KR20020084541A - 이동형 단말기기에 적용 가능한 초박형 영상모듈의 구현 - Google Patents

Abstract

IMT-2000, IS-95C, PDA등 이동형 단말기기들의 소형 저중량화를 위한 노력들은 과거와 현재까지 지속적으로 이루어져 왔으며, 미래에도 그 노력은 계속되어질 것이다. 그동안 IMT-2000 을 필두로하여 영상기능이 부과되어진 초소형 이동형 단말기의 출현 및 상용화에 대한 수많은 관심과 노력들이 있었다. 그러나 현재까지의 논의들은 광학계 및 전자회로 부품의 소형 경량화에만 초점을 맞추었다. 본 특허는 이러한 노력에 덧붙여 패키징과 부품장착의 새로운 기법을 통해 카메라 모듈의 두께를 획기적으로 줄임과 동시에 PCB조립의 양산성 향상 방안을 제시하고자 한다.

본 특허가 상용화되면, 영상 카메라가 탑재된 단말기의 두께를 전자, 광학적인 접근 방식보다 월등하게 줄일 수 있으며, 이러한 전자, 광학부품의 소형화 노력과 더불어 단말기기의 두께를 줄이는데 기여할 수 있다.

Description

이동형 단말기기에 적용 가능한 초박형 영상모듈의 구현{Implementation of very thin imaging module for mobile equipments.}

본 발명은 IMT-2000, IS-95C, PDA등 이동형 단말기에 적용 가능한 초박형 영상 모듈의 구현에 관한 것으로써, CMOS, CCD등 영상 소자를 이용한 카메라 모듈의구현 방법 및 외부 회로와의 연결에 관한 것이다.

이동형 영상 단말기에 사용되는 카메라 모듈은 광학계와 전자 회로부로 구성된다. 지금까지의 구현 방법은 전통적인 광학 카메라를 구현하는 것과 같이 PCB(Printed Circuit Board)상에 영상 소자를 조립하고 그 위에 광학계를 조립하는 것이다. (제1도 좌측도 참조) 이와 같이 구현하게 되면, 카메라 모듈의 전체 두께는 산란광 입사를 막기위한 배플(Baffle)을 포함한 광학계의 두께, 광학계 뒷 부분에서 센서의 표면까지 상이 맺히게 하기 위해 필요한 거리(초점거리), 센서의 표면부터 패키지 뒷단까지의 두께, PCB, 그리고 PCB뒷면에 장착되는 소자들의 두께를 합한 것이다. 현재까지 기술적으로 가능하거나 개발을 추진중에 있는 기술중 하나인 COF(Chip On Flexible Cable) 모듈의 경우 그 두께가 약 8mm 정도이다. 이를 보다 수치적으로 표현하자면, 렌즈두께=2mm, 초점거리=3mm, 센서두께= 2mm, PCB=1mm 등으로 계산되어 질 수 있다.

이 모듈을 PCB에 다시 장착해야 하는데, 장착하여야 하는 PCB 두께(1mm)와 뒷면에 붙는 부품의 두께(2mm 가정)를 고려하면, 단말기의 보호용 케이스(1mm)등을 포함하여 약 13mm정도로 되어 단말기의 전체 두께가 최소화에 장애가 된다. 현재 2세대 이동형 단말기의 두께가 배터리의 두께를 포함하여 폴더형의 경우 20mm내외로 구현되어 있다. 폴더형이 아닌경우는 이보다 훨씬 얇다. 특히 대부분의 폴더형의 경우에는 LCD가 부착되어 있는 위 뚜껑 부분의 두께는 6mm내외로 얇으며, 대부분의 단말기 디자인의 경우 이와 같은 두께의 제한 때문에 영상 모듈이 버튼이 있는 밑 부분, 즉 전자회로가 밀집하여 있는 모듈부분에 위치 하게 된다. 이 경우, 사용자가 본인의 영상을 보는 경우를 포함하여 카메라의 촬영 방향과 LCD창의 방향이 다르게 되어, 영상 촬영을 하면서 대화하게 될 때 사용자는 LCD 창을 사각에서 보게 되는 문제점이 있다.

따라서, 이 특허를 통해 6mm내외의 두께를 위한 카메라 모듈을 개발하여 카메라의 장착 위치를 자유롭게 선택하여 제반 문제들을 해결 할 수 있게 하였다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다음과 같다.

(ㄱ) 영상 모듈의 초박형 실현을 위해 PCB두께와 PCB후면부의 부품들의 높이를 초점 거리 확보에 사용하도록 PCB에 영상센서의 시야각 만큼의 구멍을 절단한 뒤 영상 센서를 PCB후면에 장착하는 기법.

