KR102197636B1 - 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR102197636B1
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서는, 사용자의 손가락에서 산란 반사되거나 손가락을 투과하여 입사되는 광을 감지하는 포토 센서, 포토 센서 상에 위치하고 제1 개구를 포함하는 제1 매트릭스, 제1 매트릭스 상에 위치하고 제2 개구를 포함하는 제2 매트릭스, 그리고 손가락과 접촉되는 일면을 포함하고, 제2 매트릭스를 덮는 커버층을 포함하고, 제2 매트릭스는 광 흡수 물질을 포함하는 제1 광 흡수층 및 제1 광 흡수층 상에 위치하는 제1 금속층을 포함하며, 손가락에서 산란 반사되거나 손가락을 투과하여 커버층에 입사된 광 중에서, 커버층 일면에 대한 법선과 커버층에 입사된 광의 경로가 이루는 각도가 임계각보다 큰 광이 제2 개구 및 제1 개구를 순차적으로 통과하여 포토 센서에 입사된다.

Description

지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치{FINGERPRINT RECOGNITION SENSOR AND DISPLAY DEVICE HAVING THE SAME}
지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다.
지문 인식 기술은 사용자의 손가락의 지문을 전자적으로 판독하고 미리 입력된 데이터와 비교해 본인 여부를 판별하여 사용자의 신분을 확인하는 기술로서, 생체인식기술 가운데 안전성과 편리성이 우수하고, 제조 비용이 저렴하며, 다양한 분야에 적용 가능하다.
높은 인식률과 낮은 에러율을 갖는 신뢰성 있는 지문 인식 시스템을 위해서는 지문에 대한 고품질의 이미지의 획득이 필수적이며, 이를 위해, 보다 성능이 우수한 지문 인식 센서의 개발이 요구된다.
최근 지문 인식 센서는 정전용량 방식과 광학식이 널리 사용되고 있는데, 광학식 지문 인식 센서는 광원과 포토 센서를 포함하는 구조로 구성되어 포토 센서가 광원으로부터 출사되어 손가락에서 산란 반사되거나 또는 손가락을 투과하는 광을 감지함으로써 지문 이미지를 생성할 수 있다.
광학식 지문 인식 센서에 대한 한국등록특허 제10-1349924호에는 지문 센서의 상부에 블랙 매트릭스(black matrix)를 구비하여 외부 광이 포토 다이오드에 유입되어 지문 이미지의 선명도가 저하되는 현상을 방지하는 구조, 그리고 바이어스 전극에 위치하는 출광부로 백라이트 유닛의 광이 손가락으로 조사되고, 출광부가 블랙 매트릭스의 투과부와 엇갈리게 배치됨으로써, 백라이트로부터 조사되는 광만이 지문에 반사되어 포토 다이오드로 유입되도록 하는 구조가 개시되어 있다.
다만, 사용자의 손가락에 조사되어 산란 반사된 광 중 일부가 포토 다이오드에 의해 감지될 수 있고, 이때, 산란 반사되어 포토 다이오드로 향하는 광이 지문의 골(valley)과 마루(ridge) 영역 모두에서부터 포토 다이오드에 입사될 수 있기 때문에, 지문 이미지의 명암비(contrast ratio)가 저하될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 지문 이미지의 명암비를 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 노이즈를 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 두께를 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 광원의 위치를 다양하게 설계할 수 있어 다른 장치로의 적용 용이성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서는, 사용자의 손가락에서 산란 반사되거나 손가락을 투과하여 입사되는 광을 감지하는 포토 센서, 포토 센서 상에 위치하고 제1 개구를 포함하는 제1 매트릭스, 제1 매트릭스 상에 위치하고 제2 개구를 포함하는 제2 매트릭스, 그리고 손가락과 접촉되는 일면을 포함하고, 제2 매트릭스를 덮는 커버층을 포함한다.
여기서, 제2 매트릭스는 광 흡수 물질을 포함하는 제1 광 흡수층 및 제1 광 흡수층 상에 위치하는 제1 금속층을 포함하며, 손가락에서 산란 반사되거나 손가락을 투과하여 커버층에 입사된 광 중에서, 커버층 일면에 대한 법선과 커버층에 입사된 광의 경로가 이루는 각도가 임계각보다 큰 광이 제2 개구 및 제1 개구를 순차적으로 통과하여 포토 센서에 입사된다.
손가락의 지문의 마루로부터 상기 커버층으로 입사된 광이 포토 센서에 입사될 수 있고, 손가락의 지문의 골로부터 커버층으로 입사된 광이 제1 금속층에서 반사되거나 제1 매트릭스에서 반사 또는 흡수될 수 있다.
손가락에 광을 조사하는 광원을 더 포함할 수 있고, 광원이 손가락의 하부에 위치할 수 있으며, 광원으로부터 조사된 광이 커버층 일면에 대한 법선과 이루는 각도가 임계각보다 작도록 광원이 배치될 수 있다.
손가락에 광을 조사하는 광원을 더 포함할 수 있고, 광원이 손가락의 하부에 위치할 수 있으며, 제2 매트릭스 상에 위치하는 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
제1 개구와 제2 매트릭스가 중첩되고, 제2 개구와 제1 매트릭스가 중첩될 수 있다.
커버층의 굴절률은 1.0보다 크고 2.0 이하이며, 임계각은 30° 이상이고 90° 미만일 수 있다.
커버층 일면에 대한 법선과 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019054296022-pat00001
수학식 1에서, θsa 는 커버층 일면에 대한 법선과 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도, w1은 제1 개구의 폭, w2는 제2 개구의 폭, wD는 제1 개구의 수직 투영과 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, t1은 제1 매트릭스의 두께, t2는 제2 매트릭스의 두께, tD는 제1 매트릭스와 제2 매트릭스 사이의 두께이다.
제1 개구의 수직 투영과 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭은 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019054296022-pat00002
수학식 2에서, wD는 제1 개구의 수직 투영과 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, tD는 제1 매트릭스와 제2 매트릭스 사이의 두께, nair는 공기의 굴절률, ns는 지문 인식 센서의 평균 굴절률이다.
제1 매트릭스와 제2 매트릭스 사이의 두께(tD)는 0.1~20 ㎛일 수 있다.
제2 매트릭스의 두께는 140~1000 nm일 수 있다.
지문 인식 센서는 다수의 센서 화소로 구분될 수 있고, 센서 화소 각각에 제2 매트릭스가 위치할 수 있으며, 인접한 센서 화소의 제2 매트릭스가 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
제2 매트릭스 상에 위치하고, 투명 전도성 산화물을 포함하는 투명 전극을 포함할 수 있다.
제1 매트릭스는 제2 금속층 및 제2 금속층 상에 위치하고 광 흡수 물질을 포함하는 제2 광 흡수층을 포함할 수 있다.
포토 센서의 전하 생성에 따른 전류 신호를 데이터 리드 아웃 라인으로 전송하는 박막 트랜지스터를 더 포함할 수 있고, 포토 센서는 박막 트랜지스터의 드레인 전극이 연장되어 형성된 제1 전극, 제1 전극 상에 위치하는 반도체층, 그리고 투명한 물질을 포함하고 반도체층 상에 위치하는 제2 전극을 포함할 수 있고, 제1 전극과 제2 전극이 캐패시터를 형성할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서는, 사용자의 손가락에서 산란 반사되거나 손가락을 투과하여 입사되는 광을 감지하는 포토 센서, 포토 센서 상에 위치하고 제1 개구를 포함하는 제1 매트릭스, 제1 매트릭스 상에 위치하고 제2 개구를 포함하는 제2 매트릭스, 그리고 손가락과 접촉되는 일면을 포함하고, 제2 매트릭스를 덮는 커버층을 포함한다.
