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KR102850230B1 - 다수의 발광 소자를 포함하는 발광 유닛을 구비한 tof 센서 - Google Patents

다수의 발광 소자를 포함하는 발광 유닛을 구비한 tof 센서

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KR102850230B1
KR102850230B1 KR1020230039316A KR20230039316A KR102850230B1 KR 102850230 B1 KR102850230 B1 KR 102850230B1 KR 1020230039316 A KR1020230039316 A KR 1020230039316A KR 20230039316 A KR20230039316 A KR 20230039316A KR 102850230 B1 KR102850230 B1 KR 102850230B1
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김희대
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옵티시스 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 TOF 센서가 개시된다. 상기 TOF 센서는, 베이스 기판 상에 배열된 다수의 발광 소자로서, 베이스 기판 상을 따라 횡 방향으로 배열된 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자를 포함하는 다수의 발광 소자와, 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자 중에서 적어도 어느 하나의 군의 발광 소자 상에 배치된 다수의 광학 렌즈와, 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자로부터 출사되어, 주변 객체로부터 반사된 반사 광을 감지하는 다수의 수광 소자를 포함한다.
본 발명에 의하면, 서로 전기적으로 단절된 각각의 어드레스 라인을 통하여 서로 다른 일 군의 발광 소자를 서로 다른 시간에 스위치 온/오프 전환시킬 수 있고, 서로 다른 스폿 사이즈 및 시야 거리를 제공할 수 있는 서로 다른 형태의 광으로 정형하도록, 서로 다른 일 군의 발광 소자 상에 배치되는 서로 다른 일 군의 광학 렌즈를 포함하는 TOF 센서가 제공될 수 있으며, 또한, 서로 다른 일 군의 발광 소자가 서로 다른 시간에 턴-온 되면서, 서로 이웃한 발광 소자가 동시에 턴-온 되면서 야기되는 발열 문제를 완화시킬 수 있는 TOF 센서가 제공될 수 있다.

Description

다수의 발광 소자를 포함하는 발광 유닛을 구비한 TOF 센서{TOF sensor including light emitting unit having a plurality of light emitting devices}
본 발명은 다수의 발광 소자를 포함하는 발광 유닛을 구비한 TOF 센서에 관한 것이다.
물류창고, 생산라인 등에서 다양한 사이즈의 화물 또는 제품과 같은 물류의 이송을 담당하는 이송 로봇은 자율주행 알고리즘에 따라 현재 위치를 인식하고 목표 위치까지 최적화된 경로를 생성하고 해당 경로를 추종하도록 제어되는 자율주행모드로 구동될 수 있으며, 이러한 이송 로봇은 이송 로봇을 둘러싼 주변 환경을 인식하기 위한 TOF(Time of Flight) 센서를 포함할 수 있다.
상기 TOF(Time of Flight) 센서는 다수의 발광 소자로부터 출사된 광 송신 시각과, 주변 객체로부터 반사된 반사 광이 다수의 수광 소자로부터 감지된 광 수신 시각을 검출하고, 광 비행 거리에 따라 주변 객체와의 거리 및 위치를 감지할 수 있는 센서로서, 예를 들어, 라이다 센서(Light Imaging Detection and Ranging, LIDAR)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 서로 전기적으로 단절된 각각의 어드레스 라인을 통하여 서로 다른 일 군의 발광 소자를 서로 다른 시간에 스위치 온/오프 전환시킬 수 있고, 서로 다른 스폿 사이즈 및 시야 거리를 제공할 수 있는 서로 다른 형태의 광으로 정형하도록, 서로 다른 일 군의 발광 소자 상에 배치되는 서로 다른 일 군의 광학 렌즈를 포함하는 TOF 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태는 서로 다른 일 군의 발광 소자가 서로 다른 시간에 턴-온 되면서, 서로 이웃한 발광 소자가 동시에 턴-온 되면서 야기되는 발열 문제를 완화시킬 수 있는 TOF 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태는 하나의 베이스 기판 상에 다수의 발광 소자를 배치하면서도 순간적으로 턴-온 되는 발광 소자의 개수를 고려하여, 각각의 발광 소자로부터 적정의 광량을 유지하고, 각각의 발광 소자의 열화를 방지하도록, 산화물층이나 식각부와 같은 결함 소스로부터 결함의 이동을 차단하고, 결함 소스로부터 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층의 중앙 영역으로의 결함 이동을 차단하도록 발광 소자에 이온 주입층이 형성된 다수의 발광 소자를 포함하는 TOF 센서를 포함한다.
상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 TOF 센서는,
베이스 기판 상에 배열된 다수의 발광 소자로서, 상기 베이스 기판 상을 따라 횡 방향으로 배열된 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자를 포함하는 다수의 발광 소자;
상기 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자 중에서 적어도 어느 하나의 군의 발광 소자 상에 배치된 다수의 광학 렌즈; 및
상기 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자로부터 출사되어, 주변 객체로부터 반사된 반사 광을 감지하는 다수의 수광 소자를 포함한다.
예를 들어, 상기 다수의 발광 소자는, 상기 베이스 기판 상을 따라 횡 방향으로 순환적으로 교번되게 배열된 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자를 포함하고,
상기 다수의 광학 렌즈는, 상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 상에 배치된 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈를 포함하되, 상기 제1 군의 발광 소자 상에는 광학 렌즈가 배치되지 않고, 상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈는, 제2 군의 광학 렌즈로부터 제4 군의 광학 렌즈로 가면서 점진적으로 곡률 또는 굴절력이 높아지도록 형성되며,
상기 수광 소자는, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자로부터 출사되어, 주변 객체로부터 반사된 반사 광을 감지할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 각각은,
상기 베이스 기판 상에 형성된 N형 DBR 층과 P형 DBR 층과, 상기 N형 DBR 층과 P형 DBR 층 사이에 형성된 활성층을 포함하고,
상기 P형 DBR 층에는 베이스 기판의 횡 방향을 따라 중앙 영역으로 캐리어 집중을 위한 산화물 개구부를 둘러싸는 산화물층이 형성되되,
상기 제1 내지 제4 군의 발광 소자는 서로 동일한 크기의 산화물 개구부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 TOF 센서는, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 각각과 전기적으로 연결되며 서로로부터 전기적으로 단절된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인은, 각각 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자가 배열된 제1 방향을 따라 연장되면서, 상기 제1 내지 제4 군의 발광 소자를 동일한 군의 발광 소자로 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인은, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 서로 교대로 번갈아 배치되고,
상기 TOF 센서는, 상기 제2 방향을 따라 연장되면서 각각의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인의 단부를 가로질러 각각의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인을 결선시키는 제1 군 내지 제4 군의 결선 라인을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 TOF 센서는, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인과 구동 전원 사이에서 구동 전원과의 택일적인 연결을 전환시키기 위한 스위치를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인과 구동 전원 사이의 연결을 전환시키는 스위치의 연결 전환에 따라,
상기 제1 군의 어드레스 라인과 연결된 제1 군의 발광 소자의 구동으로부터 가장 넓은 스폿 사이즈에 걸쳐서 광 강도가 분산되는 형태의 광이 출사되고,
상기 제4 군의 어드레스 라인과 연결된 제4 군의 발광 소자의 구동으로부터 가장 좁은 스폿 사이즈로 광 강도가 집중되는 형태의 광이 출사될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 군의 발광 소자의 구동에 따라 가장 넓은 스폿 사이즈에 걸쳐서 분산되는 광 강도로부터 주변 객체를 감지할 수 있는 시야가 최단의 근거리로 제한되며,
상기 제4 군의 발광 소자의 구동에 따라 가장 좁은 스폿 사이즈로 집중되는 광 강도로부터 주변 객체를 감지할 수 있는 시야가 최장의 원거리로 확대될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 군 및 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군 및 제3 군의 발광 소자의 구동에 따라, 상기 제1 군의 발광 소자의 구동에 따른 가장 넓은 스폿 사이즈 보다는 좁고, 상기 제4 군의 발광 소자의 구동에 따른 가장 좁은 스폿 사이즈 보다는 넓은 스폿 사이즈의 광이 출사될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군의 발광 소자의 구동에 따른 스폿 사이즈는,
상기 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제3 군의 발광 소자의 구동에 따른 스폿 사이즈 보다는 넓을 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 군 및 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군 및 제3 군의 발광 소자의 구동에 따라, 상기 제1 발광 소자의 구동에 따른 최단의 근거리 시야 보다는 길고, 상기 제4 발광 소자의 구동에 따른 최장의 원거리 시야 보다는 짧은 시야가 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군의 발광 소자의 구동에 따른 시야는,
상기 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제3 군의 발광 소자의 구동에 따른 시야 보다는 짧을 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 각각은,
상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 상에 배치된 제1 집광 렌즈; 및
상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자로부터 이격되도록 상기 제1 집광 렌즈 상에 배치된 제2 집광 렌즈를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 내지 제4 군의 광학 렌즈에 각각 구비된 다수의 제2 집광 렌즈는,
상기 베이스 기판을 따라 횡 방향으로 배열된 것으로, 서로 일체로 연결된 다수의 제2 집광 렌즈를 포함하는 광학 렌즈 어레이로 마련될 수 있다.
예를 들어, 상기 광학 렌즈 어레이는,
상기 베이스 기판을 따라 평편하게 형성된 지지대; 및
상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 상에 각각 배치된 다수의 제1 집광 렌즈와 마주하는 상기 지지대의 하면 상에 배열된 다수의 제2 집광 렌즈를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 집광 렌즈는, 상기 제1 집광 렌즈에 대한 상대적인 위치에 따라 이하와 같은 제1 내지 제3 위치에 배치될 수 있다.
1) 상기 제1, 제2 집광 렌즈가 서로에 대해 겹쳐지지 않는 제1 위치;
2) 상기 제1, 제2 집광 렌즈의 광축이 서로에 대해 정렬되는 제2 위치; 및
3) 상기 제1, 제2 집광 렌즈의 광축이 서로에 대해 엇갈리는 제3 위치;
예를 들어, 상기 제2 집광 렌즈의 제2 위치에서, 상기 제1 집광 렌즈로부터 출사되는 상대적으로 넓은 스폿 사이즈로 광 강도가 분산되면서 상대적으로 짧은 시야를 제공하는 광은, 상기 제2 집광 렌즈를 경유하면서 상대적으로 좁은 스폿 사이즈로 광 강도가 집중되면서 상대적으로 긴 시야를 제공하는 광으로 정형될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 집광 렌즈의 제3 위치에서, 상기 제1 집광 렌즈로부터 출사되는 광은 제2 집광 렌즈의 중심을 향하여 편향된 광으로 정형될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 집광 렌즈의 제3 위치에서, 상기 제1 집광 렌즈로부터 출사되는 광의 광축이 제2 집광 렌즈의 중심을 향하여 편향되면서, 광 강도가 가장 높은 광축 위치가 제1 집광 렌즈의 중심으로부터 제2 집광 렌즈의 중심을 향하여 편향될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈에 각각 마련된 다수의 제2 집광 렌즈는 상기 베이스 기판을 따라 횡 방향으로 배열된 광학 렌즈 어레이로 마련되고,
상기 광학 렌즈 어레이는, 베이스 기판을 따라 횡 방향으로 제1 내지 제3 위치 사이에서 병진 운동 가능하게 지지될 수 있다.
예를 들어, 상기 광학 렌즈 어레이의 병진 운동에 따라, 상기 제2 집광 렌즈의 제1 내지 제3 위치에서, 상기 제2 집광 렌즈는 상기 제1 군의 발광 소자 상에는 배치되지 않을 수 있다.
본 발명에 의하면, 서로 전기적으로 단절된 각각의 어드레스 라인을 통하여 서로 다른 일 군의 발광 소자를 서로 다른 시간에 스위치 온/오프 전환시킬 수 있고, 서로 다른 스폿 사이즈 및 시야 거리를 제공할 수 있는 서로 다른 형태의 광으로 정형하도록, 서로 다른 일 군의 발광 소자 상에 배치되는 서로 다른 일 군의 광학 렌즈를 포함하는 TOF 센서가 제공된다.
본 발명의 일 실시형태는 서로 다른 일 군의 발광 소자가 서로 다른 시간에 턴-온 되면서, 서로 이웃한 발광 소자가 동시에 턴-온 되면서 야기되는 발열 문제를 완화시킬 수 있는 TOF 센서가 제공된다.
본 발명의 일 실시형태는 하나의 베이스 기판 상에 다수의 발광 소자를 배치하면서도 순간적으로 턴-온 되는 발광 소자의 개수를 고려하여, 각각의 발광 소자로부터 적정의 광량을 유지하고, 각각의 발광 소자의 열화를 방지하도록, 산화물층이나 식각부와 같은 결함 소스로부터 결함의 이동을 차단하고, 결함 소스로부터 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층의 중앙 영역으로의 결함 이동을 차단하도록 발광 소자에 이온 주입층이 형성된 다수의 발광 소자를 포함하는 TOF 센서가 제공된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시형태에서 다수의 발광 소자가 2차원으로 배열된 발광 소자 어레이(EA)를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취하여 일 방향을 따라 1차원으로 배열된 다수의 발광 소자(E)의 배열을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 3에는 도 2에 도시된 발광 소자(E)를 입체적으로 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 5 내지 도 7에는, 도 4에 도시된 발광 소자(E)를 설명하기 위한 도면으로, 도 4에 도시된 발광 소자(E)가 형성되는 서로 다른 국면에서 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면들이 도시되어 있다.
도 8에는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 9 내지 도 11에는 도 8에 도시된 발광 소자(E)가 형성되는 서로 다른 국면에서 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면들이 도시되어 있다.
도 12에는 다수의 발광 소자(E)를 포함하는 발광 유닛(EU) 및 다수의 수광 소자를 포함하는 수광 유닛(DU)을 구비하는 TOF 센서(TOF)의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 13에는 본 발명의 일 실시형태에서, 발광 소자 어레이(EA) 상에 배치된 광학 렌즈 어레이(FA)를 포함하는 발광 유닛(EU)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 14에는 도 13에 도시된 발광 유닛(EU)으로부터 출사되는 서로 다른 스폿 사이즈(서로 다른 방사각)와 시야를 제공하는 광의 형태를 예시적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 15에는 도 13에 도시된 발광 유닛(EU)에서, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)로부터 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)로 가면서 순차적으로 구동되는 국면, 예를 들어, 서로 다른 시각 T1, T2, T3, T4에 구동되는 국면에서, 서로 다른 스폿 사이즈(서로 다른 방사각)와 시야를 제공하는 광이 순시적으로 출사되는 형태를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 16에는 도 13에 도시된 발광 유닛(EU)에서 각각의 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)로부터 출사되는 서로 다른 스폿 사이즈(서로 다른 방사각)와 시야를 제공하는 광의 형태를 대비적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 17에는 원거리의 객체를 감지하기 위한 구성으로, 동일한 스폿 사이즈로 광 강도를 높이는 구성과, 광의 스폿 사이즈를 줄이는 구성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 18에는 동일한 광 강도로 감지능(sensitivity)을 높이는 구성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 19 및 도 20에는 각각의 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4) 각각에 대해 서로 독립적으로 구동 전원(V)을 인가하기 위한 서로 다른 어드레스 구조를 갖춘 발광 유닛(EU)의 어드레스 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 21에는 각각 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 연결된 제1 내지 제4 접점(CP1,CP2,CP3,CP4)과 구동 전원(V) 사이에 개재되어 스위칭 동작을 구현하는 일 실시형태를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 22에는 본 발명의 다른 실시형태에서, 발광 소자 어레이(EA) 상에 배치된 광학 렌즈 어레이(FA)를 포함하는 발광 유닛(EU)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 23에는 도 22에 도시된 발광 유닛(EU)으로부터 출사되는 서로 다른 스폿 사이즈(방사각)과 시야를 제공하는 광의 형태를 예시적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 24에는 도 22에 도시된 발광 유닛(EU)에서, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)로부터 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)로 가면서 순차적으로 구동되는 국면, 예를 들어, 서로 다른 시각 T1, T2, T3, T4에 구동되는 국면에서 서로 다른 스폿 사이즈(방사각)과 시야를 제공하는 광이 순시적으로 출사되는 형태를 예시적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 25에는 본 발명의 다른 실시형태에서, 발광 소자(E) 상에 지지된 제1 집광 렌즈(L1)와 발광 소자(E)로부터 이격된 제2 집광 렌즈(L2)의 중첩적인 배치를 포함하는 발광 유닛(EU)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 26 내지 도 28에는, 도 25에 도시된 발광 유닛(EU)에서 제1 집광 렌즈(L1)에 대한 제2 집광 렌즈(L2)의 서로 다른 제1 내지 제3 위치(g1,g2,g3)에 따라 발광 유닛(EU)으로부터 제공되는 서로 다른 형태의 광을 예시적으로 보여주는 도면들이 도시되어 있다.
