JP7046269B2 - 光学式指紋認識システムおよびこれを含むモバイル機器 - Google Patents

Description

（関連出願との相互引用）

本出願は２０１８年７月１７日付け韓国特許出願第１０－２０１８－００８２７０１号に基づいた優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。

本出願は光学式指紋認識システムおよびこれを含むモバイル機器に関する。

スマートフォンやタブレットＰＣなどのモバイル機器の普遍化と使用頻度の増加につれて、これらの機器のセキュリティー性が重要視されている。セキュリティー維持のために、機器の使用者を識別したり認証するには使用者の生体情報、例えば、指紋、虹彩、顔面または音声のような情報が利用され得る。

生体情報として指紋を使う場合、代表的な指紋認識方法としては光学方式と静電容量方式が挙げられる。このうち光学式指紋認識は散乱方式と全反射方式に分けることができる。前者は装置の透明な指紋接触部と直接接触する指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）部分で散乱する光を検出する方式であり、後者は指紋のバレー（ｖａｌｌｅｙ）部分に対応する指紋接触部の表面から全反射する光を検出する方式である。散乱方式の場合、散乱する光を検出しなければならないため指紋のパターンの識別に十分な光量がセンサに提供されることが困難であり得、散乱光の経路が本来の光源の光経路と重なり得るためコントラストが低下する問題がある。全反射方式の場合、散乱方式よりは相対的により多くの光量を確保することはできるものの、全反射の経路が長くなる場合、全反射した光が互いに干渉しながらコントラストが低下し得る問題がある。

最近では機器前面（使用者画面視認側）のベゼル部に指紋認識部が設置されたモバイル機器が商業的に大きな成功を収めたことがある。しかし、ベゼル部に指紋認識部を含む構成はディスプレイの大面積化やベゼルレス（ｂｅｚｅｌ－ｌｅｓｓ）の趨勢に符合しない側面がある。機器後面部に指紋認識部が設置されたモバイル機器の場合には大面積化やベゼルレス趨勢に符合するものの、このような機器を通じて指紋認証をするためには、機器前面部に指紋認識部が設置された場合より不自然であったり、追加的な使用者の行動が要求されるという面で不都合な点がある。

一方、モバイル機器の場合、コンパクトな大きさと携帯性の確保が重要である。したがって、光学式指紋認識方法を導入する場合にも、光経路の確保のための構成が装置全体の体積を過度に増加させない必要がある。また、指紋の認識に使われる構成の追加によりモバイル機器の本来の構造や構成が変更され、機器の製造費用が増加することは好ましくない。

本出願の目的は、全反射方式により指紋情報を認識または検出できる光学式指紋認識システムを提供することである。

本出願の他の目的は、ディスプレイの画質を低下させることなく、かつディスプレイパネルの表示部領域で指紋認識が可能な光学式指紋認識システムを提供することである。

本出願のさらに他の目的は、構造が簡単でコンパクトな大きさを有するため、モバイル機器本来の構造や構成を変更させずとも使われ得る光学式指紋認識システムを提供することである。

本出願のさらに他の目的は、コントラストが高い指紋情報を認識または検出できる光学式指紋認識システムを提供することだ

本出願のさらに他の目的は、前記指紋認識システムを含むベゼルレスタイプのモバイル機器を提供することである。

本出願の前記目的およびその他の目的は、下記に詳細に説明される本出願によってすべて解決され得る。

前記従来技術の問題点を解決し、前記目的を達成するために、本出願は指紋接触部を有するディスプレイパネル、および前記ディスプレイパネルに付着される指紋認識チップを含む指紋認識システムを提供する。前記指紋接触部はディスプレイパネルの表示部側に形成される。前記指紋認識チップは光制御層と中間層を含む。そして、前記光制御層は外部から入射する光をディスプレイパネルの指紋接触部に対し全反射され得る光に変換する第１光制御部、および前記全反射した光をセンサ部に伝達する第２光制御部を含む。

本出願の一例によると、構造が簡単でコンパクトな大きさを有するため、モバイル機器本来の構造や構成を変更させずともモバイル機器に適用され得る光学式指紋認識システムが提供され得る。また、前記システムはディスプレイの画質を低下させることなく、かつ画面表示部に接する指紋を認識することができる。それにより、前記システムを含むモバイル機器は、従来指紋認識機能を有するモバイル機器と比較する時に、製造費用を増加することなく優秀な使用者識別または認証能力を有する。

全反射を利用した光学式指紋認識方法を概略的に図示する。図１でのように、全反射を利用した光学式指紋認識の場合、ディスプレイパネルの表示部上に指紋が接触すると、指紋のバレー部分に対応するディスプレイパネルの界面で光が全反射し、前記全反射した光がセンサによって検出され得る。 本出願の一実施例に係る光学式指紋認識用チップとこれを含む装置を概略的に図示したもので、具体的には、本出願のシステムおよび装置の断面を概略的に図示したものである。 本出願の一実施例に係る光学式指紋認識用チップとこれを含む装置を概略的に図示したもので、具体的には、非表示部ではなく表示部上に形成された指紋認識領域を例示的に図示したものである。 本出願の一実施例に係るシステムを利用して撮影された指紋のイメージである。

以下、本出願の一例に係る指紋認識システムおよびこれを含む装置を添付された図面を参照して詳細に説明する。説明の便宜のために、図示された各構成の大きさや形状は誇張または縮小され得る。

