KR20080025026A - 광 조향 센서장치 및 이를 이용하는 광모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 조향 센서장치에 관한 것으로, 동일 기판에 반도체 광원과 함께 복수 개의 단위 광검출 어레이들을 집적하여 반도체 광원에서 발광된 광이 외부의 표면에 의해 반사되어 오면, 광검출 어레이는 반사된 광을 검출하여 모션을 센싱하는 기술을 개시한다. 본 발명에 의한 광조향 센서 장치를 이용한 모듈을 제작하게 되면, 그 전체 크기를 대폭적으로 축소하여 경박단소하게 제조가능하고, 공정이 단순하여 저렴한 가격으로 제조하는 것이 가능하다.
마우스, 레이저 다이오드, 조향센서

Description

광 조향 센서장치 및 이를 이용하는 광모듈 {OPTICAL NAVIGATION SENSOR DEVICE AND OPTICAL MODULE USING THE SAME}
본 발명은 광 조향 센서장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광 마우스 등에서 광 조향 센싱을 위해 사용가능한 광 조향 센서 장치 및 이를 이용하는 광모듈에 관한 것이다.
1990년대 초반, PC의 운영체제가 텍스트 기반의 MS-DOS에서 그래픽 기반의 윈도우즈(Windows)로 바뀌면서, 화면 상의 커서를 움직이는 마우스는 데스크톱 PC의 필수적인 입력장치로 자리 잡게 되었다. 초기의 마우스는 '볼 마우스'라고 불리는 기계식 마우스였다. 볼의 기계적 움직임을 샤프트 엔코더(shaft encoder)를 통해 감지하여 전기 신호로 변환하고, 그 결과를 토대로 커서의 위치를 결정하는 방식이었다. 기계식 마우스는 일정기간 사용하다 보면 볼에 이물질이 끼어서 모션의 센싱 감도가 저하되는 단점을 갖고 있다.
그 후, 1999년에 애질런트 테크널러지(Agilent Technologies)에 의해 최초로 개발된 LED(Light Emitting Diode)를 사용하는 광마우스(optical mouse)는 이런 기계식 마우스의 단점을 해결하였다. LED 광마우스의 작동 원리는, LED로부터 나온 광이 특정 표면을 조명하고, 그 표면으로부터 반사된 빛은 그 표면의 형태와 성질 등을 반영하는 분포를 갖게 된다. 그 반사된 빛이 광센서에 상을 맺도록 해서, 2차원의 전기적 이미지를 생성한다. 이 이미지의 시간에 대한 변화를 분석해서, 상대적인 위치 변화와 속도를 계산하고, 이를 통해 커서의 위치를 결정하는 방식이다.
그러나, LED 광마우스는 표면의 상태에 따라서 모션 센싱(motion sensing)의 감도가 크게 달라지는 단점이 있다. 초기의 LED 광마우스는 그리드(grid)가 그려진 전용 마우스 패드(mouse pad) 위에서만 제대로 동작했다. 그러나, 최근 모델은 성능이 많이 개선되어, 반사가 심하지 않은 표면에서는 안정적으로 동작하지만, 표면이 매끄러운 종이나 매끄러운 나무 책상 등 위에서는 여전히 제대로 동작하지 않는 문제점이 있었다. 레이저 다이오드(Laser Diode; LD) 광마우스는 이런 문제를 해결하였다.
LD 광마우스는 광원으로 LED 대신 LD를 사용하는데, 2004년 애질런트 테크널러지(Agilent Technologies)에 의해 최초로 개발되었다. LD에서 출력되는 빛은 코히어런트하기 때문에 표면에서 반사된 빛이 광센서에 도착할 때는 반사된 표면의 이미지가 아닌 스페클(speckle)의 형태가 된다. 스페클은 표면에서부터 광센서까지의 광 경로(optical path length) 차이로 인한 간섭의 결과로 생기기 때문에 표면의 상태에 민감하지 않다. 왜냐하면 반사표면이 광원의 파장 정도(∼10-7m)의 오차 범위로 평평하지 않는 이상 광 경로 차이는 발생하기 때문이다. 이러한 이유로, LD 광마우스는 LED 광마우스보다 20배 정도 향상된 감도를 제공하고 전력소모가 적기 때문에, 게임용이나 무선 광마우스에 적합하다. 한편, 종래 기술에 의한 광 조향 센서는 미국특허 제 US 6,934,037호와 미국특허 US 6,967,321호 등에 개시되어 있다.
이하, 종래기술에 의한 광조향 센서 장치를 설명한다. 도 1a은 종래 기술에 의한 광조향 센서 시스템의 블럭도이다.