도 29 내지 도 32에는, 도 25에 도시된 발광 유닛(EU)에서, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 서로 다른 곡률 내지는 굴절력이나 서로 다른 광학적 배치를 통하여 제1 집광 렌즈(L1)의 중심으로부터 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 서로 다른 정도로 편향된 광의 형태를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 33a 내지 도 33c에는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 소자 어레이(EA) 또는 발광 소자 어레이(EA)를 포함하는 발광 유닛(EU)에서 발광 소자(E)의 열화가 완화되는 기술적 효과를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에서, 발광 소자(E)와, 다수의 발광 소자(E)를 포함하는 발광 소자 어레이(EA)와, 발광 소자(E)와 함께, 발광 소자(E)로부터 출사되는 광을 정형하기 위한 광학 렌즈(F)를 포함하는 발광 유닛(EU)과, 주변 객체(B)로부터의 반사 광을 감지하기 위한 수광 유닛(DU)을 포함하는 TOF 센서(TOF)에 대해 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시형태에서 다수의 발광 소자(E)가 2차원으로 배열된 발광 소자 어레이(EA)를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취하여 일 방향을 따라 1차원으로 배열된 다수의 발광 소자(E)의 배열을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 3에는 도 2에 도시된 발광 소자(E)를 입체적으로 도시한 도면이 도시되어 있다. 도 4에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 5 내지 도 7에는, 도 4에 도시된 발광 소자(E)를 설명하기 위한 도면으로, 도 4에 도시된 발광 소자(E)가 형성되는 서로 다른 국면에서 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면들이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 소자(E)는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 수직 공동 표면 방출 레이저)을 포함할 수 있으며, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 소자 어레이(EA)는 VCSEL 어레이를 포함할 수 있다.
상기 발광 소자 어레이(EA)는 하나의 베이스 기판(S) 상에 2차원 배열된 다수의 발광 소자(E)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 VCSEL을 포함하는 발광 소자(E)는 EEL(Edge Emitting Laser, 모서리 발광 레이저)에 비하여 원형광에 가까운 가우시안 빔을 출사하므로, 광의 형상을 정형하기에 상대적으로 용이할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서는, 발광 소자(E) 상에 광학 렌즈(F)를 배치하여 발광 소자(E)로부터 출사되는 광을 적정의 스폿 사이즈(예를 들어, 방사각)와 적정의 시야를 제공하는 광으로 정형할 수 있다.
상기 발광 소자(E)는, 한 쌍의 미러 스택(highly reflective mirror stack, P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR) 사이에 개재된 광학 활성 반도체층(optically active semiconductor layer, 예를 들어, 활성층 AR)를 포함하는 레이저 장치로서, 상기 미러 스택(P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DBR 층(n-DBR))은 금속 물질(metallic material)이나 유전 물질(dielectric material)이나 에픽택셜 성장형 반도체 물질(epitaxailly-grown semiconductor layer)을 포함할 수 있으며, 상기 광학 활성 반도체층(예를 들어, 활성층 AR)은 AlInGaAs 또는 InGaAsP를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는 한 쌍의 미러 스택(P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR) 중에서 하나가 나머지 다른 하나 보다 상대적으로 반사를 덜 하도록 구성하여, 한 쌍의 미러 스택(P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR) 사이에 형성되며 활성층(AR)을 포함하는 공진 공동(resonant cavity)에 모이는 간섭광(coherent light)이 레이저 광으로 방출될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 발광 소자(E)는 공진 공동(활성층 AR 포함)의 상면이나 바닥면으로부터 비교적 적은 빔 확산(beam divergence)으로 레이저 광을 방출할 수 있으며, 발광 소자(E)는 베이스 기판(S) 상에서 1차원 또는 2차원으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 소자(E)는 이득 유도형(gain-guided) 발광 소자 또는 인덱스 유도형(index-guided) 발광 소자의 서로 다른 유형으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 인덱스 유도형(index-guided) 발광 소자는 산화(oxide) 발광 소자로서, 캐리어 및 광을 모두 집중시키기 위한 산화물층(제1 산화물층, O1)을 포함할 수 있으며, 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 산화물층(제1 산화물층, O1)을 통하여 횡 방향을 따른 캐리어 집중(carrier confinement) 및 광 집중(optical confinement)을 위하여 횡 방향을 따라 전기적인 저항 분포와 굴절율의 분포를 형성할 수 있다. 이와 같이 횡 방향을 따른 캐리어 집중 및 광 집중은 활성층(AR) 내에서 캐리어와 광자의 밀도를 증가시키고 결과적으로 활성층(AR) 내에서 레이저 광이 효율적으로 생성되도록 할 수 있다. 이러한 실시형태에서 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 집중 영역을 횡 방향을 따라 발광 소자(E)의 중앙 영역으로 제한할 수 있으며, 산화물 개구부(OP)는 캐리어가 이동하는 전류 경로를 제한할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 산화물층(제1 산화물층, O1)은 미러 스택(P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR)을 제공하는 DBR(Distributed Bragg Reflection)의 일부로서 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 한 쌍의 미러 스택(P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR) 각각은 굴절율이 서로 다른 층들을 교대로 적층시킨 구조로 형성되어, 바람직한 동작 레이저 파장, 예를 들어, 650nm 내지 1650nm 범위의 파장에 대해 설계된 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 형성할 수 있으며, 예를 들어, 상기 한 쌍의 미러 스택(P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR) 각각은 고비율 알루미늄 함유 AlGaAs와 저비율 알루미늄 함유 AlGaAs로 이루어진 층들이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서 상기 미러 스택(P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR)은 동작 레이저 파장의 대략 1/4인 유효 광 두께(effective optical thickness)를 가질 수 있으며, 여기서, 유효 광 두께란 해당되는 층의 두께를 해당되는 층의 굴절율로 곱한 값에 해당될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 한 쌍의 미러 스택(P형 DBR 층, p-DBR 및 N형 DBR 층, n-DBR)은 레이저 광이 발광 소자(E)의 상면에서 방출되도록 설계되거나 또는 레이저 광이 발광 소자(E)의 바닥면에서 방출되도록 설계될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 발광 소자 어레이(EA)는 베이스 기판(S) 상을 따라 1차원 또는 2차원으로 배열된 다수의 발광 소자(E)를 포함할 수 있으며, 상기 베이스 기판(S)은 GaAs, InP, 사파이어(sapphire)(Al2O3), 또는 InGaAs로 이루어질 수 있으며, 도핑되지 않거나, n-타입 도핑(예를 들어, 실리콘 Si로 도핑)되거나, 또는 p-타입 도핑(예를 들어, 아연 Zn으로 도핑)될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자 어레이(EA)는 횡 방향을 따라 실질적으로 동일한 크기의 산화물 개구부(OP, oxidation aperture)가 형성된 다수의 발광 소자(E)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서 상기 산화물 개구부(OP, oxidation aperture)는 AlGaAs 층이 고온의 N2 및 H2O(수증기) 혼합 가스 분위기에 노출되면서 H2O 분자가 AlGaAs 층 내부에서 확산 과정을 거치면서 AlGaAs 물질과의 화학 반응의 결과로 AlGaAs 물질이 AlOX:As 형태로 변형되는 산화 공정에 의해 형성될 수 있으며, 이러한 산화 공정의 조건으로, AlGaAs 층의 Al 함량, H2O(수증기) 함량, 반응 챔버의 온도 등의 처리 조건을 변화시킬 수 있으며, 이러한 산화 공정의 조건을 제어함으로써, 산화물 개구부(OP)의 횡 방향의 형상 및 크기 등이 제어될 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시형태에 대해 설명하면 이하와 같다. 즉, 상기 발광 소자(E)는 서로 반대되는 제1, 제2 면을 포함하는 베이스 기판(S)과, 상기 베이스 기판(S)의 제1 면(상면) 상에 형성된 N형 DBR(Distributed Bragg Reflector) 층(n-DBR)과, N형 DBR 층(n-DBR) 상에 순차적으로 형성된 활성층(AR) 및 P형 DBR 층(p-DBR)과, P형 DBR 층(p-DBR)과 전기적으로 연결되는 제1 전극 컨택층(M1)과, 상기 베이스 기판(S)의 제2 면(하면) 상에 형성된 제2 전극 컨택층(M2)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 베이스 기판(S)의 제1 면(상면) 상에는 N형 DBR 층(n-DBR)이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 N형 DBR 층(n-DBR)은 서로 다른 조성을 갖는 한 쌍의 AlGaAs 층이 교대로 형성되거나 또는 GaAs 층 및 AlGaAs 층이 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 N형 DBR 층(n-DBR)은 서로 교대로 적층된 한 쌍의 AlGaAs 층을 포함할 수 있으며, 상기 한 쌍의 AlGaAs 층 중 어느 하나는 다른 하나 보다 상대적으로 알루미늄(Al) 조성이 더 높을 수 있으며, 예를 들어, 한 쌍의 AlGaAs 층은 Al0.92Ga0.08As 층 및 Al0.16Ga0.84As 층을 포함할 수 있다. 상기 N형 DBR 층(n-DBR)은 실리콘(Si)을 불순물로 포함함으로써, n-타입으로 도핑될 수 있다.
상기 N형 DBR 층(n-DBR)은 활성층(AR)의 하부에서 내부 반사 기능을 수행할 수 있으며, 또한, n형 캐리어를 활성층(AR)으로 공급할 수 있다. 상기 N형 DBR 층(n-DBR) 상에는 활성층(AR)과 P형 DBR 층(p-DBR)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(AR)은 AlInGaAs(즉, AlInGaAs, GaAs, AlGaAs, 및 InGaAs), InGaAsP(즉, InGaAsP, GaAs, InGaAs,GaAsP, 및 GaP), GaAsSb(즉, GaAsSb, GaAs, 및 GaSb), InGaAsN(즉, InGaAsN, GaAs, InGaAs, GaAsN, 및 GaN) 또는 AlInGaAsP(즉, AlInGaAsP, AlInGaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP 및 GaP)를 포함할 수 있으며, 이와 달리 양자 우물층 구성(quantum well layer composition)이 이용될 수도 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 활성층(AR)은, 하나 이상의 양자 우물층과 배리어층을 포함할 수 있으며, 상기 양자 우물층은 GaAs, AlGaAs, AlGaAsSb, InAlGaAs, AlInGaP, GaAsP 또는 InGaAsP 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 배리어층은 AlGaAs, InAlGaAs, InAlGaAsP, AlGaAsSb, GaAsP, GaInP, AlInGaP, 또는 InGaAsP 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(AR) 상에는 P형 DBR 층(p-DBR)이 형성될 수 있다. 상기 P형 DBR 층(p-DBR)은 서로 다른 조성의 한 쌍의 AlGaAs 층이 교대로 적층되거나 또는 GaAs 층 및 AlGaAs 층이 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 P형 DBR 층(p-DBR)은 서로 교대로 적층된 한 쌍의 AlGaAs 층을 포함할 수 있으며, 상기 한 쌍의 AlGaAs 층 중 어느 하나는 다른 하나 보다 상대적으로 알루미늄(Al) 조성이 더 높을 수 있으며, 예를 들어, 한 쌍의 AlGaAs 층은 Al0.92Ga0.08As 층 및 Al0.16Ga0.84As 층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서 상기 P형 DBR 층(p-DBR)은 탄소(C) 또는 아연(Zn)을 불순물로 포함함으로써, p-타입으로 도핑될 수 있다.
상기 P형 DBR 층(p-DBR) 내에는 산화물 개구부(OP, oxidation aperture)를 정의하는 제1 산화물층(O1)이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 산화물층(O1)은 상기 베이스 기판(S) 상에, N형 DBR 층(n-DBR), 활성층(AR) 및 P형 DBR 층(p-DBR)이 적층된 적층 방향을 따라 활성층(AR)과 인접한 위치에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 산화물층(O1)이 활성층(AR)과 인접한 위치에 형성된다는 것은, 제1 산화물층(O1)이 적층 방향을 따라 P형 DBR 층(p-DBR)의 전체 높이 중에서 상대적으로 활성층(AR)에 보다 인접한 위치에 형성된다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 산화물층(O1)은, 제1 전극 컨택층(M1)에 인접한 P형 DBR 층(p-DBR)의 상면과 활성층(AR)에 인접한 P형 DBR 층(p-DBR)의 하면 중에서, P형 DBR 층(p-DBR)의 하면에 보다 인접한 위치에 형성된다는 것을 의미할 수 있다.
상기 제1 산화물층(O1)은 캐리어를 횡 방향으로 집중시킬 수 있으며, 이러한 캐리어 집중(carrier confinement)은 캐리어의 이동을 제한하도록 상대적으로 높은 전기 저항으로 형성된 제1 산화물층(O1)에 의해 이루어질 수 있고, 상기 제1 산화물층(O1)은 산화물 개구부(OP)를 둘러싸면서 캐리어가 우선적으로 산화물 개구부(OP)를 통하여 이동하도록 할 수 있다. 예를 들어, 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)을 통하여 횡 방향을 따라 전기적인 저항의 분포와 굴절율의 분포를 형성할 수 있으며, 캐리어 집중(carrier confinement) 및 광 집중(optical confinement)을 통하여 활성층(AR) 내에서 캐리어와 광자의 밀도를 증가시킬 수 있고, 결과적으로 활성층(AR) 내에서 레이저 광이 효율적으로 생성되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 산화물 개구부(OP, oxidation aperture)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)은, AlGaAs 층이 고온의 N2 및 H2O(수증기) 혼합 가스 분위기에 노출되면서 H2O(수증기) 분자가 AlGaAs 층 내부에서 확산 과정을 거치면서 AlGaAs 물질과의 화학 반응의 결과로 AlGaAs 물질이 AlOX:As 형태로 변형되는 산화 공정에 의해 형성될 수 있으며, 이러한 산화 공정의 조건으로, AlGaAs 층의 Al 함량, H2O(수증기) 함량, 반응 챔버의 온도 등의 처리 조건을 변화시킬 수 있으며, 이러한 산화 공정의 조건을 제어함으로써, 산화물 개구부(OP)의 횡 방향의 형상 및 크기 등이 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 산화 공정에서는 산화물 개구부(OP, oxidation aperture)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1) 외에, P형 DBR 층(p-DBR) 내부의 제2 산화물층(O2)이 형성될 수 있으며, 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상대적으로 고비율 알루미늄 함유 AlGaAs 층과 상대적으로 저비율 알루미늄 함유 AlGaAs 층이 교대로 적층된 P형 DBR 층(p-DBR)에서 적층 방향을 따라 교대로 산화 거리(d2,d3)가 서로 다른 산화물층을 포함하는 제2 산화물층(O2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 산화 거리(d1,d2,d3)란 후술하는 바와 같이, 발광 소자(E)의 노출 영역 내지는 노출된 측면에 형성된 식각부(ET)로부터 발광 소자(E)의 중앙 영역을 향하여 연장된 거리를 의미할 수 있으며, 예를 들어, 고비율 알루미늄 함유 AlGaAs 층의 산화 거리(d2)가, 저비율 알루미늄 함유 AlGaAs 층의 산화 거리(d3) 보다 발광 소자(E)의 중앙 영역을 향하여 내측으로 보다 길게 연장될 수 있다.
