KR102646158B1 - 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지문 인식 센서와 같은 이미지 센서를 내장한 평판 표시장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치는, 표시 패널 및 지향성 광 유닛을 포함한다. 지향성 광 유닛은, 표시 패널을 수용하는 길이와 폭 그리고 일정한 두께를 갖고, 표시 패널의 상부 표면에 부착되어 있다. 지향성 광 유닛은, 커버 기판, 출광 소자, 입광 소자, 저 굴절층, 반사층 및 광원을 구비한다. 출광 소자는, 커버 기판에서, 표시 영역에 대응하여 배치된다. 입광 소자는, 커버 기판에서, 출광 소자의 일측변에서 표시 영역 외측에 배치된다. 저 굴절층은, 출광 소자 및 입광 소자의 하부 표면에 배치되며, 표시 패널의 상부 표면에 부착된다. 반사층은, 커버 기판의 상부 표면에서 입광 소자와 대응하는 일측 표면 및 일측 표면에 연결된 일측면을 덮는다. 광원은, 표시 패널의 일측변에서 입광 소자와 대향하도록 배치된다.

Description

광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치{Flat Panel Display Embedding Optical Imaging Sensor}
본 발명은 지문 인식 센서와 같은 이미지 센서를 내장한 평판 표시장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 지향성 광을 제공하는 초 박막형 기판과 광 이미지 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치에 관한 것이다.
컴퓨터 기술의 발달에 따라 노트북 컴퓨터, 태블릿 피시(Tablet PC), 스마트폰(Smart Phone), 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant), 현금 자동 입출금기(Automated Teller Machine), 검색 안내 시스템 등과 같은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템(Computer Based System)이 개발되어 왔다. 이들 시스템에는 통상적으로 개인 사생활과 관련된 개인정보는 물론 영업정보나 영업기밀 등과 같이 비밀을 요하는 많은 데이터가 저장되어 있기 때문에, 이들 데이터를 보호하기 위해서는 보안을 강화해야 할 필요성이 있다.
이를 위해 종래부터 생체 정보를 인식할 수 있는 이미지 센서를 이용하여, 보안성을 강화하는 방법이 제안된 바 있다. 예를 들어, 손가락의 지문을 이용하여 시스템의 등록이나 인증을 수행함으로써 보안성을 강화할 수 있는 지문센서가 알려져 있다. 지문 센서는 인간의 손가락 지문을 감지하는 센서이다. 지문 센서는 광학식 지문 센서(Optical Fingerprint Sensor)와 정전용량식 지문 센서(Capacitive Fingerprint Sensor)로 크게 나누어진다.
광학식 지문 센서(Optical Fingerprint Sensor)는 내부에서 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원을 이용하여 빛을 조사하고 지문의 융선(ridge)에 의해 반사된 빛을 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서를 통해 감지하는 원리를 이용한 것이다. 광학식 지문 센서는 LED를 이용해서 스캔을 해야 하기 때문에 스캔을 위한 부가 장비가 필요하다. 광학적 부가 장비를 구성해야 하므로, 스캔 가능한 크기를 크게 하는 데에 한계가 있다. 따라서, 표시 장치와 결합하는 등 다양한 응용에는 한계가 있다.
종래의 광학식 지문센서로는 2006년 7월 26일자로 등록된 "지문인식 센서를 구비한 영상 표시장치"란 명칭의 대한민국 등록특허 10-0608171과, 2016년 4월 21일자로 공개된 "지문 인식 소자를 포함한 표시장치"란 명칭의 대한민국 공개특허공보 10-2016-0043216이 알려져 있다.
상기 대한민국 공개공보에 기재된 광학식 지문 센서를 구비하는 표시장치는, 표시장치의 표시 영역을 터치 영역 및 지문 인식 영역으로 동시에 사용할 수 있도록 구성하고 있다. 하지만, 지문 인식을 위한 센싱용 빛이 지향성(혹은, Directivity)이 현저히 낮은 확산광을 사용한다. 따라서, 정확한 지문의 패턴을 인식하는 데에는 한계가 있다. 지향성이 높은 레이저 적외선과 같은 시준광(Collimated Light)을 사용하는 경우, 넓은 면적에 걸쳐 센싱용 빛을 조사하기 어렵기 때문에, 지문 인식 영역의 크기가 극히 한정된다. 또한, 지향성이 높은 시준광을 넓은 스캔 면적에 적용하기 위해서는, 스캔 기능을 부가하여야 하므로, 휴대용 평판 표시장치에 적용하기가 어렵다.
따라서, 지문 인식 센서를 내장하는 표시 장치에서는 주로 정전 용량식 지문센서를 적용하는 예가 많다. 하지만, 정전 용량식 지문 센서도 많은 문제점이 있다.
정전 용량식 지문 센서(Capacitive Fingerprint Sensor)는 지문 센서와 접촉되는 융선(Ridge)과 골(Valley) 사이에 대전되는 전기량의 차를 이용한 것이다. 종래의 정전 용량식 지문 센서로는 2013년 11월 21일자로 공개된 "정전 용량식 센서 패키징(Capacitive Sensor Packaging)"이란 명칭의 미국 공개특허 공보 US 2013/0307818가 알려져 있다.
상기 미국 공보에 기재된 정전 용량식 지문센서는 특정 푸시 버튼(Push Button)과 결합한 어셈블리 형태로 구성되어 있으며, 용량성 플레이트와 사용자의 지문(융선과 골) 사이의 정전용량을 측정하기 위한 회로가 인쇄된 실리콘 웨이퍼를 포함한다. 일반적으로 인간 지문의 융선과 골은 대략 300㎛~500㎛의 크기로 매우 미세하기 때문에, 상기 미국 공보의 정전 용량식 지문 센서는 고해상도 센서 어레이와 지문인식 처리를 위한 IC(Integrated Chip) 제작이 필요하고, 이를 위해 센서 어레이와 IC을 일체로 형성할 수 있는 실리콘 웨이퍼를 이용하고 있다.
그러나, 실리콘 웨이퍼를 이용하여 고해상도의 센서 어레이와 IC를 함께 형성할 경우, 푸시 버튼과 함께 지문 센서를 결합하기 위한 어셈블리 구조가 필요하게 되므로 구성이 복잡해 질 뿐 아니라 비 표시 영역(베젤영역)이 증가하는 문제점이 있었다. 또한, 푸시 버튼(예를 들면, 스마트폰의 홈키)과 지문센서가 중첩되게 형성되므로, 그 두께가 증가할 뿐 아니라 지문 센싱 영역이 푸시 버튼의 크기에 좌우되는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 터치 센서 스크린의 영역을 지문식별 영역으로 이용하는 기술 등이 개발된 바 있다. 이러한 기술로서는 "지문식별용 용량성 터치센서(capacitive touch sensor for identifying a fingerprint)"란 명칭으로 2013년 10월 22일 등록된 미국 등록특허 제 US8,564,314호와, "지문인식 일체형 정전용량 터치 스크린"이란 명칭으로 2014년 8월 18일 등록된 대한민국 등록특허 제10-1432988호가 알려져 있다.
스마트 폰과 같은 개인 휴대용 표시장치에는 표시 패널 보호를 위한 보호 필름을 추가로 부착하는 경우가 많다. 상기와 같은 기술을 개인 휴대용 표시장치의 표시 영역을 지문 인식별 영역으로 적용하는 경우, 보호 필름을 부착하면, 지문 인식 기능이 현저히 저하될 수 있다. 일반적으로, 보호 필름을 부착하더라도 터치 기능은 그대로 사용할 수 있다. 하지만, 지문 인식은 아주 미세한 지문을 인식하여야 하기 때문에, 정전 용량의 미세한 변화를 감지해야 한다. 보호 필름의 두께가 아무리 얇더라도, 미세한 지문을 인식하는 데 필요한 정전 용량의 변화를 정확하게 감지하도록 하는 데에는 심각한 장애를 유발할 수 있다.
정전 용량식 지문센서를 내장한 표시 장치에서는 표시 장치의 겉 표면에 보호 필름 혹은 강화 유리를 부착하는 경우가 많은데, 이 경우 인식 능력이 현저히 저하될 수 있다. 따라서, 정전 용량식 지문 센서의 경우, 표시 기판의 두께에 대한 문제가 발생할 수 있다. 반면에, 광학식 지문 센서를 내장한 표시 장치에서는, 산란광을 사용하기 때문에 정확한 인식 능력이 어렵다. 정확한 인식 능력을 확보하기 위해 시준광을 사용하는 경우에는, 복잡하고 부피가 큰 광학 기구가 필요하므로 휴대성이 높은 평판용 표시 장치와 결합하기 어렵다.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 극복하기 위해 고안된 것으로, 초 박막형 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은, 표시 패널의 표시 영역 전체 혹은 대부분 영역에서 이미지를 인식할 수 있는 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 지향성 광을 검출광으로 대면적에 고르게 제공하는 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 지향성 광을 형성하는 과정에서 사용하는 홀로그래피 소자의 광 손실을 최소화하여 광 효율을 향상한 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치는, 표시 패널 및 지향성 광 유닛을 포함한다. 표시 패널에는, 표시 영역과 비 표시 영역이 정의되어 있다. 지향성 광 유닛은, 표시 패널을 수용하는 길이와 폭 그리고 일정한 두께를 갖고, 표시 패널의 상부 표면에 부착되어 있다. 지향성 광 유닛은, 커버 기판, 출광 소자, 입광 소자, 저 굴절층, 반사층 및 광원을 구비한다. 커버 기판은, 길이와 폭에 대응하는 면적을 갖는다. 출광 소자는, 커버 기판에서, 표시 영역에 대응하여 배치된다. 입광 소자는, 커버 기판에서, 출광 소자의 일측변에서 표시 영역 외측에 배치된다. 저 굴절층은, 출광 소자 및 입광 소자의 하부 표면에 배치되며, 표시 패널의 상부 표면에 부착된다. 반사층은, 커버 기판의 상부 표면에서 입광 소자와 대응하는 일측 표면 및 일측 표면에 연결된 일측면을 덮는다. 광원은, 표시 패널의 일측변에서 입광 소자와 대향하도록 배치된다.
