KR20170087430A - 지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치 - Google Patents

지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지문센서에 관한 것이다. 지문센서 패키지는, 평행한 상면과 하면을 포함하며, 상기 하면의 일측에 형성된 입사 영역으로부터 상면에 형성된 유효 지문 접촉 영역까지 제1 각도로 연장된 제1 광 경로 및 상기 유효 지문 접촉 영역으로부터 상기 하면의 타측에 형성된 유효 검출 영역 사이에 제2 각도로 경사진 제2 광 경로를 제공하는 유리 기판 및 상기 유효 검출 영역의 하부에 배치되며, 상기 유효 검출 영역에 도달한 빛으로 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하되, 상기 제1 각도는 상기 하면에 수직한 직선과 상기 제1 광 경로 사이의 각도이고, 상기 제2 각도는 상기 상면에 수직한 직선과 상기 제2 광 경로 사이의 각도이며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 동일하며, 상기 입사 영역과 상기 유효 검출 영역은 중첩되지 않는다.

Description

지문센서 패키지 및 지문인식 기능을 구비한 전자장치{Image sensor package for finger-print and electronic device capable of detecting finger-print}
본 발명은 지문센서에 관한 것이다.
지문센서는 지문의 이미지를 촬영하여 전기 신호로 변환한다. 지문이미지 촬영을 위해서, 종래의 광학식 지문센서는 지문에 빛을 조사하여 반사시키는 광학계를 구비한다. 그러나, 프리즘, 반사 미러, 렌즈와 같은 광학계는 일반적으로 상당한 체적을 가지기 때문에, 광학식 지문센서를 구비한 전자장치는 소형화가 어렵다.
한편, 휴대 전화나 태블릿 등과 같은 휴대용 전자장치를 중심으로 지문센서를 장착한 전자장치의 종류와 수가 증가하고 있다. 전자장치의 전면에 지문센서를 장착하기 위해서는 지문과 접촉하는 지문센서의 센싱부가 외부로 노출되어야 한다. 따라서 디자인 또는 디스플레이 보호를 위해서 전자장치의 전면 전체를 보호 매체, 예를 들어, 커버 글라스나 투명 필름 등으로 덮는 경우에는 정전용량 변화를 감지하는 커패시티브 방식과 같은 지문센서를 전자장치의 전면에 장착하기 어렵다.
소형화가 가능하면서도 보호 매체 아래에서 지문이미지를 생성할 수 있는 광학 지문센서 패키지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따른 실시예로, 지문센서 패키지가 제공된다. 지문센서 패키지는, 평행한 상면과 하면을 포함하며, 상기 하면의 일측에 형성된 입사 영역으로부터 상면에 형성된 유효 지문 접촉 영역까지 제1 각도로 연장된 제1 광 경로 및 상기 유효 지문 접촉 영역으로부터 상기 하면의 타측에 형성된 유효 검출 영역 사이에 제2 각도로 경사진 제2 광 경로를 제공하는 유리 기판 및 상기 유효 검출 영역의 하부에 배치되며, 상기 유효 검출 영역에 도달한 빛으로 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하되, 상기 제1 각도는 상기 하면에 수직한 직선과 상기 제1 광 경로 사이의 각도이고, 상기 제2 각도는 상기 상면에 수직한 직선과 상기 제2 광 경로 사이의 각도이며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 동일하며, 상기 입사 영역과 상기 유효 검출 영역은 중첩되지 않는다.
일 실시예로, 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로를 연장하는 커버 글라스가 상기 유리 기판의 상면에 밀착될 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 광 경로로 진행한 빛은, 상기 유효 지문 접촉 영역에서 지문의 융선에 적어도 일부가 흡수되거나 상기 지문의 융선이 접촉하지 않은 영역에서 반사될 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서는, 상기 유효 검출 영역의 적어도 일부와 접하도록 상기 하면에 밀착되는 지문센서 패키지.
일 실시예로, 상기 이미지 센서는, 상기 유효 검출 영역으로부터 이격될 수 있다.
일 실시예로, 상기 이미지 센서는 상기 평행면광의 파장대에 대하여 투명한 재료를 이용하여 상기 유리 기판의 하면에 공기가 개재되지 않도록 밀착될 수 있다.
일 실시예로, 상기 유리 기판의 일측 하부에 위치하며, 상기 제1 광 경로로 진행하는 평행면광을 상기 입사 영역에 조사하는 평행면광 발생기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 평행면광 발생기는 상기 유리 기판의 하면에 수직한 방향과 상기 평행면광의 진행 방향 사이 각도가 85도 내지 90도가 되도록 상기 평행면광을 조사할 수 있다.
일 실시예로, 상기 평행면광은 근적외선일 수 있다.
일 실시예로, 상기 평행면광 발생기는 주기적으로 턴온 및 턴 오프되며, 상기 이미지 센서는 상기 평행면광 발생기 턴온시 지문이미지 및 상기 평행면광 발생기 턴 오프시 지문이미지를 모두 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 지문센서 패키지는 소형화가 가능하면서도 보호 매체 아래에서 지문이미지를 생성할 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 지문센서 패키지의 개략적인 구조 및 동작 원리를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 입사각에 따른 굴절각의 변화를 설명하기 위해 도 1의 A 및 C를 상세하게 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 지문센서 패키지가 보호 매체 아래 위치한 예를 예시적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 평행면광 발생기의 일 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 입사각 조절기의 역할을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 평행면광 발생기의 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 7은 도 6에 평행면광 발생기를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 저면을 나타낸 저면도이다.
도 8은 평행면광 발생기의 또 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 9는 유리 기판의 일측 하면을 경사지게 형성한 예를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 지문센서 패키지가 보호 매체 아래 위치한 예를 예시적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 11 및 도 12은 도 10의 지문센서 패키지의 동작을 예시적으로 설명하기 위해 I-I'를 따라 절단한 단면도이다.
도 13는 지문센서 패키지의 구조 및 동작을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 지문센서 패키지의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 저면도이다.
도 15은 도 12에 도시된 지문센서 패키지의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 상면도이다.
도 16은 이미지 센서의 일 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 17은 이미지 센서의 다른 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 용어 중 “실질적으로”, “거의”는 실제 구현시 적용되는 마진이나 발생가능한 오차를 고려하기 위한 표현이다. 예를 들어, “실질적으로 90도”는 90도일 때의 효과와 동일한 효과를 기대할 수 있는 각도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다. 다른 예로, “거의 없는”은 무엇인가가 미미하게 존재하더라도 무시할 수 있는 정도까지 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
도 1은 지문센서 패키지의 개략적인 구조 및 동작 원리를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 지문센서 패키지는 이미지 센서(100), 유리 기판(110) 및 평행면광 발생기(120)를 포함한다.