도면 상으로 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)은 P형 DBR 층(p-DBR) 내의 제1 산화물층(O1) 영역을 노출시키는 다수의 홀(미도시)을 형성하고, 이때, 노출된 홀(미도시)의 측면을 통하여 가열된 수증기가 침투하여 산화물 개구부(OP)를 향하여 산화되어 들어가면서 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 측면을 노출시키기 위한 홀은 P형 DBR 층(p-DBR)의 제1 산화물층(O1) 영역의 깊이까지 형성될 수 있으며, 산화 공정에서 발광 소자(E)가 가열된 수증기에 노출되면, 가열된 수증기가 홀로 들어가서 홀(미도시)로부터 방사상으로 확산되면서 각각의 홀로부터 가열된 수증기의 확산을 통하여 산화의 계면이 서로 병합되고 산화물 개구부(OP)를 형성하기까지 산화 처리가 지속될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자(E)는 발광 소자(E) 내에서 결함 이동을 차단하기 위한 이온 주입층(P)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 발광 소자(E) 내에서 결함의 형성 내지는 이동은, P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DBR 층(n-DBR)에서 광 흡수(optical absorption)를 증가시키거나 또는 활성층(AR)에서 전자 광(electro optic properties) 특성을 열화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자(E)의 성능 열화를 일으킬 수 있는 결함 내지는 결함 소스는 발광 소자(E)의 산화물층(제2 산화물층, O2)과 발광 소자(E)의 노출 영역(exposed region)에 형성된 식각부(ET)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물층(제2 산화물층, O2)은 AlGaAs 층이 고온의 N2 및 H2O(수증기) 혼합 가스 분위기에 노출되면서 H2O(수증기) 분자가 AlGaAs 층 내부에서 확산 과정을 거치면서 AlGaAs 물질이 AlOX:As 형태로 변형되어 야기되는 부피 축소에 따라 압축 변형이 유도되면서 압축 변형장을 형성할 수 있다.
도 4에 도시된 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자(E)는 베이스 기판(S)의 제1, 제2 면 측으로부터 각각 서로 다른 제1, 제2 전극 컨택층(M1,M2)이 형성되는 양면 컨택 형태로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 P형 DBR 층(p-DBR) 및 상기 P형 DBR 층(p-DBR)과 인접한 N형 DBR 층(n-DBR)은, 베이스 기판(S) 내지는 베이스 기판(S)의 제1 면 상에 형성된 N형 DBR 층(n-DBR)과 단차지도록 에칭 다운(etching down)될 수 있다(예를 들어, 도 5에 도시된 에칭 영역, ETA). 이때, 상기 P형 DBR 층(p-DBR)의 측면은 발광 소자(E)의 결함 내지는 결함 소스로서 노출 영역에 형성된 식각부(ET)에 해당될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광 소자(E)는, 서로 다른 제1, 제2 전극 컨택층(M1,M2)이 모두 베이스 기판(S)의 제1 면(상면) 측으로부터 형성되는 전면 컨택 형태로 형성될 수도 있으며, P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DBR 층(n-DBR)이 모두 베이스 기판(S)으로부터 계단식으로 단차진 구조를 형성하도록 에칭 다운(etching down)될 수 있으며(예를 들어, 도 9에 도시된 에칭 영역 ETA), 상기 P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DBR 층(n-DBR)의 측면은 발광 소자(E)의 결함 내지는 결함 소스로서 노출 영역에 형성된 식각부(ET)에 해당될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 상기 P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DBR 층(n-DBR)에 각각 연결되는 제1, 제2 전극 컨택층(M1,M2)은, 각각 P형 DBR 층(p-DBR)과 베이스 기판(S) 상에서 베이스 기판(S)의 제1 면(상면) 상으로부터 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 식각부(ET)는 결정 격자(crystal lattice)의 격자 결함을 포함하거나 식각 이후의 잔류막에 의해 유도되는 결함을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 식각부(ET)는 격자 결함으로, 전위(dislocation)와 같은 라인 결함(line defect)이나 빈 격자(vacancy)와 같은 포인트 결함(point defect)을 포함할 수 있으며, 식각 이후의 잔류막에 의해 유도되는 결함을 포함할 수 있다.
예를 들어, 발광 소자(E)의 성능 열화를 야기하는 결함 내지는 결함 소스로서 산화물층(제2 산화물층, O2)이나 식각부(ET)는 발광 소자(E) 구조 내에 변형이나 스트레스를 유도할 수 있으며, 이러한 결함은 발광 소자(E)의 동작 동안에 활성층(AR)을 향하여 이동하는 결함 이동을 야기할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 결함 이동을 차단하기 위하여, 결함 내지는 결함 소스를 절연화 내지는 부도체화시키도록 이온 주입층(P)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 주입층(P)은 개구패턴이 형성된 마스크(미도시)를 배치하고, 마스크(미도시)의 개구패턴과 대응되는 영역에 이온 종(ion species)을 포함하는 이온 빔을 가속하여 투사시키는 이온 임플란테이션(ion implantation)을 통하여 형성될 수 있으며, 주입되는 이온 종(ion species)의 중량이나 이온 빔을 가속시키는 에너지의 양 등에 따라 이온 종(ion species)의 주입 깊이(PD) 내지는 이온 주입층(P)의 깊이(PD)를 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 이온 주입층(P)을 형성하기 위한 이온 임플란테이션(ion implantation)에서는 H+,O+,N+,F+ 등의 이온 종(ion species)이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 프로톤(H+)이 적용될 수 있다.
상기 이온 임플란테이션(ion implantation)은 이온 주입을 통하여 이온 주입층(P) 내에 빈 격자(vacancy)와 같은 격자 결함을 유도하여 이온 주입층(P)을 절연화 내지는 부도체화시킬 수 있으며, 이에 따라, 이온 주입층(P)에 의해 덮이는 결합 소스, 예를 들어, 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 같은 결함 소스를 향하는 전류 내지는 캐리어의 이동을 억제할 수 있으며, 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 같은 결함 소스로부터 결함 이동을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 임플란테이션(ion implantation)에서, 이온 종(ion implantation)이 주입되는 주입 깊이(PD) 또는 이온 주입층(P)의 깊이(PD)는, 적어도 활성층(AR)의 깊이를 벗어난 활성층(AR)의 하부 영역까지로 설정될 수 있으며, 횡 방향을 따라 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 폭, 또는 마스크를 관통하여 이온 종(ion species)이 주입되는 개구패턴의 폭, 또는 이온 주입층(P)의 폭은, P형 DBR 층(p-DBR)의 산화 거리(d2,d3, 제2 산화물층 O2의 산화 거리 d2,d3, 예를 들어, 제2 산화물층 O2의 서로 다른 산화 거리 d2,d3 중에서 상대적으로 길게 연장된 산화 거리 d2,d3) 보다는 넓게 그리고, P형 DBR 층(p-DBR) 상에 형성된 제1 전극 컨택층(M1) 보다는 좁게 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 폭 또는 이온 주입층(P)의 폭은, P형 DBR 층(p-DBR)의 산화 거리(d2,d3, 제2 산화물층 O2의 서로 다른 산화 거리 d2,d3 중에서 상대적으로 길게 연장된 산화 거리 d2,d3)를 전부 덮는 충분히 넓은 폭으로 형성되면서, 제1 전극 컨택층(M1)의 오믹 컨택(ohmic contact)을 허용하도록 제1 전극 컨택층(M1)의 일부만을 덮는 충분히 좁은 폭으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 주입층(P)의 폭은, 중앙 영역의 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)의 가장자리 영역만을 덮고 산화물 개구부(OP)와 인접한 제1 산화물층(O1)의 중앙 영역은 덮지 않도록 충분히 좁은 폭으로 형성될 수 있으며(중앙 영역의 산화물 개구부 OP는 캐리어의 집중을 위한 영역이므로), 가장자리 영역에 형성된 식각부(ET) 및 제2 산화물층(O2)은 전부를 덮을 수 있는 충분히 넓은 폭으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 주입층(P)은 발광 소자(E)의 가장자리 영역에 형성되면서, 발광 소자(E)의 가장자리 영역에 형성된 식각부(ET)와 제2 산화물층(O2)의 전부와, 제1 산화물층(O1)의 일부인 가장자리 영역을 덮되, 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)의 중앙 영역은 덮지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 주입층(P)은, 캐리어의 집중을 위하여 발광 소자(E)의 중앙 영역에 형성된 산화물 개구부(OP) 및 산화물 개구부(OP)와 인접한 제1 산화물층(O1)의 중앙 영역은 덮지 않을 수 있다.
이와 같이, 상기 이온 주입층(P)의 폭 또는 상기 이온 종(ion species)이 주입되는 폭은, 캐리어 집중(carrier confinement) 및 광 집중(optical confinement)을 위한 산화물 개구부(OP)를 덮지 않고, 산화물 개구부(OP)를 통하여 캐리어와 광자의 밀도가 증대되는 활성층(AR, 예를 들어, 활성층 AR의 중앙 영역)을 덮지 않는 충분히 좁은 폭으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 결함 이동을 차단하기 위한 이온 주입층(P)의 폭 또는 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 폭은, 횡 방향을 따라 이온 주입층(P) 또는 주입 폭의 내측 단부와 외측 단부 사이로 정의될 수 있으며, 여기서, 이온 주입층(P) 또는 주입 폭의 내측 단부 및 외측 단부는, 각각 발광 소자(E)의 중앙 영역 내지는 중앙 영역에 형성된 산화물 개구부(OP)에 상대적으로 인접한 이온 주입층(P) 또는 주입 폭의 내측 단부와, 상기 중앙 영역 내지는 중앙 영역에 형성된 산화물 개구부(OP)로부터 상대적으로 먼 이온 주입층(P) 또는 주입 폭의 외측 단부를 의미할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 주입층(P) 또는 주입 폭은, 발광 소자(E)의 노출 영역에 형성된 식각부(ET)를 덮는 외측 단부로부터 제1 전극 컨택층(M1)의 외측 단부와 제1 전극 컨택층(M1)의 내측 단부 사이의 내측 단부까지에 걸쳐서 형성될 수 있으며, 달리 표현하면, 상기 이온 주입층(P) 또는 주입 폭은 횡 방향을 따라 제1 전극 컨택층(M1)의 일부를 덮되, 제1 전극 컨택층(M1)의 전부를 덮지는 않도록 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 주입층(P) 또는 주입 폭의 내측 단부는, 제2 산화물층(O2)의 내측 단부와 제1 산화물층(O1)의 내측 단부(또는 제1 산화물층 O1의 내측 단부에 의해 정의되는 산화물 개구부 OP) 사이에 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 이온 주입층(P) 내지는 주입 폭은, 횡 방향을 따라 제2 산화물층(O2)은 전부 덮으면서 제1 산화물층(O1)은 일부만을 덮도록 형성될 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 주입층(P) 또는 주입 폭의 외측 단부는, 상기 베이스 기판(S) 상에 적층된 N형 DBR 층(n-DBR)으로부터 횡 방향을 따라 내측으로 단차진 P형 DBR 층(p-DBR)의 단부 위치 또는 상기 P형 DBR 층(p-DBR)과 인접한 N형 DBR 층(n-DBR)의 단부 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 주입층(P) 또는 주입 폭은, 발광 소자(E)의 노출 영역에 형성된 식각부(ET)를 덮는 외측 단부로부터 산화물 개구부(OP)에 못 미치는 내측 단부까지 형성될 수 있다. 상기 산화물 개구부(OP)는 이온 주입층(P) 또는 주입 폭으로부터 완전히 벗어나도록 이온 주입층(P) 또는 주입 폭과 겹쳐지지 않는 위치에 형성될 수 있으며, 캐리어 집중 및 광 집중을 위한 산화물 개구부(OP) 내지는 산화물 개구부(OP)와 인접한 활성층(AR)의 중앙 영역이 이온 주입층(P) 또는 이온 주입층(P)을 형성하기 위한 이온 임플란테이션에 의해 도전 특성이 열화되지 않도록, 횡 방향을 따라 산화물 개구부(OP) 내지는 산화물 개구부(OP)와 대응되는 활성층(AR)의 중앙 영역은 이온 주입층(P) 또는 주입 폭으로부터 완전히 벗어난 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 같은 결함 소스로부터 활성층(AR, 예를 들어, 산화물 개구부 OP에 의해 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층 AR의 중앙 영역)을 향하는 결함 이동을 억제하기 위한 이온 주입층(P)의 폭 또는 이온 임플란테이션(ion implantation)에서 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 폭은, 활성층(AR)의 중앙 영역은 노출시키되 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 인접한 활성층(AR)의 가장자리 영역은 덮도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 같은 결함 소스로부터 활성층(AR)의 중앙 영역 내지는 중앙 영역에 인접한 위치까지 결함 이동이 이루어질 경우, 발광 소자(E)의 성능이 급격하게 열화되면서 실질적으로 발광 소자(E)의 기능을 상실하게 될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시형태에서는, 이온 임플란테이션(ion implantation) 내지는 이온 임플란테이션(ion implantation)으로부터 형성된 이온 주입층(P)으로 인하여, 일부 활성층(AR, 활성층 AR의 가장자리 영역)의 도전 특성이 열화되거나 또는 일부 활성층(AR, 활성층 AR의 가장자리 영역)이 절연화 내지는 부도체화되더라도, 결함 이동을 차단하도록 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 같은 결함 소스와 인접한 활성층(AR)의 가장자리 영역을 덮는 주입 폭 내지는 이온 주입층(P)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 이온 주입층(P)의 깊이(PD) 또는 주입 깊이(PD)는, 활성층(AR)의 하부 영역까지 설정될 수 있으며, 활성층(AR)의 하부 영역까지 깊게 설정되는 이온 주입층(P)의 깊이(PD) 또는 주입 깊이(PD)를 고려하면, 상기 이온 주입층(P)은 결함 내지는 결함 소스에 해당되는 제2 산화물층(O2) 또는 식각부(ET)가 형성된 발광 소자(E)의 가장자리 영역을 덮으면서, 상기 활성층(AR)의 가장자리 영역도 함께 덮을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 이온 주입층(P)의 깊이(PD) 또는 이온 임플란테이션(ion implantation)에서 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 깊이(PD)는, 가속된 이온 빔이 투사되는 깊이를 의미할 수 있으며, 예를 들어, 발광 소자(E) 내부로 투사된 이온 종(ion species)이 투사 이후에 확산되는 깊이까지는 포함하지 않을 수도 있다. 유사하게, 이온 주입층(P)의 폭 또는 이온 임플란테이션(ion implantation)에서 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 폭은 가속된 이온 빔이 마스크(미도시)의 개구패턴을 통하여 발광소자 내부로 투사되는 폭을 의미할 수 있으며, 예를 들어, 발광 소자(E) 내부로 투사된 이온 종(ion species)이 투사 이후에 확산되는 폭까지는 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 이온 주입층(P)의 깊이(PD) 또는 결함 이동을 차단하기 위한 이온 임플란테이션(ion implantation)에서 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 깊이(PD)는, 적어도 활성층(AR)을 벗어난 활성층(AR)의 하부 영역까지 충분한 깊이로 설정될 수 있으며, 활성층(AR)을 포함하여 활성층(AR)의 하부 영역까지의 충분한 깊이로 형성된 이온 주입층(P)을 통하여 활성층(AR)의 일부(활성층 AR의 가장자리 영역)에 결함이 야기될 수도 있으나, 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)로부터 결함 이동이 활성층(AR, 예를 들어, 산화물 개구부 OP에 의해 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층 AR의 중앙 영역)까지 진행될 경우, 급격한 활성층(AR)의 열화로 인하여 발광 소자(E)의 기능을 실질적으로 상실될 수 있기 때문에, 활성층(AR)의 일부(활성층 AR의 가장자리 영역)를 덮는 이온 주입층(P)에 의해 활성층(AR)의 일부(활성층 AR의 가장자리 영역)가 절연화 내지는 부도체화된다고 하더라도, 경시적으로 안정적인 발광 소자(E)의 구동을 고려하여, 본 발명의 일 실시형태에서 이온 주입층(P) 또는 이온 임플란테이션(ion implantation)의 주입 깊이(PD)는 적어도 활성층(AR)을 벗어나 활성층(AR)의 하부 영역까지 충분한 깊이로 설정될 수 있다.
