KR20210048985A

KR20210048985A - 색분리 소자 및 이를 포함하는 이미지 센서

Info

Publication number: KR20210048985A
Application number: KR1020200122851A
Authority: KR
Inventors: 노숙영; 윤석호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2021-05-04

Abstract

색분리 소자 및 이를 포함하는 이미지 센서가 개시된다.
개시된 색분리 소자는, 스페이서 층에 구비된 적어도 하나 이상의 나노포스트를 포함하여 입사광을 파장에 따라 분리하고 집광하는 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이를 포함하고, 색분리 렌즈 어레이가 반복되어 배열되는 주기 영역들이 구비되고, 색분리 렌즈 어레이가 주기 영역들의 경계에서 위상 분포를 단절시키도록 구성된다.

Description

색분리 소자 및 이를 포함하는 이미지 센서{Color separation element and image sensor including the same}

개시된 실시예들은 색분리 소자 및 이를 포함하는 이미지 센서에 대한 것이다.

칼라 디스플레이 장치나 칼라 이미지 센서는 통상적으로 칼라 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지한다. 이미지 센서로는 예를 들어, CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS가 사용될 수 있다.

이미지 센서의 픽셀 수는 점차 증가하는 추세이며, 이에 따라 픽셀 소형화가 요구되고 있다. 픽셀 소형화를 위해서는 광량 확보와 노이즈 제거가 필요하다.

이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지하고 있다. 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 불과하여 광 손실이 크다.

최근에는 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 분리하며, 굴절률과 모양에 따라 파장별 방향성을 조절할 수 있다. 색분리 소자에 의해 분리된 색들은 각각의 대응하는 화소에 전달될 수 있다.

예시적인 실시예는 색 순도가 개선된 색분리 소자를 제공하다.

예시적인 실시예는 색 순도가 개선된 색분리 소자를 포함한 이미지 센서를 제공한다.

예시적인 실시예에 따른 색분리 소자는, 스페이서 층; 및 상기 스페이서 층에 구비된 적어도 하나 이상의 나노포스트를 포함하여 입사광을 파장에 따라 분리하고 집광하는 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하고, 상기 색분리 렌즈 어레이가 반복되어 배열되는 주기 영역들이 구비되고, 상기 색분리 렌즈 어레이가 상기 주기 영역들의 경계에서 위상 분포를 단절시키도록 구성될 수 있다.

상기 주기 영역이 이웃하는 제1 주기 영역과 제2 주기 영역을 포함하고, 상기 제1 주기 영역과 상기 제2 주기 영역의 경계에서 상기 제1 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이에 의해 형성된 위상 분포와 제2 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이에 의해 형성된 위상 분포가 중첩되지 않도록 구성될 수 있다.

상기 하나의 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이가 상기 입사광의 각 파장광에 대해 비대칭의 위상 분포를 형성하도록 구성될 수 있다.

상기 하나의 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이가 상기 입사광의 각 파장 광에 대해 비방사형의 위상 분포를 형성하도록 구성될 수 있다.

상기 주기 영역은 제1 파장 광을 집광시키는 제1 영역, 제2 파장 광을 집광시키는 제2 영역, 제3 파장 광을 집광시키는 제3영역 및 제1 파장 광을 집광시키는 제4 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제4 영역이 대각선 방향에 위치하고, 상기 제2 영역과 제3 영역이 대각선 방향에 위치할 수 있다.

상기 제1 파장 광은 녹색 광을 포함하고, 제2 파장 광은 청색 광을 포함하고, 제3 파장 광은 적색 광을 포함할 수 있다.

상기 제1 영역의 중심에서 상기 제1 파장 광이 2Nπ(N은 0보다 큰 정수)의 위상을 가지고, 상기 주기 영역의 주변으로 갈수록 위상이 감소하도록 구성될 수 있다.

상기 제2 영역의 중심에서 (2N-1)π(N은 0보다 큰 정수)의 위상을 가지고, 상기 제3 영역의 중심에서 (2N-1)π(N은 0보다 큰 정수)의 위상을 가지도록 구성될 수 있다.

상기 색분리 렌즈 어레이가 상기 주기 영역 내부에서는 연속적인 위상 분포를 형성하도록 구성될 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 이미지 센서는, 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀을 포함하는 광 센서; 광 센서에 구비된 스페이서 층; 및 상기 스페이서 층에 구비된 적어도 하나 이상의 나노포스트를 포함하여 입사광을 파장에 따라 분리하고 집광하는 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하고, 상기 색분리 렌즈 어레이가 반복되어 배열되는 주기 영역들이 구비되고, 상기 색분리 렌즈 어레이가 상기 주기 영역들의 경계에서 위상 분포를 단절시키도록 구성될 수 있다.

상기 광센서와 상기 스페이서 층 사이에 컬러 필터를 더 포함될 수 있다.

상기 색분리 렌즈 어레이의 광의 입사 측에 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 촬영 렌즈부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 색분리 소자는 색분리 렌즈 어레이에 의해 주기 영역 내부에서 위상이 분포되고, 주기 영역의 경계에서는 위상 분포가 단절되도록 하여 이웃 영역에서 색이 혼합되는 것을 줄임으로써 색 순도를 개선할 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 이미지 센서는 색 순도를 개선하여 이미지 품질을 높일 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 색분리 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예에 따른 색분리 소자의 주기 영역의 배열의 예들을 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 광 센서의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 색분리 소자의 주기 영역의 일 예를 도시한 것이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 색분리 소자의 주기 영역에서 제1 파장광에 대한 위상 분포를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 색분리 소자의 주기 영역에서 제2 파장광에 대한 위상 분포를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 색분리 소자의 주기 영역의 2×2 배열 구조에서 제2 파장광에 대한 위상 분포를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 11은 하나의 주기 영역에서의 청색광에 대한 위상 분포와, 3×3 주기 영역배열 구조에서 청색광에 대한 위상 분포를 보인 것이다.
도 12는 하나의 주기 영역에서의 녹색광에 대한 위상 분포와, 3×3 주기 영역배열 구조에서 녹색광에 대한 위상 분포를 보인 것이다.
도 13은 하나의 주기 영역에서의 적색광에 대한 위상 분포와, 3×3 주기 영역배열 구조에서 적색광에 대한 위상 분포를 보인 것이다.
도 14 내지 도 17은 예시적인 실시예에 따른 색분리 소자에 채용된 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트 배열 구조들을 도시한 것이다.
도 18의 상부 도면은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 청색광 영역에 대한 위상 분포를 나타내고, 하부 도면은 이 위상 분포에 따라 청색광이 포커싱됨을 보인 것이다.
도 19의 상부 도면은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 녹색광 영역에 대한 위상 분포를 나타내고, 하부 도면은 이 위상 분포에 따라 녹색광이 포커싱됨을 보인 것이다.
도 20의 상부 도면은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 적색광 영역에 대한 위상 분포를 나타내고, 하부 도면은 이 위상 분포에 따라 적색광이 포커싱됨을 보인 것이다.
도 21은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 소자에 채용되는 원기둥의 나노 포스트의 예를 도시한 것이다.
도 22a 내지 도 22h는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 소자에 채용되는 나노 포스트의 예들을 도시한 것이다.
도 23 및 도 24는 도 4 및 도 5에 도시된 이미지 센서에 컬러 필터가 더 구비된 예를 도시한 것이다.
도 25는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 26은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 27 내지 도 37은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서들이 적용된 전자 장치들의 예를 보인 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 색분리 소자 및 이를 포함한 이미지 센서에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 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, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.

