KR102481973B1 - Piezoelectric ultrasonic transducer, biometric apparatus including the same, and display apparatus including the apparatus - Google Patents
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Abstract
실시 예의 생체 정보 측정 장치는 대상물에 초음파를 송신하는 송신부; 상기 대상물로부터 반사되는 초음파를 수신하는 수신부; 및 상기 송신부 및 상기 수신부를 제어하는 구동 제어부를 포함하고, 상기 수신부는 제1 압전 부재; 및 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 송신부는 제1 방향으로 이격되어 배치되며, 제2 방향과 나란하되 상기 제2 방향으로의 길이가 상기 제1 방향으로의 폭보다 큰 복수의 압전 바를 포함하는 제2 압전 부재; 및 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 송신부 및 상기 수신부는, 상기 제 1방향 및 상기 제 2 방향으로 정의되는 평면에 대하여 상하로 배치되고, 상기 구동 제어부는 특정 감지 위치에 대한 1회의 빔포밍을 위해 상기 복수의 압전 빔 중 A(여기서, A는 1보다 큰 자연수)개 단위로 그루핑된 B(여기서, B는A의 배수)개의 압전 빔을 제어하되, 다음 감지 위치에 대한 빔포밍시 상기 제1 방향으로 C(여기서, C는 A보다 작은 자연수)개 단위로 쉬프팅하여 상기 복수의 압전 빔 중 B개의 압전 빔을 제어하되, 상기 B개의 압전 빔은 동시에 초음파를 송신할 수 있다.An apparatus for measuring biometric information according to an embodiment includes a transmitter for transmitting ultrasonic waves to an object; a receiving unit for receiving ultrasonic waves reflected from the object; and a drive control unit controlling the transmission unit and the reception unit, wherein the reception unit includes a first piezoelectric member; and a plurality of first electrodes, wherein the transmission unit includes a plurality of piezoelectric bars arranged spaced apart from each other in a first direction and parallel to a second direction, but having a length in the second direction greater than a width in the first direction. a second piezoelectric member to; and a plurality of second electrodes, wherein the transmitting unit and the receiving unit are disposed vertically with respect to a plane defined by the first direction and the second direction, and the driving control unit performs one-time beamforming for a specific sensing position. To control B (here, B is a multiple of A) piezoelectric beams grouped in units of A (here, A is a natural number greater than 1) among the plurality of piezoelectric beams, and during beamforming for the next sensing position, B piezoelectric beams among the plurality of piezoelectric beams may be controlled by shifting in units of C (where C is a natural number smaller than A) in the first direction, and the B piezoelectric beams may simultaneously transmit ultrasonic waves.
Description
실시 예는 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.Embodiments relate to a piezoelectric ultrasonic transducer, a biometric information measurement device including the device, and a display device including the device.
지문 인식 센서는 사람의 지문을 감지하는 센서로서, 기존에 널리 적용되던 도어락 등의 장치는 물론, 최근에는 전자 기기 전원의 온/오프/슬립(sleep) 또는 잠금(lock) 모드의 해제 여부를 결정하는 데에도 널리 이용되고 있다.A fingerprint recognition sensor is a sensor that detects a person's fingerprint, and determines whether to turn on/off/sleep or unlock the power of electronic devices as well as devices such as door locks that have been widely applied in the past. It is also widely used for
지문 인식 센서는 그 동작 원리에 따라 초음파 방식, 적외선 방식 및 정전용량 방식 등으로 구분할 수 있다. 예를 들어, 초음파 방식은 복수의 압전 센서에서 방출되는 일정 주파수의 초음파 (신호)가 지문의 골(VALLEY)과 마루(RIDGE)에서 반사되는 경우 각각의 골과 마루에서의 음향 임피던스(Acoustic Impedance)차이에 의한 반사되는 초음파의 차이를 초음파 발생원인 해당 복수의 압전 센서를 이용해 측정하여 지문을 감지한다. 특히, 초음파 방식의 장점은 단순한 지문 인식의 기능을 넘어서 초음파를 펄스(pulse) 형으로 발생시켜 그 반향파에 의한 도플러 효과를 검출함으로써 손가락 내부의 혈류 흐름을 파악할 수 있는 기능을 갖고 있으므로, 이를 이용하여 위조 지문 여부까지 판단할 수 있는 장점을 가질 수 있다.The fingerprint recognition sensor may be classified into an ultrasonic type, an infrared type, and a capacitive type according to its operation principle. For example, in the ultrasonic method, when ultrasonic waves (signals) of a certain frequency emitted from a plurality of piezoelectric sensors are reflected from valleys and valleys of a fingerprint, acoustic impedance in each valley and valley The fingerprint is sensed by measuring the difference in reflected ultrasonic waves by using a plurality of piezoelectric sensors that are sources of ultrasonic waves. In particular, the advantage of the ultrasound method is that it has a function of grasping the blood flow inside the finger by generating ultrasound in a pulse type and detecting the Doppler effect by the echo wave beyond a simple fingerprint recognition function. Thus, it is possible to have an advantage of determining whether or not a fingerprint is forged.
이러한 지문 센서는 압전 물질의 양면에 전극을 배치하여 초음파를 발생한 후 지문에서 반사된 초음파를 이용하여 지문을 인식할 수 있다. 그러나, 기존의 지문 센서는 동일한 압전 부재에 의해 초음파를 송신하고 수신한다. 일반적으로 압전 부재는 초음파를 수신하는 성능만 우수하거나 초음파를 송신하는 성능만 우수하다. 따라서, 기존의 지문 센서는 송신과 수신 중 한 쪽의 성능만 우수하고 다른 쪽의 열화된 성능을 갖는다.Such a fingerprint sensor may recognize a fingerprint by disposing electrodes on both sides of a piezoelectric material to generate ultrasonic waves and then using ultrasonic waves reflected from a fingerprint. However, conventional fingerprint sensors transmit and receive ultrasonic waves by the same piezoelectric member. In general, a piezoelectric member has excellent only performance for receiving ultrasonic waves or excellent performance for transmitting ultrasonic waves. Therefore, the existing fingerprint sensor has excellent performance in only one of transmission and reception, and deteriorated performance in the other.
또한, 기존의 지문 센서는 초음파를 수신할 것인지 그렇지 않으면 송신할 것인지를 제어하는 스위치 구조를 요구하므로 복잡한 회로 구조를 갖는다.In addition, a conventional fingerprint sensor has a complicated circuit structure because it requires a switch structure to control whether to receive or transmit ultrasonic waves.
실시 예는 초음파 수신력과 송신력이 모두 우수한 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.Embodiments provide a piezoelectric ultrasonic transducer having excellent ultrasonic reception and transmission power, a biometric information measurement device including the device, and a display device including the device.
일 실시 예에 의한 생체 정보 측정 장치는 대상물에 초음파를 송신하는 송신부; 상기 대상물로부터 반사되는 초음파를 수신하는 수신부; 및 상기 송신부 및 상기 수신부를 제어하는 구동 제어부를 포함하고, 상기 수신부는 제1 압전 부재; 및 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 송신부는 제1 방향으로 이격되어 배치되며, 제2 방향과 나란하되 상기 제2 방향으로의 길이가 상기 제1 방향으로의 폭보다 큰 복수의 압전 바를 포함하는 제2 압전 부재; 및 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 송신부 및 상기 수신부는, 상기 제 1방향 및 상기 제 2 방향으로 정의되는 평면에 대하여 상하로 배치되고, 상기 구동 제어부는 특정 감지 위치에 대한 1회의 빔포밍을 위해 상기 복수의 압전 빔 중 A(여기서, A는 1보다 큰 자연수)개 단위로 그루핑된 B(여기서, B는A의 배수)개의 압전 빔을 제어하되, 다음 감지 위치에 대한 빔포밍시 상기 제1 방향으로 C(여기서, C는 A보다 작은 자연수)개 단위로 쉬프팅하여 상기 복수의 압전 빔 중 B개의 압전 빔을 제어하되, 상기 B개의 압전 빔은 동시에 초음파를 송신할 수 있다.An apparatus for measuring biometric information according to an embodiment includes a transmitter for transmitting ultrasonic waves to an object; a receiving unit for receiving ultrasonic waves reflected from the object; and a drive control unit controlling the transmission unit and the reception unit, wherein the reception unit includes a first piezoelectric member; and a plurality of first electrodes, wherein the transmission unit includes a plurality of piezoelectric bars arranged spaced apart from each other in a first direction and parallel to a second direction, but having a length in the second direction greater than a width in the first direction. a second piezoelectric member to; and a plurality of second electrodes, wherein the transmitting unit and the receiving unit are disposed vertically with respect to a plane defined by the first direction and the second direction, and the driving control unit performs one-time beamforming for a specific sensing position. To control B (here, B is a multiple of A) piezoelectric beams grouped in units of A (here, A is a natural number greater than 1) among the plurality of piezoelectric beams, and during beamforming for the next sensing position, B piezoelectric beams among the plurality of piezoelectric beams may be controlled by shifting in units of C (where C is a natural number smaller than A) in the first direction, and the B piezoelectric beams may simultaneously transmit ultrasonic waves.
예를 들어, 상기 복수의 제1 전극은, 상기 제1 압전 부재의 상부 또는 하부 중 적어도 한 곳에, 상기 제1 방향으로 나란하고 상기 제2 방향으로 이격되어 배치되고, 상기 제2 전극은, 상기 제2 압전 부재의 상부 또는 하부 중 적어도 한 곳에, 상기 제2 방향과 나란하고 상기 제1 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.For example, the plurality of first electrodes are disposed parallel to each other in the first direction and spaced apart from each other in the second direction, on at least one of an upper part or a lower part of the first piezoelectric member, and the second electrode may include the The second piezoelectric member may be disposed parallel to the second direction and spaced apart from the first direction on at least one of an upper part or a lower part of the second piezoelectric member.
예를 들어, 상기 송신부는 상기 제1 방향의 양단 각각에 B/2 개의 압전 빔에 해당하는 영역 이하의 크기를 갖는 비 이미징 영역을 포함할 수 있다.For example, the transmitting unit may include non-imaging areas having a size equal to or smaller than areas corresponding to B/2 piezoelectric beams at both ends of the first direction.
예를 들어, 상기 수신부는 상기 송신부보다 진동에 의한 발생 전압이 더 크고 상기 송신부는 상기 수신부보다 전기장에 의한 변형이 더 큰 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, the receiving unit may include at least one of a structure or material in which a voltage generated by vibration is greater than that of the transmitting unit and deformation by an electric field is greater than that of the transmitting unit.
예를 들어, 상기 제1 압전 부재는 제1 압전 물질을 포함하고, 상기 제2 압전 부재는 제2 압전 물질을 포함하고, 상기 제1 압전 물질의 전압 출력 상수는 상기 제2 압전 물질의 전압 출력 상수보다 크고, 상기 제2 압전 물질의 압전 상수는 상기 제1 압전 물질의 압전 상수보다 클 수 있다.For example, the first piezoelectric member includes a first piezoelectric material, the second piezoelectric member includes a second piezoelectric material, and the voltage output constant of the first piezoelectric material is the voltage output of the second piezoelectric material. The piezoelectric constant of the second piezoelectric material may be greater than the piezoelectric constant of the first piezoelectric material.
예를 들어, 상기 수신부는 상기 초음파가 송신되는 경로 상에 배치될 수 있다.For example, the receiver may be disposed on a path through which the ultrasound waves are transmitted.
예를 들어, 상기 제1 압전 부재는 세라믹 계열의 물질을 포함하고, 상기 제2 압전 부재는 폴리머 계열의 물질을 포함할 수 있다.For example, the first piezoelectric member may include a ceramic-based material, and the second piezoelectric member may include a polymer-based material.
예를 들어, 상기 제1 압전 부재의 하부와 상기 제2 압전 부재의 상부 사이에 배치되는 판상형의 제3 전극을 더 포함하고, 상기 복수의 제1 전극은 상기 제1 압전 부재의 상부에 배치되고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 제2 압전 부재의 하부에 배치될 수 있다.For example, a plate-shaped third electrode disposed between a lower portion of the first piezoelectric member and an upper portion of the second piezoelectric member, wherein the plurality of first electrodes are disposed on the upper portion of the first piezoelectric member, , The plurality of second electrodes may be disposed under the second piezoelectric member.
예를 들어, 상기 구동 제어부는, 상기 복수의 제1 전극으로부터 인출되며 수신된 초음파에 대응하는 전기적 신호를 받고, 상기 제2 압전 부재가 초음파를 생성하기 위해 필요한 펄스 신호를 제2 전극으로 인가할 수 있다.For example, the drive control unit may receive an electrical signal corresponding to the received ultrasonic waves drawn from the plurality of first electrodes, and apply a pulse signal required for the second piezoelectric member to generate ultrasonic waves to the second electrode. can
예를 들어, 상기 구동 제어부는 상기 송신부와 상기 수신부를 제어하여, 상기 초음파는 시차를 두고 송신 및 수신될 수 있다.For example, the driving controller may control the transmitting unit and the receiving unit to transmit and receive the ultrasonic wave with a time difference.
예를 들어, 상기 구동 제어부는 상기 빔포밍을 수행하기 위하여 상기 복수의 제2 전극 각각에 대한 상기 펄스 신호의 인가 시점을 상기 그루핑된 압전 빔 단위로 달리할 수 있다.For example, the driving control unit may vary an application time of the pulse signal to each of the plurality of second electrodes in units of the grouped piezoelectric beams in order to perform the beamforming.
예를 들어, 상기 압전 초음파 변환 장치는 디스플레이 패널의 하단에서, 화면 영역과 대응되는 위치에 배치될 수 있다.For example, the piezoelectric ultrasonic transducer may be disposed at a position corresponding to the screen area at the bottom of the display panel.
또한, 일 실시예에 의한 디스플레이 장치는 활성 영역을 포함하는 디스플레이 패널; 및 생체 정보 측정 장치를 포함하고, 상기 생체 정보 측정 장치는 대상물에 초음파를 송신하는 송신부; 상기 대상물로부터 반사되는 초음파를 수신하는 수신부; 및 상기 송신부 및 상기 수신부를 제어하는 구동 제어부를 포함하고, 상기 수신부는 제1 압전 부재; 및 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 송신부는 제1 방향으로 이격되어 배치되며, 제2 방향과 나란하되 상기 제2 방향으로의 길이가 상기 제1 방향으로의 폭보다 큰 복수의 압전 바를 포함하는 제2 압전 부재; 및 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 송신부 및 상기 수신부는, 상기 제 1방향 및 상기 제 2 방향으로 정의되는 평면에 대하여 상하로 배치되고, 상기 구동 제어부는 특정 감지 위치에 대한 1회의 빔포밍을 위해 상기 복수의 압전 빔 중 A(여기서, A는 1보다 큰 자연수)개 단위로 그루핑된 B(여기서, B는A의 배수)개의 압전 빔을 제어하되, 다음 감지 위치에 대한 빔포밍시 상기 제1 방향으로 C(여기서, C는 A보다 작은 자연수)개 단위로 쉬프팅하여 상기 복수의 압전 빔 중 B개의 압전 빔을 제어하되, 상기 B개의 압전 빔은 동시에 초음파를 송신할 수 있다. 또한, 상기 송신부 및 상기 수신부는 상기 디스플레이 패널 하단에서, 상기 활성 영역과 대응하는 영역에 배치될 수 있다.Also, a display device according to an embodiment includes a display panel including an active area; and a device for measuring biometric information, wherein the device for measuring biometric information includes: a transmitter configured to transmit ultrasonic waves to an object; a receiving unit for receiving ultrasonic waves reflected from the object; and a drive control unit controlling the transmission unit and the reception unit, wherein the reception unit includes a first piezoelectric member; and a plurality of first electrodes, wherein the transmission unit includes a plurality of piezoelectric bars arranged spaced apart from each other in a first direction and parallel to a second direction, but having a length in the second direction greater than a width in the first direction. a second piezoelectric member to; and a plurality of second electrodes, wherein the transmitting unit and the receiving unit are disposed vertically with respect to a plane defined by the first direction and the second direction, and the driving control unit performs one-time beamforming for a specific sensing position. To control B (here, B is a multiple of A) piezoelectric beams grouped in units of A (here, A is a natural number greater than 1) among the plurality of piezoelectric beams, and during beamforming for the next sensing position, B piezoelectric beams among the plurality of piezoelectric beams may be controlled by shifting in units of C (where C is a natural number smaller than A) in the first direction, and the B piezoelectric beams may simultaneously transmit ultrasonic waves. Also, the transmitting unit and the receiving unit may be disposed in an area corresponding to the active area at the bottom of the display panel.