일례로, 광원은, 입광 소자의 표면에 정의된 입사점으로 입사광을 제공한다. 입광 소자는, 입사광을 커버 기판 내부에서 전반사하는 입사각을 갖는 진행광으로 전환하여 커버 기판 내부로 입사시키는 홀로그래피 패턴을 구비한다. 출광 소자는, 진행광의 일부를, 커버 기판의 상부 표면에서는 전반사되고 저 굴절층은 투과하는 조건을 만족하는, 반사각을 갖는 검출광으로 전환하는 홀로그래피 패턴을 구비한다.
일례로, 입사각은, 출광 소자와 저 굴절층과의 계면에서의 전반사 임계각, 그리고 커버 기판 상부 표면에서의 전반사 임계각보다 큰 값을 갖는다.
일례로, 반사각은, 커버 기판과 공기층과의 계면에서의 전반사 임계각보다는 크고, 출광 소자와 저 굴절 층과의 계면에서의 전반사 임계각보다는 작은 값을 갖는다.
일례로, 진행광은, 폭 방향 축과 길이 방향 축으로 이루어진 수평 평면에서는 확산각을 가지며, 길이 방향 축과 두께 방향 축으로 이루어진 수직 평면에서는 시준된 상태를 유지한다.
일례로, 확산각은, 입사점에서 입광 소자와 대향하는 커버 기판의 타측변의 두 끝점을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도 이상이다.
일례로, 반사층은, 입사광 중에서 입광 소자를 투과한 투과광을 입광 소자로 반사한다. 입광 소자는, 반사된 투과광을 커버 기판 내부에서 전반사하는 입사각을 갖는 굴절광으로 전환하여 일측면에 배치된 반사층으로 제공한다. 반사층은, 굴절광을 반사하여 커버 기판 내부에서 전반사하는 재생 진행광으로 제공한다.
일례로, 출광 소자 및 입광 소자는, 커버 기판의 하부 표면에 배치된다.
일례로, 출광 소자 및 입광 소자는, 커버 기판의 상부 표면에 배치된다.
일례로, 상부 저 굴절층 및 상부 커버 기판을 더 포함한다. 상부 저 굴절층은, 커버 기판의 상부 표면 위에 배치된다. 상부 커버 기판은, 상부 저 굴절층 및 반사층 위에 적층된다.
일례로, 진행광은, 저 굴절층 및 상부 저 굴절층 사이에서 전반사를 이룬다. 출사광은, 상부 커버 기판의 상부 표면에서 전반사되어, 상부 저 굴절층, 커버 기판, 출광 패턴 및 저 굴절층을 투과하는 검출광으로 출사한다.
본 발명은 지향성(Directional) 광을 검출광으로 제공함으로써, 고 분해능의 이미지 인식 능력을 갖는 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치를 제공할 수 있다. 본 발명은, 홀로그래피 기술을 이용하여 시준된 적외선 레이저를 표시 패널의 표시 영역에 대응하는 대면적으로 확장시켜 검출광을 제공함으로써 대면적 인식이 가능한, 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치를 제공할 수 있다. 본 발명은 표시 장치의 제일 겉면에 부착되는 커버 글래스(혹은, 보호 기판) 자체를 본 발명에 의한 지향성 광 기판의 커버 기판으로 사용할 수 있다. 홀로그래피 소자에서 반응하지 않고 투과하여 손실되는 빛을 회수하여 재 사용함으로써 광 효율을 최대화할 수 있다. 본 발명에 의한 광학식 이미지 인식 장치를 표시 장치와 결합해도 표시 장치의 두께가 두꺼워지지 않는다. 본 발명은, 기존의 평판 표시장치의 화면 위에 얇은 필름형상을 갖는 지향성 광을 검출광으로 제공함으로써, 초박형의 광학식 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치에 적용하는 지향성 광 기판의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 의한 지향성 광 기판 내부에서의 광 경로를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치의 구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 지향성 광 유닛의 구조를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 지향성 광 유닛의 구조를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 제1 응용 예에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서 내장형 액정 표시장치의 구조를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명의 제2 응용 예에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서 내장형 유기발광 다이오드 표시장치의 구조를 나타내는 단면도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.
<제1 실시 예>
이하, 도 1 및 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치에 적용하는 지향성 광 유닛의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1에서 상부 도면은 XZ 평면에서 바라본 측면도이고, 하부 도면은 위에서 XY 평면에서 바라본 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 지향성 광 유닛은, 지향성 광 기판(SLS)과 광원(LS)을 포함한다. 지향성 광 유닛은 시준된(collimated) 광을 대면적으로 퍼트려 제공하는 광학 장치이다. 따라서, 광원(LS)은 시준된 빛을 제공하는 것이 바람직하다.
지향성 광 기판(SLS)은, 커버 기판(CP), 출광 소자(VHOE), 입광 소자(CHOE), 저 굴절층(LR) 및 반사층(REF)을 포함한다. 커버 기판(CP)은 대략 장방형의 사각 판상 모양으로, 길이와 폭 그리고 두께를 갖는다. 도 1에서는 길이는 X축, 폭은 Y축 그리고 두께는 Z축에 대응하여 표시한다. 커버 기판(CP)의 길이는 X축 방향으로, 폭은 Y축 방향으로, 그리고 두께는 Z축 방향으로 배치되어 있다.
커버 기판(CP)의 하부 표면에는 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)가 면 부착되어 있다. 출광 소자(VHOE)는 출사광(300)을 제공하는 광학 소자이다. 따라서, 출광 소자(VHOE)는 이미지를 검출 및 인식하는 영역에 대응하도록 배치된다.
입광 소자(CHOE)는 광원(LS)에서 제공하는 시준된 빛을 커버 기판(CP)에 대응하는 면적으로 퍼지면서 시준성을 갖도록 전환하는 광학 소자이다. 입광 소자는(CHOE) 이미지 인식과는 직접 관련이 없으므로, 출광 소자(VHOE)의 외측 영역에 배치하는 것이 바람직하다. 특히, 입광 소자(CHOE)는 광원(LS)과 대향하여 배치된다.
출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)는 동일 평면 상에 배치된다. 제조 공정을 고려하면, 하나의 필름 위에 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 영역을 나누어서 형성하는 것이 바람직하다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 홀로그래피 패턴을 포함하는 광학 소자일 수 있다. 이 경우, 출광 소자(VHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름과 입광 소자(CHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름을 인접하여 배치한 후, 하나의 홀로그래피 기록 필름에 두 홀로그래피 패턴을 동시에 복사할 수 있다.
출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)의 하부 표면에는 저 굴절층(LR)이 적층되어 있다. 저 굴절층(LR)은, 커버 기판(CP) 및 출광 소자(VHOE)보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 커버 기판(CP)을 굴절율이 1.5인 투명한 강화 유리로 만들 수 있다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 투명한 홀로그래피 기록 필름으로서 굴절율이 커버 기판(CP)과 동일하거나 조금 더 큰 값을 가질 수 있다. 여기서는, 편의상 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 굴절율은 커버 기판(CP)의 굴절율과 동일한 것으로 설명한다. 저 굴절층(LR)의 굴절율은 인지하고자 하는 이미지 객체의 굴절율과 같거나 약간 큰 것이 좋다. 지문 인식에 적용하고자 하는 경우, 저 굴절층(LR)은 사람의 피부가 갖는 굴절율인 1.39와 유사한 1.4 정도의 굴절율을 가질 수 있다.
그 결과, 굴절율이 1.5인 커버 기판(CP)과 출광 소자(VHOE)는 굴절율이 1.0인 공기층과 굴절율이 1.4인 저 굴절층(LR) 사이에 개재된 구조가 된다. 이로써, 고 굴절층의 상면과 하면에 저 굴절층이 적층된 구조로서, 고 굴절층 내부에서 빛이 전반사되면서 진행할 수 있는 조건을 만족한다. 즉, 커버 기판(CP)과 출광 소자(VHOE)의 적층 공간이 이미지 검출에 사용할 빛을 표시 패널 전체 표면으로 확산시키기 위한 도광 공간(light guiding space)이 된다. 이하에서, 경우에 따라 편의상, 커버 기판(CP)을 대표적인 도광 공간으로 설명한다.
입광 소자(CHOE)의 하부 공간에는 입광 소자(CHOE)와 대향하도록 광원(LS)이 배치되어 있다. 광원(LS)은 레이저와 같이 시준성이 높은 빛을 제공하는 것이 바람직하다. 특히, 휴대용 표시장치에 지문 인식 기능을 내장하는 시스템에 적용하는 경우, 사람이 인지할 수 없는 빛인 적외선 레이저를 제공하는 것이 바람직하다.
광원(LS)에서 제공된 시준광(Collimated Light)은 입사광(100)으로서 일정한 단면적을 갖고 입광 소자(CHOE)에 정의된 입사점(IP)으로 제공된다. 입사광(100)은 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사하는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 입사점(IP) 표면의 법선에 대해 기울어진 각도로 입사할 수도 있다.
입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각을 갖는 진행광(200)으로 전환하여 커버 기판(CP)의 내부로 보낸다. 여기서, 입사각은 커버 기판(CP)의 내부 전반사 임계각(Internal Total Reflection Critical Angle)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 진행광(200)은 커버 기판(CP)의 내부에서 전반사를 하면서, 커버 기판(CP)의 길이 방향인 X축으로 진행한다.
출광 소자(VHOE)는 진행광(200)의 일부 광량을 출사광(300)으로 전환하여 커버 기판(CP)의 상부 표면으로 굴절 시킨다. 진행광(200)의 나머지 광량은, 원래 상태를 유지하므로, 커버 기판(CP) 내부에서 전반사되어 진행한다.
입광 소자(CHOE)로 입사된 입사광(100) 모두가 진행광(200)으로 변환되는 것은 아니다. 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 따라 입사광(100)의 광량 중에 진행광(200)으로 변환되는 광량이 결정된다. 예를 들어, 입광 소자(CHOE)의 광 효율이 80% 수준일 수 있다. 이 경우, 입사광(100)의 20%는 커버 기판(CP) 상부 표면으로 누설되어 손실된다.
