KR102043921B1 - 지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치 - Google Patents

지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지문센서에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따른 실시예는 지문센서 패키지를 제공한다. 지문센서 패키지는, 지문의 융선에 의해 생성된 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛에서 상기 지문의 골에 의해 생성된 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛을 제거하고 남은 빛으로 지문 이미지를 생성하되, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위의 일부와 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위는 중복될 수 있다.

Description

지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치{Image sensor package for finger-print and electronic device capable of detecting finger-print}
본 발명은 지문센서에 관한 것이다.
지문센서는 지문의 이미지를 촬영하여 전기 신호로 변환한다. 지문이미지 촬영을 위해서, 종래의 광학식 지문센서는 지문에 빛을 조사하여 반사시키는 광학계를 구비한다. 그러나, 프리즘, 반사 미러, 렌즈와 같은 광학계는 일반적으로 상당한 체적을 가지기 때문에, 광학식 지문센서를 구비한 전자장치는 소형화가 어렵다.
한편, 휴대 전화나 태블릿 등과 같은 휴대용 전자장치를 중심으로 지문센서를 장착한 전자장치의 종류와 수가 증가하고 있다. 전자장치의 전면에 지문센서를 장착하기 위해서는 지문과 접촉하는 지문센서의 센싱부가 외부로 노출되어야 한다. 따라서 디자인 또는 디스플레이 패널을 보호하기 위해서 전자장치의 전면 전체를 보호 매체, 예를 들어, 커버 글라스나 투명 필름 등으로 덮는 경우에는 정전용량 변화를 감지하는 커패시티브 방식과 같은 지문센서를 전자장치의 전면에 장착하기 어렵다. 또한, 디스플레이 패널 하부에 지문센서를 위치시키기도 어렵다.
소형화가 가능하면서도 보호 매체 아래에서 지문이미지를 생성할 수 있는 광학 지문센서 패키지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따른 실시예는 지문센서 패키지를 제공한다. 지문센서 패키지는, 지문의 융선에 의해 생성된 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛에서 상기 지문의 골에 의해 생성된 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛을 제거하고 남은 빛으로 지문 이미지를 생성하되, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위의 일부와 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위는 중복될 수 있다.
지문센서 패키지의 일 예로, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛 및 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛 중에서 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛의 일부를 선택하기 위한 광 입사각 필터층, 상기 광 입사각 필터층에 의해 선택된 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛의 일부가 입사되면, 검출 대상 빛을 선택하기 위한 제1 마이크로 렌즈, 및 상기 제1 마이크로 렌즈에 의해 선택된 검출 대상 빛에 상응하는 화소 전류를 생성하는 수광부를 포함하는 지문센서 패키지가 제공될 수 있다.
여기서, 지문센서 패키지는, 상기 광 입사각 필터층의 상부에 위치하며, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛 및 상기 지문의 골에 의해 생성된 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛이 통과하는 관통홀이 형성된 컬러층을 더 포함할 수 있으며, 상기 관통홀의 단면은 경사지게 형성될 수 있다.
지문센서 패키지의 일 예로, 상기 광 입사각 필터층은, 교번하여 배치된 제1 경사면 및 제2 경사면으로 형성된 프리즘 시트이며, 상기 프리즘 시트의 프리즘 산은 상기 제1 마이크로 렌즈를 향하며, 상기 제1 경사면은 입사된 빛을 굴절시키며, 제2 경사면은 입사된 빛을 흡수할 수 있고, 상기 수광부는 상기 제1 마이크로 렌즈의 하부 일측에 위치하고, 상기 수광부의 폭은 상기 제1 마이크로 렌즈의 폭보다 작을 수 있다.
또한, 지문센서 패키지는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함할 수 있으며, 인접한 두 개의 제1 마이크로 렌즈 사이에 형성된 광 차단층을 더 포함할 수 있다.
한편, 지문센서 패키지는, 상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 수광부 사이에 개재되어 상기 검출 대상 빛이 통과하는 광입사 경로를 정의하는 메탈층을 더 포함할 수 있으며, 상기 광입사 경로는 경사지게 형성될 수 있다.
지문센서 패키지의 다른 예로, 상기 광 입사각 필터층은, 교번하여 배치된 제1 경사면 및 제2 경사면으로 형성된 제1 프리즘 시트 및 상기 제1 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 교번하여 배치된 제3 경사면 및 제4 경사면으로 형성된 제2 프리즘 시트를 포함하며, 상기 제1 프리즘 시트의 프리즘 산 및 상기 제2 프리즘 시트의 프리즘 산은 상기 제1 마이크로 렌즈를 향하며, 상기 제1 경사면은 입사된 빛을 굴절시키며, 제2 경사면은 입사된 빛을 흡수할 수 있다.
여기서, 상기 제1 프리즘 시트의 프리즘 피치는 상기 제2 프리즘 시트의 프리즘 피치보다 작을 수 있으며, 상기 수광부는 상기 제1 마이크로 렌즈의 중심의 하부에 위치할 수 있다.
지문센서 피키지의 또 다른 예로, 상기 광 입사각 필터층은 그 하면에 대해 경사지게 형성되며, 입사된 빛을 반사하여 상기 제1 마이크로 렌즈를 향하도록 하는 마이크로 미러를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 마이크로 렌즈는 상기 광 입사각 필터층의 하면에 위치하며, 상기 제1 마이크로 렌즈의 볼록면은 상기 수광부를 향할 수 있다. 한편, 지문센서 패키지는, 볼록면이 상기 광 입사각 필터층을 향하도록 상기 수광부의 상부에 위치하는 제2 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 마이크로 렌즈는 상기 제1 마이크로 렌즈 하부 일측에 위치할 수 있다.
지문센서 피키지의 또 다른 예로, 단면이 검출 대상 빛의 각도로 경사지게 형성된 복수의 관통홀을 포함하며, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛에서 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛은 제거하고 상기 검출 대상 빛은 통과시키는 광 입사각 필터층 및 상기 광 입사각 필터층의 하부에 위치하며, 상기 검출 대상 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하는 지문센서 패키지가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실시예는 지문이미지 획득을 위한 광 경로를 증가시키는 보호 매체 및 상기 보호 매체에 밀착되는 지문센서 패키지를 포함하는 전자장치를 제공한다. 여기서, 전자장치는, 상기 보호 매체와 상기 지문센서 패키지 사이에 개재된 디스플레이 패널을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 지문센서 패키지는 소형화가 가능하면서도 보호 매체 아래에서 지문이미지를 생성할 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 지문센서 패키지의 동작 원리를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 2는 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 일 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 영역 C를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 4는 도 2의 영역 D를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 5는 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 영역 E를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 7은 도 5의 영역 F를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 8은 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 도 8의 영역 G를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 10은 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 11은 도 8의 영역 H를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 12는 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 13은 도 12의 영역 I를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 14는 마이크로 렌즈의 입사각 선택성을 높이기 위한 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 15는 컬러층을 예시적으로 도시한 평면도이다.
도 16은 도 1의 (a)에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 용어 중 “실질적으로”, “거의”, “약” 등과 같은 표현은 실제 구현시 적용되는 마진이나 발생가능한 오차를 고려하기 위한 표현이다. 예를 들어, “실질적으로 90도”는 90도일 때의 효과와 동일한 효과를 기대할 수 있는 각도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다. 다른 예로, “거의 없는”은 무엇인가가 미미하게 존재하더라도 무시할 수 있는 정도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
도 1은 지문센서 패키지의 동작 원리를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 지문센서 패키지는, 지문의 융선과 골에 의해 지문센서 패키지의 내부로 입사된 빛 중에서 소정의 입사각을 갖는 빛만이 지문센서의 수광부에 도달하며, 소정의 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부에 도달하지 않는 구조를 가진다. 즉, 주변 광은 피부로 입사하면, 피부에서 무한 점광원으로 작용하게 된다. 손가락을 커버 글라스에 위치하게 되면, 커버 글라스에 접촉하는 부분, 예를 들어, 지문의 융선과, 커버 글라스에 접촉하지 않는 부분, 예를 들어, 지문의 골은 각각 상이한 입사각 범위를 갖는 빛을 커버 글라스 내부로 조사한다. 지문의 융선과 골로부터 조사된 빛 중에서, 공통되는 입사각 범위에 빛은 제외하고, 지문의 융선으로부터만 조사될 수 있는 입사각을 갖는 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성할 수 있다. 이하에서 (b) 내지 (d)를 참조하여 본 원리를 상세히 설명한다.
