KR102395992B1 - 광대역 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
색분리 소자를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센가 개시된다. 개시된 이미지 센서는, 다수의 제 1 화소, 다수의 제 2 화소, 및 다수의 제 3 화소를 포함하는 화소 어레이; 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 화소를 향해 진행시키고 제 1 파장 대역 및 제 3 파장 대역이 혼합된 빛을 제 1 화소 또는 제 3 화소를 향해 진행시키도록 구성된 색분리 소자; 및 제 1 컬러 필터, 제 2 컬러 필터, 및 제 3 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층;을 포함하며, 제 2 컬러 필터의 통과 대역폭은 제 1 컬러 필터의 통과 대역폭 및 제 3 컬러 필터의 통과 대역폭보다 크다.
Description
개시된 실시예들은 광대역 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 색분리 소자 및 광대역 컬러 필터를 이용하여 광 이용 효율과 색 순도가 향상된 이미지 센서에 관한 것이다.
컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지하고 있다. 현재 사용되는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는, 예를 들어, 4개의 화소 중에서 2개의 화소에는 녹색 필터가 배치되고, 나머지 2개의 화소에는 청색 필터와 적색 필터가 배치되는 RGB 컬러 필터 방식을 가장 많이 채택하고 있다. 또한, RGB 컬러 필터 방식 외에도, 보색 관계에 있는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타의 컬러 필터가 4개의 화소에 각각 배치되는 CYGM 컬러 필터 방식이 채택되기도 한다.
그런데, 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다.
최근에는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시키기 위하여, 컬러 필터 대신에 색분리 소자를 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 색분리 소자는 파장에 따라 다른 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 색을 분리하고, 색분리 소자에 의해 분리된 색들은 각각의 대응하는 화소에 전달될 수 있다.
색분리 소자 및 광대역 컬러 필터를 이용하여 광 이용 효율과 색 순도가 향상된 이미지 센서를 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소들이 번갈아 배열된 제 1 화소행 및 다수의 제 2 화소와 다수의 제 3 화소들이 번갈아 배열된 제 2 화소행을 포함하는 화소 어레이; 각각의 제 2 화소에 대향하여 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 화소를 향해 진행시키고 제 1 파장 대역 및 제 3 파장 대역이 혼합된 빛을 제 1 화소 또는 제 3 화소를 향해 진행시키도록 구성된 색분리 소자; 및 상기 제 1 화소에 배치된 제 1 컬러 필터, 상기 제 2 화소에 배치된 제 2 컬러 필터, 및 상기 제 3 화소에 배치된 제 3 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층;을 포함하며, 여기서 제 1 색을 나타내는 파장 대역을 제 1 채널이라 정의하고, 제 2 색을 나타내는 파장 대역을 제 2 채널이라 정의하고, 제 3 색을 나타내는 파장 대역을 제 3 채널이라 정의할 때, 상기 제 2 컬러 필터의 통과 대역은 상기 제 1 내지 제 3 화소에서 흡수되는 제 1 내지 제 3 채널들 사이의 평균 크로스토크가 17% 내지 25%의 범위 내에 있도록 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 채널의 파장 대역은 630nm ± 10nm이고, 상기 제 2 채널의 파장 대역은 540nm ± 10nm이고, 상기 제 3 채널의 파장 대역은 450nm ± 10nm이다.
상기 제 2 컬러 필터는 유기 염료 또는 유기 안료를 포함할 수 있다.
상기 제 2 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 및 제 3 컬러 필터의 두께보다 작을 수 있다.
상기 제 2 컬러 필터에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도는 상기 제 1 및 제 3 컬러 필터에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 2 컬러 필터는 무기물 재료로 이루어질 수도 있다.
상기 제 2 컬러 필터는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체층 및 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체층을 포함하며, 상기 제 1 유전체층과 제 2 유전체층이 서로 교호하면서 적어도 1회 적층될 수 있다.
상기 제 2 컬러 필터는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 패터닝된 미세 패턴 구조를 가질 수 있다.
상기 제 1 컬러 필터는 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성되며, 상기 제 2 컬러 필터는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 구성되고, 상기 제 3 컬러 필터는 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 컬러 필터는 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성되며, 상기 제 2 컬러 필터는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 구성되고, 상기 제 3 컬러 필터는 제 1 파장 대역의 빛과 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 컬러 필터는 상기 제 1 화소행 내의 제 2 화소에만 배치되고, 상기 제 2 화소행 내의 제 2 화소에는 컬러 필터가 배치되지 않을 수 있다.
상기 색분리 소자는 상기 제 2 화소의 대각선 방향을 따라 연장될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 소자는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정될 수 있다.