이 손실되는 광량을 재생하여 사용하기 위해, 본 발명의 제1 실시 예에서는, 반사층(REF)를 더 포함한다. 특히, 반사층(REF)은, 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 일측 상부 표면에 배치되는 것이 바람직하다. 동시에, 커버 기판(CP)의 일측 상부 표면과 연결되어 있는 커버 기판(CP)의 일측면에도 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 커버 기판(CP)의 일측 상부 표면과 이 일측 상부 표면과 연결된 일측면을 덮는 "ㄱ"자 형상을 갖는 것이 바람직하다.
입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)으로 변환되지 않고 투과한 투과광(110)은, 반사층(REF)에 의해 반사되어, 다시 입광 소자(CHOE)로 되돌아간다. 입광 소자(CHOE)로 반사된 투과광(100)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)과 거울 대칭되는 방향으로 굴절된, 굴절광(120)으로 전환된다. 굴절광(120)은 커버 기판(CP)의 일측면으로 진행하고, 일측면에 배치된 반사층(REF)에 의해 반사되어 커버 기판(CP)의 상부 표면으로 진행한다. 커버 기판(CP)의 상부 표면으로 투사되는 굴절광(120)은 다시 반사되어, 재생 진행광(210)으로 전환된다.
재생 진행광(210)은 진행광(200)과 동일한 특성을 갖는다. 따라서, 재생 진행광(210)은 진행광(200)과 마찬가지로 커버 기판(CP) 내부에서 전반사되어 진행한다. 또한, 진행광(200)과 마찬가지로, 출광 소자(VHOE)에 의해 일부가 출사광(300)으로 전환된다.
출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서는 전반사된다. 이는 커버 기판(CP)의 상부 표면은 굴절율이 1.0인 공기층과 접촉하고 있기 때문이다. 반면, 커버 기판(CP)의 하부 표면에 배치된 출광소자(VHOE) 및 저 굴절층(LR)을 투과하여 지향성 광 기판(SLS) 외부로 출광된다. 즉, 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사되어, 커버 기판(CP)의 하부 표면을 투과하는 검출광(혹은, '센싱광')(400)이 된다.
진행광(200) 및 재생 진행광(210)이 입광 소자(CHOE)이 배치된 일측에서 마주보는 타측으로 진행하면서, 출광 소자(VHOE)에 의해 일부가 출사광(300)이 방출된다. 이 때, 출사광(300)의 광량은 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율에 의해 결정된다. 예를 들어, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율이 3%라고 하면, 첫 번째로 진행광(200)이 출광 소자(VHOE)에 닿은 지점인 첫 번째 발광 영역에서는 진행광(200)의 3%에 해당하는 광량이 출사광(300)으로 추출된다. 97%의 진행광(200)은 계속 전반사되어 진행한다. 그 후, 두 번째 발광 영역에서는, 97%의 3%인 진행광(200) 광량의 2.91%에 해당하는 광량이 출사광(300)으로 추출된다.
이러한 방식으로 커버 기판(CP)의 끝 변에 다다를 때까지 출사광(300)이 추출된다. 이와 같이 균일한 출광 효율을 갖는 경우, 진행광(200)이 진행할수록 추출되는 광량이 서서히 줄어든다. 진행광(200)이 진행하면서, 일정한 광량을 갖는 출사광(300)을 제공하기 위해서는, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율이 지수함수적으로 점차 증가하는 값을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 여기서, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율은 빛이 다달은 지점(point)에서의 효율로서, 단위 면적에 대한 광 효율은 아니다. 단위 면적당 광 효율은, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율보다는 큰, 약 20% 값을 가질 수 있다.
진행광(200) 및 재생 진행광(210)을 길이 방향 축과 두께 방향 축으로 이루어진 XZ 평면(혹은, '수직 평면') 상에서 보면, 입사광(100)의 시준된 상태를 그대로 유지한다. 반면에, 폭 방향 축과 길이 방향 축으로 이루어진 XY 평면(혹은, '수평 평면')에서는 확산각(φ)을 갖는 것이 바람직하다. 이는 이미지 검출 면적을 커버 기판(CP)의 면적에 대응하도록 설정하기 위함이다. 예를 들어, 출광 소자(VHOE)는 가급적, 광 출사부(LOT) 면적 전체에 대응하도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 확산각(φ)은 입사점(IP)에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 커버 기판(CP)의 타측변의 두 끝점(P1, P2)을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도와 같거나 큰 것이 바람직하다.
입광 소자(CHOE)가 배치된 영역을 광 입사부(LIN)로 정의할 수 있다. 또한, 출광 소자(VHOE)가 배치된 영역을 광 출사부(LOT)로 정의할 수 있다. 한편, 광 출사부(LOT)는 광이 진행하기도 하는 광 진행부이기도 하다. 도 1에서 입광 소자(CHOE)가 광 입사부(LIN) 전체 영역을 덮도록 배치된 것으로 도시하였으나, 입사점(IP)의 크기보다 조금 더 큰 크기를 갖는 정도이어도 충분하다.
예를 들어, 광원(LS)에서 제공하는 시준된 빛의 단면적이 0.5mm x 0.5mm인 정원인 경우, 입광 소자(CHOE)는 커버 기판(CP)의 폭에 대응하는 길이와 3mm ~ 5mm정도의 폭을 가질 수 있다. 입광 소자(CHOE)는 커버 기판(CP)의 폭 방향으로 가로 질러 배치될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 광원에서 제공된 시준된(Collimated) 적외선이 지향성 광 기판(SLS) 내부에서 어떠한 경로를 거쳐, 이미지 검출에 사용하는 지향성(Directional) 적외선 광으로 전환되는지 설명한다. 도 2는 도 1에 의한 지향성 광 기판 내부에서의 광 경로를 나타내는 단면도이다.
광원(LS)에서 제공된 입사광(100)은 입광 소자(CHOE)의 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사한다. 입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각(θ)을 갖도록 굴절시킨 진행광(200)으로 전환하여 커버 기판(CP)의 내부로 보낸다.
진행광(200)의 입사각(θ)은 출광 소자(VHOE)와 저 굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(TVHOE _ LR)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 커버 기판(CP) 및 출광 소자(VHOE)의 굴절율이 1.5이고, 저 굴절층(LR)의 굴절율이 1.4일 경우, 출광 소자(VHOE)와 저 굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(TVHOE _ LR)은 약 69도로 계산된다. 따라서, 입사각(θ)은 69도보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 입사각(θ)은 70도 내지 75도 중 어느 한 값을 갖도록 설정할 수 있다.
입광 소자(CHOE)로 입사된 입사광(100)은 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 의해 진행광(200)으로 전환되고, 나머지는 입광 소자(CHOE)를 투과한 투과광(110)이 된다. 입광 소자(CHOE)의 광 효율이 80%인 경우, 진행광(200)은 입사광(100)의 80%이고, 투과광(110)은 입사광(100)의 20%이다.
투과광(110)은 반사층(REF)에 의해 반사되어, 입광 소자(CHOE)로 되돌아온다. 되돌아온 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)에 의해 굴절된다. 이 때, 투과광(110)은 입사광(100)과 반대 방향으로 입광 소자(CHOE)로 입사된다. 따라서, 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)과 거울 대칭을 이루는 굴절광(120)으로 전환된다. 굴절광(120)은, 커버 기판(CP)의 일측단의 측면으로 진행한다. 일측단의 측면에는 반사층(REF)이 배치되어 있으므로, 반사층(REF)에 의해 커버 기판(CP)의 상부 표면으로 다시 반사된다. 커버 기판(CP)의 상부 표면으로 진행하는 굴절광(120)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에 대해 입사각 θ를 갖는다.
커버 기판(CP)의 상부 표면으로 진행하는 굴절광(120)은 진행광(200)과 동일한 입사각(θ)을 갖는 재생 진행광(210)으로서 커버 기판(CP) 내부로 제공된다. 즉, 재생 진행광(210)은 진행광(200)과 동일한 성질을 갖고, 동일한 광 경로를 갖는다. 재생 진행광(210)과 진행광(200)의 차이점은 커버 기판(CP)의 표면에 닿는 지점만 다를뿐 동일한 성질을 갖는다. 결국, 입광 소자(CHOE) 및 반사층(REF)에 의해 입사광(100)은 X축 방향으로 길게 연장되어 분포된 진행광(200)과 재생 진행광(210)으로 전환된 결과를 갖는다.
입사광(100)의 20%인 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 의해 80%가 굴절광(120)으로 변환된다. 즉, 굴절광(120)은 입사광(100)의 16%인 광량을 갖는다. 4%는 입광 소자(CHOE)를 투과하여 커버 기판(CP)의 하면으로 누설된다. 본 발명의 제1 실시 예에서는, 반사층(REF)에 의해 입사광(100)에서 손실된 광량이 20% 중에서 80%를 재생하여 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 입사광(100)의 96% 이상을 진행광(200) 및 재생 진행광(210)으로 사용한다.
출광 소자(VHOE)는 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 일정 광량을 반사각(α)을 갖는 출사광(300)으로 전환시켜 커버 기판(CP)의 내부로 되돌려 보낸다. 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에 이미지를 갖는 객체가 접촉하는 경우, 그 이미지의 상을 인지하기 위한 광이다. 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 표면에 아무 물체도 없는 경우에는, 전반사되어, 지향성 광 기판(SLS)의 하면 외부에 위치한 광 센서로 보내어져야 한다. 즉, 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사된 후에는 검출광(400)으로서 지향성 광 기판(SLS)의 외부로 출광된다.
검출광(400)은 입사각(혹은, 반사각), α을 갖고 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 반사된 광이다. 검출광(400)의 반사각 α는 진행광(200)의 입사각 θ보다 작은 값을 가지므로, 검출광(400)은 커버 기판(CP), 출광 소자(VHOE) 및 저 굴절층(LR)을 차례로 투과하여 지향성 광 기판(SLS)의 외부로 출광된다.