(ㄴ) (ㄱ)을 위하여 영상 센서 패키지를 영상 센서 후면부에 납땜용 패드가 만들어진 기존 패키지와 다르게 영상 소자가 있는 면쪽에 납땜용 패드를 설치하는 새로운 패키지를 구현한다. 이경우 소자의 열적인 특성 변화(전도적 열전달 특성) 및 전기적인 특성을 보완하기 위한 조치를 취한다.

(ㄷ) 광학계의 접합부에 스프링 장치가 된 접합부를 적용하여 단말기가 사용되고 있지 않을 때 광학계를 접을 수 있도록 하여 추가적인 두께 절감을 확보 하도록 한다.

(ㄹ)폴더형의 경우 광학계 부분의 돌출 부분이 반대쪽 기구부에 파여진 공간으로 들어가게 하여 (ㄷ)항을 구현 하지 않더라도 결과적으로 전체 단말기의 두께를 감소할 수 있도록 한다.

제1도는 영상소자를 PCB 후면에 장착한 경우의 효과

제2도는 영상소자용 패키지의 PCB후면장착을 위한 변경

제3도는 EMI차단 및 열전달 효율 증대 방안

제4도는 추가적인 두께 감소를 위한 스프링 장치

제5도는 출입 용이성을 위한 경사도, 오염방지, 난반사 방지구조

제6도는 난반사 방지를 위한 유리면 코팅

제7도는 난반사 방지를 위한 PCB hole의 구조

제8도는 조립 용이성을 위한 회전식 고정부

제9도는 폴더형 단말기를 위한 두께 감소 구조

제10도는 COB패키지의 PCB후면 배치를 통한 두께 감소 방안

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 구성 및 작용은 다음과 같다.

(ㄱ)항의 기술적 과제를 위한 아이디어

제 1도의 좌측도를 참조하여, 개선전에 PCB에 장착된 영상 소자는 PCB를 사이에 두고 렌즈 반대편에 위치하였다. 이 경우 전체 두께는 렌즈, 초점거리, 영상소자, PCB, 그리고 후면에 위치한 소자의 두께이다. 반면, PCB에 구멍을 뚫어(PCB제조 공정상 일상화 되어 있는 작업 공정이므로 그리 어렵지 않다) 영상 소자를 PCB 후면에 장착한 우측의 경우, 영상소자가 PCB 전면부에 장착되어지는 것에 비하여 두께의 감소는 PCB의 두께와 영상 소자(혹은 후면 장착 부품의 높이)의 두께를 합친 것과 같다(PCB후면에 장착되어 있는 소자의 높이가 영상 소자와 같다고 가정한 경우임). 이를 다르게 표현하면 영상 소자의 위치는 그자리에 있고 PCB 와 후면에 장착되어진 부품이 영상 소자 전면으로 이동한 것으로 보아도 된다. 이는 기존의 8mm두께의 소자로부터 5mm두께로 바뀌게 되는 효과를 가지게 된다. 약 37.5%의 두께 절감 효과를 가지게 된다. 이렇게 하면 영상 소자의 조립이 여타 부품의 조립과 동일하게 진행되어 질 수 있다. 조립시 예상되는 오염 문제를 해결하기 위해 조립전 영상소자 전면에 조립후 뗄 수 있는 착탈식 보호용 플라스틱 막을 추가하도록 한다. 렌즈부를 조립하기전 이 보호용 막을 제거하고 렌즈를 장착하게 된다.

렌즈는 기존의 패키지와 동일하게 외부로부터의 먼지 유입등을 막기 위해 밀봉형으로 구현한다.

(ㄴ)항의 기술적 과제를 위한 아이디어

(ㄱ)항의 아이디어를 가능하기 위해서는 영상 소자의 패키지가 과거의 형태와는 달라야 한다. 즉, 기존 패키지의 경우 제 2도의 좌측과 같이 소자의 수광부 즉, 보호용 유리면을 지나 감지 소자 영역이 있는 부분의 반대쪽면에 전자적 납땜 조립을 위한 패드가 설치되어 있다. 열적인 전도성이 우수한 부품 조립용 접착제를 소자의 밑면에 칠하여 조립할 경우 PCB와 보다 직접적인 접합이 이루어 질 수 있으므로, 대류를 제외한 전도성을 고려한 열적 특성이 유리한 점이 있다. 한편, 제2도 우측은 후면 장착을 위하여 수광부측에 전자 조립을 위한 패드를 장착한 경우이다. 우측도의 경우 조립성 측면에서는 좌측의 전통적인 방법과 비슷하다고 볼 수 있다. 또한, 우측도의 경우, 대류적인 열적 특성의 측면에서는 영상 소자의 양쪽 면이 모두 공기중에 노출되어 더 효과적인 장점이 있으며, 전도성적인 측면에서 약간 떨어지는 점을 보완하기 위하여 현재 많은 반도체 패키지에서 열 전도성을 높이기 위하여 사용하는 구리판 접합을 패키지 후면에 부착하고, 이를 사용하지 않는 금속 패드에 연결하여 전도적인 열결합을 보완, 충족하도록 하였다. 또한 우측도의 경우에도 영상소자의 후면을, 전도성이 우수한 부품 조립용 접착제를 소자의 밑면에 칠하여, 단말기의 외부 케이스와 직접 접합되어지도록 한다면, 오히려 좌측도에 비하여 열적인 경로가 단축되어 전도적인 열적 특성 또한 좌측도에 비하여 뒤질 것이 없게 된다. 또한 이때 사용되는 패드를 접지(GND)에 연결하여 EMI/EMC특성 확보를 위한 shield를 확보 할 수 있다. 제 3도 참조. 이 아이디어를 사용하면 제 10도와 같이 기존의 COB(Chip on board) 패키지의 조립시 전체적인 단말기의 두께 감소를 이룰수 있게 한다.

