KR102429415B1 - 편광기를 갖는 광학 필터 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 광학 필터는, 기판, 기판의 일면 상에 배치된 편광 전환기, 기판의 타면 상에 배치된 선형 편광기, 및 상기 편광 전환기와 상기 선형 편광기 사이에서 상기 기판 상에 배치된 제1 필터 적층체를 포함한다.

Description

편광기를 갖는 광학 필터{OPTICAL FILTER WITH POLARIZER}
본 발명은 3D 이미지 센서용 광학 필터에 관한 것으로, 특히, 편광기를 갖는 광학 필터에 관한 것이다.
지문 인식 센서와 같은 생체 정보를 이용하는 3D 이미지 센서가 다양한 용도로 사용되고 있다. 최근에는, 이미지가 디스플레이되는 화면 아래에 지문 인식 센서를 내장하여 화면측에서 지문 인식을 수행할 수 있는 디스플레이 장치가 개발되어 사용되고 있다.
디스플레이 장치는 광원을 이용하여 광을 지문에 조사하고, 지문에서 반사된 광이 이미지 센서에 입사되어 이미지가 검출된다. 이미지 센서는 특정 파장에 대한 감응도가 높기 때문에, 광원은 이미지 센서가 감지하기에 적합한 파장의 광을 방출하도록 선택된다.
한편, 디스플레이 장치에서 조사된 광 이외에 주변 광이 이미지 센서로 입사될 수 있다. 주변 광은 이미지 센서의 센싱 정확성을 떨어뜨린다. 주변 광에 의해 이미지 센서의 민감도가 감소하는 것을 방지하기 위해 이미지 센서로 입사되는 주변 광을 차단할 필요가 있다. 이를 위해 요구되는 파장 대역의 광을 투과시키거나 차단하는 광학 필터가 사용된다. 광학 필터는 특히 신호 대 잡음비를 증가시켜 이미지 센서의 센싱 정확성을 향상시킨다.
한편, 디스플레이 장치는 일반적으로 화면 근처에 배치된 편광기를 포함한다. 특히, 원형 편광기가 화면 근처에 배치될 수 있다. 원형 편광기는 선형 편광된 광을 원형 편광시키고, 원형 편광된 광을 선형 편광시킨다. 따라서, 디스플레이 장치 외부에서 내부로 입사되는 광은 원형 편광된다. 편광된 광은 이미지 센서의 센싱 정확성을 높일 수 있으므로, 이러한 편광된 광을 이용할 수 있는 센싱 시스템이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 디스플레이 장치의 화면 내장 이미지 센서에 적합한 광학 필터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 원형 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환하여 선형 편광된 광을 이미지 센서에 제공할 수 있는 광학 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 필터는, 기판; 상기 기판의 일면 상에 배치된 편광 전환기; 상기 기판의 타면 상에 배치된 선형 편광기; 및 상기 편광 전환기와 상기 선형 편광기 사이에서 상기 기판 상에 배치된 제1 필터 적층체를 포함한다.
상기 광학 필터는 필터 적층체와 함께 편광 전환기 및 선형 편광기를 포함함으로써 요구되는 파장의 광을 선택적으로 투과시킴과 아울러 편광된 광을 투과시킬 수 있다. 나아가, 상기 광학 필터는 편광 전환기와 선형 편광기를 포함함으로써 원형 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환할 수 있다.
상기 광학 필터는 상기 편광 전환기와 상기 선형 편광기 사이에서 상기 기판에 대해 상기 제1 필터 적층체의 반대쪽에 배치된 반사 방지 코팅 또는 제2 필터 적층체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 편광 전환기는 2차원으로 배열된 금속 아일랜드들로 형성될 수 있다. 상기 금속 아일랜드들은 종축 방향의 폭이 횡축 방향의 폭보다 큰 형상을 가질 수 있다. 금속 아일랜드들에 의해 횡축 방향에 비해 종축 방향의 위상을 지연시켜 광을 원형 또는 타원형으로 편광시키거나 원형 또는 타원형으로 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 아일랜드들은 횡축 및 종축 방향으로 50nm 내지 400nm 범위 내의 피치로 배치될 수 있다.
상기 선형 편광기는 서로 평행한 금속 라인들의 패턴을 가질 수 있다.