실시 예에 따른 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치는 빔포밍을 통해 우수한 송신력과 우수한 수신력을 모두 가지며, 대상물에 대한 정보를 정밀하게 획득할 수 있고, 회로 구조가 기존보다 복잡하지 않으며, 디스플레이 장치의 디스플레이 화면영역에 지문센서를 배치하여 사용 편의성을 증진할 수 있다.A piezoelectric ultrasonic transducer according to an embodiment, a biometric information measurement device including the device, and a display device including the device have both excellent transmission power and excellent reception power through beamforming, and can accurately obtain information about an object. In addition, the circuit structure is not more complicated than the conventional one, and convenience of use can be improved by arranging the fingerprint sensor in the display screen area of the display device.
도 1a 및 도 1b는 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 사시도를 나타낸다.
도 2a는 도 1a에 도시된 수신부를, 도 2b는 도 1a에 도시된 송신부를 각각 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 2-2 콤포지트 구성의 송신부 제조 공정의 일례를, 도 3e는 1-3 콤포지트 구성의 제조상 문제점의 일례를 각각 나타낸다.
도 4는 도 2b에 도시된 송신부의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 5a 내지 도 7b는 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 전극 배치의 일례를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8a 내지 도 8e는 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 기판을 고려한 전극 배치의 일례를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 실시 예에 의한 생체 정보 측정 장치의 일 실시 예에 의한 외관을 나타내는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 생체 정보 측정 장치에서 빔포밍에 의한 초음파 감지가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 11은 실시예에 따른 송신부 배치 형태의 일례를 나타낸다.
도 12는 일 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 13은 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 14는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 15는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 16은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 17은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 18은 디스플레이 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 19 (a) 내지 (c)는 도 18의 설명을 돕기 위한 도면이다.1A and 1B show a perspective view of a piezoelectric ultrasonic transducer according to an embodiment.
FIG. 2A is a perspective view illustrating the receiving unit shown in FIG. 1A and FIG. 2B is a perspective view illustrating the transmitting unit shown in FIG. 1A, respectively.
3A to 3D show an example of a manufacturing process of a transmitter of a 2-2 composite configuration applicable to embodiments of the present invention, and FIG. 3E shows an example of manufacturing problems of a 1-3 composite configuration.
4 is a cross-sectional view of the transmission unit shown in FIG. 2B according to an embodiment.
5A to 7B are cross-sectional views for explaining an example of electrode arrangement of the piezoelectric ultrasonic transducer according to the embodiment.
8A to 8E are cross-sectional views for explaining an example of an electrode arrangement in consideration of a substrate of a piezoelectric ultrasonic transducer according to an embodiment.
9 is a diagram illustrating an appearance of a device for measuring biometric information according to an embodiment.
10A and 10B show an example of a form in which ultrasonic sensing by beamforming is performed in a biometric information measuring device according to an embodiment.
11 shows an example of a transmitter arrangement according to an embodiment.
12 is a cross-sectional view of a display device according to an exemplary embodiment.
13 is a cross-sectional view of a display device according to another embodiment.
14 is a cross-sectional view of a display device according to another embodiment.
15 is a cross-sectional view of a display device according to another embodiment.
16 is a cross-sectional view of a display device according to another embodiment.
17 is a cross-sectional view of a display device according to another embodiment.
18 is a flowchart for explaining a method of driving a display device.
19 (a) to (c) are diagrams to help explain FIG. 18 .
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in order to explain the present invention in detail, and will be described in detail with reference to the accompanying drawings to help understanding of the present invention. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.In the description of this embodiment, in the case where it is described as being formed on or under each element, the upper (above) or lower (below) ( on or under) includes both that two elements are directly in contact with each other or that one or more other elements are disposed between the two elements (indirectly).
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In addition, when expressed as "upper (up)" or "lower (under) (on or under)", it may include the meaning of not only an upward direction but also a downward direction based on one element.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.In addition, relational terms such as "first" and "second", "upper/upper/upper" and "lower/lower/lower" used below refer to any physical or logical relationship or It may be used to distinguish one entity or element from another, without necessarily requiring or implying an order.
이하, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B), 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치(200) 및 이 장치(100A, 100B 또는 200)를 포함하는 디스플레이 장치(300A 내지 300F)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B), 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치(200) 및 이 장치(100A 내지 100C 또는 200)를 포함하는 디스플레이 장치(300A 내지 300F)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축, z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, x축, y축, z축은 서로 교차할 수도 있다.Hereinafter, piezoelectric
도 1a 및 도 1b는 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 사시도를 나타낸다.실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A, 100B)는 수신부(110) 및 송신부(120) 를 포함할 수 있다.1A and 1B show a perspective view of a piezoelectric ultrasonic transducer according to an embodiment. The piezoelectric
수신부(110)는 대상물(미도시)에서 반사된 초음파(USR)를 수신하는 역할을 한다. 이를 위해, 수신부(110)는 제1 압전 부재 및 복수의 제1 전극을 포함할 수 있다. 복수의 제1 전극은 제1 압전 부재의 상면 또는 하면 중 적어도 한 곳에 서로 이격되되, 일 방향(예를 들어, Y축 방향)을 따라 나란히 배치될 수 있다.The receiving
후술되는 바와 같이, 수신부(110)에서 수신된 초음파(USR)에 상응하는 전기적인 신호를 이용하여, 초음파를 반사한 대상물의 이미지를 생성할 수 있다. 이때, 생성되는 이미지의 해상도에 따라 제1 전극의 개수가 달라질 수 있다. 다만, 해상도 자체는 후술할 빔포밍의 수행 여부 및 방식에 따라 반드시 전극의 개수에 종속되지 아니할 수도 있다.As will be described later, an image of an object reflecting the ultrasound may be generated using an electrical signal corresponding to the ultrasound (USR) received by the
송신부(120)는 수신부(120)와 두께방향(예를 들어, z축 방향)으로 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며, 초음파(UST)를 송신하는 역할을 한다. 이를 위해, 송신부(120)는 제2 압전 부재 및 복수의 제2 전극을 포함할 수 있다. 제2 전극은 제2 압전 부재의 상면 또는 하면 중 적어도 한 곳에 서로 이격되되, 일 방향(예를 들어, Y축 방향)을 따라 나란히 배치될 수 있다. 이때, 제2 전극이 배치되는 방향은 제1 전극이 배치되는 방향과 상이한, 즉 평면상에서 교차되도록 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 전극이 배치되는 방향과 제1 전극이 배치되는 방향은 평면(예컨대, X-Y 평면) 상에서 직교할 수도 있고, 직교하지 않도록 교차할 수도 있다.The transmitting
도 1a에 예시된 바와 같이, 압전 초음파 변환 장치(100A)는 수신부(110) 및 송신부(120)를 포함하되, 수신부(110)는 송신부(120)에서 초음파(UST)가 송신되는 방향에 배치될 수 있다. 이러한 경우 송신부(120)에서 송신되는 초음파(UST)는 수신부(110)를 거쳐 대상물까지 진행한 후 대상물에서 반사되며, 반사된 초음파(USR)가 수신부(110)에서 수신될 수 있다.As illustrated in FIG. 1A , the piezoelectric
또는, 도 1b에 예시된 바와 같이, 수신부(110)와 송신부(120)의 위치가 서로 바뀔 수도 있다. 이러한 경우, 송신부(120)에서 송신되는 초음파(UST)는 대상물에서 반사되며, 반사된 초음파는 다시 송신부(120)를 거쳐 수신부(110)에서 수신될 수 있다.Alternatively, as illustrated in FIG. 1B , positions of the
도 1a 및 도 1b에 도시된 실시 예는 이해를 돕기 위함이며, 이에 국한되지 않고 송신부 및 수신부는 다양한 평면 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 송신부 및 수신부는 사각 평면 형상이 아닌 원형 또는 다각형 평면 형상을 가질 수도 있다.The embodiments shown in FIGS. 1A and 1B are for ease of understanding, but are not limited thereto, and the transmitter and receiver may have various planar shapes. For example, the transmitting unit and the receiving unit may have a circular or polygonal flat shape instead of a square flat shape.
도 2a는 도 1a에 도시된 수신부를, 도 2b는 도 1a에 도시된 송신부를 각각 예시적으로 나타낸 사시도이다.FIG. 2A is a perspective view illustrating the receiving unit shown in FIG. 1A and FIG. 2B is a perspective view illustrating the transmitting unit shown in FIG. 1A, respectively.
도 2a를 참조하면, 수신부(110)는 제1 압전 부재(111) 및 복수의 제1 전극(UEA1)을 포함한다. 보다 상세히, 제1 압전 부재(111)는 판상형으로 사각형 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(UEA1)은 제1 압전 부재(111)의 상면에서 서로 이격되되, 한 방향(예컨대, Y축 방향)을 따라 나란히 배치될 수 있다. 여기서 제1 압전 부재(111)의 수직 방향(예를 들어, Z축 방향) 두께(T1)는 10 내지 100㎛일 수 있으나, 실시예는 이에 국한되지 않는다.Referring to FIG. 2A , the
또한, 복수의 제1 전극 각각의 x축 방향 폭(W1)은 20 내지 300㎛일 수 있으며, 서로 인접한 제1 전극 간의 이격 거리(W2)는 10 내지 200㎛일 수 있으나, 실시예는 이에 국한되지 않는다.In addition, the width W1 of each of the plurality of first electrodes in the x-axis direction may be 20 to 300 μm, and the separation distance W2 between adjacent first electrodes may be 10 to 200 μm, but the embodiment is limited thereto. It doesn't work.
한편, 도시되지는 않았으나 제1 압전 부재(111)의 하면에는 제3 전극이 배치될 수 있다. 제3 전극은 하나의 공통 전극일 수도 있고, 복수의 제1 전극과 대응되는 숫자로 복수개가 구비될 수도 있다. 복수의 제3 전극이 구비되는 경우, 복수의 제3 전극은 수직 방향으로 복수의 제1 전극과 대면하는 위치에 각각 배치될 수 있다. 구체적인 전극 배치 형태는 보다 상세히 후술하기로 한다.Meanwhile, although not shown, a third electrode may be disposed on the lower surface of the first
다음으로, 도 2b를 참조하면, 송신부(120)는 제2 압전 부재(121) 및 복수의 제2 전극(UEA2)을 포함한다. 보다 상세히, 제2 압전 부재(121)는 평면(즉, X-Y 평면) 상에서 장축(여기서는 X축)과 단축(여기서는 Y축)을 각각 가지며, 장축 방향으로 나란하되 단축 방향으로 서로 이격되어 배치되는 복수의 압전 빔(Beam) 또는 압전 바(bar) 형태일 수 있다. 이하, 편의상 제2 압전 부재(121)는 “복수의 압전 빔(121)” 또는 “복수의 압전 바(121)”란 용어와 혼용하기로 한다.Next, referring to FIG. 2B , the
이러한 압전 빔(Beam)은 2-2 콤포지트(composite) 구성을 가질 수 있다. 즉, 빔(Beam) 형태의 압전 부재는 장축 방향으로 가장 큰 길이 성분을 가지나, 전극은 비교적 짧은 수직 방향으로 서로 대면하도록 배치되어 분극은 수직방향으로 발생하게 되는 구조를 가질 수 있다. 2-2 콤포지트 구성에 대해서는 보다 상세히 후술하기로 한다.This piezoelectric beam may have a 2-2 composite configuration. That is, the piezoelectric member in the form of a beam may have the largest length component in the long axis direction, but the electrodes may have a structure that faces each other in a relatively short vertical direction so that polarization occurs in the vertical direction. 2-2 Composite configuration will be described later in detail.
복수의 압전 빔(121) 각각의 사이에는 충진 부재(123)가 충진되어 배치될 수 있다. 충진 부재(123)는 압전 빔(121)을 서로 지지하면서 연결하며 임의의 압전 빔(121)에서 초음파가 방출될 때 진동을 흡수하여 인접한 압전 빔으로 진동이 전파되는 것을 방지하는 역할도 수행할 수 있다. 충진 부재(114)는 폴리머(polymer) 또는 레진(resion) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 한편, 압전 빔(121)의 수직 방향(예를 들어, Z축 방향) 두께(T1)는 50㎛ 내지 300㎛, 바람직하게는 50㎛ 내지 100㎛일 수 있으나, 실시예는 이에 국한되지 않는다. 또한, 압전 빔(121)의 단축 방향(즉, Y축) 길이(W3)는 20㎛ 내지 300㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛일 수 있으며, 압전 빔(121) 간의 단축 방향으로의 이격 거리, 즉, 충진 부재(121)의 폭(W4)은 10㎛ 내지 200㎛, 바람직하게는 10㎛ 내지 40㎛일 수 있으나, 실시예는 이에 국한되지 않는다.A filling
또한, 복수의 제2 전극(UEA2)은 압전 빔(121)의 평면 형상에 대응되도록 배치될 수 있다. 즉, 복수의 제2 전극(UEA2)는 각 압전 빔(121)의 상면에 배치되며, 서로 이격되되 한 방향(예컨대, X축 방향)을 따라 나란히 배치될 수 있다. 아울러, 압전 빔의 상면에는 제4 전극(LEA2)이 배치될 수 있다. 제4 전극은 도 2b에 도시된 바와 같이 복수의 제2 전극과 대응되는 숫자로 복수개가 구비될 수도 있고, 하나의 공통 전극으로 수신부(120)의 하면에 배치될 수도 있다. 복수의 제4 전극이 구비되는 경우, 복수의 제4 전극은 수직 방향으로 복수의 제2 전극과 대면하는 위치에 각각 배치될 수 있다. 구체적인 전극 배치 형태는 보다 상세히 후술하기로 한다.Also, the plurality of second electrodes UEA2 may be disposed to correspond to the planar shape of the
이하에서는 2-2 콤포지트 구성의 압전 바가 1-3 콤포지트 구성에 비해 갖는 장점을 설명한다. 2-2 콤포지트 구성을 갖는 압전 바는, 특히 제조 과정에서의 가공 효율성 상의 이점을 갖는다.Hereinafter, advantages of the piezoelectric bar of the 2-2 composite structure compared to the 1-3 composite structure will be described. A piezoelectric bar having a 2-2 composite configuration has advantages in terms of processing efficiency, especially during manufacturing.
예를 들어, 압전 바의 제조 과정은 압전 부재로서 압전 세라믹(PZT) 소결체를 형성하고, 소결체를 다이싱(Dicing)한 후, 다이싱으로 발생한 사이 공간에 충진 부재를 채우는 과정을 수행할 수 있다.For example, in the manufacturing process of the piezoelectric bar, a process of forming a piezoelectric ceramic (PZT) sintered body as a piezoelectric member, dicing the sintered body, and then filling the space between the dicing results with a filling member may be performed. .
이 경우 압전바의 높이를 압전바의 폭 보다 크게하여, 압전 물질의 높이 방향으로의 분극을 극대화 할 수 있다. 이 때, 소결체를 가로 및 세로 방향으로 모두 다이싱 하면 1-3 composite 구성이 되고, 소결체를 가로 또는 세로 중 어느 하나의 방향으로 다이싱하면 2-2 composite 구성이 된다.In this case, the polarization of the piezoelectric material in the height direction may be maximized by making the height of the piezoelectric bar larger than the width of the piezoelectric bar. At this time, when the sintered body is diced in both the horizontal and vertical directions, a 1-3 composite configuration is obtained, and when the sintered body is diced in either the horizontal or vertical directions, a 2-2 composite configuration is obtained.