여기서, 제1 매트릭스는 금속층 및 금속층 상에 위치하고 광 흡수 물질을 포함하는 광 흡수층을 포함할 수 있고, 손가락에서 산란 반사되거나 손가락을 투과하여 커버층에 입사된 광 중에서, 커버층 일면에 대한 법선과 커버층에 입사된 광의 경로가 이루는 각도가 임계각보다 큰 광이 제2 개구 및 제1 개구를 순차적으로 통과하여 포토 센서에 입사될 수 있다.
손가락의 지문의 마루로부터 커버층으로 입사된 광이 포토 센서에 입사될 수 있고, 손가락의 지문의 골로부터 커버층으로 입사된 광이 제2 매트릭스에서 반사 또는 흡수되거나 광 흡수층에서 흡수될 수 있다.
커버층 일면에 대한 법선과 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019054296022-pat00003
수학식 1에서, θsa 는 커버층 일면에 대한 법선과 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도, w1은 제1 개구의 폭, w2는 제2 개구의 폭, wD는 제1 개구의 수직 투영과 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, t1은 제1 매트릭스의 두께, t2는 제2 매트릭스의 두께, tD는 제1 매트릭스와 제2 매트릭스 사이의 두께이다.
제1 개구의 수직 투영과 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭은 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019054296022-pat00004
수학식 2에서, wD는 제1 개구의 수직 투영과 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, tD는 제1 매트릭스와 제2 매트릭스 사이의 두께, nair는 공기의 굴절률, ns는 지문 인식 센서의 평균 굴절률이다.
제1 매트릭스의 두께는 140~1000 nm일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 이미지 또는 영상을 표시하는 디스플레이 패널, 그리고 디스플레이 패널 상의 적어도 일부 영역에 위치하는 실시예에 따른 지문 인식 센서를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지문 인식 센서 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 지문 이미지의 명암비를 향상시킬 수 있고, 노이즈를 감소시킬 수 있으며, 두께를 감소시킬 수 있고, 광원의 위치를 다양하게 설계할 수 있어 다른 장치로의 적용 용이성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 실시예에 따른 지문 인식 센서의 전체적인 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 지문 인식 센서 중 하나의 센서 화소의 구동 방식을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 실시예들에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면들이다.
도 3은 산란 반사된 광이 손가락 지문의 골 부분에서 지문 인식 센서로 입사되는 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 산란 반사된 광이 손가락 지문의 마루 부분에서 지문 인식 센서로 입사되는 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 지문 인식 센서의 광원이 손가락의 하부에 존재하는 예시들을 나타낸 도면들이다.
도 8은 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 실시예들에 따른 지문 인식 센서의 제2 매트릭스의 평면뷰를 나타내는 도면들이다.
도 10은 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1a는 한 실시예에 따른 지문 인식 센서의 전체적인 구동 방식을 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 도 1a의 지문 인식 센서 중 하나의 센서 화소의 구동 방식을 나타내는 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 지문 인식 센서(100)는 기판(120) 상에 위치하는 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)과 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm)을 포함한다. 여기서, 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)은 서로 평행하게 이격되어 배치될 수 있고, 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm) 또한 서로 평행하게 이격되어 배치될 수 있다. 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)과 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm)은 서로 교차하고, 교차 영역마다 센서 화소(SPXL)가 정의될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고, 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)과 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm)은 다른 방식으로 배열되거나 다른 형태로 교차될 수 있다.
센서 화소(SPXL)는 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)과 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm)에 전기적으로 연결되어 각 센서 화소(SPXL)를 스위칭하는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)와 박막 트랜지스터(TFT)의 드레인 전극과 연결되어 있는 포토 센서(photo sensor, PS)를 포함한다.
박막 트랜지스터(TFT)의 게이트 전극은 주사 라인(SL)과 연결되고, 소스 전극은 데이터 리드 아웃 라인(DL)과 연결되며, 드레인 전극은 포토 센서(PS)와 연결될 수 있다. 여기서, 포토 센서(PS)에 포함된 두 전극이 캐패시터(capacitor)를 형성할 수 있다.
지문 인식 센서(100)는 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)을 구동하는 주사 라인 구동부(182)와, 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm)을 구동하는 리드 아웃 제어부(184) 및 리드 아웃 구동부(186)을 포함할 수 있다.
주사 라인 구동부(182)는 주사 라인(SL)에 게이트 신호를 공급한다. 주사 라인 구동부(182)는 지문 영상이 검출되는 센서 화소(SPXL)의 주사 라인(SL)을 선택하고, 박막 트랜지스터(TFT)는 턴-온(turn-on)될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 주사 라인 구동부(182)는 순차적으로 박막 트랜지스터(TFT)에 게이트 신호를 공급하기 위해 게이트 신호를 발생시키는 쉬프트 레지스터(shift register)와, 센서 화소(SPXL)로 공급되는 게이트 신호를 스위칭에 필요한 높은 전압으로 레벨 쉬프팅시키는 레벨 쉬프터(level shifter)를 포함할 수 있다.
리드 아웃 제어부(184) 및 리드 아웃 구동부(186)는 게이트 신호에 의해 선택된 센서 화소(SPXL)에서 발생한 전류 신호를 검출한다. 도시되지는 않았지만, 리드 아웃 제어부(184)는 다수의 데이터 리드아웃 라인(DL1 내지 DLm) 중 하나를 선택하여 리드 아웃 구동부(186)로 출력하는 멀티 플렉서와, 멀티 플렉서의 스위칭 신호를 생성하는 쉬프트 레지스터와, 쉬프트 레지스터로부터의 출력 전압을 승격시키는 레벨 쉬프터를 포함할 수 있다.
지문에서 산란 반사된 광이 포토 센서(PS)에 도달하여 저항 변화에 따른 전류 신호가 생성되면, 전하가 캐패시터에 저장되고, 박막 트랜지스터(TFT)가 턴-온되면, 저장된 전하가 박막 트랜지스터(TFT)를 통해 데이터 리드 아웃 라인(DL)에 전송되고, 리드 아웃 제어부(184)에 의해 리드 아웃 구동부(186)로 전송될 수 있다.
도 2a는 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다. 도 2a는 센서 화소(SPXL) 두 개에 대응되는 부분의 단면을 나타낼 수 있다.
도 1a 내지 도 2를 참조하면, 지문 인식 센서(100)는, 사용자의 손가락(190)에서 산란 반사되거나 손가락(190)을 투과하여 입사되는 광(L23)을 감지하는 포토 센서(photo sensor)(PS), 포토 센서(PS) 상에 위치하고 제1 개구(opening)(162)를 포함하는 제1 매트릭스(matrix)(160), 제1 매트릭스(160) 상에 위치하고 제2 개구(172)를 포함하는 제2 매트릭스(170), 그리고 손가락(190)과 접촉되는 일면(178)을 포함하고, 제2 매트릭스(170)를 덮는 커버층(176)을 포함한다.
포토 센서(PS)는 기판(120) 상에 위치하는 센서 어레이(130)에 포함될 수 있고, 센서 어레이(130)는 박막 트랜지스터(TFT) 및 포토 센서(PS)를 포함한다. 제1 매트릭스(160)는 센서 어레이(130) 상에 위치한다.
