KR20180085607A - 지문 인식 장치 및 방법 - Google Patents

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김정우
송훈
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삼성전자주식회사
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Abstract

영상 신호에 따라 온-오프 제어되는 복수의 화소들을 포함하는 디스플레이 소자; 사용자의 터치 위치를 인식하는 터치 센서; 터치된 사용자의 지문에 의한 반사광을 감지하는 지문 센서;를 포함하는 지문 인식 장치가 제공된다. 지문 인식 장치는 디스플레이 화소를 지문 인식용 광으로 사용하고, 이의 반사광을 센싱하여 지문 형상을 연산하므로, 화면 상의 임의의 영역에서 지문 인식이 가능하다.

Description

지문 인식 장치 및 방법 {Apparatus and method for recognizing fingerprint}
본 개시는 디스플레이 스크린 상에서 지문을 인식할 수 있는 지문 인식 장치 및 방법에 대한 것이다.
지문, 음성, 얼굴, 손 또는 홍채와 같은 개인의 고유한 특징을 이용한 개인 인증의 필요성은 점차 확대되고 있다. 개인 인증 기능은 금융 기기, 출입 통제기, 모바일 장치, 노트북 등에서 주로 사용되며, 최근 스마트 폰과 같은 모바일 장치가 널리 보급됨에 따라 스마트 폰 내에 저장된 많은 보안 정보를 보호하기 위해 개인 인증을 위한 지문 인식 장치가 채용되고 있다.
스마트 폰에는 터치 스크린 장치가 디스플레이 장치에 부착되어, 사용자에게 직관적인 입력 수단을 제공하고 있으며, 통상, 지문 인식 장치는 터치 스크린 장치와 별도로 마련되어 정해진 위치를 터치한 경우에만 지문 인식이 가능하다.
디스플레이 스크린 상에서 지문을 인식할 수 있는 지문 인식 장치 및 방법을 제공한다.
일 유형에 따르면, 영상 신호에 따라 온-오프 제어되는 복수의 화소들을 포함하는 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자 상에 구비되며, 사용자의 터치가 입력되는 터치면과, 상기 터치면과 연결되는 복수의 측면을 구비하는 투명 커버; 상기 터치면을 통해 입력되는 사용자의 터치 위치를 인식하는 터치 센서; 터치된 사용자의 지문에 의해 상기 터치면에서 반사되는 반사광을 감지하는 지문 센서; 및 상기 터치 위치에 대응하는 화소를 구동하고, 상기 지문 센서에서 감지되는 신호로부터 지문 형상을 연산하는 제어부;를 포함하는, 지문 인식 장치가 제공된다.
상기 지문 센서는 상기 복수의 측면 중 하나 이상의 위치에 마련되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 포토 다이오드는 상기 복수의 측면 각각에 마련될 수 있다.
상기 지문 센서는 상기 복수의 측면으로부터의 광을 상기 하나 이상의 포토 다이오드로 모으는 광 집속 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 지문 센서는 상기 하나 이상의 포토 다이오드에서의 신호를 합산하는 합산기를 더 포함할 수 있다.
상기 지문 센서는 상기 하나 이상의 포토 다이오드에서의 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
상기 지문 센서는 상기 하나 이상의 포토 다이오드로부터의 신호를 스위칭하는 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 지문 센서는 상기 복수의 측면을 둘러싸는 형상을 가지며, 포토 컨덕터(photoconductor) 물질로 이루어진, 광 감지 부재; 및 입사광에 의한 상기 광 감지 부재의 전기 저항 변화를 측정하기 위한 회로 요소;를 포함할 수 있다.
상기 회로 요소는 상기 광 감지 부재의 전기 저항 변화가 복수의 가변 저항이 병렬 연결된 형태의 등가 회로로 측정되도록 정해질 수 있다.
상기 지문 센서는 상기 광 감지 부재에서 발생하는 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
상기 지문 센서는 상기 광 감지 부재에서의 신호를 스위칭하는 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 터치 위치에 대응하는 화소를 구동하는 화소 구동부; 상기 지문 센서에서 감지된 신호로부터 지문의 골(valley) 또는 산(ridge) 여부를 판단하는 판독부; 및 상기 화소 구동부에 의해 구동된 화소 및 상기 판독부의 판단을 연계하여 지문 형상을 추출하는 지문 형상 추출부;를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 터치 센서로부터 인식된 터치 위치를 포함하는 소정 면적의 터치 영역을 설정하는 터치 영역 설정부;를 더 포함할 수 있다.
상기 화소 구동부는 상기 터치 영역 내의 화소를 시순차 구동하고, 상기 판독부는 상기 화소 구동부의 시순차 구동에 동기하여, 터치된 지문의 골 또는 산 여부를 판단할 수 있다.
상기 디스플레이 소자의 해상도는 500 PPI(pixel per inch) 이상일 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 상술한 지문 인식 장치를 포함하는, 전자 기기가 제공된다.
