KR20180135584A - 지문인식 기능을 구비한 디스플레이 - Google Patents

지문인식 기능을 구비한 디스플레이 Download PDF

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KR20180135584A
KR20180135584A KR1020170073771A KR20170073771A KR20180135584A KR 20180135584 A KR20180135584 A KR 20180135584A KR 1020170073771 A KR1020170073771 A KR 1020170073771A KR 20170073771 A KR20170073771 A KR 20170073771A KR 20180135584 A KR20180135584 A KR 20180135584A
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Abstract

본 발명은 디스플레이에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따른 실시예는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 제공한다. 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는, 커버 글라스의 하부에 배치되며, 상기 커버 글라스에 접촉한 지문의 융선 및 골을 나타내는 다양한 입사각을 갖는 빛이 통과하는 디스플레이 패널 및 상기 디스플레이 패널의 하부에 배치되며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 빛을 검출하여 지문이미지를 생성하는 이미지 센서층을 포함할 수 있다.

Description

지문인식 기능을 구비한 디스플레이{Display capable of detecting finger-print}
본 발명은 디스플레이에 관한 것이다.
지문센서는 지문의 이미지를 촬영하여 전기 신호로 변환한다. 지문 이미지 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 패널을 보호하기 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. 또한, 디스플레이 패널 하부에 지문센서를 위치시키기도 어렵다.
영상이 표시되는 영역 중 임의의 위치에서 지문 이미지를 생성할 수 있는 디스플레이를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따른 실시예는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 제공한다. 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는, 커버 글라스의 하부에 배치되며, 상기 커버 글라스에 접촉한 지문의 융선 및 골을 나타내는 다양한 입사각을 갖는 빛이 통과하는 디스플레이 패널 및 상기 디스플레이 패널의 하부에 배치되며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 빛을 검출하여 지문이미지를 생성하는 이미지 센서층을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서층은, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 입사각을 갖는 상기 검출 대상 빛을 선택하는 광 선택 구조 및 상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 검출 대상 빛을 이용하여 상기 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하되, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛의 광원은 상기 디스플레이 패널일 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서는 복수의 부분 지문이미지를 생성하되, 상기 디스플레이 패널은 화소를 일 방향으로 순차적으로 턴온하여 상기 다양한 입사각을 갖는 빛을 생성할 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서는 상기 지문이미지를 생성하되, 상기 디스플레이 패널은 화소를 동시에 턴온하여 상기 다양한 입사각을 갖는 빛을 생성할 수 있다.
일 실시예로, 상기 광 선택 구조는, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트 및 상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서는, 상기 마이크로 렌즈의 하부에 위치하며, 상기 제2 각도로 굴절된 빛에 상응하는 화소 전류를 생성하는 수광부를 포함하되, 상기 수광부는 상기 마이크로 렌즈의 하부 일측에 위치할 수 있다.
일 실시예로, 상기 프리즘 시트는, 프리즘 산과 프리즘 골을 형성하도록 교번하여 배치된 복수의 제1 경사면 및 복수의 제2 경사면을 포함하되, 상기 제1 경사면은 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키며, 상기 제1 경사면의 경사각은 상기 제2 경사면의 경사각보다 작을 수 있다.
일 실시예로, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 상기 제2 경사면에 형성되며, 입사된 빛을 흡수하는 흡광층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 두 개의 마이크로 렌즈 사이에 형성되며, 입사된 빛을 흡수하는 흡광층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 광 선택 구조는, 프리즘 골을 형성하도록 교번하여 배치된 복수의 제1 경사면 및 복수의 제2 경사면을 포함하며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트, 상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 마이크로 렌즈를 포함하되, 상기 제1 경사면의 상단은 상기 제2 경사면의 상단에 연결되며, 상기 제1 경사면의 하단과 상기 제2 경사면의 하단은 평행하게 연장된 하면의 양단에 각각 연결될 수 있다.
일 실시예로, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 상기 마이크로 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 개재된 광 경로 연장층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 상기 광 경로 연장층의 내부에 측면 방향으로 형성되며, 일부 영역에 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛이 통과하는 개구가 형성된 흡광층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 광 선택 구조는, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트 및 상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 제1 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 이미지 센서는, 상기 이미지 센서의 상면에 위치하며, 제2 각도로 굴절된 빛을 제3 각도로 굴절시킬 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서층은, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 융선으로부터 조사된 빛만 가질 수 있는 검출 대상 입사각을 갖는 상기 검출 대상 빛을 선택하는 광 선택 구조 및 상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 검출 대상 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛은 근적외선일 수 있다.
일 실시예로, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 상기 근적외선을 조사하는 광원을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 디스플레이 패널은 상기 근적외선을 조사할 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서는 박막 트랜지스터로 형성되며, 상기 이미지 센서층은 상기 디스플레이 패널의 하면의 적어도 일부 또는 전체 영역에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 디스플레이는, 영상이 표시되는 영역 중 임의의 위치에서 지문 이미지를 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. 특히, 첨부된 도면들은, 발명의 이해를 돕기 위해서, 일부 구성 요소를 다소 과장하여 표현하고 있다. 도면은 발명을 이해하기 위한 수단이므로, 도면에 표현된 구성 요소의 폭이나 두께 등은 실제 구현시 달라질 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 지문인식 기능을 구비한 디스플레이가 결합된 전자장치의 디스플레이 일부를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 2는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이의 동작 원리를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 3은 도 1의 I-I'을 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 지문센서 패키지의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 1의 I-I'을 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 도시한 다른 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 11은 디스플레이 패널의 화소 배열을 예시적으로 도시한 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. 특히, 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명될 실시예들은, 단독으로 또는 다른 실시예와 결합하여 구현될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위가 첨부된 도면에 도시된 형태에만 한정되는 것이 아님을 유의하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 용어 중 “실질적으로”, “거의”, “약” 등과 같은 표현은 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.
한편, 특별한 언급이 없는 한, “측면”, 또는 “수평”은 도면의 좌우 방향을 언급하기 위한 것이며, “수직”은 도면의 상하 방향을 언급하기 위한 것이다. 또한, 특별히 정의되지 않는 한, 각도, 입사각 등은 도면에 표시된 수평면에 수직한 가상의 직선을 기준으로 한다.
첨부된 도면 전체에 걸쳐서, 동일하거나 유사한 요소는 동일한 도면 부호를 사용하여 인용된다.
도 1은 지문인식 기능을 구비한 디스플레이가 결합된 전자장치의 디스플레이 일부를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 1은 전자장치(10)의 일 예로, 전면에 커버 글라스(200)가 부착된 스마트폰을 도시하고 있다. 커버 글라스(200)의 하면에는 디스플레이 패널(300)을 노출하기 위한 영역을 정의하는 상부 및 하부 코팅 영역(11a, 11b)이 형성된다. 한편, 전자장치(10)의 종류에 따라 좌우 코팅 영역(미도시)이 상부 및 하부 코팅 영역(11a, 11b)의 양단에 각각 연결될 수 있다. 전자장치(10)의 전면은 상대적으로 큰 면적을 차지하는 디스플레이 패널(300) 및 상대적으로 작은 면적을 차지하는 스피커, 카메라, 및/또는 센서가 배치될 수 있다. 커버 글라스(200)는 디스플레이 패널(300) 전체를 덮으며, 전자장치(10)의 종류에 따라 전자장치(10)의 전면 일부 또는 전체를 덮을 수도 있다. 디스플레이 패널(300)은 커버 글라스(200)의 하부에 위치되며, 이미지 센서층(100)은 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치된다.
일 실시예로, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이가 지문 이미지를 생성하는데 필요한 빛은 디스플레이 패널(300)에서 생성되어 손가락을 향해 조사될 수 있다. 여기서, 빛은, 예를 들어, 가시광선일 수 있으며, 가시광선은 디스플레이 패널(300)의 R, G, B 화소에 의해 생성될 수 있다. 손가락(50)이 전자장치(10)의 디스플레이 패널(300) 상의 지문 획득 영역(30)에 위치하면, 지문을 검출하기 위해 필요한 빛이 디스플레이 패널(300)에서 생성된다. 디스플레이 패널(300)이 지문 획득 영역에 빛을 조사하는 일 실시예는 이하에서 도 2 내지 4를 참조하여 상세히 설명한다.
