KR20150116347A - 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents

색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꾸는 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서가 개시된다. 개시된 색분리 소자는, 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 1 요소와 상기 제 1 굴절률 분포와 상이하게 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 2 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 2 요소를 포함할 수 있다. 개시된 실시예에 따른 색분리 소자는 파장에 따른 굴절률 분포가 상이한 2개의 요소를 접합하여 형성되기 때문에, 제작이 용이하고 효과적인 색분리가 가능하다.

Description

색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서{Color separation device and image sensor including the color separation device}
개시된 실시예들은 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꾸는 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 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, 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.
입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꾸는 색분리 소자를 제공한다.
또한, 상기 색분리 소자를 함께 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서를 제공한다.
일 실시예에 따른 색분리 소자는, 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 1 요소; 상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 상이하게 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 2 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 2 요소; 및 상기 제 1 요소와 제 2 요소를 접합하여 형성된 상기 제 1 요소와 제 2 요소 사이의 접합면;을 포함할 수 있다.
상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 제 2 굴절률 분포 곡선이 적어도 한 점에서 교차할 수 있다.
예를 들어, 제 1 파장 영역에서 상기 제 1 요소의 굴절률이 상기 제 2 요소의 굴절률보다 크고, 제 2 파장 영역에서 상기 제 1 요소의 굴절률과 상기 제 2 요소의 굴절률이 같으며, 제 3 파장 영역에서 상기 제 1 요소의 굴절률이 상기 제 2 요소의 굴절률보다 작을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 파장 영역은 청색 영역이고, 제 2 파장 영역은 녹색 영역이며, 제 3 파장 영역은 적색 영역일 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 요소와 제 2 요소는 SiN, TiO2 및 ZnO2 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 색분리 소자는 빛이 입사하는 광입사면과 색분리된 빛이 출사하는 광출사면을 포함하며, 상기 접합면은 상기 광입사면과 광출사면 사이에서 상기 광입사면과 광출사면에 대해 경사지게 배치될 수 있다.
상기 색분리 소자는 상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 색분리 소자는 빛이 입사하는 광입사면과 색분리된 빛이 출사하는 광출사면을 포함하며, 상기 접합면은 상기 광입사면과 광출사면 사이에서 상기 광입사면 및 광출사면과 수직한 방향으로 배치될 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 다수의 화소들을 갖는 화소 어레이; 및 상기 화소 어레이의 다수의 화소들 중에서 적어도 2개의 화소와 대향하도록 각각 배열된 다수의 색분리 소자들을 갖는 색분리 소자 어레이;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 각각의 색분리 소자는, 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 1 요소; 상기 제 1 굴절률 분포와 상이하게 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 2 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 2 요소; 및 상기 제 1 요소와 제 2 요소를 접합하여 형성된 상기 제 1 요소와 제 2 요소사이의 접합면;을 포함할 수 있다.
상기 색분리 소자는 상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 제 2 굴절률 분포 곡선이 적어도 한 점에서 교차하도록 구성될 수 있으며, 상기 화소 어레이의 다수의 화소들 중에서 상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 제 2 굴절률 분포 곡선이 교차하는 파장의 빛을 수광하는 화소는 상기 각각의 색분리 소자의 중심부에 대향하여 배치될 수 있다.
상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 제 1 화소, 제 2 파장의 빛을 감지하는 제 2 화소, 및 제 3 파장의 빛을 감지하는 제 3 화소를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 내지 제 3 화소는 차례로 인접하여 반복적으로 배열될 수 있고, 각각의 색분리 소자는 인접하여 배열된 제 1 내지 제 3 화소와 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 각각의 색분리 소자는 상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 색분리 소자의 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 상기 집광 렌즈는 상기 제 1 내지 제 3 화소에 걸쳐 배치될 수 있다.
상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 제 1 화소, 제 2 파장의 빛을 감지하는 제 2 화소, 및 제 3 파장의 빛을 감지하는 제 3 화소를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 화소와 제 3 화소는 서로 교호하여 반복적으로 배열될 수 있고, 상기 제 2 화소는 상기 제 1 화소와 제 3 화소 사이에 각각 배치될 수 있다.
상기 색분리 소자 어레이는 서로 교호하여 반복적으로 배열되어 있는 다수의 제 1 색분리 소자와 다수의 제 2 색분리 소자를 포함하며, 상기 제 1 색분리 소자와 제 2 색분리 소자는 서로에 대해 좌우가 반전될 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자의 제 1 가장자리는 상기 제 1 화소의 중심부에 대향하며, 상기 제 1 색분리 소자의 제 2 가장자리는 상기 제 3 화소의 중심부에 대향하고, 상기 제 2 색분리 소자의 제 1 가장자리는 상기 제 3 화소의 중심부에 대향하며, 상기 제 2 색분리 소자의 제 2 가장자리는 상기 제 1 화소의 중심부에 대향하고, 각각의 제 1 및 제 2 색분리 소자의 중심부는 상기 제 2 화소와 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 각각의 색분리 소자는 상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 색분리 소자의 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 상기 집광 렌즈는 상기 제 1 화소의 중심부 내지 상기 제 3 화소의 중심부에 걸쳐 배치될 수 있다.