또한, 일 유형에 따르면, 복수의 디스플레이 화소를 포함하는 디스플레이 소자를 이용하여, 상기 복수의 디스플레이 화소 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여, 터치면을 향해 지문 인식용 광을 조사하는 단계; 사용자의 지문에 의한, 상기 지문 인식용 광의 반사광을 감지하는 단계;를 포함하는, 지문 인식 방법이 제공된다.
상기 지문 인식용 광을 조사하는 단계는 사용자의 터치가 입력된 터치 위치를 인식하는 단계; 상기 터치 위치에 따라 지문 인식할 화면 영역을 설정하는 단계; 상기 화면 영역에 대응하는 화소들을 시순차적으로 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 반사광을 감지하는 단계는 상기 시순차 구동에 동기하여 반사광을 감지하고, 터치된 지문의 산, 골 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 반사광을 감지하는 단계는 포토 다이오드 또는 포토 컨덕터를 이용할 수 있다.
상술한 지문 인식 장치는 디스플레이 화소를 지문 인식용 광원으로 사용하므로, 디스플레이 화면 상의 임의의 영역에서(On Screen) 지문을 인식할 수 있다.
상술한 지문 인식 장치는 지문 인식을 위한 추가 구성이 최소화되고 있어 형태가 단순하며 시스템 구성이 용이하다.
상술한 지문 인식 장치는 다양한 전자 기기, 예를 들어, 스마트 폰, 스마트 워치등에 적용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 지문 인식 장치의 개략적인 구성을 보이는 분리 사시도이다.
도 2는 도 1의 지문 인식 장치가 디스플레이 소자의 화소를 지문 인식용 광원으로 사용하며, 지문 형상에 따라 반사광의 광경로가 달라짐을 보이는 개념도이다.
도 3 및 도 4는 각각 지문의 산(ridge) 및 골(valley)에 의한 터치면에서의 반사광이 투명 커버의 가장자리로 도달하는 광 경로를 전산 모사한 도면이다.
도 5는 도 1의 지문 인식 장치가 지문 인식을 수행하기 위해 구비하는 세부 구성을 보이는 블록도이다.
도 6은 도 1의 지문 인식 장치에 채용될 수 있는 지문 센서의 예시적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 7은 도 6의 지문 센서의 예시적인 회로도이다.
도 8은 도 1의 지문 인식 장치에 채용될 수 있는 지문 센서의 다른 예시적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 9는 도 8의 지문 센서의 예시적인 회로도이다.
도 10은 실시예에 따른 지문 인식 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 11은 실시예에 따른 전자 기기의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 지문 인식 장치(100)의 개략적인 구성을 보이는 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 지문 인식 장치(100)가 디스플레이 소자(110)의 화소(PX)를 지문 인식용 광원으로 사용하며, 지문 형상에 따라 반사광의 광경로가 달라짐을 보이는 개념도이다.
지문 인식 장치(100)는 영상 신호에 따라 온-오프 제어되는 복수의 화소(PX)들을 포함하는 디스플레이 소자(110), 디스플레이 소자(110) 상에 구비되며, 사용자의 터치가 입력되는 터치면(150a)을 구비하는 투명 커버(150), 터치면(150a)을 통해 입력되는 사용자의 터치 위치를 인식하는 터치 센서(120), 터치된 사용자의 지문에 의해 상기 터치면(150a)에서 반사되는 반사광을 감지하는 지문 센서(170) 및 터치 위치에 대응하는 화소(PX)를 구동하고, 지문 센서(170)에서 감지되는 신호로부터 지문 형상을 연산하는 제어부(190)를 포함한다.
실시예에 따른 지문 인식 장치(100)는 광 방식 지문 인식 방법을 사용한다. 즉, 지문 인식을 위해 사용자의 지문이 터치되는 터치면(150a)에 지문 인식용 광을 조사하며, 이 때, 지문 인식용 광으로 디스플레이 소자(110)의 화소(PX)를 사용한다.
디스플레이 소자(110)는 복수의 화소(PX)들을 포함하며, 복수의 화소(PX)들은 영상 형성을 위해 영상 신호에 따라 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태로 제어된다. 디스플레이 소자(110)는 또한, 지문 인식용 광을 터치면(150a)의 필요한 위치에 제공하는 역할을 한다. 터치 센서(120)에 의해 터치면(150a)에 터치가 입력된 위치가 센싱되면, 해당 위치로 광을 조사할 수 있는 화소(PX)가 선택되어 온(ON) 상태로 구동된다. 디스플레이 소자(110)로는 유기 발광 디스플레이 소자나 액정 디스플레이 소자 등이 사용될 수 있다. 디스플레이 소자(110)로 액정 디스플레이 소자가 사용되는 경우, 영상 형성용 광을 제공하는 백라이트 장치가 추가적으로 더 구비될 수 있다.
