KR102199100B1 - 지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지문센서에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따른 실시예는 디스플레이 패널의 하부에 위치하며 지문 이미지를 생성하는 지문센서 패키지를 제공한다. 지문센서 패키지는, 디스플레이 패널의 상부에 위치한 커버 글라스의 상면에 접촉한 지문의 융선 및 골에서 조사된 빛은 다양한 입사각을 가지며, 상기 다양한 입사각 중 상기 융선으로부터 조사된 빛만 가질 수 있는 검출 대상 입사각을 선택하는 광 선택 구조, 및 상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 광 선택 구조에 의해 선택된 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.

Description

지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치{Image sensor package for finger-print and electronic device capable of detecting finger-print}

본 발명은 지문센서에 관한 것이다.

지문센서는 지문의 이미지를 촬영하여 전기 신호로 변환한다. 지문 이미지 촬영을 위해서, 종래의 광학식 지문센서는 지문에 빛을 조사하여 반사시키는 광학계를 구비한다. 그러나, 프리즘, 반사 미러, 렌즈와 같은 광학계는 일반적으로 상당한 체적을 가지기 때문에, 광학식 지문센서를 구비한 전자장치는 소형화가 어렵다.

한편, 휴대 전화나 태블릿 등과 같은 휴대용 전자장치를 중심으로 지문센서를 장착한 전자장치의 종류와 수가 증가하고 있다. 전자장치의 전면에 지문센서를 장착하기 위해서는 지문과 접촉하는 지문센서의 센싱부가 외부로 노출되어야 한다. 따라서 디자인 또는 디스플레이 패널을 보호하기 위해서 전자장치의 전면 전체를 보호 매체, 예를 들어, 커버 글라스나 투명 필름 등으로 덮는 경우에는 정전용량 변화를 감지하는 커패시티브 방식과 같은 지문센서를 전자장치의 전면에 장착하기 어렵다. 또한, 디스플레이 패널 하부에 지문센서를 위치시키기도 어렵다.

소형화가 가능하면서도 디스플레이 패널 아래에서 지문 이미지를 생성할 수 있는 광학식 지문센서 패키지를 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면에 따른 실시예는 디스플레이 패널의 하부에 위치하며 지문 이미지를 생성하는 지문센서 패키지를 제공한다. 지문센서 패키지는, 디스플레이 패널의 상부에 위치한 커버 글라스의 상면에 접촉한 지문의 융선 및 골에서 조사된 빛은 다양한 입사각을 가지며, 상기 다양한 입사각 중 상기 융선으로부터 조사된 빛만 가질 수 있는 검출 대상 입사각을 선택하는 광 선택 구조, 및 상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 광 선택 구조에 의해 선택된 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 지문센서 패키지는 소형화가 가능하면서도 디스플레이 패널 아래에서 지문 이미지를 생성할 수 있다.

이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다. 특히, 첨부된 도면들은, 발명의 이해를 돕기 위해서, 일부 구성 요소를 다소 과장하여 표현하고 있다. 도면은 발명을 이해하기 위한 수단이므로, 도면에 표현된 구성 요소의 폭이나 두께 등은 실제 구현시 달라질 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 지문센서 패키지가 결합된 전자장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 2는 지문센서 패키지의 동작 원리를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 지문센서 패키지의 구조 및 동작을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 지문센서 패키지의 일 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2에서 지문센서 패키지의 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 2에서 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 2에서 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 광경로의 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 지문센서 패키지가 결합된 전자장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 예시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 특히, 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명될 실시예들은, 단독으로 또는 다른 실시예와 결합하여 구현될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위가 첨부된 도면에 도시된 형태에만 한정되는 것이 아님을 유의하여야 한다.

한편, 본 명세서에서 사용되는 용어 중 “실질적으로”, “거의”, “약” 등과 같은 표현은 실제 구현시 적용되는 마진이나 발생가능한 오차를 고려하기 위한 표현이다. 예를 들어, “실질적으로 90도”는 90도일 때의 효과와 동일한 효과를 기대할 수 있는 각도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다. 다른 예로, “거의 없는”은 무엇인가가 미미하게 존재하더라도 무시할 수 있는 정도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다.

또한, 특별한 언급이 없는 한, “측면”, 또는 “수평”은 도면의 좌우 방향을 언급하기 위한 것이며, “수직”은 도면의 상하 방향을 언급하기 위한 것이다. 한편, 경사진 선에 수직한 선 또는 원의 표면에 수직한 법선은 점선으로 표시된다.

도 1은 지문센서 패키지가 결합된 전자장치의 디스플레이 일부를 개략적으로 도시한 예시도이다.

도 1은 전자장치(10)의 일 예로, 전면에 커버 글라스(20)가 부착된 스마트폰을 도시하고 있다. 커버 글라스(20)의 하면에는 디스플레이 패널(21)을 노출하기 위한 영역을 정의하는 상부 및 하부 코팅 영역(11a, 11b)이 형성된다. 한편, 전자장치(10)의 종류에 따라 좌우 코팅 영역(미도시)이 상부 및 하부 코팅 영역(11a, 11b)의 양단에 각각 연결될 수 있다. 전자장치(10)의 전면은 상대적으로 큰 면적을 차지하는 디스플레이 패널(21) 및 상대적으로 작은 면적을 차지하는 스피커, 카메라, 및/또는 센서가 배치될 수 있다. 커버 글라스(20)는 디스플레이 패널(21) 전체를 덮으며, 전자장치(10)의 종류에 따라 전자장치(10)의 전면 일부 또는 전체를 덮을 수도 있다. 디스플레이 패널(21)은 커버 글라스(20)의 하부에 위치되며, 지문센서 패키지(100)는 디스플레이 패널(21)의 하부에 위치된다.

지문센서 패키지(100)가 지문 이미지를 생성하는데 필요한 빛은 전자장치(10)의 내부에서 생성되어 손가락을 향해 조사된다. 여기서, 빛은, 예를 들어, 720 내지 980 nm 파장의 근적외선일 수 있으며, 근적외선을 조사하는 광원(110)은 지문센서 패키지(100)에 결합되거나 분리되어 전자장치(10)의 내부에 위치된다.

광원(110)은, 예를 들어, 근적외선을 조사하는 LED VCSEL 또는 레이저 다이오드 등과 같이 휘도가 좋은 광원일 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 광원(110)은 디스플레이 패널(21)의 엣지 영역의 일부에 위치될 수 있다. 가시광 대신에 근적외선을 사용하는 이유는 다음과 같다. 첫 번째로, 근적외선은, 커버 글라스(20) 및/또는 디스플레이 패널(21)에 포함된 편광 필터에 의한 광량 감소가 가시광에 비해 상대적으로 작다. 두 번째로, 디스플레이 패널(21)로부터의 가시광이 손가락(50)에 반사더라도 근적외선의 파장이 가시광의 파장과 상이하기 때문에 간섭을 피할 수 있다. 세 번째로, 대부분의 가시광은 손가락(50)의 피부에서 확산이 잘 되지 않는 반면, 근적외선은 상대적으로 확산이 잘 되기 때문에 근적외선을 점광원으로 활용하는 것이 유리하다. 네 번째로, 근적외선은 인간의 눈으로 인지하기 어렵기 때문에, 야간이나 어두운 장소에서도 사용하더라도 사용자의 눈에 영향을 미치지 않는다.