압전 초음파 변환 장치 또는 이를 이용하는 생체 정보 측정 장치 등에서는 높은 해상도를 요구하는 경우가 있다. 이를 구현하기 위해서 복수개의 압전 바 간의 간격 및 압전 바 자체의 폭이 좁아지도록 구성하는 것이 바람직하다. 그런데, 소결체는 비교적 작은 결정립 크기를 가지기 때문에, 1-3 composite 구성으로 제조하는 경우 좁은 압전 바의 폭 및 간격을 유지하면서 가로 및 세로 방향으로 모두 다이싱을 해야 한다. 이러한 경우, 특정 부분의 압전바 형상이 불완전하여 충분한 압전특성 또는 전압출력특성을 가질 수 없게 되거나 또는 각각의 압전바가 소결체에서 분리되어 원하는 형상을 얻을 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 1-3 콤포지트 구성보다 2-2 콤포지트 구성이 보다 높은 수율을 얻을 수 있는 장점이 있다.A piezoelectric ultrasonic transducer or a biometric information measurement device using the same may require high resolution. In order to realize this, it is preferable to narrow the gap between the plurality of piezoelectric bars and the width of the piezoelectric bar itself. By the way, since the sintered body has a relatively small crystal grain size, when it is manufactured in a 1-3 composite configuration, dicing must be performed in both the horizontal and vertical directions while maintaining the narrow width and spacing of the piezoelectric bar. In this case, the shape of a specific portion of the piezoelectric bar may be incomplete, so that sufficient piezoelectric characteristics or voltage output characteristics may not be obtained, or each piezoelectric bar may be separated from the sintered body and a desired shape may not be obtained. Therefore, there is an advantage in that a higher yield can be obtained in the 2-2 composite configuration than in the 1-3 composite configuration.
이하에서는 도 3a 내지 3e를 참조하여 전술한 콤포지트 구성의 차이점 및 실시예에 따른 송신부의 제조 공정을 설명한다.Hereinafter, the manufacturing process of the transmitting unit according to the embodiment and the difference in the composite configuration described above will be described with reference to FIGS. 3A to 3E.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 2-2 콤포지트 구성의 송신부 제조 공정의 일례를, 도 3e는 1-3 콤포지트 구성의 제조상 문제점의 일례를 각각 나타낸다.3A to 3D show an example of a manufacturing process of a transmitter of a 2-2 composite configuration applicable to embodiments of the present invention, and FIG. 3E shows an example of manufacturing problems of a 1-3 composite configuration.
먼저, 도 3a를 참조하면, 압전 부재로서 압전 세라믹(PZT) 소결체(SC)가 준비된다. 여기서 소결체(SC)는 직육면체 형상을 갖는 것으로 도시되나, 이는 예시적인 것으로 이와 상이한 입체 형상을 가질 수도 있다.First, referring to FIG. 3A , a piezoelectric ceramic (PZT) sintered body SC is prepared as a piezoelectric member. Here, the sintered body SC is shown as having a rectangular parallelepiped shape, but this is exemplary and may have a different three-dimensional shape.
소결체(SC)는 도 3b와 같이 일 방향(예를 들어, x축 방향)을 따라 나란히 연장되는 복수의 리세스(R)가 타 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 이격되어 배치되도록 다이싱될 수 있다. 이때, 다이싱은 다이아몬트 커팅 등의 방식으로 수행될 수 있으나, 일 방향으로 나란한 복수의 리세스(R)가 형성될 수 있다면 실시 예는 어떠한 다이싱 방식에도 적용될 수 있다. 다른 실시 예에 의하면, 다이싱 대신 리세스(R)의 형상을 양각으로 갖는 몰드를 이용하여 압전체를 소결시킴으로써 도 3b와 같은 형태의 소결체(SC)를 제조할 수도 있다.In the sintered body SC, as shown in FIG. 3B, a plurality of recesses R extending side by side in one direction (eg, the x-axis direction) are spaced apart from each other in the other direction (eg, the y-axis direction). can be diced. In this case, the dicing may be performed in a method such as diamond cutting, but the embodiment may be applied to any dicing method as long as a plurality of recesses R parallel to one direction can be formed. According to another embodiment, the sintered body SC having the shape shown in FIG. 3B may be manufactured by sintering the piezoelectric body using a mold having an embossed shape of the recess R instead of dicing.
이후, 도 3c와 같이 소결체(SC)의 리세스(R)에 충진 부재(123)가 채워질 수 있다. 충진 부재(123)가 리세스(R)에 채워진 소결체(SC)의 하면 및/또는 상면은 그라인딩 등의 방식으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 적어도 소결체(SC)의 하면은 충진 부재(123)가 하면에 노출될 때까지 그라인딩되는 것이 바람직하다.Thereafter, the filling
그에 따라, 도 3d와 같이 복수의 압전 빔(121)과 충진 부재(123)가 일 방향을 따라 나란히 연장되되, 타방향을 따라 교번배치되는 형태가 된다. 이러한 상태에서 복수의 압전 빔(121) 각각의 상면과 하면에 전극을 형성시키면 도 2b와 같은 형태의 송신부가 제조될 수 있다. 이때, 전극은 스퍼터 방식, 코팅 방식, 인쇄 방식 등을 통해 형성될 수 있으나, 실시 예는 전극 형성 방법에 제한되지 아니한다.Accordingly, as shown in FIG. 3D, the plurality of
한편, 압전 부재가 1-3 콤포지트 구성을 갖도록 할 경우 도 3b와 같은 상황에서 y축 방향으로 추가로 다이싱이 수행될 수 있다. 이러한 경우, 도 3e와 같이 소결체는 상면에 복수의 압전 기둥(PP)을 갖게 된다. 그러나, 서로 다른 방향으로 다이싱되는 과정에서 작은 결정립 크기로 인해 각각의 압전 필라(PP)는 충분한 강성을 확보하기 어려워 일부 압전 필라가 파손됨으로 인해 결손 부위(DP)가 발생하는 등 문제점이 있다. 이와 달리, 2-2 composite 구성을 사용하는 경우, 가로 또는 세로(예를 들어, x축 또는 y축) 중 어느 하나의 방향으로 다이싱이 수행되므로, 압전 빔의 형상을 조절하기 용이하므로 높은 해상도의 장치를 제조하는 데에 이점을 가질 수 있다.Meanwhile, when the piezoelectric member has a 1-3 composite configuration, dicing may be additionally performed in the y-axis direction in the same situation as in FIG. 3B. In this case, as shown in FIG. 3E, the sintered body has a plurality of piezoelectric pillars PP on the upper surface. However, due to the small crystal grain size in the process of dicing in different directions, it is difficult to secure sufficient rigidity for each of the piezoelectric pillars (PP), and some of the piezoelectric pillars are damaged, resulting in defects such as DP. In contrast, when using a 2-2 composite configuration, since dicing is performed in either direction, either horizontally or vertically (eg, x-axis or y-axis), it is easy to adjust the shape of the piezoelectric beam, resulting in high resolution may have an advantage in manufacturing the device of
실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)의 경우, 수신부(110)와 송신부 (120)가 서로 수직방향으로 이격되어 배치되기 때문에, 수신부(110)와 송신부(120)의 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 다르게 구현할 수 있다.In the case of the piezoelectric
이를 토대로, 실시 예의 경우, 수신부(110)는 송신부(120)보다 초음파 수신력이 더 높은 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 포함하고, 송신부(120)는 수신부(110)보다 초음파 송신력이 더 높은 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 포함하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 수신부(110)는 송신부(120)보다 진동에 의한 발생 전압이 더 크고, 송신부(120)는 수신부(110)보다 전기장에 의한 변형이 더 큰 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Based on this, in the case of the embodiment, the
이와 같이, 수신부(110)의 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 초음파 수신력을 높이도록 구현할 경우, 수신부(110)에서 수신된 초음파의 세기가 커질 수 있다. 또한, 송신부(120)의 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 초음파 송신력을 높이도록 구현할 경우, 송신부(120)에 인가된 펄스 신호에 충실하게 초음파가 생성될 수 있다. 여기서, 펄스 신호는 진폭과 주파수를 가지는 전기적 신호로서, 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있다. 예를 들어, 펄스 신호는 압전 물질에 진동을 부여하기 위한 교류 특성을 가질 수 있다.In this way, when at least one of the configuration or material of the receiving
일 실시 예에 의하면, 수신부(110)가 송신부(120)보다 초음파 수신력이 더 높도록 하고, 송신부(120)는 수신부(110)보다 초음파 송신력이 더 높도록 하기 위해, 수신부(110)와 송신부(120) 각각의 재질을 달리할 수 있다.According to an embodiment, the receiving
수신부(110)에 포함되는 제1 압전 부재는 제1 압전 물질을 포함하고, 송신부(120)에 포함된 제2 압전 부재는 제2 압전 물질을 포함한다고 하자.It is assumed that the first piezoelectric member included in the
이 경우, 수신부(110)가 송신부(120)보다 상대적으로 더 높은 초음파 수신력을 갖도록 하기 위해, 제1 압전 물질의 전압 출력 상수는 제2 압전 물질의 전압 출력 상수보다 클 수 있다. 전압 출력 상수란, 외부 진동에 의한 전압 발생 비율을 의미한다.In this case, the voltage output constant of the first piezoelectric material may be greater than that of the second piezoelectric material so that the receiving
예를 들어, 제1 압전 물질의 전압 출력 상수(g33)는 40 x 10-3 Vm/N 내지 200 x 10-3 Vm/N일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 참고로, g33이란, 제1 압전 부재의 진동 방향이 z축 방향(g33의 아래 첨자 중 첫 번째 숫자 '3'의 의미)이고 정렬 방향이 z축 방향(g33의 아래 첨자 중 두 번째 숫자 '3'의 의미)임을 의미한다.For example, the voltage output constant g33 of the first piezoelectric material may be 40 x 10 -3 Vm/N to 200 x 10 -3 Vm/N, but the embodiment is not limited thereto. For reference, g33 means that the vibration direction of the first piezoelectric member is in the z-axis direction (meaning the first number '3' of the subscript of g33) and the alignment direction is the z-axis direction (the second number '3' of the subscript of g33). meaning of ').
또한, 송신부(120)가 수신부(110)보다 상대적으로 더 높은 초음파 송신력을 갖도록 하기 위해, 제2 압전 물질의 압전 상수는 제1 압전 물질의 압전 상수보다 클 수 있다. 압전 상수란, 외부 전기장에 의한 변형률의 비율을 의미한다.Also, in order for the
예를 들어, 제2 압전 물질의 압전 상수(d33)는 300 pC/N 내지 3000 pC/N일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 참고로, d33이란, 제2 압전 부재의 진동 방향이 z축 방향(d33의 아래 첨자 중 첫 번째 숫자 '3'의 의미)이고 정렬 방향이 z축 방향(d33의 아래 첨자 중 두 번째 숫자 '3'의 의미)임을 의미한다.For example, the piezoelectric constant d33 of the second piezoelectric material may be 300 pC/N to 3000 pC/N, but the embodiment is not limited thereto. For reference, d33 means that the vibration direction of the second piezoelectric member is in the z-axis direction (meaning the first number '3' of the subscript of d33) and the alignment direction is the z-axis direction (the second number '3' of the subscript of d33). meaning of ').
제1 및 제2 압전 부재 각각의 물질은 단결정 세라믹스, 다결정 세라믹스, 고분자 재료, 박막 재료 또는 다결정재료와 고분자 재료를 복합한 복합 재료 등을 포함할 수 있다.The material of each of the first and second piezoelectric members may include single crystal ceramics, polycrystalline ceramics, a polymer material, a thin film material, or a composite material obtained by combining a polycrystalline material and a polymer material.
예를 들어, 제1 압전 부재는 압전 세라믹(예를 들어, PZT), 압전 단결정(예를 들어, PMN-PT 또는 PMN-PZT), 압전폴리머(예를 들어, PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CTFE), 압전복합체(예를 들어, PVDF계열+PZT) 또는 압전후막재료(예를 들어, PZT, AlN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 수신부에 적용되는 제1 압전 부재는 수신영역 전체가 일체로 형성되는 압전 물질이 사용될 수 있으므로, 두께가 약 10㎛ 내지 30㎛인 판상 또는 박막 형태의 압전폴리머가 적용될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.For example, the first piezoelectric member may be a piezoelectric ceramic (eg PZT), a piezoelectric single crystal (eg PMN-PT or PMN-PZT), a piezoelectric polymer (eg PVDF, PVDF-TrFE, PVDF- TrFE-CTFE), a piezoelectric composite (eg, PVDF series + PZT), or a piezoelectric thick film material (eg, PZT, AlN). In particular, since the first piezoelectric member applied to the receiving unit may use a piezoelectric material in which the entire receiving area is integrally formed, a piezoelectric polymer in the form of a plate or thin film having a thickness of about 10 μm to 30 μm may be applied. Not limited to this.
또한, 예를 들어, 제2 압전 부재는 압전 세라믹(예를 들어, PZT) 또는 압전단결정(예를 들어, PMN-PT 또는 PMN-PZT) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.Also, for example, the second piezoelectric member may include at least one of a piezoelectric ceramic (eg, PZT) or a piezoelectric single crystal (eg, PMN-PT or PMN-PZT), but embodiments are limited thereto. It doesn't work.
제1 압전 부재에 압전폴리머, 압전복합체 등 상대적으로 압전상수가 우수한 재료를 사용하고, 제2 압전 부재에 압전 세라믹, 압전 단결정 등 상대적으로 전압출력 상수가 높은 재료를 사용하여 송신 및 수신 성능을 향상 시킬 수 있다.Transmitting and receiving performance is improved by using materials with relatively high piezoelectric constants, such as piezoelectric polymers and piezoelectric composites, for the first piezoelectric member and materials with relatively high voltage output constants, such as piezoelectric ceramics and piezoelectric single crystals, for the second piezoelectric member. can make it
또한, 제1 및 제2 전극 각각은 도전성을 갖는 물질로서, 패터닝될 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 각각은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo). 금(Au), 티타튬(Ti) 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.In addition, each of the first and second electrodes is a material having conductivity and may be a material that can be patterned. For example, each of the first and second electrodes may include chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al), silver (Ag), or molybdenum (Mo). It may include at least one of gold (Au), titanium (Ti), or alloys thereof, but embodiments are not limited thereto.
다른 실시 예에 의하면, 수신부(110)가 송신부(120)보다 초음파 수신력이 더 높도록 하고, 송신부(120)가 수신부(110)보다 초음파 송신력이 더 높도록 하기 위해, 수신부(110)와 송신부(120) 각각의 구성을 달리할 수 있다. 이와 같이, 수신부(110)와 송신부(120)의 구성이 다를 때, 제1 및 제2 압전 부재의 물질은 서로 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다.According to another embodiment, in order for the
이하, 전술한 수신부(110) 및 송신부(120)의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, embodiments of the above-described
도 4는 도 2b에 도시된 송신부의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.4 is a cross-sectional view of the transmission unit shown in FIG. 2B according to an embodiment.
예를 들어, 도 4는 도 2b에 도시된 송신부(120)를 Y-Z 평면을 따라 절개한 단면도에 해당할 수 있다. 이해를 돕기 위해, 도 4에서는 압전 빔, 제3 전극 및 제4 전극의 개수가 각각 8개인 경우를 도시한 례이다. 일 실시 예에 의한 송신부(120’) 는 복수의 압전 빔(121) 및 복수의 제2 전극(UEA2) 및 복수의 제4 전극(LEA2)을 포함할 수 있다.For example, FIG. 4 may correspond to a cross-sectional view of the
도 4에 예시된 바와 같이, 복수의 제2 전극(UEA2), 압전 빔(121) 및 제4 전극(LEA2)은 수직 방향(예를 들어, z축 방향)으로 적어도 일부가 서로 중첩될 수 있으며, 인접한 제2 전극(UEA2), 압전 빔(121) 및 제4 전극(LEA2)과 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이 복수의 압전 빔(121)은 2-2 컴포지트(Composite) 구조로 배치될 수 있으며, 압전 빔(121) 사이에는 충진 부재(123)가 배치될 수 있다.As illustrated in FIG. 4 , at least a portion of the plurality of second electrodes UEA2, the
각 압전 빔(121)의 상부면은 제2 전극(UEA2)과 접하고, 하부면은 제4 전극(LEA2)과 접하도록 배치될 수 있다.An upper surface of each
또한, 각 압전 빔 (121)의 높이를 각 압전 빔(121)의 폭보다 크게 구현하여, 각 압전 빔(121)의 높이 방향으로의 진동력을 극대화 할 수 있다.In addition, the vibration force in the height direction of each
제2 전극 및 제4 전극(UEA2, LEA2)의 개수, 선폭, 간격 등은 제조 공정 오차나 해상도 등을 고려하여 결정될 수 있다.The number, line width, spacing, etc. of the second and fourth electrodes UEA2 and LEA2 may be determined in consideration of a manufacturing process error or resolution.