사용자는 지문 인식 센서(100) 커버층(176)의 일면(178)에 손가락(190)을 접촉시킬 수 있고, 손가락(190)에 광(L21)이 조사되면, 손가락(190) 내부에서 산란 반사가 일어나고, 산란 반사된 광 중 일부(L22, L23)가 지문의 골(192)이나 마루(194)를 거쳐 커버층(176)에 입사된다.
커버층(176)에 입사된 광(L22, L23) 중에서, 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선(수직인 선)과 커버층(176)에 입사된 광의 경로가 이루는 각도(θ23)가 임계각보다 큰 광(L23)이 제2 개구(172) 및 제1 개구(162)를 순차적으로 통과하여 포토 센서(PS)에 입사된다. 반면, 손가락(190)에서 산란 반사되어 커버층(176)에 입사된 광(L22, L23) 중에서, 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 커버층(176)에 입사된 광의 경로가 이루는 각도(θ22)가 임계각보다 작은 광(L22)은 제1 매트릭스(160) 또는 제2 매트릭스(170)에서 흡수되거나 반사됨으로써 포토 센서(PS)에 입사되지 않는다. 이때, 포토 센서(PS)에 입사된 광(L23)은 지문 이미지에서 밝은 부분으로 나타난다.
본 명세서에서 임계각(critical angle)은, 커버층(176) 바로 위에 공기가 존재하고 광이 커버층(176) 내부에서 공기 방향으로 진행할 때, 커버층(176)과 공기의 계면(커버층의 일면, 178)에서 전반사(total reflection)가 발생할 수 있는 최소 각도를 의미하고, 이는 공기에서 커버층(176) 내부로 광이 입사할 때, 커버층(176) 내부로 입사한 광이 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 이룰 수 있는 최대 각도와 동일하다.
실시예에 따른 지문 인식 센서(100)에서, 전술한 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선(수직인 선)과 커버층(176)에 입사된 광의 경로가 이루는 각도(θ23)가 임계각보다 큰 광(L23)은 손가락(190) 지문의 마루(194)에서부터 커버층(176)에 입사된 광일 수 있고, 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 커버층(176)에 입사된 광의 경로가 이루는 각도(θ22)가 임계각보다 작은 광(L22)은 손가락(190) 지문의 골(192)에서부터 커버층(176)에 입사된 광일 수 있다. 다시 말해서, 손가락(190) 지문의 마루(194)로부터 커버층(176)으로 입사된 광(L23)은 제2 개구(172) 및 제1 개구(162)를 순차적으로 통과하여 포토 센서(PS)에 입사되고, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광(L22)은 제1 매트릭스(160) 또는 제2 매트릭스(170)에서 흡수 또는 반사되어 포토 센서(PS)에 입사되지 않는다.
이하에서, 도 1a 내지 도 2a의 구성과 중복되는 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다.
도 2b 내지 도 2d는 실시예들에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다. 도 2b 내지 도 2d는 센서 화소(SPXL) 두 개에 대응되는 부분의 단면을 나타낼 수 있다. 도 2b는 제2 매트릭스(170)가 두 개의 층으로 이루어진 경우를 나타내고, 도 2c는 제1 매트릭스(160)가 두 개의 층으로 이루어진 경우를 나타내며, 도 2d는 제2 매트릭스(170) 및 제1 매트릭스(160)가 각각 두 개의 층으로 이루어진 경우를 나타낸다.
도 2b를 참조하면, 제2 매트릭스(170)는 광 흡수 물질을 포함하는 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 광 흡수층(170b) 상에 위치하는 제1 금속층(170a)을 포함할 수 있다.
제1 광 흡수층(170b)에 광이 입사되면 흡수되어 제거될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 흡수층(170b) 하부 구조에서 반사되어 제1 광 흡수층(170b)에 도달하는 광이 흡수되어 제거될 수 있다.
예를 들어, 제1 매트릭스(160)와 제2 매트릭스(170) 모두 금속 물질로 이루어져 광을 반사시키는 경우, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광(L22)이 제1 매트릭스(160)에서 반사된 후 제2 매트릭스(170)에서 다시 반사되어 포토 센서(PS)로 입사될 수 있고, 이로 인해 명암비가 저하될 수 있다.
반면 실시예에 따른 제2 매트릭스(170)는 하부의 제1 광 흡수층(170b)을 포함하므로, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광(L22)이 제1 매트릭스(160)에서 반사된 후 제2 매트릭스(170)에서 흡수될 수 있어, 차단이 필요한 광이 포토 센서(PS)에 입사되는 것을 방지할 수 있고, 이로 인해 지문 이미지의 명암비가 향상될 수 있고, 선명도가 향상될 수 있다.
제1 광 흡수층(170b)의 광 흡수도는 약 60% 이상일 수 있고, 이러한 범위에서 광을 효율적으로 제거할 수 있고, 지문 이미지를 보다 선명하게 만들 수 있다.
한편, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광 중 일부는 제2 매트릭스(170)의 제1 금속층(170a)에서 반사되어 제거될 수도 있다. 이때, 제1 금속층(170a)의 광 투과도는 약 5 % 미만일 수 있다.
정리하면, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광은 제2 매트릭스(170)의 제1 금속층(170a)에서 반사되어 제거되거나, 제1 매트릭스(160)에서 반사된 후 제2 매트릭스(170)의 제1 광 흡수층(170b)에 흡수되어 제거되거나(제1 매트릭스(160)가 금속 물질로 이루어진 경우), 제1 매트릭스(160)에 흡수되어 소멸(제1 매트릭스(160)가 광 흡수 물질로 이루어진 경우)될 수 있다.
제2 매트릭스(170)에서, 제1 광 흡수층(170b)의 두께는 약 100~600 nm 일 수 있고, 제1 금속층(170a)의 두께는 약 40~400 nm일 수 있으며, 제2 매트릭스(170)의 두께는 140~1000 nm 일 수 있다.
제2 매트릭스(170)가 단일층으로 이루어지고 광 흡수 물질로 이루어진 경우에는, 차단이 필요한 광을 효과적으로 차단하기 위해서는 약 1 ㎛ 이상의 두께가 필요할 수 있다. 반면, 도 2b의 실시예와 같이 제2 매트릭스(170)가 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 금속층(170a)으로 이루어지는 경우에는 상대적으로 제2 매트릭스(170)의 두께가 얇을 수 있고, 이로 인해 지문 인식 센서(100)의 두께가 얇아질 수 있다. 또한, 제조 공정에서, 제2 매트릭스(170)의 두께가 상대적으로 얇아짐으로써, 제1 매트릭스(160)와 제2 매트릭스(170) 간의 얼라인먼트(alignment)가 보다 정밀해질 수 있고, 더 정밀한 패터닝(patterning)이 이루어질 수 있다.
제1 광 흡수층(170b)의 광 흡수 물질은, 예를 들어, 카본 블랙(carbon black), 실리콘 카바이드(Silicon carbide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래파이트(graphite) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 광을 흡수하는 물질이라면 광 흡수 물질로 적용될 수 있다.
한편, 제1 매트릭스(160)는 제2 금속층(160a) 및 제2 금속층(160a) 상에 위치하고 광 흡수 물질을 포함하는 제2 광 흡수층(160b)을 포함할 수 있다. 이 경우는 하기 도 2c 및 2d와 관련된 부분에서 보다 상세하게 설명한다.
도 2c를 참조하면, 제1 매트릭스(160)는 금속층(160a) 및 금속층(160a) 상에 위치하고 광 흡수 물질을 포함하는 광 흡수층(160b)을 포함한다.