다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소들이 번갈아 배열된 제 1 화소행 및 다수의 제 2 화소와 다수의 제 3 화소들이 번갈아 배열된 제 2 화소행을 포함하는 화소 어레이; 상기 제 1 화소행 내의 제 2 화소와 대향하여 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 좌우 측면의 제 1 화소를 향해 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 화소를 향해 진행시키도록 구성된 제 1 색분리 소자; 상기 제 2 화소행 내의 제 2 화소와 대향하여 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 3 파장 대역의 빛을 좌우 측면의 제 3 화소를 향해 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 화소를 향해 진행시키도록 구성된 제 2 색분리 소자; 및 상기 제 1 화소에 배치된 제 1 컬러 필터, 상기 제 2 화소에 배치된 제 2 컬러 필터, 및 상기 제 3 화소에 배치된 제 3 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층;을 포함하며, 여기서 제 1 색을 나타내는 파장 대역을 제 1 채널이라 정의하고, 제 2 색을 나타내는 파장 대역을 제 2 채널이라 정의하고, 제 3 색을 나타내는 파장 대역을 제 3 채널이라 정의할 때, 상기 제 2 컬러 필터의 통과 대역은 상기 제 1 내지 제 3 화소에서 흡수되는 제 1 내지 제 3 채널들 사이의 평균 크로스토크가 17% 내지 25%의 범위 내에 있도록 선택될 수 있다.
개시된 이미지 센서는 색분리 소자와 광대역 컬러 필터를 이용함으로써 광 이용 효율의 향상과 색 순도 저하의 억제를 동시에 달성할 수 있다. 또한, 개시된 실시예에 따르면, 일반적인 베이어 패턴(Bayer pattern) 방식을 그대로 유지하기 때문에, 기존의 이미지 센서의 화소 구조와 이미지 처리 알고리즘을 크게 변경할 필요가 없다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서의 A-A' 라인을 따른 단면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 3은 통상적인 컬러 필터만을 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4는 색분리 소자와 통상적인 컬러 필터를 함께 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 녹색 컬러 필터 없이 색분리 소자를 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 7은 유기물 재료로 이루어진 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 무기물 재료로 이루어진 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 미세 패턴 구조를 갖는 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 실시예에 따른 미세 패턴 구조를 갖는 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행에 대한 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 15a는 도 14에 도시된 이미지 센서의 A-A' 라인을 따른 단면도이다.
도 15b는 도 14에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서의 A-A' 라인을 따른 단면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 3은 통상적인 컬러 필터만을 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4는 색분리 소자와 통상적인 컬러 필터를 함께 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 녹색 컬러 필터 없이 색분리 소자를 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 7은 유기물 재료로 이루어진 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 무기물 재료로 이루어진 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 미세 패턴 구조를 갖는 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 실시예에 따른 미세 패턴 구조를 갖는 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행에 대한 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 15a는 도 14에 도시된 이미지 센서의 A-A' 라인을 따른 단면도이다.
도 15b는 도 14에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광대역 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "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.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서는 제 1 대각선 방향을 따라 배열된 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c) 및 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향을 따라 배열된 2개의 제 2 화소(110b)를 구비하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 포함할 수 있다. 도 1에는 편의상 한 단위의 베이어 패턴만이 도시되어 있지만, 이미지 센서는 2차원 배열된 다수의 베이어 패턴들을 포함하는 화소 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 다수의 제 2 화소(110b)와 다수의 제 3 화소(110c)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 1 화소행(P1) 및 다수의 제 1 화소(110a)와 다수의 제 2 화소(110b)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 2 화소행(P2)을 포함할 수 있다. 그리고, 다수의 제 1 화소행(P1)들과 다수의 제 2 화소행(P2)들이 세로 방향으로 번갈아 배열될 수 있다.
또한, 이미지 센서는 제 1 화소행(P1)과 제 2 화소행(P2) 내의 다수의 제 2 화소(110b)와 각각 대향하여 배치된 다수의 색분리 소자(131)를 포함할 수 있다. 색분리 소자(131)는 입사광을 파장에 따라 분리하여 상이한 파장 대역의 빛이 상이한 경로로 진행하도록 하는 역할을 한다. 이러한 색분리 소자(131)는 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꿈으로써 색을 분리할 수 있다. 예를 들어, 색분리 소자(131)는 투명한 대칭 또는 비대칭 구조의 막대 형태, 또는 경사면을 갖는 프리즘 형태 등과 같은 매우 다양한 형태가 공지되어 있으며, 출사광의 소망하는 스펙트럼 분포에 따라 다양한 설계가 가능하다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서에서 제 1 화소행(P1)의 A-A' 라인을 따른 단면도이다. 도 2a를 참조하면, 이미지 센서의 제 1 화소행(P1)은 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 광센싱층(110), 광센싱층(110) 위에 배치되어 소망하는 파장 대역의 빛만을 투과시키는 컬러 필터층(150), 컬러 필터층(150) 위에 배치된 투명 유전체층(120), 및 투명 유전체층(120) 내에 매립되어 고정된 색분리 소자(131)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 투명 유전체층(120) 위에는 색분리 소자(131)에 입사광을 집속시키는 마이크로 렌즈가 더 배치될 수도 있다. 제 1 화소행(P1)의 광센싱층(110)에는 제 2 화소(110b)와 제 3 화소(110c)가 배열될 수 있다. 컬러 필터층(150)은 제 2 화소(110b) 위에 배치되어 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 투과시키는 제 2 컬러 필터(CF2)와 제 3 화소(110c) 위에 배치되어 제 3 파장 대역(C3)의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다.