도 1a을 참조하면, 레이저 다이오드(30)에서 나온 빛(32)은 콜리메이팅(collimating) 렌즈(28)를 통과하여 평행광(26)이 된다. 이 평행광(26)은 움직임을 관찰할 표면(10)을 비추고, 표면에서 반사된 빛(24)은 이미징 렌즈(22)를 거쳐 광센서(16)에 상이 맺히게 된다. 이때, 구경조리개(aperture stop)(20)에 뚫린 개구(18)의 크기를 조절함을 통해 광센서에 상이 맺힌 스페클의 크기를 조절하게 된다.
광센서(16)는 예를 들어 N*N개의 광센서 픽셀(16a)로 구성되며, 각 픽셀(16a)에 도달하는 빛의 양이 전압/전류 형태의 전기신호로 변환된다. 도 1b에는 N*N개의 광센서 픽셀 구조를 도시하고 있다.
이와 같은 종래 기술의 구조에서는 제작의 효율성 및 정렬(alignment)의 용이성을 위해 콜리메이팅 렌즈(28)와 이미징 렌즈(22), 그리고 이를 연결하는 도파 로가 하나의 연결된 형태를 이루고 있다. 이러한 기본 형태로부터 다양한 형태의 실제 구현이 존재하지만, 대부분의 경우 상술한 구성요소들을 모두 포함하게 된다.
한편, 레이저 다이오드(30)가 보통 CAN 형태로 패키징 되어 있고, 콜리메이팅 렌즈(28), 광 도파로(미도시), 이미징 렌즈(18) 등의 광학 부품이 별도로 제작되어 별도의 부피를 차지하기 때문에 광마우스 광모듈의 전체 크기는 대략 16mm(가로)*31mm(세로)*20mm(높이) 정도이다.
따라서, 점점 소형화, 정밀화되어 가는 광 마우스의 구조를 볼 때 아직도 그 성능과 크기 면에서 개선의 여지가 많이 있는 실정이다. 특히, 전자기기 본체와 분리된 형태의 광마우스 뿐 아니라, 전자기기 본체에 내장된 형태의 조향장치가 필요해 지고 있는 현재 추세에 비추어 볼 때 광 조향장치 (navigation device)의 소형화는 더욱 강조되고 있는 실정이다. 예를 들어, 랩톱컴퓨터(laptop computer), 태블릿 PC, PDA 등과 같은 휴대용 전자기기는 적어도 한 개 이상의 조향장치(navigation device)를 포함하고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광 조향 센서장치의 전체 크기를 감소시키는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 광원과 광검출기를 1개의 집적소자로 제조함으로써 부품의 개수를 줄이고, 공정 단순화를 꾀하여 비용 고효율의 광조향 센서장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 필요한 외부렌즈를 줄일 수 있는 광조향 센서장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 기판 상의 일영역에 발광영역을 구비하여 형성된 적어도 하나의 반도체 광원; 및
반도체 광원이 형성된 기판과 동일한 기판 상에 함께 집적되어 형성되며, 수광 영역을 구비하는 복수 개의 단위 광검출소자들로 구성되는 광검출 어레이를 포함하되, 반도체 광원에서 발광된 광이 외부의 표면에 의해 반사되어 오면, 상기 광검출 어레이는 상기 반사된 광을 검출하여 모션을 센싱하는 광 조향 센서장치를 제공한다.
반도체 광원은 기판을 기준으로 상부로 발광하는 탑에미션 방식 또는 기판 쪽으로 발광하는 배면 발광할 수 있다.
바람직하게는, 반도체 광원의 발광 경로 상에는 마이크로 렌즈가 더 추가되며, 마이크로 렌즈는 기판 상에 함께 집적된다.
바람직하게는, 반도체 광원은 상기 기판에서 부터 제1 분산 브래그 반사기층, 발광영역, 제2 분산 브래그 반사기층을 구비하고, 광검출소자는 상기 기판에서 부터 제1 분산 브래그 반사기층, 수광영역, 제2 분산 브래그 반사기층을 구비한다.
바람직하게는, 반도체 광원은 수직공진레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)이고, 상기 광검출소자는 공진구조 광수신기(Resonant-Cavity Enhanced Photodetector) 또는 MSM(Metal-Semiconductor-Metal) 광검출기일수도 있다.
본 발명의 제2 측면에 의하면, 기판 상에 N X M 매트릭스 형태로 형성된 단위 광소자들을 포함하여 구성된 광조향 센서 장치로서(M, N 중 적어도 하나는 자연수 2이상),
상기 단위 광소자들 중 적어도 하나는 발광영역을 구비하는 반도체 광원이고, 반도체 광원 이외의 단위 광소자들은 광검출소자들이며, 반도체 광원에서 발광된 광이 외부의 표면에 의해 반사되어 오면, 상기 광검출 소자들은 상기 반사된 광을 검출하여 모션을 센싱하는 광 조향 센서장치를 제공한다.