전자장치(10)의 내부에서 생성된 빛을 커버 글라스(20)를 통과하여 외부로 조사된다. 외부로 조사된 빛은 손가락(50)의 피부로부터 커버 글라스(20)를 향해 입사한다. 한편, 주변광으로부터 지문 이미지 생성에 필요한 근적외선이 충분히 제공되는 환경, 예를 들어, 여름 낮의 환경에서는 광원(110)이 구동되지 않을 수 있다. 광원(110)을 구동하는 광원 구동 회로는 지문센서 패키지(100)에 내장되거나 전자장치 내부에 위치될 수 있다. 광원 구동 회로는, 전자장치(10)의 조도 센서로부터 주변 밝기를 나타내는 측정값을 수신하며, 주변광이 지문센서 패키지(100)가 생성할 지문 이미지를 포화시킬 수 있는 수준 이상인지를 확인한다. 주변광의 밝기가 지문 이미지를 포화시킬 수 있는 수준 이상이면, 광원 구동 회로는 지문 이미지 획득시 광원(110)을 구동하지 않을 수 있다.

손가락(50)의 피부에 입사한 빛은 커버 글라스(20)에 접촉한 지문의 융선으로부터 커버 글라스(20)의 내부를 향해 입사된다. 한편, 커버 글라스(20)에 접촉하지 않은 골로부터 조사된 빛은, 피부와 커버 글라스(20) 사이에 개재된 공기를 통과한 후 커버 글라스(20) 내부로 입사된다. 손가락(50)의 피부를 통과하면서 발생하는 빛의 손실을 감소시키기 위해서, 빛이 조사되는 영역(22)과 지문 획득 영역(30)간 거리는 가까운 것이 바람직하다. 지문 획득 영역(30)은 지문센서 패키지(100)의 위치에 의해 정해지므로, 사각형상의 지문센서 패키지(100)의 한 변이 하부 코팅 영역(11a)에 실질적으로 접하거나 가깝게 위치된 경우, 빛이 조사되는 영역(22)도 하부 코팅 영역(11a)과 디스플레이 패널(21)의 경계면에 가깝게 위치되는 것이 바람직하다. 한편, 광원(110)에서 생성되는 빛의 세기 또는 손가락(50)에 입사하는 빛의 각도 등에 따라 빛이 조사되는 영역(22)은 하부 코팅 영역(11a)과 디스플레이 패널(21)의 경계면으로부터 소정 거리만큼 이격될 수도 있다. 도 1은 디스플레이 패널(21)의 엣지에 위치한 하나의 광원(110)을 도시하고 있다. 빛이 조사되는 영역(22)은 디스플레이 패널(21)의 엣지의 일부 영역이다. 여기서, 디스플레이 패널(21)의 엣지는 화소가 없는 어두운 띠 형태의 영역으로 시각적으로 외부에 노출된 영역이다. 따라서 빛이 조사되는 영역(22)을 정의하기 위한 개구를 하부 코팅 영역(11a)에 형성할 필요가 없으며, 하부 코팅 영역(11a)의 색에 구애받지 않는 장점이 있다. 물론, 빛이 조사되는 영역(22)은 하부 코팅 영역(11a)에 형성될 수도 있다. 이 경우, 하부 코팅 영역(11a)은 어두운 색으로 형성되거나, 전자장치(10)의 제조사명 또는 상표가 인쇄된 영역에 개구가 형성될 수 있다.

일 실시예로, 지문센서 패키지(100)는 터치 센서(23)를 더 포함할 수 있다. 전자장치에 적용된 일반적인 디스플레이 패널(21)은 터치 패널을 포함하고 있으나, 비활성 상태에서 대면적의 터치 패널을 구동하면 전력 소모가 증가할 수 있다. 따라서 전자장치가 비활성 상태에서는 터치 패널에 비해 상대적으로 전력 소모가 작은 터치 센서(23)를 이용하는 편이 바람직하다. 터치 센서(23)는 지문 획득 영역(30)에 손가락(50)이 위치하였음을 감지하고, 지문센서 패키지(100)를 구동하기 위한 제어 신호를 출력한다. 터치 센서(23)를 구동하는 터치 센서 구동 회로는 지문센서 패키지(100)에 내장되거나 전자장치 내부에 위치될 수 있다.

도 2는 지문센서 패키지의 동작 원리를 개략적으로 도시한 예시도로서, 도 1의 지문 획득 영역(30)의 일부를 확대하여 나타내고 있다.

도 2의 (a)를 참조하면, 지문센서 패키지(100)는, 지문의 융선에 의해 지문센서 패키지(100)의 내부로 입사된 빛 중에서 소정의 입사각을 갖는 빛만이 이미지 센서의 수광부에 도달하며, 소정의 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부에 도달하지 않는 구조를 가진다. 즉, 피부로 입사하면, 광원(110)에 의해 조사된 빛은 손가락(50)의 피부에서 무한 점광원으로 작용하게 된다. 손가락을 커버 글라스(20)에 위치하게 되면, 커버 글라스(20)에 접촉하는 부분, 예를 들어, 지문의 융선과, 커버 글라스(20)에 접촉하지 않는 부분, 예를 들어, 지문의 골은 각각 상이한 입사각 범위를 갖는 빛을 커버 글라스(20) 내부로 조사한다. 상세하게, 지문의 골에서 조사된 빛은 피부와 커버 글라스(20) 사이에 개재된 공기를 통과한 후 커버 글라스(20)로 입사하게 된다. 따라서, 공기와 커버 글라스(20)간 굴절률의 차이로 인해서, 지문의 골에서 조사된 빛의 입사각 범위는, 지문의 융선에서 커버 글라스(20)로 직접 조사된 빛의 입사각 범위보다 상대적으로 좁다. 지문의 융선과 골로부터 조사된 빛 중에서, 공통되는 입사각 범위에 빛은 제외하고, 지문의 융선으로부터만 조사될 수 있는 입사각을 갖는 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성할 수 있다. 이하에서 (b) 내지 (d)를 참조하여 본 원리를 상세히 설명한다.

도 1의 (b)를 참조하면, 지문은 융선과 골로 구성되며, 융선은 커버 글라스(20)의 상면에 접촉하지만, 골은 커버 글라스(20)의 상면에 접촉하지 않는다. 보호 매체는 근적외선이 투과할 수 있는 근적외선에 투명한 매체로서 전자장치(10)의 외면이 손상되는 것을 방지한다. 이러한 보호 매체의 일 예는 휴대 전화의 전면에 부착되어 디스플레이 패널을 보호하는 커버 글라스(20)이다. 이하에서는 커버 글라스(20)를 보호 매체의 일 예로 설명한다.

