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KR102159166B1 - 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents

색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 Download PDF

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KR102159166B1
KR102159166B1 KR1020140055752A KR20140055752A KR102159166B1 KR 102159166 B1 KR102159166 B1 KR 102159166B1 KR 1020140055752 A KR1020140055752 A KR 1020140055752A KR 20140055752 A KR20140055752 A KR 20140055752A KR 102159166 B1 KR102159166 B1 KR 102159166B1
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KR
South Korea
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light
color separation
transparent
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노숙영
윤석호
신창균
홍현규
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삼성전자주식회사
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Abstract

입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꾸는 색분리 소자 및 상기 색분리 소자와 컬러 필터를 함께 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서가 개시된다. 개시된 색분리 소자는, 소정의 간격을 두고 서로 대향하여 배치된 적어도 2개의 투명 막대를 포함할 수 있으며, 상기 적어도 2개의 투명 막대는 서로 평행하게 배치될 수 있다. 개시된 실시예에 따른 색분리 소자는 복수 개의 요소가 복합 구조를 형성하기 때문에 단일 구조를 포함하는 기존의 색분리 소자에 비하여 회절 패턴 및 색분리 각도를 용이하게 조절할 수 있다.

Description

색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서{Color separation device and image sensor including the color separation device}
개시된 실시예들은 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꾸는 색분리 소자 및 상기 색분리 소자와 컬러 필터를 함께 이용하여 광 이용 효율이 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. 그러나, 아직까지 색분리 소자는 컬러 필터에 비해 선명한 색상을 제공하지 못하고 있다.
선행기술문헌:
1. 미국 공개특허공보 제2012/0280346호 (공개일자: 2012.11.08)
2. 미국 공개특허공보 제2008/0290436호 (공개일자: 2008.11.27)
입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꾸는 색분리 소자를 제공한다.
또한, 상기 색분리 소자와 컬러 필터를 함께 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서를 제공한다.
일 유형에 따른 색분리 소자는 소정의 간격을 두고 서로 대향하여 배치된 적어도 2개의 투명 막대를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 적어도 2개의 투명 막대들의 대향하는 표면들은 그 사이를 지나는 가시광선의 빛이 회절될 수 있을 정도의 간격으로 서로 이격되어 있고, 또한 상기 적어도 2개의 투명 막대의 굴절률은 주위 매질의 굴절률보다 높을 수 있다.
예를 들어, 각각의 투명 막대는 납작한 육면체 기둥의 형태를 가질 수 있다.
각각의 투명 막대의 높이는 두께보다 클 수 있다.
상기 적어도 2개의 투명 막대는 서로 다른 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
상기 적어도 2개의 투명 막대는 높이 방향을 따라 변화하는 굴절률을 가질 수 있다.
예를 들어, 각각의 투명 막대의 두께는 150nm 내지 300nm의 범위에 있으며, 각각의 투명 막대의 높이는 500nm 내지 1um의 범위에 있고, 인접한 2개의 투명 막대들 사이의 간격은 100nm 내지 1um의 범위에 있을 수 있다.
예를 들어, 각각의 투명 막대들은 TiO2, SiN3, ZnS 또는 ZnSe을 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
상기 적어도 2개의 투명 막대들의 대향하는 표면들은 서로 평행하게 배치될 수 있다.
상기 적어도 2개의 투명 막대들의 가장자리 또는 중심부가 대향면에 수직하게 연장되어 서로 연결될 수 있다.
상기 적어도 2개의 투명 막대들의 일부분이 서로 수직으로 교차하도록 연결될 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 이미지 센서는, 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소들이 배열되어 있는 제 1 화소행; 상기 제 1 화소행에 인접하여 배치된 것으로, 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소와 제 3 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행; 및 상기 다수의 제 2 화소에 각각 배치된 것으로, 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 상술한 구조의 다수의 제 1 색분리 소자;를 포함할 수 있다.
또한 상기 이미지 센서는, 상기 다수의 제 1 화소들에 각각 배치된 다수의 제 1 마이크로 렌즈, 및 상기 각각의 제 2 화소를 중심으로 그 양측의 제 3 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 2 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 화소는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광검출 소자, 상기 광검출 소자 위에 배치된 것으로 제 1 파장의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터, 및 상기 제 1 컬러 필터 위에 배치된 투명 스페이서를 포함할 수 있다.
상기 제 2 화소는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광검출 소자, 상기 광검출 소자 위에 배치된 것으로 제 2 파장의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터, 및 상기 제 2 컬러 필터 위에 배치된 투명 스페이서를 포함할 수 있다.
상기 제 3 화소는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광검출 소자, 상기 광검출 소자 위에 배치된 것으로 제 3 파장의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터, 및 상기 제 3 컬러 필터 위에 배치된 투명 스페이서를 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 마이크로 렌즈는 상기 투명 스페이서 위에 배치될 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 투명 스페이서 내에 매립되어 고정될 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 제 2 파장의 빛을 제 2 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 3 파장의 빛을 제 2 화소의 양측에 있는 제 3 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 청색 대역이며, 제 3 파장은 적색 대역일 수 있다.
또한, 제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 적색 대역이며, 제 3 파장은 청색 대역일 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 화소행과 제 2 화소행이 서로에 대해 각각의 화소의 폭의 절반만큼 시프트될 수 있다.
또한, 상기 제 1 화소행은 상기 다수의 제 1 화소들과 교대로 배열되어 있는 다수의 제 4 화소들을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 파장은 마젠타 대역, 제 2 파장은 사이안 대역, 제 3 파장은 옐로우 대역, 제 4 파장은 녹색 대역일 수 있다.
또한, 제 1 파장은 마젠타 대역, 제 2 파장은 옐로우 대역, 제 3 파장은 사이안 대역, 제 4 파장은 녹색 대역일 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 다수의 제 3 화소에 각각 배치된 것으로, 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 2 색분리 소자 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 색분리 소자는 제 3 파장의 빛을 제 3 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 2 파장의 빛을 제 3 화소의 양측에 있는 제 2 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이미지 센서는 상기 다수의 제 1 내지 제 3 화소들에 각각 배치되는 다수의 마이크로 렌즈들을 더 포함할 수 있다.
다른 유형에 따른 이미지 센서는, 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행; 상기 제 1 화소행에 인접하여 배치된 것으로, 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 3 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행; 상기 다수의 제 2 화소에 각각 배치된 것으로, 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 1 색분리 소자; 및 상기 다수의 제 3 화소에 각각 배치된 것으로, 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 2 색분리 소자;를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 각각의 제 2 화소를 중심으로 그 양측의 제 1 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 1 마이크로 렌즈, 및 상기 각각의 제 3 화소를 중심으로 그 양측의 제 1 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 2 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 제 2 파장의 빛을 제 2 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 1 파장의 빛을 제 2 화소의 양측에 있는 제 1 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성되며, 상기 제 2 색분리 소자는 제 3 파장의 빛을 제 3 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 1 파장의 빛을 제 3 화소의 양측에 있는 제 1 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 청색 대역이며, 제 3 파장은 적색 대역일 수 있다.
또 다른 유형에 따른 이미지 센서는, 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행; 상기 제 1 화소행에 인접하여 배치된 것으로, 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 3 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행; 상기 다수의 제 2 화소에 각각 배치된 것으로, 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 1 색분리 소자; 및 상기 제 2 화소행에서 다수의 제 1 화소에 각각 배치된 것으로, 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 2 색분리 소자;를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 제 1 화소행에서 각각의 제 2 화소를 중심으로 그 양측의 제 1 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 1 마이크로 렌즈, 및 상기 제 2 화소행에서 각각의 제 1 화소를 중심으로 그 양측의 제 3 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 2 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 청색 대역이며, 제 3 파장은 적색 대역일 수 있다.
개시된 실시예에 따른 색분리 소자는 복수 개의 요소가 복합 구조를 형성하기 때문에 단일 구조를 포함하는 기존의 색분리 소자에 비하여 회절 패턴 및 색분리 각도를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 크로스토크가 거의 없는 효과적인 색분리가 가능하며, 색분리에 필요가 경로 길이가 짧아서 화소 크기가 작은 이미지 센서에 적용이 가능하다. 또한, 개시된 실시예에 따른 색분리 소자는 대칭 구조를 갖기 때문에 제작이 용이할 수 있다.