바람직하게는, 반도체 광원의 발광 경로 상에는 외부 렌즈를 더 구비한다.
본 발명의 제3 측면은 광 조향 센서장치를 이용한 광모듈에 있어서,
기판 상에 N X M 매트릭스 형태로 형성된 단위 광소자들을 포함하여 구성된 광조향 센서 장치로서(M, N 중 적어도 하나는 자연수 2이상), 상기 단위 광소자들 중 적어도 하나는 발광영역을 구비하는 반도체 광원이고, 상기 반도체 광원 이외의 단위 광소자들은 광검출소자들이며, 상기 반도체 광원에서 발광된 광이 외부의 표면에 의해 반사되어 오면, 상기 광검출 소자들은 상기 반사된 광을 검출하여 모션을 센싱하는 광 조향 센서장치; 및
상기 광 조향 센서 장치에 접속되며, 상기 광조향 센서장치에 전압/전류를 인가하고, 각종 정보를 검출하기 위해 회로들이 구비된 인쇄회로 기판을 구비하는 광 조향 센서장치를 이용한 광모듈을 제공한다.
광조향 센서 장치와 상기 인쇄회로 기판은 와이어 본딩 또는 플립칩 본딩에 의해 접속될 수 있다.
바람직하게는, 광 조향 센서장치로과 외부 표면 사이의 광경로 상에 외부 렌즈를 더 구비한다.
상술한 방식으로 제작된 광모듈은 광모듈은 광 마우스 또는 전자기기 본체에 내장된 형태의 광마우스에 사용된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명의 광 조향 센서장치를 이용하면, 전체 광모듈의 크기를 대폭적으로 축소하여 경박단소하게 제조가능하고, 공정이 단순하여 저렴한 가격으로 제조 하는 것이 가능하다.
(2) 또한, 종래 기술에 의한 경우보다 정확도가 높은 광 조향이 가능하게 되어 이를 광마우스에 적용하게 되면 종래기술에 비해 높은 정확도를 가질 수 있고, 광 도파로, 외부 렌즈 등 부품의 갯수를 줄일 수 있게 되는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
(제1 실시예)
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다. 단면도는 평면도의 A-B를 절취한 단면이다.
도 2를 참조하면, 광조향 센서장치는 기판(100) 상에 함께 집적하여 제조하며 광원부(C)과 광검출부(D)를 구비한다.
광원부(C)와 광검출부(D)는 반도체 기판(100) 상에 서로 영역을 나눠 형성되며 각각이 발광 영역(106)과 수광 영역(206)을 구비한다. 도 2의 광원부(C)와 광 검출부(D)에는 각각 하나의 반도체 광원과 광검출소자가 도시되어 있지만, 실제 광조향 센서장치에 이용하기 위해서는 하나 이상의 반도체 광원을 구비할 수 있고, 광검출소자도 복수개를 구비하는 것으로 구성할 수 있다(도 3 참조).
도 2의 구조에서, 반도체 광원에서 발광된 광이 외부의 표면에 의해 반사되어 오면, 광 검출소자는 반사된 광을 검출한다. 따라서, 이러한 구조를 광 조향 센서장치에 적용하면 움직임을 센싱할 수 있게 되는 것이다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
또한, 제1 실시예에 의한 반도체 광원은 기판의 상부로 발광하는 방식일 수도 있고, 기판의 하부로 발광하는 방식으로 구현될 수도 있다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분의 상세 구성의 일예를 설명한다.
도 2를 참조하면, 광조향 센서장치는 n형 반도체 기판(100) 상에 제1 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector;120), 제2 분산 브래그 반사기들(103,203), n형 오믹접촉층(104,204), p형 오믹접촉층(108,208), 발광영역(106), 수광영역(206), 및 n형 전극(101,201)과 p형 전극(102,202)을 구비하고 있다. 그리고 발광의 개구부, 수광의 개구부를 노출하며 상기 광 조향 센서장치의 전체 구조를 덮는 형식으로 폴리이미드 등의 수지를 도포하여 폴리머층(300)이 형성되어 있다.
기판(100)은 n형 반도체 기판을 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 GaAs, InP 계열의 화합물 반도체를 이용할 수 있지만 발광영역이 성장될 수 있으면 특별히 한정되지 않고 다양한 종류가 가능하다. 즉, 필요에 따라서는 유리 기판 및 사파이어기판 등도 모두 포함될 수 있다.
