KR20240062757A - 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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문상은
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Abstract

이미지 센서는, 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및 상기 복수의 화소에 각각 대응하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 대응하는 화소에 입사광을 집광하도록 제1 방향 및 제2 방향을 따라 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격은 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 클 수 있다.

Description

나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Image sensor nano-photonic microlens array and electronic apparatus including the image sensor}
개시된 실시예들은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
이미지 센서의 해상도가 증가함에 따라 이미지 센서에서 단위 화소의 크기가 점점 작아지고 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 가장자리에서 주광선 각도(CRA; chief ray angle)가 증가하는 추세이다. 주광선은 이미지 센서의 중심부에는 이미지 센서에 수직하게 입사하며 이미지 센서의 가장자리에서는 이미지 센서에 경사지게 기울어져 입사한다. 이미지 센서의 가장자리로 갈수록 주광선 각도가 증가하고 이에 따라 이미지 센서의 가장자리에서 감도가 감소할 수 있다. 이러한 경사진 주광선으로 인해 크로스토크(crosstalk) 문제가 발생할 수 있다.
이미지 센서의 가장자리에서 경사진 주광선으로 인한 감소 저하 및 크로스토크 발생 문제를 개선할 수 있는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및 상기 복수의 화소에 각각 대응하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 대응하는 화소에 입사광을 집광하도록 제1 방향 및 제2 방향을 따라 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격은 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 클 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 전체 영역에서, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각 내에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기가 일정하고, 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 일정할 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부로부터 가장자리를 향해 갈수록, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각 내에서 복수의 나노 구조물의 배열 주기가 점진적으로 작아지고, 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 점진적으로 커질 수 있다.
하나의 나노 광학 마이크로렌즈의 제1 방향 폭이 Wx이고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각 내에서 상기 복수의 나노 구조물의 제1 방향 주기가 Px이고, 하나의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 제1 방향을 따라 배열된 나노 구조물(NP)들의 개수를 nx일 때,
을 만족하며,
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에서 α는 0보다 큰 값을 가질 수 있다.
상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 제1 방향 간격이 Gx일 때,
을 만족할 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 전체 영역에서 상기 α의 값이 일정할 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에서 상기 α의 값이 0일 수 있다.
상기 α의 값이 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 입사하는 입사광의 주광선 각도와 비례하도록 상기 복수의 나노 구조물이 배열되어 있으며, 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 가장자리를 향해 상기 α의 값이 점진적으로 또는 불연속적으로 증가할 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 중심부의 제1 구역 및 상기 제1 구역을 둘러싸는 주변부의 제2 구역을 포함하며, 상기 제2 구역에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 상기 제1 구역에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 작고, 상기 제2 구역에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격은 상기 제1 구역에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격보다 클 수 있다.
상기 제1 구역 내에서 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 및 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 일정하고, 상기 제2 구역 내에서 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 및 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 일정할 수 있다.
상기 제1 구역 내에서 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격과 동일할 수 있다.
예를 들어, 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격과 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 사이의 차는 0 이상 약 300 nm 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격과 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 사이의 차는 0보다 크고 각각의 화소의 폭의 약 30% 이하일 수 있다.
상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열될 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상 프로파일은 상기 제1 방향을 따라 대칭적인 형태를 가지며 상기 제2 방향을 따라 대칭적인 형태를 가질 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 경사지게 입사하는 광을 편향시켜 대응하는 화소의 중심부에 집광시키도록 구성될 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 위상 프로파일을 가질 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이 및 상기 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이 위에 배치된 제2 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하고, 상기 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 복수의 제1 나노 구조물을 포함하고 상기 제2 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 상기 복수의 제1 나노 구조물 위에 배치된 복수의 제2 나노 구조물을 포함하며, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제1 나노 구조물 사이의 간격과 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제2 나노 구조물 사이의 간격이 동일할 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에서 상기 복수의 제2 나노 구조물은 상기 복수의 제1 나노 구조물에 대해 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부를 향해 시프트 될 수 있다.
다른 실시예에 따른 전자 장치는, 피사체의 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리; 상기 렌즈 어셈블리가 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서에서 생성된 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하며, 상기 이미지 센서는: 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및 상기 복수의 화소에 각각 대응하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 대응하는 화소에 입사광을 집광하도록 제1 방향 및 제2 방향을 따라 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격은 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 클 수 있다.
실시예에 따르면, 화소에 광을 집광시키는 각각의 나노 광학 마이크로렌즈는 복수의 나노 구조물을 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심 영역에 주로 배치될 수 있다. 그러면, 인접한 2개의 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 서로 마주하여 배치된 나노 구조물들 사이의 간격은 하나의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 나노 구조물들 사이의 간격보다 클 수 있다. 따라서, 하나의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 경계 부근에 위치한 나노 구조물들에 의해 산란된 빛으로 인한 크로스토크를 줄일 수 있다.
또한 나노 광학 마이크로렌즈 내의 나노 구조물들의 형태와 배열을 주광선 각도에 따라 다르게 형성함으로써 큰 주광선 각도로 입사하는 입사광의 입사각을 수직에 가깝게 변경시킬 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 가장자리에 위치하는 화소들의 감도를 이미지 센서의 중심부에 위치하는 화소들의 감도와 유사하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 중심부의 구성을 각각 다른 단면에서 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에서 나노 광학 마이크로렌즈들을 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 6은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에서 나노 광학 마이크로렌즈들을 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 9는 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 실시예에 따른 이미지 센서와 비교예에 따른 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 비교하여 보이는 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 복수의 구역들을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 12는 도 11의 제1 구역에 대응하는 이미지 센서의 화소 어레이의 중심부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 중심부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 17 내지 도 19는 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 20 내지 도 23은 또 다른 실시예들에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 나노 구조물의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 24는 또 다른 실시예들에 따른 화소 어레이의 센서 기판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 25는 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 26은 도 25의 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 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 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.
화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소들을 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 하나를 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 ADC, 또는, 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 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. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 다양한 화소 배열을 도시한다.
먼저, 도 2a는 이미지 센서(1000)에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer Pattern)을 보인다. 도 2a를 참조하면, 하나의 단위 패턴은 네 개의 사분 영역(Quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 패턴이 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 패턴 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.
화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴 이외에도 다양한 배열 방식이 가능하다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, 마젠타(Magenta) 화소(M), 사이안(Cyan) 화소(C), 옐로우(Yellow) 화소(Y), 및 녹색 화소(G)가 하나의 단위 화패턴을 구성하는 CYGM 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도 2c를 참조하면, 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 청색 화소(B), 및 백색 화소(W)가 하나의 단위 패턴을 구성하는 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도시되지는 않았지만 단위 패턴이 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. 아래에서는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것을 예로 설명하지만, 동작 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.