다른 실시예로, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이가 지문 이미지를 생성하는데 필요한 빛은 예를 들어, 720 내지 980 nm 파장의 근적외선일 수도 있으며, 근적외선은 디스플레이 패널(300)의 IR 화소에 의해 생성될 수 있다. 한편, 근적외선을 조사하는 광원이 전자장치(10)의 내부에 위치될 수도 있다. 광원은, 예를 들어, 근적외선을 조사하는 LED VCSEL 또는 레이저 다이오드 등과 같이 휘도가 좋은 광원일 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 광원은 디스플레이 패널(300)의 엣지 영역의 일부에 위치될 수 있다. 가시광 대신에 근적외선을 사용하는 이유는 다음과 같다. 첫 번째로, 근적외선은, 커버 글라스(200) 및/또는 디스플레이 패널(300)에 포함된 편광 필터에 의한 광량 감소가 가시광에 비해 상대적으로 작다. 두 번째로, 디스플레이 패널(300)로부터의 가시광이 손가락(50)에 반사더라도 근적외선의 파장이 가시광의 파장과 상이하기 때문에 간섭을 피할 수 있다. 세 번째로, 대부분의 가시광은 손가락(50)의 피부에서 확산이 잘 되지 않는 반면, 근적외선은 상대적으로 확산이 잘 되기 때문에 근적외선을 점광원으로 활용하는 것이 유리하다. 네 번째로, 근적외선은 인간의 눈으로 인지하기 어렵기 때문에, 야간이나 어두운 장소에서도 사용하더라도 사용자의 눈에 영향을 미치지 않는다.
한편, 전자장치(10)의 내부에서 생성된 빛은 커버 글라스(200)를 통과하여 외부로 조사된다. 외부로 조사된 빛은 손가락(50)에 입사되며, 손가락(50)의 피부로부터 커버 글라스(200)를 향해 다시 입사한다. 상세하게, 손가락(50)의 피부에 입사한 빛은 커버 글라스(200)에 접촉한 지문의 융선으로부터 커버 글라스(200)의 내부를 향해 입사된다. 한편, 커버 글라스(200)에 접촉하지 않은 골로부터 조사된 빛은, 피부와 커버 글라스(200) 사이에 개재된 공기를 통과한 후 커버 글라스(200) 내부로 입사된다.
한편, 주변광으로부터 지문 이미지 생성에 필요한 근적외선이 충분히 제공되는 환경, 예를 들어, 여름 낮과 같은 환경에서는 광원이 구동되지 않을 수 있다. 광원을 구동하는 광원 구동 회로는 이미지 센서층(100)에 내장되거나 전자장치(10) 내부에 위치될 수 있다. 광원 구동 회로는, 전자장치(10)의 조도 센서로부터 주변 밝기를 나타내는 측정값을 수신하며, 주변광이 이미지 센서층(100)이 생성할 지문 이미지를 포화시킬 수 있는 수준 이상인지를 확인한다. 주변광의 밝기가 지문 이미지를 포화시킬 수 있는 수준 이상이면, 광원 구동 회로는 지문 이미지 획득시 광원을 구동하지 않을 수 있다.
근적외선을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 다른 실시예는 이하에서 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이의 동작 원리를 개략적으로 도시한 예시도로서, 도 1의 지문 획득 영역(30)의 일부를 확대하여 나타내고 있다.
도 2의 (a)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은, 지문의 융선에 의해 이미지 센서층(100)의 내부로 입사된 빛 중에서 소정의 입사각을 갖는 빛만이 이미지 센서층(100)의 수광부에 도달하며, 소정의 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부에 도달하지 않는 구조를 가진다. 즉, 피부로 입사하면, 빛은 손가락(50)의 피부에서 무한 점광원으로 작용하게 된다. 손가락을 커버 글라스(200)에 위치하게 되면, 커버 글라스(200)에 접촉하는 부분, 예를 들어, 지문의 융선과, 커버 글라스(200)에 접촉하지 않는 부분, 예를 들어, 지문의 골은 각각 상이한 입사각 범위를 갖는 빛을 커버 글라스(200) 내부로 조사한다. 상세하게, 지문의 골에서 조사된 빛은 피부와 커버 글라스(200) 사이에 개재된 공기를 통과한 후 커버 글라스(200)로 입사하게 된다. 따라서, 공기와 커버 글라스(200)간 굴절률의 차이로 인해서, 지문의 골에서 조사된 빛의 입사각 범위는, 지문의 융선에서 커버 글라스(200)로 직접 조사된 빛의 입사각 범위보다 상대적으로 좁다. 지문의 융선과 골로부터 조사된 빛 중에서, 공통되는 입사각 범위에 빛은 제외하고, 지문의 융선으로부터만 조사될 수 있는 입사각을 갖는 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성할 수 있다. 이하에서 (b) 내지 (d)를 참조하여 본 원리를 상세히 설명한다.
도 2의 (b)를 참조하면, 지문은 융선과 골로 구성되며, 융선은 커버 글라스(200)의 상면에 접촉하지만, 골은 커버 글라스(200)의 상면에 접촉하지 않는다. 보호 매체는 근적외선이 투과할 수 있는 근적외선에 투명한 매체로서 전자장치(10)의 외면이 손상되는 것을 방지한다. 이러한 보호 매체의 일 예는 휴대 전화의 전면에 부착되어 디스플레이 패널(300)을 보호하는 커버 글라스(200)이다. 이하에서는 커버 글라스(200)를 보호 매체의 일 예로 설명한다.
지문의 융선과 골은 커버 글라스(200)의 상면에서 이미지 센서층(100)의 수광부를 향해 빛을 조사하는 다중 광원의 역할을 한다. 융선과 커버 글라스(200)의 상면이 접촉하는 지점 A는 광원으로 작용하여 모든 방향으로 빛을 조사하게 되며, 커버 글라스(200)의 상면에서 커버 글라스(200)의 내부로 빛을 조사한다. 한편, 커버 글라스(200)의 상면에 접촉하지 않은 골에서 조사된 빛은 골과 커버 글라스(200) 사이의 공기를 거쳐 커버 글라스(200) 상면의 지점 B에 도달하므로, 빛은 지점 B에서 굴절된다. 따라서, 지점 A에서 커버 글라스(200)의 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θr은, 약 0도 내지 약 180도의 범위 내에 속할 수 있지만, 지점 B에서 커버 글라스(200)의 내부로 입사된 빛의 커버 글라스 입사각 θv는, 공기 굴절률과 커버 글라스 굴절률간 차이로 인해 커버 글라스 입사각 θr에 비해 상대적으로 좁은 범위 내에 속할 수 있다. 여기서, 커버 글라스(200)의 상면에 실질적으로 수평하게 왼쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 0도, 커버 글라스(200)의 상면에 실질적으로 수직으로 입사한 빛의 커버 글라스 입사각을 90도, 커버 글라스(200)의 상면에 실질적으로 수평하게 오른쪽을 향하는 빛의 커버 글라스 입사각을 180도라고 가정한다. 이하에서 커버 글라스(200) 내부로 입사된 빛의 각도를 커버 글라스 입사각이라 한다.
이미지 센서층(100)은 디스플레이 패널(300)의 하면에 형성된다. 디스플레이 패널(300)의 하면에 백라이트, 반사판 등과 같이 빛을 생성하기 위한 추가 구조가 필요한 LCD와 달리, AMOLED 또는 양자점 디스플레이 등은 단위 화소가 빛을 직접 생성하기 때문에 추가 구조를 필요로 하지 않는다. 한편, 이러한 디스플레이 패널(300)의 단위 화소 면적의 상당 부분을 차지하는 전극 및/또는 배선은 ITO와 같은 광학적으로 투명한 재질로 형성된다. 따라서, 커버 글라스(200)와 이미지 센서층(100) 사이에 개재된 디스플레이 패널(300)은 커버 글라스(200)로부터 입사된 빛이 통과할 수 있는 연장된 광경로를 제공할 수 있다. 다시 말해, 일반적인 커버 글라스보다 두꺼운 커버 글라스의 하면에 이미지 센서층(100)을 형성하는 것과 실질적으로 동일한 결과를 기대할 수 있다. 이하에서 상세히 설명되겠지만, 이미지 센서층(100)은 검출하고자 하는 빛의 입사각을 선택할 수 있는 구조를 가지고 있다. 따라서, 개재된 디스플레이 패널(300)에 의해 입사된 빛이 어느 정도 굴절되는 현상이 발생하더라도 빛의 입사각을 선택하는 하나 이상의 조건을 조정함으로써 디스플레이 패널(300)의 하부에서도 소정의 입사각을 갖는 빛을 검출할 수 있다.
이미지 센서층(100)은, 커버 글라스(200)-디스플레이 패널(300)을 통과하여 이미지 센서층(100)의 상면에 입사하는 빛 중 소정의 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛을 선택한다. 도 2의 (c)는, 이미지 센서층(100)의 상면에 입사하는 빛 중에서 이미지 센서층(100)의 광 선택 구조에 의해 선택될 입사각 θr '을 갖는 빛을 나타내며, 도 2의 (d)는 입사각 θr '을 갖는 빛 중에서 최종적으로 이미지 센서의 수광부에 도달하는 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛을 나타낸다. 즉, 이미지 센서층(100)의 광 선택 구조는, 소정의 입사각을 가진 빛이 수광부가 위치한 이미지 센서층(100)의 하부를 향하도록 하여 특정각의 빛을 선택한다. 이하에서는 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛은 검출 대상 빛이라고 한다.