발광영역(106)은 음극과 양극으로부터 공급된 전자와 정공의 재결합이 이루어지면서 발광이 일어나는 영역이다. 발광영역(106)은 벌크형, 반도체 양자우물, 양자점 등이 가능하다.
제1 및 제2 분산 브래그 반사기들(120,103,203)은 높은 굴절률의 물질층과 낮은 굴절률의 물질층이 각각 소정 두께를 가지고 교대로 적층된 구조를 가지도록 구성하는 것이 가능하다.
제1 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector;120), 제2 분산 브래그 반사기들(103,203)의 반사 특성을 조절하여 발광영역(106)에서 발광된 광을 상부 또는 하부로 진행할 수 있도록 할 수 있고, 제1 및 제2 분산 브래그 반사기는 층수를 가감함으로써 반사율을 조절하여 상방향 또는 하방향으로 방출되는 빛의 양을 조절하는 것도 가능하다.
제1 실시예의 실제 제작 공정의 일예를 설명하면, 먼저, n형 반도체 기판(100) 상에 제1 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector;120), n형 오믹접촉층(104,204), p형 오믹접촉층(108,208), 발광영역(106), 수광영역(206), 제2 분산 브래그 반사기들(103,203)을 순차적으로 적층하는 구조를 형성한 후, 상부에서부터 먼저, 제2 분산 브래그 반사기들(103,203)을 선택적으로 식각하고, p형 오 믹접촉층(108,208) 및 발광층(106,206)을 선택적으로 식각하고, 이어서 n형 오믹접촉층(104,204) 및 제1 분산 브래그 반사기를 선택적으로 식각한다.
다음으로, 이와 같이 제작된 전체구조에서 발광의 개구부, 수광의 개구부를 노출하며 상기 광조향 센서장치의 전체 구조를 덮는 형식으로 폴리이미드 등의 수지를 도포하여 폴리머층(300)을 형성하고, 이 폴리머층(300)을 선택적으로 식각, 금속증착, 금속 패터닝 공정을 통하여 n형 전극(101,201)과 p형 전극(102,202)을 형성한다.
도 3은 제1 실시예에 의해 제작된 광조향센서 장치(960)의 전체 구조를 도시한 도면이다. 도 2의 광조향 센서 장치의 일부가 포함되어 전체 광조향 센서 장치(960)를 구성한다.
도 3을 참조하면, 기판 상에 N X M 매트릭스 형태로 형성된 단위 광소자(901,961)들을 포함하여 구성되고, 단위 광소자들 중 적어도 하나는 발광영역을 구비하는 반도체 광원(901)이고, 반도체 광원 이외의 단위 광소자들은 광검출소자들(961)이다. 다만 도 3에서는 7 X 7 매트릭스 형태의 단위 광소자들을 구비하는 광 조향 센서 장치를 도시하고 있고, 반도체 광원은 1개 인 경우를 예로 도시하고 있다. 여기서 N, M 중 적어도 하나는 2이상의 자연수이다.
한편, 반도체 광원(901)에서 발광된 광이 외부의 표면에 의해 반사되어 오면, 상기 광검출 소자들(961)은 반사된 광을 검출하여 모션을 센싱하게 된다.
도 4는 도 3의 광조향 센서 장치(960)를 이용하여 구성한 광조향 센서 시스템의 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 제1 실시예에 의한 광조향 센서 장치(960)의 반도체 광원(도 3의 901)에서 나온 광(970)은 렌즈(950)를 통과하여 대략 평행광으로 되고 이 광(930)이 움직임을 관찰할 외부의 표면(900)을 비추어 표면에서 반사된 빛(940)은 다시 렌즈(950)를 거쳐 광조향 센서 장치(960)의 광검출소자들(도 3의 961)에 상이 맺히게 된다.
광조향 센서 장치(960)에서 반도체 광원(601) 픽셀의 위치는 도 3에 도시한 바와 같이 중앙일 수도 있고, 가장자리일 수도 있으며(도 5 참조), 움직임을 센싱하는 알고리즘을 어떻게 구현하는가에 따라 임의의 위치에 놓일 수 있다.
제1 실시예에 따른 광조향 센서 장치는 모든 종류의 집적화될 수 있는 반도체 광원과 광검출소자에 적용 가능하다. 바람직하게는, 반도체 광원으로 수직공진 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)을 사용하게 되면, 수직공진 레이저가 전력소모가 적어서 출력이 작은 응용분야에 적합하다. 한편, 수직공진 레이저와 쉽게 단일 집적될 수 있는 광검출소자는 공진구조 광수신기(Resonant-Cavity Enhanced Photodiode)가 바람직하다.
