KR200495784Y1

KR200495784Y1 - 안티 크로스 토크 구조를 구비하는 광학 생체 특징 센서

Info

Publication number: KR200495784Y1
Application number: KR2020200002437U
Authority: KR
Inventors: 씨. 에스. 초우 브루스; 판 첸-치
Original assignee: 이지스 테크놀로지 인크.
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-08-18
Also published as: TWM602668U; CN212783451U; KR20210001590U

Abstract

광학 생체 특징 센서로서, 인접한 제1 광 센싱 소자 및 제2 광 센싱 소자를 구비하는 센싱 기판; 상기 센싱 기판 상에 위치하고 인접한 제1 광홀 및 제2 광홀을 포함하는 차광층 및 상기 차광층 상 및 상기 제1 광홀과 상기 제2 광홀에 위치하는 투광성 지지층을 적어도 포함하는 광 모듈층; 및 상기 광 모듈층 상에 위치하는 복수의 마이크로 렌즈를 적어도 포함하고, 상기 복수의 마이크로 렌즈는 인접한 제1 마이크로 렌즈 및 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제1 마이크로 렌즈는 물체로부터의 정방향 광을 집광시켜 상기 광 모듈층 및 상기 제1 광홀을 통해 상기 제1 광 센싱 소자에 도달시키고, 상기 차광층은, 상기 물체로부터의 경사광이 제2 마이크로 렌즈 및 상기 광 모듈층을 통과하여 상기 차광층 상에 닿되 상기 제1 광홀 및 상기 제1 광 센싱 소자 내로 진입되지 않도록 기설정된 두께를 갖는다.

Description

안티 크로스 토크 구조를 구비하는 광학 생체 특징 센서{OPTICAL BIOMETRIC SENSOR WITH ANTI-CROSS-TALK STRUCTURE}

본 고안은 광학 생체 특징 센서에 관한 것으로, 특히 두꺼워진 차광층을 이용하여 안티 크로스 토크 효과를 달성하는 안티 크로스 토크 구조를 구비하는 광학 생체 특징 센서에 관한 것이다.

현재 모바일 전자 장치(예를 들어 휴대폰, 태블릿 PC, 노트북 등)에는 일반적으로 개인 데이터 안전을 보호하기 위한 지문, 얼굴 모양, 홍채 등 다양한 기술을 포함하는 사용자 생체 인식 시스템이 장착되어 있다. 여기서, 예를 들어 휴대폰 또는 스마트 워치 등 휴대형 장치 또한 모바일 결제 기능을 겸비하므로 사용자에 대한 생체 인식은 더더욱 표준화 기능으로서 작용한다. 또한 휴대폰 등 휴대형 장치의 발전 추세가 풀-스크린(또는 슈퍼 슬림 베젤)이므로 종래의 정전 용량형 지문 버튼을 더 이상 사용할 수 없게 되고, 나아가 새로운 소형 광학 이미징 장치(상보성 금속산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS)의 이미지 센서(Image Sensor (약칭 CIS)) 센싱 어셈블리 및 광학 렌즈 모듈을 갖는 종래의 카메라 모듈과 매우 유사함)로 진화되었다. 소형 광학 이미징 장치를 스크린 하부(스크린 아래로 지칭할 수 있음)에 설치하고, 스크린(특히 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED) 스크린)을 통해 부분적으로 투광성시키면 스크린 상부에 가압된 물체의 이미지, 특히 디스플레이 내장형 지문 인식(Fingerprint On Display, FOD)으로 지칭 가능한 지문 이미지를 캡처할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 각각 종래의 광학 지문 센서의 모식도를 도시하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 스크린 하부 TFT 광학 지문 센서(300)는 센싱 기판(310) 및 광기계 구조(320)를 구비함으로써 캡처 목적을 달성하나, 광기계 구조(320)는 콜리메이터(collimator)로 사용되는 파이버 광학 판(Fiber Optical Plate, FOP)으로서 FOP는 가격이 높고 생산 능력이 낮은 문제점이 있어 광학 지문 센서의 발전에 불리하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 다른 스크린 하부 TFT 광학 지문 센서(400)는 센싱 기판(410) 및 광기계 구조(420)를 구비하여 캡처 목적을 달성하나, 광기계 구조(420)는 렌즈 필름의 파이버 콜리메이터이고, 마이크로 렌즈 필름은 롤 투 롤(Roll to Roll) 제조 공정을 통해 생산되어 가격이 저렴하고 생산 능력이 우수하지만 여전히 성능 저하 등 문제점이 존재한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 광기계 구조(420)는 차광층(425), 투명성 유전층(422) 및 복수의 마이크로 렌즈(424)를 구비한다. 종래의 설계는 주로 차광층(425)이 광홀(423)에서 신호광인 정방향 광(L1)을 투광하는 효과를 달성할 수 있는 한 사용 가능한 것으로 고려하므로 광홀(423)의 홀 직경에 대한 설계만 알려져 있다. 그러나, 일부 상황에서, 차광층(425)이 적절하게 설계되지 않으면, 광 센싱 소자(411)에 의해 수신된 신호광에 대한 경사광(L2)의 크로스 토크(누화(cross-talk))이 발생됨으로 인해 신호광의 신호대 잡음비가 저하되어 지문 이미지의 품질이 나빠진다.