지향성 광 기판(SLS)의 하부 표면에 배치된 저 굴절층(LR)의 외부로 출광된 검출광(400)을 인식함으로써, 커버 기판(CP)의 상부 표면에 배치된 물체의 이미지를 판별할 수 있다. 이하에서는, 도 1에서 설명한 지향성 광 유닛을 응용한 이미지 인식 장치에 대해 설명한다. 특히, 지문 인식 센서를 내장한 평판 표시장치에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치의 구조를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치는, 표시 패널(DP), 지향성 광 기판(SLS) 및 광원(LS)을 포함한다. 표시 패널(DP)에는 표시 영역(AA)과 비 표시 영역(NA)이 정의되어 있다. 표시 영역(AA)은 표시 패널(DP)의 중앙부 대부분을 차지하고, 비 표시 영역(NA)은 표시 영역의 주변에 배치된다. 표시 영역(AA)에는, 표시 패널(DP)이 나타내고자 하는 영상들이 표시되는 소자들이 배치되어 있다. 비 표시 영역(NA)에는 표시 영역에 배치된 소자들을 구동하기 위한 소자들이 배치되어 있다.
특히, 표시 영역(AA)에는, 영상을 표시하기 위한 다수 개의 화소 영역들이 매트릭스 방식으로 배열되어 있다. 이들 화소 영역에는 이미지 인식을 위한 광 센서들이 하나씩 배치되어 있다. 경우에 따라서는, 여러 개의 화소 영역들을 기본 단위로 하여, 하나씩 배치되어 있을 수 있다. 예를 들어, 2x2, 3x3 혹은 4x4 화소들마다 하나씩 광 센서가 배치될 수 있다.
지향성 광 기판(SLS)은, 일정 길이, 일정 폭 및 일정 두께를 갖는 얇고 넓은 판상형이다. 지향성 광 기판(SLS)의 길이와 폭은 표시 패널(DP)을 수용하기에 충분한 크기를 갖는 것이 바람직하다. 특히, 표시 패널(DP)의 전체 크기보다 조금 더 큰 크기를 갖는 것이 바람직하다. 적어도 표시 패널(DP)의 한쪽 변으로 더 연장된 부분을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 표시 패널(DP)의 한쪽 변으로 더 연장된 부분에는 광원(LS)을 배치한다.
지향성 광 기판(SLS)은 표시 패널(DP)의 상부 표면에 면 합착하여 결합될 수 있다. 지향성 광 기판(SLS)은, 앞에서 설명했듯이, 커버 기판(CP), 입광 소자(CHOE), 출광 소자(VHOE), 저 굴절층(LR) 및 반사층(REF)을 포함한다.
저 굴절층(LR)은 커버 기판(CP)과 표시 패널(DP) 사이에 개재되어 표시 패널(DP)과 지향성 광 기판(SLS)이 면 합착되는 것이 바람직하다. 여기서, 표시 패널(DP)의 상부 표면은, 표시 패널(DP)에서 제공되는 영상 정보가 출광되는 면을 말한다. 즉, 사용자가 영상을 관람할 때 바라보는 표시 패널(DP)의 표면을 말한다.
앞에서 설명한 바와 같이, 지향성 광 기판(SLS)에서는 하부 표면으로 즉, 표시 패널(DP)의 상부 표면으로, 이미지 검출광(400)을 제공한다. 그러면, 지향성 광 기판(SLS)의 하부에 배치된 표시 패널(DP)의 광 센서가 검출광(400)을 인지한다. 그 결과, 지향성 광 기판(SLS)의 상부 표면에 접촉하는 물체의 이미지(지문 인식장치의 경우, 융선 모양)를 인식할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 지향성 광 기판(SLS)의 출광 소자(VHOE)에 의해 만들어진 출사광(300)이 커버 기판(CP)의 상부 표면에 다다른다. 특히, 커버 기판(CP) 위에 이미지 객체(IM)가 접촉하고 있을 때, 객체(IM)와 닿지 않은 곳에 다다른 출사광(300)은 전반사되어 검출광(400)으로서 표시 패널(DP)로 제공된다. 한편, 커버 기판(CP) 표면에서 객체(IM)가 닿는 부분에 다다른 출사광(300)은 외부로 굴절되어 나간다. 굴절율이 공기층(AIR)보다 큰 값을 갖는 객체(IM)가 커버 기판(CP)과 접촉한 부위에서는, 검출광(400)이 전반사되지 않고, 객체(IM) 쪽으로 굴절된다. 즉, 이미지 객체(IM)가 있는 부분에서는 출사광(300)이 흡수광(500)으로 되어 표시 패널(DP)의 광 센서로 제공되는 광량이 거의 없다.
그 결과, 표시 패널(DP)에는 출사광(300) 중에서 검출광(400)만 인지하고, 흡수광(500)은 인지할 수 없게 된다. 이와 같이 표시 패널(DP)의 광 센서들은, 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 반사된 검출광(400)의 반사 패턴을 인지함으로써 이미지의 패턴을 재현(reproduce)할 수 있다.
지향성 광 유닛을 지문 인식 장치에 적용하는 경우, 이미지 객체(IM)는 사람의 손가락(finger)이 된다. 지문의 융기(R) 부분은 커버 기판(CP)의 표면과 접촉하고, 골(V) 부분은 커버 기판(CP)의 표면과 접촉하지 않는다. 골(V) 부분으로 간 출사광(300)은 전반사되어 검출광(400)으로 된다. 반면에, 융기(R) 부분으로 간 출사광(300)은 굴절되어 커버 기판(CP)의 외부로 빠져나가는 흡수광(500)이 된다.
입사광(100) 중에서 80%가 진행광(200)으로 전환되더라도, 실제적으로 검출광(400)으로 사용되는 광량은 더 적다. 입사광(100)은 출사광(300)으로 전환하기 위한 출광소자(VHOE)의 광 효율에도 영향을 받는다. 출광 소자(VHOE)는 커버 기판(CP)의 표면으로 넓게 확산하여야 하므로, 단위 면적당 광 효율은 약 20% 정도밖에 안된다. 결과적으로, 출사광(300)은 입사광(100)의 16% 정도로 약해진다. 또한, 검출광(400)은 검출소자에 도달하기 전에 표시 패널(DP)의 상부 표면에 부착된 편광판을 통과하는 경우가 많다. 이 경우, 편광판을 통과하여 검출 소자로 제공되는 검출광(400)의 광량은 50% 더 절감된다. 즉, 검출 소자에 도달하는 광량은 입사광(100)의 8% 수준밖에 되지 않는다.
반면에, 본 발명의 제1 실시 예에 의하면, 입사광(100)의 적어도 96%를 진행광(200) 및 재생 진행광(210)으로 전환할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 실시 예에 의하면, 검출 소자에 도달하는 광량은, 검출 소자 이전에 편광판을 투과하는 경우를 고려하더라도, 입사광(100)의 9.6% 이상을 확보할 수 있다.
도 3의 아래에 도시된 사시도를 더 참조하여 XY 평면상에서의 이미지 센싱에 대해 설명한다. 입사광(100)은 일정한 단면적을 갖는 시준된 적외선을 포함할 수 있다. 이를 위해 광원(LS)은 적외선 레이저를 제공하는 것일 수 있다.
입사광(100)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)으로 변환된다. 또한, 반사층(REF)에 의해 재생 진행광(210)으로 변환된다. 이 때, 진행광(200) 및 재생 진행광(210)은, 길이 방향 축인 X축과 폭 방향 축인 Y축으로 이루어진 수평 평면인 XY 평면에서는 확산각(φ)을 가지도록 변환된다. 또한, 길이 방향 축인 X과 두께 방향 축인 Z축으로 이루어진 수직 평면인 XZ 평면에서는 원래의 시준된 상태를 유지한다.
여기서, 확산각(φ)은, 입사점(IP)에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 커버 기판(CP)의 타측변의 두 끝점을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도와 같거나 이보다 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 진행광(200) 및 재생 진행광(210)은 확산각(φ)을 갖는 삼각형 형상으로 퍼지면서 진행한다. 이에 따라, 출사광(300) 역시 진행광(200) 및 재생 진행광(210)과 동일한 범위에 걸쳐 제공된다. 그 결과, 이미지 인식 영역은 삼각형 내부 영역이 된다. 따라서, 지문 인식 장치로 적용하는 경우, 도 3에서 빗금친 원형으로 표시한 부분에 인식 영역(SA)을 설정할 수 있다.
도 3과 같이, 표시 패널의 중앙부 혹은 입광 소자(CHOE)와 대향하는 상단변의 일부에 인식 영역(SA)을 설정할 경우, 인식 영역(SA)에서 출사광(300)의 광량이 최대 값을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율이 인식 영역(SA)에 대응하는 부분에서 최대 값을 갖고, 다른 부분에서는 최소 값 혹은 '0'에 가까운 값을 갖도록 위치에 따른 함수 관계로 설계할 수 있다.
이상, 제1 실시 예에서는, 출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)가 커버 기판(CP)의 하부 표면에 배치된 경우에 대해서만 설명하였다. 하지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)가 커버 기판(CP) 혹은 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면에 배치될 수 있다.
<제2 실시 예>
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 대해 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 지향성 광 유닛의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 지향성 광 유닛은, 지향성 광 기판(SLS)과 광원(LS)을 포함한다. 지향성 광 유닛은 시준된(collimated) 광을 대면적으로 퍼트려 제공하는 광학 장치이다. 따라서, 광원(LS)은 시준된 빛을 제공하는 것이 바람직하다.
지향성 광 기판(SLS)은, 제1 커버 기판(CP1), 제2 커버 기판(CP2), 데코 필름(LO), 출광 소자(VHOE), 입광 소자(CHOE), 제1 저 굴절층(LR1) 및 제2 저 굴절층(LR2)을 포함한다. 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)은 대략 장방형의 사각 판상 모양으로, 길이와 폭 그리고 두께를 갖는다. 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)의 길이는 X축 방향으로, 폭은 Y축 방향으로, 그리고 두께는 Z축 방향으로 배치되어 있다.
제1 커버 기판(CP1)과 제2 커버 기판(CP2)은 서로 면 합착되어 있다. 제1 커버 기판(CP1)의 아래 표면에서 일측변과 타측변에는 데코 필름(LO)이 배치될 수 있다. 데코 필름(LO)은 제품의 로고(Logo)나 상표 혹은 문구를 나타내는 장식용 필름이다. 데코 필름(LO)은 주로 비 표시 영역에 해당하는 표시 장치의 상변 및/또는 하변, 혹은 좌측변 및/또는 우측변에 배치될 수 있다. 데코 필름(LO)이 배치된 제1 커버 기판(CP1)의 하면에는 제1 저 굴절층(LR1)이 도포되어 있다. 도 4에서는 데코 필름(LO)이 제1 커버 기판(CP1) 상변과 하변에 배치되고, 그 사이에 제1 저 굴절층(LR1)이 배치된 경우로 도시하였다. 하지만, 제1 저 굴절층(LR1)은 데코 필름(LO)을 모두 덮도록 배치될 수도 있다.