공진구조 광수신기는 수직공진 레이저의 각 층의 적층 성장구조와 유사성이 있으므로 집적이 용이하며, 공진 파장만을 검출하기 때문에 잡음의 영향을 덜 받게 된다. 바람직하게는, 공진구조 광수신기의 공진 파장은 수직공진 레이저의 출력파 장과 동일하게 한다.
제 1실시예의 광 조향 센서장치를 이용하면, 전체 광모듈의 크기를 대폭적으로 축소하여 경박단소하게 제조가능하다. 또한, 공정이 단순하여 저렴한 가격으로 제조하는 것이 가능하다. 또한, 종래 기술에 의한 경우보다 정확도가 높은 광 조향이 가능하게 되어 이를 광마우스에 적용하게 되면 종래기술에 비해 높은 정확도를 가질 수 있다. 또한, 광원에서 나가는 광과 반사되어 들어오는 광이 동일한 광축 상에 있기 때문에, 별도의 광도파로의 사용이 불필요하게 된다.
(제2 실시예)
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다. 단면도는 평면도의 A-B를 절취한 단면이다.
도 6을 참조하면, 광조향 센서장치는 n형 반도체 기판(100) 상에 제1 분산 브래그 반사기(120), 제2 분산 브래그 반사기들(103,203), n형 오믹접촉층(104,204), p형 오믹접촉층(108,208), 발광영역(106), 수광영역(206), 및 n형 전극(101,201)과 p형 전극(102,202)을 구비하고 있다. 그리고 발광의 개구부, 수광의 개구부를 노출하며 상기 광조향 센서장치의 전체 구조를 덮는 형식으로 폴리이미드 등의 수지를 도포하여 폴리머층(300)이 형성되어 있다.
설명의 편의를 위해 제1 실시예와의 차이점을 위주로 설명하면, 제2 실시예에서는 반도체 광원에 마이크로 렌즈가 같이 집적되어 있는 구조를 갖는 것이 제1 실시예와의 주된 차이점 중 하나이다. 특히, 제2 실시예에서는 제2 분산 브래그 반사기 미러들(103) 상부에 마이크로 렌즈(105)가 형성되는 경우이고, 제3 실시예는 반도체 기판(100)의 하부에 마이크로 렌즈(110)가 형성되는 경우이다.
이와 같이 반도체 광원에 선별적으로 마이크로 렌즈(105)를 집적하는 것은 제작단계에서 손쉽게 이루어질 수 있으며, 그 제작 방법은 특별히 한정되지 않은 다양한 방식으로 제작하는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 발명자들에 의해 출원되고 공개된 한국특허공개번호 2006-43912호와 한국출원번호 2005-114145에 개시된 방식을 이용하여 제작할 수 있다.
마이크로 렌즈(105)를 제작하는 일예를 한국특허공개번호 2006-43912호를 참조하여 설명하면, n형 반도체 기판(100) 상에 제1 분산 브래그 반사기(120), n형 오믹접촉층(104,204), p형 오믹접촉층(108,208), 발광영역(106), 수광영역(206), 제2 분산 브래그 반사기들(103,203)을 순차적으로 적층한 후에 마이크로 렌즈를 제조하기 위하여 알루미늄 비율을 점진적으로 증가시키면서 화합물 반도체 산화가능층(109)을 형성한다. 그 후, 고온에서 산화를 시키면 알루미늄 비율이 높은 부분(107)은 산화물이 되어 굴절률이 낮아지고, 알루미늄 비율이 낮은 부분(105)은 원래 화합물 반도체 상태로 남아있어 높은 굴절률을 갖게 되어 렌즈역할을 하게 된다. 렌즈의 초점거리는 산화시간, 온도, 산화가능층의 성장조건 등을 조절해 변화시킬 수 있다.
이와 같이 마이크로 렌즈 구조를 반도체 광원에 집적하는 방식으로 제조된 광 조향 센서장치를 제1 실시예의 도 3 또는 도 5 등과 같은 어레이 형태로 제작한 다. 그리고, 제2 실시예의 광조향 센서 장치를 이용하여 도 4와 동일한 구조로 광조향 센서 시스템을 구성한다.
제2 실시예에 의하면, 반도체 광원의 발광영역(106)에서 발광된 광이 개구부를 통해서 나갈 때 집적된 마이크로렌즈(105)와 외부 렌즈(950)을 통과하며 대략 평행광으로 되고 이 광(930)이 움직임을 관찰할 외부의 표면(900)을 비춘다. 표면(100)으로부터 반사된 빛(940)은 다시 외부렌즈(950)를 통과한 후 광 조향센서 장치(960)에 상이 맺히게 된다. 스페클의 크기는 개구 조리개(910)에 뚤린 개구의 크기(911)를 통해 조절할 수 있다.
