KR102401101B1 - 광학 구조체, 생체인식 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서는 트랜지스터; 트랜지스터에 인접하여 배치되며, 지문 인식을 위한 청색광 및/또는 정맥 인식을 위한 적색광 내지 근적외광에 반응하는 포토 다이오드; 및 포토 다이오드 상에 광을 선별적으로 유도하도록 배치되는 광학 구조체;를 포함하되, 상기 광학 구조체는 서로 이격된 복수의 핀홀과 핀홀을 한정하는 격벽을 구비하는 실리콘 구조체; 및 복수의 핀홀을 각각 충전(filling)하는 글래스 광학부;를 포함한다.

Description

광학 구조체, 생체인식 센서 및 그 제조 방법{Optical structure, biometric sensor, and methods of fabricating the same}

본 발명은 광학 구조체, 생체인식 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광학 구조체와 이를 이용한 생체인식 센서 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.

생체 인식은 사람의 각기 고유한 생체 정보를 사용하여 신원을 식별하는 인증 방식이다. 대중적으로 사용되고 있는 생체 인식은 지문 인식과 홍채 인식이다. 지문 인식을 통한 식별 및 사용자 인증은 대중적으로 널리 퍼져 있기 때문에 거부감 없이 편하게 사용되고 있다. 특히, 1960년대 후반 사람의 지문을 전자적으로 기록할 수 있는 라이브 스캔 시스템 개발과 함께 관련 기술이 꾸준히 개발되었고, 다양한 분야에서 식별 기술로 사용되고 있다. 그러나 지문 인식의 경우 위조가 가능하고, 지문 또는 손가락이 훼손될 경우 사용이 어렵다. 홍채 인식의 경우 인증 오류와 각도/조도 등 주변 환경의 영향을 받기 때문에 편의성이 상대적으로 낮고, 눈을 스캐너에 바짝 붙여야 하는 방법 때문에 사용자들이 사용에 거부감을 발생시켜 도입에 배타적이다. 이러한 단점을 보완하는 것이 정맥 인식이다. 정맥 패턴은 지문처럼 사람마다 다르다. 정맥 인식은 적외선을 사용하여 손등이나 손바닥, 손가락 등에 흐르는 정맥 혈관을 투시한 후 잔영을 이용하여 신분을 확인할 수 있다. 적외선은 근육이나 뼈 조직은 통과하지만 혈관에서는 헤모글로빈이 근적외선을 흡수하여 통과하지 못하여 CCD 카메라에 혈관 부분이 어둡게 촬영되기 때문에 이를 이용하여 정맥 분포 정보를 추출한다. 정맥 인식은 지문이나 홍체와는 다르게 생체 정보가 인체 내부에 있기 때문에 외상이나 노화로 인한 변형의 가능성이 적다. 또한 인체 내부의 정보이므로 복제가 거의 불가능하기 때문에 보안 유지가 높다는 장점이 있다. 하지만 손등이나 손바닥, 손가락 등의 피부 배경으로부터 정맥이 분포한 부분을 추출하는 것이 쉽지 않고, 하드웨어 구성이 복잡하고 소형화가 어려우며 구축 비용이 매우 높다.

상용화된 제품으로는 손바닥 정맥을 이용하는 제품과 손가락 지정맥을 이용하는 제품이 있다. 손바닥 정맥을 이용하는 제품의 경우 비접촉식으로 3cm 이상의 거리에 손바닥을 올려 두고 근적외선을 쏘아 카메라를 촬영하여 인식하는 방식이고 손가락 지정맥을 이용하는 제품은 적외선 빛이 손가락을 투과시켜 아래에서 카메라가 정맥 영상을 촬영하여 인식하는 방식이다. 현재 상용화된 제품군은 이와 같이 적외선 특성상 센서와 인식 대상체가 떨어져 있어야 하고, 카메라로 촬영하여 정맥을 인식하는 기술이 적용되어 있다. 따라서 카메라 촬영으로 영상 획득 과정에서 영상 품질 저하로 오류가 발생할 가능성이 있다.

본 발명은 가시광을 사용하여 생체 인식 이미지를 확보할 수 있는 지문 및 정맥 복합 생체인식 센서를 제공하고, 이를 구현하기 위한 광학 구조체와 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 난이도가 높은 가시광을 사용하여 생체 패턴을 인식하는 지정맥 복합 센서를 개발하고, 동시에 비접촉 거리를 1cm 이내로 줄여 사용의 편의성을 높이고자 한다. 그리고 카메라 촬영을 통한 정맥 인식이 아닌 실시간 정맥 정보를 전송할 수 있도록 구현하여 카메라 촬영에 의한 왜곡을 줄여 더욱 정확한 정맥 이미지를 확보하고자 한다. 이와 동시에 지문 인식도 가능하게 구현하여 사용자의 친밀성을 높이고, 지문/정맥 모두 하나의 센서에서 인식 가능하도록 복합 생체인식 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체는 서로 이격된 복수의 핀홀과 핀홀을 한정하는 격벽을 구비하는 실리콘 구조체; 및 복수의 핀홀을 각각 충전(filling)하는 글래스 광학부;를 포함한다.