또한, 개시된 실시예에 따른 이미지 센서에서, 색분리 소자를 이용하여 입사광의 색을 대체적으로 분리한 후에 컬러 필터를 통과시키기 때문에, 컬러 필터를 투과하는 빛의 비율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 적색 컬러 필터에는 적색 계열의 빛이 더 많이 분배되고 청색 컬러 필터에는 청색 계열의 빛이 더 많이 분배되기 때문에, 입사광의 컬러 필터 투과율이 33%보다 커질 수 있다. 따라서 컬러 필터를 사용하면서도 광 이용 효율이 증가할 수 있으며 높은 색 순도를 달성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 색분리 소자의 구조를 개략적으로 보이는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 색분리 소자의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 색분리 소자를 통과하는 빛의 파장별 회절 패턴을 보이는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 색분리 소자의 간격 변화에 따른 회절각의 변화를 보이는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 다른 실시예에 따른 색분리 소자의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 색분리 소자의 구조를 개략적으로 보이는 종단면도이다.
도 8 및 도 9는 또 다른 실시예에 따른 색분리 소자의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 색분리 소자의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서의 a-a' 라인을 따른 단면도이다.
도 13은 도 11에 도시된 이미지 센서의 b-b' 라인을 따른 단면도이다.
도 14는 도 11에 도시된 색분리 소자에 의한 색분리 스펙트럼을 개략적으로 보이는 그래프이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 20은 도 19에 도시된 이미지 센서의 a-a' 라인을 따른 단면도이다.
도 21 및 도 22는 도 19에 도시된 2개의 색분리 소자에 의한 색분리 스펙트럼을 각각 개략적으로 보이는 그래프이다.
도 23은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 24 및 도 25는 도 23에 도시된 2개의 색분리 소자에 의한 색분리 스펙트럼을 각각 개략적으로 보이는 그래프이다.
도 26은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 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" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 색분리 소자(10)의 구조를 개략적으로 보이는 종단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 색분리 소자(10)의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)는 소정의 간격을 두고 서로 마주하여 배치된 2개의 투명 막대(11)를 포함할 수 있다. 각각의 투명 막대(11)는 예를 들어 납작하고 긴 육면체(예컨대, 대칭적인 직육면체) 기둥의 형태를 가질 수 있다. 또한, 2개의 투명 막대(11)들의 대향하는 표면들은 그 사이를 지나는 가시광선의 빛이 회절될 수 있을 정도의 간격으로 이격되어 될 수 있다. 그리고, 2개의 투명 막대(11)들의 대향하는 표면들은 서로 평행하게 배치될 수 있다.
이러한 구조에서, 색분리 소자(10)의 상부로 입사하는 백색광(W)의 일부는 2개의 투명 막대(11)의 상부 표면을 통해 각각의 투명 막대(11)의 내부로 입사한 후 투명 막대(11)의 하부 표면을 통해 외부로 방출될 수 있다. 또한, 색분리 소자(10)의 상부로 입사하는 백색광(W)의 다른 일부는 2개의 투명 막대(11) 사이를 지나면서 회절될 수 있다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 빛의 굴절각 및 회절각은 파장에 따라 달라지게 된다. 따라서, 2개의 투명 막대(11)의 내부를 진행하여 굴절된 빛과 2개의 투명 막대(11) 사이의 공간을 진행하여 회절된 빛은, 색분리 소자(10)로부터 방출될 때 파장에 따라 다른 각도로 진행하게 될 수 있다.
예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 색분리 소자(10)를 통과하는 빛의 파장별 회절 패턴을 보이는 그래프이다. 도 3에서 가로축은 색분리 소자(10)의 중심축으로부터 수평 방향으로의 거리를 나타내며 단위는 m이고, 세로축은 빛의 세기를 나타낸다. 도 3의 그래프는 두께(t)가 200nm, 높이(h)가 620nm인 2개의 Si3N4 투명 막대(11)를 500nm 내지 800nm의 범위 내에서 100nm의 간격(g)으로 배치한 상태에서 측정한 결과이다. 도 3의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 파장이 길수록 회절각이 커져서 색분리 소자(10)의 중심축으로부터 멀어지며, 파장이 짧을수록 회절각이 작아져서 색분리 소자(10)의 중심축에 가까워질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)를 통해 색분리가 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)의 경우, 2개의 투명 막대(11)의 두께(t)와 높이(h), 및 2개의 투명 막대(11) 사이의 간격(g)을 조절함으로써 색분리 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 1에 도시된 색분리 소자(10)들 사이의 간격(g)의 변화에 따른 회절각의 변화를 보이는 그래프이다. 도 4의 그래프는 두께(t)가 200nm, 높이(h)가 620nm인 2개의 투명 막대(11) 사이의 간격(g)을 400nm부터 800nm까지 변화시키면서 측정한 결과이며, 파장이 630nm인 빛을 사용하였다. 도 4를 참조하면, 투명 막대(11)들 사이의 간격이 400nm일 때 회절각은 약 30도 정도이며 간격이 800nm일 때 회절각은 약 15도 정도로 변화하였다.
따라서, 2개의 투명 막대(11)의 두께(t)와 높이(h), 및 2개의 투명 막대(11) 사이의 간격(g)을 조절함으로써, 색분리 소자(10)를 통과하는 빛을 파장에 따라 원하는 각도로 진행시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 투명 막대(11)의 두께(t)는 약 150nm 내지 300nm의 범위 내에서 조절될 수 있으며, 투명 막대(11)의 높이(h)는 약 500nm 내지 1um의 범위 내에서 조절될 수 있다. 따라서 투명 막대(11)의 종횡비는 1보다 클 수 있다. 즉, 투명 막대(11)의 높이가 두께보다 클 수 있다. 또한, 2개의 투명 막대(11) 사이의 간격(g)은 약 100nm 내지 1um의 범위 내에서 조절될 수 있다. 투명 막대(11)의 길이(L)는 색분리 소자(10)의 색분리 특성에 큰 영향을 주지 않을 수 있다.
이러한 색분리 소자(10)가 이미지 센서에서 사용되는 경우, 색분리 소자(10)의 출광면과 이미지 센서까지의 거리, 이미지 센서의 화소 피치, 색분리 소자(10)에 직접 대향하는 화소와 색분리 소자(10)에 의해 분리된 파장의 빛에 대응하는 화소 사이의 거리 등에 따라 빛이 진행하는 각도가 최적이 되도록 색분리 소자(10)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 색분리 소자(10)에 의해 분리된 각각의 파장의 빛이 그 파장의 빛에 대응하는 화소의 중심부로부터 소정의 거리 이내(예컨대, 화소의 크기에 따라 달라질 수 있지만, 수 um 범위 내)에 그 파장의 빛의 전체 광량의 일정 비율 이상(예컨대, 60% 이상) 집중될 수 있도록, 색분리 소자(10)를 구성하는 투명 막대(11)들 사이의 간격(g), 각각의 투명 막대(11)의 두께(t) 및 높이(h) 중에서 하나를 결정할 수 있다.
한편, 상기 투명 막대(11)들은 예를 들어 SiO2(n=1.46)와 같은 투명한 재료로 이루어진 스페이서 내에서 고정될 수 있다. 따라서, 투명 막대(11)들은 그들을 둘러싸는 주위의 매질보다 높은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 투명 막대(11)들은 TiO2(n=2.3~2.5), SiN3(n=2), ZnS(n=2.4), ZnSe(n=2.5) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 2개의 투명 막대(11)들은 서로 동일한 재료로 이루어질 수도 있지만, 필요에 따라 굴절률이 서로 다른 재료로 각각 이루어질 수도 있다. 또한, 각각의 투명 막대(11)가 균일한 굴절률을 가질 수도 있지만, 빛의 진행 방향, 즉 도 1에서 높이(h) 방향을 따라 각각의 투명 막대(11)의 굴절률이 변화할 수도 있다. 예를 들어, 각각의 투명 막대(11)는 빛의 진행 방향을 따라 점차 증가하거나 감소하는 굴절률을 갖도록 구성될 수 있으며, 또는 빛의 진행 방향을 따라 복수의 이산된 굴절률을 갖도록 구성될 수도 있다.
