KR102163727B1 - 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

반사형 컬러 필터를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서가 개시된다. 개시된 실시예에 따른 이미지 센서는 반사형 컬러 필터를 사용함으로써 입사광의 대부분을 영상을 형성하는데 이용할 수 있기 때문에, 흡수에 의한 광손실을 줄일 수 있다. 따라서 개시된 실시예에 따르면, 이미지 센서의 광 이용 효율을 증가시키면서도 높은 색 순도를 달성할 수 있다.

Description

광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 {Image sensor having improved light utilization efficiency}
개시된 실시예들은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사형 컬러 필터를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서에 관한 것이다.
컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지하고 있다. 현재 사용되는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는, 예를 들어, 4개의 화소 중에서 2개의 화소에는 녹색 필터가 배치되고, 나머지 2개의 화소에는 청색 필터와 적색 필터가 배치되는 RGB 컬러 필터 방식을 가장 많이 채택하고 있다. 또한, RGB 컬러 필터 방식 외에도, 보색 관계에 있는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타의 컬러 필터가 4개의 화소에 각각 배치되는 CYGM 컬러 필터 방식이 채택되기도 한다.
그런데, 일반적인 흡수형 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다.
최근에는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시키기 위하여, 컬러 필터 대신에 색분리 소자를 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 색분리 소자는 파장에 따라 다른 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 색을 분리하고, 색분리 소자에 의해 분리된 색들은 각각의 대응하는 화소에 전달될 수 있다. 그러나, 아직까지 색분리 소자는 컬러 필터에 비해 선명한 색상을 제공하지 못하고 있다.
반사형 컬러 필터를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서를 제공한다.
일 유형에 따른 이미지 센서는, 서로 다른 파장의 빛을 투과시키는 다수의 컬러 필터들이 인접하여 배열된 컬러 필터 어레이; 빛을 반사하는 반사면이 상기 컬러 필터 어레이를 향하도록 상기 컬러 필터 어레이와 대향하여 배치된 다수의 미러들을 포함하는 미러층; 상기 미러층 내에서 상기 다수의 미러들과 서로 번갈아 배열된 것으로, 빛의 진행 경로를 경사지게 바꾸는 다수의 투명한 광경로 변환 소자; 및 상기 다수의 광경로 변화 소자에 입사광을 각각 집광하는 다수의 마이크로 렌즈;를 포함하며, 상기 다수의 컬러 필터들은 투과 대역 이외의 대역의 빛을 반사하는 반사형 컬러 필터일 수 있다.
상기 다수의 광경로 변환 소자는 평평한 광입사면과 경사진 광출사면을 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 컬러 필터 어레이와 상기 미러층 사이에 배치된 투명한 제 1 스페이서층을 더 포함하며, 상기 다수의 미러들과 다수의 광경로 변환 소자들이 상기 제 1 스페이서층 위에 배치될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 미러층과 상기 다수의 마이크로 렌즈 사이에 배치된 투명한 제 2 스페이서층을 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 다수의 광경로 변환 소자와 대향하도록 상기 컬러 필터 어레이의 상부 표면 위에 수직으로 설치된 다수의 흡광성 또는 반사성 격벽을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는, 제 1 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 제 1 컬러 필터, 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 제 2 컬러 필터, 및 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 제 3 컬러 필터를 포함하며, 상기 다수의 제 1 내지 제 3 컬러 필터가 교대로 배열될 수 있다.
여기서, 하나의 광경로 변환 소자의 폭과 하나의 미러의 폭의 합은 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 폭의 합과 같을 수 있다.
예를 들어, 각각의 광경로 변환 소자는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 한 화소폭의 절반 정도만큼 시프트될 수 있다.
각각의 광경로 변환 소자는 대응하는 마이크로 렌즈의 중심부와 대향하도록 배치될 수 있으며, 또한 제 1 컬러 필터와 제 3 컬러 필터 사이에 걸쳐서 배치될 수 있다.