상기 광학 구조체에서, 글래스 광학부의 적어도 일부는 리플로우(reflow) 공정으로 글래스가 격벽과 접합될 수 있다.

상기 광학 구조체에서, 글래스 광학부는 상단부가 반구형의 형상을 가질 수 있다.

상기 광학 구조체에서, 글래스 광학부는 마이크로 렌즈일 수 있다.

상기 광학 구조체에서, 복수의 핀홀은 실리콘 구조체를 상하로 관통하되, 격벽은 수직 입사 성분이 아닌 광을 흡수할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체의 제조 방법은 실리콘 기판의 상면부에 서로 이격된 복수의 홈을 형성하는 단계; 실리콘 기판 상에 글래스 기판을 적층하는 단계; 리플로우 공정을 이용하여 글래스 기판의 적어도 일부가 복수의 홈을 각각 충전하는 단계; 및 복수의 홈을 충전한 글래스의 바닥이 노출되도록 실리콘 기판의 후면부를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 광학 구조체의 제조방법에서, 실리콘 기판 상에 글래스 기판을 적층하는 단계는 양극 접합(anodic bonding) 공정으로 실리콘 기판 상에 글래스 기판을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 광학 구조체의 제조 방법은, 복수의 홈을 각각 충전하는 단계 후 실리콘 기판의 후면부를 제거하는 단계 전에, 실리콘 기판의 상면부 중 복수의 홈 사이에 형성된 글래스를 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서는 트랜지스터; 트랜지스터 상에 배치되며, 지문 인식을 위한 청색광 및/또는 정맥 인식을 위한 적색광 내지 근적외광에 반응하는 포토 다이오드; 포토 다이오드 상에 광을 선별적으로 유도하도록 배치되되, 상술한 상기 광학 구조체;를 포함한다.

상기 생체인식 센서에서, 트랜지스터는 Al-ITZO(Al-doped InSnZnO), IZO(Indium zinc oxide), InO(Indium oxide), ZnON(Zinc oxynitride), InON(Indium oxynitride) 또는 IGZO(InGaZnO)를 포함하는 산화물 트랜지스터일 수 있다.

상기 생체인식 센서에서, 포토 다이오드는 유기 물질로 이루어진 광흡수층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 포토 다이오드는 전자 도너(donor)인 PM6(PBDB-T-2F) 및 전자 억셉터(acceptor)인 Y7(BTP-4Cl)로 이루어진 광흡수층; 전자 도너(donor)인 PTB7-Th 및 전자 억셉터(acceptor)인 IEICO-4F로 이루어진 광흡수층; 또는 전자 도너(donor)인 P3HT 및 전자 억셉터(acceptor)인 PCBM로 이루어진 광흡수층;을 포함할 수 있다.

상기 생체인식 센서에서, 포토 다이오드는 페로브스카이트(Perovskite)를 포함하는 광흡수층; 또는 실리콘과 갈륨비소(GaAs)를 포함하는 광흡수층;을 포함할 수 있다.

상기 생체인식 센서에서, 지문 인식을 위한 청색광은 파장이 약 400 ~ 500nm이며, 정맥 인식을 위한 적색광은 파장이 약 600nm에서 750nm, 정맥 인식을 위한 근적외광은 파장이 약 750nm에서 1000nm일 수 있다.

상기 생체인식 센서에서, 트랜지스터, 포토 다이오드 및 광학 구조체는 광원을 구비하는 디스플레이의 하부에 배치되는 언더 디스플레이(under display) 구조체일 수 있다.

