(110)와 판독 집적회로부(120) 사이의 단순 접합을 위해 통상의 어떠한 방식이 적용되더라도 무방할 수 있음은 당연하며, 다만 본 발명의 실시예에 있어서는 은 페이스트(Ag paste) 등과 같이 도전성이며 고 열전도성의 특성을 갖는 접착제에 의해 접착이 이루어지는 것이 보다 바람직할 수 있다.
여기서, 케이스의 자외선 검출 센서(110) 대응면에는 자외선의 자유로운 투과가 가능할 수 있는 투과창(W)이 형성될 수 있는데, 자외선의 투과율을 보장하며 자외선 검출 센서(110) 등의 내부 회로 보호를 위해 이와 같은 투과창(W)을 석영(quartz) 재질로 형성하거나 또는 케이스 내부를 실리콘(Si) 재질 등의 충진재(F)를 이용해 충진시키는 등의 구성이 이용될 수 있다.
참고로, 실리콘 재질 충진재(F)의 경우 자연광의 범위를 초과하는 강한 자외선이 조사되거나, 자연광 내에 거의 존재하지 않는 UVC에 노출되는 등의 경우 황변(黃變)이 발생됨으로써 이후 부정확한 측정을 유발하는 등의 단점을 갖기 때문에, 자연광을 대상으로 하는 생활용품으로서의 자외선 측정 장치가 아닌 경우 석영 재질의 투과창(W)이 구비되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 검출 센서(110)가 UVB 검출 센서로 구성되는 것이 바람직할 수 있음에 대해서는 전술한 바 있으나, 본 발명의 구성이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 자외선 검출 센서(110)는, [UVB 검출 센서], [UVA 검출 센서 + UVB 검출 센서], [UVB 검출 센서 + UVC 검출 센서] 또는 [UVA 검출 센서 + UVB 검출 센서 + UVC 검출 센서] 등의 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.
도 2b에 [UVA 검출 센서 + UVB 검출 센서 + UVC 검출 센서]의 조합을 갖는 자외선 측정 장치의 구성예를 나타내었다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치에 구비되는 자외선 검출 센서 및 IC 패키지(P)는, 판독 집적회로부(120) 상에 접합 형성된 UVA 검출 센서(110A), UVB 검출 센서(110B), UVC 검출 센서(110C), 그리고 전극(E)과 투과창(window) 등이 형성된 케이스 등으로 구성 가능함을 확인할 수 있다.
여기서, 자외선 검출 센서인 UVA 검출 센서(110A), UVB 검출 센서(110B), UVC 검출 센서(110C)를 구성하는 InxGa1-xN(0<x1) 또는 AlxGa(1-x)N(0<x<1) 소자는 사파이어 기판 등의 절연물질층(114) 상에 형성되는 액티브(active)층(112)에 의해 구성되므로, 이러한 절연물질층(114)을 이용하여 별도의 절연층 형성 공정 없이 자외선 검출 센서와 판독 집적회로부(120) 사이의 직접 접합이 가능할 수 있음에 대해서는 전술한 바 있다.
UVA 검출 센서(110A)의 경우 315㎚에서 400㎚의 파장을 갖는 UVA를 검출하는 기능을 수행하며, InxGa1-xN(0<x1) 기반의 포토 센서(photo sensor) 형태로 구성될 수 있고, UVB 검출 센서(110B)와 UVC 검출 센서(110C)의 경우 각각 280㎚에서 315㎚의 파장을 갖는 UVB와 100㎚에서 280㎚의 파장을 갖는 UVC를 검출하는 기능을 수행하며, AlGaN 기반의 포토 센서 등으로 구성될 수 있는데, 이때, UVB 검출 센서(110B)를 구성하는 AlGaN 물질의 경우 대략 20% 정도의 Al 성분을, UVC 검출 센서(110C)를 구성하는 AlGaN 물질의 경우 대략 40% 정도의 Al 성분을 포함하도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
이와 같은 자외선 검출 센서의 제조 방법에 대한 보다 상세한 설명이, 본원 출원인의 기 출원 특허(대한민국 공개특허공보 제10-2014-086674호(발명의 명칭: 광 검출 소자), 대한민국 공개특허공보 제10-2014-086617호(발명의 명칭: 광 검출 소자), 대한민국 공개특허공보 제10-2014-092583호(발명의 명칭: 광 검출 소자), 대한민국 공개특허공보 제10-2014-094080호(발명의 명칭: 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 검출 패키지)에 상세하게 설명되어 있음에 대해서는 전술한 바 있다.
