KR20170111186A - 지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치 - Google Patents

지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치 Download PDF

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KR20170111186A
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민병일
박광수
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    • G02B2006/12104—Mirror; Reflectors or the like

Abstract

본 발명은 지문센서에 관한 것이다. 지문센서 패키지는, 지문이미지 획득을 위한 광 경로를 제공하는 유리 기판, 상기 유리 기판의 일측 하부에 위치하며, 상기 유리 기판의 하면에 평행면광을 조사하는 평행면광 발생기, 및 상기 유리 기판의 타측 하면에 밀착되며, 상기 지문이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.

Description

지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치{Image sensor package for finger-print and electronic device capable of detecting finger-print}
본 발명은 지문센서에 관한 것이다.
지문센서는 지문의 이미지를 촬영하여 전기 신호로 변환한다. 지문이미지 촬영을 위해서, 종래의 광학식 지문센서는 지문에 빛을 조사하여 반사시키는 광학계를 구비한다. 그러나, 프리즘, 반사 미러, 렌즈와 같은 광학계는 일반적으로 상당한 체적을 가지기 때문에, 광학식 지문센서를 구비한 전자장치는 소형화가 어렵다.
한편, 휴대 전화나 태블릿 등과 같은 휴대용 전자장치를 중심으로 지문센서를 장착한 전자장치의 종류와 수가 증가하고 있다. 전자장치의 전면에 지문센서를 장착하기 위해서는 지문과 접촉하는 지문센서의 센싱부가 외부로 노출되어야 한다. 따라서 디자인 또는 디스플레이 보호를 위해서 전자장치의 전면 전체를 보호 매체, 예를 들어, 커버 글라스나 투명 필름 등으로 덮는 경우에는 정전용량 변화를 감지하는 커패시티브 방식과 같은 지문센서를 전자장치의 전면에 장착하기 어렵다.
소형화가 가능하면서도 보호 매체 아래에서 지문이미지를 생성할 수 있는 광학 지문센서 패키지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따른 실시예는 지문센서 패키지를 제공한다. 지문센서 패키지는, 지문이미지 획득을 위한 광 경로를 제공하며, 지문과 접촉하는 상면, 상기 상면과의 사이각이 제1 각도를 갖도록 기울어진 제1 측면, 및 상기 상면과의 사이각이 제2 각도를 갖도록 기울어진 제2 측면을 포함하는 유리 기판, 상기 제1 측면에 평행면광을 조사하는 평행면광 발생기 및 상기 상면에 반사되어 상기 제2 측면을 통해 상기 유리 기판으로부터 나오는 평행면광을 이용하여 상기 지문이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 평행면광 발생기는 상기 제1 측면에 수직한 방향과 상기 평행면광의 진행 방향 사이 각도가 85도 내지 90도가 되도록 상기 평행면광을 조사할 수 있다.
상기 제1 각도는 상기 제2 각도보다 작으며, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도는 모두 90도 미만일 수 있다.
상기 이미지 센서의 폭은 상기 상면의 유효 지문 접촉 영역의 폭보다 작을 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제2 측면을 통해 상기 유리 기판으로부터 나오는 평행면광이 수직으로 입사하도록 배치될 수 있다.
한편, 상기 이미지 센서는 상기 제2 측면을 통해 상기 유리 기판으로부터 나오는 평행면광이 상기 제2 측면에서 굴절되어 입사하도록 배치될 수 있다.
상기 이미지 센서를 구성하는 복수의 단위화소는 직사각형상을 갖을 수 있다.
상기 평행면광은 근적외선이며, 상기 평행면광 발생기는 주기적으로 턴온 및 턴 오프되며, 상기 이미지 센서는 상기 평행면광 발생기 턴온시 지문이미지 및 상기 평행면광 발생기 턴 오프시 지문이미지를 모두 생성할 수 있다.
한편, 상기 평행면광은 320nm 내지 450nm 파장을 가질 수 있으며, 상기 유리 기판의 상면, 제1 측면 또는 제2 측면 중 적어도 어느 하나에 부착된 단파장 대역 통과 필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실시예는, 지문이미지 획득을 위한 광 경로를 증가시키는 보호 매체 및 상기 보호 매체에 밀착되는 지문센서 패키지를 포함하는 전자장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 지문센서 패키지는 소형화가 가능하면서도 보호 매체 아래에서 지문이미지를 생성할 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 지문센서 패키지의 개략적인 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 입사각에 따라 굴절각이 변하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 유리 기판 내에서 평행면광의 광 경로를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 지문센서 패키지가 보호 매체 아래 위치한 예를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 평행면광 발생기의 일 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 입사각 조절기의 역할을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 평행면광 발생기의 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 8은 도 7에 평행면광 발생기를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 저면을 나타낸 저면도이다.
도 9는 평행면광 발생기의 또 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 10은 지문센서 패키지의 개략적인 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 이미지 센서의 구조에 따른 지문이미지 처리 방식을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 용어 중 “실질적으로”, “거의”는 실제 구현시 적용되는 마진이나 발생가능한 오차를 고려하기 위한 표현이다. 예를 들어, “실질적으로 90도”는 90도일 때의 효과와 동일한 효과를 기대할 수 있는 각도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다. 다른 예로, “거의 없는”은 무엇인가가 미미하게 존재하더라도 무시할 수 있는 정도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
도 1은 지문센서 패키지의 개략적인 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 지문센서 패키지는 유리 기판(100), 평행면광 발생기(150), 이미지 센서(160), 및 하우징(170)을 포함한다.
