KR102629153B1 - 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지문 인식 센서와 같은 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치는, 표시 패널, 지향성 광 유닛 및 이미지 센서를 포함한다. 표시 패널은, 표시 영역과 비 표시 영역이 정의되어 있다. 지향성 광 유닛은, 표시 패널을 수용하는 길이와 폭 그리고 일정한 두께를 갖고, 표시 패널의 상부 표면에 면 부착되며, 표시 영역으로 일정 방향각을 갖는 검출광을 제공한다. 이미지 센서는, 표시 패널 하부 표면에 배치되며, 표시 패널을 통과하는 모든 빛들 중에서 검출광을 선택하여 수광한다.

Description

광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치{Flat Panel Display Having Optical Imaging Sensor}

본 발명은 지문 인식 센서와 같은 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 지향성 광을 제공하는 초박막형 기판, 그리고 외광 간섭을 최소화하고 센싱 광 검출 성능을 극대화한 광 이미지 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에 관한 것이다.

컴퓨터 기술의 발달에 따라 노트북 컴퓨터, 태블릿 피시(Tablet PC), 스마트폰(Smart Phone), 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant), 현금 자동 입출금기(Automated Teller Machine), 검색 안내 시스템 등과 같은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템(Computer Based System)이 개발되어 왔다. 이들 시스템에는 통상적으로 개인 생활과 관련된 개인정보는 물론 영업정보나 영업기밀 등과 같이 비밀을 요하는 많은 데이터가 저장되어 있기 때문에, 이들 데이터를 보호하기 위해서는 보안을 강화해야 할 필요성이 있다.

이를 위해 종래부터 생체 정보를 인식할 수 있는 이미지 센서를 이용하여, 보안성을 강화하는 방법이 제안된 바 있다. 예를 들어, 손가락의 지문을 이용하여 시스템의 등록이나 인증을 수행함으로써 보안성을 강화할 수 있는 지문센서가 알려져 있다. 지문 센서는 인간의 손가락 지문을 감지하는 센서이다. 지문 센서는 광학식 지문 센서(Optical Fingerprint Sensor)와 정전용량식 지문 센서(Capacitive Fingerprint Sensor)로 크게 나누어진다.

광학식 지문 센서(Optical Fingerprint Sensor)는 내부에서 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원을 이용하여 빛을 조사하고 지문의 융선(ridge)에 의해 반사된 빛을 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서를 통해 감지하는 원리를 이용한 것이다. 광학식 지문 센서는 LED를 이용해서 스캔을 해야 하기 때문에 스캔을 위한 부가 장비가 필요하다. 광학적 부가 장비를 구성해야 하므로, 스캔 가능한 크기를 크게 하는 데에 한계가 있다. 따라서, 표시 장치와 결합하는 등 다양한 응용에는 한계가 있다.

종래의 광학식 지문센서로는 2006년 7월 26일자로 등록된 "지문인식 센서를 구비한 영상 표시장치"란 명칭의 대한민국 등록특허 10-0608171과, 2016년 4월 21일자로 공개된 "지문 인식 소자를 포함한 표시장치"란 명칭의 대한민국 공개특허공보 10-2016-0043216이 알려져 있다.

상기 대한민국 공개공보에 기재된 광학식 지문 센서를 구비하는 표시장치는, 표시장치의 표시 영역을 터치 영역 및 지문 인식 영역으로 동시에 사용할 수 있도록 구성하고 있다. 하지만, 지문 인식을 위한 센싱용 빛이 지향성(혹은, Directivity)이 현저히 낮은 확산광을 사용한다. 따라서, 정확한 지문의 패턴을 인식하는 데에는 한계가 있다. 지향성이 높은 레이저 적외선과 같은 시준광(Collimated Light)을 사용하는 경우, 넓은 면적에 걸쳐 센싱용 빛을 조사하기 어렵기 때문에, 지문 인식 영역의 크기가 극히 한정된다. 또한, 지향성이 높은 시준광을 넓은 스캔 면적에 적용하기 위해서는, 스캔 기능을 부가하여야 하므로, 휴대용 평판 표시장치에 적용하기가 어렵다.

따라서, 지문 인식 센서를 구비하는 표시 장치에서는 주로 정전 용량식 지문센서를 적용하는 예가 많다. 하지만, 정전 용량식 지문 센서도 많은 문제점이 있다.

정전 용량식 지문 센서(Capacitive Fingerprint Sensor)는 지문 센서와 접촉되는 융선(Ridge)과 골(Valley) 사이에 대전되는 전기량의 차를 이용한 것이다. 종래의 정전 용량식 지문 센서로는 2013년 11월 21일자로 공개된 "정전 용량식 센서 패키징(Capacitive Sensor Packaging)"이란 명칭의 미국 공개특허 공보 US 2013/0307818가 알려져 있다.

상기 미국 공보에 기재된 정전 용량식 지문센서는 특정 푸시 버튼(Push Button)과 결합한 어셈블리 형태로 구성되어 있으며, 용량성 플레이트와 사용자의 지문(융선과 골) 사이의 정전용량을 측정하기 위한 회로가 인쇄된 실리콘 웨이퍼를 포함한다. 일반적으로 인간 지문의 융선과 골은 대략 300㎛~500㎛의 크기로 매우 미세하기 때문에, 상기 미국 공보의 정전 용량식 지문 센서는 고해상도 센서 어레이와 지문인식 처리를 위한 IC(Integrated Chip) 제작이 필요하고, 이를 위해 센서 어레이와 IC을 일체로 형성할 수 있는 실리콘 웨이퍼를 이용하고 있다.

그러나 실리콘 웨이퍼를 이용하여 고해상도의 센서 어레이와 IC를 함께 형성할 경우, 푸시 버튼과 함께 지문 센서를 결합하기 위한 어셈블리 구조가 필요하게 되므로 구성이 복잡해 질 뿐 아니라 비 표시 영역(베젤 영역)이 증가하는 문제점이 있었다. 또한, 푸시 버튼(예를 들면, 스마트폰의 홈 키)과 지문센서가 중첩되게 형성되므로, 그 두께가 증가할 뿐 아니라 지문 센싱 영역이 푸시 버튼의 크기에 좌우되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 터치 센서 스크린의 영역을 지문식별 영역으로 이용하는 기술 등이 개발된 바 있다. 이러한 기술로서는 "지문식별용 용량성 터치 센서(capacitive touch sensor for identifying a fingerprint)"란 명칭으로 2013년 10월 22일 등록된 미국 등록특허 제 US8,564,314호와, "지문인식 일체형 정전용량 터치 스크린"이란 명칭으로 2014년 8월 18일 등록된 대한민국 등록특허 제10-1432988호가 알려져 있다.