(ㄷ) 항의 기술적 과제에 대한 아이디어

금번 특허의 제안 내용이 초박형 영상 모듈의 구현에 초점을 맞추고 있으므로, 이를 구현하기 위한 구조적 변경 방안이다. 금번 (ㄷ)항의 아이디어는 (ㄱ), (ㄴ)항의 아이디어에 덧붙여 옵션 사항으로 구현될 수 있다. 금번 아이디어의 초점은 단말기가 사용되고 있지 않은 경우에, 스프링 장치를 이용하여 광학렌즈부를 단말기 몸체 안으로 밀어서 접어 넣을 수 있게 함으로써 광학 렌즈부의 촛점 거리에 해당하는 두께를 추가적으로 확보할 수 있게 하는 것이다. 제 4도를 참조하여, 광학계를 사용하지 않을 경우, 예를 들어 폴더형 단말기를 접어서 사용하지 않는 때, 스프링 장치를 통하여 받혀지는 렌즈부가 최대 영상소자의 유리면까지 후퇴할 수 있도록 하는 것이다. 사용자가 단말의 영상 장치를 사용할 때 혹은 폴더를 열 경우, 렌즈는 스프링의 힘에 의하여 튀어나오게 되어 원래 원하는 위치에서 본연의 역할을 수행할 수 있도록 한다. 렌즈의 단말기 몸체로 부터의 돌출 및 몸체로의 침하가 용이하도록 가이드 되는 경통의 구현이 필요하여 제 5도와 같이 렌즈부의 경통을 상단부 혹은 물체를 바라보는 쪽이 더 가늘게 되어 이동이 자유롭게 하였다. 이경우 오염 방지를 위한 턱을 렌즈의 제일 바깥쪽에 설치한다. 제 4도의 예에서는 4개의 스프링을 사용하여 렌즈의 이동을 제어하도록 하였다. 1개의 스프링을 사용할 수도 있는데, 이경우 스프링 장치는 광학계를 돌출하여 사용할 때 안정적으로 영상소자에 초점을 고르게 유지하게 하기 위하여, 일반 볼펜심에 이용되는 스프링과 유사하며, 인공위성등을 로켓에서 분리할 때 사용하는 스프링처럼, 스프링의 중심축이 흔들리지 않게 구동되어지는 형태를 갖추게 된다. 또한, 렌즈의 이동시 광학적으로 외부의 산란광에 대한 차단이 중요한데 이를 위하여 제 5도와 같이 렌즈 주변에 빛 차단용 주름을 두어 빛의 난입을 차단하였다. 또한 제 6도와 같이 추가적인 빛에 의한 교란을 막기 위하여 감지 소자의 유리 표면의 가장자리를 흑색으로 코팅하도록 하였다. 조립시, (ㄴ)항에서 언급한것과 같이 코팅이 되지 않은 나머지 면은 조립시 오염방지를 위해 플라스틱 보호막으로 씌어진다. 제 6도와 같은 효과를 추가적으로 얻기 위해 PCB의 사각 구멍을 뚫을 때 사각 구멍의 각도를 광학계쪽이 좁고 영상 소자쪽 면이 더 넓은 제 7도와 같이 하면 빛의 산란을 추가적으로 제한할 수 있다. 또한, 조립상 용이성, 예를 들면 스프링이 튀어 나오는등의 문제, 를 해결하기 위하여 제8도와 같이 조립전에 PCB상에 렌즈 고정용 틀을 만들어 케이스를 조립하고 난 후 회전시켜 사용 위치에 두게 된다.

