KR20200145111A - 언더 디스플레이용 광학 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 언더 디스플레이용 광학 센서에 관한 것이다.
본 발명에서는 상부에서 가상의 수직선과 θ 이하의 입사각을 가지며 입사되는 입사광만을 수직 하방으로 통과시키며, 수직 방향으로 배향된 액정물질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 언더 디스플레이용 광학 센서가 개시된다.

Description

언더 디스플레이용 광학 센서{OPTICAL SENSOR UNDER DISPLAY}

본 발명은 언더 디스플레이용 광학 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 디스플레이부 하부에 구비되어 사용자의 지문 또는 조도 등을 센싱하는 언더 디스플레이용 광학 센서에 관한 것이다.

최근 스마트폰의 기술 추이는 유효 화면을 가능한 크게 구비하도록 하는 것이다. 스마트폰 제조사들이 이상적으로 생각하는 유효화면은 전면(前面) 전체를 유효화면으로 구성하는 것이며, 이러한 스마트폰을 편의상 '전면 풀 유효화면 스마트폰'이라고 지칭하기로 한다.

전면 풀 유효화면 스마트폰을 제조하기 위해서는 전면에 설치되는 카메라, 조도 센서 및 지문센서를 포함한 다양한 센서를 디스플레이부 하부로 위치시켜야 한다. 전면 카메라를 디스플레이부 하부로 위치시키는 기술로는 전면 카메라가 설치되는 위치의 수직 상부에 놓여지는 상부 구조물(디스플레이부 포함)을 카메라 촬영시 선택적으로 투명하게 변경시킬 수 있는 기술이 제시되고 있으며 또 다른 기술로는 카메라 모듈을 팝업 형식으로 형성하는 기술이 대두되고 있는 것으로 알려져 있다.

한편, 다양한 센서류를 디스플레이부 하부에 위치시킬 경우 디스플레이부를 통과하여 하부까지 도달하는 광량은 현격하게 줄어들어 정확한 센싱을 위해서는 센서의 감도를 높히거나 분석 알고리듬을 달리하는 등의 다른 대체 기술이 필요하다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 아래 첫 번째 특허문헌(한국공개특허 제10-2017-0106425호, 이하 '제1특허문헌'이라 함)에서는 디스플레이부 하부에 놓여지는 지문센서에 관한 기술을 공개하고 있다. 제1특허문헌에서는 두 가지 기술이 개시되어 있는데, 도 8a 및 도 8b 등에 도시된 바와 같이 디스플레이부 하부에 마이크로 렌즈를 설치하고 이를 이용하여 지문에 반사된 광을 포토다이오드 어레이측으로 집속하여 처리하는 기술과 도 17a 등에 제시된 바와 같이 디스플레이부 하부와 포토다이오드 사이공간의 수직 하부에 콜리메이터를 설치하여 지문을 인식하는 기술이 개시되어 있다. 그런데 마이크로 렌즈를 설치하는 기술은 광학 설계가 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있으며, 콜리메이터를 설치하는 기술은 실제 제품에 적용해 본 결과 수직으로 입사되는 광 이외 큰 각도를 가지고 입사되는 광(차단되어야 하는 광)도 콜리메이트를 통과하여 포토다이오드 어레이에 도달하는 문제점이 발생되어 지문 센서에 실제 적용하기 어려운 것으로 알려져 있다.

1. 한국공개특허 제10-2017-0106425호 (2017.09.20. 공개) 2. 일본공개특허 특개평11-120324호 (1999.04.30. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 디스플레이부 하부 수직으로 입사되는 광만 통과시키면서 센서를 구성하는 포토다이오드와 정확한 정렬이 필요없으며 얇은 두께를 갖는 광가이드 필름을 갖는 언더 디스플레이용 광학 센서를 제시하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 언더 디스플레이용 광학 센서로서, OLED 픽셀을 가지는 디스플레이부와, 디스플레이부 상부에 위치하며 상기 디스플레이부를 보호하는 보호 기판 및 디스플레이부에서 발광된 광 중에서 상기 보호 기판으로 출사되었다가 다시 복귀하는 광을 수신하며, 상기 디스플레이부 하부에 위치하는 광학 센서를 포함하고, 광학 센서는 광 가이드 필름 및 센서부로 구성되며, 광 가이드 필름은 상부에서 가상의 수직선과 θ 이하의 입사각을 가지며 입사되는 입사광만을 수직 하방으로 통과시키며, 수직 방향으로 배향된 액정물질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 언더 디스플레이용 광학 센서에 의해서 달성 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 언더 디스플레이용 광학 센서는 광 흡수 물질이 분산되고 수직 방향으로 배향된 액정물질로 이루어진 액정층을 포함하는 광 가이드 필름을 사용하여 형성하였다. 광 가이드 필름은 두께가 수 십 마이크로 미터에 불과하고 가상의 수직선으로부터 θ 각도 이내를 갖는 입사광만을 통과시키면서 하부에 형성되는 광학 센서 어레이와

