KR100393191B1 - 압전체 박막을 이용한 지문인식 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전체 박막을 이용한 지문인식 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전체 박막에 가해진 압력을 전기적 신호로 변환하여 지문을 인식하는 지문인식 센서에 관한 것이다. 압전 소자 집합체를 포함하는 지문인식 센서에 있어서, 상기 각 압전 소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 압전체 박막; 상기 압전체 박막 상에 형성된 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 형성되며, 손가락의 지문이 접촉하여 압력을 가하여 상기 압전체 박막에 전하량 변화를 발생시키는 가압부; 및 상기 하부 전극 상부에 형성되어 상기 가압부를 지지하며 노출시키는 비전도층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서를 제공한다. 따라서, 압전 현상을 이용하여 지문에 관한 정보의 정밀한 센싱이 가능하며 구조적으로 단순한 지문 인식 센서를 구현할 수 있어, 기밀 유지가 요구되는 공공 기관이나 일반 기업에서의 신원확인 시스템은 물론, 휴대용으로 간편한 개인 휴대용으로 널리 사용될 수 있다.

Description

압전체 박막을 이용한 지문인식 센서{Fingerprint sensor using piezoelectric membrane}
본 발명은 압전체 박막을 이용한 지문인식 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전박막에 가해진 압력을 전기적 신호로 변환하여 지문을 인식하는 지문인식 센서에 관한 것이다.
경제 및 사회가 발달함에 따라, 물건의 구입 및 대금 결제 또한 과거의off-line에서의 직접 거래 및 현금 거래 방식에서 점차 발달하여, 신용카드 결제나 온라인 상에서의 e-money 등의 전자 화폐 결재등의 새로운 거래 방식이 등장하고 있다. 이에 따라, 개인 정보에 대한 보안 문제가 사회적 이슈로 떠오르고 있으며, 개인의 지문을 인식하여 보안을 유지할 필요가 있으며, 휴대용 또는 개인 정보가 필요한 장소에서 in-situ로 지문을 감지하고, 이를 해독할 기술의 필요성이 대두되고 있다.
도 1은 미국 특허 제 4,394,773호인 지문 인식 센서를 나타낸 사시도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 여기서는 압전체 후막(11)를 손가락으로 누르게 되면 그 지문(12)에 따른 압력(13)에 의해 접촉 부위의 전류 밀도값이 변화한다. 이러한 전류 밀도 값을 센싱 소자(14)를 통해 아웃풋 라인(15)으로 읽어 내어 지문(12)을 인식하는 원리를 채용하고 있다. 그러나, 이는 박막 형태가 아닌 후막을 사용하여 정보를 읽어내게 되므로, 정밀한 측정이 어렵고 또한, one-chip 형태로 제조하여 이용하는데 한계가 있어, 개인 휴대용 등의 보다 간편한 응용이 어려운 문제점이 있다.
도 2는 Infineon 사에서 개발한 지문 인식 센서의 작동원리를 나타낸 단면도이다. 여기서는 용량성 CMOS 센서(capacitive CMOS sensor)의 원리를 이용하고 있다. 센서 표면(22)과 손가락 지문(23)의 캐패시턴스를 측정하여 이를 전기 신호로 변환하여 디지탈 이미지로 영상을 구현하는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나, 이러한 방식은 온도에 따른 영향이 커서, 죽은 사람의 경우 그 측정이 곤란하며, 손가락에 습기가 많은 경우에도 캐패시턴스의 변화가 있으며, 정전기에 대한 별도의 보안 회로 및 재료가 필요하여 일정한 결과를 도출하기 곤란한 문제점이 있다. 또한, 실재 작동시 지문과 센서 표면에서 읽을 수 있는 전하량이 작아서 스위치의 개폐를 반복하여 전하(charge)를 따로 저장해야 하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 압전 현상을 이용하여 지문의 돌출부 및 돌출부 사이의 홈 부위의 압력에 따라 정밀한 센싱이 가능한 단위 소자를 어레이 형식으로 정렬시켜, 온도 변화 및 습도에 따른 측정 값에 변화가 없이 일정하고, in-situ 상태에서 신뢰성 있는 결과 값을 나타낼 수 있는 박막 형태의 지문 인식 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 미국 특허 제 4,394,773호인 지문 인식 센서를 나타낸 사시도이다.
