KR20180096988A - 광학부 일체형 광센서 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학부 일체형 광센서 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 발광소자와 수광소자가 실장되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)과, 상기 PCB 상에 실장된 발광소자와 수광소자를 수용하는 광학부를 포함하되, 렌즈 하우징을 사용하며, 광투과 재질 및 광학물을 제외하고는 일반 사출물을 사용하지 않고 제작하는 공정에 의해 상기 렌즈 하우징을 자체 몰드로 하여 렌즈를 상기 렌즈 하우징에 직접 사출성형함으로써, 상기 렌즈가 상기 렌즈 하우징과 일체화 되어 하나의 패키지에 집약되도록 구성되어 소형 박형화가 가능하게 되며, 제조공정의 단순화로 광학계통의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명은 발광소자와 수광소자가 실장되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)과, 상기 PCB 상에 실장된 발광소자와 수광소자를 수용하는 광학부를 포함하되, 렌즈 하우징을 사용하며, 광투과 재질 및 광학물을 제외하고는 일반 사출물을 사용하지 않고 제작하는 공정에 의해 상기 렌즈 하우징을 자체 몰드로 하여 렌즈를 상기 렌즈 하우징에 직접 사출성형함으로써, 상기 렌즈가 상기 렌즈 하우징과 일체화 되어 하나의 패키지에 집약되도록 구성되어 소형 박형화가 가능하게 되며, 제조공정의 단순화로 광학계통의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
Description
본 발명은 물체를 감지하여 신호로 출력하는 광센서 모듈에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 발광소자와 수광소자가 실장되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)과, 상기 PCB 상에 실장된 발광소자와 수광소자를 수용하는 광학부를 포함하되, 렌즈 하우징을 사용하며, 광투과 재질 및 광학물을 제외하고는 일반 사출물을 사용하지 않고 제작하는 공정에 의해 상기 렌즈 하우징을 자체 몰드로 하여 렌즈를 사출 성형함으로써, 상기 렌즈가 상기 렌즈 하우징과 일체화 되어 하나의 패키지에 집약되도록 구성되는 광학부 일체형 광센서 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이에 따라 소형 박형화가 가능하게 되며, 제조공정의 단순화로 광학계통의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 광학부 일체형 광센서 모듈이 제공된다.
이동통신의 발전은 휴대용 컴퓨팅 디바이스들(예를 들면, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터들과 같은 기기들은 특정인들의 소지품으로 여겨지던 시기로부터, 보편적 필수품들에 가까운 것으로 전이되었다.
휴대용 컴퓨팅 디바이스들의 폭넓은 채택은 해당 플랫폼들에 대해 사용 가능한 소프트웨어 프로그램들, 일명 “앱(apps)"의 수를 폭발적으로 증가하게 하였다.
많은 앱 들은 광(光) 감지를 통해 특정 대상의 동작을 비접촉으로 제어할 수 있도록 감지하는 센서의 신호에 의해 동작되도록 설계된다. 이러한 센서는 일반적으로 광센서 모듈이라 통칭된다.
상기 광센서 모듈은 대상 물체로부터 수신되는 광을 감지하는 방식이었으나, 근래에는 센서에서 자체적으로 광을 발광(發光)하고 발광된 광이 대상에서 반사되어 돌아오는 광을 수광(受光)하는 방식으로 감지 신호를 출력한다.
한편, 무선 통신기술 및 웨어러블 스마트 기기의 발달과 바이오 센서의 소형화, 고집적화 등 ICT와 의료기기의 융합이 활발해지면서 스마트폰 및 웹서비스 기반 U-헬스케어(Ubiquitous Healthcare) 및 모바일 헬스케어(Mobile Healthcare) 시스템이 주목받고 있다.
이러한 시스템들은 무선 통신기술 및 웨어러블 스마트 기기의 발달과 바이오 센서의 소형화, 고집적화 등과 같은 기술적 진보에 의해 보다 발전된 서비스를 제공할 수 있게 된다.