도 1은 전술한 제1특허문헌에 제시된 콜리메이트를 사용하는 언더 디스플레이용 광학 센서의 절단면도.
도 2는 도 1에 제시된 콜리메이터 어레이에서 두 개의 금속층 사이에 형성된 한 개의 비어홀에 다양한 각도에서 입사하는 광에 관한 설명도.
도 3은 본 발명에 따른 광 가이드 필름을 갖는 언더 디스플레이용 광학 센서를 갖는 스마트폰의 정면도 및 수직 절단면도.
도 4는 스마트폰의 구성을 보다 상세히 표현한 절단면도.
도 5 및 도 6는 본 발명에 따른 광 가이드 필름의 일 실시예 도면.
도 7은 본 발명에 따른 일 실시예인 광 가이드 필름의 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 염료가 혼합된 액정 모노모로 형성된 광 가이드 필름의 단면도.
도 9는 입사광의 입사각 대비 투과도 그래프.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 본 발명에서는 디스플레이부 하부에 놓여지는 광학 센서의 일 례로서 지문센서를 예를 들어 설명할 것이다. 하지만 이는 설명의 편의상 지문센서를 선택하여 설명한 것에 불과한 것으로서 본 발명에서 의미하는 광학센서에는 지문센서 외에도 조도센서 및 컬러센서 등이 포함된 이미지를 광학 방식으로 인식하는 다양한 센서를 포함하는 것으로 이해되어져야 한다.

도 1은 전술한 제1특허문헌에 제시된 콜리메이트를 사용하는 언더 디스플레이용 광학 센서의 절단면도이다. 도 1에서 보호 기판 및 디스플레이부는 투명 유리 또는 투명 플라스틱으로 이루어지는 보호 기판(커버층이라고도 함)과 OLED 디스플레이로 이루어지는 디스플레이부를 한꺼번에 도시한 구성이다. 제1특허문헌에서 하부에 지문 감지를 위한 광학 센서부가 설치되고, 디스플레이부와 광학 센서부 사이 수직 공간에 콜리메이터 어레이를 구비하는 구조를 갖는다. 콜리메이트 어레이는 금속층 사이에 복수 개 비어홀을 규칙적으로 형성한 구조를 갖는다. 손가락 지문에서 반사되어 비어홀로 일정 각도 이내로 입사되는 광만을 광학 센서부로 통과시키는 기능을 제공하는 렌즈이다. 실제 배치시는 콜리메이터 어레이를 구성하는 복수 개 비어홀의 중심과 광학 센서부를 구성하는 복수 개 포토다이오드의 중심축이 일치되도록 정확히 정렬시켜야 한다. 그런데 본원 발명자의 연구에 의하면 도 1에 제시된 구조에서는 비어홀에 입사되는 광 중에서 비어홀을 통과하지 못하고 차단되어야 하는 광도 비어홀의 측면에서 반사된 후 광학 센서부로 입사되어 지문 센싱에 오류를 일으키고 있음을 알게 되었다. 또한, 도 1의 구조에서는 비어홀의 중심축과 포토다이오드의 중심축이 일치하도록 정렬하여야 하므로 광학적인 정밀도가 높아야 하나 제조상 공차 문제로 정확한 정렬이 이루어지지 않거나 조립 공정상의 불량이 발생하는 문제가 있어 실용화에 어려움을 갖는 것으로 파악하고 있다.