예를 들어, 제2 전극 및 제4 전극의 선폭은 압전 빔(121)의 y축 방향 폭(w3)보다 클 수도 있고, 같거나 작을 수도 있다. 즉, 제2 전극 및 제4 전극(UEA2, LEA2)의 선폭은 20㎛ 내지 300㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛일 수 있다.For example, the line widths of the second electrode and the fourth electrode may be larger than, equal to, or smaller than the width w3 of the
다만, 전기장이 형성되는 영역의 크기는 전극의 크기에 영향을 받기 때문에, 전극의 선폭이 압전 빔의 y축 방향 폭(w3)보다 작은 경우 전기장이 형성되는 영향이 작아져 압전 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 보다 바람직하게는, 제2 전극 및 제4 전극의 선폭은 압전 빔(121)의 방향 폭(w3)보다 크거나 같을 수 있다.However, since the size of the region in which the electric field is formed is affected by the size of the electrode, when the line width of the electrode is smaller than the width w3 of the piezoelectric beam in the y-axis direction, the effect of the electric field is reduced and the piezoelectric efficiency may decrease. there is. Therefore, more preferably, the line width of the second electrode and the fourth electrode may be greater than or equal to the direction width w3 of the
만일, 제2 전극 및 제4 전극(UEA2, LEA2)의 두께가 약 100㎚ 미만인 경우, 전극 저항이 높아져서 전기적 특성이 저하될 수 있고, 약 1000㎚을 초과하는 경우, 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)의 전체적인 두께가 두꺼워지고, 공정 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극 및 제4 전극(UEA2, LEA2)의 두께는 약 100 ㎚ 내지 약 1000 ㎚, 바람직하게는 약 150 ㎚ 내지 약 500㎚, 더욱 바람직하게는 약 180㎚ 내지 약 200㎚일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.If the thickness of the second and fourth electrodes UEA2 and LEA2 is less than about 100 nm, electrode resistance may increase and electrical characteristics may deteriorate, and if the thickness exceeds about 1000 nm, the piezoelectric ultrasonic converter (100A and 100B) becomes thick, and process efficiency may decrease. For example, the thickness of the second and fourth electrodes UEA2 and LEA2 is about 100 nm to about 1000 nm, preferably about 150 nm to about 500 nm, more preferably about 180 nm to about 200 nm. However, embodiments are not limited thereto.
또한, 일 실시 예의 의한 송신부(120’)는 충진 부재(또는, 수지층)(114), 상부 전극 보호(passivation)부(UP) 및 하부 전극 보호부(LP)를 포함할 수 있다.In addition, the transmitter 120' according to an embodiment may include a filling member (or resin layer) 114, an upper electrode passivation unit UP, and a lower electrode passivation unit LP.
이하에서는 송신부(110)와 수신부(120)를 함께 고려한 전극 배치 형태를 도 5a 내지 도 7b를 참조하여 설명한다.Hereinafter, electrode arrangement considering both the
도 5a 내지 도 7b는 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 전극 배치의 일례를 설명하기 위한 단면도이다. 도 5a 내지 도 7b는 도 1a에서와 같이 수신부가 송신부로부터 초음파가 방출되는 방향에 배치된 경우를 가정하나, 도 1b와 같이 송신부와 수신부의 위치가 반대인 경우에도 각 도면에 도시된 전극 배치 구조가 유사하게 적용될 수 있음은 당업자에 자명하다.5A to 7B are cross-sectional views for explaining an example of electrode arrangement of the piezoelectric ultrasonic transducer according to the embodiment. 5A to 7B assume that the receiving unit is disposed in the direction in which ultrasonic waves are emitted from the transmitting unit as in FIG. 1A, but the electrode arrangement structure shown in each figure even when the transmitting unit and the receiving unit are in opposite positions as in FIG. 1B It is apparent to those skilled in the art that can be similarly applied.
구체적으로, 도 5a 및 도 5b는 송신부와 수신부 사이에 하나의 공통전극이 배치되는 경우를 단면 방향을 달리하여 도시한 것이다.Specifically, FIGS. 5A and 5B show a case in which one common electrode is disposed between the transmitter and the receiver with different cross-sectional directions.
도 5a 및 도 5b에 도시된 압전 초음파 변환 장치에서 제1 압전 부재(111)의 상부 전극으로 제1 방향(여기서는 y축 방향)을 따라 나란히 복수의 제1 전극(UEA1)이 이격되어 배치되며, 제2 방향(여기서는 x축 방향)을 따라 나란히 이격되어 배치되는 복수의 압전 빔(121) 각각의 하면에는 하부 전극으로 복수의 제4 전극(LEA2)이 각각 배치된다. 또한, 제1 압전 부재(111)와 복수의 압전 빔(121) 사이에는 판상형의 공통 전극(CE)이 배치된다. 공통전극(CE)은 제1 압전 부재(111)의 하부 전극과 복수의 압전 빔(121)의 상부 전극, 즉, 제3 전극과 제2 전극의 역할을 함께 수행할 수 있다.In the piezoelectric ultrasonic transducer shown in FIGS. 5A and 5B, a plurality of first electrodes UEA1 are spaced apart from each other along the first direction (here, the y-axis direction) as the upper electrode of the first
다음으로, 도 6a 및 도 6b는 송신부와 수신부 각각이 복수의 상부 전극과 복수의 하부 전극을 갖되, 송신부와 수신부 사이에 절연층(IL)이 배치된 경우를 단면 방향을 달리하여 도시한 것이다.Next, FIGS. 6A and 6B show a case in which the transmitting unit and the receiving unit each have a plurality of upper electrodes and a plurality of lower electrodes, and the insulating layer IL is disposed between the transmitting unit and the receiving unit in a different cross-sectional direction.
도 6a 및 도 6b에 도시된 압전 초음파 변환 장치에서 제1 압전 부재(111)의 상부 전극으로 제1 방향(여기서는 y축 방향)을 따라 나란히 복수의 제1 전극(UEA1)이 이격되어 배치되며, 하부 전극으로 제1 방향을 따라 나란히 복수의 제3 전극(LEA1)이 이격되어 배치된다. 또한, 제2 방향(여기서는 x축 방향)을 따라 나란히 이격되어 배치되는 복수의 압전 빔(121) 각각의 상면과 하면에는 복수의 제2 전극(UEA2)과 복수의 제4 전극(LEA2)이 수직 방향을 따라 서로 중첩되도록 배치된다. 송신부와 수신부 사이에는 제3 전극(LEA1)과 제2 전극(UEA2)을 서로 절연시키는 절연층(IL)이 배치될 수 있다. 또한, 절연층(IL)은 절연 기능 외에, 수신부(110)와 송신부(120)를 서로 접착시키는 역할을 수행할 수도 있다. 아울러, 절연층(IL)은 송신부 및 수신부와 동일한 평면형상을 가질 수 있으며, 실시예에 따라 절연층(IL)은 TFT 구조체일 수도 있고 일반적인 기판일 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In the piezoelectric ultrasonic transducer shown in FIGS. 6A and 6B, a plurality of first electrodes UEA1 are spaced apart from each other along a first direction (here, the y-axis direction) as the upper electrode of the first
다음으로, 도 7a 및 도 7b는 송신부와 수신부 각각이 하나의 공통 전극을 갖되, 송신부와 수신부 사이에 절연층(IL)이 배치된 경우를 단면 방향을 달리하여 도시한 것이다.Next, FIGS. 7A and 7B show a case in which the transmission unit and the reception unit each have one common electrode, and the insulating layer IL is disposed between the transmission unit and the reception unit in different cross-sectional directions.
도 7a 및 도 7b에 도시된 압전 초음파 변환 장치에서 제1 압전 부재(111)의 상부 전극인 제1 전극으로 하나의 판상형 공통 전극(UEB1)이 배치되며, 하부 전극으로 제1 방향(여기서는 y축 방향)을 따라 나란히 복수의 제3 전극(LEA1)이 이격되어 배치된다. 또한, 제2 방향(여기서는 x축 방향)을 따라 나란히 이격되어 배치되는 복수의 압전 빔(121) 각각의 상면에는 복수의 제2 전극(UEA2)이 배치되며, 하부 전극인 제4 전극으로 하나의 공통 전극(LEB1)이 배치된다. 절연층(IL)에 대한 설명은 도 6a 및 도 6b와 관련하여 상술한 바와 같으므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.In the piezoelectric ultrasonic transducer shown in FIGS. 7A and 7B, one plate-shaped common electrode UEB1 is disposed as the first electrode, which is the upper electrode of the first
도 5a 내지 도 7b를 참조하여 전술한 전극 구조는 그 일부가 서로 조합되는 방식으로 변형될 수도 있음은 당업자에 자명하다. 예컨대, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 구조에서 제1 내지 제4 전극 중 적어도 하나의 전극이 공통 전극으로 대체될 수 있으며, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 구조에서 송신부 및 수신부 중 적어도 하나에서 상부 전극과 하부 전극의 구성이 반대로 변경될 수도 있다.It is apparent to those skilled in the art that the electrode structure described above with reference to FIGS. 5A to 7B may be modified in such a way that parts thereof are combined with each other. For example, in the structure shown in FIGS. 6A and 6B, at least one of the first to fourth electrodes may be replaced with a common electrode, and among the transmitter and receiver in the structure shown in FIGS. 7A and 7B. At least one configuration of the upper electrode and the lower electrode may be reversed.
지금까지 송신부(110)와 수신부(120)를 함께 고려한 전극 배치 형태를 참조하며, 이하에서는 전극들과 기판의 연결 방법을 함께 고려한 전극 배치 형태를 도 8a 내지 도 8e를 참조하여 설명한다.So far, referring to the electrode arrangement considering the
도 8a 및 도 8e는 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 기판을 고려한 전극 배치의 일례를 설명하기 위한 단면도이다.8A and 8E are cross-sectional views for explaining an example of an electrode arrangement in consideration of a substrate of a piezoelectric ultrasonic transducer according to an embodiment.
먼저, 도 8a에서 기본적인 송신부와 수신부의 배치 구조는 도 5b와 같으며, 제4 전극(LEA2) 아래에 기판(SUB1)이 배치된다. 이러한 구조에서 제4 전극(LEA2)은 바로 기판(SUB1)과 접하므로 직접 연결될 수 있다. 공통 전극(CE)의 경우, 제2 압전부재(121)를 수직 방향(예를 들어, z축 방향)으로 관통하는 관통홀(TH1)을 통해 기판(SUB1)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극(UEA1)은 연결부(CP)를 통해 기판(SUB1)과 연결될 수 있다. 여기서, 연결부(CP)는 기판(SUB1)이 플렉서블한 소재일 경우 기판(SUB1) 일단부를 절곡 또는 만곡시킨 것일 수 있으며, 그렇지 않은 경우 도전성 와이어 등의 연결 부재가 될 수 있겠으나 실시예는 이에 한정되지 아니한다.First, in FIG. 8A, the basic arrangement structure of the transmitter and receiver is the same as that of FIG. 5B, and the substrate SUB1 is disposed under the fourth electrode LEA2. In this structure, since the fourth electrode LEA2 directly contacts the substrate SUB1, it can be directly connected. In the case of the common electrode CE, it may be electrically connected to the substrate SUB1 through a through hole TH1 penetrating the second
다음으로, 도 8b에서 기본적인 송신부와 수신부의 배치 구조는 도 6b와 같으며, 절연층(IL) 대신 기판(SUB2)이 배치된다는 차이점이 있다. 이러한 구조에서 제3 전극(LEA1)과 제2 전극(UEA2)은 바로 기판(SUB1)과 접하므로 직접 연결될 수 있다. 제1 전극(UEA1)은 제1 압전 부재(111)를 수직 방향(예를 들어, z축 방향)으로 관통하는 관통홀(TH2)을 통해, 제4 전극(LEA2)은 제2 압전 부재(121)를 수직 방향으로 관통하는 관통홀(TH3)을 통해 각각 기판(SUB2)과 전기적으로 연결될 수 있다.Next, in FIG. 8B, the basic arrangement structure of the transmitter and receiver is the same as that of FIG. 6B, with the difference that the substrate SUB2 is disposed instead of the insulating layer IL. In this structure, the third electrode LEA1 and the second electrode UEA2 directly come into contact with the substrate SUB1, so they can be directly connected. The first electrode UEA1 passes through the through hole TH2 penetrating the first
도 8c에서 기본적인 송신부와 수신부의 배치 구조는 도 6b와 같으나, 제3 전극이 공통 전극으로 구성되며 송신부 아래에 기판(SUB3)이 배치된다는 차이점이 있다. 이러한 구조에서 제4 전극(LEA2) 은 바로 기판(SUB3)과 접하므로 직접 연결될 수 있다. 제1 전극(UEA1)은 제1 압전 부재(111), 절연층(IL) 및 제2 압전 부재(121)를 수직 방향(예를 들어, z축 방향)으로 관통하는 관통홀(TH4)을 통해, 제3 전극(LEB1)은 절연층(IL) 및 제2 압전 부재(121)를 수직 방향으로 관통하는 관통홀(TH5)을 통해, 제2 전극은 제2 압전 부재(121)를 수직 방향으로 관통하는 관통홀(TH6)을 통해 각각 기판(SUB3)과 전기적으로 연결될 수 있다.In FIG. 8C, the basic arrangement structure of the transmission unit and the reception unit is the same as that of FIG. 6B, but there is a difference that the third electrode is composed of a common electrode and the substrate SUB3 is disposed below the transmission unit. In this structure, since the fourth electrode LEA2 directly contacts the substrate SUB3, it can be directly connected. The first electrode UEA1 is formed through a through hole TH4 penetrating the first
다음으로, 도 8d에서 기본적인 송신부와 수신부의 배치 구조는 도 6b와 같으며, 송신부 아래에 기판(SUB3)이 배치된다는 차이점이 있다. 도 8c의 경우와 비교할 때 제2 전극의 구성만 공통 전극에서 복수의 전극으로 변경된 것으로, 전극 연결 구조는 실질적으로 도 8c의 경우와 유사하므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.Next, in FIG. 8D, the basic arrangement structure of the transmitter and receiver is the same as that of FIG. 6B, with the difference that the substrate SUB3 is disposed under the transmitter. Compared to the case of FIG. 8C, only the configuration of the second electrode is changed from a common electrode to a plurality of electrodes, and since the electrode connection structure is substantially similar to that of FIG. 8C, overlapping descriptions will be omitted.