지문의 융선과 골은 커버 글라스(20)의 상면에서 이미지 센서의 수광부를 향해 빛을 조사하는 다중 광원의 역할을 한다. 융선과 커버 글라스(20)의 상면이 접촉하는 지점 A는 광원으로 작용하여 모든 방향으로 빛을 조사하게 되며, 커버 글라스(20)의 상면에서 커버 글라스(20)의 내부로 조사한다. 한편, 커버 글라스(20)의 상면에 접촉하지 않은 골에서 조사된 빛은 골과 커버 글라스(20) 사이의 공기를 거쳐 커버 글라스(20) 상면의 지점 B에 도달하므로, 빛은 지점 B에서 굴절된다. 따라서, 지점 A에서 커버 글라스(20)의 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θ_r은, 약 0도 내지 약 180도의 범위 내에 속할 수 있지만, 지점 B에서 커버 글라스(20)의 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θ_v는, 공기 굴절률과 커버 글라스 굴절률간 차이로 인해 커버 글라스 입사각 θ_r에 비해 상대적으로 좁은 범위 내에 속할 수 있다. 여기서, 커버 글라스(20)의 상면에 실질적으로 수평하게 왼쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 0도, 커버 글라스(20)의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛의 커버 글라스 입사각을 90도, 커버 글라스(20)의 상면에 실질적으로 수평하게 오른쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 180도라고 가정한다. 이하에서 커버 글라스(20) 내부로 입사된 빛의 각도를 커버 글라스 입사각이라 한다.

지문센서 패키지(100)는 디스플레이 패널(21)의 하면에 밀착될 수 있다. 즉, 커버 글라스(20)와 지문센서 패키지(100) 사이에 디스플레이 패널(21)이 개재될 수 있다. 디스플레이 패널(21)의 하면에 백라이트, 반사판 등과 같이 빛을 생성하기 위한 추가 구조가 필요한 LCD와 달리, AMOLED 또는 양자점 디스플레이 등은 단위 화소가 빛을 직접 생성하기 때문에 추가 구조를 필요로 하지 않는다. 한편, 이러한 디스플레이 패널(21)의 단위 화소 면적의 상당 부분을 차지하는 전극 및/또는 배선은 ITO와 같은 광학적으로 투명한 재질로 형성된다. 따라서, 커버 글라스(20)와 지문센서 패키지(100) 사이에 개재된 디스플레이 패널(21)은 커버 글라스(20)로부터 입사된 빛이 통과할 수 있는 연장된 광경로를 제공할 수 있다. 다시 말해, 일반적인 커버 글라스보다 두꺼운 커버 글라스의 하면에 지문센서 패키지(100)를 밀착시키는 것과 실질적으로 동일한 결과를 기대할 수 있다. 이하에서 상세히 설명되겠지만, 지문센서 패키지(100)는 검출하고자 하는 빛의 입사각을 선택할 수 있는 구조를 가지고 있다. 따라서, 개재된 디스플레이 패널(21)에 의해 입사된 빛이 어느 정도 굴절되는 현상이 발생하더라도 빛의 입사각을 선택하는 하나 이상의 조건을 조정함으로써 디스플레이 패널(21)의 하부에서도 소정의 입사각을 갖는 빛을 검출할 수 있다.

지문센서 패키지(100)는, 커버 글라스(20)-디스플레이 패널(21)을 통과하여 지문센서 패키지(100)의 상면에 입사하는 빛 중 소정의 검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛을 선택한다. 도 1의 (c)는, 지문센서 패키지(100)의 상면에 입사하는 빛 중에서 지문센서 패키지(100)의 광 선택 구조에 의해 선택될 입사각 θ_r'을 갖는 빛을 나타내며, 도 1의 (d)는 입사각 θ_r'을 갖는 빛 중에서 최종적으로 이미지 센서의 수광부에 도달하는 검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛을 나타낸다. 즉, 지문센서 패키지(100)의 광 선택 구조는, 소정의 입사각을 가진 빛이 수광부가 위치한 지문센서 패키지(100)의 하부를 향하도록 하여 수광부에 입사하는 특정각의 빛을 선택한다. 이하에서는 검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛은 검출 대상 빛이라고 한다.

상세하게, 도 1의 (c)에서, 지문센서 패키지(100)의 광 선택 구조는 지문센서 패키지 내부로 입사되는 빛 중 지점 A 와 B의 좌측 방향으로 입사되는 빛을 차단하며, 추가적으로, 지점 A의 우측 방향으로 입사되는 빛 중 지점 B의 우측 방향으로 입사되는 빛의 입사각과 동일한 입사각을 갖는 빛을 차단한다. 이를 통해서, 입사각 θ_r'을 갖는 빛이 선택될 수 있다. 예를 들어, 커버 글라스 입사각 θ_r 이 약 0도 내지 약 180도의 범위에 속하고, 커버 글라스 입사각 θ_v가 약 42도 내지 약 132도의 범위에 속하는 경우, 입사각 θ_r'은 약 132도 내지 약 140도의 범위에 속할 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐, 광 선택 구조의 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

아울러, 도 1의 (d)에서, 광 선택 구조에 의해 선택된 빛 중 수광부로 입사될 검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛을 선택할 수 있다. 예를 들어, 입사각 θ_r'이 132도 내지 140도의 범위에 속하는 경우, 검출 대상 입사각 θ₁은 135도 내지 140도의 범위에 속할 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐, 마이크로 렌즈의 위치, 구경, 크기 등과 같은 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛은 광 선택 구조 및 이미지 센서를 거치면서 굴절되며, 최종적으로 수광부에 입사될 때의 각도 θr은 검출 대상 입사각 θ₁과 다를 수 있다. 또한, 도 1의 (c) 및 (d)는 지점 A의 좌측 방향으로 입사되는 빛을 차단하여 지문 이미지를 생성하는 구조를 예시하고 있으나, 지점 A의 우측 방향으로 입사되는 빛을 차단하는 구조에서도 실질적으로 동일한 지문 이미지가 생성될 수 있다.

검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛은 지문의 융선에 의해서 생성된 빛만이 가질 수 있는 각도이므로, 이를 이용하여 선명한 지문 이미지를 생성할 수 있다. 도 1의 (b)에 도시된 것처럼, 지문이 커버 글라스 위에 위치하면, 융선에 의한 빛뿐만 아니라 골에 의한 빛도 함께 커버 글라스 내부로 들어간다. 종래의 광학식 지문센서는, 수직으로 입사되는 빛을 검출하는 구조를 가지고 있기 때문에, 융선에서 나와서 수광부의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛뿐 아니라 골에서 나와서 수광부의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛도 검출한다. 따라서 지문의 융선과 골 사이의 경계가 선명하지 않은 지문 이미지를 생성한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 지문센서 패키지는, 지문의 접촉면에 의해 생성된 빛 중에서 융선에 의해 생성된 빛의 적어도 일부만을 검출하는 구조를 가지고 있기 때문에, 종래의 광학식 지문센서보다 선명한 지문 이미지를 생성할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 지문센서 패키지의 구조 및 동작을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 전자장치는 보호 매체, 터치 센서, 편광 필름(이하 커버 글라스(200)로 총칭함), 및 디스플레이 패널(300)이 적층된 구조를 갖는다. 커버 글라스(200)는 지문의 골에서 조사된 빛이 내부로 입사할 수 있어야 하므로, 근적외선에 투명하게 생성된다. 여기서, 편광 필름은 가시광 대역의 빛은 차단하지만 근적외선 대역의 빛은 실질적으로 거의 손실 없이 통과시키는 특성을 갖는다.