상세하게, 도 2의 (c)에서, 이미지 센서층(100)의 광 선택 구조는 이미지 센서층(100) 내부로 입사되는 빛 중 지점 A 와 B의 좌측 방향으로 입사되는 빛을 차단하며, 추가적으로, 지점 A의 우측 방향으로 입사되는 빛 중 지점 B의 우측 방향으로 입사되는 빛의 입사각과 동일한 입사각을 갖는 빛을 차단한다. 이를 통해서, 입사각 θr '을 갖는 빛이 선택될 수 있다. 예를 들어, 커버 글라스 입사각 θr 이 약 0도 내지 약 180도의 범위에 속하고, 커버 글라스 입사각 θv가 약 42도 내지 약 132도의 범위에 속하는 경우, 입사각 θr '은 약 132도 내지 약 140도의 범위에 속할 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐, 광 선택 구조의 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
아울러, 도 2의 (d)에서, 광 선택 구조에 의해 선택된 빛 중 수광부로 입사될 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛이 선택될 수 있다. 예를 들어, 입사각 θr '이 132도 내지 140도의 범위에 속하는 경우, 검출 대상 입사각 θ1은 135도 내지 140도의 범위에 속할 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐, 마이크로 렌즈의 위치, 구경, 크기 등과 같은 광 선택 구조의 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛은 광 선택 구조 및 이미지 센서를 거치면서 굴절되며, 최종적으로 수광부에 입사될 때의 각도 θr은 검출 대상 입사각 θ1과 다를 수 있다. 또한, 도 2의 (c) 및 (d)는 지점 A의 좌측 방향으로 입사되는 빛을 차단하여 지문 이미지를 생성하는 구조를 예시하고 있으나, 지점 A의 우측 방향으로 입사되는 빛을 차단하는 구조에서도 실질적으로 동일한 지문 이미지가 생성될 수 있다.
검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛은 지문의 융선에 의해서 생성된 빛만이 가질 수 있는 각도이므로, 이를 이용하여 선명한 지문 이미지를 생성할 수 있다. 도 2의 (b)에 도시된 것처럼, 지문이 커버 글라스(200) 위에 위치하면, 융선에 의한 빛뿐만 아니라 골에 의한 빛도 함께 커버 글라스 내부로 들어간다. 종래의 광학식 지문센서는, 수직으로 입사되는 빛을 검출하는 구조를 가지고 있기 때문에, 융선으로부터 수광부의 상면을 향해 실질적으로 수직으로 입사한 빛뿐 아니라 골로부터 수광부의 상면을 향해 실질적으로 수직으로 입사한 빛도 검출한다. 따라서 지문의 융선과 골 사이의 경계가 선명하지 않은 지문 이미지를 생성한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는, 지문의 접촉면에 의해 생성된 빛 중에서 융선에 의해 생성된 빛의 적어도 일부만을 검출하는 구조를 가지고 있기 때문에, 종래의 광학식 지문센서보다 선명한 지문 이미지를 생성할 수 있다.
도 3은 도 1의 I-I'을 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 디스플레이 패널(300) 및 이미지 센서층(100)이 적층된 구조를 갖는다. 또한, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이의 상면에는, 커버 글라스, 터치 센서, 편광 필름 등(이하 커버 글라스(200)로 총칭함)이 적층될 수 있다. 커버 글라스(200)는 디스플레이 패널(300)에 의해 생성된 빛이 외부로 나갈 수 있어야 하므로, 광학적으로 투명하게 생성된다.
이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 이미지 센서층(100)은 디스플레이 패널(300) 하면의 적어도 일부 또는 전체 영역에 형성될 수 있으며, 일 실시예로, 이미지 센서층(100)은 디스플레이 패널(300)과 같은 평판 형태일 수 있다. 광 선택 구조(400)는, 검출 대상 빛이 이미지 센서(500)에 도달할 수 있게 하는 반면 그 외의 입사각을 갖는 빛은 이미지 센서(500)에 도달할 수 없거나 도달하더라도 검출되지 않도록 한다. 이미지 센서(500)는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)로 형성되고, 광 선택 구조(400)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)를 경유하여 도달한 검출 대상 빛을 화소 전류로 변환하여 출력한다. 이하에서는, 검출 대상 입사각 및 검출 대상 빛을 설명한다.
디스플레이 패널(300) 상의 제1 화소(310)는 턴온되어 커버 글라스(200)의 상면을 향해 빛(311, 312, 313, 314)을 조사한다. 커버 글라스(200)를 향해 조사된 빛(311, 312, 313, 314)은, 디스플레이 패널(300)의 화소 구조에 의해 결정되는 최대 각도 θP _angle 이하의 각도 θ(≥0도)로 경사질 수 있다. 커버 글라스(200)를 향해 조사된 빛(311, 312, 313, 314)의 일부는 커버 글라스(200)의 상면을 통과하거나 굴절되어 외부로 진행하며, 빛(311, 312, 313, 314)의 나머지 일부는 커버 글라스(200)의 상면에서 반사되어 디스플레이 패널(300)에 입사할 수 있다. 여기서, 커버 글라스(200) 상면에서의 반사각은 θ로 표현될 수 있으며, 반사각 θ는 이미지 센서층(100)으로의 입사각과 실질적으로 동일하다. 따라서 이하에서는 이미지 센서층(100)으로의 입사각 역시 θ로 표현하도록 한다. 커버 글라스(200)의 상면은, 커버 글라스-공기간 계면으로서, 각각의 굴절율 차이로 인해 전반사각 θfr 전후로 외부로 진행하는 빛의 양과 반사되어 되돌아오는 빛의 양이 달라질 수 있다.
제1 화소(310)와 디스플레이 패널(300)로 되돌아오는 빛의 위치간 거리는, 커버 글라스(200)의 두께 및 디스플레이 패널(300)의 두께를 합친 총 두께 Ttotal과 빛의 커버 글라스 반사각 θ에 의해 결정될 수 있다. 즉, 총 두께 Ttotal가 증가하거나, 커버 글라스 반사각 θ이 증가하면, 제1 화소(310)와 디스플레이 패널(300)로 되돌아오는 빛의 위치간 거리가 증가할 수 있다. 일 실시예로, 검출 대상 입사각은, 전반사각 θfr과 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예로, 검출 대상 입사각은, 전반사각 θfr보다 크거나 작을 수 있다.
서로 다른 광경로를 갖는 빛(321, 322, 323, 324)이 제2 화소(320)를 통과하여 이미지 센서층(100)에 입사한다. 빛(321, 322, 323, 324)은 서로 다른 화소에 의해 생성되어 상이한 커버 글라스 반사각 θ로 반사되어 제2 화소(320)에 도달하였다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 검출 대상 빛(323)은 광 선택 구조(400)에 의해 입사각 θ2를 갖도록 조절되어 이미지 센서(500)의 수광부에 입사하게 된다. 반면, 상이한 지문센서 패키지 입사각 θ(≠θ1)를 갖는 빛(321, 322, 324)은 광 선택 구조(400)에 의해 입사각 θ3 또는 θ4를 갖도록 조절되어, 이미지 센서(500)의 수광부에 도달하지 못하게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 지문센서 패키지의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
디스플레이 패널(300)은 지문 획득 영역(30)에 대응하는 화소들을 한 방향으로 순차적으로 턴온시키거나 동시에 턴온시켜서 지문이미지 생성에 필요한 빛을 제공할 수 있다. 여기서, 커버 글라스(200)의 상면에 위치한 지문 획득 영역(30), 지문 획득 영역(30)에 대응하는 화소 영역, 및 지문 획득 영역(30)에 대응하는 광 입사 영역은 실질적으로 동일한 평면 형상을 가질 수는 있으나, 상호간에 완전히 중첩하지는 않는다. 상세하게, 디스플레이 패널(300)에서 생성된 빛은, 커버 글라스(200)의 상면에서 반사된 후 이미지 센서층(100) 상면의 광 입사 영역을 통해 내부로 입사한다. 이로 인해, 도 4에서, 측면 방향으로, 빛의 생성 지점(화소 영역)-반사 지점(지문 획득 영역)-입사 지점(광 입사 영역)이 달라지게 된다. 각 지점간 거리는 선택된 검출 대상 입사각 θ1 및/또는 총 두께 Ttotal에 의해 결정될 수 있다.