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.

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.

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.

방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)는 개략적으로 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(row decoder)(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 출력 회로(1030)를 제어하며, 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하는 프로세서(1040)를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따른 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서일 수도 있으며, 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수도 있다.

화소 어레이(1100)는 복수의 로우(row)와 복수의 컬럼(column)을 따라 2차원 배열된 복수의 화소를 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 복수의 로우들 중에서 어느 하나의 로우를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC를 포함할 수 있다. 또는, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수도 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩으로 구현될 수도 있으며, 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수도 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.

화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 색분리 소자의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.

색분리 소자(100)는 스페이서 층(120)과, 스페이서 층(120)에 구비된 복수 개의 나노포스트(NP)를 포함하는 색분리 렌즈 어레이(140)를 포함한다. 복수 개의 나노포스트(NP)는 소정 규칙에 따라 배열될 수 있다.

여기서, 규칙(rule)은 나노포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 이들 파라미터는 나노포스트(NP)에 의해 입사광(Li)에 대해 구현하고자 하는 타겟 위상 분포(TP)에 따라 정해질 수 있다. 타겟 위상 분포(TP)는 입사광(Li)의 파장을 분리하여 집광하고자 하는 타겟 영역(R1, R2)을 고려하여 정해질 수 있다. 타겟 위상 분포(TP)는 색분리 소자(100)와 타겟 영역(R1, R2) 사이에 표시되어 있으나 이는 도시의 편의에 의한 것이며, 타겟 위상 분포(TP)는 입사광(Li)이 색분리 렌즈 어레이(140)를 통과한 직후의 위치에서의 위상 분포를 의미할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(140)는 입사광(Li)을 파장 별로 분리하고 분리된 각 파장의 광을 소정의 타겟 영역(R1,R2)에 각각 집광되도록 각 파장의 광의 위상 분포를 조절할 수 있다.

나노포스트(NP)는 주변 굴절률보다 높은 굴절률의 재질로 이루어질 수 있고 스페이서 층(120)은 나노포스트(NP)보다 굴절률이 낮은 재질로 이루어질 수 있다.

나노포스트(NP)는 예를 들어, c-Si, p-Si, a-Si 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO₂, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 스페이서 층(120)은 글래스(fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등) 및 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노포스트(NP)는 나노포스트(NP)를 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노포스트(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노포스트(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다. 복수의 나노포스트(NP)는 각각에서 일어나는 위상 지연 정도를 적절히 설정하여 다양한 광학 기능을 달성할 수 있다.

색분리 소자(100)는 입사광(Li)을 파장에 따라 분기하여 서로 다른 타겟 영역(R1, R2)에 집광시키기 위한 것으로, 이를 원하는 위치에 구현하기 위한 타겟 위상 분포(TP)에 따라 나노포스트의 세부 규칙이 정해질 수 있다.

색분리 소자(100)를 통과한 직후의 위치에서 제1파장의 광(L_λ1)의 위상은 제1영역(141)과 대응하는 위치의 중심부에서 2Nπ(N은 0보다 큰 정수)이고, 제2영역(142)과 대응하는 위치의 중심부에서 (2N-1)π(N은 0보다 큰 정수)가 될 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(140)를 통과한 제2파장의 광(L_λ2)의 위상은 제1영역(141)과 대응하는 위치의 중심부에서 (2M-1)π이고 제2영역(142)과 대응하는 위치의 중심부에서는 2Mπ가 될 수 있다. 여기서 M은 0보다 큰 정수이다.

제1파장(λ1), 제2파장(λ2)은 가시광선 파장 대역일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않으며 색분리 렌즈 어레이(140)의 배열 규칙에 따라 다양한 파장 대역을 구현할 수 있다. 또한, 두 가지의 파장이 분기되어 집광되는 것을 예시하였으나 이에 한정되지 않으며, 입사광이 파장에 따라 세 방향 이상으로 분기되어 집광될 수도 있다.

색분리 렌즈 어레이(140)는 각각이 하나 이상의 나노포스트(NP)를 포함하는 제1영역(141)과, 제2영역(142)을 포함할 수 있다. 제1영역(141), 제2영역(142)은 각각 제1 타겟영역(R1), 제2 타겟영역(R2)과 마주하게 배치되며 일대일로 대응할 수 있다. 제1영역(141), 제2영역(142)에는 각각 세 개의 나노포스트(NP)가 배치된 것으로 도시되고 있으나 이는 예시적인 것이다. 또한, 나노포스트(NP)는 제1영역(141)과 제2영역(142) 중 어느 한 영역 내에 전체적으로 위치하도록 도시되어 있으나 이에 한정되지 않으며 일부의 나노포스트(NP)는 제1영역(141), 제2영역(142) 간의 경계에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(140)는 입사광(Li) 중 제1 파장광(Lλ₁)에 대해서는 제1 위상 분포를 가지고 제1 타겟영역(R1)에 집광되도록 구성될 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(140)는 입사광(Li) 중 제2 파장광(Lλ₂)에 대해서는 제2 위상 분포를 가지고 제2 타겟영역(R2)에 집광되도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 도 3a 내지 도 3c는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.

도 3a는, 이른 바 베이어 패턴(Bayer pattern)을 보인 것이다, 색분리 소자(100)는 색분리 렌즈 어레이(140)가 반복되어 배열되는 주기 영역(150)들을 포함할 수 있다. 주기 영역(150)은 복수의 화소가 반복되어 배열되는 것과 대응될 수 있다. 주기 영역(150)들은 입사광(Li)을 파장 별로 분리하는 최소 단위의 반복 영역일 수 있다. 주기 영역(150)들이 2차원적으로 반복되어 배열될 수 있다. 예를 들어, 주기 영역(150)은 2×2 화소 영역에 대응될 수 있다. 화소(PX)는 광을 파장 별로 감지하고, 광량을 전기적으로 처리할 수 있는 단위를 나타낼 수 있다. 주기 영역(150)은 예를 들어, 4 분할되고, 입사광(Li)을 녹색광(G), 청색광(B), 적색광(R)으로 분리하도록 구성될 수 있다. 주기 영역(150)을 4분할 영역으로 표시한 것은 설명의 편의 상 나눈 것이고, 주기 영역(150)에 있는 색분리 렌즈 어레이가 4 분할되는 것은 아니다. 색분리 소자(100)가 이미지 센서에 적용될 수 있으며, 이미지 센서는 예를 들어, 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)를 포함할 수 있다. 이러한 화소 배열이 제1방향(X방향) 및 제2방향(Y방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열될 수 있다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 화소 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다. 본 명세서에서, 화소와 각 파장 광에 대해 동일한 참조 번호를 사용한다.