本出願に関する一例において、本出願は光学式指紋認識システムに関する。前記システムは全反射方式を利用して光学式指紋認識を遂行できるように、所定の構成を有する。例えば、下記で説明されるように、本出願のシステムは光源から提供される光がディスプレイパネルの指紋接触部に伝達され得、前記指紋接触部から全反射する光がセンサに伝達されるように構成される。

これと関連して、図１はディスプレイパネルの表示部上に指紋が接触される場合、指紋のバレー部分に対応するディスプレイパネルの界面から全反射する光を検出する全反射方式を概略的に説明し、図２は本出願の一実施例に係る光学式指紋認識用（または入力用）チップとこれを含む装置の断面を概略的に図示する。図１および図２を参照して本出願の発明を説明すると下記の通りである。

本出願のシステムは、指紋接触部を含むディスプレイパネル、および前記ディスプレイパネルに付着される指紋認識チップを含む。

本出願のシステムに使われる指紋認識チップは完成されたディスプレイパネルの後面に付着される構成である。本出願の発明者は指紋認識装置と関連した韓国特許出願第１０－２０１７－０１４７００８号および１０－２０１７－０１４７０３３において、ディスプレイパネルと指紋接触部である画面部（表示部）の間に指紋の認識に使われる必須の光経路提供の構成が位置する発明を提案したことがある。前記出願発明の場合、指紋認識が大面積で行われ得る利点があるものの、画面部を含むディスプレイパネルの製造過程に指紋の認識のための構成が介入されるため、製造工程が複雑となり、製造費用が増加し、予期せぬディスプレイの画質変化が発生する問題がある。このような点を考慮して本出願は、指紋の認識に使われる前記チップの構成がディスプレイパネルの製造過程に関与しないため製造工程が簡単であり、ディスプレイの画質変化が発生せず、完成されたディスプレイパネルに完成された指紋認識チップを付着して製造されるため量産が容易な指紋認識システムを提供する。

前記ディスプレイパネルの指紋接触部は、ディスプレイパネルで使用者が画面を視認できる画面部または表示部側に位置することができる。そして、前記指紋接触部の一部の領域には、実際に使用者の指紋が接触されて指紋の認識に関連した光経路の提供に関与できる指紋認識領域が存在することができる。すなわち、本出願で前記指紋接触部は表示部であり得、前記指紋接触部の一部の領域である指紋認識領域は表示部の一領域であり得る。換言すると、本出願のシステムはベゼル領域内に指紋の認識に関連した領域を有するのではなく、ディスプレイパネルを通じて具現される形状や形が表示されているディスプレイパネルの表示部領域として前記指紋接触部を含む。

前記指紋認識チップは光制御層および中間層を含む。

前記光制御層は指紋の認識に必要な光経路を提供する２個の領域、すなわち、第１光制御部と第２光制御部を含む。前記光制御部は特定の角度で入射する光に対してのみ所定の機能を遂行するように設けられた構成であり得る。すなわち、前記光制御部は入射する光の一部又は全部を入射光と異なる角度の出射光に偏向させることができる。例えば、前記第１光制御部は下記で説明されるように、第１光制御部の下面に入射する光をそのまま、または異なる角度の光に偏向して第１光制御部の上面に提供することができる。また、前記第２光制御部は下記で説明されるように、第２光制御部の上面に入射する特定角度の光をそのまま、または異なる角度の光に偏向して第２光制御部の下面に提供することができる。本出願で「上面」とは、特定層の構成が有する面のうち厚さ方向を基準としてディスプレイパネルの指紋接触部と近い面を意味し得、「下面」とは、特定層の構成が有する面構成のうち上面と呼ばれる面と反対方向に位置する面を意味し得る。前記下面または上面は光の進行経路により入光面や入射面、そして出光面や出射面と呼ばれ得る。

具体的には、図２（ａ）でのように、第１光制御部は第１光制御部の下面から第１角度θ_０で入射した光Ｌ_０を中間層に向かって第１角度θ_０と同一または異なる第２角度θ_Ａの光Ｌ_Ａで出射するように設けられ得る。一つの例示において、前記第２角度θ_Ａの光が出射する第１光制御部の出射面は、第１光制御部の下面を除いた他の一面または内部のある領域であり得る。より具体的には、本出願のシステムは、第１光制御部の側面および／または上面や、第１光制御部内部のある領域および／または地点から第２角度θ_Ａの光が出射できるように構成され得る。本出願で、角度は水平面に置かれた層（または入光層や入光面）に対する法線から光の進行方向がなす角度であって、その単位は°（ｄｅｇｒｅｅ）であり、９０°未満～０°超過の大きさを有することができる。また、光が有する角度は、光の進行方向による各構成の相対的な位置により、入射角または出射角と呼ばれ得る。前記第２角度θ_Ａの光は、第１光制御部によって、光制御層上に位置するディスプレイパネルに向かって、具体的には中間層に向かって、より具体的には中間層の下面に対して提供され得る。

図２（ａ）でのように、前記第２光制御部は第２光制御部の上面に第４角度θ_Ｂ’で入射した光Ｌ_Ｂ’を前記第２光制御部の下面に出射するように設けられ得る。一つの例示において、前記第４角度θ_Ｂ’で入射した光が出射する第２光制御部の出射面は、第２光制御部の上面を除いた他の一面または内部のある領域であり得る。より具体的には、本出願のシステムは、第４角度θ_Ｂ’で第２光制御部に入射した光が第２光制御部の側面および／または下面や、第２光制御部内部のある領域および／または地点から出射するように構成され得る。下記で説明されるように、指紋接触部の界面から全反射して第２光制御部の上面に到達した光は、前記第２光制御部によって、センサ部に伝達され、指紋の識別に使われ得る。

