KR102317661B1 - Uv wavelength selective rgb conversion film and uv image sensor using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 이미지 센서는, 기판; 상기 기판상에 배열된 복수개의 픽셀로 구성되는 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름; 및 상기 각각의 픽셀에 의해 변환된 가시광을 감지하여 전기적인 신호로 변환하기 위한 광센서부를 포함한다. 일 실시예에서, 각각의 픽셀은 상기 기판 상에 위치한 컬러필터; 상기 컬러필터 상에 위치한 광변환유닛; 및 상기 광변환유닛 상에 위치한 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 각각의 픽셀은 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광을 방출한다. 실시예에 따르면, 자외선을 파장에 따라 선택적으로 RGB 가시광으로 변환하여 컬러로 표현할 수 있는 픽셀 어레이 필름이 제공되며, 기존의 CMOS 플랫폼과 호환 가능하므로 이를 이용하여 제작된 자외선 이미지 센서는 기존의 스마트 기기나 휴대용 카메라에 쉽게 적용될 수 있다.An ultraviolet image sensor according to an embodiment of the present invention includes: a substrate; an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film composed of a plurality of pixels arranged on the substrate; and a photosensor unit for detecting the visible light converted by each pixel and converting it into an electrical signal. In one embodiment, each pixel comprises a color filter located on the substrate; a light conversion unit located on the color filter; and a microlens positioned on the light conversion unit, wherein each pixel selectively absorbs ultraviolet light of a specific wavelength band to emit visible light of a specific color. According to the embodiment, a pixel array film capable of selectively converting ultraviolet light into RGB visible light according to wavelength and expressing color is provided, and since it is compatible with the existing CMOS platform, the ultraviolet image sensor manufactured using this is compatible with existing smart devices. It can be easily applied to a portable camera.
Description
본 발명은 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름 및 이를 이용한 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입사된 자외선을 파장에 따라 선택적으로 가시광 RGB로 변환할 수 있는 필름 및 이를 제조하기 위한 방법과 상기 변환 필름을 이용한 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film and a CMOS image sensor using the same, and more particularly, a film capable of selectively converting incident ultraviolet light into visible light RGB according to a wavelength, a method for manufacturing the same, and the conversion film It relates to a CMOS image sensor using
[국가지원 연구개발에 대한 설명][Description of state-funded R&D]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에, 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업(플라즈모닉스 기반 비발광 에너지 전달 프로세스 제어 연구 및 근적외선 고감도 이미지 센서 응용 기술 개발, 과제고유번호: 2N56700) 및 미래유망 융합기술 파이오니어사업(스펙트럼 제어 자외선 변환 컬러 이미징 기술 개발, 과제고유번호: 2N53770)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This research is under the supervision of the Korea Research Institute of Science and Technology, and is supported by the Ministry of Science and ICT's mid-level researcher support project (plasmonics-based non-luminescent energy transfer process control research and near-infrared high-sensitivity image sensor application technology development, project identification number: 2N56700) and future prospects. This was done with the support of the Convergence Technology Pioneer Project (Spectrum Control UV Conversion Color Imaging Technology Development, Assignment No.: 2N53770).
인체는 약 400 내지 700 nm의 파장대역에 해당하는 가시광에 대해서만 인지할 수 있으며, 이보다 파장이 짧은 자외선이나 파장이 긴 적외선 영역에 대해서는 인지가 불가능하다. 최근에는 이러한 적외선 및 자외선을 감지하는 응용기술에 대한 수요가 높아지고 있는데, 적외선은 야간 투시경, 열화상 카메라, 가스 센싱 등에 이용될 수 있으며, 자외선은 약물 탐지, 의료용 이미징, 단백질 분석 등 다양한 분야에서 이용될 수 있다.The human body can recognize only visible light corresponding to a wavelength band of about 400 to 700 nm, and cannot recognize ultraviolet light having a shorter wavelength or infrared light having a longer wavelength than this. Recently, the demand for such infrared and ultraviolet sensing application technology is increasing. Infrared rays can be used for night vision, thermal imaging cameras, gas sensing, etc., and ultraviolet rays are used in various fields such as drug detection, medical imaging, and protein analysis. can be
특히, 가시광선보다 더 짧은 파장을 갖는 자외선을 이용하면 가시광선으로는 촬영하기 어려운 피사체의 표면에 존재하는 아주 미세한 굴곡이나 요철을 찾아내거나, 자외선에 반응하는 화학성분 등을 선택적으로 구별하여 영상화할 수 있다. In particular, by using ultraviolet rays having a shorter wavelength than visible light, it is possible to find very fine curves or irregularities on the surface of an object that are difficult to photograph with visible light, or to selectively distinguish and image chemical components that react to ultraviolet rays. have.