지문의 골과 융선의 컨트라스트(Contrast)를 높이기 위해서, 이미지 센서층(100)은 커버 글라스(200)의 상면에서 실질적으로 전반사된 빛을 검출한다. 도 3에서 설명한 바와 같이, 디스플레이 패널(200)의 화소는 다양한 각도로 빛을 조사한다. 다양한 각도의 빛 중에서, 커버 글라스(200)에 수직으로 입사한 빛은 지문에 의해 대부분 반사되어 이미지 센서층(100)에 수직으로 입사하게 된다. 그러나 이미지 센서층(100)에 수직으로 입사한 빛을 이용하는 경우, 지문의 골에 대응하는 빛의 광량과 융선에 대응하는 빛의 광량간 상대적인 차이가 크지 않아서 선명한 지문 이미지를 얻기가 어렵다. 이에 반해, 전반사각과 실질적으로 동일한 검출 대상 입사각으로 반사된 빛을 이용하는 경우, 지문에 의해 흡수된 빛의 광량과 지문에 의해 흡수되지 않은 빛의 광량간 상대적인 차이가 커지므로, 선명한 지문 이미지 획득이 가능해진다. 지문에 의해 반사된 빛의 컨트라스트를 높이고 또한 수직으로 입사하는 빛이 지문 이미지 획득에 영향을 미치지 않도록 하기 위해서, 반사된 빛이 입사하는 광 입사 영역의 하부에 위치한 구간 화소 영역은 턴 오프된다.
이제, 도 4를 참조하면, 이미지 센서층(100)은, 지문의 융선과 골을 나타내는 빛 중에서 검출 대상 빛만이 이미지 센서(500)의 수광부에 도달하며, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 이미지 센서(500)의 수광부에 도달하지 못하는 구조를 가진다. 손가락이 커버 글라스(200)의 상면에 위치하게 되면, 지문의 융선이 커버 글라스(200) 상면에 접촉하는 부분과, 접촉하지 않는 부분이 생긴다. 커버 글라스(200)의 하부에서 조사된 검출 대상 빛은, 융선이 접촉한 커버 글라스(200) 상면의 일부 영역에서, 광량의 일부가 융선에 흡수된 후 전반사된다. 이와 반대로, 커버 글라스(200)의 하부에서 조사된 검출 대상 빛은, 융선이 접촉하지 않은 커버 글라스(200) 상면의 일부 영역에서, 전반사된다. 따라서, 이미지 센서층(100)의 하부에 위치한 이미지 센서(500)는 전반사된 검출 대상 빛을 이용하여 지문이미지를 생성한다. 지문이미지에서, 융선은 어두운 영역으로 표시되며, 골은 융선에 비해 상대적으로 밝은 영역으로 표시된다.
디스플레이 패널(300)은 지문 획득 영역(30)에 대응하는 화소들을 한 방향으로 순차적으로 턴온시켜 빛을 생성할 수 있다. 도 4에서, 커버 글라스(200) 상면에 정의된 지문 획득 영역(30)은, 복수의 구간 지문 획득 영역(330c, 330d, 330e)을 포함하며, 지문 획득 영역(30)에 대응하는 화소 영역은, 복수의 구간 화소 영역(300b, 300c, 300d)을 포함한다. 각 구간 화소 영역(300b, 300c, 300d)에 위치한 화소들은, 동시에 턴온되거나, 좌측에서 우측으로 순차적으로 턴온될 수 있다. 각 구간 화소 영역(300b, 300c, 300d)의 턴온 또는 턴 오프는, 예를 들어, 전자장치의 AP(Application processor) 또는 디스플레이 패널의 TCON(Timing controller)에 의해 직접 또는 간접적으로 제어될 수 있다.
일 실시예로, 도 4의 아래쪽에는 띠 형태의 부분 지문이미지 a, b, c가 예시되어 있다. 참고로, 상대적으로 밝게 표현하여 지문이미지를 표시하지 않은 영역은, 이해를 돕기 위한 것으로, 이미지 센서층(100)을 향해 빛을 조사하는 디스플레이 패널(300)에 의해 지문이미지에 왜곡이 발생할 수 있기 때문에 이용되지 않는 영역을 나타낸다.
먼저, 구간 화소 영역(300b)에 속한 화소가 동시에 또는 좌측에서 우측 방향으로 순차적으로 턴온되면, 검출 대상 빛은 구간 화소 영역(300b)에 대응하는 구간 지문 획득 영역(330b)에서 전반사된다. 전반사된 검출 대상 빛은 구간 화소 영역(300c)에 도달하여 이미지 센서층(100)에 입사한다. 여기서, 구간 화소 영역(300c)은 구간 지문 획득 영역(330b)에 대응하는 구간 광 입사 영역이 된다. 이 때, 턴온된 구간 화소 영역(300b)의 우측에 위치한 다른 구간 화소 영역(300c, 300d, 300e, 300f)은 턴오프될 수 있으며, 예를 들어, 턴온된 구간 화소 영역(300b)과 접하는 구간 화소 영역(300c)은 적어도 턴오프되어야 한다. 한편, 턴온된 구간 화소 영역(300b)의 좌측에 위치한 구간 화소 영역(300a)은 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 구간 화소 영역(300b)이 턴온되고, 우측의 구간 화소 영역(300c, 300d, 300e, 300f)이 턴오프될 때 생성된 부분 지문이미지 (a)에서, 구간 지문 획득 영역(330c)에 위치한 지문의 골과 융선은 표시되는 반면, 우측의 구간 지문 획득 영역(330d, 330e)은 어둡게 표시된다.
다음으로, 구간 화소 영역(300c)에 속한 화소가 동시에 또는 좌측에서 우측 방향으로 순차적으로 턴온되면, 검출 대상 빛은 구간 화소 영역(300c)에 대응하는 구간 지문 획득 영역(330c)에서 전반사된다. 전반사된 검출 대상 빛은 구간 화소 영역(300d)에 도달하여 이미지 센서층(100)에 입사한다. 여기서, 구간 화소 영역(300d)은 구간 지문 획득 영역(330c)에 대응하는 구간 광 입사 영역이 된다. 이 때, 턴온된 구간 화소 영역(300c)의 우측에 위치한 다른 구간 화소 영역(300d, 300e, 300f)은 턴오프될 수 있으며, 예를 들어, 턴온된 구간 화소 영역(300c)과 접하는 구간 화소 영역(300d)은 적어도 턴오프되어야 한다. 한편, 턴온된 구간 화소 영역(300c)의 좌측에 위치한 구간 화소 영역(300a, 300b)은 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 구간 화소 영역(300c)이 턴온되고, 우측의 구간 화소 영역(300d, 300e, 300f)이 턴오프될 때 생성된 부분 지문이미지 (b)에서, 구간 지문 획득 영역(330c)은 상대적으로 밝게 표시되고 구간 지문 획득 영역(330e)는 상대적으로 어둡게 표시되는 반면, 구간 지문 획득 영역(330c)에 위치한 지문의 골과 융선은 표시된다.
같은 방식으로, 구간 화소 영역(300d)에 속한 화소가 턴온될 때 부분 지문이미지 (c)가 생성된다. 부분 지문이미지 (c)에서, 구간 지문 획득 영역(330b, 330c)은 상대적으로 밝게 표시되는 반면, 구간 지문 획득 영역(330d)에 위치한 지문의 골과 융선은 표시된다.
상술한 순서로 생성된 3개의 띠 형태의 부분 지문이미지 a, b, c는 이미지 센서 또는 전자장치에서 하나의 완성된 지문이미지를 생성하는데 이용될 수 있다.
다른 실시예로, 디스플레이 패널(300)이 이미지 센서층(100)을 향해 빛을 조사하더라도 화소 하부의 차광 구조에 의해 이미지 센서층(100)으로 입사하는 빛이 존재하지 않는 경우에, 구간 화소 영역(300b, 300c, 300d)에 속한 화소가 동시에 또는 좌측에서 우측 방향으로 순차적으로 턴온되면, 검출 대상 빛은 구간 화소 영역(300b, 300c, 300d)에 대응하는 구간 지문 획득 영역(330c, 330d, 330e)에서 전반사된다. 전반사된 검출 대상 빛은 구간 화소 영역(300c, 300d, 300e)에 도달하여 이미지 센서층(100)에 입사한다. 이 때, 생성된 지문이미지는 3개의 구간 지문 획득 영역(330b, 330c, 330d)에 위치한 지문의 융선과 골을 모두 나타낼 수 있다.
이미지 센서층(100)의 두께 Tsesnor는 광 선택 구조(400)에 따라 달라질 수 있다. 이하에서 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명된 광 선택 구조(400)는, 검출 대상 빛이 이미지 센서(500)의 수광부에 어떤 각도로 입사하도록 하는지에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 한편, 이미지 센서(500)의 수광부간 거리 P는 이미지 센서(500)의 해상도 및/또는 입사각 선택성을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 입사각 선택성을 높이기 위해서, 수광부는 일반적인 이미지 센서의 수광부보다 좁은 폭을 갖도록 형성될 수 있으며, 이 경우, 수광부간 거리 P는 증가될 수 있다.