도 2는 도 1에 제시된 콜리메이터 어레이에서 두 개의 금속층 사이에 형성된 한 개의 비어홀에 다양한 각도에서 입사하는 광을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 콜리메이터 어레이는 가상의 수직선(O)을 기준으로 '-θ ~ +θ' 사이의 입사각을 가지는 입사광은 비어홀을 통과하여 광학 센서부에 도달하도록 설계되고, '-θ ~ +θ' 사이보다 큰 입사각으로 입사되는 광은 차단되어 광학 센서부에 도달하지 못하도록 설계되어야 한다. 도 1에 제시된 콜리메이트 어레이와 광학 센서부는 실리콘 반도체 기판상에 일체로 제작되었으며 비어홀은 금속층을 에칭하여 형성한 구조를 갖는다. 그런데 도 2에 도시된 바와 같이 '-θ ~ +θ'보다 큰 입사각을 갖는 광(P3)이 비어홀에 입사할 경우 차단되어 광학 센서부에 도달하지 못하도록 구성되어야 하나 본원 발명자는 P3 입사광이 도 2에 도시된 바와 같이 금속층에서 반사된 후 광학 센서부에 도달하는 문제를 보이고 있음을 파악하였다.

도 1에 제시된 구조에서 나타나는 문제를 해결하고 상업화에 성공한 업체로는 이지스 테크놀러지사(egis technology Inc., 대만 기업)가 있다. 이지스 테크놀로지에서 적용한 기술은 콜리메이트 어레이 대신에 작은 직경을 갖는 마이크로렌즈 어레이를 이용하여 지문에서 반사되는 광을 수직 하방으로 가이드하는 것이다. 그런데 이지스 테크놀러지에서 적용하고 있는 마이크로렌즈 어레이는 상하로 배치되는 두 매 또는 세 매의 렌즈군으로 형성되어 전체 두께가 300㎛~500㎛ 정도에 달하는 것으로 알려져 있다. 이러한 마이크로렌즈 어레이의 두께는 스마트폰 두께를 점점 얇게 제조하려는 추세에 장애물이 되고 있는 실정이다. 또한, 마이크로렌즈 중심과 포토다이오드 중심을 정렬(align)시켜야 하므로 제1특허문헌에서 제기된 문제와 동일하게 제조상 공차 문제로 인한 어려움과 조립 공정상의 불량에 대한 문제점을 여전히 지니고 있는 것으로 파악되고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 광 가이드 필름을 갖는 언더 디스플레이용 광학 센서를 갖는 스마트폰의 정면도 및 수직 절단면도이다. 도 3(a)의 정면도에 도시된 바와 같이 스마트폰(100)은 정면에는 스크린(110)이 구비된다. 최근 추세는 전체면을 스크린으로 형성하는 풀스크린으로 형성하는 것이다. 도 3(a)에서는 풀스크린 형태가 아닌 상부에 스피커 홀과 카메라 홀을 구비하는 형태로 도시하였다. 스크린(110)의 일부 영역에는 지문인식을 위한 지문감지영역(120)이 구비되며, 사용자가 손가락(135)을 지문감지영역(120)에 올려놓으면 손가락(135)에 형성된 지문을 센싱하여 사용자를 인증하게 된다. 도 3(b)는 도 3(a)에 제시된 스마트폰의 절단면도를 도시한 것으로서, 지문감지영역(120) 하부에 언더 디스플레이용 광학 센서(130)가 구비됨을 보여준다. 본 발명에 따른 언더 디스플레이용 광학 센서(130)는 보호 기판(10) 및 디스플레이부(20) 하부에 위치되며, 광 가이드 필름(30)과 센서부(50)로 구성된다.

도 4는 스마트폰의 구성을 보다 상세히 표현한 절단면도이다. 도 4에 제시된 바와 같이 상부에 보호 기판(10)이 형성되고, 그 하부에는 차례대로 선편광필름(11, linear Polarizer) 및 λ/4 위상차판(13, Quarterwave Plate)으로 구성되는 반사방지필름이 구비된다. 디스플레이부(20)는 베이스 기판(26) 상에 형성되는 하부 전극(25), 유기 발광층(23) 및 상부전극(21)으로 구성된다.