前記のように、本出願の光制御層は光の角度や経路などを互いに異なって制御できる２個の部分に区画され得るため、図２（ａ）でのような光経路を提供することができる。

本出願で、前記第１光制御部によって生成される第２角度θ_Ａの光は、下記で説明される光経路を経てから指紋の認識に使われ得る。指紋の認識に使われるためには、第１光制御部から出射した第２角度θ_Ａの光が中間層と光制御層の界面から全反射されず、中間層を透過して指紋が接するディスプレイパネルの表層（指紋接触部）に到達しなければならない。すなわち、本出願のシステムは前記第２角度θ_Ａの光が中間層を透過できるように設けられ得る。

一つの例示において、光制御層と中間層の屈折率が異なる場合、より具体的には、光制御層の屈折率が中間層より大きい場合に、本出願のシステムは第２角度θ_Ａの光は下記の関係式２を満足することができる。より具体的には、第２角度θ_Ａと関連して、本出願のシステムは第１光制御部から出射する第２角度θ_Ａの光が下記の関係式２を満足して前記中間層の下面と中間層を透過するように設けられ得る。下記の関係式はスネルの法則を利用して得ることができる。

［関係式２］
θ_Ａ＜（１８０°／π） ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_２／ｎ_３）

前記関係式２は光制御層の第１光制御部から中間層に向かう第２角度θ_Ａの光が中間層の下面（または中間層と光制御層の界面）から全反射しない条件を例示的に規定したものである。すなわち前記関係式２は第１光制御部から出射した角度θ_Ａの光が中間層の下面または中間層を透過できる条件を意味する。前記関係式２で、ｎ_２は中間層の屈折率であり、ｎ_３は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率である。この時、ｎ_３とｎ_２の大きさは同一または異なり得、一つの例示において、ｎ_３はｎ_２より大きくてもよい。

一つの例示において、前記第１光制御部および第２光制御部は一つの層を形成してチップ内に含まれ得る。

前記指紋認識システムは中間層をさらに含む。具体的には、前記システムはディスプレイパネルの指紋接触部の反対面上で中間層および光制御層を順次含むことができる。本出願で、層間積層位置と関連して使われる「上」または「上に」という用語は、ある構成が異なる構成の真上に形成される場合だけでなく、これら構成の間に第３の構成が介在される場合まで含むことを意味し得る。

一つの例示において、前記中間層は透明層であり得る。特に別途に定義しない限り、本出願で層の性質と関連して使われる用語「透明」とは、３８０ｎｍ～７８０ｎｍ波長の可視光に対する透過率が６５％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上または９５％以上である場合を意味し得る。透過率の上限は約１００％であって、１００％未満であり得る。

前記中間層は前記指紋接触部上で指紋が認識される領域を確保できるように設けられ得る。

例えば、本出願のシステムで、前記中間層は下記の関係式１を満足する厚さを有する。

［関係式１］
Ｗ＝（Ｄ１＋Ｄ２） ｘ ｔａｎ（θ_Ａ）

前記関係式１で、Ｗは前記システムで指紋認識が行われる領域の一方向の長さであり、Ｄ１は前記ディスプレイパネルの厚さであり、Ｄ２は前記中間層の厚さである。

前記関係式１と関連して、記号「＝」とは、近似値に関する記号「≒」または図２ａにＷなどに関して記載された水模様記号を含む意味で使われ得る。

前記関係式１と関連して、Ｗは指紋認識が行われる領域、すなわち指紋認識領域が有するようになる面積を形成する少なくとも一方向での長さである。

前記関係式１を満足する中間層は指紋の認識に必要な光経路の提供に関与する指紋接触部領域、より具体的には指紋認識領域の一方向の長さを拡大させることができる。例えば、中間層がない場合には（Ｄ２＝０）、図１で指紋の認識に使われる指紋接触部の一方向の長さであるＷの値がディスプレイパネルにのみ依存されるようになり、その結果、指紋認識が行われる領域の一方向の長さＷ（＝Ｄ１ ｘ ｔａｎ（θ_Ａ））は中間層がある場合よりも減少するようになる。薄型ディスプレイパネルに対する需要が増加するという点を考慮すると、中間層が存在しないこと（Ｄ２＝０）とディスプレイパネルの厚さＤ１の減少は指紋認識領域の減少をもたらし、その結果、指紋認識を遂行できるほどの十分な光学情報がセンサに伝達されない問題が発生する。

下記で説明される各層の現実的な厚さと屈折率などを考慮すれば、ｔａｎθ_Ａの大きさは１超過～４未満であり得、Ｗは約２ｍｍ～１０ｍｍ水準であり得る。より具体的には、機器前面部の長さが約１０～１５ｃｍ程度である携帯電話（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｈｏｎｅ）を例にすると、指紋の認識に必要な指紋接触部の最小の一方向の長さＷが５ｍｍであり得るが、ディスプレイパネルの厚さＤ１が１．５ｍｍであり、ｔａｎ（θ_Ａ）が約２．５程度であれば、中間層の厚さＤ２は約０．５ｍｍ程度になることが好ましい。

前記で説明した通り、本出願の指紋認識システムは、完成されたディスプレイパネルにチップを付着することによって製造されるものであるため、薄型ディスプレイパネルを提供しながらも十分な指紋認識領域を確保できる利点がある。