유리 기판(100)은 평행면광(151)이 이미지 센서(160)에 입사되는 광 경로를 제공한다. 이를 위해서, 유리 기판(100)은 기울어진 제1 측면(110), 지문이 접촉하는 상면(120), 기울어진 제2 측면(130), 및 하면(140)을 포함한다. 상면(120)과 하면(140)은 서로 평행하며, 상면(120)의 폭은 하면(140)의 폭보다 넓게 형성된다. 상면(120)과 제1 측면(110) 사이의 사이각은 제1 각도 θ1이며, 상면(120)과 제2 측면(130) 사이의 사이각은 제2 각도 θ2이다. 여기서, 제1 각도 θ1과 제2 각도 θ2는 모두 90도 미만일 수 있다.
유리 기판(100)의 제1 측면(110)은 지문 이미지 생성에 이용되는 평행면광(151)이 입사하는 유효 평행면광 진입 영역이 형성되며, 평행면광(151)은 유효 평행면광 진입 영역을 통해 유리 기판(100)의 내부로 입사한다. 평행면광(151)이 유효 평행면광 진입 영역 내 임의의 지점을 통해 입사하더라도 동일한 굴절각을 가지도록 하기 위해서, 제1 측면(110)은 실질적으로 평탄하게 형성된다.
유리 기판(100)의 상면(120)은 지문이 접촉하는 유효 지문 접촉 영역이 형성되며, 유리 기판(100)의 내부로 입사한 평행면광은 상면(130)의 유효 지문 접촉 영역에서 반사된다. 평행면광이 유효 지문 접촉 영역 내 임의의 지점에서 반사되더라도 동일한 반사각을 가지도록 하기 위해서, 상면(130)은 실질적으로 평탄하게 형성된다. 한편, 이하에서 설명할 도 4를 참조하면, 지문센서 패키지는 보호 매체의 하면에 밀착되게 배치될 수 있다. 이 경우, 유효 지문 접촉 영역은 보호 매체의 상면에 형성된다.
유리 기판(100)의 제2 측면(130)은 지문 이미지 생성에 이용되는 평행면광(151)이 나오는 유효 평행면광 진출 영역이 형성되며, 평행면광은 유효 평행면광 진출 영역을 통해 유리 기판(100)의 내부로부터 나온다. 평행면광(151)이 유효 평행면광 진출 영역 내 임의의 지점을 통해 나오더라도 동일한 굴절각을 가지도록 하기 위해서, 제2 측면(110)은 실질적으로 평탄하게 형성된다.
유리 기판(100)은 평행면광(151)에 광학적으로 투명한 물질로 형성된다. 유기 기판(100)을 형성하는 물질의 굴절률에 따라 제1 각도 θ1과 제2 각도 θ2가 결정될 수 있다. 예를 들어, 주요 성분으로 SiO2를 포함하는 유리 기판(100)의 굴절률 n은 약 1.5이다. 한편, 유리 기판(100)의 굴절률 이외에 제1 각도 θ1과 제2 각도 θ2를 결정하는 추가적인 요인으로는, 평행면광(151)으로 이용되는 빛의 파장, 유리 기판(100)의 두께 및/또는 폭 등이 있다. 제2 각도 θ2는, 제1 측면(120)에서의 굴절각 및 제2 측면(120)에서의 굴절각을 모두 고려하여 평행면광이 이미지 센서(160)에 수직으로 입사할 수 있도록 결정된다.
평행면광 발생기(150)는 유리 기판(110)의 제1 측면(110)에 인접하게 배치되며, 평행면광(151)을 유리 기판(100)의 제1 측면(110)에 조사한다. 평행면광(151)의 진행 방향과 제1 측면(110)의 수직 방향 사이의 각도, 즉, 평행면광(151)의 입사각은 85도 내지 90도일 수 있다. 다시 말해, 평행면광 발생기(150)는 평행면광(151)을 제1 측면(110)에 실질적으로 평행하게 조사한다. 일 실시예로, 평행면광 발생기(150)는 평행면광 발생기(150)의 하나 이상의 면 중에서 제1 측면(110)을 향하는 면 전체가 발광하는 면발광 소자일 수 있다. 예를 들어, 평행면광 발생기(150)는 직진성이 높은 평행면광을 조사할 수 있는 레이저 다이오드 또는 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다. 이외에, 평행면광 발생기(150)의 다양한 구조는 도 4 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
일 실시예로, 평행면광 발생기(150)는 850nm내지 950nm인 근적외선(NIR)의 평행면광을 생성할 수 있다. 근적외선은 단파장광에 비해 피부에서의 광흡수율이 좋기 때문에 선명한 지문이미지를 얻을 수 있다. 따라서 근적외선의 평행면광을 이용하는 경우에는 평행면광 발생기(150)를 일정한 주파수로 턴온 또는 턴 오프하면서 지문이미지를 획득하고, 턴온시 획득한 지문이미지와 턴 오프시 획득한 지문이미지의 차이를 산출하여 지문 인식에 이용할 수 있다. 한편, 지문센서 패키지가 장착된 전자장치가 야외에서 사용될 때, 자연광에 포함된 근적외선은 손가락 내부로 확산될 수 있다. 이 경우, 평행면광에 의해 얻어진 지문이미지와는 반대로, 지문의 융선이 상대적으로 밝게 나타나고 골은 어둡게 나타날 수 있다. 따라서, 평행면광 발생기(150)를 턴온시 획득한 지문이미지와 턴 오프시 획득한 지문이미지 중 선명한 지문이미지를 지문 인식에 이용할 수도 있다.