스마트폰과 같은 개인 휴대용 표시장치에는 표시 패널 보호를 위한 보호 필름을 추가로 부착하는 경우가 많다. 상기와 같은 기술을 개인 휴대용 표시장치의 표시 영역을 지문 인식별 영역으로 적용하는 경우, 보호 필름을 부착하면, 지문 인식 기능이 현저히 저하될 수 있다. 일반적으로, 보호 필름을 부착하더라도 터치 기능은 그대로 사용할 수 있다. 하지만, 지문 인식은 아주 미세한 지문을 인식하여야 하기 때문에, 정전 용량의 미세한 변화를 감지해야 한다. 보호 필름의 두께가 아무리 얇더라도, 미세한 지문을 인식하는 데 필요한 정전 용량의 변화를 정확하게 감지하도록 하는 데에는 심각한 장애를 유발할 수 있다.

정전 용량식 지문센서를 구비한 표시 장치에서는 표시 장치의 겉 표면에 보호 필름 혹은 강화 유리를 부착하는 경우가 많은데, 이 경우 인식 능력이 현저히 저하될 수 있다. 따라서, 정전 용량식 지문 센서의 경우, 표시 기판의 두께에 대한 문제가 발생할 수 있다. 반면에, 광학식 지문 센서를 구비한 표시 장치에서는, 산란광을 사용하기 때문에 정확한 인식 능력이 어렵다. 정확한 인식 능력을 확보하기 위해 시준광을 사용하는 경우에는, 복잡하고 부피가 큰 광학 기구가 필요하므로 휴대성이 높은 평판용 표시 장치와 결합하기 어렵다.

따라서, 대면적 감지가 가능하고, 분해능 및 정확도가 우수하며, 초박막 구조를 갖는 새로운 방식의 광학식 이미지 인식 센서가 필요하다. 특히, 평판 표시장치와 결합하여, 다양한 정보 처리 장치를 개발하기에 용이한 광학식 이미지 인식 센서에 대한 필요성이 증가하고 있다. 특히, 휴대폰과 같은 개인 휴대형 정보 처리 장치에 광학식 지문 인식 센서를 구비한 경우, 태양광과 같은 외부 광에 의한 지문 인식 저하를 방지하고, 지문 인식 센싱광의 검출 능력을 극대화하기 위한 기술적 필요성이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 극복하기 위해 고안된 것으로, 초박막형 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은, 지향성 광을 검출광으로 대면적에 고르게 제공하는 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 지향성 광을 사용하며, 광 효율을 극대화함으로써, 검출 해상도와 민감도가 우수한 초박막형, 대화면형 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 외부광에 의한 이미지 인식 장애를 최소화하고, 이미지 검출광의 광량만을 선택적으로 극대화하여 인식 능력을 향상한 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치는, 표시 패널, 지향성 광 유닛 및 이미지 센서를 포함한다. 표시 패널은, 표시 영역과 비 표시 영역이 정의되어 있다. 지향성 광 유닛은, 표시 패널을 수용하는 길이와 폭 그리고 일정한 두께를 갖고, 표시 패널의 상부 표면에 면 부착되며, 표시 영역으로 일정 방향각을 갖는 검출광을 제공한다. 이미지 센서는, 표시 패널 하부 표면에 배치되며, 표시 패널을 통과하는 모든 빛들 중에서 검출광을 선택하여 수광한다.

일례로, 이미지 센서는, 적외선 필터, 광학 구조체, 적외선 대역 필터 및 광 센서를 포함한다. 적외선 필터는, 표시 패널을 통과하는 모든 빛들 중에서 800nm 이하의 빛들을 제거한다. 광학 구조체는, 적외선 필터의 하부에 배치되어, 적외선 필터를 통과한 빛들 중에서 검출광의 방향각과 동일한 빛들을 수직 방향으로 굴절하여, 검출광을 수직 검출광으로 변환한다. 적외선 대역 필터는, 광학 구조체 하부에 배치되어, 광학 구조체를 통과한 빛들 중에서 기 설정된 대역 범위 내의 적외선들만을 통과시킨다. 광 센서는, 적외선 대역 필터의 하부에 배치되어 적외선 대역 필터를 통과한 빛을 수광한다.

일례로, 광학 구조체는, 투명 기판, 그레이팅 패턴 및 충진 매질을 포함한다. 투명 기판은, 굴절율 n1을 갖는다. 그레이팅 패턴은, 굴절율 n2를 갖는다. 충진 매질은, 굴절율 n3을 갖는다.

일례로, 굴절율 n1은, 굴절율 n3과 동일하다. 굴절율 n2와 굴절율 n3는 그 차이가 0.2 이상이다.

일례로, 그레이팅 패턴은, I자형 그레이팅 패턴을 포함한다.

일례로, 그레이팅 패턴은, 수직면과 계단면을 갖는 계단형 그레이팅 패턴을 포함한다. 수직면은 검출광이 들어오는 쪽에 대향하여 배치된다.

일례로, 계단형 그레이팅 패턴은, 역 삼각형 형상을 갖는다.

일례로, 광학 구조체는, 투명 기판, 프리즘 패턴 및 충진 매질을 포함한다. 투명 기판은, 굴절율 n1을 갖는다. 프리즘 패턴은, 굴절율 n2를 갖는 삼각형들이 연속 배치된다. 충진 매질은, 굴절율 n3을 갖는다. 굴절율 n1은, 굴절율 n3과 동일하다. 굴절율 n2와 굴절율 n3는, 그 차이가 0.2 이상이다. 삼각형들의 수직면은 검출광이 들어오는 쪽에 대향하여 배치된다.

일례로, 프리즘 패턴은, 밑변이 상부에 배치된 역 삼각형 형상을 갖는다.

일례로, 광학 구조체는, 투명 기판과 홀로그래피 기록 매체를 포함한다. 홀르그래피 기록 매체는, 투명 기판의 일측면에 배치된다. 홀로그래피 기록 매체는, 검출광을 수직 검출광으로 변환하는 홀로그래피 패턴이 기록되어 있다.

일례로, 적외선 대역 필터는, 굴절율이 서로 다른 2종 이상의 무기 물질들을 교대로 적층한 다층 박막이다.

본 발명은 지향성(Directional) 광을 검출광으로 제공함으로써, 고 분해능의 이미지 인식 능력을 갖는 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치를 제공할 수 있다. 본 발명은, 홀로그래피 기술을 이용하여 시준된 적외선 레이저를 표시 패널의 표시 영역에 대응하는 대면적으로 확장시켜 검출광을 제공함으로써 대면적 인식이 가능한, 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치를 제공할 수 있다. 본 발명은, 기존의 평판 표시장치의 화면 위에 얇은 필름 형상을 갖는 지향성 광을 검출광으로 제공함으로써, 초박형의 광학식 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치를 제공할 수 있다. 특히, 본 발명에 의한 평판 표시 패널의 하부에 배치되는 이미지 인식 센서는, 이미지 센서로 입사되는 모든 광 들에서 이미지 검출광만을 선택함으로써, 이미지 검출 효율을 향상할 수 있다. 또한, 이미지 센서로 입사된 광들 중에서 이미지 검출광의 조건에 부합하지 않는 광들을 제거하고, 이미지 검출광의 조건을 만족하는 특정 광의 광량을 극대화하여, 이미지 검출 효율을 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에 적용하는 지향성 광 기판의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 의한 지향성 광 기판 내부에서의 광 경로를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치의 구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에서 이미지 인식 센서의 구조를 나타내는 단면 확대도.
도 5는 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서가 외부광을 제거하고 검출광의 광량을 극대화한 메카니즘을 설명하는 그래프.
도 6은 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제1 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제2 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도.
도 8은 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제3 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제4 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부한 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공한 것이다.