한편, 약 600nm 이상의 파장을 갖는 빛은 융선에 의해 커버 글라스(200) 내부로 확산될 수 있다. 이 경우, 검출 대상 빛의 광량 일부가 융선에 의해 흡수되었음에도 불구하고, 확산된 빛 중에서 검출 대상 입사각을 갖는 빛이 이미지 센서(500)에 도달할 수 있다. 이로 인해, 융선과 골간 컨트라스트가 감소되어 이미지 센서(500)가 생성한 지문이미지의 품질이 저하될 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 일 실시예로, 특정 파장, 예를 들어, 600nm 이하의 단파장 빛만 투과하는 대역 통과 필터층(미도시)이, 예를 들어, 커버 글라스(200)의 상면, 디스플레이 패널(300)의 상면, 또는 이미지 센서층(100)의 상면에 형성될 수 있다. 다른 실시예로, 디스플레이 패널(200)의 복수의 화소 중, 특정 파장 이하의 빛을 생성하는 화소, 예를 들어, 녹색(G) 및/또는 청색(B) 화소만을 턴온하여 지문이미지를 생성할 수 있다.
도 5는 도 1의 I-I'을 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 도시한 다른 단면도이다.
도 5를 참조하면, 전자장치는 보호 매체, 터치 센서, 편광 필름, 디스플레이 패널(300) 및 이미지 센서층(100)이 적층된 구조를 갖는다. 커버 글라스(200)는 지문의 골에서 조사된 빛이 내부로 입사할 수 있어야 하므로, 근적외선에 투명하게 생성된다. 여기서, 편광 필름은 외부로부터 입사하는 가시광 대역의 빛은 차단하지만 근적외선 대역의 빛은 실질적으로 거의 손실 없이 통과시키는 특성을 갖는다. 이하에서는 도 3과 동일한 설명은 생략한다.
근적외선을 조사하는 광원은 디스플레이 패널(300) 내에 위치하거나 디스플레이 패널(300)의 외부에 위치할 수 있다. 여기서, 광원은 전자장치(10)의 내부에 위치하며, 손가락을 향해 근적외선을 조사할 수 있다.
커버 글라스(200)의 상면에 위치한 융선에 의해 커버 글라스(200) 내부로 입사한 빛(321 내지 328)은 디스플레이 패널(300) 상의 제1 지점(320)에 도달한다. 빛(321 내지 328)의 입사각 θi1은, 커버 글라스(200)의 상면에 수직한 직선과의 사이 각도이다. 빛(321 내지 328)은 커버 글라스(200)의 상면상의 상이한 지점으로 입사하여 상이한 광 경로를 거쳐 디스플레이 패널(300) 상의 제1 지점(320)에 도달한다. 제1 지점(320)에서 이미지 센서층(100)으로 입사하는 빛(321 내지 328) 중에서, 제1 지점(320)의 우측에서 제1 지점(320)을 향해 입사하는 빛(325 내지 328)은 광 선택 구조(400)에 의해 차단된다. 아울러, 제1 지점(320)의 좌측에서 제1 지점(320)을 향해 입사하는 빛(321 내지 324) 중 검출 대상 입사각 θ1 이외의 입사각 θi1을 갖는 빛(321, 322, 324)은 광 선택 구조(400)에 의해 차단되거나 검출 대상 빛과는 상이한 광 경로를 갖게 된다. 즉, 검출 대상 빛은 광 선택 구조(400)에 의해 이미지 센서(500)의 수광부에 도달하도록 굴절되어 최종적으로 입사각 θ2로 수광부에 입사하지만, 검출 대상 입사각 θ1 이외의 입사각 θi1을 갖는 빛(321, 322, 324)은 최종적으로 입사각 θ3 또는 θ4로 굴절되어 수광부에 입사하지 못하거나 광 선택 구조(400)에 의해 차단된다.
커버 글라스(200) 상에서 검출 대상 빛(323)이 입사하는 지점과 이를 검출하는 수광부는 동일한 수직선상에 위치하지 않는다. 광 선택 구조(400)는 지문의 융선과 골에 의해 입사된 빛 중에서 공통되는 입사각을 갖는 빛을 차단하고 융선에 의한 빛 중 일부만 이미지 센서(500)에 도달하게 한다. 따라서 검출 대상 빛은 경사진 광 경로로 커버 글라스(200)와 디스플레이 패널(300)을 통과한다. 이로 인해 검출 대상 빛(323)이 커버 글라스(200)의 상면에서 입사하는 지점과 이미지 센서층(100)에 입사하는 지점이 상이한 수직선상에 위치하게 된다. 검출 대상 빛(323)이 커버 글라스(200)의 상면에서 입사하는 지점과 이미지 센서층(100)에 입사하는 지점간 수평 거리는, 커버 글라스(200)의 두께 및 디스플레이 패널(300)의 두께를 합친 총 두께 Ttotal과 빛(323)의 검출 대상 입사각 θ1에 의해 결정될 수 있다. 즉, 총 두께 Ttotal가 증가하거나, 검출 대상 입사각 θ1이 증가하면, 수평 거리가 증가할 수 있다.
근적외선 광원이 전자장치의 내부에 위치한 경우, 디스플레이 패널(300)은 지문이미지 생성을 위해서 지문 획득 영역(30)에 위치한 화소를 턴 오프할 수 있다. 근적외선 광원이 디스플레이 패널(300)에 위치한 경우, 디스플레이 패널(300)은 지문이미지 생성을 위해서 지문 획득 영역(30)에 위치한 R, G, B 화소를 턴 오프하고, 근적외선 화소를 턴 온할 수 있다. 화소의 턴 오프는, 예를 들어, 전자장치의 AP(Application processor) 또는 디스플레이 패널의 TCON(Timing controller)에 의해 직접 또는 간접적으로 제어될 수 있다.
한편, 이미지 센서층(100)은 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터(미도시)를 포함할 수 있다. 고역 통과 필터는 720nm 이상의 파장을 갖는 빛을 통과시키며, 대역 통과 필터는 720 내지 980 nm 파장을 갖는 빛을 통과시킨다. 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터는 이미지 센서층(100)의 상면 또는 이미지 센서(500)의 상면 등 광 경로상에 위치한 수평면에 위치할 수 있다. 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터는 필터링 특성을 갖는 물질로 수평면을 코팅하여 형성될 수 있다. 커버 글라스(200)의 편광 필름에 의해서 외부로부터 입사하는 가시광은 거의 차단되지만, 디스플레이 패널(300)의 화소가 조사한 빛이 직접 또는 커버 글라스(200)에 반사되어 이미지 센서층(100)으로 입사할 수도 있다. 따라서 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터는, 가시광에 의한 지문 이미지의 품질 저하를 방지하기 위해서, 가시광이 이미지 센서(500)의 수광부에 입사하는 것을 차단한다.
도 6은 일 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410) 및 마이크로 렌즈(430)는 커버 글라스(200)-디스플레이 패널(300)을 통과하여 이미지 센서층(100) 내부를 향해 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
도 6의 (a)에서, 프리즘 시트(410)는 입사한 빛을 굴절시키는 제1 경사면(411)과 입사한 빛을 흡수하는 제2 경사면(412)을 포함한다. 교번하게 배치된 제1 경사면(411)과 제2 경사면(412)은 교번하게 프리즘 산과 프리즘 골을 형성한다. 프리즘 산은 마이크로 렌즈(430)를 향하며, 프리즘 골은 디스플레이를 향한다.
프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411)은 좌측 상부에서 우측 하부 방향으로 입사한 빛(322, 323, 324)을 굴절시키며, 제2 경사면(412)은 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛을 차단한다. 이를 위해, 제1 경사면(411)은 프리즘 산(413a)과 프리즘 골(414b) 사이에 경사지게 형성되며, 제2 경사면(412)는 프리즘 산(413a)과 프리즘 골(414a) 사이에 경사지게 형성된다. 도 6의 (a)에서, 프리즘 시트(400)의 상면(415)에 수직한 직선에 대한 제1 경사면(411)의 경사각은 θP1이며, 프리즘 시트(400)의 상면(415)에 수직한 직선에 대한 제2 경사면(412)의 경사각은 θP2이다. 첨부된 도면에 도시된 실시예는 θP1과 θP2가 상이하게 표현되어 있으나, θP1과 θP2은 실질적으로 동일할 수 있다. 첨부된 도면에 도시된 실시예에서, θP1은 약 15도 내지 약 20도이며, θP2는 약 30도 내지 50도인 것으로 가정한다. θP2가 클수록 수광부(520)로 입사하는 검출 대상 빛의 광량이 증가할 수 있다. 제1 경사면(411)과 제2 경사면(412)에 의해 형성된 프리즘 산과 프리즘 골의 내각은 θP1+θP2이며, 내각 θP1+θP2 또는 프리즘 피치(즉, 프리즘 산(413a)-프리즘 산(413b) 간격 또는 프리즘 골(414a)-프리즘 골(414b) 간격)에 따라 수광부(520)에 입사할 수 있는 검출 대상 입사각이 결정될 수 있다.