다른 실시예로, 평행면광 발생기(150)는 단파장의 평행면광을 생성할 수 있다. 여기서, 평행면광은 파장이 320nm내지 400nm인 UVA(Ultraviolet A) 또는 450nm 이하의 청색광일 수 있다. 지문센서 패키지가 장착된 전자장치가 야외에서 사용될 때, 외부 광에 의해 이미지 센서(160)의 화소가 포화(saturated)되어 지문이미지를 생성할 수 없게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해서, 단파장의 평행면광이 사용될 수 있다.
이미지 센서(160)는 제2 측면(130)에 인접하게 배치되며, 지문이미지(160)를 생성한다. 도 1에 도시된 예를 참조하면, 이미지 센서(160)는 이미지 센서(160)의 상면이 제2 측면(130)을 향하도록 제2 측면(130)의 하부에 배치될 수 있다. 상세하게, 유효 평행면광 진출 영역을 통해 유리 기판(100)으로부터 나오는 평행면광이 실질적으로 수직하게 입사할 수 있도록 이미지 센서(160)는 제2 측면(130)의 하부에 배치될 수 있다. 한편, 다른 실시예로, 도면에 도시되지 않았으나, 이미지 센서(160)는 제2 측면(120)에 밀착되도록 배치될 수도 있다.
하우징(170)은 외부로부터 입사하는 빛을 차단한다. 평행면광을 제외한 다른 빛이 제1 측면(110)을 통해 유리 기판(100) 내부로 입사하거나 이미지 센서(160)에 입사하면, 이미지 센서(160)가 생성한 지문이미지에 왜곡이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 하우징(170)은 유리 기판(100)의 양 측면(110, 120) 및 하면(140)을 둘러싸며, 유리 기판(100)의 상면(120)은 외부로 노출시킨다.
한편, 유효 지문 접촉 영역이 형성되는 상면(120)은 하우징(170)에 의해 차단되지 않으므로, 외부로부터 빛이 입사할 수 있다. 평행면광을 제외한 다른 빛이 지문이미지 생성에 미치는 영향을 실질적으로 제거 또는 최소화하기 위해서, 유리 기판(100)의 제1 측면(110), 상면(120), 및 제2 측면(130) 중 적어도 어느 하나에 대역 통과 필름이 부착될 수 있다. 대역 통과 필름은 평행면광은 통과시키되 평행면광과 파장이 다른 빛은 차단할 수 있다.
도 2는 입사각에 따라 굴절각이 변하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2의 (a) 내지 (c)에서, 평행면광(210a, 210b, 210c)의 입사각은 θ3, 굴절각은 θ4로 각각 정의된다. 여기서, 입사각 θ3은 평행면광(210a, 210b, 210c)의 진행 방향과 유리 기판(200) 하면에 수직한 방향 사이의 각도이며, 굴절각 θ4는 굴절광(220a, 220b, 220c)의 진행 방향과 유리 기판(200) 하면의 수직 방향 사이의 각도이다.
평행면광(210a, 210b, 210c)은 평행면광 발생기로부터 조사되어 입사점 C에서 유리 기판(200)에 입사된다. 도 2에서, 평행면광(210a, 210b, 210c)이 굴절률 N1=1.0인 공기를 거쳐, 예를 들어, 굴절률 N2=1.5인 유리 기판(200)에 입사되는 것으로 예시되어 있다. 입사점 C에서 입사각 θ3과 굴절각 θ4는 N1 X Sin θ3 = N2 X Sin θ4와 같은 관계를 가진다. 이 관계를 이용하여 입사각 θ3을 0도부터 5도씩 증가하여 굴절각 θ4를 계산하면, 아래 표 1을 얻을 수 있다.
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 입사각 θ3이 0도일 때, 평행면광(210a, 210b, 210c)은 굴절하지 않고 유리 기판(200)에 입사되며, 입사각 θ3이 증가할수록 굴절각 θ4가 지속적으로 증가한다. 입사각 θ3이 0도부터 35도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ4는 대략 3도씩 증가하고, 입사각 θ3이 35도부터 60도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ4는 대략 2도씩 증가하고, 입사각 θ3이 60도부터 80도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ4는 대략 1도씩 증가하며, 입사각 θ3이 80도부터 90도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ4는 대략 0.4도씩 증가한다. 한편, 입사각 θ3과 유리 기판(200)의 두께 TGS에 따른 입사점 C와 반사광(230a, 230b, 230c)이 유리 기판(200)의 하면과 만나는 지점 사이의 거리 x는 입사각 θ3이 0도에서 55도 사이에서는 실질적으로 동일한 증가분 Δx 만큼 증가하고, 입사각 θ3이 55도보다 커지면서 증가분 Δx가 감소하기 시작하며, 입사각 θ3이 85도보다 커지면 85도 이전 구간에 비해 증가분 Δx가 매우 작아진다. 종합하면, 입사각 θ3이 85도부터 90도까지 구간에 속하면, 입사각 θ3 변화하더라도 거리 x의 변화가 거의 없는 평행광과 같아지게 되고 균일한 굴절광(220a, 220b, 220c) 및 균일한 반사광(230a, 230b, 230c)이 생성될 수 있다.