도 1의 (b)를 참조하면, 지문은 융선과 골로 구성되며, 융선은 커버 글라스의 상면에 접촉하지만, 골은 커버 글라스의 상면에 접촉하지 않는다. 보호 매체는 가시광선 또는 근적외선이 투과할 수 있는 광학적으로 투명한 매체로서 전자장치의 외면이 손상되는 것을 방지한다. 이러한 보호 매체의 일 예는 휴대 전화의 전면에 부착되어 디스플레이를 보호하는 커버 글라스이다. 이하에서는 커버 글라스를 보호 매체의 일예로 설명한다.
일 적용예로, 지문센서 패키지는 전자장치의 커버 글라스 하면에 밀착된다. 여기서, 지문의 융선과 골은 커버 글라스의 상면에서 수광부를 향해 빛을 조사하는 다중 광원의 역할을 한다. 융선과 커버 글라스의 상면이 접촉하는 지점 A는 광원으로 작용하여 모든 방향으로 빛을 조사하게 되며, 커버 글라스 상면에서 커버 글라스 내부로 조사한다. 한편, 커버 글라스의 상면에 접촉하지 않은 골에서 조사된 빛은 골과 커버 글라스 사이의 공기를 거쳐 커버 글라스 상면의 지점 B에 도달하므로, 빛은 지점 B에서 굴절된다. 따라서, 지점 A에서 커버 글라스 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θ1은, 약 0도 내지 약 180도의 범위 내에 속할 수 있지만, 지점 B에서 커버 글라스 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θ2는, 공기 굴절률과 커버 글라스 굴절률간 차이로 인해 커버 글라스 입사각 θ1에 비해 상대적으로 좁은 범위 내에 속할 수 있다. 여기서, 커버 글라스의 상면에 실질적으로 수평하게 왼쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 0도, 커버 글라스의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛의 커버 글라스 입사각을 90도, 커버 글라스의 상면에 실질적으로 수평하게 오른쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 180도라고 가정한다. 이하에서 커버 글라스 내부로 입사된 빛의 각도를 커버 글라스 입사각이라 한다.
다른 적용예로, 지문센서 패키지는 디스플레이 패널의 하면에 밀착될 수 있다. 즉, 커버 글라스와 지문센서 패키지 사이에 디스플레이 패널이 개재될 수 있다. 디스플레이 패널의 하면에 백라이트, 반사판 등과 같이 빛을 생성하기 위한 추가 구조가 필요한 LCD와 달리, AMOLED 또는 양자점 디스플레이 등은 단위 화소가 빛을 직접 생성하기 때문에 추가 구조를 필요로 하지 않는다. 한편, 이러한 디스플레이의 단위 화소 면적의 상당 부분을 차지하는 전극 및/또는 배선은 ITO와 같은 광학적으로 투명한 재질로 형성된다. 따라서, 커버 글라스와 지문센서 패키지 사이에 개재된 디스플레이 패널은 커버 글라스로부터 입사된 빛이 통과할 수 있는 연장된 광경로를 제공할 수 있다. 다시 말해, 일반적인 커버 글라스보다 두꺼운 커버 글라스의 하면에 지문센서 패키지를 밀착시키는 것과 실질적으로 동일한 결과를 기대할 수 있다. 이하에서 상세히 설명되겠지만, 지문센서 패키지는 검출하고자 하는 빛의 입사각을 선택할 수 있는 구조를 가지고 있다. 따라서, 개재된 디스플레이에 의해 입사된 빛이 어느 정도 굴절되는 현상이 발생하더라도 빛의 입사각을 선택하는 하나 이상의 조건을 조정함으로써 디스플레이 패널 하부에서도 소정의 입사각을 갖는 빛을 검출할 수 있다. 이하에서는 설명의 중복을 피하기 위해서, 지문센서 패키지가 커버 글라스 하면에 밀착되는 경우를 예를 들어 설명하지만, 커버 글라스와 지문센서 패키지 사이에 디스플레이 패널이 개재되는 경우를 배제하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
지문센서 패키지는, 커버 글라스의 상면으로부터 입사되는 빛 중 소정의 커버 글라스 입사각 θ4를 갖는 빛을 선택한다. 도 1의 (c)는, 커버 글라스로부터 입사되는 빛 중에서 지문센서 패키지의 광 입사각 필터층에 의해 선택된 커버 글라스 입사각 θ3을 갖는 빛을 나타내며, 도 1의 (d)는 커버 글라스 입사각 θ3을 갖는 빛 중에서 지문센서 패키지의 마이크로 렌즈에 의해 선택된 커버 글라스 입사각 θ4를 갖는 빛을 나타낸다. 즉, 지문센서 패키지의 광 입사각 필터층은, 소정의 커버 글라스 입사각을 가진 빛이 수광부가 위치한 지문센서 패키지의 하부를 향하도록 하며, 마이크로 렌즈는 광 입사각 필터층을 통과한 빛 중에서 수광부에 입사하는 특정각의 빛을 선택한다. 이하에서는 소정의 커버 글라스 입사각은 검출 대상 입사각이라고 하고, 검출 대상 입사각을 갖는 빛은 검출 대상 빛이라고 한다.
상세하게, 도 1의 (c)에서, 지문센서 패키지의 광 입사각 필터층은 지문센서 패키지 내부로 입사되는 빛 중 지점 A의 좌측 방향으로 입사되는 빛을 차단하며, 추가적으로, 지점 A의 우측 방향으로 입사되는 빛 중 커버 글라스 입사각이 큰 빛을 차단하여 마이크로 렌즈로 입사할 수 있는 커버 글라스 입사각 θ3을 갖는 빛을 선택할 수 있다. 예를 들어, 커버 글라스 입사각 θ1 이 약 0도 내지 약 180도의 범위에 속하고, 커버 글라스 입사각 θ2가 약 42도 내지 약 132도의 범위에 속하는 경우, 커버 글라스 입사각 θ3은 약 132도 내지 약 140도의 범위에 속할 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐, 광 입사각 필터층의 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
아울러, 도 1의 (d)에서, 마이크로 렌즈는 광 입사각 필터층에 의해 선택된 빛 중 수광부로 입사될 커버 글라스 입사각 θ4를 갖는 빛을 선택할 수 있다. 예를 들어, 커버 글라스 입사각 θ3이 132도 내지 140도의 범위에 속하는 경우, 커버 글라스 입사각 θ4는 135도 내지 140도의 범위에 속할 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐, 마이크로 렌즈의 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 여기서, 커버 글라스 입사각 θ4를 갖는 빛은 광 입사각 필터층과 마이크로 렌즈를 거치면서 굴절 및/또는 반사되며, 최종적으로 수광부에 입사될 때의 각도는 커버 글라스 입사각 θ4와 다를 수 있다. 또한, 도 1의 (c) 및 (d)는 지점 A의 좌측 방향으로 입사되는 빛을 차단하여 지문 이미지를 생성하는 구조를 예시하고 있으나, 지점 A의 우측 방향으로 입사되는 빛을 차단하는 구조에서도 실질적으로 동일한 지문 이미지가 생성될 수 있다.