예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 화소폭의 1.5배만큼 시프트될 수 있다.
예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈의 양측 가장자리는 서로 다른 2개의 제 2 컬러 필터의 중심부까지 연장될 수 있다.
또한, 상기 컬러 필터 어레이는, 상기 다수의 제 1 내지 제 3 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 다수의 화소행들을 포함하며, 인접하는 두 화소행은 서로에 대해 한 화소폭의 절반 정도만큼 시프트될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는, 제 1 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 1 컬러 필터와 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 2 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행; 및 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 2 컬러 필터와 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 3 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행을 포함할 수 있다.
이 경우, 각각의 광경로 변환 소자는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 한 화소폭의 절반 정도만큼 시프트되어 있으며, 각각의 마이크로 렌즈는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 한 화소폭만큼 시프트될 수 있다.
제 1 화소행에서 각각의 광경로 변환 소자는 제 2 컬러 필터와 제 1 컬러 필터 사이에 걸쳐 배치될 수 있으며, 제 2 화소행에서 각각의 광경로 변환 소자는 제 2 컬러 필터와 제 3 컬러 필터 사이에 걸쳐 배치될 수 있다.
또한, 제 1 화소행에서 각각의 마이크로 렌즈는 제 2 컬러 필터와 제 1 컬러 필터를 덮도록 배치될 수 있으며, 제 2 화소행에서 각각의 마이크로 렌즈는 제 2 컬러 필터와 제 3 컬러 필터를 덮도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 제 1 화소행의 광경로 변환 소자와 마이크로 렌즈는 제 2 화소행의 광경로 변환 소자와 마이크로 렌즈에 대해 서로 엇갈리도록 배치될 수 있다.
상기 컬러 필터 어레이는 상기 다수의 컬러 필터들의 배열 패턴이 상이한 적어도 2종류의 화소 패턴 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 컬러 필터 어레이는, 제 1 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 1 컬러 필터, 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 2 컬러 필터, 및 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 3 컬러 필터들이 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행, 다수의 제 1 컬러 필터와 다수의 제 2 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행, 및 다수의 제 2 컬러 필터와 다수의 제 3 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 3 화소행을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 화소행 내에 배열된 마이크로 렌즈들의 크기와 상기 제 2 및 제 3 화소행 내에 배열된 마이크로 렌즈들의 크기가 서로 다를 수 있다.
개시된 실시예에 따른 이미지 센서는 반사형 컬러 필터를 사용함으로써 입사광의 대부분을 영상을 형성하는데 이용할 수 있기 때문에, 흡수에 의한 광손실을 줄일 수 있다. 따라서 개시된 실시예에 따르면, 이미지 센서의 광 이용 효율을 증가시키면서도 높은 색 순도를 달성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 화소 어레이의 구조에서 마이크로 렌즈와 광경로 변환 소자의 위치 관계를 보이는 평면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 화소 어레이의 구조에서 마이크로 렌즈와 광경로 변환 소자의 위치 관계를 보이는 평면도이다.
도 6은 도 5의 a-a' 라인을 따른 단면도이다.
도 7은 도 5의 b-b' 라인을 따른 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 평면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 서로 인접하여 배열된 다수의 광검출 소자(101), 다수의 광검출 소자(101)의 광입사면에 각각 배치된 다수의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)들을 갖는 컬러 필터 어레이(102), 컬러 필터 어레이(102)와 대향하여 배치된 미러층(105), 빛의 진행 경로를 경사지게 바꾸도록 미러층(105) 내에 개재된 투명한 광경로 변환 소자(106), 및 광경로 변화 소자(106)에 입사광을 집광하는 마이크로 렌즈(108)를 포함할 수 있다. 여기서, 미러층(105)은 빛을 반사하는 반사면이 컬러 필터 어레이(102)를 향하도록 배치될 수 있다.
