KR20220079018A - 센서 및 이를 포함하는 센서 장치 - Google Patents

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KR20220079018A
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이철희
강보라
이규린
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 센서는 객체로부터 반사된 빛이 통과하는 광학부, 상기 광학부를 통과한 빛을 감지하여 전기 신호를 생성하는 포토다이오드부, 그리고 상기 포토다이오드부에서 생성된 전기 신호를 이용하여 구동되는 박막트랜지스터부를 포함하고, 상기 포토다이오드부와 상기 광학부 사이에는 소정의 높이를 가지는 캐비티층이 배치된다.

Description

센서 및 이를 포함하는 센서 장치{SENSOR AND SENSOR DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 센서 및 이를 포함하는 센서 장치에 관한 것이다.
생체인식(biometric recognition)은 각 개인의 독특한 생체정보를 추출하여 정보화시키는 인증방식을 의미한다. 생체인식에 이용되는 생체정보의 대표적인 예는, 지문, 음성, 얼굴, 홍채, 손금, 정맥분포 등이 있다. 이 중에서 지문인식은 가장 대중적인 생체인식방법 중 하나이다.
지문인식은 광학 방식, 정전 방식 및 초음파 방식으로 구분될 수 있다. 광학 방식은 빛에 반사된 지문 영상과 기 등록된 지문 정보를 비교하는 방식이고, 정전 방식은 지문의 융선과 골의 정전용량의 차이로 지문을 인식하는 방식이며, 초음파 방식은 초음파를 발사하여 돌아오는 시간을 측정하고, 지문의 높이 차를 측정해 지문을 인식하는 방식이다.
광학 방식의 지문인식센서는 광원으로부터 출력된 후 사용자의 지문에서 반사된 빛을 센서가 감지하여 지문 영상을 생성한다. 광학 방식의 지문인식센서는 다른 방식의 지문인식센서에 비하여 내구성이 좋으나, 빛이 통과하는 매질 간 굴절율 차로 인하여 광손실이 발생할 수 있다. 저조도 환경에서의 광손실은 센서의 성능을 저하시키는 주된 요인이 될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 센싱 성능이 우수한 센서 및 센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 센서는 객체로부터 반사된 빛이 통과하는 광학부, 상기 광학부를 통과한 빛을 감지하여 전기 신호를 생성하는 포토다이오드부, 그리고 상기 포토다이오드부에서 생성된 전기 신호를 이용하여 구동되는 박막트랜지스터부를 포함하고, 상기 포토다이오드부와 상기 광학부 사이에는 소정의 높이를 가지는 캐비티층이 배치된다.
상기 박막트랜지스터부는 복수의 픽셀을 포함하고, 상기 캐비티층은 상기 복수의 픽셀 사이에 대응하는 영역에서 상기 포토다이오드부로부터 상기 광학부까지 연장되도록 배치된 스페이서를 포함할 수 있다.
각 픽셀에 대응하는 영역은 상기 스페이서에 의하여 둘러싸일 수 있다.
상기 캐비티층은 공기 또는 수지로 채워질 수 있다.
상기 캐비티층의 높이는 상기 포토다이오드부에 흡수되는 빛의 파장을 고려하여 설정될 수 있다.
상기 캐비티층의 높이는 상기 포토다이오드부에 흡수되는 빛의 파장의 정수배일 수 있다.
상기 캐비티층의 높이는 상기 광학부 및 상기 캐비티층의 굴절률을 더 고려하여 설정될 수 있다.
상기 포토다이오드부에 흡수되는 빛은 상기 캐비티층 내에서 증폭될 수 있다.
상기 포토다이오드부는 상기 박막트랜지스터부 상에 배치된 활성층, 그리고 상기 활성층 상에 배치된 전극층을 포함하는 유기포토다이오드(organic photodiode, OPD)이고, 상기 전극층의 광 투과율은 10 내지 90%일 수 있다.
상기 전극층은 투명전극용 재료 및 상기 투명전극용 재료 내에 분산된 금속을 포함할 수 있다.
상기 투명전극용 재료는 ITO(Indium Tin Oxide), 도전성 나노와이어, 도전성 나노파티클, 그라핀, 탄소나노튜브 및 도전성 고분자 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 금속은 은(Ag) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광학부의 하면에는 반사막이 형성될 수 있다.