커버 글라스 입사각 θ4를 갖는 빛은 지문의 융선에 의해서 생성된 빛만이 가질 수 있는 각도이므로, 이를 이용하여 선명한 지문 이미지를 생성할 수 있다. 도 1의 (b)에 도시된 것처럼, 지문이 커버 글라스 위에 위치하면, 융선에 의한 빛뿐만 아니라 골에 의한 빛도 함께 커버 글라스 내부로 들어간다. 종래의 광학식 지문센서는, 수직으로 입사되는 빛을 검출하는 구조를 가지고 있기 때문에, 융선에서 나와서 수광부의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛뿐 아니라 골에서 나와서 수광부의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛도 검출한다. 따라서 지문의 융선과 골 사이의 경계가 선명하지 않은 지문 이미지를 생성한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 지문센서 패키지는, 지문의 접촉면에 의해 생성된 빛 중에서 융선에 의해 생성된 빛의 적어도 일부만을 검출하는 구조를 가지고 있기 때문에, 종래의 광학식 지문센서보다 선명한 지문 이미지를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 일 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 지문센서 패키지는 광 입사각 필터층(100), 마이크로 렌즈(110a, 110b, 110c, 110d; 이하 110으로 총칭함), 메탈층(120), 수광부(130a, 130b, 130c; 이하 130으로 총칭함), 및 기판(140)을 포함하며, 추가적으로, 지문센서 패키지는 광 입사각 필터층(100)과 커버 글라스 사이에 위치하는 컬러층(150)을 더 포함할 수 있다.
커버 글라스는 전자장치의 일면에 위치하며 광학적으로 투명한 재질로 형성된다. 지문센서 패키지는 전자장치의 커버 글라스 하면에 밀착된다. 커버 글라스의 상면에 지문이 접촉하면, 커버 글라스는 지문의 융선과 골에 의해 생성된 빛이 통과하는 광 경로를 제공한다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 커버 글라스의 상면을 통해 입사된 빛은 약 0도 내지 약 180도의 커버 글라스 입사각을 갖는다.
광 입사각 필터층(100)은 전자장치의 커버 글라스 하부에 위치한다. 도 2에 도시된 일 실시예에서, 광 입사각 필터층(100)은 프리즘 시트이다. 프리즘 시트는 입사된 빛을 굴절시키는 제1 경사면(101)과 입사된 빛을 흡수하는 제2 경사면(102)을 포함한다. 교번하게 배치된 제1 경사면(101)과 제2 경사면(102)은 교번하게 프리즘 산과 프리즘 골을 형성한다. 프리즘 산은 마이크로 렌즈(110)를 향하며, 프리즘 골은 커버 글라스를 향한다. 프리즘 시트가 검출 대상 빛을 선택하는 방식은 도 3을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
마이크로 렌즈(110)는 광 입사각 필터층(100)을 통과한 빛 중 검출 대상 빛을 굴절시켜 수광부(130)를 향하게 한다. 수광부로 입사되는 빛의 광량을 증가시키기 위한 마이크로 렌즈의 일반적인 용도 대신에, 본 지문센서 패키지에서는 특정각의 빛만 수광부에 입사시키기 위한 용도로 마이크로 렌즈를 이용한다. 이를 위해서, 마이크로 렌즈(110)는 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광입사 경로에 대응하도록 메탈층(120)이 구비된 이미지센서의 수광부의 상부에 형성된다. 즉, 마이크로 렌즈(110)는 광 입사각 필터층(100)으로부터 이격되어 광 입사각 필터층(100)의 하부에 위치한다. 광 입사각 필터층(100)과 마이크로 렌즈(110) 사이에는 공기가 개재된다. 공기가 개재됨으로써, 광 입사각 필터층-공기 및 공기-마이크로 렌즈간 굴절률의 차이가 발생하며, 이를 이용하여 검출 대상 빛만이 선택될 수 있다. 마이크로 렌즈(110)가 검출 대상 빛을 선택하는 방식은 도 4를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
메탈층(120)은 마이크로 렌즈(110)의 하부에 형성된다. 메탈층(120)을 구성하는 복수의 메탈 라인은 수광부(130)에 제어 신호를 전달하거나 수광부(130)가 생성한 화소 전류를 외부로 인출하기 위한 전기 배선을 형성한다. 복수의 메탈 라인은 IMD(Inter Metal Dielectric) 등에 의해 상호간에 전기적으로 절연될 수 있다. 또한, 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광입사 경로도 IMD로 형성될 수 있다. 일 예로, 마이크로 렌즈에 의해 선택된 빛은 수광부(130)의 표면에 경사지게 입사하므로, 광입사 경로 역시 경사지게 형성될 수 있다. 한편, 광입사 경로는 일반적인 CIS(CMOS Image Sensor)의 광입사 경로보다 상대적으로 좁은 단면적을 가지도록 형성될 수 있다. 다른 예로, 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광입사 경로는 수광부(130)의 상면에 수직으로 형성될 수도 있다. 참고로, 상대적으로 좁은 단면적을 가진 광입사 경로는 한국 특허공개공보 제10-2016-0048646호에 개시되어 있으며, 여기에 일체로서 참조된다.
한편, 도시되지 않았으나, 메탈층(120)은 수광부(130) 하부의 기판(140)에 형성될 수도 있다. 즉, 도 2에 도시된 FSI(Front Surface Illumination) 구조의 CIS 뿐 아니라, BSI(Back Surface Illumination) 구조의 CIS로도 지문센서 패키지를 구현할 수 있다. 이 경우, 소정 커버 글라스 입사각 이외의 각도로 입사된 빛이 수광부(130)에 입사되지 않도록 하기 위해서, 광 차단층이 마이크로 렌즈(110)와 수광부(130) 사이에 위치할 수 있다. 광 차단층에는 마이크로 렌즈(110)와 수광부(130) 사이의 광입사 경로에 대응하는 위치에 개구가 형성될 수 있다.
수광부(130)는 마이크로 렌즈(110)의 하부에 위치하며, 입사된 빛을 검출하여 화소 전류를 생성한다. 광입사 경로를 형성하며 전기 배선을 위한 메탈층(120)이 마이크로 렌즈(110)와 수광부 사이에 개재될 수 있다.
입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(130)의 중심과 마이크로 렌즈(110)의 중심은 일치하지 않을 수 있다. 도 2에서, 수광부(130)는 마이크로 렌즈(110)의 우측 하부에 위치한다. 여기서, 수광부(130)의 위치는 마이크로 렌즈(110)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 도달할 수 있는 위치이며, 검출 대상 입사각, 마이크로 렌즈(110)의 굴절률, 마이크로 렌즈(110)-수광부(130)간 거리 등과 같은 다양한 요소에 의해 결정될 수 있다. 이러한 배치를 통해서, 지문센서 패키지의 입사각 선택성이 향상될 수 있다. 마이크로 렌즈(110)와 수광부(130)의 배치에 따른 입사각 선택성 향상은 도 4를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(130)의 폭은 마이크로 렌즈(110)의 폭에 비해 상대적으로 좁게 형성된다. 수광부(130)의 폭이 큰 경우에, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛도 검출될 수 있다. 따라서, 수광부(130)를 검출 대상 빛이 광 입사각 필터층(100) 및 마이크로 렌즈(110)에 의해 굴절될 때 도달할 수 있는 지점에 형성하면, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부(130)가 형성되지 않은 기판(140)의 상면에 도달하게 된다. 일 실시예로, 수광부(130)의 폭은 마이크로 렌즈(110)의 폭의 약 50% 이하일 수 있다.
컬러층(150)은 광 입사각 필터층(100)과 커버 글라스 사이에 위치한다. 컬러층(150)에는 복수의 개구가 형성되며, 커버 글라스로부터 입사된 빛은 개구를 통해 지문센서 패키지 내부로 진행한다. 복수의 개구는 광학적으로 투명한 물질로 충진될 수 있다. 컬러층(150)은 지문센서 패키지가 전자장치의 커버 글라스 하부에 위치할 때, 지문센서 패키지 주변과의 색 차이가 발생하지 않도록 한다. 컬러층(150)의 형상은 도 15를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
추가적으로, 밴드패스 필터층(미도시)이 커버 글라스의 상면 또는 커버 글라스의 하면 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 밴드패스 필터층은 지문 이미지 생성에 사용되는 파장대에 속하지 않는 빛이 지문센서 패키지 내부로 입사하는 것을 방지한다.
도 3은 도 2의 영역 C를 설명하기 위한 부분확대도이다.