제1 저 굴절층(LR1)을 사이에 두고, 제2 커버 기판(CP2)이 제1 커버 기판(CP1)과 면 합착되어 있다. 제1 커버 기판(CP1)과 제2 커버 기판(CP2) 사이에는, 데코 필름(LO)과 제1 저 굴절층(LR1)이 개재되어 있다. 데코 필름(LO)이 소정의 두께를 갖고 있으므로, 데코 필름(LO)을 제1 또는 제2 커버 기판(CP1, CP2)의 겉 표면에 배치될 경우, 쉽게 손상되거나, 다른 소자들과 간섭이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시 예에서는 데코 필름(LO)이 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2) 사이에 배치되어 있어, 다른 소자들을 배치할 위치에 대해 장애를 받지 않는다.
제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면에는 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)가 면 부착되어 있다. 출광 소자(VHOE)는 출사광(300)을 제공하는 광학 소자이다. 따라서, 출광 소자(VHOE)는 이미지를 검출 및 인식하는 영역에 대응하도록 배치된다.
입광 소자(CHOE)는 광원(LS)에서 제공하는 시준된 빛을 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)에 대응하는 면적으로 퍼지면서 시준성을 갖도록 전환하는 광학 소자이다. 입광 소자는(CHOE) 이미지 인식과는 직접 관련이 없으므로, 출광 소자(VHOE)의 외측 영역에 배치하는 것이 바람직하다. 특히, 입광 소자(CHOE)는 광원(LS)과 대향하여 배치된다.
출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)는 동일 평면 상에 배치된다. 제조 공정을 고려하면, 하나의 필름 위에 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 영역을 나누어서 형성하는 것이 바람직하다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 홀로그래피 패턴을 포함하는 광학 소자일 수 있다. 이 경우, 출광 소자(VHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름과 입광 소자(CHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름을 인접하여 배치한 후, 하나의 홀로그래피 기록 필름에 두 홀로그래피 패턴을 동시에 복사할 수 있다.
출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)의 하부 표면에는 제2 저 굴절층(LR2)이 적층되어 있다. 제1 저 굴절층(LR1)과 제2 저 굴절층(LR2)은 서로 동일한 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 저 굴절층(LR1, LR2)은, 제1 커버 기판(CP1), 제2 커버 기판(CP2) 및 출광 소자(VHOE)보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)을 굴절율이 1.5인 투명한 강화 유리로 만들 수 있다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 투명한 홀로그래피 기록 필름으로서 굴절율이 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)과 동일하거나 조금 더 큰 값을 가질 수 있다. 여기서는, 편의상 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 굴절율은 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)의 굴절율과 동일한 것으로 설명한다. 제1 및 제2 저 굴절층(LR1, LR2)의 굴절율은 인지하고자 하는 이미지 객체의 굴절율과 같거나 약간 큰 것이 좋다. 지문 인식에 적용하고자 하는 경우, 제1 저 굴절층(LR1)과 제2 저 굴절층(LR2)은 사람의 피부가 갖는 굴절율인 1.39와 유사한 1.4 정도의 굴절율을 가질 수 있다.
그 결과, 굴절율이 1.5인 제2 커버 기판(CP2)과 출광 소자(VHOE)는 굴절율이 1.4인 제1 저 굴절층(LR1) 및 제2 저 굴절층(LR2) 사이에 개재된 구조가 된다. 이로써, 고 굴절층의 상면과 하면에 저 굴절층이 적층된 구조로서, 고 굴절층 내부에서 빛이 전반사되면서 진행할 수 있는 조건을 만족한다. 즉, 제2 커버 기판(CP2)과 출광 소자(VHOE)의 적층 공간이 이미지 검출에 사용할 빛을 표시 패널 전체 표면으로 확산시키기 위한 도광 공간(light guiding space)이 된다.
입광 소자(CHOE)의 하부 공간에는 입광 소자(CHOE)와 대향하도록 광원(LS)이 배치되어 있다. 광원(LS)은 레이저와 같이 시준성이 높은 빛을 제공하는 것이 바람직하다. 특히, 휴대용 표시장치에 지문 인식 기능을 내장하는 시스템에 적용하는 경우, 사람이 인지할 수 없는 빛인 적외선 레이저를 제공하는 것이 바람직하다.
광원(LS)에서 제공된 시준광(Collimated Light)은 입사광(100)으로서 일정한 단면적을 갖고 입광 소자(CHOE)에 정의된 입사점(IP)으로 제공된다. 입사광(100)은 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사하는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 입사점(IP) 표면의 법선에 대해 기울어진 각도로 입사할 수도 있다.
입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각을 갖는 진행광(200)으로 전환하여 제2 커버 기판(CP2)의 내부로 보낸다. 여기서, 입사각은 제2 커버 기판(CP2)의 내부 전반사 임계각(Internal Total Reflection Critical Angle)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 진행광(200)은 제2 커버 기판(CP2)의 내부에서 전반사를 하면서, 제2 커버 기판(CP2)의 길이 방향인 X축으로 진행한다.
입광 소자(CHOE)로 입사된 입사광(100) 모두가 진행광(200)으로 변환되는 것은 아니다. 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 따라 입사광(100)의 광량 중에 진행광(200)으로 변환되는 광량이 결정된다.
손실되는 광량을 재생하여 사용하기 위해, 본 발명의 제2 실시 예에서는, 반사층(REF)를 더 포함한다. 특히, 반사층(REF)은, 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 일측 상부 표면에 배치되는 것이 바람직하다. 동시에, 제2 커버 기판(CP2)의 일측 상부 표면과 연결되어 있는 제2 커버 기판(CP2)의 일측면에도 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 커버 기판(CP2)의 일측 상부 표면과 이 일측 상부 표면과 연결된 일측면을 덮는 "ㄱ"자 형상을 갖는 것이 바람직하다.
입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)으로 변환되지 않고 투과한 투과광(110)은, 반사층(REF)에 의해 반사되어, 다시 입광 소자(CHOE)로 되돌아간다. 입광 소자(CHOE)로 반사된 투과광(100)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)과 거울 대칭되는 방향으로 굴절된, 굴절광(120)으로 전환된다. 굴절광(120)은 커버 기판(CP)의 일측면으로 진행하고, 일측면에 배치된 반사층(REF)에 의해 반사되어 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면으로 진행한다. 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면으로 투사되는 굴절광(120)은 다시 반사되어, 재생 진행광(210)으로 전환된다.
재생 진행광(210)은 진행광(200)과 동일한 특성을 갖는다. 따라서, 재생 진행광(210)은 진행광(200)과 마찬가지로 제2 커버 기판(CP2) 내부에서 전반사되어 진행한다. 또한, 진행광(200)과 마찬가지로, 출광 소자(VHOE)에 의해 일부가 출사광(300)으로 전환된다.
출광 소자(VHOE)는 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 일부 광량을 출사광(300)으로 전환하여 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면으로 굴절 시킨다. 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 나머지 광량은, 원래 상태를 유지하므로, 제2 커버 기판(CP2) 내부에서 전반사되어 진행한다. 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서는 제1 저굴절층(LR1)으로 투과되어 제1 커버 기판(CP1) 내부로 입사된다.
출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서는 전반사된다. 이는 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면은 굴절율이 1.0인 공기층과 접촉하고 있기 때문이다. 반면, 제1 커버 기판(CP2)의 하부 표면에서는 제1 저 굴절층(LR1)을 투과하여 제2 커버 기판(CP2) 내부로 입사된다. 또한, 출사광(300)은 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면에 배치된 제2 저 굴절층(LR2)을 투과하여 지향성 광 기판(SLS) 외부로 출광된다. 즉, 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서 전반사되어, 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면을 투과하는 검출광(혹은, '센싱광')(400)이 된다.
광 경로에 대해 좀 더 상세히 설명한다. 광원(LS)에서 제공된 입사광(100)은 입광 소자(CHOE)의 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사한다. 입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각(θ)을 갖도록 굴절시킨 진행광(200)으로 전환하여 제2 커버 기판(CP2)의 내부로 보낸다.
진행광(200)의 입사각(θ)은 출광 소자(VHOE)와 제2 저 굴절층(LR2)의 계면에서의 전반사 임계각(TVHOE _LR2)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 입사각(θ)은 제2 커버 기판(CP2)과 제1 저 굴절층(LR1)의 계면에서의 전반사 임계각(TCP2_LR1)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제2 커버 기판(CP2) 및 출광 소자(VHOE)의 굴절율이 1.5이고, 제1 저 굴절층(LR1) 및 제2 저 굴절층(LR2)의 굴절율이 1.4일 경우, 출광 소자(VHOE)와 제2 저 굴절층(LR2)의 계면에서의 전반사 임계각(TVHOE _LR2) 및 제2 커버 기판(CP2)과 제1 저 굴절층(LR1)의 계면에서의 전반사 임계각(TCP2 _LR1)은 약 69도로 계산된다. 따라서, 입사각(θ)은 69도보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 입사각(θ)은 70도 내지 75도 중 어느 한 값을 갖도록 설정할 수 있다.
입광 소자(CHOE)로 입사된 입사광(100)은 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 의해 진행광(200)으로 전환되고, 나머지는 입광 소자(CHOE)를 투과한 투과광(110)이 된다. 입광 소자(CHOE)의 광 효율이 80%인 경우, 진행광(200)은 입사광(100)의 80%이고, 투과광(110)은 입사광(100)의 20%이다.