상기 생체인식 센서에서, 지문 인식을 위한 청색광 및/또는 정맥 인식을 위한 적색광은 디스플레이의 광원에서 발광된 가시광선이 지문 및/또는 정맥에서 반사된 청색광 및/또는 적색광일 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체 및 지문 및 정맥 복합 생체인식 센서에 따르면, 언더 디스플레이 구조체에 적용될 수도 있는 바, 적외선을 이용한 복잡한 장치 구성을 이용하지 않으면서 가시광을 사용하여 지문/정맥 생체 패턴을 정확하게 인식할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체 및 지문 및 정맥 복합 생체인식 센서에 따르면, 접촉거리가 1cm 이내로 줄여 번거롭게 이미지 센서와 손가락, 손등, 손목 등 사이의 거리를 3cm 이상 멀게 유지해야 하는 단점이 해결된다. 그리고 카메라로 촬영하여 생기는 생체 정보의 왜곡을 최소화하여 실시간으로 지문과 정맥의 이미지를 얻을 수 있게 해 준다. 또한, 광학 구조체를 정교하게 설계함으로써 이미지 간섭 현상이 해결된다. 그리고 적외선이 아닌 적색광으로도 정맥 인식이 가능해서 보다 콤팩트(compact)하게 인식 장치를 구현할 수 있다.

그리고 본 발명의 기술적 사상에 의하면 박막 반사형 형태의 센서 플랫폼을 제공함으로써 사용자의 불편함을 해소하여 준다. 이로써 지문과 정맥의 이중 보안을 가능하게 하고, 멀티 모달 센서(multi modal sensor)로서 적용 가능성을 제시한다.

한편, 정맥 인식 가능 파장 범위를 적색광 외에 근적외선 (~1000nm)까지 포함하더라도 박막형 반사 방식을 통해서 별도의 큰 광학계를 사용하는 투과식이나 기존의 다른 반사식 대비 작은 형태로 장치를 구현하는 것이 가능하다.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서 및 이를 적용한 디스플레이 장치의 구성을 도해하는 도면이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서를 제조하는 방법을 순차적으로 도해하는 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체의 구성을 도해하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체에서 광의 선별 유도 원리를 도해하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 구성하는 복수의 글래스 광학부 어레이 배열을 도해한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 구성하는 글래스 광학부의 형상 및 치수를 도해하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 제조하는 방법을 순차적으로 도해하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서 및 디스플레이의 평면 배치도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 트랜지스터의 동작을 나타낸 그래프이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 포토 다이오드에 가해진 전압에 따른 전류 밀도의 변화 및 파장 별 양자 효율 및 responsivity 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 광학 구조체의 해상력을 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서 및 이를 적용한 디스플레이 장치의 구성을 도해하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서는 트랜지스터(10); 트랜지스터에 인접하여 배치되며, 지문 인식을 위한 청색광 및/또는 정맥 인식을 위한 적색광에 반응하는 포토 다이오드(20); 및 포토 다이오드 상에 광을 선별적으로 유도하도록 배치되는 광학 구조체(50);를 포함한다. 트랜지스터(10) 및 포토 다이오드(20)는 이미지 센서를 구성하며, 광학 구조체(50)는 입사되는 광을 필터링하는 구성을 제공한다.

광학 구조체(50) 상에 광원을 구비하는 디스플레이(60)가 배치된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서를 구성하는 트랜지스터(10), 포토 다이오드(20) 및 광학 구조체(50)는 광원을 구비하는 디스플레이(60)의 하부에 배치되는 언더 디스플레이(under display) 구조체일 수 있다. 디스플레이(60)는 R(Red), G(Green), B(Blue) 광원을 포함하는 OLED 디스플레이일 수 있으며, 상부에 광이 통과할 수 있는 개구부(aperture)를 더 포함할 수 있다.

디스플레이(60) 상에 추가적인 박막이 더 배치될 수 있으며, 예를 들어, 분극막(70; polarize film)과 하드 코팅막(80; hard coating layer)을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 언더 디스플레이 구조체에 한정되지 않으며, 박막형 반사 방식을 통해서 별도의 큰 광학계를 사용하는 투과식이나 기존의 다른 반사식 대비 작은 형태로 구현되는 장치로 확장될 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체인식 센서는 트랜지스터; 트랜지스터 상에 배치되며, 지문 인식을 위한 청색광 및/또는 정맥 인식을 위한 적색광 내지 근적외광에 반응하는 포토 다이오드; 포토 다이오드 상에 광을 선별적으로 유도하도록 배치되되, 상술한 상기 광학 구조체;를 포함할 수 있다. 이 경우, 지문 인식을 위한 청색광은 파장이 약 400 ~ 500nm이며, 정맥 인식을 위한 적색광은 파장이 약 600 ~ 750nm, 정맥 인식을 위한 근적외광은 파장이 약 750 ~ 1000nm일 수 있다.

다만, 본 명세서에서 기술한 구체적인 파장대 수치 범위는 이해를 돕기 위하여 제공된 예시적인 수치 범위이며 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 한정되지는 않는다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서를 제조하는 방법을 설명한다.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체인식 센서를 제조하는 방법을 순차적으로 도해하는 단면도들이다. 구체적으로 언더 디스플레이용 지문/정맥센서 구조를 제조하는 방법을 도해한다.