前記説明された中間層と第１光制御部の界面を透過する第２角度θ_Ａの光は、中間層を透過してディスプレイパネルに入射しながら前記第２角度θ_Ａと同一または異なる第３角度θ_Ｂの光Ｌ_Ｂでディスプレイパネルに入射し得る。そして、前記第３角度θ_Ｂの光がディスプレイパネルと指紋の接触部である指紋のリッジでは透過し、ディスプレイパネルと指紋の非接触部である指紋のバレーでは全反射するように前記システムが構成され得る。指紋のバレー部分から全反射した光は再び中間層と光制御層（第２光制御部）を経てセンサに到達できるように本出願のシステムが構成され得る。この時、指紋のリッジでまたは指紋のリッジと指紋接触部の界面での前記第３角度θ_Ｂの光は、透過されるだけでなく散乱および／または反射し得る。

具体的には、ディスプレイパネルに入射する第３角度θ_Ｂの光はディスプレイパネルの指紋接触部上に接触する指紋パターンにより、ディスプレイパネルの上面での全反射の有無が決定される。例えば、前記システムはディスプレイパネルに入射する第３角度θ_Ｂの光が下記の関係式３および４を満足するように設けられ得る。

［関係式３］
θ_Ｂ＞（１８０°／π）ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_０／ｎ_１）

前記関係式３は第３角度θ_Ｂの光が空気と接するディスプレイパネルの上面（空気とディスプレイパネルの指紋接触部の界面、または指紋のバレー部分とディスプレイパネルの指紋接触部の界面）から全反射する条件を例示的に規定したものである。前記関係式３で、ｎ_０は空気の屈折率であって１であり、ｎ_１はディスプレイパネルの屈折率である。

［関係式４］
θ_Ｂ＜（１８０°／π）ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_ｈ／ｎ_１）

前記関係式４は指紋がディスプレイパネルと接触する場合、ディスプレイパネルが指紋と直接接触するディスプレイパネルの上面（指紋のリッジと指紋接触部の界面）で第３角度θ_Ｂの光が全反射せず、透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）という条件を例示的に規定したものである。前記関係式４で、ｎ_１はディスプレイパネル（または指紋接触部を含むディスプレイパネル）の屈折率であり、ｎ_ｈは指紋が前記ディスプレイパネルに接触する場合にディスプレイパネルと直接接触する指紋部分の屈折率である。この時、ディスプレイパネルに直接接触する指紋領域は図１でのようにリッジであり得る。一方、指紋のバレー部分は空気が占めているため、バレー部分の屈折率は１（＝ｎ_０）と見なすことができる。このように、前記第３角度θ_Ｂの光は、ディスプレイパネル上に指紋が存在しない場合には透明基材層と空気の界面から全反射するが、指紋がディスプレイパネルに接触する場合には指紋の直接接触部であるリッジでは透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）し、指紋のバレーから全反射する光は指紋の認識に使われるように本出願のシステム内に提供され得る。

また、本出願に係る例示において、本出願で、前記システムは空気と接するディスプレイパネルの上面（指紋接触部）から全反射した前記第３角度θ_Ｂの光が、中間層を透過できるように設けられ得る。

一つの例示において、ディスプレイパネルの屈折率が中間層の屈折率より大きい場合には、中間層の上面、すなわちディスプレイパネルと中間層の界面から全反射が起こってはならないため、前記第３角度θ_Ｂの光は下記の関係式５を満足することができる。

［関係式５］
θ_Ｂ＜（１８０°／π）ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_２／ｎ_１）

前記関係式５はディスプレイパネルの屈折率が中間層の屈折率より大きい場合に、ディスプレイパネルと中間層の界面から全反射が起こらず、第３角度θ_Ｂの光が中間層の上面を透過できる条件を例示的に規定したものである。前記関係式５で、ｎ_１はディスプレイパネルの屈折率であり、ｎ_２は中間層の屈折率である。

前記で説明された光経路に沿って中間層に入射した光は前記第３角度θ_Ｂとは同一または異なる第４角度θ_Ｂ’の光で第２光制御部に入射し得る。そして、第４角度θ_Ｂ’の光は第２光制御部によって第２光制御部の下面に出射し、前記出射した光（Ｌ_ｏｕｔ）は第２光制御部の下部上に位置するセンサで認識され得る。

このように、本出願のシステムは、前記第１光制御部が出射する第２角度θ_Ａの光に起因する第３角度θ_Ｂの光の中で、「空気と接触するディスプレイパネルの界面（すなわち、ディスプレイパネルの指紋接触部）から全反射してセンサに入射する光」と「ディスプレイパネルおよび指紋の直接接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）するためセンサに入射する量が極めて少ない光」の間の光量差を識別する方式で使用者の指紋を認識することができる。

一つの例示において、前記システムは第１光制御部の下部に位置した光源部をさらに含むことができる。前記光源部は第１光制御部に向かって光を照射できる構成を意味する。すなわち、前記第１光制御部は光源部から第１角度θ_０で入射した光を前記中間層に向かって第１角度θ_０と異なる第２角度θ_Ａの光に偏向して出射することができる。

光源部の具体的な構成は特に制限されない。

一つの例示において、可視光源はディスプレイ画質に変化を与え得、紫外線光源はディスプレイパネルに対する透過度が過度に低い可能性があることを考慮して、前記光源部は赤外線を照射できる構成であり得る。

一つの例示において、前記光源部は４～２５ｍｍ^２の大きさであり得る。また、前記光源は１～５００ｍＷ範囲内の赤外線を照射することができる。

一つの例示において、前記光源部が赤外線を照射する場合、前記中間層は紫外線または可視光遮断フィルターがコーティングされた構成であり得る。前記遮断フィルターがコーティングされる場合、ディスプレイパネルからディスプレイ後面側に微細に漏れる光や外部の太陽光などを遮断できるため、中間層の下部に位置するフィルターに認識される指紋のイメージのコントラスト比を高めることができる。

