포토다이오드와 포토트랜지스터 형태의 라이트 센서 기술은 1950년대 즈음 발명되었다. 옵토 센서가 발명된 이후, 라이트 센서가 상업·산업 애플리케이션에서 점점 더 많이 사용됐지만, 성능 대비 크기와 비용 때문에 적용에 한계가 있었다. 그러나 이러한 상황은 지난 10년 사이에 큰 변화를 맞이했다. 라이트 센서는 성능 통합 및 비용 개선 면에서 크게 발전하여 대량 양산되고 있으며 소비자 애플리케이션에 사용되고 있다.
21세기 이전의 라이트 센서 기술은 주로 소형 포토다이오드와 포토트랜지스터로 구성되었다. ams 같은 업체들은 이 단순한 장치들의 성능을 향상시키는 제품을 많이 개발했다.
증폭기와 변환 회로(Translation Circuitry)가 통합되면서 빛을 전압으로, 빛을 주파수로 출력할 수 있는 라이트 센서가 실현되었다.
이와 같은 기술 발전 덕분에, 속도와 민감성 같은 주요 특성이 개선되었다. 그리고 개선된 특성들 덕분에 소비자 및 상업 프린터 같은 새로운 애플리케이션에 라이트 센서를 사용할 수 있는 길이 열리기도 했다. 얼마 지나지 않아 라이트 센서에는 각각 빨간색, 초록색, 파란색을 감지할 수 있는 색 필터가 도입되었다.
지능형 광학 센서
그 이후에 등장한 지능형 광학 센서(Intelligent Optosensor)는 적분형 A/D 컨버터와 인터럽트, 그리고 SM 버스와 I2C 같은 디지털 인터페이스를 사용해 기능성을 확장시켰다.
인터럽트 성능과 디지털 인터페이스 덕분에, 이러한 장치들을 시스템 기반의 마이크로컨트롤러와 프로세서에 사용하는 것이 수월해졌다. 또한 정교한 라이트 센서 데이터 처리 기술 및 애플리케이션이 등장했다. 그뿐 아니라 인간의 눈을 모방해 빛을 감지하는 실리콘 포토다이오드 덕분에 라이트 센서의 빛 감지 성능도 향상되었다.
인간의 눈처럼 빛을 감지하는 포토픽 라이트 센서(Photopic Light Sensor)는 상용화하는 데까지 개발하기가 쉽지 않으며, 많은 특허 기술과 설계 기법의 주제가 되고 있다. 근본적인 문제는 인간의 눈이 390∼700nm 파장 범위의 빛에만 반응하는 반면, 일반적인 실리콘 라이트 센서는 300∼1,100nm 파장의 빛을 감지한다는 점이다.
연구 개발팀은 포토픽 라이트 센서가 디스플레이 기반 제품에 가져다 줄 커다란 혜택을 고려해, 이 제품에 노력을 기울여 왔다.
포토픽 라이트 센서는 에너지를 절약하고 배터리 사용 시간을 늘리며 사용자의 시각 경험을 향상시키기 위해, 조명 환경에 따라 디스플레이의 밝기를 자동으로 조절한다.
포토픽 라이트 센서를 제작하기 위해서는 감지된 자외선(UV)과 적외선(IR) 광원을 감싸거나(패키징) 칩 상에서 필터링(온칩 필터링)함으로써 제거해야 한다. 대신 UV와 IR 광원의 감지 효과는 그 결과로 인한 조도(lux) 계산에서 제외할 수 있다.
포토픽 라이트 센서는 포토픽 필터, UV 및 IR 차단 필터를 패키지나 실리콘에 추가해 제작할 수 있다. 그러나 이러한 솔루션은 다량 생산되는 제품의 경우, 비용 대비 효과가 떨어질 수 있다.
다기능 광학 센서
지능형 광학 센서는 빨간색, 초록색, 파란색을 측정할 수 있는 기능을 더해 다기능 장치로 진화했다. 색을 감지하면 반사형 색, 투과형 색, 빛의 색 온도와 기본적인 주변광을 측정할 수 있다.
이 장치로 인해 프린팅, 기체/유체 분석, 소비 가전, 반도체(Solid-state Lighting) 및 일반 조명, 의료/건강 제품 등과 관련된 다양한 애플리케이션이 가능해졌다.
휴대전화 확산과 더 나은 사용자 경험에 대한 요구로, 터치스크린 스마트폰에 주변광 센서를 적용하는 빈도가 늘어나고 있다.
터치스크린 스마트폰은 통화 시 터치스크린과 디스플레이의 기능을 정지시키기 위한 근접 감지(Proximity Detection) 기능이 필요한데, 다기능 라이트 센서의 경우에는 IR 센서와 IR LED 드라이버 회로를 사용하는 근접 감지 기능도 갖추고 있다.