따라서, 본 고안의 목적은 두꺼워진 차광층을 이용하여 안티 크로스 토크 효과를 달성하되, 차광층의 두께가 그의 다른 어셈블리의 레이아웃 파라미터에 의해 결정되는, 안티 크로스 토크 구조를 구비하는 광학 생체 특징 센서를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 고안은 인접한 제1 광 센싱 소자 및 제2 광 센싱 소자를 구비하는 센싱 기판; 상기 센싱 기판 상에 위치하고 인접한 제1 광홀 및 제2 광홀을 포함하는 차광층, 및 상기 차광층 및 상기 제1 광홀과 상기 제2 광홀에 위치하는 투광성 지지층을 적어도 포함하는 광 모듈층; 및 상기 광 모듈층 상에 위치하는 복수의 마이크로 렌즈를 적어도 포함하고, 상기 복수의 마이크로 렌즈는 인접한 제1 마이크로 렌즈 및 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제1 마이크로 렌즈는 물체로부터의 정방향 광을 집광하고 상기 광 모듈층 및 상기 제1 광홀을 통과시켜 상기 제1 광 센싱 소자에 도달시키고, 상기 차광층은, 상기 물체로부터의 경사광이 제2 마이크로 렌즈 및 상기 광 모듈층을 통과하여 상기 차광층 상에 닿되 상기 제1 광홀 및 상기 제1 광 센싱 소자 내로 진입되지 않도록 기설정된 두께를 가지며, 상기 차광층의 상기 기설정된 두께는 t이고, 상기 제1 광홀의 홀 직경은 d이며, 상기 광 모듈층의 두께는 H이고, 상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 제2 마이크로 렌즈 사이의 중심 간격은 P이며, (t/d)>0.3*(H/P), t<H, d<P인 광학 생체 특징 센서를 제공한다.

상기 광학 생체 특징 센서에 따르면, 두꺼워진 차광층을 이용하여 안티 크로스 토크 효과를 달성할 수 있고, 차광층의 두께는 광학 생체 특징 센서의 다른 어셈블리의 레이아웃 파라미터에 의해 결정된다. 해당 차광층은 안티 크로스 토크 구조로서, 인접한 마이크로 렌즈에 의해 전달된 크로스 토크를 방지할 수 있으므로 광학 생체 특징 센서에 의해 획득된 생체 특징 이미지 신호의 신호대 잡음비가 높아 품질이 우수한 지문 이미지를 획득할 수 있다.