제 1 화소행(P1)에서 색분리 소자(131)는 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 색분리 소자(131)는 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 색분리 소자(131)의 중심축 방향으로 진행시키고 나머지 파장 대역의 빛(C1+C3)을 색분리 소자(131)의 좌우 측면으로 경사지게 진행시키도록 구성될 수 있다. 즉, 색분리 소자(131)에 의해 분리되어 좌우 측면으로 경사지게 진행하는 빛은 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3)일 수 있다. 따라서, 색분리 소자(131)에 입사하는 빛 중에서 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 색분리 소자(131)의 바로 아래에 있는 제 2 화소(110b)를 향해 진행하게 된다. 또한, 색분리 소자(131)에 입사하는 빛 중에서 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3)은 제 3 화소(110c)를 향해 진행하게 된다.
그러면, 색분리 소자(131)에 의해 분리된 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 2 컬러 필터(CF2)를 통과하여 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3) 중에서 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 제 3 컬러 필터(CF3)를 통과하여 제 3 화소(110c)에 입사할 수 있다.
도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서에서 제 2 화소행(P2)의 B-B' 라인을 따른 단면도이다. 도 2b를 참조하면, 이미지 센서의 제 2 화소행(P2)은 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 광센싱층(110), 광센싱층(110) 위에 배치되어 소망하는 파장 대역의 빛만을 투과시키는 컬러 필터층(150), 컬러 필터층(150) 위에 배치된 투명 유전체층(120), 및 투명 유전체층(120) 내에 매립되어 고정된 색분리 소자(131)를 포함할 수 있다. 도 2a에서 설명한 바와 같이, 투명 유전체층(120) 위에는 색분리 소자(131)에 입사광을 집속시키는 마이크로 렌즈가 더 배치될 수도 있다. 제 2 화소행(P2)의 광센싱층(110)에는 제 1 화소(110a)와 제 2 화소(110b)가 배열될 수 있다. 컬러 필터층(150)은 제 1 화소(110a) 위에 배치되어 제 1 파장 대역의 빛(C1)을 투과시키는 제 1 컬러 필터(CF1) 및 제 2 화소(110b) 위에 배치되어 제 2 파장 대역(C2)의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터(CF2)를 포함할 수 있다.
제 2 화소행(P2)에서 색분리 소자(131)는 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 색분리 소자(131)는 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 색분리 소자(131)의 중심축 방향으로 진행시키고 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3)을 색분리 소자(131)의 좌우 측면으로 경사지게 진행시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 색분리 소자(131)에 입사하는 빛 중에서 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 색분리 소자(131)의 바로 아래에 있는 제 2 화소(110b)를 향해 진행하게 된다. 또한, 색분리 소자(131)에 입사하는 빛 중에서 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3)은 제 1 화소(110a)를 향해 진행하게 된다.
그러면, 색분리 소자(131)에 의해 분리된 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 2 컬러 필터(CF2)를 통과하여 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3) 중에서 제 1 파장 대역의 빛(C1)이 제 1 컬러 필터(CF1)를 통과하여 제 1 화소(110a)에 입사할 수 있다. 여기서, 제 1 파장 대역의 빛(C1)은 예컨대 적색 계열의 빛이고, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 예컨대 녹색 계열의 빛이며, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 예컨대 청색 계열의 빛일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
색분리 소자(131) 없이 통상적인 컬러 필터만 배치된 이미지 센서와 비교하면, 색분리 소자(131)와 통상적인 컬러 필터가 함께 배치된 이미지 센서에서는 색분리 소자(131)에 의해 어느 정도로 색분리된 빛(C2, C1+C3)이 컬러 필터에 입사하므로 컬러 필터에 의한 광 손실이 감소하여 광 이용 효율이 향상될 수 있다. 그러나 색분리 소자(131)에 의한 색분리가 완벽하지 않기 때문에, 색분리 소자(131)와 통상적인 컬러 필터를 함께 사용하여도 컬러 필터에서 광 손실이 여전히 발생하여 광 이용 효율의 증가에는 한계가 있다. 광 이용 효율을 더 증가시키기 위하여 컬러 필터를 없애면 이미지 센서에서 감지되는 색의 순도가 저하되어 영상 품질이 낮아질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 색분리 소자(131)와 컬러 필터층(150)을 함께 사용하여 광 이용 효율을 향상시키면서도 색순도 저하를 방지하기 위하여, 제 2 컬러 필터(CF2)로서 통상적인 컬러 필터에 비하여 통과 대역폭이 넓은 광대역 컬러 필터를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역폭은 제 1 컬러 필터(CF1)의 통과 대역폭 및 제 3 컬러 필터(CF3)의 통과 대역폭보다 클 수 있다. 이러한 넓은 통과 대역폭을 갖는 제 2 컬러 필터(CF2)는 제 1 파장 대역의 빛(C1)의 일부와 제 3 파장 대역의 빛(C3)의 일부를 투과시킬 수 있다. 이에 따라, 제 2 화소(110b)에 제 2 파장 대역의 빛(C2)뿐만 아니라 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)도 입사하는 크로스토크가 발생할 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 제 2 화소(110b)에서 흡수되는 빛은 대부분 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 포함하지만 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)도 일부 포함할 수 있다.