상기 광학부는, 상기 캐비티층에 입사되는 빛의 각도를 제어하는 필터층, 그리고 상기 필터층 상에 배치되며, 상기 객체로부터 반사된 빛을 집광하는 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 필터층에는 상기 포토다이오드부에 대하여 수직하는 방향으로 관통하는 복수의 홀이 형성될 수 있다.
상기 복수의 홀과 상기 스페이서는 수직으로 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 센서 장치는 광원, 상기 광원으로부터 출력된 후 객체로부터 반사된 빛을 감지하여 인식정보를 생성하는 센서, 그리고 상기 센서를 제어하고, 상기 센서에 의해 생성된 인식정보를 처리하며, 상기 인식정보와 기 등록된 정보를 비교하는 프로세서를 포함하고, 상기 센서는, 객체로부터 반사된 빛이 통과하는 광학부, 상기 광학부를 통과한 빛을 감지하여 전기 신호를 생성하는 포토다이오드부, 그리고 상기 포토다이오드부에서 생성된 전기 신호를 이용하여 구동되는 박막트랜지스터부를 포함하고, 상기 포토다이오드부와 상기 광학부 사이에는 소정의 높이를 가지는 캐비티층이 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저조도 환경에서도 센싱 성능이 우수한 센서 및 센서 장치를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 광손실이 최소화되고, 노이즈 파장이 제거되며, 포토다이오드부의 전기적 특성이 향상된 센서 및 센서 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 센서 및 센서 장치는 지문, 정맥, 심박 등을 인식하는 생체인식센서뿐만 아니라, 먼지 센서, 차량용 센서 등에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체인식장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체인식장치에 포함되는 생체인식센서의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 생체인식센서의 보다 구체화된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서의 일부 확대도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서 내 캐비티층의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서의 캐비티층 내 매질의 종류에 따른 광 증폭을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서 내 픽셀 및 스페이서 간 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 생체인식센서 및 생체인식장치를 위조로 설명하지만, 이는 예시적인 것이며, 이로 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 범위는 생체인식뿐만 아니라 먼지 센서, 차량용 센서 등 다양한 센서 및 센서 장치에 적용될 수 있다.
본 명세서에서, 생체인식장치는 각 개인의 독특한 생체정보를 추출하여 정보화시키는 인증장치를 의미한다.
본 명세서에서, 광학식 지문인식을 위주로 설명하지만, 이는 예시적인 것이며, 이로 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 범위는 지문뿐만 아니라, 얼굴, 홍채, 손금, 정맥분포 등 다양한 범위로 확장되어 적용될 수 있다.
"인식"은 감지, 검출 및 인증의 적어도 일부를 포함하는 의미일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체인식장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체인식장치에 포함되는 생체인식센서의 개략적인 단면도이며, 도 3은 도 2의 생체인식센서의 보다 구체화된 단면도이다.
도 1을 참조하면, 생체인식장치(10)는 광원(100), 생체인식센서(200) 및 프로세서(300)를 포함한다. 광원(100)으로부터 출력된 빛은 지문 등의 객체에서 반사된 후 생체인식센서(200)로 입력된다. 프로세서(300)는 생체인식센서(200)를 제어하고, 생체인식센서(200)에 의해 인식된 정보를 처리하며, 인식된 정보와 기 등록된 정보를 비교하고, 인식된 정보가 기 등록된 정보와 동일한지를 판정한다.
본 발명의 생체인식장치(10)는 단독으로 구현되거나, 생체인식이 필요한 기타 장치의 일부로 구현될 수 있다. 생체인식이 필요한 기타 장치의 예는, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 웨어러블 디바이스와 같은 휴대용 장치뿐만 아니라, 데스크탑 컴퓨터, 디스플레이 장치, ATM(Automated Teller Machine) 기기 등일 수 있으나, 이로 제한되지 않는다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 생체인식센서(200)는 광학부(210), 포토다이오드부(220) 및 박막트랜지스터부(230)를 포함한다. 박막트랜지스터부(230) 상에 포토다이오드부(220)가 배치되고, 포토다이오드부(220) 상에 광학부(210)가 배치될 수 있다. 도 2에 도시되지 않았으나, 생체인식장치(10)에서 빛을 출력하는 광원(100)은 박막트랜지스터부(230)의 아래에 배치되거나, 생체인식센서(200)의 측면에 배치되거나, 생체인식센서(200) 상에 배치될 수 있다. 도 2에 도시되지 않았으나, 광학부(210) 상에는 커버층이 배치될 수 있고, 커버층에 사용자의 손가락 등과 같은 생체인식대상이 배치될 수 있다.