상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 제 1 화소, 제 2 파장의 빛을 감지하는 제 2 화소, 및 제 3 파장의 빛을 감지하는 제 3 화소를 포함할 수 있으며, 또한 상기 화소 어레이는 다수의 제 2 화소들이 배열되어 있는 제 1 화소행, 및 상기 제 1 화소와 제 3 화소가 서로 교호하여 반복적으로 배열되어 있는 제 2 화소행을 포함할 수 있고, 각각의 색분리 소자는 상기 제 2 화소행 내에서 인접하여 배열된 제 1 및 제 3 화소와 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 각각의 색분리 소자는 상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 색분리 소자의 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 상기 집광 렌즈는 상기 제 2 화소행 내에서 인접하여 배열된 제 1 및 제 3 화소와 대향하도록 배치될 수 있다.
한편, 각각의 화소는 입사광의 세기를 전기적 신호로 변환하는 광센싱층 및 상기 광센싱층 위에 배치된 투명 스페이서층을 포함할 수 있으며, 상기 색분리 소자는 상기 투명 스페이서층 위에 배치될 수 있다.
각각의 화소는 상기 광센싱층과 상기 투명 스페이서층 사이에 배치된 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 각각의 화소는 특정 파장 영역의 빛만을 투과시키고 다른 파장 영역의 빛을 차단하는 컬러필터층을 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 색분리 소자는 파장에 따른 굴절률 분포가 상이한 2개의 재료를 접합하여 형성되기 때문에, 제작이 용이하고 효과적인 색분리가 가능하다. 또한, 색분리에 필요가 경로 길이가 짧고 크기가 작아서 화소 크기가 작은 이미지 센서에 적용이 가능하다. 또한, 상기 색분리 소자를 채용한 이미지 센서는 컬러 필터를 사용할 필요가 없기 때문에 광 이용 효율이 향상될 수 있으며, 컬러 필터를 함께 사용함으로써 높은 색 순도와 높은 광 이용 효율을 동시에 달성할 수도 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 색분리 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 색분리 소자의 제 1 요소와 제 2 요소의 파장에 따른 굴절률 분포 곡선을 보이는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3f는 색분리 소자의 다양한 가능한 구조들을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3c에 도시된 색분리 소자의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3b에 도시된 색분리 소자의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 이미지 센서의 화소 배열 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 이미지 센서의 각각의 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 이미지 센서의 화소 배열 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서의 화소 배열 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 13은 도 11에 도시된 이미지 센서의 각각의 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 15는 색분리 소자의 제 1 요소와 제 2 요소의 파장에 따른 굴절률 분포 곡선의 변화를 보이는 그래프이다.
도 16은 도 15에 도시된 굴절률 분포 곡선의 변화에 따른 색분리 소자를 투과한 빛의 스펙트럼의 변화를 보이는 그래프이다.
도 17은 색분리 소자와 컬러 필터의 광 이용 효율을 비교하여 나타내기 위한 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 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 색분리 소자(10)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)는 서로 접합된 2개의 투명한 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)를 포함할 수 있다. 또한, 색분리 소자(10)는 빛이 입사하는 광입사면(10a), 상기 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)를 접합하여 형성된 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12) 사이의 접합면(13), 상기 접합면(13)에서 색분리된 빛이 출사하는 광출사면(10b), 및 접합면(13)을 향해 빛을 집광하도록 광입사면(10a)에 대향하여 배치된 집광 렌즈(20)를 더 포함할 수 있다.
제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)는 파장에 따라 굴절률이 서로 다르게 변화하는 재료로 각각 이루어질 수 있다. 이러한 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 재료로서, 예를 들어, SiN, TiO2 및 ZnO2를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 제 1 요소(11)가 TiO2로 이루어지고 제 2 요소(12)가 SiN로 이루어지는 경우에, 상기 색분리 소자(10)의 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 파장에 따른 굴절률 분포 곡선을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 제 1 요소(11)는 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)을 가지며, 제 2 요소(12)는 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 상이하게 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)을 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)은 적어도 한 점에서 교차할 수 있다. 예컨대, 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)은 녹색 파장 영역인 제 2 파장(λ2)에서 서로 교차할 수 있다. 즉, 제 2 파장(λ2)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률과 제 2 요소(12)의 굴절률이 동일할 수 있다. 또한, 청색 파장 영역인 제 1 파장 영역(λ1)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 크고, 적색 파장 영역인 제 3 파장 영역(λ3)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 작을 수 있다. 그러나, 이는 단순한 예이며, 재료의 선택에 따라서는, 청색 파장 영역인 제 1 파장 영역(λ1)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 작고, 적색 파장 영역인 제 3 파장 영역(λ3)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 클 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 색분리 소자(10)는 직각 프리즘의 형태를 갖는 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)를 접합하여 형성된 직육면체의 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 요소(11)의 경사면과 제 2 요소(12)의 경사면이 서로 접합함으로써, 대각선 방향으로 경사진 접합면(13)이 형성될 수 있다. 집광 렌즈(20)에 의해 집광된 빛은 제 1 요소(11)에 형성된 광입사면(10a)을 지나 접합면(13)에 도달한 다음, 파장에 따라 서로 다른 각도로 굴절되어 제 2 요소(12)에 형성된 광출사면(10b)을 통해 외부로 출사할 수 있다.
