Verbesserung der Sicherheit der biometrischen Authentifizierung unter Quantenpunktlicht

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 794 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wir haben die Sicherheit der biometrischen Authentifizierung durch die doppelte Erkennung basierend auf der Erkennung von Fingerabdruckbildern und der Erfassung von Hauttemperaturänderungen unter QLED-Displays (Quantum Dot Light Emitting Diode) verbessert. Bei der Kontrastklassifizierung von Mustern, beispielsweise bei der Fingerabdruckerkennung, sind QLEDs aufgrund ihres schmalen Halbwerts (Full-Width-Half-Maximum) vorteilhafter als organische Leuchtdioden (OLEDs). In dieser Arbeit wurde gestreutes, durchgelassenes und reflektiertes Licht von der Oberseite der QLED erfasst, wodurch die digitale Leuchtdichte im Vergleich zu OLEDs um 25 % verbessert wurde, da die Elektrolumineszenzspektren der QLED erhalten blieben, während die der OLEDs erhalten blieben wurden durch die erzeugten Rauschspitzen verzerrt. Zur Erkennung menschlicher Fingerabdrücke wurde ein QLED mit acht Aperturen mit einer Größe von bis zu mehreren zehn Mikrometern implementiert, die die tatsächliche Verkabelungsstruktur kommerziell erhältlicher Smartphones nachahmen. Die QLED, die reduziertes Graphenoxid als Temperatursensor verwendet, erkennt Temperaturänderungen sofort bei Fingerberührung und zeigt eine Temperaturreaktion von 2 % basierend auf der menschlichen Körpertemperatur; Bei gefälschten Fingerabdrücken auf Papier betrug die Temperaturänderung jedoch weniger als 0,1 %. Somit konnte diese Studie die Sicherheit der biometrischen Authentifizierung erfolgreich verbessern, und zwar durch Fingerabdruckerkennung auf Basis der Bilderfassung unter Verwendung eines optischen Systems mit mikrometergroßen Aperturen und Hauttemperaturerkennung unter QLED-Displays.

In letzter Zeit haben Finanztransaktionen und Online-Einkäufe über mobile Geräte dramatisch zugenommen.1,2,3 Die Bedeutung der biometrischen Authentifizierung in mobilen Geräten hat aufgrund ihrer hervorragenden Sicherheit und Bequemlichkeit zugenommen.4,5,6 Massenproduzierte Smartphones wie Samsung Galaxy, das im Jahr 2020 veröffentlicht wurde, nutzt die optische Fingerabdruckerkennung auf dem Bildschirm.7,8 Finanztransaktionen und Einkäufe auf Smartphones erfordern Authentifizierungstechnologien wie Sicherheitsnummern und Fingerabdrücke, um Fingerabdruck-Spoofing und -Fälschung zu verhindern.9,10 Allerdings wird nur die Authentifizierungsmethode verwendet erhöht die Möglichkeit, das Finanzsystem auf Smartphones zu fälschen.11 Um dieses Problem zu lösen, soll die doppelte biometrische Authentifizierung von Bildern und Temperaturmessung die Authentifizierungssicherheit auf Smartphones verbessern.

Displays mit organischen Leuchtdioden (OLED) werden aufgrund ihrer hervorragenden Leistung, einschließlich eines breiten Farbraums, hoher Kontrastverhältnisse, schneller Reaktionszeiten und Flexibilität, als Hauptanzeigefeld in mobilen Smartphones verwendet.12,13,14,15 ,16 Allerdings weist das breite Halbwertsbreitenspektrum (FWHM) der Elektrolumineszenzspektren (EL) von OLEDs Mängel als geeignete Lichtquelle für die Fingerabdruckerkennung auf der Grundlage des Hautreflexionsvermögens auf; Dies liegt daran, dass sich EL-Spektren mit einem breiten FWHM leicht ändern können, wenn die Lichtquelle mit der menschlichen Haut interagiert.17 Anorganische Leuchtdioden (LEDs) haben ein extrem schmales FWHM; Allerdings ist es schwierig, selbstemittierende anorganische LED-basierte Displays ohne Farbfilter für mobile Smartphones herzustellen. Als Alternative bieten Quantum Dot Light Emitting Diodes (QLEDs) die gleichen Vorzüge wie OLEDs und verfügen außerdem über eine extrem schmale FWHM.18,19,20 Mit einer QLED-Lichtquelle können klarere Fingerabdruckdaten erhalten werden, selbst nach Streuung an einem Finger Dadurch wird die Genauigkeit der Fingerabdruckerkennung erhöht. Bisher haben sich jedoch nur wenige Studien mit der Fingerabdruckerkennung auf Basis von QLED-Lichtquellen befasst. Reduziertes Graphenoxid (rGO) hat aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und Lösungsverarbeitbarkeit große Aufmerksamkeit erhalten.21,22,23 Darüber hinaus verfügt rGO über eine hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit auf Temperaturänderungen, wie in Tabelle S1 in den Zusatzinformationen gezeigt, und kann dies auch sein Im Vergleich zu Platin, Gold und Silber, die häufig als typische Temperatursensoren verwendet werden, ist die Herstellung kostengünstig.24,25,26 Dementsprechend kann rGO ein wirksames Material für Temperatursensoranwendungen sein.27