이와 같이 자외선 이미징 기술은 응용 범위가 매우 넓음에도 불구하고 기존의 자외선 이미징 장비는 높은 가격과 휴대가 어려운 단점으로 인해 활용 범위가 제한적이었다. 또한, 기존의 자외선 이미징 기술은 대부분 RGB 컬러가 아닌 단색 또는 흑백색으로만 표현이 가능하여 산업상 자외선 검출이 필요한 곳이 아닌 다양한 기술분야에서 활용되기는 어려운 면이 있었다.Although the UV imaging technology has a very wide application range, the existing UV imaging equipment has limited application range due to its high price and difficult portability. In addition, since most of the existing UV imaging technology can express only in monochrome or monochrome, not RGB color, it is difficult to be utilized in various technical fields other than where UV detection is required in industry.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 자외선을 파장에 따라 선택적으로 RGB 가시광으로 변환하여 컬러로 표현할 수 있는 픽셀 어레이 필름의 구조와 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a structure of a pixel array film capable of selectively converting ultraviolet light into RGB visible light according to wavelength and expressing color, and a method for manufacturing the same.
나아가, 상기 변환 필름을 기존의 CMOS 플랫폼에 적용하여 별도의 외부 모듈 없이도 스마트 기기나 휴대용 카메라와 호환될 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a CMOS image sensor compatible with a smart device or a portable camera without a separate external module by applying the conversion film to an existing CMOS platform.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름은, 기판; 및 상기 기판상에 배열된 복수개의 픽셀로 구성되고, 각각의 픽셀은, 상기 기판 상에 위치한 컬러필터; 상기 컬러필터 상에 위치한 광변환유닛; 및 상기 광변환유닛 상에 위치한 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 각각의 픽셀은 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광을 방출한다.UV wavelength selective RGB conversion film according to an embodiment of the present invention, a substrate; and a plurality of pixels arranged on the substrate, each pixel comprising: a color filter positioned on the substrate; a light conversion unit located on the color filter; and a microlens positioned on the light conversion unit, wherein each pixel selectively absorbs ultraviolet light of a specific wavelength band to emit visible light of a specific color.
일 실시예에서, 상기 각각의 픽셀은, 서로 다른 파장대역의 자외선을 각각에 대응되는 서로 다른 파장대역의 가시광으로 변환할 수 있다.In an embodiment, each of the pixels may convert ultraviolet light of different wavelength bands into visible light of different wavelength bands corresponding to each other.
일 실시예에서, 상기 각각의 픽셀은, 320 내지 400 nm의 파장대역을 갖는 자외선A를 청색 가시광으로 변환하거나, 280 내지 320 nm의 파장대역을 갖는 자외선B를 녹색 가시광으로 변환하거나, 200 내지 280 nm의 파장대역을 갖는 자외선C를 적색 가시광으로 변환할 수 있다.In an embodiment, each of the pixels converts UVA having a wavelength band of 320 to 400 nm into blue visible light, or converts UVB having a wavelength band of 280 to 320 nm into green visible light, or 200 to 280 Ultraviolet C having a wavelength band of nm can be converted into red visible light.
일 실시예에서, 상기 광변환유닛은, 나노형광체, 양자점, 또는 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 광변환물질을 포함할 수 있다.In an embodiment, the light conversion unit may include a light conversion material made of a nano phosphor, quantum dots, or single-walled carbon nanotubes.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 이미지 센서는, 상기한 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름을 구비하고, 상기 각각의 픽셀에 의해 변환된 가시광을 감지하여 전기적인 신호로 변환하기 위한 광센서부를 더 구비한다.The ultraviolet image sensor according to an embodiment of the present invention includes the above-described ultraviolet wavelength selective RGB conversion film, and further includes a photosensor unit for detecting visible light converted by each pixel and converting it into an electrical signal. .
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 제1 홀(hole)을 형성하는 단계; 상기 제1 홀 내에 제1 픽셀을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 상기 제1 홀과 이격된 위치에 제2 홀을 형성하는 단계; 상기 제2 홀 내에 제2 픽셀을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 상기 제1 홀 및 제2 홀과 이격된 위치에 제3 홀을 형성하는 단계; 및 상기 제3 홀 내에 제3 픽셀을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film according to an embodiment of the present invention, the method comprising: providing a substrate; forming a first hole on the substrate; forming a first pixel in the first hole; forming a second hole on the substrate at a position spaced apart from the first hole; forming a second pixel in the second hole; forming a third hole on the substrate at a position spaced apart from the first hole and the second hole; and forming a third pixel in the third hole.
일 실시예에서, 상기 제1 내지 제3 픽셀 각각은, 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 광변환유닛을 형성하는 단계; 및 상기 광변환유닛 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 거쳐 형성된다.In an embodiment, each of the first to third pixels may include: forming a color filter; forming a light conversion unit on the color filter; and forming a microlens on the light conversion unit.
일 실시예에서, 상기 픽셀들을 형성하는 단계와 상기 홀들을 형성하는 단계 사이에, 상기 기판을 패시베이션 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the method may further include passivating the substrate between the forming of the pixels and the forming of the holes.