평행면광 발생기(120)는 유리 기판(110)의 일측 하부에 위치하며, 평행면광(130)을 이미지 센서(100) 방향으로 유리 기판(110)의 하면에 조사한다. 평행면광(130)의 진행 방향과 유리 기판(110) 하면의 수직 방향 사이의 각도, 즉, 평행면광(130)의 입사각은 85도 내지 90도일 수 있다. 다시 말해, 평행면광 발생기(120)는 평행면광(130)을 유리 기판(100) 하면과 실질적으로 평행하게 조사한다. 일 실시예로, 평행면광 발생기(120)는 평행면광 발생기(120)의 하나 이상의 면 중에서 이미지 센서(100)를 향하는 면 전체가 발광하는 면발광 소자일 수 있다. 예를 들어, 평행면광 발생기(120)는 직진성이 높은 평행면광을 조사할 수 있는 레이저 다이오드 또는 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다. 이외에, 평행면광 발생기(120)의 다양한 구조는 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
일 실시예로, 평행면광 발생기(120)는 850nm내지 950nm인 근적외선(NIR)의 평행면광을 생성할 수 있다. 근적외선은 단파장광에 비해 피부에서의 광흡수율이 좋기 때문에 선명한 지문이미지를 얻을 수 있다. 따라서 근적외선의 평행면광을 이용하는 경우에는 평행면광 발생기(120)를 일정한 주파수로 턴온 또는 턴 오프하면서 지문이미지를 획득하고, 턴온시 획득한 지문이미지와 턴 오프시 획득한 지문이미지의 차이를 산출하여 지문 인식에 이용할 수 있다. 한편, 지문센서 패키지가 장착된 전자장치가 야외에서 사용될 때, 자연광에 포함된 근적외선은 손가락 내부로 확산될 수 있다. 이 경우, 평행면광에 의해 얻어진 지문이미지와는 반대로, 지문의 융선이 상대적으로 밝게 나타나고 골은 어둡게 나타날 수 있다. 따라서, 평행면광 발생기(120)를 턴온시 획득한 지문이미지와 턴 오프시 획득한 지문이미지 중 선명한 지문이미지를 지문 인식에 이용할 수도 있다.
다른 실시예로, 평행면광 발생기(120)는 단파장의 평행면광을 생성할 수 있다. 여기서, 평행면광은 파장이 320nm내지 400nm인 UVA(Ultraviolet A) 또는 450nm 이하의 청색광일 수 있다. 지문센서 패키지가 장착된 전자장치가 야외에서 사용될 때, 외부 광에 의해 이미지 센서(100)의 화소가 포화(saturated)되어 지문이미지를 생성할 수 없게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해서, 단파장의 평행면광이 사용될 수 있다.
유리 기판(110)은 평행면광(130)이 이미지 센서(100)에 입사되는 광 경로를 제공한다. 평행면광(130)은 유리 기판(110)의 하면에서 굴절되어 굴절된 평행면광(140, 150; 이하 굴절광이라 함)이 되고, 굴절광(140, 150)은 유리 기판(110)의 상면에서 1차 반사되어 반사된 평행면광(145, 155; 이하 반사광)이 된다. 반사광(145, 155)은 이미지 센서(100)에 입사되어 지문이미지 생성에 이용된다. 유리 기판(110) 하면의 유효 평행면광 입사 영역의 폭 W_LE은 평행면광(130)의 입사각에 의해 결정될 수 있다. 유리 기판(110) 상면의 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_C은 유리 기판(110)의 두께 TGS에 의해 결정되며, 이에 따라 지문이미지의 폭이 결정될 수 있다. 유효 지문 접촉 영역은 굴절광(140, 150)이 1차 반사되는 영역 중 지문에 의해 흡수 또는 반사되어 이미지 센서(100)로 입사하는 반사광(145, 155)이 나오는 영역이다. 따라서 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_C는 이미지 센서(100)의 폭 W_IS 이하일 수 있다. 유리 기판(110)의 두께 TGS에 따라 변하는 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_C은 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
유리 기판(110)의 폭 W_GS는 이미지 센서(100)의 폭 W_IS보다 크다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유리 기판(110)은 하면을 통해 입사한 평행면광(130)이 상면에 1차 반사되어 이미지 센서(100)에 입사되는 광 경로를 제공한다. 유리 기판(110) 하면에 입사한 평행면광(130)은 입사각에 의해 결정되는 굴절각만큼 굴절되어 유리 기판(110)의 상면을 향한다. 굴절광(140, 150)은 유리 기판(110) 상면에서 굴절각과 동일한 반사각으로 1차 반사되어 이미지 센서(100)로 입사된다. 이로 인해 유리 기판(110) 상면의 유효 지문 접촉 영역은 이미지 센서(100)와 평행면광 발생기(120) 사이에 형성된다. 지문센서 패키지의 상부에서 봤을 때, 유효 지문 접촉 영역과 이미지 센서(100)는 유리 기판(110)의 두께 TGS에 따라 적어도 일부분 중첩될 수 있다.
이미지 센서(100)는 유리 기판(110)의 타측 하면에 위치하며, 이미지 센서(100)의 상면은 유리 기판(110)의 하면에 밀착된다. 유리 기판(110) 하면과 이미지 센서(100)의 상면은 실질적으로 평탄하며, 사용되는 파장대에 대하여 투명한 재료, 예를 들어, 클리어 에폭시 등을 이용하여 공기가 개재되지 않도록 밀착될 수 있다. 이미지 센서(100)와 유리 기판(110)의 하면 사이에 공기가 개재되면, 반사광(145, 155)은 이 유리 기판-공기층간 굴절율의 차이로 인해 유리 기판(110) 하면 또는 이미지 센서(100) 상면에서의 표면 반사율이 증가되며, 그 결과 반사광(145, 155)은 공기층과 나란한 방향으로 굴절하게 된다. 이 때 굴절각은 최초 입사각과 같아질 수 있다. 그 결과, 반사광(145, 155)은 이미지 센서(100)에 입사하지 않는다. 또한, 이미지 센서(100)가 유리 기판(110)의 하면에 밀착되지 못하면, 외부로부터 빛이 공기층을 통해 다양한 입사각으로 이미지 센서(100)에 입사될 수 있다.