예를 들면, 스마트 기기의 경우 통화상태를 제어하기 위해 사용자의 화면 접근 여부를 감지하거나, 블루투스(bluetooth) 기능, 배터리 전력의 사용량을 제어하기 위한 기능을 포함하여 각종 어플리케이션을 수행하기 위한 감지신호를 센싱하는 근접센서가 있을 수 있으며, 바이오센서의 경우 생체신호 데이터를 획득하는 가슴패치에서 사용자의 심박수를 감지하는 맥박센서와 사용자의 체온을 감지하여 생체신호 데이터를 제공하는 체온센서 등이 있다, 이들 광센서 모듈의 소형화 박형화는 각종 스마트기기와 모바일 헬스케어 시스템의 성능, 품질 및 기구적 설계에 있어서 중요한 부분을 차지하고 있다.
도 1은 종래 광센서 모듈의 일례를 개략적으로 도시하고 있다.
이 도면을 참조하면, 종래의 광센서 모듈은 렌즈 하우징(100), 렌즈(110), 지지 구조물(300) 및 PCB(20)로 이루어지는 구조를 갖는다.
상기 렌즈 하우징(100)은 렌즈(110)기 부착 고정되며, PCB(20) 상에 고정되는 고정구조물(300) 상부에 접착 고정되는 구조를 가진다.
상기 PCB(20) 상에는 적외선을 발광하는 발광소자(210) 및 발광된 적외선이 대상으로부터 반사되어 수광되는 수광소자(220)가 형성된다.
상기 발광소자(210) 및 수광소자(220)는 PCB(20) 표면에 실장되는 공정을 필요로 한다.
여기에서 표면실장 공정은, PCB(20)의 겉면에 표면실장 부품을 실장하여 PCB와 부품의 전기적 접속을 행하기 위하여 고온의 열원을 가함으로써 이루어진다.
이러한 발광소자(210) 및 수광소자(200)는 상기 PCB(20)상에 고정되는 렌즈 하우징(100)이 형성하는 내부공간에 수용되며, 그 상부에는 광학렌즈(110)가 배치되고, 발광소자(210)에서 발광된 적외선이 수광소자(220)로 직접 입사되지 않도록 하기 위하여 발광소자(210)와 수광소자(220) 사이에 격벽(310)이 형성되는 구조로 이루어진다.
상기 PCB(20)와 렌즈 하우징(100) 및 고정 구조물(300)은 접착 구조를 필요로 하며, 다양한 매질에 따른 접착물 선택에 어려움이 있다. 또한 접착시키기 위해서는 여러 가지 기구적 형태의 지그(jig)를 구비하여야 하기 때문에 이로 인하여 추가적인 비용이 발생하게 되고, 부품들 사이의 접착공간에 의한 구조적 결함으로 인해 광센서 모듈의 소형화와 조립 정밀도를 유지하는데 어려움이 있고, 외란광에 노출되기 쉬워서 광학계통의 품질이 저하되는 원인이 되고 있다.
본 발명의 목적은 PCB에 렌즈 또는 렌즈 하우징을 단일 패키지화하는 공정에 의하여 광센서 모듈을 단일 제품으로 제조할 수 있도록 하여 제조 과정이 단순화되고, 조립과정에서 조립오차가 최소화되어 광학계 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 광학부 일체형 광센서 모듈 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 광센서 모듈의 소형화 경량화가 됨으로써 제조원가를 절감할 수 있으며 구조적으로 견고한 광학부 일체형 광센서 모듈 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 렌즈 위에 커버나 조립을 따로 하지 않아도 됨으로 렌즈 상태를 깨끗하게 유지할 수 있고, 부품사이의 조립오차를 최소화할 수 있게 되어 광특성을 향상시킬 수 있는 광학부 일체형 광센서 모듈 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 의도하는 목적을 달성하기 위한 광학부 일체형 광센서 모듈의 기술적인 특징은, 발광소자와 수광소자가 실장되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)과, 상기 PCB 상에 실장된 발광소자와 수광소자를 수용하는 광학부를 포함하는 광센서 모듈에 있어서, 상기 광학부는 렌즈 하우징을 자체 몰드로 하여 렌즈가 사출성형되어 상기 렌즈 하우징에 상기 렌즈가 일체화 되도록 구성되며, 상기 광학부가 PCB에 실장되는 발광소자와 수광소자를 수용하도록 상기 PCB에 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 발광소자와 수광소자가 하나의 광학부에 수용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 발광소자와 수광소자가 각각 별개의 광학부에 수용되면서, 상기 각각의 광학부가 렌즈 하우징에 의해 구획되는 분리된 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 광학부를 구성하는 렌즈 하우징의 상부에 상기 렌즈 성형물을 수용될 수 있도록 상기 광학부의 상부에 단차가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 광학부를 구성하는 렌즈 하우징의 하부에 상기 렌즈 성형물이 수용될 수 있도록 상기 광학부의 상부에 단차가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 광학부와 PCB는 에폭시 본드, 실리콘 본드, 필름접착제에서 선택되는 어느 하나의 접착제로 접착되는 것을 특징으로 한다.