지문센서 패키지(100)는 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는, 소정의 검출 대상 빛은 이미지 센서(500)에 도달할 수 있게 하는 반면 그 외의 입사각을 갖는 빛은 이미지 센서(500)에 도달할 수 없거나 도달하더라도 검출되지 않도록 한다. 이미지 센서(500)는, 광 선택 구조(400)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)를 경유하여 도달한 검출 대상 빛을 화소 전류로 변환하여 출력한다. 이하에서는, 검출 대상 입사각 및 검출 대상 빛을 설명한다.

커버 글라스(200)의 상면에 위치한 융선에 의해 커버 글라스(200) 내부로 입사한 빛(321 내지 328)은 디스플레이 패널(300) 상의 제1 지점(320)에 도달한다. 빛(321 내지 328)의 입사각 θ_i1은, 커버 글라스(200)의 상면에 수직한 직선과의 사이 각도이다. 빛(321 내지 328)은 커버 글라스(200)의 상면상의 상이한 지점으로 입사하여 상이한 광 경로를 거쳐 디스플레이 패널(300) 상의 제1 지점(320)에 도달한다. 제1 지점(320)에서 지문센서 패키지(100)로 입사하는 빛(321 내지 328) 중에서, 제1 지점(320)의 우측에서 제1 지점(320)을 향해 입사하는 빛(325 내지 328)은 광 선택 구조(400)에 의해 차단된다. 아울러, 제1 지점(320)의 좌측에서 제1 지점(320)을 향해 입사하는 빛(321 내지 324) 중 검출 대상 입사각 θ₁ 이외의 입사각 θ_i1을 갖는 빛(321, 322, 324)은 광 선택 구조(400)에 의해 차단되거나 검출 대상 빛과는 상이한 광 경로를 갖게 된다. 즉, 검출 대상 빛은 광 선택 구조(400)에 의해 이미지 센서(500)의 수광부에 도달하도록 굴절되어 최종적으로 입사각 θ₂로 수광부에 입사하지만, 검출 대상 입사각 θ₁ 이외의 입사각 θ_i1을 갖는 빛(321, 322, 324)은 최종적으로 입사각 θ₃ 또는 θ₄로 굴절되어 수광부에 입사하지 못하거나 광 선택 구조(400)에 의해 차단된다.

커버 글라스(200) 상에서 검출 대상 빛(323)이 입사하는 지점과 이를 검출하는 수광부는 동일한 수직선상에 위치하지 않는다. 광 선택 구조(400)는 지문의 융선과 골에 의해 입사된 빛 중에서 공통되는 입사각을 갖는 빛을 차단하고 융선에 의한 빛 중 일부만 이미지 센서(500)에 도달하게 한다. 따라서 검출 대상 빛은 경사진 광 경로로 커버 글라스(200)과 디스플레이 패널(300)을 통과한다. 이로 인해 검출 대상 빛(323)이 커버 글라스(200)의 상면에서 입사하는 지점과 지문센서 패키지(100)에 입사하는 지점이 상이한 수직선상에 위치하게 된다. 검출 대상 빛(323)이 커버 글라스(200)의 상면에서 입사하는 지점과 지문센서 패키지(100)에 입사하는 지점간 수평 거리는, 커버 글라스(200)의 두께 및 디스플레이 패널(300)의 두께를 합친 총 두께 T_total과 빛(323)의 검출 대상 입사각 θ₁에 의해 결정될 수 있다. 즉, 총 두께 T_total가 증가하거나, 검출 대상 입사각 θ₁이 증가하면, 수평 거리가 증가할 수 있다.

지문 이미지 생성시, 디스플레이 패널(300)은 그 하부에 지문센서 패키지(100)가 위치한 화소들을 턴 오프할 수 있다. 지문센서 패키지(100)에 대응하는 영역에 위치한 화소 또는 지문센서 패키지(100)에 대응하는 라인 및/또는 컬럼에 속한 화소가 턴 온프될 수 있다. 화소의 턴 오프는, 예를 들어, 전자장치의 AP(Application processor) 또는 디스플레이 패널의 TCON(Timing controller)에 의해 직접 또는 간접적으로 제어될 수 있다.

지문센서 패키지(100)의 두께 T_sesnor는 광 선택 구조(400)에 따라 달라질 수 있다. 이하에서 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명된 광 선택 구조(400)는, 검출 대상 빛이 이미지 센서(500)의 수광부에 어떤 각도로 입사되도록 하는지에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 한편, 이미지 센서(500)의 수광부간 거리는 이미지 센서(500)의 해상도 및/또는 입사각 선택성을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 입사각 선택성을 높이기 위해서, 수광부는 일반적인 이미지 센서의 수광부보다 좁은 폭을 갖도록 형성될 수 있으며, 이 경우, 수광부간 거리는 증가될 수 있다.

한편, 지문센서 패키지(100)는 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터(미도시)를 포함할 수 있다. 고역 통과 필터는 720nm 이상의 파장을 갖는 빛을 통과시키며, 대역 통과 필터는 720 내지 980 nm 파장을 갖는 빛을 통과시킨다. 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터는 지문센서 패키지(100)의 상면 또는 이미지 센서(500)의 상면 등 광 경로상에 위치한 수평면에 위치할 수 있다. 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터는 필터링 특성을 갖는 물질로 수평면을 코팅하여 형성될 수 있다. 커버 글라스(200)의 편광 필름에 의해서 외부로부터 입사하는 가시광은 거의 차단되지만, 디스플레이 패널(300)의 화소가 조사한 빛이 직접 또는 커버 글라스(200)에 반사되어 지문센서 패키지(100)로 입사할 수도 있다. 따라서 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터는, 지문센서 패키지(100)로 입사한 가시광에 의한 지문 이미지의 품질 저하를 방지하기 위해서, 가시광이 이미지 센서(500)의 수광부에 입사하는 것을 차단한다.

도 4는 도 2에 도시된 지문센서 패키지의 일 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.

도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 지문센서 패키지(100)는 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 전자장치의 디스플레이 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410) 및 마이크로 렌즈(430)는 커버 글라스(200)-디스플레이 패널(300)을 통과하여 지문센서 패키지(100) 내부를 향해 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.

도 4의 (a)에 도시된 일 실시예에서, 프리즘 시트(410)는 입사한 빛을 굴절시키는 제1 경사면(411)과 입사한 빛을 흡수하는 제2 경사면(412)을 포함한다. 교번하게 배치된 제1 경사면(411)과 제2 경사면(412)은 교번하게 프리즘 산과 프리즘 골을 형성한다. 프리즘 산은 마이크로 렌즈(430)를 향하며, 프리즘 골은 디스플레이를 향한다.