한편, 유리 기판의 두께 TGS를 1mm에서 2mm로 증가시키면, 굴절광(220a, 220b, 220c) 및 균일한 반사광(230a, 230b, 230c)의 유리 기판(200) 내에서의 광 경로가 증가하고, 그 결과로 거리 x가 유리 기판(200)의 높이 증가에 실질적으로 비례하여 증가한다. 거리 x의 증가는 유리 기판(200)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역이 증가함을 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 유리 기판 내에서 평행면광의 광 경로를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 평행면광(300)은 제1 측면(110)의 유효 평행면광 진입 영역을 통해 입사되며, 제1 측면(110)에서 1차 굴절된다. 1차 굴절된 평행면광(이하 1차 굴절광; 310, 311)은 상면(130)의 유효 지문 접촉 영역에서 반사된다. 반사된 평행면광(이하 반사광; 320, 321)은 제2 측면(120)의 유효 평행면광 진출 영역을 통해 유리 기판(100)의 외부로 나간다. 일 실시예로, 반사광(320, 321)은 제2 측면(120)의 유효 평행면광 진출 영역에서 굴절된다. 굴절된 반사광(이하 2차 굴절광; 330, 331)은 이미지 센서(160)에 실질적으로 수직하게 입사할 수 있다. 다른 실시예로, 도면에 도시되지 않았으나, 이미지 센서(160)가 제2 측면(120)에 밀착되도록 배치되는 경우, 반사광(320, 321)은 제2 측면(120)에서 이미지 센서(160)로 직접 입사할 수도 있다.
제1 측면(110)의 적어도 일부에 유효 평행면광 진입 영역이 형성되며, 제2 측면(130)의 적어도 일부에 유효 평행면광 진출 영역이 형성된다. 평행면광(300)이 제1 측면(110)의 대부분 영역에 조사되더라도, 유효 평행면광 진입 영역 이외의 영역으로 입사한 평행면광은 제2 측면(130)에 도달하지 못한다. 다시 말해, 유효 평행면광 진입 영역 이외의 영역으로 입사한 평행면광의 경우에, 그 반사광이 하면(140)에 도달하거나 그 1차 굴절광이 제2 측면에 도달하게 되어 최종적으로 이미지 센서(160)에 입사하지 못한다. 유효 평행면광 진입 영역의 폭 W_LI 및/또는 유효 평행면광 진출 영역 W_LO는 유리 기판(100)의 두께, 폭, 제1 각도 θ1, 및 제2 각도 θ2 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의해 결정될 수 있다. 유리 기판(100)의 폭은, 도 3을 기준으로 유리 기판(100)의 수평 방향의 길이이다.
평행면광(300)은 유효 평행면광 진입 영역에서 굴절각 θ5로 굴절된다. 굴절각 θ5는 상면(120)에 수직한 방향과 1차 굴절광(310, 311) 사이의 각도이다. 도 2를 다시 참조하면, 각도 θ5는 제1 각도 θ1과 굴절각 θ4의 합이다. 1차 굴절광(310, 311)은 유효 지문 접촉 영역에서 반사각 θ5로 반사된다. 반사각 θ5는 상면(120)에 수직한 방향과 반사광(320, 321) 사이의 각도이다.
유효 지문 접촉 영역 내에서, 1차 굴절광(310)은 지문의 골이 위치한 지점 A에서 반사되며, 1차 굴절광(311)은 지문의 융선이 위치한 지점 B에서 반사된다. 지문이미지(340, 350)에서, 지문의 융선은 상대적으로 어둡고 지문의 골은 상대적으로 밝게 나타난다. 지문의 골이 위치한 지점 A는 1차 굴절광(310)을 흡수하거나 산란시키지 않는다. 따라서, 지점 A에서 나오는 반사광(320)은 거의 손실되지 않은 광량을 가지게 된다. 이로 인해, 이미지 센서(160)는 반사광(320)에 의한 2차 굴절광(330)을 검출할 수 있다. 이와 반대로, 지문의 융선이 위치한 지점 B는 1차 굴절광(311)을 흡수하거나 산란시킨다. 따라서 지점 B에서 나오는 반사광(321)은 소멸되거나 상대적으로 작은 광량을 가지게 된다. 이로 인해, 이미지 센서(160)는 반사광(321)에 의한 2차 굴절광(331)을 거의 검출하지 못한다. 따라서, 지문이미지(340, 350)에서, 지문의 골 A'은 지문의 융선 B'에 비해 상대적으로 밝게 나타나게 된다.
이미지 센서(160)에 의해 생성되는 지문이미지의 폭은 실제 지문이미지의 폭보다 축소된다. 이 때, 지문이미지의 길이는 축소되지 않는다. 도 3에 도시된 유리 기판(100)의 단면을 기준으로, 지면에 수직한 방향이 유리 기판(100)의 길이 방향이며, 이에 따라 지문이미지(340, 350)의 길이 방향은 세로 방향이며, 폭은 가로 방향이다. 유효 평행면광 진출 영역의 폭 W_LO는 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_FC보다 작다. 반사광(320, 321)은 실제 지문이미지를 나타내며, 반사광(320, 321)이 유효 평행면광 진출 영역을 통과하면서 실제 지문이미지의 폭 W_FC은 W_LO로 축소된다. 지문이미지(340)는 유효 평행면광 진출 영역을 통과할 때 반사광(320, 321)이 나타내는 이미지이다. 한편, 이미지 센서(160)의 폭 W_IS는 유효 평행면광 진출 영역의 폭 W_LO보다 작다. 2차 굴절광(330, 331)은 유효 평행면광 진출 영역으로부터 이미지 센서(160)를 향해 실질적으로 수직하게 입사하므로, 지문이미지(340)의 폭 W_FO은 W_IS로 축소된다. 지문이미지(350)는 최종적으로 이미지 센서(160)에 의해 생성된 지문이미지이다.