광원(100)에서 출력된 빛이 커버층(미도시) 상의 생체인식대상, 예를 들어 지문으로부터 반사된 후 광학부(210)를 통과하여 포토다이오드부(220)에 수신된다.
이를 위하여, 광학부(210)는 필터층(212) 및 필터층(212) 상에 배치된 렌즈(214)를 포함한다. 광학부(210)는 콜리메이터(collimator)라 지칭될 수도 있다. 필터층(212)은 포토다이오드부(220)에 입사되는 빛의 각도를 제어할 수 있다. 즉, 필터층(400)은 소정 각도(θ) 이내의 빛만이 포토다이오드부(220)에 입사되도록 제어할 수 있다. 여기서, 포토다이오드부(220)에 입사되는 빛의 각도는 포토다이오드부(220)에 수직하는 방향에 대한 각도를 의미할 수 있다. 여기서, 포토다이오드부(220)에 수직하는 방향은 포토다이오드부(220)의 수평 방향(X)에 대해 수직하는 방향(Y)으로, 도 2의 박막트랜지스터부(230), 포토다이오드부(220) 및 광학부(210)의 적층 방향(Y)을 의미할 수 있다. 여기서, 소정 각도(θ)는 15°이내, 바람직하게는 10° 이내일 수 있다. 이에 따르면, 포토다이오드부(220)에 거의 수직하는 방향의 빛이 입사되므로, 노이즈의 입사를 최소화할 수 있으며, 정확한 생체인식정보를 획득하는 것이 가능하다.
이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 필터층(212)은 빛의 투과를 차단하는 물질을 포함하며, 필터층(212)에는 포토다이오드부(220)에 대하여 수직하는 방향으로 관통하는 복수의 홀(212h)이 형성될 수 있다. 빛의 투과를 차단하는 물질은, 예를 들어 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 등의 금속물질일 수 있다. 또는, 빛의 투과를 차단하는 물질은 흑색 물질일 수 있다. 여기서, 흑색 물질은, 예를 들어 흑색 안료 또는 탄소계 소재일 수 있다. 탄소계 소재는, 예를 들어 탄소나노튜브, 그라파이트, 그래핀, 카본블랙 등일 수 있다. 이에 따르면, 필터층(212)에서 홀(212h)을 제외한 영역(이하, 필터층(212)의 바디(body)부라 지칭할 수 있다)은 빛을 투과할 수 없으며, 필터층(212)의 홀(212h)을 통해서만 빛이 투과될 수 있다. 이에 따라, 포토다이오드부(220)에 입사되는 빛의 각도를 제어하는 것이 가능하다.
이때, 필터층(212)의 두께(T)는 5㎛이상일 수 있다. 이에 따르면, 필터층(212)에서 홀(212h)을 제외한 영역에 입사되는 빛이 필터층(212)을 투과하여 포토다이오드부(220)에 입사되는 문제를 방지할 수 있다.
이때, 홀(212h)의 전체 면적은 필터층(212)의 전체 면적의 25% 이상 95% 이하, 바람직하게는 30% 이상 95% 이하, 더욱 바람직하게는 40% 이상 95% 이하일 수 있다. 홀(212h)의 전체 면적이 필터층(212)의 전체 면적의 25% 미만인 경우, 포토다이오드부(220)에 입사되는 빛의 양이 적으므로, 유효한 수준의 전기 신호를 생성할 수 없고, 홀(212h)의 전체 면적이 필터층(212)의 전체 면적의 95%를 초과하는 경우, 포토다이오드부(220)에 입사되는 빛에 노이즈가 섞일 가능성이 커질 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위하여, 필터층(212)의 양면 중 포토다이오드부(220)에 가깝게 배치되는 면, 즉 필터층(212)을 통과한 빛이 출사되는 면을 하부 또는 하면이라 지칭하고, 필터층(212)의 양면 중 생체인식대상이 배치되는 커버층(미도시)에 가깝게 배치되는 면, 즉 필터층(212)에 빛이 입사되는 면을 상부 또는 상면이라 지칭할 수 있다.
