KR20190028939A - 지문인식 기능을 구비한 디스플레이 - Google Patents

지문인식 기능을 구비한 디스플레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디스플레이에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따른 실시예는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 제공한다. 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는, 커버 글라스의 하부에 배치되며, 상기 커버 글라스에 접촉한 손가락의 융선 및 골을 나타내는 다양한 입사각을 갖는 빛이 통과하는 디스플레이 패널 및 상기 디스플레이 패널의 하부에 배치되며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 입사각을 갖는 검출 대상 빛을 검출하여 지문이미지를 생성하는 이미지 센서층을 포함하되, 상기 손가락이 상기 커버 글라스에 접촉할 때, 상기 융선은 상기 손가락의 피부를 통해 확산된 빛을 상기 이미지 센서층을 향해 조사하는 점광원일 수 있다.

Description

지문인식 기능을 구비한 디스플레이{Display capable of detecting finger-print}
본 발명은 디스플레이에 관한 것이다.
지문센서는 지문의 이미지를 촬영하여 전기 신호로 변환한다. 지문이미지 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.
영상이 표시되는 영역에서 지문이미지를 생성할 수 있는 디스플레이를 제공하고자 한다.
주변광의 밝기가 매우 낮은 환경에서는 디스플레이 패널을 광원으로 이용하여 지문이미지를 생성할 수 있고 그 외 환경에서는 주변광 만으로도 지문이미지를 생성할 수 있는 디스플레이가 제공된다. 여기서, 주변광 또는 패널광은 손가락의 피부를 통해 확산된다.
손가락 피부에 있는 지문의 융선은 커버 글라스와 접촉하지만 지문의 골은 커버 글라스에 비접촉하게 된다. 피부-커버 글라스간 굴절율의 차이는 공기-커버 글라스간 굴절율의 차이보다 상대적으로 작기 때문에, 지문의 융선으로부터 커버 글라스 내부로 직접 입사하는 빛의 입사각 범위는, 지문의 골로부터 공기를 거쳐 커버 글라스 내부로 입사하는 빛의 입사각 범위와 다르게 된다. 굴절률 차이로 인해 커버 글라스 내부로 입사하는 빛의 각도가 제한되는 원리를 이용하여 지문의 골로부터 나올 수 없는 빛만을 이용하여 지문이미지를 생성할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따른 실시예는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 제공한다. 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는, 커버 글라스의 하부에 배치되며, 상기 커버 글라스에 접촉한 손가락의 융선 및 골을 나타내는 다양한 입사각을 갖는 빛이 통과하는 디스플레이 패널 및 상기 디스플레이 패널의 하부에 배치되며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 입사각을 갖는 검출 대상 빛을 검출하여 지문이미지를 생성하는 이미지 센서층을 포함하되, 상기 손가락이 상기 커버 글라스에 접촉할 때, 상기 융선은 상기 손가락의 피부를 통해 확산된 빛을 상기 이미지 센서층을 향해 조사하는 점광원일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 손가락의 피부를 통해 확산되는 빛은 주변광에 의해 생성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 손가락의 피부를 통해 확산되는 빛은 상기 디스플레이 패널이 조사한 패널광에 의해 생성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서층은, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 빛을 선택하는 광 선택 구조 및 상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 검출 대상 빛을 이용하여 상기 지문이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 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 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 개재된 광 경로 연장층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 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 위치할 수 있다.
일 실시예에 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 제1 각도로 굴절시키며, 상기 제1 경사면의 경사각은 상기 제2 경사면의 경사각보다 작을 수 있다.
일 실시예에 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 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 개재된 광 경로 연장층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 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 제1 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 이미지 센서는, 상기 이미지 센서의 상면에 위치하며, 제2 각도로 굴절된 빛을 제3 각도로 굴절시키는 제2 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는 박막 트랜지스터로 형성되며, 상기 이미지 센서층은 상기 디스플레이 패널의 하면의 적어도 일부 또는 전체 영역에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 디스플레이는, 영상이 표시되는 영역에서 지문이미지를 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 지문인식 기능을 구비한 디스플레이가 결합된 전자장치의 디스플레이를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 2는 패널광 또는 주변광을 이용하여 확산방식 지문이미지 생성 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 전자장치에서 지문인식하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4는 광원으로 동작하는 디스플레이 패널을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 확산방식 지문이미지를 생성하는 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 확산방식 지문이미지를 생성하는 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5 또는 도 6에 도시된 확산방식 지문이미지를 생성하는 방법을 실행하는 센서 드라이버를 기능적으로 도시한 도면이다.
도 8은 확산방식으로 지문이미지를 생성하는 원리를 개략적으로 도시한 예시도
도 9는 도 1의 I-I'을 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 도시한 단면도로서, 확산방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 12는 제2 마이크로 렌즈에 의한 입사각 선택 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 13은 도 11의 이미지 센서층에서 검출 대상 입사각 이외의 빛이 차단되는 방식을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
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 기능, 특징, 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.
한편, 특별한 언급이 없는 한, “측면”, 또는 “수평”은 도면의 좌우 방향을 언급하기 위한 것이며, “수직”은 도면의 상하 방향을 언급하기 위한 것이다. 또한, 특별히 정의되지 않는 한, 각도, 입사각 등은 도면에 표시된 수평면에 수직한 가상의 직선을 기준으로 한다.
첨부된 도면 전체에 걸쳐서, 동일하거나 유사한 요소는 동일한 도면 부호를 사용하여 인용된다.
도 1은 지문인식 기능을 구비한 디스플레이가 결합된 전자장치를 개략적으로 도시한 예시도이다.
디스플레이는 디스플레이 패널(300), 터치 센서(미도시) 및 이미지 센서층(100) 또는 지문 센서 패키지(미도시) 등을 포함한다. 이미지 센서층(100) 또는 지문 센서 패키지는 상부의 커버 글라스(200)에 위치한 손가락(50)의 지문을 촬영하여 지문이미지를 생성한다. 이미지 센서층(100)은 디스플레이 패널(300) 하면의 적어도 일부 또는 전체에 형성되거나 부착되어 임의의 위치에서 지문이미지를 생성할 수 있다. 지문 센서 패키지는 디스플레이 패널(300)의 하면에 배치되며, 배치 위치에서 지문이미지를 생성할 수 있다. 이미지 센서층(100)과 지문 센서 패키지는 디스플레이 패널(300)의 하면에서 차지하는 면적 및/또는 지문이미지를 생성할 수 있는 위치만 상이할 뿐 동일한 원리와 구조를 가지므로, 이하에서는 이미지 센서층(100)을 중심으로 설명한다.
도 1은 전자장치(10)의 일 예로, 전면에 커버 글라스(200)가 부착된 스마트폰을 도시하고 있다. 커버 글라스(200)의 하면에는 디스플레이 패널(300)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(300) 및 상대적으로 작은 면적을 차지하는 스피커, 카메라, 및/또는 조도 센서(12)가 배치될 수 있다. 조도 센서(12)는 전자장치(10)가 위치한 공간의 주변 밝기를 감지할 수 있다. 커버 글라스(200)는 디스플레이 패널(300) 전체를 덮으며, 전자장치(10)의 종류에 따라 전자장치(10)의 전면 일부 또는 전체를 덮을 수도 있다. 디스플레이 패널(300)은 커버 글라스(200)의 하부에 위치되며, 이미지 센서층(100)은 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치된다.
디스플레이는, 디스플레이 패널(300)이 생성한 빛(이하 패널광이라 함) 및/또는 주변광을 이용하여 지문이미지를 생성할 수 있다. 여기서, 주변광은, 패널광 이외의 빛으로서, 예를 들어, 태양에 의한 직사광이나 반사광, 또는 인공조명으로부터 조사된 직사광이나 반사광일 수 있다. 주변광은, 패널광과 마찬가지로 손가락 피부에서 확산될 수 있는, 적색 이상의 파장, 예를 들어, 적색부터 근적외선 대역의 파장을 갖는 빛을 포함할 수 있다. 패널광 및/또는 주변광을 이용하여 지문이미지를 생성하는 실시예는 이하에서 도 2 내지 9을 참조하여 상세히 설명하며, 이미지 센서층(100)의 실시예는 이하에서 도 10 내지 19를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 패널광 또는 주변광을 이용하여 확산방식 지문이미지 생성 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 확산방식은, 디스플레이 패널(300)가 생성한 패널광(20) 또는 주변광(21)이 피부를 통해 확산되는 현상을 이용하여 지문이미지를 생성하는 방식이다. 피부 내부로 확산된 빛은, 지문의 융선이 커버 글라스(200)에 접촉할 때, 커버 글라스-융선의 접촉 지점으로부터 커버 글라스(200) 내부로 조사될 수 있다. 여기서, 커버 글라스-융선의 접촉 지점은 무한 점광원의 역할을 한다. 반면에, 지문의 골에서 조사된 빛은, 공기-커버 글라스(200) 계면을 통해 커버 글라스(200) 내부로 입사되므로, 제한된 각도로 굴절된다. 따라서, 융선에 의해 조사된 빛의 입사각과 골에 의해 굴절된 빛의 입사각 사이에는 중복되지 않는 범위가 존재하며, 중복되지 않는 범위의 입사각 중에서 검출 대상 입사각이 선택될 수 있다. 지문의 융선으로부터 조사된 빛을 검출하기 때문에, 확산방식 지문이미지에서 지문의 융선은 상대적으로 밝게 나타나며, 지문의 골은 상대적으로 어둡게 나타난다. 확산방식 지문이미지를 생성하는 원리는 이하에서 도 8 및 9를 참조하여 상세히 설명한다.