투과광(110)은 반사층(REF)에 의해 반사되어, 입광 소자(CHOE)로 되돌아온다. 되돌아온 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)에 의해 굴절된다. 이 때, 투과광(110)은 입사광(100)과 반대 방향으로 입광 소자(CHOE)로 입사된다. 따라서, 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)과 거울 대칭을 이루는 굴절광(120)으로 전환된다. 굴절광(120)은, 제2 커버 기판(CP2)의 일측단의 측면으로 진행한다. 일측단의 측면에는 반사층(REF)이 배치되어 있으므로, 반사층(REF)에 의해 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면으로 다시 반사된다. 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면으로 진행하는 굴절광(120)은 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면에 대해 입사각 θ를 갖는다.
제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면으로 진행하는 굴절광(120)은 진행광(200)과 동일한 입사각(θ)을 갖는 재생 진행광(210)으로서 제2 커버 기판(CP2) 내부로 제공된다. 즉, 재생 진행광(210)은 진행광(200)과 동일한 성질을 갖고, 동일한 광 경로를 갖는다. 재생 진행광(210)과 진행광(200)의 차이점은 제2 커버 기판(CP2)의 표면에 닿는 지점만 다를 뿐 동일한 성질을 갖는다. 결국, 입광 소자(CHOE) 및 반사층(REF)에 의해 입사광(100)은 X축 방향으로 길게 연장되어 분포된 진행광(200)과 재생 진행광(210)으로 전환된 결과를 갖는다.
입사광(100)의 20%인 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 의해 80%가 굴절광(120)으로 변환된다. 즉, 굴절광(120)은 입사광(100)의 16%인 광량을 갖는다. 4%는 입광 소자(CHOE)를 투과하여 제2 커버 기판(CP2)의 하면으로 누설된다. 본 발명의 제2 실시 예에서는, 반사층(REF)에 의해 입사광(100)에서 손실된 광량이 20% 중에서 80%를 재생하여 사용할 수 있다. 즉, 제2 실시 예에서도 입사광(100)의 96% 이상을 진행광(200) 및 재생 진행광(210)으로 사용한다.
출광 소자(VHOE)는 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 일정 광량을 반사각(α)을 갖는 출사광(300)으로 전환시켜 제1 커버 기판(CP1)의 내부로 되돌려 보낸다. 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에 이미지를 갖는 객체가 접촉하는 경우, 그 이미지의 상을 인지하기 위한 광이다. 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 표면에 아무 물체도 없는 경우에는, 전반사되어, 지향성 광 기판(SLS)의 하면 외부에 위치한 광 센서로 보내어져야 한다. 즉, 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서 전반사된 후에는 검출광(400)으로서 지향성 광 기판(SLS)의 외부로 출광된다.
검출광(400)은 입사각(혹은, 반사각), α을 갖고 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서 반사된 광이다. 검출광(400)의 반사각 α는 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 입사각 θ보다 작은 값을 가지므로, 검출광(400)은 제1 커버 기판(CP1)을 투과하고, 제1 저 굴절층(LR1)도 투과하며, 이어서 제2 커버 기판(CP1), 출광 소자(VHOE) 및 제2 저 굴절층(LR2)을 차례로 투과하여 지향성 광 기판(SLS)의 외부로 출광된다.
지향성 광 기판(SLS)의 하부 표면에 배치된 제2 저 굴절층(LR2)의 외부로 출광된 검출광(400)을 인식함으로써, 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에 배치된 물체의 이미지를 판별할 수 있다.
<제3 실시 예>
이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 제3 실시 예에 대해 설명한다. 도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 지향성 광 유닛의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 의한 지향성 광 유닛은, 지향성 광 기판(SLS)과 광원(LS)을 포함한다. 지향성 광 유닛은 시준된(collimated) 광을 대면적으로 퍼트려 제공하는 광학 장치이다. 따라서, 광원(LS)은 시준된 빛을 제공하는 것이 바람직하다.
지향성 광 기판(SLS)은, 제1 커버 기판(CP1), 제2 커버 기판(CP2), 출광 소자(VHOE), 입광 소자(CHOE), 제1 저 굴절층(LR1) 및 제2 저 굴절층(LR2)을 포함한다. 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)은 대략 장방형의 사각 판상 모양으로, 길이와 폭 그리고 두께를 갖는다. 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)의 길이는 X축 방향으로, 폭은 Y축 방향으로, 그리고 두께는 Z축 방향으로 배치되어 있다.
제1 커버 기판(CP1)과 제2 커버 기판(CP2)은 서로 면 합착되어 있다. 제1 커버 기판(CP1)의 하부 표면에는 제1 저 굴절층(LR1)이 도포되어 있다. 제1 저 굴절층(LR1)의 하부 표면에는 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)가 면 부착되어 있다. 출광 소자(VHOE)는 출사광(300)을 제공하는 광학 소자이다. 따라서, 출광 소자(VHOE)는 이미지를 검출 및 인식하는 영역에 대응하도록 배치된다.
입광 소자(CHOE)는 광원(LS)에서 제공하는 시준된 빛을 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)에 대응하는 면적으로 퍼지면서 시준성을 갖도록 전환하는 광학 소자이다. 입광 소자는(CHOE) 이미지 인식과는 직접 관련이 없으므로, 출광 소자(VHOE)의 외측 영역에 배치하는 것이 바람직하다. 특히, 입광 소자(CHOE)는 광원(LS)과 대향하여 배치된다.
출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)는 동일 평면 상에 배치된다. 제조 공정을 고려하면, 하나의 필름 위에 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 영역을 나누어서 형성하는 것이 바람직하다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 홀로그래피 패턴을 포함하는 광학 소자일 수 있다. 이 경우, 출광 소자(VHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름과 입광 소자(CHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름을 인접하여 배치한 후, 하나의 홀로그래피 기록 필름에 두 홀로그래피 패턴을 동시에 복사할 수 있다.
출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)의 하부 표면에는 제2 커버 기판(CP2)이 면 합착되어 있다. 즉, 제1 저 굴절층(LR1) 및 출광 소자(VHOE)를 사이에 두고, 제2 커버 기판(CP2)이 제1 커버 기판(CP1)과 면 합착되어 있다.
제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면 전체에는 제2 저 굴절층(LR2)이 도포되어 있다. 제1 저 굴절층(LR1)과 제2 저 굴절층(LR2)은 서로 동일한 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 저 굴절층(LR1, LR2)은, 제1 커버 기판(CP1), 제2 커버 기판(CP2) 및 출광 소자(VHOE)보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)을 굴절율이 1.5인 투명한 강화 유리로 만들 수 있다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 투명한 홀로그래피 기록 필름으로서 굴절율이 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)과 동일하거나 조금 더 큰 값을 가질 수 있다. 여기서는, 편의상 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 굴절율은 제1 및 제2 커버 기판(CP1, CP2)의 굴절율과 동일한 것으로 설명한다. 제1 및 제2 저 굴절층(LR1, LR2)의 굴절율은 인지하고자 하는 이미지 객체의 굴절율과 같거나 약간 큰 것이 좋다. 지문 인식에 적용하고자 하는 경우, 제1 저 굴절층(LR1)과 제2 저 굴절층(LR2)은 사람의 피부가 갖는 굴절율인 1.39와 유사한 1.4 정도의 굴절율을 가질 수 있다.
그 결과, 굴절율이 1.5인 출광 소자(VHOE)와 제2 커버 기판(CP2)은 굴절율이 1.4인 제1 저 굴절층(LR1) 및 제2 저 굴절층(LR2) 사이에 개재된 구조가 된다. 이로써, 고 굴절층의 상면과 하면에 저 굴절층이 적층된 구조로서, 고 굴절층 내부에서 빛이 전반사되면서 진행할 수 있는 조건을 만족한다. 즉, 출광 소자(VHOE)와 제2 커버 기판(CP2)의 적층 공간이 이미지 검출에 사용할 빛을 표시 패널 전체 표면으로 확산시키기 위한 도광 공간(light guiding space)이 된다.
입광 소자(CHOE)의 하부 공간에는 입광 소자(CHOE)와 대향하도록 광원(LS)이 배치되어 있다. 광원(LS)은 레이저와 같이 시준성이 높은 빛을 제공하는 것이 바람직하다. 특히, 휴대용 표시장치에 지문 인식 기능을 내장하는 시스템에 적용하는 경우, 사람이 인지할 수 없는 빛인 적외선 레이저를 제공하는 것이 바람직하다.
광원(LS)에서 제공된 시준광(Collimated Light)은 입사광(100)으로서 일정한 단면적을 갖고 입광 소자(CHOE)에 정의된 입사점(IP)으로 제공된다. 입사광(100)은 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사하는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 입사점(IP) 표면의 법선에 대해 기울어진 각도로 입사할 수도 있다.
입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각을 갖는 진행광(200)으로 전환하여 제2 커버 기판(CP2)의 내부로 보낸다. 여기서, 입사각은 제2 커버 기판(CP2)의 내부 전반사 임계각(Internal Total Reflection Critical Angle)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 진행광(200)은 제2 커버 기판(CP2)의 내부에서 전반사를 하면서, 제2 커버 기판(CP2)의 길이 방향인 X축으로 진행한다.
입광 소자(CHOE)로 입사된 입사광(100) 모두가 진행광(200)으로 변환되는 것은 아니다. 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 따라 입사광(100)의 광량 중에 진행광(200)으로 변환되는 광량이 결정된다.
손실되는 광량을 재생하여 사용하기 위해, 본 발명의 제3 실시 예에서는, 반사층(REF)를 더 포함한다. 특히, 반사층(REF)은, 제2 커버 기판(CP2) 위에 적층된 입광 소자(CHOE)의 상부 표면을 모두 덮도록 배치되는 것이 바람직하다. 동시에, 입광 소자(CHOE)가 부착된 제2 커버 기판(CP2)의 상부 표면과 연결되어 있는 제2 커버 기판(CP2)의 일측면에도 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 입광 소자(CHOE)가 부착된 제2 커버 기판(CP2)의 일측 상부 표면, 그리고 이 일측 상부 표면과 연결된 일측면을 덮는 "ㄱ"자 형상을 갖는 것이 바람직하다.
입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)으로 변환되지 않고 투과한 투과광(110)은, 반사층(REF)에 의해 반사되어, 다시 입광 소자(CHOE)로 되돌아간다. 입광 소자(CHOE)로 반사된 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)과 거울 대칭되는 방향으로 굴절된, 굴절광(120)으로 전환된다. 굴절광(120)은 커버 기판(CP)의 일측면으로 진행하고, 일측면에 배치된 반사층(REF)에 의해 반사되어 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면으로 진행한다. 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면으로 투사되는 굴절광(120)은 전반사되어, 재생 진행광(210)으로 전환된다.