도시되지 않았으나, 필터층(212)의 표면에는 반사 방지층이 형성될 수도 있다. 반사 방지층은 필터층(212)의 상면뿐만 아니라, 홀(212h)의 벽면에도 형성될 수 있다. 특히, 홀(212h)의 벽면에 반사방지층이 형성된 경우, 포토다이오드부(220)에 대하여 소정 각도 이상(예를 들어, 포토다이오드부(220)에 수직하는 방향(Y 방향)에 대하여 15°를 초과)의 각도로 입사되는 빛이 홀(212h)의 벽면에서 난반사되는 문제를 방지할 수 있다. 이에 따르면, 포토다이오드부(220)에 입사되는 빛에 노이즈가 섞일 가능성을 줄일 수 있다. 이때, 반사 방지층은 금속산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터층(212)이 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 등의 금속을 포함하는 경우, 필터층(212)의 표면을 산화시켜 금속산화물층을 형성할 수 있다. 즉, 반사 방지층은 산화구리층, 산화알루미늄층 및 산화니켈층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 반사방지층은 티타늄(Ti) 및 아연(Zn) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
필터층(212) 상에 배치되는 렌즈(214)는 생체인식대상으로부터 반사된 빛을 집광할 수 있다. 렌즈(214)는 생체인식대상으로부터 반사된 빛이 입사되는 입사영역(214a) 및 입사영역(214a)에 입사된 빛이 필터층(212)을 향하여 통과하는 통과영역(214b)을 포함한다. 입사영역(214a)은 필터층(212)의 복수의 홀(212h) 각각을 향하는 방향과 반대되는 방향으로 볼록한 단면 형상을 가질 수 있다. 이에 따르면, 생체인식대상으로부터 반사된 빛은 입사영역(214a)에서 모아진 후 통과영역(214b)과 홀(212h)을 통과하여 포토다이오드부(220)에 전달될 수 있다. 이때, 렌즈(214)의 입사영역(214a)은 필터층(212)에 형성된 홀(212h)에 대응하도록 배치될 수 있다. 즉, 렌즈(214)의 입사영역(214a)은 필터층(212)에 형성된 각 홀(212h)마다 배치될 수 있다. 이에 따르면, 포토다이오드부(220)에 입사되는 빛의 양이 증가하므로, 생체인식의 품질을 높일 수 있다.
한편, 포토다이오드부(220)는 광학부(210)를 통과한 빛을 감지하며, 감지한 빛의 양 또는 강도에 따라 전기 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 생체인식대상이 지문인 경우, 지문의 산에서 반사된 후 포토다이오드부(220)에 수신된 빛의 양 또는 강도는 지문의 골에서 반사된 후 포토다이오드부(220)에 수신된 빛의 양 또는 강도와 상이할 수 있다.
포토다이오드부(220)는 어레이 형태로 배치된 복수의 포토다이오드를 포함할 수 있다. 여기서, 포토다이오드는 비정질 실리콘 포토다이오드일 수 있다. 또는, 포토다이오드부(220)는 유기포토다이오드(Organic photodiode, OPD) 또는 퀀텀닷(quantum dot) 등일 수도 있다. 포토다이오드부(220)가 유기포토다이오드(이하, OPD라 한다)인 경우, 예를 들어, OPD는 제1전극층(221), 제1 전극층(221) 상에 배치된 제1 수송층(222, transport layer), 제1 수송층(222) 상에 배치된 활성층(223, active layer), 활성층(223) 상에 배치된 제2 수송층(224, transport layer) 및 제2 수송층(225) 상에 배치된 제2 전극층(225)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 수송층(222) 및 제2 수송층(224) 중 하나는 전자 도너층이고, 다른 하나는 정공 도너층일 수 있으며, 이들은 도핑된 유기 반도체 폴리머로 이루어질 수 있다. 활성층(223)은 유기 반도체 폴리머로 이루어질 수 있으며, 광학부(210)를 통하여 흡수된 빛을 전기 신호로 생성할 수 있다.