第１光制御部の下部に位置する場合であれば、前記第１光制御部と光源部の間に第３構成の存在の有無は問題とならない。例えば、前記第１光制御部と光源部の間には別途の構成が存在してもよく、別途の構成が存在しないままこれらの構成が離隔して位置してもよい。または前記第１光制御部と光源部は直接接触して、前記第１光制御部の下面に光源部が直接位置してもよい。

一つの例示において、光源から第１光制御部に入射する光は第１光制御部の下面に対して垂直であり得る。本出願で「垂直」とは、目的とする効果を損傷させない範囲での実質的な垂直を意味するものであって、例えば、製造誤差（ｅｒｒｏｒ）または偏差（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）等を勘案した意味で使われる。この時、誤差や偏差は、±１０°以内、±８°以内、±６°以内、±４°以内、±２°以内、±１°以内、±０．５°以内、±０．２°以内、または±０．１°以内であり得る。前記のように、光源から第１光制御部の下面に対して垂直である光（すなわち、ディスプレイパネルに対する法線基準角度θ_０＝０°）が第１光制御部に入射する場合、現実的な各層の屈折率や各層の厚さを考慮すれば、第１光制御部が出射する光が有する第２角度θ_Ａは４２°超過９０°未満、または４５°～７５°範囲であり得る。

一つの例示において、前記光制御層と中間層の面積は同一または異なり得る。例えば、前記光制御層の面積と中間層の面積は同じであり得、それより小さくても大きくてもよい。本出願で「面積」は層を形成するシステムの各構成の表面に対する法線方向と平行な方向の上部または下部で観察する時、該当構成が視認される面積、例えば正射影面積を意味し得る。したがって、面積比較の対象になる構成が有する凹凸などによる実際の面積の増減は考慮されない。

一つの例示において、第１光制御部と光源部の面積は同一または異なり得る。例えば、前記第１光制御部の面積は光源部の面積と同じでもよく、またはそれより小さくても大きくてもよい。

一つの例示において、第１光制御部は光源部の面積以上の面積を有し得る。前記面積関係を満足する場合、光源から第１光制御部の下面に入射する光を効率的に指紋の認識に利用することができる。

一つの例示において、前記システムは第２光制御部の下部に位置したセンサ部をさらに含むことができる。前記センサ部はディスプレイパネルから全反射した後、第２光制御部を透過した光を感知および／または識別する構成を意味し得る。すなわち、前記第２光制御部は第２光制御部の上面に第４角度θ_Ｂ’で入射した光を前記センサ部に出射することができる。

前記機能を遂行できるのであれば、多様な種類の公知とされているセンサが制限なく使われ得る。一つの例示において、前記光源部が赤外線光源である場合、前記センサ部は紫外線または可視光遮断フィルターがコーティングされたセンサであり得る。この場合、ディスプレイパネルの後面から微細に漏れる光や外部の太陽光を遮断して、センサで認識される指紋のイメージのコントラスト比を高めることができる。

一つの例示において、前記センサ部はその有効面積が５～１００ｍｍ^２の大きさであり得る。

第２光制御部の下部に位置する場合であれば、前記第２光制御部とセンサ部間に第３構成の存在の有無は問題とならない。例えば、前記第２光制御部とセンサ部間には別途の構成が存在してもよく、別途の構成が存在しないまま、これらの構成が離隔して位置してもよい。または前記第２光制御部とセンサ部は直接接触して、前記第２光制御部の下面にセンサ部が直接位置してもよい。

一つの例示において、前記第２光制御部はその上面に入射した光を垂直光に偏向してセンサ部に出射する構成であり得る。

一つの例示において、第２光制御部とセンサ部の面積は同一または異なり得る。例えば、前記第２光制御部の面積はセンサ部の面積と同じでもよく、またはそれより小さくても大きくてもよい。

一つの例示において、センサ部は第２光制御部の面積以上の面積を有することができる。前記面積関係を満足する場合、第２光制御部を透過した光が効率的に指紋の認識に使われ得る。

一つの例示において、前記チップは中間層、光制御層、および光源部を含むことができる。前記光源部は例えば、上で説明した通り、第１光制御部の下面上に位置することができる。

一つの例示において、前記チップは中間層、光制御層、およびセンサ部を含むことができる。前記センサ部は例えば、前記で説明した通り、第２光制御部の下面上に位置することができる。

一つの例示において、前記チップは中間層、光制御層、光源部およびセンサ部を含むことができる。光源部とセンサ部は、例えば、前記で説明した通り、各光制御部の下面上に位置することができ、例えば、共に一つの層を形成することができる。

本出願の一具体例によると、前記のような光経路を提供するために、本出願のシステムは下記のように構成または設けられ得る。

一つの例示において、前記第１光制御部および第２光制御部は回折光学素子または屈折光学素子を含むことができる。

屈折光学素子（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）は隣接媒質との屈折率差によって進行する光の方向や角度が決定される特性の素子を意味し得る。本出願の光制御部が屈折光学素子である場合には、本出願で説明される光経路を満足するように各層間屈折率が考慮されて光制御部が構成され得る。

回折光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）はパターンの形とパターンの間の間隔によって光の進行方向や角度が決定される特性の素子を意味し得る。本出願の光制御部が回折光学素子である場合には、本出願で説明される光経路を満足するように各層間屈折率と回折パターンが考慮されて光制御部が構成され得る。