재생 진행광(210)은 진행광(200)과 동일한 특성을 갖는다. 따라서, 재생 진행광(210)은 진행광(200)과 마찬가지로 제2 커버 기판(CP2) 내부에서 전반사되어 진행한다. 또한, 진행광(200)과 마찬가지로, 출광 소자(VHOE)에 의해 일부가 출사광(300)으로 전환된다.
출광 소자(VHOE)는 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 일부 광량을 출사광(300)으로 전환하여 제1 커버 기판(CP1) 내부로 굴절 시킨다. 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 나머지 광량은, 원래 상태를 유지하므로, 제2 커버 기판(CP2) 내부에서 전반사되어 진행한다.
출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서는 전반사된다. 이는 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면은 굴절율이 1.0인 공기층과 접촉하고 있기 때문이다. 반면, 제1 커버 기판(CP2)의 하부 표면에서는 제1 저 굴절층(LR1)을 투과하여 제2 커버 기판(CP2) 내부로 입사된다. 또한, 출사광(300)은 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면에 배치된 제2 저 굴절층(LR2)을 투과하여 지향성 광 기판(SLS) 외부로 출광된다. 즉, 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서 전반사되어, 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면을 투과하는 검출광(혹은, '센싱광')(400)이 된다.
광 경로에 대해 좀 더 상세히 설명한다. 광원(LS)에서 제공된 입사광(100)은 입광 소자(CHOE)의 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사한다. 입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각(θ)을 갖도록 굴절시킨 진행광(200)으로 전환하여 제2 커버 기판(CP2)의 내부로 보낸다.
진행광(200)의 입사각(θ)은 출광 소자(VHOE)와 제1 저 굴절층(LR1)의 계면에서의 전반사 임계각(TVHOE _LR1)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 입사각(θ)은 제2 커버 기판(CP2)과 제2 저 굴절층(LR2)의 계면에서의 전반사 임계각(TCP2_LR2)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제2 커버 기판(CP2) 및 출광 소자(VHOE)의 굴절율이 1.5이고, 제1 저 굴절층(LR1) 및 제2 저 굴절층(LR2)의 굴절율이 1.4일 경우, 출광 소자(VHOE)와 제1 저 굴절층(LR1)의 계면에서의 전반사 임계각(TVHOE _LR1) 및 제2 커버 기판(CP2)과 제2 저 굴절층(LR2)의 계면에서의 전반사 임계각(TCP2 _LR2)은 약 69도로 계산된다. 따라서, 입사각(θ)은 69도보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 입사각(θ)은 70도 내지 75도 중 어느 한 값을 갖도록 설정할 수 있다.
입광 소자(CHOE)로 입사된 입사광(100)은 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 의해 진행광(200)으로 전환되고, 나머지는 입광 소자(CHOE)를 투과한 투과광(110)이 된다. 입광 소자(CHOE)의 광 효율이 80%인 경우, 진행광(200)은 입사광(100)의 80%이고, 투과광(110)은 입사광(100)의 20%이다.
투과광(110)은 반사층(REF)에 의해 반사되어, 입광 소자(CHOE)로 되돌아온다. 되돌아온 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)에 의해 굴절된다. 이 때, 투과광(110)은 입사광(100)과 반대 방향으로 입광 소자(CHOE)로 입사된다. 따라서, 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)과 거울 대칭을 이루는 굴절광(120)으로 전환된다. 굴절광(120)은, 제2 커버 기판(CP2)의 일측단의 측면으로 진행한다. 일측단의 측면에는 반사층(REF)이 배치되어 있으므로, 반사층(REF)에 의해 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면으로 다시 반사된다. 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면으로 진행하는 굴절광(120)은 제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면에 대해 입사각 θ를 갖는다.
제2 커버 기판(CP2)의 하부 표면으로 진행하는 굴절광(120)은 진행광(200)과 동일한 입사각(θ)을 갖는 재생 진행광(210)으로서 제2 커버 기판(CP2) 내부로 전반사되어 되돌아간다. 즉, 재생 진행광(210)은 진행광(200)과 동일한 성질을 갖고, 동일한 광 경로를 갖는다. 재생 진행광(210)과 진행광(200)의 차이점은 제2 커버 기판(CP2)의 표면에 닿는 지점만 다를 뿐 동일한 성질을 갖는다. 결국, 입광 소자(CHOE) 및 반사층(REF)에 의해 입사광(100)은 X축 방향으로 길게 연장되어 분포된 진행광(200)과 재생 진행광(210)으로 전환된 결과를 갖는다.
입사광(100)의 20%인 투과광(110)은 입광 소자(CHOE)의 광 효율에 의해 80%가 굴절광(120)으로 변환된다. 즉, 굴절광(120)은 입사광(100)의 16%인 광량을 갖는다. 4%는 입광 소자(CHOE)를 투과하여 제2 커버 기판(CP2)의 하면으로 누설된다. 본 발명의 제3 실시 예에서는, 반사층(REF)에 의해 입사광(100)에서 손실된 광량이 20% 중에서 80%를 재생하여 사용할 수 있다. 즉, 제3 실시 예에서도 입사광(100)의 96% 이상을 진행광(200) 및 재생 진행광(210)으로 사용한다.
출광 소자(VHOE)는 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 일정 광량을 반사각(α)을 갖는 출사광(300)으로 전환시켜 제1 커버 기판(CP1)의 내부로 굴절 시킨다. 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에 이미지를 갖는 객체가 접촉하는 경우, 그 이미지의 상을 인지하기 위한 광이다. 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 표면에 아무 물체도 없는 경우에는, 전반사되어, 지향성 광 기판(SLS)의 하면 외부에 위치한 광 센서로 보내어져야 한다. 즉, 출사광(300)은 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서 전반사된 후에는 검출광(400)으로서 지향성 광 기판(SLS)의 외부로 출광된다.
검출광(400)은 입사각(혹은, 반사각), α을 갖고 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에서 반사된 광이다. 검출광(400)의 반사각 α는 진행광(200) 및 재생 진행광(210)의 입사각 θ보다 작은 값을 가지므로, 검출광(400)은 제1 커버 기판(CP1)을 투과하고, 제1 저 굴절층(LR1)도 투과하며, 이어서 출광 소자(VHOE),제2 커버 기판(CP1) 및 제2 저 굴절층(LR2)을 차례로 투과하여 지향성 광 기판(SLS)의 외부로 출광된다.
지향성 광 기판(SLS)의 하부 표면에 배치된 제2 저 굴절층(LR2)의 외부로 출광된 검출광(400)을 인식함으로써, 제1 커버 기판(CP1)의 상부 표면에 배치된 물체의 이미지를 판별할 수 있다.
<제1 응용 예>
지금까지는, 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치에서 지향성 광을 제공하기 위한 지향성 광 유닛을 중심으로 본 발명에 대해 설명하였다. 이하에서는, 본 발명에 의한 지향성 광 유닛을 광 인식 센서를 포함하는 평판 표시 패널과 결합하여 형성하는 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치들의 구체적인 응용 예들을 설명한다.
이하, 도 6을 참고하여, 본 발명의 제1 응용 예에 의한 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치에 대해 설명한다. 도 6은 본 발명의 제1 응용 예에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서 내장형 액정 표시장치의 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 제1 응용 예에 의한 광학식 이미지 센서 내장형 액정 표시장치는, 액정 표시 패널(LCP), 지향성 광 기판(SLS) 및 광원(LS)을 포함한다. 액정 표시 패널(LCP)은, 서로 면 합착된 하부 기판(SL)과 상부 기판(SU) 그리고 그 사이에 개재된 액정 층(LC)을 포함한다. 하부 기판(SL)에는 다수 개의 화소 영역들이 매트릭스 방식으로 배열되어 있다. 상부 기판(SU)에는 화소 영역에 대응하여 칼라 필터들이 배열되어 있을 수 있다. 혹은, 상부 기판(SU)에는 특별한 소자들이 형성되지 않은 기판일 수 있다. 여기서, 액정 표시 패널(LCP)은 수평 전계형의 경우를 도시하였다. 하지만, 이에 국한하지 않고, 다양한 액정 표시 패널에 적용할 수 있다.
화소 영역에는 화상을 표현하기 위한 화소 전극(PXL)과 공통 전극(COM)이 배치될 수 있다. 또한, 화소 전극(PXL)에 화상 신호를 선택적으로 인가하는 박막 트랜지스터(T)가 배치되어 있다. 박막 트랜지스터(T)와 이웃하여 광 센서(TS)가 배치되어 있을 수 있다. 광 센서(TS)는 각 화소 영역마다 하나씩 혹은 그 이상 배치되어 있을 수 있다. 또는 여러 화소 영역들 마다 하나씩 광 센서(TS)가 배치될 수도 있다.
액정 표시 패널(LCP)의 상부 기판(SU)의 윗면에는 본 발명의 실시 예들에서 설명한 지향성 광 기판(SLS)이 면 부착되어 있다. 지향성 광 기판(SLS)은, 커버 기판(CP), 출광 소자(VHOE), 입광 소자(CHOE), 저 굴절층(LR) 및 반사층(REF)을 포함한다. 지향성 광 기판(SLS)의 저 굴절층(LR)이 상부 기판(SU)의 상부 표면에 면 부착된다. 여기서는, 제1 실시 예에 의한 지향성 광 기판(SLS)이 액정 표시 패널(LDP)의 상부에 부착된 경우를 설명한다. 하지만, 제2 및 제3 실시 예에 의한 지향성 광 기판(SLS)을 적용할 수도 있다.
액정 표시 패널(LCP)은 스스로 빛을 낼 수 없는 비 자발광 표시 장치이다. 이 경우, 하부 기판(SL)의 하면에 백 라이트 유닛(BLU)이 배치될 수 있다. 백 라이트 유닛(BLU)의 일측변에는 입광 소자(CHOE)와 대향하도록 광원(LS)가 배치될 수 있다. 이 경우, 광원(LS)은 백 라이트 유닛(BLU)과 일체형으로 형성할 수 있다. 혹은, 광원(LS)은 별도의 구성으로 제작하여 백 라이트 유닛(BLU)의 근처에 배치할 수 있다.