일 실시예로, 지문이미지를 생성하는데 필요한 패널광(20)을 생성하는 광원은 디스플레이 패널(300)일 수 있다. 디스플레이 패널(300)은 R, G, B 화소의 조합을 턴온하여 손가락을 향해 조사되는 패널광(20)을 생성할 수 있다. 여기서, 패널광(20)은, 예를 들어, 가시광선이며, 백색광 또는 적색광일 수 있다. 한편, 도 2는 손가락(50)을 향해 실질적으로 수직으로 입사하는 패널광(20)을 예시하고 있으나, 이는 간략한 표현을 위한 것일 뿐이며, 패널광(20)의 방향을 수직 방향으로 한정하는 것은 아니다. 손가락(50)이 전자장치(10)의 디스플레이 패널(300) 상의 지문 획득 영역(30)에 위치하면, 지문 획득 영역(30)의 하부에 위치한 R, G, B 화소의 조합 및/또는 지문 획득 영역(30) 이외의 영역 하부에 위치한 R, G, B 화소의 조합이 턴온될 수 있다.
다른 실시예로, 주변광(21)으로부터 지문이미지 생성에 필요한 광량이 충분히 제공되는 환경, 예를 들어, 실외에서는 디스플레이는 주변광(21)만으로 지문이미지를 생성할 수 있다. 한편, 도 2는 손가락(50)을 향해 실질적으로 수직으로 입사하는 주변광(21)을 예시하고 있으나, 이는 간략한 표현을 위한 것일 뿐이며, 주변광(21)의 방향을 수직 방향으로 한정하는 것은 아니다. 디스플레이 패널(300)을 구동하는 디스플레이 드라이버 및/또는 전자장치(10)의 어플리케이션 프로세서는 조도 센서(12)로부터 주변 밝기를 나타내는 측정값을 수신하며, 이를 이용하여 디스플레이 패널(300)을 광원으로 사용할지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 주변광(21)만으로 지문이미지를 생성할 수 있다면, 디스플레이 드라이버 및/또는 전자장치(10)의 어플리케이션 프로세서는 지문 획득 영역(30)의 하부에 위치한 R, G, B 화소의 조합 또는 지문 획득 영역(30) 이외의 영역 하부에 위치한 R, G, B 화소의 조합을 턴온시키지 않을 수 있다.
도 3은 전자장치에서 지문인식하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이고, 도 4는 광원으로 동작하는 디스플레이 패널을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전자장치(10)는, 예를 들어, 스마트폰일 수 있다. 지문인식은, 사용자를 인식 또는 인증하는데 이용될 수 있다. (a)에서, 스마트폰을 켜기 위해서, 사용자가 파워 버튼을 누르거나 디스플레이를 터치하면, 손가락(50)이 위치할 지문 획득 영역(30)이 디스플레이에 표시된다. 지문 획득 영역(30)은 임의의 위치(이미지 센서층(100)의 경우) 또는 미리 결정된 위치(지문센서 패키지의 경우)일 수 있다. 예를 들어, 지문 획득 영역(30)은 홈 버튼과 실질적으로 동일한 위치에 표시될 수 있다. 한편, (a)를 포함하여 본 명세서에서는 지문 획득 영역(30)을 직사각형으로 도시하고 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 지문 획득 영역(30)은 다양한 형상, 예를 들어, 원형, 타원형 등으로 디스플레이에 표시될 수 있다. 또한, 지문 획득 영역(30)은 임의의 패턴(예를 들어, 지문), 컬러 및 이들의 조합 중 어느 하나로 표시될 수도 있다.
(b)는 사용자가 손가락(50)을 지문 획득 영역(30)에 위치시킨 상태를 나타내며, (c)는 지문이미지를 생성할 때의 디스플레이 패널(300)의 광원 영역(31)이 턴온된 상태를 나타낸다. 도 1 및 2를 참조하여 상술한 바와 같이, 확산방식 지문이미지는 패널광(20), 주변광(21) 및 이들의 조합 중 어느 하나를 이용하여 생성될 수 있다. 따라서, 패널광(20)을 조사하는 광원 영역(31)이 반드시 턴온되어야 하는 것은 아니다.
광원 영역(31)에 위치한 R, G, B 화소의 조합은 턴온되어 패널광(20)을 손가락(50)을 향해 조사한다. 도 4의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 광원 영역(31, 32, 33)은 지문 획득 영역(30)의 하면, 좌측면, 우측면 중 어느 하나 또는 그 조합에 위치될 수 있다. 광원 영역(31, 32, 33)은 적어도 일부가 손가락(50)에 의해 가려지는 위치에 배치된다. 해상도, 최대 밝기 등과 같은 디스플레이 패널(300)의 특성, 주변광(21)의 밝기 등과 같은 환경, 및/또는 이미지 센서층/지문센서 패키지의 해상도 등과 같은 센서 특성을 고려하여 광원 영역(31, 32, 33)이 결정될 수 있다. 일 실시예로, 광원 영역(31)은 지문 획득 영역(30)과 중첩되지 않을 수 있다. 다른 실시예로, 광원 영역(31)의 적어도 일부는 지문 획득 영역(30)과 중첩될 수 있다.
한편, 지문이미지 생성시 광원 영역(31, 32, 33)을 제외한 디스플레이 패널(300)의 나머지 영역에 위치한 화소는 턴오프될 수 있다. 지문 획득 영역(30)을 기준으로 광원 영역(31)의 반대편에서 생성된 빛은 지문이미지의 품질에 영향을 줄 가능성이 있다. 지문 인식은 수십 내지 수백 마이크로초 내에 완료되며, 이중에서 지문이미지 생성에 소요되는 시간은 일부에 불과하다. 따라서 디스플레이 패널(300)의 일시적인 턴오프는 사용자에 의해 인지되지 않을 수 있다.
(d)는 지문인식이 완료된 상태를 나타낸다. 스마트폰의 사용자 인증에 지문인식이 이용된 경우, 스마트폰의 잠금이 해제될 수 있다.
도 5는 확산방식 지문이미지를 생성하는 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
단계 600에서, 디스플레이 패널(300)은 지문 검출 영역(30)을 표시한다.
단계 610에서, 이미지 센서(500)는 현재 설정(641)으로 생성한 지문이미지의 품질을 평가한다. 이미지 센서(500)는 룩업 테이블(640)을 이용하여 센서 설정을 변경할 수 있다. 룩업 테이블(640)은, 예를 들어, 실내, 실외 등과 같은 이미지 생성 조건에 따라 결정된 파라미터의 값을 포함한다. 예를 들어, 노출 시간 Exp, 이득 G 등은 한정된 광량 조건에서 이미지의 생성 및 품질에 영향을 미치는 이미지 센서(500)의 파라미터이다. 현재 설정(641)은, 이전에 선택된 센서 설정이거나 기본 센서 설정일 수 있다.
현재 설정이 적절한지를 평가할 때, 광원 영역(31)은 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 예를 들어, 주변광(21)이 지문이미지를 생성하는데 충분한지 평가하기 위해서, 광원 영역(31)은 턴오프될 수 있다. 다른 예로, 패널광(20) 및 주변광(21) 모두가 지문이미지를 생성하는데 충분한지 평가하기 위해서 광원 영역(31)이 턴온될 수도 있다.
지문이미지의 품질을 평가하기 위한 기준은 다양하게 설정 가능하다. 지문이미지의 품질 평가는, 히스토그램을 이용하여 수행될 수 있다. 그레이 스케일로 표현되는 지문이미지는, 상대적으로 밝거나 상대적으로 어두운 화소를 기준으로 지문의 패턴 및 특징점을 찾는데 이용된다. 따라서 지문이미지의 컨트라스트비가 높을수록 지문 인식에 유리하다. 실내에서 지문인식이 실행된 경우, 현재 설정(641)으로 생성된 지문이미지의 컨트라스트비는 낮을 수 있다. 따라서 이미지 센서(500)의 설정이 변경될 수 있다. 유사하게, 실외에서 지문인식이 실행된 경우, 이미지 센서(500)의 수광부가 포화될 수 있다. 따라서 이미지 센서(500)의 설정이 변경될 수 있다. 한편, 지문이미지의 컨트라스트비가 미리 결정된 기준 이상이면, 센서 설정 변경(단계 620) 및 변경된 센서 설정으로 지문이미지 생성(단계 630)은 생략되며, 지문이미지가 출력(단계 640)될 수 있다.
단계 610의 평가 결과에 따라 센서 설정의 변경이 필요하면, 단계 620에서 센서 설정이 새로운 센서 설정(642)으로 변경되며, 단계 630에서 새로운 센서 설정(642)으로 지문이미지가 생성된다. 새로운 센서 설정(642)으로 지문이미지 생성시, 광원 영역(31)은 턴온되어 패널광(20)을 생성할 수 있다. 한편, 주변광(21)만으로 지문이미지 생성이 가능하면, 광원 영역(31)은 턴오프될 수 있다.
단계 640에서, 이미지 센서(500)는 생성한 지문이미지를 출력한다. 출력된 지문이미지는 어플리케이션 프로세서에 의해 지문인식에 이용될 수 있다.
상술한 디스플레이 패널과 이미지 센서(500)의 동작은, 미리 결정된 작동 시퀀스에 따라 상호간의 통신 없이 실행될 수 있다. 한편, 상술한 디스플레이 패널과 이미지 센서(500)의 동작은, 상호간의 통신에 의해 또는 어플리케이션 프로세서의 제어에 의해 실행될 수 있다.
도 6은 확산방식 지문이미지를 생성하는 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
단계 700에서, 디스플레이 패널(300)은 지문 검출 영역(30)을 표시한다.