이미지 센서(100)는 지문이미지(160)를 생성한다. 지문이미지(160)에서, 지문의 융선은 상대적으로 어둡고 지문의 골은 상대적으로 밝게 나타난다. 유효 지문 접촉 영역에서, 지문의 융선이 접촉하는 부분 A는 굴절광(140)을 흡수하거나 산란시킨다. 따라서 지문의 융선과 접촉한 부분 A에서 나오는 반사광(145)은 소멸되거나 상대적으로 작은 광량을 가지게 된다. 이로 인해, 이미지 센서(100)는 융선에 의해 반사된 반사광(145)을 거의 검출하지 못한다. 이와 반대로, 유효 지문 접촉 영역에서, 지문의 골이 접촉하는 부분 B는 굴절광(150)을 흡수하거나 산란시키지 않는다. 따라서, 지문의 골과 접촉한 부분 B에서 나오는 반사광(155)은 거의 손실되지 않은 광량을 가지게 된다. 이로 인해, 이미지 센서(100)는 골에 의해 반사된 반사광(155)을 검출할 수 있다. 따라서, 지문이미지(160)에서, 지문의 골 B'은 지문의 융선 A'에 비해 상대적으로 밝게 나타나게 된다.
도 2는 입사각에 따른 굴절각의 변화를 설명하기 위해 도 1의 A 및 C를 상세하게 나타낸 예시도이다.
도 2의 (a) 내지 (c)에서, 평행면광(210a, 210b, 210c)의 입사각은 θ1, 굴절각은 θ2로 각각 정의된다. 여기서, 입사각 θ1은 평행면광(210a, 210b, 210c)의 진행 방향과 유리 기판(200) 하면에 수직한 방향 사이의 각도이며, 굴절각 θ2는 굴절광(220a, 220b, 220c)의 진행 방향과 유리 기판(200) 하면의 수직 방향 사이의 각도이다.
평행면광(210a, 210b, 210c)은 평행면광 발생기로부터 조사되어 입사점 C에서 유리 기판(200)에 입사된다. 도 2에서, 평행면광(210a, 210b, 210c)이 굴절율 N1=1.0인 공기를 거쳐 예를 들어, 굴절율 N2=1.5인 유리 기판(200)에 입사되는 것으로 예시되어 있다. 입사점 C에서 입사각 θ1과 굴절각 θ2는 N1 X Sin θ1 = N2 X Sin θ2와 같은 관계를 가진다. 이 관계를 이용하여 입사각 θ1을 0도부터 5도씩 증가하여 굴절각 θ2를 계산하면, 아래 표 1을 얻을 수 있다.
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 입사각 θ1이 0도일 때, 평행면광(210a, 210b, 210c)은 굴절하지 않고 유리 기판(200)에 입사되며, 입사각 θ1이 증가할수록 굴절각 θ2가 지속적으로 증가한다. 입사각 θ1이 0도부터 35도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ2는 대략 3도씩 증가하고, 입사각 θ1이 35도부터 60도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ2는 대략 2도씩 증가하고, 입사각 θ1이 60도부터 80도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ2는 대략 1도씩 증가하며, 입사각 θ1이 80도부터 90도까지 5도씩 변하는 구간에서, 굴절각 θ2는 대략 0.4도씩 증가한다. 한편, 입사각 θ1과 유리 기판(200)의 두께 TGS에 따른 입사점 C와 반사광(230a, 230b, 230c)이 유리 기판(200)의 하면과 만나는 지점 사이의 거리 x는 입사각 θ1이 0도에서 55도 사이에서는 실질적으로 동일한 증가분 Δx 만큼 증가하고, 입사각 θ1이 55도보다 커지면서 증가분 Δx가 감소하기 시작하며, 입사각 θ1이 85도보다 커지면 85도 이전 구간에 비해 증가분 Δx가 매우 작아진다. 종합하면, 입사각 θ1이 85도부터 90도까지 구간에 속하면, 입사각 θ1 변화하더라도 거리 x의 변화가 거의 없는 평행광과 같아지게 되고 균일한 굴절광(220a, 220b, 220c) 및 균일한 반사광(230a, 230b, 230c)이 생성될 수 있다.
한편, 유리 기판의 두께를 1mm에서 2mm로 증가시키면, 굴절광(220a, 220b, 220c) 및 균일한 반사광(230a, 230b, 230c)의 유리 기판(200) 내에서의 광 경로가 증가하고, 그 결과로 거리 x가 유기 기판(200)의 높이 증가에 실질적으로 비례하여 증가한다. 거리 x의 증가는 유리 기판(200)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역이 증가함을 나타낸다. 광 경로가 증가함에 따라 지문을 검출할 수 있는 유효 지문 접촉 영역이 증가하는 관계는 이하 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 지문센서 패키지가 보호 매체 아래 위치한 예를 예시적으로 설명하기 위한 사시도이다.
보호 매체는 광학적으로 투명한 매체로서 전자장치의 외면이 손상되는 것을 방지한다. 이러한 보호 매체의 일 예는 휴대 전화의 전면에 부착되어 디스플레이를 보호하는 커버 글라스이다. 한편, 도 3에서, 두께 TCG를 갖는 하나의 보호 매체가 예시되어 있으나, 둘 이상의 보호 매체가 중첩될 수도 있다. 예를 들어, 커버 글라스 상면에 보호 필름이 부착될 수 있다. 단순한 예시를 위해 보호 매체가 지문센서 패키지와 동일한 형상과 넓이를 가진 것으로 도시되어 있으나, 보호 매체가 측면 방향으로 확장될 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, 지문센서 패키지의 유리 기판(310) 상면은 보호 매체인 커버 글라스의 하면에 공기가 개재되지 않도록 밀착된다. 유리 기판(310)의 상면을 커버 글라스의 하면에 밀착시키면, 굴절광이 유리 기판(310)의 상면과 공기와의 접촉면에서 반사되지 않고 커버 글라스의 상면까지 도달한 후 반사된다. 커버 글라스와 유리 기판(310) 사이에 공기가 개재되면, 굴절광이 유리 기판-공기층간 굴절율의 차이로 인해 유리 기판(310)의 상면 또는 커버 글라스의 하면에서의 표면 반사율이 증가되며, 그 결과 반사광은 공기층과 나란한 방향으로 굴절하게 되어 유리 기판(310)에 입사하지 않게 된다. 그러므로 유리 기판(310)의 상면과 커버 글라스의 하면 사이는 공기가 유입되지 않게 밀착되어야 한다.
지문센서 패키지의 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_C' 및 유효 검출 영역의 폭 W_VD'은 보호 매체에 의해 증가될 수 있다. 여기서, 보호 매체의 유무에 상관없이 평행면광 발생기(320)는 동일한 평행면광 입사 영역에 평행면광을 조사한다고 가정한다.