아래, 본 고안의 상기 내용을 보다 명확하고 이해하기 쉽도록 첨부 도면과 함께 바람직한 실시예를 통해 하기와 같이 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 각각 종래의 3가지 광학 지문 센서의 모식도를 도시한다.
도 4는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 광학 생체 특징 센서의 모식도를 도시한다.
도 5는 도 4의 일 변형예의 모식도를 도시한다.
도 6은 도 4 및 도 5의 응용 상황의 모식도를 도시한다.
도 7은 도 4 및 도 5의 다른 응용 상황의 모식도를 도시한다.
도 8은 도 4의 다른 변형예의 모식도를 도시한다.

도 4는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 광학 생체 특징 센서(100)의 모식도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광학 생체 특징 센서(100)는 지문 센서를 예로 들어 설명하나 본 고안은 이에 한정되지 않고 손가락의 혈관 이미지, 혈액 산소 농도 이미지 등 생체 특징, 또는 얼굴 모양, 홍채 등 생체 특징을 센싱할 수도 있고. 광학 생체 특징 센서(100)는 적어도 센싱 기판(10), 광 모듈층(20) 및 복수의 마이크로 렌즈(40)를 포함한다.

센싱 기판(10)은 어레이로 배열된 복수의 광 센싱 소자를 구비하되, 그 중 2개의 인접한 광 센싱 소자는 제1 광 센싱 소자(11) 및 제2 광 센싱 소자(12)로 정의된다.

광 모듈층(20) 적어도 차광층(25) 및 투광성 지지층(26)을 포함한다. 차광층(25)은 센싱 기판(10) 상에 위치하고 복수의 광홀을 포함하되, 그 중 2개의 인접한 광홀은 제1 광홀(21) 및 제2 광홀(22)로 정의된다. 투광성 지지층(26)은 차광층(25) 및 제1 광홀(21)과 제2 광홀(22) 내에 위치한다.

복수의 마이크로 렌즈(40)는 어레이로 배열되고, 광 모듈층(20) 상에 위치된다. 상기 복수의 마이크로 렌즈(40)는 인접한 제1 마이크로 렌즈(41) 및 제2 마이크로 렌즈(42)를 포함하고, 제1 마이크로 렌즈(41)는 물체(F)로부터의 정방향 광(L1)을 집광하고 광 모듈층(20) 및 제1 광홀(21)을 통과시켜 제1 광 센싱 소자(11)에 도달시킨다. 차광층(25)은 기설정된 두께를 갖는데, 상기 기설정된 두께는 대응되는 리프팅 높이를 가지며 센싱 기판(10), 광 모듈층(20) 및 마이크로 렌즈(40)의 물리적 특징 파라미터에 의해 결정되므로 물체(F)로부터의 경사광(L2)이 제2 마이크로 렌즈(42) 및 광 모듈층(20)을 통과한 후 제1 광홀(21) 및 제1 광 센싱 소자(11) 내로 진입되지 못하고 차광층(25) 상에 닿도록 한다.

정방향 광(L1)은 제1 광 센싱 소자(11)로부터 제1 마이크로 렌즈(41)까지의 발산각 범위, 예를 들어 ±3도 내지 ±20도 또는 ±30도의 발산각 범위를 갖는 광선을 포함할 수 있음에 유의해야 한다. 경사광(L2)은 정방향 광(L1) 이외의 광선을 포함하므로, 상기 광학 생체 특징 센서의 차광층 구조는 차광층의 두께를 증가시킴으로써 크로스 토크를 용이하게 방지할 수 있다.