단계 710에서, 지문이미지 생성에 적용될 센서 설정이 결정된다. 센서 설정은 하나 이상의 조건에 의해 결정될 수 있으며, 여기에서는 조도 센서(12)가 주변광(20)의 밝기를 측정하여 생성한 측정값을 이용하는 경우가 예시되어 있다. 룩업 테이블(740)은 복수의 측정값 각각에 할당된 하나 이상의 파라미터의 값을 포함한다. 도 6의 룩업 테이블(740)은 측정값에 따라 파라미터의 값이 선형적으로 증가 또는 감소하는 경우를 예시하고 있으나, 이는 이해를 돕기 위한 예시이다.
여기서, 단계 700과 단계 710은 동시에 실행되거나, 단계 710이 단계 700 이전에 실행될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(500)는 주기적으로 또는 이벤트 발생시 조도 센서(12)로부터 측정값을 수신하여 센서 설정을 결정할 수 있다. 여기서, 이벤트는, 터치 센서가 사용자의 터치를 감지, 사용자가 파워 버튼을 누름, 또는 지문인식이 필요한 앱의 실행 등과 같이 지문인식이 필요할 수도 있는 상황을 포함한다.
단계 720에서, 센서 설정이 결정되고 이미지 센서(500)에 적용되면, 지문이미지가 생성된다. 지문이미지 생성시, 광원 영역(31)은 턴온되어 패널광(20)을 생성할 수 있다. 한편, 주변광(21)만으로 지문이미지 생성이 가능하면, 광원 영역(31)은 턴오프될 수 있다.
단계 730에서, 이미지 센서(500)는 생성한 지문이미지를 출력한다. 출력된 지문이미지는 어플리케이션 프로세서에 의해 지문인식에 이용될 수 있다.
상술한 디스플레이 패널과 이미지 센서(500)의 동작은, 미리 결정된 작동 시퀀스에 따라 상호간의 통신 없이 실행될 수 있다. 한편, 상술한 디스플레이 패널과 이미지 센서(500)의 동작은, 상호간의 통신에 의해 또는 어플리케이션 프로세서의 제어에 의해 실행될 수 있다.
도 7은 도 5 또는 도 6에 도시된 확산방식 지문이미지를 생성하는 방법을 실행하는 센서 드라이버를 기능적으로 도시한 도면이다.
전자장치(10)는, 어플리케이션 프로세서(13; 이하 AP라 함), 디스플레이 드라이버(14) 및 센서 드라이버(15)를 포함한다. 전자장치(10)는, 상술한 구성 요소 이외에도 다양한 다른 구성 요소를 포함할 수 있다. 그러나 다른 구성 요소는 본 발명과의 관련성이 낮거나, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 예측하고 그 동작을 이해할 수 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
AP(13)는 전자장치(10)의 동작에 필요한 하나 이상의 프로그램의 실행하며, 디스플레이 드라이버(14), 센서 드라이버(15)와 같은 구성 요소의 동작을 제어한다. 예를 들어, AP(13)는, 디스플레이 드라이버(14), 센서 드라이버(15) 등을 구동하여 확산방식 지문이미지를 생성하며, 생성된 지문이미지를 이용하여 지문 인식을 수행할 수 있다. 추가적으로, AP(13)는 생성된 지문이미지의 품질을 평가할 수 있다.
AP(13)는 도 5 또는 도 6에서 설명된 단계들의 적어도 일부를 수행할 수 있다.
실행중인 프로그램이 지문 인식을 요구하면, AP(13)는 디스플레이 패널(300)를 제어하여 손가락을 접촉할 지문 획득 영역(30)을 표시하도록 하거나 손가락이 접촉한 영역의 위치 정보를 터치 센서로부터 획득할 수 있다. 센서 드라이버(15)가 지문이미지를 생성할 수 있도록 하기 위해서, AP(13)는 디스플레이 패널(300)이 광원 영역(31)을 턴온하도록 구동시킬 수 있다.
디스플레이 드라이버(14)는 디스플레이 패널(300)를 구동하여 지문 획득 영역(30)을 표시하고, 광원 영역(31)의 턴온/오프를 제어한다.
센서 드라이버(15)는 이미지 센서(500)를 구동하여 확산방식 지문이미지를 생성한다. 센서 드라이버(15)는 열 디코더(151), 리드아웃 회로(152), 이미지 시그널 프로세서(153) 및 메모리(154)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(500)는 복수의 단위 화소로 구성된다. 단위 화소는 상부에 위치한 지문의 융선 또는 골에 의해 입사된 빛을 화소 전류로 변환한다.
열 디코더(151)는 이미지 센서(500)를 열 단위로 구동한다. 열 디코더(151)에 의해 선택된 열에 배치된 단위 화소들은 데이터 라인을 통해서 화소 전류를 출력한다.
리드아웃 회로(152)는 열 디코더(151)에 의해 선택된 열에 배치된 단위 화소들로부터 데이터 라인을 통해서 화소 전류를 수신한다. 리드아웃 회로(152)는 다양하게 구현 가능하며, 일반적으로 비교기, CDS(Correlated double sampling), ADC(Analog digital converter) 등을 포함한다. 리드아웃 회로(152)는 화소 전류에 상응하는 디지털 코드를 출력할 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(153)는 리드아웃 회로(152)가 출력한 디지털 코드를 이용하여 지문이미지를 생성한다. 또한, 이미지 시그널 프로세서(153)는 메모리(154)에 저장된 룩업 테이블을 이용하여 센서 설정을 변경한다. 추가적으로, 이미지 시그널 프로세서(153)는 지문이미지의 품질을 평가할 수 있다.
도 8은 확산방식으로 지문이미지를 생성하는 원리를 개략적으로 도시한 예시도로서, 도 1의 지문 획득 영역(30)의 일부를 확대하여 나타내고 있다.
도 8의 (a)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은, 지문의 융선에 의해 이미지 센서층(100)의 내부로 입사된 빛 중에서 검출 대상 입사각을 갖는 빛만이 이미지 센서층(100)의 수광부에 도달하며, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부에 도달하지 않는 구조를 가진다. 즉, 피부로 입사하면, 빛은 손가락(50)의 피부에서 무한 점광원으로 작용하게 된다. 손가락을 커버 글라스(200)에 위치하게 되면, 커버 글라스(200)에 접촉하는 부분, 예를 들어, 지문의 융선과, 커버 글라스(200)에 접촉하지 않는 부분, 예를 들어, 지문의 골은 각각 상이한 입사각 범위를 갖는 빛을 커버 글라스(200) 내부로 조사한다. 상세하게, 지문의 골에서 조사된 빛은 피부와 커버 글라스(200) 사이에 개재된 공기를 통과한 후 커버 글라스(200)로 입사하게 된다. 따라서, 공기와 커버 글라스(200)간 굴절률의 차이로 인해서, 지문의 골에서 조사된 빛의 입사각 범위는, 지문의 융선에서 커버 글라스(200)의 내부로 직접 조사된 빛의 입사각 범위보다 상대적으로 좁다. 지문의 융선으로부터 조사된 빛과 골로부터 조사된 빛 중에서, 공통되는 입사각 범위에 빛은 제외하고, 지문의 융선으로부터만 조사될 수 있는 입사각, 즉, 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 이용하여 지문이미지를 생성할 수 있다. 이하에서 (b) 내지 (d)를 참조하여 본 원리를 상세히 설명한다.
도 8의 (b)를 참조하면, 지문은 융선과 골로 구성되며, 융선은 커버 글라스(200)의 상면에 접촉하지만, 골은 커버 글라스(200)의 상면에 접촉하지 않는다. 보호 매체는 빛이 투과할 수 있는 시각적으로 투명한 매체로서 전자장치(10)의 외면이 손상되는 것을 방지한다. 이러한 보호 매체의 일 예는 휴대 전화의 전면에 부착되어 디스플레이 패널(300)을 보호하는 커버 글라스(200)이다. 이하에서는 커버 글라스(200)를 보호 매체의 일 예로 설명한다.
지문의 융선과 골은 커버 글라스(200)의 상면에서 이미지 센서층(100)의 수광부를 향해 빛을 조사하는 다중 광원의 역할을 한다. 융선과 커버 글라스(200)의 상면이 접촉하는 지점 A는 광원으로 작용하여 모든 방향으로 빛을 조사하게 되며, 커버 글라스(200)의 상면에서 커버 글라스(200)의 내부로 빛을 조사한다. 한편, 커버 글라스(200)의 상면에 접촉하지 않은 골에서 조사된 빛은 골과 커버 글라스(200) 사이의 공기를 거쳐 커버 글라스(200) 상면의 지점 B에 도달하므로, 빛은 지점 B에서 굴절된다. 따라서, 지점 A에서 커버 글라스(200)의 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θr은, 약 0도 내지 약 180도의 범위 내에 속할 수 있지만, 지점 B에서 커버 글라스(200)의 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θv는, 공기 굴절률과 커버 글라스 굴절률간 차이로 인해 커버 글라스 입사각 θr에 비해 상대적으로 좁은 범위 내에 속할 수 있다. 여기서, 커버 글라스(200)의 상면에 실질적으로 수평하게 왼쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 0도, 커버 글라스(200)의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛의 커버 글라스 입사각을 90도, 커버 글라스(200)의 상면에 실질적으로 수평하게 오른쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 180도라고 가정한다. 이하에서 커버 글라스(200) 내부로 입사된 빛의 각도를 커버 글라스 입사각이라 한다.