프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411)은 좌측 상부에서 우측 하부 방향으로 입사한 빛(322, 323, 324)을 굴절시키며, 제2 경사면(412)은 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛을 차단한다. 이를 위해, 제1 경사면(411)은 프리즘 산(413a)과 프리즘 골(414b) 사이에 경사지게 형성되며, 제2 경사면(412)는 프리즘 산(413a)과 프리즘 골(414a) 사이에 경사지게 형성된다. 도 4의 (a)에서, 지문센서 패키지(100)의 상면에 수직한 직선에 대한 제1 경사면(411)의 경사각은 θ_P1이며, 지문센서 패키지(100)의 상면에 수직한 직선에 대한 제2 경사면(412)의 경사각은 θ_P2이다. 첨부된 도면에 도시된 실시예는 θ_P1과 θ_P2가 상이하게 표현되어 있으나, θ_P1과 θ_P2은 실질적으로 동일할 수 있다. 첨부된 도면에 도시된 실시예에서, θ_P1은 약 15도 내지 약 20도이며, θ_P2는 약 30도 내지 50도인 것으로 가정한다. θ_P2가 클수록 수광부(520)로 입사하는 검출 대상 빛의 광량이 증가할 수 있다. 제1 경사면(411)과 제2 경사면(412)에 의해 형성된 프리즘 산과 프리즘 골의 내각은 θ_P1+θ_P2이며, 내각 θ_P1+θ_P2 또는 프리즘 피치(즉, 프리즘 산(413a)-프리즘 산(413b) 간격 또는 프리즘 골(414a)-프리즘 골(414b) 간격)에 따라 수광부(520)에 입사할 수 있는 검출 대상 입사각이 결정될 수 있다.

한편, 제2 경사면(412)의 표면에는 흡광 물질을 포함하는 흡광층이 형성될 수 있다. 제2 경사면(412)의 표면에 형성된 흡광층은 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛을 흡수한다. 그 결과, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부(520)에 도달하지 못한다.

마이크로 렌즈(430)는 프리즘 시트(410)를 통과한 빛 중 검출 대상 빛을 굴절시켜 수광부(520)를 향하게 한다. 마이크로 렌즈(430)에 의한 입사각 선택성을 높이기 위해서, 마이크로 렌즈(430)와 이미지 센서(500) 사이에 광 경로 연장층(420)이 개재될 수 있다. 광 경로 연장층(420)의 두께는, 예를 들어, 마이크로 렌즈(430)의 중심부 두께의 약 5배 이상일 수 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 마이크로 렌즈(430)의 구면 수차, 검출 대상 입사각 등 다양한 요인에 의해 증가하거나 감소할 수 있다. 여기서, 마이크로 렌즈(430)와 광 경로 연장층(420)의 굴절률은 실질적으로 동일할 수 있다. 한편, 광 경로 연장층(420) 상면 중 마이크로 렌즈(430)가 형성되지 않은 일부 영역에는 흡광 물질을 포함하는 흡광층(440)이 형성될 수 있다. 흡광층(440)은 검출 대상 입사각 이외의 입사각을 갖는 빛이 광 경로 연장층(420) 내부를 통과하여 이미지 센서(500)로 입사하는 것을 차단한다.

수광부(520)로 입사하는 빛의 광량을 증가시키기 위한 마이크로 렌즈의 일반적인 용도 대신에, 본 지문센서 패키지(100)에서는 특정각의 빛만 수광부(520)에 입사시키기 위한 용도로 마이크로 렌즈(430)를 이용한다. 이를 위해서, 마이크로 렌즈(430)는 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광 경로(525)에 대응하도록 메탈층(530)이 구비된 이미지 센서(500)의 수광부(520)의 상부에 형성된다. 즉, 마이크로 렌즈(430)는 프리즘 시트(410)의 하부에 위치하여 프리즘 시트(410)으로부터 이격된다. 이로 인해서, 공기가 프리즘 시트(410)와 마이크로 렌즈(430) 사이에 개재된다. 프리즘 시트-공기간 굴절률의 차이 및 공기-마이크로 렌즈간 굴절률의 차이를 이용하여, 커버 글라스(200)의 상면에서 조사된 검출 대상 빛이 선택될 수 있다.

이미지 센서(500)는 기판(510), 기판(510)에 형성된 수광부(520), 및 수광부(520)의 상부에 형성되며 광 경로(535)를 정의하는 메탈층(530)을 포함한다.

수광부(520)는 마이크로 렌즈(430)의 하부에 위치하며, 입사한 빛을 검출하여 화소 전류를 생성한다. 광 경로를 형성하며 전기 배선을 위한 메탈층(530)이 마이크로 렌즈(430)와 수광부(520) 사이에 개재된다.

입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(520)의 중심과 마이크로 렌즈(430)의 중심은 일치하지 않을 수 있다. 도 4에서, 수광부(520)는 마이크로 렌즈(430)의 우측 하부에 위치한다. 여기서, 수광부(520)의 위치는 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 도달할 수 있는 위치이며, 검출 대상 입사각, 마이크로 렌즈(430)의 굴절률, 마이크로 렌즈(430)-수광부(520)간 거리 등과 같은 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 이러한 배치를 통해서, 지문센서 패키지(100)의 입사각 선택성이 향상될 수 있다.

입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(520)의 폭은 마이크로 렌즈(430)의 폭에 비해 상대적으로 좁게 형성될 수 있다. 수광부(520)의 폭이 큰 경우에, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛도 검출될 수 있다. 따라서, 검출 대상 빛이 광 선택 구조(400) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절될 때 도달할 수 있는 지점에 수광부(520)가 형성되면, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부(520)가 형성되지 않은 기판(510)의 상면에 도달하게 된다. 일 실시예로, 수광부(520)의 폭은, 예를 들어, 마이크로 렌즈(430)의 폭의 약 50% 이하일 수 있다.

메탈층(530)은 마이크로 렌즈(430)의 하부에 형성될 수 있다. 메탈층(530)을 구성하는 복수의 메탈 라인은 수광부(520)에 제어 신호를 전달하거나 수광부(520)가 생성한 화소 전류를 외부로 인출하기 위한 전기 배선을 형성한다. 복수의 메탈 라인은 IMD(Inter Metal Dielectric) 등에 의해 상호간에 전기적으로 절연될 수 있다. 또한, 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광 경로도 IMD로 형성될 수 있다. 일 예로, 마이크로 렌즈(430)에 의해 선택된 빛은 수광부(520)의 표면에 경사지게 입사하므로, 광 경로 역시 경사지게 형성될 수 있다. 한편, 광 경로는 일반적인 CIS(CMOS Image Sensor)의 광 경로보다 상대적으로 좁은 단면적을 가지도록 형성될 수 있다. 다른 예로, 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광 경로는 수광부(520)의 상면에 수직으로 형성될 수도 있다. 참고로, 상대적으로 좁은 단면적을 가진 광 경로는 한국 특허공개공보 제10-2016-0048646호에 개시되어 있으며, 여기에 일체로서 참조된다.