도 4에서 투광성 지지층(26)은 단일 투명성 유전층을 포함하나 다른 예에서 투광성 지지층(26)은 예를 들어 적외선 필터층, 격자층 및 투명성 유전층 중 적어도 양자 또는 3자의 조합과 같은 다수 투명층의 조합을 포함할 수 있다. 한편, 제2 광 센싱 소자(12)와 차광층(25) 사이에는 다른 절연층 또는 절연층 그룹이 포함될 수 있고, 절연층 그룹은 금속 회로층 및 금속 층간 유전층 등을 포함할 수 있다. 본 예에서, 차광층(25)의 차광 부분은 중실 구조인 바, 즉 차광층(25)은 기설정된 두께 방향(도면에서 상하 방향)을 따라 중실 구조의 단면을 구비한다.

도 4에서, 기설정된 두께는 t이고, 제1 광홀(21)의 홀 직경은 d이며, 광 모듈층(20)의 두께는 H이고, 제1 마이크로 렌즈(41)와 제2 마이크로 렌즈(42) 사이의 중심 간격은 P이되, 여기서, (t/d)의 값는 0.3*(H/P)보다 크고, t<H, d<P이다. (t/d)는 제1 광홀(21)의 종횡비에 해당되는데, 출원인은 제조 공정에서 두께(H)와 중심 간격(P)의 비(적어도 0.3)에 따라 실시 가능한 경우 (t/d)의 값이 클수록 좋음을 발견하였다. 일부 예에서, (t/d)의 값은 2*(H/P)와 0.3*(H/P) 사이에 있거나, 1.8*(H/P)와 0.4*(H/P) 사이에 있거나, 1.6*(H/P)와 0.5*(H/P) 사이에 있거나, 1.4*(H/P)와 0.6*(H/P) 사이에 있거나, 1.3*(H/P)와 0.7*(H/P) 사이에 있거나, 1.2*(H/P)와 >0.8*(H/P) 사이 또는 1.1*(H/P)와 0.9*(H/P) 사이에 있다. 일례에서, (t/d)는 대략 (H/P)와 동일하다.

본 예에서, 센싱 기판(10)은 적어도 유리 기판(13)을 포함하고, 제1 광 센싱 소자(11)와 제2 광 센싱 소자(12)는 유리 기판(13) 상에 형성된다. 따라서, 광학 생체 특징 센서(100)는 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor, TFT) 광학 생체 특징 센서이다.

도 5는 도 4의 일 변형예의 모식도를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 예는 차광층(25)이 중공 차광층인 것을 제외하고는 도 4와 유사하다. 즉 차광층(25)은 기설정된 두께 방향으로 중공 구조의 단면을 구비한다. 차광층(25)은 적어도 제1 차광막(23) 및 제2 차광막(24)을 포함하고, 제1 차광막(23)은 센싱 기판(10) 상에 위치하며 인접한 제1 서브 광홀(23A) 및 제2 서브 광홀(23B)을 포함한다. 제2 차광막(24)은 제1 차광막(23)의 상부에 위치하고 인접한 제3 서브 광홀(24A) 및 제4 서브 광홀(24B)을 포함한다. 제1 광홀(21)은 제1 서브 광홀(23A) 및 제3 서브 광홀(24A)을 포함하고, 제2 광홀(22)은 제2 서브 광홀(23B) 및 제4 서브 광홀(24B)을 포함하며, 제1 차광막(23)과 제2 차광막(24) 사이의 최장 거리는 기설정된 두께와 동일하다. 기설정된 두께가 t이고, 제1 서브 광홀(23A)의 홀 직경이 d1이며, 제3 서브 광홀(24A)의 홀 직경이 d2인 경우, 제1 광홀(21)의 홀 직경(d)은 d1과 d2의 평균값으로 정의되고, t/[(d1+d2)/2]>0.3*(H/P), t<H, d1<P, d2<P이며, 제조 공정에서 실시 가능한 경우, t/[(d1+d2)/2]의 값은 클수록 좋다. 일부 예에서, t/[(d1+d2)/2]의 값은 2*(H/P)와 0.3*(H/P) 사이에 있거나, 1.8*(H/P)와 0.4*(H/P) 사이에 있거나, 1.6*(H/P)와 0.5*(H/P) 사이에 있거나, 1.4*(H/P)와 0.6*(H/P) 사이에 있거나, 1.3*(H/P)와 0.7*(H/P) 사이에 있거나, 1.2*(H/P) 내지 >0.8*(H/P) 사이 또는 1.1*(H/P)와 0.9*(H/P) 사이에 놓인다. 일례에서, t/[(d1+d2)/2]는 대략 (H/P)와 동일하고, 본 예에서, 비록 d1<d2이나, 다른 예에서 d1=d2 또는 d1>d2일 수 있다.