크로스토크는 통상적인 컬러 필터를 사용하는 경우에도 발생하지만, 본 실시예의 경우에는 의도적으로 크로스토크를 증가시키도록 제 2 컬러 필터(CF2)의 투과 특성이 선택된다. 예를 들어, 도 3은 색분리 소자(131)를 사용하지 않고 통상적인 컬러 필터만을 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 또한, 도 4는 색분리 소자(131)와 통상적인 컬러 필터를 함께 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 5는 녹색 컬러 필터 없이 적색 컬러 필터, 청색 컬러 필터, 및 색분리 소자(131)를 사용하는 경우에 이미지 센서의 화소들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 3의 그래프를 참조하면, 통상적인 컬러 필터만을 사용하는 경우에 약 14% 정도의 크로스토크가 발생한다. 여기서 크로스토크는, 제 1 색을 나타내는 파장 대역을 제 1 채널(CH1)이라 정의하고 제 2 색을 나타내는 파장 대역을 제 2 채널(CH2)이라 정의하고 제 3 색을 나타내는 파장 대역을 제 3 채널(CH3)이라 정의할 때, 제 1 내지 제 3 채널(CH1, CH2, CH3)들 사이의 평균적인 크로스토크를 의미한다. 예를 들어, 제 1 색이 적색이고 제 2 색이 녹색이며 제 3 색이 청색일 경우에, 제 1 채널(CH1)의 파장 대역은 630nm ± 10nm이고, 제 2 채널(CH2)의 파장 대역은 540nm ± 10nm이고 제 3 채널(CH3)의 파장 대역은 450nm ± 10nm로 정의될 수 있다. 도 3의 그래프에서 제 1 내지 제 3 채널(CH1, CH2, CH3)이 쇄선 영역으로 표시되어 있다.
도 3의 그래프에서 알 수 있듯이, 제 1 화소(110a)는 제 1 채널(CH1)의 빛뿐만 아니라 제 2 채널(CH2)과 제 3 채널(CH3)의 빛도 부분적으로 흡수하며, 제 2 화소(110b)는 제 2 채널(CH2)의 빛뿐만 아니라 제 1 채널(CH1)과 제 3 채널(CH3)의 빛도 부분적으로 흡수하고, 제 3 화소(110c)는 제 3 채널(CH3)의 빛뿐만 아니라 제 1 채널(CH1)과 제 2 채널(CH2)의 빛도 부분적으로 흡수한다. 통상적인 컬러 필터만을 사용하는 경우, 제 1 화소(110a)에서 흡수되는 제 1 채널(CH1)의 빛에 대한 제 2 채널(CH2)과 제 3 채널(CH3)의 빛의 비율, 제 2 화소(110b)에서 흡수되는 제 2 채널(CH2)의 빛에 대한 제 1 채널(CH1)과 제 3 채널(CH3)의 빛의 비율, 및 제 3 화소(110c)에서 흡수되는 제 3 채널(CH3)의 빛에 대한 제 1 채널(CH1)과 제 2 채널(CH2)의 빛의 비율의 평균이 약 14%가 된다. 이미지 센서의 영상 처리부(도시되지 않음)는 이러한 크로스토크를 감안하여 색 연산을 수행한다.
한편 도 4의 그래프를 참조하면, 색분리 소자(131)와 통상적인 컬러 필터를 함께 사용하는 경우에 약 13% 정도의 크로스토크가 발생한다. 또한, 이 경우에는 색분리 소자(131)를 사용하지 않는 경우에 비하여 광 이용 효율이 약 24% 정도 향상된다. 광 이용 효율을 더 향상시키기 위하여, 녹색 컬러 필터를 제거하고 적색 컬러 필터, 청색 컬러 필터, 및 색분리 소자(131)만을 사용하는 경우에는 광 이용 효율이 약 70% 정도로 크게 향상된다. 그러나, 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 이 경우에는 27% 이상의 큰 크로스토크가 발생하기 때문에 크로스토크를 감안하여 색 연산을 수행하더라도 색 순도가 현저히 떨어지게 된다.
따라서, 도 4의 경우와 도 5의 경우의 중간 정도의 크로스토크를 갖도록 녹색 컬러 필터의 통과 대역을 조절하면 광 이용 효율을 충분히 향상시키면서도 색 순도 특성의 저하를 억제할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따르면, 크로스토크가 약 17% 내지 약 25% 정도가 되도록 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역을 선택할 수 있다. 이를 위해 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역폭은 통상적인 컬러 필터에 비하여 넓은 통과 대역폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역폭은 제 1 컬러 필터(CF1)의 통과 대역폭 및 제 3 컬러 필터(CF3)의 통과 대역폭보다 클 수 있다.
도 6은 넓은 통과 대역폭을 갖는 제 2 컬러 필터(CF2)를 채용한 도 1에 도시된 이미지 센서의 화소(110a, 110b, 110c)들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 6에서 R, G, B로 표시된 그래프는 본 실시예에 따른 이미지 센서에서의 흡수 스펙트럼 분포이며, 비교를 위해 R', G', B'로 표시된 그래프는 도 3과 같이 통상적인 컬러 필터만을 사용하는 경우의 흡수 스펙트럼 분포이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우에 광 이용 효율과 크로스토크가 모두 증가한 것을 알 수 있다.