광검출 소자(101)는 입사광을 그 세기에 따라 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 예를 들어, 광검출 소자(101)는 예를 들어 CCD(charge-coupled device) 센서나 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서를 포함할 수 있다. 다수의 광검출 소자(101)들은 다수의 행과 열을 갖는 2차원 매트릭스의 형태로 배열될 수 있다.
컬러 필터 어레이(102)의 다수의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)들은 다수의 광검출 소자(101)들에 각각 대응하여 배치될 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)의 한 화소에는 하나의 광검출 소자(101)와 하나의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)가 각각 배치될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 각각의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)는 특정 파장 대역의 빛을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 반사형 컬러 필터일 수 있다. 예를 들어, 제 1 컬러 필터(102a)는 제 1 파장 대역의 빛(C1)만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛(C2, C3)을 반사할 수 있다. 그리고 제 2 컬러 필터(102b)는 제 2 파장 대역의 빛(C2)만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛(C1, C3)을 반사할 수 있으며, 제 3 컬러 필터(102c)는 제 3 파장 대역의 빛(C3)만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛(C1, C2)을 반사할 수 있다. 예컨대, 제 1 파장 대역의 빛(C1)은 적색이고, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 녹색이며, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 청색일 수 있다.
광경로 변환 소자(106)는 마이크로 렌즈(108)에 의해 집광된 빛이 제 1 컬러 필터(102a)에 경사지게 입사하도록 입사광의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 이를 위하여, 광경로 변환 소자(106)는 마이크로 렌즈(108)와 대향하는 광입사면이 평형하고 컬러 필터 어레이(102)와 대향하는 광출사면이 경사지게 형성될 수 있다. 도 1에는 예시적으로 광경로 변화 소자(106)가 하나의 직각 프리즘의 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 광경로 변환 소자(106)는 다수의 프리즘들의 1차원 또는 2차원 배열을 갖는 프리즘 어레이, 또는 다수의 미세한 회절면을 갖는 회절 격자일 수도 있으며, 입사광을 진행 방향을 제 1 컬러 필터(102a)로 바꾸기 위한 어떠한 다른 형태로도 제작될 수 있다.
상기 광경로 변환 소자(106)는 미러층(105) 내에 개재될 수 있다. 즉, 다수의 광경로 변환 소자(106)와 다수의 미러(105a, 105b)들이 미러층(105) 내에서 교호하여 배치될 수 있다. 비록 도 1에는 광경로 변환 소자(106)와 미러(105a, 105b)들이 하나의 동일한 층, 즉 미러층(105) 내에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 광경로 변환 소자(106)와 미러(105a, 105b)들이 서로 다른 층에 각각 배치되는 것도 가능하다. 예를 들어, 광경로 변환 소자(106)와 미러(105a, 105b)들 사이에 단차가 있도록 서로 다른 높이에 배치되는 것도 가능하다. 또한, 컬러 필터 어레이(102)와 미러층(105) 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위하여, 컬러 필터 어레이(102)와 미러층(105) 사이에는 제 1 스페이서층(103)이 배치될 수 있다. 따라서, 컬러 필터 어레이(102) 위에 제 1 스페이서층(103)을 형성한 후에, 제 1 스페이서층(103) 위에 다수의 광경로 변환 소자(106)와 다수의 미러(105a, 105b)들을 배치할 수 있다. 이러한 제 1 스페이서층(103)은 예를 들어 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 하나의 광경로 변환 소자(106)와 하나의 미러(105b)는 3개의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)와 대응할 수 있다. 따라서, 한 세트의 광경로 변환 소자(106)와 미러(105b)의 전체 폭은 그에 대응하는 3개의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 폭의 합과 같을 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 세트의 광경로 변환 소자(106)와 미러(105b)는 그에 대응하는 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 세트에 대해 시프트될 수 있다. 시프트된 정도는 광경로 변환 소자(106)에 의해 빛의 진행 방향이 기울어지는 정도에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 한 세트의 광경로 변환 소자(106)와 미러(105b)는 그에 대응하는 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 세트에 대해 한 화소폭의 약 절반 정도만큼 시프트될 수 있다.