도 1에는 직각 프리즘 형상의 제 1 및 제 2 요소(11, 12)와 정육면체 형상의 색분리 소자(10)가 도시되어 있으나, 이는 단순한 예일 뿐이며, 색분리 소자(10)의 형태 및 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 형태는 매우 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3f는 색분리 소자(10)의 다양한 가능한 구조들을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 색분리 소자(10)는 두께가 폭보다 작은 납작한 직육면체의 형상을 가질 수도 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)는 웨지(wedge)의 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 색분리 소자(10)의 광입사면(10a)은 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 상부 표면에 의해 공동으로 형성되며, 색분리 소자(10)의 광출사면(10b)은 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 하부 표면에 의해 공동으로 형성될 수 있다. 그리고, 광입사면(10a)과 광출사면(10b)에 대한 접합면(13)의 경사 각도가 거의 수직에 가까울 수 있다. 또한, 도 3c에 도시된 바와 같이, 직각 프리즘의 꼭지점을 절단한 형태를 갖는 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)를 접합하여 색분리 소자(10)를 형성할 수도 있다.
그리고, 도 3d와 도 3e에 도시된 바와 같이, 직육면체 형태의 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)를 접합하여 색분리 소자(10)를 형성할 수도 있다. 이 경우, 접합면(13)의 경사 각도는 광입사면(10a)과 광출사면(10b)에 대해 직각이 될 수 있다. 필요에 따라, 도 3d와 같이 색분리 소자(10)의 두께를 크거나, 또는 도 3e와 같이 색분리 소자(10)의 두께를 작게할 수도 있으며, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 위치를 서로 바꿀 수도 있다. 또한, 도 3f에 도시된 바와 같이, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 단면은 사다리꼴의 형태를 가질 수 있으며, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)를 접합하여 형성된 색분리 소자(10)의 단면은 평행사변형의 형태를 가질 수도 있다.
상술한 바와 같이, 색분리 소자(10)는 매우 다양한 형태로 제작이 가능하다. 색분리 소자(10)는 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)을 갖는 제 1 요소(11)와 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 상이하게 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)을 갖는 제 2 요소(12)를 접합하여 색분리가 가능하도록 기능한다면, 그 형태에는 크게 구애되지 않을 수 있다. 또한, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)가 서로 직접 접촉할 수도 있지만, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12) 사이에 또 다른 물질이 추가적으로 더 개재될 수도 있다. 예를 들어, 색분리 소자(10)를 통과한 빛이 각각의 파장에 따라 그에 대응하는 이미지 센서의 화소를 향해 정확하게 진행할 수 있도록, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12) 사이에 굴절률이 1인 공기가 더 배치될 수도 있으며, 그 외에도 적어도 하나 이상의 상이한 물질들이 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12) 사이에 배치될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3c에 도시된 색분리 소자(10)의 제 1 요소(10)와 제 2 요소(20)가 도 2에 도시된 굴절률 분포를 가질 때의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다. 구체적으로, 도 4a는 제 1 파장 영역(λ1)의 빛이 색분리 소자(10)에 입사한 경우에 빛의 진행 경로를 보이고 있으며, 도 4b는 제 2 파장 영역(λ2)의 빛이 색분리 소자(10)에 입사한 경우에 빛의 진행 경로를 보이고 있고, 도 4c는 제 3 파장 영역(λ3)의 빛이 색분리 소자(10)에 입사한 경우에 빛의 진행 경로를 보이고 있다. 또한, 도 3c에 도시된 색분리 소자(10)의 예에서 광입사면(10a)에 대한 접합면(13)의 경사 각도는 대략 45도 정도이다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 제 1 파장 영역(λ1)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 크다. 따라서, 제 1 파장 영역(λ1)의 빛은 스넬의 법칙에 따라 경사진 접합면(13)에서 우측으로 굴절된다. 제 2 파장 영역(λ2)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률과 제 2 요소(12)의 굴절률이 동일하기 때문에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 2 파장 영역(λ2)의 빛은 접합면(13)에서 굴절되지 않는다. 