한편, 제2 경사면(412)의 표면에는 흡광 물질을 포함하는 흡광층이 형성될 수 있다. 제2 경사면(412)의 표면에 형성된 흡광층은 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛을 흡수한다. 그 결과, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부(520)에 도달하지 못한다.
도 6의 (b)에서, 마이크로 렌즈(430)는 프리즘 시트(410)를 통과한 빛 중 검출 대상 빛을 굴절시켜 수광부(520)를 향하게 한다. 마이크로 렌즈(430)에 의한 입사각 선택성을 높이기 위해서, 마이크로 렌즈(430)와 이미지 센서(500) 사이에 광 경로 연장층(420)이 개재될 수 있다. 광 경로 연장층(420)의 두께는, 예를 들어, 마이크로 렌즈(430)의 중심부 두께의 약 5배 이상일 수 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 마이크로 렌즈(430)의 구면 수차, 검출 대상 입사각 등 다양한 요인에 의해 증가하거나 감소할 수 있다. 여기서, 마이크로 렌즈(430)와 광 경로 연장층(420)의 굴절률은 실질적으로 동일할 수 있다. 한편, 광 경로 연장층(420) 상면 중 마이크로 렌즈(430)가 형성되지 않은 일부 영역에는 흡광 물질을 포함하는 흡광층(440)이 형성될 수 있다. 흡광층(440)은 검출 대상 입사각 이외의 입사각을 갖는 빛이 광 경로 연장층(420) 내부를 통과하여 이미지 센서(500)로 입사하는 것을 차단한다.
수광부(520)로 입사하는 빛의 광량을 증가시키기 위한 마이크로 렌즈의 일반적인 용도 대신에, 본 이미지 센서층(100)에서는 특정각의 빛만 수광부(520)에 입사시키기 위한 용도로 마이크로 렌즈(430)를 이용한다. 이를 위해서, 마이크로 렌즈(430)는 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광 경로(525)에 대응하도록 메탈층(530)이 구비된 이미지 센서(500)의 수광부(520)의 상부에 형성된다. 즉, 마이크로 렌즈(430)는 프리즘 시트(410)의 하부에 위치하여 프리즘 시트(410)으로부터 이격된다. 이로 인해서, 공기가 프리즘 시트(410)와 마이크로 렌즈(430) 사이에 개재된다. 프리즘 시트-공기간 굴절률의 차이 및 공기-마이크로 렌즈간 굴절률의 차이를 이용하여, 커버 글라스(200)의 상면에서 조사된 검출 대상 빛이 선택될 수 있다.
이미지 센서(500)는 기판(510), 기판(510)에 형성된 수광부(520), 및 수광부(520)의 상부에 형성되며 광 경로(535)를 정의하는 메탈층(530)을 포함한다.
수광부(520)는 마이크로 렌즈(430)의 하부에 위치하며, 입사한 빛을 검출하여 화소 전류를 생성한다. 광 경로를 형성하며 전기 배선을 위한 메탈층(530)이 마이크로 렌즈(430)와 수광부(520) 사이에 개재된다.
입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(520)의 중심과 마이크로 렌즈(430)의 중심은 일치하지 않을 수 있다. 도 6에서, 수광부(520)는 마이크로 렌즈(430)의 우측 하부에 위치한다. 여기서, 수광부(520)의 위치는 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 도달할 수 있는 위치이며, 검출 대상 입사각, 마이크로 렌즈(430)의 굴절률, 마이크로 렌즈(430)-수광부(520)간 거리 등과 같은 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 이러한 배치를 통해서, 이미지 센서층(100)의 입사각 선택성이 향상될 수 있다.
한편, 입사각 선택성을 향상시키기 위해서, 수광부(520)의 폭은 마이크로 렌즈(430)의 폭에 비해 상대적으로 좁게 형성될 수 있다. 수광부(520)의 폭이 큰 경우에, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛도 검출될 수 있다. 따라서, 검출 대상 빛이 광 선택 구조(400) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절될 때 도달할 수 있는 지점에 수광부(520)가 형성되면, 검출 대상 입사각 이외의 각도를 갖는 빛은 수광부(520)가 형성되지 않은 기판(510)의 상면에 도달하게 된다. 일 실시예로, 수광부(520)의 폭은, 예를 들어, 마이크로 렌즈(430)의 폭의 약 50% 이하일 수 있다.
메탈층(530)은 마이크로 렌즈(430)의 하부에 형성될 수 있다. 메탈층(530)을 구성하는 복수의 메탈 라인은 수광부(520)에 제어 신호를 전달하거나 수광부(520)가 생성한 화소 전류를 외부로 인출하기 위한 전기 배선을 형성한다. 복수의 메탈 라인은 IMD(Inter Metal Dielectric) 등에 의해 상호간에 전기적으로 절연될 수 있다. 또한, 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광 경로도 IMD로 형성될 수 있다. 일 예로, 마이크로 렌즈(430)에 의해 선택된 빛은 수광부(520)의 표면에 경사지게 입사하므로, 광 경로 역시 경사지게 형성될 수 있다. 한편, 광 경로는 일반적인 CIS(CMOS Image Sensor)의 광 경로보다 상대적으로 좁은 단면적을 가지도록 형성될 수 있다. 다른 예로, 복수의 메탈 라인에 의해 정의된 광 경로는 수광부(520)의 상면에 수직으로 형성될 수도 있다. 참고로, 상대적으로 좁은 단면적을 가진 광 경로는 한국 특허공개공보 제10-2016-0048646호에 개시되어 있으며, 여기에 일체로서 참조된다.
한편, 도시되지 않았으나, 메탈층(530)은 수광부(520) 하부의 기판(510)에 형성될 수도 있다. 즉, 도 4에 도시된 BSI(Back Surface Illumination) 구조의 CIS 뿐 아니라, FSI(Front Surface Illumination) 구조의 CIS로도 지문인식 기능을 구비한 디스플레이를 구현할 수 있다.
이하에서는, 이미지 센서층(100)으로의 입사각에 따라 검출 대상 빛이 선택되는 방식을 설명한다.
도 6의 (b)는 이미지 센서층(100)으로의 입사각 θ에 따라 수평 방향으로 상이한 위치에 도달하게 되는 빛(323, 323, 324)을 예시하고 있다. 이하에서, 입사각은, 커버 글라스(200)의 상면으로부터 이미지 센서층(100)에 입사될 때의 빛의 진행 방향과 프리즘 시트(410)의 상면(415)에 수직한 직선 사이의 각도를 의미한다. 먼저, 검출 대상 입사각 θ1보다 큰 입사각 θ를 갖는 빛(322)은 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절되어 수광부(520)의 좌측 지점 f4를 향하게 되며, 검출 대상 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ를 갖는 빛(324)은 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절되어 수광부(520)의 우측 지점 f3을 향하게 된다. 그러나 빛(322, 324)은 메탈층(530)에 의해 차단되어 수광부(520)의 좌측 지점 f4 또는 우측 지점 f3에 도달하지 못한다. 한편, 검출 대상 입사각 θ1과 실질적으로 동일한 입사각 θ를 갖는 빛(323)은 프리즘 시트(410)의 제1 경사면(411) 및 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 후 메탈층(530)에 의해 정의된 광 경로(535)를 통과하여 수광부(520)에 도달하게 된다. 여기서, 검출 대상 입사각 θ1은 커버 글라스(200)에서 조사될 때의 커버 글라스 입사각과 실질적으로 동일하다.
검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛(323)은 제1 경사면(411)에서 마이크로 렌즈(430)를 향해 굴절된다. 제1 경사면(411)에 수직한 직선과 빛(323) 사이의 각도는 θ1PI이며 굴절된 빛(3231) 사이의 각도는 θ1PO이다. 즉, 제1 경사면(411)에 대한 빛(323)의 입사각은 θ1PI이며, 굴절각은 θ1PO이다. 여기서, 프리즘 시트(410)의 굴절률이 공기의 굴절률보다 상대적으로 크기 때문에, 스넬의 법칙에 따라 θ1PO는 θ1PI보다 크다.
제1 경사면(411)에서 굴절된 빛(3231)은 마이크로 렌즈(430)에서 수광부(520)를 향해 굴절된다. 마이크로 렌즈(430)의 구면 수차는, 검출 대상 입사각 θ1을 갖는 빛(323)이 제1 경사면(411)에 의해 굴절되어 입사될 때, 수광부(520)를 향할 수 있도록 결정된다. 이 때, 굴절된 빛(3231)의 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각은 실질적으로 20도 이하일 수 있다. 마이크로 렌즈(430)의 지점 a에서의 법선은 굴절된 빛(3231)의 입사각과 실질적으로 동일하므로, 빛(3231)은 굴절되지 않은 채로 수광부(520)를 향하게 된다. 지점 a로부터 지점 b로 갈수록 법선과 빛(3231) 사이 각은 법선의 좌측 방향, 즉, 반시계 방향으로 증가하며, 지점 a로부터 지점 c로 갈수록 법선과 빛(3231) 사이 각은 법선의 우측 방향, 즉, 시계 방향으로 증가한다. 따라서 빛(3231)은 지점 b에서 시계 방향으로 굴절되어 수광부(520)를 향하게 되며, 빛(3231)은 지점 c에서 반시계 방향으로 굴절되어 수광부(520)를 향하게 된다. 여기서, 빛(3231)은 공기를 통해 마이크로 렌즈(430)로 입사하며 공기의 굴절률이 마이크로 렌즈의 굴절률보다 상대적으로 작기 때문에, 마이크로 렌즈(430)에 의한 굴절각은 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각보다 상대적으로 작다. 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3232)은 입사각 θ2로 수광부(520)에 도달한다.