디스플레이 소자(110)의 해상도는 지문 형상을 형성하는 산(ridge)과 골(valley)을 구별할 수 있는 정도일 수 있다. 산(ridge)과 골(valley)의 피치가 약 400㎛ 정도임을 고려할 때, 화소 하나의 폭은 이보다 작은 수치가 되어야 한다. 디스플레이 소자(110)의 해상도는 대략 300PPI(pixel per inch) 이상일 수 있고, 또는, 500PPI(pixel per inch) 이상일 수 있다.
터치 센서(120)는 터치면(150a)에 입력되는 사용자의 터치 위치를 인식하기 위해 마련된다. 터치 센서(120)로는 예를 들어, 전기용량(capacitance) 방식의 센서가 사용될 수 있다. 전기용량 방식의 센서는 사용자의 터치에 의한 커패시턴스(capacitance) 변화를 감지한다. 터치 센서(120)는 복수의 전극들을 포함하는 구동 전극부(123), 구동 전극부(123)와 이격되고, 구동 전극부(123)의 전극들과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 전극들을 포함하는 검출 전극부(128)를 포함한다. 구동 전극부(123)와 검출 전극부(128) 사이에는 절연 필름(125)이 배치될 수 있다. 구동 전극부(123), 검출 전극부(128)의 복수의 전극들이 교차하는 노드에서 터치 입력에 의해 커패시턴스(capacitance) 변화가 일어나며, 터치된 복수의 노드에서의 커패시턴스(capacitance) 변화로부터 터치 입력의 좌표가 계산될 수 있다.
도시된 터치 센서(120)의 구성은 예시적인 것이며, 사용자의 터치를 인식할 수 있는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 예를 들어, 터치 센서(120)에 구비되는 구동 전극부(123), 검출 전극부(128)의 전극 형태는 폭이 균일한 스트라이프 형상으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 마름모 패턴, 폭이 서로 다른 형태 등으로 변형될 수 있다. 또한, 터치 센서(120)가 전기용량 방식의 센서에 국한되는 것은 아니다.
투명 커버(150)는 사용자의 터치가 입력될 수 있는 터치면(150a)을 제공하며, 또한, 디스플레이 소자(110)와 터치 센서(120)를 보호할 수 있도록 마련된다. 투명 커버(150)는 통상, 디스플레이 패널의 최외면에 구비되는 커버 글래스일 수 있다. 투명 커버(150)로는 글래스, 투명 플라스틱 재질들이 사용될 수 있다.
지문 센서(170)는 디스플레이 소자(110)의 화소(PX)에서의 광이 터치면(150a)에서 반사된 반사광을 센싱한다. 터치면(150a)에서의 반사광은 투명 커버(150) 내부를 전반사에 의해 진행하며 투명 커버(150)의 가장자리에 도달하게 되며, 따라서, 반사광을 센싱하기 위해, 지문 센서(170)는 투명 커버(150)의 가장자리 위치에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 지문 센서(170)는 투명 커버(150)의 외곽을 전체적으로 둘러싸는 형태를 가질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
지문 센서(170)로는 반사광을 검출할 수 있는 광센서로서, 포토 다이오드(photodiode)나 포토 컨덕터(photoconductor)가 사용될 수 있다. 또한, 포토 다이오드로 광을 모으는 광집속부재나, 포토 컨덕터에서의 저항 변화를 측정하기 위한 회로 요소 등의 추가 구성이 더 구비될 수 있다. 이에 대해서는 도 6 내지 도 9를 참조하여, 후술하기로 한다.
도 2를 참조하면, 디스플레이 소자(110)에서 지문 인식용 광원으로 사용될 화소(PX)가 선택되면, 해당 화소(PX)가 온(ON) 되며 터치면(150a)을 향해 광을 제공한다. 터치면(150a)에 터치된 손가락(F)의 지문의 구체 형상, 예를 들여, 산(ridge), 골(valley) 여하에 따라 반사광의 방향은 달라진다.
지문의 산(ridge)은 터치면(150a)에 밀착되며, 지문의 산(ridge) 위치에 도달한 화소(PX)로부터의 광은 다양한 방향으로 반사된다. 반사된 광은 투명 커버(150)의 내부에서 전반사되며 가장자리쪽으로 진행한다. 가장자리 쪽에 위치하는 지문 센서(170)에 의해 반사광이 센싱된다. 이러한 광경로는 실선 화살표로 도시되고 있다.