이하에서는 편의상 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴 구조를 갖는 경우에 대해 예시적으로 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 중심부의 구성을 각각 다른 단면에서 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 3a는 화소 어레이(1100)를 제1 방향(X 방향)을 따라 절개한 단면을 보이고, 도 3b는 도 3a의 단면과 제2 방향(Y 방향)으로 다른 단면을 보인다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 위에 배치된 컬러 필터층(120), 및 컬러 필터층(120) 위에 배치된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 포함할 수 있다.
센서 기판(110)은 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 기판(110)은 입사광을 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성하는 제1 화소(111), 제2 화소(112), 제3 화소(113), 및 제4 화소(114)를 포함할 수 있다. 제1 화소(111), 제2 화소(112), 제3 화소(113), 및 제4 화소(114)는 하나의 단위 베이어 패턴을 형성할 수 있다. 예컨대, 제1 화소(111)와 제4 화소(114)는 녹색광을 감지하는 녹색 화소이고, 제2 화소(112)는 청색광을 감지하는 청색 화소이고, 제3 화소(113)는 적색광을 감지하는 적색 화소일 수 있다. 도 3a 및 도 3b에는 4개의 화소를 포함하는 하나의 단위 베이어 패턴만이 예시적으로 도시되었지만, 화소 어레이(1100)는 2차원 배열된 복수의 베이어 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 화소(111)와 복수의 제2 화소(112)가 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, 제1 방향(X 방향)에 수직한 제2 방향(Y 방향)으로 위치가 다른 단면에서 복수의 제3 화소(113)와 복수의 제4 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다.
컬러 필터층(120)은 센서 기판(110)과 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130) 사이에 배치될 수 있다. 컬러 필터층(120)은 입사광 중에서 서로 다른 파장 대역의 광을 각각 투과시키는 복수의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 복수의 컬러 필터는 센서 기판(110)의 복수의 화소들과 일대일로 대응할 수 있다. 복수의 컬러 필터 각각은 센서 기판(110)의 복수의 화소 중 대응하는 화소에 마주하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터층(120)은 제1 화소(111)와 마주하여 배치되는 제1 컬러 필터(121), 제2 화소(112)와 마주하여 배치되는 제2 컬러 필터(122), 제3 화소(113)와 마주하여 배치되는 제3 컬러 필터(123), 및 제4 화소(114)와 마주하여 배치되는 제4 컬러 필터(124)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)와 마찬가지로, 복수의 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124)가 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 2차원 배열될 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제4 컬러 필터(121, 124)는 입사광 중에서 녹색 파장 대역의 광을 투과시키는 녹색 필터이고, 제2 컬러 필터(122)는 입사광 중에서 청색 파장 대역의 광을 투과시키는 청색 필터이고, 제3 컬러 필터(123)는 입사광 중에서 적색 파장 대역의 광을 투과시키는 적색 필터일 수 있다. 이러한 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124)는 유기 염료 또는 유기 안료를 포함하는 유기 컬러 필터일 수 있다.
또한 컬러 필터층(120)은 복수의 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124) 위에 배치된 평탄화층(125)을 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124) 각각의 상부 표면은 평탄하지 않을 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124) 및 그 사이의 블랙 매트릭스의 두께들이 서로 동일하지 않을 수도 있다. 평탄화층(125)은 컬러 필터층(120) 위에 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 형성하기 위한 평탄한 표면을 제공하는 역할을 할 수 있다. 평탄화층(125)은 유기물 재료로 형성된 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124) 위에 적층하기 적합하고 평탄한 표면을 형성하기 쉬운 유기 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 평탄화층(125)을 형성하는 유기 폴리머 재료는 가시광에 대해 투명한 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 평탄화층(125)은 에폭시 레진(epoxy resin), 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴(polyacrylate), 및 PMMA(polymethyl methacrylate) 중에서 적어도 하나의 유기 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 그러나 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124)가 동일한 두께를 가지며 평탄한 상부 표면을 갖는 경우에는 평탄화층(125)이 생략될 수도 있다.
나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 컬러 필터층(120)의 상부 표면 위에 센서 기판(110)의 입광면에 마주하여 배치될 수 있다. 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 포함할 수 있다. 복수의 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 복수의 컬러 필터(121, 122, 123, 124)와 일대일로 대응할 수 있으며, 또한 복수의 화소(111, 112, 113, 114)과 일대일로 대응할 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 제1 컬러 필터(121) 위에 배치된 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131), 제2 컬러 필터(122) 위에 배치된 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132), 제3 컬러 필터(123) 위에 배치된 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133), 및 제4 컬러 필터(124) 위에 배치된 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되고, 제2 방향의 위치가 다른 단면에서는 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)와 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)가 번갈아 배열될 수 있다.
이러한 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 대응하는 컬러 필터 및 대응하는 화소과 마주하도록 제1 방향 및 제2 방향을 따라 2차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 화소(111), 제1 컬러 필터(121) 및 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)는 제1 방향 및 제2 방향에 수직한 제3 방향(Z 방향)을 따라 서로 마주하여 배열될 수 있다. 또한, 제2 화소(112), 제2 컬러 필터(122) 및 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)가 제3 방향을 따라 서로 마주하고, 제3 화소(113), 제3 컬러 필터(123) 및 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)가 제3 방향을 따라 서로 마주하고, 제4 화소(114), 제4 컬러 필터(124) 및 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)가 제3 방향을 따라 서로 마주하여 배열될 수 있다.
제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 중에서 대응하는 화소에 빛을 집광시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)는 제1 화소(111)에, 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)는 제2 화소(112)에, 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)는 제3 화소(113)에, 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)는 제4 화소(114)에 입사광을 집광시킬 수 있다. 집광되는 입사광 중에서, 녹색광은 제1 및 제4 컬러 필터(121, 124)를 통과하여 제1 및 제4 화소(111, 114) 내에 집광되고, 청색광은 제2 컬러 필터(122)를 통과하여 제2 화소(112) 내에 집광되며, 적색광은 제3 컬러 필터(123)를 통과하여 제3 화소(113) 내에 집광될 수 있다.
이를 위해, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각은 빛을 집광시킬 수 있는 나노 패턴 구조를 가질 수 있다. 나노 패턴 구조는 입사광의 위상을 입사 위치에 따라 다르게 변화시키는 복수의 나노 구조물(NP)을 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등은 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 각각 투과한 직후의 광이 소정의 위상 프로파일(phase profile)을 갖도록 결정될 수 있다. 이러한 위상 프로파일에 따라 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 각각 투과한 광의 진행 방향 및 초점 거리가 결정될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 4를 참조하면, 나노 패턴 구조의 나노 구조물(NP)은 단면의 지름이 서브 파장의 치수를 갖는 나노 기둥일 수 있다. 여기서 서브 파장은 집광되는 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 입사광이 가시광인 경우, 나노 구조물(NP)의 단면의 지름은 예를 들어 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노 구조물(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다.
나노 구조물(NP)은 주변 물질에 비하여 상대적으로 고굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NP)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 나노 구조물(NP) 주변은 나노 구조물(NP)보다 상대적으로 저굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 유전체 재료(DL)로 채워질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NP) 주변은 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), SiO2, Al2O3, 공기(air) 등으로 채워질 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노 구조물(NP)은 나노 구조물(NP)을 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노 구조물(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노 구조물(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다.