미러층(105) 상에는 이미지 센서(100)의 외부로부터 입사하는 입사광을 대응하는 광경로 변환 소자(106)에 집광하기 위한 다수의 마이크로 렌즈(108)들이 미러층(105)과 이격되어 배치될 수 있다. 미러층(105)과 마이크로 렌즈(108) 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위하여, 미러층(105)과 마이크로 렌즈(108) 사이에는 제 2 스페이서층(107)이 배치될 수 있다. 즉, 미러층(105) 위에 제 2 스페이서층(107)을 형성한 후에, 상기 제 2 스페이서층(107) 위에 마이크로 렌즈(108)를 배치할 수 있다. 제 2 스페이서층(107)도 역시 제 1 스페이서층(103)과 마찬가지로 PDMS와 같은 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 광경로 변환 소자(106)는 대응하는 마이크로 렌즈(108)의 중심부와 대향하도록 배치될 수 있으며, 광경로 변환 소자(106)와 마이크로 렌즈(108) 사이의 간격은 마이크로 렌즈(108)의 초점 거리 정도일 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(108)에 의해 집광되는 빛의 빔경이 광경로 변환 소자(106)의 폭과 거의 같거나 그보다 작도록 광경로 변환 소자(106)와 마이크로 렌즈(108) 사이의 간격이 설정될 수 있다.
본 실시예에서, 하나의 마이크로 렌즈(108)는 3개의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)와 대응할 수 있다. 예를 들어, 다수의 마이크로 렌즈(108)들이 서로 간격 없이 배치될 경우에 하나의 마이크로 렌즈(108)의 폭은 3개의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 폭의 합과 같을 수 있다. 또한, 인접한 두 마이크로 렌즈(108)들 사이에 약간의 간격이 있다면, 하나의 마이크로 렌즈(108)의 폭은 3개의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 폭의 합보다 약간 작을 수도 있다. 이러한 마이크로 렌즈(108)는 그에 대응하는 컬러 필터(102a, 102b, 102c)들의 세트에 대해 시프트되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(108)는 그에 대응하는 컬러 필터(102a, 102b, 102c)들의 세트에 대해 화소폭의 1.5배만큼 시프트될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서(100)의 화소 어레이(110)의 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 화소 어레이(110)에서 하나의 화소행 내에는 3개의 파장 대역의 빛(C1, C2, C3)들을 각각 감지하기 위한 3개의 화소들이 번갈아 배치될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 화소 어레이(110)는 동일한 배열을 갖는 다수의 화소행을 포함할 수 있다.
또한, 도 3은 상술한 화소 어레이(110)의 구조에서 마이크로 렌즈(108)와 광경로 변환 소자(106)의 위치 관계를 보이는 평면도이다. 앞서 설명한 바와 같이, 광경로 변환 소자(106)는 마이크로 렌즈(108)의 중심부에 배치될 수 있으며, 제 1 컬러 필터(102a)에 대해 화소폭의 절반 정도만큼 시프트되어 있다. 또한, 마이크로 렌즈(108)는 제 1 컬러 필터(102a)에 대해 화소폭의 1.5배만큼 시프트되어 있다. 예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈(108)의 양측 가장자리는 서로 다른 2개의 제 2 컬러 필터(102b)의 중심부까지 연장될 수 있다. 또한, 광경로 변환 소자(106)는 제 1 컬러 필터(102a)와 제 3 컬러 필터(102c) 사이에 걸쳐서 배치될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)의 외부로부터 입사하는 빛은 마이크로 렌즈(108)에 의해 광경로 변환 소자(106)에 집광된다. 마이크로 렌즈(108)는 3개의 화소 영역에 걸쳐 입사하는 빛을 하나의 광경로 변환 소자(106)에 집광할 수 있다. 그런 후, 광경로 변환 소자(106)에 의해 진행 방향이 경사지게 바뀌면서 빛은 제 1 컬러 필터(102a)에 입사하게 된다. 제 1 컬러 필터(102a)는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛(C1)만을 투과시키고 제 2 및 제 3 파장 대역의 빛(C2, C3)을 반사한다. 반사된 제 2 및 제 3 파장 대역의 빛(C2, C3)은 다시 미러(105b)에 의해 반사되어 제 2 컬러 필터(102b)에 입사하게 된다. 제 2 컬러 필터(102b)는 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛(C2)만을 투과시키고 나머지 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 반사한다. 그리고, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 다시 미러(105b)에 의해 반사되어 제 3 컬러 필터(102c)에 입사하게 된다. 최종적으로, 제 3 컬러 필터(102c)는 남은 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 투과시킬 수 있다. 이렇게 투과된 각각의 색(C1, C2, C3)의 빛은 광검출 소자(101)에 의해 감지되어 그 세기에 따라 전기적 신호로 변환될 수 있다.