한편, 지문의 골(valley)은 터치면(150a)에 밀착되지 않으며, 터치면(150a)과의 사이에 빈 공간을 형성할 수 있다. 상기 공간은 1보다 큰 굴절률을 가지는 투명 커버(150)보다 작은 굴절률을 가지는 공기(air)를 포함하는 영역이며, 따라서, 화소(PX)로부터의 광은 투명 커버(150)와 상기 공간의 경계에서 전반사될 수 있고, 상대적으로 지문의 골(valley)에 도달하는 양은 적어진다. 지문의 골(valley)에 도달하는 광은 전반사 임계각보다 작은 각으로 터치면(150a)에 입사한 경우이다. 따라서, 지문의 골(valley)에서 반사된 후에도 전반사 임계각보다 작은 각으로 터치면(150a)에 도달할 가능성이 높아지며, 투명 커버(150)의 아래쪽을 향할 가능성이 높아진다. 이러한 광경로는 점선 화살표로 도시하고 있다.
다시 말하면, 지문의 골(valley)에는 화소(PX)로부터의 광이 도달하는 양이 지문의 산(ridge)에 비해 적을 뿐 아니라, 이로부터의 반사광이 투명 커버(150)의 가장자리 쪽을 향하는 양도 적다.
지문 센서(170)는 투명 커버(150)의 가장자리 쪽에 배치되므로, 지문 센서(170)에서 센싱된 광량을 분석하여, 온(ON)된 화소에 대응하는 위치의 지문 형상이 산(ridge)인지 골(valley)인지를 판단할 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 지문의 산(ridge) 및 골(valley)에 의한 터치면(150a)에서의 반사광이 투명 커버의 가장자리로 도달하는 광 경로를 전산 모사한 도면이다.
전산 모사는 화소별 광량 4.0x10-6Lumen@500cd/m2 기준으로 수행되었다.
도 3을 참조하면, 지문의 산(ridge)에 의한 반사광은 투명 커버(150)의 네 가장자리 쪽으로 랜덤하게 진행한다. 다음 표는 반사광의 광량을 수치로 나타낸 것이다.
　 광량 단위
입력 광량 4.00E-06 Lumen
검출 광량 1.43E-10 Lumen
반면, 도 4를 참조하면, 지문의 골(valley)에 의한 반사광은 투명 커버(150)의 가장자리 쪽에 거의 도달하지 않는다. 다음 표는 반사광의 광량을 수치로 나타낸 것이다.
　 광량 단위
입력 광량 4.00E-06 Lumen
검출 광량 1.10E-07 Lumen
전산모사 결과를 살펴보면, 지문의 산(ridge)에서의 반사광이 지문의 골(valley)에서의 반사광보다 약 1000배 이상의 세기를 나타내고 있으며, 따라서, 반사광의 세기 분석으로부터 지문의 산(ridge)과 골(valley)의 구분이 가능하다. 또한, 예시된 수치, 1.10E-07(Lumen)은 통상의 포토 다이오드에서 검출 가능한 수치이다.
도 5는 도 1의 지문 인식 장치(100)가 지문 인식을 수행하기 위해 구비하는 세부 구성을 보이는 블록도이다.
지문 인식 장치(100)는 디스플레이 소자(110), 터치 센서(120), 지문 센서(170) 및 제어부(190)를 포함한다.
제어부(190)는 터치 위치에 대응하는 화소(PX)를 구동하고, 지문 센서(170)에서 감지되는 신호로부터 지문 형상을 이미징할 수 있다. 이를 위하여, 제어부(190)는 예를 들어, 터치 영역 설정부(191), 화소 구동부(193), 판독부(197) 및 지문 형상 추출부(195)를 포함할 수 있다.
터치 영역 설정부(191)는 터치 센서(120)로부터 인식된 터치 위치를 포함하는 소정 면적의 터치 영역을 설정할 수 있다.
화소 구동부(193)는 터치 위치에 대응하는 화소를 구동한다. 이를 위하여, 터치 영역 설정부(191)에서 설정된 터치 영역에 대응하는 위치의 화소들을 선택할 수 있고, 이들을 하나씩 순차적으로 구동할 수 있다. 즉, 설정된 터치 영역에 대응하는 위치의 화소들은 하나씩 순서대로 점멸될 수 있다.
판독부(197)는 지문 센서(170)에서 감지된 신호로부터 지문의 골(valley) 또는 산(ridge) 여부를 판단할 수 있다. 전술한 바와 같이, 지문의 골(valley), 산(ridge) 여하에 따라 지문 센서(170)에서 검출되는 광량은 현저한 차이를 나타내므로, 검출된 광량 여하에 따라, 구동된 화소에 대응하는 위치의 지문 형상을 판별할 수 있다. 또는, 지문 센서(170)에 구비되는 광센서의 성능이나 감도에 따라 지문의 골(valley)에 의한 반사광의 광량이 검출되기 어려운 경우에는, 지문 센서(170)에서 광이 감지되는 경우는 산(ridge), 광이 감지되지 않는 경우는 골(valley)로 판별하는 것도 가능하다.