제1 경사면(101)에 의해 검출 대상 빛을 포함하는 일정 범위의 커버 글라스 입사각을 갖는 빛(300, 310)만이 마이크로 렌즈(110)가 있는 지문센서 패키지의 하부로 입사되며, 그 이외의 커버 글라스 입사각을 갖는 빛은 차단되거나 굴절된 검출 대상 빛(301)과는 다른 각도로 마이크로 렌즈(110)를 향하게 된다.
도 3을 참조하면, 프리즘 시트의 제1 경사면(101)은 약 90도 이상의 커버 글라스 입사각을 갖는 빛(300, 310)(즉, 좌측 상부에서 우측 하부 방향으로 입사된 빛)을 굴절시킨다. 이를 위해, 제1 경사면(101)은 프리즘 산(103a)과 프리즘 골(104b) 사이에 경사지게 형성된다. 도 3에서, 제1 경사면(101)과 커버 글라스의 하면에 수직한 직선 사이의 각도 θ51는 약 18도인 것으로 가정한다. 프리즘 시트의 제2 경사면(102)은 약 90도 이하의 커버 글라스 입사각을 갖는 빛(320)(즉, 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사된 빛)을 흡수한다. 이를 위해, 제2 경사면(102)은 프리즘 산(103b)과 프리즘 골(104b) 사이에 경사지게 형성되며, 제2 경사면(102)의 표면에는 흡광 물질을 포함하는 흡광층이 형성된다. 도 3에서, 제2 경사면(102)과 커버 글라스의 하면에 수직한 직선 사이의 각도 θ52는 각도 θ51과 실질적으로 동일하게 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 각도 θ52는 각도 θ51보다 클 수 있다. 제1 경사면과 제2 경사면에 의해 형성된 프리즘 산과 프리즘 골의 내각은 θ51+θ52이며, 내각 θ51+θ52 또는 프리즘 피치(즉, 프리즘 산(103a)-프리즘 산(103b) 간격 또는 프리즘 골(104a)-프리즘 골(104b) 간격)에 따라 수광부(130)에 입사할 수 있는 커버 글라스 입사각이 결정될 수 있다.
제1 경사면(101)의 수직방향에 대해 각도 θpi만큼 경사지게 입사하는 빛 중에서, 전반사 임계각 θfr 이상의 제1 경사면 입사각 θpi를 갖는 빛(즉, 커버 글라스 입사각=<(180도 - θpi - θfr)인 빛)은 제1 경사면(101)에서 전반사되며, 전반사 임계각 θfr 미만의 제1 경사면 입사각 θpi를 갖는 빛(즉, 커버 글라스 입사각>(180도 - θpi - θfr)인 빛)은 제1 경사면(101)에서 굴절된다. 전반사된 빛은 제2 경사면(102)의 흡광층에 흡수될 수 있다. 여기서, 제1 경사면(101)에 대한 전반사 임계각 θfr은 θ51 또는 프리즘 피치에 의해 결정될 수 있다.
프리즘 시트의 제1 경사면(101)에 입사하는 빛 중에서, 제1 경사면(101)의 전반사 임계각 θfr 미만의 범위에 속하는 커버 글라스 입사각을 갖는 빛(300, 310)은 제1 경사면(101)에서 굴절되어 마이크로 렌즈(110)를 향한다. 검출 대상 빛(300)은 제1 경사면(101)의 수직방향에 대해 각도 θpi만큼 경사지게 입사한다. 검출 대상 빛(300)은 프리즘 시트와 공기간 굴절률 차이로 인해 제1 경사면(101)에 대해 각도 θpr(>θpi)만큼 굴절된다. 굴절된 검출 대상 빛(301)은 마이크로 렌즈(110)로 입사된다. 한편, 빛(310)은 제1 경사면(101)의 수직방향에 대해 각도 θpi보다 더 큰 각도로 입사한다. 각도 θpi보다 더 큰 각도로 입사한 빛(310)은 제1 경사면(101)에 대해 각도 θpr보다 더 크게 굴절된다. 굴절된 빛(311)은 마이크로 렌즈(110)로 실질적으로 수직으로 입사된다.
도시되진 않았지만, 검출 대상 입사각보다 큰 커버 글라스 입사각을 갖는 빛은 제1 경사면(101)에서 굴절되더라도 제2 경사면(102)에 도달하게 되어 차단된다. 또한, 제2 경사면(102)에 의해 차단되지 않더라도 굴절된 검출 대상 빛(301) 보다 더 우측을 향해 진행하므로, 검출 대상 입사각보다 큰 커버 글라스 입사각을 갖는 빛은 마이크로 렌즈(110)에 입사되더라도 수광부(130) 외곽의 차광막(미도시)에 도달하게 되어서 소멸된다.
도 4는 도 2의 영역 D를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 4를 참조하면, 마이크로 렌즈(110)에 의해 굴절된 빛은 메탈층(120)을 통과하여 수광부(130)에 입사한다. 굴절된 검출 대상 빛(301)은 마이크로 렌즈(110)의 표면상의 지점 c의 법선 방향으로부터 각도 θmi만큼 경사지게 입사될 수 있다. 굴절된 검출 대상 빛(301)은 공기와 마이크로 렌즈(110)간 굴절률 차이로 인해서, 각도 θmr(<θmi)로 굴절된다. 굴절된 검출 대상 빛(302)은 마이크로 렌즈(110)로 입사된다. 굴절된 검출 대상 빛(302)이 초점 f를 향해 입사되므로, 수광부(130)는 초첨 f에 대응하는 위치에 형성된다. 광 입사각 필터층(100) 및 마이크로 렌즈(110)에 의해서 굴절된 검출 대상 빛(302)은, 수광부(130) 상면의 수직방향에 대해 최종적으로 각도 θmr만큼 경사지게 입사한다. 따라서, 수광부(130)는 마이크로 렌즈(130)의 중심을 기준으로 우측에 위치하게 된다.
각도 θmi가 아닌 각도로 지점 c에 입사하여 굴절된 빛이 검출되지 않도록 하기 위해서, 수광부(130)의 폭은 마이크로 렌즈(130)의 폭에 비해 작게 형성된다. 마이크로 렌즈(110)를 향해 실질적으로 수직으로 입사한 빛(311a, 311b)은 마이크로 렌즈(110)의 표면에서 굴절되어 일정 깊이에 있는 초점 f'에 집중된다. 따라서, 수광부(130)를 초점 f'에서 이격된 초점 f에 형성함으로써, 수직으로 입사한 빛이 검출되지 않도록 할 수 있다. 한편, 수광부(130)의 폭을 충분히 좁게 하면, 각도 θmi보다 큰 각도로 입사한 빛은 수광부(130)의 우측으로 입사되며, 각도 θmi보다 작은 각도로 입사한 빛은 수광부(130)의 좌측으로 입사되어, 수광부(130)에 의해 검출되지 않게 된다.
한편, 도 4는 마이크로 렌즈(110)에 굴절된 빛의 광경로를 설명하기 위해서 메탈층(120) 내부에 복수의 메탈 라인들을 표시하지 않았으나, 굴절된 검출 대상 빛(302)의 광입사 경로는 복수의 메탈 라인에 의해 정의되며, 광입사 경로를 벗어난 빛(312a, 312b)은 복수의 메탈 라인에 의해 차단될 수 있다.
도 5는 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 지문센서 패키지는 필터층(100), 마이크로 렌즈(110), 메탈층(120), 수광부(130), 및 기판(140)을 포함하며, 추가적으로, 지문센서 패키지는 광 입사각 필터층(100)과 커버 글라스 사이에 위치하는 컬러층(150)을 더 포함할 수 있다. 도 2와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 2와의 차이점을 위주로 설명한다.