한편, 각각의 마이크로 렌즈(108)에 의해 집광된 빛이 그에 대응하는 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 세트에만 입사하고, 다른 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 세트에는 입사하지 않도록, 또는 어느 한 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 세트에 의해 반사된 빛이 그에 인접한 다른 다른 컬러 필터(102a, 102b, 102c)의 세트에 입사하지 않도록, 컬러 필터(102a, 102b, 102c)들의 인접한 두 세트 사이에는 격벽(104)이 수직하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 컬러 필터 어레이(102)의 상부 표면 위에서 제 1 컬러 필터(102a)와 제 3 컬러 필터(102c) 사이에 격벽(104)이 설치될 수 있다. 즉, 각각의 격벽(104)은 광경로 변환 소자(106)와 대향하여 배치될 수 있다. 이러한 격벽(104)은 빛을 흡수하는 흡광성 재료로 이루어지거나, 또는 빛을 반사하는 반사성 재료로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 3개의 반사형 컬러 필터(102a, 102b, 102c)를 사용함으로써 입사광의 대부분을 영상을 형성하는데 이용할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)의 컬러 필터 어레이(102)에서의 광흡수로 인한 광손실을 방지일 수 있다. 또한, 이미지 센서(100)의 광 이용 효율을 증가시키면서도 높은 색 순도를 달성할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이(120)의 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이(120)는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 갖는 일반적인 어레이 구조를 갖는다. 예를 들어, 화소 어레이(120)의 제 1 화소행(120a)에서는 제 1 파장 대역의 빛(C1)을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 감지하는 다수의 제 2 화소가 서로 교대로 배열되어 있다. 그리고, 제 2 화소행(120b)에서는 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 감지하는 다수의 제 2 화소와 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 감지하는 다수의 제 3 화소가 서로 교대로 배열되어 있다. 화소 어레이(120)에서는 이러한 제 1 화소행(120a)과 제 2 화소행(120b)이 세로 방향으로 교대로 배열될 수 있다. 따라서, 도 4에서 점선 박스로 표시된 4개의 화소에서, 2개의 제 2 화소가 대각선 방향으로 배열되어 있으며, 다른 대각선 방향으로 제 1 화소와 제 3 화소가 배열되어 있다.
도 1에 도시된 실시예에서는, 각각의 마이크로 렌즈(108)와 광경로 변환 소자(106)가 3개의 컬러 필터(102a, 102b, 102c)들과 대응하고 있지만, 도 4에 도시된 화소 어레이(120)에서는 각각의 마이크로 렌즈(108)와 광경로 변환 소자(106)는 2개의 컬러 필터들과 대응할 수 있다. 예를 들어, 도 5는 도 4에 도시된 화소 어레이(120)의 구조에서 마이크로 렌즈(108)와 광경로 변환 소자(106)의 위치 관계를 보이는 개략적인 평면도이며, 도 6은 도 5의 a-a' 라인을 따른 제 1 화소행(102a)의 개략적인 단면도이고, 도 7은 도 5의 b-b' 라인을 따른 제 2 화소행(102b)의 개략적인 단면도이다.