일 실시예에서, 상기 제1 내지 제3 홀은, 펨토초 레이저 가공 기법을 이용하여 형성될 수 있다.In an embodiment, the first to third holes may be formed using a femtosecond laser processing technique.
일 실시예에서, 상기 제1 내지 제3홀의 크기는, 수 마이크로미터이다.In an embodiment, the size of the first to third holes is several micrometers.
본 발명의 실시예에 따르면, 자외선을 파장에 따라 선택적으로 RGB 가시광으로 변환하여 컬러로 표현할 수 있는 픽셀 어레이 필름이 제공된다. 실시예에 따른 RGB 변환 필름은 기존의 CMOS 플랫폼과 호환 가능하므로, 이를 이용하여 제작된 자외선 이미지 센서는 기존의 스마트 기기나 휴대용 카메라에 쉽게 적용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a pixel array film capable of expressing color by selectively converting ultraviolet light into RGB visible light according to a wavelength. Since the RGB conversion film according to the embodiment is compatible with the existing CMOS platform, an ultraviolet image sensor manufactured using the same can be easily applied to an existing smart device or a portable camera.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 이미지 센서의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선-RGB 변환 픽셀의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법을 순서대로 도시한다.1 shows the structure of an ultraviolet image sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ultraviolet-RGB conversion pixel according to an embodiment of the present invention.
4a to 4f sequentially show a method of manufacturing an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the scope of the claims is not limited or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.The terms used in the present specification have been selected as widely used general terms as possible while considering their functions, but may vary depending on the intentions or customs of those of ordinary skill in the art or the emergence of new technologies. In addition, in specific cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the description of the corresponding specification. Therefore, it is intended to clarify that the terms used in this specification should be interpreted based on the actual meaning of the terms and the contents of the entire specification, rather than the names of simple terms.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 이미지 센서의 구조를 나타낸다. 실시예에 따른 자외선 이미지 센서는, 기판(10) 및 상기 기판 상에 배열된 복수개의 픽셀(21, 22, 23)로 구성되는 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름(1)과, 상기 필름이 부착된 광센서부(2)를 포함한다.1 shows the structure of an ultraviolet image sensor according to an embodiment of the present invention. The ultraviolet image sensor according to the embodiment includes an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film 1 comprising a
자외선 이미지 센서는, 인체의 눈으로 인지할 수 없는 약 400 nm 이하의 파장대역에 해당하는 자외선(紫外線) 영역의 광을 사람이 인지할 수 있는 가시광 이미지로 변환할 수 있는 특수 촬영 장치이다.The ultraviolet image sensor is a special photographing device capable of converting light in an ultraviolet region corresponding to a wavelength band of about 400 nm or less that cannot be recognized by the human eye into a visible light image that can be recognized by humans.
인체의 눈으로 인지할 수 없는 자외선 이미지를 획득함으로써, 가시광선에 의해 산란되지 않는 미세요철 및 흔적을 발견하거나, 자외선에 의해서만 흡광을 일으키는 화학성분, 자외선을 흡수하여 형광을 일으키는 화학물질, 연소시 자체적으로 자외선을 방출하는 대상물을 탐지하는 등 기존의 가시광원 기반 카메라로는 불가능했던 이미징 정보를 획득하는 것이 가능하며, 이를 통해 제품 결함, 피부 진단, 위조 감별, 화재 탐지, 물성 분석 및 디지털 포렌식 등의 다양한 응용이 가능하다.By acquiring an ultraviolet image that cannot be recognized by the human eye, fine irregularities and traces that are not scattered by visible light can be found, chemical components that absorb only UV light, chemicals that absorb UV light to cause fluorescence, and when burned It is possible to acquire imaging information that was not possible with existing visible light source-based cameras, such as detecting an object emitting ultraviolet rays on its own. of various applications are possible.
이와 같이 자외선 이미징 기술은 다양한 기술분야에서 활용될 수 있으나, 기존의 센서들은 대부분 RGB 컬러가 아닌 단색 또는 흑백색으로만 표현이 가능하였으며, 비교적 높은 가격과 크고 무거운 단점으로 인해 산업상 자외선 검출이 필요한 곳이 아닌 다양한 기술분야에서 활용되기는 어려운 면이 있었다.As described above, the UV imaging technology can be used in various technical fields, but most of the existing sensors were able to express only in monochrome or black and white, not RGB colors. It was difficult to be used in a variety of technical fields.
이에 본 발명의 실시예에는, 자외선을 파장에 따라 선택적으로 RGB 가시광으로 변환하여 컬러로 표현할 수 있는 픽셀 어레이 필름을 구비한 자외선 이미지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an ultraviolet image sensor having a pixel array film capable of selectively converting ultraviolet rays into RGB visible light according to wavelengths and expressing colors.