도 6의 예에서, 제 1 컬러 필터(CF1)는 통상적인 적색 컬러 필터이고 제 2 컬러 필터(CF2)는 광대역 녹색 컬러 필터이며 제 3 컬러 필터(CF3)는 통상적인 청색 컬러 필터이다. 도 6에 도시된 그래프에서 크로스토크는 약 18%이다. 이러한 본 실시예에 따르면, 색분리 소자(131)와 함께 제 2 컬러 필터(CF2)로서 광대역 컬러 필터를 이용함으로써 광 이용 효율의 향상과 색 순도 저하의 억제를 동시에 달성할 수 있다. 또한, 일반적인 베이어 패턴 방식을 그대로 유지하기 때문에, 기존의 이미지 센서의 화소 구조와 이미지 처리 알고리즘을 크게 변경할 필요가 없다. 특히, 색 연산을 수행하는데 있어서, 알고리즘의 변경 없이 단지 일부 파라미터만을 수정하는 정도로 적색, 녹색, 및 청색을 용이하게 복원할 수 있다.
이러한 광대역 컬러 필터는 다양한 방식으로 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 7은 유기물 재료로 이루어진 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제 2 컬러 필터(CF2)는 일반적인 유기 염료 또는 유기 안료를 포함하는 컬러 필터일 수 있다. 이 경우, 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역폭을 증가시키기 위하여 제 2 컬러 필터(CF2)의 두께를 줄일 수 있다. 예를 들어, 제 2 컬러 필터(CF2)의 두께는 제 1 컬러 필터(CF1) 및 제 3 컬러 필터(CF3)의 두께보다 작을 수 있다. 두께를 조절하는 대신에 유기 염료 또는 유기 안료의 농도를 줄임으로써 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역폭을 증가시킬 수도 있다. 예를 들어, 제 2 컬러 필터(CF2)에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도는 제 1 컬러 필터(CF1) 및 제 3 컬러 필터(CF3)에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도보다 낮을 수 있다.
또한, 유기물 재료 대신에 무기물 재료를 이용하여 광대역 컬러 필터를 구현할 수도 있다. 예를 들어, 도 8은 무기물 재료로 이루어진 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 제 2 컬러 필터(CF2)는 굴절률이 서로 다른 2개의 유전체층(151, 152)을 서로 교호하여 적층함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 컬러 필터(CF2)는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체층(151) 및 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체층(152)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 유전체층(151)과 제 2 유전체층(152)이 서로 교호하면서 적어도 1회 적층될 수 있다. 제 1 유전체층(151)의 제 1 굴절률과 제 2 유전체층(152)의 제 2 굴절률 및 적층 회수에 따라 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역이 조절될 수 있다.
또한, 무기물 재료를 미세 패턴 구조로 패터닝하여 광대역 컬러 필터를 구현할 수도 있다. 도 9는 미세 패턴 구조를 갖는 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 제 2 컬러 필터(CF2)는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 패터닝된 미세 패턴 구조를 가질 수 있다. 미세 패턴 구조는 예를 들어 주기성을 갖는 격자 구조, 주기성을 갖는 광결정 구조, 또는 비주기적인 패턴 구조를 갖는 메타 물질일 수 있다. 이러한 미세 패턴의 구조에 따라 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역이 조절될 수 있다. 도 9의 단면도에는 제 2 컬러 필터(CF2)가 주기적인 격자 구조를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 미세 패턴 구조는 이러한 구조에 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 10a 및 도 10b는 다른 실시예에 따른 미세 패턴 구조를 갖는 광대역 컬러 필터의 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다. 도 10a를 참조하면, 제 2 컬러 필터(CF2)는 2차원 어레이의 형태로 주기적으로 배열된 다수의 홀(154)을 갖는 유전체층(153)을 포함할 수 있다. 홀(154)은 유전체층(153)을 관통할 수 있으며, 유전체층(153)과 굴절률이 상이한 다른 유전체 또는 공기로 채워질 수 있다. 유전체층(153)의 굴절률, 홀(154)의 크기와 배열 주기에 따라 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역이 결정될 수 있다. 또한, 도 10b를 참조하면, 제 2 컬러 필터(CF2)는 2차원 어레이의 형태로 주기적으로 배열된 다수의 유전체 기둥(155)을 포함할 수 있다. 이러한 구조에서, 유전체 기둥(155)의 굴절률, 크기, 및 배열 주기에 따라 제 2 컬러 필터(CF2)의 통과 대역이 결정될 수 있다.
한편, 화소(110a, 110b, 110c)들의 배열 및 색분리 소자(131)의 특성은 도 1에 도시된 실시예 외에도 다양하게 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 넓은 대역폭을 갖는 광대역 컬러 필터인 제 2 컬러 필터(CF2)는 제 1 화소행(P1) 내의 제 2 화소(110b)에만 배치될 수 있다. 반면, 제 2 화소행(P2) 내의 제 2 화소(110b)에는 컬러 필터가 배치되지 않는다. 이 경우, 제 2 화소행(P2)에서 광 이용 효율과 크로스토크가 함께 증가할 수 있지만, 제 1 화소행(P1)에서의 색 연산 결과를 기초로 제 2 화소행(P2)에서 계산된 색 순도를 보상하는 것이 가능하다.