이미지 센서층(100)은 디스플레이 패널(300)의 하면에 형성된다. 디스플레이 패널(300)의 하면에 백라이트, 반사판 등과 같이 빛을 생성하기 위한 추가 구조가 필요한 LCD와 달리, AMOLED 디스플레이 등은 단위 화소가 빛을 직접 생성하기 때문에 추가 구조를 필요로 하지 않는다. 한편, 이러한 디스플레이 패널(300)의 단위 화소 면적의 상당 부분을 차지하는 전극 및/또는 배선은 메탈 등과 같이 빛을 차단하는 물질로 형성될 수 있지만, 전기적 절연을 위해 광학적으로 투명한 매체, 예를 들어, IMD 등에 의해 서로 이격되거나 적층되어 형성된다. 이로 인해서 전극 및/또는 배선 사이에는 빛이 통과할 수 있는 영역이 존재한다. 따라서, 커버 글라스(200)와 이미지 센서층(100) 사이에 개재된 디스플레이 패널(300)은 커버 글라스(200)로부터 입사된 빛이 통과할 수 있는 연장된 광경로를 제공할 수 있다. 다시 말해, 일반적인 커버 글라스보다 두꺼운 커버 글라스의 하면에 이미지 센서층(100)을 형성하는 것과 실질적으로 동일한 결과를 기대할 수 있다. 이하에서 상세히 설명되겠지만, 이미지 센서층(100)은 검출하고자 하는 빛의 입사각을 선택할 수 있는 구조를 가지고 있다. 따라서, 개재된 디스플레이 패널(300)에 의해 입사된 빛이 어느 정도 굴절되는 현상이 발생하더라도 빛의 입사각을 선택하는 하나 이상의 조건을 조정함으로써 디스플레이 패널(300)의 하부에서도 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 검출할 수 있다.
이미지 센서층(100)은, 커버 글라스(200)-디스플레이 패널(300)을 통과하여 이미지 센서층(100)의 상면에 입사하는 빛 중 소정의 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛을 선택한다. 도 8의 (c)는, 이미지 센서층(100)의 상면에 입사하는 빛 중에서 이미지 센서층(100)의 광 선택 구조에 의해 선택될 입사각 θr '을 갖는 빛을 나타내며, 도 8의 (d)는 입사각 θr '을 갖는 빛 중에서 최종적으로 이미지 센서(500)의 수광부에 도달하는 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛을 나타낸다. 즉, 이미지 센서층(100)의 광 선택 구조는, 소정의 입사각을 가진 빛이 수광부가 위치한 이미지 센서층(100)의 하부를 향하도록 하여 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 선택한다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛은 검출 대상 빛이라고 한다.
상세하게, 도 8의 (c)에서, 이미지 센서층(100)의 광 선택 구조는 이미지 센서층(100) 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 θr '을 갖는 빛이 선택될 수 있다. 예를 들어, 커버 글라스 입사각 θr 이 약 0도 내지 약 180도의 범위에 속하고, 커버 글라스 입사각 θv가 약 42도 내지 약 132도의 범위에 속하는 경우, 입사각 θr '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 8의 (d)에서, 광 선택 구조에 의해 선택된 빛 중 수광부로 입사될 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛이 선택될 수 있다. 예를 들어, 입사각 θr '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 광 선택 구조의 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛은 광 선택 구조 거치면서 굴절되며, 최종적으로 수광부에 입사될 때의 각도 θr은 검출 대상 입사각 θ1과 다를 수 있다. 또한, 도 8의 (c) 및 (d)는 지점 A의 좌측 방향으로 입사되는 빛을 차단하여 지문이미지를 생성하는 구조를 예시하고 있으나, 지점 A의 우측 방향으로 입사되는 빛을 차단하는 구조에서도 실질적으로 동일한 지문이미지가 생성될 수 있다.
검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛은 지문의 융선에 의해서 생성된 빛만이 가질 수 있는 각도이므로, 이를 이용하여 컨트라스트비가 상대적으로 높은 지문이미지를 생성할 수 있다. 도 8의 (b)에 도시된 것처럼, 지문이 커버 글라스(200) 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, 융선으로부터 수광부의 상면을 향해 실질적으로 수직으로 입사한 빛뿐 아니라 골로부터 수광부의 상면을 향해 실질적으로 수직으로 입사한 빛도 검출한다. 따라서 지문의 융선과 골 사이의 경계가 선명하지 않은, 컨트라스트비가 상대적으로 낮은 지문이미지를 생성한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는, 지문의 접촉면에 의해 생성된 빛 중에서 융선에 의해 생성된 빛의 적어도 일부만을 검출하는 구조를 가지고 있기 때문에, 종래의 광학식 지문센서보다 컨트라스트비가 상대적으로 높은 지문이미지를 생성할 수 있다.
도 9는 도 1의 I-I'을 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 도시한 단면도로서, 확산방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 전자장치는 보호 매체, 터치 센서, 편광 필름, 디스플레이 패널(300) 및 이미지 센서층(100)이 적층된 구조를 갖는다. 커버 글라스(200)는 지문의 융선으로부터 조사된 빛이 디스플레이 패널 내부로 효과적으로 입사할 수 있도록 하기 위하여 백색광 또는 적색광과 같은 가시광선을 이용할 수 있다.
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 θi1은, 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 이미지 센서층(100)으로 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 θi1을 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 θi1을 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)와 디스플레이 패널(300)을 통과한다. 이로 인해 검출 대상 빛(323)이 커버 글라스(200)의 상면에서 입사하는 지점과 이미지 센서층(100)에 입사하는 지점이 상이한 수직선상에 위치하게 된다. 검출 대상 빛(323)이 커버 글라스(200)의 상면에서 입사하는 지점과 이미지 센서층(100)에 입사하는 지점간 수평 거리는, 커버 글라스(200)의 두께 및 디스플레이 패널(300)의 두께를 합친 총 두께 Ttotal과 빛(323)의 검출 대상 입사각 θ1에 의해 결정될 수 있다. 즉, 총 두께 Ttotal가 증가하거나, 검출 대상 입사각 θ1이 증가하면, 수평 거리가 증가할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410) 및 제1 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410) 및 제1 마이크로 렌즈(430)는 커버 글라스(200)-디스플레이 패널(300)을 통과하여 이미지 센서층(100) 내부를 향해 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
도 10의 (a)에서, 프리즘 시트(410)는 제1 경사면(411)과 제2 경사면(412)을 포함한다. 교번하게 배치된 제1 경사면(411)과 제2 경사면(412)은 교번하게 프리즘 산과 프리즘 골을 형성한다. 프리즘 산은 제1 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 굴절시킨다. 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 10의 (a)에서, 프리즘 시트(400)의 상면(415)에 수직한 직선에 대한 제1 경사면(411)의 경사각은 θP1이며, 프리즘 시트(400)의 상면(415)에 수직한 직선에 대한 제2 경사면(412)의 경사각은 θP2이다. 첨부된 도면에 도시된 실시예는 θP1과 θP2가 상이하게 표현되어 있으나, θP1과 θP2은 실질적으로 동일할 수도 있다. 첨부된 도면에 도시된 실시예에서, θP1은 약 15도 내지 약 20도이며, θP2는 약 30도 내지 50도인 것으로 가정한다. θP2가 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 θP1+θP2이며, 내각 θP1+θP2 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.
도 10의 (b)에서, 제1 마이크로 렌즈(430)는 프리즘 시트(410)를 통과한 빛을 굴절시켜 이미지 센서층(100)의 하부, 즉, 이미지 센서(500)를 향하게 한다. 제1 마이크로 렌즈(430)에 의한 입사각 선택성을 높이기 위해서, 제1 마이크로 렌즈(430)와 이미지 센서(500) 사이에 광 경로 연장층(420)이 개재될 수 있다. 광 경로 연장층(420)의 두께는, 예를 들어, 제1 마이크로 렌즈(430)의 중심부 두께의 약 5배 이상일 수 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 제1 마이크로 렌즈(430)의 구면 수차, 검출 대상 입사각 등 다양한 요인에 의해 증가하거나 감소할 수 있다. 여기서, 제1 마이크로 렌즈(430)와 광 경로 연장층(420)의 굴절률은 실질적으로 동일할 수 있다. 한편, 광 경로 연장층(420) 상면 중 제1 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 차단할 수 있다.
광 차단층(450)은 광 경로 연장층(420)과 이미지 센서(500) 사이에 개재된다. 광 차단층(420)의 상면의 적어도 일부는 광 경로 연장층(420)의 하면에 접하며, 광 차단층(420)의 하면의 적어도 일부는 이미지 센서(500)에 접한다. 이하에서 상세히 설명되겠지만, 이미지 센서(500)의 상면에는 제2 마이크로 렌즈(530)가 형성된다. 따라서, 실질적으로 평평한 상면과 달리, 광 차단층(450)의 하면은 제2 마이크로 렌즈(530)의 양각 곡면에 대응하는 음각 곡면으로 형성된다.
광 경로 연장 영역(460)은, 광 차단층(420)의 상면으로부터 하면까지 연장되며, 내부에는 광 경로 연장층(420) 또는 이미지 센서(500)의 굴절율과 상이한 굴절율을 가진 물질, 예를 들어, 공기 등으로 충진될 수 있다. 광 경로 연장 영역(460)으로 인해서, 광 차단층(450)은 광 선택 구조(400)를 이미지 센서(500)로부터 소정 거리만큼 이격시킬 수 있다.
하나의 제1 마이크로 렌즈(430)에 대응하는 복수의 제2 마이크로 렌즈(530)가 이미지 센서(500)의 상면에 형성된다. 상세하게, 프리즘 피치와 제1 마이크로 렌즈(430)의 피치는 실질적으로 동일하며, 제1 마이크로 렌즈 피치 내에 복수의 제2 마이크로 렌즈(530)가 형성될 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(530)의 최대 폭은 제1 마이크로 렌즈(430)의 최대 폭보다 작을 수 있다. 첨부된 도면에서는 제1 마이크로 렌즈(430)의 개수 대 제2 마이크로 렌즈(530)의 개수의 비율이 1:5 또는 1:10인 구조가 예시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 다양한 비율이 적용될 수 있다.