본 발명과 대비되는 비교예에서는 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)을 형성하기 위하여 산화물 개구부(OP)에 대응되는 개구패턴을 갖는 마스크(미도시)를 배치하고, 개구패턴과 대응되는 영역에 이온 종(ion species)을 포함하는 이온 빔을 가속하여 투사시키는 이온 임플란테이션(ion implantation, 예를 들어, confinement implant)을 수행하여, 캐리어 집중(carrier confinement) 및 광 집중(optical confinement)을 위한 산화물 개구부(OP)를 형성할 수 있다. 이와 같이 캐리어 집중 및 광 집중을 위한 산화물 개구부(OP)의 형성(산화물 개구부 OP를 둘러싸는 제1 산화물층 O1의 형성)에 이온 임플란테이션을 적용하는 비교예에서는, 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 깊이(PD) 내지는 가속된 이온 빔이 투사되는 주입 깊이(PD)는, 활성층(AR)에 미치지 못하는 깊이까지로 제한될 수 있으며, 이와 달리, 산화물층(제2 산화물층, O2)이나 식각부(ET)와 같은 결함 소스로부터 활성층(AR, 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층 AR의 중앙 영역)을 향하는 결함 이동을 억제하기 위하여 이온 임플란테이션을 적용하는 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 임플란테이션의 주입 깊이(PD, 또는 이온 주입층 P의 깊이 PD)는 적어도 활성층(AR)을 벗어난 활성층(AR)의 하부 영역까지 충분한 깊이로 형성될 수 있다. 상기 비교예에서와 같이, 산화물 개구부(OP, 산화물 개구부 OP를 둘러싸는 제1 산화물층 O1)를 형성하기 위한 이온 임플란테이션(ion implantation)에서 이온 종(ion species)이 투사되는 폭 내지는 이온 종(ion species)을 포함하는 이온 빔이 투사되는 마스크(미도시)의 개구패턴의 폭은, 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지도록 횡 방향을 따라 중앙 영역에 형성된 산화물 개구부(OP)에 대응되는 중앙 영역을 중심으로 설정될 수 있으며, 예를 들어, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 산화물 개구부(OP)가 제1 전극 컨택층(M1)의 내측 단부 보다 안쪽에 형성된 구조에서, 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)의 형성을 위한 이온 임플란테이션에서 이온 주입에 따라 유도된 빈 격자와 같은 결함에 의해 도전성을 상실하는 위치는 제1 전극 컨택층(M1)의 내측 단부 보다 안쪽 위치와 같이, 횡 방향을 따라 발광 소자(E)의 내측 위치(발광 소자 E의 중앙 영역)에 해당될 수 있다. 이와 같이, 이온 주입 위치가 상대적으로 중앙 영역으로 설정되는 비교예에서는, 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층(AR)의 중앙 영역이 절연화 내지는 부도체화되지 않도록 상기 이온 임플란테이션(ion implantation)의 주입 깊이(PD)를 활성층(AR)에 미치지 못하는 상대적으로 얇은 깊이로 설정할 수 있다.
다시 말하면, 산화물 개구부(OP)를 형성하기 위하여 이온 임플란테이션을 적용하는 비교예에서는, 주입 깊이(PD)를 활성층(AR)에 미치지 못하는 상대적으로 얇은 깊이로 설정하여, 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층(AR)의 중앙 영역이 이온 임플란테이션(ion implantation)에 의해 유도된 빈 격자와 같은 격자 결함에 의해 도전 특성이 열화되거나 또는 도전성을 상실하여 절연화 내지는 부도체화되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 상기 비교예에서는 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 깊이(PD) 또는 이온 종(ion species)이 투사되는 주입 깊이(PD)를 활성층(AR)의 상부 영역으로 제한할 수 있다.
이러한 비교예에서와 달리, 본 발명의 일 실시형태에서는 산화물 개구부(OP)에 의해 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층(AR)의 중앙 영역을 완전히 노출시키는 주입 폭 또는 이온 주입층(P)의 폭을 설정하여 이온 임플란테이션이 이루어지므로, 이온 임플란테이션으로부터 활성층(AR)의 중앙 영역이 열화되지 않으며, 활성층(AR)의 하부 영역까지 주입 깊이(PD)를 충분히 깊게 설정하더라도 활성층(AR)의 중앙 영역이 열화되지 않을 수 있고, 또한, 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 같은 결함 소스와 인접한 활성층(AR)의 가장자리 영역은 이온 임플란테이션에 의해 유도된 결함(빈 격자와 같은 격자 결함)에 의해 절연화 내지는 부도체화되도록 이온 임플란테이션의 주입 깊이(PD)는 활성층(AR)의 하부 영역까지 충분한 깊이로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 산화물 개구부(OP)는 결함 이동의 억제를 위한 이온 임플란테이션 보다 선행하는 별도의 산화 공정으로부터 형성될 수 있으며, 예를 들어, 산화물 개구부(OP)를 형성하기 위한 산화 공정에서 서로에 대해 적층되어 P형 DBR 층(p-DBR)을 형성하는 각 층(예를 들어, P형 DBR 층, p-DBR을 형성하는 서브 레이어)의 알루미늄 함량에 따라 적층 방향을 따라 교대로 산화 거리(d2,d3)가 서로 다른 산화물층(제2 산화물층, O2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 산화 공정에서는 가열된 수증기가 발광 소자(E)의 내부로 확산되어 P형 DBR 층(p-DBR)과 반응하면서 P형 DBR 층(p-DBR)의 제2 산화물층(O2)을 형성할 수 있으며, 또한, P형 DBR 층(p-DBR)에 형성된 홀(미도시)의 노출된 측면을 통하여 가열된 수증기가 방사상으로 확산되면서 각각의 홀(미도시)로부터 가열된 수증기의 확산을 통하여 산화의 계면이 서로 병합되어 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1, 제2 산화물층(O1,O2)의 산화 거리(d1,d2,d3) 내지는 가열된 수증기의 확산 거리는 각각의 제1, 제2 산화물층(O1,O2)을 형성하는 각 층의 알루미늄 함량이나 또는 가열된 수증기의 확산을 촉진하는 홀(미도시) 등과 같은 별도의 확산 촉진 구조를 통하여, 상기 제1, 제2 산화물층(O1,O2)은 P형 DBR 층(p-DBR) 내에 형성되면서도, 제1 산화물층(O1)은 산화물 개구부(OP)를 둘러싸도록 발광 소자(E)의 중앙 영역까지 상대적으로 긴 제1 산화 거리(d1)로 형성될 수 있고, 상기 제2 산화물층(O2)은 발광 소자(E)의 가장자리 영역에 국한하여 상대적으로 짧은 산화 거리(d2)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 산화물층(O2)은 적층 방향을 따라 서로 다른 제2, 제3 산화 거리(d2,d3)를 가질 수 있으며, 서로에 대해 교대로 적층된 각 층(P형 DBR 층, p-DBR)을 형성하는 서브 레이어)의 알루미늄 함량에 따라 서로 다른 제2, 제3 산화 거리(d2,d3)를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 내지 제3 산화 거리(d1,d2,d3)는 발광 소자(E)의 노출 영역에 해당되는 가장자리 영역으로부터 측정될 수 있으며, 산화물 개구부(OP)를 둘러싸는 제1 산화물층(O1)의 제1 산화 거리(d1)가 가장 길게 형성될 수 있으며, 제2 산화물층(O2)의 제2, 제3 산화 거리(d2,d3)는 제1 산화 거리(d1) 보다는 짧게 형성될 수 있고, 교대로 적층된 각 층의 알루미늄 함량에 따라 상기 제2 산화 거리(d2)는 상대적으로 길게 형성될 수 있고, 상기 제3 산화 거리(d3)는 상대적으로 짧게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 P형 DBR 층(p-DBR)의 제1 내지 제3 산화 거리(d1,d2,d3) 및 결함 이동의 억제를 위한 이온 주입층(P)의 폭 또는 이온 임플란테이션(ion implantation)의 주입 폭은 이하와 같은 대소 관계를 가질 수 있다. 즉, 발광 소자(E)의 노출 영역을 형성하는 발광 소자(E)의 가장자리로부터 측정할 때, 가장자리로부터 중앙 영역을 향하는 제1 내지 제3 산화 거리(d1,d2,d3) 및 주입 폭의 대소 관계는, 제1 산화 거리(d1) > 이온 주입층(P)의 폭 또는 주입 폭 > 제2 산화 거리(d2) > 제3 산화 거리(d3)의 대소 관계를 가질 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 결함 이동의 억제를 위한 이온 임플란테이션(ion implantation)의 주입 폭은, 제2, 제3 산화 거리(d2,d3)는 충분히 덮으면서 제1 산화 거리(d1)는 가장자리 영역만을 덮고 중앙 영역은 덮지 않고 노출시키도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 결함 이동의 억제를 위한 이온 주입층(P)의 깊이(PD) 또는 이온 임플란테이션(ion implantation)에서 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 깊이(PD)는, 활성층(AR)을 벗어나 활성층(AR)의 하부 영역까지 형성될 수 있으며, 예를 들어, 활성층(AR)을 벗어나 활성층(AR) 하부의 N형 DBR 층(n-DBR)의 일부(N형 DBR 층, n-DBR의 상부)까지에 걸쳐서 설정될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 주입층(P)의 깊이(PD) 또는 주입 깊이(PD)는 에칭 다운(etching down)의 깊이(도 5 참조) 보다는 얇은 깊이로 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 주입층(P)의 깊이(PD) 또는 주입 깊이(PD)가 에칭 다운(etching down)의 깊이 보다 깊게 형성되면, 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)와 같은 결함 소스로부터 상대적으로 거리가 먼 N형 DBR 층(n-DBR) 내부에 이온 임플란테이션으로 인한 빈 격자 등의 격자 결함이 유도될 수 있으며, 예를 들어, 결함으로 인한 소수 캐리어의 재결합이나 소수 캐리어의 수명이 낮아지는 문제가 상대적으로 심각한 P형 DBR 층(p-DBR) 보다는 소수 캐리어의 재결합 등의 문제가 상대적으로 심각하지 않은 N형 DBR 층(n-DBR)에 대해 불필요하게 이온 임플란테이션(ion implantation)으로 인한 결함을 유도하게 될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 에칭 다운(etching down)의 깊이는, 베이스 기판(S) 상에 적층된 N형 DBR 층(n-DBR)으로부터 상기 베이스 기판(S)의 횡 방향을 따라 내측으로 단차진 P형 DBR 층(p-DBR) 및 상기 P형 DBR 층(p-DBR)과 인접하고 P형 DBR 층(p-DBR)과 함께 내측으로 단차진 N형 DBR 층(n-DBR)을 포괄하는 깊이를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이온 임플란테이션(ion implantation)에서 이온 종(ion species)이 주입되는 주입 깊이(PD)는 활성층(AR)의 하부 영역까지 설정될 수 있기 때문에, 예를 들어, 활성층(AR)의 하부에 형성된 N형 DBR 층(n-DBR)까지 형성될 수 있으며, P형 DBR 층(p-DBR)과 함께 내측으로 단차진 N형 DBR 층(n-DBR)의 에칭 다운의 깊이 보다는 얇은 깊이까지로 설정될 수 있다.
도 8에는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 9 내지 도 11에는 도 8에 도시된 발광 소자(E)가 형성되는 서로 다른 국면에서 발광 소자(E)의 단면 구조를 보여주는 도면들이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광 소자(E)는, 서로 다른 제1, 제2 전극 컨택층(M1,M2)이 모두 베이스 기판(S)의 제1 면(상면) 측으로부터 형성되는 전면 컨택 형태로 형성될 수 있으며, P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DRB 층이 모두 베이스 기판(S)으로부터 계단식으로 단차진 구조를 형성하도록 상기 P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DBR 층(n-DBR)이 모두 에칭 다운(etching down)될 수 있다(도 9의 에칭 영역 ETA 참조). 이러한 실시형태에서 P형 DBR 층(p-DBR) 및 N형 DBR 층(n-DBR)의 노출 영역에는 모두 식각부(ET)가 형성될 수 있으며, 식각부(ET)로부터 서로 다른 산화 거리(d2,d3)로 교대로 적층된 제2 산화물층(O2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 N형 DBR 층(n-DBR)은 적층 방향을 따라 교대로 고비율 알루미늄 함유 AlGaAs 층과 저비율 알루미늄 AlGaAs로 이루어진 층들이 교대로 적층되어 형성될 수 있으며, 서로 다른 알루미늄 함량에 따라 상기 제2 산화물층(O2)은 서로 다른 산화 거리를 가질 수 있다. 상기 N형 DBR 층(n-DBR)은 결함으로 인한 소수 캐리어의 재결합이나 소수 캐리어의 수명이 낮아지는 등의 문제가 P형 DBR 층(p-DBR) 보다 심각하지 않으며, 발광 소자(E)의 성능 열화에 큰 영향을 주지 않기 때문에, N형 DBR 층(n-DBR)의 노출 영역에 식각부(ET) 및 제2 산화물층(O2)이 형성된다고 하더라도, 본 발명의 일 실시형태에서, 이들 N형 DBR 층(n-DBR)의 식각부(ET) 및 제2 산화물층(O2)을 덮는 이온 주입층(P)은 형성하지 않을 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자 어레이(EA)는 하나의 베이스 기판(S) 상을 따라 횡 방향으로 배열된 다수의 발광 소자(E)를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 발광 소자(E)의 배열을 따라 서로 이웃한 발광 소자(E) 사이에는 폴리이미드(polyimide) 등을 포함하는 패시베이션(I, passivation)이 형성될 수 있다. 본 명세서를 통하여 발광 소자(E)의 노출 영역이란, 발광 소자(E)의 P형 DBR 층(p-DBR) 또는 N형 DBR 층(n-DBR)의 경계를 의미할 수 있으며, 예를 들어, 서로 이웃한 발광 소자(E) 사이에 개재되는 패시베이션(I)과 P형 DBR 층(p-DBR) 사이의 경계 및 서로 이웃한 발광 소자(E) 사이에 개재되는 패시베이션(I)과 N형 DBR 층(n-DBR) 사이의 경계를 포함할 수 있다.