또도한, 상기 PCB에 일체로 성형되는 렌즈는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC), 고반사율 화이트 에폭시 몰딩 컴파운드(W-EMC), 또는, 실리콘에서 선택되어 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 렌즈 하우징은 PCB 제조용 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은, 광투과 재질 및 광학물을 제외하고는 일반 사출물을 사용하지 않고 제작하는 공정에 의해 렌즈가 지지되는 렌즈 하우징을 자체 몰드로 하여 렌즈가 상기 렌즈 하우징에 일체화 되도록 직접 사출 성형함으로써, 상기 렌즈가 상기 렌즈 하우징과 하나의 패키지에 집약되어 구성되는 것이다.
본 발명이 의도하는 목적을 달성하기 위한 광학부 일체형 광센서 모듈의 제조 방법은, 렌즈를 성형할 수 있도록 배열된 공간을 구비하는 렌즈 하우징을 설계 및 제작하는 단계(S100); PCB에 부품을 실장하는 단계(S200); 상기 단계(S100)에서 성형된 렌즈 하우징을 사출성형 장비에 배열 상태로 삽입하고, 렌즈를 성형하여 렌즈 하우징과 렌즈가 일체화된 광학부를 형성하는 단계(S300); 상기 단계(S3)에서 일체로 배열된 광학부를 상기 단계(S200)에서 준비된 PCB에 실장된 부품과 광학계통을 이루도록 정렬하여 접착하는 단계(S400); 상기 단계(S400)에서 광학부가 접착된 PCB를 커팅하여 단품으로 분리하는 단계(S500)를 포함하여 이루어진다.
상기 PCB에 일체로 성형되는 렌즈는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC), 고반사율 화이트 에폭시 몰딩 컴파운드(W-EMC), 또는, 실리콘에서 선택되어 제조되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 상기 렌즈가 상기 PCB에 감싸여지는 형태로 되면서 렌즈가, 렌즈 하우징에 일체로 제작되어진다. 따라서 광센서 모듈의 최종 구성 부품은 렌즈 하우징과 렌즈가 일체화된 광학부와 PCB로 되는 2개의 구성품으로만 이루어져 있게 되어 광학계통의 구조물이 단순화된다.
따라서, 렌즈 하우징과 렌즈를 단일체로 패키지화함으로써, 소형화 되는 모듈에 렌즈를 접착하지 않아도 되므로, 렌즈가 오염되는 일이 없어서 광특성에 유리하고 견고하며, 저가용 모듈을 제작하는 것이 가능하게 된다.
또한, 렌즈 하우징과 렌즈가 단일화되는 패키지 공정을 이용한 광센서 모듈은 표면실장(SMD)이 가능하게 되며, PCB와 광학부 사이에 부품수와 공간을 최소화 하여 외란광에 노출되지 않게 되는 것이다.
본 발명에 의하면, 기존에 작은 모듈에 렌즈를 접착을 하지 않아도 되며 PCB에 렌즈 또는 렌즈 하우징을 단일 패키지화하는 공정에 의하여 광센서 모듈을 단일 제품으로 제조할 수 있게 됨에 따라 제조 과정이 단순화되고, 조립과정에서 조립오차가 최소화되어 광학계 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 광센서 모듈의 소형화 경량화가 됨으로써 제조원가를 절감할 수 있으며 구조적으로 견고한 특징이 있다.
또한, 렌즈 위에 커버나 조립을 따로 하지 않아도 됨으로 렌즈 상태를 깨끗하게 유지할 수 있고, 부품사이의 조립오차를 최소화할 수 있게 되어 광특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 광센서 모듈의 일례를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명 실시 예의 렌즈 하우징의 일부를 절개한 사시도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 렌즈하우징에 렌즈가 사출 성형된 상태를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명 실시 예의 광센서 모듈을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명 다른 실시 예의 광센서 모듈을 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 광센서 모듈의 제조과정을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명 실시 예의 렌즈 하우징의 일부를 절개한 사시도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 렌즈하우징에 렌즈가 사출 성형된 상태를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명 실시 예의 광센서 모듈을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명 다른 실시 예의 광센서 모듈을 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 광센서 모듈의 제조과정을 나타낸 흐름도.