도 2를 참조하면, 하부 글래스(1) 상에 폴리이미드층(11), 버퍼층(12)를 형성하고, 게이트 전극(13), 게이트 절연층 및 패시베이션층(14), 소스/드레인 전극(15), 활성층(16)을 형성하여 트랜지스터(10)를 구성한다. 트랜지스터(10)는, 예를 들어, 안정적인 Switching TFT 센서 구동 및 생산에 적합한 Back Channel Etch (BCE) 구조를 가질 수 있다.

트랜지스터(10)는 형성되는 물질막에 의하여 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(10)는 Al-ITZO(Al-doped InSnZnO), IZO(Indium zinc oxide), InO(Indium oxide), ZnON(Zinc oxynitride), InON(Indium oxynitride) 또는 IGZO(InGaZnO)를 활성층으로 포함하는 산화물 트랜지스터일 수 있다.

트랜지스터(10) 상에 층간 절연층(17)을 형성한 후, 하부 전극(21), 유기 포토 다이오드(22), 화소 정의막(23; Pixel Difining Layer), 상부 전극(24)을 형성하여 포토 다이오드(20)를 구성한다.

포토 다이오드(20)는 형성되는 물질막에 의하여 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 포토 다이오드(20)는 유기 물질로 이루어진 광흡수층을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 전자 도너(donor)인 PM6(PBDB-T-2F) 및 전자 억셉터(acceptor)인 Y7(BTP-4Cl)로 이루어진 광흡수층; 전자 도너(donor)인 PTB7-Th 및 전자 억셉터(acceptor)인 IEICO-4F로 이루어진 광흡수층; 또는 전자 도너(donor)인 P3HT 및 전자 억셉터(acceptor)인 PCBM로 이루어진 광흡수층;을 포함할 수 있다. 한편, 이와 달리, 포토 다이오드(20)는 페로브스카이트(Perovskite)를 포함하는 광흡수층; 또는 실리콘과 갈륨비소(GaAs)를 포함하는 광흡수층;을 포함할 수도 있다.

포토 다이오드(20) 상에 밀봉 박막(25; thin film encapsulation)을 더 형성할 수 있다.

한편, 트랜지스터(10)와 포토 다이오드(20) 간의 위치 관계는, 예시적으로 도면에 개시된 위치와 달리, 물질막의 종류, 센서를 구성하는 요소들의 어레이 배열 등에 따라 당업자의 수준에서 임의로 변경될 수 있다.

도 3을 참조하면, 밀봉 박막(25; thin film encapsulation) 상에 캐리어 필름(2; carrier film)을 부착할 수 있다.

도 4를 참조하면, 하부 글래스(1)를 제거한 후 상술한 구조체를 상하로 뒤집는다. 이에 따라, 포토 다이오드(20)는 트랜지스터(10)의 하부에 배치될 수 있다. 하부 글래스(1)를 제거하는 공정은, 예를 들어, 레이저 리프트 오프(laser lift off) 공정을 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 트랜지스터(10) 상에 광학 구조체(50)를 배치한다. 광학 구조체(50)는 포토 다이오드(20) 상에 광을 선별적으로 유도하도록 도입된 구성이다. 구체적으로 광학 구조체(50)는 픽셀 간의 광 간섭(크로스톡)을 최소화한 광학계이다. 예를 들어, 광학 구조체(50)는 생체 패턴에서 반사되어 돌아온 빛이 대응되는 이미지 센서 픽셀이 아닌 인접한 픽셀로 입사되는 광학 크로스톡을 방지하기 위해 수직 입사 성분만 투과하도록 기능하는 구성을 제공한다. 한편, 광학 구조체(50)를 하부의 구조체에 접합하기 위한 접합부(45)가 테두리를 따라 개재될 수 있다.

도 6을 참조하면, 광학 구조체(50) 상에 광원을 구비하는 디스플레이(60)를 배치한다. 광원을 구비하는 디스플레이(60)는, 예를 들어, R(Red), G(Green), B(Blue) 광원을 포함하는 OLED 디스플레이일 수 있으며, 상부에 광이 통과할 수 있는 개구부(aperture)를 더 포함할 수 있다.

도 7을 참조하면, 캐리어 필름(2; carrier film)를 최종적으로 제거할 수 있으며, 이로써, 도 1에 개시된 트랜지스터(10); 트랜지스터에 인접하여 배치된 포토 다이오드(20); 포토 다이오드 상에 광을 선별적으로 유도하도록 배치되는 광학 구조체(50); 및 광학 구조체(50) 상에 광원을 구비하는 디스플레이(60)를 제공할 수 있다. 한편, 캐리어 필름(2; carrier film)를 제거한 후에 Anisotropic Conductive Film (ACF) 본딩을 적용할 수 있다.