도 5에 도시된 일 실시예에서, 광 입사각 필터층(100)은 제1 프리즘 시트(100a) 및 제2 프리즘 시트(100b)를 포함한다. 제1 프리즘 시트(100a) 및 제2 프리즘 시트(100b)는 검출 대상 빛을 굴절시켜 마이크로 렌즈(110)를 향해 실질적으로 수직으로 입사하도록 검출 대상 빛을 굴절시킨다. 제1 프리즘 시트(100a)의 제1 경사면은 입사된 빛을 굴절시키며, 제2 경사면은 입사된 빛을 흡수한다. 일 실시예로, 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면은 입사된 빛을 굴절시키며, 제2 경사면은 입사된 빛을 흡수한다. 다른 실시예로, 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면 및 제2 경사면은 입사된 빛을 굴절시킨다. 광 입사각 필터층(100)이 검출 대상 빛을 선택하는 방식은 도 6을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
마이크로 렌즈(110)는 광 입사각 필터층(100)을 통과한 빛 중 검출 대상 빛이 수광부(130)를 향하게 한다. 마이크로 렌즈(110)가 검출 대상 빛을 선택하는 방식은 도 7을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
수광부(130)는 마이크로 렌즈(110)의 하부에 위치하며, 입사된 빛을 검출하여 화소 전류를 생성한다. 입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(130)의 중심과 마이크로 렌즈(110)의 중심은 실질적으로 일치할 수 있다. 마이크로 렌즈(110)와 수광부(130)의 배치에 따른 입사각 선택성 향상은 도 7을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
도 6은 도 5의 영역 E를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 6을 참조하면, 검출 대상 빛(600)은 제1 프리즘 시트(100a)와 제2 프리즘 시트(100b)에 의해 형성된 복수의 계면을 통과하면서 수 차례 시계 방향으로 굴절되어 마이크로 렌즈(110) 향해 실질적으로 수직으로 진행하게 된다. 검출 대상 빛(600)을 제외한 나머지 빛은 제1 프리즘 시트(100a)와 제2 프리즘 시트(100b)에 의해서 차단되거나 임의의 각도로 경사지게 마이크로 렌즈(110)를 향하게 된다.
제1 프리즘 시트(100a)의 제1 경사면(101a)은 지점 e1로 입사한 검출 대상 빛(600)을 굴절시켜 제2 프리즘 시트(100b) 상면의 지점 e2를 향하게 한다. 지점 e1은 굴절률이 서로 다른 매질들간의 계면에 위치하므로, 굴절된 검출 대상 빛(601)은 시계 방향으로 굴절된다. 지점 e1에서, 굴절된 검출 대상 빛(601)의 굴절각은 검출 대상 빛(600)의 커버 글라스 입사각보다 클 수 있다.
한편, 지점 e1에 입사한 빛 중 검출 대상 빛(600)보다 큰 커버 글라스 입사각을 갖는 빛(610)은 반시계 방향으로 굴절된다. 대부분의 굴절된 빛(611)은 제1 프리즘 시트(100a)의 제2 경사면에 흡수된다. 검출 대상 빛(600)보다 작은 커버 글라스 입사각을 갖는 빛(620)은 시계 방향으로 굴절된다. 굴절된 빛(621)은 제2 프리즘 시트(100b)의 제2 경사면에 흡수되거나 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면에서 전반사된다. 흡수되거나 전반사되지 않고 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면으로 입사되면 굴절되며, 굴절된 빛(621)은 임의의 각도로 경사지게 마이크로 렌즈(110)를 향하게 된다.
지점 e2에서 제2 프리즘 시트(100b)로 입사한 굴절된 검출 대상 빛(601)은 굴절되어 지점 e3를 향하게 된다. 지점 e2 또한 굴절률이 서로 다른 매질들간의 계면에 위치하므로, 굴절된 검출 대상 빛(602)은 시계 방향으로 굴절된다. 지점 e2에서, 굴절된 검출 대상 빛(602)의 굴절각은 굴절된 검출 대상 빛(601)의 커버 글라스 입사각보다 작을 수 있다.
굴절된 검출 대상 빛(602)은 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면(101b)의 지점 e3에서 시계 방향으로 굴절되어 마이크로 렌즈(110)를 향해 실질적으로 수직으로 진행하게 된다. 지점 e3에서, 굴절된 검출 대상 빛(603)의 굴절각은 검출 대상 빛(602)의 커버 글라스 입사각보다 클 수 있다.
한편, 도 6에서는, 제1 프리즘 시트(100a)의 제1 경사면(101a)과 커버 글라스의 하면에 수직한 직선 사이의 각도 θ5a가 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면(101b)과 커버 글라스의 하면에 수직한 직선 사이의 각도 θ5b와 실질적으로 동일하게 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 양 각도는 서로 다를 수 있다. 다시 말해, 제1 프리즘 시트(100a)의 프리즘 피치와 제2 프리즘 시트(100b)의 프리즘 피치가 다르면(각도 θ5a <각도 θ5b), 굴절된 검출 대상 빛(602)이 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면(101b)에 입사할 수 있는 영역이 더 넓어지게 된다.
한편, 도 6에서는 제1 프리즘 시트(100a)의 프리즘 산(101aa)과 제2 프리즘 시트(100b)의 프리즘 산(101ba)이 실질적으로 동일한 수직선상에 위치되는 것으로 도시되어 있어나, 이 또한 단지 예시일 뿐이다. 즉, 다른 실시예로, 제1 프리즘 시트(100a)의 프리즘 산(101aa)이 제2 프리즘 시트(100b)의 프리즘 산(101ba)의 좌측에 위치하면, 굴절된 검출 대상 빛(602)이 제2 프리즘 시트(100b)의 제1 경사면(101b)에 입사할 수 있는 영역이 더 넓어지게 된다. 따라서, 제1 프리즘 시트(100a)와 제2 프리즘 시트(100b)의 정렬을 통해 검출 대상 빛의 광량이 증가할 수 있다.
또한, 제1 프리즘 시트(100a)와 제2 프리즘 시트(100b)간 경로(지점 e1-지점 e2)를 증가시키기 위해서, 제1 프리즘 시트(100a)와 제2 프리즘 시트(100b) 사이에 스페이서(미도시)가 개재될 수 있다.
도 7은 도 5의 영역 F를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 7을 참조하면, 마이크로 렌즈(110)는 실질적으로 수직으로 입사한 굴절된 검출 대상 빛(603)을 수광부(130)로 향하게 하고, 임의의 각도로 경사지게 입사한 빛(700, 710)은 굴절시킨다. 굴절된 검출 대상 빛(603)은 마이크로 렌즈(110)의 표면상의 지점 c에 실질적으로 수직으로 입사한다. 마이크로 렌즈(110)에 수직으로 입사하면, 초점 f에 집중된다. 한편, 마이크로 렌즈(110)로 임의의 각도로 경사지게 입사한 빛(700, 710)은, 굴절률이 서로 다른 매질들간의 계면에 위치한 지점 c 또는 지점 c'에서 시계 방향으로 굴절된다. 굴절된 빛은 초점 f을 벗어난다. 따라서, 수광부(130)는 초점 f에 대응하는 영역에 형성되며, 수광부(130)의 폭을 좁게 형성함으로써, 초점 f을 벗어난 빛이 검출되지 않게 할 수 있다.
도 8은 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 지문센서 패키지는 필터층(100), 마이크로 렌즈(110), 메탈층(120), 수광부(130), 및 기판(140)을 포함하며, 추가적으로, 지문센서 패키지는 광 입사각 필터층(100)과 커버 글라스 사이에 위치하는 컬러층(150)을 더 포함할 수 있다. 도 5와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 5와의 차이점을 위주로 설명한다.
도 8에 도시된 일 실시예에서, 광 입사각 필터층(100)은 경사지게 형성된 마이크로 미러(105)을 포함한다. 마이크로 미러(105)는 검출 대상 빛을 시계 방향으로 반사시켜 마이크로 렌즈(110)를 향해 실질적으로 수직으로 진행하게 하는 기능을 갖는다.