본 발명의 실시 예들을 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명을 설명함에서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 ' ~ 만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성 요소를 해석함에서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, ' ~ 상에', ' ~ 상부에', ' ~ 하부에', ' ~ 옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 구성 요소가 위치할 수도 있다.

실시 예들의 설명에서, '제1', '제2' 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되지만, 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.

본 발명의 여러 실시 예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 기술적으로 다양한 연동 및 구동할 수 있다. 또한, 각 실시 예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 이하의 실시 예들에서, 전계 발광 표시장치는 유기 발광 물질을 포함한 유기 발광 표시장치를 중심으로 설명한다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 유기 발광 표시장치에 국한되지 않고, 무기발광 물질을 포함한 무기 발광 표시장치에도 적용될 수 있음을 주지하여야 한다.

이하, 도 1 및 2를 참조하여, 본 발명에 의한 지향성 광 유닛에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에 적용하는 지향성 광 유닛의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1에서 상부 도면은 XZ 평면에서 바라본 측면도이고, 하부 도면은 XY 평면에서 바라본 평면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 지향성 광 유닛은, 지향성 광 기판(SLS)과 광원(LS)을 포함한다. 지향성 광 기판(SLS)은, 커버 기판(CP), 출광 소자(VHOE), 입광 소자(CHOE) 및 저 굴절층(LR)을 포함한다. 커버 기판(CP)은 대략 장방형의 사각 판상 모양으로, 길이와 폭 그리고 두께를 갖는다. 이 출원의 도면들에서 길이는 X축, 폭은 Y축 그리고 두께는 Z축에 대응하여 표시한다.

지향성 광 유닛(SLS)은 시준된(collimated) 광을 대면적으로 퍼트려 제공하는 광학 장치이다. 따라서, 광원(LS)은 시준된 빛을 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 광원(LS)은 적외선 레이저를 제공하는 레이저 다이오드로 구성하는 것이 바람직하다. 적외선 레이저는 시준성이 매우 높으므로, 본 발명에 의한 지향성 광 유닛(SLS)용 광원(LS)으로 매우 적합하다. 혹은, 확산 각도가 10도 미만으로 매우 좁은 값을 갖는, 적외선을 제공하는 적외선 다이오드로 구성할 수도 있다. 적외선 다이오드에서 방출하는 적외선의 확산 각도가 10도 미만일 경우, 시준된 적외선은 아니더라도, 시준성이 높아 본 발명에 의한 지향성 광 유닛(SLS)용 광원(LS)으로 충분히 사용할 수 있다.

커버 기판(CP)의 하부 표면에는 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)가 면 부착되어 있다. 출광 소자(VHOE)는 출사광(300)을 제공하는 광학 소자이다. 따라서, 출광 소자(VHOE)는 이미지를 검출 및 인식하는 영역에 대응하도록 배치된다. 또는 지향성 광 유닛(SLS)을 평판 표시장치와 결합하는 경우, 출광 소자(VHOE)는 평판 표시장치의 면적에 대응하도록 배치될 수 있다.

입광 소자(CHOE)는 광원(LS)에서 제공하는 시준된 빛을 커버 기판(CP)에 대응하는 면적으로 퍼지면서 시준성을 갖도록 전환하는 광학 소자이다. 입광 소자는(CHOE) 출광 소자(VHOE)의 외측 영역에 배치하는 것이 바람직하다. 특히, 입광 소자(CHOE)는 광원(LS)과 대향하여 배치하는 것이 바람직하다.

출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)는 동일 평면 상에 배치하는 것이 바람직하다. 제조 공정을 고려하면, 하나의 필름 위에 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 영역을 나누어서 형성하는 것이 바람직하다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 홀로그래피 패턴을 포함하는 광학 소자일 수 있다. 이 경우, 출광 소자(VHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름과 입광 소자(CHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름을 인접하여 배치한 후, 하나의 홀로그래피 기록 필름에 두 홀로그래피 패턴을 동시에 복사하여, 출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)를 하나의 필름으로 형성할 수 있다.

출광 소자(VHOE) 및 입광 소자(CHOE)의 하부 표면에는 저 굴절층(LR)이 적층되어 있다. 저 굴절층(LR)은, 커버 기판(CP) 및 출광 소자(VHOE)보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 커버 기판(CP)은 굴절율이 1.5인 투명한 강화 유리로 만들 수 있다. 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)는 투명한 홀로그래피 기록 필름으로서 굴절율이 커버 기판(CP)과 동일하거나 조금 더 큰 값을 가질 수 있다. 여기서는, 편의상 출광 소자(VHOE)와 입광 소자(CHOE)의 굴절율은 커버 기판(CP)의 굴절율과 동일한 것으로 설명한다. 저 굴절층(LR)의 굴절율은 인지하고자 하는 이미지 객체의 굴절율과 비슷한 것이 바람직하다. 예를 들어, 지문 인식에 적용하고자 하는 경우, 사람의 피부가 갖는 굴절율인 1.39와 유사한 1.4 정도의 굴절율을 가질 수 있다.

입광 소자(CHOE)의 하부 공간에는 입광 소자(CHOE)와 대향하도록 광원(LS)이 배치되어 있다. 광원(LS)은 레이저와 같이 시준성이 높은 빛을 제공하는 것이 바람직하다. 특히, 휴대용 표시장치에 지문 인식 기능을 구비하는 시스템에 적용하는 경우, 사람이 인지할 수 없는 빛인 적외선 레이저를 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 광원(LS)은 적외선 레이저를 제공하는 적외선 레이저 다이오드 혹은 확산 각도가 10도 미만의 값을 갖는 적외선을 제공하는 적외선 다이오드를 포함할 수 있다.

광원(LS)에서 제공된 시준광(Collimated Light)은 입사광(100)으로서 일정한 단면적을 갖고 입광 소자(CHOE)에 정의된 입사점(IP)으로 제공된다. 입사광(100)은 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사하는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 입사점(IP) 표면의 법선에 대해 일정 정도 기울어진 각도로 입사할 수도 있다.

입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각을 갖는 진행광(200)으로 전환하여 커버 기판(CP)의 내부로 보낸다. 여기서, 입사각은 커버 기판(CP)의 내부 전반사 임계각(Internal Total Reflection Critical Angle)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 진행광(200)은 커버 기판(CP)의 내부에서 전반사를 하면서, 커버 기판(CP)의 길이 방향인 X축으로 진행한다.

출광 소자(VHOE)는 진행광(200)의 일부 광량을 출사광(300)으로 전환하여 커버 기판(CP)의 상부 표면으로 굴절 시킨다. 진행광(200)의 나머지 광량은 커버 기판(CP) 내부에서 전반사되어 진행한다. 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서는 전반사되지만, 하부 표면에서는 저 굴절층(LR)을 투과하여 지향성 광 기판(SLS) 외부로 출광된다. 즉, 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사되어, 하부 표면을 투과하는 검출광(혹은, '센싱광')(400)이 된다.