도 7 및 도 8은 제2 실시예에 의하여 마이크로 렌즈와 외부렌즈를 사용하는 경우를 설명하기 위한 개념도들이다. 도 7은 반도체광원(909)에서 발광된 광이 마이크로 렌즈(921)와 외부렌즈(950)를 통과하여 진행하는 과정을 도식화한 도면이고, 도 8은 외부표면에 의해 반사되어 돌아오는 광이 외부렌즈(950)와 마이크로 렌즈(921)를 통과하여 진행하는 과정을 도식화한 도면이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 마이크로렌즈(921)와 외부렌즈(이미징 렌즈)(950)는 함께 평행광(930)을 만들어 내고, 외부 렌즈(950)는 상을 맺는 역할을 한다. 이 경우, 외부 렌즈(950)의 초점거리 f e 은 두 개의 렌즈가 얇다고 가정할 때, 다음 식에 의해 결정된다. 마이크로렌즈(921)의 초점거리는 f i 로 나타낼 수 있다
Figure 112007095134485-PAT00001
여기에서 d2은 외부 표면(반사면)과 외부 렌즈(950) 사이의 거리이며 d1는 외부 렌즈(950)와 광조향 센서 장치(961) 사이의 거리이다. 정밀한 렌즈의 설계는 수치계산을 통해 결정될 수 있다.
한편, 제 2 실시예에서는 마이크로 렌즈(921)를 사용함을 통해 외부 렌즈(950)의 개수를 줄일 수 있는 효과가 있다. 예를 들어, 도 1a의 종래기술에 비해 제2 실시예에서는 외부 렌즈의 개수가 2개에서 1개로 줄일 수 있다.
(제3 실시예)
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제3 실시예를 상세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다. 단면도는 평면도의 A-B를 절취한 단면이다.
도 9를 참조하면, 광조향 센서장치는 n형 반도체 기판(100) 상에 제1 분산 브래그 반사기(120), 제2 분산 브래그 반사기들(103,203), n형 오믹접촉층(104,204), p형 오믹접촉층(108,208), 발광영역(106), 수광영역(206), 및 n형 전극(101,201)과 p형 전극(102,202)을 구비하고 있다. 그리고 발광의 개구부, 수광의 개구부를 노출하며 상기 광조향 센서장치의 전체 구조를 덮는 형식으로 폴리이미드 등의 수지를 도포하여 폴리머층(300)이 형성되어 있다.
설명의 편의를 위해 제1 실시예와의 차이점을 위주로 설명하면, 제3 실시예에서는 반도체 광원에 마이크로 렌즈가 같이 집적되어 있는 구조를 갖는 것이 제1 실시예와의 주된 차이점 중 하나이다.
설명의 편의를 위해 제1 실시예와의 차이점을 위주로 설명하면, 제3 실시예에서는 반도체 광원에 마이크로 렌즈가 같이 집적되어 있는 구조를 갖는 것이 제1 실시예와의 주된 차이점 중 하나이다. 특히, 제2 실시예에서는 제2 분산 브래그 반사기들(103) 상부에 마이크로 렌즈(105)가 형성되는 경우인 반면, 제3 실시예는 반도체 기판(100)의 하부에 마이크로 랜즈(110)가 형성되는 경우이다.
또한, 제1 실시예와 제2 실시예는 반도체 광원에서 기판 상부로 발광하는 경우이고, 제3 실시예는 기판을 관통하여 하면으로 발광하는 경우이다. 따라서, 제3 실시예에서는 하면으로 발광하기 위하여 제1 및 제2 실시예와 다른 구조상의 차이점을 가지게 된다. 예를 들어, 제1 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector;120), 제2 분산 브래그 반사기들(103,203)의 기능도 발광영역(106)에서 발광된 광을 하부로 진행할 수 있도록 각 반사특성을 조정한다.
기판 하부 표면에 마이크로 렌즈를 형성하는 방법 중 리플로우(reflow) 방법에 대해 간략히 설명하면, 먼저 기판(100) 하부에 포토 리소그라피(photo lithography)를 사용하여 원하는 크기의 포토리지스트(photo-resist) 원통형 패턴을 형성하고 이를 가열하여 리플로우시키면, 표면장력에 의해 원통형의 포토리지스트가 가운데는 두껍고 가장자리는 얇은 렌즈 형태로 변화하게 된다. 형성된 렌즈 모양의 포토리지스트를 마스크로 사용하여 건식식각을 하게되면, 기판(100) 하부에 마이크로 렌즈(110)가 형성되게 된다.