광 입사각 필터층(100)이 검출 대상 빛을 선택하는 방식은 도 9를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
도 9는 도 8의 영역 G를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 9를 참조하면, 검출 대상 빛(900)은 마이크로 미러(105)에 의해 반사되어 그 진행 방향이 시계 방향으로 이동하게 된다. 마이크로 미러(105)은 광 입사각 필터층(100)의 하면에 대해 각도 θ6(>90도)만큼 경사지게 형성된다. 여기서, 각도 θ6는 검출 대상 입사각을 갖는 검출 대상 빛이 반사되어 실질적으로 수직으로 마이크로 렌즈(110)를 향해 진행할 수 있도록 결정된다. 마이크로 미러(105)은 빛을 반사하는 성질을 가진 물질, 예를 들어, Al 등의 금속으로 형성될 수 있다. 마이크로 미러(105)을 제외한 나머지 부분은 광학적으로 투명한 물질로 형성될 수 있다.
마이크로 미러(105)의 일면은 지점 g1로 입사한 검출 대상 빛(900)을 반사시켜 광 입사각 필터층(100) 하면의 지점 g2를 향하게 한다. 지점 g2 내지 지점 g4는 굴절률이 서로 다른 매질들간의 계면에 위치하므로, 반사된 검출 대상 빛(901)은 지점 g2에 수직으로 입사하면 반사된 검출 대상 빛(901)은 수광부(130)에 수직으로 입사하게 된다. 만일, 반사된 검출 대상 빛(901)이 지점 g2에 소정의 각도로 경사지게 입사하면, 반사된 검출 대상 빛(901)은 지점 g2에서 굴절되어 수광부(130)를 향해 진행하게 된다. 여기서는 반사된 검출 대상 빛(901)은 지점 g2에 실질적으로 수직으로 입사하는 경우를 가정하여 설명한다.
검출 대상 빛(900)보다 커버 글라스 입사각이 큰 빛(910)은 지점 g1에서 반사되어 광 입사각 필터층(100) 하면의 지점 g3을 향하게 된다. 반사된 빛(910)은 지점 g3에서 시계 방향으로 반사되어 진행한다. 한편, 검출 대상 빛(900)보다 커버 글라스 입사각(>90)이 작은 빛(920)은 지점 g1에서 반사되어 광 입사각 필터층(100) 하면의 지점 g4를 향하게 된다. 반사된 빛(920)은 지점 g4에서 반시계 방향으로 굴절되어 진행한다. 굴절된 빛(911, 921)은 마이크로 렌즈(110)에 임의의 각도로 입사하므로, 도 7에서 설명한 바와 같이, 초점을 벗어나게 된다.
한편, 커버 글라스 입사각이 90도 이상인 빛(900, 910, 920)과 달리, 커버 글라스 입사각이 90도 이하인 빛(930a, 930b)은 마이크로 미러(105)의 타면에서 반사될 수 있다. 실질적으로 수직으로 입사하는 빛(930b)은 지점 g5에서 반사되며, 광 입사각 필터층(100)의 하면에서 반시계방향으로 굴절되어 진행한다. 90도보다 작은 커버 글라스 입사각을 갖는 빛(930b)은 지점 g5에서 1차 반사된 후 인접한 반사판의 일면에서 2차 반사되며, 광 입사각 필터층(100)의 하면에서 시계방향으로 굴절되어 진행한다. 한편, 마이크로 미러(105)의 타면에는 흡광층이 더 형성될 수 있다. 이 경우, 커버 글라스 입사각이 90도 이하인 빛(930a, 930b)은 마이크로 미러(105)의 타면에 흡수될 수 있다.
도 10은 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 지문센서 패키지는 필터층(100), 마이크로 렌즈(115a, 115b, 115c; 이하 115로 총칭함), 메탈층(120), 수광부(130), 및 기판(140)을 포함하며, 추가적으로, 지문센서 패키지는 광 입사각 필터층(100)과 커버 글라스 사이에 위치하는 컬러층(150)을 더 포함할 수 있다. 도 8과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 8과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 10에 도시된 일 실시예에서, 광 입사각 필터층(100)은 경사지게 형성된 마이크로 미러(105)을 포함한다. 마이크로 미러(105)은 검출 대상 빛을 시계 방향으로 반사시켜 마이크로 렌즈(110)를 향해 실질적으로 수직으로 진행하게 한다.
도 8과 비교하면, 마이크로 렌즈(115)는 광 입사각 필터층(100)에 밀착되게 형성된다. 즉, 마이크로 렌즈(115)의 수평면은 광 입사각 필터층(100)의 하면에 밀착되며, 마이크로 렌즈(115)의 볼록면은 수광부(130)를 향한다. 마이크로 렌즈(115)는 수평면을 통해 입사한 빛 중 검출 대상 빛은 실질적으로 수직으로 수광부를 향하도록 하며, 검출 대상 빛을 제외한 나머지 빛은 임의의 각도로 굴절시킨다.
마이크로 미러(105)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러(105)간 간격이 조밀하게 형성될 수도 있고, 도 10에 도시된 바와 같이, 하나의 마이크로 렌즈(115)에 하나의 마이크로 미러(105)가 대응되도록 형성될 수 있다. 여기서, 마이크로 렌즈(115) 및 마이크로 미터(105)는, 복수의 수광부(130)에 대응하도록 연장되게 형성될 수 있으며, 이 경우, 한 줄의 마이크로 렌즈(115)에 한 줄의 마이크로 미러(105)가 대응될 수도 있다. 따라서, 마이크로 미러(105)간 거리는 도 8에 비해 길어지지만, 마이크로 미러(105)에 의해 반사되는 검출 대상 빛을 제외한 나머지 빛은 마이크로 렌즈(115)에 의해서 임의의 각도로 굴절되므로, 마이크로 미러(105)가 거리가 길어지더라도 커버 글라스 입사각이 90도 이하인 빛은 수광부(130)로 거의 입사되지 않게 된다. 일 실시예로, 마이크로 미러(105), 마이크로 렌즈(115) 및 수광부(130)는 실질적으로 동일한 수직선상에 배열될 수 있다. 상세하게, 마이크로 미러(105)의 일면의 적어도 일부는 마이크로 렌즈(115)의 볼록면의 중심인 지점 c와 실질적으로 동일한 수직선상에 배열되며, 수광부(130) 상면의 적어도 일부 역시 마이크로 렌즈(115)의 지점 c와 실질적으로 동일한 수직선상에 배열된다.
광 입사각 필터층(100) 및 마이크로 렌즈(115)가 검출 대상 빛을 선택하는 방식은 도 11을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
도 11은 도 10의 영역 H를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 11을 참조하면, 검출 대상 빛(1100)은 마이크로 미러(105)에 의해 반사되어 그 진행 방향이 시계 방향으로 이동하게 된다.
마이크로 미러(105)의 일면은 지점 h1로 입사한 검출 대상 빛(900)을 반사시켜 마이크로 렌즈(115)의 볼록면상의 지점 c를 향하게 한다. 여기서, 광 입사각 필터층(100) 및 마이크로 렌즈(115)의 굴절률이 거의 동일한 경우에, 반사된 검출 대상 빛(1101)은 광 입사각 필터층(100)의 하면과 마이크로 렌즈(115)의 수평면 사이를 굴절없이 통과하여 실질적으로 수직으로 지점 c에 도달할 수 있다. 지점 c는 마이크로 렌즈(115)의 중심이므로, 지점 c의 법선과 반사된 검출 대상 빛의 진행방향이 실질적으로 일치하면, 반사된 검출 대상 빛(901)은 수광부(130)에 수직으로 입사하게 된다. 만일, 반사된 검출 대상 빛(1101)이 지점 c에 소정의 각도로 경사지게 입사하면, 반사된 검출 대상 빛(1101)은 지점 c에서 굴절되어 수광부(130)를 향해 진행하게 된다. 여기서는 반사된 검출 대상 빛(1101)은 지점 c에 실질적으로 수직으로 입사하는 경우를 가정하여 설명한다.
검출 대상 빛(1100)보다 커버 글라스 입사각이 큰 빛(1110)은 지점 h1에서 반사되어 마이크로 렌즈(115)의 볼록면상의 지점 h2를 향하게 된다. 반사된 빛(1111)은 지점 h2에서 시계 방향으로 굴절되어 진행한다. 한편, 검출 대상 빛(1100)보다 커버 글라스 입사각(>90)이 작은 빛(1120)은 지점 h1에서 반사되어 마이크로 렌즈(115)의 볼록면상의 지점 h3을 향하게 된다. 반사된 빛(1121)은 지점 h3에서 반시계 방향으로 굴절되어 진행한다. 굴절된 빛은, 복수의 메탈 라인에 의해 차단되어 수광부(130)에 입사하지 못한다.