한편, 도시되지 않았으나, 메탈층(530)은 수광부(520) 하부의 기판(510)에 형성될 수도 있다. 즉, 도 4에 도시된 BSI(Back Surface Illumination) 구조의 CIS 뿐 아니라, FSI(Front Surface Illumination) 구조의 CIS로도 지문센서 패키지를 구현할 수 있다.

이하에서는, 지문센서 패키지(100)로의 입사각에 따라 검출 대상 빛이 선택되는 방식을 설명한다.

도 4의 (b)는 지문센서 패키지(100)로의 입사각 θ에 따라 측면상에서 상이한 위치에 도달하게 되는 빛(323, 323, 324)을 예시하고 있다. 이하에서, 입사각은, 커버 글라스(200)의 상면으로부터 지문센서 패키지(100)에 입사될 때의 빛의 진행 방향과 프리즘 시트(410)의 상면(415)에 수직한 직선 사이의 각도를 의미한다. 먼저, 검출 대상 입사각 θ₁보다 큰 입사각 θ를 갖는 빛(322)은 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절되어 수광부(520)의 좌측 지점 f₄를 향하게 되며, 검출 대상 입사각 θ₁보다 작은 입사각 θ를 갖는 빛(324)은 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절되어 수광부(520)의 우측 지점 f₃을 향하게 된다. 그러나 빛(322, 324)은 메탈층(530)에 의해 차단되어 수광부(520)의 좌측 지점 f₄ 또는 우측 지점 f₃에 도달하지 못한다. 한편, 검출 대상 입사각 θ₁과 실질적으로 동일한 입사각 θ를 갖는 빛(323)은 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 후 메탈층(530)에 의해 정의된 광 경로(535)를 통과하여 수광부(520)에 도달하게 된다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ₁은 커버 글라스(200)에서 조사될 때의 커버 글라스 입사각과 실질적으로 동일하다.

검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛(323)은 제1 경사면(411)에서 마이크로 렌즈(430)를 향해 굴절된다. 제1 경사면(411)에 수직한 직선과 빛(323) 사이의 각도는 θ_1PI이며 굴절된 빛(3231) 사이의 각도는 θ_1PO이다. 즉, 제1 경사면(411)에 대한 빛(323)의 입사각은 θ_1PI이며, 굴절각은 θ_1PO이다. 여기서, 프리즘 시트(410)의 굴절률이 공기의 굴절률보다 상대적으로 크기 때문에, 스넬의 법칙에 따라 θ_1PO는 θ_1PI보다 크다.

제1 경사면(411)에서 굴절된 빛(3231)은 마이크로 렌즈(430)에서 수광부(520)를 향해 굴절된다. 마이크로 렌즈(430)의 구면 수차는, 검출 대상 입사각 θ₁을 갖는 빛(323)이 제1 경사면(411)에 의해 굴절되어 입사될 때, 수광부(520)를 향할 수 있도록 결정된다. 이 때, 굴절된 빛(3231)의 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각은 실질적으로 20도 이하일 수 있다. 마이크로 렌즈(430)의 지점 a에서의 법선은 굴절된 빛(3231)의 입사각과 실질적으로 동일하므로, 빛(3231)은 굴절되지 않은 채로 수광부(520)를 향하게 된다. 지점 a로부터 지점 b로 갈수록 법선과 빛(3231) 사이 각은 법선의 좌측 방향, 즉, 반시계 방향으로 증가하며, 지점 a로부터 지점 c로 갈수록 법선과 빛(3231) 사이 각은 법선의 우측 방향, 즉, 시계 방향으로 증가한다. 따라서 빛(3231)은 지점 b에서 시계 방향으로 굴절되어 수광부(520)를 향하게 되며, 빛(3231)은 지점 c에서 반시계 방향으로 굴절되어 수광부(520)를 향하게 된다. 여기서, 빛(3231)은 공기를 통해 마이크로 렌즈(430)로 입사하며 공기의 굴절률이 마이크로 렌즈의 굴절률보다 상대적으로 작기 때문에, 마이크로 렌즈(430)에 의한 굴절각은 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각보다 상대적으로 작다. 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3232)은 입사각 θ₂로 수광부(520)에 도달한다.

검출 대상 입사각 θ₁보다 큰 입사각 θ를 갖는 빛(322)의 일부는 제1 경사면(411)에서 마이크로 렌즈(430)를 향해 굴절된다. 제1 경사면(411)에 수직한 직선과 빛(322) 사이의 각도는 θ_PI이며 굴절된 빛(3221) 사이의 각도는 θ_PO이다. 입사각 θ가 검출 대상 입사각 θ₁보다 크기 때문에, 제1 경사면(411)에 의한 굴절각 θ_PO는 θ_1PO보다 작다. 따라서 마이크로 렌즈(430) 상의 동일 지점에 입사하더라도, 굴절된 빛(3221)의 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각이 굴절된 빛(3231)에 비해 상대적으로 커지게 된다. 이로 인해, 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3222)은 입사각 θ₄로 수광부(520)의 좌측을 향하게 된다. 좌측 지점 f₄를 향하는 굴절된 빛(3222)은 메탈층(530)에 의해 정의된 광 경로(535)를 통과하지 못하게 된다. 한편, 제1 경사면(411)의 지점 d에서 굴절된 빛(3221)은 두 개의 마이크로 렌즈(430) 사이에 형성된 흡광층에 의해 흡수되어 이미지 센서(500)에 입사하지 못한다.

검출 대상 입사각 θ₁보다 작은 입사각 θ를 갖는 빛(324)은 제1 경사면(411)에서 마이크로 렌즈(430)를 향해 굴절된다. 제1 경사면(411)에 수직한 직선과 빛(324) 사이의 각도는 θ_PI이며 굴절된 빛(3221) 사이의 각도는 θ_PO이다. 입사각 θ가 검출 대상 입사각 θ₁보다 작기 때문에, 제1 경사면(411)에 의한 굴절각 θ_PO는 θ_1PO보다 크다. 따라서 마이크로 렌즈(430) 상의 동일 지점에 입사하더라도, 굴절된 빛(3241)의 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각이 굴절된 빛(3231)에 비해 상대적으로 작아지게 된다. 이로 인해, 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3242)은 입사각 θ₃으로 수광부(520)의 우측을 향하게 된다. 우측 지점 f₃을 향하는 굴절된 빛(3242)은 메탈층(530)에 의해 정의된 광 경로(535)를 통과하지 못하게 된다.

도 5는 도 2에서 지문센서 패키지의 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 4와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 4와의 차이점을 위주로 설명한다.

도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 지문센서 패키지(100)는 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 전자장치의 디스플레이 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410a) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410a) 및 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.