도 12에는 다수의 발광 소자(E)를 포함하는 발광 유닛(EU) 및 다수의 수광 소자를 포함하는 수광 유닛(DU)을 구비하는 TOF 센서(TOF)의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 13에는 본 발명의 일 실시형태에서, 발광 소자 어레이(EA) 상에 배치된 광학 렌즈 어레이(FA)를 포함하는 발광 유닛(EU)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 14에는 도 13에 도시된 발광 유닛(EU)으로부터 출사되는 서로 다른 스폿 사이즈(서로 다른 방사각)와 시야를 제공하는 광의 형태를 예시적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 15에는 도 13에 도시된 발광 유닛(EU)에서, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)로부터 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)로 가면서 순차적으로 구동되는 국면, 예를 들어, 서로 다른 시각 T1, T2, T3, T4에 구동되는 국면에서 서로 다른 스폿 사이즈(서로 다른 방사각)와 시야를 제공하는 광이 순시적으로 출사되는 형태를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 16에는 도 13에 도시된 발광 유닛(EU)에서 각각의 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)로부터 출사되는 서로 다른 스폿 사이즈(서로 다른 방사각)와 시야를 제공하는 광의 형태를 대비적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 17에는 원거리의 객체를 감지하기 위한 구성으로, 동일한 스폿 사이즈로 광 강도를 높이는 구성과, 광의 스폿 사이즈를 줄이는 구성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 18에는 동일한 광 강도로 감지능(sensitivity)을 높이는 구성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 발광 소자 어레이(EA) 내지는 발광 소자 어레이(EA)를 포함하는 발광 유닛(EU)은, 발광 소자 어레이(EA) 내지는 발광 유닛(EU)으로부터 출사된 광 송신 시각과, 주변 객체(B)로부터 반사된 반사 광이 다수의 수광 소자를 포함하는 수광 유닛(DU)으로부터 감지된 광 수신 시각을 검출하고, 광 비행 거리에 따라 주변 객체(B)와의 거리 및 위치를 감지할 수 있는 TOF(Time Of Flight) 센서(TOF)를 형성할 수 있으며, 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 TOF 센서(TOF)는 발광 소자 어레이(EA)를 포함하는 발광 유닛(EU)과 함께, 다수의 수광 소자를 포함하는 수광 유닛(DU)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따른 TOF 센서(TOF)는, 센서 주변의 시야에 대해 광을 출사하는 발광 유닛(EU, 또는 발광 소자 E)과, 주변 객체(B)로부터의 반사 광을 감지하기 위한 수광 유닛(DU 또는 수광 소자)을 포함할 수 있으며, 상기 발광 유닛(EU)으로부터의 광 송신 시각과 주변 객체(B)로부터 반사된 광이 수광 유닛(DU)에 의해 감지된 광 수신 시각으로부터, 광 송신 시각과 광 수신 시각 사이의 시간 차이에 해당되는 광 비행 시간을 산출하고 이로부터 주변 객체(B)까지의 거리를 산출하기 위한 연산 처리부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 발광 유닛(EU)은 다수의 발광 소자(E)를 포함하는 발광 소자 어레이(EA)와 발광 소자 어레이(EA) 상에 배열된 다수의 광학 렌즈(F)를 포함하는 광학 렌즈 어레이(FA)를 포함할 수 있다. 상기 광학 렌즈(F) 내지는 광학 렌즈 어레이(FA)에 관한 기술적 사항은 후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자 어레이(EA)는 각각 열을 이루어 배열된 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)를 포함할 수 있으며, 각각의 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에는 각각의 발광 소자(E)로부터 출사되는 광을 서로 다른 형태로 정형하기 위한 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)가 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)는 서로 전기적으로 연결되어 함께 구동되도록 전원을 인가하는 어드레스 라인(A)을 공유하는 일군의 발광 소자(E)를 의미할 수 있으며, 유사하게 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)란 각각 어드레스 라인(A)을 공유하는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에 배치된 일군의 광학 렌즈(F)로서, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4), 그리고, 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 베이스 기판(S) 상에서 동일한 배열을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 발광 소자 어레이(EA) 및 발광 소자 어레이(EA) 상에 배치된 광학 렌즈 어레이(FA)는 발광 유닛(EU)을 형성할 수 있으며, 각각의 발광 소자(E) 및 발광 소자(E) 상에 배치된 광학 렌즈(F)는 발광 소자 조립체(ES)를 형성할 수 있다. 이런 의미에서 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 유닛(EU)은, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)를 포함할 수 있고, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)와 함께, 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)를 포함할 수 있으며, 또는 각각 발광 소자(E) 및 광학 렌즈(F)를 포함하는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 유닛(EU)은 서로 다른 스폿 사이즈 및 시야를 제공하도록 서로 다른 형태로 정형된 광을 출사하는 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)와, 제2 군의 발광 소자 조립체(ES2)와, 제3 군의 발광 소자 조립체(ES3) 및 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 유닛(EU)이 서로 다른 형태로 정형된 광을 출사하는 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)와, 제2 군의 발광 소자 조립체(ES2)와, 제3 군의 발광 소자 조립체(ES3) 및 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)를 포함한다는 것은, 광축을 따라 동일한 광축 거리에서 서로 다른 스폿 사이즈를 갖도록 방사각이 서로 다르게 정형된 서로 다른 광을 출사한다거나 또는 광축을 따라 동일한 광축 거리에서 서로 다른 광 강도를 갖도록 서로 다른 스폿 사이즈로 서로 다르게 정형된 광을 출사한다는 것을 의미할 수 있다.
후술하는 바와 같이, 상기 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)는, 제1 군의 발광 소자(E1)와, 상기 제1 군의 발광 소자(E1)의 광축 상에 배치된 제1 군의 광학 렌즈(F1)를 포함할 수 있고, 상기 제2 군의 발광 소자 조립체(ES2)는, 제2 군의 발광 소자(E2)와, 제2 군의 발광 소자(E2)의 광축 상에 배치된 제2 군의 광학 렌즈(F2)를 포함할 수 있으며, 유사하게, 상기 제3 군의 발광 소자 조립체(ES3)는, 제3 군의 발광 소자(E3)와, 제3 군의 발광 소자(E3)의 광축 상에 배치된 제3 군의 광학 렌즈(F3)를 포함할 수 있으며, 또한, 상기 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)는, 제4 군의 발광 소자(E4)와, 제4 군의 발광 소자(E4)의 광축 상에 배치된 제4 군의 광학 렌즈(F4)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)는 실질적으로 동일한 구조 및 동일한 성능을 가질 수 있으며, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 실질적으로 동일한 구조 및 성능을 갖는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에 배치되어, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)로부터 출사되는 광을 서로 다른 형태로 정형할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자 조립체(ES)는, 상기 발광 유닛(EU) 내지는 발광 유닛(EU)을 포함하는 TOF 센서(TOF)에 의해 포착하려는 주변 객체(B)와의 거리에 따라 TOF 센서(TOF) 주변의 근거리 시야에서 포착되는 주변 객체(B)의 위치를 감지하는 것을 목적으로 하는 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)와, TOF 센서(TOF) 주변의 원거리 시야에서 포착되는 주변 객체(B)의 위치를 감지하는 것을 목적으로 하는 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 발광 유닛(EU) 내지는 발광 유닛(EU)을 포함하는 TOF 센서(TOF)에 의해 포착하려는 주변 객체(B)와의 거리에 따라, TOF 센서(TOF) 주변의 근거리와 원거리 사이에서 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)의 근거리 시야 보다는 길게 그리고, 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)의 원거리 시야 보다는 짧은 중간 거리 정도의 시야를 제공하는 제2, 제3 군의 발광 소자 조립체(ES2,ES3)를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 제2 군의 발광 소자 조립체(ES2)의 시야는 제1, 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES4)의 근거리 및 원거리 시야 사이로 설정되면서, 예를 들어, 상기 제2 군의 발광 소자 조립체(ES2)의 시야는 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)의 원거리 시야 보다는, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)의 근거리 시야에 보다 근접한 충분히 단거리의 시야를 제공할 수 있다. 그리고, 상기 제3 군의 발광 소자 조립체(ES3)의 시야는 제1, 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES4)의 근거리 및 원거리 시야 사이로 설정되면서, 예를 들어, 상기 제3 군의 발광 소자 조립체(ES3)의 시야는 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)의 근거리 시야 보다는, 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)의 원거리 시야에 보다 근접한 충분히 장거리의 시야를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 소자 조립체(ES)는, 발광 소자(E)의 광축 방향 또는 발광 소자(E)의 상면 방향을 따라 발광 소자(E)의 상부 위치에 배치된 광학 렌즈(F)를 포함할 수 있으며, 상기 광학 렌즈(F)는, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에 각각 배치된 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는, 각각의 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)로부터 출사되는 광을 서로 다른 형태로 정형할 수 있으며, 예를 들어, 제1 군의 광학 렌즈(F1)는 제1 군의 발광 소자(E1)로부터의 출사 광을 상대적으로 넓은 스폿 사이즈(예를 들어, 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 F1,F2,F3,F4 중에서 가장 넓은 스폿 사이즈) 내지는 상대적으로 넓은 스폿 사이즈에 걸쳐서 광 강도가 분산되면서 최단의 근거리 시야로 제한되는 광으로 정형할 수 있으며, 상기 제4 군의 광학 렌즈(F4)는 제4 군의 발광 소자(E4)로부터의 출사 광을 상대적으로 좁은 스폿 사이즈(예를 들어, 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 F1,F2,F3,F4 중에서 가장 좁은 스폿 사이즈) 내지는 상대적으로 좁은 스폿 사이즈로 광 강도가 집중되면서 최장의 원거리 시야로 확대되는 광으로 정형할 수 있다. 그리고, 상기 제2 및 제3 군의 광학 렌즈(F2,F3)는 각각의 제2, 제3 군의 발광 소자(E2,E3)로부터 출사되는 광을, 제1 군의 광학 렌즈(F1) 보다는 좁은 스폿 사이즈이면서 제4 군의 광학 렌즈(F4) 보다는 넓은 스폿 사이즈의 광으로 정형할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제2 군의 광학 렌즈(F2)는 제2 군의 발광 소자(E2)로부터 출사되는 광을, 제4 군의 광학 렌즈(F4)의 스폿 사이즈 보다는, 제1 군의 광학 렌즈(F1)의 스폿 사이즈에 가까운 충분히 넓은 스폿 사이즈의 광으로 정형할 수 있고, 상기 제3 군의 광학 렌즈(F3)는 제3 군의 발광 소자(E3)로부터 출사되는 광을, 제1 군의 광학 렌즈(F1)의 스폿 사이즈 보다는, 제4 군의 광학 렌즈(F4)의 스폿 사이즈에 가까운 충분히 좁은 스폿 사이즈의 광으로 정형할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 군의 광학 렌즈(F2)의 스폿 사이즈는, 상기 제3 군의 광학 렌즈(F3)의 스폿 사이즈 보다는 넓을 수 있으며, 제2 군의 광학 렌즈(F2)의 시야는, 제3 군의 광학 렌즈(F3)의 시야 보다는 짧게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 제1 군의 광학 렌즈(F1)로부터 제4 군의 광학 렌즈(F4)로 가면서 점진적으로 스폿 사이즈는 축소되면서 광 강도가 축소된 스폿 사이즈로 집중되어 보다 원거리에서도 충분한 광 강도를 유지할 수 있고, 이에 따라, 제1 군의 광학 렌즈(F1)로부터 제4 군의 광학 렌즈(F4)로 가면서 점진적으로 근거리로부터 원거리의 시야를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는, 제1 군의 광학 렌즈(F1)로부터 제4 군의 광학 렌즈(F4)로 가면서 점진적으로 곡률 또는 굴절력이 높아지도록 형성될 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)가 적용된 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)로부터 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)로 가면서 점진적으로 스폿 사이즈는 축소되면서 광 강도가 축소된 스폿 사이즈로 집중되어 보다 원거리에서도 충분한 광 강도를 유지할 수 있고, 이에 따라, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)로부터 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)로 가면서 점진적으로 근거리로부터 원거리의 시야를 제공할 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 발광 소자 조립체(ES)로부터 출사되는 광이 원거리에 배치된 주변 객체(B)로부터 충분한 광 강도로 반사되어 수광 유닛(DU)에 의해 높은 감지능(sensivity)으로 감지되기 위해서는 (a)에서와 동일한 스폿 사이즈를 갖되, (b)에서와 같이 광 강도를 높이는 방식을 고려할 수 있으며, 이와 달리, (a)에서와 동일한 광 강도를 갖되, 스폿 사이즈를 축소하여 동일한 광 강도가 좁은 스폿 사이즈로 집중되면서 원거리의 주변 객체(B)로부터 반사된 반사 광이 충분한 광 강도로 반사되어, 수광 유닛(DU)에 의해 높은 감지능(sensitivity)으로 감지될 수 있도록 할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)로부터 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)로 가면서 점진적으로 원거리의 시야를 제공하는 것은, 도 17의 (c)에서와 같이, 동일한 광 강도를 상대적으로 좁은 스폿 사이즈로 집중시키도록 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)가 점진적으로 높은 곡률 내지는 점진적으로 높은 굴절력을 갖도록 구성되기 때문일 수 있다.
도 18을 참조하면, 도 18의 (a)에서와 같이, 상대적으로 넓은 스폿 사이즈의 광은 광 강도가 넓은 스포 사이즈로 분산되면서 동일한 거리의 주변 객체(B)로부터 상대적으로 낮은 반사 광의 광 강도를 형성하는데 반하여, 도 18의 (b)에서와 같이, 상대적으로 좁은 스폿 사이즈의 광은 광 강도가 좁은 스폿 사이즈로 집중되면서 동일한 거리의 주변 객체(B)로부터 상대적으로 높은 반사 광의 광 강도를 형성하므로, (b)에 도시된 광 형태가 (a)에 도시된 광 형태로 보다는 상대적으로 높은 감지능(sensitivity)을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)는 실질적으로 동일한 광 파워를 출력할 수 있으므로, 상대적으로 넓은 스폿 사이즈에 걸쳐서 광 강도를 분산시키는 형태에서 반사 광을 통하여 객체를 인식할 수 있는 광 강도는 비교적 짧은 거리에서만 유지될 수 있고(근거리 시야), 반대로, 상대적으로 좁은 스폿 사이즈에 걸쳐서 광 강도를 집중시키는 형태에서 반사 광을 통하여 객체를 인식할 수 있는 광 강도는 비교적 먼 거리에 걸쳐서 유지될 수 있다(원거리 시야). 예를 들어, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 객체의 인식을 위하여, 반사 광의 광 강도를 높여야 할 필요가 있는 경우 또는 광 강도의 감지능(sensitivity)을 높여야 할 필요가 있는 경우에는 좁은 스폿 사이즈의 광을 출사하는 것이 유리할 수 있으며, 다시 말하면, 광학 렌즈(F)의 곡률 내지는 굴절력을 높이는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 서로 다른 광학 특성을 갖는 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)를 동시에 적용하면서, 선택적으로 제1 군의 광학 렌즈(F1)가 적용된 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)를 가동하여 TOF 센서(TOF) 주변의 근거리에 대한 촘촘한 시야를 제공하거나(예를 들어, 서로 이웃하게 배치된 제1 군의 발광 소자 조립체 ES1의 넓은 방사각을 통하여 서로에 대해 중첩되는 스폿 사이즈로 공백 없이 중첩되는 시야에 걸쳐서 촘촘하게 외부 객체를 감지함), 또는 선택적으로 제4 군의 광학 렌즈(F4)가 적용된 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)를 가동하여 TOF 센서(TOF) 주변의 원거리에 대한 시야를 제공할 수 있으며, 또한 선택적으로 제2 군의 발광 소자 조립체(ES2) 또는 제3 군의 발광 소자 조립체(ES3)를 가동하여 TOF 센서(TOF) 주변의 중간 거리에 대한 시야를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)가 근거리의 시야를 제공한다는 것은, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)가 상대적으로 넓은 스폿 사이즈로 광 강도가 분산되면서 반사 광을 감지하기 위한 충분한 광 강도를 유지하려면 센서로부터 짧은 거리에서 반사가 이루어져야 한다는 것을 의미하며(광 강도가 분산되면서 광 강도가 상대적으로 낮아지고 외부 객체의 감지 거리가 짧아짐), 이는 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)가 센서 주변의 근거리에 대한 시야를 제공한다는 것이고, 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)가 원거리의 시야를 제공한다는 것은, 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)가 상대적으로 좁은 스폿 사이즈로 광 강도가 집중되면서 센서로부터 먼 거리에서 반사가 이루어지더라도, 충분한 광 강도로 반사 광을 감지할 수 있고(광 강도가 집중되면서 광 강도가 상대적으로 높아지고 주변 객체 B의 감지 거리가 길어짐), 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)가 센서 주변의 원거리에 대한 시야를 제공한다는 것을 의미할 수 있다.
도 19 및 도 20에는 각각의 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4) 각각에 대해 서로 독립적으로 구동 전원(V)을 인가하기 위한 서로 다른 어드레스 구조를 갖춘 발광 유닛(EU)의 어드레스 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 21에는 각각 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 연결된 제1 내지 제4 접점(CP1,CP2,CP3,CP4)과 구동 전원(V) 사이에 개재되어 스위칭 동작을 구현하는 일 실시형태를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4) 또는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는 점진적으로 광학 특성이 달라질 수 있으며, 점진적으로 광학 특성이 변화되는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는 베이스 기판(S)의 횡 방향을 따라 순서적으로 배열될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는 각각 별도로 구동 전원(V)을 인가하기 위한 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 연결될 수 있으며, 예를 들어, 발광 유닛(EU) 내지는 발광 유닛(EU)을 포함하는 TOF 센서(TOF)가 시간의 흐름에 따라 경시적으로 스폿 사이즈 및 시야 거리를 순차적으로 변화시킬 수 있도록, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 구동 전원(V) 사이를 순차적으로 연결하는 스위칭 동작을 수행할 수 있으며, 서로 다른 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4) 사이의 스위칭 동작이 순차로 이루어질 수 있도록, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4) 내지는 이들 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 연결되는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는 순차적으로 배열될 수 있다.