베이스 기판(26)은 유리 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 하부 전극(25) 및 상부 전극(21) 중 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다. 애노드는 정공(hole)이 주입되는 전극으로 일 함수(work function)가 높은 도전 물질로 만들어질 수 있으며 캐소드는 전자(electron)가 주입되는 전극으로 일 함수가 낮은 도전 물질로 만들어질 수 있다. 하부 전극(25) 및 상부 전극(21) 중 적어도 하나는 발광된 빛이 외부로 나올 수 있는 투명 도전 물질로 만들어질 수 있으며 예컨대 ITO 또는 IZO 일 수 있다.

유기 발광층(23)은 하부 전극(25)과 상부 전극(21)에 전압이 인가되었을 때 빛을 낼 수 있는 유기 물질을 포함한다.

하부 전극(25), 유기 발광층(23) 및 상부 전극(21)은 미세공진(microcavity) 구조를 채용할 수 있으며, 이 경우 하부 전극(25) 및 상부 전극(21) 중 어느 하나는 반투과 전극일 수 있고 다른 하나는 반사 전극일 수 있다. 이러한 미세공진 구조로 인해 발광 효율을 높일 수 있다.

하부 전극(25)과 유기 발광층(23) 사이 및 상부 전극(21)과 유기 발광층(23) 사이에는 부대층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 부대층은 전자와 정공의 균형을 맞추기 위한 정공 전달층(hole transporting layer), 정공 주입층(hole injecting layer), 전자 주입층(electron injecting layer) 및 전자 전달층(electron transporting layer)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

보호 기판(10)은 투명한 유리(특히 강화 유리) 또는 플라스틱으로 만들어 질 수 있으며 내부 소자를 보호하는 기판의 기능을 제공한다.

반사방지필름(11, 13)은 외부에서 보호 기판(10) 내측 방향(도면상 하부 방향)으로 입사된 광이 반사되어 보호 기판(10) 외부로 반사되는 것을 방지하는 필름으로서 통상 선편광필름(11)과 λ/4 위상차판(13)으로 구성된다.

언더 디스플레이용 광학 센서(130)는 광 가이드 필름(30)과 센서부(50)로 구성되며, 부가적으로 광 가이드 필름(30) 상부에 λ/4 위상차판(31)을 더 구비할 수도 있다.