도 8e의 경우 송신부와 수신부의 배치 구조는 도 7b와 같으나 절연층(IL) 대신 기판(SUB2)이 배치된다는 차이점이 있다. 이러한 구조에서 제3 전극(LEA1)과 제2 전극(UEA2)은 바로 기판(SUB1)과 접하므로 직접 연결될 수 있다. 다만, 제1 전극(UEA1)은 제1 압전 부재(111)의 일단부 외곽을 따라, 제4 전극(LEB1)은 제2 압전 부재(121)의 일단부 외곽을 따라 각각 절곡되어 관통홀을 거치지 않고 기판(SUB2)과 전기적으로 연결될 수 있다.In the case of FIG. 8E, the arrangement structure of the transmission unit and the reception unit is the same as that of FIG. 7B, but there is a difference that the substrate SUB2 is disposed instead of the insulating layer IL. In this structure, the third electrode LEA1 and the second electrode UEA2 directly come into contact with the substrate SUB1, so they can be directly connected. However, the first electrode UEA1 is bent along the outer edge of one end of the first
도 8a 내지 도 8e를 참조하여 전술한 전극과 기판의 연결 구조 또한 그 일부가 서로 조합되는 방식으로 변형될 수도 있음은 당업자에 자명하다. 또한, 상술한 전극과 기판의 연결 구조에서 제1 전극 내지 제4 전극 중 공통 전극이 아닌 전극이 관통하는 관통홀은 각 전극의 개수만큼 구비될 수 있다. 예컨대, 도 8b의 경우 단면 상에서 제4 전극(LEA2)이 통과하는 관통홀(TH3)은 하나만 도시되었으나, 제2 압전 부재(121)의 하면에 도 6a에 도시된 바와 같이 10개의 제4 전극(LEA2)이 배치된다면 관통홀(TH3) 또한 10개일 수 있다. 다른 예로, 도 8e에서 제1 전극(UEA1)과 제4 전극(LEB1)은 압전 부재(111, 121)의 외곽을 따라 절곡되어 기판(SUB2)에 연결되는 대신, 압전 부재(111, 121)에 형성된 관통홀을 따라 기판(SUB)에 연결될 수도 있다.It is apparent to those skilled in the art that the connection structure of the electrode and the substrate described above with reference to FIGS. 8A to 8E may also be modified in a way in which parts thereof are combined with each other. In addition, in the above-described electrode-substrate connection structure, the number of through-holes through which electrodes other than the common electrode among the first to fourth electrodes pass may be provided as many as the number of electrodes. For example, in the case of FIG. 8B , only one through hole TH3 through which the fourth electrode LEA2 passes is shown on the cross section, but as shown in FIG. 6A on the lower surface of the second
전술한 제1 내지 제4 전극들은 구동 제어부(미도시)와 연결될 수 있으며, 구동 제어부는 각 전극들에 구동 전력을 인가하거나 신호를 수신할 수 있다.The aforementioned first to fourth electrodes may be connected to a driving control unit (not shown), and the driving control unit may apply driving power to each electrode or receive a signal.
전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)의 경우, 초음파가 송신된 후 초음파를 수신할 수 있다. 즉, 초음파가 송신되는 시점과 초음파가 수신되는 시점에 차이가 있다. 이와 같이, 초음파가 시차를 두고 송신 및 수신되도록, 구동 제어부는 송신부(120)와 수신부(110)를 제어할 수 있다.In the case of the piezoelectric
한편, 전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)는 초음파를 이용하는 다양한 장치 또는 시스템 등에 이용될 수 있다. 예를 들어, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)는 모바일 전화, 멀티미디어 인터넷 휴대 전화, 이동용 텔레비젼 수상기, 무선 장치, 스마트 폰, 블루투스 장치, 휴대 정보 단말기(PDA), 무선 전자 메일 수신기, 휴대용 컴퓨터, 넷북(netbook), 노트북, 스마트북, 테블릿(tablets), 핸드라이팅 계수기(handwriting digitizers), 지문 검사기, 프린터, 복사기, 스캐너, 팩시밀리 장치, GPS 수신기, GPS 네비게이터, 카메라, 디지털 미디어 플레이어(예를 들어, MP3), 캠코더, 게임 콘솔, 손목 시계, 벽시계, 계산기, 텔레비젼 모니터, 평판형 디스플레이, 전자 판독기(예를 들어, e-readers), 휴대용 건강 (모니터링) 장치, 컴퓨터 모니터, 자동차용 디스플레이 장치(주행계 및 속도계 포함), 조종석 제어 장치나 디스플레이 장치, 카메라 뷰 디스플레이(camera view display)(예를 들어, 자동차용 블랙 박스), 전자 사진기, 전자 광고판, 프로젝터, 전자 레인지(microwave), 냉장고, 스테레오 시스템, 카셋트 리코더나 플레이어, DVD 플레이어, CD 플레이어, VCR, 라디오, 휴대용 메모리 칩, 세탁기, 드라이, 주차 미터, 패키징(packaging)(EMS, MEMS 등), 심미적 구조 장치(예를 들어, 보석 가게나 옷가게 등에서 사용되는 영상 표시 장치) 등의 전자 기기에 포함될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.On the other hand, the piezoelectric
구체적으로, 전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)는 생체 감지, 영상, 터치 및 제스쳐 인식용 전기적 센서 어레이 또는 쌍방향 디스플레이 등에 적용될 수 있다.Specifically, the piezoelectric
더욱 구체적으로, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)는 초음파 지문 센서와 같은 생체 감지 장치, 제스쳐 검사 장치, 마이크로폰, 스피커, 초음파 영상 장치, 초음파 화학적 센서, 초음파 터치 패드 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 생체 감지 장치로서, 초음파 지문 센서뿐만 아니라, 초음파 표피나 진피 센서, 피부의 팽팽한 정도나 피부의 손상 정도를 인식하는 초음파 피부 상태 센서 등이 있다.More specifically, the piezoelectric
정전 용량 방식으로 지문을 인식할 때보다 정전기적 간섭이 적으며, 투과도가 높아 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)에 의해 초음파 방식으로 지문을 인식할 경우 지문이 더 정확하게 인식될 수 있다.Compared to recognizing a fingerprint by a capacitive method, electrostatic interference is less, and the fingerprint is recognized more accurately when the fingerprint is recognized by the ultrasonic method by the piezoelectric
이하, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)를 포함하는 생체 정보 측정 장치(200)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.Hereinafter, the biometric
도 9는 실시 예에 의한 생체 정보 측정 장치(200)의 일 실시 예에 의한 외관을 나타내는 도면이다.9 is a diagram illustrating an appearance of an
도 9를 참조하면, 일 실시 예에 의한 생체 정보 측정 장치(200)는 압전 초음파 변환 장치, 임피던스 정합 부재(202) 및 생체 정보 분석부(210)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , a biometric
임피던스 정합 부재(202)는 생체 대상물(OB)과 송신부(120A) 사이 및 생체 대상물(OB)와 수신부(110) 사이의 임피던스 부정합을 개선시키는 역할을 한다. 압전 초음파 변환 장치는 수신부(110), 송신부(120) 및 구동 제어부(130)를 포함할 수 있다. 여기서, 수신부(110)는 도 2a에 도시된 수신부(110)에 해당하고, 송신부(120) 는 도 2b에 도시된 송신부(120)에 각각 해당하므로, 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다. 도 9에 도시된 압전 초음파 변환 장치에 포함되는 송신부(120) 및 수신부(110)는 도 5a 내지 도 8e에 도시된 전극 배치 구조 중 어느 하나를 가질 수 있다. 먼저, 송신부(120)에서 생성된 초음파는 수신부(110)를 거쳐 생체 대상물(OB)로 송신된다. 생체 대상물(OB)은 예를 들어, 산(R:Ridge)과 골(V:Valley)을 갖는 지문일 수 있다.The
구동 제어부(130)는 초음파를 생성하여 송신하도록 복수의 송신부(120)를 제어하고, 수신부(110)에서 수신된 초음파에 상응하는 전기적 신호를 받아서 생체 정보 분석부(210)로 출력한다. 이에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.The
구동 제어부(130)가 송신부(120)의 상부 전극(예를 들어, 제2 전극) 및 하부 전극(예를 들어, 제4 전극)으로 초음파 대역의 공진 주파수를 가지는 펄스 신호를 인가하여, 제2 압전 부재(121)에서 초음파가 송신될 수 있다. 송신부(120)에서 송신된 초음파는, 임피던스 정합 부재(202)의 상부면(202) 중에서 생체 대상물(OB)의 산(R)과 접하는 부분에서는 생체 대상물(OB)로 진입하는 반면, 임피던스 정합 부재(202)의 상부면(202T) 중에서 공기와 접한 부분에서는 압전 초음파 변환 장치의 내부 쪽으로 반사될 수 있다. 이와 같이, 초음파는 손가락(OB) 등이 접촉 또는 접근하지 않는 경우에는, 초음파가 방출되고자 하는 임피던스 정합 부재(202)와 공기 사이의 음향 임피던스 차이로 인해, 초음파의 대부분이 임피던스 정합 부재(202)와 공기의 계면을 통과하지 못한다. 반면에, 손가락(OB)이 접촉 또는 접근한 지점의 경우 송신되는 초음파의 일부가 손가락(OB)의 피부와 임피던스 정합 부재(202)의 경계면을 뚫고 손가락(OB) 내부로 진행하게 된다. 이 경우, 반사되어 수신부(110)에 수신되는 초음파의 강도가 낮아져 이로부터 지문 패턴을 감지할 수 있다.The driving
생체 대상물(OB)에서 반사된 초음파는 수신부(110)에서 수신된다. 구동 제어부(130)는 비록 도시되지는 않았지만, 수신부(110)의 상부 전극(예를 들어, 제1 전극) 및 하부 전극(예를 들어, 제3 전극)과 연결되어, 수신부(110)에서 수신된 초음파에 대응하는 전기적 신호를 받아서 생체 정보 분석부(210)로 출력한다.Ultrasound reflected from the biological object OB is received by the
생체 정보 분석부(210)는 구동 제어부(130)를 통해 받은 전기적 신호를 이용하여 생체 대상물(OB)의 생체 정보를 분석할 수 있다. 예를 들어, 생체 대상물(OB)이 지문일 경우, 생체 정보 분석부(210)는 전기적 신호를 이용하여 지문(OB)의 골(V)과 마루(R)에 따른 음향 임피던스 차이로부터 발생하는 초음파가 수신되는 반사 신호의 세기 또는 반사 계수를 측정함으로써 손가락의 지문 패턴을 감지할 수 있다. 이하에서는 도 10a 및 도 10b를 참조하여 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 센싱 메커니즘의 하나로 빔포밍 방식을 설명한다.The biometric
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 생체 정보 측정 장치에서 빔포밍에 의한 초음파 감지가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다. 도 10a 및 도 10b에서는 도 1a에 도시된 압전 초음파 변환 장치(100A)가 적용되는 것으로 가정한다.10A and 10B show an example of a form in which ultrasonic sensing by beamforming is performed in a biometric information measuring device according to an embodiment. In FIGS. 10A and 10B , it is assumed that the piezoelectric
설명의 편의를 위해, 도 10a 및 도 10b에서는 송신부(120)와 수신부(110)의 전극 도시를 생략하여, 송신부(120)는 그 일부로서 4개의 압전 빔(121-1, 121-2, 121-3, 121-4)만 도시하였다. 또한, 수신부(110)는 그 일부로서 제1 압전 부재(111)를 4개의 빔형 세그먼트(111-1, 111-2, 111-3, 111-4)로 도시하였다. 각 빔형 세그먼트(111-1, 111-2, 111-3, 111-4)는 제1 전극 및 제3 전극 중 공통 전극이 아닌 전극이 평면상에서 배치된 위치에 대응될 수 있으며, 이는 제1 압전 부재가 판상형이라도 전극이 배치되어 초음파를 감지함에 따른 신호를 실제로 송신하는 부분에 해당하는 것으로 볼 수 있다.For convenience of explanation, in FIGS. 10A and 10B , electrodes of the
실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치의 센싱 메커니즘은 감지 대상(OB’)이 위치하는 감지 영역에 압전 빔(121)의 평면 형상에 따른 빔 형태의 초음파를 송신하며, 감지 대상(OB’)에서 반사된 초음파를 압전 빔(121)과 평면 상에서 교차하는 방향으로 배치된(예를 들어, 직교하는) 빔형 세그먼트(111-1 내지 111-4)를 통해 수신하도록 한다. 따라서, 압전 빔(121)과 빔형 세그먼트가 교차하는 구조를 통해 평면 상에서 감지 좌표가 특정될 수 있다. 이러한 감지 좌표의 특정은 빔포밍 기법을 통해 보다 정교하게 수행될 수 있다.The sensing mechanism of the piezoelectric ultrasonic transducer according to the embodiment transmits ultrasound in the form of a beam according to the planar shape of the
예컨대, 도 10a에 도시된 바와 같은 상황에서는 감지 대상(OB’)과 각 압전 빔(121-1 내지 121-4)의 단면상 거리가 상이하다. 이러한 상황에서 상대적으로 거리가 먼 압전 빔(121-1 및 121-4)에서 먼저 초음파를 송신하고, 이후 상태적으로 거리가 가까운 압전 빔(121-2 및 121-3)에서 초음파를 송신하여, 서로 다른 시점에 송신된 초음파가 감지 대상(OB’)에 동시에 도달하도록 할 수 있다. 이러한 압전 빔 별로 초음파 송신 시점을 조절한다면, 감지 대상(OB’)과 각 압전 빔의 위치 관계에 한정되지 않게 수평 방향(예를 들어, y축 방향)의 초음파 도달 좌표를 조절할 수 있게 된다.For example, in the situation shown in FIG. 10A , the cross-sectional distance between the sensing object OB′ and each of the piezoelectric beams 121-1 to 121-4 is different. In this situation, ultrasonic waves are first transmitted from the piezoelectric beams 121-1 and 121-4 that are relatively far apart, and then ultrasonic waves are transmitted from the piezoelectric beams 121-2 and 121-3 that are relatively close in distance, Ultrasonic waves transmitted at different times may simultaneously arrive at the sensing target OB'. If the ultrasonic transmission time point is adjusted for each piezoelectric beam, the arrival coordinate of the ultrasonic wave in the horizontal direction (eg, the y-axis direction) can be adjusted without being limited to the positional relationship between the object to be detected (OB′) and each piezoelectric beam.
수신시에는 이를 역으로 이용할 수 있다. 즉, 도 10b에 도시된 바와 같이 수신부(110)의 각 빔형 세그먼트(111-1, 111-2, 111-3, 111-4)와 감지 대상(OB’)간의 거리가 서로 다르게 된다. 따라서, 동시에 감지 대상(OB’)에 도달한 후 반사된 초음파도 각 빔형 세그먼트(111-1, 111-2, 111-3, 111-4)별로 감지되는 시점이 달라진다. 따라서, 각 빔형 세그먼트(111-1, 111-2, 111-3, 111-4)별로 도달 시간을 역산한다면 감지 대상(OB’)에서 반사된 초음파만 감지할 수 있게 된다.When receiving, it can be used in reverse. That is, as shown in FIG. 10B , the distances between the beam type segments 111-1, 111-2, 111-3, and 111-4 of the
이를 위해, 구동 제어부(130)는 송신부(120)의 제2 전극과 제4 전극 중 적어도 하나에 대하여 대응되는 압전 빔에 따라 서로 다른 시점에 펄스 신호를 인가할 수 있으며, 수신부(110)의 제1 전극과 제3 전극 중 적어도 하나를 통해 수신되는 신호의 수신 시점에 대응되는 빔형 세그먼트별로 오프셋을 둘 수도 있다.To this end, the
따라서, 전술한 빔포밍 기술을 이용한다면 실제로 압전 빔(121)과 빔형 세그먼트(111-1, 111-2, 111-3, 111-4)의 수평 방향으로의 물리적 이격 거리에 의한 해상도보다 더 높은 해상도를 얻을 수도 있다.Therefore, if the above-described beamforming technology is used, the resolution is actually higher than the physical separation distance in the horizontal direction of the
다만, 상술한 압전 초음파 변환 장치를 통해 빔포밍을 구현하기 위해서는 다음과 같은 점들이 고려될 필요가 있다.However, in order to implement beamforming through the above-described piezoelectric ultrasonic transducer, the following points need to be considered.
먼저, 압전 초음파 변환 장치가 이동 단말기와 같이 디스플레이를 구비하는 기기에서 디스플레이의 하부에 배치될 경우, 디스플레이(OLED 등)나 강화유리(Glass)를 통과하여 초음파가 생체 대상물로 진행한다. 그런데, 디스플레이와 강화유리는 비교적 초음파의 전파 속도가 빠른 매질이며, 최근 기기에 구비되는 디스플레이는 두께가 얇아지는 추세이므로 송신부(120)에서 초음파가 방출된 후 수신부(110)로 돌아오는 시간이 대단히 짧아지게 된다.First, when a piezoelectric ultrasonic transducer is disposed below a display in a device having a display such as a mobile terminal, ultrasonic waves pass through a display (eg, OLED) or tempered glass to a living object. By the way, the display and the tempered glass are mediums in which the propagation speed of the ultrasonic wave is relatively fast, and since the thickness of the display provided in the recent device has tended to be thin, the time for the ultrasonic wave to return to the
일례로, 초음파 변환 장치와 생체 대상물 사이에 0.55mm의 두께를 갖는 매질이 있다고 가정할 경우 매질의 구성 별 초음파의 전파 속도와 왕복 시간은 아래 표 1과 같다.As an example, assuming that there is a medium having a thickness of 0.55 mm between the ultrasonic transducer and the biological object, the propagation speed and round-trip time of ultrasonic waves for each configuration of the medium are shown in Table 1 below.