커버 글라스가 없는 경우, 두께 TGS의 유리 기판(310)은 폭 W_LE'의 유효 평행면광 입사 영역과 폭 W_C'의 유효 지문 접촉 영역을 가진다. 유효 평행면광 입사 영역에 도달하기 전에 유리 기판(310) 하면에 입사한 평행면광도 유리 기판(310) 상면에서 반사되지만, 이미지 센서(300)의 유효 검출 영역에 도달하지 못하므로 지문이미지 생성에 이용되지 못한다. 유리 기판(310)의 두께 TGS로 인해서 이미지 센서(300)의 유효 검출 영역의 폭 W_VD'이 이미지 센서의 폭 W_IS보다 작으므로, 생성된 지문이미지는 지문이 표현된 영역(360)과 지문이 표현되지 않은 영역(365)를 가지게 된다. 이미지 센서(300)가 유리 기판(310)의 하면에 밀착되어 있기 때문에, 평행면광은 이미지 센서(300)에 의해 더 이상 직진하지 못하며, 이로 인해 이미지 센서(300)가 위치한 유리 기판(310)의 하면으로 입사하지 못한다. 이로 인해, 지문이 표현되지 않는 영역(365)이 발생한다.
커버 글라스가 있는 경우, 굴절광 및 반사광의 광 경로는 커버 글라스의 두께 TCG에 의해 증가한다. 즉 커버 글라스는 유리 기판(310)의 두께를 TGS에서 Ttotal로 증가시키는 역할을 한다. 두께 Ttotal의 유리 기판(310)은 폭 W_LE의 유효 평행면광 입사 영역과 폭 W_C의 유효 지문 접촉 영역을 가진다. 유리 기판(310)의 두께 Ttotal에 의해 이미지 센서(300)의 유효 검출 영역의 폭 W_VD이 이미지 센서의 폭 W_IS과 실질적으로 같아지므로, 생성된 지문이미지는 지문이 표현된 영역(370)만 가지게 된다. 즉, 커버 글라스로 인한 두께 중가로 인해 이미지 센서(300)에 도달하는 반사광이 증가함으로써, 지문이 표현되지 않는 영역이 사라지게 된다.
커버 글라스 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역은 유리 기판(310)의 상면에 형성된 유효 지문 접촉 영역과 동일한 기능을 한다. 즉, 굴절광이 지문의 골과 융선에 반사 또는 흡수되어 반사광이 지문이미지를 생성하는데 이용될 수 있도록 한다. 이로 인해, 지문센서 패키지가 커버 글라스 등과 같은 보호 매체 아래에서도 지문이미지를 생성할 수 있다. 한편, 커버 글라스의 굴절율은 유리 기판(310)의 굴절율과 실질적으로 동일한 편이 바람직하다. 그러나 커버 글라스와 유리 기판(310)이 밀착되어 있으므로, 굴절광 및 반사광이 유리 기판-커버 글라스 및 커버 글라스-유리 기판 사이에서 어느 정도 굴절하더라도 유효 지문 접촉 영역의 폭 W_C가 크게 변화하지는 않는다.
이미지 센서가 선명한 지문이미지를 생성하기 위해서, 단파장의 평행면광이 이용될 수 있다. 가시광선이나 근적외선과 같은 광에 비해서, 단파장의 평행면광은 손가락을 투과하거나 피부에서 확산되는 효과가 낮다. 따라서 단파장의 평행면광을 이용하면, 평행면광 생성기(310)로부터 입사되는 평행면광 이외의 외부 광을 차광할 때 매우 효과적일 수 있다. 외부 광의 차광은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 유리 기판(310)은 단파장광만 통과하는 대역 통과 필터의 기능을 가질 수 있다. 다른 실시예로, 도 3에는 단파장광만 통과하는 단파장 대역 통과 필름(330)이 유리 기판(310)의 하면 전체에 부착된 것으로 도시되어 있으나, 유리 기판(310)의 하면 중 이미지 센서(300)가 밀착되는 영역에만 단파장 대역 통과 필름이 개재되거나, 유리 기판(310)의 상면 전체 또는 일부에 단파장 대역 통과 필름이 부착될 수 있다.
도 4는 평행면광 발생기의 일 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 입사각 조절기의 역할을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 평행면광 발생기는 광원(420) 및 가이드(421)를 포함한다. 광원(420)은 무지향성광을 조사하는 LED일 수 있다. 무지향성광은 광원(420)의 출력단에 위치한 가이드(421)에 의해 평행면광으로 유도된다. 가이드(421)는 무지향성광의 적어도 일부가 85도 내지 90도의 입사각으로 유리 기판(410)의 하면에 조사되도록 한다. 가이드(421)에 의해 입사된 평행면광은 유리 기판(410) 내부에서 굴절광(440)이 된다. 일 실시예로, 가이드(421)는 가이드의 내면을 향하는 무지향성광을 차광 또는 흡광하는 물질로 형성될 수 있다.
한편, 가이드(421)에 의해 정의된 광 경로를 통과하지만, 입사각이 90도보다 큰 광(450, 460)이 발생할 수 있다. 90도보다 큰 입사각을 갖는 광(450, 460)이 유리 기판(410)에 입사되어 원하지 않는 굴절광이 생성되거나 이미지 센서(400)에 입사되지 않도록 하기 위해서, 추가적으로, 입사각 조절기(430)가 이미지 센서(400)와 평행면광 발생기 사이에 위치될 수 있다. 제1 입사각을 갖는 광(450)은 입사각 조절기(430)에 의해 반사되어 90도 보다 작은 제1 입사각을 갖게 되며, 유리 기판(410)의 하면에 입사한다. 이 때 제1 입사각은 85도 이하의 각도로 굴절되므로, 굴절광의 대부분은 유리 기판(410)의 상면을 통해 외부로 투과되어 사라지거나 굴절광(440)과 현저히 다른 각도로 광원(420)에 가까운 쪽 유리 기판(410) 하면으로 입사하게 되면서 유리 기판(410) 상면에서 반사된 빛은 이미지 센서(400)까지 도달하지 못하고 유리 기판(410) 하면으로 다시 굴절되어 나오게 된다. 제2 입사각(제1 입사각보다 큼)을 갖는 광(460)은 입사각 조절기(430)에 의해 반사되어 제2 양의 입사각을 갖게 되며, 유리 기판(410)의 하면으로 입사하지 못한다.
큰 입사각을 광의 경로를 변경하는 역할과 함께, 입사각 조절기(430)는 유리 기판(410)에 입사되는 평행면광을 증가시킬 수 있다. 여기서, 입사각 조절기(430)가 유리 기판(410)에 입사되도록 조절할 수 있는 평행면광의 입사각은 입사각 조절기(430)와 유리 기판(410) 사이 각도에 따라 달라질 수 있다.
도 5의 (a)와 같이 입사각 조절기(430)가 유리 기판(410)에 수평하도록 평행면광 발생기(420)와 이미지 센서(400) 사이에 위치하면, 90도 내지 95도의 입사각을 갖는 평행면광(470)이 입사각 조절기(430)의 상면에서 대부분 반사되어 유리 기판(410)에 입사될 수 있는 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(471)이 된다. 그리고 입사각 조절기(430)의 상면에서 입사각 조절기(430)의 내부로 1차 굴절된 평행면광은 입사각 조절기(430)의 하면에서 대부분 반사된 후 입사각 조절기(430)의 상면에서 2차 굴절된다. 2차 굴절된 광도 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(472)이 된다. 한편, 1차 굴절된 평행면광의 일부가 입사각 조절기(430)의 하면으로부터 외부로 나오지만(473), 유리 기판(410)에 입사되지 않는다. 이로 인해, 유리 기판(410)에 입사하는 평행면광이 증가하고, 보다 선명한 지문이미지를 생성할 수 있게 된다.