도 5 및 도 6는 본 발명에 따른 광 가이드 필름의 일 실시예 도면이다. 광 가이드 필름(30)은 기판(36), 배향막(32) 및 액정층(34)으로 구성된다. 액정층(34)은 수직으로 배향되어 경화된 액정물질(33)과 광 흡수물질(35)이 분산된 형태를 갖는다. 광 흡수물질(35)은 가상의 수직선(O)으로부터 θ각도보다 큰 각도로 입사되는 광을 흡수하는 기능을 제공하는 물질이다. 대표적인 광 흡수물질(35)로는 CNT(Carbon Nano Tube)를 들 수 있다. 또 다른 광 흡수물질(35)로는 특정의 선택된 파장대의 광을 흡수하거나 차단하는 염료(dye)를 사용할 수 있다. 바람직하게는 염료로는 이방성 염료(dichroic dye)를 사용하는 것이 좋다. 예를 들어, 광 흡수물질(35)로는 가시광선 파장대의 광을 흡수하는 염료, UV(자외선) 파장대를 차단하는 염료, IR(적외선) 파장대를 차단하는 염료, 450nm ~ 550nm 파장대의 광을 차단하는 염료 등을 들 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이 액정층(34)에는 액정 물질을 경화시키기 위한 광 경화물질(37)을 추가 분산 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 광 가이드 필름은 수 십 um 정도의 두께를 가지며, 가상의 수직선으로부터 θ범위 내로 입사되는 광만 수직 하방으로 통과시킬 수 있는 이점이 있다. 따라서 종래 이지스텍에서 적용하여 실용화시킨 마이크로렌즈를 사용하는 광학센서보다 박형화시킬 수 있는 이점이 있다. 그런데 배향막을 이용하여 수직 방향으로 액정물질을 얼라인시킬 수 있는 액정층의 높이는 한계가 있다. 이는 배향막과 액정물질이 형성하는 배향규제력(anchering force)의 크기와 관련이 있기 때문이다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 두 개 이상으로 적층된 액정층을 이용하여 본 발명에 따른 광 가이드 필름을 형성할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 광 가이드 필름은 세 가지 방식으로 제조할 수 있다. 첫째 방식은 투명기판에 배향막을 형성하고 액정물질과 광 흡수물질을 코팅한 후 수직 전계를 인가한 상태에서 노광하는 방식이다. 둘째 방식은 투명기판에 배향막을 형성하고 염료(광 흡수 물질)가 혼합된 액정 모노머를 배향막에 도포한 후 광을 조사하여 일정한 방향으로 정렬시킨 후 노광시키는 방식이다. 액정 모노모로는 스멕틱(smectic) B 액정 모노모(monomer)를 사용하고, 염료(dye)로는 이방성 염료(dichroic dyes)를 사용하는 것이 이색비(Dichroic Ratio)를 효율적으로 쉽게 조절할 수 있었다. 본원 발명자에 의하면 이색비는 편광판의 편광축과 투과도에 많은 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 도 8은 두 번째 방식으로 제작된 광 가이드 필름의 실시예도이다. 기판(36) 상에 배향막(32)이 구비되고, 염료가 혼합된 액정 모노머(38)로 액정층(34)을 형성한 예이다. 도 8에 제시된 실시예에서는 염료가 혼합된 액정 모노머(38)가 특정 파장의 광(예로서, UV광)의 조사 방향에 따라 정렬되는 것을 특징으로 한다. 첫째 또는 둘째 방식으로 광 가이드 필름을 제조하면 도 5 ~ 도 7에 제시된 바와 같이 배향막을 구비하게 된다. 셋째 방식은 투명 기판에 광 흡수 물질과 광 배향제가 분산된 액정물질을 도포한 후 광경화시키는 방식이다. 셋째 방식을 적용하여 제조된 광 가이드 필름은 도 5 ~ 도 7에 제시된 형태와 달리 배향막이 구비되지 않은 기판에 직접 액정층이 형성되는 형태를 갖는다.

도 9는 입사광의 입사각 대비 투과도 그래프이다. 도 9에서 수직축은 투과도를 나타내며, 수평축은 입사각의 각도를 도시한 것이다. 수평축의 중심점(O)은 수광 가이드 필름에 수직으로 입사되는 각을 나타낸 것이고, -θ ~ +θ 사이각을 가지면서 입사되는 광만 투과하고 θ보다 큰 각도로 입사되는 광은 차단하는 특성을 보여준다. 도 9에는 3가지 형태의 투과도 곡선(a, b, c)를 도시하였는데 광 가이드 필름에 사용하는 액정물질, 염료, 광흡수 물질의 종류, 필름의 두께를 달리 적용하면 다양한 투과도 특성을 갖도록 설계할 수 있다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 보호 기판 11: 선편광필름
13: λ/4 위상차판 23: 유기 발광층
21: 상부전극 25: 하부 전극
26: 베이스 기판 20: 디스플레이부
30: 광 가이드 필름 31: λ/4 위상차판
32: 배향막 33: 액정물질
34: 액정층 35: 광 흡수물질
36: 기판 37: 광 경화물질
38: 염료가 혼합된 액정 모노머
50: 센서부
100: 스마트폰 110: 스크린
120: 지문감지영역 130: 광학 센서
135: 손가락

Claims (1)

1. 언더 디스플레이용 광학 센서로서,
   OLED 픽셀을 가지는 디스플레이부;
   상기 디스플레이부 상부에 위치하며 상기 디스플레이부를 보호하는 보호 기판; 및
   상기 디스플레이부에서 발광된 광 중에서 상기 보호 기판으로 출사되었다가 다시 복귀하는 광을 수신하며, 상기 디스플레이부 하부에 위치하는 광학 센서
   를 포함하고,
   상기 광학 센서는 광 가이드 필름 및 센서부로 구성되며,
   상기 광 가이드 필름은 상부에서 가상의 수직선과 θ 이하의 입사각을 가지며 입사되는 입사광만을 수직 하방으로 통과시키며, 수직 방향으로 배향된 액정물질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 언더 디스플레이용 광학 센서.

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