도 2 내지 도 7을 참조하면, 고해상도 생체 이미지를 확보하기 위해서는, 들어오는 빛의 정보를 선별적으로 수집해야 하며, 서로 이격된 복수의 핀홀과 핀홀을 한정하는 격벽을 구비하는 실리콘 구조체; 및 복수의 핀홀을 각각 충전하는 글래스 광학부;를 포함하는 광학 구조체가 그 역할을 한다. 본 발명에서는 센서 인식의 정확도를 높여서 선명한 이미지를 획득하기 위해, 픽셀(pixel) 개수와 동일한 160,000개의 핀홀을 가지는 실리콘 구조체와 글래스 광학부를 설계한다. 또한, 10㎛ 이하의 Colorless Polyimide 기판을 사용하여 유연 공정 가능성을 제시한다. 추가로 Anisotropic Conductive Film (ACF) 본딩을 사용하여 압력은 영향을 거의 미치지 않고, 금속 Solder가 아닌 전도성 폴리머를 사용하기 때문에 공정 온도를 낮출 수 있게 되며 칩(chip)에 손상을 줄일 수 있다. 또한, 도전볼을 이용한 대면적 접착이 가능해 저항을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.

이하에서는 광학 구조체(50)의 구성과 제조 방법 및 광의 선별 유도 원리를 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체의 구성을 도해하는 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체(50)는 서로 이격된 복수의 핀홀(32)과 핀홀을 한정하는 격벽(33)을 구비하는 실리콘 구조체(35); 및 복수의 핀홀을 각각 충전(filling)하는 글래스 광학부(42);를 포함한다. 글래스 광학부(42)의 적어도 일부는 리플로우(reflow) 공정으로 글래스가 격벽(33)과 접합될 수 있다. 글래스 광학부(42)는 마이크로 렌즈의 기능을 수행하며, 글래스 광학부(42)의 상단부는 반구형의 형상을 가질 수 있다. 복수의 핀홀(32)은 실리콘 구조체(35)를 상하로 관통할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체에서 광의 선별 유도 원리를 도해하는 도면이다.

도 9를 참조하면, 디스플레이의 광원에서 발광된 가시광선이 지문 또는 정맥(90)에서 반사된 청색광 또는 적색광이 광학 구조체(50)에 입사된다. 지문 인식을 위한 청색광은 파장이 약 400 ~ 500nm이며, 정맥 인식을 위한 적색광은 파장이 약 600 ~ 750nm일 수 있다.

나아가, 언더 디스플레이 구조체와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체(50)에 정맥 인식을 위한 근적외광이 입사될 수도 있으며, 이 경우 정맥 인식을 위한 근적외광은 파장은 약 750 ~ 1000nm일 수 있다.

상기 반사광 중 수직 입사 성분을 가지는 광(L1)은 격벽(33)에 흡수되지 않고 글래스 광학부(42)를 통하여 하부로 전달된다. 이에 반하여, 상기 반사광 중 수직 입사 성분이 아닌 광(L2)은 실리콘 재질의 격벽(33)에 흡수되어 하부로 전달되지 않는다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 구성하는 복수의 글래스 광학부 어레이 배열을 도해한 도면이고, 도 11은 글래스 광학부의 형상 및 치수를 도해하는 도면이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 글래스 광학부(42)는 마이크로 렌즈의 기능을 수행할 수 있으며, 하단부(42a)는 원기둥 형상을 가지며 상단부(42b)는 반구형의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 원기둥 형상을 가지는 하단부(42a)의 높이(H1)는 250㎛이고, 원기둥 형상을 가지는 하단부(42a)의 단면적인 원지름(D)은 58㎛이고, 반구형 형상을 가지는 상단부(42b)의 높이(H2)는 29㎛이다. 이러한 치수를 가지는 글래스 광학부(42)는 종횡비(aspect ratio)가 4.81이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 제조하는 방법을 순차적으로 도해하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 제조하는 방법은 실리콘 기판(31)의 상면부에 서로 이격된 복수의 홈(32)을 형성하는 단계; 실리콘 기판(31) 상에 글래스 기판(41)을 적층하는 단계; 리플로우 공정을 이용하여 글래스 기판(41)의 적어도 일부가 복수의 홈을 각각 충전하는 단계; 및 복수의 홈을 충전한 글래스의 바닥이 노출되도록 실리콘 기판(31)의 후면부를 제거하는 단계;를 포함한다.