한편, 도 2a 및 도 2b에는 케이스의 바닥면에 형성된 전극(E)과 판독 집적회로부(120)가 전기적으로 연결되고, 판독 집적회로부(120)와 각각의 자외선 검출 센서가 다시 전기적으로 연결됨을 개념적으로 표시하였으나, 이와 같은 구성으로 본 발명이 한정되지 아니함은 당연하며, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치에 구비되는 각각의 소자들 사이의 전기적 연결을 위해 통상의 어떠한 방식이 적용되더라도 무방할 수 있음은 당연하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치는, 각각의 파장에 대응되는 자외선 검출 센서가 직접 검출한 각각의 파장별 자외선 검출 정보를 이용하여 사용자에게 정확한 자외선 정보를 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.
즉, 실리콘을 기반으로 하는 자외선 검출 센서와 달리, 각각의 파장별 자외선(UVA, UVB, UVC)을 별도로 검출함으로써 얻어진 자외선 광량 정보(㎽/㎠), 자외선 지수 정보, 자외선의 ON/OFF 정보, UVB 지수를 이용한 비타민D 생성 알림 정보 또는 각각의 파장별 자외선(UVA, UVB, UVC) 지수에 따른 안전 알림 정보나 위험 경고 정보 등의 정확하고 다양한 자외선 정보들을 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.
나아가, 안전 알림 정보나 위험 경고 정보 등의 경우 각각의 자외선 검출 센서를 통한 파장별 자외선 검출 정보를 이용하여 생성할 수 있으며, 파장별 자외선 광량과 사용자의 노출 시간 등을 종합적으로 고려함으로써, 사용자에게 안전한 수준이 유지 가능한 시간 정보 등을 제공하거나, 안전한 수준을 벗어났음에 대한 경고 정보 등을 제공하도록 구성될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치 또는 이를 구비하는 휴대용 단말기 등의 경우, 2 이상 파장에 대한 자외선 검출 센서를 별도로 구비하도록 하고, 이를 통해 각각의 자외선 검출 센서에 의한 검출 결과의 정확도 향상을 위해 타 자외선 검출 센서의 검출값 정보를 이용하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 추후 도 4 내지 도 6을 통해 보다 상세히 설명할 수 있도록 한다.
이때, 각각의 안전 또는 위험 등의 알림 정보가 다시 다양한 단계로 세분될 수 있고, 이에 대응되는 서로 다른 형태, 가령, 서로 다른 경고음이나 디스플레이 색상 등으로 표시 가능할 수 있음은 당연하다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치를 통해 제공 가능한 자외선 정보가 앞서 언급한 자외선 광량 정보, 자외선 지수 정보, 비타민D 생성 알림 정보나 안전/위험 알림 정보 등만으로 한정되는 것은 아니며, 각각의 자외선 검출 센서에 의해 검출된 자외선 검출 정보를 이용해 가공 또는 생성 가능한 어떠한 형태의 부가 정보도 제공 가능할 수 있음은 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.
한편, 이와 같은 자외선 측정 장치는 별도의 독립된 디바이스(device)로 제공될 수도 있으나, 스마트폰 등과 같은 개인용 휴대 단말기에 탑재된 형태로 제공되는 것이 보다 바람직할 수 있으며, 따라서 본 발명은 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치를 구비하는 개인용 휴대 단말기를 제공할 수 있다.
다시 말해, 전원부, 프로세서, 메모리 및 디스플레이부 등을 구비하는 스마트폰 등의 휴대용 단말기 일면 상에, 상기 자외선 측정 장치를 구성하는 자외선 센서 패키지의 케이스 투과창(W)이 노출되도록 자외선 측정 장치가 탑재됨으로써, 사용자들이 일상 생활 속에서 간편하게 실시간 자외선 측정 및 이를 이용한 다양한 정보의 이용이 가능하도록 할 수 있다. 이 경우, 자외선 측정 장치가 별도의 출력부나 입력부를 구비하는 대신 상기 휴대용 단말기에 기 구비된 출력부나 입력부를 이용하도록 형성되는 것이 보다 바람직할 수 있음은 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 단말기에 탑재되는 자외선 측정 장치가 자외선 검출 센서 및 판독 집적회로부의 접합에 의해 구성되는 패키지를 포함하여 구성되고, 자외선 검출 센서가 사파이어 기판 상에 형성되는 GaN 또는 InGaN이나 AlGaN 기반의 소자일 수 있음 등과 같은 구체적인 구성에 대해서는 전술한 바 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 구비되는 자외선 센서 패키지의 다양한 구현예를 설명하기 위한 예시도이다.
먼저 도 3a에는 판독 집적회로부(120)의 상면 영역 가운데 자외선 검출 센서(110)와 중복되지 않는 적어도 일부 영역에 캐비티(cavity, 150)가 형성된 실시예를 나타내었다.