나아가, 상기 선형 편광기는 선형 철부들을 갖는 폴리머를 더 포함할 수 있으며, 상기 금속 라인들은 상기 선형 철부들 상에 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 라인들 각각은 대응하는 철부의 일측 측면을 부분적으로 덮을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 편광 전환기는 원형 편광기일 수 있다.
또한, 상기 제1 필터 적층체는 적외선 컷오프 필터일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 필터 적층체와 함께 편광 전환기 및 선형 편광기를 포함함으로써 요구되는 파장의 광을 선택적으로 투과시킴과 아울러 편광된 광을 투과시킬 수 있는 광학 필터를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 광학 필터는 화면 근처에 편광기를 갖는 디스플레이 장치에서 화면 내장 이미지 센서용으로 적합하게 사용될 수 있다. 나아가, 상기 광학 필터는 편광 전환기와 선형 편광기를 포함함으로써 원형 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환하여 이미지 센서에 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광기를 갖는 광학 필터를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1의 배면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에 있어서, 어느 구성요소(element)가 다른 구성요소의 "상(on)" 에 있다고 기재된 경우, 그 구성요소(element)가 다른 구성요소의 바로 위에 있는 경우만으로 한정되는 것이 아니라, 또 다른 구성요소가 이들 사이에 개재된 경우도 포함된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광기를 갖는 광학 필터를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 1의 배면도이다.
도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 광학 필터는 기판(21), 제1 필터 적층체(23), 제2 필터 적층체(25), 편광 전환기, 및 선형 편광기(30)를 포함할 수 있다.
기판(21)은 요구되는 파장의 광을 투과하는 투명 기판으로, 예컨대 유리 기판 또는 석영 기판일 수 있다. 유리 기판(100)의 굴절률은 약 1.5일 수 있다. 기판(21)은 제1 필터 적층체(23) 및 제2 필터 적층체(25)를 지지한다.
제1 필터 적층체(23)는 빛의 간섭을 이용하여 특정 파장의 광을 투과 또는 차단하기 위한 적층체로, 굴절률이 서로 다른 재료층들을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 필터 적층체(23)는 복수의 저굴절률층들 및 복수의 고굴절률층들이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 다른 실시에에 있어서, 제1 필터 적층체(23)는 복수의 저굴절률층들, 복수의 중굴절률층들, 및 복수의 고굴절률층들이 적층된 구조를 가질 수도 있다.
제1 필터 적층체(23)는 디스플레이 장치 내의 광원에서 방출되는 파장의 광을 투과시키도록 설계된다. 예를 들어, 디스플레이 장치 내의 광원이 가시광인 경우, 제1 필터 적층체(23)는 가시광 영역의 광을 투과시키고 적외선 영역의 광을 차단할 수 있다. 이와 달리, 디스플레이 장치 내의 광원이 적외선인 경우, 제1 필터 적층체(23)는 가시광 영역의 광을 차단하고 적외선 영역의 광을 투과시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 필터 적층체(23)는 특정 파장 대역의 광을 투과하도록 설계될 수도 있고, 따라서 밴드 패스 필터를 제공할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 필터 적층체(23)는 장파장 또는 단파장측의 광을 투과시키도록 설계될 수 있고, 따라서, 컷오프 필터를 제공할 수 있다. 제1 필터 적층체(23) 내의 각 층들의 재료, 두께, 제1 필터 적층체(23)의 적층 구조 등은 원하는 파장의 광을 투과 또는 차단하도록 결정될 수 있다.
제2 필터 적층체(25)는 기판(21)을 투과한 광 중 특정 파장의 광을 투과하거나 차단할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 필터 적층체(25)는 광학 필터의 차단 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 제1 필터 적층체(23)는 특정 파장 대역의 광을 높은 투과도로 통과시키도록 설계될 수 있으며, 이 경우, 제1 필터 적층체(23)는 특정 파장 대역 이외의 파장을 갖는 광의 일부에 대해 차단 성능이 떨어질 수 있다. 제2 필터 적층체(25)는 제1 필터 적층체(23)가 투과하는 특정 파장 대역의 광을 투과시킴과 아울러, 상기 특정 파장 대역의 광 이외의 파장을 갖는 광 중 제1 필터 적층체(23)에 의해 차단되지 않은 광을 차단할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 제2 필터 적층체(25)는 제1 필터 적층체(23)와 유사하게 장파장 또는 단파장 컷오프 필터용으로 제공될 수도 있다. 나아가, 제1 필터 적층체(23)와 제2 필터 적층체(25)의 조합에 의해 밴드 패스 필터가 제공될 수도 있다.