진행광(200)이 입광 소자(CHOE)에서 길이 방향으로 진행하면서, 출광 소자(VHOE)에 의해 점차적으로 출사광(300)을 방출한다. 이 때, 출사광(300)의 광량은 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율에 의해 결정된다. 예를 들어, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율이 3%라고 하면, 첫 번째로 진행광(200)이 출광 소자(VHOE)에 닿은 지점인 첫 번째 발광 영역에서는 초기 입사광(100)의 3%에 해당하는 광량이 출사광(300)으로 추출된다. 97%의 진행광(200)은 계속 전반사되어 진행한다. 그 후, 두 번째 발광 영역에서는, 97%의 3%인 초기 입사광(100) 광량의 2.91%에 해당하는 광량이 출사광(300)으로 추출된다.

이러한 방식으로 커버 기판(CP)에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 끝 변에 다다를 때까지 출사광(300)이 추출된다. 이와 같이 균일한 출광 효율을 갖는 경우, 진행광(200)이 진행할 수록 추출되는 광량이 서서히 줄어든다. 진행광(200)이 진행하면서, 일정한 광량을 갖는 출사광(300)을 제공하기 위해서는, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율이 지수함수적으로 점차 증가하는 값을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.

진행광(200)을 길이 방향 축과 두께 방향 축으로 이루어진 XZ 평면(혹은, '수직 평면') 상에서 보면, 입사광(100)의 시준된 상태를 그대로 유지한다. 반면에, 폭 방향 축과 길이 방향 축으로 이루어진 XY 평면(혹은, '수평 평면')에서는 확산각(φ)을 갖는 것이 바람직하다. 이는 이미지 검출 면적을 커버 기판(CP)의 면적에 대응하도록 설정하기 위함이다. 예를 들어, 출광 소자(VHOE)는 가급적, 커버 기판(CP) 면적의 대부분에 대응하도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 확산각(φ)은 입사점(IP)에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 커버 기판(CP)의 타측변의 두 끝점(P1, P2)을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도와 같거나 큰 것이 바람직하다.

입광 소자(CHOE)가 배치된 영역을 광 입사부(LIN)로 정의할 수 있다. 또한, 출광 소자(VHOE)가 배치된 영역을 광 출사부(LOT)로 정의할 수 있다. 한편, 광 출사부(LOT)는 광이 진행하기도 하는 광 진행부이기도 하다. 도 1에서 입광 소자(CHOE)가 광 입사부(LIN) 전체 영역을 덮도록 배치된 것으로 도시하였으나, 입사점(IP)의 크기보다 조금 더 큰 크기를 갖는 정도이어도 충분하다.

예를 들어, 광원(LS)에서 제공하는 시준된 빛의 단면적이 0.5mm x 0.5mm인 정원인 경우, 입광 소자(CHOE)는 커버 기판(CP)의 폭에 대응하는 길이와 3mm ~ 5mm 정도의 폭을 가질 수 있다. 이 경우, 입광 소자(CHOE)는 커버 기판(CP)의 폭 방향으로 가로 질러 배치된다. 또는 입광 소자(CHOE)는 커버 기판(CP)의 폭 중에서, 중앙부 혹은 좌측 및 우측 중 어느 쪽으로 치우친 일부 영역에만 배치될 수도 있다.

이하, 도 2를 참조하여, 광원에서 제공된 시준된(Collimated) 적외선이 지향성 광 기판(SLS) 내부에서 어떠한 경로를 거쳐, 이미지 검출에 사용하는 지향성(Directional) 적외선으로 전환되는지 설명한다. 도 2는 도 1에 의한 지향성 광 기판 내부에서의 광 경로를 나타내는 단면도이다.

광원(LS)에서 제공된 입사광(100)은 입광 소자(CHOE)의 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사한다. 입광 소자(CHOE)는 입사광(100)을 입사각(θ)을 갖도록 굴절시킨 진행광(200)으로 전환하여 커버 기판(CP)의 내부로 보낸다.

진행광(200)의 입사각(θ)은 출광 소자(VHOE)와 저 굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(T_{VHOE _ LR})보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 커버 기판(CP) 및 출광 소자(VHOE)의 굴절율이 1.5이고, 저 굴절층(LR)의 굴절율이 1.4일 경우, 출광 소자(VHOE)와 저 굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(T_{VHOE _ LR})은 약 69도로 계산된다. 따라서, 진행광(200)이 커버 기판(CP)으로 들어가는 입사각(θ)은 69도보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 입사각(θ)은 70도 내지 75도 중 어느 한 값을 갖도록 설정할 수 있다.

커버 기판(CP)의 상부 표면은 공기층(AIR)과 접촉하고 있으므로, 진행광(200)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 역시 전반사된다. 이는, 커버 기판(CP)과 공기층(AIR)의 계면에서의 전반사 임계각(T_{CP_AIR})은 약 41.4도이기 때문이다. 즉, 입사각(θ)이 출광 소자(VHOE)와 저 굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(T_{VHOE_LR})보다 큰 값을 가지면, 이는 항상 커버 기판(CP)과 공기층(AIR)의 계면에서의 전반사 임계각(T_{CP_AIR})보다 큰 값이다.

출광 소자(VHOE)는 진행광(200)의 일정 광량을 반사각(α)을 갖는 출사광(300)으로 전환시켜 커버 기판(CP)의 내부로 되돌려 보낸다. 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에 이미지를 갖는 객체가 접촉하는 경우, 그 이미지의 상을 인지하기 위한 광이다. 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 표면에 아무 물체도 없는 경우에는, 전반사되어, 지향성 광 기판(SLS)의 하면 외부에 위치한 광 센서로 보내어져야 한다. 즉, 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사된 후에는 검출광(400)으로서 지향성 광 기판(SLS)의 하부 표면을 통해 외부로 출광된다.

출광 소자(VHOE)에 의해 출사광(300)은 커버 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사조건을 만족하여야 하며, 동시에, 커버 기판(CP)의 하부 표면에서는 저 굴절층(LR)을 관통하여 외부로 출광되어야 한다. 따라서, 출사광(300)이 갖는 반사각(α)은, 커버 기판(CP)과 공기층(AIR)이 갖는 전반사 임계각(T_{CP_AIR})보다는 크고, 출광 소자(VHOE)와 저 굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(T_{VHOE _ LR})보다는 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 입사각(θ)은 70도 내지 75도 중 어느 한 값을 갖도록 설정하고, 반사각(α)은 45도 내지 55도 중 어느 한 값을 갖도록 설정할 수 있다. 결과적으로 검출광(400)은 반사각(α)과 동일한 출사각을 갖고 커버 기판(CP)의 외부로 출광된다.