도 12의 (a)를 참조하면, 실리콘 기판(31)의 상면부에 서로 이격된 복수의 홈(32)을 형성한다. 복수의 홈(32)의 깊이는 실리콘 기판(31)을 관통하지 않도록 조절되어야 한다. 후속의 리플로우 공정에 의하여 홈(32)을 메우는 글래스가 실리콘 기판(31)의 하방으로 누출되지 않고 모여지도록 홈(32)의 바닥면은 실리콘 기판(31) 내에 위치한다. 복수의 홈(32)은 최종 단계의 실리콘 구조체(35)에서 서로 이격된 복수의 핀홀(32)에 해당한다. 복수의 홈(32)을 형성하는 공정은 건식 식각 공정(예를 들어, DRIE(Deep reactive-ion etching) 공정)을 포함할 수 있다.

도 12의 (b)를 참조하면, 실리콘 기판(31) 상에 글래스 기판(41)을 적층한다. 실리콘 기판(31) 상에 글래스 기판(41)을 적층하는 단계는, 예를 들어, 양극 접합(anodic bonding) 공정으로 실리콘 기판(31) 상에 글래스 기판(41)을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.

도 12의 (c)를 참조하면, 열을 인가한 리플로우 공정을 이용하여 글래스 기판(41)의 적어도 일부가 복수의 홈(32)을 각각 충전(filling)할 수 있다. 리플로우 공정에 의하여 홈(32)을 채우는 글래스는 실리콘 기판(31)과 접합될 수 있다. 글래스로 홈(32)을 충전한 부분은 최종 단계의 실리콘 구조체(35)에서 글래스 광학부(42)에 해당한다. 리플로우 공정을 수행한 후 글래스 기판(41)의 상면을 평탄화하기 위하여 화학기계적 연마(CMP) 공정을 적용할 수 있다.

도 12의 (d)를 참조하면, 실리콘 기판(41)의 상면부 중 복수의 홈(32) 사이에 형성된 부분(43)의 글래스를 제거할 수 있다. 상기 글래스 제거 작업은, 예를 들어, 습식 식각 공정으로 구현될 수 있다.

도 12의 (e)를 참조하면, 잔존하는 글래스 부분은 상단부가 반구형의 형상을 가지도록 열을 인가한 리플로우 공정을 추가로 적용할 수 있다. 상단부가 반구형의 형상을 가지면서 마이크로 렌즈의 기능을 수행할 수 있다.

도 12의 (f)를 참조하면, 복수의 홈(32)을 충전한 글래스의 바닥이 노출되도록 실리콘 기판(31)의 후면부를 제거한다. 상기 실리콘 기판(31)의 후면부 제거 공정은, 예를 들어, 화학기계적 연마(CMP) 공정을 적용할 수 있다. 복수의 홈(32)을 충전한 글래스의 바닥이 노출되도록 실리콘 기판(31)의 후면부를 제거함으로써, 서로 이격된 복수의 핀홀(32)과 핀홀을 한정하는 격벽(33)을 구비하는 실리콘 구조체(35); 및 복수의 핀홀을 각각 충전(filling)하는 글래스 광학부(42);를 포함하는 광학 구조체(50)가 구현된다.

도 12를 참조하면, 생체 패턴에서 반사되어 돌아온 빛이 대응되는 이미지 센서 픽셀이 아닌 인접한 픽셀로 입사되는 광학 크로스톡을 방지하기 위해 수직 입사 성분만 투과하도록 기능하는 실리콘 구조체를 설계하였다. 해당 구조는 이미지 센서 각 픽셀에 위치한 유효 유기 포토 다이오드 크기(58㎛ × 58㎛)에 대응되도록 반경 29㎛의 원기둥 형의 핀홀이 뚫린 구조로 설계되었다. 핀홀의 종횡비는 1:5 ~ 1:20 정도의 범위를 가질 수 있다. 크로스톡을 최소화하기 위해 핀홀의 격벽은 수직입사 성분이 아닌 빛을 흡수할 수 있어야 하며, 따라서 가시광선 대역을 흡수하는 실리콘(Si) 기판에 식각 공정을 진행하는 것을 통해 실리콘 구조체를 구현하였다.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 13은 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서 및 디스플레이의 평면 배치도의 일부를 도해하는 도면이다.

도 1 내지 도 13을 함께 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서는 광방식의 언더 디스플레이(Under display)에 적용할 수 있는 지문/정맥 일체형 센서 레이아웃(Layout)을 가진다. 본 설계는 300ppi 해상도를 갖는 픽셀 피치(Pixel pitch)로 설계되었으며 (Unit pixel : 84㎛ × 84㎛, 액티브 매트릭스 라인(Active Matrix Line) 수: 400 × 400 Line), 3.36 cm × 3.36 cm 센서 면적을 가진다. 이는 스마트 오피스 보안 등 상용 센서에 적용하기 적합한 면적이다.