Hier berichten wir über eine Verbesserung der biometrischen Authentifizierung mithilfe eines QLED durch Fingerabdruckbilderkennung und Temperaturschwankungserkennung. Das von einer grünen QLED erzeugte Licht wurde, nachdem es von der Haut der Finger gestreut und reflektiert wurde, von einer Kamera erfasst, nachdem es ein optisches System mit acht Aperturen mit einer Größe von bis zu mehreren zehn Mikrometern passiert hatte; Das aufgenommene Bild war bei einem grünen QLED klarer als bei einem grünen OLED. Darüber hinaus wurde ein rGO-Temperatursensor verwendet, um die Temperaturänderungen durch Fingerberührung zu erfassen. Der Widerstand des rGO-Dünnfilms wurde durch die Temperatur eines menschlichen Fingers verändert, und der rGO-Temperatursensor kann einen tatsächlichen menschlichen Fingerabdruck von einem gefälschten Fingerabdruck unterscheiden, indem er Widerstandsvarianz erkennt. Durch die gleichzeitige Verwendung von Fingerabdruckbilderkennung und Temperaturschwankungserkennung kann die Authentifizierungssicherheit erheblich verbessert werden.

Der rGO-Widerstand wurde mit 205 kΩ bzw. 123 kΩ bei 15 °C bzw. 60 °C gemessen, wie in Abb. 1a dargestellt. Die Temperaturantwort wurde wie folgt berechnet:

Dabei sind Ri und R der Anfangswiderstand bzw. der Widerstand bei einer bestimmten Temperatur.22 Basierend auf (1) zeigte der hergestellte rGO-Sensor eine Temperaturreaktion von 40 % mit einer Widerstandsschwankung. Die Temperatur wurde in einer Temperaturkammer 12 Stunden lang periodisch mit einer Geschwindigkeit von 0,25 °C/h geändert, wie in Abb. 1b dargestellt. Die Widerstandsänderungen deuteten auf eine wiederholbare Temperaturänderungsrate hin, selbst bei einer Änderung von 1 °C; Es wurde auch eine stabile Temperaturänderungsrate innerhalb von 0,5 % beobachtet.

(a) Widerstandsvarianz und Temperaturreaktion von rGO in Bezug auf den Temperaturdurchlauf von 15 bis 60 °C. (b) Temperaturreaktion von rGO bei Temperaturschwankungen von 1 °C und Langzeitstabilität.

Für den Pinhole-Effekt wurden Blenden verwendet, um die Brennweite zu verkürzen, da der Abstand zwischen dem Anzeigefeld und der Kamera etwa 2 mm betrug, wie in Abb. 2a dargestellt.28 Ein 270 µm großes quadratisches Ziel wurde auf der Fotomaske in Abb. 2b hergestellt durch zwei Arten von Öffnungen geleitet, wie in Abb. 2c, d gezeigt: eine 60 µm × 200 µm große Öffnung und acht 10 µm × 10 µm große Öffnungen unter Verwendung des Lichts (maximale grüne Leuchtdichte: 381,5 cd/m2). ein kommerzielles OLED-Smartphone. Die erhaltenen Bilddateien wurden mithilfe der hausintern codierten Programmiersprache Python direkt in digitale Werte umgewandelt, wie in Abb. S1 in den Zusatzinformationen dargestellt. Die digitale Leuchtdichtewertvarianz ΔL wurde wie folgt berechnet:

Dabei sind Li und L die anfänglichen Luminanzwerte bzw. digitalen Luminanzwerte an einer bestimmten Position. Das mit einer großen Blende erhaltene Bild war ein ausreichend verwacklungsfreies Bild, das jedes grüne Subpixel der kommerziellen OLED zeigte; Darüber hinaus wies das vom Mittelquadrat erfasste Muster auch scharfe Kanten auf, wie in Abb. 2e dargestellt. Die Zielform, die durch die große Apertur ging, zeigte gemäß (2) eine Varianz des digitalen Luminanzwerts von 86 %, während die Zielform, die durch mehrere kleine Aperturen ging, eine Varianz des digitalen Luminanzwerts von 61 % aufwies, wie in Abb. 2e dargestellt. f bzw. Allerdings waren bei mehreren kleinen Blendenöffnungen zwar die grünen Subpixel der OLEDs verschwommen und die Gesamtlichtmenge reichte nicht aus, das quadratische Muster in der Mitte konnte jedoch anhand des digitalen Luminanzwerts unterschieden werden.

(a) Mikrogroße Apertur-Fotomaskenstruktur mit grünem Licht von einem kommerziellen OLED-Smartphone. (b) Tatsächliche Zielform mit einem quadratischen Muster von 270 µm. (c) 60 µm × 200 µm Mikroöffnung und tatsächliches Muster mit optischem Mikroskop. (d) Acht 10 µm × 10 µm große Mikroöffnungen und tatsächliches Muster mit einem optischen Mikroskop. (e) Aufgenommenes Bild mit 60 µm × 200 µm mikrogroßer Apertur, Maßstabsleiste: 200 µm und digitaler Querschnittslinien-Luminanzwert des aufgenommenen Bildes. (f) Aufgenommenes Bild mit insgesamt acht 10 µm × 10 µm großen Aperturen, Maßstabsleiste: 200 µm und digitalen Querschnittslinien-Luminanzwerten.

In massenproduzierten Smartphones sind die Treibermetallverkabelung und die Verkabelung des Berührungssensorfelds mit Ausnahme der roten, grünen und blauen Pixel dicht angeordnet. Bei typischen OLED-Display-Panels in Smartphones decken die transparenten Teile des weißen Bereichs innerhalb des gelben Kreises in Abb. 3a,b nur einige Dutzend Quadratmikrometer pro Pixel ab. Im Querschnittsbereich allgemeiner Smartphones sind, wie in Abb. 3b dargestellt, die transparenten Bereiche, die durch mehrere undurchsichtige Schichten des Ober- und Unterteils verlaufen, willkürlich geformt. Wie in Abb. 3c, d gezeigt, wird die oberste Schicht gebildet, indem das Subpixel mit einem Metallgittermuster aus Sender und Empfänger umgeben wird, was bei der Berührungserkennung zu Kapazitätsänderungen führt. Unter dem Touch-Sensor-Panel ist die Pixelanzeigeschicht für die roten, grünen und blauen Pixel strukturiert, wie in Abb. 3e dargestellt. Elektrische und Antriebsdrähte der Elektrolumineszenz-Pixel-Stromversorgung (ELVDD), der Elektrolumineszenz-Masse-Stromversorgung (ELVSS), Daten- und Transistorelektrodenleitungen für die emittierenden Pixel werden in der unteren Schicht der Pixelanzeigeschicht gebildet, wie in Abb. 3f gezeigt . Abbildung 3g zeigt ein Pixelbild eines OLED-Bildschirms eines kommerziellen Smartphones. Doch selbst die nicht überlappenden Bereiche handelsüblicher Smartphone-Displays erscheinen unter dem Mikroskop aufgrund der Passivierungsschicht und der Schutzfolie, die das Display abschirmt, schwarz. Um die Fingerabdruckerkennung auf einem Bildschirm durchzuführen, ist es daher erforderlich, die undurchsichtigen Bereiche des Schutzfilms unter dem Bildschirm zu strukturieren oder zu entfernen, wie in Abb. 3b dargestellt. Aufgrund der Struktur kommerzieller Smartphones können in Smartphone-Displaypanels nur mehrere transparente Löcher von 10 µm × 10 µm oder weniger erzeugt werden. Daher ist die Verwendung mehrerer Öffnungen mit einer Größe von 10 µm für Displaypanels in tatsächlichen Smartphone-Anwendungen vorteilhafter als die Verwendung einer großen Öffnung.