도 5의 (a)에 도시된 프리즘 시트(410a)는 자기 정렬(self-align) 및 자기 지지(self-support) 구조를 가진다. 도 4의 프리즘 시트(410)와 비교할 때, 프리즘 시트(410a)는 프리즘 산의 첨단부가 제거된 구조이다. 상세하게, 제1 경사면(411)의 상단(411a)은 제2 경사면(412)의 상단(412a)에 결합되어 프리즘 골을 형성하며, 프리즘 시트(410a)의 상면(415)과 실질적으로 평행하게 측면 방향으로 연장된 하면(416)의 양단이 제1 경사면(411)의 하단(411b)과 제2 경사면(412)의 하단(412b)을 연결한다. 하면(416)의 폭은 마이크로 렌즈(430)간 거리와 실질적으로 동일하거나 작을 수 있다. 따라서 프리즘 시트(410a)의 하면(416)을 마이크로 렌즈(430) 사이에 배치하는 것만으로 프리즘 시트(410a)와 마이크로 렌즈(430)가 정렬될 수 있다. 또한, 실질적으로 수평한 하면(416)에 의해 프리즘 시트(410a)가 지지될 수 있으므로, 프리즘 시트(410a)를 지지 또는 고정하기 위한 별도의 구조가 요구되지 않는다.

도 6은 도 2에서 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 4 및 5와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 4 및 5와의 차이점을 위주로 설명한다.

도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 지문센서 패키지(100)는 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 전자장치의 디스플레이 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410b) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410b) 및 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.

도 6의 (a)에 도시된 프리즘 시트(410a)는 자기 정렬(self-align) 및 자기 지지(self-support) 구조를 가진다. 도 4 또는 5의 프리즘 시트(410a)와 비교할 때, 흡광층이 프리즘 시트(410b)의 제2 경사면(417)에 형성되어 있지 않다. 상술한 바와 같이, 도 4 또는 도 5의 제2 경사면(412)에 형성된 흡광층은, 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛(350)을 흡수하여 이 방향의 빛이 이미지 센서(500)에 입사하지 않도록 한다. 상세하게, 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 지문센서 패키지(100)에 입사한 빛(350)의 일부는 프리즘 시트(410b)의 제2 경사면(417)에 의해 굴절되어 마이크로 렌즈(430)에 입사한다. 굴절된 빛(351)은 흡광층(450b)에 의해 흡수되어 이미지 센서(500)로 입사하지 못한다.

우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛(350)을 차단하기 위해서, 적어도 하나의 흡광층(450a, 450b)이 광 경로 연장층(420) 내부에 형성된다. 일 실시예로, 흡광층(450a, 450b)은 적외선을 흡수하는 흡광 물질로 형성되며, 측면 방향으로 연장된다. 다른 실시예로, 흡광층(450a, 450b)은 메탈로 형성되며, 측면 방향으로 연장된다. 추가적으로, 메탈의 상면은 가시광 또는 적외선을 흡수하는 흡광 물질로 코팅될 수 있다. 메탈에 코팅된 흡광 물질은 메탈에 반사된 적외선을 흡수할 수 있다. 흡광층(450a, 450b)은, 광 경로 연장층(420)을, 예를 들어, 목표 두께의 소정 비율만큼 형성한 후, 그 표면에 형성된다. 이후 광 경로 연장층(420)이 흡광층(450a, 450b)의 상부에 목표 두께까지 형성된다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같은 복수의 흡광층(450a, 450b)은, 광 경로 연장층-흡광층을 반복적으로 형성하여 구현할 수 있다.

광 경로 연장층(420)에 형성된 흡광층(450a, 450b)는 검출 대상 빛을 위한 광 경로를 정의할 수 있다. 흡광층(450a, 450b)의 일부 영역에는 광 경로를 정의하기 위한 개구(451)가 형성된다. 개구(451)의 폭은 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 통과할 수 있는 크기로 결정된다. 따라서 흡광층(450a, 450b)에 의해 광 경로가 정의되는 구조에서는, 메탈층(530)에 의한 광 경로(535)를 이미지 센서(500) 내에 정의하지 않아도 된다. 다시 말해, 광 경로가 수직으로 형성된 이미지 센서를 이용하더라도 충분한 입사각 선택성을 광 경로 연장층(420)에 의해 확보할 수 있다.

도 7은 도 2에서 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 4 내지 6과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 4 내지 6과의 차이점을 위주로 설명한다.

도 7을 참조하면, 지문센서 패키지(100)는 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 전자장치의 디스플레이 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410a 또는 410b) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410a 또는 410b) 및 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.

입사각 선택성을 높이기 위해서, 이미지 센서(500)의 상면에 마이크로 렌즈(540)가 형성된다. 마이크로 렌즈(540)는 이미지 센서(500)의 광 경로(535) 상부에 형성될 수 있다. 광 선택 구조(400)의 마이크로 렌즈(430)와 유사하게, 마이크로 렌즈(540)는 이미지 센서(500)로 입사하는 검출 대상 빛을 굴절시켜 수광부(520)를 향하게 한다. 마이크로 렌즈(540)를 포함한 이미지 센서(500)의 상부에 광 경로 연장층(420)이 형성되어 마이크로 렌즈(540)의 표면은 광 경로 연장층(420)에 접한다. 따라서, 마이크로 렌즈(540)에 입사한 검출 대상 빛이 굴절되기 위해서는, 광 경로 연장층(420)의 굴절률과 마이크로 렌즈(540)의 굴절률이 상이해야 한다. 예를 들어, 광 경로 연장층(420)의 굴절률과 마이크로 렌즈(540)의 굴절률의 차이는 0.2 이상일 수 있다.

도 8은 광 경로의 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.

상술한 광 선택 구조(400)뿐 아니라, FSI 또는 BSI 이미지 센서(500)도 입사각 선택성을 높일 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 검출 대상 입사각 이외의 각도로 입사한 빛(이하 무효광)은, 지문 이미지의 품질을 저하시킬 수 있다. 예를 들어, 지문의 융선에 의해 검출 대상 빛이 흡수되면, 수광부로 입사하는 빛은 실질적으로 존재하지 않는다. 그러나 무효광이 입사하게 되면, 수광부는 이를 검출하여 화소 전류를 출력하여 지문의 골로 인식되게 된다. 도 8의 (a) 및 (b)는 무효 광이 지문 이미지 생성에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 이미지 센서의 구조를 나타내고 있다.

도 8의 (a)및 (b)를 참조하면, FSI 이미지 센서에 구현된 차광 구조가 예시적으로 도시되어 있다. 이미지 센서(500)는 반도체 기판(510), 반도체 기판(510)의 상면에 형성된 수광부(520), 수광부(520)의 상부에 위치하며 수광부(520)와 외부 연결 단자(미도시)간 전기 배선을 형성하며 일정 각도로 기울어진 광 경로를 형성하는 메탈층(530)을 포함한다.