도 6은 도 4 및 도 5의 응용 상황의 모식도를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광학 생체 특징 센서(100)와 유사하고 또한 디스플레이 픽셀(미도시)과 교차 및 통합된 광학 생체 특징 센서(100')는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED) 디스플레이 또는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 또는 TFT 제조 공정에 응용되어 TFT 센서를 제조하기 위한 임의의 다른 디스플레이에 응용될 수 있는 인셀(in-cell) 센서이다. 따라서, 유리 기판(13)은 디스플레이(50)의 대향되는 두 투광성 기판(51, 52) 중 하나(이 경우, 도 6에서 하부의 투광성 기판(51)을 지칭하며, 유리 기판(13)은 투광성 기판(51)의 일부라고 표현할 수도 있음)이고, 두 투광성 기판(51, 52) 사이의 재료층은 OLED 또는 LCD에 구성된 재료층일 수 있다. 도 6은 로컬 범위 내의 광학 생체 특징 센서(100')를 예를 들어 설명하였으나 본 개시 내용은 이에 한정되지 않는다. 광학 생체 특징 센서(100')는 풀-스크린형 광학 생체 특징 센서가 되도록 전체 디스플레이(50)의 범위 전체를 커버하도록 연장될 수도 있다.

도 7은 도 4 및 도 5의 다른 응용 상황의 모식도를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광학 생체 특징 센서(100)는 OLED, LCD 또는 TFT 제조 공정에 응용되어 TFT 센서를 제조하기 위한 다른 디스플레이(50)의 하부에 설치될 수 있으며, 이는 독립적인 센서이다.

도 8은 도 4의 다른 변형예의 모식도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 예는 센싱 기판(10)이 적어도 하나의 반도체 기판(14)을 포함하고, 제1 광 센싱 소자(11)와 제2 광 센싱 소자(12)가 실리콘 기판과 같은 반도체 기판(14) 상에 형성되는 것을 제외하고는 도 4와 유사하다. 즉, 광학 생체 특징 센서(100)는 상보성 금속산화물 반도체(Complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)를 응용하는 이미지 센서이다.

상기 실시예에 따르면, 두꺼워진 차광층을 이용하여 안티 크로스 토크 효과를 달성하되, 차광층의 두께는 광학 생체 특징 센서의 다른 어셈블리의 레이아웃 파라미터에 의해 결정될 수 있다. 해당 차광층은 안티 크로스 토크 구조로서, 인접한 마이크로 렌즈에 의해 전달된 크로스 토크를 방지할 수 있으므로 광학 생체 특징 센서에 의해 획득된 생체 특징 이미지 신호의 신호대 잡음비가 높아 품질이 우수한 지문 이미지를 획득할 수 있다.

바람직한 실시예의 상세한 설명에 개시된 구체적인 실시예는 본 고안의 기술적 내용을 용이하게 설명하기 위한 것일 뿐 전술한 상기 실시예로 본 고안을 협의적으로 한정하려는 것이 아니며, 본 고안의 사상 및 특허 출원의 범위를 초과하지 않으면서 이루어진 다양한 변경 실시는 모두 본 고안의 범위 내에 속한다.