반면, 제 3 파장 영역(λ3)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 작기 때문에, 제 3 파장 영역(λ3)의 빛은 경사진 접합면(13)에서 스넬의 법칙에 따라 좌측으로 굴절된다. 예컨대, 제 1 파장 영역(λ1)이 청색, 제 2 파장 영역(λ2)이 녹색, 제 3 파장 영역(λ3)이 적색인 경우, 색분리 소자(10)에 입사한 백색광 중에서, 적색광 성분은 색분리 소자(10)의 좌측으로 진행하게 되고, 녹색광은 성분은 색분리 소자(10)의 중심으로 진행하게 되며, 청색광 성분은 색분리 소자(10)은 우측으로 진행하게 될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3b에 도시된 색분리 소자(10)의 제 1 요소(10)와 제 2 요소(20)가 도 2에 도시된 굴절률 분포를 가질 때의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다. 구체적으로, 도 5a는 제 1 파장 영역(λ1)의 빛이 색분리 소자(10)에 입사한 경우에 빛의 진행 경로를 보이고 있으며, 도 5b는 제 2 파장 영역(λ2)의 빛이 색분리 소자(10)에 입사한 경우에 빛의 진행 경로를 보이고 있고, 도 5c는 제 3 파장 영역(λ3)의 빛이 색분리 소자(10)에 입사한 경우에 빛의 진행 경로를 보이고 있다. 또한, 도 3c에 도시된 색분리 소자(10)의 예에서 광입사면(10a)에 대한 접합면(13)의 경사 각도는 대략 80도 정도이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 제 1 파장 영역(λ1)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 크다. 또한, 접합면(13)의 경사 각도가 크기 때문에, 제 1 파장 영역(λ1)의 빛은 제 1 요소(11)로부터 제 1 요소(11)보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 요소(12)를 향해 비스듬하게 입사하게 된다. 따라서, 제 1 파장 영역(λ1)의 빛은 접합면(13)에서 전반사되어 색분리 소자(10)의 우측 방향으로 진행하게 된다. 따라서, 색분리 소자(10)에 입사하는 백색광 중에서 제 1 파장 영역(λ1)의 빛을 거의 손실 없이 분리할 수 있다. 또한, 제 2 파장 영역(λ2)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률과 제 2 요소(12)의 굴절률이 동일하기 때문에, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 2 파장 영역(λ2)의 빛은 접합면(13)에서 굴절되지 않는다. 그리고, 제 3 파장 영역(λ3)에서는 제 1 요소(11)의 굴절률이 제 2 요소(12)의 굴절률보다 작기 때문에, 제 3 파장 영역(λ3)의 빛은 스넬의 법칙에 따라 접합면(13)에서 색분리 소자(10)의 좌측 방향으로 굴절된다. 예컨대, 제 1 파장 영역(λ1)이 청색, 제 2 파장 영역(λ2)이 녹색, 제 3 파장 영역(λ3)이 적색인 경우, 색분리 소자(10)에 입사한 백색광 중에서, 적색광 성분은 색분리 소자(10)의 좌측으로 진행하게 되고, 녹색광은 성분은 색분리 소자(10)의 중심으로 진행하게 되며, 청색광 성분은 색분리 소자(10)은 우측으로 진행하게 될 수 있다.
도 3a 내지 도 5c의 경우에는, 빛이 제 1 요소(11)로부터 접합면(13)을 통과하여 제 2 요소(12)로 진행하는 경우에 대해 설명하였지만, 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 위치가 서로 바뀌는 것도 가능하다. 이 경우에는, 제 1 파장 영역(λ1)의 빛이 색분리 소자(10)의 좌측 방향으로 진행하고, 제 3 파장 영역(λ3)의 빛은 색분리 소자(10)의 우측 방향으로 진행할 수 있다. 즉, 색분리 소자(10)에 입사한 백색광 중에서, 적색광 성분은 색분리 소자(10)의 우측으로 진행하게 되고, 청색광 성분은 색분리 소자(10)은 좌측으로 진행하게 될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 색분리 소자(10)는 접합면(13)의 각도에 따라 굴절의 원리만으로 색분리를 수행하거나 또는 전반사와 굴절의 원리를 함께 이용하여 색분리를 수행하는 것이 가능하다. 이러한 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)는 2개의 요소(11, 12)를 단순히 접합하여 제작될 수 있기 때문에, 제작이 용이할 뿐만 아니라 효과적인 색분리가 가능하다. 또한, 색분리에 필요가 경로 길이가 짧고 크기가 작아서 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)는 작은 크기의 화소들을 갖는 이미지 센서에 적용이 가능하다.
도 6은 상기 색분리 소자(10)를 이용한 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 이미지 센서(100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 다수의 화소(100R, 100G, 100B)들을 갖는 화소 어레이, 및 상기 화소 어레이와 대향하도록 배열된 다수의 색분리 소자(10)들을 갖는 색분리 소자 어레이를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 6에 도시된 실시예에서, 화소 어레이는 적색 영역의 빛을 감지하는 다수의 적색 화소(100R), 녹색 영역의 빛을 감지하는 다수의 녹색 화소(100G), 및 청색 영역의 빛을 감지하는 다수의 청색 화소(100B)를 포함할 수 있다. 각각의 적색 화소(100R), 녹색 화소(100G), 및 청색 화소(100B)는 차례로 인접하여 반복적으로 배열될 수 있다.