특히, 출사광(300)은 커버 기판(CP) 표면 내에서 여러 지점에서 출광된다. 하지만, 출사광(300)들의 출광 방향은 항상 일정하다. 이와 같이 방향이 일정한 출사광(300)을 지향성(directional) 광이라고 한다. 또한, 일정 방향성을 갖는 출사광(300)은 일정 방향성을 갖는 검출광(400)으로 제공된다. 즉, 본 발명에 의한 지향성 광 기판(SLS)은 일정 방향성을 갖는 출사광(300) 및 검출광(400)을 제공하는 광소자를 의미한다.

지향성 광 기판(SLS)의 하부 표면에 배치된 저 굴절층(LR)을 통해 외부로 출광된 검출광(400)을 인식함으로써, 커버 기판(CP)의 상부 표면에 배치된 물체의 이미지를 판별할 수 있다. 이하에서는, 도 1에서 설명한 지향성 광 유닛을 응용한 이미지 인식 장치에 대해 설명한다. 특히, 지문 인식 센서를 구비한 평판 표시장치에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치는, 표시 패널(DP), 지향성 광 기판(SLS), 광원(LS) 및 이미지 센서(SET)를 포함한다. 표시 패널(DP)에는 표시 영역(AA)과 비 표시 영역(NA)이 정의되어 있다. 표시 영역(AA)은 표시 패널(DP)의 중앙부 대부분을 차지하고, 비 표시 영역(NA)은 표시 영역의 주변에 배치된다. 표시 영역(AA)에는, 표시 패널(DP)이 나타내고자 하는 영상들이 표시되는 소자들이 배치되어 있다. 비 표시 영역(NA)에는 표시 영역에 배치된 소자들을 구동하기 위한 소자들이 배치되어 있다.

특히, 표시 영역(AA)에는, 영상을 표시하기 위한 다수 개의 화소 영역들이 매트릭스 방식으로 배열되어 있다. 표시 패널(DP)의 하면에는 이미지 센서(SET)가 배치되어 있다. 이미지 센서(SET)는 표시 패널(DP)을 구동하기 위한 구동 PCB에 실장되어 표시 패널(DP)의 하면에 배치될 수 있다. 특히, 이미지 센서(SET)는 표시 패널(DP)에서 정의된 이미지 센싱(혹은 인식) 영역(SA)에 대응하여 배치하는 것이 바람직하다.

먼저, 지향성 광 기판(SLS)은, 일정 길이, 일정 폭 및 일정 두께를 갖는 얇고 넓은 판상형이다. 지향성 광 기판(SLS)의 길이와 폭은 표시 패널(DP)을 수용하기에 충분한 크기를 갖는 것이 바람직하다. 특히, 표시 패널(DP)의 전체 크기보다 조금 더 큰 크기를 갖는 것이 바람직하다. 적어도 표시 패널(DP)의 한쪽 변으로 더 연장된 부분을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 표시 패널(DP)의 한쪽 변으로 더 연장된 부분에는 광원(LS)을 배치한다.

지향성 광 기판(SLS)은 표시 패널(DP)의 상부 표면에 면 합착하여 결합될 수 있다. 지향성 광 기판(SLS)은, 앞에서 설명했듯이, 커버 기판(CP), 입광 소자(CHOE), 출광 소자(VHOE) 및 저 굴절층(LR)을 포함한다. 저 굴절층(LR)이 표시 패널(DP)의 상부 표면과 면 합착되는 것이 바람직하다. 여기서, 표시 패널(DP)의 상부 표면은, 표시 패널(DP)에서 제공되는 영상 정보가 출광되는 면을 말한다. 즉, 사용자가 영상을 관람할 때 바라보는 표시 패널(DP)의 표면을 말한다.

앞에서 설명한 바와 같이, 지향성 광 기판(SLS)에서는 하부 표면으로 즉, 표시 패널(DP)의 상부 표면으로, 이미지 검출광(400)을 제공한다. 검출광(400)은 표시 패널(DP)을 관통하여, 하부에 배치된 이미지 센서(SET)로 전달된다. 이미지 센서(SET)의 광 센서에 의해 검출광(400)을 인지함으로써, 지향성 광 기판(SLS)의 상부 표면에 접촉하는 물체의 이미지를 재현할 수 있다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 지향성 광 기판(SLS)의 출광 소자(VHOE)에 의해 만들어지 출사광(300)이 커버 기판(CP)의 상부 표면에 다다른다. 특히, 커버 기판(CP) 위에 이미지 객체(IM)가 놓여진 상태에서, 객체(IM)가 직접 커버 기판(CP)과 접촉하지 않은 곳에 다다른 출사광(300)은 전반사되어 검출광(400)으로서 표시 패널(DP)로 제공된다. 한편, 커버 기판(CP) 표면에서 객체(IM)가 직접 커버 기판(CP)과 접촉하는 부분에 다달은 출사광(300)은 외부로 굴절되어 나간다.

굴절율이 공기보다 큰 값을 갖는 객체(IM)가 커버 기판(CP)에 접촉한 부위에서는, 검출광(400)이 전반사되지 않고, 객체(IM) 쪽으로 굴절된다. 즉, 이미지 객체(IM)가 커버 기판(CP)과 접촉하는 부분에서는 출사광(300)이 흡수광(500)으로 되어 이미지 센서(SE)의 광 센서로 제공되는 광량이 거의 없다.

그 결과, 이미지 센서(SET)는 출사광(300) 중에서 검출광(400)만 인지하고, 흡수광(500)은 인지할 수 없게 된다. 이와 같이 이미지 센서(SET)의 광 센서들은, 커버 기판(CP)의 표면에서 반사된 검출광(400)의 반사 패턴을 인지함으로써 이미지의 패턴을 재현(reproduce)할 수 있다.

지향성 광 유닛을 지문 인식 장치에 적용하는 경우, 이미지 객체(IM)는 사람의 손가락(finger)이 된다. 그리고 지문의 융기(R) 부분은 커버 기판(CP)의 표면과 접촉하고, 골(V) 부분은 커버 기판(CP)의 표면과 접촉하지 않는다. 골(V) 부분으로 간 출사광(300)은 전반사되어 검출광(400)으로 된다. 반면에, 융기(R) 부분으로 간 출사광(300)은 굴절되어 커버 기판(CP)의 외부로 빠져나가는 흡수광(500)이 된다.

도 3의 아래에 도시된 사시도를 더 참조하여 XY 평면상에서의 이미지 인식에 대해 설명한다. 입사광(100)은 일정한 단면적을 갖는 시준된 적외선을 포함할 수 있다. 이를 위해 광원(LS)은 적외선(infra red) 레이저(IR LASER)를 제공하는 레이저 다이오드일 수 있다.

입사광(100)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(200)으로 변환된다. 이 때, 진행광(200)은, 길이 방향 축인 X축과 폭 방향 축인 Y축으로 이루어진 수평 평면인 XY 평면에서는 확산각(φ)을 가지도록 변환된다. 또한, 길이 방향 축인 X과 두께 방향 축인 Z축으로 이루어진 수직 평면인 XZ 평면에서는 원래의 시준된 상태를 유지한다.