도 1을 참조하면, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름(1)은 기판(10) 및 상기 기판 상에 배열된 복수개의 픽셀(21, 22, 23)로 구성된다. 각각의 픽셀(21, 22, 23)은 서로 다른 파장대역의 자외선을 흡수하여 각각 청색(B), 녹색(G), 적색(R)의 가시광을 방출한다. 도 1에서는 이해를 돕기 위해 RGB 색상을 구현하기 위한 3개의 픽셀만을 도시하였으나, 필름의 구조는 이에 한정되지 아니하며 실시의 목적에 따라 더 많은 수의 픽셀을 구비하도록 설계될 수 있음은 자명하다.Referring to FIG. 1 , the ultraviolet wavelength selective RGB conversion film 1 includes a
RGB 픽셀(21, 22, 23) 각각은 저마다 층 구조로 되어 있는데, 기판(10) 상에 위치한 컬러필터(211), 상기 컬러필터 상에 위치한 광변환유닛(212), 및 상기 광변환유닛 상에 위치한 마이크로렌즈(213)를 포함할 수 있다.Each of the
장치의 외부에서 입사된 자외선은 먼저 마이크로렌즈(213)를 통해 픽셀 내부로 들어온다. 마이크로렌즈(213)는 지름이 수 마이크로미터 이하인 미소한 크기의 광학렌즈로서, 입사된 자외선을 굴절시켜 픽셀 내부로 집광시킨다. 마이크로렌즈(213)는 몰드, 이온 교환, 확산 중합, 스퍼터링, 에칭 등의 방법으로 형성될 수 있으나 특정한 방법으로 한정되는 것은 아니다.Ultraviolet rays incident from the outside of the device first enter the pixel through the
마이크로렌즈(213)를 통과한 자외선은 광변환유닛(213)에 도달하고, 상기 광변환유닛은 인체의 눈으로 감지할 수 없는 자외광을 인체가 인지할 수 있는 가시광으로 변환 출력하는 역할을 수행한다. Ultraviolet rays passing through the
보다 구체적으로는, 광변환유닛(213)에 포함된 광변환물질이 자외광을 흡수하고, 흡수된 에너지를 상호 전달하는 과정에서 가시광을 방출하는 것이다. 일 실시예에서 광변환물질로는 스토크 시프트 프로세스(stoke shift process)를 가지는 물질, 예를 들어 나노형광체, 양자점 물질, 단일벽 탄소나노튜브, 또는 특수염료와 같이 자외선을 가시광선을 변환하는 물질이 사용될 수 있다.More specifically, the light conversion material included in the
예를 들어, NaYF4 나노결정에 자외선을 흡수하기 위한 세륨(Ce)을 부활제로 하고, 자외선으로부터 흡수된 에너지를 활성제로 전달하기 위한 가돌리늄(Gd)을 공부활제로 하고, 상기 흡수된 에너지를 전달받아 발광하기 위한 유로퓸(Eu)을 활성제로 도핑하여 합성되는 나노형광체일 수 있다. 이 경우, 상기 나노형광체는 100 내지 280 nm 파장대역의 자외선을 흡수하여 적색의 가시광을 발광한다. For example, cerium (Ce) for absorbing ultraviolet rays to NaYF 4 nanocrystals is used as an activator, and gadolinium (Gd) for transferring energy absorbed from ultraviolet rays to an activator is used as a co-activator, and the absorbed energy is transferred It may be a nanophosphor synthesized by doping europium (Eu) for emitting light with an activator. In this case, the nanophosphor absorbs ultraviolet light in a wavelength band of 100 to 280 nm to emit red visible light.
이와 같이 란탄족 3가 이온이 도핑된 나노형광체는 모체의 종류와 관계없이 도핑된 란탄족 원소에 따라 고유한 색상의 가시광을 발광한다. 이외에도 다른 형광물질을 첨가함으로써 다양한 파장대역의 자외선을 흡수하여 RGB 색상을 구현할 수 있다.As described above, the nanophosphor doped with the lanthanide trivalent ion emits visible light of a unique color according to the doped lanthanide element regardless of the type of the parent. In addition, by adding other fluorescent materials, it is possible to realize RGB colors by absorbing ultraviolet rays of various wavelength bands.