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)는 베이스 기판(S) 상을 따라 횡 방향으로 순환적으로 교번되게 배열될 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)와 연결된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)도 베이스 기판(S) 상을 따라 횡 방향으로 순환적으로 교번되게 배열될 수 있다. 즉, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)는, 베이스 기판(S) 상을 따라, 제1 군의 발광 소자(E1)-제2 군의 발광 소자(E2)-제3 군의 발광 소자(E3)-제4 군의 발광 소자(E4)-제1 군의 발광 소자(E1)의 순서로 순환적으로 교번되게 배열될 수 있으며, 유사하게, 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)은 제1 군의 어드레스 라인(A1)-제2 군의 어드레스 라인(A2)-제3 군의 어드레스 라인(A3)-제4 군의 어드레스 라인(A4)-제1 군의 어드레스 라인(A1)의 순서로 순환적으로 교번되게 배열될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는, 제1 군의 광학 렌즈(F1)로부터 제4 군의 광학 렌즈(F4)로 가면서 점진적으로 곡률 또는 굴절력이 높아지도록 형성될 수 있으며, 예를 들어, 제1 군의 광학 렌즈(F1)는 제1 군의 발광 소자(E1)로부터 큰 방사각으로 발산되는 광을 상대적으로 낮은 굴절력으로 굴절시키면서 방사각이 상대적으로 크고 스폿 사이즈가 넓은 광(가장 넓은 스폿 사이즈의 광)으로 정형할 수 있고, 제4 군의 광학 렌즈(F4)는 제4 군의 발광 소자(E4)로부터 큰 방사각으로 발산되는 광을 상대적으로 높은 굴절력으로 굴절시키면서 방사각이 상대적으로 작고 스폿 사이즈가 좁은 광(가장 좁은 스폿 사이즈의 광)으로 정형할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)로부터 제공되는 서로 다른 광학 특성은 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)로부터 제공될 수 있으며, 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 서로 다른 곡률 내지는 굴절력으로, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)로부터의 광을 서로 다른 형태로 정형할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)로부터 발산되는 형태로 출사되는 광을 광축을 중심으로 집광시키는 컨덴싱 렌즈(condensing lens)로 기능할 수 있으며, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)로부터 출사되는 광의 형태에 차등을 두기 위하여, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 중에서 어느 하나의 발광 소자(E)의 상부에는 광학 렌즈(F)가 배치되지 않을 수 있다.
도 22에는 본 발명의 다른 실시형태에서, 발광 소자 어레이(EA) 상에 배치된 광학 렌즈 어레이(FA)를 포함하는 발광 유닛(EU)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 23에는 도 22에 도시된 발광 유닛(EU)으로부터 출사되는 서로 다른 스폿 사이즈(방사각)과 시야를 제공하는 광의 형태를 예시적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 24에는 도 22에 도시된 발광 유닛(EU)에서, 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)로부터 제4 군의 발광 소자 조립체(ES4)로 가면서 순차적으로 구동되는 국면에서 서로 다른 스폿 사이즈(방사각)과 시야를 제공하는 광이 순시적으로 출사되는 형태를 예시적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상대적으로 넓은 스폿 사이즈로 넓은 범위에 걸쳐서 광 강도가 분산되는 형태의 광(가장 넓은 스폿 사이즈의 광)을 정형하도록 제1 군의 발광 소자(E1) 상부에는 광학 렌즈(F)가 배치되지 않을 수 있다. 즉, 상기 제1 군의 발광 소자(E1)의 상부에는 제1 군의 발광 소자(E1)로부터 출사되는 광을 집광시키는 광학 렌즈(F)가 배치되지 않기 때문에, 기본적으로 컨덴싱 렌즈(condensing)로 기능하는 광학 렌즈(F)가 배치된 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES2,ES3,ES4)와 비교하여, 상대적으로 넓은 스폿 사이즈의 광이 출사될 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 군의 발광 소자(E1) 상에는 광학 렌즈(F)가 배치되지 않을 수 있으며, 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자(E2,E3,E4) 상에는 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F2,F3,F4)가 배치될 수 있고, 상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F2,F3,F4)는 점진적으로 곡률 내지는 굴절력이 높아지는 형태로 형성될 수 있다.
본 명세서를 통하여 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)가 점진적으로 스폿 사이즈가 변화되는 광을 제공한다는 것은, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 각각 발광 소자(E) 상에 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)가 배치되는 것을 한정적으로 의미하기 보다는, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 중에서 어느 하나의 발광 소자(E) 상에는 광학 렌즈(F)가 배치되지 않는 구조를 포괄할 수 있으며, 예를 들어, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 중에서 가장 넓은 스폿 사이즈의 광을 제공하는 제1 발광 소자(E) 상에는 광학 렌즈(F)가 배치되지 않을 수 있고, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는 점진적으로 스폿 사이즈가 변화되는 광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)는 제1 군의 광학 렌즈(F1)를 포함하지 않을 수 있으며, 광의적으로 제1 군의 발광 소자(E1) 내지는 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1)는 실질적으로 동일한 구조로 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 발광 소자(E) 상에 배치되는 광학 렌즈(F)는 서로에 대한 광학적 간섭이 가능하도록 서로 겹쳐지게 배치된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 포함할 수 있는데, 이러한 실시형태에서도, 제1 군의 발광 소자(E1) 상에 제1 군의 광학 렌즈(F1)가 배치되지 않는 것과 같은 취지로, 제1 군의 발광 소자(E1) 상에는 서로 중첩적으로 배치되는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 포함하는 제1 군의 광학 렌즈(F1)가 배치되지 않을 수 있고, 예를 들어, 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자(E2,E3,E4) 상에 서로 광학적인 간섭이 가능하도록 서로에 대해 겹쳐지게 배치되는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)가 배치된다고 하더라도, 제1 군의 발광 소자(E1) 상에는 서로에 대해 겹쳐지는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)가 배치되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에는 점진적으로 곡률 내지는 굴절력이 증가하는 형태의 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4, 제1 군의 광학 렌즈 F1가 배제되는 경우에는 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 F2,F3,F4, 이하 같음)가 배치될 수 있으며, 이때, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 상면 상에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에 지지될 수 있다.
도 25에는 본 발명의 다른 실시형태에서, 발광 소자(E) 상에 지지된 제1 집광 렌즈(L1)와 발광 소자(E)로부터 이격된 제2 집광 렌즈(L2)의 중첩적인 배치를 포함하는 발광 유닛(EU)의 단면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 26 내지 도 28에는, 도 25에 도시된 발광 유닛(EU)에서 제1 집광 렌즈(L1)에 대한 제2 집광 렌즈(L2)의 서로 다른 제1 내지 제3 위치(g1,g2,g3)에 따라 발광 유닛(EU)으로부터 제공되는 서로 다른 형태의 광을 예시적으로 보여주는 도면들이 도시되어 있다. 도 29 내지 도 32에는, 도 25에 도시된 발광 유닛(EU)에서, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 서로 다른 곡률 내지는 굴절력이나 서로 다른 광학적 배치를 통하여 제1 집광 렌즈(L1)의 중심으로부터 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 서로 다른 정도로 편향된 광의 형태를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4, 제1 군의 광학 렌즈 F1가 배제되는 경우 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 F2,F3,F4)는 서로 광학적 간섭이 가능하도록 서로에 대해 중첩적으로 배치된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에 대해 구체적으로 설명하기에 앞서서, 상기의 도면들을 참조하여 본 발명의 변형된 실시형태에 대해 설명하기로 한다.
즉, 본 발명의 변형된 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에 지지되지는 않더라도, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 광축 상에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 광축 상에서 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)로부터 출사되는 광에 대해 적정의 굴절력을 발휘할 수 있고, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4, 제1 군의 광학 렌즈 F1가 배제되는 경우 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 F2,F3,F4)는 각각의 발광 소자(E)의 광축 상에 배치될 수 있으며, 적정의 지지 구조를 통하여 발광 소자(E) 상으로부터 이격된 높이에 지지될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)는 서로에 대해 일체적으로 연결된 일체형 광학 렌즈 어레이(FA)로 마련될 수 있으며, 일체형 광학 렌즈 어레이(FA)는 광 투명한 광학 소재로 형성될 수 있고, 예를 들어, 상기 일체형 광학 렌즈 어레이(FA)는, 도 25에 도시된 바와 같이, 평편한 지지대(FS)와 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)와 마주하는 지지대(FS)의 하면 상에서 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 광축과 대응되는 위치에 형성된 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4, 제1 군의 광학 렌즈 F1가 배제되는 경우 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 F2,F3,F4)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서 제1 군의 광학 렌즈(F1)는 배제될 수 있으며, 상기 제1 군의 광학 렌즈(F1)가 배제된 형태로 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F2,F3,F4)가 형성될 수 있고, 상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F2,F3,F4)가 지지대(FS)를 통하여 서로 연결된 형태로 형성될 수 있다. 상기 제1 군의 광학 렌즈(F1)는 실질적으로 제로(zero)의 곡률을 갖는 평편한 형태로 형성될 수 있으며, 상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F2,F3,F4)는 점진적으로 곡률이 증가하는 형태로 형성될 수 있다.
도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4) 각각(제1 군의 광학 렌즈 F1가 배제되는 경우 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 F2,F3,F4 각각)은, 서로에 대해 광학적 간섭이 가능하도록 중첩적으로 배치되며, 제1 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 광축을 따라 서로 다른 높이에 배치된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광 소자(E)로부터 발산되는 형태로 출사된 광은 제1 집광 렌즈(L1)를 통하여 광축을 중심으로 집광되면서 스폿 사이즈가 감소할 수 있으며, 상기 제1 집광 렌즈(L1)에 이어서 배치된 제2 집광 렌즈(L2)를 통하여 광축을 중심으로 다시 한번 집광되면서 스폿 사이즈가 더욱 감소할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서는 광축을 따라 서로 다른 높이로 형성된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 중첩적으로 경유하면서 스폿 사이즈가 연쇄적으로 감소할 수 있고, 예를 들어, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2) 중에서 어느 하나의 집광 렌즈, 예를 들어, 발광 소자(E) 상에 지지된 형태의 제1 집광 렌즈(L1)와, 발광 소자(E)로부터 이격된 높이에 지지되는 제2 집광 렌즈(L2, 일체형 광학 렌즈 어레이 FA 형태로 구성된 제2 집광 렌즈 L2) 중에서 어느 하나의 집광 렌즈만이 구성된 실시형태에서 보다 상대적으로 감소된 스폿 사이즈로 원거리로 확대된 시야를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 중첩적인 배치를 통하여 TOF 센서(TOF)의 주변으로 보다 원거리의 시야를 제공할 수 있으며, 원거리의 시야를 제공하는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 통하여 TOF 센서(TOF)로부터 보다 원거리에 배치된 주변 객체(B)의 위치를 감지할 수 있다.
도 26 내지 도 28을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축이 발광 소자(E)의 광축과 일치하도록 정렬될 수 있으며, 이와 같이, 서로 일치하는 광축 상에 배치된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 통하여 가장 높은 광 강도를 갖는 광축 위치(FP)가 변화되지 않는 형태의 광을 제공할 수 있다(예를 들어, 제2 집광 렌즈 L2의 제2 위치). 예를 들어, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 순차로 경유한 광의 광축 위치(FP2)는 제1 집광 렌즈(L1)만을 경유한 광의 광축 위치(FP1) 내지는 발광 소자(E)의 광축 위치(FP)와 일치될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)는 그 광축이 서로 엇갈리도록 배치될 수도 있으며(예를 들어, 제2 집광 렌즈 L2의 제3 위치 g3), 광축이 서로 엇갈리게 배치된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 배치를 통하여 가장 높은 광 강도를 갖는 광축 위치(FP2)가 발광 소자(E)의 광축 위치 또는 발광 소자(E) 상에 지지된 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 위치(FP1)와 다르게 변화되는 편향된 광을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 발광 소자(E) 및 제1 집광 렌즈(L1)의 광축은 서로 정렬될 수 있으며(제2 집광 렌즈 L2의 제2 위치 g2), 상기 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축은 서로 엇갈리게 배치될 수 있다(제2 집광 렌즈 L2의 제3 위치). 이와 같은 실시형태에서, 서로 광축이 정렬된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 통하여 광축 위치(FP1,FP2)가 변화되지 않은 광이 제공되거나(제2 집광 렌즈 L2의 제2 위치 g2), 또는 서로에 대해 광축이 엇갈리게 배치된 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 통하여 광축 위치(FP1,FP2)가 변화되는 편향된 광, 예를 들어, 제2 집광 렌즈(L2)를 경유하면서 광축 위치(FP2)가 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 편향된 광이 제공될 수도 있다. 보다 구체적으로, 제1 집광 렌즈(L1)로부터 출사된 광의 광축은 제2 집광 렌즈(L2)를 경유하면서 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 편향될 수 있으며, 제2 집광 렌즈(L2)를 경유하면서 발광 소자(E)의 광축 내지는 제1 집광 렌즈(L1)의 광축을 중심으로, 제2 집광 렌즈(L2)로부터 출사되는 광의 광축 위치(FP2)가 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 편향된 광을 제공할 수 있다.