본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시 예에 의하여 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예를 설명하기 전에, 다음의 실시 예에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 본 발명의 응용이 제한되는 것이 아니다. 본 발명은 다른 실시 예 들로 구현되고 실시될 수 있고, 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또한, 장치 또는 요소의 방향 등과 같은 용어들에 관하여 실시 예에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되며, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다. 예를 들면, "제1", "제2"와 같은 용어가 본 발명을 설명하는 실시 예와 청구항에 사용되는데, 이러한 용어가 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자가 발명의 용어와 개념을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념에 입각하여 기재한 것으로 해석하여야 한다.
그리고, 본 명세서에 기재된 설명과 도면에 도시된 내용들은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 관련된 것이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형된 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
따라서 본 발명은 제시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여, 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위에 기재된 기술사상의 균등한 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다.
또한, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
다음에서 본 발명의 실시 예를 설명한다.
본 발명에 따르는 광센서 모듈의 실시예는 발광소자와 수광소자가 실장되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)과, 상기 PCB 상에 실장된 발광소자와 수광소자를 수용하는 광학부를 포함하되, 상기 렌즈 하우징이 PCB로 이루어는 자체 몰드로 하여 렌즈를 상기 렌즈 하우징에 직접 사출 성형함으로써, 상기 렌즈가 상기 렌즈 하우징과 일체화 되어 하나의 패키지에 집약되도록 구성됨으로써 소형 박형화가 가능하게 되는 광학부 일체형 광센서 모듈 및 그 제조 방법을 구현한다.
도 2는 본 발명 실시 예의 렌즈 하우징의 일부를 절개한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 렌즈하우징에 렌즈가 사출 성형된 상태를 나타낸 단면도를 보여주고 있다.
이 도면을 참조하면, 본 발명의 광센서 모듈은 광학부(10)와 PCB(20)로 구성된다.
상기 광학부(10)는 렌즈 하우징(100)과 렌즈(200)로 이루어진다.
도 2를 참조하면, 상기 렌즈 하우징(100)은 상부면(101)과 하부면(102)을 관통하는 공간으로 되는 복수의 렌즈 성형홀(103)이 일정 간격을 두고 배열되는 형태로 형성되어 있다.
상기 렌즈 하우징(100)의 상부면(101)에는 상기 렌즈(200)를 형성하는 성형물이 수용되는 단차(104a, 104b, 104c, 104d)가 사각형상을 이루며 형성되어 있다.
또한, 상기 렌즈 하우징(100)의 하부면(102)에는 상기 렌즈(200)를 형성하는 성형물이 수용되는 단차(105a, 105b, 105c, 105d)가 사각형상을 이루며 형성되어 있다.
상기한 단차(104a, 104b, 104c, 104d)(105a, 105b, 105c, 105d)는 렌즈 사출 성형시 일체화되는 렌즈 하우징(100)과 렌즈(110)를 잡아주게 되며, 접촉면적이 확장되면서 접착력이 향상되게 한다.
상기 렌즈 하우징(100)은 PCB용 기판으로 형성될 수 있다.
도 3에서 보는 것과 같이, 상기 렌즈(110)는 상기 렌즈 하우징(100)에 인서트 사출되어 렌즈 하우징(100)에 일체로 형성된다.
이에 따라, 상기 렌즈(110)는 상기 렌즈 하우징(100)에 감싸여지는 형태를 이루게 된다.
상기 렌즈(110)는 반도체칩의 봉지재로 사용되어지는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC), 고반사율 화이트 에폭시 몰딩 컴파운드(W-EMC), 또는, 실리콘에서 어느 하나의 재질이 선택되어 제조될 수 있다.
EMC로는 에폭시수지(epoxy resin), 페놀수지(phenolic resin)와 같은 열경화성 수지가 사용되며, 산화규소화합물, 카본블랙 등도 포함되어 있는 것이다.