유효 지문 접촉 영역의 폭 W_FC는 제1 측면(110)에 의해 유효 평행면광 진입 영역의 폭 W_LI보다 확대되며, 실제 지문이미지는 제2 측면(130)에 의해 축소된다. 이로 인해, 평행면광이 상면(120)에 평행한 하면(140)을 통해 입사하는 경우보다 유리 기판(100)의 두께 및/또는 폭이 줄어들게 되어 지문센서 패키지의 크기가 줄어들 수 있다. 또한, 이미지 센서(160)의 크기도 축소될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 지문센서 패키지는, 이미지 축소에 필요한 렌즈와 같은 광학계가 없어도 축소된 지문이미지를 생성할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 지문센서 패키지가 보호 매체 아래 위치한 예를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
보호 매체는 광학적으로 투명한 매체로서 전자장치의 외면이 손상되는 것을 방지한다. 이러한 보호 매체의 일 예는 휴대 전화의 전면에 부착되어 디스플레이를 보호하는 커버 글라스(400)이다. 한편, 도 4에서, 두께 TCG를 갖는 하나의 보호 매체가 예시되어 있으나, 둘 이상의 보호 매체가 중첩될 수도 있다. 예를 들어, 커버 글라스(400) 상면에 보호 필름이 부착될 수 있다. 단순한 예시를 위해 보호 매체가 지문센서 패키지와 동일한 형상과 넓이를 가진 것으로 도시되어 있으나, 보호 매체가 측면 방향으로 확장될 수 있음은 물론이다.
도 4를 참조하면, 지문센서 패키지의 유리 기판(100) 상면(120)은 보호 매체인 커버 글라스(400)의 하면에 공기가 개재되지 않도록 밀착된다. 유리 기판(100)의 상면(120)을 커버 글라스(400)의 하면에 밀착시키면, 1차 굴절광이 유리 기판(100)의 상면(120)과 공기와의 접촉면에서 반사되지 않고 커버 글라스(400)의 상면까지 도달한 후 반사된다. 커버 글라스(400)와 유리 기판(100) 사이에 공기가 개재되면, 1차 굴절광이 유리 기판-공기층간 굴절률의 차이로 인해 유리 기판(100)의 상면(120) 또는 커버 글라스(400)의 하면에서의 표면 반사율이 증가되며, 그 결과 반사광은 공기층과 나란한 방향으로 굴절하게 되어 유리 기판(100)에 입사하지 않게 된다. 그러므로 유리 기판(100)의 상면과 커버 글라스(400)의 하면 사이는 공기가 유입되지 않게 밀착되어야 한다.
유리 기판(100)의 유효 평행면광 진입 영역, 유효 지문 접촉 영역, 및 유효 평행면광 진출 영역의 폭과 위치는 보호 매체에 의해 변경될 수 있다. 여기서, 보호 매체의 유무에 상관없이 평행면광 발생기(320)는 동일한 평행면광 입사 영역에 평행면광을 조사하며, 유리 기판의 두께와 폭은 도 3에 도시된 유리 기판과 동일하다고 가정한다.
커버 글라스(400)가 없는 경우, 유효 지문 접촉 영역은 유리 기판(100)의 상면(120)에 형성된다. 두께 TGS의 유리 기판(100)은 폭 W_LI의 유효 평행면광 진입 영역, 폭 W_FC의 유효 지문 접촉 영역, 및 폭 W_LO의 유효 평행면광 진출 영역을 가진다. 1차 굴절광(410)은 유리 기판(100)의 상면(120)에서 반사되고, 반사광(420)은 제2 측면(130)의 유효 평행면광 진출 영역을 통해 이미지 센서(160)에 입사한다.
커버 글라스(400)가 있는 경우, 유효 지문 접촉 영역은 커버 글라스(400)의 상면에 형성된다. 커버 글라스(400)의 두께 TCG에 의해 유효 지문 접촉 영역에 도달하는 1차 굴절광(410)의 광 경로는 증가하지만, 유효 평행면광 진출 영역에 도달하는 반사광(421)의 광 경로는 감소한다. 즉 커버 글라스(400)는 유리 기판(100)의 두께를 TGS에서 Ttotal로 증가시키는 역할을 한다. 두께 Ttotal의 유리 기판(100)은 폭 W_LI'의 유효 평행면광 진입 영역, 폭 W_FC'의 유효 지문 접촉 영역, 및 폭 W_LO'의 유효 평행면광 진출 영역을 가진다. 유리 기판(100)의 두께 Ttotal로 인해서, 폭 W_LI'의 유효 평행면광 진입 영역은 상면측으로 이동하며, 폭 W_LI'의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_FC'이 변경될 수 있다.
커버 글라스(400) 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역은 유리 기판(100)의 상면(120)에 형성된 유효 지문 접촉 영역과 동일한 기능을 한다. 즉, 1차 굴절광이 지문의 골과 융선에 반사 또는 흡수되어 반사광이 지문이미지를 생성하는데 이용될 수 있도록 한다. 이로 인해, 지문센서 패키지가 커버 글라스(400) 등과 같은 보호 매체 아래에서도 지문이미지를 생성할 수 있다. 한편, 커버 글라스(400)의 굴절률은 유리 기판(100)의 굴절률과 실질적으로 동일한 편이 바람직하다.