여기서, 제1 매트릭스(160)의 금속층(160a)은 도 2d에 도시된 바와 같이 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170) 모두 두 개의 층 구조를 갖는 경우에는 제2 금속층(160a)으로 기재될 수도 있다. 또한, 제1 매트릭스(160)의 광 흡수층(160b)은 도 2d에 도시된 바와 같이 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170) 모두 두 개의 층 구조를 갖는 경우에는 제2 광 흡수층(160b)으로 기재될 수 있다.
광 흡수층(160b)에 광이 입사되면 흡수되어 제거될 수 있다. 예를 들어, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광(L22)이 제1 매트릭스(160)의 광 흡수층(160b)에 입사되면 흡수되어 차단될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 매트릭스(160)와 제2 매트릭스(170) 모두 금속 물질로 이루어져 광을 반사시키는 경우, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광(L22)이 제1 매트릭스(160)에서 반사된 후 제2 매트릭스(170)에서 다시 반사되어 포토 센서(PS)로 입사될 수 있고, 이로 인해 명암비가 저하될 수 있다. 그러나, 실시예와 같이 제1 매트릭스(160)가 광 흡수층(160b)을 포함하는 경우에는 이러한 내부 반사 현상이 방지될 수 있다.
제1 매트릭스(160)의 광 흡수층(160b)의 광 흡수도는 약 60% 이상일 수 있고, 이러한 범위에서 광을 효율적으로 제거할 수 있고, 지문 이미지를 보다 선명하게 만들 수 있다.
한편, 제1 매트릭스(160)의 금속층(160a)의 하부로부터 지문 인식 센서(100)에 유입된 외부 광은 금속층(160a)에서 반사되어 소멸될 수 있다. 이때, 금속층(160a)의 광 투과도는 약 5 % 미만일 수 있다.
정리하면, 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사된 광은 제2 매트릭스(170)에서 흡수(제2 매트릭스(170)가 광 흡수 물질로 이루어진 경우) 또는 반사(제2 매트릭스(170)가 금속 물질로 이루어진 경우)되어 제거되거나, 제1 매트릭스(160)의 광 흡수층(160b)에서 흡수되어 제거될 수 있다.
제1 매트릭스(160)에서, 광 흡수층(160b)의 두께는 약 100~600 nm 일 수 있고, 금속층(160a)의 두께는 약 40~400 nm일 수 있으며, 제1 매트릭스(160)의 두께는 140~1000 nm 일 수 있다.
제1 매트릭스(160)가 단일층으로 이루어지고 광 흡수 물질로 이루어진 경우에는, 차단이 필요한 광을 효과적으로 차단하기 위해서는 약 1 ㎛ 이상의 두께가 필요할 수 있다. 반면, 도 2c의 실시예와 같이 제1 매트릭스(160)가 광 흡수층(160b) 및 금속층(160a)으로 이루어지는 경우에는 상대적으로 제1 매트릭스(160)의 두께가 얇을 수 있고, 이로 인해 지문 인식 센서(100)의 두께가 얇아질 수 있다. 또한, 제조 공정에서, 제1 매트릭스(160)의 두께가 상대적으로 얇아짐으로써, 제1 매트릭스(160)와 제2 매트릭스(170) 간의 얼라인먼트(alignment)가 보다 정밀해질 수 있고, 더 정밀한 패터닝(patterning)이 이루어질 수 있다.
지문 인식 센서(100)는, 제2 매트릭스(170)가 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 금속층(170a)을 포함하고, 제1 매트릭스(160)가 제2 금속층(160a) 및 제2 광 흡수층(160b)을 포함하는 구조를 가질 수도 있다.
이 경우, 지문 인식 센서(100)의 전체적인 두께가 더욱 감소할 수 있고, 이로 인해 다른 전자 제품에 적용성이 향상될 수 있으며, 제조 공정 상에서 보다 정밀한 얼라인먼트와 패터닝이 가능할 수 있다. 또한, 포토 센서(PS)로 입사되는 것을 차단하고자 했던 광이 내부 반사에 의해 포토 센서(PS)에 입사되는 것을 최소화시킬 수 있고, 이로 인해 지문 이미지의 명암비 및 선명도가 크게 향상될 수 있다.
도 3은 산란 반사된 광이 손가락 지문의 골 부분에서 지문 인식 센서로 입사되는 형태를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 산란 반사된 광이 손가락 지문의 마루 부분에서 지문 인식 센서로 입사되는 형태를 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4에는 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 단일층 구조인 경우만 도시되었으나, 제2 매트릭스(170)가 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 금속층(170a)을 포함하는 구조인 경우, 제1 매트릭스(160)가 제2 금속층(160a) 및 제2 광 흡수층(160b)을 포함하는 구조인 경우, 그리고 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 각각 두 개의 층 구조인 경우 모두 하기와 동일한 설명이 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 지문 인식 센서(100)는 손가락(190)에 광(L31)을 조사하는 광원(110)을 더 포함할 수 있다. 광원(110)에서 조사된 광(L31)은 손가락(190) 내부에서 산란 반사될 수 있다. 산란 반사된 광 중 일부 광(L33)은 손가락(190) 지문의 골(192)을 거쳐 지문과 커버층(176) 사이에 위치하는 공기에 입사되고, 공기에서 커버층(176)에 입사되어 제1 매트릭스(160) 또는 제2 매트릭스(170)에서 흡수 또는 반사될 수 있다.
공기에서 커버층(176)의 일면(178)에 입사될 때의 입사각(θ33a)과 커버층(176)의 일면(178)에서 지문 인식 센서(100) 내부로 입사되는 각도(θ33b)는 공기 및 지문 인식 센서(100)의 굴절률 차이에 따라 결정될 수 있다(snell's law). 이때, 커버층(176)의 일면(178)에서 지문 인식 센서(100) 내부로 입사되는 각도(θ33b)가 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 커버층(176)에 입사된 광(L33)의 경로가 이루는 각도에 해당한다.
여기서, 손가락(190) 내부에서 산란 반사된 광이 골(192)을 거쳐 커버층(176)에 입사되는 경우, 입사된 광(L33)의 경로와 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선이 이루는 각도는 임계각보다 작게 형성된다. 이때, 임계각(θc)은 광(L32)이 커버층(176) 일면(178)으로 입사되었을 때(공기에서 커버층 일면으로의 입사각이 90° 일 때), 커버층(176) 방향으로 꺾이는 각도를 의미할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 공기의 굴절률(nair, 약 1.0)보다 지문 인식 센서(100)의 평균 굴절률(ns)가 클 수 있고, 공기의 굴절률(nair)보다 손가락의 굴절률(nf)이 클 수 있다. 따라서, 도 3에서 θ33b 가 θ33a 보다 작고, θ34b 가 θ34a 보다 작게 형성된다. 손가락(190) 내부에서 산란 반사된 광 중 지문의 골(192)을 투과하여 공기로 입사된 후 공기에서 커버층(176)으로 입사되는 광의 커버층(176) 일면(178)으로의 입사각(θ33a)은 90° 보다 작을 수밖에 없으므로, snell's law에 따라 커버층(176)에 입사된 광(L33)과 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선이 이루는 각도(θ33b)는 임계각(θc)보다 작을 수밖에 없다.
따라서, 광원(110)으로부터 손가락(190)에 광이 조사되어 산란 반사된 후 지문의 골(192)을 거쳐 커버층(176)에 입사되는 광(L33)은 제1 매트릭스(160) 또는 제2 매트릭스(170)에 흡수 또는 반사되어 포토 센서(PS)에 도달할 수 없고, 이로 인해, 종래의 지문 인식 센서에 비해 지문 이미지에서 지문의 골(192)에 대응되는 부분이 더욱 어둡게 표시될 수 있고, 지문 이미지의 명암비가 크게 향상될 수 있다.