一つの例示において、本出願の光制御層は回折光学素子を含むことができる。具体的には、前記第１光制御部および第２光制御部は互いに異なる機能の回折光学素子を含むことができ、前記回折光学素子はフィルム形態のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）であり得る。ホログラフィックとは、ホログラムと呼ばれる３次元相を再生するために、感光媒質に干渉パターンを記録する技術である。また、ホログラフィックフィルムは、ホログラフィック記録が記録されたフィルムを意味し、感光粒子が非常に小さいフィルム上に記録光を利用して干渉模様を記録し、再生光を利用してこれを再現できるフィルムを意味し得る。ホログラフィックフィルムは記録された光に対してのみ機能を遂行し、記録された光以外の光に対しては要求される機能を遂行しないこともあるため、前記第１光制御部および前記第２光制御部にホログラフィックフィルムを使う場合、本出願で要求される光の角度、光路および／または光量の調節に特に有利である。

前記ホログラフィックフィルムは、記録媒質として感光材料を含むことができる。前記感光材料としては、フォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ）、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）、シルバーハライドエマルジョン（ｓｉｌｖｅｒ ｈａｌｉｄｅ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、重クロム酸ゼラチン（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ）、フォトグラフィックエマルジョン（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、フォトサーモプラスチック（ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ）または光回折材料などが使われ得る。一つの例示において、前記ホログラフィックフィルムは感光材料としてフォトポリマーを含むことができ、具体的にはフォトポリマーのみからなるフィルムであるか、またはフォトポリマー層（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ ｌａｙｅｒ）および前記層に対する基材（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を共に含む重層構造のフィルムであり得る。この場合、フォトポリマーとともに使われる基材は透明基材であり得、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、またはトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等を含む基材であり得るが、特に制限されるものではない。

一つの例示において、前記第１光制御部および第２光制御部の回折効率は互いに同一または異なり得る。具体的には、前記第１光制御部はその全体面積で同じ回折効率を有することができ、前記第２光制御部もその全体面積で同じ回折効率を有することができ、この時、各光制御部が有する回折効率は互いに同一または異なり得る。

一つの例示において、前記第１光制御部および第２光制御部は、一つの層上で記録光の角度または回折パターンのみを異ならせてそれぞれ形成された一部の領域であり得る。または別途に製作された第１光制御部と第２光制御部が単一層を形成できるように、第１光制御部および第２光制御部を直接付着したりまたは他の媒体を媒介として付着して光制御層が形成されてもよい。

前記で説明された透過率を満足する場合であれば、透明性を有する中間層の種類は特に制限されない。例えば、ガラスまたは高分子樹脂を含むことができる。高分子樹脂としては、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＥＮ（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ））またはＰＥＴ（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ））のようなポリエステルフィルム、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））のようなアクリルフィルム、またはＰＥ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）またはＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）のようなポリオレフィンフィルムなどが使われ得るが、これに制限されるものではない。一つの例示において、前記中間層は前記複数のガラスまたは高分子樹脂が積層された構成であり得る。このような積層構成を有する場合にも、本出願で要求される機能を遂行し、説明された関係式を満足するように中間層が設けられ得る。

一つの例示において、ディスプレイパネル、中間層、光制御層およびこれらの細部的な構成のそれぞれは、互いに同一または異なる屈折率を有することができる。例えば、前記層はそれぞれ独立的に１超過～３以下の範囲の屈折率を有することができる。多様な物質を含んでいるディスプレイパネルの場合、表面または内部の領域によっても屈折率が異なるが、概略的に前記範囲内の屈折率を有することができる。本出願で屈折率は、紫外線、可視光線または赤外線に対する屈折率を意味し得る。可視光は約３８０ｎｍ～７８０ｎｍ範囲の波長であり、紫外線や赤外線は前記範囲以外の波長であり得る。例えば、紫外線は約１～３８０ｎｍ範囲の波長であり得、赤外線は７８０ｎｍ～１ｍｍ範囲の波長であり得る。

光によって屈折率が変化され得るが、屈折率の変化の程度は大きくない。一つの例示において、前記層は１．４～１．７５、１．４～１．７０、または１．４５～１．６５範囲の屈折率を有することができる。特に制限されはしないが、層間屈折率差は０．０００１～１．５以下または０．０００１～１以下であり得る。光制御層の場合、本出願で要求される機能を遂行できる範囲で、第１光制御部と第２光制御部の屈折率は同一または異なるように調節され得る。ディスプレイパネルに含まれる指紋接触部が下記で説明されるフィルムの形態を有する場合にも、前記で説明された屈折率を有することができる。

前記関係式１等を満足する以上、ディスプレイパネル、中間層、および光制御層の具体的な厚さは特に制限されない。

例えば、前記ディスプレイパネルは約３．０ｍｍ以下、約２．５ｍｍ以下、約２．０ｍｍ以下または約１．５ｍｍ以下の厚さを有することができる。この時、前記ディスプレイパネルの厚さは約１．５ｍｍ以下、約１．０ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、または約０．３ｍｍ以下の厚さを有する指紋接触部を含んだ状態での厚さであり得、前記厚さを有する指紋接触部は下記で説明硬度強化フィルムのような機能性フィルムであり得る。前記厚さの下限は、例えば、ディスプレイパネルとしての機能を遂行できるように構成された最小の大きさであり得、特に制限されない。

また、例えば、前記中間層は約３．０ｍｍ以下、約２．５ｍｍ以下、約２．０ｍｍ以下または約１．５ｍｍ以下の厚さを有することができる。前記中間層の厚さの下限は前述された各構成の機能を制限しない限り特に制限されない。例えば、０．０１ｍｍ以上または０．１ｍｍ以上であり得る。