실리콘은 자연계에서 유리상태로 산출되지 않고, 산화물 및 규산염 등으로 존재하며, 암석권의 주요 구성성분이다.
이러한 실리콘은 뛰어난 반도체이기 때문에 초단파용 광석검파기(트랜지스터 및 다이오드 등)로 쓰이며, 게르마늄을 사용하는 것보다도 더 짧은 파장에까지 유효하게 작용한다. 또 각종 수지의 원료로도 사용되고, 환원제, 탈산제 및 합금 첨가원소로서 금속재료 부분에서도 사용된다.
또한 실리콘은 온도에 따라 변화하는 일이 적은 내열성과 산화되지 않은 내산화성, 각종 약품에 대한 저항성, 물에 대한 발수성이나 내수성 및 전기의 절연성 등이 뛰어나며, 이에 따라 다양한 곳에 사용된다.
도 4는 본 발명 실시 예의 광센서 모듈을 나타낸 단면도이다.
이 도면을, 참조하면, 상기 광학부(10)는 렌즈 하우징(100)과 렌즈(110)가 하나의 부품이 되는 구조를 이루며 PCB(20)에 부착된다.
따라서, 본 발명의 최종 구성 부품은 렌즈 하우징(100)과 렌즈(110)가 일체화된 광학부(10)와, PCB(20)로 되는 2개의 구성품으로만 이루어져 있게 되어 광학계통의 구조물이 단순화된다.
상기 PCB(20)는 기판 상에 광센서 모듈을 구성하는 전기적 부품들이 실장되는 회로부(200)가 구성되고, 상부면에는 발광소자(210)와 수광소자(220)가 형성되어 있다.
이러한 PCB(20)는 상기 광학부(10)와 에폭시 본드, 실리콘 본드, 필름 접착제 등을 이용하여 접착되어, 광학부(10)를 지지하는 지지체의 역할과 광학부의 역할을 동시에 수행한다.
상기 회로부(200)는 상기 발광소자(210)와 수광소자(220)가 전기적으로 접속되는 회로패턴이 형성되어, 상기 발광소자(210) 및 수광소자(220)와 전기적으로 접속된다.
도 4의 실시 예는 상기 발광소자(210)와 수광소자(220)가 상기 렌즈 하우징(100)과 렌즈(110)가 일체화된 광학부(10)에 형성되는 광학계통의 공간(S1)내에 위치하고 있다.
이러한 구조는 PCB(20)에 실장된 수광소자(210)와 발광소자(220)가 하나의 광학부(10) 내에 수용되어 광센서 모듈의 소형화가 가능하게 되는 것이다.
상기 발광소자(210)는 전기 신호를 빛으로 변환하여 발광하는 광통신용 발광소자로서, 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 반도체 레이저(Laser Diode, LD) 및 고체 레이저(Solid Laser, SL) 중에서 선택되는 어느 하나의 광센서로 구성될 수 있다.
상기 발광 다이오드(LED)는 반도체의 PN 접합과 유사한 구조로서 통과하는 전류의 세기에 비례하여 발광 에너지가 가시 부분으로 나타나는 소자이다.
이러한 발광 다이오드(LED)는 코히어런스(Coherence)가 나쁘고 변조속도를 높게 잡을 수 없지만, 가격이 싸고, 수명이 길며, 구동전류대 광출력의 직선성이 좋아서 아날로그 전송방식 및 중저속 디지털 전송방식의 디바이스에 적합하다.
반도체 레이저(LD)는 코히어런스가 좋고 높은 변조가 가능하므로 고속 디지털 전송방식의 디바이스에 적합하다.
고체 레이저(SL)는 외부 광변조기와 조합할 필요가 있는데 코히어런스가 가장 좋으므로 초고속 전송방식의 디바이스에 적합하다.
상기 수광소자(220)는 수광되는 광의 양을 전기적 신호로 변환시키는 것으로, EMC, W-EMC, 실리콘 중에서 선택되는 재질로 이루어지며, 포토다이오드, 포토트랜지스터 및 IC 포토센서 중 선택되는 어느 하나의 광센서로 구성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 물질은 PCB와 W-EMC, 또는 실리콘 등으로서 모두 프린트 배선기판의 제조공정에서 리플로우를 견딜 수 있는 재질로 형성되어 표면실장형(SMD) 제품이 가능하게 된다.