한편, 각각의 화소(100R, 100G, 100B)는 입사광의 세기를 전기적 신호로 변환하는 광센싱층(101), 상기 광센싱층(101) 위에 배치된 투명 스페이서층(103), 및 광센싱층(101)과 투명 스페이서층(103) 사이에 배치된 마이크로 렌즈(102)를 포함할 수 있다. 투명 스페이서층(103)은 색분리 소자(10)에서 분리된 빛이 크로스토크 없이 각각의 화소(100R, 100G, 100B)에 거의 정확하게 입사할 수 있도록, 색분리 소자(10)와 화소 어레이 사이에 충분한 간격을 제공한다. 색분리 소자(10)로부터 진행하는 각각의 색 성분을 갖는 빛의 진행 각도에 따라 투명 스페이서층(103)의 두께가 조절될 수 있다. 이러한 투명 스페이서층(103)은 예를 들어 SiO2로 이루어질 수 있다. 다수의 색분리 소자(10)들은 투명 스페이서층(103) 위에 배열될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 색분리 소자(10)들은 인접하여 배열된 한 세트의 적색 화소(100R), 녹색 화소(100G), 및 청색 화소(100B)와 대향하도록 배치될 수 있다. 또한, 색분리 소자(10)들 위에는 다수의 집광 렌즈(20)들이 더 배열될 수 있다. 각각의 집광 렌즈(20)들은 색분리 소자(10)들과 하나씩 대응하도록 배치되어, 입사광을 색분리 소자(10)의 접합면(13)에 제공한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 집광 렌즈(20)들은 그에 대응하는 색분리 소자(10)와 대향하는 한 세트의 적색 화소(100R), 녹색 화소(100G), 및 청색 화소(100B)에 걸쳐서 배치될 수 있다. 따라서, 하나의 색분리 소자(10)와 집광 렌즈(20)의 폭은 세 개의 화소(100R, 100G, 100B)들의 폭과 같을 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서, 각각의 색분리 소자(10)들은 적색광을 우측 영역으로 진행하게 하고, 청색광을 좌측 영역으로 진행하게 하며, 녹색광을 중심 영역으로 진행하게 하도록 구성될 수 있다. 그러면, 색분리 소자(10)에 의해 분리된 각각의 색성분의 빛은 그에 대응하는 적색 화소(100R), 녹색 화소(100G), 및 청색 화소(100B)에 정확하게 입사할 수 있다. 이를 위하여, 제 1 굴절률 분포 곡선과 제 2 굴절률 분포 곡선이 교차하는 녹색 파장의 빛을 수광하는 녹색 화소(100G)는 색분리 소자(10)의 중심부에 대향하여 배치될 수 있다.
도 8은 이미지 센서(100)의 각각의 화소(100R, 100G, 100B)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 8의 그래프에서, ①로 표시된 그래프는 청색 화소(100B)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이며, ②로 표시된 그래프는 녹색 화소(100G)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, ③으로 표시된 그래프는 적색 화소(100R)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 색성분의 빛이 그에 대응하는 화소(100R, 100G, 100B)에 거의 정확하게 입사한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 컬러 필터를 사용할 필요가 없기 때문에 광 이용 효율이 향상될 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(110)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 이미지 센서(110)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 다수의 화소(100R, 100G, 100B)들을 갖는 화소 어레이, 및 화소 어레이와 대향하도록 배열된 다수의 색분리 소자(10a, 10b)들을 갖는 색분리 소자 어레이를 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 실시예에서, 화소 어레이는 다수의 적색 화소(100R), 다수의 녹색 화소(100G), 및 다수의 청색 화소(100B)를 포함할 수 있다. 여기서, 다수의 적색 화소(100R)와 다수의 청색 화소(100B)는 서로 교호하여 반복적으로 배열될 수 있고, 다수의 녹색 화소(100G)는 적색 화소(100R)와 청색 화소(100B) 사이에 각각 배치될 수 있다. 예컨대, 도 9에 도시된 바와 같이, 청색 화소(100B), 녹색 화소(100G), 적색 화소(100R), 녹색 화소(100G), 청색 화소(100B)의 순서로 다수의 화소(100R, 100G, 100B)들이 반복될 수 있다.
또한, 색분리 소자 어레이는 서로 교호하여 반복적으로 배열되어 있는 다수의 제 1 색분리 소자(10a)와 다수의 제 2 색분리 소자(10b)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 색분리 소자(10a)와 제 2 색분리 소자(10b)는 서로에 대해 좌우가 반전되어 있다. 예를 들어, 제 1 색분리 소자(10a)는 적색광을 우측 영역으로 진행하게 하고, 청색광을 좌측 영역으로 진행하게 하며, 녹색광을 중심 영역으로 진행하게 하도록 구성될 수 있다. 반면, 제 2 색분리 소자(10b)는 적색광을 좌측 영역으로 진행하게 하고, 청색광을 우측 영역으로 진행하게 하며, 녹색광을 중심 영역으로 진행하게 하도록 구성될 수 있다.
각각의 색분리 소자(10a, 10b)들은 청색 화소(100B)의 중심부와 그에 인접한 적색 화소(100R)의 중심부 사이에 걸쳐서 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 색분리 소자(10a)의 좌측 가장자리는 청색 화소(100B)의 중심부와 대향하며, 우측 가장자리는 적색 화소(100R)의 중심부와 대향할 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(10b)의 좌측 가장자리는 적색 화소(100R)의 중심부와 대향하며, 우측 가장자리는 청색 화소(100B)의 중심부와 대향할 수 있다. 따라서, 각각의 청색 화소(100B)와 적색 화소(100R)에는 이웃하는 2개의 색분리 소자(10a, 10b)가 대향하게 된다. 그리고, 각각의 색분리 소자(10a, 10b)의 중심부는 녹색 화소(100G)와 대향할 수 있다. 그러면, 색분리 소자(10a, 10b)에 의해 분리된 각각의 색성분의 빛은 그에 대응하는 적색 화소(100R), 녹색 화소(100G), 및 청색 화소(100B)에 정확하게 입사할 수 있다.