제3 실시예에 의하면, 반도체 광원의 발광영역(106)에서 발광된 광이 개구부 를 통해서 나갈 때 집적된 마이크로렌즈(110)를 통과하여 진행하게 됨으로써 빔 다이버전스(beam divergence)가 줄어든다. 이하, 제3 실시예의 경우 기판을 기준으로 제2 실시예와 발광된 광의 진행 방향만 상이하므로 설명의 편의를 위해 상세한 설명은 생략한다.
(제4 실시예)
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제4 실시예를 상세히 설명한다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다. 단면도는 평면도의 A-B를 절취한 단면이다.
제 4실시예에 따른 광조향 센서 장치는 광검출소자로 제1 내지 제3 실시예에 도시된 공진구조 광수신기 이외에 MSM(Metal-Semiconductor-Metal) 광검출기를 구비하고 있다.
제1 실시예와의 차이점을 위주로 설명하면, 제4 실시예에서는 광흡수층(304)과 쇼트키금속층(301,302)이 제2 분산 브래그 반사기 미러(210) 상부에 형성되어 광 검출기 역할을 수행하는 경우이다.
MSM(Metal-Semiconductor-Metal) 광검출기 구조에 의하면 광검출 영역을 보다 넓게 구성할 수 있어 광 검출 효율을 높일 수 있는 장점이 있게 된다. 광검출 효율이 좋아지면, 센싱하는 민감도가 향상될 것으로 예상된다. 한편, 쇼트키 구조의 광검출기에서는 정전용량과 저항에 의해 결정되는 시정수(tRC : RC time constant)와 광신호에 의해 발생되는 전자 또는 정공이 광검출기의 광흡수층을 지나가는데 걸리는 시간(tT : transit time)을 적절히 조절하여 광검출속도를 극대화 할 수 있다. 다만, 모션 센싱에서는 통신용 소자처럼 수 GHz의 빠른 속도가 필요한 것 보다 광 검출효율을 증가시키는 것이 유리할 있다.
한편, 제4 실시예에 의한 광 조향 센서 장치는 기판 상부로 발광하는 반도체 광원으로 구성하는 것이 바람직하다.
(광 조향 센서장치를 이용한 광모듈)
도 11 내지 도 14는 제1 내지 제4 실시예에 따른 광 조향 센서장치를 이용하여 실제 제조한 광모듈을 도시한 도면들이다. 구체적으로는, 도 11 및 도 12는 와이어 본딩 방식에 의하여 제조된 광모듈을 나타내는 도면들이고, 도 13 및 도 14는 플립칩 본딩에 의해 제조된 광모듈을 나타내는 도면들이다.
먼저, 도 11 및 도 12를 참조하여 와이어 본딩 방식을 설명하면, 기판 상에 N X M 매트릭스 형태로 형성된 단위 광소자(510, 520)들을 포함하여 구성되고, 각 단위소자들에 전압/전류를 인가하기 위한 배선들과 접속부(508)가 표시된 전체 광 조향 센서장치(500)가 제조되고, 이 광조향 센서장치(500)는 배선들 및 단자들(608)을 구비하는 인쇄회로기판(600)의 소정 영역 상부에 하우징된다. 각 단위 광소자들에 전압을 인가하기 위한 배선들은 와이어 본딩 방식에 의해 서로 접속된 다.
도 11에서는 중앙의 단위 광소자가 반도체 광원이고, 그 주위로 광검출소자인 단위 광소자가 구비되어 있는 상황을 도시하고 있다.
인쇄회로기판(600)에는 광 조향 센서 장치(500)에 전압을 인가하기 위한 각종 회로들이 구비되어 있고 이러한 사항들은 당업자에게는 널리 알려진 방식으로 구성할 수 있으므로 상세히 설명하지 않는다.
한편, 와이어 본딩 방식은 인쇄회로기판(600) 상부에 광 조향 센서장치(500)가 하우징되는 구조를 가지고 있으므로, 광조향 센서 장치(500)에 구비되는 반도체 광원이 기판 상부로 발광하는 방식인 제1, 제2, 제4 실시예에 적용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 13 및 도 14를 참조하여 필립칩 본딩방식을 설명하면, 기판 상에 N X M 매트릭스 형태로 형성된 단위 광소자(710, 720)들을 포함하여 구성되고, 각 단위소자들에 전압/전류를 인가하기 위한 배선들과 접속부(708)가 표시된 전체 광 조향 센서장치(700)가 제조되고, 이 광조향 센서장치(700)는 배선들 및 단자들(708)을 구비하는 인쇄회로기판(800)과 플립칩 본딩 방식에 의해 접속된다. 이 경우, 광조향 센서장치(700)의 접속단자(708)와 인쇄회로기판(800)의 단자(808)는 금속공(미도시)에 의해 서로 접속된다. 다만, 플립칭 본딩 방식에 의하면 광조향 센서장치(700)의 기판 상부에 단자들이 형성되어 있는 면과 인쇄회로기판(800)에서 단자들이 형성된 면이 서로 대향되도록 접속한다. 따라서, 플립칩 본딩방식은 반 도체 광원에서 발광된 광이 기판의 하부로 진행하는 배면발광 구조에 더욱 적합하게 된다. 제1 및 제3 실시예는 배면발광에 의해 발광할 수 있는 광 조향 센서장치를 설명하고 있다.