포토다이오드부(220)에서 생성된 전기 신호는 박막트랜지스터부(230)에서 스위칭되어 프로세서(300)로 전달될 수 있다. 박막트랜지스터부(230)는 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀은 서로 이격된 격자 구조를 가지도록 배치될 수 있으며, 각 픽셀은 기판 상에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 배치된 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 포토다이오드부(220)와 광학부(210) 사이에 캐비티층(240)을 더 배치하여, 광손실 또는 이웃하는 픽셀로의 누화(crosstalk, A)를 방지하고, 포토다이오드부(220)로 흡수되는 빛의 효율을 높이고자 한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서의 일부 확대도이다. 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서 내 캐비티층의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서의 캐비티층 내 매질의 종류에 따른 광 증폭을 나타낸다. 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 생체인식센서 내 픽셀 및 스페이서 간 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 생체인식센서(200)는 광학부(210), 포토다이오드부(220) 및 박막트랜지스터부(230)를 포함한다. 이와 관련하여, 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다. 즉, 광학부(210), 포토다이오드부(220) 및 박막트랜지스터부(230)에 관한 설명은 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한 내용과 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 포토다이오드부(220)와 광학부(210) 사이에는 소정의 높이를 가지는 캐비티층(240)이 배치될 수 있다. 광학부(210)를 통과한 빛은 캐비티층(240)을 통하여 포토다이오드부(220)에 흡수될 수 있다. 도 6을 참조하면, 가로축은 빛의 파장(nm)이고, 세로축은 빛의 강도(intensity)을 의미한다. 점선은 캐비티층(240)이 없는 구조에서 포토다이오드부(220)에 흡수되는 빛의 파장 별 강도를 나타내고, 실선은 캐비티층(240)이 있는 구조에서 포토다이오드부(220)에 흡수되는 빛의 파장 별 강도를 나타낸다. 포토다이오드부(220)에 흡수되는 유효한 빛의 파장의 범위(이하, 유효 파장의 범위)는 R과 같다. 여기서, 유효 파장은 포토다이오드부(220)가 센싱할 수 있는 빛의 파장, 즉 전기신호를 생성하기 위하여 변환되는 빛의 파장을 의미할 수 있다. 캐비티층(240)이 없는 구조에서, 포토다이오드부(220)에 흡수되는 빛의 파장의 범위는 R'과 같고, 이는 유효 파장의 범위 R보다 넓을 수 있다. 필터층(212)에 형성된 홀(212h)의 크기가 균일하지 않은 경우, 파장의 범위 R'은 더욱 넓을 수 있다. 이에 따라, 캐비티층(240)이 없는 구조에서, 유효 파장의 범위 R 이외의 파장은 노이즈로 작용할 수 있다. 한편, 캐비티층(240)이 있는 구조에서는, 유효 파장의 범위 R에 집중되도록 FWHM(full width at half maximum)이 감소하고, 유효 파장의 범위 R 내에서 빛의 강도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 포토다이오드부(220)가 더욱 효율적으로 빛을 전기신호로 변환할 수 있다.
이를 위하여, 캐비티층(240)은 공기로 채워질 수 있으며, 캐비티층(240)의 높이는 포토다이오드부(220)에 흡수되는 유효 파장을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 캐비티층(240)이 공기로 채워지는 경우, 캐비티층(240)의 높이(H)는 유효 파장의 정수(N)배일 수 있다. 예를 들어, 유효 파장이 530nm인 경우, 캐비티층(240)의 높이는 530nm*N이 될 수 있다. 이때, 캐비티층(240)의 높이는 1㎛ 내지 1000㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 500㎛, 더욱 바람직하게는 1㎛ 내지 100㎛, 더욱 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 이와 같이, 캐비티층(240)의 높이가 유효 파장의 정수(N)배로 설정될 경우, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 위상이 일치하는 유효 파장들이 보강되어 증폭될 수 있으며, 이에 따라 포토다이오드부(220)에 흡수되는 빛의 강도가 증가할 수 있다. 또한, 유효 파장 외의 노이즈 파장은 상쇄 간섭에 의하여 캐비티층(240) 내에서 소멸될 수 있다.