수광부(520)로 입사하는 빛의 광량을 증가시키기 위한 마이크로 렌즈의 일반적인 용도 대신에, 본 이미지 센서층(100)에서는 특정각의 빛만 수광부(520)에 입사시키기 위한 용도로 제1 마이크로 렌즈(430) 및 제2 마이크로 렌즈(530)를 이용한다. 제1 마이크로 렌즈(430)는 프리즘 시트(410)의 하부에 위치하여 프리즘 시트(410)으로부터 이격된다. 이로 인해서, 프리즘 시트(410) 또는 제1 마이크로 렌즈(430)의 굴절율과 상이한 굴절율을 가진 물질, 예를 들어, 공기가 프리즘 시트(410)와 제1 마이크로 렌즈(430) 사이에 개재될 수 있다. 프리즘 시트-공기간 굴절률의 차이 및 공기-마이크로 렌즈간 굴절률의 차이를 이용하여, 커버 글라스(200)의 상면에서 조사된 빛 중 검출 대상 빛은 적절하게 설계된 광 경로를 통과하도록 하며, 검출 대상 입사각을 갖지 않는 빛은 광 경로를 벗어나도록 할 수 있다.
한편, 제2 마이크로 렌즈(530)는 광 차단층(450)의 하부에 위치하여 광 경로 연장층(420)으로부터 이격된다. 상술한 바와 같이, 광 경로 연장 영역(460)은, 광 경로 연장층(420) 또는 이미지 센서(500)의 굴절율과 상이한 굴절율을 가진 물질, 예를 들어, 공기 등이 충진되어 있다. 따라서 광 경로 연장층(420)-광 경로 연장 영역(460)간 굴절율의 차이로 인해서, 광 경로 연장층(420)으로부터 광 경로 연장 영역(460)으로 입사하는 빛이 굴절된다. 복수의 제2 마이크로 렌즈(530) 중 적어도 하나는 굴절된 빛 중에서 검출 대상 빛을 수광부(520)로 향하도록 굴절시키며, 검출 대상 입사각을 갖지 않는 빛은 수광부(520)를 벗어나도록 굴절시킨다.
이미지 센서(500)는 기판(510)에 형성된 수광부(520), 수광부(520)의 상부에 형성된 제2 마이크로 렌즈(530), 및 수광부(520)의 상부 또는 하부에 형성되는 메탈층(미도시)을 포함한다. 수광부(520)는 제2 마이크로 렌즈(530)의 하부에 위치하며, 입사한 빛을 검출하여 화소 전류를 생성한다. 생성된 화소 전류는 메탈층에 의해 외부로 출력될 수 있다.
입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 제1 마이크로 렌즈(430)의 중심, 제2 마이크로 렌즈(530)의 중심 및 수광부(520)의 중심은 일치하지 않을 수 있다. 도 6에서, 수광부(520)는 제2 마이크로 렌즈(530)의 우측 하부에 위치하며, 제2 마이크로 렌즈(530)는 제1 마이크로 렌즈(430)의 우측 하부에 위치한다. 여기서, 수광부(520)의 위치는 제2 마이크로 렌즈(530)에 의해 마지막으로 굴절된 검출 대상 빛이 도달할 수 있는 위치이며, 검출 대상 입사각, 제1 마이크로 렌즈(430)의 굴절율, 제2 마이크로 렌즈(530)의 굴절율, 광 경로 연장층(420)의 높이, 광 경로 연장 영역(460)의 높이, 제2 마이크로 렌즈(530)-수광부(520)간 거리, 제2 마이크로 렌즈(530)의 중심-수광부(520)의 중심간 거리 등과 같은 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 이러한 배치를 통해서, 이미지 센서층(100)의 입사각 선택성이 향상될 수 있다.
한편, 입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(520)의 폭은 제2 마이크로 렌즈(530)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 제2 마이크로 렌즈(530)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 하면에 도달하게 된다. 일 실시예로, 수광부(520)의 폭은, 예를 들어, 제2 마이크로 렌즈(530)의 폭의 약 70% 이하일 수 있다.
광 경로를 형성하며 전기 배선을 위한 메탈층은 제2 마이크로 렌즈(530)와 수광부(520) 사이에 형성(BSI(Back Surface Illumination) 구조)될 수 있다. 한편, 수광부(520)의 하부에 형성된 메탈층은 전기 배선의 역할(FSI(Front Surface Illumination) 구조)만을 할 수 있다. 메탈층을 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, 제2 마이크로 렌즈(530)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.
이하에서는, 이미지 센서층(100)으로의 입사각에 따라 검출 대상 빛이 선택되는 방식을 설명한다.
도 10의 (b)는 이미지 센서층(100)으로의 입사각 θ에 따라 수평 방향으로 상이한 위치에 도달하게 되는 빛(323, 323, 324)을 예시하고 있다. 이하에서, 입사각은, 디스플레이 패널(300)의 하면으로부터 이미지 센서층(100)에 입사될 때의 빛의 진행 방향과 프리즘 시트(410)의 상면(415)에 수직한 직선 사이의 각도를 의미한다.
검출 대상 입사각 θ1보다 큰 입사각 θ를 갖는 빛(322)은 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411) 및 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 시계 방향으로 굴절된다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ1은 커버 글라스(200)에서 조사될 때의 커버 글라스 입사각과 실질적으로 동일하다. 검출 대상 입사각 θ1보다 큰 입사각 θ를 갖는 빛(322)이 제1 경사면(411)에서 굴절되어 제1 마이크로 렌즈(430)로 입사되는 비율은 다른 빛(323, 324)에 비해 낮다. 기본적으로, 빛(322)은 제1 경사면(411) 중 지점 f부터 프리즘 시트의 골(414b) 사이로 입사할 수 있는데, 이는 지점 f부터 제1 경사면(411)의 산(413a)을 향해 진행하는 빛(322)은 제1 경사면(411)의 좌측에 위치한 프리즘 시트(410)의 골(414a)에 의해 차단되기 때문이다. 그러나, 제1 경사면(411) 중 지점 d와 프리즘 시트의 골(414b) 사이로 입사한 빛(322)은 굴절되어 인접한 제1 마이크로 렌즈(430) 사이의 영역을 향하게 된다. 그 영역에 흡광층(440)이 형성된 경우, 굴절된 빛(3221)은 흡광층(440)에 의해 차단된다. 또한, 지점 e부터 지점 d 사이로 입사한 빛(322)은 굴절되어 제1 마이크로 렌즈(430)를 향하지만, 지점 g에서 제1 마이크로 렌즈(430)로의 입사각이 급격히 증가하므로, 지점 g를 지나서 제1 마이크로 렌즈(430)의 우측을 향하는 굴절된 빛(3221)은 실질적으로 반사된다. 따라서 제1 경사면(411)의 지점 f부터 지점 e 사이로 입사하는 빛(322)만이 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절되어 이미지 센서(500)를 향하게 된다. 제1 경사면(411)의 지점 f부터 지점 e 사이로 입사하여 제1 경사면(411) 및 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3222)은 지점 f4를 향하지만, 광 차단층(450)에 의해 차단된다.
검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛(323)은 제1 경사면(411)에서 제1 마이크로 렌즈(430)를 향해 시계 방향으로 굴절된다. 여기서, 프리즘 시트(410)의 굴절률이 공기의 굴절률보다 상대적으로 크기 때문에, 제1 경사면(411)에서의 굴절각이 입사각보다 상대적으로 크다.
제1 경사면(411)으로부터 나온 빛(3231)은 제1 마이크로 렌즈(430)에서 이미지 센서(500)를 향해 굴절된다. 제1 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 제1 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각은 실질적으로 20도 이하일 수 있다. 제1 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 이미지 센서(500)를 향하게 되며, 빛(3231)은 지점 c에서 반시계 방향으로 굴절되어 이미지 센서(500)를 향하게 된다. 지점 b에서 우측으로 입사하는 빛(3231)의 입사각은 제1 마이크로 렌즈(430)로의 입사각이 급격히 커지므로, 지점 b를 지나서 제1 마이크로 렌즈(430)의 우측을 향하는 굴절된 빛(3231)은 실질적으로 반사된다. 여기서, 빛(3231)은 공기를 통해 제1 마이크로 렌즈(430)로 입사하며 공기의 굴절률이 마이크로 렌즈의 굴절률보다 상대적으로 작기 때문에, 제1 마이크로 렌즈(430)에 의한 굴절각은 제1 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각보다 상대적으로 작다.
제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3232)는 광 경로 연장층(420)의 하면을 통해서 광 경로 연장 영역(460)으로 입사하여 제2 마이크로 렌즈(530)를 향해 반시계 방향으로 굴절된다. 여기서, 광 경로 연장층(420)의 굴절률이 광 경로 연장 영역(460)의 굴절률보다 상대적으로 크기 때문에, 광 경로 연장층(420)의 하면에서의 굴절각이 입사각보다 상대적으로 크다.
제2 마이크로 렌즈(530)에 의해 굴절된 빛(3234)은 입사각 θ2로 수광부(520)에 도달한다. 제2 마이크로 렌즈(530)의 구면 수차는, 빛(3233)이 제2 마이크로 렌즈(530)에 의해 굴절되어 입사될 때, 수광부(520)를 향할 수 있도록 결정된다.
검출 대상 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ를 갖는 빛(324)은 제1 경사면(411)에서 제1 마이크로 렌즈(430)를 향해 굴절된다. 빛(324)의 입사각 θ가 작아지면, 제1 경사면(411)에 대한 입사각이 커지게 된다. 제1 경사면(411)에 대한 입사각이 전반사각보다 커지면, 빛(324)는 제1 경사면에서 전반사된다. 빛(324)의 입사각 θ가 작아질수록 제1 경사면(411)에 의해 굴절된 빛(3241)은 제1 마이크로 렌즈(430)의 좌측을 향하게 된다. 제1 마이크로 렌즈(430)의 좌측에 입사한 빛(3241)은 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절되어 이미지 센서(500)를 향하게 된다. 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3242)은 지점 f3를 향하지만, 광 차단층(450)에 의해 차단된다.