제2 필터 적층체(25)는 기판(21)에 대해 제1 필터 적층체(23)의 반대면에 제공될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 필터 적층체(25)는 제1 필터 적층체(21)와 동일면측에 배치될 수도 있다.
제2 필터 적층체(25)도 굴절률이 서로 다른 재교층들을 포함할 수 있으며, 제2 필터 적층체(25) 내의 각 층들의 재료, 두께, 적층 구조 등은 원하는 파장의 광을 투과 또는 차단하도록 결정될 수 있다.
한편, 본 명세서에서, 제2 필터 적층체(25)가 기판(21) 상에 배치된 것으로 설명하지만, 제2 필터 적층체(25) 대신에 반사 방지 코팅이 배치될 수 있다. 이 경우, 반사 방지 코팅은 기판(21)에 대해 제1 필터 적층체(23)의 반대쪽에 배치되며, 기판(21) 면에서 발생될 수 있는 반사를 방지한다.
편광 전환기는 입사광의 횡축과 종축의 위상 차이를 발생시킨다. 예컨대, 횡축이 빠른 축이고, 종축이 느린 축이다. 편광 전환기는, 예를 들어, 복굴절 물질을 이용한 4분파장판(quater-wave plate), 마이크로 프리즘 등을 이용하여 제조될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 편광 전환기는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 2차원으로 배열된 금속 아일랜드들(27)의 패턴을 이용하여 형성될 수 있다.
금속 아일랜드들(27)은 횡축의 폭(W1)과 종축의 폭(W2)이 서로 다른 형상을 가지며, 횡축으로 제1 피치(P1)를 갖고, 종축으로 제2 피치(P2)를 가질 수 있다. 예를 들어, 금속 아일랜드(27)는 종축의 폭(W2)이 횡축의 폭(W1)보다 큰 직사각형 형상을 가질 수 있다. 폭(W1 및 W2) 및 피치(P1 및 P2)는 가시광의 파장보다 작은 값을 가지며, 폭(W1, W2)은 약 80nm 내지 200nm 범위 내의 값을 갖는다. 예를 들어, W1은 약 120nm이고, W2는 약 160nm일 수 있으며, 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)는 약 50 내지 400nm 범위 내, 나아가, 약 100 내지 300nm 범위 내일 수 있으며, 예를 들어, 약 200nm일 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예들이 금속 아일랜드의 형상을 직사각형 형상에 한정하는 것은 아니며, 종축과 횡축의 위상 차이를 발생시킬 수 있는 한 금속 아일랜드(27)의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
금속 아일랜드들(27)은 제1 필터 적층체(23) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 금속 아일랜드들(27)은 사진 및 식각 기술 또는 리프트 오프 기술을 이용하여 형성될 수 있으며, 또는 나노 임프린트 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
선형 편광기(30)는 선형 철부들(29a)을 갖는 폴리머(29), 및 상기 선형 철부들(29a) 상에 배치된 금속 라인들(31)을 포함할 수 있다.
선형 철부들(29a)은 나노 임프린트 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 자외선 경화용 레진을 제2 필터 적층체(25) 상에 도포하고, 나노 임프린트 몰드를 이용하여 레진을 프레스함으로써 서로 평행한 철부들(29a)과 철부들(29a) 사이에 요부들을 형성할 수 있다. 그 후, 자외선 경화용 레진을 자외선을 이용하여 경화시킴으로서 폴리머(29)를 제작할 수 있다. 나노 임프린트 기술을 이용함으로써 약 100nm 이하의 폭을 갖는 철부들(29a)을 형성할 수 있다.
금속 라인들(31)은 서로 평행하게 배열되어 광을 선형으로 편광시키거나 선형으로 편광된 광을 투과시킨다. 금속 라인들(31)은 피치(P3)가 약 130nm 이하이고, 폭(W3)이 약 70nm 이하이다. 금속 라인들(31)의 폭은 피치(P3)이 1/2일 수 있다.
금속 라인들(31)의 폭이 70nm 이하로 매우 작기 때문에, 금속 라인들(31)은 통상의 사진 및 식각 공정이나 리프트 오프 공정을 이용하여 형성하기 어렵다. 이에 따라, 본 실시예에 있어서, 금속 라인들(31)은 선형 철부들(29a)을 갖는 폴리머(29)에 경사 증착 기술을 이용하여 금속층을 증착함으로써 형성될 수 있다.