이러한 색분리 소자(10)는, 예를 들어, 이미지 센서의 화소 내에 배치되어 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 이미지 센서의 화소들은 매우 작은 크기를 가지며, 광입사면으로부터 광검출 소자까지의 거리도 매우 짧다. 그러나, 단순한 형태를 갖는 단일 구조의 색분리 소자들은 색분리를 위해 긴 거리를 필요로 하기 때문에, 크로스토크를 일으키기 쉬워서 작은 크기의 화소를 갖는 이미지 센서에 사용하기에 적합하지 않다. 또한, 짧은 거리로 색분리가 가능한 기존의 색분리 소자들은 그의 복잡한 형태로 인해 제작 과정이 어려워 구현이 용이하지 않다. 예를 들어, 기존의 색분리 소자들은 경사면이나 비대칭적 구조를 갖기 때문에, 박막 증착 및 식각 등과 같은 표준 공정으로 제작이 불가능하다.
반면, 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)는 대칭적으로 구조를 갖기 때문에 표준 공정으로 제작이 가능하며, 2개의 투명 막대(11)들의 복합 구조를 통해 짧은 거리로 색분리가 가능하고, 2개의 투명 막대(11)들의 치수를 조절함으로써 색분리 각도를 조절할 수 있어서 효과적인 색분리를 할 수 있다. 따라서, 이러한 색분리 소자(10)를 이미지 센서에 응용할 경우 다양한 설계 요구 사항에 맞추어 회절각을 조절함으로써 보다 용이하게 이미지 센서의 화소를 설계할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 색분리 소자(10)에서, 도 2의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 2개의 투명 막대(11)들이 완전히 분리될 수도 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 2개의 투명 막대(11)들의 가장자리가 대향면에 수직하게 연장되어 서로 연결될 수 있다. 이 경우, 색분리 소자(10)는 사각통의 형태를 가질 수 있다. 또한, 도 6의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 2개의 투명 막대(11)들의 중심부가 대향면에 수직하게 연장되어 서로 연결될 수도 있다. 이 경우, 색분리 소자(10)는 예를 들어 H 빔의 형태를 가질 수 있다.
지금까지, 색분리 소자(10)가 2개의 마주 보는 투명 막대(11)를 갖는 것으로 설명하였다. 그러나, 투명 막대(11)의 개수가 반드시 2개로 한정될 필요는 없으며, 3개 또는 그 이상의 투명 막대(11)를 나란하게 배치하는 것도 가능하다. 예컨대, 도 7은 3개의 투명 막대(11)를 갖는 또 다른 실시예에 따른 색분리 소자(20)의 구조를 개략적으로 보이는 종단면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 동일한 형태를 갖는 3개의 투명 막대(11)가 일정한 간격으로 나란하게 배치될 수 있다. 그러나, 필요에 따라서 3개의 투명 막대(11)들의 두께(t)와 높이(h)는 서로 다를 수도 있으며, 3개의 투명 막대(11)들 사이의 간격(g)들도 서로 다르게 선택될 수도 있다.
또한, 3개의 투명 막대(11)들은 서로 완전히 분리될 수도 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 8의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 3개의 투명 막대(11)들의 가장자리가 대향면에 수직하게 연장되어 서로 연결될 수도 있으며, 도 9의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 3개의 투명 막대(11)들의 중심부가 대향면에 수직하게 연장되어 서로 연결될 수도 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 색분리 소자(30)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 10을 참조하면, 색분리 소자(30)는 2개의 투명 막대(11)들의 일부분이 서로 수직으로 교차하도록 연결된 구조를 가질 수 있다. 도 10의 예에서는 2개의 투명 막대(11)들의 각각의 중심부에서 교차가 일어나고 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 2개의 투명 막대(11)들의 가장자리에서 교차가 일어날 수도 있다. 이러한 구조에서, 투명 막대(11)들의 두께, 높이 및 교차 위치를 조절함으로써 색분리 소자(30)의 색분리 특성을 조절할 수 있으며, 교차하지 않고 이격되어 있는 2개의 투명 막대(11)들의 나머지 부분들에서 회절이 발생할 수 있다.
이하, 상술한 색분리 소자(10, 20, 30)와 컬러 필터를 함께 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서의 다양한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 11은 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 11을 참조하면, 이미지 센서(100)는 다수의 행과 열을 갖는 2차원 매트릭스의 형태로 배열된 다수의 광검출용 화소(110R, 110G, 110B)들을 구비하는 화소 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 화소행(110a)에는 녹색 화소(110G)들만이 배열될 수 있다. 또한, 제 1 화소행(110a)에 인접한 제 2 화소행(110b)에는 적색 화소(110R)와 청색 화소(110B)들이 교대로 배열될 수 있다. 이러한 제 1 화소행(110a)과 제 2 화소행(110b)은 세로 방향을 따라 교대로 배열될 수 있다.
도 12는 도 11에 도시된 a-a' 라인을 따라 상기 이미지 센서(100)의 제 1 화소행(110a)을 절개한 단면도이다. 도 12를 참조하면, 제 1 화소행(110a)은 서로 인접하여 배열된 다수의 광검출 소자(111), 다수의 광검출 소자(111)의 광입사면에 각각 배치된 다수의 녹색 컬러 필터(112G), 다수의 녹색 컬러 필터(112G) 위에 전체적으로 배치된 투명 스페이서(113), 및 입사광을 각각의 광검출 소자(111)에 집광하도록 투명 스페이서(113) 위에 배치된 다수의 마이크로 렌즈(120)를 포함할 수 있다. 각각의 광검출 소자(111), 녹색 컬러 필터(112G), 및 투명 스페이서(113)는 하나의 녹색 화소(110G)를 구성할 수 있다.
이러한 구조에서, 입사광은 마이크로 렌즈(120)에 의해 투명 스페이서(113)와 녹색 컬러 필터(112G)를 지나 대응하는 광검출 소자(111)에 포커싱될 수 있다. 다수의 광검출 소자(111)들마다 각각 대응하는 녹색 컬러 필터(112G)들이 배치될 수도 있으나, 전체 광검출 소자(111)들에 걸쳐 하나의 긴 녹색 컬러 필터(112G)가 배치되는 것도 가능하다. 제 1 화소행(110a)에는 녹색 컬러 필터(112G)만이 배치되어 있으므로, 입사광 중에서 녹색 대역의 빛만이 녹색 컬러 필터(112G)를 통과하여 광검출 소자(111)에 입사할 수 있다. 광검출 소자(111)는 입사광을 그 세기에 따라 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 따라서, 제 1 화소행(110a)에서는 녹색광만을 검출할 수 있다.
도 13은 도 11에 도시된 b-b' 라인을 따라 상기 이미지 센서(100)의 제 2 화소행(110b)을 절개한 단면도이다. 도 13을 참조하면, 제 2 화소행(110b)은 서로 인접하여 배열된 다수의 광검출 소자(111), 적색 화소(110R)와 청색 화소(110B)에 대응하여 다수의 광검출 소자(111)의 광입사면에 각각 교대로 배치된 다수의 적색 컬러 필터(112R)와 다수의 청색 컬러 필터(112B), 다수의 적색 및 청색 컬러 필터(112R, 112B) 위에 전체적으로 배치된 투명 스페이서(113), 청색 컬러 필터(112B)와 대향하도록 투명 스페이서(113) 내에 배치된 다수의 색분리 소자(140), 및 입사광을 각각의 광검출 소자(111)에 집광하도록 투명 스페이서(113) 위에 배치된 다수의 마이크로 렌즈(130)를 포함할 수 있다. 각각의 광검출 소자(111), 청색 컬러 필터(112B) 및 투명 스페이서(113)는 청색 화소(110B)를 구성할 수 있으며, 각각의 광검출 소자(111), 적색 컬러 필터(112R) 및 투명 스페이서(113)는 적색 화소(110R)를 구성할 수 있다. 여기서, 색분리 소자(140)는 투명 스페이서(113) 내에 매립되어 투명 스페이서(113)에 의해 둘러싸여 고정될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(130)는 청색 화소(110B)의 영역으로부터 양측의 적색 화소(110R)의 일부 영역까지 연장되어 배치될 수 있다. 제 1 화소행(110a)에서 각각의 마이크로 렌즈(120)는 하나의 녹색 화소(110G) 내에 배치되는 반면, 제 2 화소행(110b)에서 각각의 마이크로 렌즈(130)는 청색 화소(110B)를 중심으로 그 양측의 적색 화소(110R)의 절반 정도까지 걸치도록 형성된다. 즉, 제 2 화소행(110b)의 마이크로 렌즈(130)의 폭은 제 1 화소행(110a)의 마이크로 렌즈(120)의 폭보다 약 2배 정도 더 클 수 있다. 따라서, 청색 화소(110B)의 전체와 그 양측의 적색 화소(110R)의 일부에 입사하는 빛이 마이크로 렌즈(130)에 의해 집광되어 색분리 소자(140)를 지날 수 있다.