한편, 외부광(ambient light)이 손가락(190)에 입사된 후, 손가락(190)에서 산란 반사되거나 손가락(190)을 투과하여 지문의 골(192)에서부터 커버층(176)에 입사될 수 있다. 이러한 광(L34)의 경우에도 마찬가지로, 지문의 골(192)을 투과하여 공기로 입사된 후 공기에서 커버층(176)으로 입사되는 광의 커버층(176) 일면(178)으로의 입사각(θ34a)은 90° 보다 작을 수밖에 없으므로, 커버층(176)에 입사된 광(L34)과 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선이 이루는 각도(θ34b)는 임계각(θc)보다 작을 수밖에 없다. 따라서, 광(L34)은 포토 센서(PS)에 도달할 수 없다.
도 4를 참조하면, 광원(110)에서 조사된 광(L41)은 손가락(190) 내부에서 산란 반사될 수 있고, 산란 반사된 광 중 일부 광(L42)은 손가락(190) 지문의 마루(194)를 거쳐 커버층(176)에 입사될 수 있다. 이때, 광(L42)의 경로와 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선이 이루는 각도(θ42b)는 임계각(θc)보다 큰 광(L42)은 제1 개구(162) 및 제2 개구(172)를 통과하여 포토 센서(PS)에 입사될 수 있다. 지문의 마루(194)는 커버층(176)의 일면(178)과 직접 접촉되어 있고, 손가락(190)의 굴절률(nf)와 지문 인식 센서(100)의 평균 굴절률(ns)은 거의 동일할 수 있으며, 이로 인해 광(L42)이 손가락(190)에서 커버층 일면(178)으로 입사될 때의 입사각(θ42a)과 센서(100) 내부에서의 광(L42)의 경로와 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선이 이루는 각도(θ42b)는 거의 동일할 수 있다.
외부광이 손가락(190)에 입사된 경우에도, 산란 반사된 광 중 일부 광(L43)이 커버층(176)으로 입사될 수 있고, 이러한 광(L43)의 경로와 커버층(176) 일면(178)의 법선이 이루는 각도(θ43b)가 임계각보다 큰 경우에는 제1 개구(162) 및 제2 개구(172)를 통과하여 포토 센서(PS)에 입사될 수 있다.
따라서, 지문 이미지에서 지문의 마루(194)에 대응되는 부분은 밝게 표시될 수 있다.
정리하면, 광원(110) 또는 외부광(Ambient Light)에서 광(L31, L41)이 조사되어 손가락(190) 내부에서 산란 반사될 수 있고, 산란 반사된 광 중 일부 광(L33, L34, L42, L43)이 커버층(176)에 입사될 수 있으며, 이 중에서 손가락(190) 지문의 마루(194)로부터 커버층(176)으로 입사되고 광 경로가 커버층(176) 일면(178)의 법선과 이루는 각도(θ42b, θ43b)가 임계각(θc)보다 큰 광(L42, L43)은 제1 개구 및 제2 개구(172)를 순차적으로 통과하여 포토 센서(PS)에 입사될 수 있다(지문 이미지에서 밝게 표시됨). 또한 손가락(190) 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사되는 광(L33, L34)은 제1 매트릭스(160) 또는 제2 매트릭스(170)에서 반사 또는 흡수되어 포토 센서(PS)에 입사될 수 없다(지문 이미지에서 어둡게 표시됨). 전술한 바와 같이, 지문의 골(192)로부터 커버층(176)으로 입사되는 광(L33, L34)이 포토 센서(PS)에 전혀 입사될 수 없기 때문에, 생성되는 지문 이미지에서 지문의 골(192)에 대응되는 부분이 더욱 어둡게 표현될 수 있고, 이로 인해 지문 이미지가 더욱 선명할 수 있으며, 명암비가 크게 향상될 수 있다.
커버층(176)은 투명할 수 있고, 유리, 고분자, 절연 물질, 투명 산화물 등의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 커버층(176)은 하부 구성 요소들을 보호하는 보호층일 수 있고, 절연막 또는 평탄화막일 수도 있다.
커버층(176)의 굴절률은 커버층(176) 공기의 굴절률보다 클 수 있다. 예를 들어, 커버층(176)의 굴절률은 약 1.0 보다 크고 약 2.0과 같거나 작을 수 있다. 커버층(176)의 굴절률이 이와 같은 범위에 있는 경우, 임계각(θc)은 30° 이상이고 90° 미만일 수 있다.
예를 들어, 커버층(176)의 외부의 공기의 굴절률이 약 1.0이고, 커버층(176)이 굴절률이 약 1.5인 유리 물질로 이루어진 경우, 임계각(θc)은 약 42°일 수 있고, 커버층(176)이 굴절률이 약 1.9인 고밀도 특수 유리를 포함하는 경우, 임계각(θc)은 약 32°일 수 있으며, 커버층(176)이 굴절률이 약 2.0인 물질을 포함하는 경우, 임계각은 약 30°일 수 있다.
커버층(176) 하부의 구성 요소들의 굴절률은 커버층(176)과 동일하거나 유사한 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 지문 인식 센서(100) 내부에서 광은 거의 굴절되지 않고 진행될 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하여 커버층(176)에 입사된 광 중 포토 센서(PS)에 입사되는 광에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 5에는 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 단일층 구조인 경우만 도시되었으나, 제2 매트릭스(170)가 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 금속층(170a)을 포함하는 구조인 경우, 제1 매트릭스(160)가 제2 금속층(160a) 및 제2 광 흡수층(160b)을 포함하는 구조인 경우, 그리고 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 각각 두 개의 층 구조인 경우 모두 하기와 동일한 설명이 적용될 수 있다.
제1 개구(162) 및 제2 개구(172)는 커버층(176)에 입사된 광 중에서 커버층(176) 일면(178)과 이루는 각도가 임계각(θc)보다 큰 광만이 포토 센서(PS)에 입사될 수 있도록 배치된다. 예를 들어, 제1 개구(162)와 제2 매트릭스(170)가 평면뷰(in a planar view)에서 봤을 때(위에서 봤을 때 또는 두께 방향으로) 중첩될 수 있고, 제2 개구(172)와 제1 매트릭스(160)가 평면뷰에서 봤을 때 중첩될 수 있다. 여기서, 평면뷰에서 봤을 때 중첩된다는 것은, 두께 방향(도면에서 세로 방향)으로 중첩된다는 것을 의미한다.
이하에서는, θsa 는 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 포토 센서(PS)에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도, w1은 제1 개구(162)의 폭, w2는 제2 개구(172)의 폭, wD는 제1 개구(162)의 수직 투영(projection)과 제2 개구(172)의 수직 투영 사이의 폭, t1은 제1 매트릭스(160)의 두께, t2는 제2 매트릭스(170)의 두께, tD는 제1 매트릭스(160)와 제2 매트릭스(170) 사이의 두께라고 정의한다.
산란 반사된 후 커버층(176)에 입사되어 포토 센서(PS)에 입사되는 광(L51, L52)의 경로가 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 이루는 각도(θsa)의 최소값(θmin)은 도 5의 θ51 일 수 있고, 최대값(θmax)은 도 5의 θ52 일 수 있으며, 최소값(θmin)과 관련하여 하기 수학식 1-1을 도출할 수 있고, 최대값(θmax)과 관련하여 하기 수학식 1-2를 도출할 수 있다.