도 2는 Infineon 사에서 개발한 지문 인식 센서의 작동 원리를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지문 인식 센서의 제 1실시예의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 지문 인식 센서의 제 2실시예를 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 지문 인식 센서 어레이 구조를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 5a는 본 발명에 의한 지문 인식 센터 어레이의 평면도이고, 도 5b는 이를 간략화한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 지문 인식 센서에 손가락으로 가압부를 눌러서 그 지문의 형태데로 단위 유닛에 압력이 가해지는 부위를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 지문 인식 센서에서 지문 정보가 처리되는 과정의 일례를 나타낸 순서도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 >
11... 압전체 후막 12... 지문
13... 가압 방향 14... 센싱 소자
15... 아웃풋 라인 21... 실리콘 기판
22... 센서 표면 23... 지문
31, 41... 기판 32, 42... 공동
33, 43... 지지층 34, 44... 하부 전극
35, 45... 압전 박막 36, 46... 상부 전극
37, 47... 비전도층 38, 48... 가압부
39, 49... 배선 50... 캐패시터(capacitor)
51... IC 카드 52... 공동
53... 기판 54... 비전도층
55... 가압부 61... 압전 센서
62... 비전도층 63... 지문
64... IC 카드
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 압전 소자 집합체를 포함하는 지문인식 센서에 있어서,
상기 각 압전 소자는 기판;
상기 기판 상에 형성된 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성된 압전체 박막;
상기 압전체 박막 상에 형성된 상부 전극;
상기 상부 전극 상에 형성되며, 손가락의 지문이 접촉하여 압력을 가하여 상기 압전체 박막에 전하량 변화를 발생시키는 가압부; 및
상기 하부 전극 상부에 형성되어 상기 가압부를 지지하며 노출시키는 비전도층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 압전 소자는 상기 하부 전극 상에 형성되어 상기 압전체 박막에서 발생하는 전하량의 변화량을 저장하는 캐패시터;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 가압부는 상기 비전도층 표면에 돌출되며, 상기 돌출된 가압부의 폭은 손가락 지문의 각 돌출부 및 돌출부 사이의 거리보다 작으며, 상기 가압부의 폭은 약 50㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 압전 소자 집합체는 상기 압전 소자들이 일정한 간격을 이루며 배열되는 어레이 형태인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 기판 및 상기 하부전극층 사이에 형성된 지지층;을 더 포함하며, 상기 지지층은 Si3N4또는 SiO2를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 기판 내부에는 공동이 형성되어 있으며, 상기 압전체박막, 상부전극 및 가압부는 상기 공동에 대응되는 하부전극층 상에 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 압전체 박막은 PST, Quartz, BaTiO3, PZT, (Pb, Sm)TiO3, PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3), PVDF-TrFE 또는 PVDF 중에서 선택된 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 지문 인식 센서는 각 압전 소자에서 발생한 전하량의 변화값을 출력하는 전기 회로부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 따른 지문 인식 센서에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명에 따른 지문 인식 센서의 제 1실시예의 단위 압전 소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 공동(32)이 형성되어 있는 기판(31) 상부에 지지층(33)이 형성되어 있고, 상기 지지층(33) 상부에 하부 전극(34)이 형성되어 있다.
여기서 상기 공동(32)에 대응되는 하부 전극(34) 상부에 압전체 박막(35)이 형성되어 있으며, 상기 압전체 박막(35) 상부에 상부 전극(36)이 형성되어 있다. 상기 상부 전극(36) 상부에는 손가락의 지문이 접촉하여 압력을 가할 수 있는 가압부(38)가 마련되어 있으며, 상기 가압부(38)와 상기 하부 전극(34) 및 상기 지지층(33) 사이에는 비전도층(37)의 형성되어 있다. 상기 비전도층(37) 내에는 상기 전극(34, 36)의 전류 값을 외부로 전달하는 배선(39)이 형성되어 있다.
상기 지지층(33)은 반드시 필요한 것은 아니나, 상기 가압부(38)의 압력에 대해 탄력을 유지하면서 구조상의 안전성을 유지할 수 있도록 지지를 한다. 여기서 상기 지지층(33)은 Si3N4또는 SiO2인 것이 바람직하다. 상기 전극(34, 36)들은 상기 가압부(38)의 압력에 의해 상기 압전체 박막(35)에서 발생하는 전류 변화 값을 상기 비전도층(37)내의 배선(39)을 통하여 외부로 전달하는 역할을 하며, 일반적인 전극으로 사용되는 재료가 사용된다.
상기 가압부(38)는 손가락 지문의 돌출부가 닿아 압력을 가할 때, 이러한 압력을 압전체 박막(35)에 전달하는 역할을 하게 된다. 이러한 가압부(35)는 상기 비전도층(37) 표면에 돌출되어 있으며, 손가락의 지문이 닿는 부위는 지문의 각 돌출부 및 돌출부 사이의 거리보다 작아야 한다. 따라서, 약 50㎛ 보다 작은 것이 바람직하다.