이미지 센서(160)가 선명한 지문이미지를 생성하기 위해서, 단파장의 평행면광이 이용될 수 있다. 가시광선이나 근적외선과 같은 광에 비해서, 단파장의 평행면광은 손가락을 투과하거나 피부에서 확산되는 효과가 낮다. 따라서 단파장의 평행면광을 이용하면, 평행면광 생성기(150)로부터 입사되는 평행면광 이외의 외부 광을 차광할 때 매우 효과적일 수 있다. 외부 광의 차광은 하우징(170) 이외에도 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 유리 기판(100)은 단파장광만 통과하는 대역 통과 필터의 기능을 가질 수 있다. 다른 실시예로, 단파장광만 통과하는 단파장 대역 통과 필름이 유리 기판(100)의 제1 측면(110), 상면(120), 및 제2 측면(130) 중 적어도 어느 하나에 부착될 수 있다.
도 5는 평행면광 발생기의 일 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 입사각 조절기의 역할을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 평행면광 발생기는 광원(500) 및 가이드(520)를 포함한다. 광원(500)은 무지향성광을 조사하는 LED일 수 있다. 무지향성광은 광원(500)의 출력단에 위치한 가이드(520)에 의해 평행면광으로 유도된다. 가이드(520)는 무지향성광의 적어도 일부가 85도 내지 90도의 입사각으로 유리 기판(100)의 제1 측면(120)에 조사되도록 한다. 가이드(520)에 의해 입사된 평행면광은 유리 기판(100) 내부에서 1차 굴절광(550)이 된다. 일 실시예로, 가이드(520)는 가이드의 내면을 향하는 무지향성광을 차광 또는 흡광하는 물질로 형성될 수 있다.
한편, 가이드(520)에 의해 정의된 광 경로를 통과하지만, 입사각이 90도보다 큰 광(530, 540)이 발생할 수 있다. 90도보다 큰 입사각을 갖는 광(530, 540)이 유리 기판(100)에 입사되어 원하지 않는 굴절광이 생성되거나 이미지 센서(160)에 입사되지 않도록 하기 위해서, 추가적으로, 입사각 조절기(510)가 제1 측면(110)에 평행하게 위치될 수 있다. 제1 입사각을 갖는 광(530)은 입사각 조절기(510)에 의해 반사되어 90도 보다 작은 제1 입사각을 갖게 되며, 유리 기판(100)의 제1 측면(110)에 입사한다. 이 때 제1 입사각이 85도 이하이므로, 굴절광의 대부분은 유리 기판(100)의 상면을 통해 외부로 투과되어 사라진다. 제2 입사각(제1 입사각보다 큼)을 갖는 광(540)은 입사각 조절기(510)에 의해 반사되어 제2 양의 입사각을 갖게 되며, 유리 기판(100)의 제1 측면(110)으로 입사하지 못한다.
큰 입사각을 광의 경로를 변경하는 역할과 함께, 입사각 조절기(510)는 유리 기판(100)에 입사되는 평행면광을 증가시킬 수 있다. 여기서, 입사각 조절기(510)가 유리 기판(100)에 입사되도록 조절할 수 있는 평행면광의 입사각은 입사각 조절기(510)와 유리 기판(100) 사이 각도에 따라 달라질 수 있다.
도 6의 (a)와 같이 입사각 조절기(510)가 유리 기판(100)에 평행하게 위치하면, 90도 내지 95도의 입사각을 갖는 평행면광(600)이 입사각 조절기(510)의 상면에서 대부분 반사되어 유리 기판(100)에 입사될 수 있는 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(601)이 된다. 그리고 입사각 조절기(510)의 상면에서 입사각 조절기(510)의 내부로 1차 굴절된 평행면광은 입사각 조절기(510)의 하면에서 대부분 반사된 후 입사각 조절기(510)의 상면에서 2차 굴절된다. 2차 굴절된 광도 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(602)이 된다. 한편, 1차 굴절된 평행면광의 일부가 입사각 조절기(430)의 하면으로부터 외부로 나오지만(603), 유리 기판(100)에 입사되지 않는다. 이로 인해, 유리 기판(100)에 입사하는 평행면광이 증가하고, 보다 선명한 지문이미지를 생성할 수 있게 된다.
LED와 같은 광원(500)은 실질적으로 90도의 입사각을 갖는 직진광을 조사한다. 도 6의 (b)와 같이 입사각 조절기(510)가 유리 기판(100)의 제1 측면(110)에 대해 일정 각도, 예를 들어, 5도 경사지도록 위치하면, 실질적으로 90도의 입사각을 갖는 평행면광(480)이 입사각 조절기(510)의 상면에서 대부분 반사되어 유리 기판(100)에 입사될 수 있는 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(611)이 된다. 즉, 도 6의 (b)를 기준으로, 입사각 조절기(510)의 상면이 좌측 방향으로 낮아지도록 기울어지면, 입사각 조절기(510)의 상면이 좌측에 위치한 평행면광 발생기(500)를 향하게 된다. 한편, 도 6의 (a) 경우와 마찬가지로, 입사각 조절기(510)의 상면에서 입사각 조절기(510)의 내부로 1차 굴절된 평행면광은 입사각 조절기(510)의 하면에서 대부분 반사된 후 입사각 조절기(510)의 상면에서 2차 굴절된다. 2차 굴절된 광도 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(612)이 된다. 한편, 1차 굴절된 평행면광의 일부가 입사각 조절기(510)의 하면으로부터 외부로 나오지만(613), 유리 기판(100)에 입사되지 않는다. 이로 인해, 유리 기판(100)에 입사하는 평행면광이 증가하고, 보다 선명한 지문이미지를 생성할 수 있게 된다.