지문 형상 추출부(195)는 화소 구동부(193)에 의해 구동된 화소 및 판독부(197)의 판단을 연계하여 지문 형상을 추출할 수 있다. 화소 구동부(193)에서 선택된 화소들이 하나씩 점멸될 때 마다, 반사광이 지문 센서(170)에서 감지된다. 감지된 결과에 따라 지문의 산(ridge), 골(valley) 여부가 판독부(197)에서 판단된다. 이와 같이 판단된, 위치에 따른 지문 형상에 대한 정보들의 조합으로 지문 형상이 이미징될 수 있다.
도 6은 도 1의 지문 인식 장치(100)에 채용될 수 있는 지문 센서(170)의 예시적인 구성을 보이는 평면도이고, 도 7은 도 6의 지문 센서(170)에 적용될 수 있는 예시적인 회로도이다.
지문 센서(170)는 투명 커버(150)의 가장자리 부근에 인접 배치될 수 있다. 터치면(150a)에서의 반사광은 투명 커버(150)의 가장자리의 다양한 위치에 도달하기 때문에, 지문 센서(170)는 투명 커버(150)의 가장자리에 도달하는 반사광을 가능한 모두 센싱할 수 있도록, 복수의 포토다이오드(PD1)(PD2)(PD3)(PD4)를 포함할 수 있다. 복수의 포토 다이오드(PD1)(PD2)(PD3)(PD4)는 각각 투명 커버(150)의 네 측면에 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 복수의 포토 다이오드(PD1)(PD2)(PD3)(PD4) 각각으로 광을 모으는 광집속부재(WG1)(WG2)(WG3)(WG4)들이 더 구비될 수 있다. 광집속부재(WG1)(WG2)(WG3)(WG4)는 도파관(waveguide) 형태를 가질 수 있다. , 광집속부재(WG1)(WG2)(WG3)(WG4)는 터치면(150a)에서 반사되고 투명 커버(150)의 가장자리를 향해 진행된 광을 포토 다이오드(PD1)(PD2)(PD3)(PD4)로 전달할 수 있다. 광 집속 부재(WG1)(WG2)(WG3)(WG4)에는 투명 커버(150)의 가장자리로 진행된 광이 광 집속 부재(WG1)(WG2)(WG3)(WG4)에 효과적으로 입사되게 하는 입력 커플러와 같은 구성이 더 구비될 수도 있다.
도 6에는 투명 커버(150)의 네 측면에 포토 다이오드가 하나씩 배치된 것을 것으로 도시하고 있으나 이에 한정되지 않는다. 각 측면에 복수의 포토 다이오드가 배치될 수도 있고, 포토 다이오드가 배치되지 않은 측면이 있을 수도 있다. 즉, 포토 다이오드는 하나 또는 그 이상의 어떤 개수로 구비되어도 무방하다. 포토 다이오드가 하나인 경우, 하나의 포토 다이오드로 투명 커버(150)의 가장자리 전체를 향한 광을 모으는 광 집속 부재가 필요하므로, 효율이 높은 광 집속 부재의 설계가 필요하다. 광을 센싱하는 신호 처리는 간소해질 수 있다. 포토 다이오드가 복수개인 경우, 광집속부재의 설계는 보다 용이할 수 있으나 각각으로부터의 신호 처리가 복잡해질 수 있다. .
도 7을 참조하면, 지문 센서는 포토 다이오드에서의 신호를 증폭하는 증폭기(AMP)를 더 포함할 수 있다. 또한, 복수의 포토 다이오드(PD1)(PD2)(PD3)(PD4)에서의 신호를 합산하는 합산기를 더 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 복수의 포토 다이오드(PD1)(PD2)(PD3)(PD4)는 각각에서의 신호가 합산되도록 합산기에 연결될 수 있다. 또한, 합산기에서의 신호를 증폭하는 증폭기(AMP)가 더 구비될 수 있다. 증폭기(AMP)의 양단에는 커패시터(CA)와 스위칭 소자(SW)가 병렬적으로 연결될 수 있다. 즉, 커패시터(CA)와 스위칭 소자(SW)의 일단은 증폭기(AMP)의 입력단에 연결되고, 커패시터(CA)와 스위칭 소자(SW)의 타단은 증폭기(AMP)의 출력단에 연결된다. 스위칭 소자(SW)는 트랜지스터를 포함할 수 있다.
스위칭 소자(SW)가 오프된 상태에서 포토 다이오드(PD1)(PD2)(PD3)(PD4)에서의 전기 신호는 합산기에서 합산되고 합산기에서의 신호에 의해 커패시터(CA)가 충전된다. 커패시터(CA)에 저장된 전하들은 증폭기(AMP)에 의해 증폭되어 출력될 수 있다. 스위칭 소자(SW)가 온상태이면 커패시터(CA)에 저장된 전하는 방전된다. 즉, 다른 위치의 화소가 구동될 때의 반사광을 센싱할 수 있는 모드로 전환된다.
이와 같이 스위칭 소자(SW)의 온/오프에 의해 복수의 화소가 순차적 점멸될 때 이에 대응하는 신호가 증폭되어 출력될 수 있다.