이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴에만 한정되는 것이 아니며, 베이어 패턴 이외에도 다양한 배열 방식이 가능하다. 예를 들어, 도 3b를 참조하면, 마젠타(Magenta) 화소(M), 사이안(Cyan) 화소(C), 옐로우(Yellow) 화소(Y), 및 녹색 화소(G)가 하나의 단위 화소를 구성하는 CYGM 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도 3c를 참조하면, 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 청색 화소(B), 및 백색 화소(W)가 하나의 단위 화소를 구성하는 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도시되지는 않았지만 단위 화소가 3×2 어레이 형태를 가질 수도 있다. 그 밖에도 화소 어레이(1100)의 화소들은 이미지 센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 이하에서는, 편의상 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것으로 설명하지만, 이하에서 설명하는 실시예들의 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.

상술한 색분리 소자는 다양한 이미지 센서에 적용될 수 있다. 이하에서는 색분리 소자가 이미지 센서에 적용된 실시예를 설명할 것이다.

도 4 및 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 각각 다른 단면에서 보인 단면도이다. 도 2a의 화소 배치 구조와 관련지어 설명할 때, 도 4는 I-I 단면도이고, 도 5는 II-II 단면도일 수 있다.

이미지 센서(300)는 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀(311, 312, 313, 134)을 포함하는 광 센서(310)와, 광 센서(310)에 배치된 색분리 소자(360)를 포함할 수 있다.

광 센서(310)는 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광감지셀(311), 제2 광감지셀(312), 제3 광감지셀(313), 제4 광감지셀(314)을 포함할 수 있다. 제1 광감지셀(311), 제2 광감지셀(312), 제3 광감지셀(313), 제4 광감지셀(314)은 교번 배열될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 광감지셀(311), 제2 광감지셀(312)이 제1방향(X 방향)을 따라 교번 배열되고, Y 방향의 위치가 다른 단면 II-II 단면에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 제3 광감지셀(313), 제4 광감지셀(314)이 제1방향(X 방향)을 따라 교번 배열될 수 있다. 이러한 영역 구분은 입사광을 화소 단위로 구분하여 센싱하기 위한 것이며, 예를 들어, 제1 광감지셀(311)은 제1화소에 해당하는 제1파장의 광을 센싱하고, 제2 광감지셀(312)은 제2화소에 해당하는 제2파장의 광을 센싱하며, 제3 광감지셀(313)은 제3화소에 해당하는 제3파장의 광을 센싱하고, 제4 광감지셀(314)은 제4화소에 해당하는 제4파장의 광을 센싱할 수 있다. 제1화소, 제2화소, 제3화소, 제4화소는 각각 녹색 화소(G), 청색 화소(B), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)일 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 화소 간 경계에는 도시되지는 않았으나, 분리막이 더 구비될 수도 있다.

색분리 소자(360)는 복수의 나노포스트(NP)가 소정 규칙으로 배열된 색분리 렌즈 어레이(340)를 포함한다. 색분리 렌즈 어레이(340)는 스페이서 층(320)에 의해 지지될 수 있다. 스페이서 층(320)은 광 센서(310)와 복수의 나노포스트(NP) 사이의 소정의 거리를 유지하기 위해 마련될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 복수의 나노포스트(NP)를 보호하는 유전체층이 더 구비될 수 있다. 유전체층은 나노포스트(NP)와 같은 높이 또는 나노포스트보다 큰 높이를 가지고, 나노포트스(NP) 둘레에 구비될 수 있다. 유전체층은 나노포스트(NP)를 이루는 재질의 굴절률보다 낮은 굴절률의 유전체 재질로 이루어질 수 있다.

복수의 나노포스트(NP)는 서로 인접하는 제1 광감지셀(311)과 제2 광감지셀(312)에 서로 다른 파장의 광을 집광시키는 위상 분포를 형성하도록 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다. 복수의 나노포스트(NP)는 또한, 인접하는 제3 광감지셀(313)과 제1 광감지셀(311)에 서로 다른 파장의 광을 집광시키는 위상 분포를 형성하도록 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(340)는 복수의 광 감지셀(311, 312, 313, 314)과 일대일로 대응하며 마주하는 복수의 영역(341, 342, 343, 344)으로 구획될 수 있다. 복수의 영역(341, 342, 343, 344) 각각에는 하나 이상의 나노포스트(NP)가 배치될 수 있고 나노포스트(NP)는 형상, 크기, 배열 중 적어도 어느 하나가 영역에 따라 다를 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1영역(341)과 제1 광감지셀(311)이 서로 대응되게 배치되고, 제2영역(342)과 제2 광감지셀(312)이 서로 대응되며, 제3영역(343)과 제3 광감지셀(313)이 서로 대응되며 또한, 제4영역(344)과 제4 광감지셀(314)이 서로 대응되도록 구성될 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(340)는 제1 광감지셀(311)로 제1파장의 광, 제2 광감지셀(312)로 제2파장의 광, 제3 광감지셀(313)로 제3파장의 광, 제4 광감지셀(314)로 제1파장의 광이 분기되어 각 해당 셀(311)(312)(313)(314)에 집광되도록 할 수 있다. 그리고, 색분리 렌즈 어레이(340)는 각 파장광에 대하여 화소의 주기 영역(150)의 내부에서는 위상이 연속적으로 분포되도록 하고, 주기 영역(150)의 경계에서는 위상 분포가 단절되도록 할 수 있다. 그럼으로써, 이웃하는 주기 영역(150)의 경계에서 서로 다른 파장광이 혼합되는 것을 방지하고, 색 순도를 높일 수 있다. 이에 대해서는 좀더 상세하게 후술하기로 한다.

도 6은 광 센서(310)의 평면도를 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 제1 광감지셀(311)과 제2 광감지셀(312)이 번갈아 배열되는 제1 행과 제3 광감지셀(313)과 제4 광감지셀(314)이 번갈아 배열되는 제2 행이 서로 교대로 반복될 수 있다. 광 센서(310)에서 복수의 제1 광감지셀(311), 제2 광감지셀(312), 제3 광감지셀(313), 및 제4 광감지셀(314)이 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 3a와 도 6을 참조하면, 제1 광감지셀(311)과 제4 광감지셀(314)이 녹색 화소(G)에 대응하고, 제2 광감지셀(312)이 청색 화소(B)에 대응하고, 제3 광감지셀(313)이 적색 화소(R)에 대응될 수 있다.

예시된 색분리 렌즈 어레이(340)의 배열 규칙은 제1 광감지셀(311)과 제4 광감지셀(314)에 제1 파장의 광을 분기하여 집광시키고, 제2 광감지셀(312)에 제2 파장의 광을 분기하여 집광시키고, 제3 광감지셀(313)에 제3 파장의 광을 분기하여 집광시키게 하는 타겟 위상 분포를 구현하기 위한 일 예시이며, 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.