상기한 실시 예는 PCB(20)에 실장된 수광소자(210)와 발광소자(220)가 하나의 광학부(10) 내에 수용되어 광센서 모듈이 소형화될 수 있는 구조를 도시하여 설명하였으나, 상기한 광학부(10)와 PCB(20)를 일체형으로 제작하는 방법에는 여러 가지 형태가 있을 수 있다.
도 5는 본 발명 다른 실시 예의 광센서 모듈을 나타낸 단면도이다.
이 도면을 참조하면, 발광소자(210a)와 수광소자(220a)는 PCB(20)에 실장되면서 각각 별개의 광학부(10a, 10b)가 형성하는 공간(S2, S3)에 위치하는 구조에 의해 발광소자(210a), 수광소자(220a) 및 광학부(10a, 10b)가 일체화된 광센서를 소형 패키지화하여 제작할 수 있게 됨을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 광센서 모듈을 제조하는 과정의 흐름도를 나타내고 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 상기한 실시 예의 광학부 일체형 광센서 모듈을 제조하는 방법을 설명한다.
1. 렌즈
하우징
제조 (S100)
우선, PCB와 같은 재질을 이용하여 1차로 렌즈(110)를 성형할 수 있는 공간을 가지도록 렌즈 하우징(100)을 설계하여 제작한다.
이때, 렌즈 하우징(100)에서 렌즈(110)가 형성되는 공간(S1)은 복수개가 배열되는 상태로 이루어져 있도록 한다.
바람직하게, 상기 렌즈 하우징(100)은 PCB를 레이저 커팅, 또는 CNC 가공에 의하여 상부면(101)과 하부면(102)에 각각 사각형 형상을 이루는 단차(104a, 104b, 104c, 104d)(105a, 105b, 105c, 105d)를 형성하여 렌즈(110)를 성형하기 위한 성형물이 견고한 구조를 이루며 접촉되도록 한다.
2. PCB 제조 (S200)
상기 렌즈 하우징 제조 단계(S100)와 함께, PCB(200)에 발광소자(210, 210a)와 수광소자(220, 220a)를 표면실장한다.
상기 표면실장 공정은 PCB 부품을 실장하여 PCB와 부품의 전기적 접속을 행하기 위하여 고온의 열원을 가함으로써, PCB에 부품을 안정되게 접합하는 기술 공정을 의미한다.
예를 들면, 발광소자(210, 210a)와 수광소자(220, 220a)의 저면에는 PCB(20)의 회로패턴과 전기적으로 접속되는 회로패턴이 형성되며, 상기 회로패턴은 플립칩 본딩(flip chip bonding)됨으로써 전기적 신호를 송수신할 수 있게 된다.
또한, PCB(20)의 상부면과 발광소자(210, 210a) 및 수광소자(220, 220a) 저면의 회로패턴들은 화학기상증착방법, 또는 전해구리도금을 하는 방법에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
또한, PCB(20)의 회로패턴과 발광소자(210, 210a) 및 수광소자(220, 220a)의 회로패턴과 전기적 접속이 이루어진 다음, 상기 PCB(20)의 상부면과 발광소자(201, 201a) 및 수광소자(220, 220a) 저면 사이의 공간에 언더필(underfill)이 충진될 수 있다.
3. 광학부 성형 (S300)
렌즈 하우징(100)과 렌즈(110)가 일체화되는 광학부(10)를 형성하는 단계(S300)는, PCB를 재질로 하는 상기 렌즈 하우징(100)을 몰드로 하는 금형(도시되지 아니함)에 의한 인서트 사출성형으로 이루어진다.
상기 금형은 미리 제작되어진 렌즈 하우징(100)을 수용하여 고정하고, 렌즈(110)를 성형할 수 있도록 렌즈 형상에 대응하는 캐비티를 구비하는 구조를 가진다.
상기 렌즈 하우징 제조 단계 (S100)에서 제조된 상기 렌즈 하우징(100)을 사출성형 장비에 배열 상태로 삽입하고, 렌즈(110)를 일체로 사출 성형한다.
따라서, 렌즈(110)는 금형 내에서 사출 성형되면서 미리 제작되어진 렌즈 하우징(100)에 일체화되며 형성된다.
렌즈 하우징(100)에 렌즈(110)를 일체로 사출 성형하는 방법은 인서트(Insert) 사출성형방법에 의해 이루어질 수 있다.