또한, 도 1 및 도 11에 도시된 실시예에서는 이미지 센서의 제 3 화소(110c)에 제 3 파장 대역(C3)의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터(CF3)가 배치된 것으로 도시되어 있지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도 13은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행(P1)에 대한 단면도이다. 도 13을 참조하면, 제 1 화소행(P1)의 제 3 화소(110c)에는 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 모두 투과시키는 제 4 컬러 필터(CF4)가 배치될 수 있다. 예컨대, 제 1 파장 대역의 빛(C1)이 적색, 제 2 파장 대역의 빛(C2)이 녹색, 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 청색인 경우, 제 4 컬러 필터(CF4)는 적색과 청색의 빛을 투과시키는 마젠타 컬러 필터일 수 있다. 제 4 컬러 필터(CF4)가 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 모두 투과시키기 때문에 광 이용 효율이 증가할 수 있다. 또한, 제 1 화소행(P1)에서 계산된 마젠타 빛의 광량과 제 2 화소행(P2)에서 계산된 적색 빛의 광량을 기초로 청색 빛의 광량을 얻을 수 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 14를 참조하면, 이미지 센서는 다수의 제 2 화소(110b)와 다수의 제 3 화소(110c)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 1 화소행(P1), 다수의 제 1 화소(110a)와 다수의 제 2 화소(110b)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 2 화소행(P2), 제 1 화소행(P1) 내의 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치된 제 1 색분리 소자(132), 및 제 2 화소행(P2) 내의 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치된 제 2 색분리 소자(133)를 포함할 수 있다.
제 1 색분리 소자(132)는 입사광 중에서 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 좌우 측면으로 경사지게 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 제 1 색분리 소자(132)의 바로 아래 방향으로 진행시킨다. 따라서, 제 1 색분리 소자(132)에 의해 분리된 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 제 1 화소행(P1) 내의 제 2 화소(110b)에 인접한 제 3 화소(110c)에 입사할 수 있으며, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 1 화소행(P1) 내의 제 1 색분리 소자(132)와 대향하는 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(133)는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛(C1)을 좌우 측면으로 경사지게 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 제 2 색분리 소자(133)의 바로 아래 방향으로 진행시킨다. 따라서, 제 2 색분리 소자(133)에 의해 분리된 제 1 파장 대역의 빛(C1)은 제 2 화소행(P2) 내의 제 2 화소(110b)에 인접한 제 1 화소(110a)에 입사할 수 있으며, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 2 화소행(P2) 내의 제 2 색분리 소자(133)와 대향하는 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다.
도 15a는 도 14에 도시된 이미지 센서에서 제 1 화소행(P1)의 A-A' 라인을 따른 단면도이다. 도 15a를 참조하면, 이미지 센서의 제 1 화소행(P1)은 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 광센싱층(110), 광센싱층(110) 위에 배치되어 소망하는 파장 대역의 빛을 투과시키는 컬러 필터층(150), 컬러 필터층(150) 위에 배치된 투명 유전체층(120), 및 투명 유전체층(120) 내에 매립되어 고정된 제 1 색분리 소자(132)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 투명 유전체층(120) 위에는 제 1 색분리 소자(132)에 입사광을 집속시키는 마이크로 렌즈가 더 배치될 수도 있다. 제 1 화소행(P1)의 광센싱층(110)에는 제 2 화소(110b)와 제 3 화소(110c)가 배열될 수 있다. 컬러 필터층(150)은 제 2 화소(110b) 위에 배치되어 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 투과시키는 제 2 컬러 필터(CF2)와 제 3 화소(110c) 위에 배치되어 제 3 파장 대역(C3)의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다. 제 1 색분리 소자(132)는 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치될 수 있다.
도 15a에 도시된 바와 같이, 제 1 색분리 소자(132)에 입사하는 빛 중에서, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 2 색분리 소자(132)의 바로 아래에 있는 제 2 컬러 필터(CF2)를 통과하여 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 제 1 색분리 소자(132)의 양쪽 측면 방향으로 경사지게 진행한 후, 제 3 컬러 필터(CF3)를 통과하여 제 3 화소(110c)에 입사할 수 있다. 제 2 및 제 3 컬러 필터(CF2, CF3)를 사용하더라도, 제 1 색분리 소자(132)에 의해 상당 정도로 색분리된 빛(C2, C3)이 각각 제 2 및 제 3 컬러 필터(CF2, CF3)에 입사하므로, 컬러 필터층(150)에 의한 광 손실은 크지 않다. 광 이용 효율을 더욱 향상시키기 위하여, 앞서 설명한 바와 같이, 제 2 컬러 필터(CF2)로서 통상적인 컬러 필터에 비하여 통과 대역폭이 넓은 광대역 컬러 필터를 사용할 수 있다. 즉, 제 2 컬러 필터(CF2)는 제 2 파장 대역의 빛(C2)뿐만 아니라 제 1 파장 대역의 일부의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 일부의 빛(C3)도 투과시킬 수 있다.