도 7은 평행면광 발생기의 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이고, 도 7은 도 6에 평행면광 발생기를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 저면을 나타낸 저면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 평행면광 발생기는 반사경(700) 및 광원(705)을 포함한다. 광원(705)은 반사경(700)을 향해 무지향성광을 조사하는 점광원 LED일 수 있다. 반사경(700)은 유리 기판(100)의 제1 측면(110)에 평행면광(700)을 조사한다. 평행면광(710)은 제1 측면(110)에서 1차 굴절되어 1차 굴절광(720)이 된다. 무지향성광을 반사하는 반사경(700)의 단면은 포물면 형상의 거울이며, 반사경(700)의 곡률은 광원(705)이 조사하는 무지향성광이 반사경(700)에 의해 반사되어 85도 내지 90도의 입사각을 갖도록 결정될 수 있다. 즉, 반사경(700) 단면의 곡률이 평행면광(710)의 입사각을 결정한다.
반사경(700)은 광원(705)이 조사한 무지향성광을 평행면광(710)으로 유도하기 위해 길이 방향으로 이미지 센서(160)의 길이만큼 연장된다. 도 8을 참조하면, 반사경(700)은 이미지 센서(160)의 길이만큼 연장되며, 도 8을 기준으로, 좌측 방향으로 만곡된 포물면 형상의 거울일 수 있다. 여기서, 길이 방향은, 도 8을 기준으로, 수직 방향이다. 반사경(700)의 길이 방향 곡률은 반사된 평행면광(710)이 제1 측면(110)을 향해 수평하게 진행하도록 결정될 수 있다. 반사경(700)의 단면(도 7)뿐 아니라 길이 방향으로도 포물면(도 8)이 되도록 함으로써, 점광원을 이용해서 좋은 직진성을 갖는 평행면광(710)을 생성할 수 있게 된다.
도 9는 평행면광 발생기의 또 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 평행면광 발생기는 반사경(900) 및 광원(905)을 포함한다. 일 실시예로, 광원은 직진성(905)이 높은 직진광을 조사하는 레이저 다이오드 또는 LED일 수 있다. 다른 실시예로, 광원(905)은 무지향성광을 조사하는 LED일 수 있다. 이 경우, 무지향성광은 광원(905)의 출력단에 위치한 가이드에 의해 직진광으로 유도된다. 광원(905)은 유리 기판(100)의 하면(140)에 가까운 위치에 배치될 수 있다. 이 구성으로 인해서 광원(905)부터 유리 기판(100)의 제1 측면(110)까지의 광 경로가 증가하므로, 직진성이 높은 평행면광(910)이 유리 기판(100)의 제1 측면(110)에 입사될 수 있다. 평행면광(910)은 제1 측면(110)에서 1차 굴절되어 1차 굴절광(920)이 된다.
반사경(900)은 제1 측면(110)에 평행면광을 조사한다. 반사경(910)은 포물면 형상의 거울이며, 반사경(900)의 곡률은 직진광이 반사경(900)에 의해 반사되어 85도 내지 90도의 입사각을 갖도록 결정될 수 있다.
도 10은 지문센서 패키지의 개략적인 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다. 도 10에 도시된 지문센서 패키지에 관한 설명 중 도 1 내지 9에서 이미 설명한 내용은 생략한다.
도 10을 참조하면, 지문센서 패키지는 제1 유리 기판(100), 제2 유리 기판(105), 제1 평행면광 발생기(150), 제2 평행면광 발생기(155), 및 이미지 센서(160)를 포함한다. 제1 유리 기판(100)과 제2 유리 기판(105)은 제2 측면(130)과 제2 측면(135)이 대향하도록 배치된다. 여기서, 제1 유리 기판(100)의 상면(120)과 제2 유리 기판(105)의 상면(125)은 단차가 발생하지 않도록 동일한 수평선상에 배치된다. 제1 유리 기판(100)의 상면(120)과 제2 유리 기판(105)의 상면(125)에는 지문이 접촉하는 유효 지문 접촉 영역이 형성되며, 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_FC''는 하나의 유리 기판에 의해 형성되는 유효 지문 접촉 영역의 폭보다 증가된다. 여기서, 유효 지문 접촉 영역의 중앙 영역은 지문이 접촉하더라도 지문이미지는 생성되지 않는 영역이다. 제1 평행면광 발생기(150)는 제1 유리 기판(100)의 제1 측면(110)에 평행면광을 조사하며, 제2 평행면광 발생기(155)는 제2 유리 기판(105)의 제1 측면(115)에 평행면광을 조사한다. 이미지 센서(160)는 제1 유리 기판(100)의 제2 측면(130)과 제2 유리 기판(105)의 제2 측면(135) 사이 공간의 하부에 배치되며, 유효 지문 접촉 영역에서 반사된 평행면광에 의해 지문이미지를 생성한다.
제1 및 제2 평행면광 발생기(150, 155)가 조사한 각 평행면광의 입사각은 85도 내지 90도이나, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 평행면광 발생기(150)는 왼쪽에서 오른쪽으로 평행면광을 조사하고, 제2 평행면광 발생기(155)는 오른쪽에서 왼쪽으로 평행면광을 조사한다. 예를 들어, 제1 및 제2 평행면광 발생기(150, 155)는 직진성이 높은 평행면광을 조사할 수 있는 레이저 다이오드 또는 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다. 이외에, 도 5 내지 도 9에서 상술한 다양한 구조의 평행면광 발생기가 적용될 수 있다.