도 11 및 도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로 렌즈(130)에 대응하여 하나의 색분리 소자(140)가 배치될 수 있다. 따라서 하나의 마이크로 렌즈(130)를 통과하여 집광된 빛은 그에 대응하는 색분리 소자(140)를 거쳐 파장에 따라 분리될 수 있으며, 파장에 따라 분라된 빛은 분리된 각각의 파장에 대응하는 화소(110B, 110R)에 입사할 수 있다. 이를 위해, 색분리 소자(140)는 파장에 따라 다른 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꿈으로써 색을 분리하는 역할을 한다. 예를 들어, 색분리 소자(140)는 도 1 내지 도 10을 통해 설명한 색분리 소자(10, 20, 30)들 중에서 어느 하나일 수 있다. 본 실시예에 따르면, 색분리 소자(140)는, 대향하는 청색 컬러 필터(112B)를 향하는 빛에서 청색의 비율을 증가시키고 양측의 적색 컬러 필터(112R)를 향하는 빛에서 적색의 비율을 증가시키는 방식으로 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 13에서 '①'로 표시된 빛은 진행 경로의 변경 없이 색분리 소자(140)를 투과한 후에 청색 컬러 필터(112B)에 도달한다. 또한, 도 13에서 '②'로 표시된 빛은 색분리 소자(140)의 가장자리 방향으로 경사지게 진행 방향이 바뀌게 되면서 청색 컬러 필터(112B)의 양측에 있는 적색 컬러 필터(112R)에 도달하게 된다. 도 14는 색분리 소자(140)에 의한 색분리 스펙트럼을 개략적으로 보이는 그래프로서, '①'로 표시된 빛과 '②'로 표시된 빛의 스펙트럼을 각각 보이고 있다. 도 14를 참조하면, 일반적인 백색광이 색분리 소자(140)에 입사하는 경우, '①'로 표시된 빛에는 색분리 소자(140)를 투과하는 동안 청색 파장의 비율이 증가하게 되고, '②'로 표시된 빛에는 색분리 소자(140)를 투과하는 동안 적색 파장의 비율이 증가하게 될 수 있다. 한편 도 14에서 112R로 표시된 점선 박스는 적색 컬러 필터(112R)의 투과 대역이며 112B로 표시된 점선 박스는 청색 컬러 필터(112B)의 투과 대역을 예시적으로 보인다.
이러한 본 실시예에 따르면, 녹색 컬러 필터(112G)에서는 종래의 화소 구조에서와 마찬가지로 입사광의 약 33% 정도만이 투과되어 광검출 소자(111)에 도달한다. 반면, 청색 컬러 필터(112B)와 적색 컬러 필터(112R)에서는 각각의 컬러 필터에 대응하는 색의 비율이 높기 때문에 종래의 화소 구보에 비하여 빛의 투과율이 증가하게 된다. 예를 들어, 청색 컬러 필터(112B)와 적색 컬러 필터(112R)에서는 입사광의 약 50% 이상이 투과되어 광검출 소자(111)에 도달하게 되고, 투과광은 광검출 소자(111)에서 광전 변화되어 각 화소의 입사광의 세기를 나타내는 전기 신호로 바뀌게 된다. 따라서 청색 컬러 필터(112B)와 적색 컬러 필터(112R)에서의 광 이용 효율이 증가하게 된다.
일반적으로, 이미지 센서(100)에서 색분리 소자(140)의 광학적 길이는 매우 짧기 때문에, 색분리 소자(140)만으로 완전한 색 분리를 하기에는 매우 어렵다. 이로 인해, 색분리 소자(140)만을 이용하는 경우에는 높은 색 순도를 얻기가 어렵다. 본 실시예에 따르면, 색분리 소자(140)와 컬러 필터(112B, 112R)의 연계를 통해, 색분리 소자(140)로 어느 정도의 색분리 효과를 얻고 컬러 필터(112B, 112R)로 높은 색 순도를 얻음으로써, 컬러 필터(112B, 112R)에 의해 흡수되는 빛 에너지의 양을 감소시켜 광 이용 효율을 향상시키는 동시에 높은 색 순도를 달성할 수 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(100')의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 11에 도시된 이미지 센서(100)와 비교할 때, 도 15에 도시된 이미지 센서(100')는, 색분리 소자(140)가 적색 화소(110R)의 영역에 배치되어 있고 마이크로 렌즈(130)도 적색 화소(110R)를 중심으로 배치되어 있다는 점에서, 도 11에 도시된 이미지 센서(100)와 차이가 있다. 도 15에 도시된 이미지 센서(100')의 나머지 구성은 도 11에 도시된 이미지 센서(100)와 동일할 수 있다.
즉, 마이크로 렌즈(130)는 적색 화소(110R)의 영역으로부터 양측의 청색 화소(110B)의 일부 영역까지 연장되어 배치될 수 있다. 예컨대, 마이크로 렌즈(130)는 적색 화소(110R)를 중심으로 그 양측의 청색 화소(110B)의 절반 정도까지 걸치도록 형성될 수 있다. 따라서, 적색 화소(110R)와 그 양측의 청색 화소(110B)의 일부에 입사하는 빛이 마이크로 렌즈(130)에 의해 집광되어 적색 화소(110R)의 영역에 있는 색분리 소자(140)를 지날 수 있다.
색분리 소자(140)는 대향하는 적색 컬러 필터(112R)를 향하는 빛에서 적색의 비율을 증가시키고, 양측의 청색 컬러 필터(112B)를 향하는 빛에서 청색의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 진행 경로의 변경 없이 색분리 소자(140)를 투과한 빛은 적색 컬러 필터(112R)에 도달하며, 색분리 소자(140)의 가장자리 방향으로 경사지게 진행 방향이 바뀐 빛은 적색 컬러 필터(112R)의 양측에 있는 청색 컬러 필터(112B)에 도달하게 된다. 이 경우, 적색 컬러 필터(112R)에 도달하는 빛이 도 14의 그래프에서 '②'로 표시된 스펙트럼을 갖고, 청색 컬러 필터(112B)에 도달하는 빛이 도 14의 그래프에서 '①'로 표시된 스펙트럼을 갖게 되도록 색분리 소자(140)가 구성될 수 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 11 및 도 15에 도시된 이미지 센서(100, 100')는 제 1 및 제 2 화소행(110a, 110b)의 화소들이 서로 일치하여 배열되어 있지만, 도 16에 도시된 이미지 센서의 경우에는 제 1 화소행(110a)의 화소들과 제 2 화소행(110b)의 화소들이 서로에 대해 시프트될 수 있다. 예를 들어, 제 1 화소행(110a)의 화소들과 제 2 화소행(110b)의 화소들은 화소의 폭의 절반만큼 시프트될 수 있다. 도 16에는 도시되지 않았지만, 색분리 소자(140)는 제 2 화소행(110b)의 청색 컬러 필터(112B)에 대향하여 배치되거나 적색 컬러 필터(112R)에 대향하여 배치될 수 있다. 따라서, 도 16에 도시된 실시예에서 색분리 소자(140)는 인접하는 제 1 화소행(110a)의 두 녹색 화소(110G)들 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 제 2 화소행(110b)에 있는 색분리 소자(140)에 의한 스펙트럼 변화가 제 1 화소행(110a)에 영향을 주더라도, 제 1 화소행(110a)의 모든 녹색 화소(110G)들에 균일하게 영향이 미치게 될 수 있다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(200)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 17에 도시된 이미지 센서(200)는 상술한 RGB 컬러 필터 방식 대신에 사이안(Cy), 옐로우(Ye), 녹색(G), 마젠타(M)의 컬러 필터를 사용하는 CYGM 컬러 필터 방식을 채택하고 있다. 도 17을 참조하면, 제 1 화소행(110a)에는 다수의 마젠타 화소(110M)와 다수의 녹색 화소(110G)들이 서로 교대로 배열될 수 있다. 또한, 제 2 화소행(110b)에는 다수의 사이안 화소(110C)와 다수의 옐로우 화소(110Y)들이 서로 교대로 배열될 수 있다. 그리고, 색분리 소자(140)는 사이안 화소(110C)의 영역에 배치될 수 있고 마이크로 렌즈(130)도 사이안 화소(110C)를 중심으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 마이크로 렌즈(130)는 사이안 화소(110C)의 영역으로부터 양측의 옐로우 화소(110Y)의 일부 영역까지 연장되어 배치될 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(130)는 사이안 화소(110C)를 중심으로 그 양측의 옐로우 화소(110Y)의 절반 정도까지 걸치도록 형성될 수 있다. 따라서, 사이안 화소(110C)와 그 양측의 옐로우 화소(110Y)의 일부에 입사하는 빛이 마이크로 렌즈(130)에 의해 집광되어 사이안 화소(110C)의 영역에 있는 색분리 소자(140)를 지날 수 있다.
