KR100651740B1 - 마이크로렌즈를 이용한 지문센서 - Google Patents

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Abstract

정확한 이미지를 얻고 광의 산란에 의한 영향을 억제할 수 있는 지문센서를 제공한다. 그 지문센서는 지문구조에 의해 반사되는 광의 경로로 변화시키는 구면렌즈가 형성된 마이크로렌즈 및 경로가 변화된 광에 의해 지문구조를 확인하는 광 박막트랜지스터를 포함한다. 광의 경로를 변화시키는 구면렌즈를 포함하는 마이크로렌즈를 구비함으로써, 광 측정영역으로 입사된 광의 양을 최대화할 수 있다. 또한, 구면렌즈에 의해 산란광과 같은 노이즈를 광측정영역 밖으로 보내어 노이즈에 의한 영향을 최소로 할 수 있다.
지문센서, 마이크로렌즈, 구면렌즈, 광경로

Description

마이크로렌즈를 이용한 지문센서{Sensor of recognizing finger print using micro lens}
도 1은 종래의 지문센서의 하나의 예인 광반사형 지문센서의 단위셀을 나타낸 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 사용되는 박막형 트랜지스터(TFT)가 형성된 기판을 나타낸 평면도이고, 도 2b는 도 2a를 포함한 지문센서를 나타낸 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 의한 마이크로렌즈를 이용한 광의 반전 및 광의 집속을 설명하기 위한 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 마이크로렌즈 쪽에서 바라본 광의 경로변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 마이크로렌즈에 의해 광이 집광되는 모습을 시뮬레이션한 도면이다.
*발명의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100; 발광부 102; 입력광
104; 반사광 200; 투명기판
300; 광-TFT 310; 광측정영역
400; 전기-TFT 410; 광투과영역
500; 마이크로렌즈 510; 구면렌즈
520; 배면 530; 배면초점
본 발명은 광반사형 지문센서에 관한 것으로, 특히 마이크로 렌즈를 이용하여 단위셀의 광-TFT(thin film transistor)의 광효율을 향상시키는 지문센서에 관한 것이다.
정보통신소자가 소형화, 저렴화, 모듈화됨에 따라, 인간의 생체정보 획득을 통한 개인정보 보안소자는 점점 소형화, 박막화되고 있다. 대표적인 생체정보는 지문이다. 종래의 보안소자인 물리적인 시스템의 인식방법은 최근에는 생체정보 획득방식으로 대체되고 있다. 생체정보 획득방법은 여러 가지 방법이 있으며, 이를 구현하는 대표적인 소자가 지문센서이다. 현재 사용되는 지문센서는 이미지센서와 프리즘을 이용한 광학방식과 지문구조에 의한 패턴의 두께 차이를 이용한 정전(electrostatic)방식이 있다.
도 1은 종래의 지문센서의 하나의 예인 광반사형 지문센서의 단위셀을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 지문센서의 단위셀은 발광부(10), 투명기판(20), 광-TFT(30) 및 전기-TFT(40)를 포함한다. 박막형 트랜지스터(TFT; 30, 40)는 유리기판과 같은 투명기판(20) 위에 제작된다. 이때, 발광부(10)는 액정표시소자의 백라이트(back-light)를 사용할 수 있다,
발광부(10)에 의해 입사되고 TFT를 투과한 입력광(12)은 지문구조(50)에 의해 반사된다. 이때, 반사된 반사광(12)은 기판(20) 위에 형성된 광-TFT(30)에 의해 전기적 신호로 변환되어 전하로 저장된다. 저장된 전하는 전기-TFT(40)에 의해 전기적 신호로 전환된다. 전기적 신호를 적정한 방법으로 측정하여 처리하면, 광반사에 의한 지문구조(50)를 확인할 수 있다.
도 1에서 설명한 광반사형 지문센서는 광원의 크기를 줄이는 데 한계가 있고, 반사된 이미지에 의해 정보를 얻으므로 정확한 이미지를 얻을 수 없다. 또한, 지문센서의 다른 형태인 접촉발광소자를 이용한 지문센서는 수광소자와 투명한 절연성 접착제와의 계면에서 광이 산란되어 인접화소에 영향을 미친다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 정확한 이미지를 얻고 광의 산란에 의한 영향을 억제할 수 있는 지문센서를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 지문센서의 하나의 예는 지문구조에 의해 반사되는 광의 경로로 변화시키는 마이크로렌즈 및 상기 경로가 변화된 광에 의해 지문구조를 확인하는 광 박막트랜지스터를 포함한다.
상기 마이크로렌즈의 일측에는 일정한 곡률의 볼록한 형태를 가진 구면렌즈를 포함할 수 있다. 상기 구면렌즈의 곡률은 입력광이 반사되는 정도에 의해 결정될 수 있다.
상기 마이크로렌즈의 타측에는 상기 입력광을 반사시키기 위하여 편평한 표 면을 가진 배면을 포함할 수 있다. 상기 배면은 상기 입력광의 초면이 되는 배면초점을 포함할 수 있다.
상기 마이크로렌즈는 산란된 광을 상기 박막 트랜지스터의 외부로 보낼 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 지문센서의 다른 예는 입력광을 방출하는 발광부와, 상기 입력광이 지문구조에 의해 반사되는 광의 경로로 변화시키는 일정한 곡률을 가진 구면렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 및 상기 경로가 변화된 상기 반사광을 수광하여 전기적 신호를 변환시키는 광측정영역이 형성된 광 박막트랜지스터를 포함한다.