M1 내지 M4 메탈 라인을 포함하는 메탈층(530)은 수광 소자(510)를 향해 입사하는 무효 광을 차단한다. 이를 위해서, M1 내지 M4 메탈 라인은 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 수광부(430)에 입사할 때의 각도 범위 내로 경사진 광 경로(535)를 정의한다. 여기서, 도 8의 (a)및 (b)는 동일한 두께를 갖는 4개의 메탈 라인을 예시하고 있으나, 메탈 라인의 수는 증가 또는 감소될 수 있으며, 메탈 라인의 두께 또한 증가 또는 감소될 수 있다. 즉, 입사각 선택성을 향상시키기 위해서는, 광 경로의 높이(예를 들어, M1 내지 M4 메탈 라인이 적층된 높이)가 광 경로의 폭(예를 들어, W1 또는 W2)에 비해 수 내지 수십 배일 수 있다. 이와 같이 광 경로의 높이를 증가시키면, 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 검출 대상 빛의 입사각과 다른 입사각을 갖는 빛은 M1 내지 M4 메탈 라인에 의해 거의 차단되게 된다.

한편, 이미지 센서(500)의 광 경로(535)는 광 경로 연장층(420)에 형성된 하나 이상의 흡광층(450a, 450b)에 의해 마이크로 렌즈(430)까지 연장될 수 있다. 여기서, 이미지 센서(500)의 광 경로(535)의 폭 또는 마이크로 렌즈(430)까지 연장된 광 경로의 폭은, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 상부에서 하부로 갈수록 폭이 감소(W1에서 W2로 감소)하거나, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 상부와 하부의 폭이 일정(W1)할 수 있다.

도시되진 않았으나, BSI 이미지 센서는 수광부의 상부에 형성된 쉴드층(545)을 포함할 수 있다. 쉴드층은 수광부를 향해 입사하는 무효광을 차단한다. 쉴드층은, 예를 들어, 금속 또는 흡광 물질로 형성될 수 있다. 이를 위해서, 복수의 쉴드층이 복수의 수광부 각각의 수직 상부에 형성되며, 복수의 쉴드층간은 일정 거리로 이격될 수 있다. 가로 길이와 세로 길이로 정의되는 쉴드층의 넓이는 수광부의 넓이와 같거나 커서 수광부의 수직 상방으로 입사되는 빛을 차단할 수 있다.

도 9는 지문센서 패키지가 결합된 전자장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 예시도이다.

도 1의 디스플레이 패널(21)과 비교할 때, 도 9의 (a)에 도시된 디스플레이 패널(21)은 근적외선을 조사할 수 있다. 일 실시예로, 도 9의 (a)에 도시된 디스플레이 패널(21)은 가시광을 조사하는 제1 영역(21a)과, 가시광 및 근적외선을 모두 조사하는 제2 영역(21b)으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 영역(21a)과 제2 영역(21b)는 동일한 기판 상에 형성되거나, 분리된 기판 상에 형성될 수 있다. 한편, 제1 영역(21a)과 제2 영역(21b)은 동일한 해상도를 가지거나, 상이한 해상도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 영역(21b)은 소프트키를 표시할 수 있는 저해상도로 구현될 수 있다. 지문센서 패키지(100)는 근적외선을 이용하며 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터를 사용하므로, 손가락이 위치할 지문 획득 영역(30)에, 예를 들어, 홈 버튼 등이 표시될 수 있다. 이 경우, 제2 영역(21b)에 대응하는 터치 센서의 일부 영역만이 활성화되어 손가락(50)이 위치하는지 여부를 감지할 수 있다. 다른 실시예로, 디스플레이 패널(21)의 모든 화소들은 가시광 및 근적외선을 모두 조사할 수 있다.

디스플레이 패널(21)의 제2 영역(21b) 또는 전체 영역 중 지문 획득 영역(30)에서 조사된 근적외선은 지문 획득 영역(30)의 상부에 위치한 손가락(50)의 피부에 입사한다. 입사한 근적외선은 손가락(50)의 피부 표면에서 점광원이 되어 지문의 골과 융선에서 서로 상이한 입사각을 갖는 근적외선을 커버 글라스(20)를 향해 조사한다.

제2 영역(21b)에는, 직선, 다각형(예를 들어, 직사각형상), 또는 원형으로 배치된 복수의 근적외선 화소가 배치될 수 있다. 도 9의 (b)에는 제2 영역(21b)에 배치된 근적외선 화소(31)를 예시하고 있는 평면도이다. 지문 획득 영역(30)이 다각형 또는 원형인 경우에, 복수의 근적외선 화소는 다각형의 각 변 또는 원주상에 띠 형상으로 배치될 수 있다. 따라서, 커버 글라스(20)의 상부에서 지문센서 패키지(100)를 바라봤을 때, 지문 획득 영역(30)은 근적외선 화소로 구성된 사각형과 일치하거나 사각형 내부에 위치할 수 있다. 즉, 근적외선 화소는, 근적외선이 손가락(50)의 피부 표면에서 충분히 확산될 수 있는 위치에서 근적외선을 조사하며, 동시에, 손가락(50)의 피부에서 확산된 근적외선이 통과하는 광 경로상에 위치하지 않도록 배치될 수 있다. 한편, 근적외선 화소와 지문 획득 영역(30)간 이격 거리는 사용되는 근적외선의 파장에 따라 변경될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 디스플레이 패널의 하부에 위치하며 지문 이미지를 생성하는 지문센서 패키지에 있어서,
   디스플레이 패널의 상부에 위치한 커버 글라스의 상면에 접촉한 지문의 융선 및 골에서 조사된 빛은 다양한 입사각을 가지며, 상기 다양한 입사각 중에서 상기 커버 글라스의 상면에 접촉한 상기 지문의 상기 융선으로부터 조사된 빛만 가질 수 있는 검출 대상 입사각을 선택하는 광 선택 구조; 및
   상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 광 선택 구조에 의해 선택된 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하는 지문센서 패키지.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 광 선택 구조는,
   상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트; 및
   상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 마이크로 렌즈를 포함하는 지문센서 패키지.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 이미지 센서는,
   상기 마이크로 렌즈의 하부에 위치하며, 상기 제2 각도로 굴절된 빛에 상응하는 화소 전류를 생성하는 수광부를 포함하되,
   상기 수광부는 상기 마이크로 렌즈의 하부 일측에 위치하는 지문센서 패키지.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 프리즘 시트는,
   프리즘 산과 프리즘 골을 형성하도록 교번하여 배치된 복수의 제1 경사면 및 복수의 제2 경사면을 포함하되,
   상기 제1 경사면은 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 상기 제1 각도로 굴절시키며,
   상기 제1 경사면의 경사각은 상기 제2 경사면의 경사각보다 작은 지문센서 패키지.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 광 선택 구조는,
   프리즘 골을 형성하도록 교번하여 배치된 복수의 제1 경사면 및 복수의 제2 경사면을 포함하며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트; 및
   상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 마이크로 렌즈를 포함하되,
   상기 제1 경사면의 상단은 상기 제2 경사면의 상단에 연결되며,
   상기 제1 경사면의 하단과 상기 제2 경사면의 하단은 평행하게 연장된 하면의 양단에 각각 연결되는 지문센서 패키지.
   

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