Schematische Darstellung der Stapelstruktur für durchdrungene Lochmuster in Mikrogröße. (a) Kombinierte Schichten mit mehreren durchdrungenen Löchern in Mikrogröße. (b) Querschnittsansicht der Smartphone-Stapelstruktur. (c) Schematische Darstellung eines Touch-Metall-Sensorpanels. (d) Optisches Mikroskopbild von Metalllinien des Berührungssensors, die entlang des Umfangs von Subpixeln ausgerichtet sind (gelber Pfeil), Maßstabsleiste: 20 µm. (e) Anzeigeebene mit roten, grünen und blauen Subpixeln. (f) Antreibende Metallleitungsschicht. (g) Optisches Mikroskopbild kombinierter Schichten mit Pixelanzeigeschicht und Treibermetallleitungsschicht, Maßstabsleiste: 20 µm.

Grüne OLEDs und QLEDs wurden als Stapelstrukturen hergestellt, wie in Abb. 4a,b dargestellt. Die grüne OLED bestand aus Indiumzinnoxid (ITO) als Anode, 1,4,5,8,9,11-Hexaazatriphenylenhexacarbonitril (HAT-CN) als Lochinjektionsschicht (HIL), 1,1-Bis( (Di-4-tolylamino)phenyl)cyclohexan (TAPC) als Lochtransportschicht (HTL), 4,4′,4″-Tri(N-carbazolyl)triphenylamin (TcTa) als Elektronenblockierschicht, 2, 6-Bis(3-(carbazol-9-yl)phenyl)pyridin (26DCzPPy), dotiert mit Tris(2-phenylpyridin)iridium(III) (Ir(ppy)3) als grün phosphoreszierende Emissionsschicht (EML), Tris( 3-(3-Pyridyl)mesityl)boran (3TPYMB) als Elektronentransportschicht (ETL), mit Lithium (Li) dotiertes 3TPYMB und Lithiumfluorid (LiF) als Elektroneninjektionsschichten und Aluminium (Al) als Kathode. Die grüne QLED bestand aus ITO als Kathode, Zinkoxid (ZnO)-Nanopartikeln (NP) als ETL, grünen Quantenpunkten (QDs) als grünem EML, TcTa als HTL, MoO3 als HIL und Silber (Ag). die Anode.

Gerätestrukturen von (a) OLEDs und (b) QLEDs. (c) Normalisierte EL-Spektren von grünem OLED und QLED. (d) CIE 1931-Farbkoordinaten für EL-Spektren von OLED und QLED ohne (ohne) und mit (mit) menschlichem Finger. Normalisierte EL-Spektren von (e) OLED und (f) QLED ohne und mit menschlichem Finger.

Abbildung 4c zeigt die normalisierten EL-Spektren der hergestellten grünen OLEDs und QLEDs bei der gleichen Spannung von 6 V. Der Hauptemissionspeak und die FWHM der OLED und QLED betragen 515 nm, 63 nm, 532 nm bzw. 33 nm. Das FWHM des QLED ist 30 nm schmaler als das des OLED. Die Farbkoordinaten der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) 1931 von OLEDs und QLEDs sind (0,287, 0,640) bzw. (0,212, 0,742), wie in Abb. 4d dargestellt. Nachdem das grüne Licht von OLED und QLED auf einen menschlichen Finger gestrahlt wurde, wurden die EL-Spektren des reflektierten Lichts der OLED und QLED gemessen, um die Änderung der Wellenlänge zu untersuchen. Die CIE 1931-Farbkoordinaten der EL-Spektren von OLED und QLED waren (0,326, 0,603) bzw. (0,234, 0,705). Somit betrugen die Änderungen der CIE-Koordinaten für OLED und QLED 0,0537 bzw. 0,0430, was deutlich darauf hindeutet, dass die Änderung der CIE-Koordinaten für OLED bei Verwendung des Fingers um 24,8 % höher war als für QLED.