도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 10과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 10과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410a) 및 제1 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410a) 및 제1 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
도 11의 (a)에서, 프리즘 시트(410a)는 자기 정렬(self-align) 및 자기 지지(self-support) 구조를 가진다. 도 10의 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 인접한 두 개의 제1 마이크로 렌즈(430)간 거리와 실질적으로 동일하거나 작을 수 있다. 따라서 프리즘 시트(410a)의 하면(416)을 제1 마이크로 렌즈(430) 사이에 배치하는 것만으로 프리즘 시트(410a)와 제1 마이크로 렌즈(430)가 정렬될 수 있다. 또한, 실질적으로 평평한 하면(416)에 의해 프리즘 시트(410a)가 지지될 수 있으므로, 프리즘 시트(410a)를 지지 또는 고정하기 위한 별도의 구조가 요구되지 않는다.
도 12는 제2 마이크로 렌즈에 의한 입사각 선택 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 12를 참조하면, (a)는 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛(323)이 제1 경사면(411)-제1 마이크로 렌즈(430)-광 경로 연장 영역(460)에서 굴절되어 제2 마이크로 렌즈(530) 상의 상이한 지점 a1, a, a2, a3에 입사하는 경우를 예시하고 있으며, (b)는 상이한 입사각 θ를 갖는 빛이 제1 경사면(411)-제1 마이크로 렌즈(430)-광 경로 연장 영역(460)에서 굴절되어 제2 마이크로 렌즈(530) 상의 동일한 지점에 입사하는 경우를 예시하고 있다. 상술한 바와 같이, 입사각 선택성을 높이기 위해서, 제2 마이크로 렌즈(530)의 중심과 수광부(520)의 중심은 동일한 수직선상에 배치되지 않았으며, 수광부(520)의 폭은 제2 마이크로 렌즈(530)의 폭에 비해 상대적으로 작다.
동일한 입사각으로 제2 마이크로 렌즈(530)에 도달하더라도 도달 지점에 따라 빛(3233)의 굴절각이 달라진다. 지점 a에서의 입사각 및 굴절각을 기준으로 보면, 지점 a1은 지점 a의 좌측에 위치하므로, 지점 a1에서의 입사각 및 굴절각은 지점 a에서의 입사각 및 굴절각보다 상대적으로 작다. 따라서, 굴절된 빛(3234a1)은 수광부(520)의 좌측으로 진행한다. 지점 a2는 지점 a의 우측에 위치하므로, 지점 a2에서의 입사각 및 굴절각은 지점 a에서의 입사각 및 굴절각보다 상대적으로 크다. 따라서 굴절된 빛(3234a2)은 수광부(520)의 우측으로 진행한다. 한편, 지점 a3부터 오른쪽으로 향하는 빛은 입사각이 급격히 커지므로, 빛(3233)은 실질적으로 반사된다.
한편, 제2 마이크로 렌즈(530) 상의 동일한 지점에 도달하더라도 입사각이 다르면 굴절각 역시 달라진다. 지점 a에서, 빛(3223)의 입사각은 빛(3233)의 입사각보다 크며, 이로 인해 굴절된 빛(3224)은 수광부(520)의 우측으로 진행한다. 지점 a에서, 빛(3243, 3253)의 입사각은 빛(3233)의 입사각보다 작으며, 이로 인해 굴절된 빛(3244, 3254)은 수광부(520)의 좌측으로 진행한다.
따라서, 제1 마이크로 렌즈 피치 내에 복수의 제2 마이크로 렌즈가 배치되더라도, 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 검출하는 수광부(520)의 개수는 최소화될 수 있다. 즉, 제1 경사면(411), 제1 마이크로 렌즈(430), 광 경로 연장 영역(460), 및 제2 마이크로 렌즈(530)에 의해 선택된 빛은, 제1 마이크로 렌즈 피치 내에 복수의 수광부(520) 중 어느 하나에 의해서 검출될 수 있다. 경우에 따라서는, 둘 이상의 수광부(520)가 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 검출하거나 둘 이상의 수광부(520)가 서로 상이한 입사각(그 중 하나는 검출 대상 입사각)을 갖는 빛을 검출할 수도 있다. 그러나 수광부(520)에 도달한 빛의 광량에 차이가 발생할 수 있기 때문에, 각 수광부(520)가 생성하는 화소 전류에도 차이가 발생할 수 있다. 따라서 둘 이상의 수광부(520)에 의한 노이즈는 ISP(Image Signal Processor) 등에 의해 제거될 수 있다.
도 13은 도 11의 이미지 센서층에서 검출 대상 입사각 이외의 빛이 차단되는 방식을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 13을 참조하면, (a)는 이미지 센서층(100)을 향해 수직으로 또는 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사하는 빛의 경로를 예시하고 있으며, (b)는 흡광층(440)이 생략된 구조에 입사된 빛의 경로를 예시하고 있다.
(a)에서, 이미지 센서층(100)을 향해 수직으로 입사한 빛(325a, 325b)은, 제1 경사면(411) 또는 제2 경사면(412)에서 전반사된다. 제1 경사면(411)의 지점 P11로 입사한 빛(325a)의 입사각은 전반사각 이상이며, 마찬가지로, 제2 경사면(412)의 지점 P12로 입사한 빛(325b)의 입사각 역시 전반사각 이상이다. 제1 경사면(411) 및 제2 경사면(412)는 실질적으로 평면이므로, 지점 P11과 지점 P12의 위치에 상관없이 이미지 센서층(100)에 수직으로 입사한 빛(325a, 325b)은 제1 경사면(411) 및 제2 경사면(412)에서 모두 전반사된다. 도시되진 않았으나, 흡광층(440)을 향해 수직으로 입사한 빛은 흡광층(440)에 의해 흡수될 수 있다.
검출 대상 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ를 갖는 빛(326)은 제2 경사면(412)상의 지점 P21에서 제1 마이크로 렌즈(430)를 향해 반시계 방향으로 굴절된다. 빛(326)의 입사각 θ가 작아지면, 제2 경사면(412)에 대한 입사각이 커지게 된다. 따라서 빛(326)의 입사각 θ가 작아질수록, 제2 경사면(412)에 의해 굴절된 빛이 제1 마이크로 렌즈(430)에 입사하는 지점 P22, 23은 우측으로 이동하게 되며, 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛의 초점 역시 우측으로 이동하게 된다. 한편, 빛(326)이 제2 경사면(412)에서 굴절되어 지점 P23의 좌측으로 입사한 경우, 제1 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각이 급격히 커지므로, 실질적으로 반사된다. 도시된 바와 같이, 빛(326)이 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 통과하게 되는 광 경로는 광 차단층(450)상에 있기 때문에, 빛(326)은 이미지 센서(500)의 수광부(520)에 도달하지 못한다.
검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛(327a, 327b)은 제2 경사면(412)상의 지점 P31에서 제1 마이크로 렌즈(430)를 향해 반시계 방향으로 굴절될 수 있다. 검출 대상 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ를 갖는 빛(326)과 마찬가지로, 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛(327a)이 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 통과하게 되는 광 경로는 광 차단층(450) 상에 있기 때문에, 빛(327a)은 이미지 센서(500)의 수광부(520)에 도달하지 못한다. 한편, 지점 P31의 좌측으로 빛(327a)은 제2 경사면(412)에 의해 굴절될 수 있으며, 제1 마이크로 렌즈(430)에 입사하는 지점은 지점 P33의 좌측이다. 지점 P33의 좌측으로 입사할 경우, 제1 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각이 급격히 커지므로, 실질적으로 반사된다. 한편, 지점 P32로 입사한 빛(327b)은 제1 경사면(411)상의 지점 P33에 도달하게 되며, 제1 경사면(411)에서 실질적으로 반사된다. 지점 P33에서 반사된 빛은 제1 마이크로 렌즈(430)에 입사하게 되지만, 도 6에서 설명한 바와 같이, 광 차단층(450)에 의해 차단되는 입사각으로 제1 마이크로 렌즈(430)에 입사하게 된다.
검출 대상 입사각 θ1보다 큰 입사각 θ를 갖는 빛(328)은 제2 경사면(412)에서 제1 마이크로 렌즈(430)를 향해 시계 방향으로 굴절된다. 제2 경사면(412) 상의 지점 P41에서 굴절된 빛은 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 시계 방향으로 굴절되어 이미지 센서층(100)을 향하지만, 대부분의 빛은 광 차단층(450)에 의해 차단된다. 광 차단층(450)에 의해 차단되지 않은 일부의 빛은 제2 마이크로 렌즈(530)에 도달할 수 있지만, 제2 마이크로 렌즈(530)에 의해 굴절된다. 이 때, 제2 마이크로 렌즈(530)에 의해 굴절된 빛의 광 경로는, 도 10에 도시된 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛의 광 경로와 다르다. 한편, 제2 경사면(412) 상의 지점 P42에서 굴절된 빛은 제1 마이크로 렌즈(430) 상의 지점 P43에 입사하게 되지만, 실질적으로 반사된다. 지점 P42의 좌측으로 입사한 빛은 제1 경사면(411)에 도달하며, 제1 경사면(411)에 의해 굴절되어 프리즘 시트(410a) 내부로 입사된다.