[수학식 1-1]
Figure 112019054296022-pat00005
[수학식 1-2]
Figure 112019054296022-pat00006
따라서, 산란 반사된 후 커버층(176)에 입사되어 포토 센서(PS)에 입사되는 광(L51, L52)의 경로가 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 이루는 각도(θsa)는 하기 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019054296022-pat00007
한편, 임계각은 snell's law에 따라 임계각은 하기 수학식 2-1로 나타낼 수 있다.
[수학식 2-1]
Figure 112019054296022-pat00008
수학식 2-1에서 nair는 공기의 굴절률, nS는 지문 인식 센서(100)의 평균 굴절률을 의미한다.
포토 센서(PS)에 입사되는 광(L51, L52)의 경로와 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선이 이루는 최소 각도(θmin)는 임계각(θc)보다 크고, 이러한 관계는 하기 수학식 2-2로 표현될 수 있다.
[수학식 2-2]
Figure 112019054296022-pat00009
상기 수학식 2-2, 2-1 및 1-1을 조합하면, 제1 개구(162)의 수직 투영과 제2 개구(172)의 수직 투영 사이의 폭(wD)은 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019054296022-pat00010
한편, 제1 매트릭스(160)와 제2 매트릭스(170) 사이의 두께(tD)는 약 0.1 ㎛ 내지 약 20 ㎛일 수 있고, 이러한 범위 내에서 지문 이미지의 명암비가 더욱 향상될 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다. 도 6에는 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 단일층 구조인 경우만 도시되었으나, 제2 매트릭스(170)가 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 금속층(170a)을 포함하는 구조인 경우, 제1 매트릭스(160)가 제2 금속층(160a) 및 제2 광 흡수층(160b)을 포함하는 구조인 경우, 그리고 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 각각 두 개의 층 구조인 경우 모두 하기와 동일한 설명이 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 광원(610a, 610b)은 손가락(190)의 측면 상에 위치할 수도 있고, 손가락(190)의 상부에 위치할 수도 있다.
이러한 실시예의 경우에도, 광원(610a, 610b)에서 손가락(190)으로 조사된 광(L61, L62)은 손가락(190)에서 산란 반사되어 일부 광(L63, L64)이 커버층(176)으로 입사될 수 있다. 커버층(176)으로 입사된 광(L63, L64) 중 지문의 골(192)에서부터 입사된 광(L63)은 포토 센서(PS)에 입사되지 않고, 지문의 마루(194)에서부터 입사된 광(L64)은 포토 센서(PS)에 입사되어 감지될 수 있다.
따라서, 광원(110, 610a, 610b)의 위치가 다양하게 설계될 수 있기 때문에, 지문 인식 센서(100)가 적용될 장치의 구조나 환경에 따라 다양한 방식으로 적용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 지문 인식 센서의 광원이 손가락의 하부에 존재하는 예시들을 나타낸 도면들이다. 도 7a 및 도 7b에는 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 단일층 구조인 경우만 도시되었으나, 제2 매트릭스(170)가 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 금속층(170a)을 포함하는 구조인 경우, 제1 매트릭스(160)가 제2 금속층(160a) 및 제2 광 흡수층(160b)을 포함하는 구조인 경우, 그리고 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 각각 두 개의 층 구조인 경우 모두 하기와 동일한 설명이 적용될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 광원(710a, 710b)은 손가락(190)의 하부에 위치할 수 있다.
이때, 조사된 광(L71)이 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 이루는 각도(θ71)가 임계각(θc)보다 작도록 광원(710a)이 배치될 수 있다.
반면, 비교 광원(710b)에서 조사된 광(L72)이 커버층(176) 일면(178)에 대한 법선과 이루는 각도(θ72)가 임계각(θc)보다 크게 형성되는 경우에는, 커버층(176)의 일면(178)에서 전반사(total reflection)가 일어날 수 있다. 이러한 전반사는 커버층(176) 일면에서 지문의 골(192)에 대응되는 영역에 광(L72)이 조사되는 경우 발생될 수 있다. 지문의 골(192)에 대응되는 일면(178)에서 전반사가 발생하는 경우 전반사된 광이 포토 센서로 유입될 수 있고, 이로 인해 지문 이미지에서 지문의 골(192)에 대응되는 부분의 밝기가 밝아져 지문 이미지의 선명도 및 명암비가 저하될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 광원의 위치에 따라 발생할 수 있는 전반사를 방지하기 위해, 지문 인식 센서(100)는 제2 매트릭스(170) 상부에 위치하는 반사 방지층(179)을 더 포함할 수 있다.
반사 방지층(179)은 공지의 다양한 형태로 이루어질 수 있고, 다양한 물질을 포함할 수 있으며, 2개 이상의 층을 포함할 수도 있다. 또한 반사 방지층(179)은 커버층(176) 상에 위치할 수도 있고, 커버층(176)과 제2 매트릭스(170) 사이에 위치할 수도 있다.
도 8은 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 상세하게 나타낸 도면이다. 도 8에는 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 단일층 구조인 경우만 도시되었으나, 제2 매트릭스(170)가 제1 광 흡수층(170b) 및 제1 금속층(170a)을 포함하는 구조인 경우, 제1 매트릭스(160)가 제2 금속층(160a) 및 제2 광 흡수층(160b)을 포함하는 구조인 경우, 그리고 제1 매트릭스(160) 및 제2 매트릭스(170)가 각각 두 개의 층 구조인 경우 모두 하기와 동일한 설명이 적용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 지문 인식 센서(100)는 광원(110), 기판(120), 박막 트랜지스터(TFT), 포토 센서(PS), 제1 매트릭스(160), 제2 매트릭스(170), 그리고 커버층(176)을 포함한다.
기판(120) 상에는 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)과 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm)이 교차되는 영역에 센서 화소(130)가 위치하고, 각 센서 화소(130)는 포토 센서(PS)와 박막 트랜지스터(TFT)를 포함한다. 박막 트랜지스터(TFT)는 주사 라인(SLn) 및 데이터 리드 아웃 라인(DLm)에 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 박막 트랜지스터(TFT)는 채널층(132), 게이트 전극(136), 소스전극(140), 그리고 드레인 전극(142)을 포함할 수 있다.
광원(110)은 손가락(190)에 광(L81)을 조사한다. 도 8에서 광원(110)이 기판(120)의 하면 상에 위치하는 것으로 도시되었으나, 광원(110)은 전술한 것처럼 다양한 위치에 배치될 수 있다.
채널층(132)과 게이트 전극(136) 사이에는 게이트 절연막(134)이 위치하고, 게이트 전극(136) 상에는 제1 절연막(138)이 위치할 수 있다. 소스 전극(140) 및 드레인 전극(142)은 제1 절연막(138) 상에 위치하며, 각각 컨택홀을 통해 채널층(132)과 접촉된다.
다만, 도 8에 도시된 박막 트랜지스터(TFT)는 설명의 편의를 위해 예시된 것이고, 이에 제한되지 않고 다양한 구조로 설계될 수 있다. 채널층(132)은 저온 다결정 실리콘(LTPS), 비정질 실리콘(a-Si), 또는 산화물(Oxide) 등을 포함할 수 있다.
박막 트랜지스터(TFT)는, 예를 들어, 코플라나(co-planar) 구조, 스태거드(staggered) 구조, 인버티드 코플라나(inverted co-planar) 구조, 인버티드 스태거드(inverted staggered) 구조 중 하나의 구조를 가질 수 있다.