LED와 같은 광원(420)으로부터 방사형의 광경로중 가장 큰 비율은 실질적으로 90도의 입사각을 갖는 직진광이다. 도 5의 (b)와 같이 입사각 조절기(430)가 유리 기판(410)에 대해 일정 각도, 예를 들어, 5도 경사지도록 평행면광 발생기(420)와 이미지 센서(400) 사이에 위치하면, 실질적으로 90도의 입사각을 갖는 평행면광(480)이 입사각 조절기(430)의 상면에서 대부분 반사되어 유리 기판(410)에 입사될 수 있는 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(481)이 된다. 즉, 도 5의 (b)를 기준으로, 입사각 조절기(430)의 상면이 좌측 방향으로 낮아지도록 기울어지면, 입사각 조절기(430)의 상면이 좌측에 위치한 평행면광 발생기(420)를 향하게 된다. 한편, 도 5의 (a) 경우와 마찬가지로, 입사각 조절기(430)의 상면에서 입사각 조절기(430)의 내부로 1차 굴절된 평행면광은 입사각 조절기(430)의 하면에서 대부분 반사된 후 입사각 조절기(430)의 상면에서 2차 굴절된다. 2차 굴절된 광도 85도 내지 90도의 입사각을 갖는 평행면광(482)이 된다. 한편, 1차 굴절된 평행면광의 일부가 입사각 조절기(430)의 하면으로부터 외부로 나오지만(483), 유리 기판(410)에 입사되지 않는다. 이로 인해, 유리 기판(410)에 입사하는 평행면광이 증가하고, 보다 선명한 지문이미지를 생성할 수 있게 된다.
도 6은 평행면광 발생기의 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이고, 도 7은 도 6에 평행면광 발생기를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 저면을 나타낸 저면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 평행면광 발생기는 반사경(520) 및 광원(525)을 포함한다. 광원(525)은 반사경(520)을 향해 무지향성광을 조사하는 점광원 LED일 수 있다. 반사경(520)은 이미지 센서(500) 방향으로 유리 기판(510) 하면에 평행면광(530)을 조사한다. 무지향성광을 반사하는 반사경(520)의 단면은 포물면 형상의 거울이며, 반사경(520)의 곡률은 광원(525)이 조사하는 무지향성광이 반사경(520)에 의해 반사되어 85도 내지 90도의 입사각을 갖도록 결정될 수 있다. 즉, 반사경(520) 단면의 곡률은 평행면광(530)의 입사각을 결정한다.
반사경(520)은 광원(525)이 조사한 무지향성광을 평행면광(530)으로 유도하기 위해 길이 방향으로 이미지 센서(500)의 길이만큼 연장된다. 도 7을 참조하면, 반사경(520)은 이미지 센서(500)의 길이만큼 연장되며, 도 7을 기준으로, 좌측 방향으로 만곡된 포물면 형상의 거울일 수 있다. 여기서, 길이 방향은, 도 7을 기준으로, 수직 방향이다. 반사경(520)의 길이 방향 곡률은 반사된 평행면광(530)이 이미지 센서(500)를 향해 수평하게 진행하도록 결정될 수 있다. 반사경(520)의 단면(도 6)뿐 아니라 길이 방향으로도 포물면(도 7)이 되도록 함으로써, 점광원을 이용해서 좋은 직진성을 갖는 평행면광(530)을 생성할 수 있게 된다.
도 8은 평행면광 발생기의 또 다른 예를 예시적으로 설명하기 위해 지문센서 패키지의 일측 하부를 확대한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 평행면광 발생기는 광원(620) 및 반사경(623)을 포함한다. 일 실시예로, 광원은 직진성이 높은 직진광(630)을 조사하는 레이저 다이오드 또는 LED일 수 있다. 다른 실시예로, 광원(620)은 무지향성광을 조사하는 LED일 수 있다. 이 경우, 무지향성광은 광원(620)의 출력단에 위치한 가이드(621, 622)에 의해 직진광(630)으로 유도된다. 광원(620)은 이미지 센서(600)에 가까운 위치에 배치될 수 있다. 이 구성으로 인해서 광원(620)부터 유리 기판(610)의 하면까지의 광 경로가 증가하므로, 직진성이 높은 평행면광이 유리 기판(610)에 입사될 수 있다.
반사경(623)은 이미지 센서(600) 방향으로 유리 기판(610) 하면에 평행면광을 조사한다. 반사경(623)은 포물면 형상의 거울이며, 반사경(623)의 곡률은 직진광(630)이 반사경(623)에 의해 반사되어 85도 내지 90도의 입사각을 갖도록 결정될 수 있다.
도 9는 유리 기판의 일측 하면을 경사지게 형성한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 유리 기판(710)의 하면은 이미지 센서(700)가 밀착되는 평행면 PS 및 유리 기판(710)의 일측면 방향으로 유리 기판(710)의 두께가 얇아지도록 경사지게 형성된 경사면 SS를 포함한다. 경사면 SS는 평행면 PS에 대해 경사각 θ3만큼 기울어지게 형성된다. 도 7에서, 평행면광 발생기는 경사면 SS에 85도 내지 90도로 입사하는 평행면광을 조사한다. 여기서, 평행면광 발생기는 도 5 및 도 6에서 설명한 구성을 가질 수도 있음은 물론이다.
경사면 SS는 유리 기판(710)의 두께를 작아지게 할 수 있다. 도 1에 도시된 유리 기판의 두께 TGS보다 더 작은 두께 TSGS를 가진 유리 기판이 동일한 유효 지문 접촉 영역을 제공할 수 있다. 경사면 SS가 평행면 PS에 대해 경사각 θ3를 가지므로, 경사면 SS에 입사된 평행면광의 굴절각 θ2'는 도 2에 도시된 굴절각 θ2에 경사각 θ3을 더한 값이 된다. 즉, 굴절각 θ2'가 증가하면, 유리 기판(700) 내에서 굴절광 및 반사광의 광 경로가 길어지게 되어 굴절광과 반사광이 유리 기판(700)의 하면에 접촉하는 지점간 거리 x'이 증가하게 된다. 따라서, 유리 기판(700)의 두께 TSGS가 작아지더라도 도 1에 도시된 구조에서 생성되는 것과 실질적으로 동일하거나 더 넓은 유효 지문 접촉 영역 및 유효 검출 영역을 얻을 수 있게 된다.