また、例えば、前記光制御層の場合、約２．０ｍｍ以下、または約１．５ｍｍ以下の厚さ、例えば、１，０００ｕｍ以下、５００ｕｍ以下、３００ｕｍ以下、３００ｕｍ以下、または１００ｕｍ以下の厚さを有することができる。

一つの例示において、前記指紋接触部は本願システムのうち外部環境に露出する領域であって、機能性フィルムで形成された部分であり得る。例えば、前記ディスプレイパネルの指紋接触部は硬度強化フィルム、防汚フィルム、デコフィルムおよび反射防止フィルムで構成された機能性フィルムのうち一つ以上を含むことができる。例えば、ディスプレイパネルの表層にはガラスのような硬度強化フィルムが位置することができる。前記のような機能性フィルムを含む場合にも前記指紋接触部は本出願で要求される光経路に障害とならないように選択され、それにより本出願のシステムは前記で説明された目的を遂行することができる。

本出願で、ディスプレイパネルの構成や種類は特に制限されず、例えば、公知とされているＬＣＤ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）、ＯＬＥＤ（ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ）、またはＩＧＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｚｉｎｇ ｏｘｉｄｅ）が使われ得る。

一つの例示において、前記ディスプレイパネル、中間層および光制御層は所定の粘着層を通じて接着状態を維持することができる。このような粘着構成を有する場合にも、本出願で要求される機能を遂行し、下記の関係式を満足するようにディスプレイパネル、中間層および光制御層が設けられ得る。因みに、ディスプレイパネル、中間層および光制御層の厚さと比較する時、前記粘着層が有する厚さは約１／１０～１／１，０００水準または１／５０～１／１５０水準、１／８０～１／１２０水準または１／１００水準であって非常に微小であるため、前記で説明された光経路を制限する要因として作用しない。また、前記で説明された光経路を制限しないように、前記粘着層の屈折率も前記で説明された各構成の屈折率水準で調節され得る。粘着層の種類や造成は特に制限されず、例えば、アクリル系粘着層またはシリコン系粘着層であり得る。

本出願に関する他の一例において、本出願は前記指紋認識システムを含むモバイル機器に関する。モバイル機器の種類は特に制限されず、例えば、ディスプレイパネルを含んだ機器の厚さが５ｃｍ未満、４ｃｍ未満または３ｃｍ未満のスマートフォン、タブレットＰＣ、ＰＤＡ機器、またはノートパソコンであり得る。

一つの例示において、前記機器はいわゆるベゼルレス（ｂｅｚｅｌ－ｌｅｓｓ）機器であり得る。本出願でベゼルレスとは、使用者が画面を認識できる機器の前面で非表示部であるベゼルが占める面積が極めて少ない場合を意味する。例えば、前記機器の前面で表示部の面積は９０％以上または９５％以上であり得る。

図３は、本出願の一実施例に係るシステムを利用して撮影された指紋のイメージである。具体的には、第１光制御部と第２光制御部を含み、約８５０ｎｍの赤外線波長に対する屈折率が約１．５であるホログラフィックフィルムを含む光制御層（厚さ約７０ｕｍ）；および約８５０ｎｍの赤外線波長に対する屈折率が約１．５である透明アクリル基板（中間層）（厚さが約１ｍｍ）を含む指紋認識チップを準備した。カバーガラス（指紋接触部）を含んだ状態で総厚さが１．５ｍｍであるディスプレイパネル（可視光に対する透過率が約１％）の下部に前記指紋認識チップを付着し、図２（ａ）でのような積層構成の指紋認識システムを製造した。そして、光源部が約８５０ｎｍ波長の光を光制御層に照射できるようにした。この時、前記第１光制御部としては、ディスプレイパネルに対する法線を基準として第１光制御部の下面に０°で入射した光源部の前記入射光を６５°で出射できるように、回折模様が記録された回折光学フィルムを使ったし、前記第２光制御部としては、その上面での入射光をディスプレイパネルに対する法線を基準として０°の角度（すなわち、第２光制御部の下面に対して垂直である角度）で出射できるように、回折模様が記録された回折光学フィルムを使った。図３は前記構成の装置で、カバーガラスに指紋を接触し、第２光制御部の下部に現れる相をＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）で撮影したイメージである。

前記のように、本出願に関する例示的な実施例である図１～図３を参照して本出願の発明を説明したが、本出願発明の保護範囲は前記特定された実施例と図面に限定されない。また、本技術分野が属する技術分野で通常の知識を有する者は、出願された本発明の技術的思想と範囲内で、特許請求の範囲に記載された発明が多様に変更または変形され得ることが理解できるであろう。

１００：ディスプレイパネル
１１０：指紋接触部
１２０：表示部
１２０’：表示部内の指紋認識領域
１３０：非表示部
２００：指紋認識チップ
２１０：中間層
２２０：光制御層
２２１：第１光制御部
２２２：第２光制御部
３００：光源部
４００：センサ部

Claims (21)