표 1을 참조하면, OLED의 구성에 따라 다소의 차이는 있으나 강화유리나 OLED와 같은 디스플레이는 물에 비해 2 내지 3배의 초음파 전파 속도를 가지며, 공기에 비해서는 약 10배 이상의 초음파 전파 속도를 가진다.Referring to Table 1, although there are some differences depending on the composition of the OLED, displays such as tempered glass or OLED have an ultrasonic propagation speed of 2 to 3 times that of water and about 10 times or more of that of air. .
가정과 같이 초음파 변환 장치와 생체 대상물 사이에 0.55mm의 두께를 갖는 매질이 있는 경우, 초음파가 해당 매질에서 왕복으로 인해 총 통과할 매질의 수직 거리는 1.1mm가 된다. 따라서, 디스플레이 하부에 초음파 변환 장치가 배치될 경우 디스플레이 등의 매질에서 초음파의 총 왕복 시간은 약 0.3us로 볼 수 있다. 초음파의 총 왕복 시간은 빔 포밍을 위한 컨트롤 타임(예컨대, 빔 포밍에 참여하는 압전 빔(121)과 빔형 세그먼트(111)의 제어 시간)과 관련된다. 이를 아래 표 2 및 표 3을 참조하여 설명한다.In the case where there is a medium having a thickness of 0.55 mm between the ultrasonic transducer and the biological object as in the home, the total vertical distance of the medium to pass through is 1.1 mm due to reciprocation of ultrasonic waves in the corresponding medium. Accordingly, when the ultrasonic transducer is disposed under the display, the total round-trip time of ultrasonic waves in a medium such as the display can be seen as about 0.3us. The total round-trip time of the ultrasound is related to the control time for beamforming (eg, the control time of the
표 2 및 표 3은 압전 초음파 변환 장치와 생체 대상물 사이에 1mm 두께의 매질이 유리인 경우와 OLED 디스플레이일 경우 각각에서 이격 간격(도 2b의 W4)이 50㎛일 때 16개의 압전 빔을 통해 빔포밍을 수행할 경우 컨트롤 타임을 나타낸다.Tables 2 and 3 show that the 1mm-thick medium between the piezoelectric ultrasonic transducer and the living object is glass and the OLED display, respectively, when the separation interval (W4 in FIG. 2b) is 50 μm through 16 piezoelectric beams In case of forming, it indicates the control time.
여기서 컨트롤 타임은 압전 빔의 초음파 발신 시점을 의미할 수 있다. 예컨대, 표2에서 빔포밍에 참여하는 압전 빔(121) 중 가장 외측(1번 및 16번)에 있는 압전 빔의 초음파 발신 시점을 기준으로 0이라 할 때, 중앙의 압전 빔(8번 및 9번)은 가장 외측의 압전 빔이 초음파를 발신한 후 약 10ns 후 초음파를 발신하여야 중앙의 압전 빔 위치에 대응되는 유리 상부에서 초음파가 동시에 도달하여 중첩됨을 의미한다. 결국, 표 2와 같은 경우 약 0.2ns 내지 최대 약 3ns 마다, 표 3과 같은 경우 최소 약 0.3ns 내지 최대 약 3.5ns 마다 서로 다른 압전 빔이 초음파를 송신하도록 구동 제어부(130)가 송신부(120)를 제어해야 함을 의미한다.Here, the control time may mean a time point at which ultrasonic waves of the piezoelectric beam are transmitted. For example, in Table 2, when the ultrasonic transmission time of the outermost piezoelectric beams (numbers 1 and 16) among the
다시 말해, 초음파 변환 장치와 생체 대상물 사이에 초음파 전파 속도가 빠르되 박형화된 매질이 있을 경우 빔포밍을 위한 컨트롤 시간이 매우 짧아지게 되는데, 이는 곧 구동 제어부(130)와 생체 정보 분석부(210)의 사양이 높아야 함을 의미한다. 또한, 복수의 압전 빔(121)이나 빔형 세그먼트(111)가 하나의 단위로 빔 포밍에 참여할 경우 참여 단위에 따라 해상도가 낮아질 수도 있다.In other words, when the ultrasound propagation speed is fast between the ultrasound conversion device and the biological object, but there is a thinned medium, the control time for beamforming becomes very short, which means that the driving
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 빔 포밍을 수행함에 있어서 송신부(120)에서 1회의 초음파 송신에 참여하는 복수의 압전 빔(121)을 A(A>1인 자연수)개 단위로 그루핑(grouping)하고, 빔 포밍시 그룹 단위로 동일 시간에 초음파를 방출되도록 할 것을 제안한다. 1회의 초음파 송신에 참여하는 복수의 압전 빔(121)의 개수를 B개라고 할 경우, B은 A의 배수일 수 있다. 이러한 경우, A개의 압전 빔(121)이 동일 시점에 초음파를 방출하므로 실질적인 송신 파워는 2배가 된다. 또한, 복수의 압전 빔(121)이 한 그룹을 이루어 동시에 초음파를 방출하므로, 인접한 그룹이 다음 초음파를 방출하기 전까지 컨트롤 타임에 여유가 확보될 수 있다. 예를 들어, 표 2와 같은 상황에서는 1번 내지 4번 압전 빔을 제어함에 있어 3ns 안에 4개의 압전 빔을 개별적으로 제어해야 하나, 그루핑 단위(A)가 2인 경우 같은 시간 내에 2번의 제어만으로 족하다. 따라서 압전 빔을 개별 제어하는 경우 대비 컨트롤 타임이 길어지므로 비교적 낮은 성능의 구동 제어부(130)로도 빔포밍 구현이 가능하다.Therefore, in one embodiment of the present invention, in performing beamforming, the
그런데, B개의 압전 빔(121)을 통해 초음파가 송신된 후 다음 초음파 송신을 위해 다시 B개의 압전 빔(121)을 선택함에 있어서 압전 빔(121)이 서로 이격되는 방향으로 A개 만큼 이동(즉, 쉬프트)할 경우 해상도가 저하될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 해상도 저하를 방지하기 위해, 쉬프트가 A개 단위가 아닌, A보다 작은 자연수인 C개 단위(즉, 쉬프팅 단위)로 수행되도록 할 것을 제안한다. 이를 도 11을 참조하여 설명한다.By the way, in selecting the B
도 11은 실시예에 따른 송신부 배치 형태의 일례를 나타낸다.11 shows an example of an arrangement form of a transmitter according to an embodiment.
설명의 편의를 위해, 도 11에서는 송신부(120)가 1번부터 32번까지 총 32개의 압전 빔(121)을 구비하는 것으로 가정한다. 또한, 동일 시점에 초음파를 방출하는 압전 빔(121) 그루핑 단위(A)가 2이고, 1회의 빔포밍에 참여하는 총 압전 빔(121)의 수(B)가 14이며, 쉬프팅 단위(C)는 1인 경우를 가정한다.For convenience of description, it is assumed in FIG. 11 that the
이러한 경우, 각 압전 빔별 동작 상태를 빔포밍 회차별로 나타내면 아래 표 4와 같다.In this case, operation states of each piezoelectric beam are shown in Table 4 below by beamforming times.
표 4에서 각 빔포밍 회차(T1 내지 T5)에서 압전 빔 번호별로 부여되는 숫자는 동일 회차 내에서 송신 순서를 의미하여, 동일한 숫자는 동일한 송신 시점을 의미한다. 즉, 1회의 빔포밍에 참여하는 압전 빔들 중 가장 중앙에 위치한 압전 빔들의 상부에서 초음파가 동일 시점에 도달하여 중첩되도록 하기 위해, 가장 자리에 있는 압전 빔들은 상대적으로 중앙에 위치한 압전 빔들보다 먼저 초음파를 송신하게 된다.In Table 4, numbers assigned to each piezoelectric beam number in each beamforming round (T1 to T5) mean a transmission order within the same round, and the same number means the same transmission time point. That is, in order for the ultrasonic waves to arrive at the same time point and overlap on top of the piezoelectric beams located at the most center among the piezoelectric beams participating in one beamforming, the piezoelectric beams at the edge precede the piezoelectric beams located at the relatively center. will send
구체적으로, 최초 빔포밍시(T1), 압전 빔(121)들 중 1번부터 14번까지 참여하되, 1번과 2번 압전 빔, 3번과 4번 압전 빔, 5번과 6번 압전 빔 등 두 개의 압전 빔 단위로 그루핑되어 동일한 시점에 초음파를 송신하게 된다. 이러한 경우, 각 압전 빔(121)에서 송신된 초음파는 송신부(120)의 상부에서 7번과 8번 압전 빔의 중간 위치에 해당하는 지점에 동일한 시점에 도달할 수 있다.Specifically, at the time of initial beamforming (T1),
다음 빔포밍시(T2)에는 다시 14개의 압전 빔이 선택되되, 그루핑 단위(A=2)보다 적은 쉬프팅 단위(C)를 가지므로, 쉬프팅 단위(C)는 1이 된다. 따라서, 2번부터 15번 압전 빔이 선택되며, 각 압전 빔(121)에서 송신된 초음파는 송신부(120)의 상부에서 8번과 9번 압전 빔의 중간 위치에 해당하는 지점에 동일한 시점에 도달할 수 있다.In the next beamforming (T2), 14 piezoelectric beams are selected again, but since the number of shifting units (C) is less than the grouping unit (A=2), the shifting unit (C) becomes 1. Therefore, piezoelectric beams numbered 2 to 15 are selected, and the ultrasonic waves transmitted from each
세 번째 빔포밍(T3)부터 다섯 번째 빔포밍(T5)은 쉬프팅에 의해 참여하는 압전 빔이 변경됨을 제외하면 전술한 첫 번째 및 두 번째 빔포밍과 같은 방식으로 수행되는 바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 유사한 과정을 통해, 도 11과 같은 송신부(120) 구성 하에서는 세로 방향으로 총 19 라인(즉, T19에서 19번 내지 32번이 참여)의 해상도를 가질 수 있다.The third beamforming (T3) to the fifth beamforming (T5) are performed in the same manner as the first and second beamformings except that the participating piezoelectric beams are changed by shifting, and duplicate descriptions are omitted. I'm going to do it. Through a similar process, under the configuration of the
한편, 본 실시예의 다른 양상에 의하면, 보다 신속한 생체 정보 획득을 위해 한 번에 두 라인에 대한 빔포밍이 수행되도록 할 수도 있다. 이를 아래 표 5를 참조하여 설명한다.Meanwhile, according to another aspect of the present embodiment, beamforming may be performed on two lines at once to acquire biometric information more quickly. This will be described with reference to Table 5 below.
표 5를 참조하면, T1에서 표 4와 유사하게 1번 내지 14번 압전 빔이 하나의 라인에 대응되는 빔포밍에 참여하도록 하되, 동시에 15 내지 28번 압전 빔도 다른 라인에 대응되는 빔포밍에 참여하도록 할 수 있다. 예를 들어, 표 5에서 1-1과 1-2에 해당하는 압전 빔은 동시에 초음파를 송신하도록 제어된다.Referring to Table 5, in T1, similar to Table 4, piezoelectric beams No. 1 to 14 participate in beamforming corresponding to one line, but at the same time, piezoelectric beams No. 15 to 28 also participate in beamforming corresponding to other lines. can get you involved. For example, piezoelectric beams corresponding to 1-1 and 1-2 in Table 5 are controlled to simultaneously transmit ultrasonic waves.
다만, T5에서 32번 압전빔까지 빔포밍에 참여한 후에는 빔포밍 단위인 14개의 압전빔이 확보될 수 없으므로 T6부터는 회차당 하나의 라인만 스캔되도록 할 수 있다.However, since 14 piezoelectric beams, which are beamforming units, cannot be secured after participating in beamforming from T5 to the 32nd piezoelectric beam, only one line can be scanned per round from T6.
이러한 경우, T14에서 19 라인에 대한 스캔이 완료될 수 있으므로, 표 4와 같은 방식의 스캔에 비하여 5회차에 해당하는 시간이 감소할 수 있다.In this case, since the scan of 19 lines can be completed at T14, the time corresponding to the fifth round can be reduced compared to the scan of the method shown in Table 4.
상술한 방식으로 빔포밍이 수행되는 경우, 비록 2개의 압전 빔 단위로 그루핑이 된다하여도, 쉬프팅은 1개 단위로 수행되므로 해상도 손실이 없다. 다만, T1에서 7번과 8번 압전 빔(121) 사이의 상부 공간에서 처음 초음파가 중첩되므로, 1번 내지 7번 압전 빔(121)들의 상부 공간(NI1)에서는 빔 포밍이 이루어지지 않으며, T19에서 25번과 26번 압전 빔(121) 사이의 상부 공간(NI2)에서 마지막으로 초음파가 중첩되므로 26번 내지 32번 압전 빔(121)들의 상부 공간에서도 빔 포밍이 이루어지지 않는다. 따라서, 압전 빔들이 이격되는 방향으로 양단부에 각각 B/2 이하에 해당하는 영역(NI1, NI2)에 해당하는 생체 정보는 수집되지 않는다. 따라서, 생체 정보가 수집되지 않는 영역(NI1, NI2)에 해당하는 생체 정보 이미지(예컨대, 지문 이미지)가 최종적으로 생성될 수 없는 바, 이러한 영역(NI1, NI2)을 “비 이미징 영역”이라 칭할 수 있다.When beamforming is performed in the above-described manner, even if grouping is performed in units of two piezoelectric beams, there is no resolution loss because shifting is performed in units of one. However, since the first ultrasonic waves are overlapped in the upper space between the 7th and 8th
지금까지 설명에서 송신부(120)에 구비되는 압전 빔(121)의 개수, 그루핑 단위(A), 한 번의 빔포밍에 참여하는 압전 빔(121)의 개수(B) 및 쉬프팅 단위(C)는 모두 예시적인 것으로, 실시예는 이에 한정되지 아니하고 다양한 단위 수에도 적용될 수 있음은 당업자에 자명하다.In the description so far, the number of
이하, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치와 기존의 압전 초음파 변환 장치를 비교하여 설명한다.Hereinafter, a piezoelectric ultrasonic transducer according to an embodiment and a conventional piezoelectric ultrasonic transducer will be compared and described.