도 9에 도시된 경사면을 갖는 유리 기판(700)은 도 1 내지 도 3에 도시된 구성뿐 아니라 도 10 내지 14에 도시된 구성에도 적용될 수 있다.
도 10은 지문센서 패키지가 보호 매체 아래 위치한 예를 예시적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 10을 참조하면, 지문센서 패키지는 이미지 센서(800), 유리 기판(810), 제1 및 제2 평행면광 발생기(820, 825)를 포함하며, 지문센서 패키지의 유리 기판(810)의 상면은 보호 매체인 커버 글라스의 하면에 밀착될 수 있다.
제1 및 제2 평행면광 발생기(820, 825)는 유리 기판(810)의 일측 하부 및 타측 하부에 각각 위치하며, 평행면광을 이미지 센서(800) 방향으로 유리 기판(810)의 하면에 조사한다. 제1 및 제2 평행면광 발생기(820, 825)가 조사한 각 평행면광의 입사각은 85도 내지 90도이나, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 평행면광 발생기(820)는 왼쪽에서 오른쪽으로 평행면광을 조사하고, 제2 평행면광 발생기(825)는 오른쪽에서 왼쪽으로 평행면광을 조사한다. 예를 들어, 제1 및 제2 평행면광 발생기(120)는 직진성이 높은 평행면광을 조사할 수 있는 레이저 다이오드 또는 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다. 이외에, 도 6 내지 도 8에서 상술한 다양한 구조의 평행면광 발생기가 적용될 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 유리 기판(810)의 하면은 이미지 센서(800)가 밀착된 중앙부부터 좌우 측면을 향하는 방향으로 형성된 복수의 경사면을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 제1 및 제2 평행면광 발생기(820, 825)는 근적외선의 평행면광을 생성할 수 있다. 다른 실시예로, 제1 및 제2 평행면광 발생기(820, 825)는 단파장의 평행면광을 생성할 수 있다.
유리 기판(810) 및 커버 글라스는 입사된 평행면광이 이미지 센서(800)에 입사되는 광 경로를 제공한다. 평행면광은 유리 기판(810)의 하면으로 입사하고, 커버 글라스의 상면에서 1차 반사된다. 제1 및 제2 평행면광 발생기(820, 825)가 각각 유리 기판(810)의 일측 및 타측 하면에 서로 대향하게 위치하므로, 커버 글라스 상면에는 제1 유효 지문 접촉 영역(840)과 제2 유효 지문 접촉 영역(845)이 형성된다. 두께 Ttotal가 작으면, 제1 유효 지문 접촉 영역(840)과 제2 유효 지문 접촉 영역(845) 간에는 지문이미지가 획득되지 않는 영역이 형성될 수 있으며, 두께 Ttotal가 증가하면, 제1 유효 지문 접촉 영역(840)과 제2 유효 지문 접촉 영역(845)의 폭이 증가하여 지문이미지가 획득되지 않는 영역이 감소할 수 있다. 제1 유효 지문 접촉 영역(840)과 제2 유효 지문 접촉 영역(845)에서 나온 반사광은 이미지 센서(800)에 입사되어 지문이미지 생성에 이용된다.
이미지 센서(800)는 유리 기판(810) 하면 중앙부에 위치하며, 이미지 센서(800)의 상면은 유리 기판(810)의 하면에 밀착된다. 유리 기판(810) 하면과 이미지 센서(800)의 상면은 실질적으로 평탄하다.
도 11 및 도 12는 도 10의 지문센서 패키지의 동작을 예시적으로 설명하기 위해 I-I'를 따라 절단한 단면도이다.
제1 및 제2 평행면광 발생기(920, 925)는 번갈아 턴온되어 평행면광을 유리 기판(910) 하면에 조사한다. 도 11을 참조하면, 유리 기판(910)의 일측 하부에 위치한 제1 평행면광 발생기(920)가 턴온되어 제1 평행면광(921)을 제1 평행면광 발생기(920)와 이미지 센서(900) 사이 유리 기판(910)의 하면에 조사한다. 이 때 제2 평행면광 발생기(925)는 턴 오프된다. 유리 기판(910)의 하면에서 굴절된 굴절광은 폭 W_C''의 지문 접촉 영역 중 폭 W_ND의 지문 불획득 영역의 좌측 영역에서 반사된다. 반사광이 이미지 센서(900)에 입사되면 지문이미지가 생성된다. 이 때 반사광은 이미지 센서(900)에서 폭 W_ND의 지문 불획득 영역을 제외한 나머지 검출 영역(901)에만 입사된다. 따라서 이미지 센서(900)가 생성한 지문이미지는 지문 접촉 영역 중 좌측 영역에 접촉한 지문이 표현된 영역(940)과 지문이 표현되지 않은 영역(945)을 가지게 된다. 지문이 표현되지 않은 영역(945)의 폭은 지문 불획득 영역의 폭 W_ND와 동일하다.
도 12을 참조하면, 유리 기판(910)의 타측 하부에 위치한 제2 평행면광 발생기(925)가 턴온되어 제2 평행면광(926)을 이미지 센서(900)와 제2 평행면광 발생기(925) 사이 유리 기판(910)의 하면에 조사한다. 이 때 제1 평행면광 발생기(920)는 턴 오프된다. 유리 기판(910)의 하면에서 굴절된 굴절광은 폭 W_C''의 지문 접촉 영역 중 폭 W_ND의 지문 불획득 영역의 우측 영역에서 반사된다. 반사광은 이미지 센서(900)에 입사되어 지문이미지가 생성된다. 이 때 반사광은 이미지 센서(900)에서 폭 W_ND의 지문 불획득 영역을 제외한 나머지 검출 영역(902)에만 입사된다. 따라서 이미지 센서(900)가 생성한 지문이미지는 지문 접촉 영역 중 우측 영역에 접촉한 지문이 표현된 영역(950)과 지문이 표현되지 않은 영역(955)을 가지게 된다. 지문이 표현되지 않은 영역(955)의 폭은 지문 불획득 영역의 폭 W_ND와 동일하다. 이미지 센서(900)가 유리 기판(910)의 하면에 밀착되어 있기 때문에, 평행면광(921, 926)은 이미지 센서(900)에 의해 더 이상 직진하지 못하며, 이로 인해 이미지 센서이미지 센서(900)가 위치한 유리 기판(910)의 하면으로 입사하지 못한다. 이로 인해, 지문이 표현되지 않는 영역(945, 955)이 발생한다.
일 실시예로, 도 11과 도 12에서 설명한 과정을 통해 생성된 지문이미지는 각각 지문 인식에 이용되거나, 지문이 표현되지 않은 영역(945, 955)을 기준으로 합성되어 지문 인식에 이용될 수도 있다.