여기서, 확산각(φ)은, 입사점(IP)에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 커버 기판(CP)의 타측변의 두 끝점을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도와 같거나 이보다 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 진행광(200)은 확산각(φ)을 갖는 삼각형 형상으로 퍼지면서 진행한다. 이에 따라, 출사광(300) 역시 진행광(200)과 동일한 범위에 걸쳐 제공된다. 그 결과, 이미지 인식 영역은 삼각형 내부 영역이 된다. 따라서, 지문 인식 장치로 적용하는 경우, 도 3에서 빗금 친 원형으로 표시한 부분에 이미지 센싱 영역(SA)을 설정할 수 있다.

도 3과 같이, 표시 패널의 중앙부 혹은 입광 소자(CHOE)와 대향하는 상단변의 일부에 이미지 센싱 영역(SA)을 설정할 경우, 센싱 영역(SA)에서 출사광(300)의 광량이 최대 값을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 출광 소자(VHOE)의 광 추출 효율이 센싱 영역(SA)에 대응하는 부분에서 최대 값을 갖고, 다른 부분에서는 최소 값 혹은 '0'에 가까운 값을 갖도록 위치에 따른 함수 관계로 설계할 수 있다.

본 발명에 의한 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에서는, 검출광(400)이 이미지 센서(SET)의 상부 표면으로 입사될 때, 일정 각도를 갖고 입사된다. 즉, 이미지 센서(SET)의 상부 표면에 대한 법선에 대해 일정 각도로 입사된다. 여기서, 검출광(400)이 이미지 센서(SET)의 상부 표면으로 들어가는 입사 각도는 도 2에서 설명한 반사각(α)과 동일하다. 이와 같이 검출광(400)이 이미지 센서(SET)의 상부 표면으로 기울어진 각도로 입사하기 때문에, 광 센서로 제공되는 광량이 저하된다. 이로써, 검출 정확도가 저하될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치를 개인 휴대용 정보 처리기기에 적용하는 경우, 태양광 및 조명광과 같은 외부광에 의해 항상 노출된 상태에서 사용한다. 이러한 외부광은 표시 패널(DP)의 표면에서 전방위적으로 입사된다. 따라서, 외부광이 이미지 센서(SET)로 전달되는 경우, 이는 노이즈(noise)가 되어 이미지 인식 성능을 저하하는 요인이 될 수 있다.

따라서, 이미지 센서(SET)는 외부광에 의한 영향을 최소화하고, 검출광(400)만을 선택적으로 최대한의 광량을 인식할 수 있는 구조적인 특징을 갖는 것이 중요하다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명에 의한 이미지 센서(SET)에 대해 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명에 의한 지향성 광 유닛과 광 인식 센서를 포함하는 광학식 이미지 센서를 구비한 평판 표시장치에서 이미지 인식 센서의 구조를 나타내는 단면 확대도이다. 도 5는 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서가 외부광을 제거하고 검출광의 광량을 극대화한 메카니즘을 설명하는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 이미지 센서(SET)는, 적외선 필터(IRP), 광학 구조체(OPS), 적외선 대역 필터(IRB), 광 센서(SE) 및 하우징(HS)을 포함한다. 하우징(HS)은 적외선 필터(IRP), 광학 구조체(OPS), 적외선 대역 필터(IRB) 및 광 센서(SE)들을 실장하며, 표시 패널(DP)의 하면에 부착된다. 특히 하우징(HS)은 표시 패널(DP)에서 이미지 센싱 영역(SA)에 대응하는 위치에 배치하는 것이 바람직하다.

광 센서(SE)는 하우징(HS) 내부로 입사된 빛을 인지하는 센서로서, 이미지 센서(SET)의 가장 중요한 구성 요소이다. 광 센서(SE)는 거의 모든 파장대의 빛을 인식할 수 있는 센서이다. 본 발명에서는 외부광을 제거하고, 검출광(400)만을 선택적으로 인식하여야 한다. 따라서, 광 센서(SE)의 상부 표면에는 검출광(400)만을 선택적으로 최대의 광량을 제공할 수 있는 구성 요소들이 적층되는 것이 바람직하다.

적외선 필터(IRP)는 외부광에서 적외선(Infra Red Light)만을 통과하는 필터이다. 적외선 필터(IRP)는 800nm 이하의 파장을 갖는 모든 빛을 제거하는 필터이다. 표시 패널(DP)을 통과하여 이미지 센서(SET)로 들어오는 모든 빛들은 적외선 필터(IRP)를 가장 먼저 통과한다. 이 때, 도 5에서 점선으로 표시한 바와 같이, 적외선 필터(IRP)에 의해 800nm 이하 파장대의 빛들은 적외선 필터(IRP)를 통과하지 못한다. 즉, 가시광선 및 자외선들은 모두 제거된다.

광학 구조체(OPS)는 적외선 필터(IRP)를 통과한 적외선들의 진행 방향을 변환시키는 광학 소자이다. 적외선 필터(IRP)를 통과한 적외선들에는 외부광에 포함된 적외선, 그리고 검출광(400)을 포함한다. 검출광(400)은 특정 파장 값을 갖는 적외선이다. 예를 들어, 본 발명에 의한 지향성 광 유닛(SLS)에 포함된 광원(LS)이 850nm의 파장 값을 갖는 입사광(100)을 제공할 경우, 검출광(400) 역시 850nm의 파장 값을 갖는다. 또한, 검출광(400)은 광 센서(SE)의 상부 표면의 법선 방향에 대해 반사각(α)에 해당하는 경사각을 갖고 입사한다.

광학 구조체(OPS)는 검출광(400)의 진행 각도인 반사각(α)을 갖는 적외선들의 진행 방향을 광 센서(SE)의 상부 표면의 법선 방향으로 전환하는 광학 소자인 것이 바람직하다. 즉, 반사각(α)에 상응하는 입사각도를 갖지 않는 적외선들은 광학 구조체(OPS)에 의해 배제된다. 반면에 반사각(α)에 상응하는 입사각도를 갖는 적외선들은 광 센서(SE)로 수직 입사함으로써, 광량이 증폭되는 결과를 얻을 수 있다.

적외선 대역 필터(IRB)는 반사각(α)에 상응하는 입사각도를 갖는 적외선들 중에서 특정 대역폭 조건을 만족하는 적외선들만을 통과시키는 필터 소자이다. 예를 들어, 검출광(400)에, 850nm의 적외선인 경우, 검출광(400)의 대역폭 조건은 840nm ~ 860nm일 수 있다. 이 경우, 적외선 대역 필터(IRB)로 840nm ~ 860nm의 적외선들을 선별하여 통과하는 필터 소자를 사용하는 것이 바람직하다. 그 결과, 자외선 대역 필터(IRB)를 통과한 빛은, 진행 방향이 광 센서(SE) 상부 표면의 법선에 대해 반사각(α)에 상응하는 경사각을 갖고 입사하는 840nm ~ 860nm의 적외선이 된다.