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제 1 화소행(120a)에서 각각의 마이크로 렌즈(108)와 광경로 변환 소자(106)는 제 1 및 제 2 컬러 필터(102a, 102b)와 대응하도록 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 광경로 변환 소자(106)는 그에 대응하는 제 1 및 제 2 컬러 필터(102a, 102b)의 세트에 대해 화소폭의 절반 정도만큼 시프트될 수 있다. 따라서, 광경로 변환 소자(106)는 대응하는 컬러 필터 세트의 제 2 컬러 필터(102b)와 다른 컬러 필터 세트의 제 1 컬러 필터(102a) 사이에 걸쳐 배치될 수 있다. 그리고, 마이크로 렌즈(108)는 그에 대응하는 제 1 및 제 2 컬러 필터(102a, 102b)의 세트에 대해 하나의 화소폭만큼 시프트될 수 있다. 예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈(108)는 대응하는 광경로 변환 소자(106)를 중심에 두고, 대응하는 컬러 필터 세트의 제 2 컬러 필터(102b)와 다른 컬러 필터 세트의 제 1 컬러 필터(102a)를 덮도록 배치될 수 있다. 그리고, 각각의 마이크로 렌즈(108)에 의해 집광된 빛이 그에 대응하는 컬러 필터(102a, 102b)의 세트에만 입사하고 다른 컬러 필터(102a, 102b)의 세트에는 입사하지 않도록, 인접한 두 컬러 필터 세트 사이에는 격벽(104)이 수직하게 배치될 수 있다.
또한, 도 5 및 도 7을 참조하면, 제 2 화소행(120b)에서 각각의 마이크로 렌즈(108)와 광경로 변환 소자(106)는 제 2 및 제 3 컬러 필터(102b, 102c)와 대응하도록 배치될 수 있다. 광경로 변환 소자(106)는 그에 대응하는 제 2 및 제 3 컬러 필터(102b, 102c)의 세트에 대해 화소폭의 절반 정도만큼 시프트될 수 있다. 즉, 광경로 변환 소자(106)는 대응하는 컬러 필터 세트의 제 2 컬러 필터(102b)와 다른 컬러 필터 세트의 제 3 컬러 필터(102c) 사이에 걸쳐 배치될 수 있다. 그리고, 마이크로 렌즈(108)는 그에 대응하는 제 2 및 제 3 컬러 필터(102b, 102c)의 세트에 대해 하나의 화소폭만큼 시프트될 수 있다. 예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈(108)는 대응하는 광경로 변환 소자(106)를 중심에 두고, 대응하는 컬러 필터 세트의 제 2 컬러 필터(102b)와 다른 컬러 필터 세트의 제 3 컬러 필터(102c)를 덮도록 배치될 수 있다. 또한, 각각의 마이크로 렌즈(108)에 의해 집광된 빛이 그에 대응하는 컬러 필터(102b, 102c)의 세트에만 입사하고 다른 컬러 필터(102b, 102c)의 세트에는 입사하지 않도록, 인접한 두 컬러 필터 세트 사이에는 격벽(104)이 수직하게 배치될 수 있다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 화소행(120a)의 광경로 변환 소자(106)와 마이크로 렌즈(108)는 제 2 화소행(120b)의 광경로 변환 소자(106)와 마이크로 렌즈(108)에 대해 서로 엇갈리도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 화소행(120a)의 광경로 변환 소자(106)와 마이크로 렌즈(108)는 제 2 화소행(120b)의 광경로 변환 소자(106)와 마이크로 렌즈(108)에 대해 한 화소폭만큼 시프트될 수 있다. 그러면, 제 1 화소행(120a)의 광경로 변환 소자(106)와 제 2 화소행(120b)의 광경로 변환 소자(106)를 제 1 스페이서층(103) 위에 서로 간섭 없이 용이하게 배치할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예의 경우, 제 1 화소행(120a)에서는 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 흡수하거나 반사하고 제 2 화소행(120b)에서는 제 1 파장 대역의 빛(C1)을 흡수하거나 반사하므로, 이미지 센서의 전체적인 광 이용 효율은 도 1에 도시된 실시예에 비하여 감소할 수 있다. 그러나, 베이어 패턴을 채택함으로써 높은 색 순도를 달성할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이(130)의 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이(130)에서 제 1 화소행(130a)은 제 2 화소행(130b)에 대해 시프트되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 화소행(130a)은 제 2 화소행(130b)에 대해 한 화소폭의 절반 정도만큼 시프트될 수 있다. 도 8에 도시된 화소 어레이(130)의 나머지 구성은 도 2에 도시된 화소 어레이(110)와 같을 수 있다. 