Obwohl der Hauptemissionspeak der OLED erhalten blieb, traten ein Schulterpeak bei 554 nm und ein langwelliger Peak bei 599 nm auf, wie in Abb. 4e dargestellt. Die Haupt-EL-Spektren der QLED blieben jedoch nach der Fingerreflexion gleich, wie in Abb. 4f dargestellt. Obwohl bei der QLED aufgrund der Lichtstreuung breite Emissionen zwischen 600 und 780 nm auftraten,29 waren ihre Intensitäten äußerst gering. Licht wird von den verschiedenen Hautchromophoren wie Hämoglobin und Melanin im sichtbaren Bereich absorbiert und aufgrund der Brechungsindexschwankungen auf mikroskopischer Ebene gestreut.30 Das diffuse Reflexionsvermögen von Licht variiert je nach der Menge an Hämoglobin und Melanin in der Haut Form des menschlichen Fingerabdrucks und das Ausmaß der Änderung des Brechungsindex des Gewebes. Mit anderen Worten: Nachdem OLED- oder QLED-Licht von einem menschlichen Finger reflektiert wird, kann sich das Spektrum ändern, da Licht einer bestimmten Wellenlänge von Hämoglobin und Melanin absorbiert und teilweise gestreut wird. Beispielsweise weist Oxyhämoglobin eine hohe Absorption bei etwa 542 nm und 578 nm Wellenlänge auf, wie in Abb. S2 in den Zusatzinformationen dargestellt. Aufgrund der starken Absorption in diesem Wellenlängenbereich wird die Lichtintensität bei etwa 540 nm und 580 nm im OLED-Spektrum verringert, was in Abb. 4e zu einem Schulterpeak bei 599 nm führt. Im Fall der QLED führte ein kleiner Überlappungsbereich zwischen dem EL-Spektrum von QLED und dem Absorptionsspektrum von Oxyhämoglobin aufgrund der schmalen FWHM von QLED im Vergleich zu OLED zu einem relativ stabilen reflektierten EL-Spektrum. Wir haben reflektierte Spektren von OLED und QLED EL anhand diffuser Reflexionsspektren der menschlichen Haut berechnet.31 Das reflektierte Spektrum von OLED EL veränderte sich je nach menschlicher Haut mit unterschiedlichen Melaninkonzentrationen dramatisch, wie in Abb. S3 in den Zusatzinformationen dargestellt. Andererseits wurde das reflektierte Spektrum von QLED EL unabhängig vom menschlichen Hauttyp kaum verändert. Dieses Ergebnis legt nahe, dass QLEDs stabilere reflektierte EL-Spektren aufweisen als OLEDs und daher als Lichtquellen für die Fingerabdruckerkennung nützlich sein können.

Um den Unschärfegrad des Musters aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der grünen Spektren zwischen OLEDs und QLEDs zu untersuchen, wurden Experimente durchgeführt, um ein feines Muster durch acht mikrogroße Öffnungen von 10 µm × 10 µm in einer gestapelten Struktur zu erfassen, wie gezeigt in Abb. 5a. Obwohl OLED und QLED unterschiedliche EL-Spektren aufwiesen, wurde dasselbe Zielmuster verwendet, um das gestreute grüne Licht von OLED und QLED einzufangen. Im fotografierten Bild war das Kontrastverhältnis der QLED größer als das der OLED, da das rechteckige Muster in der Mitte dunkel war, weil kein Licht übertragen werden konnte, wie in Abb. 5b,c dargestellt. Zudem veränderte sich der digitale Bildwert des erfassten Bildes der QLED nach (2) auf 64 %, während das Verhältnis der minimalen Leuchtdichte zur maximalen Leuchtdichte der OLED bei 39 % lag. Daher war bei der QLED die Helligkeitsänderung größer und es traten weniger Unschärfen zwischen den Rändern des Musters auf als bei der OLED.

Unscharfer Grad des Musters in den grünen Spektren von OLED und QLED. (a) Gerätestruktur mit acht 10 µm × 10 µm großen Aperturen für direkte Beleuchtung unter OLED- oder QLED-Grünlicht. (b) OLED- und (c) QLED-Grünlichtbild unter direkter Display-Pixelbestrahlung, Maßstabsleiste: 200 µm. Querschnittswerte der digitalen Linienluminanz der aufgenommenen Bilder von OLED- und QLED-Grünlicht.