이와 같은 구성이 적용되는 경우, 자외선 센서 패키지는 상대적으로 경량화가 가능할 뿐만 아니라, 점유 공간 면적의 감소를 통한 소형화 등과 같은 장점의 추가 제공이 가능할 수 있다.
그리고 도 3b에는, 판독 집적회로부(120)내의 자외선 검출 센서(110) 하부 영역에 히트 파이프(heat pipe, 160)를 구비함으로써 자외선 검출 센서(110)로부터 발생되는 열의 외부 배출이 보다 활발히 이루어질 수 있도록 하기 위한 구성을 나타내었다.
히트 파이프(160)는 상대적으로 열전도성이 더 높은 물질에 의해 구성될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 적용되는 히트 파이프(160)로 통상의 어떠한 고 열전도성 물질이 적용되더라도 무방할 수 있음은 당연하다. 이때, 도 3b의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 구현예에 대한 예시 형태일 뿐이며, 본 발명이 이와 같은 형태만으로 한정되지 아니함 역시 당연하다.
아울러, 별도로 도시하지는 않았으나, 도 3a 및 도 3b의 구성이 동시에 적용되는 실시예 등의 구현이 추가로 가능할 수 있음 또한 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.
한편, 도 3c에는 자외선 검출 센서(110)가 판독 집적회로부(120)의 상부에 접합 등의 형태로 구비되는 대신, 전기적인 연결만 유지되는 상태로 상호 이격되거나 최소한의 측면 접촉만을 갖도록 구성 가능함을 나타내고 있다.
이 경우 도 3b와 같이 별도로 히트 파이프 등의 구성요소가 구비되지 않더라도 모듈을 통한 직접 열빠짐이 가능해 발열 문제의 해소가 용이할 뿐만 아니라, 패키지의 높이가 낮아진다는 등의 추가적인 장점 제공이 가능할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 각각 다양한 UVA 검출 센서, UVB 검출 센서 및 UVC 검출 센서를 이용하여 자외선 지수를 측정한 결과를 나타낸 그래프로써, 각각의 파장별 자외선에 대해 A, B, C, D의 각기 다른 자외선 검출 센서를 적용해 UV(자외선)를 검출한 결과를 나타낸 그래프를 도시하였다.
예를 들어, UVA에 비해 큰 에너지를 갖는 UVB가 입사되는 경우, UVB 검출 센서뿐만 아니라 UVA 검출 센서도 같이 반응하게 되며, UVC가 입사되는 경우, UVC 검출 센서뿐만 아니라 UVA 검출 센서 및 UVB 검출 센서도 모두 반응함을 도 4 내지 도 6을 통해 확인할 수 있다. 따라서, 이와 같은 자외선 검출 특성을 이용하는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 측정 장치는 보다 더 정확한 자외선 정보 제공이 가능할 수 있다.
즉, 각각의 자외선 검출 센서 별 반응 정도를 미리 수치화 하여 데이터베이스에 저장한다면, UVA의 보다 정확한 검출량 산정을 위해 UVA 검출 센서 이외에 UVB 검출 센서나 UVC 검출 센서의 검출 결과를 종합 적용할 수 있고, UVB의 정확한 검출량 산정을 위해 UVB 검출 센서 외에 UVC 검출 센서의 검출 결과를 종합 적용하는 것이 가능할 수 있다.
또한, 방식을 달리하면 UVA 검출 센서 및 UVB 검출 센서의 검출 결과를 종합하여 보다 정확한 UVB의 검출량 산정을 하거나, UVA 검출 센서, UVB 검출 센서 및 UVC 검출 센서의 검출 결과 종합 적용을 통해 UVC의 검출량 산정이 가능할 수도 있다.
다시 말해, UVA 검출 센서에 표시되는 UVA 지수에는 UVB 성분 및 UVC 성분으로 인한 수치가 포함되어 있음을 고려하여, 자외선 검출 센서의 성능에 따른 보정을 통해 보다 정확한 UVA 지수를 산정할 수 있으며, 반대로, UVC의 경우 UVA 검출 센서, UVB 검출 센서 및 UVC 검출 센서 모두에서 검출됨을 고려하여, 각각의 자외선 검출 센서 별 성능 특성에 따른 수치 보정 등을 통해 보다 정확한 UVC 지수를 산정하도록 할 수 있다.
하지만, 자외선 검출 센서의 제조회사 및 센서의 성능 등에 따라 도 4 내지 도 6에서와 같이 동일 조건에서도 산출되는 값이 서로 달라지는 점을 고려하여, 각각의 자외선 검출 센서의 성능에 따른 보정 계수 등을 사전에 설정해 두는 것이 바람직할 것이다.
