웨어러블 헬스 및 피트니스 시장은 더 얇은 디스플레이를 필요로 한다. 이에 ALS 센서를 초박형 백라이트 디스플레이에 통합하는 기술이 웨어러블 기기 설계자에게 중요하게 인식되고 있다. 하지만 ALS 디바이스가 터치 패널 디스플레이의 실제 플렉스 PCB에 직접 탑재되기 때문에 초박형 폼팩터를 가져야 한다는 것과 센서의 정밀도 및 감도는 잉크로 도색된 유리의 후면에서도 고신뢰성을 보여야 한다는 과제가 있다.

 

 

 

사진. 삼성 기어S2의 골프나비 앱을 체험하는 모습

 

오늘날 가전분야 백라이트 디스플레이가 점점 더 얇아지고 있다. 또한 웨어러블 헬스 및 피트니스 시장은 더 얇은 디스플레이를 필요로 한다. 따라서 주변 조명에 맞춰 화면의 밝기가 조절되는 ALS(Ambient Light sensor) 센서를 초박형 백라이트 디스플레이에 통합하는 기술이 웨어러블 기기 설계자에게 중요하게 인식되고 있다. 

 

휴대폰의 확산과 보다 나은 사용자 경험에 대한 요구 증가는 터치스크린 스마트폰에서 ALS 채택을 높이는 주요한 원동력이 되고 있다.

이와 같은 디스플레이 관리 애플리케이션에서 ALS를 사용하면 자동으로 백라이트 강도를 제어할 수 있으며, 가능한 최상의 사용자 경험을 보장하면서 배터리 수명이 연장되는 효과를 볼 수 있다.

그러나 발전하고 있는 웨어러블 시장에 맞는 ALS를 만드는 데 있어 가장 어려운 과제 중 하나는 ALS 디바이스가 터치 패널 디스플레이의 실제 플렉스 PCB에 직접 탑재되기 때문에 초박형 폼팩터를 가져야 한다는 것이다. 또한 센서의 정밀도와 감도는 잉크로 도색된 유리의 후면에서도 신뢰할 수 있을 정도로 동작 가능한 충분한 성능을 갖추어야 한다는 점이다.

광 센서 기술은 1950년대에 들어 개발됐으며 단순한 포토다이오드와 포토트랜지스터에서 지능형 망막인식 솔루션까지 진화하면서 상당히 높은 수준의 통합성과 낮은 동작 소비전력, 그리고 노이즈에 강한 디지털 버스 인터페이스 기능을 제공하고 있다. 

오늘날의 ALS 솔루션은 포토다이오드와 아날로그 디지털 변환기(ADC), 인터럽트 발생조건의 설정에 대한 제어 로직, 고속 I²C디지털 인터페이스를 통합하고 있다. 디지털 인터페이스와 인터럽트 기능은 웨어러블과 스마트 워치 등 마이크로컨트롤러와 프로세서 기반 애플리케이션에 사용하기에 매우 적합하다. 

그림 1에 설명된 바와 같이, ALS 센서는 스마트 워치 블록 다이어그램에서 디지털 I²C인터페이스를 통해서 애플리케이션 프로세서에 연결된다.

그림 1. 스마트워치 블록다이어그램

‌육안으로 볼 수 있는 포토픽 및 실리콘 응답 제공

웨어러블 제품을 포함한 대부분의 가전제품에서 비용 효율성은 중요한 요소이다. 따라서 CMOS 포토다이오드로 제작된 광센서는 효율적인 솔루션일 수 있다. 그러나 CMOS 실리콘의 분광응답특성은 300nm에서 1100nm사이로 약 700nm의 적외선 영역에서 최대치에 도달한다. 그림 2에서 보듯이, 인간의 눈은 390∼750nm 파장 범위에서 빛에 반응한다. 또한 그림 3에서 나타낸 바와 같이, 인간의 눈이 빛에 반응하는 가시광선 영역은 전체 포토다이오드 반응 영역 중 작은 부분을 차지한다.

그림 2. 가시광선 스펙트럼

그림 3. 실리콘 반응성 및 포토틱 응답

이에 ALS를 신뢰성 있게 만드는 데 있어 현행 과제는 자외선 파장 300∼390nm과 적외선 파장 750∼1100nm에 반응하지 않고 인간의 눈으로 볼 수 있는 것과 동일한 390∼750nm 파장을 보게 하는 것이다.

ams의 TSL2584TSV는 빛을 디지털로 변환(light-to-digital)하는 센서로서, 사람의 눈이 빛을 보는 것처럼 주변 광을 인식한다.

이 센서는 빛의 강도를 디지털 계수값으로 전환하기 위해 특허기술인 듀얼 다이오드 아키텍처가 적용된 고감도 AFE(Analog Front-End)를 탑재했다. 

가시광선 및 적외선에 반응하는 광대역 포토다이오드는 적외선에만 반응하는 포토다이오드와 함께 사용하며, 두 개의 포토다이오드 채널 응답은 디지털 I²C 인터페이스를 통해 마이크로 컨트롤러에서 럭스 방정식을 통해 수학적인 차감이 이루어진다. 주변광의 밝기 정도는 럭스 단위로 사람 눈의 응답값에 대한 근사값을 구하기 위해 경험식으로 도출된다.

아래 그림 4는 TSL2584TSV를 보여준다.

그림 4. TSL2584TSV 외관

그림 5. TSL2584TSV 스펙트럼 반응

이와 같은 ALS 솔루션을 최적화하기 위해 TSL2584TSV는 원치 않는 UV와 적외선(IR) 빛을 걸러내는 온칩 포토픽(Photopic) 적외선 차단 간섭 필터가 내장되어 있어 사람의 눈에서 빛을 인식하는 것과 매우 흡사한 포토픽 응답을 제공한다. 