(b)에서, 제1 마이크로 렌즈(430) 사이에 흡광층(440)이 배치되지 않은 경우에도 도 10 또는 도 11에 도시된 구조의 입사각 선택성이 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 마이크로 렌즈간 영역(441)은 프리즘 시트(410a)와 광 경로 연장층(420)의 계면이며, 통과하는 빛이 다소 굴절될 수도 있지만, 여기에서는 설명의 편의를 위해 굴절없이 통과하는 것으로 가정하고 설명한다.
검출 대상 입사각 θ1보다 큰 입사각 θ의 대부분 또는 전부는, 그 입사각을 갖는 빛(322)이 제1 경사면(411)을 향하도록 한다. 따라서 그러한 빛(322)은 마이크로 렌즈간 영역(441)에 입사하지 못한다. 한편, 검출 대상 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ의 적어도 일부는, 그 입사각을 갖는 빛(324)이 마이크로 렌즈간 영역(441)을 향하게 한다. 하지만, 대부분의 빛(324)은 광 차단층(450)에 의해 차단된다. 또한, 마이크로 렌즈간 영역(441) 상의 지점 P5의 좌측을 통과할 경우, 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛(323)도 광 차단층(450)에 의해 차단된다.
검출 대상 입사각 θ1을 빛(323)의 일부 및 검출 대상 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ을 갖는 빛(324)의 일부는, 광 경로 연장 영역(460)에 입사할 수 있다. 그러나 제1 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛이 광 경로 연장 영역(460)에 입사할 때와 다른 입사각으로 광 경로 연장 영역(460)에 입사한다. 따라서, 도 6에 도시된 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛의 광 경로와는 다른 경로로 제2 마이크로 렌즈(530)에 입사하거나 광 경로 연장층-광 경로 연장 영역의 계면에서 반사된다.
한편, 마이크로 렌즈간 영역(441)에 수직으로 입사한 빛(325)의 일부는 광 차단층(450)에 의해 차단되지만, 차단되지 않은 나머지 빛은 수직으로 제2 마이크로 렌즈(530)에 입사할 수 있다. 입사한 빛은 제2 마이크로 렌즈(530)에 의해 초점에 집중된다. 그러나 수광부(520)는 제2 마이크로 렌즈(530)의 중심으로부터 이격되어 있고 수광부(520)의 폭 역시 상대적으로 작기 때문에, 초점에 집중된 빛은 수광부(520)에 의해 검출되지 않는다. 즉, 수광부(520)를 마이크로 렌즈(430, 530)의 중심과 일치시키지 않음으로써, 직진광에 의한 영향을 제거 또는 감소시킬 수 있게 된다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 10 및 11과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 10 및 11과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 14를 참조하면, 이미지 센서층(100)의 모서리 부분의 단면이 도시되어 있다. 도 10 또는 도 11에 도시된 광 차단층(450)과 달리, 광 차단층(451)의 하면은 실질적으로 평평하며, 광 차단층(451)의 하면 일부만 제2 마이크로 렌즈(530)에 접촉한다. 광 차단층(451)이 제2 마이크로 렌즈(530)에 밀착되지 않았지만, 빛은 광 차단층(451)의 상면에 의해 차단되기 때문에 기능에 차이는 발생하지 않는다.
한편, 이미지 센서(500)를 광 선택 구조(400)로부터 일정 거리 이격시키기 위해서, 이미지 센서(500)와 광 선택 구조(400) 사이에 외곽 스페이서(451a, 451b)가 형성된다. 광 차단층(451)은 제2 마이크로 렌즈(530)와 직접 접촉하지만, 외곽 스페이서(451a, 451b)가 위치한 영역에는 제2 마이크로 렌즈(530)가 형성되지 않을 수 있다.
광 차단층(451)과 외곽 스페이서(451a, 451b)의 높이는 상이할 수 있으며, 외곽 스페이서(451a, 451b)가 광 차단층(451)보다 높게 형성될 수 있다. 도 11에서 설명된 과정 중, (b)는 생략될 수 있으며, 대신에 외곽 스페이서(451a, 451b)에 대응하는 영역의 높이를 증가시키는 과정이 추가될 수 있다. 도 14에서, 외곽 스페이서(451a)는 광 차단층(451)과 동시에 형성되며, 외곽 스페이서(451b)는 외곽 스페이서(451a)가 형성된 영역에 광 차단 물질을 증착하여 형성될 수 있다. 여기서, 외곽 스페이서(451b)의 높이는 제2 마이크로 렌즈(530)의 최대 높이와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 10, 11 및 14와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 10, 11 및 14와의 차이점을 위주로 설명한다.
도 10 및 11을 다시 참조하면, 검출 대상 입사각을 갖지 않는 빛은 광 차단층(450)에 의해 차단되지만, 차단되지 않고 진행하더라도 검출 대상 빛과는 상이한 위치에 집중됨을 알 수 있다. 따라서 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411)-제1 마이크로 렌즈(430)- 광 경로 연장 영역(460)-제2 마이크로 렌즈(530)를 포함하는 광 경로만으로도 검출 대상 빛을 충분히 검출할 수 있다. 그러나 광 차단층(450)이 없는 구조에서는, 다양한 요인으로 인해서, 검출 대상 입사각 이외의 입사각을 갖는 빛이 하나 이상의 수광부에 도달할 가능성이 있다
도 15의 (b)는 하나의 제1 경사면(411) 및 하나의 제1 마이크로 렌즈(430)를 통과한 빛이 도달할 수 있는 수광부 어레이를 나타낸다.
각 수광부는 입사한 빛의 광량이 다름을 나타내기 위해서, 간격이 다른 패턴으로 표시되어 있다. 여기서, 패턴의 간격이 좁을수록 상대적으로 많은 광량이 집중되었으며, 간격이 넓을수록 상대적으로 적은 광량이 집중되었음을 나타낸다. 도 15의 (a)을 함께 참조하면, 수광부 (R3, C3)가 주변의 다른 수광부에 비해 상대적으로 많은 광량이 집중되었음을 알 수 있다. 한편, 수광부 (R3, C3)와 동일한 컬럼에 위치한 수광부 (R2, C3) 및 (R4, C3)는, 수광부 (R3, C3)에 비해 상대적으로 작은 광량이 집중되며, 컬럼 C3에 인접한 다른 컬럼에 위치한 수광부는 수광부 (R2, C3) 및 (R4, C3)에 비해 상대적으로 작은 광량이 집중된다.
즉, 하나의 제1 경사면(411) 및 하나의 제1 마이크로 렌즈(430)를 통과한 빛이 복수의 수광부에 도달하더라도 수광부마다 집중되는 광량이 상이하게 된다. 수광부가 생성하는 화소 전류의 크기는 집중된 광량에 실질적으로 비례한다. 따라서, CIS 내부에서 최대 크기의 화소 전류만을 선택하여 선명한 지문 이미지가 생성되거나 CIS 이후 단에서 이미지 신호 처리를 통해 선명한 지문 이미지가 생성될 수 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 10과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 10과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 16의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 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 이미지 센서층(100) 내부를 향해 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
도 16의 (a)에서, 프리즘 시트(410b)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, 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.
도 16의 (b)에서, 마이크로 렌즈(430)는 프리즘 시트(410b)를 통과한 빛 중 검출 대상 빛을 굴절시켜 수광부(520)를 향하게 한다. 마이크로 렌즈(430)는 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광 경로(545)에 대응하도록 메탈층(540)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(540)을 포함한다.
수광부(520)는 마이크로 렌즈(430)의 하부에 위치하며, 입사한 빛을 검출하여 화소 전류를 생성한다. 광 경로(545)를 형성하며 전기 배선을 위한 메탈층(540)이 마이크로 렌즈(430)와 수광부(520) 사이에 개재된다.
메탈층(540)은 마이크로 렌즈(430)의 하부에 형성될 수 있다. 메탈층(540)을 구성하는 복수의 메탈 라인은 수광부(520)에 제어 신호를 전달하거나 수광부(520)가 생성한 화소 전류를 외부로 인출하기 위한 전기 배선을 형성한다. 한편, 도시되지 않았으나, 메탈층(540)은 수광부(520) 하부의 기판(510)에 형성될 수도 있다. 즉, BSI(Back Surface Illumination) 구조의 CIS 뿐 아니라, FSI(Front Surface Illumination) 구조의 CIS로도 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 구현할 수 있다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 10, 11 및 16과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 10, 11 및 16과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 17의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410c) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410c) 및 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
도 17의 (a)에서, 프리즘 시트(410a)는 자기 정렬(self-align) 및 자기 지지(self-support) 구조를 가진다. 도 16의 프리즘 시트(410b)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 평평한 하면(416)에 의해 프리즘 시트(410a)가 지지될 수 있으므로, 프리즘 시트(410a)를 지지 또는 고정하기 위한 별도의 구조가 요구되지 않는다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 11 및 17과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 11 및 17과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 18을 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 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.
프리즘 시트(410a)는 자기 정렬(self-align) 및 자기 지지(self-support) 구조를 가진다. 상술한 바와 같이, 도 16 또는 도 17의 제2 경사면(412)에 형성된 흡광층은, 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛(327)을 흡수하여 이 방향의 빛이 이미지 센서(500)에 입사하지 않도록 한다. 상세하게, 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 이미지 센서층(100)에 입사한 빛(327)의 일부는 프리즘 시트(410a)의 제2 경사면(412)에 의해 굴절되어 마이크로 렌즈(430)에 입사할 수 있다. 그러나 굴절된 빛(327)은 흡광층(470b)에 의해 흡수되어 이미지 센서(500)로 입사하지 못해야 한다.