상기 광 박막트랜지스터는 상기 광측정영역과 반전 대칭된 구조를 가지며 상기 입력광이 투과하는 광투과영역을 더 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에 있어서, 층 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 실시예 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 사용되는 박막형 트랜지스터(TFT)가 형성된 기판을 나타낸 평면도이고, 도 2b는 도 2a를 포함한 지문센서를 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 지문센서의 단위셀은 발광부(100), 투명기판(200), 광-TFT(300), 전기-TFT(400) 및 마이크로 렌즈(500)를 포함한다. 박막형 트랜지스터(TFT; 300, 400)는 유리기판과 같은 투명기판(200) 위에 제작된다. 이때, 발광부(100)는 액정표시소자의 백라이트를 사용할 수 있다. 발광부(100)에 의해 입사되고 TFT를 투과한 입력광(102)은 지문구조(600)에 의해 반사된다. 이때, 반사된 반사광(104)은 기판(200) 위에 형성된 광-TFT(300)에 의해 전기적 신호로 변환되어 전하로 저장된다. 저장된 전하는 전기-TFT(400)에 의해 전기적 신호로 전환된다. 전기적 신호를 적정한 방법으로 측정하여 처리하면, 지문구조(600)를 확인할 수 있다.
광측정영역(310)을 포함하는 광-TFT(300)과 광투과영역(410)을 포함하는 전기-TFT(400)는 반전 대칭구조를 가진다. 도 2a는 반전 대칭구조의 하나의 예이다. 반전 대칭구조를 형성한 이유는 다음과 같다. 만일, 투명기판(200) 상에 형성된 두 종류의 TFT(300, 400)와 지문구조(600) 사이에 아무런 광센서 요소가 없다고 가정하자. 전기-TFT(400)을 투과한 광은 회절효과를 고려한다고 해도 빛의 직진성으로 인하여 지문구조(600)에 의해 반사되어 전기-TFT(400)로 되돌아간다. 전기-TFT(400)을 투과한 광이 광-TFT(300)으로 입사되기 위해서는 광축을 기준으로 반전 대칭된 구조의 단위셀을 형성하여야 한다.
반전 대칭구조를 위해, 광의 경로가 광축에 대하여 반전되어 변경되기 위하여 각각의 TFT(300, 400)과 지문구조(600) 사이에 마이크로렌즈(500)를 삽입한다. 한편, 각각의 TFT(300, 400)은 광축에 대하여 대향되어 배치된 비투과 금속층(320, 420)을 포함한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로 렌즈(500)를 이용한 광의 반전 및 광의 집속을 설명하기 위한 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 마이크로 렌즈(500)에서 바라 본 광의 경로변화를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 마이크로렌즈(500)는 광투과영역(410)을 지나온 입력광(102)을 광측정영역(310)으로 입사시킨다. 마이크로렌즈(500)는 기판(200)에 인접한 전면과 기판(200)과 가장 멀리 떨어진 배면(520)을 가진다. 마이크로렌즈(500)은 고굴절물질로 제조하는 것이 바람직하다. 전면은 기판(200)을 향하여 볼록한 형태를 가지고 있으며, 일정한 곡률을 가진 구면렌즈(510)와 전기적인 신호처리를 하는 부분 상에 위치하는 평탄한 부위를 포함한다. 구면렌즈(510)를 거친 광은 광측정영역(310)과 광투과영역(410)을 모두 포함하여 덮는 것이 바람직하다. 구면렌즈(510)의 곡률은 입력광(102)이 반사되는 정도(예, 반사각)에 의해 결정된다. 배면(520)은 구면렌즈(510)가 형성된 전면과 반대되는 쪽의 표면으로써, 입력광(102)을 반사시키기 위하여 편평한 표면을 가진다. 또한, 배면(520)은 입력광(102)의 초점(focus)이 되는 배면초점(530)을 포함한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로렌즈(500)에 의해 광이 집광되는 모습을 시뮬레이션한 도면이다. 이때, 마이크로렌즈는 복수개(500a, 500b)가 배열된 것이다. 각각의 마이크로렌즈(500a, 500b)는 구면렌즈(510a, 510b) 및 배면초점(530a, 530b)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 적용된 마이크로렌즈(500)는 굴절율은 3.4, 렌즈두께는 400㎛, 광-TFT에서 렌즈까지의 거리 200㎛이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 배면초점(530a, 530b)이 입력광(102)의 초점이라고 가정하여 시뮬레이션하면, 구면렌즈(510)의 곡률은 약 0.285mm일 수 있다. 여기서, 배면초점(530a, 530b)을 구면렌즈(510)의 반대쪽의 배면(520)에 형성하는 이유는 지문과 같은 생체정보에 의한 반사광(104)이 초점에서 가장 많이 발생하기 때문이다. 구체적으로, 지문구조(600)의 반사율 차이에 의한 광측정영역(310)에서 측정되는 신호의 차이는 집속된 광 전체의 세기와 반사율의 곱이기 때문에 가장 큰 신호차이를 얻을 수 있다.
또한, 초점을 마이크로렌즈의 배면(520)에 형성하면 잡음이 되는 산란 광에 의한 광 노이즈(noise)를 최소화할 수 있다. 즉, 마이크로렌즈(500a, 500b)가 지문구조(600)의 반사율 차이에 의한 광효율을 향상시키기도 하지만, 노이즈에 해당하는 광을 박막 트랜지스터의 외부로 보내는 필터의 역할도 한다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서는 피측정체로써 지문구조에 한정하였으나, 다른 생체구조에도 적용할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 지문센서에 의하면, 광의 경로를 변화시키는 구면렌즈를 포함하는 마이크로렌즈를 구비함으로써, 광측정영역으로 입사된 광의 양을 최대화할 수 있다.
또한, 구면렌즈에 의해 산란광과 같은 노이즈를 광측정영역 밖으로 보내어 노이즈에 의한 영향을 최소로 할 수 있다.