즉, 선형 철부들(29a)이 형성된 폴리머(29)가 경사지게 배치되도록 하거나, 타겟을 경사지게 배치하여 경사 증착을 수행함으로써 금속층을 선형 철부들(29a)의 상면 및 일측 측면에 증착시킬 수 있다. 경사 증착은 예를 들어, 전자빔 증발 기술이나 스퍼터링 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 경사 증착에 의해 선형 철부들(29a)의 일측 측면의 상부측에 금속층이 부분적으로 증착될 수 있으며, 타측 측면 및 철부들(29a) 사이의 영역은 그림자 효과에 의해 금속층이 증착되지 않는다.
이에 따라, 선형 철부들(29a)의 폭과 대체로 유사한 폭을 갖는 금속 라인들(31)을 형성할 수 있다.
금속 라인들(31)의 길이 방향은 편광 전환기에 의해 선형으로 편광된 광을 투과시키기 위해 편광 전환기의 광축에 대해 약 45도 기울어질 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 편광 전환기가 제1 필터 적층체(23) 상에 배치되고, 선형 편광기(30)가 제2 필터 적층체(25) 또는 반사 방지 코팅 상에 배치된 것으로 도시 및 설명하지만, 편광 전환기와 선형 편광기(30)는 서로 위치를 바꿀 수 있다.
본 실시예에 따르면, 선형 철부들(29a)을 갖는 폴리머(29)를 이용하여 금속 라인들(31)을 형성함으로써 100nm 이하의 좁은 폭을 갖는 금속 라인들(31)을 형성할 수 있으며, 이러한 좁은 폭을 갖는 금속 라인들(31)을 이용함으로써 가시광이나 근적외선을 선형 편광시킬 수 있는 선형 편광기를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 편광 전환기와 선형 편광기(30)를 포함하는 광학 필터를 제공할 수 있으며, 이에 따라, 투과하는 광의 파장뿐만 아니라 편광 특성을 이용함으로써 이미지 센서의 센싱 정확도를 향상시킬 수 있는 광학 필터가 제공될 수 있다.
나아가, 편광 전환기와 선형 편광기(30)를 금속 나노 구조의 패턴을 이용하여 형성함으로써 시트 또는 마이크로 프리즘을 이용한 선형 편광기나 편광 전환기를 사용하는 것보다 더 컴팩트한 광학 필터를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 광학 필터는 예를 들어 지문 인식 센서용 광학 필터에 적합하게 사용될 수 있으며, 특히, 화면 내장 지문 인식 센서용 광학 필터에 적합하다. 이 경우, 디스플레이 장치의 편광기의 광축 방향에 맞추어 편광 전환자 및 선형 편광기의 광축방향이 정렬된다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양하게 변형될 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판의 일면 상에 배치된 편광 전환기;
    상기 기판의 타면 상에 배치된 선형 편광기; 및
    상기 편광 전환기와 상기 선형 편광기 사이에서 상기 기판 상에 배치된 제1 필터 적층체를 포함하는 광학 필터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광 전환기와 상기 선형 편광기 사이에서 상기 기판에 대해 상기 제1 필터 적층체의 반대쪽에 배치된 반사 방지 코팅 또는 제2 필터 적층체를 더 포함하는 광학 필터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광 전환기는 2차원으로 배열된 금속 아일랜드들로 형성된 광학 필터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 금속 아일랜드들은 종축 방향의 폭이 횡축 방향의 폭보다 큰 형상을 갖는 광학 필터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 금속 아일랜드들은 횡축 및 종축 방향으로 50nm 내지 400nm 범위 내의 피치로 배치된 광학 필터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 선형 편광기는 서로 평행한 금속 라인들의 패턴을 갖는 광학 필터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 선형 편광기는 선형 철부들을 갖는 폴리머를 더 포함하고,
    상기 금속 라인들은 상기 선형 철부들 상에 배치된 광학 필터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 금속 라인들 각각은 대응하는 철부의 일측 측면을 부분적으로 덮는 광학 필터.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광 전환기는 원형 편광기인 광학 필터.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 필터 적층체는 적외선 컷오프 필터인 광학 필터.
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