또한 최근 디스플레이의 개발 추세 중 하나인 고해상도를 충족할 수 있기 위해 300ppi로 설계된 이미지 센서 및 광학계와 함께 동작할 수 있는 600ppi 고해상도 디스플레이 서브픽셀 배치가 도 13과 같이 제공될 수 있다. 디스플레이의 각 픽셀은 RGB 서브픽셀 및 하나의 개구부(65; aperture)로 설계되어 있으며, 각 개구부(65)는 지문 혹은 정맥에서 반사된 빛이 디스플레이와 광학계를 통과해 패널 하부에 매립된 이미지 센서의 각 픽셀로 입사되도록 한다.

센서 구동 및 생산에 적합한 Back Channel Etch (BCE) 구조의 Al-InSnZnO 산화물 트랜지스터와 상기 트랜지스터에 인접하여 적층되어 지문 인식에 필요한 청색광과 정맥 인식에 필요한 적색광에 반응하는 PM6:Y7 유기 포토 다이오드, 상기 트랜지스터 및 다이오드 어레이가 빛을 선별적으로 인식할 수 있도록 유도하는 상술한 광학 구조체를 포함하는 지문/정맥 복합 생체인식 센서 어레이를 포함한다.

본 발명의 실험예의 상기 광학 구조체 상부에서 기존의 600ppi 고해상도 디스플레이 광원을 그대로 사용하여 300ppi 고해상도 센서에 적용할 수 있도록, 단위 픽셀 당 R,G,B 서브 픽셀과 하나의 개구부(Aperture)를 포함하여 설계된 디스플레이 서브 픽셀을 더 포함한다. 광학 구조체를 구성하는 실리콘 구조체는 단위 픽셀에 존재하는 유기 포토 다이오드의 유효 크기(58㎛ × 30㎛)에 대응되도록 반경 29㎛의 원기둥 형의 핀홀이 뚫린 구조(종횡비 1:5 ~ 1:20)를 가지며 픽셀 간의 광 간섭(크로스톡)을 최소화한다.

상술한 생체인식 센서에 의하면, 번거롭게 이미지 센서와 손가락, 손등, 손목 등 사이의 거리를 3cm 이상 멀게 유지해야 하는 종래의 이미징 시스템의 단점에서 벗어나 접촉거리를 1 cm 이내로 줄여 사용자의 편의성을 높이고, 카메라로 촬영하여 생기는 생체 정보의 왜곡을 최소화하여 실시간으로 지문과 정맥의 이미지를 얻을 수 있게 한다. 또한 종래의 기술에서 극복하지 못했던, 이미지 간섭 현상을 추가로 해결하기 위해 서로 이격된 복수의 핀홀과 핀홀을 한정하는 격벽을 구비하는 실리콘 구조체; 및 복수의 핀홀을 각각 충전하는 글래스 광학부;를 정교하게 설계함으로써 생체 인식 센서 플랫폼을 제공해 준다. 이는 지문과 정맥의 이중 보안을 가능하게 하고, 멀티 모달 센서로서 적용 가능성을 제시한다.

마이크로 렌즈의 기능을 수행하는 글래스 광학부는, 예를 들어, 이미지 센서 단위 픽셀 크기인 84㎛에 맞게 직경 58㎛, 높이 250㎛의 원통형 구조에 반경 29㎛의 반구형 구조가 결합된 형태로 설계되고, 인접한 렌즈 간의 빛의 누수를 막기 위해 흡광물질 (black PDL)을 격벽을 더 포함할 수 있다.

도 14는 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 트랜지스터의 동작을 나타낸 그래프이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서는 안정적인 구동 및 생산성을 고려하여 BCE (Back-channel Etch) 구조를 채택하였으며, Al:InSnZnO 산화물 반도체를 Active layer로 사용하였는 바, 안정적인 Switching TFT 구동이 구현됨을 확인할 수 있다.

도 15 및 도 16은 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 포토 다이오드에 가해진 전압에 따른 전류 밀도의 변화 및 파장 별 양자 효율 및 responsivity 특성을 나타낸 그래프이다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 유기 포토 다이오드는 PM6(PBDB-T-2F)와 Y7(BTP-4Cl)로 이루어진 광흡수층을 사용하고 있으며, 양호한 responsivity 값 특성을 가진다(630nm 파장에서 0.3A/W 이상). 기존 정맥 인식 장치의 경우 850nm 등 근적외선 파장을 주로 이용하였으나, 본 발명의 실험예에 따른 장치는 디스플레이에 별도의 근적외선 광원을 추가하는 방법 대신 실제 디스플레이에서 사용하는 적색광(630nm)을 사용하여 정맥을 인식할 수 있도록 하였다. 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 유기 포토 다이오드에서 유효하게 반응하는 파장대는 지문 인식을 위한 청색광은 파장이 약 400 ~ 500nm이며, 정맥 인식을 위한 적색광은 파장이 약 600 ~ 750nm일 수 있다.