예를 들어, 발광 소자(E)의 광축 내지는 발광 소자(E) 상에 지지되는 제1 집광 렌즈(L1)의 광축에 대해 편향된 광을 제공하도록, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)가 서로 엇갈리게 배치된 실시형태에서(제2 집광 렌즈 L2의 제3 위치 g3), 상기 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 중심 내지는 광학 중심(광축 위치 FP1,FP2)은 발광 소자(E)의 상면을 따라 또는 광축과 교차하는 방향을 따라 서로로부터 이격될 수 있으며, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 중심 내지는 광학 중심(광축 위치 FP1,FP2)이 서로로부터 이격되면서도 서로에 대해 적어도 일부에 대해 겹쳐지는 배치를 가질 수 있다. 이와 같은 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 서로에 대해 엇갈리는 배치를 통하여(예를 들어, 제2 집광 렌즈 L2의 제3 위치 g3), 서로 간의 광학적 간섭을 형성할 수 있으며, 각각 콘덴싱 렌즈(condensing)로 기능하는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 중첩적인 배치를 통하여 상대적으로 원거리의 시야를 제공하면서도 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 편향된 광을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 집광 렌즈(L2) 내지는 제2 집광 렌즈(L2)가 배열된 광학 렌즈 어레이(FA, 예를 들어, 다수의 제2 집광 렌즈 L2가 서로 일체로 연결된 일체형 광학 렌즈 어레이 FA)는 광이 출사되는 발광 소자(E)의 상면과 나란한 방향을 따라 병진 운동이 가능하도록 지지될 수 있으며, 제2 집광 렌즈(L2) 내지는 제2 집광 렌즈(L2)가 배열된 광학 렌즈 어레이(FA)의 병진 운동을 통하여, 제2 집광 렌즈(L2)를 서로 다른 제1 내지 제3 위치(g1,g2,g3) 사이에서 이동시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 발광 소자(E) 내지는 발광 소자(E)를 포함하는 TOF 센서(TOF)로부터 출사되는 광의 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 위치 내지 제3 위치(g1,g2,g3) 사이에서 이루어지는 제2 집광 렌즈(L2) 내지는 제2 집광 렌즈(L2)가 배열된 광학 렌즈 어레이(FA)의 병진 운동을 통하여, 도 26에 도시된 바와 같이, 제2 집광 렌즈(L2)가 제1 집광 렌즈(L1)를 완전히 벗어난 제1 위치(g1)에서, 제1 집광 렌즈(L1)를 통하여 상대적으로 넓은 스폿 사이즈의 광을 제공하다가, 도 27에 도시된 바와 같이, 제2 집광 렌즈(L2)가 제1 집광 렌즈(L1)의 광축과 일치하는 제2 위치(g2), 즉, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축이 서로에 대해 정렬되는 제2 위치(g2)에서, 발광 소자(E) 또는 발광 소자(E)를 포함하는 TOF 센서(TOF)는 제1 위치(g1)에서 보다 감소된 스폿 사이즈의 광을 제공할 수 있으며, 보다 확장된 원거리의 시야를 제공할 수 있다. 그리고, 도 28에 도시된 바와 같이, 상기 제2 집광 렌즈(L2)가 제1 집광 렌즈(L1)의 광축과 엇갈리게 배치되는 제3 위치(g3), 그러니까, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축이 서로에 대해 엇갈리는 제3 위치(g3)에서 발광 소자(E) 또는 발광 소자(E)를 포함하는 TOF 센서(TOF)는 제2 위치(g2)에서 보다 제2 집광 렌즈(L2)의 중심으로 편향된 광을 제공할 수 있다. 이와 같이 광이 출사되는 발광 소자(E)의 상면과 나란한 방향을 따라 서로 다른 제1 내지 제3 위치(g1,g2,g3) 사이에서 병진 운동 가능하게 지지된 제2 집광 렌즈(L2) 내지는 제2 집광 렌즈(L2)가 배열된 광학 렌즈 어레이(FA)를 통하여 서로 다른 형태의 광이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 가장 넓은 스폿 사이즈를 제공하는 제1 발광 소자(E) 상에는 광학 렌즈(F)가 배치되지 않을 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 발광 소자(E) 상에는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)가 배치되지 않을 수 있다. 이러한 실시형태에서, 도 26 내지 도 28에 도시된 바와 같이, 상기 제2 집광 렌즈(L2) 내지는 제2 집광 렌즈(L2)가 배열된 광학 렌즈 어레이(FA)가 제1 위치 내지는 제3 위치(g1,g2,g3) 사이에서 병진 이동하더라도, 제1 발광 소자(E) 상에는 제1 집광 렌즈(L1)는 물론이고, 제2 집광 렌즈(L2)도 배치되지 않을 수 있다. 다만, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 제1 위치(g1)에서, 상기 제1 발광 소자(E) 상으로는 제2 집광 렌즈(L2)가 배치되지 않을 수 있지만, 제2 위치(g2) 및 제3 위치(g3)에는 제1 발광 소자(E) 상으로 제2 집광 렌즈(L2)가 배치될 수도 있으며, 이러한 실시형태에서, 상기 제2 내지 제4 발광 소자(E2,E3,E4) 상으로는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)가 중첩되게 배치될 수 있지만, 상기 제1 발광 소자(E) 상으로는 제1 집광 렌즈(L1) 없이 제2 집광 렌즈(L2)만이 배치되면서 제1 발광 소자(E)로부터 출사되는 광을 보다 감소된 스폿 사이즈의 광(원거리로 확대된 시야)으로 정형할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축이 서로에 대해 엇갈리면서(제2 집광 렌즈 L2의 제3 위치 g3), 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 위치(FP) 내지는 제1 집광 렌즈(L1)를 경유한 광의 광 강도가 가장 높은 위치는, 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 편향될 수 있으며, 이에 따라 발광 소자(E) 내지는 발광 소자(E)를 포함하는 TOF 센서(TOF)로부터 출사되는 광은 편향될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 TOF 센서(TOF)는 자율 이동 모드로 주행 가능한 이송 로봇 상에 장착될 수 있고, 이때, TOF 센서(TOF)가 장착된 이송 로봇의 주행 방향을 따라, 그리고, TOF 센서(TOF)의 장착 위치에 따라, TOF 센서(TOF)로부터의 광 출사 방향을 편향시킬 필요가 있을 수 있으며, 예를 들어, 로봇의 주행 방향을 전환하려는 방향 전환 시점 내지는 방향 전환 시점에 선행하여 TOF 센서(TOF)로부터 광 출사 방향을 편향시키고, 전환되는 방향을 따라, 장애물, 그러니까, 주변 객체(B)의 존재 여부 및 주변 객체(B)의 위치를 감지할 필요가 있을 수 있다.
도 29 내지 도 32에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 서로에 대해 엇갈리는 배치를 통하여(제2 집광 렌즈 L2의 제3 위치 g3), 제1 집광 렌즈(L1)를 경유한 광의 광축을 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 편향시킬 수 있으며, 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 위치(FP)로부터 편향된 위치에서 광축 위치(FP) 내지는 광의 강도가 가장 높은 위치가 포착될 수 있다. 예를 들어, 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 위치(FP1)로부터 광축 위치(FP2, 제2 집광 렌즈 L2로부터 출사되는 광의 광축 위치 FP2)가 편향되는 편향 정도는, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축이 서로로부터 이격된 정도, 또는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 곡률 내지는 굴절력(예를 들어, 제1, 제2 집광 렌즈 L1,L2의 곡률 내지는 굴절력의 차이) 등과 같은 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 구체적인 설계에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 30 내지 도 32에는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 중심이 서로로부터 50μm 만큼 엇갈리게 배치되었을 때 또는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축이 서로로부터 50μm 엇갈리게 배치되었을 때, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)를 경유한 광의 광축 위치(FP2, 광 강도가 가장 높은 광축 위치)가 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 위치(FP1)로부터 제2 집광 렌즈(L2)의 중심을 향하여 편향되는 각도를 측정하기 위한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 도 30의 시뮬레이션에서, 제1 집광 렌즈(L1)의 곡률 3, 그리고, 제2 집광 렌즈(L2)의 곡률 3일 때, 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 내지는 광축 위치(FP1)로부터 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축 내지 광축 위치(FP2)가 편향되는 각도는 5.1도 이고, 도 31의 시뮬레이션에서, 제1 집광 렌즈(L1)의 곡률 3, 그리고, 제2 집광 렌즈(L2)의 곡률 4일 때, 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 내지는 광축 위치(FP1)로부터 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축 내지 광축 위치(FP2)가 편향되는 각도는 6.7도 이며, 도 32의 시뮬레이션에서, 제1 집광 렌즈(L1)의 곡률 3, 그리고, 제2 집광 렌즈(L2)의 곡률 5일 때, 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 내지는 광축 위치(FP1)로부터 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축 내지 광축 위치(FP2)가 편향되는 각도는 8.4도로 산출되었으며, 이러한 도 30 내지 도 32의 시뮬레이션 결과로부터 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축 내지는 중심이 서로로부터 엇갈리는 정도(예를 들어, 도 30 내지 도 32에서는 제1, 제2 집광 렌즈 L1,L2의 광축 내지는 중심이 서로에 대해 엇갈리는 50μm) 및 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2) 각각의 곡률(예를 들어, 도 30 내지 도 32에서 3 내지 5의 곡률) 등에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명의 일 실시형태에서는, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 편향 정도를 조정하기 위하여, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축 내지는 중심이 서로로부터 엇갈리는 정도 또는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2) 각각의 곡률로서, 예를 들어, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2) 각각의 곡률 또는 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 곡률이 서로로부터 차이를 보이는 정도 등에 따라, 예를 들어, 도 30의 시뮬레이션 결과에서, 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 곡률이 서로 동등하게 3일 때와, 도 31 및 도 32의 시뮬레이션 결과에서, 제2 집광 렌즈(L2)의 곡률이 4 및 5로 증가함에 따라, 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 내지는 광축 위치(FP1)로부터 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축 내지는 광축 위치(FP2)가 편향되는 각도는 점진적으로 증가할 수 있으며, 도 30의 시뮬레이션에서 편향되는 각도 5.1도로부터 도 31 및 도 32의 시뮬레이션에서 편향되는 각도 6.7도 및 각도 8.4도로, 제2 집광 렌즈(L2)의 곡률이 증가함에 따라, 제1 집광 렌즈(L1)의 광축 내지는 광축 위치(FP1)로부터 제1, 제2 집광 렌즈(L1,L2)의 광축 내지는 광축 위치(FP2)가 편향되는 각도는 점진적으로 증가할 수 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 유닛(EU)은, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4) 중에서 어느 하나의 발광 소자 조립체(ES)를 선택적으로 ON/OFF 시키기 위한 어드레스 라인(A)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)에 대해 개별적으로 또는 선택적으로 구동 라인을 제공하도록 각각 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)와 전기적으로 연결된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)은 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 제1 전극 컨택층(M1)끼리를 서로 연결하는 전원 공급 라인을 형성할 수 있으며, 보다 구체적으로, 제1 군의 어드레스 라인(A1)은 제1 군의 발광 소자(E1)의 제1 전극 컨택층(M1)끼리를 서로 연결할 수 있고, 제2 군의 어드레스 라인(A2)은 제2 군의 발광 소자(E2)의 제1 전극 컨택층(M1)끼리를 서로 연결할 수 있으며, 유사하게, 제3 군의 어드레스 라인(A3)은 제3 군의 발광 소자(E3)의 제1 전극 컨택층(M1)끼리를 서로 연결할 수 있고, 상기 제4 군의 어드레스 라인(A4)은 제4 군의 발광 소자(E4)의 제1 전극 컨택층(M1)끼리를 서로 연결할 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)은 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 제1 전극 컨택층(M1)과 연결될 수 있으며, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 제2 전극 컨택층(M2)은 공통 그라운드 라인과 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 제1 전극 컨택층(M1)은 서로로부터 전기적으로 단절된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 연결될 수 있으며, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 제1 전극 컨택층(M1)과 달리, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)의 제2 전극 컨택층(M2)은 공통 그라운드 라인과 연결되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 내지는 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는, 개별적으로 형성된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4), 그러니까, 서로 독립적으로 구동 전원(V)이 인가되도록 서로로부터 전기적으로 단절된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 통하여 선택적으로 ON/OFF 제어될 수 있으며, 예를 들어, 발광 유닛(EU)에 구비된 구동 전원(V)과 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4) 사이에는 스위치(SW)가 개재될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치(SW)는 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 연결되는 제1 내지 제4 접점(CP1,CP2,CP3,CP4)과 구동 전원(V)의 단자 사이에 개재되어, 제어 신호에 따라 상기 제1 내지 제4 접점(CP1,CP2,CP3,CP4) 중에서 어느 하나의 접점(CP1,CP2,CP3,CP4)과 구동 전원(V) 사이를 연결하는 5접점 스위치(SW) 내지는 멀티플렉서(multiplexer)로 구비될 수 있으며, 이와 달리, 외부로부터의 사용자 설정도 가능하도록 상기 제1 내지 제4 접점(CP1,CP2,CP3,CP4)이 원주 방향을 따라 배열되고 제1 내지 제4 접점(CP1,CP2,CP3,CP4)을 따라 선회 가능하게 회전될 수 있는 4단 셀렉터 스위치 형태로 마련될 수도 있다 상기 스위치(SW)는 사용자의 설정에 따라 또는 상기 TOF 센서(TOF)가 장착되는 이송 로봇의 주행과 관련하여 이송 로봇의 주행 상태에 따라 제어 신호를 인가하는 연산 처리부(미도시)의 제어 하에서 제1 내지 제4 접점(CP1,CP2,CP3,CP4)과 번갈아 연결되도록 스위칭 동작을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 상기 이송 로봇의 주행 속도에 연동하여, 주행 속도의 증가에 따라 점진적으로 근거리 시야로부터 원거리 시야를 제공하도록, 예를 들어, 이송 로봇이 상대적으로 저속 주행시에는 근거리 시야를 제공하도록 제1 접점(CP1, 제1 군의 어드레스 라인 A1 내지는 제1 군의 발광 소자 조립체 ES1)과 연결되다가, 주행 속도가 증가함에 따라 점진적으로 제2 접점(CP2)으로부터 제4 접점(CP4, 제4 군의 어드레스 라인 A4 내지는 제4 군의 발광 소자 조립체 ES4)을 향하여 연결 상태가 천이될 수 있으며, 예를 들어, TOF 센서(TOF)를 장착한 이송 로봇의 고속 주행시에는 원거리 시야를 제공하도록 제4 접점(CP4, 제4 군의 어드레스 라인 A4 내지는 제4 군의 발광 소자 조립체 ES4)과 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 이송 로봇은 상대적으로 주변 객체(B)가 밀집된 지역(장애물이 많은 지역)에서는 저속 주행과 함께, 근거리 시야를 촘촘하게 감지하기 위하여 제1 접점(CP1)과 연결되도록 스위치 전환될 수 있으며(제1 접점 CP1 내지는 제1 군의 어드레스 라인 A1와 연결된 제1 군의 발광 소자 조립체 ES1를 통하여 서로 중첩되는 스폿 사이즈로 공백 없이 촘촘한 시야를 제공함), 상대적으로 주변 객체(B)가 소원한 지역(장애물이 적은 지역)에서는 고속 주행과 함께, 원거리 시야를 감지하기 위하여 제4 접점과 연결되도록 스위치(SW)가 전환될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)은 다양한 형태로 연장될 수 있다. 예를 들어, 도 19에 도시된 실시형태에서, 상기 베이스 기판(S)은 서로 교차하는 제1, 제2 변부(S1,S2)를 포함할 수 있으며, 이때, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 각각은 베이스 기판(S)의 제1 변부(S1) 방향을 따라 배열되면서, 제2 변부(S2) 방향을 따라 서로 교대로 번갈아 배치될 수 있고, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)은 베이스 기판(S)의 제1 변부(S1)를 따라 나란한 방향으로 연장되면서, 베이스 기판(S)의 제1 변부(S1) 방향을 따라 나란하게 배열된 다수의 발광 소자(E)를 같은 군에 속하는 일군의 발광 소자(E)로 편입시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는 제1 변부(S1) 방향을 따라 배열되면서 제2 변부(S2) 방향을 따라 서로 순환적으로 교대로 번갈아 배치될 수 있으며, 상기 제1 군의 어드레스 라인(A1)은 제1 변부(S1) 방향을 따라 연장되면서 제1 변부(S1) 방향을 따라 배열된 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1, 제1 군의 발광 소자 E1의 제1 전극 컨택층 M1)를 서로 전기적으로 연결할 수 있으며, 유사하게, 각각의 제2 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A2,A3,A4)은 제1 변부(S1) 방향을 따라 연장되면서 제1 변부(S1) 방향을 따라 배열된 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES2,ES3,ES4, 제2 내지 제4 발광 소자(E2,E3,E4)의 제1 전극 컨택층(M1)를 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4) 각각은 제1 변부(S1) 방향을 따라 서로 나란하게 연장되며, 제2 변부(S2) 방향을 따라 서로 순환적으로 교대로 번갈아 배치된 다수의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 포함할 수 있으며, 제1 변부(S1) 방향을 따라 서로 나란하게 연장된 다수의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 서로 결속시키도록 제2 변부(S2) 방향을 따라 연장되면서 다수의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)의 단부를 가로질러 연장되는 제1 군 내지 제4 군의 결선 라인(C1,C2,C3,C4)이 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 기판(S)은 서로 교차하는 제1, 제2 변부(S1,S2)를 포함할 수 있고, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)는 제1, 제2 변부(S1,S2) 방향을 동시에 추종하는 사선 방향을 따라 배열될 수 있으며, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)은 베이스 기판(S)의 제1, 제2 변부(S1,S2) 방향을 동시에 추종하는 사선 방향을 따라 연장되면서 상기 사선 방향을 따라 나란하게 배열된 다수의 발광 소자(E)를 같은 군에 속하는 일군의 발광 소자(E)로 편입시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)는 제1, 제2 변부(S1,S2) 방향을 동시에 추종하는 사선 방향을 따라 배열되면서 사선 방향과 교차하는 크로스 사선 방향을 따라 서로 순환적으로 교대로 번갈아 배치될 수 있고, 상기 제1 군의 어드레스 라인(A1)은 상기 사선 방향을 따라 연장되면서 사선 방향을 따라 배열된 제1 군의 발광 소자 조립체(ES1, 제1 군의 발광 소자 E1의 제1 전극 컨택층 M1)를 서로 전기적으로 연결할 수 있으며, 유사하게, 각각의 제2 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A2,A3,A4)은 상기 사선 방향을 따라 연장되면서 사선 방향을 따라 배열된 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES2,ES3,ES4, 제2 내지 제4 발광 소자 E2,E3,E4의 제1 전극 컨택층 M1)를 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4) 각각은 사선 방향을 따라 서로 나란하게 연장된 다수의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 포함할 수 있으며, 상기 다수의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)은 상기 사선 방향과 교차하는 크로스 사선 방향을 따라 서로 순환적으로 교대로 엇갈리게 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 사선 방향을 따라 서로 나란하게 연장된 다수의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 서로 결속시키도록 제1, 제2 변부(S1,S2)를 따라 절곡된 형태로 연장되면서 다수의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)의 단부를 가로질러 연장되는 제1 군 내지 제4 군의 결선 라인(C1,C2,C3,C4)이 배치될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4) 및 제1 군 내지 제4 군의 결선 라인(C1,C2,C3,C4)은, 제1 전극 컨택층(M1)이 배치된 발광 소자(E)의 상면 또는 다수의 발광 소자(E)가 배열된 발광 소자 어레이(EA)의 상면 상에 배치될 수 있다.