Generell gibt es verschiedene Verdrahtungsleitungen, die die OLEDs in handelsüblichen Smartphones ansteuern.32,33,34 Metallgeflechtleitungen mit einer Größe von mehreren Mikrometern sind auch für die an den Pixeln ausgerichteten Touch-Sensor-Panels vorhanden.35 Eine direkte Lichtemission erfolgte nicht , wie in Abb. 6a gezeigt; es wurde nur indirekt reflektiertes Licht beobachtet, das die menschliche Fingerhaut durchdrang; dann zerstreute es sich und tauchte wieder auf. Obwohl in der Draufsicht der QLEDs aufgrund des Trockenmittels bereits viele Bereiche dunkel erschienen, wurde rGO auf der Rückseite des Pixels ausgerichtet, wo Graphenoxid (GO) durch Führung mit Kapton®-Band strukturiert wurde, wie in Abb . 6b. Abbildung 6c zeigt ein Bild des Lichtemissionsbereichs von unten gesehen und das Bild der tatsächlichen grünes Licht emittierenden QLED, wie in Abb. 6d gezeigt.

Fingerabdruckbilder und Temperaturänderungen, die nach dem Durchgang von Licht durch eine Mikroöffnung erhalten wurden. (a) Draufsicht auf QLEDs mit rGO-Temperatursensor. (b) Draufsicht auf tatsächliche QLEDs, Maßstabsleiste: 2 mm. (c) Unteransicht der QLEDs. (d) Bild der grünen Licht emittierenden Unterseite von QLEDs, Maßstabsleiste: 2 mm. (e) Gerätestruktur von QLEDs mit acht 10 µm × 10 µm großen Aperturen und rGO-Temperatursensor für reflektiertes und gestreutes Licht mit menschlicher Fingerberührung. (f) Aufgenommenes Bild ohne Fingerabdruck in der Dunkelkammer, Maßstabsleiste: 200 µm. (g) Aufgenommenes Bild eines gefälschten Fingerabdrucks, der mit grünem QLED-Licht auf Papier gedruckt wurde, Maßstabsleiste: 200 µm. (h) Aufgenommenes Bild eines menschlichen Fingerabdrucks mit grünem QLED-Licht, Maßstabsleiste: 200 µm. (i) Querschnittswerte der digitalen grünen Luminanz ohne Fingerabdruck in der Dunkelkammer. (j) Digitale grüne Luminanzwerte im Querschnitt mit gefälschtem Fingerabdruck auf Papier gedruckt. (k) Querschnittswerte der digitalen grünen Luminanz mit menschlichem Fingerabdruck. (l) Temperaturreaktion ohne Fingerabdruck in der dunklen Kammer. (m) Temperaturreaktion mit gefälschtem Fingerabdruck auf Papier gedruckt. (n) Temperaturreaktion abhängig von der menschlichen Fingerberührung.

Wir haben untersucht, ob Fingerabdrücke mit einer Kamera erfasst werden können, nachdem sie durch eine Öffnung im Mikromaßstab zwischen den kombinierten Drähten geführt wurden, wie in Abb. 6e dargestellt. Wenn ein menschlicher Finger mit grünem QLED-Licht bestrahlt wurde, wurde das in die Fingerhaut eintretende Licht gestreut, und ein Teil des Lichts trat aufgrund der Streuung in alle Richtungen aus.36 Sobald das gestreute Licht von der Fingerhaut die acht 10 µm durchdrang × 10 µm Aperturen, Bilder wurden mit einer Kamera in einer dunklen Kammer aufgenommen, wie in Abb. 6f gezeigt. Die aufgenommenen Bilder zeigten einen dunklen Zustand an, da der Finger nicht an der Unterseite der QLED-Leuchte angehoben wurde. Darüber hinaus wurde die Form des Fingerabdrucks anhand gefälschter, auf Papier gedruckter Fingerabdrücke bestimmt, wie in Abb. 6g dargestellt. Die auf Papier gedruckten gefälschten Fingerabdrücke zeigten im digitalen Bild hohe und niedrige Werte und konnten unterschieden werden. Wie in Abb. 6h gezeigt, wurden aus dem Streulicht, das von der Haut der tatsächlichen menschlichen Fingerabdrücke stammt, Fingerabdruckkämme und -täler mit einem relativ niedrigen Kontrastverhältnis erhalten. Obwohl der digitale Bildkontrast für die tatsächlichen menschlichen Fingerabdrücke gering war, konnten zwischen Bergrücken und Tälern Schwankungen der Leuchtdichte festgestellt werden. Das Bild von Fingerabdruckkämmen und -tälern wurde ebenfalls mit der OLED-Lichtquelle aufgenommen, ihr Kontrastverhältnis ist jedoch im Vergleich zu dem von QLED geringer, wie in Abb. S4 in den Zusatzinformationen dargestellt. Folglich war das erhaltene Bild im Falle der auf Papier gedruckten gefälschten Fingerabdrücke aufgrund des starken Unterschieds im Kontrastverhältnis klarer als im Fall tatsächlicher menschlicher Fingerabdrücke.