색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 위치에서 제1 파장의 광이 제1 광감지셀(311)과 제4 광감지셀(314)에서 포커싱되고, 제1 광감지셀(311) 및 제4 광감지셀(314)과 인접한 제2 광감지셀(312)과 제3 광감지셀(313)에서는 제1 파장의 광이 포커싱되지 않도록 하는 위상이 색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 직후의 위치에서 형성되도록, 색분리 렌즈 어레이(340)의 제1 영역(341), 제2 영역(342), 제3 영역(343), 및 제4 영역(344)에 각각 구비되는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.

마찬가지로, 제2 파장의 광이 제2 광감지셀(312)에서 포커싱되고, 제2 광감지셀(312)과 인접한 제1 광감지셀(311), 제3 광감지셀(313), 제4 광감지셀(314)에서는 제2 파장의 광이 포커싱되지 않도록 유도하는 위상이 색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 직후의 위치에서 형성되도록, 색분리 렌즈 어레이(340)의 제1 영역(341), 제2 영역(342), 제3 영역(343), 및 제4 영역(344)에 각각 구비되는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.

또한 마찬가지로, 제3 파장의 광이, 제3 광감지셀(313)에서 포커싱되고 제3 광감지셀(313)과 인접한 제1 광감지셀(311), 제2 광감지셀(312), 제4 광감지셀(314)에서는 제3 파장의 광이 포커싱되지 않도록 유도하는 위상이 색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 직후의 위치에서 형성되도록, 색분리 렌즈 어레이(340)의 제1 영역(341), 제2 영역(342), 제3 영역(343), 및 제4 영역(344)에 각각 구비되는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.

이러한 조건들을 모두 만족시키는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있으며, 그러한 색분리 렌즈 어레이(340)는 그를 통과한 직후의 빛이 다음과 같은 타겟 위상 분포를 가지게 할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 직후 위치에서, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(340)의 하부 표면 또는 스페이서층(320)의 상부 표면에서, 제1 파장의 광의 위상은 제1 광감지셀(311)에 대응하는 제1 영역(341)의 중심부와 제4 광감지셀(314)에 대응하는 제4 영역(344)의 중심부에서 2Nπ의 위상차를 나타내고, 제2 광감지셀(312)에 대응하는 제2 영역(342)의 중심부 및 제3 감지셀(313)에 대응하는 제3 영역(342)의 중심부에서는 (2N-1)π의 위상차를 나타내는 분포일 수 있다. 여기서, N은 0보다 큰 정수이다.

다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광의 위상이, 제1 영역(341)의 중심부와 제4 영역(344)의 중심부에서 최대가 되며, 제1 영역(341)의 중심부와 제4 영역(344)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서 제2 영역(342)의 중심부와 제3 영역(343)의 중심부에서 최소가 될 수 있다. 본 실시 예에서 제1 영역(341)이 인접하여 복수 개 구비되며, 제1 영역(341)마다 그 중심부에서 2Nπ의 위상차를 나타낼 수 있다. 제4 영역(344)이 인접하여 복수 개 구비되며, 제4 영역(344)마다 그 중심부에서 2Nπ의 위상차를 나타낼 수 있다. 예를 들어, N=1인 경우, 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 위치에서 제1 파장의 광의 위상은 제1 영역(341)의 중심부와 제4 영역(344)의 중심부에서 2π, 제2 영역(342)의 중심부와 제3 영역(343)의 중심부에서 π가 될 수 있다. 여기서, 위상은 빛이 나노포스트(NP)를 통과하기 직전의 위상에 대한 통과한 후의 상대적인 위상 값을 의미할 수 있다.

또한, 색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광의 위상은 제2 광감지셀(312)에 대응하는 제2 영역(342)의 중심부에서 2Mπ이고 제1 광감지셀(311)에 대응하는 제1 영역(341)의 중심부, 제4 광감지셀(314)에 대응하는 제4 영역(344)의 중심부 및 제3 광감지셀(313)에 대응하는 제3 영역(343)의 중심부에서는 (2M-1)π일 수 있다. 여기서, M은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광의 위상은 제2 영역(342)의 중심부에서 최대가 되며, 제2 영역(342)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져, 제1 영역(341), 제4 영역(344) 및 제3 영역(343)의 중심부에서 국소적으로 최소가 될 수 있다. 예를 들어, M=1인 경우, 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 위치에서 제2 파장의 광의 위상은 제2 영역(342)의 중심부에서 2π, 제1 영역(341)의 중심부와 제4 영역(344)의 중심부에서 π, 제3 영역(343)의 중심부에서 약 0.2π 내지 0.7π가 될 수 있다.

또한 마찬가지로, 색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광의 위상은 제3 광감지셀(313)에 대응하는 제3 영역(343)의 중심부에서 2Lπ이고 제1 광감지셀(311)에 대응하는 제1 영역(341), 제4 광감지셀(314)에 대응하는 제4 영역(344)의 중심부 및 제2 광감지셀(312)에 대응하는 제2 영역(342)의 중심부에서는 (2L-1)π이고, 제2 광감지셀(312)에 대응하는 제2 영역(342)의 중심부에서는 (2L-2)π보다 크고 (2L-1)π보다 작을 수 있다. 여기서, L은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광의 위상은, 제3 영역(343)의 중심부에서 최대가 되며, 제3 영역(343)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져 제1 영역(341), 제4영역(344) 및 제2 영역(342)의 중심부에서 국소적으로 최소가 될 수 있다. 예를 들어, L=1인 경우, 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 위치에서 제3 파장의 위상은 제3 영역(343)의 중심부에서 2π, 제1 영역(341)의 중심부와 제4 영역(344)의 중심부에서 π, 제2 영역(342)의 중심부에서 약 0.2π 내지 0.7π가 될 수 있다. 여기서, 상술한 타겟 위상 분포는 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 직후의 위치에서 빛의 위상 분포를 의미한다. 이러한 위상 분포를 갖는 빛이 색분리 렌즈 어레이(340)로부터 제1 광감지셀(311), 제2 광감지셀(312), 제3 광감지셀(313), 및 제4 광감지셀(314)에 도달할 때, 각각의 위치에서 각각에 대응하는 파장 광이 포커싱될 수 있다. 그러면, 색분리 렌즈 어레이(340)를 투과한 빛이 파장에 따라 분기하여 각각 서로 다른 방향으로 진행하여 포커싱될 수 있다.

이러한 위상 분포의 광이 복수의 광감지셀(311)(312)(313)(314)을 향해 진행할 때, 제1 파장의 광은 제1 광감지셀(311)과 제4 광감지셀(314)을 향해, 제2 파장의 광은 제2 광감지셀(312)을 향해, 제3 파장의 광은 제3 광감지셀(313)을 향해 분기되어 각각 해당 셀에 집광되기 위해 소정의 전파 거리 요건이 정해질 수 있다. 이에 따라 스페이서층(320)의 두께(h)가 정해질 수 있다. 스페이서층(320)의 두께(h)는 분기 대상인 파장(λ)이나 화소 크기에 의존할 수 있다. 스페이서층(320)의 두께(h)는 분기 대상인 파장보다 클 수 있다. 예를 들어, 가시광선 파장 대역의 중심 파장(λ)보다 클 수 있다. 스페이서층(320)의 두께(h)는 1λ 이상일 수 있다. 스페이서층(320)의 두께(h)는 광감지셀의 배치 주기 p에 의존할 수 있다. 주기 p는 인접하는 광감지셀 중심간의 거리로 표현될 수 있다. 스페이서층(320)의 두께(h)는 1p~3p의 범위를 가질 수 있다. 스페이서층(320)의 두께(h)는 예를 들어, 500nm 내지 5um의 범위를 가질 수 있다.