고굴절률 나노 구조물(NP)의 굴절률은 약 630 nm 파장의 빛에 대해 약 2.0 이상일 수 있으며, 저굴절률 유전체 재료(DL)의 굴절률은 약 630 nm 파장의 빛에 대해 약 1.0 이상 2.0 미만일 수 있다. 또한, 나노 구조물(NP)의 굴절률과 유전체 재료(DL)의 굴절률 사이의 차이는 약 0.5 이상일 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노 구조물(NP)은 나노 구조물(NP)을 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노 구조물(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노 구조물(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다.
도 5는 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에서 나노 광학 마이크로렌즈들을 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다. 특히, 도 5는 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)와 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제1 방향을 따른 도 4의 A-A' 라인을 따라 보인다.
화소 어레이(1100)의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에서는 입사광이 화소 어레이(1100)에 수직하게 입사한다. 다시 말해 화소 어레이(1100)의 중심부에서는 입사광의 주광선 각도가 0도이다. 따라서, 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에서는 입사광의 진행 방향을 바꿀 필요가 없으므로, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 입사광의 진행 방향을 변경하지 않으면서 입사광을 대응 화소에 집광시키도록 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 통과한 직후의 광은 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심에서 가장 크고 제1 방향을 따라 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다. 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 통과한 직후의 광은 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)의 중심에서 가장 크고 제1 방향을 따라 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다. 도시되지는 않았지만, 제2 방향으로도, 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 통과한 직후의 광은 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심에서 가장 크고 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다. 또한, 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 통과한 직후의 광은 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)의 중심에서 가장 크고 제2 방향을 따라 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다.
도 5에 도시되지는 않았지만, 제1 및 제2 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132)를 통과한 직후의 광도 제1 방향 및 제2 방향을 따라 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 제1 방향 및 제2 방향 모두에 대해 주광선 각도가 0도인 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에서는 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 입사광의 진행 방향을 변경할 필요가 없기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 방향과 제2 방향으로 모두 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 구현하도록 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 구성될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 위와 같은 위상 프로파일을 구현하기 위하여 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 복수의 나노 구조물(NP)은 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심에 대해 제1 방향 및 제2 방향을 따라 대칭적인 형태로 배열될 수 있다. 특히, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심 영역에서 가장 큰 위상 지연이 발생하도록 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들이 가장 큰 직경을 가질 수 있으며, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심 영역에서 멀어질수록 나노 구조물(NP)의 직경이 점진적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 4개의 꼭지점 영역에 배치된 나노 구조물(NP)들은 가장 작은 직경을 가질 수 있다.
그러나 위상 지연이 상대적으로 작은 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경이 반드시 상대적으로 작은 것은 아니다. 도 5에 예시된 위상 프로파일에서 위상 지연의 값은 2π의 배수를 뺀 나눈 나머지 값으로 표기된 것이다. 예를 들어, 어느 영역에서 위상 지연이 3π라면 위상 지연은 2π를 제거하고 남은 π와 광학적으로 동일하게 된다. 따라서, 나노 구조물(NP)의 직경이 작아서 제조하기 어려운 경우에는 2π만큼 증가시킨 위상 지연을 구현하도록 나노 구조물(NP)의 직경을 선택할 수 있다. 예를 들어, 0.1π의 위상 지연을 달성하기 위한 나노 구조물(NP)의 직경이 지나치게 작은 경우에, 2.1π의 위상 지연을 달성하도록 나노 구조물(NP)의 직경을 선택할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 4개의 꼭지점 영역에 배치된 나노 구조물(NP)들의 직경이 가장 클 수도 있다.
이러한 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일은 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 입사광에 대해 볼록 렌즈와 같이 작용하도록 한다. 따라서 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 투과한 광은 각각 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)에 집광될 수 있다. 그런데, 복수의 컬러 필터(121, 122, 123, 124)로 인해 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)에는 서로 다른 파장 대역의 광이 집광된다. 예를 들어, 제1 및 제4 화소(111, 114)에는 녹색광이 집광되고, 제2 화소(112)에는 청색광이 집광되고, 제3 화소(113)에는 적색광이 집광될 수 있다.
한편, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 경계에서는 일부 원치 않는 방향으로 산란되는 빛이 발생할 수 있다. 특히, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 경계 부근에 위치한 나노 구조물(NP)들에 의해 산란된 빛은 크로스토크(crosstalk)의 원인이 될 수 있다. 예를 들어, 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 경계 부근에 위치한 나노 구조물(NP)들에 의해 산란된 빛 중 일부는 제1 화소(111)에 입사하지 않고 제2 화소(112), 제3 화소(113), 또는 제4 화소(114)에 입사할 수도 있다. 이러한 크로스토크는 이미지 센서(1000)의 색순도를 저하시킬 수 있다.
실시예에 따르면, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 경계에서 산란된 빛이 대응하지 않는 다른 화소들에 입사하는 것을 방지하거나 최소화하도록 나노 구조물(NP)들의 배열 형태 및 주기가 결정될 수 있다. 도 4를 참조하면, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 나노 구조물(NP)들은 제1 방향 및 제2 방향을 따라 주기적으로 2차원 배열될 수 있다. 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)에서 나노 구조물(NP)들의 개수가 동일하고 나노 구조물(NP)들의 주기 또는 피치가 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 모두에서 나노 구조물(NP)들은 제1 방향을 따라 제1 주기(Px)로 배열되고 제2 방향을 따라 제2 주기(Py)로 배열될 수 있다. 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 정사각형 형태를 갖는 경우, 제1 주기(Px)와 제2 주기(Py)는 동일할 수 있다.
크로스토크를 방지하거나 최소화하기 위해, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격은 나노 구조물(NP)들의 배열 주기보다 클 수 있다. 다시 말해, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)에서 나노 구조물(NP)들의 배열 주기는 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격보다 작도록 선택될 수 있다. 여기서, 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격은 두 나노 구조물(NP)의 표면들 사이의 거리가 아니라 두 나노 구조물(NP)의 단면 중심들 사이의 거리로 정의될 수 있다.
예를 들어, 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 가장 우측에 배치된 나노 구조물(NP)과 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 가장 좌측에 배치된 나노 구조물(NP) 사이의 제1 방향을 따른 제1 간격(Gx)은 나노 구조물(NP)들의 제1 주기(Px)보다 클 수 있다(즉, Gx > Px). 다시 말해, 제1 방향으로 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 제1 간격(Gx)보다 작도록 나노 구조물(NP)들의 제1 주기(Px)가 선택될 수 있다. 또한, 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 가장 아래쪽에 배치된 나노 구조물(NP)과 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 가장 위쪽에 배치된 나노 구조물(NP) 사이의 제2 방향을 따른 제2 간격(Gy)은 나노 구조물(NP)들의 제2 주기(Py)보다 클 수 있다(즉, Gy > Py). 다시 말해, 제2 방향으로 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 제2 간격(Gy)보다 작도록 나노 구조물(NP)들의 제2 주기(Py)가 선택될 수 있다.