도 17은 본 발명의 실험예에 따른 생체인식 센서에서 광학 구조체의 해상력을 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

도 17을 참조하면, 해당 광학계의 해상력을 계산하기 위해 라인 패턴(line pattern)을 이용한 시뮬레이션을 진행 시 300ppi에서의 콘트라스트(contrast)값은 0.8 정도로 생체 패턴 추출에 적합한 해상력으로 판단된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 트랜지스터
20: 포토 다이오드
32: 핀홀
33: 격벽
35: 실리콘 구조체
42: 글래스 광학부
50: 광학 구조체
90: 지문 및/또는 정맥

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 실리콘 기판의 상면부에 서로 이격된 복수의 홈을 형성하는 단계;
   양극 접합(anodic bonding) 공정으로 실리콘 기판 상에 글래스 기판을 적층하는 단계;
   리플로우 공정을 이용하여 글래스 기판의 적어도 일부가 복수의 홈을 각각 충전하는 단계;
   실리콘 기판의 상면부 중 복수의 홈 사이에 형성된 글래스를 습식식각공정으로 제거하는 단계; 및
   복수의 홈을 충전한 글래스의 바닥이 노출되도록 실리콘 기판의 후면부를 제거하는 단계;를 포함하는,
   생체인식 센서용 광학 구조체의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   글래스는 흡광물질 (black PDL) 격벽을 더 포함하는,
   생체인식 센서용 광학 구조체의 제조 방법.
8. 삭제
9. 트랜지스터;
   트랜지스터에 인접하여 배치되며, 지문 인식을 위한 청색광 또는 정맥 인식을 위한 적색광 내지 근적외광에 반응하는 포토 다이오드; 및
   포토 다이오드 상에 광을 선별적으로 유도하도록 배치되는 광학 구조체를 포함하되,
   광학 구조체는 서로 이격된 복수의 핀홀과 핀홀을 한정하는 격벽을 구비하는 실리콘 구조체; 및 복수의 핀홀을 각각 충전(filling)하는 글래스 광학부;를 포함하며, 글래스 광학부의 적어도 일부는 리플로우(reflow) 공정으로 글래스가 격벽과 접합되며, 복수의 핀홀은 실리콘 구조체를 상하로 관통하되, 격벽은 수직 입사 성분이 아닌 광을 흡수하며,
   트랜지스터, 포토 다이오드 및 광학 구조체는 광원을 구비하는 디스플레이의 하부에 배치되는 언더 디스플레이(under display) 구조체이고,
   지문 인식을 위한 청색광 또는 정맥 인식을 위한 적색광은 디스플레이의 광원에서 발광된 가시광선이 지문 또는 정맥에서 반사된 청색광 또는 적색광인,
   생체인식 센서.
10. 제 9 항에 있어서,
    트랜지스터는 Al-ITZO(Al-doped InSnZnO), IZO(Indium zinc oxide), InO(Indium oxide), ZnON(Zinc oxynitride), InON(Indium oxynitride) 또는 IGZO(InGaZnO)를 포함하는 산화물 트랜지스터인,
    생체인식 센서.
11. 제 9 항에 있어서,
    포토 다이오드는 유기 물질로 이루어진 광흡수층을 포함하는,
    생체인식 센서.
12. 제 11 항에 있어서,
    포토 다이오드는 전자 도너(donor)인 PM6(PBDB-T-2F) 및 전자 억셉터(acceptor)인 Y7(BTP-4Cl)로 이루어진 광흡수층; 전자 도너(donor)인 PTB7-Th 및 전자 억셉터(acceptor)인 IEICO-4F로 이루어진 광흡수층; 또는 전자 도너(donor)인 P3HT 및 전자 억셉터(acceptor)인 PCBM로 이루어진 광흡수층;을 포함하는,
    생체인식 센서.
13. 제 9 항에 있어서,
    포토 다이오드는 페로브스카이트(Perovskite)를 포함하는 광흡수층; 또는 실리콘과 갈륨비소(GaAs)를 포함하는 광흡수층;을 포함하는,
    생체인식 센서.
14. 제 9 항에 있어서,
    글래스 광학부는 흡광물질 (black PDL) 격벽을 더 포함하는,
    생체인식 센서.
15. 삭제

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