Claims

인접한 제1 광 센싱 소자 및 제2 광 센싱 소자를 구비하는 센싱 기판;
상기 센싱 기판 상에 위치하고 인접한 제1 광홀 및 제2 광홀을 포함하는 차광층, 및 상기 차광층 및 상기 제1 광홀과 상기 제2 광홀에 위치하는 투광성 지지층을 적어도 포함하는 광 모듈층; 및
상기 광 모듈층 상에 위치하는 복수의 마이크로 렌즈를 적어도 포함하고,
상기 복수의 마이크로 렌즈는 인접한 제1 마이크로 렌즈 및 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제1 마이크로 렌즈는 물체로부터의 정방향 광을 집광시키고 상기 광 모듈층 및 상기 제1 광홀을 통과시켜 상기 제1 광 센싱 소자에 도달시키고, 상기 차광층은, 상기 물체로부터의 경사광이 제2 마이크로 렌즈 및 상기 광 모듈층을 통과하여 상기 차광층 상에 닿되 상기 제1 광홀 및 상기 제1 광 센싱 소자 내로 진입되지 않도록 기설정된 두께를 가지며, 상기 차광층의 상기 기설정된 두께는 t이고, 상기 제1 광홀의 홀 직경은 d이며, 상기 광 모듈층의 두께는 H이고, 상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 제2 마이크로 렌즈 사이의 중심 간격은 P이며, (t/d)>0.3*(H/P), t<H, d<P인 광학 생체 특징 센서.
제1항에 있어서, 상기 차광층은 상기 기설정된 두께 방향으로 중실 구조의 단면을 구비하는 광학 생체 특징 센서.
제1항에 있어서, 2*(H/P)>(t/d)>0.3*(H/P)인 광학 생체 특징 센서.
제1항에 있어서, (t/d)=(H/P)인 광학 생체 특징 센서.
제1항에 있어서, 상기 차광층은 상기 기설정된 두께 방향으로 중공 구조의 단면을 구비하는 광학 생체 특징 센서.
제5항에 있어서,
상기 차광층은,
상기 센싱 기판 상에 위치하고, 인접한 제1 서브 광홀 및 제2 서브 광홀을 구비하는 제1 차광막; 및
제2 차광막, 상기 제1 차광막 상부에 위치하고, 인접한 제3 서브 광홀 및 제4 서브 광홀을 포함하는 제2 차광막을 적어도 포함하며,
상기 제1 광홀은 상기 제1 서브 광홀 및 상기 제3 서브 광홀을 포함하고, 상기 제2 광홀은 상기 제2 서브 광홀 및 상기 제4 서브 광홀을 포함하며, 상기 제1 차광막과 상기 제2 차광막 사이의 최장 거리는 상기 기설정된 두께와 동일한 광학 생체 특징 센서.
제6항에 있어서, 상기 제1 서브 광홀의 홀 직경은 d1이고, 상기 제3 서브 광홀의 홀 직경은 d2이며, 상기 제1 광홀의 상기 홀 직경 d는 d1과 d2의 평균값으로 정의되고, t/[(d1+d2)/2]>0.3*(H/P)이며, t<H, d1<P, d2<P인 광학 생체 특징 센서.
제7항에 있어서, 2*(H/P)>t/[(d1+d2)/2]=0.3*(H/P)인 광학 생체 특징 센서.
제7항에 있어서, t/[(d1+d2)/2]=(H/P)인 광학 생체 특징 센서.
제1항에 있어서, 상기 센싱 기판은 적어도 유리 기판을 포함하고, 상기 제1 광 센싱 소자와 상기 제2 광 센싱 소자는 상기 유리 기판 상에 형성되는 광학 생체 특징 센서.
제10항에 있어서, 상기 유리 기판은 디스플레이의 대향되는 두 투광성 기판 중 하나인 광학 생체 특징 센서.
제1항에 있어서, 상기 센싱 기판은 적어도 하나의 반도체 기판을 포함하고, 상기 제1 광 센싱 소자와 상기 제2 광 센싱 소자는 상기 반도체 기판 상에 형성되는 광학 생체 특징 센서.