도 13은 지문센서 패키지의 구조 및 동작을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 13을 참조하면, 지문센서 패키지는 이미지 센서(1100), 유리 기판(1110), 제1 및 제2 평행면광 발생기(1120, 1125)를 포함하며, 지문센서 패키지의 유리 기판(1110)의 상면은 보호 매체인 커버 글라스의 하면에 밀착된다. 도 10에 도시된 지문센서 패키지와 비교할 때, 도 13에 도시된 지문센서 패키지는 제1 및 제2 평행면광 발생기(1120, 1125)가 동시에 턴온되어 지문이미지를 생성할 수 있다. 이를 위해서, 도 13에 도시된 지문센서 패키지는 도 10에 도시된 이미지 센서(800)보다 폭이 큰 이미지 센서 또는 한 쌍의 이미지 센서를 포함한다.
이미지 센서(1100)의 폭을 증가시키면, 제1 및 제2 평행면광 발생기(1120, 1125)를 동시에 턴온하여 지문이미지를 생성할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 유리 기판(1110)의 양측 하부에 위치한 제1 및 제2 평행면광 발생기(1120, 1125)는 동시에 제1 및 제2 평행면광(1121, 1126)을 유리 기판(1110)의 하면에 조사한다. 유리 기판(1110)의 하면에서 굴절된 제1 및 제2 굴절광은 폭 W_C''의 지문 접촉 영역 중 폭 W_ND의 지문 불획득 영역의 좌측 영역 및 우측 영역에서 각각 반사된다. 지문 불획득 영역 W_ND의 좌측 영역에서 반사된 제1 반사광은 이미지 센서(1100)의 좌측 검출 영역에 입사되고, 지문 불획득 영역 W_ND의 우측 영역에서 반사된 제2 반사광은 이미지 센서(1100)의 우측 검출 영역에 입사되어 지문이미지가 생성된다. 따라서 이미지 센서(1100)가 생성한 지문이미지는 지문 접촉 영역 중 좌측 영역에 접촉한 지문이 표현된 영역(1140), 지문 접촉 영역 중 우측 영역에 접촉한 지문이 표현된 영역(1141), 및 지문이 표현되지 않은 영역(1142)을 가지게 된다. 지문이 표현되지 않은 영역(1142)이 존재하더라도, 손가락의 지문 위치를 이동시키면서 지문이미지를 복수로 획득한 후 이를 합성하여 지문 인식이 수행될 수 있다.
도 14는 지문센서 패키지의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 저면도이고, 다. 도 15는 도 14에 도시된 지문센서 패키지의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 상면도이다.
도 14를 참조하면, 이미지 센서(1200)의 상면은 유리 기판(1210)의 하면 중앙부에 밀착되며, 제1 내지 제4 평행면광 발생기(1220, 1221, 1222, 1223)는 유리 기판(1210)의 각 측면에 위치한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 유리 기판(1210)의 하면은 이미지 센서(1200)가 밀착된 중앙부부터 각 측면을 향하는 방향으로 형성된 복수의 경사면을 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 평행면광 발생기(1220, 1221, 1222, 1223)는 유리 기판(1210)의 각 측면 하부에 위치하며, 평행면광을 이미지 센서(1200) 방향으로 유리 기판(1310)의 하면에 조사한다. 제1 내지 제4 평행면광 발생기(1220, 1221, 1222, 1223)가 조사한 각 평행면광의 입사각은 85도 내지 90도이나, 제1 평행면광 발생기(1220)는 좌측면에서 우측 방향으로 제1 평행면광을 조사하고, 제2 평행면광 발생기(1221)는 우측면에서 좌측 방향으로 제2 평행면광을 조사하고, 제3 평행면광 발생기(1222)는 상측면에서 아래쪽 방향으로 제3 평행면광을 조사하며, 제4 평행면광 발생기(1223)은 하측면에서 위쪽 방향으로 제4 평행면광을 조사한다. 제1 평행면광 또는 제2 평행면광의 진행방향과 제3 평행면광 또는 제4 평행면광의 진행방향은 서로 수직할 수 있다.
유리 기판(1210)은 사각 판형상이며, 입사된 평행면광이 이미지 센서(1200)에 입사되는 광 경로를 제공한다.
도 15를 참조하면, 제1 내지 제4 평행면광 발생기(1220, 1221, 1222, 1223)는 번갈아 턴온되어 평행면광을 유리 기판(1310) 하면에 조사한다. 도 15의 (a)는 제1 평행면광 발생기(1220)가 턴온될 때 유리 기판(1310)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역(1320)을 나타내고, 도 15의 (b)는 제2 평행면광 발생기(1221)가 턴온될 때 유리 기판(1310)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역(1321)을 나타내고, 도 15의 (c)는 제3 평행면광 발생기(1222)가 턴온될 때 유리 기판(1310)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역(1322)을 나타내며, 도 15의 (d)는 제4 평행면광 발생기(1223)가 턴온될 때 유리 기판(1310)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역(1323)을 나타낸다. 도 15의 (a) 내지 (d)에서 설명한 과정을 통해 생성된 지문이미지는 각각 처리되어 지문 인식에 이용될 수 있고, 합성되어 지문 인식에 이용될 수도 있다.
한편, 제1 내지 제4 평행면광 발생기(1220, 1221, 1222, 1223) 중 서로 대향하는 두 개는 동시에 턴온되어 평행면광을 유리 기판(1310) 하면에 조사할 수도 있다. 도 15의 (e)는 제1 및 제2 평행면광 발생기(1220, 1221)가 턴온될 때 유리 기판(1310)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역(1324)을 나타내며, 도 15의 (f)는 제3 및 제4 평행면광 발생기(1222, 1223)이 턴온될 때 유리 기판(1310)의 상면에 형성되는 유효 지문 접촉 영역(1325)을 나타낸다.
도 16은 이미지 센서의 일 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이고, 도 17은 이미지 센서의 다른 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
지문센서 패키지에 외부 광이 입사되면 이미지 센서의 화소가 포화되어 지문이미지를 생성할 수 없게 된다. 특히, 지문센서 패키지가 장착된 전자장치가 실외에 위치하게 되면, 지문센서 패키지가 정상적으로 동작하지 못하는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해서, 단파장의 평행면광을 이용하고 단파장광만 통과하는 단파장 대역 통과 필름을 유리 기판의 하면 또는 상면에 부착할 수 있다. 도 16 및 도 17에 도시된 구조는 외부 광이 지문이미지 생성에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 이미지 센서의 구조를 나타내고 있다.