컬러필터(211)는 장치 내로 유입된 빛 중에서 특정 색상의 빛만을 투과시키고 나머지 색상의 빛은 차단한다. 예를 들어, 청색 픽셀(21)의 컬러필터(211)는 청색을 제외한 나머지 색상의 빛은 차단한다. 이는 청색 픽셀(21)의 광변환유닛(212)이 기본적으로는 UV-A를 흡수하여 청색 가시광을 방출한다 하여도, 다른 경로를 통해 청색이 아닌 파장의 빛이 유입될 수도 있기 때문에(예를 들어, 광변환유닛을 거치지 않고 입사된 백색광이나 다른 픽셀의 발광으로 인해 유입되는 빛), 이를 차단함으로써 광센서의 인식률을 향상시키기 위함이다.The
마찬가지로, 녹색 픽셀(22)에 포함된 컬러필터(221)는 녹색 가시광만을 투과시키고, 적색 픽셀(23)에 포함된 컬러필터(231)는 적색 가시광만을 투과시키도록 설정될 수 있다.Similarly, the color filter 221 included in the
이에 따라, 각각의 픽셀은 서로 다른 파장대역의 자외선을 각각에 대응되는 서로 다른 파장대역의 가시광으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 청색 픽셀(21)은 320 내지 400 nm의 파장대역을 갖는 자외선A (UV-A)를 청색 가시광으로 변환하고, 녹색 픽셀(22)은 280 내지 320 nm의 파장대역을 갖는 자외선B (UV-B)를 녹색 가시광으로 변환하고, 적색 픽셀(23)은 200 내지 280 nm의 파장대역을 갖는 자외선C (UV-C)를 적색 가시광으로 변환할 수 있다. Accordingly, each pixel may convert ultraviolet light of different wavelength bands into visible light of different wavelength bands corresponding to each other. For example, the
다만, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예를 들어 설명한 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 광변환물질의 조성이나 컬러필터의 설정에 따라 이와 다른 파장대역의 자외선을 흡수하여 다양한 색상의 가시광을 방출하도록 설계될 수 있다.However, this is merely an example to help the understanding of the present invention, and as described above, according to the composition of the light conversion material or the setting of the color filter, it absorbs ultraviolet rays in a different wavelength band to emit visible light of various colors. can be designed
정리하면, 장치 외부에서 입사된 자외선은 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름(1)을 통과하면서 각각의 픽셀(21, 22, 23)에 의해 가시광으로 변환되고, 변환된 가시광은 필름(1) 하부에 배치된 광센서부(2)에 의해 감지된다. 광센서부(2)는 각각의 픽셀에 의해 변환된 RGB 가시광을 감지하여 전기적인 신호로 변환하기 위한 구성요소이다.In summary, ultraviolet rays incident from the outside of the device pass through the ultraviolet wavelength selective RGB conversion film 1 and are converted into visible light by each
광센서부(2)에는 실리콘(Si) 기반의 포토다이오드(photo-diode)가 이용되는데, 빛이 포토다이오드에 접촉하면 전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전류가 흐르며, 전압의 크기는 빛의 강도에 거의 비례한다. 이처럼 광전효과의 결과로서 반도체의 접합부에 전압이 나타나는 현상을 광기전력 효과라고 한다. 광센서부(2)는 이러한 광기전력 효과를 이용하여 입사된 빛을 검출하는 것이다. A silicon (Si)-based photo-diode is used for the
즉, 빛은 에너지(파장)에 따라 상이한 전기신호를 발생시키며, 프로세서는 상기 전기신호를 사용자가 식별할 수 있도록 이미지화하여 디스플레이에 출력한다. 도시되지는 않았으나, 프로세서(CPU 등)가 포토다이오드에서 발생한 전기신호를 처리하여 디스플레이에 출력하는 과정은 해당 기술분야에서 널리 알려진 기술이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.That is, light generates different electrical signals according to energy (wavelength), and the processor images the electrical signals so that a user can identify them and outputs them on a display. Although not shown, the process of the processor (CPU, etc.) processing the electrical signal generated by the photodiode and outputting it to the display is a well-known technique in the art, so a detailed description thereof will be omitted.
이상에서 설명한 실시예들에 따르면, 자외선을 파장에 따라 선택적으로 RGB 가시광으로 변환하여 컬러로 표현할 수 있는 픽셀 어레이 필름과 이를 구비한 자외선 이미지 센서 기술이 제공된다. 실시예에 따른 RGB 변환 필름은 기존의 CMOS 플랫폼과 호환 가능하므로, 이를 이용하여 제작된 자외선 이미지 센서는 기존의 스마트 기기나 휴대용 카메라에 쉽게 적용될 수 있다.According to the above-described embodiments, there is provided a pixel array film capable of selectively converting ultraviolet light into RGB visible light according to wavelength to express color, and an ultraviolet image sensor technology having the same. Since the RGB conversion film according to the embodiment is compatible with the existing CMOS platform, an ultraviolet image sensor manufactured using the same can be easily applied to an existing smart device or a portable camera.
이하에서는 도 2 및 도 4a 내지 4f를 참조하여 일 실시예에 따른 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 4A to 4F .