한편, 커버 글라스 입사각이 90도 이상인 빛(1100, 1110, 1120)과 달리, 커버 글라스 입사각이 90도 이하인 빛(1130)은 직접 마이크로 렌즈(115)에 입사하지만, 마이크로 렌즈(115)의 볼록면에서 임의의 각도로 굴절된다. 따라서, 굴절된 빛은, 복수의 메탈 라인에 의해 차단되어 수광부(130)에 입사하지 못한다.
도 12는 도 1에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 12를 참조하면, 지문센서 패키지는 필터층(100), 제1 마이크로 렌즈(116a, 116b, 116c; 이하 116으로 총칭함), 제2 마이크로 렌즈(117a, 117b, 117c; 이하 117로 총칭함), 메탈층(120), 수광부(130), 및 기판(140)을 포함하며, 추가적으로, 지문센서 패키지는 광 입사각 필터층(100)과 커버 글라스 사이에 위치하는 컬러층(150)을 더 포함할 수 있다. 도 10과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 10과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 12에 도시된 일 실시예에서, 제2 마이크로 렌즈(117)는 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광입사 경로에 대응하도록 메탈층(120)의 상부에 형성된다. 제2 마이크로 렌즈(117)는 제1 마이크로 렌즈(116; 도 10의 115에 대응됨)에 의해 소정의 각도로 굴절되어 입사한 빛 중 검출 대상 빛을 굴절시켜 수광부(130)를 향하게 한다. 제2 마이크로 렌즈(117)의 폭은 제1 마이크로 렌즈(116)의 폭에 비해 상대적으로 작을 수 있다.
도 10과 비교하면, 하나의 제1 마이크로 렌즈(116)에 하나의 제2 마이크로 렌즈(117)가 대응된다. 일 실시예로, 제1 마이크로 렌즈(116)와 제2 마이크로 렌즈(117)의 중심은 실질적으로 동일한 수직선상에 배열되지 않는다. 마이크로 미러(105) 및 제1 마이크로 렌즈(116)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 제2 마이크로 렌즈(117)에 소정의 각도로 입사하는 경우로서, 제2 마이크로 렌즈(117)는 제1 마이크로 렌즈(116)의 우측 하부에 위치하며, 수광부(130)는 제2 마이크로 렌즈(117)의 하부에 위치한다. 제2 마이크로 렌즈(117)와 수광부(130)의 중심도 실질적으로 동일한 수직선상에 배열되지 않을 수 있다. 한편, 도시하진 않았지만, 마이크로 미러(105) 및 제1 마이크로 렌즈(116)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 제2 마이크로 렌즈(117)에 실질적으로 수직으로 입사하면, 제1 마이크로 렌즈(116), 제2 마이크로 렌즈(117) 및 수광부(130)는 실질적으로 동일한 수직선상에 배열될 수도 있다.
광 입사각 필터층(100), 제1 마이크로 렌즈(116) 및 제2 마이크로 렌즈(117)가 검출 대상 빛을 선택하는 방식은 도 13을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
도 13은 도 12의 영역 I를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 13을 참조하면, 검출 대상 빛(1300)은 마이크로 미러(105)에 의해 반사되어 그 진행 방향이 시계 방향으로 이동하게 된다.
마이크로 미러(105)의 일면은 입사한 검출 대상 빛(1300)을 반사시켜 제1 마이크로 렌즈(116)의 볼록면상의 지점 i2를 향하게 한다. 여기서, 광 입사각 필터층(100) 및 마이크로 렌즈(115)의 굴절률이 거의 동일한 경우에, 반사된 검출 대상 빛(1301)은 광 입사각 필터층(100)의 하면과 제1 마이크로 렌즈(116)의 수평면 사이를 굴절없이 통과하여 지점 i2에 도달할 수 있다. 도 11과 달리, 반사된 검출 대상 빛(1301)은 지점 i2에 소정의 각도로 경사지게 입사하므로, 반사된 검출 대상 빛(1301)은 지점 i2에서 굴절되어 제2 마이크로 렌즈(117)를 향해 진행하게 된다. 굴절된 검출 대상 빛(1302)은 제2 마이크로 렌즈(117)의 지점 c에서 굴절되어 수광부(130)를 향하게 된다.
검출 대상 빛(1300)보다 커버 글라스 입사각이 큰 빛(1310)은 마이크로 미러(105)에서 반사되어 제1 마이크로 렌즈(116)의 볼록면상의 지점 i1을 향하게 된다. 지점 i1은 지점 i2의 좌측에 위치하며, 커버 글라스 입사각이 커질수록 지점 i2에서 멀어진다. 따라서 반사된 빛(1311)은 지점 i2에서 시계 방향으로 굴절되는 경향으로 제2 마이크로 렌즈(117)의 좌측에 위치한 지점 i4를 향하게 되어 결국 수광부(130)에 입사되지 못하게 된다. 또한 검출 대상 빛(1300)보다 커버 글라스 입사각이 작은 빛(1320)은 마이크로 미러(105)에서 반사되어 제1 마이크로 렌즈(116)의 볼록면상의 지점 i3를 향하게 된다. 반사된 빛(1321)은 지점 i3에서 반시계 방향으로 굴절되어 진행하면서 제2 마이크로 렌즈(117)의 외부로 입사되면서 결국 수광부(130)에 입사되지 못하게 된다.
도 14는 마이크로 렌즈의 입사각 선택성을 높이기 위한 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 14의 (a)를 참조하면, 마이크로 렌즈간 평탄면(1400)에 광 차단층(1410)이 형성된다. 광 차단층(1410)은 빛을 흡수하는 흡광 물질로 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈간 평탄면(1400)은 메탈층(120)의 상면 일부이거나(도 2, 5, 8, 또는 12), 광 입사각 필터층(100)의 하면 일부일 수 있다.
한편, 도 14의 (b)를 참조하면, 이웃하는 마이크로 렌즈들의 측면이 서로 접하도록 형성된 구조가 도시되어 있다. 이 경우, 광 차단층(1420)은 접하는 마이크로 렌즈들 사이에 형성된 골에 형성될 수 있다.
(a)와 (b) 모두에서, 광 차단층(1410)은 다양한 각도의 빛이 전반사 임계각 이내의 각도로 입사하는 경우, 수광부에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
도 15는 컬러층을 예시적으로 도시한 평면도이다.
도 15의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 컬러층(150)은 임의의 컬러를 발현하는 물질로 형성된 컬러 발현층(151)을 포함하며, 컬러 발현층(151)에는 관통홀(152, 153, 154)이 형성된다. 컬러 발현층(151)은 광 입사각 필터층(100)의 상면에 증착(deposite)되거나 적층(laminate)하여 형성될 수 있다. 증착에 의해 형성되는 경우, 컬러 발현층(151)을 증착한 이후, 관통홀(152, 153, 154)이 형성된다. 여기서, 관통홀(152, 153, 154)은 광학적으로 투명한 물질로 충진될 수 있다. 한편, 적층에 의해 형성되는 경우, 컬러 발현층(151)은 광학적으로 투명한 물질을 이용하여 필름 형태로 형성되며, 필름의 상면에 도료를 분사하여 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀(152, 153, 154)을 형성하기 위해서, 마스크 또는 스크린을 이용하거나, 관통홀(152, 153, 154)에 대응하는 부분에 분사된 도료를 제거할 수 있다.
관통홀(152, 153, 154)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 컬러층(150)의 상면에서 봤을 때, 도 15의 (a)는 원형상을 갖는 관통홀(152)을 나타내고, (b)는 슬릿 형상을 갖는 관통홀(153)을 나타내며, (c)는 사각형상을 갖는 관통홀(154)을 나타낸다.