Claims (14)

  1. 지문구조에 의해 반사되는 광의 경로로 변화시키는 마이크로렌즈; 및
    상기 마이크로렌즈에 이격되도록 배치되어, 상기 경로가 변화된 광에 의해 지문구조를 확인하는 광 박막트랜지스터를 포함하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박막트랜지스터를 향하는 상기 마이크로렌즈의 일측에는 일정한 곡률의 볼록한 형태를 가진 구면렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 구면렌즈의 곡률은 입력광이 반사되는 정도에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 박막트랜지스터와 반대방향으로 향하는 상기 마이크로렌즈의 타측에는 상기 입력광을 반사시키기 위하여 편평한 표면을 가진 배면을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배면은 상기 입력광의 초면이 되는 배면초점을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 복수개가 배열되어 정렬되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 산란된 광을 상기 박막트랜지스터의 외부로 보내는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 고굴절물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  9. 제4항에 있어서, 상기 박막트랜지스터는 광이 투과하는 광투과영역과 상기 투과된 광이 상기 배면에 반사되어 입사하는 광측정영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광측정영역은 상기 반사되어 온 광을 전기적 신호로 변환시키는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  11. 제9항에 있어서, 상기 광투광영역과 상기 광측정영역은 반전 대칭구조를 가진 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  12. 입력광을 방출하는 발광부;
    상기 입력광이 지문구조에 의해 반사되는 광의 경로로 변화시키는 일정한 곡률을 가진 구면렌즈를 포함하는 마이크로렌즈; 및
    상기 마이크로렌즈와 이격되도록 배치되어, 상기 경로가 변화된 상기 반사광을 수광하여 전기적 신호를 변환시키는 광측정영역이 형성된 광 박막트랜지스터를 포함하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 마이크로렌즈의 상기 구면렌즈의 반대쪽 표면에는 상기 입력광의 초점이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
  14. 제12항에 있어서, 상기 광 트랜지스터는 상기 광측정영역과 반전 대칭된 구조를 가지며 상기 입력광이 투과하는 광투과영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 이용한 지문센서.
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