도 16은 BIS(Back-illuminated structure) 이미지 센서에 구현된 차광을 위한 쉴드층을 나타내고 있다. 이미지 센서는 반도체 기판(1520), 반도체 기판의 상면에 형성된 수광 소자(1530), 반도체 기판 내 수광 소자(1530)의 하부에 형성되어 수광 소자(1530)와 외부 연결 단자(미도시)간 전기 배선을 형성하는 복수의 메탈층(1540), 수광 소자(1530)의 상부에 형성된 보호층(1500), 및 보호층(1500) 내 수광 소자(1530)의 상부에 형성된 쉴드층(1510)을 포함한다. 여기서, 수광 소자(1530)의 일 예로 포토 다이오드가 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 수광 소자가 사용될 수 있음은 물론이다.
쉴드층(1510)은 수광 소자(1530)를 향해 실질적으로 수직으로 입사되는 외부 광을 차단한다. 쉴드층(1510)은, 예를 들어, 금속으로 형성될 수 있다. 이를 위해서, 복수의 쉴드층(1510)이 복수의 수광 소자(1530) 각각의 수직 상부에 형성되며, 복수의 쉴드층(1510)간은 일정 거리로 이격된다. 가로 길이와 세로 길이로 정의되는 쉴드층(1510)의 넓이는 수광 소자(1530)의 넓이와 같거나 커서 수광 소자(1530)의 수직 상방으로 입사되는 빛을 차단할 수 있다. 한편, 좌측 상방에서 각 수광 소자(1530)를 향해 일정 각도로 입사되는 빛(1550)이 통과하는 광 경로 및/또는 우측 상방에서 각 수광 소자(1530)를 향해 일정 각도로 입사되는 빛(1555)이 통과하는 광 경로는 복수의 쉴드층(1510)간 이격 거리 및 쉴드층(1510)과 수광 소자(1530) 사이 높이에 의해 정의될 수 있다.
보호층(1500)의 상면 중 광 경로 주변 영역의 적어도 일부는 컬러 코팅될 수 있다. 일 실시예로, 쉴드층(1510)의 수직 상부에 위치한 보호층(1500)의 상면은, 예를 들어, 흰색 또는 검정색 물질로 코팅될 수 있다. 이미지 센서가 위치한 영역이 주변의 색과 다르면 시각적으로 이질감을 유발할 수 있다. 이미지 센서에는 반사광이 입사하는 광 경로가 보호층(1500)의 상면부터 수광 소자(1530)까지 형성되어 있으므로, 보호층(1500)의 상면은 주변 색보다 더 진한 색으로 코팅되는 것이 바람직하다.
도 17은 FIS(Front-illuminated structure) 이미지 센서에 구현된 차광 구조를 나타내고 있다. 이미지 센서는 반도체 기판(1620), 반도체 기판의 상면에 형성된 수광 소자(1630), 수광 소자(1630)의 상부에 형성된 보호층(1600), 보호층(1600) 내에 형성되어 수광 소자(1630)와 외부 연결 단자(미도시)간 전기 배선을 형성하며 일정 각도로 기울어진 광 경로를 형성하는 메탈층(1610)을 포함한다.
M1 및 M2 메탈 라인을 포함하는 메탈층(1610)은 수광 소자(1530)를 향해 실질적으로 수직으로 입사되는 외부 광을 차단한다. 이를 위해서, 이미지 센서의 상부에서 봤을 때, M1 메탈 라인과 M2 메탈 라인에 의해 수광 소자(1630)가 가려지도록 M1 메탈 라인이 형성되지 않은 영역의 상부에 M2 메탈 라인을 형성한다. 한편, M1 메탈 라인이 수광 소자(1630)의 수직 상방에 형성되며, 메탈층(1610)이 2 개의 메탈 라인으로 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, M2 메탈 라인이 수광 소자(1630)의 수직 상방에 형성될 수 있다. 또한, 메탈층(1610)은 3 이상의 메탈 라인을 포함할 수 있는데, 예를 들어, M1 내지 M4 메탈 라인으로 메탈층(1610)이 구성된 경우에, M3-M4 메탈 라인간 거리를 M1-M2 메탈 라인간 거리 또는 M2-M3 메탈 라인간 거리보다 멀게 형성함으로써, 수광 소자(1630)를 향해 실질적으로 수직으로 입사하는 외부 광이 차단될 수 있다. 한편, 보호층(1600)의 상면 중 광 경로 주변 영역의 적어도 일부는 컬러 코팅될 수 있다. 일 실시예로, 최상위 메탈층의 수직 상부에 위치한 보호층(1600)의 상면은, 예를 들어, 흰색 또는 검정색 물질로 코팅될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 평행한 상면과 하면을 포함하며,
    상기 하면의 일측에 형성된 입사 영역으로부터 상면에 형성된 유효 지문 접촉 영역까지 제1 각도로 연장된 제1 광 경로 및
    상기 유효 지문 접촉 영역으로부터 상기 하면의 타측에 형성된 유효 검출 영역 사이에 제2 각도로 경사진 제2 광 경로를 제공하는 유리 기판; 및
    상기 유효 검출 영역의 하부에 배치되며, 상기 유효 검출 영역에 도달한 빛으로 지문 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하되,
    상기 제1 각도는 상기 하면에 수직한 직선과 상기 제1 광 경로 사이의 각도이고, 상기 제2 각도는 상기 상면에 수직한 직선과 상기 제2 광 경로 사이의 각도이며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 동일하며,
    상기 입사 영역과 상기 유효 검출 영역은 중첩되지 않는 지문센서 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로를 연장하는 커버 글라스가 상기 유리 기판의 상면에 밀착되는 지문센서 패키지.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 광 경로로 진행한 빛은,
    상기 유효 지문 접촉 영역에서 지문의 융선에 적어도 일부가 흡수되거나
    상기 지문의 융선이 접촉하지 않은 영역에서 반사되는 지문센서 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서는, 상기 유효 검출 영역의 적어도 일부와 접하도록 상기 하면에 밀착되는 지문센서 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 센서는, 상기 유효 검출 영역으로부터 이격된 지문센서 패키지.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 평행면광의 파장대에 대하여 투명한 재료를 이용하여 상기 유리 기판의 하면에 공기가 개재되지 않도록 밀착되는 지문센서 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 유리 기판의 일측 하부에 위치하며, 상기 제1 광 경로로 진행하는 평행면광을 상기 입사 영역에 조사하는 평행면광 발생기를 더 포함하는 지문센서 패키지.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 평행면광 발생기는 상기 유리 기판의 하면에 수직한 방향과 상기 평행면광의 진행 방향 사이 각도가 85도 내지 90도가 되도록 상기 평행면광을 조사하는 지문센서 패키지.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 평행면광은 근적외선인 지문센서 패키지.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 평행면광 발생기는 주기적으로 턴온 및 턴 오프되며,
    상기 이미지 센서는 상기 평행면광 발생기 턴온시 지문이미지 및 상기 평행면광 발생기 턴 오프시 지문이미지를 모두 생성하는 지문센서 패키지.
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