일 실시예로서, 제1 및 제2 평행면광 발생기(150, 155)는 동시에 턴온되어 평행면광을 제1 유리 기판(100)의 제1 측면(110) 및 제2 유리 기판(105)의 제1 측면(115)에 각각 조사한다. 제1 및 제2 평행면광 발생기(150, 155)는 번갈아 턴온되어 평행면광을 제1 유리 기판(100)의 제1 측면(110) 및 제2 유리 기판(105)의 제1 측면(115)에 각각 조사한다.
도 11은 이미지 센서의 구조에 따른 지문이미지 처리 방식을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 이미지 센서에 투영된 축소 지문이미지(1110)의 폭은 정사각형상 이미지 센서(1120)의 폭보다는 작으며, 직사각형상 이미지 센서(1125)의 폭과는 동일한 예가 도시되어 있다. 그러나 정사각형상 이미지 센서(1120)의 폭도 축소 지문이미지(1110)의 폭과 동일하게 구현될 수 있음은 물론이다. 1차 굴절광이 유효 지문 접촉 영역에 위치한 지문의 융선과 골에 의해 흡수되거나 반사되어 생성된 반사광은, 실제 지문이미지(1100)를 나타낸다. 반사광이 제2 측면을 통해 나오면서 2차 굴절되어 생성된 2차 굴절광은, 좁아진 광 경로로 인해 일정 비율로 폭이 축소된 축소 지문이미지(1110)를 나타낸다.
정사각형상 이미지 센서(1120)는 정사각형상의 단위 화소가 복수개 배열된 형태이고, 직사각형상 이미지 센서(1125)는 직사각형상의 단위 화소가 복수개 배열된 형태이다. 여기서, 직사각형상 이미지 센서(1125)는 단위 화소 자체의 형상이 직사각형인 경우뿐 아니라 수광부의 형상이 직사각형인 경우도 포함한다. 정사각형상 이미지 센서(1120)의 단위 화소와 비교할 때, 직사각형상 이미지 센서(1120)의 단위 화소의 길이는 정사각형상 이미지 센서(1120)의 단위 화소의 길이와 동일하지만, 직사각형상 이미지 센서(1120)의 단위 화소의 폭은 실제 지문이미지(1100)의 폭이 축소되는 비율과 동일한 비율로 축소된다.
정사각형상 이미지 센서(1120)와 직사각형상 이미지 센서(1125) 모두 축소 지문이미지(1110)를 이용하여 출력 지문이미지(1130, 1135)를 생성한다. 정사각형상 이미지 센서(1120)가 생성한 출력 지문이미지(1130)는 축소 지문이미지(1110)가 그대로 출력된 것이므로, 실제 지문이미지(1100)와는 동일하지 않다. 따라서 출력 지문이미지(1130)는 ISP(Image Sensor Processor) 영상 처리와 같은 후처리 과정을 거쳐야만 실제 지문이미지(1100)와 실질적으로 동일하게 될 수 있다. 이에 반해, 직사각형상 이미지 센서(1125)는 실제 지문이미지(1100)와 축소 지문이미지(1110)간 축소 비율이 이미 각 단위 화소에 반영되어 있다. 따라서 각 단위 화소가 검출한 2차 굴절광에 의한 신호로 생성한 출력 지문이미지(1135)는 실제 지문이미지(1100)와 동일하게 된다. 이로 인해, 직사각형상 이미지 센서(1125)는 출력 지문이미지의 폭을 조절하는 후처리 과정을 요구하지 않는다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 지문이미지 획득을 위한 광 경로를 제공하며, 지문과 접촉하는 상면, 상기 상면과의 사이각이 제1 각도를 갖도록 기울어진 제1 측면, 및 상기 상면과의 사이각이 제2 각도를 갖도록 기울어진 제2 측면을 포함하는 유리 기판;
    상기 제1 측면에 평행면광을 조사하는 평행면광 발생기; 및
    상기 상면에 반사되어 상기 제2 측면을 통해 상기 유리 기판으로부터 나오는 평행면광을 이용하여 상기 지문이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하는 지문센서 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 평행면광 발생기는 상기 제1 측면에 수직한 방향과 상기 평행면광의 진행 방향 사이 각도가 85도 내지 90도가 되도록 상기 평행면광을 조사하는 지문센서 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 각도는 상기 제2 각도보다 작으며,
    상기 제1 각도 및 상기 제2 각도는 모두 90도 미만인 지문센서 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서의 폭은 상기 상면의 유효 지문 접촉 영역의 폭보다 작은 지문센서 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 제2 측면을 통해 상기 유리 기판으로부터 나오는 평행면광이 수직으로 입사하도록 배치되는 지문센서 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 제2 측면을 통해 상기 유리 기판으로부터 나오는 평행면광이 상기 제2 측면에서 굴절되어 입사하도록 배치되는 지문센서 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서를 구성하는 복수의 단위화소는 직사각형상을 갖는 지문센서 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 평행면광은 근적외선인 지문센서 패키지.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 평행면광 발생기는 주기적으로 턴온 및 턴 오프되며,
    상기 이미지 센서는 상기 평행면광 발생기 턴온시 지문이미지 및 상기 평행면광 발생기 턴 오프시 지문이미지를 모두 생성하는 지문센서 패키지.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 평행면광은 320nm 내지 450nm 파장을 갖는 단파장광인 지문센서 패키지.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 유리 기판의 상면, 제1 측면 또는 제2 측면 중 적어도 어느 하나에 부착된 단파장 대역 통과 필름을 더 포함하는 지문센서 패키지.
  12. 지문이미지 획득을 위한 광 경로를 증가시키는 보호 매체; 및
    상기 보호 매체에 밀착되는 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 지문센서 패키지를 포함하는 전자장치.
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