또한, 각각의 색분리 소자(10a, 10b)들 위에는 다수의 집광 렌즈(20)들이 더 배열될 수 있다. 각각의 집광 렌즈(20)들은 색분리 소자(10a, 10b)들과 하나씩 대응하도록 배치되어, 입사광을 색분리 소자(10a, 10b)의 접합면(13)에 제공한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 집광 렌즈(20)들은 그에 대응하는 색분리 소자(10a, 10b)와 대향하는 한 세트의 적색 화소(100R), 녹색 화소(100G), 및 청색 화소(100B)에 걸쳐서 배치될 수 있다. 예컨대, 제 1 색분리 소자(10a)에 대응하는 집광 렌즈(20)는 청색 화소(100B)의 중심부와 적색 화소(100R)의 중심부 사이에 걸쳐 배치되며, 제 2 색분리 소자(10b)에 대응하는 집광 렌즈(20)는 적색 화소(100R)의 중심부와 청색 화소(100B)의 중심부 사이에 걸쳐 배치될 수 있다. 따라서, 하나의 색분리 소자(10a, 10b)와 집광 렌즈(20)의 폭은 2개의 화소들의 폭과 같을 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(120)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이며, 도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서(120)의 화소 배열 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 이미지 센서(120)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 다수의 화소(100R, 100G, 100B)들을 갖는 화소 어레이, 및 화소 어레이와 대향하도록 배열된 다수의 색분리 소자(10)들을 갖는 색분리 소자 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 화소 어레이는 다수의 녹색 화소(100G)들이 배열되어 있는 제 1 화소행(120a), 및 청색 화소(100B)와 적색 화소(100R)가 서로 교호하여 반복적으로 배열되어 있는 제 2 화소행(120b)을 포함할 수 있다. 도 12에는 편의상 단지 하나의 제 1 화소행(120a)과 제 2 화소행(120b)만이 도시되어 있으나, 실제로는 다수의 제 1 화소행(120a)과 다수의 제 2 화소행(120b)이 서로 교호하여 반복적으로 배열될 수 있다.
본 실시예에서, 각각의 색분리 소자(10)는 제 2 화소행(120b) 내에서 인접하여 배열된 청색 화소(100B)와 적색 화소(100R)에 대향하도록 배치될 수 있으며, 제 1 화소행(120a)에는 색분리 소자(10)가 배치되지 않을 수 있다. 이 경우, 제 1 화소행(120a)의 녹색 화소(100G)들에는, 종래의 화소 구조와 마찬가지로, 녹색광만을 투과시키는 컬러 필터가 배치될 수 있다. 각각의 색분리 소자(10)들 위에는 다수의 집광 렌즈(20)들이 더 배열될 수 있다. 각각의 집광 렌즈(20)들은 색분리 소자(10)들과 하나씩 대응하도록 배치되어, 입사광을 색분리 소자(10)의 접합면(13)에 제공한다. 따라서, 도 12에 도시된 바와 같이, 집광 렌즈(20)들은 그에 대응하는 색분리 소자(10)와 대향하는 한 세트의 청색 화소(100B)와 적색 화소(100R)에 걸쳐서 배치될 수 있으며, 하나의 색분리 소자(10)와 집광 렌즈(20)의 폭은 2개의 화소들의 폭과 같을 수 있다. 반면, 제 1 화소행(120a)에는 각각의 녹색 화소(100G)마다 개별적으로 렌즈(21)가 배치될 수 있다.
도 11은 도 12의 제 2 화소행(120b)에 대한 단면만을 도시하고 있다. 도 11을 참조하면, 각각의 색분리 소자(10)들은 적색광을 우측 영역으로 진행하게 하고, 청색광을 좌측 영역으로 진행하게 하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 각각의 색분리 소자(10)에 의해 분리된 각각의 색성분의 빛은 그에 대응하는 적색 화소(100R)와 청색 화소(100B)에 정확하게 입사할 수 있다.
도 13은 이미지 센서(120)의 각각의 화소(100R, 100B)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 13의 그래프에서, ①로 표시된 그래프는 청색 화소(100B)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이며, ②로 표시된 그래프는 적색 화소(100R)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 색성분의 빛이 그에 대응하는 화소(100R, 100B)에 거의 정확하게 입사한다는 것을 알 수 있다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(130)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 14에 도시된 실시예에 따른 이미지 센서(130)는 도 11에 도시된 이미지 센서(120)와 비교할 때, 특정 파장 영역의 빛만을 투과시키고 다른 파장 영역의 빛을 차단하는 컬러필터층(104)이 더 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 도 14에는 편의상 컬러필터층(104)이 마이크로 렌즈(102) 위에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 컬러필터층(104)은 광센싱층(101)과 색분리 소자(10) 사이의 어디에도 위치할 수 있다. 본 실시예의 경우, 색분리 소자(10)를 이용하여 어느 정도의 색분리 효과를 얻고 컬러필터층(104)을 이용하여 높은 색 순도를 얻을 수 있다. 따라서, 컬러필터층(104)만을 이용하는 경우에 비하여 광 이용 효율이 향상되며, 색분리 소자(10)만을 이용하는 경우에 비하여 색 순도가 향상될 수 있으므로, 높은 색 순도와 높은 광 이용 효율을 동시에 달성할 수도 있다. 도시되지는 않았지만, 이러한 컬러필터층(104)은 도 6 및 도 9에 도시된 이미지 센서(100, 110)에도 적용될 수 있다.