지금까지 설명한 실시예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A, 100B)를 이용한 빔포밍 방식은 비교례, 예컨대, 도 3e에 도시된 압전 기둥(PP) 형태의 1-3 콤포지트 구성을 갖는 압전 부재를 이용한 압전 초음파 변환 장치에도 적용될 수 있다. 다만, 압전 기둥(PP) 형태의 압전 부재가 사용되는 경우 송신부와 수신부가 물리적으로 분리되지 않고 스위칭 제어를 통해 시분할로 동일 압전 부재가 송신부로의 동작과 수신부로의 동작을 반복하게 된다. 즉, 압전 기둥 형태의 압전 부재는 제1 시간 동안은 송신부로 동작하며, 스위칭 타임에 해당하는 제2 시간 이후 제3 시간 동안 수신부로 동작하게 된다. 따라서, 실시예에 따른 압전 초음파 변환 장치(100A, 100B)의 경우 빔포밍 간(예컨대, T1과 T2 사이)에 스위칭 타임이나 수신부(110)의 수신 동작 여부를 고려할 필요가 없다.The beamforming method using the piezoelectric
예를 들어, 압전 기둥 형태의 압전 부재가 적용될 경우 압전 부재가 송신부로 동작하여 최초 빔포밍(예컨대, T1) 송신 후 압전 부재는 스위칭 타임 후 수신부로 동작하여야 하며, 수신부로 동작하는 동안 최초 빔포밍의 반사 신호를 수신한 후에야 다시 스위칭 타임을 거쳐 송신부로 동작할 준비가 된 후 2회차 빔포밍(예컨대, T2)을 수행하여야만 하는 문제점이 있다. 이와 달리, 실시예에 따른 압전 초음파 변환 장치(100A, 100B)의 경우 송신부(120)는 상시 송신부로 동작하고 수신부(110)는 상시 수신부로 동작하므로 스위칭 타임 자체가 불필요하고, T1에서 송신부(120)를 통해 송신된 초음파가 수신부(110)에 도달하기 전 또는 후에 무관하게 다시 송신부(120)에서는 T2에 해당하는 빔포밍 전송이 가능하다.For example, when a piezoelectric member in the form of a piezoelectric column is applied, the piezoelectric member operates as a transmitter and performs initial beamforming (eg, T1) transmission, then the piezoelectric member operates as a receiver after a switching time, and performs initial beamforming while operating as a receiver. There is a problem in that the second round of beamforming (eg, T2) must be performed only after receiving the reflected signal of , after going through a switching time and being ready to operate as a transmitter. In contrast, in the case of the piezoelectric
또한, 복수의 압전 빔(121)에 대한 그루핑을 통해 빔 포밍을 구현하므로, 압전 빔(121) 간의 컨트롤 타임 간격을 그루핑 단위(A)에 비례하여 길게 가져갈 수 있으며, 이는 비교적 낮은 성능의 하드웨어로도 빔포밍을 구현할 수 있음을 의미하고, 이는 다시 압전 초음파 변환 장치의 가격 경쟁률이 높음을 의미할 수 있다. 아울러, 그루핑 단위(A)에 비례하여 송신 파워가 상승하는 효과가 있으며, 그루핑 단위(A)보다 쉬프팅 단위(C)가 작음으로 인해 해상도 측면에서 이점이 있다.In addition, since beamforming is implemented through grouping of a plurality of
뿐만 아니라, 비교 례에 의한 압전 초음파 변환 장치는 동일한 압전 부재에 의해 초음파를 송신하고 수신한다. 일반적으로 압전 부재는 초음파를 수신하는 성능이 우수하지만 초음파를 송신하는 능력이 낮거나, 초음파를 송신하는 성능이 우수하지만 초음파를 수신하는 능력이 낮을 수 있다. 즉, 일반적인 압전 부재는 송신과 수신 중 한 쪽의 성능만 우수하며 송신과 수신 성능 모두 우수할 수 없다. 이를 고려할 때, 기존의 압전 초음파 변환 장치의 초음파 송신과 초음파 수신 중 어느 한 쪽의 성능이 열화될 수 밖에 없다.In addition, the piezoelectric ultrasonic transducer according to the comparative example transmits and receives ultrasonic waves by the same piezoelectric member. In general, a piezoelectric member may have an excellent ability to receive ultrasonic waves but a low ability to transmit ultrasonic waves, or may have a high ultrasonic transmitting ability but a low ability to receive ultrasonic waves. That is, a general piezoelectric member is excellent in only one of transmission and reception performance, and cannot be excellent in both transmission and reception performance. Considering this, the performance of either one of ultrasonic transmission and ultrasonic reception of the existing piezoelectric ultrasonic transducer is inevitably deteriorated.
반면에, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치는 초음파를 송신하는 송신부와 초음파를 수신하는 수신부가 서로 이격되고, 수신부(110)의 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 초음파 수신력을 높이도록 구현하고, 송신부(120)의 구성 또는 재질 중 적어도 하나를 초음파 송신력을 높이도록 구현한다. 따라서, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치는 초음파 송신력과 수신력이 모두 우수한 효과를 갖는다.On the other hand, in the piezoelectric ultrasonic transducer according to the embodiment, the transmitter for transmitting ultrasonic waves and the receiver for receiving ultrasonic waves are spaced apart from each other, and at least one of the configuration or material of the
송신부(120)에서 초음파의 송신력이 높아지고 수신부(110)에서 수신된 초음파의 세기가 커질 경우, 대상물에 대한 정보를 정확하게 인식할 수 있도록 한다. 이를 고려할 때, 기존의 압전 초음파 변환 장치와 달리, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치는 송신부의 초음파 송신력이 우수하고 수신부의 초음파 수신력이 우수하므로, 대상물에서 반사된 초음파의 세기가 커서 우수한 감지 능력을 갖는다. 예를 들어, 도 15에 도시된 생체 정보 측정 장치(200)에서, 송신된 초음파를 반사시키는 대상물(OB)이 손가락의 지문일 경우, 표피를 통과하여 진피에서 반사된 후 수신된 초음파의 수신되는 세기가 커질 수 있다. 이로 인해, 실시 예에 의한 생체 정보 측정 장치(200)가 지문뿐만 아니라 표피 및 진피를 인식하는 성능이 개선될 수 있다.When the transmission power of ultrasonic waves in the
또한, 기존의 압전 초음파 변환 장치는 동일한 압전 부재에 의해 초음파를 송신하고 수신하므로, 초음파를 송신할것인지 그렇지 않으면 송신할 것인지를 제어하는 스위치 구조를 요구한다. 따라서, 기존의 압전 초음파 변환 장치의 회로가 복잡해진다.In addition, since the existing piezoelectric ultrasonic transducer transmits and receives ultrasonic waves by the same piezoelectric member, a switch structure for controlling whether to transmit ultrasonic waves or not is required. Therefore, the circuit of the existing piezoelectric ultrasonic transducer becomes complicated.
반면에, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치는 송신부와 수신부가 분리되어 있고, 분리된 송신부와 수신부로의 전원 공급을 구동 제어부(130)에서 제어하기만 하면 되므로, 별도의 스위치 구조를 요구하지 않는다. 따라서, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치는 기존의 압전 초음파 변환 장치보다 회로 구조가 복잡하지 않다.On the other hand, the piezoelectric ultrasonic transducer according to the embodiment does not require a separate switch structure because the transmission unit and the reception unit are separated, and the driving
또한, 송신부가 대상물과 수직 방향으로 중첩되지 않는다고 하더라도, 빔 포밍 기술을 이용하여 초음파를 대상물에 집속하여 도달시킬 수 있어, 수신된 초음파의 세기가 증가함으로써, 대상물의 이미지의 해상도를 개선시킬 수 있다.In addition, even if the transmitting unit does not overlap with the object in the vertical direction, it is possible to focus and reach the ultrasonic wave to the object using beamforming technology, so that the intensity of the received ultrasonic wave increases, thereby improving the resolution of the image of the object. .
만일, 전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)가 디스플레이 장치에 적용될 경우, 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)는 디스플레이 장치의 디스플레이의 화면 영역의 하단에 배치될 수 있다.If the piezoelectric
전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 내지 100C)는 디스플레이 장치에서 지문 센서로서 적용될 수 있다. 디스플레이 장치는 디스플레이 패널 및 커버 기판 등을 포함하므로, 두께가 약 1mm 정도 될 수 있다. 이러한 디스플레이 장치에서 정전용량 방식의 지문 센서를 이용할 경우 투과도 및 디스플레이 내부 회로에 의한 간섭에 의해서 지문을 인식하는 정확도가 떨어질 수 있다. 반면에, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)를 디스플레이 장치에서 초음파 지문센서로 채택할 경우, 지문을 인식하는 정확도가 증가할 수 있으며, 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)를 디스플레이 하단에 배치하더라도 지문 인식이 가능할 수 있다.The piezoelectric
이하, 전술한 압전 초음파 변환 장치(100A 및 100B)를 포함하는 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300A 내지 300F)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.Hereinafter,
도 12는 일 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300A)의 단면도를 나타낸다.12 is a cross-sectional view of a
일 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300A)는 커버 부재(310A), 접착층(320A), 디스플레이 패널(330A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A)를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 커버 부재(310A)와 접착층(320A)은 생략될 수 있다.The
커버 부재(310A)는 리지드(rigid)하거나 또는 플렉서블(flexible)할 수 있다. 바람직하게는, 커버 부재(310A)는 휘어지거나(bending) 접힐 수 있도록(foldable) 플렉서블할 수 있다.The
예를 들어, 커버 부재(310A)는 플라스틱이나 글래스(glass)를 포함할 수 있다. 자세하게, 커버 부재(310A)는 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 프로필렌 글리콜(propylene glycol, PPG), 폴리 카보네이트(PC) 등의 강화 혹은 연성 플라스틱을 포함하거나 사파이어를 포함할 수 있다.For example, the
또한, 커버 부재(310A)는 광등방성 필름을 포함할 수 있다. 일례로, 커버 부재(310)는 COC(Cyclic Olefin Copolymer), COP(Cyclic Olefin Polymer), 광등방 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 또는 광등방 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다.In addition, the
디스플레이 패널(330A)은 커버 부재(310A)의 하부에 배치될 수 있다. 디스플레이 패널(330A)과 커버 기재(310A)는 광학용 투명 접착제 등의 접착층(320A)을 통해 서로 접착될 수 있다.The
디스플레이 패널(330A)은 제1 기판(332) 및 제2 기판(334)을 포함할 수 있다.The
디스플레이 패널(330A)이 액정표시패널인 경우, 디스플레이 패널(330A)은 박막트랜지스터(Thin Film Transistor,TFT)와 화소전극을 포함하는 제1 기판(332)과 컬러필터층들을 포함하는 제2 기판(334)이 액정층을 사이에 두고 합착된 구조로 형성될 수 있다.When the
또한, 디스플레이 패널(330A)은 박막트랜지스터, 칼라필터 및 블랙매트릭스가 제1 기판(332)에 형성되고, 제2 기판(334)이 액정층을 사이에 두고 제1 기판(332)과 합착되는 COT(color filter on transistor)구조의 액정표시패널일 수도 있다. 즉, 제1 기판(332) 상에 박막 트랜지스터를 형성하고, 박막 트랜지스터 상에 보호막을 형성하고, 보호막 상에 컬러필터층을 형성할 수 있다.In addition, in the
또한, 제1 기판(332)에는 박막 트랜지스터와 접촉하는 화소전극을 형성한다. 이때, 개구율을 향상하고 마스크 공정을 단순화하기 위해 블랙매트릭스를 생략하고, 공통 전극이 블랙매트릭스의 역할을 겸하도록 형성할 수도 있다.In addition, a pixel electrode contacting the thin film transistor is formed on the
또한, 디스플레이 패널(330A)이 액정표시패널인 경우, 디스플레이 장치(300A)는 디스플레이 패널(330A) 배면에서 광을 제공하는 백라이트 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다.Also, when the
예를 들어, 디스플레이 패널(330A)은 활성 영역을 포함할 수 있다. 여기서, 활성 영역은 실제로 화면이 출사되는 영역일 수 있다. 이 경우, 압전 초음파 변환 장치(340A)는 디스플레이 패널(330A)의 하단, 즉, 디스플레이 패널(330A) 또는 백라이트 유닛(미도시)의 광이 출사하는 방향의 반대 방향에서, 활성 영역과 대응하는 영역에 배치될 수 있다. 구체적으로 압전 초음파 변환 장치는 활성 영역의 지문 영역 상에 배치될 수 있으며, 특히 수신부가 지문 영역에 대응되도록 배치될 수 있다.For example, the
특히, 모바일 디스플레이 장치에서, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치를 생체 인식 장치로 사용하는 경우, 기존에 사용하던 지문 센서 버튼을 제거할 수 있어, 모바일 디스플레이 장치의 활성 영역을 넓힐 수 있는 장점이 있다.In particular, in a mobile display device, when the piezoelectric ultrasonic transducer according to the embodiment is used as a biometric device, the previously used fingerprint sensor button can be removed, which has the advantage of widening the active area of the mobile display device. .
도 13은 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300B)의 단면도를 나타낸다.13 is a cross-sectional view of a
도 13에 도시된 디스플레이 장치(300B)는 커버 글래스(310B), 플라스틱 OLED(POLED)(330B) 및 압전 초음파 변환 장치(340B)를 포함할 수 있다.The
커버 글래스(310B)는 도 12에 도시된 커버 부재(310A)가 글래스로 구현된 경우이며, 커버 부재(310A)와 동일한 역할을 수행한다.The
POLED(330B)는 도 12에 도시된 디스플레이 패널(330A)의 다른 례이다.
도 14는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300C)의 단면도를 나타낸다.14 is a cross-sectional view of a
도 14에 도시된 디스플레이 장치(300C)는 디스플레이 패널(330C), 접착층(320B) 및 압전 초음파 변환 장치(340C)를 포함할 수 있다.The
디스플레이 패널(330C), 접착층(320B) 및 압전 초음파 변환 장치(340C)는 도 12에 도시된 디스플레이 패널(330A), 접착층(320A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.The
도 15는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300D)의 단면도를 나타낸다.15 is a cross-sectional view of a
도 15에 도시된 디스플레이 장치(300D)는 디스플레이 TFT(330D), 접착층(320C) 및 압전 초음파 변환 장치(340D)를 포함할 수 있다.The
디스플레이 TFT(330D)는 도 12에 도시된 디스플레이 패널(330A)이 박막 트랜지스터로 구현된 경우이다. 접착층(320C) 및 압전 초음파 변환 장치(340D)는 도 16에 도시된 접착층(320A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.The
도 16은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300E)의 단면도를 나타낸다.16 is a cross-sectional view of a
도 16에 도시된 디스플레이 장치(300E)는 디스플레이 하부 기판(TFT)(330E), 접착층(320D), 압전 초음파 변환 장치(340E), 폼 테이프(form tape)(350) 및 백 플레이트(back plate)(360)를 포함할 수 있다.The
디스플레이 하부 기판(TFT)(330E)은 도 15에 도시된 디스플레이 TFT(330D)와 동일한 역할을 한다. 폼 테이프(350)는 디스플레이 하부 기판(330E)과 백 플레이트(360) 사이에 배치될 수 있다. 접착층(320D) 및 압전 초음파 변환 장치(340E)는 도 16에 도시된 접착층(320A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.The display lower substrate (TFT) 330E plays the same role as the
도 17은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300F)의 단면도를 나타낸다.17 is a cross-sectional view of a
도 17에 도시된 디스플레이 장치(300F)는 커버 기판(310C), 디스플레이 패널(330F), 폼 테이프(350), 백 플레이트(360), 접착층(320E) 및 압전 초음파 변환 장치(340F)를 포함할 수 있다.The
커버 기판(310C)은 도 12에 도시된 커버 부재(310C)에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있다.The
디스플레이 패널(330F)이 유기전계발광표시(OLED) 패널인 경우, 디스플레이 패널(330F)은 별도의 광원이 필요하지 않은 자발광 소자를 포함한다. 디스플레이 패널(330F)은 편광판(335), 봉지재(encapsulation)(336), 컬러 필터 어레이(337) 및 OLED TFT(338)를 포함할 수 있다.When the
편광판(335)은 커버 기판(310C)과 봉지재(336) 사이에 배치된다. 봉지재(336)는 편광판(335)과 필터 어레이(337) 사이에 배치될 수 있으며, 인캡슐레이션을 위한 봉지 기판 역할을 한다.The
픽셀 어레이(337)는 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)로 구현될 수 있다.The
OLED TFT(338)는 픽셀 어레이(337)와 폼 테이프(350) 사이에 배치될 수 있다. OLED TFT(338)는 박막 트랜지스터(TFT) 및 박막 트랜지스터(TFT)와 접촉하는 유기 발광 소자(OLED)를 포함할 수 있다. 유기 발광 소자(OLED)는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 형성된 유기발광층을 포함할 수 있다.The
폼 테이프(350), 백 플레이트(360), 접착층(320E) 및 압전 초음파 변환 장치(340F)는 도 20에 도시된 폼 테이프(350), 백 플레이트(360), 접착층(320D) 및 압전 초음파 변환 장치(340E) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.The
도 12 내지 도 17에 도시된 압전 초음파 변환 장치(340A 내지 340F)는 도 1a 내지 도 8e에 도시된 압전 초음파 변환 장치에 해당하며 지문 센서일 수 있다. 또한, 도 13에 예시된 바와 같이 압전 초음파 변환 장치(340B)는 유효 영역(AA)에 배치될 수 있다.The piezoelectric
도 12 내지 도 17에 따른 디스플레이 장치의 압전 초음파 변환 장치(340A 내지 340F)는 사용자 인증 시에 사용될 수 있다. 예를 들어, 압전 초음파 변환 장치(340A 내지 340F)가 배치된 지문 영역에 사용자가 터치하여, 인증한 후 디스플레이 장치의 잠금 화면의 해제할 수 있다.The piezoelectric
도 18은 디스플레이 장치의 구동 방법(400)을 설명하기 위한 플로우차트이다.18 is a flowchart for explaining a
도 19 (a) 내지 (c)는 도 18의 설명을 돕기 위한 도면이다.19 (a) to (c) are diagrams to help explain FIG. 18 .