제1 방향을 따른 제1 주기(Px)와 제1 간격(Gx) 사이의 관계는 다음과 같이 보다 일반화될 수 있다. 하나의 화소 또는 하나의 나노 광학 마이크로렌즈의 제1 방향 폭을 Wx라고 하고 하나의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 제1 방향을 따라 배열된 나노 구조물(NP)들의 개수를 nx이라고 하면, 제1 주기(Px)는 다음의 수학식 (1)로 표현될 수 있다.
수학식 (1)에서 α는 0보다 큰 값을 가질 수 있다. 또한, 제1 주기(Px)와 제1 간격(Gx) 사이의 차는 다음의 수학식 (2)로 표현될 수 있으며,
제1 간격(Gx)은 다음의 수학식 (3)으로 표현될 수 있다.
또한, 제2 방향을 따른 제2 주기(Py)와 제2 간격(Gy) 사이의 관계도 위와 동일하게 적용될 수 있다.
예를 들어, 하나의 화소의 제1 방향 폭이 약 1 ㎛인 경우, 제1 주기(Px)와 제1 간격(Gx) 사이의 차는 0 이상 약 300 nm 이하일 수 있다(즉, 0 < Gx - Px ≤ 300 nm). 다시 말해, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격과 나노 구조물(NP)들의 배열 주기 사이의 차는 0보다 크고 화소의 폭의 약 30% 이하일 수 있다. 하나의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 제1 방향을 따라 5개의 나노 구조물(NP)들이 배열되는 경우, α는, 예를 들어, 0보다 크고 60 nm 이하일 수 있다. 일반적으로, 제1 및 제2 간격(Gx, Gy)은 0보다 크고 약 500 nm 이하일 수 있다.
상술한 조건을 만족하는 경우, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계와 각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 경계 부근에 위치한 나노 구조물(NP) 사이에 충분한 간격이 형성될 수 있다. 따라서, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 경계 부근에 위치한 나노 구조물(NP)들에 의해 산란된 빛이 대응하지 않는 다른 화소들에 입사하는 것을 방지하거나 최소화할 수 있으며, 이미지 센서(1000)의 색순도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 화소 어레이(1100)의 주변부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에서는 입사광이 화소 어레이(1100)에 경사지게 입사한다. 입사광의 입사각, 즉 주광선 각도는 화소 어레이(1100)의 중심부로부터 주변부로 갈수록 점점 더 커지며, 화소 어레이(1100)의 가장자리에서 가장 크다. 따라서, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 화소들의 감도가 저하되는 것을 방지하거나 또는 최소화하기 위하여 대응 대응하는 화소들의 중심부를 향해 입사광을 편향시키도록 구성될 수 있다. 그러면, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 입사광의 입사각과 관계 없이 입사광을 대응하는 화소들의 중심부에 집광시킬 수 있다.
이를 위해, 화소 어레이(1100)의 주변부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에서 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에 배치된 나노 구조물(NP)들은 입사광의 진행 방향을 화소들의 중심부를 향해 편향시키도록 설계될 수 있다. 도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 특히, 도 7은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 좌측 가장자리의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보인다. 또한, 도 8은 도 7에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에서 나노 광학 마이크로렌즈들을 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다. 특히, 도 8은 도 7에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에서 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제1 방향을 따라 보인다.
도 7을 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부의 나노 패턴 구조와 비교할 때, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부의 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에 가깝게 위치한 나노 구조물(NP)들의 직경이 더 커지고 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에 멀게 위치한 나노 구조물(NP)들의 직경이 더 작아질 수 있다. 다시 말해, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부의 위상 프로파일과 비교할 때, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부의 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 내부에서 가장 큰 위상 지연이 발생하는 위치가 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부를 향해 시프트 될 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 좌측 가장자리에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 내부에서 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에 더 가깝게 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부로부터 더 멀게 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경보다 클 수 있다. 그러면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 좌측 가장자리에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 내부에서 가장 큰 위상 지연이 발생하는 위치는 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심으로부터 우측 방향으로 시프트 될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각을 투과한 직후의 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 방향을 따라 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)를 투과한 직후의 광의 위상 프로파일은 경사진 직선 형태의 선형 위상 프로파일(S1)에 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 더한 형태를 갖는다. 또한, 제1 방향을 따라 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 투과한 직후의 광의 위상 프로파일도 역시 경사진 직선 형태의 선형 위상 프로파일(S2)에 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 더한 형태를 갖는다. 따라서 도 8에 도시된 제1 방향을 따른 위상 프로파일은 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 선형 위상 프로파일(S1, S2)의 경사도만큼 기울인 것으로 볼 수 있다. 도시되지는 않았지만 제3 및 제4 나노 광학 마이크로렌즈(133, 134)를 투과한 직후의 광의 위상 프로파일도 제1 및 제2 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132)를 투과한 직후의 광의 위상 프로파일과 유사한 형태를 가질 수 있다.
볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일은 입사광을 집광시키는 역할을 하며, 선형 위상 프로파일(S1, S2)은 입사광의 진행 방향을 편향시키는 역할을 할 수 있다. 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2)의 기울기는 제1 방향을 따른 주광선 각도에 따라 결정될 수 있다. 제1 방향을 따른 주광선 각도는 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부로부터 제1 방향을 따라 멀어질수록 증가한다. 따라서, 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부로부터 제1 방향을 따라 멀어질수록 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2)의 기울기도 증가할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2)의 기울기는 제1 방향을 따라 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)에 입사하는 입사광의 입사각의 사인 값, 다시 말해 주광선 각도의 사인 값 sin(CRA)에 비례할 수 있다.
한편, 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서 제2 방향을 따른 주광선 각도는 0도이다. 따라서, 제2 방향으로는 입사광의 진행 방향을 변경할 필요가 없기 때문에, 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서 제2 방향으로는 선형 위상 프로파일의 기울기가 0이고 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 통과한 직후의 광은 제2 방향을 따라 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다.
또한, 크로스토크를 방지하거나 최소화하기 위해, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에서도 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격은 나노 구조물(NP)들의 배열 주기보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 가장 우측에 배치된 나노 구조물(NP)과 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 가장 좌측에 배치된 나노 구조물(NP) 사이의 제1 방향을 따른 제1 간격(Gx)은 나노 구조물(NP)들의 제1 주기(Px)보다 클 수 있다(즉, Gx > Px). 이와 마찬가지로, 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 가장 아래쪽에 배치된 나노 구조물(NP)과 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 가장 위쪽에 배치된 나노 구조물(NP) 사이의 제2 방향을 따른 제2 간격(Gy)은 나노 구조물(NP)들의 제2 주기(Py)보다 클 수 있다(즉, Gy > Py). 다시 말해, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에 대해 설명한 수학식 (1) 내지 (3)의 관계들은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 전체 영역에서 동일하게 적용될 수 있다.