1. 指紋接触部を含むディスプレイパネル；および前記ディスプレイパネルに付着される指紋認識チップを含み、
   前記指紋認識チップは第１光制御部および第２光制御部を含む光制御層；および中間層を含み、
   前記第１光制御部は前記第１光制御部の下面から第１角度（θ_０）で入射した光を前記中間層に向かって前記第１角度（θ_０）と異なる第２角度（θ_Ａ）で光を出射するように設けられて、
   前記第２光制御部は前記第２光制御部の上面に第４角度（θ_Ｂ’）で入射した光を前記第２光制御部の下面に出射するように設けられ、
   前記中間層は前記指紋接触部上で指紋が認識される領域を確保できるように設けられる、指紋認識システム。
2. ディスプレイパネルの前記指紋接触部の反対面上に前記中間層および前記光制御層を順次含む、請求項１に記載の指紋認識システム。
3. 前記指紋接触部は硬度強化フィルム、防汚フィルム、デコフィルムおよび反射防止フィルムで構成された機能性フィルムのうち一つ以上を含む、請求項１または２に記載の指紋認識システム。
4. ディスプレイパネル表示部の一部の領域に指紋認識領域を有する、請求項１～３の何れか一項に記載の指紋認識システム。
5. 前記第１光制御部から出射する前記第２角度θ_Ａの光が前記中間層の下面を透過するように設けられる、請求項１～４の何れか一項に記載の指紋認識システム。
6. 前記第１光制御部から出射する前記第２角度θ_Ａの光が、下記の関係式２を満足して、
   ［関係式２］
   θ_Ａ＜（１８０°／π）ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_２／ｎ_３）
   （ただし、前記関係式２で、ｎ_２は前記中間層の屈折率であり、ｎ_３は前記光制御層のうち前記第１光制御部または前記第２光制御部の屈折率であり、ｎ_３はｎ_２より大きい。）
   前記中間層の下面を透過するように設けられる、請求項５に記載の指紋認識システム。
7. 前記第２角度（θ_Ａ）で前記中間層の下面に入射した光が前記第２角度（θ_Ａ）と同一または異なる第３角度（θ_Ｂ）で前記ディスプレイパネルに入射することになり、
   前記第３角度（θ_Ｂ）の光が下記の関係式３を満足して
   ［関係式３］
   θ_Ｂ＞（１８０°／π）ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_０／ｎ_１）
   空気と接する前記指紋接触部の界面から全反射し、且つ前記第３角度（θ_Ｂ）の光が下記の関係式４を満足して、
   ［関係式４］
   θ_Ｂ＜（１８０°／π）ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_ｈ／ｎ_１）
   （ただし、前記関係式３および４で、ｎ_０は空気の屈折率であって１であり、ｎ_１は前記ディスプレイパネルの屈折率であり、ｎ_ｈは前記指紋接触部と直接接する指紋部分の屈折率である。）
   指紋と前記ディスプレイパネルが直接接触する前記指紋接触部の界面で透過できるように設けられる、請求項５または６に記載の指紋認識システム。
8. 空気と接する前記指紋接触部の界面から全反射した前記第３角度（θ_Ｂ）の光が前記中間層の上面を透過するように設けられる、請求項７に記載の指紋認識システム。
9. 空気と接する前記指紋接触部の界面から全反射した前記第３角度（θ_Ｂ）の光が下記の関係式５を満足して
   ［関係式５］
   θ_Ｂ＜（１８０°／π）ｘ ｓｉｎ^－１（ｎ_２／ｎ_１）
   （ただし、前記関係式５で、ｎ_１は前記ディスプレイパネルの屈折率であり、ｎ_２は前記中間層の屈折率であり、ｎ_１はｎ_２より大きい。）
   前記中間層の上面を透過するように設けられる、請求項８に記載の指紋認識システム。
10. 前記第１光制御部の下部に位置した光源部をさらに含み、前記第１光制御部は前記光源部から前記第１角度（θ_０）で入射した光を前記中間層に向かって前記第１角度（θ_０）と異なる前記第２角度（θ_Ａ）で光を出射するように設けられる、請求項１～９の何れか一項に記載の指紋認識システム。
11. 前記光源部は垂直光を前記第１光制御部から出射するように設けられる、請求項１０に記載の指紋認識システム。
12. 前記第２光制御部の下部に位置したセンサ部をさらに含み、前記第２光制御部は前記第２光制御部の上面に前記第４角度（θ_Ｂ’）で入射した光を前記センサ部に出射するように設けられる、請求項１０または１１に記載の指紋認識システム。
13. 前記第２光制御部は該第２光制御部の上面に入射した光を垂直光に偏向して前記センサ部に出射する、請求項１２に記載の指紋認識システム。
14. 前記第１光制御部および前記第２光制御部は回折光学素子または屈折光学素子を含む、請求項１～１３の何れか一項に記載の指紋認識システム。
15. 前記第１光制御部および前記第２光制御部はホログラフィックフィルムを含む、請求項１４に記載の指紋認識システム。
16. 前記光源部は赤外線を照射する、請求項１１に記載の指紋認識システム。
17. 前記中間層は紫外線遮断フィルターまたは可視光遮断フィルターがコーティングされた、請求項１６に記載の指紋認識システム。
18. 前記センサ部は紫外線遮断フィルターまたは可視光遮断フィルターがコーティングされた、請求項１２または１３に記載の指紋認識システム。
19. 前記中間層の厚さは下記の関係式１を満足する、
    ［関係式１］
    Ｗ＝（Ｄ１＋Ｄ２）ｘ ｔａｎ（θ_Ａ）
    （ただし、前記関係式１で、Ｗは前記指紋認識システムで指紋認識領域の一方向の長さであり、Ｄ１は前記ディスプレイパネルの厚さであり、Ｄ２は前記中間層の厚さである。）
    請求項１～１８の何れか一項に記載の指紋認識システム。
20. 請求項１～請求項１８のいずれか一項に記載された指紋認識システムを含む、モバイル機器。
21. 機器の前面で表示部の面積が９０％以上であるベゼルレス（ｂｅｚｅｌ－ｌｅｓｓ）特徴を有する、請求項２０に記載のモバイル機器。

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