색분리 소자(140)는 사이안 화소(110C)를 향하는 빛에서 사이안 계열의 빛의 비율을 증가시키고, 그 양측의 옐로우 화소(110Y)를 향하는 빛에서 옐로우 계열의 빛의 비율을 증가시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 진행 경로의 변경 없이 색분리 소자(140)를 투과한 빛은 사이안 컬러 필터에 도달하며, 색분리 소자(140)의 가장자리 방향으로 경사지게 진행 방향이 바뀐 빛은 사이안 컬러 필터의 양측에 있는 옐로우 컬러 필터에 도달하게 된다. 이 경우, 사이안 컬러 필터에 도달하는 빛이 도 14의 그래프에서 '①'로 표시된 스펙트럼을 갖고, 옐로우 컬러 필터에 도달하는 빛이 도 14의 그래프에서 '②'로 표시된 스펙트럼을 갖도록, 색분리 소자(140)가 구성될 수 있다. 도 17에 도시된 CYGM 컬러 필터 방식의 경우, 각각의 컬러 필터가 RGB 컬러 필터에 비해 더 넓은 대역의 파장을 통과시키기 때문에, 흡수 손실을 더욱 줄여서 광 이용 효율이 더 향상될 수 있다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(200')의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 17에 도시된 이미지 센서(200)와 비교할 때, 도 18에 도시된 이미지 센서(200')는, 색분리 소자(140)가 옐로우 화소(110Y)의 영역에 배치되어 있고 마이크로 렌즈(130)도 옐로우 화소(110Y)를 중심으로 배치되어 있다는 점에서 도 17에 도시된 이미지 센서(200)와 차이가 있다. 따라서, 도 18에 도시된 이미지 센서(200')에서 색분리 소자(140)는, 진행 경로의 변경 없이 색분리 소자(140)를 투과한 빛에서 옐로우 계열의 빛의 비율을 증가시키고 색분리 소자(140)의 가장자리 방향으로 경사지게 진행 방향이 바뀐 빛에서 사이안 계열의 빛의 비율을 증가시키도록 구성될 수 있다. 도 18에 도시된 이미지 센서(200')의 나머지 구성은 도 17에 도시된 이미지 센서(200)와 동일할 수 있다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 19에 도시된 이미지 센서(300)는, 도 11에 도시된 이미지 센서(100)와 마찬가지로, 다수의 녹색 화소(110G)들을 갖는 제 1 화소행(110a), 및 서로 교대로 배열된 다수의 청색 화소(110B)들과 다수의 적색 화소(110R)들을 갖는 제 2 화소행(110b)을 포함할 수 있다. 도 11에 도시된 이미지 센서(100)와 비교할 때, 도 19에 도시된 이미지 센서(300)는 청색 화소(110B)들과 적색 화소(110R)들에 각각 개별적인 마이크로 렌즈(120)와 색분리 소자(140a, 140b)들이 배치되어 있다는 점에서 도 11에 도시된 이미지 센서(100)와 차이가 있다. 따라서, 도 19에 도시된 이미지 센서(300)의 경우, 모든 화소(110R, 110G, 110B)들에 동일한 구조의 마이크로 렌즈(120)를 사용할 수 있다.
도 20은 도 19에 도시된 a-a' 라인을 따라 상기 이미지 센서(300)의 제 2 화소행(110b)을 절개한 단면도이다. 도 20을 참조하면, 제 2 화소행(110b)은 서로 인접하여 배열된 다수의 광검출 소자(111), 다수의 광검출 소자(111)의 광입사면에 각각 교대로 배치된 다수의 적색 컬러 필터(112R)와 다수의 청색 컬러 필터(112B), 다수의 적색 및 청색 컬러 필터(112R, 112B)를 덮도록 배치된 투명 스페이서(113), 청색 컬러 필터(112B)와 대향하도록 투명 스페이서(113) 내에 배치된 다수의 제 1 색분리 소자(140a), 적색 컬러 필터(112R)와 대향하도록 투명 스페이서(113) 내에 배치된 다수의 제 2 색분리 소자(140b), 및 입사광을 각각의 광검출 소자(111)에 집광하도록 투명 스페이서(113) 위에 배치된 다수의 마이크로 렌즈(120)를 포함할 수 있다. 다수의 마이크로 렌즈(120)는 다수의 적색 및 청색 컬러 필터(112R, 112B)들과 각각 대향하도록 배치될 수 있다.
제 1 색분리 소자(140a)는, 대향하는 청색 컬러 필터(112B)를 향하는 빛에서 청색의 비율을 증가시키고 양측의 적색 컬러 필터(112R)를 향하는 빛에서 적색의 비율을 증가시키도록, 입사광의 스펙트럼 분포를 바꿀 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(140b)는, 대향하는 적색 컬러 필터(112R)를 향하는 빛에서 적색의 비율을 증가시키고 양측의 청색 컬러 필터(112B)를 향하는 빛에서 청색의 비율을 증가시키도록, 입사광의 스펙트럼 분포를 바꿀 수 있다. 예를 들어, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 '①'로 표시된 방향으로 진행하는 빛은 도 14에서 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있고, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 '②'로 표시된 방향으로 진행하는 빛은 도 14에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 '③'으로 표시된 방향으로 진행하는 빛은 도 14에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있고, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 '④'로 표시된 방향으로 진행하는 빛은 도 14에서 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다.
이미지 센서(300)의 광 이용 효율을 더욱 향상시키기 위하여, 제 1 및 제 2 색분리 소자(140a, 140b)는 각각 도 21 및 도 22에 도시된 색분리 스펙트럼을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 21을 참조하면, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 '①'로 표시된 방향으로 진행하는 빛에 청색광의 대부분이 분포할 수 있다. 한편, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 '②'로 표시된 방향으로 진행하는 빛의 스펙트럼은 도 21에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포와 같을 수 있다. 또한, 도 22를 참조하면, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 '③'으로 표시된 방향으로 진행하는 빛에 적색광의 대부분이 분포할 수 있다. 그리고, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 '④'로 표시된 방향으로 진행하는 빛의 스펙트럼은 도 22에서 '④'로 표시된 스펙트럼 분포와 같을 수 있다.