인서트 사출성형방법은 플라스틱, 금속, 전선, 자석 등과 같이 서로 다른 이질적 재료를 일체화 시키는 사출성형방법으로, 하나의 재질로는 얻기 어려운 특성을 가진 성형품을 얻을 수 있는 장점이 있는 것이다.
이러한 인서트 사출에 의해 금형에 배열되는 렌즈 하우징(100)에 EMC, W-EMC, 또는 실리콘에서 선택된 렌즈 성형물을 가압 주입하고, 열경화 처리를 하여, PCB용 기판, 또는, 합성수지로 이루어지는 렌즈 하우징(100)과, EMC, W-EMC, 실리콘에서 선택적으로 이루어지는 렌즈(110)와 같이 서로 다른 재질의 물질을 일체화 시키게 됨으로써, 렌즈 하우징(100)과 렌즈(110)가 일체화된 광학부(10)가 형성되도록 한다.
상기한 제조방법에 따라, 개구부에 실리콘을 인서트(Insert) 사출하여 형성되는 투과부(120)는 양면볼록렌즈, 단면볼록렌즈, 비구면, 프레넬, 또는 프리즘 등의 다양한 광학구조의 제조가 가능하다.
상기한 제조 과정에서 렌즈와 PCB를 일체형으로 제작하는 방법에는 아래와 같이 여러 가지 형태가 있을 수 있다.
구체적으로, 도 3의 경우, PCB 위에 발광소자와 수광소자를 각각 따로 배열하여 렌즈를 사출에 필요한 사출용 렌즈 하우징과 렌즈 접합공간에 레이저 커팅 CNC 가공 등을 적용하여 아래의 그림과 같이 단차를 형성하여 렌즈 사출시 렌즈 하우징과 렌즈 잡아주는 형태를 지니며, 발광소자와 수광소자와 수광소자를 함께 커팅하여 하나의 패키지로 제작한다.
4. 광학부와 PCB 접착 (S400)
상기한 광학부 성형 단계 (S300)에서 렌즈 하우징(100)에 복수의 렌즈(110)가 배열 상태로 일체로 성형된 광학부(10)를 상기 PCB 제조 단계(S200)에서 회로 부품들이 실장되어진 상태로 제조된 PCB(20)와 부착한다.
이때, 상기 PCB(20)와 광학부(10)는 에폭시 본드, 실리콘 본드, 필름 접착제 등이 열경화 처리에 의해 부착한다.
광학부(10)와 PCB(20)의 부착은 렌즈(110)가 발광소자(210, 210a) 및 수광소자(220, 220a)와 정확한 광학계통을 이루도록 정렬된 상태에서 부착된다.
이때, 도 4에서 보는 것과 같이, PCB(20) 위의 발광소자(210)와 수광소자(220)가 하나의 광학부(10)의 공간(S1) 내에 수용되도록 할 수 있고, 도 5에서 보는 것과 같이, PCB(20) 위에 발광소자(210)와 수광소자(220)를 각각 따로 배열할 수도 있다.
여기서, 렌즈하우징(100)과 렌즈(110)0가 일체로 성형되어 PCB(20)에 부착됨에 따라 PCB(20)와 광학부(10) 사이에서 부품의 접촉공간이 최소화되어 외란광에 노출되지 않아 효율적인 소형의 광센서 패키지를 구성할 수 있게 된다.
5.
단품
커팅
(S500)
상기한 단계(S100) 내지 단계(S400)를 거쳐서 광학부(10)와 PCB(20)가 접착된 성형물에서 발광소자(210)와 수광소자(220)를 수용하는 하나의 광학부(10)를 단위로 하거나, 또는 발광소자(210a)와 수광소자(220a)를 수용하는 각각의 광학부(10a, 10b)를 단위 여 정교하게 커팅하여 단품으로 분리되는 광학부 일체형 광센서 모듈을 완성한다.
본 발명의 최종 구성 부품은 PCB(20)와 광학부(10)로만 이루어져 있게 되며, 이렇게 구성된 물질은 PCB와 W-EMC, 또는 실리콘 등으로 모두 리플로우를 견딜 수 있는 재질로 형성되어 소형화 및 박형화 되는 표면실장형(SMD) 제품이 가능하게 된다.