먼저, 기판(10)을 제공하는 단계가 수행된다(S201). 기판은 변환 필름을 제조하기 위해 픽셀 등의 구성요소를 지지하거나 광센서부 등 다른 장치와 결합하기 위한 지지기판으로서, 실리콘이나 유리 등의 일반적인 재질로 만들어질 수 있다.First, the step of providing the
이어서, 도 4a와 같이 상기 기판(10) 상에 제1 홀(11)을 형성하는 단계가 수행된다(S202). 홀(hole)은 기판 위에 RGB 픽셀을 형성하기 위한 구조이며, 픽셀의 크기에 따라 수 나노미터에서 수 마이크로미터의 크기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 홀은 레이저 가공 기법, 예를 들어 글래스 펨토초 레이저 가공 기법을 이용하여 형성될 수 있다. 제1 홀(11)이 단지 하나의 홀 구조를 의미하는 것은 아니며, 첫 번째 컬러의 픽셀을 형성하기 위한 모든 홀을 가리킨다. 따라서 목적에 따라 도 4a에 도시된 것처럼 복수개의 제1 홀(11)을 동시에 형성할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 4A , the step of forming the
이어서, 도 4b와 같이 상기 제1 홀(11) 내에 제1 픽셀(21)을 형성하는 단계가 수행된다(S203). 제1 픽셀(21)은 예를 들어 315 내지 400 nm의 파장대역을 갖는 UV-A를 흡수하여 청색 가시광으로 변환할 수 있다. 도 4b에 도시된 것처럼, 복수개의 제1 홀(11) 안에 복수개의 제1 픽셀(21)이 동시에 형성될 수 있다.Next, as shown in FIG. 4B , a step of forming the
이어서, 기판(10) 상에 제1 홀(11)과 이격된 위치에 제2 홀(12)을 형성하는 단계가 수행되고(S204), 상기 제2 홀(12) 내에 제2 픽셀(22)을 형성하는 단계가 수행된다(S205). 제2 픽셀(22)은 제1 픽셀(21)과는 상이한 파장대역의 가시광을 흡수하여 상이한 색상의 가시광을 방출한다. 예를 들어, 제2 픽셀(22)은 280 내지 315 nm의 파장대역을 갖는 UV-B를 흡수하여 녹색 가시광으로 변환할 수 있다.Next, a step of forming a
이어서, 기판(10) 상에 제1 홀(11) 및 제2 홀(12)과 이격된 위치에 제3 홀(13)을 형성하는 단계가 수행되고(S206), 상기 제3 홀(13) 내에 제3 픽셀(23)을 형성하는 단계가 수행된다(S207). 제3 픽셀(23)은 제1, 제2 픽셀(21, 22)과는 상이한 파장대역의 가시광을 흡수하여 상이한 색상의 가시광을 방출한다. 예를 들어, 제3 픽셀(23)은 100 내지 280 nm의 파장대역을 갖는 UV-C를 흡수하여 적색 가시광으로 변환할 수 있다.Subsequently, a step of forming a
일 실시예에 따르면, 상기 픽셀들을 형성하는 단계와 상기 홀들을 형성하는 단계 사이에(즉, S203과 S204 사이, 또는 S205와 S206 사이), 상기 기판(10)을 패시베이션 처리하는 단계가 더 수행될 수 있다. 패시베이션(passivation)이란 반도체 디바이스의 표면이나 접합부에 적당한 처리를 하고, 유해한 환경을 차단하여 디바이스 특성을 안정화시키는 방법이다. 유해 이온의 흡수나 이동을 저지하기 위해, 알칼리 이온이나 금속의 블로킹, 인 유리층에 의한 게터링 등이 적용될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐이며 구체적인 처리방법은 이에 한정되지 아니한다.According to one embodiment, between the step of forming the pixels and the step of forming the holes (ie, between S203 and S204, or between S205 and S206), the step of passivating the
도 3은 각각의 픽셀을 제조하는 방법이 도시된 순서도이다. 픽셀은 기판 위에 홀을 생성한 이후에 홀 내에 층층이 쌓아 만들 수도 있고, 외부에서 미리 만들어진 픽셀 구조체를 홀 내에 삽입하는 방식으로 만들어질 수도 있다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing each pixel. The pixel may be made by stacking the holes in the hole after the hole is created on the substrate, or may be made by inserting a previously made pixel structure from the outside into the hole.
먼저, 기판 상에 컬러필터를 형성하는 단계가 수행된다(S401). 컬러필터는 장치 내로 유입된 빛 중에서 특정 색상의 빛만을 투과시키고 나머지 색상의 빛은 차단함으로써 광센서의 인식률을 향상시키기 위한 것이다. 예를 들어, 청색 픽셀의 컬러필터는 청색을 제외한 나머지 색상의 빛은 차단한다. 여기서 기판은 RGB 변환 필름을 지지하는 기판일 수도 있고, 별도의 픽셀 제조 공정을 위한 기판일 수도 있다.First, a step of forming a color filter on a substrate is performed (S401). The color filter is intended to improve the recognition rate of the photosensor by transmitting only light of a specific color among the light introduced into the device and blocking the light of the other colors. For example, the color filter of the blue pixel blocks light of colors other than blue. Here, the substrate may be a substrate supporting the RGB conversion film, or may be a substrate for a separate pixel manufacturing process.