도 23은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(400)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 23에 도시된 이미지 센서(400)는 서로 교대로 배열된 다수의 녹색 화소(110G)들과 다수의 청색 화소(110B)들을 갖는 제 1 화소행(110a), 서로 교대로 배열된 다수의 녹색 화소(110G)들과 다수의 적색 화소(110R)들을 갖는 제 2 화소행(110b), 다수의 청색 컬러 필터(112B)들과 각각 대향하도록 배치된 다수의 제 1 색분리 소자(140a), 및 다수의 적색 컬러 필터(112R)들과 각각 대향하도록 배치된 다수의 제 2 색분리 소자(140b)들을 포함할 수 있다.
또한, 동일한 구조의 마이크로 렌즈(130)가 각각 청색 화소(110B)들과 적색 화소(110R)들을 중심으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 화소행(110a)에서 마이크로 렌즈(130)는 청색 화소(110B)의 영역을 중심으로 그 양측의 녹색 화소(110G)의 일부 영역까지 연장되어 배치될 수 있다. 따라서, 청색 화소(110B)와 그 양측의 녹색 화소(110G)의 일부에 입사하는 빛이 제 1 화소행(110a)의 마이크로 렌즈(130)에 의해 집광되어 제 1 색분리 소자(140a)를 지날 수 있다. 그리고, 제 2 화소행(110b)에서는 마이크로 렌즈(130)가 적색 화소(110R)의 영역을 중심으로 그 양측의 녹색 화소(110G)의 일부 영역까지 연장되어 배치될 수 있다. 따라서, 적색 화소(110R)와 그 양측의 녹색 화소(110G)의 일부에 입사하는 빛이 제 2 화소행(110b)의 마이크로 렌즈(130)에 의해 집광되어 제 2 색분리 소자(140b)를 지날 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자(140a)는, 대향하는 청색 화소(110B)를 향하는 빛에서 청색의 비율을 증가시키고 양측의 녹색 화소(110G)를 향하는 빛에서 녹색의 비율을 증가시키도록, 입사광의 스펙트럼 분포를 바꿀 수 있다. 또한, 상기 제 2 색분리 소자(140b)는, 대향하는 적색 화소(110R)를 향하는 빛에서 적색의 비율을 증가시키고 양측의 녹색 화소(110G)를 향하는 빛에서 녹색의 비율을 증가시키도록, 입사광의 스펙트럼 분포를 바꿀 수 있다. 예를 들어, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 청색 화소(110B)로 향하는 빛은 도 14에서 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있고, 녹색 화소(110G)로 향하는 빛은 도 14에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 적색 화소(110R)로 향하는 빛은 도 14에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있고, 녹색 화소(110G)로 향하는 빛은 도 14에서 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 이미지 센서(400)는 녹색광에 대해서도 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
이미지 센서(400)의 광 이용 효율을 더욱 향상시키기 위하여, 제 1 및 제 2 색분리 소자(140a, 140b)는 각각 도 24 및 도 25에 도시된 색분리 스펙트럼을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 24를 참조하면, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 청색 화소(110B)로 향하는 빛은 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있으며, 녹색 화소(110G)로 향하는 빛은 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 또한, 도 25를 참조하면, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 적색 화소(110R)로 진행하는 빛은 '③'으로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있으며, 녹색 화소(110G)로 향하는 빛은 '④'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 도 24 및 도 25에서, 112R로 표시된 점선 박스는 적색 컬러 필터(112R)의 투과 대역이며, 112B로 표시된 점선 박스는 청색 컬러 필터(112B)의 투과 대역이고, 112G로 표시된 점선 박스는 녹색 컬러 필터(112G)의 투과 대역을 예시적으로 보인다.
도 26은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(400')의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 26에 도시된 이미지 센서(400')는 서로 교대로 배열된 다수의 녹색 화소(110G)들과 다수의 청색 화소(110B)들을 갖는 제 1 화소행(110a), 서로 교대로 배열된 다수의 녹색 화소(110G)들과 다수의 적색 화소(110R)들을 갖는 제 2 화소행(110b), 다수의 청색 컬러 필터(112B)들과 각각 대향하도록 배치된 다수의 제 1 색분리 소자(140a), 및 다수의 녹색 컬러 필터(112G)들과 각각 대향하도록 배치된 다수의 제 2 색분리 소자(140b)들을 포함할 수 있다. 도 25에 도시된 이미지 센서(400)와 비교할 때, 도 26에 도시된 이미지 센서(400')는 다수의 제 2 색분리 소자(140b)들이 다수의 녹색 화소(110G)들에 배치되어 있다는 점에서, 도 25에 도시된 이미지 센서(400)와 차이가 있다. 또한, 제 2 화소행(110b)에서 마이크로 렌즈(130)는 녹색 화소(110G)의 영역을 중심으로 그 양측의 적색 화소(110R)의 일부 영역까지 연장되어 배치될 수 있다.
제 1 색분리 소자(140a)는 대향하는 청색 화소(110B)를 향하는 빛에서 청색의 비율을 증가시키고 양측의 녹색 화소(110G)를 향하는 빛에서 녹색의 비율을 증가시킬 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(140b)는 대향하는 녹색 화소(110G)를 향하는 빛에서 녹색의 비율을 증가시키고 양측의 적색 화소(110R)를 향하는 빛에서 적색의 비율을 증가시킬 수 있다. 본 실시예에서, 제 1 및 제 2 색분리 소자(140a, 140b)는 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 청색 화소(110B)로 향하는 빛은 도 14에서 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있고, 녹색 화소(110G)로 향하는 빛은 도 14에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 녹색 화소(110G)로 향하는 빛은 도 14에서 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있으며, 적색 화소(110R)로 향하는 빛은 도 14에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다.
일반적으로, 짧은 파장의 빛을 정면으로 투과시키고 긴 파장의 빛을 가장자리로 굴절시키도록 색분리 소자를 구성하는 것이 그 반대의 경우보다 효율적으로 동작할 수 있다. 따라서, 제 2 화소행(110b)에서 제 2 색분리 소자(140b)가 녹색 화소(110G)에 배치된 구성을 갖는 이미지 센서(400')의 광 이용 효율이 더욱 향상될 수 있다.
한편, 제 1 색분리 소자(140a)와 제 2 색분리 소자(140b)는 상이한 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 제 1 색분리 소자(140a)를 투과하여 청색 화소(110B)로 향하는 빛은 도 24에서 '①'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있으며, 녹색 화소(110G)로 향하는 빛은 도 24에서 '②'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 또한, 제 2 색분리 소자(140b)를 투과하여 녹색 화소(110G)로 진행하는 빛은 도 25에서 '④'으로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수 있으며, 적색 화소(110R)로 향하는 빛은 도 25에서 '③'로 표시된 스펙트럼 분포를 가질 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20, 30.....색분리 소자 11.....투명 막대
100, 100', 200, 200', 300, 400, 400'.....이미지 센서
110R, 110G, 110B, 110M, 110C, 110Y.....화소
110a, 110b.....화소행 111.....광검출 소자
112R, 112G, 112B.....컬러 필터 113.....투명 스페이서
120, 130.....마이크로 렌즈 140, 140a, 140b.....색분리 소자

Claims (32)

  1. 소정의 간격을 두고 서로 대향하여 배치된 적어도 2개의 투명 막대;를 포함하며,
    상기 적어도 2개의 투명 막대들의 대향하는 표면들은 그 사이를 지나는 가시광선의 빛이 회절될 수 있을 정도의 간격으로 서로 이격되어 있고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대의 굴절률은 주위 매질의 굴절률보다 높고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대가 함께 하나의 색분리 소자를 구성하고,
    인접한 2개의 투명 막대들 사이의 간격은 100nm 내지 1um의 범위에 있는, 색분리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 투명 막대는 납작한 육면체 기둥의 형태를 갖는 색분리 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 투명 막대의 높이는 두께보다 큰 색분리 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 투명 막대는 서로 다른 굴절률을 갖는 재료로 이루어지는 색분리 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 투명 막대는 높이 방향을 따라 변화하는 굴절률을 갖는 색분리 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각각의 투명 막대의 두께는 150nm 내지 300nm의 범위에 있으며, 각각의 투명 막대의 높이는 500nm 내지 1um의 범위에 있는 색분리 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각각의 투명 막대들은 TiO2, SiN3, ZnS 또는 ZnSe을 포함하는 재료로 이루어지는 색분리 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 투명 막대들의 대향하는 표면들은 서로 평행하게 배치되어 있는 색분리 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 투명 막대들의 가장자리 또는 중심부가 대향면에 수직하게 연장되어 서로 연결되어 있는 색분리 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 투명 막대들의 일부분이 서로 수직으로 교차하도록 연결되어 있는 색분리 소자.