도 8은 도 1의 지문 인식 장치(100)에 채용될 수 있는 지문 센서(170)의 다른 예시적인 구성을 보이는 평면도이고, 도 9는 도 8의 지문 센서(170)에 적용될 수 있는 예시적인 회로도이다.
도 8을 참조하면, 지문 센서(175)는 투명 커버(150)을 둘러싸는 형상을 가지며, 포토 컨덕터(photoconductor) 물질로 이루어진, 광 감지 부재(172)와, 광에 의한 광 감지 부재의 전기 저항 변화의 측정을 위한 회로 요소(174)를 포함할 수 있다.
투명 커버(150)는 터치면(150a)과, 터치면(150a)에 연결되는 복수의 측면을 구비하며, 광 감지 부재(172)는 상기 복수의 측면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 광 감지 부재(172)는 광에 의해 전기 전도성을 갖게 되는 광전 변환 물질로 이루어질 수 있다. 광전 변환 물질은 광이 조사되지 않은 상태에서는 유전체와 같은 성질을 가지지만, 광이 조사되면 도체의 성질을 띠는 물질이다. 광 감지 부재(172)는 광에 감응하여, 전하를 발생시키는 포토 컨덕터 물질로 이루어질 수 있다. 광 감지 부재(172)는 예를 들어, 가시광에 감응하여 전하를 발생시킬 수 있다. 광 감지 부재(172)로는 예를 들어, 비정실 실리콘(amorphous silicon: a-Si)이 사용될 수 있다.
터치면(150a)에서의 반사광이 투명 커버(150)의 내부를 진행하며 투명 커버(150)의 가장자리에 도달하고, 이에 인접한 광 감지 부재(172)에 입사하면, 입사광의 에너지에 의해 전자가 전도대(conduction band)까지 여기(excite)된다. 전도대(conduction band)를 형성한 전하들은 전기장의 방향을 따라 이동한다. 이와 같이 이동한 전하들을 수집하여, 투명 커버(150)의 가장자리에 도달한 반사광의 총량을 분석할 수 있다.
회로 요소(174)는 광 감지 부재(172)에 발생한 전하들이 이동할 수 있는 전기장을 형성하고, 이동된 전하를 수집하기 위한 구성을 가질 수 있다. 도면에서 광 감지 부재(172)는 투명 커버(150)이 측부를 둘러싸는 일체형으로 도시되었으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 회로 요소(174)와 광 감지 부재(172)는 복수의 가변 저항이 병렬 연결된 형태의 등가 회로를 형성할 수도 있다.
도 9를 참조하면, 지문 센서는 광 감지 부재(172)에서의 신호를 증폭하는 증폭기(AMP)를 더 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 광 감지 부재(172)는 회로 요소(174)를 통해 증폭기(AMP)에 연결될 수 있다. 증폭기(AMP)의 양단에는 커패시터(CA)와 스위칭 소자(SW)가 병렬적으로 연결될 수 있다. 즉, 커패시터(CA)와 스위칭 소자(SW)의 일단은 증폭기(AMP)의 입력단에 연결되고, 커패시터(CA)와 스위칭 소자(SW)의 타단은 증폭기(AMP)의 출력단에 연결된다.
스위칭 소자(SW)가 오프된 상태에서 광 감지 부재(172)에서의 전기 신호에 의해 커패시터(CA)가 충전되고, 커패시터(CA)에 저장된 전하들은 증폭기(AMP)에 의해 증폭되어 출력될 수 있다. 스위칭 소자(SW)가 온상태이면 커패시터(CA)에 저장된 전하는 방전된다. 즉, 다른 위치의 화소가 구동될 때의 반사광을 센싱할 수 있는 모드로 전환된다. 이와 같이 스위칭 소자(SW)의 온/오프에 의해 복수의 화소가 순차적 점멸될 때 이에 대응하는 신호가 증폭되어 출력될 수 있다.
도 7 및 도 9에서 예시한 회로 구성은 예시적인 것이며, 지문 센서의 신호를 효율적으로 처리할 수 있도록 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 지문 인식 방법을 설명하는 흐름도이다.
실시예에 따른 지문 인식 방법은 복수의 디스플레이 화소를 포함하는 디스플레이 소자를 이용하여, 터치면을 향해 지문 인식용 광을 조사하는 단계와, 사용자의 지문에 의한, 상기 지문 인식용 광의 반사광을 감지하는 단계;를 포함한다.
이러한 방법은 전술한 지문 인식 장치(100)에 의해 수행될 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
지문 인식 방법이 수행되는 단계를 상세히 살펴보면 다음과 같다.