도 7은 색분리 렌즈 어레이의 주기 영역(150)을 개략적으로 도시한 것이다. 주기 영역(150)은 예를 들어, 제1 영역(151), 제2 영역(152), 제3 영역(153) 및 제4 영역(154)을 포함할 수 있다. 제1 영역(151)은 제1 파장광, 예를 들어 녹색광에 대응되는 화소 영역일 수 있고, 제2 영역(152)은 제2 파장광, 예를 들어 청색광에 대응되는 화소 영역일 수 있고, 제3 영역(153)은 제3 파장광, 예를 들어 적색광에 대응되는 화소 영역일 수 있고, 제4 영역(154)은 제4 파장광, 예를 들어 녹색광에 대응되는 화소 영역일 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 광은 녹색 광을 포함하고, 제2 파장 광은 청색 광을 포함하고, 제3 파장 광은 적색 광을 포함하고, 제4 파장 광은 녹색 광을 포함할 수 있다. 제1 영역(151)과 제4 영역(154)이 대각선 방향에 위치하고, 제2 영역(152)과 제3 영역(153)이 대각선 방향에 위치할 수 있다.

주기 영역(150)에는 나노포스트(NP)들이 배열되어 있고, 주기 영역(150)을 통과하는 광은 나노포스트(NP)에 의해 광의 위상 분포가 조절될 수 있다. 위상 분포 영역은 광이 색분리 렌즈 어레이(340)를 통과한 직후의 영역일 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(340)는 어느 한 파장광에 대해 해당 파장광의 영역에서 위상 분포를 조절하며, 주기 영역(150)의 경계(165)에서 위상 분포가 단절되도록 조절할 수 있다.

나노포스트(NP)가 제1 영역(151)에 배치된 규칙과 제2 영역(152)에 배치된 규칙과, 제3 영역(153)에 배치된 규칙과, 제4 영역(154)에 배치된 구성은 서로 다를 수 있다. 또는, 제1 영역(151)과 제4 영역(154)이 그린광(G)을 위한 영역인 경우, 제1 영역(151)과 제4 영역(154)에서의 나노포스트(NP)의 배열은 원점 대칭형의 배열을 가질 수 있다. 하지만, 나노포스트의 배열이 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 배열이 가능하다. 나노포스트(NP)는 서브 파장의 형상 치수를 가질 수 있다. 여기서 서브 파장은 분리 대상인 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 나노포스트(NP)는 예를 들어, 제1파장, 제2파장, 제3파장 중 가장 짧은 파장보다 작은 형상 치수를 가질 수 있다.

도 8은, 예를 들어, 주기 영역(150)을 통과한 광 중 제1 파장광의 위상 분포(160)를 도식적으로 나타낸 것이다. 여기서, 주기 영역(150)은 나노포스트(NP)가 배열된 주기적으로 배열된 영역을 나타내며, 이에 대응되는 화소 영역을 나타내는 것으로 사용될 수 있다. 그리고, 주기 영역(150)은 색분리 렌즈 어레이를 통과한 광을 포커싱하기 위한 타겟 영역으로, 광센서의 대응 영역을 나타낼 수 있다. 제1 파장광은 제1 영역(151)의 중심(151C)에서 주변부로 갈수록 점차적으로 위상이 감소하는 위상 분포(160)를 가지되, 주기 영역(150)의 경계(165)에서는 위상 분포가 단절될 수 있다. 제1 영역(151)의 중심(151C)에서의 위상이 2Nπ(N은 0보다 큰 정수)이고, 주변으로 갈수록 위상이 감소할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(151)의 중심(151C)에서의 위상이 2Nπ(N은 0보다 큰 정수)이고, 이웃하는 제2 영역(152)과 제3 영역(153)의 각 중심(152C)(153C)에서의 위상이 (2N-1)π(N은 0보다 큰 정수)일 수 있다. 하지만, 위상이 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 예가 가능하다. 주기 영역(150) 내부에서는 위상이 연속적으로 변하고, 주기 영역(150)의 경계(165)에서는 위상이 단절될 수 있다. 예시적인 실시예에서 색분리 렌즈 어레이(340)는 제1 영역(151)의 중심(151C)에 대해 위상이 비대칭적으로 분포되도록 하며, 비방사형으로 분포되도록 조절할 수 있다.

도 9는 예를 들어, 주기 영역(150)을 통과한 광 중 제2 파장광의 위상 분포(161)를 도식적으로 나타낸 것이다. 제2 파장광은 제2 영역(152)의 중심(152C)에서 주변부로 갈수록 점차적으로 위상이 감소하는 위상 분포(161)를 가지되, 주기 영역(150)의 경계(165)에서는 위상 분포가 단절될 수 있다. 제2 영역(152)의 중심(152C)에서의 위상이 2Mπ(M은 0보다 큰 정수)이고, 이웃하는 제1 영역(151)과 제4 영역(154)의 중심(151C)(154C)에서의 위상이 (2M-1) π(M은 0보다 큰 정수)일 수 있다. 하지만, 위상이 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 예가 가능하다. 주기 영역(150) 내에서는 위상이 연속적으로 변하고, 주기 영역(150)의 경계(165)에서는 위상이 단절될 수 있다. 예시적인 실시예에서 색분리 렌즈 어레이(140)는 제2 영역(152)의 중심(152C)에 대해 위상이 비대칭적으로 분포되도록 하며, 비방사형으로 분포되도록 조절할 수 있다.

도시되지는 않았지만, 제3 파장광은 제3 영역(153)의 중심(152C)에서 주변부로 갈수록 점차적으로 위상이 감소하는 위상 분포를 가지되, 주기 영역(150)의 경계(165)에서는 위상 분포가 단절될 수 있다. 제3 영역(153)의 중심(153C)에서의 위상이 2Lπ(L은 0보다 큰 정수)이고, 이웃하는 제1 영역(151)과 제4 영역(154)의 중심(151C)(154C)에서의 위상이 (2L-1) π(L은 0보다 큰 정수)일 수 있다. 또한, 제1 파장광은 제4 영역(154)의 중심(154C)에서 주변부로 갈수록 점차적으로 위상이 감소하는 위상 분포를 가지되, 주기 영역(150)의 경계(165)에서는 위상 분포가 단절될 수 있다.

도 10은 주기 영역(150)이 복수 개 배열된 예를 보인 것이고, 각 주기 영역(150)에서의 제2 파장광에 대한 위상 분포(161)를 보인 것이다. 도 10을 참조하면, 제2 파장광의 위상이 각 주기 영역(150) 내에서는 연속적으로 분포하고, 주기 영역(150)의 경계에서는 위상 분포가 단절되어 있다. 이웃하는 두 개의 주기 영역의 경계(165)에서 각 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이에 의해 형성된 위상 분포가 서로 중첩되지 않을 수 있다. 도 10에서는 제2 파장광에 대해서 보였지만, 제1 파장광, 제3 파장광, 제4 파장광에 대해서도 동일한 원리로 위상이 분포될 수 있다.