검출 대상 입사각 θ1보다 큰 입사각 θ를 갖는 빛(322)의 일부는 제1 경사면(411)에서 마이크로 렌즈(430)를 향해 굴절된다. 제1 경사면(411)에 수직한 직선과 빛(322) 사이의 각도는 θPI이며 굴절된 빛(3221) 사이의 각도는 θPO이다. 입사각 θ가 검출 대상 입사각 θ1보다 크기 때문에, 제1 경사면(411)에 의한 굴절각 θPO는 θ1PO보다 작다. 따라서 마이크로 렌즈(430) 상의 동일 지점에 입사하더라도, 굴절된 빛(3221)의 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각이 굴절된 빛(3231)에 비해 상대적으로 커지게 된다. 이로 인해, 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3222)은 입사각 θ4로 수광부(520)의 좌측을 향하게 된다. 좌측 지점 f4를 향하는 굴절된 빛(3222)은 메탈층(530)에 의해 정의된 광 경로(535)를 통과하지 못하게 된다. 한편, 제1 경사면(411)의 지점 d에서 굴절된 빛(3221)은 두 개의 마이크로 렌즈(430) 사이에 형성된 흡광층에 의해 흡수되어 이미지 센서(500)에 입사하지 못한다.
검출 대상 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ를 갖는 빛(324)은 제1 경사면(411)에서 마이크로 렌즈(430)를 향해 굴절된다. 제1 경사면(411)에 수직한 직선과 빛(324) 사이의 각도는 θPI이며 굴절된 빛(3221) 사이의 각도는 θPO이다. 입사각 θ가 검출 대상 입사각 θ1보다 작기 때문에, 제1 경사면(411)에 의한 굴절각 θPO는 θ1PO보다 크다. 따라서 마이크로 렌즈(430) 상의 동일 지점에 입사하더라도, 굴절된 빛(3241)의 마이크로 렌즈(430)에 대한 입사각이 굴절된 빛(3231)에 비해 상대적으로 작아지게 된다. 이로 인해, 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 빛(3242)은 입사각 θ3으로 수광부(520)의 우측을 향하게 된다. 우측 지점 f3을 향하는 굴절된 빛(3242)은 메탈층(530)에 의해 정의된 광 경로(535)를 통과하지 못하게 된다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 6과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 6와의 차이점을 위주로 설명한다.
도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410a) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410a) 및 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
도 7의 (a)에서, 프리즘 시트(410a)는 자기 정렬(self-align) 및 자기 지지(self-support) 구조를 가진다. 도 6의 프리즘 시트(410)와 비교할 때, 프리즘 시트(410a)는 프리즘 산의 첨단부가 제거된 구조이다. 상세하게, 제1 경사면(411)의 상단(411a)은 제2 경사면(412)의 상단(412a)에 결합되어 프리즘 골을 형성하며, 프리즘 시트(410a)의 상면(415)과 실질적으로 평행하게 측면 방향으로 연장된 하면(416)의 양단이 제1 경사면(411)의 하단(411b)과 제2 경사면(412)의 하단(412b)을 연결한다. 하면(416)의 폭은 마이크로 렌즈(430)간 거리와 실질적으로 동일하거나 작을 수 있다. 따라서 프리즘 시트(410a)의 하면(416)을 마이크로 렌즈(430) 사이에 배치하는 것만으로 프리즘 시트(410a)와 마이크로 렌즈(430)가 정렬될 수 있다. 또한, 실질적으로 수평한 하면(416)에 의해 프리즘 시트(410a)가 지지될 수 있으므로, 프리즘 시트(410a)를 지지 또는 고정하기 위한 별도의 구조가 요구되지 않는다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 6 및 7과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 6 및 7과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300)의 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410b) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410b) 및 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
도 8의 (a)에서, 프리즘 시트(410a)는 자기 정렬(self-align) 및 자기 지지(self-support) 구조를 가진다. 도 6 또는 7의 프리즘 시트(410a)와 비교할 때, 흡광층이 프리즘 시트(410b)의 제2 경사면(417)에 형성되어 있지 않다. 상술한 바와 같이, 도 6 또는 도 7의 제2 경사면(412)에 형성된 흡광층은, 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛(350)을 흡수하여 이 방향의 빛이 이미지 센서(500)에 입사하지 않도록 한다. 상세하게, 우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 이미지 센서층(100)에 입사한 빛(350)의 일부는 프리즘 시트(410b)의 제2 경사면(417)에 의해 굴절되어 마이크로 렌즈(430)에 입사할 수 있다. 그러나 굴절된 빛(351)은 흡광층(450b)에 의해 흡수되어 이미지 센서(500)로 입사하지 못해야 한다.
우측 상부에서 좌측 하부 방향으로 입사한 빛(350)을 차단하기 위해서, 적어도 하나의 흡광층(450a, 450b)이 광 경로 연장층(420) 내부에 형성된다. 일 실시예로, 흡광층(450a, 450b)은 빛을 흡수하는 흡광 물질로 형성되며, 측면 방향으로 연장된다. 다른 실시예로, 흡광층(450a, 450b)은 메탈로 형성되며, 측면 방향으로 연장된다. 추가적으로, 메탈의 상면은 가시광 또는 적외선을 흡수하는 흡광 물질로 코팅될 수 있다. 메탈에 코팅된 흡광 물질은 메탈에 반사된 빛을 흡수할 수 있다. 흡광층(450a, 450b)은, 광 경로 연장층(420)을, 예를 들어, 목표 두께의 소정 비율만큼 형성한 후, 그 표면에 형성된다. 이후 광 경로 연장층(420)이 흡광층(450a, 450b)의 상부에 목표 두께까지 형성된다. 도 8의 (b)에 도시된 바와 같은 복수의 흡광층(450a, 450b)은, 광 경로 연장층-흡광층을 반복적으로 형성하여 구현할 수 있다.
광 경로 연장층(420)에 형성된 흡광층(450a, 450b)은 검출 대상 빛을 위한 광 경로를 정의할 수 있다. 흡광층(450a, 450b)의 일부 영역에는 광 경로를 정의하기 위한 개구(451)가 형성된다. 개구(451)의 폭은 마이크로 렌즈(430)에 의해 굴절된 검출 대상 빛이 통과할 수 있는 크기로 결정된다. 따라서 흡광층(450a, 450b)에 의해 광 경로가 정의되는 구조에서는, 메탈층(530)에 의한 광 경로(535)가 이미지 센서(500) 내에 정의되지 않아도 된다. 다시 말해, 광 경로(535)가 수직으로 형성된 이미지 센서를 이용하더라도 충분한 입사각 선택성을 광 경로 연장층(420)에 의해 확보할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서층의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 6 내지 8과 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 6 내지 8과의 차이점을 위주로 설명한다.
도 9를 참조하면, 이미지 센서층(100)은 광 선택 구조(400) 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 광 선택 구조(400)는 전자장치의 디스플레이 하부에 위치하며, 광 선택 구조(400)는 프리즘 시트(410a 또는 410b) 및 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 프리즘 시트(410a 또는 410b) 및 마이크로 렌즈(430)는 다양한 입사각으로 입사한 빛 중에서 검출 대상 빛을 선택한다.
입사각 선택성을 높이기 위해서, 이미지 센서(500)의 상면에 마이크로 렌즈(540)가 형성된다. 마이크로 렌즈(540)는 이미지 센서(500)의 광 경로(535) 상부에 형성될 수 있다. 광 선택 구조(400)의 마이크로 렌즈(430)와 유사하게, 마이크로 렌즈(540)는 이미지 센서(500)로 입사하는 검출 대상 빛을 굴절시켜 수광부(520)를 향하게 한다. 마이크로 렌즈(540)를 포함한 이미지 센서(500)의 상부에 광 경로 연장층(420)이 형성되어 마이크로 렌즈(540)의 표면은 광 경로 연장층(420)에 접한다. 따라서, 마이크로 렌즈(540)에 입사한 검출 대상 빛이 굴절되기 위해서는, 광 경로 연장층(420)의 굴절률과 마이크로 렌즈(540)의 굴절률이 상이해야 한다. 예를 들어, 광 경로 연장층(420)의 굴절률과 마이크로 렌즈(540)의 굴절률의 차이는 0.2 이상일 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 지문인식 기능을 구비한 디스플레이의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 6 내지 9와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하고 도 6 내지 9와의 차이점을 위주로 설명한다.