플립칩 본딩시 금속공(미도시) 금(Au), 금-주석(Au-Sn)과 같은 금속 재질을 사용하며, 직경 20 ~ 30 ㎛ 정도의 크기로 형성하여 각 단위소자들의 단자들을 인쇄회로 기판의 단자들과 서로 접속할 수 있도록 한다.
도 15는 본 실시예들에 의한 광 조향 센서장치를 실제 전자기기에 내장하여 이용하는 상황을 도시한 개념도이다.
도 15를 참조하면, 전자기기에 내장된 광조향 센서 장치(960)에 의해 사람의 손(100)의 움직임을 센싱되는 상황을 도시하고 있다.
제1 실시예 내지 제4 실시예에 의한 광조향 센서장치는 일반적인 광 마우스에 사용하면 초소형이면서도 센싱 효율이 우수한 광 마우스를 구현할 수 있다. 또한, 전자기기 본체에 내장된 형태의 광 마우스를 실제 구현하는데 특히 유용할 수 있다.
보통 내장된 형태의 조향장치(optical navigation device)는 휴대성이 강조된 소형 전자장치에 주로 사용된다. 예를 들어 현재 랩톱 컴퓨터에는 주로 터치패드가 태블릿PC나 PDA의 경우에는 터치스크린이 조향장치로 많이 사용되고 있는데, 본 발명의 광 조향센서 장치를 이용하면 보다 효과적이면서 초소형이면서도 센싱 효율이 우수한 조향기능을 구현할 수 있게 된다. 또한, 종래기술에 의한 레이저 다이오드를 이용한 광마우스 모듈을 대체하여 사용할 수도 있다.
이상에서 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1a은 종래 기술에 의한 광조향 센서 시스템의 블럭도이고, 도 1b에는 N*N개의 광센서 픽셀 구조를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 3은 제1 실시예에 의해 제작된 광조향센서 장치(960)의 전체 구조를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 광조향 센서 장치(960)를 이용하여 구성한 광조향 센서 시스템의 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 7 및 도 8은 제2 실시예에 의하여 마이크로 렌즈와 외부렌즈를 사용하는 경우를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 조향 센서장치의 일부분에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 11 내지 도 14는 제1 내지 제4 실시예에 따른 광 조향 센서장치를 이용하여 실제 제조한 광모듈을 도시한 도면들이다.
도 15는 본 실시예들에 의한 광 조향 센서장치를 실제 전자기기에 내장하여 이용하는 상황을 도시한 개념도이다.

Claims (5)

  1. 기판 상의 일영역에 발광영역을 구비하여 형성된 적어도 하나의 반도체 광원; 및
    상기 반도체 광원이 형성된 기판과 동일한 기판 상에 함께 집적되어 형성되며, 수광 영역을 구비하는 복수 개의 단위 광검출소자들로 구성되는 광검출 어레이를 포함하되,
    상기 반도체 광원에서 발광된 광이 외부의 표면에 의해 반사되어 오면, 상기 광검출 어레이는 상기 반사된 광을 검출하여 모션을 센싱하는 광 조향 센서장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 광원은 기판을 기준으로 상부로 탑에미션 방식으로 발광하는 것을 특징으로 하는 광 조향 센서장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 광원은 상기 기판 쪽으로 배면 발광하는 것을 특징으로 하는 광 조향 센서장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 광원의 발광 경로 상에는 마이크로 렌즈가 더 추가되며, 상기 마이크로 렌즈는 상기 기판 상에 함께 집적된 것을 특징으로 하는 광 조향 센서장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 광원은 상기 기판에서 부터 제1 분산 브래그 반사기, 발광영역, 제2 분산 브래그 반사기를 구비하고,
    상기 광검출소자는 상기 기판에서 부터 제1 분산 브래그 반사기, 수광영역, 제2 분산 브래그 반사기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 조향 센서장치.
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