일 실시예로, 관통홀(152, 153, 154)은 단면이 경사지게 형성될 수 있다. 도 15의 (d)는, 컬러층(150)을 X-X'을 따라 절단한 단면을 도시하고 있다. 관통홀(152, 153, 154)의 단면은 검출 대상 각도와 실질적으로 동일한 각도로 경사지게 형성될 수 있다. 관통홀(152, 153, 154)의 단면을 경사지게 형성함으로써, 검출 대상 빛이 차단되지 않고 통과할 수 있으며, 동시에, 검출 대상 빛 이외의 빛은 차단된다. 또한, 커버 글라스의 상부에서 바라봤을 때, 컬러 발현층(151)의 상면에 위치한 관통홀(152, 153, 154)의 입구와 컬러 발현층(151)의 하면에 위치한 관통홀(152, 153, 154)의 출구가 동일 수직선상에 위치하지 않게 되므로, 지문센서 패키지 주변과의 색 차이가 더욱 감소될 수 있다.
도 16은 도 1의 (a)에서 설명된 동작 원리에 따라 구현할 수 있는 지문센서 패키지의 또 다른 실시예를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 16을 참조하면, 지문센서 패키지는 광 입사각 필터층(1600) 및 이미지 센서(200)를 포함한다.
광 입사각 필터층(1600)은 단면이 경사지게 형성된 복수의 관통홀(1610)이 형성된다. 광 입사각 필터층(1600)은 흡광 물질 또는 임의의 컬러를 발현하는 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 관통홀(1610)의 단면은 검출 대상 각도와 실질적으로 동일한 각도로 경사지게 형성될 수 있다. 관통홀(1610)의 단면을 경사지게 형성함으로써, 검출 대상 빛이 차단되지 않고 통과할 수 있으며, 동시에, 검출 대상 빛 이외의 빛은 차단된다. 또한, 커버 글라스의 상부에서 바라봤을 때, 광 입사각 필터층(1600)의 상면에 위치한 관통홀(1610)의 입구와 광 입사각 필터층(1600)의 하면에 위치한 관통홀(1610)의 출구가 동일 수직선상에 위치하지 않게 되므로, 지문센서 패키지 주변과의 색 차이가 감소될 수 있다.
이미지 센서(200)는 광 입사각 필터층(1600)의 하부에 위치하며, 관통홀(1610)을 통과한 검출 대상 빛을 검출하여 지문 이미지를 생성한다. 일 실시예로, 이미지 센서(200)는 검출 대상 빛이 통과할 수 있는 경사진 광 경로를 가질 수 있다. 경사진 광 경로는 복수의 메탈 라인에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예로, 광 입사각 필터층(1600)과 이미지 센서(200) 사이에 프리즘 시트(미도시)가 개재될 수 있다. 도 2 및 도 5에서 설명한 바와 같이, 프리즘 시트는 검출 대상 빛을 시계 방향으로 굴절시켜 이미지 센서(200)의 수광부로 입사시킬 수 있다. 이 경우, 이미지 센서(200)의 광 입사 경로는 실질적으로 수직으로 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 디스플레이 패널의 하부에 배치되고, 지문의 융선에 의해 생성된 빛의 제1 커버 글라스 입사각 범위의 일부와 상기 지문의 골에 의해 생성된 빛의 제2 커버 글라스 입사각 범위는 중첩되며, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속한 빛 중 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 이외의 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 지문센서 패키지에 있어서,
    교번하여 배치된 제1 경사면 및 제2 경사면으로 형성되고, 상기 제1 경사면은 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 밖에 속하는 빛과 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛을 상이한 각도로 굴절시키는 제1 프리즘 시트-여기서, 검출 대상 입사각은 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 밖에 속함-;
    입사된 빛에 상응하는 화소 전류를 생성하는 수광부; 및
    상기 제1 프리즘 시트와 상기 수광부 사이에 배치되며, 상기 제1 프리즘 시트로부터 입사된 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 밖에 속하는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 상기 수광부를 향해 굴절시키며, 상기 검출 대상 입사각 이외의 입사각을 갖는 빛을 상기 수광부를 벗어나도록 굴절시키는 제1 마이크로 렌즈를 포함하되,
    상기 수광부와 상기 제1 마이크로 렌즈는 1:1 대응하는 지문센서 패키지.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 프리즘 시트의 상부에 위치하며, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛 및 상기 지문의 골에 의해 생성된 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛이 통과하는 관통홀이 형성된 컬러층을 더 포함하는 지문센서 패키지.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 관통홀의 단면은 경사지게 형성되는 지문센서 패키지.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 수광부는 상기 제1 마이크로 렌즈의 하부 일측에 위치하는 지문센서 패키지.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 수광부의 폭은 상기 제1 마이크로 렌즈의 폭보다 작은 지문센서 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 마이크로 렌즈는 복수이며, 인접한 두 개의 제1 마이크로 렌즈 사이에 형성된 광 차단층을 더 포함하는 지문센서 패키지.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 수광부 사이에 개재되어 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛이 통과하는 광입사 경로를 정의하는 메탈층을 더 포함하는 지문센서 패키지.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 광입사 경로는 경사지게 정의되는 지문센서 패키지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 교번하여 배치된 제3 경사면 및 제4 경사면으로 형성된 제2 프리즘 시트를 더 포함하되,
    상기 제1 프리즘 시트의 프리즘 산 및 상기 제2 프리즘 시트의 프리즘 산은 상기 제1 마이크로 렌즈를 향하며,
    상기 제1 경사면은 입사된 빛을 굴절시키며, 제2 경사면은 입사된 빛을 흡수하는 지문센서 패키지.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 제1 프리즘 시트의 프리즘 피치는 상기 제2 프리즘 시트의 프리즘 피치보다 작은 지문센서 패키지.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 수광부는 상기 제1 마이크로 렌즈의 중심의 하부에 위치하는 지문센서 패키지.
  14. 디스플레이 패널의 하부에 배치되고, 지문의 융선에 의해 생성된 빛의 제1 커버 글라스 입사각 범위의 일부와 상기 지문의 골에 의해 생성된 빛의 제2 커버 글라스 입사각 범위는 중첩되며, 상기 제1 커버 글라스 입사각 범위에 속한 빛 중 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 이외의 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 지문센서 패키지에 있어서,
    경사기제 배치되어 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 밖에 속하는 빛과 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위에 속하는 빛을 상이한 각도로 굴절시키는 마이크로 미러-여기서, 검출 대상 입사각은 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 밖에 속함-;
    입사된 빛에 상응하는 화소 전류를 생성하는 수광부; 및
    상기 마이크로 미러와 상기 수광부 사이에 배치되며, 상기 마이크로 미러로부터 입사된 상기 제2 커버 글라스 입사각 범위 밖에 속하는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 상기 수광부를 향해 굴절시키며, 상기 검출 대상 입사각 이외의 입사각을 갖는 빛을 상기 수광부를 벗어나도록 굴절시키는 제1 마이크로 렌즈를 포함하되,
    상기 수광부와 상기 제1 마이크로 렌즈는 1:1 대응하는 지문센서 패키지.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 제1 마이크로 렌즈는 상기 마이크로 미러의 하단에 배치되며, 상기 제1 마이크로 렌즈의 볼록면은 상기 수광부를 향하는 지문센서 패키지.
  16. 청구항 1 또는 청구항 15에 있어서,
    평면이 상기 수광부를 향하고, 상기 평면에 대향하는 볼록면을 가지며, 상기 수광부의 상부에 위치하는 제2 마이크로 렌즈를 더 포함하는 지문센서 패키지.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 제2 마이크로 렌즈는 상기 제1 마이크로 렌즈 하부 일측에 위치하는 지문센서 패키지.
  18. 삭제
  19. 지문이미지 획득을 위한 광 경로를 증가시키는 보호 매체; 및
    상기 보호 매체에 밀착되는 청구항 1 또는 청구항 14에 따른 지문센서 패키지를 포함하는 전자장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 보호 매체와 상기 지문센서 패키지 사이에 개재된 디스플레이 패널을 더 포함하는 전자장치.
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