액정 표시 패널(LCP)은 표시 영역(AA)과 비 표시 영역(NA)을 포함한다. 지향성 광 기판(SLS)의 출광 소자(VHOE)는 표시 영역(AA)에 대응하여 배치된다. 입광 소자(CHOE)는 비 표시 영역(NA)에 대응하여 배치된다. 또한, 광원(LS) 역시 비 표시 영역(NA)에서, 입광 소자(CHOE)에 대향하여 배치된다.
<제2 응용 예>
이하, 도 7을 참고하여, 본 발명의 제2 응용 예에 의한 광학식 이미지 센서 내장형 평판 표시장치에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 응용 예에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서 내장형 유기발광 다이오드 표시장치의 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 제2 응용 예에 의한 광학식 이미지 센서 내장형 유기발광 다이오드 표시장치는, 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP), 지향성 광 기판(SLS) 및 광원(LS)을 포함한다. 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)은, 표시 소자들이 배치된 기판(SUB)과 표시 소자를 보호하기 위한 인캡(ENC)이 서로 면 합착되어 있다. 기판(SUB)에는 다수 개의 화소 영역들이 매트릭스 방식으로 배열되어 있다. 인캡(ENC)에는 화소 영역에 대응하여 칼라 필터들이 배열되어 있을 수 있다. 혹은, 인캡(ENC)에는 특별한 소자들이 형성되지 않은 투명 기판일 수 있다. 여기서는, 상부 발광형 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)의 경우를 도시하였다. 하지만, 이에 국한하지 않고, 상부 발광형등 다양한 구조의 것을 적용할 수 있다.
화소 영역에는 화상을 표현하기 위한 유기발광 다이오드(OLE)와 유기발광 다이오드(OLE)에 화상 신호를 선택적으로 인가하는 박막 트랜지스터(T)가 배치되어 있다. 유기발광 다이오드는, 애노드 전극(ANO), 유기발광 층(OL) 및 캐소드 전극(CAT)을 포함한다. 박막 트랜지스터(T)와 이웃하여 광 센서(TS)가 배치되어 있을 수 있다. 광 센서(TS)는 각 화소 영역마다 하나씩 혹은 그 이상 배치되어 있을 수 있다. 또는 여러 화소 영역들 마다 하나씩 광 센서(TS)가 배치될 수도 있다.
유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)의 인캡(ENC)의 윗면에는 본 발명의 실시 예들에서 설명한 지향성 광 기판(SLS)이 면 부착되어 있다. 지향성 광 기판(SLS)은, 커버 기판(CP), 출광 소자(VHOE), 입광 소자(CHOE), 저 굴절층(LR) 및 반사층(REF)을 포함한다. 지향성 광 기판(SLS)의 저 굴절층(LR)이 인캡(ENC)의 상부 표면에 면 부착된다. 여기서는, 제1 실시 예에 의한 지향성 광 기판(SLS)이 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)의 상부에 부착된 경우를 설명한다. 하지만, 제2 및 제3 실시 예에 의한 지향성 광 기판(SLS)을 적용할 수도 있다.
유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)은 스스로 빛을 내는 자발광 표시 장치이다. 이 경우, 별도의 백 라이트 유닛이 필요 없다. 따라서, 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)의 일측변에 입광 소자(CHOE)와 대향하도록 광원(LS)을 배치하는 것이 바람직하다.
구체적으로 설명하면, 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)은 표시 영역(AA)과 비 표시 영역(NA)을 포함한다. 지향성 광 기판(SLS)은 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)보다 큰 크기를 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 지향성 광 기판(SLS)의 출광 소자(VHOE)는 표시 영역(AA)에 대응하여 배치된다. 입광 소자(CHOE)는 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)의 측변에서 확장된 공간 상부를 덮도록 배치한다. 그리고 광원(LS)은 그 확장된 공간 하부에 배치할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 광학식 이미지 인식 센서를 내장한 표시 장치에서는, 표시 장치의 겉면에 부착하는 커버 기판과 커버 기판의 일측 표면에 부착된 수백 ㎛ 정도에 불과한 초박형 홀로그래피 필름을 구비한다. 따라서, 표시 장치의 두께에는 영향을 주지 않고 광학식 이미지 인식 센서를 내장할 수 있다. 또한, 시준성이 높은 광을 표시 장치의 표시 패널 전체 면적에 고르게 분포하도록 하여(또는 스캔하여) 이미지를 인식할 수 있으므로, 이미지 인식 분해능이 매우 우수하여, 지문 인식과 같이 미세 이미지를 정확하게 인식할 수 있다.
본 발명에 의한 광학식 이미지 인식 센서를 내장한 표시 장치는 표시 장치의 커버 글래스 자체를 이미지 인식용 광을 제공하는 수단으로 사용하는 특징이 있다. 특히, 기존의 커버 글래스의 두께를 1/2로 박막화하고, 이 두 커버 글래스를 합착함으로써, 커버 글래스에 구비되는 데코 필름과 이미지 인식용 광을 제공하기 위한 구성 요소들 사이에 간섭없이 배치할 수 있다는 장점이 있다. 두께를 1/2로 박막화한 두장의 커버 글래스를 합착하여 사용함으로써, 표시 장치 전체의 두께를 증가하지 않으면서, 이미지 인식 기능을 구비한 표시 장치를 구현할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양하게 변경 및 수정할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
DP: 표시 패널 SLS: 지향성 광 기판
CP: 커버 기판 LS: 광원
CP1: 제1 커버 기판 CP2: 제2 커버 기판
CHOE: 입광 소자 REF: 반사층
VHOE: 출광 소자 LR1: 제1 저 굴절 층
LR2: 제2 저 굴절층 100: 입사광
110: 투과광 120: 굴절광
200: 진행광 210: 재생 진행광
300: 출사광 400: 검출광
500: 흡수광 SA: 이미지 센싱 영역

Claims (11)

  1. 표시 영역과 비 표시 영역이 정의된 표시 패널; 그리고
    상기 표시 패널을 수용하는 길이와 폭 그리고 일정한 두께를 갖고, 상기 표시 패널의 상부 표면에 부착된 지향성 광 유닛을 포함하되,
    상기 지향성 광 유닛은,
    상기 길이와 상기 폭에 대응하는 면적을 갖는 커버 기판;
    상기 커버 기판의 하부 표면에서, 상기 표시 영역의 전체 영역에 대응하여 배치된 출광 소자;
    상기 커버 기판의 하부 표면의 상기 출광 소자의 일측변에서 상기 표시 패널의 외측에 배치된 입광 소자;
    상기 출광 소자의 하부 표면 및 상기 입광 소자의 하부 표면과 상기 표시 패널의 상기 상부 표면 사이에 배치된 저 굴절층;
    상기 커버 기판의 상부 표면에서 상기 입광 소자와 대응하는 일측 표면 및 상기 일측 표면에 연결된 일측면을 덮는 반사층; 그리고
    상기 표시 패널의 상기 일측변에서 상기 입광 소자와 대향하도록 배치된 광원을 구비하며,
    상기 입광 소자는 상기 광원에서 제공되는 광을 상기 커버 기판에 대응하는 면적으로 퍼지면서 시준성을 갖는 진행광으로 전환하는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은, 상기 입광 소자의 표면에 정의된 입사점으로 입사광을 제공하며;
    상기 입광 소자는, 상기 입사광을 상기 커버 기판 내부에서 전반사하는 입사각을 갖는 상기 진행광으로 전환하여 상기 표시 패널과 대향하는 상기 커버 기판 내부로 입사시키는 홀로그래피 패턴을 구비하며; 그리고
    상기 출광 소자는, 상기 진행광의 일부를, 상기 커버 기판의 상부 표면에서는 전반사되고 상기 저 굴절층은 투과하는 조건을 만족하는, 반사각을 갖는 검출광으로 전환하는 홀로그래피 패턴을 구비하는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입사각은, 상기 출광 소자와 상기 저 굴절층과의 계면에서의 전반사 임계각, 그리고 상기 커버 기판의 상부 표면에서의 전반사 임계각보다 큰 값을 갖는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사각은, 상기 커버 기판과 공기층과의 계면에서의 전반사 임계각보다는 크고, 상기 출광 소자와 상기 저 굴절 층과의 계면에서의 전반사 임계각보다는 작은 값을 갖는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 진행광은, 상기 폭 방향 축과 상기 길이 방향 축으로 이루어진 수평 평면에서는 확산각을 가지며, 상기 길이 방향 축과 상기 두께 방향 축으로 이루어진 수직 평면에서는 시준된 상태를 유지하는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 확산각은,
    상기 입사점에서 상기 입광 소자와 대향하는 상기 커버 기판의 타측변의 두 끝점을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도 이상인 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사층은, 상기 입사광 중에서 입광 소자를 투과한 투과광을 상기 입광 소자로 반사하고,
    상기 입광 소자는, 상기 반사된 투과광을 상기 커버 기판 내부에서 전반사하는 입사각을 갖는 굴절광으로 전환하여 상기 일측면에 배치된 상기 반사층으로 제공하고,
    상기 반사층은, 상기 굴절광을 반사하여 상기 커버 기판 내부에서 전반사하는 재생 진행광으로 제공하는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 출광 소자 및 상기 입광 소자는,
    상기 커버 기판의 하부 표면에 배치된 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 출광 소자 및 상기 입광 소자는,
    상기 커버 기판의 상부 표면에 배치된 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버 기판의 상기 상부 표면 위에 배치된 상부 저 굴절층; 그리고
    상기 상부 저 굴절층 및 상기 반사층 위에 적층된 상부 커버 기판을 더 포함하는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 진행광은, 상기 저 굴절층 및 상기 상부 저 굴절층 사이에서 전반사를 이루고,
    상기 검출광은, 상기 상부 커버 기판의 상부 표면에서 전반사되어, 상기 상부 저 굴절층, 상기 커버 기판, 상기 출광 소자 및 상기 저 굴절층을 투과하여 출사되는 이미지 인식 센서 내장형 평판 표시장치.
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