또는, 캐비티층(240)은 수지로 채워질 수 있으며, 캐비티층(240)의 높이(H')는 포토다이오드부(220)에 흡수되는 유효 파장 및 광학부(210)와 캐비티층(240)의 굴절률을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 캐비티층(240)이 수지로 채워지는 경우, 광학부(210)를 통과한 빛은 캐비티층(240)에 굴절되어 입사될 수 있다. 이에 따라, 캐비티층(240)의 높이(H')는 빛의 경로 상 유효 파장의 정수(N)배가 될 수 있도록 설정될 수 있다. 이에 따르면, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 위상이 일치하는 유효 파장들이 보강되어 증폭될 수 있으며, 이에 따라 포토다이오드부(220)에 흡수되는 빛의 강도가 증가할 수 있다. 또한, 유효 파장 외의 노이즈 파장은 상쇄 간섭에 의하여 캐비티층(240) 내에서 소멸될 수 있다.
캐비티층(240)이 수지로 채워지는 경우, 공정 상 캐비티층(240)의 높이를 제어하기 용이하다. 이때, 수지는 아크릴레이트계 수지일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광학부(210)의 하면에는 반사막(미도시)이 더 배치될 수 있다. 이에 따르면, 광학부(210) 및 캐비티층(240)을 통과하였으나, 포토다이오드부(220)에 흡수되지 못하고 반사된 빛이 반사막을 통하여 다시 반사되는 과정을 통하여 광 경로가 확장될 수 있으며, 빛의 진폭이 증폭될 수 있다. 이에 따라, 이에 따라 포토다이오드부(220)에 흡수되는 빛의 강도는 증가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 포토다이오드부(220)의 제2 전극층(225)은 반투명 전극층일 수 있다. 즉, 제2 전극층(225)의 광 투과율은 10 내지 90%, 바람직하게는 20 내지 80%, 더욱 바람직하게는 30 내지 70%, 더욱 바람직하게는 40 내지 50%일 수 있다. 이에 따르면, 일정 수준 이상의 강도를 가지는 빛만 제2 전극층(225)을 통하여 포토다이오드부(220)에 흡수될 수 있으며, 포토다이오드부(220)에 흡수되지 못한 빛은 캐비티층(240) 내에서 전반사되어 광경로가 확장될 수 있으며, 이를 통하여 빛의 진폭이 증폭될 수 있다. 이에 따르면, 포토다이오드부(220)에 노이즈가 흡수될 가능성을 줄일 수 있고, 센싱의 정확도를 높일 수 있다.
이때, 제2 전극층(225)은 투명전극용 재료 및 투명전극용 재료 내에 분산된 금속을 포함할 수 있다. 여기서, 투명전극용 재료는 ITO(Indium Tin Oxide), 도전성 나노와이어, 도전성 나노파티클, 그라핀, 탄소나노튜브 및 도전성 고분자 중 적어도 하나를 포함하고, 투명전극용 재료 내에 분산된 금속은 은(Ag) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, 제2 전극층(225)이 투명전극용 재료 내에 분산된 금속을 포함할 경우, 제2 전극층(225)을 반투명으로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 분산된 금속으로 인하여 제2 전극층(225)의 전기전도도가 높아지고, 구동전류가 낮아지며, 결과적으로 포토다이오드부(220)의 일함수가 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 캐비티층(240)은 복수의 픽셀(P1, P2, P3, P4) 사이에 대응하는 영역에서 포토다이오드부(220)로부터 광학부(210)까지 연장되도록 배치된 스페이서(242)를 포함할 수 있다. 이때, 각 픽셀(P1, P2, P3, P4)에 대응하는 영역은 스페이서(242)에 의하여 둘러싸일 수 있다.
이에 따르면, 스페이서(242)는 캐비티층(240) 내에서 전반사되는 빛이 이웃하는 픽셀에 대응하는 영역으로 넘어가는 것을 방지하므로, 이웃하는 픽셀에 빛이 누화(crosstalk)되는 현상 및 광손실을 줄일 수 있으며, 캐비티층(240)의 높이를 정밀하게 조절하는 것이 가능하다.