도 33a 내지 도 33c에는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 소자 어레이(EA) 또는 발광 소자 어레이(EA)를 포함하는 발광 유닛(EU)에서 발광 소자(E)의 열화가 완화되는 기술적 효과를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서는 서로 다른 스폿 사이즈 및 서로 다른 시야 거리를 제공하는 서로 다른 형태의 광을 출사하기 위한 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체(ES1,ES2,ES3,ES4)를 각각 독립적으로 구동하는 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4) 및 이들을 택일적으로 구동 전원(V)과 연결하는 스위치(SW)를 통하여 하나의 베이스 기판(S) 상에 형성된 발광 소자 어레이(EA)를 적용하면서도 적응적으로 유연하게 광학적인 특성이 변화되는 광을 제공할 수 있으며, 특히, 본 발명의 일 실시형태에서는 순시적으로 하나의 베이스 기판(S) 상에 배열된 모든 발광 소자(E)가 동시에 턴-온 되지 않고, 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)과 구동 전원(V) 사이의 스위칭 동작을 통하여, 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 중에서 어느 일군의 발광 소자(E)가 택일적으로 턴-온 됨으로써, 방열에 유리한 발광 소자 어레이(EA) 내지는 TOF 센서(TOF)가 제공될 수 있고, 예를 들어, 동일한 발광 소자(E)의 개수 대비하여 방열 구조가 단순화될 수 있는 발광 소자 어레이(EA) 내지는 TOF 센서(TOF)가 제공될 수 있다.
도 33a 및 도 33b를 참조하면, 본 발명과 대비되는 비교예에서는, 서로 다른 스폿 사이즈 및 서로 다른 시야 거리를 제공하도록, 각각 서로 다른 군에 속하는 다수의 발광 소자(Ea,Eb)를 포함하는 서로 다른 베이스 기판(S)을 포함하는 서로로부터 분리된 형태로 발광 유닛(EUa,EUb)을 구현할 수 있으나, 이러한 실시형태에서는 서로 이웃하게 배열된 발광 소자(Ea,Eb)가 동시에 턴-온 되면서 발열 문제가 야기될 수 있으며, 예를 들어, 각각의 발광 유닛(EUa,EUb)에 대한 별도의 방열 설계가 요구될 수 있다. 도 33c를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서는 서로 다른 형태의 광을 제공하는 서로 다른 군의 발광 소자(Ea,Eb, 또는 서로 다른 군의 발광 소자 조립체)가 하나의 베이스 기판(S) 상에 형성되면서도, 어느 일 군의 발광 소자(Ea,Eb, 또는 어느 일 군의 발광 소자 조립체)가 동시에 턴-온 되지 않고, 택일적으로 턴-온 되므로, 서로 다른 형태의 광을 선택적으로 제공하는 발광 유닛(EU)을 보다 컴팩트화된 형태로 제공할 수 있고, 공정 상의 편이를 도모할 수 있으면서도, 예를 들어, 서로 다른 시간에 번갈아 턴-온 되는 스위칭 동작을 통하여 넓은 면적의 베이스 기판(S)을 통하여 신속하게 방열이 이루어질 수 있으며, 별도의 방열 설계가 요구되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 산화물층(제2 산화물층, O2) 및 식각부(ET)를 포함하는 결함 소스로부터 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층(AR)의 중앙 영역으로의 결함 이동을 차단하도록 각각의 발광 소자(E)에 이온 주입층(P)을 형성함으로써, 다수의 발광 소자(E)를 포함하는 발광 소자 어레이(EA) 및 발광 소자 어레이(EA)를 포함하는 발광 유닛(EU), 그리고, 상기 발광 유닛(EU)을 포함하는 TOF 센서(TOF)에서 발광 소자(E)의 열화에 따른 주변 객체(B)의 인식 오류를 방지할 수 있으며(예를 들어, 발광 소자 E의 열화에 따른 주변 객체 B를 인식하지 못하는 인식 오류), 하나의 베이스 기판(S)에 다수의 발광 소자(E)가 배열된다고 하더라도, 순간적으로 턴-온 되는 발광 소자(E)의 개수를 고려할 때(순간적으로 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 E1,E2,E3,E4 중에서 어느 일 군의 발광 소자 E만이 택일적으로 턴-온), 각각의 발광 소자(E)로부터 출사되는 적정의 광량을 유지하는 것이 바람직하고, 각각의 발광 소자(E)의 열화를 방지하도록, 결함 소스로부터 캐리어 집중 및 광 집중이 이루어지는 활성층(AR)의 중앙 영역으로의 결함 이동을 차단하는 것이 하나의 베이스 기판(S) 상에 배열된 다수의 발광 소자(E) 중에서 순간적으로 그리고 적응적으로 특정한 광 특성에 적합한 일 군의 발광 소자(E)만을 선택적으로 구동하는 본 발명의 일 실시형태에서 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 서로 다른 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)를 포함하는 다수의 발광 소자(E)와, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에 각각 배치된 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)를 포함하는 다수의 광학 렌즈(F)와, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 각각과 전기적으로 연결된 것으로, 서로로부터 전기적으로 단절된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 포함하는 다수의 어드레스 라인(A)을 포함하는 발광 소자 유닛(EU)이 개시되어 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 발광 소자 유닛(EU)은, 각각 서로 다른 어드레스 라인(A)으로 연결되어 전기적으로 결속된 일 군의 발광 소자(E)와 타 군의 발광 소자(E)를 포함할 수 있으며, 일 군의 발광 소자(E) 상에 배치된 일 군의 광학 렌즈(F)와 타 군의 발광 소자(E) 상에 배치된 타 군의 광학 렌즈(F)를 포함할 수 있고, 이들 일 군의 발광 소자(E)와 타 군의 발광 소자(E)는 각각 서로 다른 일 군의 어드레스 라인(A)과 타 군의 어드레스 라인(A)을 통하여 서로 연결되면서, 각각 서로 다른 시각에 구동될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서 예시된 서로 다른 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)와, 이들 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4) 상에 배치된 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈(F1,F2,F3,F4)와, 서로 다른 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자(E1,E2,E3,E4)를 전기적으로 결속시키는 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인(A1,A2,A3,A4)을 본 발명의 구체적인 일 실시형태에 관한 예시로서, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 서로 다른 일 군의 어드레스 라인(A)과 타 군의 어드레스 라인(A)을 통하여 서로 전기적으로 결속되어 각각 서로 다른 시간에 스위치 온/오프로 전환될 수 있는 서로 다른 일 군의 발광 소자(E)와 타 군의 발광 소자(E)를 포함하고, 각각의 서로 다른 일 군의 발광 소자(E)와 타 군의 발광 소자(E)로부터 출사되는 광의 형태를 서로 다른 스폿 사이즈와 서로 다른 시야 거리를 제공할 수 있는 서로 다른 형태의 광으로 정형하도록, 서로 다른 일 군의 발광 소자(E)와 타 군의 발광 소자(E) 상에 배치되는 일 군의 광학 렌즈(F)와 타 군의 광학 렌즈(F)를 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
E: 발광 소자 E1~E4: 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자
ES: 발광 소자 조립체 F1~F4: 제1 군 내지 제4 군의 광학 렌즈
ES1~ES4: 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 조립체
FA,FA`: 광학 렌즈 어레이 B: 주변 객체
A: 어드레스 라인
A1~A4: 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인
C1~C4: 제1 군 내지 제4 군의 결선 라인
SW: 스위치 V: 구동 전원
L1: 제1 집광 렌즈 L2: 제2 집광 렌즈
FS: 지지대 g1~g3: 제1 내지 제3 위치
EU: 발광 유닛 AR: 활성층
P: 이온 주입층(이온 주입층의 폭)
PD: 이온 주입층의 깊이 ET: 식각부
O1: 제1 산화물층 O2: 제2 산화물층
OP: 산화물 개구부 M1: 제1 전극 컨택층
M2: 제2 전극 컨택층 S: 베이스 기판
n-DBR: N형 DBR 층 p-DBR: P형 DBR 층
d1~d3: 제1 내지 제3 산화 거리
TOF: TOF 센서 DU: 수광 유닛
FP1, FP2: 광축 위치

Claims (22)

  1. 베이스 기판 상에 배열된 다수의 발광 소자로서, 상기 베이스 기판 상을 따라 횡 방향으로 배열된 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자를 포함하는 다수의 발광 소자;
    상기 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자 중에서 적어도 어느 하나의 군의 발광 소자 상에 배치된 다수의 광학 렌즈; 및
    상기 일 군의 발광 소자 및 타 군의 발광 소자로부터 출사되어, 주변 객체로부터 반사된 반사 광을 감지하는 다수의 수광 소자를 포함하고,
    상기 다수의 발광 소자는, 상기 베이스 기판 상을 따라 횡 방향으로 순환적으로 교번되게 배열된 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자를 포함하고,
    상기 다수의 광학 렌즈는, 상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 상에 배치된 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈를 포함하되, 상기 제1 군의 발광 소자 상에는 광학 렌즈가 배치되지 않고, 상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈는, 제2 군의 광학 렌즈로부터 제4 군의 광학 렌즈로 가면서 점진적으로 곡률 또는 굴절력이 높아지도록 형성되며,
    상기 수광 소자는, 상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자로부터 출사되어, 주변 객체로부터 반사된 반사 광을 감지하고,
    상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈 각각은,
    상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 상에 배치된 제1 집광 렌즈; 및
    상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자로부터 이격되도록 상기 제1 집광 렌즈 상에 배치된 제2 집광 렌즈를 포함하며,
    상기 제2 집광 렌즈는, 상기 제1 집광 렌즈에 대한 상대적인 위치에 따라 이하와 같은 제1 내지 제3 위치에 배치되고,
    1) 상기 제1, 제2 집광 렌즈가 서로에 대해 겹쳐지지 않는 제1 위치;
    2) 상기 제1, 제2 집광 렌즈의 광축이 서로에 대해 정렬되는 제2 위치; 및
    3) 상기 제1, 제2 집광 렌즈의 광축이 서로에 대해 엇갈리는 제3 위치;
    상기 제2 집광 렌즈의 제2 위치에서, 상기 제1 집광 렌즈로부터 출사되는 상대적으로 넓은 스폿 사이즈로 광 강도가 분산되면서 상대적으로 짧은 시야를 제공하는 광은, 상기 제2 집광 렌즈를 경유하면서 상대적으로 좁은 스폿 사이즈로 광 강도가 집중되면서 상대적으로 긴 시야를 제공하는 광으로 정형되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 각각은,
    상기 베이스 기판 상에 형성된 N형 DBR 층과 P형 DBR 층과, 상기 N형 DBR 층과 P형 DBR 층 사이에 형성된 활성층을 포함하고,
    상기 P형 DBR 층에는 베이스 기판의 횡 방향을 따라 중앙 영역으로 캐리어 집중을 위한 산화물 개구부를 둘러싸는 산화물층이 형성되되,
    상기 제1 내지 제4 군의 발광 소자는 서로 동일한 크기의 산화물 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자 각각과 전기적으로 연결되며 서로로부터 전기적으로 단절된 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인을 더 포함하는 TOF 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인은, 각각 제1 군 내지 제4 군의 발광 소자가 배열된 제1 방향을 따라 연장되면서, 상기 제1 내지 제4 군의 발광 소자를 동일한 군의 발광 소자로 서로 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인은, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 서로 교대로 번갈아 배치되고,
    상기 제2 방향을 따라 연장되면서 각각의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인의 단부를 가로질러 각각의 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인을 결선시키는 제1 군 내지 제4 군의 결선 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인과 구동 전원 사이에서 구동 전원과의 택일적인 연결을 전환시키기 위한 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 군 내지 제4 군의 어드레스 라인과 구동 전원 사이의 연결을 전환시키는 스위치의 연결 전환에 따라,
    상기 제1 군의 어드레스 라인과 연결된 제1 군의 발광 소자의 구동으로부터 가장 넓은 스폿 사이즈에 걸쳐서 광 강도가 분산되는 형태의 광이 출사되고,
    상기 제4 군의 어드레스 라인과 연결된 제4 군의 발광 소자의 구동으로부터 가장 좁은 스폿 사이즈로 광 강도가 집중되는 형태의 광이 출사되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 군의 발광 소자의 구동에 따라 가장 넓은 스폿 사이즈에 걸쳐서 분산되는 광 강도로부터 주변 객체를 감지할 수 있는 시야가 최단의 근거리로 제한되며,
    상기 제4 군의 발광 소자의 구동에 따라 가장 좁은 스폿 사이즈로 집중되는 광 강도로부터 주변 객체를 감지할 수 있는 시야가 최장의 원거리로 확대되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 군 및 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군 및 제3 군의 발광 소자의 구동에 따라, 상기 제1 군의 발광 소자의 구동에 따른 가장 넓은 스폿 사이즈 보다는 좁고, 상기 제4 군의 발광 소자의 구동에 따른 가장 좁은 스폿 사이즈 보다는 넓은 스폿 사이즈의 광이 출사되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군의 발광 소자의 구동에 따른 스폿 사이즈는,
    상기 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제3 군의 발광 소자의 구동에 따른 스폿 사이즈 보다는 넓은 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 군 및 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군 및 제3 군의 발광 소자의 구동에 따라, 상기 제1군 발광 소자의 구동에 따른 최단의 근거리 시야 보다는 길고, 상기 제4군 발광 소자의 구동에 따른 최장의 원거리 시야 보다는 짧은 시야가 제공되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 군의 어드레스 라인과 연결된 제2 군의 발광 소자의 구동에 따른 시야는,
    상기 제3 군의 어드레스 라인과 연결된 제3 군의 발광 소자의 구동에 따른 시야 보다는 짧은 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 내지 제4 군의 광학 렌즈에 각각 구비된 다수의 제2 집광 렌즈는,
    상기 베이스 기판을 따라 횡 방향으로 배열된 것으로, 서로 일체로 연결된 다수의 제2 집광 렌즈를 포함하는 광학 렌즈 어레이로 마련되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광학 렌즈 어레이는,
    상기 베이스 기판을 따라 평편하게 형성된 지지대; 및
    상기 제2 군 내지 제4 군의 발광 소자 상에 각각 배치된 다수의 제1 집광 렌즈와 마주하는 상기 지지대의 하면 상에 배열된 다수의 제2 집광 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 렌즈의 제3 위치에서, 상기 제1 집광 렌즈로부터 출사되는 광은 제2 집광 렌즈의 중심을 향하여 편향된 광으로 정형되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 렌즈의 제3 위치에서, 상기 제1 집광 렌즈로부터 출사되는 광의 광축이 제2 집광 렌즈의 중심을 향하여 편향되면서, 광 강도가 가장 높은 광축 위치가 제1 집광 렌즈의 중심으로부터 제2 집광 렌즈의 중심을 향하여 편향되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제2 군 내지 제4 군의 광학 렌즈에 각각 마련된 다수의 제2 집광 렌즈는 상기 베이스 기판을 따라 횡 방향으로 배열된 광학 렌즈 어레이로 마련되고,
    상기 광학 렌즈 어레이는, 베이스 기판을 따라 횡 방향으로 제1 내지 제3 위치 사이에서 병진 운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 광학 렌즈 어레이의 병진 운동에 따라, 상기 제2 집광 렌즈의 제1 내지 제3 위치에서, 상기 제2 집광 렌즈는 상기 제1 군의 발광 소자 상에는 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 TOF 센서.
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