우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛(327)을 차단하기 위해서, 적어도 하나의 흡광층(470a, 470b)이 광 경로 연장층(420) 내부에 형성된다. 일 실시예로, 흡광층(470a, 470b)은 빛을 흡수하는 흡광 물질로 형성되며, 측면 방향으로 연장된다. 다른 실시예로, 흡광층(470a, 470b)은 메탈로 형성되며, 측면 방향으로 연장된다. 추가적으로, 메탈의 상면은 가시광 또는 적외선을 흡수하는 흡광 물질로 코팅될 수 있다. 메탈에 코팅된 흡광 물질은 메탈에 반사된 빛을 흡수할 수 있다. 흡광층(470a, 470b)은, 광 경로 연장층(420)을, 예를 들어, 목표 두께의 소정 비율만큼 형성한 후, 그 표면에 형성된다. 이후 광 경로 연장층(420)이 흡광층(470a, 470b)의 상부에 목표 두께까지 형성된다. 도시된 바와 같은 복수의 흡광층(470a, 470b)은, 광 경로 연장층-흡광층을 반복적으로 형성하여 구현할 수 있다.
광 경로 연장층(420)에 형성된 흡광층(470a, 470b)은 검출 대상 빛을 위한 광 경로를 정의할 수 있다. 흡광층(470a, 470b)의 일부 영역에는 광 경로를 정의하기 위한 개구(471)가 형성된다. 개구(471)의 폭은 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 통과할 수 있는 크기로 결정된다. 따라서 흡광층(470a, 470b)에 의해 광 경로가 정의되는 구조에서는, 메탈층(540)에 의한 광 경로(546)가 이미지 센서(500) 내에 정의되지 않아도 된다. 다시 말해, 광 경로(546)가 수직으로 형성된 이미지 센서(500)를 이용하더라도 충분한 입사각 선택성을 광 경로 연장층(420)에 의해 확보할 수 있다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 10 내지 18과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 10 내지 18과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 19를 참조하면, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 디스플레이 패널(300') 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 이미지 센서(500)는 디스플레이 패널(300')의 하부에 위치하며, 도 10 내지 18의 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300')에 구현된다. 디스플레이 패널(300)은 커버 글라스(200)로부터 입사된 빛 중에서 검출 대상 빛(323)은 통과시키지만 그 외의 입사각을 갖는 빛(322, 325)은 수광부(520)에 도달하지 못하도록 한다.
디스플레이 패널(300')은 화소(360) 및 화소가 위치할 영역을 정의하는 화소 정의막(370)을 포함한다. 화소 정의막(370)의 일부 영역에 개구가 형성되며, 개구 내에 화소(360)가 형성된다. OLED의 경우, 발광부가 개구 내에 형성된다. 화소 정의막(370)은 다양한 절연 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 여기서, 절연 물질은 가시광 및/또는 근적외선에 투명할 수 있다. 한편, 화소(360)를 구동하는 TFT 및 전기 배선은 화소 정의막 내부 또는 화소(360) 하부에 배치될 수 있다. 차광층(361)은 화소(360)의 하부에 형성될 수 있다. 한편, 차광층(361)은 화소(360)에서 생성된 빛 및 화소(360)를 통과한 빛이 하부 방향으로 입사하는 것을 방지한다.
일 실시예로, 검출 대상 빛의 진행 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 연장된 광 경로(375)가 화소 정의막(370) 내부에 형성될 수 있다. 광 경로(375)는 이미지 센서(500)의 상면에 대해 검출 대상 입사각만큼 경사지게 형성될 수 있다. 광 경로(375)는 하나 이상의 광학적으로 불투명한 소재에 의해 형성될 수 있다. 도 19는 수직 방향으로 적층된 두 개의 광 경로 정의층(374)을 예시하고 있다. 광 경로 정의층(374)은, 광 경로(375)를 정의하기 위해 일부 영역에 형성된 개구를 포함한다. 광 경로 정의층(374) 각각에 형성된 개구의 중심은 수직 방향으로 서로 일치하지 않는다. 광 경로 정의층(374)은 화소를 구동하기 위한 전극 및/또는 배선일 수 있다. 한편, 광 경로 정의층(374)은 흡광 물질로 형성될 수도 있다.
다른 실시예로, 화소 정의막(370)의 상면(371)과 측면(372)은 입사면(373)에 의해 연결될 수 있다. 입사면(373)은 검출 대상 빛(323)의 진행 방향에 실질적으로 수직하도록 형성될 수 있다. 입사면(373)은 검출 대상 빛이 화소 정의막(370)의 표면에서 굴절되거나 반사되는 양을 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 화소 정의막(370)의 표면을 기준으로 굴절율의 차이가 발생하는 경우, 검출 대상 입사각 이외의 입사각으로 진행하는 빛을 굴절시켜 수광부(520)에 도달하지 못하도록 할 수 있다.
한편, 도 19는 이미지 센서(500)의 메탈층(540)에 의해 정의된 경사진 광 경로(545)를 도시하고 있다. 그러나, 디스플레이 패널(300')의 입사각 선택성이 충분히 높게 구현된 경우에는 도 18에 도시된 바와 같이 광 경로가 수직으로 형성된 이미지 센서(500)가 적용될 수 있다.
도 1 내지 18을 참조하여 설명한 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 지문이미지를 생성하는 이미지 센서층(100)과 영상을 출력하는 디스플레이 패널(300)이 결합된 구조를 가진다. 따라서 커버 글라스(200) 상의 임의의 지점에 손가락을 위치시키더라도 지문이미지가 생성될 수 있다. 이미지 센서층(100)과 실질적으로 동일한 기능 및 구조를 갖는 지문센서 패키지는 커버 글라스(200) 상의 미리 특정된 지점에 위치한 손가락의 지문이미지를 생성할 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 (12)

  1. 지문인식 기능을 구비한 디스플레이에 있어서,
    커버 글라스의 하부에 배치되며, 상기 커버 글라스에 접촉한 손가락의 융선 및 골을 나타내는 다양한 입사각을 갖는 빛이 통과하는 디스플레이 패널; 및
    상기 디스플레이 패널의 하부에 배치되며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 입사각을 갖는 검출 대상 빛을 검출하여 지문이미지를 생성하는 이미지 센서층을 포함하되,
    상기 손가락이 상기 커버 글라스에 접촉할 때, 상기 융선은 상기 손가락의 피부를 통해 확산된 빛을 상기 이미지 센서층을 향해 조사하는 점광원인 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 손가락의 피부를 통해 확산되는 빛은 주변광에 의해 생성되는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 손가락의 피부를 통해 확산되는 빛은 상기 디스플레이 패널이 조사한 패널광에 의해 생성되는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서층은,
    상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 빛을 선택하는 광 선택 구조; 및
    상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 검출 대상 빛을 이용하여 상기 지문이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  5. 청구항 4에 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 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 마이크로 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 개재된 광 경로 연장층을 더 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  7. 청구항 5에 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 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  8. 청구항 5에 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 제1 각도로 굴절시키며,
    상기 제1 경사면의 경사각은 상기 제2 경사면의 경사각보다 작은 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  9. 청구항 4에 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 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 마이크로 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 개재된 광 경로 연장층을 더 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  11. 청구항 4에 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 제1 마이크로 렌즈를 포함하며,
    상기 이미지 센서는,
    상기 이미지 센서의 상면에 위치하며, 제2 각도로 굴절된 빛을 제3 각도로 굴절시키는 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  12. 청구항 4에 있어서, 상기 이미지 센서는 박막 트랜지스터로 형성되며,
    상기 이미지 센서층은 상기 디스플레이 패널의 하면의 적어도 일부 또는 전체 영역에 형성되는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111133442A (zh) * 2019-08-06 2020-05-08 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹检测的装置和电子设备
KR20200142313A (ko) * 2019-06-12 2020-12-22 주식회사 엘엠에스 지문인식용 광학필름
KR20210055899A (ko) * 2019-11-08 2021-05-18 주식회사 엘엠에스 지문인식용 광학필름
KR20210127135A (ko) * 2020-04-08 2021-10-21 선전 구딕스 테크놀로지 컴퍼니, 리미티드 지문 인식 방법, 장치 및 전자 장치
US11288486B2 (en) 2019-06-12 2022-03-29 Lms Co., Ltd. Fingerprint recognition optical film, and backlight unit and liquid crystal display device comprising the film optical

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101683759B1 (ko) * 2016-08-29 2016-12-07 실리콘 디스플레이 (주) 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 휴대용 표시장치
KR20170030536A (ko) * 2014-06-20 2017-03-17 브이칸시 테크놀로지 컴퍼니 리미티드 이미지 수집 장치, 단말 장치, 액정 단말 장치 및 이미지 수집 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170030536A (ko) * 2014-06-20 2017-03-17 브이칸시 테크놀로지 컴퍼니 리미티드 이미지 수집 장치, 단말 장치, 액정 단말 장치 및 이미지 수집 방법
KR101683759B1 (ko) * 2016-08-29 2016-12-07 실리콘 디스플레이 (주) 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 휴대용 표시장치

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200142313A (ko) * 2019-06-12 2020-12-22 주식회사 엘엠에스 지문인식용 광학필름
US11288486B2 (en) 2019-06-12 2022-03-29 Lms Co., Ltd. Fingerprint recognition optical film, and backlight unit and liquid crystal display device comprising the film optical
CN111133442A (zh) * 2019-08-06 2020-05-08 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹检测的装置和电子设备
CN111133442B (zh) * 2019-08-06 2023-08-22 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹检测的装置和电子设备
KR20210055899A (ko) * 2019-11-08 2021-05-18 주식회사 엘엠에스 지문인식용 광학필름
KR20210127135A (ko) * 2020-04-08 2021-10-21 선전 구딕스 테크놀로지 컴퍼니, 리미티드 지문 인식 방법, 장치 및 전자 장치
US11928885B2 (en) 2020-04-08 2024-03-12 Shenzhen GOODIX Technology Co., Ltd. Fingerprint identification method, fingerprint identification apparatus and electronic device

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