지금까지는 색분리 소자(10)의 제 1 요소(11)의 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 제 2 요소(12)의 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)이 녹색 파장 영역(λ2)에서 교차하는 것으로 설명하였다. 그러나, 제 1 요소(11) 또는 제 2 요소(12)에 불순물을 도핑하여 제 1 요소(11) 또는 제 2 요소(12)의 굴절률 분포를 변화시킴으로써 교차점의 위치를 변경하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 15는 색분리 소자(10)의 제 1 요소(11)와 제 2 요소(12)의 파장에 따른 굴절률 분포 곡선의 변화를 보이는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 제 1 요소(11)를 그대로 두고, 제 2 요소(12)에 불순물을 도핑함으로써 굴절률을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 예를 들어, ①로 표시된 그래프에서는 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)이 녹색 파장 영역(λ2)에서 교차한다. 만약 제 2 요소(12)의 굴절률을 ②로 표시된 그래프와 같이 증가시키면, 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)은 청색 파장 영역(λ1)에서 교차할 수 있다. 또한, ③으로 표시된 그래프와 같이 제 2 요소(12)의 굴절률을 감소시키면, 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)은 적색 파장 영역(λ3)에서 교차할 수 있다.
도 16은 도 15에 도시된 굴절률 분포 곡선의 변화에 따라 색분리 소자(10)를 투과한 빛의 스펙트럼의 변화를 보이는 그래프이다. 예를 들어, 도 16에서 '1B'로 표시된 그래프와 '1R'로 표시된 그래프는, 도 15에서 ①로 표시된 굴절률 분포의 경우에, 청색 화소(100B)과 적색 화소(100R)에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 또한, 도 16에서 '2B'로 표시된 그래프와 '2R'로 표시된 그래프는, 도 15에서 ②로 표시된 굴절률 분포의 경우에, 청색 화소(100B)과 적색 화소(100R)에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 마지막으로, 도 16에서 '3B'로 표시된 그래프와 '3R'로 표시된 그래프는, 도 15에서 ③으로 표시된 굴절률 분포의 경우에, 청색 화소(100B)과 적색 화소(100R)에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 따라서, 이미지 센서(100, 110, 120, 130)의 화소 구조에 따라, 제 1 굴절률 분포 곡선(n1)과 제 2 굴절률 분포 곡선(n2)의 교차가 일어나는 파장을 적절하게 선택하는 것이 가능하다.
도 17은 색분리 소자(10)와 컬러 필터의 광 이용 효율을 비교하여 나타내기 위한 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 17에서 세로축은 각각의 화소(100R, 100G, 100B)에서 측정된 빛의 세기로서, 백색광 내에 포함되어 있는 청색, 녹색, 적색의 세기가 각각 1이라고 가정하였다. 도 17을 참조하면, 점선으로 표시된 그래프는 컬러 필터를 이용하는 경우의 스펙트럼 분포로서, 어떠한 파장에 대해서도 최대값이 1을 넘지 못한다. 반면, 실선과 쇄선으로 표시된 그래프는 색분리 소자(10)를 이용하는 경우의 스펙트럼 분포로서, 청색과 적색 파장에서는 광 이용 효율이 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 이는, 다른 화소 영역에 입사하여 손실되었을 청색과 적색 영역의 빛을 색분리 소자(10)로 굴절시켜 추가적으로 이용하기 때문이다. 또한, 도 17에서 쇄선으로 표시된 그래프는 투명 스페이서층(103)의 두께가 약 1300 nm인 경우이고, 실선으로 표시된 그래프는 투명 스페이서층(103)의 두께가 약 2800 nm인 경우이다. 도 17의 예에서, 투명 스페이서층(130)의 두께를 적절하게 선택함으로써 광 이용 효율이 더욱 향상될 수 있음을 알 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 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.
10.....색분리 소자 11.....제 1 요소
12.....제 2 요소 13.....접합면
20.....집광 렌즈 100, 110, 120, 130.....이미지 센서
101.....광센싱층 102.....마이크로 렌즈
103.....투명 스페이서층 104.....컬러필터층

Claims (21)

  1. 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 1 요소;
    상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 상이하게 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 2 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 2 요소; 및
    상기 제 1 요소와 제 2 요소를 접합하여 형성된 상기 제 1 요소와 제 2 요소 사이의 접합면;을 포함하는 색분리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 제 2 굴절률 분포 곡선이 적어도 한 점에서 교차하는 색분리 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 파장 영역에서 상기 제 1 요소의 굴절률이 상기 제 2 요소의 굴절률보다 크고, 제 2 파장 영역에서 상기 제 1 요소의 굴절률과 상기 제 2 요소의 굴절률이 같으며, 제 3 파장 영역에서 상기 제 1 요소의 굴절률이 상기 제 2 요소의 굴절률보다 작은 색분리 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 영역은 청색 영역이고, 제 2 파장 영역은 녹색 영역이며, 제 3 파장 영역은 적색 영역인 색분리 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 요소와 제 2 요소는 SiN, TiO2 및 ZnO2 중에서 적어도 하나를 포함하는 색분리 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 색분리 소자는 빛이 입사하는 광입사면과 색분리된 빛이 출사하는 광출사면을 포함하며, 상기 접합면은 상기 광입사면과 광출사면 사이에서 상기 광입사면과 광출사면에 대해 경사지게 배치되어 있는 색분리 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함하는 색분리 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 색분리 소자는 빛이 입사하는 광입사면과 색분리된 빛이 출사하는 광출사면을 포함하며, 상기 접합면은 상기 광입사면과 광출사면 사이에서 상기 광입사면 및 광출사면과 수직한 방향으로 배치되어 있는 색분리 소자.