이에 따라 매우 어두운 불투명 유리 뒤에 설치한 경우에도 유리 투과율과 무관하게 럭스 값을 매우 정밀하게 측정할 수 있다. 최첨단 필터 증착 기술을 통해 ams는 기존의 상용화된 필터보다 더욱 정밀하면서 반복 가능한 포토픽 필터를 생산할 수 있다. 이와 같은 포토픽 필터는 실제 온도나 습도에 의한 특성 변화가 없으며, 실리콘에 직접 증착된다.

TSL2584TSV 분광응답특성은 그림5와 같다. 
 

‌TSV 기술의 필요성

ams는 최첨단 광 센서 기술을 위해 TSV(through-silicon via) 패키징 기술을 채택했다. TSV 기술은 와이어 본드를 사용하지 않으며, 아래 그림 6에 제시된 바와 같이 디바이스 I/O에서 솔더볼까지 직접 연결시킨다.

그림 6. TSV(Through-Silicon Via) 패키징 기술

TSV 패키지 기술에서 소형화 기술은 웨어러블 제품의 초소형 폼 팩터 요건들을 충족시킨다. ams가 개발하고 검증한 TSV 패키지 기술은 완벽하게 성능이 향상된 최첨단 IC패키지를 설계하여 생산을 실현시켜 더 작고 더 성능이 우수한 디바이스를 제공한다.

그림 4에 설명된 바와 같이, TSL2584TSV ALS는 경쟁사 제품 크기의 약 50%에 해당되는 높이 0.32mm의 1.145×1.66mm로 패키지 크기가 매우 작다.

TSV 기술은 TSL2584 실리콘 웨이퍼에 에치 비아(etched via)를 사용한다. 텅스텐을 에칭 홈에 증착하고, BRDL(Backside Re-Distribution Layer)을 비아(via)로 부터 계획된 솔더 볼 위치로 증착한다. 이후, SAC305 (Sn_96.5Ag_3.0Cu_0.5합금 조성물) 또는 이와 유사한 무연 솔더 볼을 부착한다. 그러면 전체 패키지 높이가 0.32mm가 된다. 

와이어본드를 제거하고 실리콘 제조 공정에서 구성되는 비아(via) 채널을 통해 신호를 직접 전송하면, 그림 7과 같이 전체 패키지 높이가 감소한다. 또한 IC를 패키지에 연결하는 본드 와이어가 없는 경우, 인터커넥트 인덕턴스가 최소화되는 효과가 있다.

그림 7. 와이어 본드 미사용으로 패키지 높이 감소

TSV 패키지의 또 다른 주요 특징은 유리가 없는 패키지로 공급된다는 것이다. 이에 따라, 칩 스케일 패키지에 비해 전체 z 높이를 감소시키는데 도움이 된다. TSV 패키지에 실제 유리 재료가 포함되지 않기 때문에, z 높이가 감소될 뿐만 아니라 이와 같이 유리가 없는 패키지 형태는 UV 투과 필터와 함께 사용하는 경우, UV 감지를 가능하게 하는 다양한 제품에 적용하는 데 최적화됐다. 

TSV 패키지는 습도 노출로 인한 부식을 최소화하고, 온도 사이클링에 대한 동작성능이 개선되는 효과가 있기 때문에 디바이스 신뢰도가 대폭 상승된다. 또한 TSV 패키지는 금속 가장 자리 연결이 필요한 일부 칩 스케일 패키지와 다르게 패키지 내부에서 연결되기 때문에, TSL2584TSV의 신뢰도가 습도민감도레벨-1(Moisture Sensitivity Level-1) 표준 등급으로 향상되고 이에 따라 수분 함량이 더 높은 환경에도 적합하게 사용할 수 있다. 

TSL2584TSV에 증착된 포토픽 간섭 필터는 칩 스케일과 MEMS 패키지에 사용되는 유리와 같이 상당히 조밀하며, 내구성이 높고, 긁힘 방지 특성도 우수하다. 포토픽 필터의 분광응답특성은 필터 특성 상 온도와 습도 변화에 민감하지 않다. 따라서 초가속스트레스 테스트 이후 특성이 약화되거나 스텍트럼 변화가 없다.

향후 전망

현재 웨어러블 시장은 2014년 2,400 만 대의 스마트워치와 피트니스 밴드가 출시되는 등 아직 초기 단계이다. BI Intelligence의 최근 보고에 의하면 “웨어러블 시장은 오는 2018년 1억 3,500만 개까지 35%CAGR 정도 성장할 것”으로 예상된다. 

웨어러블 시장이 지속적으로 성장함에 따라, TSL2584 TSV처럼 더 작은 크기에서 우수한 정밀도와 고감도를 제공하는 ALS 솔루션을 통해, 스마트 워치와 피트니스 밴드 등 웨어러블 기기 설계자들은 주변광 센서를 가장 얇은 백라이트 디스플레이에 통합할 수 있다.

또한 정밀도와 감도성능이 향상되어 어두운 유리 기판 뒤에 TSL2584TSV를 탑재할 수 있을 뿐만 아니라, 자동으로 디스플레이의 밝기를 조절하면서 최상의 사용자 경험을 보장할 수 있다.

더불어 초소형 크기의 TSL2584TSV는 풋프린트가 2mm²이하이고, 높이가 0.32mm에 불과하면서 전반적으로 견고하고 효율적인 솔루션을 제공하기 때문에 개발자에게 뛰어난 설계 유연성을 제공할 수 있다. 

Dave Moon _ ams AG