이 조건은 검출광(400)과 동일한 광학적 특성을 갖는다. 즉, 적외선 필터(IRP), 광학 구조체(OPS) 및 적외선 대역 필터(IRB)를 순차적으로 통과할 수 광은 검촐광(400)이거나 외부광 중에서 검출광(400)과 동일한 조건을 갖는 광이다. 외부광 중에서 검출광(400)과 동일한 조건을 갖는 광은 노이즈(noise)를 유발하는 노이즈성 광이다. 하지만, 이 노이즈성 광의 광량은 검출광(400)의 광량에 비해 극히 적다. 따라서, 자외선 필터(IRP), 광학 구조체(OPS) 및 자외선 대역 필터(IRB)를 순차적으로 통과한 광은 검출광(400)뿐이라고 판단해도 무방하다.

도 5에서, 실선으로 도시한 그래프는 적외선 필터(IRP), 광학 구조체(OPS) 및 적외선 대역 필터(IRB)를 순차적으로 통과한 적외선의 광량을 나타낸다. 다시 말해, 적외선 필터(IRP)로 외부광에 포함된 적외선이 아닌 빛들을 제거한다. 또한 적외선 대역 필터(IPB)로 검출광(400)의 파장 대역에 해당하는 적외선들만을 선별한다. 그리고 광학 구조체(OPS)로 검출광(400)의 진행 방향과 일치하는 적외선들만을 또 선별하여, 그 광량을 극대화하기 위해 광 센서(SE)를 향해 직각 방향으로 입사하도록 광 진행 방향을 전환한다.

참고로, 도 5에서 일점 쇄선으로 도시한 그래프는 광학 구조체(OPS)가 없는 경우의 적외선 광량을 나타낸다. 적외선 필터(IRP)와 적외선 대역 필터(IRB)만을 통과한 적외선은 광 센서(SE)의 표면에 대해 반사각(α)에 상응하는 경사각을 갖고 입사되므로, 광량이 줄어든다. 광 센서(SE)가 검출광(400)이 갖는 광량을 충분히 인지할 수 있도록 광 센서(SE) 표면에 대해 수직으로 입사하도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 적외선 필터(IRP), 광학 구조체(OPS) 및 적외선 대역 필터(IRB) 적층 순서에 대해 설명한다. 적외선 필터(IRP)는 주로 가시광선을 제거할 목적을 사용한다. 따라서, 적외선 필터(IRP)는 흑색 무기 박막일 수 있다. 흑색 무기 박막을 사용하는 경우, 외부광이 반사되어 사용자에게 인지되는 것도 방지할 수 있다. 따라서, 흑색 무기 박막으로 만든 적외선 필터(IRP)는 이미지 센서(SET)의 제일 상부 표면에 도포함으로써, 형성하는 것이 바람직하다.

적외선 대역 필터(IRB)는 굴절율이 다른 2종 이상의 무기 물질들을 교대로 적층한 다층 박막일 수 있다. 즉, 적외선 필터(IRP) 및 적외선 대역 필터(IRB)들은 광학 기판에 무기 물질을 증착 혹은 도포함으로써 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 광학 구조체(OPS)는 광 센서(SE)로 입사되는 빛의 진행 방향을 바꾸어주는 광학 소자이다. 따라서, 광학 구조체(OPS)는 박막 물질이 아닌 광 매질 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한, 구성 요소들의 물질 및 소자의 특성들을 고려했을 때, 광학 구조체(OPS)는 적외선 필터(IRP)와 적외선 대역 필터(IRB) 사이에 배치하는 것이 가장 바람직하다. 예를 들어, 광학 구조체(OPS)의 상부 표면에 흑색 무기 박막을 증착하여 적외선 필터(IRP)를 형성하고, 광학 구조체(OPS)의 하부 표면에 굴절율이 다른 무기 물질들을 교대로 증착하여 적외선 대역 필터(IRB)를 형성할 수 있다. 그 후에, 하우징(HS) 내에 실장된 광 센서(SE) 위에 적외선 필터(IRP) 및 적외선 대역 필터(IRB)를 구비한 광학 구조체(OPS)를 배치한다.

하지만, 반드시 이러한 구조에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명에서는 구성 요소들의 광학적 재질과 특성들을 고려하여 가장 바람직한 경우를 제공한 것이다. 이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명에 의한 이미지 센서(SET)에 포함된 광학 구조체(OPS)의 다양한 실시 예들을 설명한다.

<제1 실시 예>

먼저 도 6을 참조하여, 제1 실시 예를 설명한다. 도 6은 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제1 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)는, I자형 그레이팅 패턴으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광학 구조체(OPS)는, 기판(SB), 충진 매질(FIL) 및 I자 그레이팅 패턴(GPI)을 포함한다. 기판(SUB)은 굴절율 n1을 갖는 투명한 광학 물질로 만든 필름일 수 있다. I자 그레이팅 패턴(GPI)는 굴절율 n2를 갖는 투명한 광학 물질로 만든 패턴일 수 있다. 예를 들어, 기판(SUB) 위에 굴절율 n2를 갖는 투명 광학 물질을 도포한 후, I자 형상으로 패턴하여 형성할 수 있다. 충진 매질(FIL)은 굴절율 n3를 갖는 투명한 광학 물질로 만든 충진 물질일 수 있다. 예를 들어, I자 그레이팅 패턴(GPI)가 형성된 기판(SUB)의 표면 위에 충진 매질(FIL)을 도포한 후, 경화하여 제1 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)를 형성할 수 있다.

여기서, 굴절율 n1과 굴절율 n3은 거의 동일한 값을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 굴절율 n2와 굴절율 n3는 적어도 0.2 이상의 차이를 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 제1 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)의 상부 표면으로 들어오는 검출광(400)은 굴절되어 수직 검출광(401)으로 출광된다.

<제2 실시 예>

이하 도 7을 참조하여, 제2 실시 예를 설명한다. 도 7은 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제2 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)는, 계단형 그레이팅 패턴으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광학 구조체(OPS)는, 기판(SB), 충진 매질(FIL) 및 계단형 그레이팅 패턴(GPS)을 포함한다. 기판(SUB)은 굴절율 n1을 갖는 투명한 광학 물질로 만든 필름일 수 있다. 계단형 그레이팅 패턴(GPS)는 굴절율 n2를 갖는 투명한 광학 물질로 만든 패턴일 수 있다. 예를 들어, 기판(SUB) 위에 굴절율 n2를 갖는 투명 광학 물질을 도포한 후, 계단형 형상으로 패턴하여 형성할 수 있다. 특히, 계단형 그레이팅 패턴(GPS)은, 도 7에서와 같이, 수직면과 계단면을 구비할 수 있다. 수직면은 검출광(400)이 입사되는 쪽에 배치하는 것이 바람직하다.

충진 매질(FIL)은 굴절율 n3를 갖는 투명한 광학 물질로 만든 충진 물질일 수 있다. 예를 들어, 계단형 그레이팅 패턴(GPS)가 형성된 기판(SUB)의 표면 위에 충진 매질(FIL)을 도포한 후, 경화하여 제2 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)를 형성할 수 있다.

여기서, 굴절율 n1과 굴절율 n3은 거의 동일한 값을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 굴절율 n2와 굴절율 n3는 적어도 0.2 이상의 차이를 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 제2 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)의 상부 표면으로 들어오는 검출광(400)은 굴절되어 수직 검출광(401)으로 출광된다.