포토 센서(PS)는 박막 트랜지스터(TFT)의 드레인 전극(142)이 연장되어 형성된 제1 전극(144), 제1 전극(144) 상에 위치하는 반도체층(146), 그리고 투명한 물질을 포함하고 반도체층(146) 상에 위치하는 제2 전극(148)을 포함한다. 포토 센서(PS)와 동일한 층에는 박막 트랜지스터(TFT)를 보호하기 위한 보호층(150)이 위치할 수 있고, 포토 센서(PS)와 보호층(150) 상에는 제2 절연막(152)이 위치하고, 바이어스 전극(160)이 컨택홀을 통해 제2 전극(148)과 연결되어 있다. 여기서, 제1 전극(144)과 제2 전극(148)이 캐패시터를 형성할 수 있다.
포토 센서(PS)의 반도체층(146)은, 예를 들어, 비정질 실리콘(a-Si), 유기물, 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 지문 인식 센서(100)에서, 제1 매트릭스(160)는 바이어스 전극(160)일 수 있다. 바이어스 전극(160)은 포토 센서(PS)로 입사되는 광(L82)이 투과될 수 있는 제1 개구(162)를 포함한다.
제2 절연막(152)과 바이어스 전극(160) 상에 평탄화막(168)이 위치할 수 있다. 평탄화막(168)은 하부의 박막 트랜지스터(TFT) 및 포토 센서(PS)를 보호하고, 소자를 평탄화시킬 수 있다.
평탄화막(168) 상에는 제2 매트릭스(170)가 위치하고, 제2 매트릭스(170) 및 평탄화막(168) 상에는 커버층(176)이 위치할 수 있다.
손가락(190)에서 산란 반사된 광(L82, L83) 중 지문의 마루(194)를 통해 커버층(176)에 입사되고, 동시에 입사된 광(L82)이 커버층(176) 일면(178)의 법선과 이루는 각도(θ82)가 임계각(θc) 이상인 광(L82)은 제2 개구(172) 및 제1 개구(162)를 순차적으로 통과하여 포토 센서(PS)에 입사될 수 있다. 반면, 손가락(190)에서 산란 반사된 광(L82, L83) 중 지문의 골(192)을 통해 커버층(176)에 입사되는 광(L83)은 제1 매트릭스(160) 또는 제2 매트릭스(170)에 의해 완전히 차단될 수 있다. 따라서 지문 이미지의 명암비가 크게 향상될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 실시예들에 따른 지문 인식 센서의 제2 매트릭스의 평면뷰(in a planar view)를 나타내는 도면들이다. 도 9a 및 도 9b는 센서 화소(SPXL) 네 개에 대응되는 부분을 나타낸다. 또한, 도 9a 및 도 9b는 제2 매트릭스가 두 개의 층 구조(제1 금속층, 제1 광 흡수층)를 가진 경우를 나타낸다.
평면뷰에서, 제2 매트릭스(170) 및 제2 개구(172)는 도 9a와 같이 배열될 수도 있고, 도 9b와 같이 배열될 수도 있으며, 도시되지 않은 다른 구조로 배열될 수도 있다.
지문 인식 센서(100)에서, 다수의 주사 라인(SL1 내지 SLn)과 다수의 데이터 리드 아웃 라인(DL1 내지 DLm)은 서로 교차하고, 교차 영역마다 센서 화소(SPXL)가 정의될 수 있고, 각 센서 화소(SPXL)에는 제2 매트릭스(170)가 배치될 수 있다. 이러한 제2 매트릭스(170)를 평면뷰로 나타내었을 때, 제2 매트릭스(170)에서 상부의 제1 금속층(170a)은 전도성 연결 구조(173)을 통해 인접한 센서 화소(SPXL)의 제2 매트릭스(170)의 제1 금속층(170a)과 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 이로 인해서, 모든 센서 화소(SPXL)의 제2 매트릭스(170)에는 하나의 공통 전압이 인가될 수 있다.
이러한 센서 화소(SPXL)들의 제2 매트릭스(170) 간 전기적 연결 구조가 없는 경우, 제2 매트릭스(170)의 제1 금속층(170a)들이 플로팅될 수 있고, 이로 인해 노이즈가 발생할 수 있다. 실시예들에 따른 제1 금속층(170a)들이 전기적으로 연결됨으로써, 이러한 플로팅 현상이 방지될 수 있고, 노이즈 발생이 최소화될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다. 도 10은 센서 화소(SPXL) 네 개에 대응되는 부분을 나타내고, 제2 매트릭스가 두 개의 층 구조(제1 금속층, 제1 광 흡수층)를 가진 경우를 나타낸다. 도면에는 제1 매트릭스(160)가 단일층 구조인 것으로 도시되었지만, 제1 매트릭스(160)가 두 개의 층 구조(제2 금속층, 제2 광 흡수층)를 갖는 경우도 하기와 동일한 설명이 적용될 수 있다.
지문 인식 센서(100)는 제2 매트릭스(170) 상에 위치하고, 투명 전도성 산화물을 포함하는 투명 전극(175)을 포함할 수 있다. 투명 전극(175)은 제1 금속층(170a)을 덮으며, 모든 센서 화소(SPXL)에 공통적으로 구비될 수 있다.
이러한 투명 전극(175)은 제2 매트릭스(170)의 제1 금속층(170a)에 하나의 공통 전압을 인가할 수 있고, 이를 통해 제1 금속층(170a)의 플로팅 현상이 방지될 수 있고, 노이즈 발생이 최소화될 수 있다.
여기서, 도면에는 커버층(176)이 도시되었으나, 커버층(176) 구조가 생략될 수도 있고, 이러한 경우에는 투명 전극(175)이 하부 구성 요소들을 보호하는 보호층 또는 커버층일 수 있다.
지문 인식 센서(100)는 디스플레이 장치(미도시) 등 각종 장치에 적용될 수 있다.
예를 들어, 디스플레이 장치(미도시)는, 이미지 또는 영상을 표시하는 디스플레이 패널(display panel)(미도시), 그리고 디스플레이 패널(미도시) 상의 적어도 일부 영역에 위치하는 지문 인식 센서(100)를 포함할 수 있고, 지문 인식 센서(100)는 명암비가 크게 향상된 지문 이미지를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 지문 인식 센서 110: 광원
120: 기판 130: 센서 어레이
PS: 포토 센서 TFT: 박막 트랜지스터
160: 제1 매트릭스 160a: 제2 금속층
160b: 제2 광 흡수층 162: 제1 개구
170: 제2 매트릭스 170a: 제1 금속층
170b: 제1 광 흡수층 172: 제2 개구
173: 전도성 연결 구조 175: 투명 전극
176: 커버층 178: 커버층의 일면
190: 손가락 192: 지문의 골
194: 지문의 마루

Claims (20)

  1. 사용자의 손가락에서 산란 반사되거나 상기 손가락을 투과하여 입사되는 광을 감지하는 포토 센서(photo sensor),
    상기 포토 센서 상에 위치하고 제1 개구(opening)를 포함하는 제1 매트릭스(matrix),
    상기 제1 매트릭스 상에 위치하고 제2 개구를 포함하는 제2 매트릭스, 그리고
    상기 손가락과 접촉되는 일면을 포함하고, 상기 제2 매트릭스 상에 위치하는 커버층을 포함하고,
    상기 제2 매트릭스는 광 흡수 물질을 포함하는 제1 광 흡수층 및 상기 제1 광 흡수층 상에 위치하는 제1 금속층을 포함하며,
    상기 손가락에서 산란 반사되거나 상기 손가락을 투과하여 상기 커버층에 입사된 광 중에서, 상기 커버층 일면에 대한 법선과 상기 커버층에 입사된 광의 경로가 이루는 각도가 임계각보다 큰 광이 상기 제2 개구 및 상기 제1 개구를 순차적으로 통과하여 상기 포토 센서에 입사되고,
    상기 제1 광 흡수층이 상기 제1 매트릭스에 대해서 상기 제1 금속층 보다 가깝게 위치하여 상기 제1 매트릭스에서 반사된 광을 흡수하는,
    지문 인식 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 손가락의 지문의 마루(ridge)로부터 상기 커버층으로 입사된 광이 상기 포토 센서에 입사되고,
    상기 손가락의 지문의 골(valley)로부터 상기 커버층으로 입사된 광이 상기 제1 금속층에서 반사되거나 상기 제1 매트릭스에서 반사 또는 흡수되는 지문 인식 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 손가락에 광을 조사하는 광원을 더 포함하고, 상기 광원이 상기 손가락의 하부에 위치하며,
    상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 커버층 일면에 대한 법선과 이루는 각도가 상기 임계각보다 작도록 상기 광원이 배치되는 지문 인식 센서.