실시예에 따르면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 전체 영역에서 수학식 (1)의 α 값이 일정할 수 있다. 따라서, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 전체 영역에서 제1 방향 및 제2 방향을 따른 나노 구조물(NP)들의 제1 주기(Px)와 제2 주기(Py)가 일정할 수 있다. 또한, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 제1 방향 및 제2 방향을 따른 제1 간격(Gx)과 제2 간격(Gy)도 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 전체 영역에서 일정할 수 있다.
도 9는 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 9를 참조하면, 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(10)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(11, 12, 13, 14) 내에 배열된 나노 구조물(NP)들의 직경은 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 대응하는 나노 구조물(NP)들의 직경과 동일할 수 있다. 그러나 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(10)에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격(G1)은 나노 구조물(NP)들의 배열 주기(P1)와 동일할 수 있다. 다시 말해, 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(10)의 전체 영역에 배열된 모든 나노 구조물(NP)들 사이의 간격이 일정할 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 이미지 센서와 비교예에 따른 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 비교하여 보이는 그래프이다. 도 10에서 'Gb', 'B', 'R', 'Gr'로 표시된 그래프는 각각 제1 화소(111)에서 녹색광에 대한 양자 효율, 제2 화소(112)에서 청색광에 대한 양자 효율, 제3 화소(113)에서 적색광에 대한 양자 효율, 제4 화소(114)에서 녹색광에 대한 양자 효율을 나타낸다. 또한 도 10에서 점선은 비교예에 따른 양자 효율을 나타내고 실선은 실시예에 따른 양자 효율을 나타낸다. 도 10을 참조하면, 비교예에 따른 이미지 센서에 비하여 실시예에 따른 이미지 센서에서 크로스토크가 낮아진 것을 알 수 있다. 특히, 실시예에 따른 이미지 센서에서 청색광 및 적색광에 대한 크로스토크가 낮아질 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 이미지 센서의 크로스토크는 비교예에 따른 이미지 센서에 비해 약 10 % 정도 낮아질 수 있다.
한편, 크로스토크의 원인이 되는 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 경계 부근에 위치한 나노 구조물(NP)들에 의한 산란은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)에 입사하는 입사광의 주광선 각도가 커질수록 증가할 수 있다. 또한, 주광선 각도가 0도에 가까운 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에서는 산란에 의한 영향을 무시할 수도 있다. 이러한 점을 고려하여, 수학식 (1)의 α 값이 주광선 각도와 대략적으로 비례하도록 나노 구조물(NP)들이 배열될 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부에서는 α 값이 0이고 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 가장자리를 향해 α 값이 점진적으로 증가할 수 있다. 다시 말해, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부로부터 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 가장자리를 향해 갈수록, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각 내에서 나노 구조물(NP)들의 배열 주기가 점진적으로 감소하고, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격이 점진적으로 증가할 수 있다.
다른 실시예에서, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 복수의 구역으로 나누고, 동일 구역 내에서는 수학식 (1)의 α 값이 동일하도록 나노 구조물(NP)들이 배열될 수 있다. 다시 말해, 동일 구역 내에는 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들의 배열 주기 및 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 제1 방향 및 제2 방향을 따른 간격이 일정하게 유지될 수 있다. 이 경우, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)에서 α 값은 서로 다른 두 구역에서 불연속적으로 변화할 수 있다.
예를 들어, 도 11은 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 복수의 구역들을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 11을 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 가장 중심부의 제1 구역(130A), 제1 구역(130A)을 둘러싸는 주변부의 제2 구역(130B), 및 제2 구역(130B)을 둘러싸는 주변부의 제3 구역(130C)을 포함할 수 있다. 제1 구역(130A)은 화소 어레이(1100)의 중심부에 대응할 수 있다. 예를 들어, 입사광의 주광선 각도가 약 10° 이내인 구역을 화소 어레이(1100)의 중심부로 정의할 수 있다. 따라서, 화소 어레이(1100)의 중심부는 엄격하게 주광선 각도가 0°인 영역뿐만 아니라 소정 범위 내에서 0°보다 약간 큰 영역도 포함할 수 있다. 제2 구역(130B)에서 입사광의 주광선 각도는, 예를 들어, 약 10°보다 크고 약 20° 이내일 수 있다. 또한, 제3 구역(130C)에서 입사광의 주광선 각도는, 예컨대, 약 20°보다 클 수 있다.
예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부의 제1 구역(130A)에서 수학식 (1)의 α 값은 0일 수도 있다. 도 12는 도 11의 제1 구역(130A)에 대응하는 이미지 센서의 화소 어레이의 중심부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이고, 도 13은 도 12에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 수학식 (1)의 α 값이 0인 경우, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부의 제1 구역(130A)에서는 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격(G0)이 나노 구조물(NP)들의 배열 주기(P0)와 동일할 수 있다. 그러면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부의 제1 구역(130A) 내에 배열된 모든 나노 구조물(NP)들 사이의 간격이 일정할 수 있다.
제1 구역(130A), 제2 구역(130B), 및 제3 구역(130C)에서 수학식 (1)의 α 값은 다르게 설정될 수 있다. 예컨대, 제2 구역(130B)의 α 값은 제1 구역(130A)의 α 값보다 크고, 제3 구역(130C)의 α 값은 제2 구역(130B)의 α 값보다 클 수 있다. 따라서, 제2 구역(130B)에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들의 배열 주기는 제1 구역(130A)에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들의 배열 주기보다 작을 수 있다. 또한, 제3 구역(130C)에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들의 배열 주기는 제2 구역(130B)에 배치된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들의 배열 주기보다 작을 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들은 제1 구역(130A)으로부터 제3 구역(130C)으로 갈수록 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)의 중심 쪽으로 더욱 집중하여 배열될 수 있다.
또한, 제2 구역(130B)에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격은 제1 구역(130A)에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격보다 크고, 제3 구역(130C)에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격은 제2 구역(130B)에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물(NP) 사이의 간격보다 클 수 있다. 도 11에는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)가 3개의 구역으로 분할된 것으로 도시되었으나, 이는 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며 구역의 개수는 3개로 한정되지 않는다. 또한, 복수의 구역을 나누기 위한 기준이 되는 입사광의 주광선 각도의 범위도 역시 이미지 센서(1000)의 크기와 감도 등을 고려하여 다양하게 선택될 수 있다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 중심부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이고, 도 15는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 14 및 도 15를 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 컬러 필터층(120) 위에 배치된 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130_1) 및 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130_1) 위에 배치된 제2 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130_2)를 포함할 수 있다. 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130_1)와 제2 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130_2) 각각은 복수의 나노 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130_1)는 복수의 제1 나노 구조물(NP1)을 포함하고, 제2 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130_2)는 복수의 제1 나노 구조물(NP1) 위에 배치된 복수의 제2 나노 구조물(NP2)을 포함할 수 있다. 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격 및 나노 구조물들의 배열 주기에 대한 상술한 설명은 나노 구조물의 각각의 개별 층에도 적용될 수 있다.