(ㄹ)항의 기술적 과제에 대한 아이디어

(ㄷ)항의 경우 조립을 하기 위하여 필요한 부품이나 사용상의 신뢰성 문제가 제기되어 질 수 있는바, 이를 해결하기 위하여 보다 간편한 방법을 제시한다.

단말기를 휴대할때는 크기가 작고 간편해야 하지만, 실제 사용할때는 카메라가 약간 돌출되어 있더라도 크게 상관은 없기 때문에, 제 9도와 같이 폴더형의 상단부에 장착되어진 카메라 렌즈부가 돌출되어진 경우, 돌출된 렌즈부에 해당하는 체적만큼의 홈을 하단부에 파서 접힐 경우에 전체적인 두께를 최소한으로 유지 할 수 있다.

이상의 설명과 같이, 이동 단말기에 직접 사용되는 영상 단말기의 획기적인 초박형 구현을 실현하였다. 기존에 사용되는 카메라 모듈의 두께 문제를 해결하여 이동형 단말기에 영상 모듈 탑재를 보다 용이하게 하였으며, 특히 5mm내외의 두께를 실현하는 방안을 제시함으로써, 폴더형의 경우에 LCD창과 같은 면에 평행하게 카메라를 장착할 수 있게 함으로써, 영상이 display되어지는 LCD를 사각에서 보아야하는 문제점을 해결 하였다. (ㄷ)항의 간단한 기계 장치 혹은 (ㄹ)항의 단말기 몸체의 구조적인 변화를 통하여, 고화질의 광학계를 필요로한 경우에 추가적인 두께 감소 여지를 확보하도록 하였다.

Claims (12)

1. 영상 모듈의 초박형 실현을 위해 PCB두께와 PCB후면부의 부품들의 높이를 초점 거리 확보에 사용하도록 PCB에 영상센서의 시야각 만큼의 구멍을 절단한 뒤 영상 센서를 PCB 후면에 장착하는 방법.
2. 청구항1의 구현을 위하여 영상 센서 패키지를 영상 센서 후면부에 납땜용 패드가 만들어진것과 다르게 영상 소자가 있는 면쪽에 납땜용 패드를 설치하는 새로운 패키지를 구현하는 방법.
3. [청구항 1]의 구현을 위하여 불필요한 빛의 차단을 위해 영상 소자 유리면에 영상 소자부분을 제외하고 흑색 코팅하는 방법 및 조립시 오염을 방지하기 위하여 플라스틱 보호막을 사용하는 방법.
4. [청구항 2]의 를 활용하여 COB(Chip on Board)기법등의 기존의 초박형 패키지의 납땜 부위의 위치를 변경하여 두께를 추가적으로 감소할 수 있는 방법.
5. [청구항 1]의 구현을 위하여 PCB의 구멍을 뚫을 때 빛의 산란을 막기 위하여 광학계쪽이 좁고 영상 소자쪽 면이 더 넓은 경사로 절단하는 방법.
6. [청구항 1],[청구항 8]의 구현이 가격이나 신뢰성 부분에서 문제가 발생할때를 대비하여, 화질등의 요구로 인하여 광학계의 추가적인 길이 확보가 필요한 경우 광학계가 돌출될 때 폴더의 반대쪽 기구부에, 폴더를 접었을 때 광학계 돌출 부위를 수용할 수 있는 홈을 파서 휴대시의 단말기 두께를 최소화하는 방법.
7. [청구항 2]의 구현을 위해 열적인 보완을 위하여 영상 소자 후면부에 열전도율이 좋은 구리등을 활용하여 판을 덧붙인 후 이를 사용하지 않는 영상소자의 패드(GND)에 연결하여 전도성 확보 및 Ground shield 특성을 확보하는 방법
8. [청구항 2]의 구현을 위하여 열전도성을 확보하기 위하여 영상 소자 후면을 바로 이동형 단말기의 몸체등에 전도성이 좋은 접착제를 활용하여 접합하여 전도적인 열특성을 추가적으로 확보하는 방법.
9. 추가적인 두께 감소를 위하여 단말기를 사용하지 않을 때 스프링 장치를 이용하여 단말기 내부로 광학계를 밀어 넣을수 있도록한 방법.
10. [청구항 5]의 구현을 위하여 렌즈의 이동이 자유로울 수 있도록 렌즈 경통의 바깥쪽이 더 가늘게 하는 방법과 오염 방지를 위한 장벽 구현
11. [청구항 6]의 구현을 위하여 사용되는 스프링의 중심축이 흔들리지 않도록인공위성을 로켓에서 분리할 때 사용하는 스프링의 원리를 사용하는 방법.
12. [청구항 6]의 구현을 위하여 외부로 부터의 빛의 난 진입을 방지하기 위해 렌즈 경통 주변부에 배플(Baffle)을 구현하는 방법.