도 18을 참조하면, 디스플레이 장치에서 화면이 터치되었는가를 판단한다(제410 단계). 만일, 화면이 터치되었다고 인식되지 않으면, 도 19 (a)에 도시된 바와 같이 화면이 턴 오프된 대기 상태를 유지한다. 제410 단계에서의 터치는 디스플레이 장치에서 화면 이외의 다른 부분의 터치일 수도 있다. 화면이 터치되었는가를 판단하는 기준은 일정 시간 간격을 둔 소정의 횟수 이상의 터치, 일정 압력 이상을 가하는 터치, 소정의 시간 이상을 유지하고 있는 터치일 수 있으며, 특별히 제한하지 않는다.Referring to FIG. 18 , the display device determines whether the screen is touched (step 410). If it is not recognized that the screen has been touched, the screen is turned off and maintained in a standby state as shown in FIG. 19 (a). The touch in
그러나, 디스플레이 장치에서 화면이 터치되었다고 인식되면, 화면을 턴 온시켜 지문 영역을 표시하고, 지문 센서를 활성화시킨다(제420 단계). 여기서, 화면의 턴 온이란, 도 19 (b)에 예시된 바와 같이 화면이 사용자에게 디스플레이된 상태를 의미한다. 제420 단계에서, 디스플레이 장치의 잠금 상태는 유지된다.However, if the display device recognizes that the screen has been touched, the screen is turned on to display the fingerprint area and activates the fingerprint sensor (operation 420). Here, turning on the screen means a state in which the screen is displayed to the user as illustrated in FIG. 19 (b). In
제420 단계 후에, 디스플레이 장치의 화면이 추가로 터치되었는가를 판단한다(제430 단계). 만일, 디스플레이 장치의 화면이 추가로 터치되지 않았다고 판단되면 화면을 다시 턴 오프한다. 추가로 화면이 터치되었는가를 판단하는 기준은 제410 단계에서의 터치 이후 별도의 터치 입력일 수 있고, 또는, 제410 단계에서 터치를 유지하고 있는 터치 입력일 수 있으며, 활성화된 지문 센서로 인식이 가능한 상태인지 판단할 수 있는 입력이면 족하며 이에 제한하지 않는다.After
그러나, 디스플레이 장치의 화면이 추가로 터치되었다고 판단되면, 디스플레이 장치의 지문 영역이 터치되었는가를 판단한다(제440 단계). 여기서, 지문 영역이란, 지문 센서가 지문을 감지할 수 있는 영역을 의미하며, 디스플레이 장치의 화면에 위치하며, 사용자의 지문이 지문 영역을 터치할 때만, 지문 센서가 지문을 센싱할 수 있다.However, if it is determined that the screen of the display device is additionally touched, it is determined whether the fingerprint area of the display device is touched (operation 440). Here, the fingerprint area means an area where a fingerprint sensor can detect a fingerprint, is located on the screen of a display device, and can sense a fingerprint only when a user's fingerprint touches the fingerprint area.
만일, 디스플레이 장치의 지문 영역이 터치되지 않았다고 판단되면, 지문 영역을 터치하라는 메시지를 사용자에게 보낸 후, 제420 단계로 진행한다(제450 단계). 지문 영역의 일 례가 도 19 (b)에 도시되어 있다.If it is determined that the fingerprint area of the display device is not touched, a message prompting the user to touch the fingerprint area is sent, and then
그러나, 지문 영역이 터치되었다고 판단되면, 터치된 지문이 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문인가를 판단한다(제460 단계). 이를 위해, 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문은 사전에 저장되고, 제460 단계에서 터치된 지문이 사전에 저장된 지문과 동일한가를 판단한다.However, if it is determined that the fingerprint area is touched, it is determined whether the touched fingerprint is a fingerprint permitted to use the display device (operation 460). To this end, the fingerprint permitted to use the display device is stored in advance, and in
만일, 터치된 지문이 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문이 아니라고 판단되면, 지문 재인식을 요구하는 메시지를 사용자에게 보낸 후, 제420 단계로 진행한다(제470 단계).If it is determined that the touched fingerprint is not a fingerprint approved for use of the display device, a message requesting fingerprint re-recognition is sent to the user, and then the process proceeds to step 420 (step 470).
그러나, 터치된 지문이 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문이라고 판단되면, 디스플레이 장치의 잠금을 해제하여 사용자로 하여금 디스플레이 장치를 사용하도록 허가한다(제480 단계). 도 19 (c)는 잠금 해제된 일 례를 보인다.However, if it is determined that the touched fingerprint is a fingerprint authorized to use the display device, the user is allowed to use the display device by unlocking the display device (operation 480). 19 (c) shows an unlocked example.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, these are only examples and do not limit the present invention, and those skilled in the art to which the present invention belongs will not deviate from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified and implemented. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention as defined in the appended claims.
100A, 100B, 340A 내지 340F: 압전 초음파 변환 장치
110, 110’,: 수신부 111: 제1 압전 부재
114: 충진 부재 SUB1 내지 SUB3: 기판
120, 120’: 송신부
121: 제2 압전 부재
130: 구동 제어부 200: 생체 정보 측정 장치
202: 임피던스 정합 부재 210: 생체 정보 분석부
300A 내지 300F: 디스플레이 장치 310A: 커버 부재
310B: 커버 글래스 320A 내지 320E: 접착층
330A: 디스플레이 패널100A, 100B, 340A to 340F: piezoelectric ultrasonic transducer
110, 110',: receiver 111: first piezoelectric member
114: filling member SUB1 to SUB3: substrate
120, 120': transmission unit
121: second piezoelectric member
130: driving control unit 200: biometric information measurement device
202: impedance matching member 210: biometric information analysis unit
300A to 300F:
310B:
330A: display panel
Claims (14)
상기 대상물로부터 반사되는 초음파를 수신하는 수신부; 및
상기 송신부 및 상기 수신부를 제어하는 구동 제어부를 포함하고,
상기 수신부는 제1 압전 부재; 및 복수의 제1 전극을 포함하고,
상기 송신부는 제1 방향으로 이격되어 배치되며, 제2 방향과 나란하되 상기 제2 방향으로의 길이가 상기 제1 방향으로의 폭보다 큰 복수의 압전 바를 포함하는 제2 압전 부재; 및 복수의 제2 전극을 포함하고,
상기 송신부 및 상기 수신부는, 상기 제 1방향 및 상기 제 2 방향으로 정의되는 평면에 대하여 상하로 배치되고,
상기 구동 제어부는,
특정 감지 위치에 대한 1회의 빔포밍을 위해 상기 복수의 압전 빔 중 A(여기서, A는 1보다 큰 자연수)개 단위로 그루핑된 B(여기서, B는A의 배수)개의 압전 빔을 제어하되, 다음 감지 위치에 대한 빔포밍시 상기 제1 방향으로 C(여기서, C는 A보다 작은 자연수)개 단위로 쉬프팅하여 상기 복수의 압전 빔 중 B개의 압전 빔을 제어하되,
상기 B개의 압전 빔은 동시에 초음파를 송신하는, 생체 정보 측정 장치.a transmitter for transmitting ultrasonic waves to an object;
a receiving unit for receiving ultrasonic waves reflected from the object; and
A driving control unit controlling the transmission unit and the reception unit;
The receiver may include a first piezoelectric member; and a plurality of first electrodes;
a second piezoelectric member including a plurality of piezoelectric bars spaced apart from each other in a first direction and parallel to a second direction, but having a length in the second direction greater than a width in the first direction; and a plurality of second electrodes;
The transmitting unit and the receiving unit are disposed vertically with respect to a plane defined by the first direction and the second direction,
The drive control unit,
Control B (here, B is a multiple of A) piezoelectric beams grouped in units of A (where A is a natural number greater than 1) among the plurality of piezoelectric beams for one-time beamforming for a specific sensing position, Controlling B piezoelectric beams among the plurality of piezoelectric beams by shifting them in units of C (where C is a natural number smaller than A) in the first direction during beamforming for the next detection position,
The B piezoelectric beams simultaneously transmit ultrasonic waves.
상기 복수의 제1 전극은,
상기 제1 압전 부재의 상부 또는 하부 중 적어도 한 곳에, 상기 제1 방향으로 나란하고 상기 제2 방향으로 이격되어 배치되고,
상기 제2 전극은,
상기 제2 압전 부재의 상부 또는 하부 중 적어도 한 곳에, 상기 제2 방향과 나란하고 상기 제1 방향으로 이격되어 배치된, 생체 정보 측정 장치.According to claim 1,
The plurality of first electrodes,
disposed parallel to the first direction and spaced apart from each other in the second direction, at least one of an upper part or a lower part of the first piezoelectric member;
The second electrode is
The biometric information measuring device is disposed on at least one of an upper part or a lower part of the second piezoelectric member, parallel to the second direction and spaced apart from each other in the first direction.
상기 송신부는,
상기 제1 방향의 양단 각각에 B/2 개의 압전 빔에 해당하는 영역 이하의 크기를 갖는 비 이미징 영역을 포함하는, 생체 정보 측정 장치.According to claim 1,
The sending unit,
and a non-imaging area having a size equal to or less than that of areas corresponding to B/2 piezoelectric beams at both ends of the first direction.
상기 제1 압전 부재는 제1 압전 물질을 포함하고, 상기 제2 압전 부재는 제2 압전 물질을 포함하고,
상기 제1 압전 물질의 전압 출력 상수는 상기 제2 압전 물질의 전압 출력 상수보다 크고,
상기 제2 압전 물질의 압전 상수는 상기 제1 압전 물질의 압전 상수보다 큰 생체 정보 측정 장치.According to claim 1,
The first piezoelectric member includes a first piezoelectric material, the second piezoelectric member includes a second piezoelectric material,
The voltage output constant of the first piezoelectric material is greater than the voltage output constant of the second piezoelectric material;
The piezoelectric constant of the second piezoelectric material is greater than the piezoelectric constant of the first piezoelectric material.
상기 제1 압전 부재의 하부와 상기 제2 압전 부재의 상부 사이에 배치되는 판상형의 제3 전극을 더 포함하고,
상기 복수의 제1 전극은 상기 제1 압전 부재의 상부에 배치되고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 제2 압전 부재의 하부에 배치되는 생체 정보 측정 장치.According to claim 1,
Further comprising a plate-shaped third electrode disposed between the lower portion of the first piezoelectric member and the upper portion of the second piezoelectric member;
The plurality of first electrodes are disposed above the first piezoelectric member, and the plurality of second electrodes are disposed below the second piezoelectric member.
상기 구동 제어부는,
상기 복수의 제1 전극으로부터 인출되며 수신된 초음파에 대응하는 전기적 신호를 받고, 상기 제2 압전 부재가 초음파를 생성하기 위해 필요한 펄스 신호를 제2 전극으로 인가하는 생체 정보 측정 장치.According to claim 1,
The drive control unit,
The apparatus for measuring biometric information for receiving electrical signals corresponding to the received ultrasonic waves drawn from the plurality of first electrodes, and applying a pulse signal necessary for the second piezoelectric member to generate ultrasonic waves to the second electrode.
생체 정보 측정 장치를 포함하고,
상기 생체 정보 측정 장치는,
대상물에 초음파를 송신하는 송신부;
상기 대상물로부터 반사되는 초음파를 수신하는 수신부; 및
상기 송신부 및 상기 수신부를 제어하는 구동 제어부를 포함하고,
상기 수신부는 제1 압전 부재; 및 복수의 제1 전극을 포함하고,
상기 송신부는 제1 방향으로 이격되어 배치되며, 제2 방향과 나란하되 상기 제2 방향으로의 길이가 상기 제1 방향으로의 폭보다 큰 복수의 압전 바를 포함하는 제2 압전 부재; 및 복수의 제2 전극을 포함하고,
상기 송신부 및 상기 수신부는, 상기 제 1방향 및 상기 제 2 방향으로 정의되는 평면에 대하여 상하로 배치되고,
상기 구동 제어부는,
특정 감지 위치에 대한 1회의 빔포밍을 위해 상기 복수의 압전 빔 중 A(여기서, A는 1보다 큰 자연수)개 단위로 그루핑된 B(여기서, B는A의 배수)개의 압전 빔을 제어하되, 다음 감지 위치에 대한 빔포밍시 상기 제1 방향으로 C(여기서, C는 A보다 작은 자연수)개 단위로 쉬프팅하여 상기 복수의 압전 빔 중 B개의 압전 빔을 제어하되,
상기 B개의 압전 빔은 동시에 초음파를 송신하며,
상기 송신부 및 상기 수신부는 상기 디스플레이 패널 하단에서, 상기 활성 영역과 대응하는 영역에 배치되는 디스플레이 장치.a display panel including an active area; and
Including a biometric information measuring device,
The biometric information measurement device,
a transmitter for transmitting ultrasonic waves to an object;
a receiving unit for receiving ultrasonic waves reflected from the object; and
A driving control unit controlling the transmission unit and the reception unit;
The receiver may include a first piezoelectric member; and a plurality of first electrodes;
a second piezoelectric member including a plurality of piezoelectric bars spaced apart from each other in a first direction and parallel to a second direction, but having a length in the second direction greater than a width in the first direction; and a plurality of second electrodes;
The transmitting unit and the receiving unit are disposed vertically with respect to a plane defined by the first direction and the second direction,
The drive control unit,
Control B (here, B is a multiple of A) piezoelectric beams grouped in units of A (where A is a natural number greater than 1) among the plurality of piezoelectric beams for one-time beamforming for a specific sensing position, Controlling B piezoelectric beams among the plurality of piezoelectric beams by shifting them in units of C (where C is a natural number smaller than A) in the first direction during beamforming for the next sensing position,
The B piezoelectric beams simultaneously transmit ultrasonic waves,
The display device of claim 1 , wherein the transmitting unit and the receiving unit are disposed in an area corresponding to the active area at the bottom of the display panel.
상기 구동 제어부는,
상기 빔포밍을 수행하기 위하여 상기 복수의 제2 전극 각각에 대한 상기 펄스 신호의 인가 시점을 상기 그루핑된 압전 빔 단위로 달리하는 생체 정보 측정 장치.According to claim 9,
The drive control unit,
In order to perform the beamforming, the application time of the pulse signal to each of the plurality of second electrodes is changed in units of the grouped piezoelectric beam.
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Applications Claiming Priority (1)
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KR1020180018647A KR102481973B1 (en) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Piezoelectric ultrasonic transducer, biometric apparatus including the same, and display apparatus including the apparatus |
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KR1020180018647A KR102481973B1 (en) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Piezoelectric ultrasonic transducer, biometric apparatus including the same, and display apparatus including the apparatus |
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JP2012170760A (en) | 2011-02-24 | 2012-09-10 | Konica Minolta Medical & Graphic Inc | Ultrasound probe and ultrasound diagnostic apparatus |
US9424456B1 (en) | 2015-06-24 | 2016-08-23 | Amazon Technologies, Inc. | Ultrasonic fingerprint authentication based on beam forming |
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2018
- 2018-02-14 KR KR1020180018647A patent/KR102481973B1/en active IP Right Grant
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JP2012170760A (en) | 2011-02-24 | 2012-09-10 | Konica Minolta Medical & Graphic Inc | Ultrasound probe and ultrasound diagnostic apparatus |
US9424456B1 (en) | 2015-06-24 | 2016-08-23 | Amazon Technologies, Inc. | Ultrasonic fingerprint authentication based on beam forming |
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