도 11의 상부 도면은 하나의 주기 영역에서의 청색광(B)에 대한 위상 분포를 보인 것으로, 위상은 청색광 영역(B)의 중심에서 예를 들어, 2π이고, 주변으로 갈수록 위상이 감소되며, 주기 영역의 경계에서는 위상 분포가 단절되어 있다. 설명의 편의상 청색광과 청색광 영역에 대해 동일한 부재 번호를 사용하기로 한다. 위상 분포가 단절되어 있다는 것은 주기 영역의 경계에서는 위상이 분포하지 않도록 한 것을 나타낼 수 있다.

도 11의 하부 도면은 주기 영역이 3×3 배열되고, 각 주기 영역에서의 청색광(B)의 위상 분포를 나타낸 것이다. 각 주기 영역의 내부에서는 위상 분포가 연속적으로 변하며, 각 주기 영역의 경계에서 청색광(B)의 위상 분포가 단절되어 있음을 보인 것이다. 그러므로, 이웃하는 주기 영역에서 다른 칼라 광이 혼합되는 것을 줄일 수 있다.

도 12의 상부 도면은 하나의 주기 영역에서의 녹색광(B)에 대한 위상 분포를 보인 것으로, 위상은 녹색광 영역(B)의 중심에서 예를 들어, 2π이고, 주변으로 갈수록 위상이 감소되며, 주기 영역의 경계에서는 위상 분포가 단절되어 있다.

도 12의 하부 도면은 주기 영역이 3×3 배열되고, 각 주기 영역에서의 녹색광(G)의 위상 분포를 나타낸 것이다. 각 주기 영역의 경계에서 녹색광(G)의 위상 분포가 단절되어 있음을 보인 것이다.

도 13의 상부 도면은 하나의 주기 영역에서의 적색광(R)에 대한 위상 분포를 보인 것으로, 위상은 적색광 영역(R)의 중심에서 예를 들어, 2π이고, 주변으로 갈수록 위상이 감소되며, 주기 영역의 경계에서는 위상 분포가 단절되어 있다.

도 13의 하부 도면은 주기 영역이 3×3 배열되고, 각 주기 영역에서의 적색광(R)의 위상 분포를 나타낸 것이다. 각 주기 영역의 경계에서 적색광(R)의 위상 분포가 단절되어 있음을 보인 것이다.

예시적인 실시예에서 색분리 렌즈 어레이(340)는 입사광에 포함된 2이상의 서로 다른 파장의 광을 서로 다른 방향으로 분기하여 집광하는 위상 분포를 형성할 수 있다. 예를 들어, 입사광에 포함된 제1 파장광은 제1 위상 분포를, 제2 파장 광은 제2 위상 분포를, 제3 파장광은 제3 위상 분포를 가지도록, 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열 등이 구성될 수 있다.

도 14는 주기 영역(150)에서의 나노포스트(NP)의 배열의 일 예를 도시한 것이다.

색분리 렌즈 어레이(340)의 주기 영역(150)은 예를 들어, 베이어 패턴의 화소 배열과 대응하는 형태로, 4 개의 화소(PX)를 포함하고, 녹색 화소에 대응하는 영역(G), 청색 화소에 대응하는 영역(B), 녹색 화소에 대응하는 영역(G) 및 적색 화소에 대응하는 영역(R)으로 사분된 영역을 포함할 수 있다.

각 영역은 복수의 서브 영역으로 등분될 수 있고, 서브 영역들 내부에 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 여기서는, 각 화소(PX)에 9개의 서브 영역이 구비되고, 나노포스트(NP)가 서브 영역들 내부에 배치될 수 있다.

도 15는 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트 배열 형태의 다른 예를 보인 것이다.

색분리 렌즈 어레이(340)의 주기 영역(150)은 도 3a에 예시한 베이어(Bayer) 패턴의 화소 배열과 대응하는 형태로, 4개의 화소(PX)를 포함한다. 각 화소(PX)는 복수의 서브 영역으로 등분될 수 있고, 서브 영역들 경계의 교차점에 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 도 15에서, 서브 영역의 개수는 4개로 예시되고 있다.

도 16은 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트 배열 형태의 다른 예를 보인 것이다.

색분리 렌즈 어레이(340)의 주기 영역(150)은 도 3a에 예시한 베이어(Bayer) 패턴의 화소 배열과 대응하는 형태로, 4개의 화소(PX)를 포함한다. 각 화소(PX)는 복수의 서브 영역으로 등분될 수 있고, 서브 영역들 경계의 교차점에 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 도 16에서, 서브 영역의 개수는 9개로 예시되고 있다.

도 17은 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트 배열 형태의 다른 예를 보인 것이다.

색분리 렌즈 어레이(340)의 주기 영역(150)은 도 3a에 예시한 베이어(Bayer) 패턴의 화소 배열과 대응하는 형태로, 4개의 화소(PX)를 포함한다. 각 화소(PX)는 복수의 서브 영역으로 등분될 수 있고, 서브 영역들 경계의 교차점에 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 도 17에서, 서브 영역의 개수는 25개로 예시되고 있다.

도 18의 상부 도면은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 청색광(B) 영역에 대한 위상 분포를 나타내고, 하부 도면은 이 위상 분포에 따라 청색광(B)이 포커싱됨을 보인 것이다.

도 19의 상부 도면은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 녹색광(G) 영역에 대한 위상 분포를 나타내고, 하부 도면은 이 위상 분포에 따라 녹색광(G)이 포커싱됨을 보인 것이다.

도 20의 상부 도면은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 적색광(R) 영역에 대한 위상 분포를 나타내고, 하부 도면은 이 위상 분포에 따라 적색광(R)이 포커싱됨을 보인 것이다.

도 21은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이(340)에 채용될 수 있는 나노포스트의 예시적인 형태를 보이는 사시도이다. 도 21을 참조하면, 나노포스트는 직경 D, 높이 H인 원기둥 형상을 가질 수 있다. 직경 D, 높이 H 중 적어도 어느 하나는 서브 파장일 수 있다. 직경 D는 나노포스트가 배치되는 위치에 따라 달라질 수 있다.

나노포스트는 이외에도 다양한 단면 형상을 갖는 기둥으로 형성될 수 있다. 도 22a 내지 도 22h는 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이(340)에 채용될 수 있는 나노포스트의 예시적인 형상을 보이는 평면도이다.

도 22a와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 외경 D, 내경 Di인 원형 링 형상일 수 있다. 링의 폭, w가 서브 파장일 수 있다.

도 22b와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 장축과 단축 길이가 Dx, Dy로 서로 다른 타원 형상일 수 있다. 이러한 형상은 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(151)과 제4 영역(154)에 채용될 수 있다.

도 22c, 도 22d, 도 22f에 도시한 바와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 정사각형 형상, 정사각형 링 형상 또는 십자 형상일 수 있다.