참고로, 본 발명이 UVA 검출 센서 및 UVB 검출 센서의 조합에 구성된 경우라면, 이 자외선 검출 센서들의 검출 결과를 종합하여 검출값을 보정함으로써, 상대적으로 더 정확한 UVA 검출량 및 UVB 검출량의 산정을 수행할 수 있음은 당연하다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명이, InxGa1-xN(0<x1) 또는 AlxGa(1-x)N(0<x<1) 기반의 파장별 자외선 검출 센서의 적용을 통해 직접적이고 정확한 파장별 자외선 광량의 검출이 가능할 수 있음은 물론, 이러한 자외선 검출 센서와 판독 검출회로(ROIC)를 효율적으로 접합한 패키지를 구성할 수 있도록 함으로써 제조 공정의 단순화 및 이로 인한 제조 비용 절감 등의 효과를 제공할 수 있음에 대해서는 전술한 바 있다. 아울러, 자외선 검출 센서와 판독 검출회로 사이의 단순 접합을 위해 은(Ag) 페이스트 등과 같은 전도성, 고 열전도성 접착제 등이 적용될 수 있음 또한 전술한 바 있다.
전술한 바와 같은 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110, 110A, 110B, 110C : 자외선 검출 센서 120: 판독 집적회로부
130: 메모리 140: 입출력부
150: 캐비티 160: 히트 파이프
130: 메모리 140: 입출력부
150: 캐비티 160: 히트 파이프
Claims (26)
- 전극이 형성된 기판;
상기 기판 내에 위치되며, 상기 전극과 전기적으로 연결되는 판독 집적회로부(ROIC); 및
상기 판독 집적회로부와 전기적으로 연결되며, 외부로부터 인가되는 광을 입력 받아 검출한 자외선 검출 정보를 포함하는 자외선 검출 신호를 생성하고, 절연성의 성장 기판 상에 형성되는 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 기반의 자외선 검출 센서;를 포함하되,
상기 판독 집적회로부는 상기 자외선 검출 센서로부터 입력되는 상기 자외선 검출 신호를 판독 가능한 자외선 정보로 전환하는 것을 특징으로 하며,
상기 자외선 검출 센서의 상기 성장 기판이 상기 판독 집적회로부와 접합하여, 상기 자외선 검출 센서가 상기 판독 집적회로부 상에 접합되고,
상기 성장 기판에 의해 상기 자외선 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부 사이에 절연이 이루어지는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서를 기준으로 상기 기판의 대응면에는 투명 재질의 투과창이 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서는 실리콘(Si) 재질로 덮혀 보호되는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부는 접합에 의한 일체형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서는 상기 판독 집적회로부의 측면에 실장되는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서는 UVB 검출 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부 사이의 접합은 고 열전도성 접착제에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서 및 상기 판독 집적회로부 사이의 접합은 절연성 접착제에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 정보를 디스플레이 하기 위한 디스플레이부;를 더 포함하는 자외선 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 투과창은 석영(quartz) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서는 인듐 갈륨나이트라이드(InGaN) 또는 갈륨나이드라이드(GaN) 기반의 UVA 검출 센서;를 더 포함하되,
상기 UVA 검출 센서는 상기 판독 집적회로부와 접합에 의한 일체형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 자외선 검출 센서는 알루미늄 갈륨나이트라이드(AlGaN) 기반의 UVC 검출 센서;를 더 포함하되,
상기 UVC 검출 센서는 상기 판독 집적회로부와 접합에 의한 일체형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 12 항에 있어서,
상기 UVA 검출 센서 또는 상기 UVC 검출 센서를 통해 검출된 자외선 검출 정보는, 상기 UVB 검출 센서를 통해 검출된 자외선 검출 정보를 상기 판독 집적회로부 내에서 자외선 정보로 전환함에 있어 정확도 향상을 위한 부가 정보로 활용 가능한 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 정보는, 자외선 광량 정보, 자외선 지수 정보, 비타민D 생성 알림 정보 또는 안전/위험 알림 정보 가운데 적어도 하나 이상의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판독 집적회로부의 상부 영역 가운데 상기 자외선 검출 센서와 중복되지 않는 적어도 일부 영역에는 캐비티(cavity)가 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판독 집적회로부 내의 상기 자외선 검출 센서의 하부 영역에는 고 열전도성 물질에 의해 형성되는 히트 파이프(heat pipe)가 구비되는 것을 특징으로 하는 자외선 측정 장치.
- 전원부, 프로세서, 메모리, 디스플레이부 및 자외선 측정 장치를 구비하는 휴대용 단말기에 있어서,
상기 자외선 측정 장치는 청구항 제 1 항 내지 제 8 항 및 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 자외선 측정 장치이며,
상기 디스플레이부는 상기 판독 집적회로부에 의해 생성된 상기 자외선 정보를 디스플레이 하는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기. - 삭제
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