상기 압전체 박막(35)은 일반적인 압전 재료로 사용되는 것이면 어느 것이 사용이 가능하며 산화물 및 폴리머 재료의 압전체도 포함한다. 압전 재료의 예로는 PST, Quartz, BaTiO3, PZT, (Pb, Sm)TiO3, PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3), PVDF-TrFE, PVDF 등이 있다. 이러한 압전 재료는 가해진 압력에 대해 변화하는 전기장이 클수록 바람직하다. 이를 하기 수학식을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.
E1= gX (여기서, E1: 유도 전기장, g : 압전 전압 상수, X : 외부 압력)
x = dE2(여기서, E2: 외부 전기장, x : 유도 응력, d : 압전 응력 상수)
상기 g(압전 전압 상수) 및 d(압전 응력 상수)는 각각의 압전 재료에 따른 고유의 수치이다. 상기 수학식 1에서 알 수 있듯이 본 발명의 지문 인식 센서의 경우에는 g가 클수록, d가 작을 수록 보다 나은 효과를 얻을 수 있다. 각 재료별 g 값 및 d 값을 정리하면 다음과 같다.
재료 BaTiO3 PZT PST (Pb, Sm)TiO3 PVDF-TrFE
g(10-3Vm/n) 12.6 26.1 19.7 42 380
d(pC/N) 190 289 593 65 33
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 지문 인식 센서의 상기 압전박막(35)의 역할을 할 수 있는 것이면 제한이 없으나, 특히 PVDF-TrFE 또는 (Pb, Sm)TiO3사용하는 것이 보다 바람직하다.
도 4는 본 발명에 의한 지문 인식 센서의 제 2실시예를 나타낸 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 공동(42)이 형성되어 있는 기판(41) 상부에 지지층(43)이 형성되어 있고, 상기 지지층(43) 상부의 소정 부위에 하부 전극(44)이 형성되어 있다.
여기서 상기 공동(42)에 대응되는 하부 전극(44) 상부에 압전체 박막(45)이 형성되어 있으며, 상기 압전체 박막(45) 상부에 상부 전극(46)이 형성되어 있다. 상기 상부 전극(46) 상부에는 손가락의 지문이 접촉하여 압력을 가할 수 있는 가압부(48)가 마련되어 있으며, 상기 가압부(48)와 상기 하부 전극(44) 및 상기 지지층(43) 사이에는 비전도층(47)이 형성되어 있다. 상기와 같은 구조는 이미 설시한 제 1실시예와 다를 바 없다.
그러나, 이러한 제 2실시예에서는 공동(42) 상부의 가압부(48)가 마련된 하부 전극(44) 상에 상기 압전 박막(45)으로 부터 소정거리 이격하여 캐패시터(50)가 형성되고, 상기 캐패시터층(50)은 상기 상부 전극(46)에 의하여 상기 압전 박막(45)과 연결되어 있다.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 지문 인식 센서의 작동 방법에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 지문 인식 센서를 어레이 구조로 IC 카드(51)에 구현한 일례를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 5a는 지문 인식 센서 어레이의 평면도이고, 도 5b는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b와 같은 지문 인식 센서의 가압부(55) 상에 손가락을 접촉시킨다. 이러한 접촉에 의해, 손가락의 지문 부위의 돌출부가 상기 지문 인식 센서의 가압부(55) 및 상부 전극을 통해 압전 박막에 압력을 전달하게 된다. 이러한 압력에 의해 공동(52) 상부에 형성된 상부전극, 압전 박막, 하부전극 등이 미소하게 휘어지게 되며, 상기 수학식 1에 기술한 바와 같이, 압전 박막에 유도 전기장이 발생하게 된다. 이러한 압전체의 변형에 따른 전하(charge)의 변화량에 더해, 초전기(pyroelectric) 특성 변화에 따른 전하(charge)의 변화량도 발생한다.
이와 같은 유도 전기장은 지문에 관한 정보 신호로서의 역할을 하게 되며, 각 단위 셀들의 정보를 이용하여 전체적인 지문의 형태를 확정하게 된다. 이때, 상기 도 4의 제 1실시예의 경우에는 상기 압전 박막에서 발생한 유도 전기장을 상기 전극들에 의해 직접 외부로 전달하게 된다. 그러나, 상기 도 5의 제 1실시예의 경우에는 이러한 유도 전기장을 단위 소자의 캐패시터(50)에 저장한 뒤, 일정한 경우 이를 외부로 전달하여 지문인식을 할 수 있다는 데 차이점이 있다.