도 22e, 도 22g에 도시한 바와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 길이가 Dx, Dy로 서로 다른 직사각형 형상 또는 십자 형상일 수 있다. 이러한 형상은 예를 들어, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(151)과 제4 영역(154)에 채용될 수 있다.

또한, 도 22h에 도시된 바와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 복수의 오목한 원호를 갖는 형상일 수도 있다.

도 23 및 도 24는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 도시한 것이다. 도 23은 도 3a의 I-I 단면도이고, 도 24는 도 3a의 II-II 단면도이다.

본 실시예에 따른 이미지 센서(301)는 도 4 및 도 5에 도시된 이미지 센서(300)에 컬러 필터(305)를 더 구비한 예를 도시한 것이다. 광 센서(310)와 색분리 소자(360) 사이에 컬러 필터(305)가 더 배치될 수 있다.

컬러 필터(305)는 베이어 패턴의 화소 배열에 대응하는 형태의 필터를 구비할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(305)는 제1 컬러 필터(CF1), 제2 컬러 필터(CF2), 및 제3 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다.

색분리 소자(360)는 복수의 광감지셀(311, 312, 313, 314)에 서로 다른 파장의 광을 분기하여 집광시키는 점에서, 컬러 필터(305)의 구성은 필수적인 구성요소는 아니다. 다만, 이와 같이 추가적으로 컬러 필터(305)를 구비함으로써 색순도는 보다 보완될 수 있으며, 이 경우, 컬러별 입사광 량은 감소할 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(340)에 유전체층(330)이 더 구비될 수 있다. 유전체층(330)은 예를 들어, 인접한 나노포스트(NP) 사이의 공간 및 나노포스트(NP)의 상부 표면 위를 완전히 덮도록 배치될 수 있다. 이러한 유전체층(330)은 나노포스트(NP)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 유전체층(330)은 스페이서층(320)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.

상술한 실시예들에 따른 이미지 센서는 카메라 등과 같은 다양한 이미지 센서 또는 전자 장치에 채용될 수 있다. 이러한 전자 장치는, 예컨대, 스마트 폰(smart phone), 휴대폰, 핸드폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 휴대용 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 일 수 있고, 이에 제한되지 않는다.

도 25는 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.

이미지 센서(1200)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 집속하여 광학 상(optical image)을 형성하는 촬영 렌즈부(1300)와, 촬영 렌즈부(1300)에서 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서(1400)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1400)와 촬영 렌즈부(1200) 사이에는 적외선 차단 필터가 더 배치될 수 있다.

이미지 센서(1400)는 도 1 내지 도 24를 참고하여 설명한 이미지 센서가 채용될 수 있다. 이미지 센서(1200)는 또한, 이미지 센서(1400)에서의 전기적 신호를 영상 신호로 처리하는 영상 처리부(1600)를 포함한다. 영상 처리부(1600)는 이미지 센서(1400)에서 센싱된 컬러별 신호에 대해, 노이즈 제거, 색 보간(color interpolation) 등의 작업을 수행하여 영상을 형성한다. 이미지 센서(1200)는 또한, 영상 처리부(1600)에서 형성한 영상을 표시하는 디스플레이부(1700), 영상 처리부(1600)에서 형성한 영상 데이터를 저장하는 메모리(1800)를 더 포함할 수 있다.

도 26은 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 전자 장치는 이미지 센서(1000), 프로세서(2200), 메모리(2300), 디스플레이(2400) 및 버스(2500)을 포함한다. 이미지 센서(1000)는 프로세서(2200)의 제어에 따라 외부의 피사체에 대한 영상 정보를 획득하여 프로세서(2200)에 제공한다. 프로세서(2200)는 이미지 센서(1000)로부터 제공된 영상 정보를 버스(2500)를 통하여 메모리(2300)에 저장할 수 있다. 프로세서(2200)는 메모리(2300)에 저장된 영상 정보를 디스플레이(2400)로 출력하여 사용자에게 표시할 수도 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 프로세서(2200)는 이미지 센서(1000)로부터 제공된 영상 정보에 대해 다양한 영상 처리를 수행할 수도 있다.

도 27 내지 도 37은 실시예들에 따른 이미지 센서들이 적용된 전자 장치인 다양한 멀티미디어 장치들의 예를 보인다.

실시예들에 따른 이미지 센서들은 영상 촬영 기능을 구비하고 있는 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 도 27에 도시된 바와 같은 카메라(2000)에 적용될 수 있다. 카메라(2000)는 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더일 수 있다.

도 28을 참조하면, 카메라(2000)는 촬상부(2100), 이미지 센서(1000), 및 프로세서(2200)를 포함할 수 있다.

촬상부(2100)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성한다. 촬상부(2100)는 대물렌즈(2010), 렌즈 구동부(2120), 조리개(2130), 및 조리개 구동부(2140)를 포함할 수 있다. 도 28에는 편의상 하나의 렌즈 소자만이 대표적으로 표시되었으나, 실제로 대물렌즈(2010)는 크기와 형태가 각기 다른 복수의 렌즈 소자들을 포함할 수 있다. 렌즈 구동부(2120)는 프로세서(2200)와 초점 검출에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(2200)에서 제공된 제어 신호에 따라 대물렌즈(2010)의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(2120)는 대물렌즈(2010)를 이동시켜 대물렌즈(2010)와 피사체(OBJ) 사이의 거리가 조절하거나, 대물렌즈(2010) 내의 도시되지 않는 각각의 개별 렌즈 소자들의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(2120)가 대물렌즈(2010)를 구동시킴으로써 피사체(OBJ)에 대한 초점이 조절될 수 있다. 이러한 카메라(2000)는 자동 초점 기능을 구비할 수 있다.

또한, 조리개 구동부(2140)는 프로세서(2200)와 광량에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(2200)에서 제공된 제어 신호에 따라 조리개(2130)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 조리개 구동부(2140)는 대물렌즈(2010)를 통해 카메라(2000)의 내부에 들어오는 빛의 양에 따라 조리개(2130)의 구경을 증가시키거나 감소시킬 수 있으며, 조리개(2130)의 개방 시간을 조절할 수 있다.

이미지 센서(1000)는 입사되는 광의 세기를 기초로 전기적인 이미지 신호를 생성할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 비록 도 28에는 도시되지 않았지만, 이미지 센서(1000)는 도 1에 도시된 로우 디코더를 더 포함할 수 있다. 대물렌즈(2010) 및 조리개(2130)를 투과한 빛은 화소 어레이(1100)의 수광면에 피사체(OBJ)의 상을 결상할 수 있다. 화소 어레이(1100)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CCD 또는 CMOS일 수 있다. 화소 어레이(1100)는 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행하기 위한 추가적인 화소들을 포함할 수 있다. 또한, 화소 어레이(1100)는 상술한 색분리 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.

프로세서(2200)는 카메라(2000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있으며 영상 처리 기능을 구비할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(2200)는 렌즈 구동부(2120), 조리개 구동부(2140), 타이밍 컨트롤러(1010) 등에 각 구성 요소의 동작을 위한 제어 신호를 제공할 수 있다.