도 15b는 도 14에 도시된 이미지 센서에서 제 2 화소행(P2)의 B-B' 라인을 따른 단면도이다. 도 15b를 참조하면, 이미지 센서의 제 2 화소행(P2)은 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 광센싱층(110), 광센싱층(110) 위에 배치되어 소망하는 파장 대역의 빛만을 투과시키는 컬러 필터층(150), 컬러 필터층(150) 위에 배치된 투명 유전체층(120), 및 투명 유전체층(120) 내에 매립되어 고정된 제 2 색분리 소자(133)를 포함할 수 있다. 제 2 화소행(P2)의 광센싱층(110)에는 제 1 화소(110a)와 제 2 화소(110b)가 배열될 수 있다. 또한, 컬러 필터층(150)은 제 1 화소(110a) 위에 배치되어 제 1 파장 대역의 빛(C1)을 투과시키는 제 1 컬러 필터(CF1)와 제 2 화소(110b) 위에 배치되어 제 2 파장 대역(C2)의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터(CF2)를 포함할 수 있다. 제 2 색분리 소자(133)는 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치될 수 있다.
도 15b에 도시된 바와 같이, 제 2 색분리 소자(133)에 입사하는 빛 중에서, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 2 색분리 소자(133)의 바로 아래에 있는 제 2 컬러 필터(CF2)를 통과하여 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 1 파장 대역의 빛(C1)은 제 2 색분리 소자(133)의 양쪽 측면 방향으로 경사지게 진행한 후, 제 1 컬러 필터(CF1)를 통과하여 제 1 화소(110a)에 입사할 수 있다. 제 2 화소행(P2)에서도, 제 2 컬러 필터(CF2)는 통상적인 컬러 필터에 비하여 통과 대역폭이 넓은 광대역 컬러 필터일 수 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 16을 참조하면, 이미지 센서는 제 1 대각선 방향으로 배열된 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c) 및 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향으로 배열된 2개의 제 2 화소(110b)를 구비하는 베이어 패턴을 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서는 제 2 대각선 방향으로 연장된 색분리 소자(134)를 포함할 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 색분리 소자(134)는 제 2 화소(110b)의 대각선 방향을 따라 제 2 화소(110b)들과 대향하도록 배치될 수 있다.
색분리 소자(134)는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛(C1)을 왼쪽 측면 방향으로 경사지게 진행시키고, 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 제 3 색분리 소자(134)의 바로 아래 방향으로 진행시키며, 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 오른쪽 측면 방향으로 경사지게 진행시키도록 구성될 수 있다. 그러면, 색분리 소자(134)에 의해 분리된 제 1 파장 대역의 빛(C1)은 색분리 소자(134)의 왼쪽에 배치된 제 1 화소(110a)에 입사할 수 있으며, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 색분리 소자(134)의 바로 아래에 있는 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있고, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 색분리 소자(134)의 오른쪽에 배치된 제 3 화소(110c)에 입사할 수 있다. 대신에, 색분리 소자(134)는 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 색분리 소자(134)의 바로 아래에 있는 제 2 화소(110b)를 향해 진행시키고, 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3)을 제 1 및 제 3 화소(110a, 110c)를 향해 좌우 측면으로 경사지게 진행시킬 수도 있다.
도 17은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 17을 참조하면, 이미지 센서는 제 1 대각선 방향으로 배열된 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c) 및 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향으로 배열된 다수의 제 2 화소(110b)를 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서는 제 2 대각선 방향을 따라 연장되어 다수의 제 2 화소(110b)들과 대향하도록 배치된 제 1 색분리 소자(134) 및 제 1 대각선 방향을 따라 연장되어 다수의 제 2 화소(110b)들과 대향하도록 배치된 제 2 색분리 소자(135)를 포함할 수 있다. 따라서 제 1 색분리 소자(134)와 제 2 색분리 소자(135)는 제 2 화소(110b)들의 2개의 대각선 방향을 따라 연장되며, 제 2 화소(110b)들의 중심부에서 서로 교차하게 된다.
제 1 색분리 소자(134)는 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 제 1 색분리 소자(134)의 아래 방향으로 제 2 화소(110b)를 향해 진행시키고 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3)을 제 1 대각선 방향으로 진행시키도록 구성될 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(135)는 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 제 2 색분리 소자(135)의 아래 방향으로 진행시키고 제 1 파장 대역의 빛(C1)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 혼합된 빛(C1+C3)을 제 2 대각선 방향으로 진행시키도록 구성될 수 있다. 그러면 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c)는, 화살표로 표시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 대각선 방향으로부터 제 1 및 제 3 파장 대역의 빛(C1+C3)을 각각 제공받을 수 있다.
도 16 및 도 17에 도시된 실시예들에서도, 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 넓은 통과 대역폭을 갖는 제 2 컬러 필터(CF2)가 제 2 화소(110b) 위에 배치될 수 있다.