  11. 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소들이 배열되어 있는 제 1 화소행;
    상기 제 1 화소행에 인접하여 배치된 것으로, 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소와 제 3 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행; 및
    상기 다수의 제 2 화소에 각각 배치된 것으로, 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 1 색분리 소자;를 포함하며,
    각각의 제 1 색분리 소자는 소정의 간격을 두고 서로 대향하여 배치된 적어도 2개의 투명 막대;를 포함하며,
    상기 적어도 2개의 투명 막대들의 대향하는 표면들은 그 사이를 지나는 가시광선의 빛이 회절될 수 있을 정도의 간격으로 서로 이격되어 있고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대의 굴절률은 주위 매질의 굴절률보다 높고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대가 함께 하나의 제 1 색분리 소자를 구성하며,
    각각의 제 1 색분리 소자의 상기 적어도 2개의 투명 막대는 각각의 대응하는 제 2 화소에 대향하여 배치되어 있는,
    이미지 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 화소들에 각각 배치된 다수의 제 1 마이크로 렌즈, 및 상기 각각의 제 2 화소를 중심으로 그 양측의 제 3 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 2 마이크로 렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 화소는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광검출 소자, 상기 광검출 소자 위에 배치된 것으로 제 1 파장의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터, 및 상기 제 1 컬러 필터 위에 배치된 투명 스페이서를 포함하며,
    상기 제 2 화소는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광검출 소자, 상기 광검출 소자 위에 배치된 것으로 제 2 파장의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터, 및 상기 제 2 컬러 필터 위에 배치된 투명 스페이서를 포함하고,
    상기 제 3 화소는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광검출 소자, 상기 광검출 소자 위에 배치된 것으로 제 3 파장의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터, 및 상기 제 3 컬러 필터 위에 배치된 투명 스페이서를 포함하는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 마이크로 렌즈는 상기 투명 스페이서 위에 배치되어 있는 이미지 센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 색분리 소자는 상기 투명 스페이서 내에 매립되어 고정되어 있는 이미지 센서.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 색분리 소자는 제 2 파장의 빛을 제 2 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 3 파장의 빛을 제 2 화소의 양측에 있는 제 3 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성되는 이미지 센서.
  17. 제 11 항에 있어서,
    제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 청색 대역이며, 제 3 파장은 적색 대역인 이미지 센서.
  18. 제 11 항에 있어서,
    제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 적색 대역이며, 제 3 파장은 청색 대역인 이미지 센서.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 화소행과 제 2 화소행이 서로에 대해 각각의 화소의 폭의 절반만큼 시프트되어 있는 이미지 센서.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 화소행은 상기 다수의 제 1 화소들과 교대로 배열되어 있는 다수의 제 4 화소들을 더 포함하는 이미지 센서.
  21. 제 20 항에 있어서,
    제 1 파장은 마젠타 대역, 제 2 파장은 사이안 대역, 제 3 파장은 옐로우 대역, 제 4 파장은 녹색 대역인 이미지 센서.
  22. 제 20 항에 있어서,
    제 1 파장은 마젠타 대역, 제 2 파장은 옐로우 대역, 제 3 파장은 사이안 대역, 제 4 파장은 녹색 대역인 이미지 센서.
  23. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 제 3 화소에 각각 배치된 것으로, 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 2 색분리 소자 더 포함하는 이미지 센서.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 2 색분리 소자는 제 3 파장의 빛을 제 3 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 2 파장의 빛을 제 3 화소의 양측에 있는 제 2 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성되는 이미지 센서.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 내지 제 3 화소들에 각각 배치되는 다수의 마이크로 렌즈들을 더 포함하는 이미지 센서.
  26. 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행;
    상기 제 1 화소행에 인접하여 배치된 것으로, 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 3 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행;
    상기 다수의 제 2 화소에 각각 배치된 것으로, 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 1 색분리 소자; 및
    상기 다수의 제 3 화소에 각각 배치된 것으로, 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 2 색분리 소자;를 포함하며,
    각각의 제 1 및 제 2 색분리 소자는 소정의 간격을 두고 서로 대향하여 배치된 적어도 2개의 투명 막대;를 포함하며,
    상기 적어도 2개의 투명 막대들의 대향하는 표면들은 그 사이를 지나는 가시광선의 빛이 회절될 수 있을 정도의 간격으로 서로 이격되어 있고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대의 굴절률은 주위 매질의 굴절률보다 높고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대가 함께 하나의 제 1 색분리 소자 또는 제 2 색분리 소자를 구성하며,
    각각의 제 1 색분리 소자의 상기 적어도 2개의 투명 막대는 각각의 대응하는 제 2 화소에 대향하여 배치되어 있고,
    각각의 제 2 색분리 소자의 상기 적어도 2개의 투명 막대는 각각의 대응하는 제 3 화소에 대향하여 배치되어 있는,
    이미지 센서.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 각각의 제 2 화소를 중심으로 그 양측의 제 1 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 1 마이크로 렌즈, 및 상기 각각의 제 3 화소를 중심으로 그 양측의 제 1 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 2 마이크로 렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 제 1 색분리 소자는 제 2 파장의 빛을 제 2 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 1 파장의 빛을 제 2 화소의 양측에 있는 제 1 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성되며, 상기 제 2 색분리 소자는 제 3 파장의 빛을 제 3 화소를 향해 정면으로 투과시키고 제 1 파장의 빛을 제 3 화소의 양측에 있는 제 1 화소를 향해 가장자리로 굴절시키도록 구성되는 이미지 센서.
  29. 제 26 항에 있어서,
    제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 청색 대역이며, 제 3 파장은 적색 대역인 이미지 센서.
  30. 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 1 화소행;
    상기 제 1 화소행에 인접하여 배치된 것으로, 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소와 제 3 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들이 서로 교대로 배열되어 있는 제 2 화소행;
    상기 다수의 제 2 화소에 각각 배치된 것으로, 제 2 화소에 입사하는 제 2 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 1 색분리 소자; 및
    상기 제 2 화소행에서 다수의 제 1 화소에 각각 배치된 것으로, 제 1 화소에 입사하는 제 1 파장의 빛의 비율을 증가시키고 제 3 화소에 입사하는 제 3 파장의 빛의 비율을 증가시키도록 입사광의 스펙트럼 분포를 바꾸는 다수의 제 2 색분리 소자;를 포함하며,
    각각의 제 1 및 제 2 색분리 소자는 소정의 간격을 두고 서로 대향하여 배치된 적어도 2개의 투명 막대;를 포함하며,
    상기 적어도 2개의 투명 막대들의 대향하는 표면들은 그 사이를 지나는 가시광선의 빛이 회절될 수 있을 정도의 간격으로 서로 이격되어 있고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대의 굴절률은 주위 매질의 굴절률보다 높고,
    상기 적어도 2개의 투명 막대가 함께 하나의 제 1 색분리 소자 또는 제 2 색분리 소자를 구성하며,
    각각의 제 1 색분리 소자의 상기 적어도 2개의 투명 막대는 각각의 대응하는 제 2 화소에 대향하여 배치되어 있고,
    각각의 제 2 색분리 소자의 상기 적어도 2개의 투명 막대는 각각의 대응하는 제 1 화소에 대향하여 배치되어 있는,
    이미지 센서.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 화소행에서 각각의 제 2 화소를 중심으로 그 양측의 제 1 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 1 마이크로 렌즈, 및 상기 제 2 화소행에서 각각의 제 1 화소를 중심으로 그 양측의 제 3 화소의 일부 영역까지 연장되어 배치된 다수의 제 2 마이크로 렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
  32. 제 30 항에 있어서,
    제 1 파장은 녹색 대역이고, 제 2 파장은 청색 대역이며, 제 3 파장은 적색 대역인 이미지 센서.