도 10을 참조하면, 지문인식 기능을 구비한 디스플레이는 디스플레이 패널(300') 및 이미지 센서(500)를 포함한다. 이미지 센서(500)는 디스플레이 패널(300')의 하부에 위치하며, 도 6 내지 9의 광 선택 구조(400)는 디스플레이 패널(300')에 구현된다. 디스플레이 패널(300)은 커버 글라스(200)로부터 입사된 빛 중에서 검출 대상 빛(323)은 통과시키지만 그 외의 입사각을 갖는 빛(322, 325)은 수광부(520)에 도달하지 못하도록 한다.
디스플레이 패널(300')은 화소(360) 및 화소가 위치할 영역을 정의하는 화소 정의막(370)을 포함한다. 화소 정의막(370)의 일부 영역에 개구가 형성되며, 개구 내에 화소(360)가 형성된다. OLED의 경우, 발광부가 개구 내에 형성된다. 화소 정의막(370)은 다양한 절연 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 여기서, 절연 물질은 가시광 및/또는 근적외선에 투명할 수 있다. 한편, 화소(360)를 구동하는 TFT 및 전기 배선은 화소 정의막 내부 또는 화소(360) 하부에 배치될 수 있다. 차광층(361)은 화소(360)의 하부에 형성될 수 있다. 한편, 차광층(361)은 화소(360)에서 생성된 빛 및 화소(360)를 통과한 빛이 하부 방향으로 입사하는 것을 방지한다.
일 실시예로, 검출 대상 빛의 진행 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 연장된 광 경로(375)가 화소 정의막(370) 내부에 형성될 수 있다. 광 경로(375)는 이미지 센서(500)의 상면에 대해 검출 대상 입사각만큼 경사지게 형성될 수 있다. 광 경로(375)는 하나 이상의 광학적으로 불투명한 소재에 의해 형성될 수 있다. 도 10은 수직 방향으로 적층된 두 개의 광 경로 정의층(374)을 예시하고 있다. 광 경로 정의층(374)은, 광 경로(375)를 정의하기 위해 일부 영역에 형성된 개구를 포함한다. 광 경로 정의층(374) 각각에 형성된 개구의 중심은 수직 방향으로 서로 일치하지 않는다. 광 경로 정의층(374)은 화소를 구동하기 위한 전극 및/또는 배선일 수 있다. 한편, 광 경로 정의층(374)은 흡광 물질로 형성될 수도 있다.
다른 실시예로, 화소 정의막(370)의 상면(371)과 측면(372)은 입사면(373)에 의해 연결될 수 있다. 입사면(373)은 검출 대상 빛(323)의 진행 방향에 실질적으로 수직하도록 형성될 수 있다. 입사면(373)은 검출 대상 빛이 화소 정의막(370)의 표면에서 굴절되거나 반사되는 양을 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 화소 정의막(370)의 표면을 기준으로 굴절율의 차이가 발생하는 경우, 검출 대상 입사각 이외의 입사각으로 진행하는 빛을 굴절시켜 수광부(520)에 도달하지 못하도록 할 수 있다.
한편, 도 10은 이미지 센서(500)의 메탈층(530)에 의해 정의된 경사진 광 경로(535)를 도시하고 있다. 그러나, 디스플레이 패널(300')의 입사각 선택성이 충분히 높게 구현된 경우에는 도 8 또는 9에 도시된 바와 같이 광 경로가 수직으로 형성된 이미지 센서가 적용될 수 있다.
도 11은 디스플레이 패널의 화소 배열을 예시적으로 도시한 도면이다.
지문이미지 생성에 이용되는 근적외선은 디스플레이 패널(300)에 위치한 광원에 의해 생성될 수 있다. 도 11의 (a) 내지 (c)는 근적외선 화소을 포함하는 화소 배열의 예를 나타내고 있다.
도 11의 (a)를 참조하면, 근적외선 화소(610)는 R, G, B 화소쌍(600) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 근적외선 화소(610)는 R, G, B 화소 각각의 면적과 실질적으로 동일한 면적을 점유할 수 있다.
한편, 도 11의 (b)를 참조하면, 근적외선 광원(640)은 R, G, B 화소(620, 630) 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 예를 들어, R 화소(620)가 점유하는 면적을 감소시킨 후, 면적 감소에 의해 확보된 영역에 근적외선 광원(640)이 배치될 수 있다.
또한, R, G, B 화소들 중 어느 하나는 근적외선 광원(650)으로 대체될 수 있다. 도 11의 (c)에 도시된 Bayer pattern에서 R 화소의 일부는 근적외선 광원(650)으로 대체되어 있다.
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 (18)

  1. 지문인식 기능을 구비한 디스플레이에 있어서,
    커버 글라스의 하부에 배치되며, 상기 커버 글라스에 접촉한 지문의 융선 및 골을 나타내는 다양한 입사각을 갖는 빛이 통과하는 디스플레이 패널; 및
    상기 디스플레이 패널의 하부에 배치되며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 빛을 검출하여 지문이미지를 생성하는 이미지 센서층을 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서층은,
    상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 검출 대상 입사각을 갖는 상기 검출 대상 빛을 선택하는 광 선택 구조; 및
    상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 검출 대상 빛을 이용하여 상기 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하되,
    상기 다양한 입사각을 갖는 빛의 광원은 상기 디스플레이 패널인 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 이미지 센서는 복수의 부분 지문이미지를 생성하되,
    상기 디스플레이 패널은 화소를 일 방향으로 순차적으로 턴온하여 상기 다양한 입사각을 갖는 빛을 생성하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 지문이미지를 생성하되,
    상기 디스플레이 패널은 화소를 동시에 턴온하여 상기 다양한 입사각을 갖는 빛을 생성하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 광 선택 구조는,
    상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트; 및
    상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 마이크로 렌즈를 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 이미지 센서는,
    상기 마이크로 렌즈의 하부에 위치하며, 상기 제2 각도로 굴절된 빛에 상응하는 화소 전류를 생성하는 수광부를 포함하되,
    상기 수광부는 상기 마이크로 렌즈의 하부 일측에 위치하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 프리즘 시트는,
    프리즘 산과 프리즘 골을 형성하도록 교번하여 배치된 복수의 제1 경사면 및 복수의 제2 경사면을 포함하되,
    상기 제1 경사면은 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키며,
    상기 제1 경사면의 경사각은 상기 제2 경사면의 경사각보다 작은 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제2 경사면에 형성되며, 입사된 빛을 흡수하는 흡광층을 더 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  9. 청구항 5에 있어서, 두 개의 마이크로 렌즈 사이에 형성되며, 입사된 빛을 흡수하는 흡광층을 더 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  10. 청구항 2에 있어서, 상기 광 선택 구조는,
    프리즘 골을 형성하도록 교번하여 배치된 복수의 제1 경사면 및 복수의 제2 경사면을 포함하며, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트; 및
    상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 마이크로 렌즈를 포함하되,
    상기 제1 경사면의 상단은 상기 제2 경사면의 상단에 연결되며,
    상기 제1 경사면의 하단과 상기 제2 경사면의 하단은 평행하게 연장된 하면의 양단에 각각 연결되는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 마이크로 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 개재된 광 경로 연장층을 더 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 광 경로 연장층의 내부에 측면 방향으로 형성되며, 일부 영역에 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛이 통과하는 개구가 형성된 흡광층을 더 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  13. 청구항 2에 있어서, 상기 광 선택 구조는,
    상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 검출 대상 입사각을 갖는 빛을 제1 각도로 굴절시키는 프리즘 시트; 및
    상기 프리즘 시트의 하부에 위치하며, 제1 각도로 굴절된 빛을 제2 각도로 굴절시키는 제1 마이크로 렌즈를 포함하며,
    상기 이미지 센서는,
    상기 이미지 센서의 상면에 위치하며, 제2 각도로 굴절된 빛을 제3 각도로 굴절시키는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서층은,
    상기 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 상기 융선으로부터 조사된 빛만 가질 수 있는 검출 대상 입사각을 갖는 상기 검출 대상 빛을 선택하는 광 선택 구조; 및
    상기 광 선택 구조의 하부에 위치하며, 상기 검출 대상 빛을 이용하여 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 다양한 입사각을 갖는 빛은 근적외선인 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  16. 청구항 16에 있어서, 상기 근적외선을 조사하는 광원을 더 포함하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 디스플레이 패널은 상기 근적외선을 조사하는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
  18. 청구항 2 또는 청구항 14에 있어서, 상기 이미지 센서는 박막 트랜지스터로 형성되며,
    상기 이미지 센서층은 상기 디스플레이 패널의 하면의 적어도 일부 또는 전체 영역에 형성되는 지문인식 기능을 구비한 디스플레이.
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