이때, 스페이서(242)는 금속, 예를 들어 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 이에 따르면, 스페이서(242)의 벽면에서 빛이 반사되는 과정을 통하여 증폭될 수 있으며, 이에 따라 포토다이오드부(220)에 흡수되는 빛의 강도는 더욱 증가할 수 있다.
이때, 광학부(210)의 필터층(212)에 형성된 홀(212h)과 스페이서(242)는 수직으로 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 홀(212h)을 통하여 입사되는 빛이 스페이서(242)에 의하여 차단되는 문제를 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 생체인식장치
100: 광원
200: 생체인식센서
300: 프로세서
210: 광원부
220: 포토다이오드부 230: 박막트랜지스터부
240: 캐비티층 242: 스페이서

Claims (16)

  1. 객체로부터 반사된 빛이 통과하는 광학부,
    상기 광학부를 통과한 빛을 감지하여 전기 신호를 생성하는 포토다이오드부, 그리고
    상기 포토다이오드부에서 생성된 전기 신호를 이용하여 구동되는 박막트랜지스터부를 포함하고,
    상기 포토다이오드부와 상기 광학부 사이에는 소정의 높이를 가지는 캐비티층이 배치되는 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막트랜지스터부는 복수의 픽셀을 포함하고,
    상기 캐비티층은 상기 복수의 픽셀 사이에 대응하는 영역에서 상기 포토다이오드부로부터 상기 광학부까지 연장되도록 배치된 스페이서를 포함하는 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    각 픽셀에 대응하는 영역은 상기 스페이서에 의하여 둘러싸이는 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 캐비티층은 공기 또는 수지로 채워지는 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐비티층의 높이는 상기 포토다이오드부에 흡수되는 빛의 파장을 고려하여 설정되는 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캐비티층의 높이는 상기 포토다이오드부에 흡수되는 빛의 파장의 정수배인 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 캐비티층의 높이는 상기 광학부 및 상기 캐비티층의 굴절률을 더 고려하여 설정되는 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드부에 흡수되는 빛은 상기 캐비티층 내에서 증폭되는 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드부는 상기 박막트랜지스터부 상에 배치된 활성층, 그리고 상기 활성층 상에 배치된 전극층을 포함하는 유기포토다이오드(organic photodiode, OPD)이고,
    상기 전극층의 광 투과율은 10 내지 90%인 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극층은 투명전극용 재료 및 상기 투명전극용 재료 내에 분산된 금속을 포함하는 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 투명전극용 재료는 ITO(Indium Tin Oxide), 도전성 나노와이어, 도전성 나노파티클, 그라핀, 탄소나노튜브 및 도전성 고분자 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 금속은 은(Ag) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함하는 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광학부의 하면에는 반사막이 형성된 센서.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 광학부는,
    상기 캐비티층에 입사되는 빛의 각도를 제어하는 필터층, 그리고
    상기 필터층 상에 배치되며, 상기 객체로부터 반사된 빛을 집광하는 렌즈를 포함하는 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 필터층에는 상기 포토다이오드부에 대하여 수직하는 방향으로 관통하는 복수의 홀이 형성되는 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 홀과 상기 스페이서는 수직으로 서로 중첩되지 않도록 배치되는 센서.
  16. 광원,
    상기 광원으로부터 출력된 후 객체로부터 반사된 빛을 감지하여 인식정보를 생성하는 센서, 그리고
    상기 센서를 제어하고, 상기 센서에 의해 생성된 인식정보를 처리하며, 상기 인식정보와 기 등록된 정보를 비교하는 프로세서를 포함하고,
    상기 센서는,
    객체로부터 반사된 빛이 통과하는 광학부,
    상기 광학부를 통과한 빛을 감지하여 전기 신호를 생성하는 포토다이오드부, 그리고
    상기 포토다이오드부에서 생성된 전기 신호를 이용하여 구동되는 박막트랜지스터부를 포함하고,
    상기 포토다이오드부와 상기 광학부 사이에는 소정의 높이를 가지는 캐비티층이 배치되는 센서 장치.
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