Wie in Abb. 6i dargestellt, reflektierten die Querschnittswerte der digitalen grünen Luminanz des aufgenommenen Bildes ohne Finger im dunklen Raum vernachlässigbares QLED-Licht; Dementsprechend waren die digitalen Luminanzwerte relativ niedrig. Die digitalen grünen Luminanzwerte im Querschnitt der aufgenommenen Bilder mit den auf Papier gedruckten gefälschten Fingerabdrücken zeigten gemäß (2) eine Varianz der digitalen Luminanzwerte von 34 % zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Wert innerhalb benachbarter Bergrücken und Täler, wie in Abb . 6j. Unterdessen zeigte der digitale grüne Luminanzwert im Querschnitt, der unter Verwendung des tatsächlichen menschlichen Fingerabdrucks erhalten wurde, eine Varianz des digitalen Luminanzwerts von 13 %, wie in Abb. 6k dargestellt, was auf die Erkennung eines verschwommenen Fingerabdruckbilds hinweist.

In der dunklen Raumumgebung ohne reflektiertes Licht wurden geringe Temperaturschwankungen beobachtet, wie in Abb. 6l dargestellt. In ähnlicher Weise änderte sich die Temperaturreaktion bei den auf Papier gedruckten gefälschten Fingerabdrücken auf weniger als 0,1 %, wie in Abb. 6m dargestellt. Für die tatsächliche menschliche Fingerberührung wurde jedoch eine Temperaturreaktion von 2 % erhalten. Wenn die Temperaturreaktion 0,5 % betrug, dauerte es 15 ms, wie in Abb. S5 in den Zusatzinformationen dargestellt. Beim Entfernen des Fingers kehrte die Temperaturreaktion innerhalb einer Minute in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wie in Abb. 6n dargestellt. Auf diese Weise wurde die Sicherheit der biometrischen Authentifizierung durch die Kombination von Fingerabdruck- und Hauttemperaturerkennung mithilfe des QLED-Displays verbessert.

Wir haben die Sicherheit der biometrischen Authentifizierung durch gleichzeitige Erkennung von Fingerabdruckbildern und Temperaturänderungserkennung verbessert. Die grüne QLED-Lichtquelle zeigte im Vergleich zur grünen OLED-Lichtquelle eine verbesserte Erkennung von Fingerabdruckbildern. Es wurde ein optisches System auf einer QLED-Grünlichtquelle implementiert, das acht Aperturen mit einer Größe von bis zu mehreren zehn Mikrometern umfasst, um eine praktische Smartphone-Display-Panel-Struktur nachzuahmen. Beim Berühren des QLED-Bildschirms mit dem Finger wurde das in der Haut gestreute, durchgelassene und reflektierte Licht mit einer Kamera an der Unterseite des QLED erfasst und die digitalen Luminanzwerte der erhaltenen Bilder erhöht. Darüber hinaus erkannte das hergestellte Gerät Temperaturänderungen und unterschied echte menschliche Fingerabdrücke von gedruckten Fingerabdrücken auf Papier. Daher kann unsere Gerätestruktur nützlich sein, um die Sicherheit der biometrischen Authentifizierung in QLED-basierten Mobilgeräten zu verbessern.

ITO-gemusterte Glassubstrate wurden nacheinander mit Aceton, Methanol und entionisiertem Wasser unter Verwendung eines Ultraschallreinigers gereinigt, um grüne OLEDs und QLEDs herzustellen. Alle organischen Materialien und oberen Kathodenmetalle wurden nacheinander mithilfe der thermischen Vakuumverdampfungsmethode ohne Unterbrechung des Vakuums auf den getrockneten Glassubstraten mit ITO-Muster für OLEDs abgeschieden. Während der Abscheidung der Dotierungsschichten wurden die Abscheidungsraten sowohl des Wirts- als auch des Dotierungsmaterials gleichzeitig mithilfe eines Quarzkristalloszillators gesteuert.