이어서, 컬러필터 상에 광변환유닛을 형성하는 단계가 수행된다(S402). 전술한 바와 같이, 광변환물질로는 스토크 시프트 프로세스(stoke shift process)를 가지는 물질, 예를 들어 나노형광체, 양자점 물질, 단일벽 탄소나노튜브, 또는 특수염료와 같이 자외선을 가시광선을 변환하는 물질이 사용될 수 있다. RGB 픽셀은 각각 상이한 파장의 자외선을 흡수하여 이에 대응하는 RGB 가시광을 방출해야 하므로, 각 픽셀의 광변환유닛은 서로 상이한 광변환물질로 구성된다. Then, the step of forming the light conversion unit on the color filter is performed (S402). As described above, as the light conversion material, a material having a Stoke shift process, for example, a material that converts ultraviolet light into visible light, such as a nano-phosphor, a quantum dot material, a single-walled carbon nanotube, or a special dye. this can be used Since each RGB pixel needs to absorb UV rays of different wavelengths and emit RGB visible light corresponding thereto, the light conversion unit of each pixel is composed of different light conversion materials.
이어서, 광변환유닛 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계가 수행된다(S403). 최종적으로 제조된 RGB 변환 필름은 그 기판을 광센서부(예를 들어, 실리콘 기반의 포토다이오드)에 접합하여 자외선 이미지 센서를 제작할 수 있다. 마이크로렌즈는 지름이 수 마이크로미터 이하인 미소한 크기의 광학렌즈로서, 입사된 자외선을 굴절시켜 픽셀 내부로 집광시킨다. 마이크로렌즈는 몰드, 이온 교환, 확산 중합, 스퍼터링, 에칭 등의 방법으로 형성될 수 있으나 특정한 방법으로 한정되는 것은 아니다.Next, a step of forming a microlens on the light conversion unit is performed (S403). The finally manufactured RGB conversion film can be manufactured by bonding the substrate to an optical sensor unit (eg, a silicon-based photodiode) to fabricate an ultraviolet image sensor. A microlens is a microscopic optical lens with a diameter of several micrometers or less, and refracts incident ultraviolet light to condense it into a pixel. The microlens may be formed by a method such as molding, ion exchange, diffusion polymerization, sputtering, or etching, but is not limited to a specific method.
기존의 자외선 변환 필름은 파장 선택성을 가지지 않는 단색 픽셀을 제공하였으나 실시예에 따르면 자외선 파장을 선택적으로 RGB 변환하여 이미징 할 수 있는 픽셀 어레이 필름이 제공되며, 기존의 가시광 CMOS 플랫폼에 호환 적용 가능하여 별도의 외부 모듈 없이도 스마트 기기나 휴대용 카메라에 적용 가능하다.Existing UV conversion films provided monochromatic pixels with no wavelength selectivity, but according to the embodiment, a pixel array film capable of imaging by selectively converting UV wavelengths to RGB is provided. It can be applied to smart devices or portable cameras without an external module.
상기 방법에 따라 제조된 자외선-RGB 변환 필름을 이용하면, 각각의 픽셀에서 자외선을 파장에 따라 선택적으로 RGB 가시광으로 변환하여, 눈에 보이지 않는 자외선을 인식할 수 있도록 한다. 이를 이용하면 가시광선으로는 촬영하기 어려운 피사체의 표면에 존재하는 아주 미세한 굴곡이나 요철을 찾아내거나, 자외선에 반응하는 화학성분 등을 선택적으로 구별하여 영상화할 수 있으며, 나아가 기존의 단색 또는 흑백색 이미징 장치에 비해 다양한 기술분야에 폭넓게 활용될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 장치들은 모두 기존의 CMOS 플랫폼과 호환 가능하므로, 이를 이용하여 제작된 자외선 이미지 센서는 별도의 외부 모듈 없이도 기존의 스마트 기기나 휴대용 카메라에 쉽게 적용될 수 있다.When the UV-RGB conversion film manufactured according to the above method is used, UV rays are selectively converted into RGB visible light according to wavelengths in each pixel, so that invisible UV rays can be recognized. By using this, it is possible to find very fine curves or irregularities on the surface of a subject that are difficult to photograph with visible light, or to selectively distinguish and image chemical components that react to ultraviolet light, and furthermore, conventional monochrome or black and white imaging Compared to the device, it can be widely used in various technical fields. In addition, since all of the devices according to the embodiment are compatible with the existing CMOS platform, an ultraviolet image sensor manufactured using the same can be easily applied to an existing smart device or a portable camera without a separate external module.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below You will understand.
1: 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름
2: 광센서부
10: 기판
11: 제1 홀
12: 제2 홀
13: 제3 홀
21: 제1 픽셀
22: 제2 픽셀
23: 제3 픽셀
211: 컬러필터
212: 광변환유닛
213: 마이크로렌즈1: UV wavelength selective RGB conversion film
2: Optical sensor unit
10: substrate
11: 1st hall
12: 2nd hole
13: Hall 3
21: first pixel
22: second pixel
23: third pixel
211: color filter
212: light conversion unit
213: micro lens
Claims (10)
상기 기판 상에 위치한 컬러필터;
상기 컬러필터 상에 위치한 광변환유닛; 및
상기 광변환유닛 상에 위치한 마이크로렌즈를 포함하고,
상기 각각의 픽셀은 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광을 방출하며,
상기 제1 내지 제3 픽셀은,
상기 기판 상에 제1 홀(hole)을 형성하는 단계;
상기 제1 홀 내에 제1 픽셀을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 상기 제1 홀과 이격된 위치에 제2 홀을 형성하는 단계;
상기 제2 홀 내에 제2 픽셀을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 상기 제1 홀 및 제2 홀과 이격된 위치에 제3 홀을 형성하는 단계; 및
상기 제3 홀 내에 제3 픽셀을 형성하는 단계를 거쳐 형성되는 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름.