예를 들어, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제1 나노 구조물(NP1) 사이의 간격은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 제1 나노 구조물(NP1)의 배열 주기보다 클 수 있다. 또한, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제2 나노 구조물(NP2) 사이의 간격은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 제2 나노 구조물(NP2)의 배열 주기보다 클 수 있다. 다시 말해, 제1 나노 구조물(NP1)에 대해 수학식 (1)의 α 값은 0보다 클 수 있으며, 제2 나노 구조물(NP2)에 대해서도 수학식 (1)의 α 값은 0보다 클 수 있다. 제1 나노 구조물(NP1)에 대한 α 값과 제2 나노 구조물(NP2)에 대한 α 값은 동일할 수도 있다. 예를 들어, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제1 나노 구조물(NP1) 사이의 간격과 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제2 나노 구조물(NP2) 사이의 간격은 동일할 수 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 주변부의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 16을 참조하면, 화소 어레이의 주변부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에서 제1 나노 구조물(NP1) 위의 제2 나노 구조물(NP2)은 제1 나노 구조물(NP1)에 대해 화소 어레이의 중심부 또는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부를 향해 시프트 될 수 있다. 이 경우에도, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제2 나노 구조물(NP2) 사이의 간격은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 제2 나노 구조물(NP2)의 배열 주기보다 클 수 있다. 또한, 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제2 나노 구조물(NP2) 사이의 간격은 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제1 나노 구조물(NP1) 사이의 간격과 동일할 수 있다.
도 17 내지 도 19는 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 화소 어레이는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 입광면 위에 배치된 반사 방지층(140)을 더 포함할 수 있다. 반사 방지층(140)은 입사광 중 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 상부 표면에서 반사되는 광을 줄여 화소 어레이(1102)의 광 이용 효율을 개선할 수 있다. 반사 방지층(140)은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 나노 구조물의 재료와 굴절률이 상이한 재료, 예를 들어, SiO2, Si3N4, 및 Al2O3 중 어느 하나의 재료로 형성된 1개 층일 수 있다. 반사 방지층(140)은 80 nm 내지 120 nm 두께로 형성될 수 있다. 또는, 반사 방지층(140)은 서로 다른 유전체 재료를 번갈아 적층하여 형성된 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 반사 방지층(140)은 SiO2, Si3N4, 및 Al2O3 중 2개 또는 3개의 재료를 번갈아 적층하여 형성될 수 있다. 또는, 반사 방지층(140)은 입사광의 방지하도록 패터닝된 다양한 패턴을 포함할 수도 있다.
도 18을 참조하면, 화소 어레이는 유기 컬러 필터 대신에 무기 컬러 필터를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 화소 어레이는 센서 기판(110)과 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130) 사이에 배치된 무기 컬러 필터층(120a)을 포함할 수 있다. 무기 컬러 필터층(120a)은 제1 화소(111) 위에 배치된 제1 무기 컬러 필터(121a) 및 제2 화소(112) 위에 배치된 제2 무기 컬러 필터(122a)를 포함할 수 있다. 도 18에는 도시되지 않았지만, 무기 컬러 필터층(120a)은 제3 화소(113) 위에 배치된 제3 무기 컬러 필터와 제4 화소(114) 위에 배치된 제4 무기 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
제1 무기 컬러 필터(121a)는, 예를 들어, 녹색광을 투과하고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하도록 구성된 나노 패턴들을 포함할 수 있다. 제2 무기 컬러 필터(122a)는, 예를 들어, 청색광을 투과하고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하도록 구성된 나노 패턴들을 포함할 수 있다. 제1 무기 컬러 필터(121a)의 나노 패턴들은 녹색광의 파장 대역보다 작은 폭, 간격, 주기 등을 갖도록 배열되고, 제2 무기 컬러 필터(122a)의 나노 패턴들은 청색광의 파장 대역보다 작은 폭, 간격, 주기 등을 갖도록 배열될 수 있다. 또한, 제3 무기 컬러 필터는 적색광을 투과하고 다른 파장 대역을 흡수 또는 반사하도록 구성된 나노 패턴들을 포함하고, 제4 무기 컬러 필터는 녹색광을 투과하고 다른 파장 대역을 흡수 또는 반사하도록 구성된 나노 패턴들을 포함할 수 있다. 또한, 나노 패턴들의 주변에는 나노 패턴들을 둘러싸며 나노 패턴들의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 유전체 재료가 채워질 수 있다.
도 19를 참조하면, 화소 어레이는 유기 컬러 필터 대신에 대역 통과 필터를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 화소 어레이는 센서 기판(110)과 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130) 사이에 배치된 대역 통과 필터층(120b)을 포함할 수 있다. 대역 통과 필터층(120b)은 제1 화소(111) 위에 배치된 제1 대역 통과 필터(121b) 및 제2 화소(112) 위에 배치된 제2 대역 통과 필터(122b)를 포함할 수 있다. 도 19에는 도시되지 않았지만, 대역 통과 필터층(120b)은 제3 화소(113) 위에 배치된 제3 대역 통과 필터와 제4 화소(114) 위에 배치된 제4 대역 통과 필터를 더 포함할 수 있다.
대역 통과 필터는 일반적인 컬러 필터와 다른 통과 대역을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 대역 통과 필터(121b, 122b)는 적외선 통과 필터 또는 자외선 통과 필터일 수 있다. 또는, 제1 및 제2 대역 통과 필터(121b, 122b)는 가시광을 일반적인 컬러 필터보다 좁은 파장 대역으로 나누기 위한 분광 필터일 수 있다. 제1 대역 통과 필터(122a)는 제1 파장 대역의 광을 투과하고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하도록 구성된 나노 패턴들을 포함하고, 제2 대역 통과 필터(122a)는 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 투과하고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하도록 구성된 나노 패턴들을 포함할 수 있다.
도 20 내지 도 23은 또 다른 실시예들에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 나노 구조물(NP)의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각은 동일한 형태의 나노 구조물(NP)들을 포함할 수 있다. 그러나, 집광하고자 하는 광의 파장에 따라 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)에서 나노 구조물(NP)들의 직경 또는 배열 형태 등이 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)는 녹색광이 제1 및 제4 화소(111, 114) 내에 집광되도록 녹색광에 대한 초점 거리를 고려하여 설계될 수 있고, 제2 나노 광학 마이크로 렌즈(132)는 청색광이 제2 화소(112) 내에 집광되도록 청색광에 대한 초점 거리를 고려하여 설계될 수 있고, 제3 나노 광학 마이크로 렌즈(133)는 적색광이 제3 화소(113) 내에 집광되도록 적색광에 대한 초점 거리를 고려하여 설계될 수 있다.
예를 들어, 도 20에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130a)에서, 파장이 가장 긴 적색광을 집광시키기 위해 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경은 녹색광을 집광시키는 제1 및 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경보다 클 수 있다. 또한, 제1 및 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경은 파장이 가장 짧은 청색광을 집광시키는 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경보다 클 수 있다.