이러한 근거리 감지 솔루션을 완성시키기 위해서는 IR LED가 필요하다. IR 근거리 감지 기능은 선택된 IR광 파장
(일반적으로 850nm)이 어두운 유리와 불투명한 물질을 쉽게 통과하며, 사람의 눈에는 보이지 않으므로 이상적인 솔루션이라고 할 수 있다. 센서와 IR LED의 배열 및 배치는 특정 설계 목적, 휴대전화의 기계 설계, 유리의 특성에 쉽게 적용될 수 있다.
일부의 경우 IR 센서는 주변광의 IR 부분을 측정하는 데 사용될 수 있으며, 이는 조도 계산 시 제외되어 더욱 정확한 조도 측정으로 이어진다.
다기능 라이트 센서가 점점 지능화되면서 최신 감지 기능, 오차 보정 회로, 패키지 및 온칩 필터링을 사용해 포토픽 라이트 센서와 컬러 센서를 향상시키기 위한 통합 성능을 갖추게 되었다.
라이트 센서 모듈
그림 1. 라이트 센서 통합의 진화
전체 휴대전화 출시 물량에서 스마트폰의 비율이 빠르게 증가하고 있다. 늘어나는 수요와 최적화된 주변광 감지, 근접 감지 솔루션에 대한 요건은 모듈 기반의 주변광 감지 기능 개발로 이어졌다. 이러한 모듈에는 IR LED 외에도 다기능 광학 센서가 포함되어 있으며, 이 모든 것이 하나의 모듈 안에 들어 있다.
모듈은 특정 휴대전화의 기계 설계 및 디스플레이 유리의 특징을 기반으로 하여, 조도 및 근접 감지 성능을 더욱 최적화하기 위해 광학 기술을 사용하기도 한다. 이 외에도 모듈 솔루션의 근접 감지 기능은 최종 제품에서 보정 가능하며, 센서와 IR LED가 별도로 설계되어 사용되었다면 최종 제품 보정은 할 필요가 없다.
휴대전화의 대량 생산과 그 성장세로 인해, 제조 업체들은 성능을 높이고 부품 비용을 줄이며 달마다 1,000만 대가 넘는 제품을 생산할 수 있도록 힘쓰고 있다. 공교롭게도 부품의 품질, 신뢰도, 성능 면에서는 타협의 여지가 없으므로, 부품 제조 업체들의 경우 최고 수준의 품질과 신뢰성을 유지하기 위해 제조 시 정확한 작업이 요구된다.
ALS(또는 광파장 광원)를 넘어서서 조명 환경을 측정해야 할 필요가 생기자 디스플레이 기반 제품에서 사용하기 위한 색 센서가 도입되었다.
컬러 센서는 현재 조명 환경의 조도와 색 온도를 결정하고, ALS(주변 광 감지) 센서의 본질적인 기능을 수행할 수 있다.
컬러 센서가 필요해지자 통합의 필요성이 대두되었고, IR LED 외에도 (ALS와 광원의 색을 측정 위한) 컬러 센서와 IR 근접 센서를 하나의 광 모듈에 통합하는 장치가 개발되었다. 그뿐 아니라, 현재의 컬러 센서는 주변광 조도와 색 온도에 따라 디스플레이 색을 보정하고 최적화하는 기능도 갖추고 있어 사용자의 시각 경험을 한층 더 향상시켜 준다.
센서 솔루션의 향후 전망
그림 2. 가시광선 스펙트럼
센서 솔루션은 마이크로컨트롤러(MCU) 프로세서, 다중 라이트 센서/LED, 대상 애플리케이션에 최적화된 인터페이스를 통합함으로써 처리 성능을 포함한 ALS나 색 기반 모듈을 한층 더 발전시켜 나갈 것으로 기대된다. 그리고 센서 시스템 온칩 솔루션은 의료, 보건, 건강 시장에 고유한 감지 및 계산 성능을 제공할 것이다.
이러한 고집적 SSoC 솔루션을 사용할 수 있게 되면서 심박수 모니터링, 산소포화도 측정 및 기타 보건/건강 관련 제품 같은 애플리케이션을 위한 소형, 다기능 장치도 등장하게 될 것이다.
스마트폰, 태블릿과 같이 업계의 규모를 키우는 플랫폼들이 진화함에 따라 비용과 크기를 줄이고 성능과 사용자 경험을 향상시키기 위해 디스플레이 관리를 최적화하려는 수요가 증가하면서, 지능형 라이트 센서 성능을 더욱 통합하려는 움직임이 계속될 것으로 전망된다.
향상된 사용자 인터페이스용 움직임 감지나 바코드 인식을 통한 모바일 쿠폰, 의료/건강 애플리케이션용 심박수 모니터링 등은 스마트폰과 기타 소비자 제품에 있어서 반드시 필요한 최신 기능으로 인식되고 있다.
설계자들이 새롭고 창의적인 방식으로 라이트 센서를 통합하고 산업, 상업, 소비자, 자동차, 의료 및 건강 부분의 수많은 애플리케이션에 그 기능을 적용함에 따라, 이와 같은 센서용 애플리케이션의 범위는 계속해서 확장될 것으로 예측된다.
Darrell Benke / ams