그러나, 도 4에 도시된 화소 어레이(120)에서도, 도 8에 도시된 것과 같이, 제 1 화소행(120a)이 제 2 화소행(120b)에 대해 시프트될 수도 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이(140)의 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이(140)는 2종류의 이상의 서로 다른 화소 패턴 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 화소 어레이(140)의 제 1 화소행(140a)과 제 4 화소행(140d)은 도 2에 도시된 화소 어레이(110)와 동일한 화소 패턴 구조를 가질 수 있다. 즉, 제 1 및 제 4 화소행(140a, 140d)에서는 3개의 서로 다른 파장 대역의 빛(C1, C2, C3)들을 각각 감지하기 위한 3개의 화소들이 번갈아 배치될 수 있다. 또한, 제 2 화소행(140b)과 제 3 화소행(140c)은 도 4에 도시된 화소 어레이(120)와 동일한 화소 패턴 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 화소행(140b)에서는 제 1 파장 대역의 빛(C1)을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 감지하는 다수의 제 2 화소가 서로 교대로 배열될 수 있다. 그리고, 제 3 화소행(140c)에서는 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 감지하는 다수의 제 2 화소와 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 감지하는 다수의 제 3 화소가 서로 교대로 배열될 수 있다.
이러한 구조에서, 제 1 화소행(140a)과 제 4 화소행(140d)의 단면은 도 1에 도시된 것과 같고, 제 2 화소행(140b)의 단면은 도 6에 도시된 것과 같으며, 제 3 화소행(140c)의 단면은 도 7에 도시된 것과 같을 수 있다. 이 경우에, 제 1 및 제 4 화소행(140a, 140d)에 배치된 마이크로 렌즈(108)의 크기와 제 2 및 제 3 화소행(140b, 140c)에 배치된 마이크로 렌즈(108)의 크기가 서로 다를 수 있다. 도 9에는 단지 2종류의 서로 다른 화소 패턴 구조가 도시되어 있지만, 화소 어레이(140)는 3종류 이상의 다양한 화소 패턴 구조를 포함할 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100.....이미지 센서 101.....광검출 소자
102.....컬러 필터 어레이 103, 107.....스페이서층
104.....격벽 105.....미러층
106.....광경로 변환 소자 108.....마이크로 미러
110, 120, 130, 140.....화소 어레이

Claims (20)

  1. 서로 다른 파장의 빛을 투과시키는 다수의 컬러 필터들이 인접하여 배열된 컬러 필터 어레이;
    빛을 반사하는 반사면이 상기 컬러 필터 어레이를 향하도록 상기 컬러 필터 어레이와 대향하여 배치된 다수의 미러들을 포함하는 미러층;
    상기 미러층 내에서 상기 다수의 미러들과 서로 번갈아 배열된 것으로, 빛의 진행 경로를 경사지게 바꾸는 다수의 투명한 광경로 변환 소자; 및
    상기 다수의 광경로 변화 소자에 입사광을 각각 집광하는 다수의 마이크로 렌즈;를 포함하며,
    상기 다수의 컬러 필터들은 투과 대역 이외의 대역의 빛을 반사하는 반사형 컬러 필터인 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 광경로 변환 소자는 평평한 광입사면과 경사진 광출사면을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이와 상기 미러층 사이에 배치된 투명한 제 1 스페이서층을 더 포함하며, 상기 다수의 미러들과 다수의 광경로 변환 소자들이 상기 제 1 스페이서층 위에 배치되어 있는 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러층과 상기 다수의 마이크로 렌즈 사이에 배치된 투명한 제 2 스페이서층을 더 포함하는 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 광경로 변환 소자와 대향하도록 상기 컬러 필터 어레이의 상부 표면 위에 수직으로 설치된 다수의 흡광성 또는 반사성 격벽을 더 포함하는 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는, 제 1 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 제 1 컬러 필터, 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 제 2 컬러 필터, 및 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 제 3 컬러 필터를 포함하며, 상기 다수의 제 1 내지 제 3 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 이미지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    하나의 광경로 변환 소자의 폭과 하나의 미러의 폭의 합은 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 폭의 합과 같은 이미지 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    각각의 광경로 변환 소자는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 한 화소폭의 절반 정도만큼 시프트되어 있는 이미지 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    각각의 광경로 변환 소자는 대응하는 마이크로 렌즈의 중심부와 대향하도록 배치되어 있으며, 제 1 컬러 필터와 제 3 컬러 필터 사이에 걸쳐서 배치되어 있는 이미지 센서.