Board; and an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film composed of first to third pixels arranged on the substrate, each pixel comprising:
a color filter positioned on the substrate;
a light conversion unit located on the color filter; and
It includes a microlens positioned on the light conversion unit,
Each pixel selectively absorbs ultraviolet rays of a specific wavelength band and emits visible light of a specific color,
The first to third pixels are
forming a first hole on the substrate;
forming a first pixel in the first hole;
forming a second hole on the substrate at a position spaced apart from the first hole;
forming a second pixel in the second hole;
forming a third hole on the substrate at a position spaced apart from the first hole and the second hole; and
UV wavelength selective RGB conversion film, characterized in that formed through the step of forming a third pixel in the third hole.
상기 각각의 픽셀은, 서로 다른 파장대역의 자외선을 각각에 대응되는 서로 다른 파장대역의 가시광으로 변환하는 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름.
According to claim 1,
Each of the pixels, the UV wavelength selective RGB conversion film, characterized in that for converting the UV rays of different wavelength bands into visible light of different wavelength bands corresponding to each other.
상기 각각의 픽셀은, 315 내지 400 nm의 파장대역을 갖는 자외선A를 청색 가시광으로 변환하거나, 280 내지 315 nm의 파장대역을 갖는 자외선B를 녹색 가시광으로 변환하거나, 100 내지 280 nm의 파장대역을 갖는 자외선C를 적색 가시광으로 변환하는 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름.
3. The method of claim 2,
Each of the pixels converts UVA having a wavelength band of 315 to 400 nm into blue visible light, or converts UVB having a wavelength band of 280 to 315 nm into green visible light, or a wavelength band of 100 to 280 nm A UV wavelength selective RGB conversion film, characterized in that it converts UV C with red visible light.
상기 광변환유닛은, 나노형광체, 양자점, 또는 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 광변환물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름.
According to claim 1,
The light conversion unit, UV wavelength selective RGB conversion film, characterized in that it comprises a light conversion material made of nano phosphors, quantum dots, or single-walled carbon nanotubes.
상기 각각의 픽셀에 의해 변환된 가시광을 감지하여 전기적인 신호로 변환하기 위한 광센서부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 자외선 이미지 센서.
With the ultraviolet wavelength selective RGB conversion film according to any one of claims 1 to 4,
Ultraviolet image sensor, characterized in that it further comprises an optical sensor for detecting the visible light converted by each pixel and converting it into an electrical signal.
상기 기판 상에 제1 홀(hole)을 형성하는 단계;
상기 제1 홀 내에 제1 픽셀을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 상기 제1 홀과 이격된 위치에 제2 홀을 형성하는 단계;
상기 제2 홀 내에 제2 픽셀을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 상기 제1 홀 및 제2 홀과 이격된 위치에 제3 홀을 형성하는 단계; 및
상기 제3 홀 내에 제3 픽셀을 형성하는 단계를 포함하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법.
providing a substrate;
forming a first hole on the substrate;
forming a first pixel in the first hole;
forming a second hole on the substrate at a position spaced apart from the first hole;
forming a second pixel in the second hole;
forming a third hole on the substrate at a position spaced apart from the first hole and the second hole; and
A method of manufacturing an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film comprising the step of forming a third pixel in the third hole.
상기 제1 내지 제3 픽셀 각각은,
컬러필터를 형성하는 단계;
상기 컬러필터 상에 광변환유닛을 형성하는 단계; 및
상기 광변환유닛 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 거쳐 형성되는 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법.
7. The method of claim 6,
Each of the first to third pixels,
forming a color filter;
forming a light conversion unit on the color filter; and
A method of manufacturing an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film, characterized in that it is formed through the step of forming a microlens on the light conversion unit.
상기 픽셀들을 형성하는 단계와 상기 홀들을 형성하는 단계 사이에, 상기 기판을 패시베이션 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법.
7. The method of claim 6,
Between the step of forming the pixels and the step of forming the holes, the method of manufacturing an ultraviolet wavelength selective RGB conversion film, characterized in that it further comprises the step of passivating the substrate.
상기 제1 내지 제3 홀은, 펨토초 레이저 가공 기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The first to third holes, characterized in that formed using a femtosecond laser processing technique, UV wavelength selective RGB conversion film manufacturing method.
상기 제1 내지 제3홀 각각의 크기는, 수 마이크로미터인 것을 특징으로 하는, 자외선 파장 선택적 RGB 변환 필름의 제조방법.10. The method of claim 9,
The size of each of the first to third holes, characterized in that several micrometers, UV wavelength selective RGB conversion film manufacturing method.
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