지금까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 관련된 것이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형된 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
따라서 본 발명은 제시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위에 기재된 기술사상의 균등한 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능한 실시 예가 있을 수 있다.
10, 10a, 10b: 광학부
100: 렌즈 하우징
110: 렌즈
101: 상부면
102: 하부면
103: 렌즈 성형홈
104a, 104b, 104c, 104d: 단차
105a, 105b, 105c, 105d: 단차
20: PCB
200: 회로부
210, 210a: 발광소자
220, 220a: 수광소자
S1, S2, S3: 공간
100: 렌즈 하우징
110: 렌즈
101: 상부면
102: 하부면
103: 렌즈 성형홈
104a, 104b, 104c, 104d: 단차
105a, 105b, 105c, 105d: 단차
20: PCB
200: 회로부
210, 210a: 발광소자
220, 220a: 수광소자
S1, S2, S3: 공간
Claims (9)
- 발광소자(210)와 수광소자(220)가 실장되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)(20)과, 상기 PCB(20) 상에 실장된 발광소자(210)와 수광소자(220)를 수용하는 광학부(10)를 포함하는 광센서 모듈에 있어서,
상기 광학부(10)는,
렌즈 하우징(10)을 자체 몰드로 하여 렌즈(110)가 사출 성형되어, 상기 렌즈 하우징(100)에 상기 렌즈(110)가 일체화 되도록 구성되며,
상기 광학부(10)가 PCB(20)에 실장되는 수광소자(210)와 발광소자(220)를 수용하도록 상기 PCB에 부착되는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
- 제1항에 있어서,
발광소자(210)와 수광소자(220)가 하나의 광학부(10)에 수용되는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
- 제1항에 있어서,
발광소자(210a)와 수광소자(220a)가 각각 별개의 광학부(10a, 10b)에 수용되며, 상기 각각의 광학부(10a, 10b)는 렌즈 하우징(100)에 의해 구획되는 분리된 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
- 제1항 제2항 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학부(10, 10a, 10b)는,
렌즈 하우징(100)의 상부에 렌즈(110) 성형물을 수용하는 단차(104a, 104b, 104c, 104d)가 형성되는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
- 제1항 제2항 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학부(10, 10a, 10b)는,
렌즈 하우징(100)의 하부에 렌즈(110) 성형물을 수용하는 단차(105a, 105b, 105c, 105d)가 형성되는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
- 제1항 제2항 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학부(10)와 PCB(20)는,
에폭시 본드, 실리콘 본드, 필름접착제에서 선택되는 어느 하나의 접착제로 접착되는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
- 제1항 제2항 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈 하우징(100)은,
PCB 제조용 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
- 광센서 모듈의 제조방법에 있어서,
렌즈(110)를 성형할 수 있도록 배열된 공간(S1 S2, S3)을 구비하는 렌즈 하우징(100)을 설계 및 제작하는 렌즈 하우징 제조 단계(S100);
PCB(20)에 부품을 실장하는 PCB 제조 단계(S200);
상기 렌즈 하우징 제조 단계(S100)에서 성형된 렌즈 하우징(100)을 사출성형 장비에 배열 상태로 삽입하고, 렌즈(100)를 인서트 사출 성형하여, 렌즈 하우징(100)과 렌즈(110)가 일체화된 광학부(10)를 형성하는 광학부 성형 단계(S300);
상기 광학부 성형 단계(S3)에서 일체로 배열된 광학부(10)를 상기 PCB 제조 단계(S200)에서 준비된 PCB(20)에 실장된 부품과 광학계통을 이루도록 정렬하여 접착하는 접착 단계(S400);
상기 접착 단계(S400)에서 광학부(10)가 접착된 PCB(20)를 커팅하여 단품으로 분리하는 커팅 단계(S500)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈의 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 렌즈(110)는,
에폭시 몰딩 컴파운드(EMC), 고반사율 화이트 에폭시 몰딩 컴파운드(W-EMC), 또는 실리콘에서 선택되어 제조되는 것을 특징으로 하는 광학부 일체형 광센서 모듈.
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2017
- 2017-02-22 KR KR1020170023482A patent/KR101917669B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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| JP2020060551A (ja) * | 2018-10-05 | 2020-04-16 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 光デバイス |
Also Published As
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| KR101917669B1 (ko) | 2018-11-13 |
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