<제3 실시 예>

이하, 도 8을 참조하여, 제3 실시 예를 설명한다. 도 8은 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제3 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 제3 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)는, 프리즘 패턴으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광학 구조체(OPS)는, 기판(SB), 충진 매질(FIL) 및 프리즘 패턴(PRI)을 포함한다. 기판(SUB)은 굴절율 n1을 갖는 투명한 광학 물질로 만든 필름일 수 있다. 프리즘 패턴(PRI)는 굴절율 n2를 갖는 투명한 광학 물질로 만든 패턴일 수 있다. 예를 들어, 기판(SUB) 위에 굴절율 n2를 갖는 투명 광학 물질을 도포한 후, 역삼각 형상들이 연속 배치된 모양으로 프리즘을 패턴하여 형성할 수 있다. 특히, 프리즘 패턴(PRI)은, 도 7에서와 같이, 수직면과 경사면을 구비할 수 있다. 수직면은 검출광(400)이 입사되는 쪽에 배치하는 것이 바람직하다.

충진 매질(FIL)은 굴절율 n3를 갖는 투명한 광학 물질로 만든 충진 물질일 수 있다. 예를 들어, 프리즘 패턴(PRI)가 형성된 기판(SUB)의 표면 위에 충진 매질(FIL)을 도포한 후, 경화하여 제3 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)를 형성할 수 있다.

여기서, 굴절율 n1과 굴절율 n3은 거의 동일한 값을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 굴절율 n2와 굴절율 n3는 적어도 0.2 이상의 차이를 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 제3 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)의 상부 표면으로 들어오는 검출광(400)은 굴절되어 수직 검출광(401)으로 출광된다.

<제4 실시 예>

마지막으로, 도 9를 참조하여 제4 실시 예를 설명한다. 도 9는 본 발명에 의한 광학식 이미지 센서에 실장된 제4 실시 예에 의한 광학 구조체의 구조를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 제3 실시 예에 의한 광학 구조체(OPS)는, 홀로그래피 광학 소자로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광학 구조체(OPS)는, 기판(SB) 및 홀로그래피 기록 매체(HE)를 포함한다. 기판(SUB)은 투명한 광학 물질로 만든 필름일 수 있다. 홀로그래피 기록 매체(HE)는 홀로그래피 패턴이 기록되는 광학 매체이다. 홀로그래피 기록 매체(HE)에는 검출광(400)을 수직 검출광(401)로 변환하는 홀로그래피 패턴을 기록하는 것이 바람직하다.

도 9에서 홀로그래피 기록 매체(HE)가 기판(SUB)의 상부면에 배치된 경우를 도시하였다. 하지만, 경우에 따라서는, 홀로그래피 기록 매체(HE)가 기판(SUB)의 하부면에 배치될 수도 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

DP: 표시 패널 SLS: 지향성 광 기판
CP: 커버 기판 CHOE: 입광 소자
VHOE: 출광 소자 LS: 광원
LR: 저 굴절 층 100: 입사광
200: 진행광 300, 310: 출사광
400: 검출광 410: 수직 검출광
SET: 이미지 센서 HS: 하우징
IRP: 적외선 필터 IRB: 적외선 대역 필터
OPS: 광학 구조체 SB: 기판
FIL: 충진 매질 GPI: I자형 그레이팅 패턴
GPS: 계단형 그레이팅 패턴 PRI: 프리즘 패턴
HE: 홀로그래피 기록 매질

Claims (12)

1. 표시 영역과 비 표시 영역이 정의된 표시 패널;
   상기 표시 패널을 수용하는 길이와 폭 그리고 일정한 두께를 갖고, 상기 표시 패널의 상부 표면에 면 부착되며, 상기 표시 영역으로 일정 방향각을 갖는 검출광을 제공하는 지향성 광 유닛; 그리고
   상기 표시 패널 하부 표면에 배치되며, 상기 표시 패널을 통과하는 모든 빛들 중에서 상기 검출광을 선택하여 수광하는 이미지 센서를 포함하고,
   상기 이미지 센서는, 상기 표시 패널 하부에 순차적으로 배치되는 적외선 필터, 광학 구조체, 적외선 대역 필터, 광 센서를 포함하고,
   상기 검출광은 상기 광 센서의 상부 표면의 법선 방향에 대하여 상기 방향각으로 상기 광학 구조체로 입사되고, 상기 광학 구조체는 상기 검출광의 진행 방향을 상기 광 센서의 상부 표면의 법선 방향에 대하여 0도로 변환하여 수직 검출광으로 출광하는 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 적외선 필터는 상기 표시 패널을 통과하는 모든 빛들 중에서 800nm 이하의 빛들을 제거하고,
   상기 적외선 대역 필터는 상기 광학 구조체를 통과한 빛들 중에서 기 설정된 대역 범위 내의 적외선들만을 통과시키고,
   상기 광 센서는 상기 적외선 대역 필터를 통과한 빛을 수광하는 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 광학 구조체는,
   굴절율 n1을 갖는 투명 기판;
   굴절율 n2를 갖는 그레이팅 패턴; 그리고
   굴절율 n3을 갖는 충진 매질을 포함하는 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 굴절율 n1은 상기 굴절율 n3과 동일하며,
   상기 굴절율 n2와 상기 굴절율 n3는 그 차이가 0.2 이상인 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 그레이팅 패턴은,
   I자형 그레이팅 패턴을 포함하는 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 그레이팅 패턴은,
   수직면과 계단면을 갖는 계단형 그레이팅 패턴을 포함하고,
   상기 수직면은 상기 검출광이 들어오는 쪽에 대향하여 배치된 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 계단형 그레이팅 패턴은,
   역 삼각형 형상을 갖는 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 광학 구조체는,
   굴절율 n1을 갖는 투명 기판;
   굴절율 n2를 갖는 삼각형들이 연속 배치된 프리즘 패턴; 그리고
   굴절율 n3을 갖는 충진 매질을 포함하되,
   상기 굴절율 n1은 상기 굴절율 n3과 동일하며;
   상기 굴절율 n2와 상기 굴절율 n3는 그 차이가 0.2 이상이며; 그리고
   상기 삼각형들의 수직면은 상기 검출광이 들어오는 쪽에 대향하여 배치된 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 프리즘 패턴은,
   밑변이 상부에 배치된 역 삼각형 형상을 갖는 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
   
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는,
    투명 기판; 그리고
    상기 투명 기판의 일측면에 배치된 홀로그래피 기록 매체를 포함하되,
    상기 홀로그래피 기록 매체는, 상기 검출광을 상기 수직 검출광으로 변환하는 홀로그래피 패턴이 기록된 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
    
11. 제 2 항에 있어서,
    상기 적외선 대역 필터는,
    굴절율이 서로 다른 2종 이상의 무기 물질들을 교대로 적층한 다층 박막인 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 방향각과 상이한 입사각을 갖는 적외선은 광학 구조체에 의하여 배제되는 이미지 인식 센서를 구비한 평판 표시장치.
    

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