  10. 제 6 항에 있어서,
    각각의 마이크로 렌즈는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 화소폭의 1.5배만큼 시프트되어 있는 이미지 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    각각의 마이크로 렌즈의 양측 가장자리는 서로 다른 2개의 제 2 컬러 필터의 중심부까지 연장되어 있는 이미지 센서.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는, 상기 다수의 제 1 내지 제 3 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 다수의 화소행들을 포함하며, 인접하는 두 화소행은 서로에 대해 한 화소폭의 절반 정도만큼 시프트되어 있는 이미지 센서.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는:
    제 1 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 1 컬러 필터와 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 2 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행; 및
    제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 2 컬러 필터와 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 3 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행;을 포함하는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 광경로 변환 소자는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 한 화소폭의 절반 정도만큼 시프트되어 있으며, 각각의 마이크로 렌즈는 그에 대응하는 컬러 필터에 대해 한 화소폭만큼 시프트되어 있는 이미지 센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    제 1 화소행에서 각각의 광경로 변환 소자는 제 2 컬러 필터와 제 1 컬러 필터 사이에 걸쳐 배치되어 있으며, 제 2 화소행에서 각각의 광경로 변환 소자는 제 2 컬러 필터와 제 3 컬러 필터 사이에 걸쳐 배치되어 있는 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    제 1 화소행에서 각각의 마이크로 렌즈는 제 2 컬러 필터와 제 1 컬러 필터를 덮도록 배치되어 있으며, 제 2 화소행에서 각각의 마이크로 렌즈는 제 2 컬러 필터와 제 3 컬러 필터를 덮도록 배치되어 있는 이미지 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    제 1 화소행의 광경로 변환 소자와 마이크로 렌즈는 제 2 화소행의 광경로 변환 소자와 마이크로 렌즈와 서로 엇갈리도록 배치되어 있는 이미지 센서.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 상기 다수의 컬러 필터들의 배열 패턴이 상이한 적어도 2종류의 화소 패턴 구조를 포함하는 이미지 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는:
    제 1 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 1 컬러 필터, 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 2 컬러 필터, 및 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛을 반사하는 다수의 제 3 컬러 필터들이 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행;
    다수의 제 1 컬러 필터와 다수의 제 2 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행; 및
    다수의 제 2 컬러 필터와 다수의 제 3 컬러 필터가 교대로 배열되어 있는 제 3 화소행;을 포함하는 이미지 센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 화소행 내에 배열된 마이크로 렌즈들의 크기와 상기 제 2 및 제 3 화소행 내에 배열된 마이크로 렌즈들의 크기가 서로 다른 이미지 센서.
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