도 6은 본 발명에 의한 지문 인식 센서를 IC 카드(64)에 응용한 일례로서, 손가락으로 가압부(61)를 눌러서 그 지문(63)의 형태대로 단위 셀에 압력이 가해지는 부위를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 지문 인식 센서를 응용한 예로, 지문 정보가 처리되는 과정의 일례를 나타낸 순서도이다. 예를 들어, 시퀀서(sequencer)에 의해 리셋되어 있는 200 ×200개의 단위 셀로 이루어진 지문 인식 센서에 손가락을 접촉시켜그 압력에 의해 지문의 돌출부의 단위 셀들의 압전체에 유도 전기장이 발생한다.
이러한 단위 셀 각각은 로우 디코딩(Row Decording) 및 칼럼 디코딩(Column Decording)에 의해 주소가 지정되어 있으며, 이러한 각 단위 셀(unit cell)의 유도 전류의 발생 여부에 관한 정보를 정보 처리 장치(예를 들어 CPU)로 전달한 뒤, 이러한 정보에 의해 지문 형태가 결정되게 된다.
이 경우, 지문 인식의 목적이 종래에 저장된 지문 정보와 비교를 위한 것이라면, 종전에 기록한 지문 정보와 일치하는지의 여부를 저장 장치에 기록되어 있는 특정인의 지문과 비교를 하게 되고, 그 일치 여부에 따른 결과 값을 출력할 수 있게 된다. 또한, 이러한 지문 인식 센서를 응용한 지문 인식 카드에는 short-circuit 회로를 구성하여, 만일 센서의 가압부를 잘못 누른 경우에 출력된 신호를 빠른 시간내에 제거함으로써, 재인식을 위한 초기 상태로 빠르게 전환할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 의한 지문 인식 센서는 그 구조가 간단하면서, 특히 지문 인식 속도가 빠르며 정확하다. 특히, 종래 기술인 도 2의 경우에는 지문과 센서 표면에서 나오는 전하(charge)량이 작아서 이를 별도의 캐패시터에 저장하고, 이러한 과정을 반복적으로 실시하여 전하를 받아들여 일정량 이상이 되어야 지문 인식을 위한 정보 신호로서 출력을 한다.
그러나, 본 발명에 의한 지문 인식 센서의 경우에는 지문의 접촉에 의해 센서에서 나오는 전하량이 충분하여 별도로 전하를 축적하는 과정이 필요없으므로, 센싱 속도가 훨씬 빠르다. 따라서 단위 비트당 비용이 절감되며, 이러한 전하의 축적을 위한 별도의 구조 및 전원이 필요 없고 따라서 소비되는 전원도 최소화 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전 현상을 이용하여 지문에 관한 정보의 정밀한 센싱이 가능하며 구조적으로 단순한 지문 인식 센서를 제공할 수 있다. 또한, 센서 내부에 가해지는 압력에 따라 압전 현상에 의한 유도전류를 측정하게 되므로 온도 변화 및 습도에 따른 측정 값의 변화가 작으며 정전기등에 따른 별도의 보안 회로 및 재료가 필요없으며, in-situ 상태에서 신뢰성 있는 결과 값을 빠른 시간 내에 확인할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 그 활용에 따라서는 기밀 유지가 요구되는 공공 기관이나 일반 기업에서의 신원확인 시스템은 물론, 휴대용으로 간편한 개인 휴대용으로 응용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 압전 소자 집합체를 포함하는 지문 인식 센서에 있어서,
    상기 각 압전 소자는 기판;
    상기 기판 상에 형성된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성된 압전체 박막;
    상기 압전체 박막 상에 형성된 상부 전극;
    상기 상부 전극 상에 형성되며, 손가락의 지문이 접촉하여 압력을 가하여 상기 압전체 박막에 전하량 변화를 발생시키는 가압부; 및
    상기 하부 전극 상부에 형성되어 상기 가압부를 지지하며 노출시키는 비전도층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 하부 전극 상에 형성되어 상기 압전체 박막에서 발생하는 전하량의 변화량을 저장하는 캐패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가압부는 상기 비전도층 표면에 돌출되며, 상기 돌출된 가압부의 폭은 손가락 지문의 각 돌출부 및 돌출부 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가압부의 폭은 약 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 압전 소자 집합체는 상기 압전 소자들이 일정한 간격을 이루며 배열되는 어레이 형태인 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 하부전극층 사이에 형성된 지지층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 지지층은 Si3N4또는 SiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 기판 내부에는 공동이 형성되어 있으며, 상기 압전체 박막, 상부전극 및 가압부는 상기 공동에 대응되는 하부전극층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 압전체 박막은 PST, Quartz, BaTiO3, PZT, (Pb, Sm)TiO3, PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3), PVDF-TrFE 또는 PVDF 중에서 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 지문 인식 센서는 각 압전 소자에서 발생한 전하량의 변화값을 출력하는 전기 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
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