지문 인식 동작의 실행을 위해, 사용자의 터치 유무 및 터치 위치 확인이 실행된다(S210). 사용자의 터치는 온-스크린(on-screen)으로 입력될 수 있다. 영상이 표시되는 화면 상에, 화면에 표시되는 영상에 따라 사용자가 원하는 위치가 터치될 수 있다. 터치 센서, 예를 들어, 전기 용량 방식의 터치 센서는 터치에 의해 커패시턴스 변화를 감지하며, 터치 유무 및 터치 위치가 판별될 수 있다.
다음, 터치 위치를 포함하는 소정 면적의 화면 영역({A}MxN)이 설정된다(S220). 화면 영역(({A}MxN)은 MxN개의 화소와 마주하는 영역으로 설정될 수 있다.
다음, 디스플레이 소자에 구비된 화소(PXij)들을 스캐닝하며(S230), 선택된 화소(PXij)가 설정된 화면 영역(({A}MxN)에 포함되는 화소인지를 판단한다(S240)한다.
선택된 화소(PXij)가 설정된 화면 영역({A}MxN)에 속하는 지를 판단하고, 설정된 화면 영역({A}MxN)에 속하는 경우, 해당 화소(PXij)를 "ON" 상태로 구동한다(S250). 화소 구동에 따라, 선택된 화소(PXij)에서의 광이 사용자의 터치 위치, 즉, 지문 위치에 도달하면, 이에 의해 반사된 반사광을 감지하고, 해당 지문 위치의 지문 형상이 산(ridge)인지 골(valley)인지를 판단한 후 결과를 저장한다(S260). 터치된 위치의 지문 형상이 산(ridge)인지 골(valley)인지 여하에 따라 검출되는 광량은 현저한 차이를 나타내므로, 검출된 광량에 의해 구동된 화소에 대응하는 위치의 지문 형상을 판별할 수 있다. 또는, 광이 감지되는 경우는 산(ridge), 광이 감지되지 않는 경우는 골(valley)로 판별하는 것도 가능하다.
상기 단계, S250, S260은 화소(PXij)를 스캐닝하며, 설정된 화면 영역({A}MxN)에 포함되는 화소(PXij )가 모두 스캐닝될 때까지 반복된다.
설정된 화면 영역({A}MxN)에 포함되는 화소(PXij)가 모두 스캐닝된 후, 저장된 정보, 즉 지문 위치 및 위치별 지문 형상 여하에 대한 정보를 조합하여 지문 형상을 추출한다(S270).
지문 형상이 추출된 후에는 지문 인식 방법이 수행되는 목적에 따라 인증 여부의 판단이 수행될 수 있고, 사용자가 터치에 의해 시도한 동작의 실행/미실행 여부가 결정될 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 전자 기기(1000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
전자 기기(1000)는 예를 들어, 휴대용 이동 통신 기기, 또는 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch)일 수 있다.
전자 기기(1000)는 디스플레이 소자(1100), 터치 센서(1200), 지문 센서(1700) 및 이들의 제어를 위한 프로세서(1500)를 포함할 수 있다. 전자 기기(1000)는 또한, 통신부(1600)와 메모리(1800)를 포함할 수 있다.
디스플레이 소자(1100), 터치 센서(1200), 지뮨 센서(1700)의 구성 및 배치는 도 1의 지문 인식 장치(100)에서 예시한 것과 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
프로세서(1500)는 전자 기기(1000) 전체의 처리 및 제어를 총괄한다. 프로세서(1500)는 메모리(1800)에 저장된 프로그램을 실행하며, 예를 들어, 지문 인식 모듈(1810)을 실행함으로써, 전술한 바와 같이, 전자 기기(1000)의 터치면에 입력된 사용자의 지문을 인식할 수 있다. 예를 들어, 터치된 위치를 파악하고, 해당 위치에 대응하는 화소들을 구동하며, 반사광을 센싱하도록, 터치 센서(1200), 디스플레이 소자(1100), 지문 센서(1700)를 제어할 수 있다. 또한, 인식된 지문 이미지에 따라, 지문 매칭을 수행하여 인증 여부를 판단할 수 있고, 터치된 위치에 해당하는 명령을 실행할 수 있다.
메모리(1800)는 프로세서(1500)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수 있다. 메모리(1800)에 저장된 프로그램은 지문 인식 모듈(1810)을 포함할 수 있다. 지문 인식 모듈(1810)은 도 5에서 설명한 바와 같이, 터치 영역 설정부(191), 화소 구동부(193), 판독부(197) 및 지문 형상 추출부(195)의 기능을 수행하기 위한 프로그램일 수 있다.
이외에도, 메모리(1800)에는 전자 기기(1800)가 수행할 다양한 어프리케이션에 관한, 어플리케이션 모듈(1820)이나 통신을 위한 통신 모듈(1830)등이 저장될 수 있다, 또한, 사용자의 인증을 위해 미리 저장된 지문 데이터나, 지문 매칭을 위한 매칭 프로그램 등이 메모리(1800)에 저장될 수 있다. 또한, 전자 기기(1000)에 구비된 장치에 따라, 이를 구동하기 위한 프로그램으로, 카메라 모듈, 동영상 재생 모듈, 오디오 재생 모듈 등이 메모리(1800)에 더 저장될 수 있다.