상술한 광대역 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서는 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. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110.....광센싱층
110a, 110b, 110c.....화소
120.....투명 유전체층
131, 132, 133, 134, 135.....색분리 소자
150.....컬러 필터층
151, 152, 153.....유전체층
154.....홀
155.....유전체 기둥
CF1, CF2, CF3.....컬러 필터
110a, 110b, 110c.....화소
120.....투명 유전체층
131, 132, 133, 134, 135.....색분리 소자
150.....컬러 필터층
151, 152, 153.....유전체층
154.....홀
155.....유전체 기둥
CF1, CF2, CF3.....컬러 필터
Claims (21)
- 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소들이 번갈아 배열된 제 1 화소행 및 다수의 제 2 화소와 다수의 제 3 화소들이 번갈아 배열된 제 2 화소행을 포함하는 화소 어레이;
각각의 제 2 화소에 대향하여 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 화소를 향해 진행시키고 제 1 파장 대역 및 제 3 파장 대역이 혼합된 빛을 제 1 화소 또는 제 3 화소를 향해 진행시키도록 구성된 색분리 소자; 및
상기 제 1 화소에 배치된 제 1 컬러 필터, 상기 제 2 화소에 배치된 제 2 컬러 필터, 및 상기 제 3 화소에 배치된 제 3 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층;을 포함하며,
상기 제 2 컬러 필터가 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 상기 제 2 컬러 필터의 통과 대역폭은 상기 제 1 컬러 필터의 통과 대역폭보다 크고 상기 제 3 컬러 필터의 통과 대역폭보다 크며,
제 1 색을 나타내는 파장 대역을 제 1 채널이라 정의하고, 제 2 색을 나타내는 파장 대역을 제 2 채널이라 정의하고, 제 3 색을 나타내는 파장 대역을 제 3 채널이라 정의할 때, 상기 제 2 컬러 필터의 통과 대역은 상기 제 1 내지 제 3 화소에서 흡수되는 제 1 내지 제 3 채널들 사이의 평균 크로스토크가 17% 내지 25%의 범위 내에 있도록 선택되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 채널의 파장 대역은 630nm ± 10nm이고, 상기 제 2 채널의 파장 대역은 540nm ± 10nm이고, 상기 제 3 채널의 파장 대역은 450nm ± 10nm인 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 유기 염료 또는 유기 안료를 포함하는 이미지 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 및 제 3 컬러 필터의 두께보다 작은 이미지 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도는 상기 제 1 및 제 3 컬러 필터에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도보다 낮은 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 무기물 재료로 이루어지는 이미지 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체층 및 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체층을 포함하며, 상기 제 1 유전체층과 제 2 유전체층이 서로 교호하면서 적어도 1회 적층되어 있는 이미지 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 패터닝된 미세 패턴 구조를 갖는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 컬러 필터는 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성되며, 상기 제 2 컬러 필터는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 구성되고, 상기 제 3 컬러 필터는 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 컬러 필터는 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성되며, 상기 제 2 컬러 필터는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 구성되고, 상기 제 3 컬러 필터는 제 1 파장 대역의 빛과 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 상기 제 1 화소행 내의 제 2 화소에만 배치되고, 상기 제 2 화소행 내의 제 2 화소에는 컬러 필터가 배치되지 않은 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 색분리 소자는 상기 제 2 화소의 대각선 방향을 따라 연장되어 있는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 소자는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정되어 있는 이미지 센서. - 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소들이 번갈아 배열된 제 1 화소행 및 다수의 제 2 화소와 다수의 제 3 화소들이 번갈아 배열된 제 2 화소행을 포함하는 화소 어레이;
상기 제 1 화소행 내의 제 2 화소와 대향하여 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 좌우 측면의 제 1 화소를 향해 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 화소를 향해 진행시키도록 구성된 제 1 색분리 소자;
상기 제 2 화소행 내의 제 2 화소와 대향하여 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 3 파장 대역의 빛을 좌우 측면의 제 3 화소를 향해 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 화소를 향해 진행시키도록 구성된 제 2 색분리 소자; 및
상기 제 1 화소에 배치된 제 1 컬러 필터, 상기 제 2 화소에 배치된 제 2 컬러 필터, 및 상기 제 3 화소에 배치된 제 3 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층;을 포함하며,
상기 제 2 컬러 필터가 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 상기 제 2 컬러 필터의 통과 대역폭은 상기 제 1 컬러 필터의 통과 대역폭보다 크고 상기 제 3 컬러 필터의 통과 대역폭보다 크며,
제 1 색을 나타내는 파장 대역을 제 1 채널이라 정의하고, 제 2 색을 나타내는 파장 대역을 제 2 채널이라 정의하고, 제 3 색을 나타내는 파장 대역을 제 3 채널이라 정의할 때, 상기 제 2 컬러 필터의 통과 대역은 상기 제 1 내지 제 3 화소에서 흡수되는 제 1 내지 제 3 채널들 사이의 평균 크로스토크가 17% 내지 25%의 범위 내에 있도록 선택되는 이미지 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 채널의 파장 대역은 630nm ± 10nm이고, 상기 제 2 채널의 파장 대역은 540nm ± 10nm이고, 상기 제 3 채널의 파장 대역은 450nm ± 10nm인 이미지 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 유기 염료 또는 유기 안료를 포함하는 이미지 센서. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 및 제 3 컬러 필터의 두께보다 작은 이미지 센서. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도는 상기 제 1 및 제 2 컬러 필터에서 유기 염료 또는 유기 안료의 농도보다 낮은 이미지 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 무기물 재료로 이루어지는 이미지 센서. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 층 및 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 층을 포함하며, 상기 제 1 층과 제 2 층이 서로 교호하면서 1회 이상 적층되어 있는 이미지 센서. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 2 컬러 필터는 제 2 파장 대역 전체 및 제 1 파장 대역의 일부와 제 3 파장 대역의 일부의 빛을 투과시키도록 패터닝된 미세 패턴 구조를 갖는 이미지 센서.
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20210907 Patent event code: PE09021S01D |
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