지금까지 나노 구조물(NP)이 원기둥의 형태를 갖는 것으로 도시되었으나, 나노 구조물(NP)은 다른 다양한 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 21을 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130b)의 나노 구조물(NP)은 사각 기둥과 같은 다각 기둥의 형태를 가질 수 있다. 또는 나노 구조물(NP)은 사각통과 같은 다각통의 형태 또는 원통의 형태를 가질 수도 있다.
또한, 도 22를 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130c)의 나노 구조물(NP)은 저굴절률을 갖는 홀(hole) 패턴의 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 홀 패턴 형태의 나노 구조물(NP) 주변에 상대적으로 고굴절률의 유전체가 채워질 수 있다. 예를 들어, 고굴절률을 갖는 유전체층을 식각함으로써 홀 패턴 형태의 나노 구조물(NP)을 형성할 수 있다.
또한, 도 23을 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130d)의 나노 구조물(NP')은 동심 배열된 복수의 나노 구조물 링 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 내부에서 인접한 두 나노 구조물 링 사이의 간격(P)은 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 링 사이의 간격(G)보다 작을 수 있다. 여기서, 두 나노 구조물 링 사이의 간격은 두 나노 구조물 링의 평균 반경의 차이로 정의될 수 있고, 각각의 나노 구조물 링의 평균 반경은 나노 구조물 링의 내부 반경과 외부 반경 사이의 평균 반경으로 정의될 수 있다.
도 24는 또 다른 실시예들에 따른 화소 어레이의 센서 기판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 24를 참조하면, 센서 기판(110)의 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각은 독립적으로 입사광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각은 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 2차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각에서 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)은 2×2 어레이 형태로 배열될 수 있다. 이 경우, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 중 대응하는 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)과 마주하여 배치될 수 있다.
실시예에 따르면, 인접한 광감지셀들의 출력 신호들 사이의 차이로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다. 예를 들어, 제1 광감지셀(c1)의 출력 신호와 제2 광감지셀(c2)의 출력 신호 사이의 차이, 제3 광감지셀(c3)의 출력 신호와 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호 사이의 차이, 또는 제1 광감지셀(c1)과 제3 광감지셀(c3)의 출력 신호의 합과 제2 광감지셀(c2)과 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호의 합 사이의 차이로부터 제1 방향(X 방향)의 자동 초점 신호를 생성할 수 있다. 또한, 제1 광감지셀(c1)의 출력 신호와 제3 광감지셀(c3)의 출력 신호 사이의 차이, 제2 광감지셀(c2)의 출력 신호와 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호 사이의 차이, 또는 제1 광감지셀(c1)과 제2 광감지셀(c2)의 출력 신호의 합과 제3 광감지셀(c3)과 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호의 합 사이의 차이로부터 제2 방향(Y 방향)의 자동 초점 신호를 생성할 수 있다. 또한, 실시예에 따르면, 인접한 광감지셀들의 출력 신호를 비교하여 구현하는 자동 초점 기능의 정확도가 크로소토크를 감소시킴으로써 향상될 수 있다.
한편, 일반적인 영상 신호는 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 얻을 수 있다. 예를 들어, 제1 화소(111)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 제1 녹색 영상 신호를 생성하고, 제2 화소(112)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 청색 영상 신호를 생성하고, 제3 화소(113)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 적색 영상 신호를 생성하고, 제4 화소(114)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 제2 녹색 영상 신호를 생성할 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각은 복수의 광감지셀을 전기적으로 분리하는 분리막(DTI)을 포함할 수 있다. 분리막(DTI)은, 예를 들어, 딥 트렌치(deep trench isolation) 구조로 형성될 수 있다. 딥 트렌치는 공기(air) 또는 전기적으로 절연성인 재료로 채워질 수 있다. 분리막(DTI)은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각을 4분할하도록 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 연장될 수 있다. 분리막(DTI)에 의해 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들이 서로 분리될 수 있다. 제1 방향(X 방향)으로 연장된 분리막(DTI)과 제2 방향(Y 방향)으로 연장된 분리막(DTI)은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각의 중심에서 서로 교차할 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 중 인접한 화소들 사이에도 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 분리막(DTI)이 배치될 수 있다. 따라서, 분리막(DTI)에 의해 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)들이 서로 분리될 수 있다. 제1 방향(X 방향)으로 연장된 분리막(DTI)과 제2 방향(Y 방향)으로 연장된 분리막(DTI)은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 단위 베이어 패턴의 중심에서 서로 교차할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 성능의 모듈 렌즈와 함께 카메라 모듈을 구성할 수 있고, 다양한 전자 장치에 활용될 수 있다.
도 25는 이미지센서(1000)를 포함하는 전자 장치(ED01)의 일 예를 나타내는 블록도다. 도 25를 참조하면, 네트워크 환경(ED00)에서 전자 장치(ED01)는 제1 네트워크(ED98)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(ED02)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(ED99)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(ED04) 및/또는 서버(ED08)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 서버(ED08)를 통하여 전자 장치(ED04)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 프로세서(ED20), 메모리(ED30), 입력 장치(ED50), 음향 출력 장치(ED55), 표시 장치(ED60), 오디오 모듈(ED70), 센서 모듈(ED76), 인터페이스(ED77), 햅틱 모듈(ED79), 카메라 모듈(ED80), 전력 관리 모듈(ED88), 배터리(ED89), 통신 모듈(ED90), 가입자 식별 모듈(ED96), 및/또는 안테나 모듈(ED97)을 포함할 수 있다. 전자 장치(ED01)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(ED60) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(ED76)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(ED60)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.
프로세서(ED20)는, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등)를 실행하여 프로세서(ED20)에 연결된 전자 장치(ED01) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(ED20)는 다른 구성요소(센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(ED32)에 로드하고, 휘발성 메모리(ED32)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(ED34)에 저장할 수 있다. 프로세서(ED20)는 메인 프로세서(ED21)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(ED23)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)는 메인 프로세서(ED21)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.
보조 프로세서(ED23)는, 메인 프로세서(ED21)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(ED21)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)와 함께, 전자 장치(ED01)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(ED60), 센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(ED80), 통신 모듈(ED90) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.
메모리(ED30)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20), 센서모듈(ED76) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(ED30)는, 휘발성 메모리(ED32) 및/또는 비휘발성 메모리(ED34)를 포함할 수 있다.
프로그램(ED40)은 메모리(ED30)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(ED42), 미들 웨어(ED44) 및/또는 어플리케이션(ED46)을 포함할 수 있다.
입력 장치(ED50)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(ED01)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(ED50)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(ED55)는 음향 신호를 전자 장치(ED01)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(ED55)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.
표시 장치(ED60)는 전자 장치(ED01)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(ED60)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(ED60)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(ED70)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(ED70)은, 입력 장치(ED50)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(ED55), 및/또는 전자 장치(ED01)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(ED76)은 전자 장치(ED01)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(ED76)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(ED77)는 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 복수의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(ED77)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(ED78)는, 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(ED78)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있
햅틱 모듈(ED79)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(ED79)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(ED80)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 하나 또는 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리, 도 1의 이미지센서(1000), 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다.