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US14/707,272 US10423001B2 (en) 2014-05-09 2015-05-08 Color separation devices and image sensors including the same
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102561097B1 (ko) * 2015-12-22 2023-07-28 삼성전자주식회사 색분리 소자 어레이, 이를 포함한 이미지 센서 및 전자 장치
FR3056333B1 (fr) 2016-09-22 2018-10-19 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Capteur d'images a efficacite quantique amelioree pour les rayonnements infrarouges
KR102604687B1 (ko) 2017-02-01 2023-11-20 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 그 제조 방법
US10935434B2 (en) * 2017-03-16 2021-03-02 Shibaura Electronics Co., Ltd. Temperature sensor
CN107680979A (zh) * 2017-09-26 2018-02-09 德淮半导体有限公司 一种图像传感器、彩色滤光片阵列及其制备方法
EP3540499A1 (en) 2018-03-13 2019-09-18 Thomson Licensing Image sensor comprising a color splitter with two different refractive indexes
EP3540479A1 (en) 2018-03-13 2019-09-18 Thomson Licensing Diffraction grating comprising double-materials structures
JP6707105B2 (ja) * 2018-04-17 2020-06-10 日本電信電話株式会社 カラー撮像素子および撮像装置
JP7265195B2 (ja) * 2018-04-17 2023-04-26 日本電信電話株式会社 カラー撮像素子および撮像装置
EP3588150A1 (en) 2018-06-29 2020-01-01 Thomson Licensing An optical device comprising multi-layer waveguides
EP3591700A1 (en) 2018-07-02 2020-01-08 Thomson Licensing Image sensor comprising a color splitter with two different refractive indexes, and different height
EP3671310A1 (en) 2018-12-18 2020-06-24 Thomson Licensing Optical manipulation apparatus for trapping or moving micro or nanoparticles
EP3671322A1 (en) 2018-12-18 2020-06-24 Thomson Licensing Device for forming an outgoing electromagnetic wave from an incident electromagnetic wave
EP3671293A1 (en) 2018-12-21 2020-06-24 Thomson Licensing An optical device comprising at least one diffraction grating having a grating pitch above the wavelength
US12087783B2 (en) * 2019-10-09 2024-09-10 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Spectral element array, image sensor and image apparatus
EP4398304A3 (en) 2019-10-23 2024-10-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
EP3812803A1 (en) * 2019-10-23 2021-04-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
KR102613052B1 (ko) * 2021-09-29 2023-12-12 삼성전자주식회사 멀티 스펙트럼 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
JP2023099014A (ja) * 2021-11-18 2023-07-11 日本電信電話株式会社 カラー撮像素子および撮像装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012015424A (ja) * 2010-07-02 2012-01-19 Panasonic Corp 固体撮像装置
JP2012049620A (ja) * 2010-08-24 2012-03-08 Panasonic Corp 固体撮像素子および撮像装置
JP5325117B2 (ja) * 2008-06-18 2013-10-23 パナソニック株式会社 固体撮像装置

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5325117B2 (ko) 1972-05-26 1978-07-25
DE3584582D1 (de) * 1984-05-31 1991-12-12 Nec Corp Festkoerper-farbbildaufnahmeeinrichtung.
US5982545A (en) * 1997-10-17 1999-11-09 Industrial Technology Research Institute Structure and method for manufacturing surface relief diffractive optical elements
US6490393B1 (en) * 2000-11-27 2002-12-03 Advanced Interfaces, Llc Integrated optical multiplexer and demultiplexer for wavelength division transmission of information
JP4652634B2 (ja) * 2001-08-31 2011-03-16 キヤノン株式会社 撮像装置
US7405759B2 (en) * 2001-09-28 2008-07-29 Mosaic Imaging, Inc. Imaging with spectrally dispersive element for aliasing reducing
JP4218240B2 (ja) * 2001-12-17 2009-02-04 旭硝子株式会社 光ヘッド装置
US7250973B2 (en) * 2002-02-21 2007-07-31 Canon Kabushiki Kaisha Image pickup apparatus for reflecting light at an area between successive refractive areas
JP2004200358A (ja) * 2002-12-18 2004-07-15 Nikon Corp 固体撮像素子の色分解装置
JP2005258053A (ja) * 2004-03-11 2005-09-22 Nippon Sheet Glass Co Ltd 透過型回折格子
US8018508B2 (en) * 2004-04-13 2011-09-13 Panasonic Corporation Light-collecting device and solid-state imaging apparatus
JP4192867B2 (ja) * 2004-08-30 2008-12-10 ソニー株式会社 物理情報取得装置、複数の単位構成要素が配列されてなる物理量分布検知の半導体装置、並びに半導体装置の製造方法
US7808023B2 (en) * 2005-08-24 2010-10-05 Aptina Imaging Corporation Method and apparatus providing integrated color pixel with buried sub-wavelength gratings in solid state imagers
JP4836625B2 (ja) * 2006-03-24 2011-12-14 パナソニック株式会社 固体撮像素子
JP4646146B2 (ja) * 2006-11-30 2011-03-09 ソニー株式会社 画像処理装置、画像処理方法、およびプログラム
JP4847304B2 (ja) * 2006-12-04 2011-12-28 株式会社リコー 光学素子および光学装置
ITRM20070280A1 (it) 2007-05-22 2008-11-23 Micron Technology Inc Photon guiding structure and method of forming the same.
WO2009019818A1 (ja) * 2007-08-06 2009-02-12 Panasonic Corporation 撮像用光検出装置
CN101604700B (zh) 2008-06-13 2012-12-12 台湾积体电路制造股份有限公司 图像检测元件及其形成方法
JP5055643B2 (ja) * 2008-07-28 2012-10-24 株式会社リコー 撮像素子および画像撮像装置
CN101816184B (zh) * 2008-08-05 2013-06-12 松下电器产业株式会社 摄像用光检测装置
JP5331107B2 (ja) * 2008-12-19 2013-10-30 パナソニック株式会社 撮像装置
KR20110115072A (ko) 2009-01-14 2011-10-20 파나소닉 주식회사 촬상 장치
JP5637693B2 (ja) * 2009-02-24 2014-12-10 キヤノン株式会社 光電変換装置、及び撮像システム
KR20120039501A (ko) * 2009-07-24 2012-04-25 파나소닉 주식회사 촬상 장치 및 고체 촬상 소자
KR101274591B1 (ko) 2009-12-18 2013-06-13 엘지디스플레이 주식회사 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터와 액정표시장치 및 그 제조방법
KR101007198B1 (ko) 2010-05-17 2011-01-12 광운대학교 산학협력단 나노 격자 기반의 컬러필터
US8405748B2 (en) * 2010-07-16 2013-03-26 Omnivision Technologies, Inc. CMOS image sensor with improved photodiode area allocation
JP5503458B2 (ja) 2010-08-24 2014-05-28 パナソニック株式会社 固体撮像素子および撮像装置
US9257469B2 (en) * 2011-10-24 2016-02-09 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Color imaging device
WO2013099151A1 (ja) * 2011-12-26 2013-07-04 パナソニック株式会社 固体撮像素子、撮像装置、および信号処理方法
WO2013140016A1 (en) * 2012-03-20 2013-09-26 Nokia Corporation An apparatus and a method for imaging
US9099369B2 (en) * 2012-05-02 2015-08-04 Panasonic Intellectual Property Corporation Of America Solid-state image sensor
JP5885608B2 (ja) * 2012-07-23 2016-03-15 株式会社東芝 固体撮像装置
WO2014034149A1 (ja) * 2012-09-03 2014-03-06 パナソニック株式会社 固体撮像素子および撮像装置
JP5952777B2 (ja) 2013-05-29 2016-07-13 日東工器株式会社 バッテリ式穿孔機
US9412775B2 (en) * 2014-03-20 2016-08-09 Visera Technologies Company Limited Solid-state imaging devices and methods of fabricating the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5325117B2 (ja) * 2008-06-18 2013-10-23 パナソニック株式会社 固体撮像装置
JP2012015424A (ja) * 2010-07-02 2012-01-19 Panasonic Corp 固体撮像装置
JP2012049620A (ja) * 2010-08-24 2012-03-08 Panasonic Corp 固体撮像素子および撮像装置

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