메모리(1800)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신부(1600)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wideband) 통신, Ant+ 통신 WIFI 통신 방법을 이용하여 외부 기기와 통신할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
본 실시예들에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
상술한 지문 인식 장치, 방법 및 지문 인식 장치를 포함하는 전자 기기는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 지문 인식 장치
110: 디스플레이 소자
120: 터치 센서
123: 구동 전극부
125: 절연 필름
128: 검출 전극부
150 : 투명 커버
170, 172: 지문 센서
174: 광 감지 부재

Claims (20)

  1. 영상 신호에 따라 온-오프 제어되는 복수의 화소들을 포함하는 디스플레이 소자;
    상기 디스플레이 소자 상에 구비되며, 사용자의 터치가 입력되는 터치면과, 상기 터치면과 연결되는 복수의 측면을 구비하는 투명 커버;
    상기 터치면을 통해 입력되는 사용자의 터치 위치를 인식하는 터치 센서;
    터치된 사용자의 지문에 의해 상기 터치면에서 반사되는 반사광을 감지하는 지문 센서;
    상기 터치 위치에 대응하는 화소를 구동하고, 상기 지문 센서에서 감지되는 신호로부터 지문 형상을 연산하는 제어부;를 포함하는, 지문 인식 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 복수의 측면 중 하나 이상의 위치에 마련되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는, 지문 인식 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 포토 다이오드는 상기 복수의 측면 각각에 마련된, 지문 인식 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 복수의 측면으로부터의 광을 상기 하나 이상의 포토 다이오드로 모으는 광 집속 부재를 더 포함하는, 지문 인식 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 하나 이상의 포토 다이오드에서의 신호를 합산하는 합산기를 더 포함하는, 지문 인식 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 하나 이상의 포토 다이오드에서의 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함하는, 지문 인식 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 하나 이상의 포토 다이오드로부터의 신호를 스위칭하는 스위칭 소자를 더 포함하는, 지문 인식 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 복수의 측면을 둘러싸는 형상을 가지며, 포토 컨덕터(photoconductor) 물질로 이루어진, 광 감지 부재; 및
    입사광에 의한 상기 광 감지 부재의 전기 저항 변화의 측정을 위한 회로 요소;를 포함하는, 지문 인식 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광 감지 부재의 전기 저항 변화가 복수의 가변 저항이 병렬 연결된 형태의 등가 회로로 측정되도록 상기 회로 요소가 정해진, 지문 인식 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 광 감지 부재에서 발생하는 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함하는, 지문 인식 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 지문 센서는
    상기 광 감지 부재에서의 신호를 스위칭하는 스위칭 소자를 더 포함하는, 지문 인식 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 터치 위치에 대응하는 화소를 구동하는 화소 구동부;
    상기 지문 센서에서 감지된 신호로부터 지문의 골(valley) 또는 산(ridge) 여부를 판단하는 판독부; 및
    상기 화소 구동부에 의해 구동된 화소 및 상기 판독부의 판단을 연계하여 지문 형상을 추출하는 지문 형상 추출부;를 포함하는, 지문 인식 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 터치 센서로부터 인식된 터치 위치를 포함하는 소정 면적의 터치 영역을 설정하는 터치 영역 설정부;를 더 포함하는, 지문 인식 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 화소 구동부는 상기 터치 영역 내의 화소를 시순차 구동하고,
    상기 판독부는 상기 화소 구동부의 시순차 구동에 동기하여, 터치된 지문의 골 또는 산 여부를 판단하는, 지문 인식 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 소자의 해상도는 500 PPI(pixel per inch) 이상인, 지문 인식 장치.
  16. 제1항의 지문 인식 장치를 포함하는, 전자 기기.
  17. 복수의 디스플레이 화소를 포함하는 디스플레이 소자를 이용하여, 상기 복수의 디스플레이 화소 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여, 터치면을 향해 지문 인식용 광을 조사하는 단계;
    사용자의 지문에 의한, 상기 지문 인식용 광의 반사광을 감지하는 단계;를 포함하는, 지문 인식 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 지문 인식용 광을 조사하는 단계는
    사용자의 터치가 입력된 터치 위치를 인식하는 단계;
    상기 터치 위치에 따라 지문 인식할 화면 영역을 설정하는 단계;
    상기 화면 영역에 대응하는 화소들을 시순차적으로 구동하는 단계;를 포함하는, 지문 인식 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반사광을 감지하는 단계는
    상기 시순차 구동에 동기하여 반사광을 감지하고, 터치된 지문의 산, 골 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는, 지문 인식 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 반사광을 감지하는 단계는
    포토 다이오드 또는 포토 컨덕터를 이용하는, 지문 인식 방법.
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