전력 관리 모듈(ED88)은 전자 장치(ED01)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(ED88)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(ED89)는 전자 장치(ED01)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(ED89)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(ED90)은 전자 장치(ED01)와 다른 전자 장치(전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 프로세서(ED20)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 또는 복수의 커뮤니케이션 프로세서들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 무선 통신 모듈(ED92)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(ED94)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(ED98)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(ED99)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(ED92)은 가입자 식별 모듈(ED96)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(ED01)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(ED97)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(ED97)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(ED90)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(ED90)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(ED97)의 일부로 포함될 수 있다.
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(ED99)에 연결된 서버(ED08)를 통해서 전자 장치(ED01)와 외부의 전자 장치(ED04)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(ED02, ED04)은 전자 장치(ED01)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(ED01)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(ED02, ED04, ED08) 중 하나 또는 복수의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(ED01)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(ED01)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
도 26은, 도 25의 전자 장치(ED01)에 구비된 카메라 모듈(ED80)을 예시하는 블록도다. 도 26을 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(1110), 플래쉬(1120), 이미지센서(1000), 이미지 스태빌라이저(1140), 메모리(1150)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(1160)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1110)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(1110)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(ED80)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(1110)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(1110)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래쉬(1120)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(1120)는 가시광 또는 적외선 광을 방출할 수 있다. 플래쉬(1120)는 하나 또는 복수의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 이미지센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(1110)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다.
이미지 스태빌라이저(1140)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1101)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1110)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지센서(1000)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1140)는 카메라 모듈(ED80)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(ED80) 또는 전자 장치(ED01)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1140)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(1150)는 이미지센서(1000)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(1150)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(1160)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(1150)는 전자 장치(ED01)의 메모리(ED30)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(1160)는 이미지센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(1150)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 카메라 모듈(ED80)에 포함된 구성 요소들(이미지센서(1000) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(1150)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(ED80)의 외부 구성 요소(메모리(ED30), 표시 장치(ED60), 전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 프로세서(ED20)에 통합되거나, 프로세서(ED20)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)가 프로세서(ED20)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(1160)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(ED20)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(ED60)를 통해 표시될 수 있다.
또한 이미지 시그널 프로세서(1160)는 이미지 센서(1000)의 각각의 화소 또는 서브 화소 내에서 인접한 광감지셀로부터 독립적으로 2개의 출력 신호를 수신하고, 2개의 출력 신호의 차로부터 자동 초점 신호를 생성할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 자동 초점 신호를 기초로 렌즈 어셈블리(1110)의 초점이 이미지 센서(1000)의 표면에 정확하게 맞도록 렌즈 어셈블리(1110)를 제어할 수 있다.
전자 장치(ED01)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 추가적인 하나 또는 복수의 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다. 이러한 카메라 모듈도 도 26의 카메라 모율(ED80)과 유사한 구성을 포함할 수 있고, 이에 구비되는 이미지 센서는 CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있고, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
상술한 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110.....센서 기판
111, 112, 113, 114.....화소
120.....컬러 필터층
121, 122, 123, 124.....컬러 필터
125.....평탄화층
130.....나노 광학 마이크로렌즈 어레이
131, 132, 133, 134.....나노 광학 마이크로렌즈
140.....반사 방지층
1000.....이미지 센서
1100.....화소 어레이

Claims (20)

  1. 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 복수의 화소에 각각 대응하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 대응하는 화소에 입사광을 집광하도록 제1 방향 및 제2 방향을 따라 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고,
    인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격은 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 큰, 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 전체 영역에서,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각 내에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기가 일정하고, 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 일정한, 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부로부터 가장자리를 향해 갈수록, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각 내에서 복수의 나노 구조물의 배열 주기가 점진적으로 작아지고, 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 점진적으로 커지는, 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    하나의 나노 광학 마이크로렌즈의 제1 방향 폭이 Wx이고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각 내에서 상기 복수의 나노 구조물의 제1 방향 주기가 Px이고, 하나의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 제1 방향을 따라 배열된 나노 구조물(NP)들의 개수를 nx일 때,
    을 만족하며,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에서 α는 0보다 큰 값을 갖는, 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 제1 방향 간격이 Gx일 때,
    을 만족하는, 이미지 센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 전체 영역에서 상기 α의 값이 일정한, 이미지 센서.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에서 상기 α의 값이 0인, 이미지 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 α의 값이 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 입사하는 입사광의 주광선 각도와 비례하도록 상기 복수의 나노 구조물이 배열되어 있으며,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 가장자리를 향해 상기 α의 값이 점진적으로 또는 불연속적으로 증가하는, 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 중심부의 제1 구역 및 상기 제1 구역을 둘러싸는 주변부의 제2 구역을 포함하며,
    상기 제2 구역에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 상기 제1 구역에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 작고,
    상기 제2 구역에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격은 상기 제1 구역에서 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격보다 큰, 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 구역 내에서 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 및 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 일정하고,
    상기 제2 구역 내에서 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 및 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격이 일정한, 이미지 센서.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 구역 내에서 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 내의 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격과 동일한, 이미지 센서.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격과 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 사이의 차는 0 이상 약 300 nm 이하인, 이미지 센서.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격과 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기 사이의 차는 0보다 크고 각각의 화소의 폭의 약 30% 이하인, 이미지 센서.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열되어 있는, 이미지 센서.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상 프로파일은 상기 제1 방향을 따라 대칭적인 형태를 가지며 상기 제2 방향을 따라 대칭적인 형태를 갖는, 이미지 센서.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 경사지게 입사하는 광을 편향시켜 대응하는 화소의 중심부에 집광시키도록 구성된, 이미지 센서.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 위상 프로파일을 갖는, 이미지 센서.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이 및 상기 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이 위에 배치된 제2 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 제1 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 복수의 제1 나노 구조물을 포함하고 상기 제2 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 상기 복수의 제1 나노 구조물 위에 배치된 복수의 제2 나노 구조물을 포함하며,
    인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제1 나노 구조물 사이의 간격과 인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 제2 나노 구조물 사이의 간격이 동일한, 이미지 센서.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에서 상기 복수의 제2 나노 구조물은 상기 복수의 제1 나노 구조물에 대해 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부를 향해 시프트 되어 있는, 이미지 센서.
  20. 피사체의 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리;
    상기 렌즈 어셈블리가 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서에서 생성된 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하며,
    상기 이미지 센서는:
    입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 복수의 화소에 각각 대응하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 대응하는 화소에 입사광을 집광하도록 제1 방향 및 제2 방향을 따라 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고,
    인접한 두 나노 광학 마이크로렌즈의 경계를 사이에 두고 직접 마주하여 배치된 두 나노 구조물 사이의 간격은 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에서 상기 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 큰, 전자 장치.
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