  4. 제1항에서,
    상기 손가락에 광을 조사하는 광원을 더 포함하고, 상기 광원이 상기 손가락의 하부에 위치하며,
    상기 제2 매트릭스 상에 위치하는 반사 방지층을 더 포함하는 지문 인식 센서.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 개구와 상기 제2 매트릭스가 중첩되고, 상기 제2 개구와 상기 제1 매트릭스가 중첩되는 지문 인식 센서.
  6. 제1항에서,
    상기 커버층의 굴절률은 1.0보다 크고 2.0 이하이며, 상기 임계각은 30° 이상이고 90° 미만인 지문 인식 센서.
  7. 제1항에서,
    상기 커버층 일면에 대한 법선과 상기 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도는 하기 수학식 1을 만족하는 지문 인식 센서:
    [수학식 1]
    Figure 112019054296022-pat00011

    상기 수학식 1에서, θsa 는 상기 커버층 일면에 대한 법선과 상기 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도, w1은 상기 제1 개구의 폭, w2는 상기 제2 개구의 폭, wD는 상기 제1 개구의 수직 투영(projection)과 상기 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, t1은 상기 제1 매트릭스의 두께, 상기 t2는 상기 제2 매트릭스의 두께, 상기 tD는 상기 제1 매트릭스와 상기 제2 매트릭스 사이의 두께임.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 개구의 수직 투영과 상기 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭은 하기 수학식 2를 만족하는 지문 인식 센서:
    [수학식 2]
    Figure 112019054296022-pat00012

    상기 수학식 2에서, wD는 상기 제1 개구의 수직 투영과 상기 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, tD는 상기 제1 매트릭스와 상기 제2 매트릭스 사이의 두께, nair는 공기의 굴절률, ns는 상기 지문 인식 센서의 평균 굴절률임.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 매트릭스와 상기 제2 매트릭스 사이의 두께(tD)는 0.1~20 ㎛인 지문 인식 센서.
  10. 제1항에서,
    상기 제2 매트릭스의 두께는 140~1000 nm인 지문 인식 센서.
  11. 제1항에서,
    상기 지문 인식 센서는 다수의 센서 화소로 구분되고, 상기 센서 화소 각각에 상기 제2 매트릭스가 위치하며, 인접한 상기 센서 화소의 제2 매트릭스가 전기적으로 연결되어 있는 지문 인식 센서.
  12. 제1항에서,
    상기 제2 매트릭스 상에 위치하고, 투명 전도성 산화물을 포함하는 투명 전극을 포함하는 지문 인식 센서.
  13. 제1항에서,
    상기 제1 매트릭스는 제2 금속층 및 상기 제2 금속층 상에 위치하고 광 흡수 물질을 포함하는 제2 광 흡수층을 포함하는 지문 인식 센서.
  14. 제1항에서,
    상기 포토 센서의 전하 생성에 따른 전류 신호를 데이터 리드 아웃 라인으로 전송하는 박막 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 포토 센서는 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극이 연장되어 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 반도체층, 그리고 투명한 물질을 포함하고 상기 반도체층 상에 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 캐패시터(capacitor)를 형성하는 지문 인식 센서.
  15. 사용자의 손가락에서 산란 반사되거나 상기 손가락을 투과하여 입사되는 광을 감지하는 포토 센서(photo sensor),
    상기 포토 센서 상에 위치하고 제1 개구(opening)를 포함하는 제1 매트릭스(matrix),
    상기 제1 매트릭스 상에 위치하고 제2 개구를 포함하는 제2 매트릭스, 그리고
    상기 손가락과 접촉되는 일면을 포함하고, 상기 제2 매트릭스 상에 위치하는 커버층을 포함하고,
    상기 제1 매트릭스는 금속층 및 상기 금속층 상에 위치하고 광 흡수 물질을 포함하는 광 흡수층을 포함하며,
    상기 손가락에서 산란 반사되거나 상기 손가락을 투과하여 상기 커버층에 입사된 광 중에서, 상기 커버층 일면에 대한 법선과 상기 커버층에 입사된 광의 경로가 이루는 각도가 임계각보다 큰 광이 상기 제2 개구 및 상기 제1 개구를 순차적으로 통과하여 상기 포토 센서에 입사되고,
    상기 광 흡수층은, 상기 제2 매트릭스에 대해서 상기 금속층 보다 가깝게 위치하여, 상기 제1 매트릭스에서 반사된 광이 상기 제2 매트릭스에서 다시 반사되었을 때, 상기 반사광을 흡수하는,
    지문 인식 센서.
  16. 제15항에서,
    상기 손가락의 지문의 마루(ridge)로부터 상기 커버층으로 입사된 광이 상기 포토 센서에 입사되고,
    상기 손가락의 지문의 골(valley)로부터 상기 커버층으로 입사된 광이 상기 제2 매트릭스에서 반사 또는 흡수되거나 상기 광 흡수층에서 흡수되는 지문 인식 센서.
  17. 제15항에서,
    상기 커버층 일면에 대한 법선과 상기 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도는 하기 수학식 1을 만족하는 지문 인식 센서:
    [수학식 1]
    Figure 112019054296022-pat00013

    상기 수학식 1에서, θsa 는 상기 커버층 일면에 대한 법선과 상기 포토 센서에 입사되는 광의 경로가 이루는 각도, w1은 상기 제1 개구의 폭, w2는 상기 제2 개구의 폭, wD는 상기 제1 개구의 수직 투영(projection)과 상기 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, t1은 상기 제1 매트릭스의 두께, 상기 t2는 상기 제2 매트릭스의 두께, 상기 tD는 상기 제1 매트릭스와 상기 제2 매트릭스 사이의 두께임.
  18. 제17항에서,
    상기 제1 개구의 수직 투영과 상기 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭은 하기 수학식 2를 만족하는 지문 인식 센서:
    [수학식 2]
    Figure 112019054296022-pat00014

    상기 수학식 2에서, wD는 상기 제1 개구의 수직 투영과 상기 제2 개구의 수직 투영 사이의 폭, tD는 상기 제1 매트릭스와 상기 제2 매트릭스 사이의 두께, nair는 공기의 굴절률, ns는 상기 지문 인식 센서의 평균 굴절률임.
  19. 제15항에서,
    상기 제1 매트릭스의 두께는 140~1000 nm인 지문 인식 센서.
  20. 이미지 또는 영상을 표시하는 디스플레이 패널(display panel), 그리고 상기 디스플레이 패널 상의 적어도 일부 영역에 위치하는 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 지문 인식 센서를 포함하는 디스플레이 장치.
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