또한, 실시예들에 따른 이미지 센서는 도 29에 도시된 바와 같이 모바일폰 또는 스마트폰(3000)에 적용될 수 있고, 도 30에 도시된 바와 같이 태블릿 또는 스마트 태블릿(3100)에 적용될 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 이미지 센서는 도 31에 도시된 바와 같이 노트북 컴퓨터(3200)에 적용될 수 있고, 도 32에 도시된 바와 같이 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(3300)에 적용될 수 있다.

예를 들어, 스마트폰(3000) 또는 스마트 태블릿(3100)은 고해상 이미지 센서가 각각 탑재된 복수의 고해상 카메라를 포함할 수 있다. 고해상 카메라들을 이용하여 영상 내 피사체들의 깊이 정보를 추출하거나, 영상의 아웃포커싱을 조절하거나, 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다.

또한, 이미지 센서는 도 33에 도시된 스마트 냉장고(3400), 도 34에 도시된 보안 카메라(3500), 도 35에 도시된 로봇(3600), 도 36에 도시된 의료용 카메라(3700) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(3400)는 이미지 센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라(3500)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(3600)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(3700)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.

또한, 이미지 센서는 도 37에 도시된 바와 같이 차량(3800)에 적용될 수 있다. 차량(3800)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(3810, 3820, 3830, 3840)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(3810, 3820, 3830, 3840)는 실시예에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다. 차량(3800)은 복수의 차량용 카메라(3810, 3820, 3830, 3840)를 이용하여 차량(3800) 내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 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.

100,360: 색분리 소자
120:320: 스페이서 층
140,340: 색분리 렌즈 어레이
NP: 나노 포스트
150: 주기 영역
PX:화소

Claims

스페이서 층; 및
상기 스페이서 층에 구비된 적어도 하나 이상의 나노포스트를 포함하여 입사광을 파장에 따라 분리하고 집광하는 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하고,
상기 색분리 렌즈 어레이가 반복되어 배열되는 주기 영역들이 구비되고, 상기 색분리 렌즈 어레이가 상기 주기 영역들의 경계에서 위상 분포를 단절시키도록 구성된 색분리 소자.
제1 항에 있어서,
상기 주기 영역이 이웃하는 제1 주기 영역과 제2 주기 영역을 포함하고, 상기 제1 주기 영역과 상기 제2 주기 영역의 경계에서 상기 제1 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이에 의해 형성된 위상 분포와 제2 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이에 의해 형성된 위상 분포가 중첩되지 않도록 구성된 색분리 소자.
제1 항에 있어서,
상기 하나의 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이가 상기 입사광의 각 파장광에 대해 비대칭의 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 소자.
제1 항에 있어서,
상기 하나의 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이가 상기 입사광의 각 파장 광에 대해 비방사형의 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 소자.
제1 항에 있어서,
상기 주기 영역은 제1 파장 광을 집광시키는 제1 영역, 제2 파장 광을 집광시키는 제2 영역, 제3 파장 광을 집광시키는 제3영역 및 제1 파장 광을 집광시키는 제4 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제4 영역이 대각선 방향에 위치하고, 상기 제2 영역과 제3 영역이 대각선 방향에 위치하는 색분리 소자.
제5 항에 있어서,
상기 제1 파장 광은 녹색 광을 포함하고, 제2 파장 광은 청색 광을 포함하고, 제3 파장 광은 적색 광을 포함하는 색분리 소자.
제5 항에 있어서,
상기 제1 영역의 중심에서 상기 제1 파장 광이 2Nπ(N은 0보다 큰 정수)의 위상을 가지고, 상기 주기 영역의 주변으로 갈수록 위상이 감소하도록 구성된 색분리 소자.
제7 항에 있어서,
상기 제2 영역의 중심에서 (2N-1)π(N은 0보다 큰 정수)의 위상을 가지고, 상기 제3 영역의 중심에서 (2N-1)π(N은 0보다 큰 정수)의 위상을 가지도록 구성된 색분리 소자.
제1 항에 있어서,
상기 색분리 렌즈 어레이가 상기 주기 영역 내부에서는 연속적인 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 소자.
광을 센싱하는 복수의 광 감지셀을 포함하는 광 센서;
광 센서에 구비된 스페이서 층; 및
상기 스페이서 층에 구비된 적어도 하나 이상의 나노포스트를 포함하여 입사광을 파장에 따라 분리하고 집광하는 위상 분포를 형성하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하고,
상기 색분리 렌즈 어레이가 반복되어 배열되는 주기 영역들이 구비되고, 상기 색분리 렌즈 어레이가 상기 주기 영역들의 경계에서 위상 분포를 단절시키도록 구성된 이미지 센서.
제10 항에 있어서,
상기 주기 영역이 이웃하는 제1 주기 영역과 제2 주기 영역을 포함하고, 상기 제1 주기 영역과 상기 제2 주기 영역의 경계에서 상기 제1 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이에 의해 형성된 위상 분포와 제2 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이에 의해 형성된 위상 분포가 중첩되지 않도록 구성된 이미지 센서.
제10 항에 있어서,
상기 하나의 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이가 상기 입사광의 각 파장광에 대해 비대칭의 위상 분포를 형성하도록 구성된 이미지 센서.
제10 항에 있어서,
상기 하나의 주기 영역에 있는 색분리 렌즈 어레이가 상기 입사광의 각 파장 광에 대해 비방사형의 위상 분포를 형성하도록 구성된 이미지 센서.
제10 항에 있어서,
상기 주기 영역은 제1 파장 광을 집광시키는 제1 영역, 제2 파장 광을 집광시키는 제2 영역, 제3 파장 광을 집광시키는 제3영역 및 제1 파장 광을 집광시키는 제4 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제4 영역이 대각선 방향에 위치하고, 상기 제2 영역과 제3 영역이 대각선 방향에 위치하는 이미지 센서.
제14 항에 있어서,
상기 제1 파장 광은 녹색 광을 포함하고, 제2 파장 광은 청색 광을 포함하고, 제3 파장 광은 적색 광을 포함하는 이미지 센서.
제14 항에 있어서,
상기 제1 영역의 중심에서 상기 제1 파장 광이 2Nπ(N은 0보다 큰 정수)의 위상을 가지고, 상기 주기 영역의 주변으로 갈수록 위상이 감소하도록 구성된 이미지 센서.
제16 항에 있어서,
상기 제2 영역의 중심에서 (2N-1)π(n은 정수)의 위상을 가지고, 상기 제3 영역의 중심에서 (2N-1)π(n은 정수)의 위상을 가지도록 구성된 이미지 센서.
제10 항에 있어서,
상기 색분리 렌즈 어레이가 상기 주기 영역 내부에서는 연속적인 위상 분포를 형성하도록 구성된 이미지 센서.
제10항에 있어서,
상기 광센서와 상기 스페이서 층 사이에 컬러 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
제10항에 있어서,
상기 색분리 렌즈 어레이의 광의 입사 측에 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 촬영 렌즈부를 더 포함하는 이미지 센서.