  9. 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 다수의 화소들을 갖는 화소 어레이; 및
    상기 화소 어레이의 다수의 화소들 중에서 적어도 2개의 화소와 대향하도록 각각 배열된 다수의 색분리 소자들을 갖는 색분리 소자 어레이;를 포함하며,
    상기 각각의 색분리 소자는:
    파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 1 요소;
    상기 제 1 굴절률 분포와 상이하게 파장에 따라 굴절률이 변화하는 제 2 굴절률 분포 곡선을 갖는 제 2 요소; 및
    상기 제 1 요소와 제 2 요소를 접합하여 형성된 상기 제 1 요소와 제 2 요소사이의 접합면;을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 색분리 소자는 상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 제 2 굴절률 분포 곡선이 적어도 한 점에서 교차하도록 구성되며,
    상기 화소 어레이의 다수의 화소들 중에서 상기 제 1 굴절률 분포 곡선과 제 2 굴절률 분포 곡선이 교차하는 파장의 빛을 수광하는 화소는 상기 각각의 색분리 소자의 중심부에 대향하여 배치되는 이미지 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 제 1 화소, 제 2 파장의 빛을 감지하는 제 2 화소, 및 제 3 파장의 빛을 감지하는 제 3 화소를 포함하며, 상기 제 1 내지 제 3 화소는 차례로 인접하여 반복적으로 배열되어 있고, 각각의 색분리 소자는 인접하여 배열된 제 1 내지 제 3 화소와 대향하도록 배치되어 있는 이미지 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각각의 색분리 소자는 상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 색분리 소자의 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함하며, 상기 집광 렌즈는 상기 제 1 내지 제 3 화소에 걸쳐 배치되어 있는 이미지 센서.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 제 1 화소, 제 2 파장의 빛을 감지하는 제 2 화소, 및 제 3 파장의 빛을 감지하는 제 3 화소를 포함하며, 상기 제 1 화소와 제 3 화소는 서로 교호하여 반복적으로 배열되어 있고, 상기 제 2 화소는 상기 제 1 화소와 제 3 화소 사이에 각각 배치되어 있는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 색분리 소자 어레이는 서로 교호하여 반복적으로 배열되어 있는 다수의 제 1 색분리 소자와 다수의 제 2 색분리 소자를 포함하며, 상기 제 1 색분리 소자와 제 2 색분리 소자는 서로에 대해 좌우가 반전되어 있는 이미지 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 색분리 소자의 제 1 가장자리는 상기 제 1 화소의 중심부에 대향하며, 상기 제 1 색분리 소자의 제 2 가장자리는 상기 제 3 화소의 중심부에 대향하고, 상기 제 2 색분리 소자의 제 1 가장자리는 상기 제 3 화소의 중심부에 대향하며, 상기 제 2 색분리 소자의 제 2 가장자리는 상기 제 1 화소의 중심부에 대향하고, 각각의 제 1 및 제 2 색분리 소자의 중심부는 상기 제 2 화소와 대향하도록 배치된 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 각각의 색분리 소자는 상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 색분리 소자의 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함하며, 상기 집광 렌즈는 상기 제 1 화소의 중심부 내지 상기 제 3 화소의 중심부에 걸쳐 배치되어 있는 이미지 센서.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 제 1 화소, 제 2 파장의 빛을 감지하는 제 2 화소, 및 제 3 파장의 빛을 감지하는 제 3 화소를 포함하며,
    상기 화소 어레이는 다수의 제 2 화소들이 배열되어 있는 제 1 화소행, 및 상기 제 1 화소와 제 3 화소가 서로 교호하여 반복적으로 배열되어 있는 제 2 화소행을 포함하고,
    각각의 색분리 소자는 상기 제 2 화소행 내에서 인접하여 배열된 제 1 및 제 3 화소와 대향하도록 배치되어 있는 이미지 센서.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 각각의 색분리 소자는 상기 접합면을 향해 빛을 집광하도록 상기 색분리 소자의 광입사면에 대향하여 배치된 집광 렌즈를 더 포함하며, 상기 집광 렌즈는 상기 제 2 화소행 내에서 인접하여 배열된 제 1 및 제 3 화소와 대향하도록 배치되어 있는 이미지 센서.
  19. 제 9 항에 있어서,
    각각의 화소는 입사광의 세기를 전기적 신호로 변환하는 광센싱층 및 상기 광센싱층 위에 배치된 투명 스페이서층을 포함하며,
    상기 색분리 소자는 상기 투명 스페이서층 위에 배치되어 있는 이미지 센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    각각의 화소는 상기 광센싱층과 상기 투명 스페이서층 사이에 배치된 마이크로 렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
  21. 제 19 항에 있어서,
    각각의 화소는 특정 파장 영역의 빛만을 투과시키고 다른 파장 영역의 빛을 차단하는 컬러필터층을 더 포함하는 이미지 센서.
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