Für QLEDs wurden ZnO-NP-Dünnfilme auf den getrockneten Glassubstraten mit ITO-Muster mittels der Schleuderbeschichtungsmethode abgeschieden, wobei 1,8 % (Gewicht pro Volumen) ZnO-NP-Lösung in 2-Propanol (Isopropylalkohol, IPA) bei 2000 U/min dispergiert wurde 30 s. Nach der Abscheidung der ZnO-NP-Schicht wurden die verarbeiteten Filme 20 Minuten lang auf einer Heizplatte bei 130 °C an der Luft getrocknet. Anschließend wurden grüne QDs auf den ZnO-NP-Schichten durch 30-sekündiges Schleuderbeschichten bei 4000 U/min und anschließendes einstündiges Trocknen in einem Exsikkator bei einem Druck unter 10–2 Torr abgeschieden. Anschließend wurden die Substrate in eine Vakuumkammer gebracht und nacheinander organische, anorganische Materialien und ein Metall durch thermische Vakuumverdampfung bei einem Druck unter 5 × 10–7 Torr abgeschieden. ZnO-NPs und grüne QDs wurden von infinityPV bzw. ECOFLUX gekauft.

Die hergestellten OLEDs und QLEDs wurden in eine mit Stickstoff gefüllte Handschuhbox überführt, wo sie mit UV-härtbarem Epoxidharz und einer Glaskappe mit einem Feuchtigkeitsabsorber eingekapselt wurden. Die Emissionsfläche des hergestellten Geräts betrug 2 mm × 2 mm.

Die EL-Spektren wurden mit einer Source-Measure-Einheit (Keithley-2450, Tektronics, USA) und einem Spektroradiometer (CS-2000, Konica Minolta, Japan) gemessen. Die EL-Spektren der OLEDs und QLEDs wurden bei Raumtemperatur (ca. 293 K) in einer dunklen Box gemessen.

Nachdem die OLEDs und QLEDs auf einem Glassubstrat hergestellt wurden, wurden ITO-Elektroden als Anschlüsse mit einem Abstand von 1 mm auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtemissionsrichtung der OLED und QLED strukturiert, die als Unterseite des rGO-Temperatursensors definiert ist. Eine 0,001 ml GO-Dispersion (Konzentration 0,6 mg/ml) wurde zwischen die Elektroden getropft. Die GO-Tröpfchen wurden zur photothermischen Reduktion 48 Stunden lang bei 24 °C vollständig getrocknet. Die GO-Platten wurden durch die photothermische Energie der Laserbestrahlung (Laserwellenlänge: 450 nm und Leistung: 1 W) reduziert.37,38 Die Kanten der ITO-Elektroden wurden mit Silberpaste verklebt, um den Kontaktwiderstand zu verringern. Der Widerstand über dem rGO wurde durch Anschließen von ITO-Elektroden an ein Multimeter (GDM-8351, GWINSTEK, Taiwan) gemessen.

Unter Verwendung einer Fotomaske mit einer Dicke von 2 µm wurde ein Muster mit mikroskaligen Öffnungen von 60 µm × 200 µm hergestellt. In ähnlicher Weise wurde ein Muster mit acht mikrogroßen Öffnungen von 10 µm × 10 µm in einem Bereich von 40 µm × 180 µm hergestellt. Nach dem Passieren der optischen Struktur der Fotomaske wurden die Bilder mit einer Smartphone-Kamera (Xiaomi Redmi Note 10, Makroobjektiv, Verschlusszeit 1/4, ISO 100) fotografiert.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde teilweise durch einen Zuschuss des Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT) unterstützt, der vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE, Korea) finanziert wurde (20015805, Entwicklung von Materialteilen und Verarbeitungstechnologie für Post-InP-Fluoreszenz-Quantenpunkte). ein Stipendium der National Research Foundation (NRF), finanziert vom Ministerium für Wissenschaft und IKT (MSIT, Korea) (Nr. 2021R1F1A1045517) und (Nr. 2022R1A4A1028702), und ein Stipendium des Institute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation (IITP), finanziert von das MSIT (Nr. 2022-0-00026).

Department of Green Semiconductor Design Engineering, Korea Polytechnics, Seongnam‑si, Gyeonggi-do, 13122, Republik Korea

Hanyung Jung

Abteilung für Elektrotechnik und Institut für fortgeschrittene Materialien und Systeme, Sookmyung Women's University, Seoul, 04310, Republik Korea

Soobin Sim & Hyunkoo Lee

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HJ: Konzeptualisierung, Validierung, formale Analyse, Methodik, Untersuchung, Ressourcen, Schreiben – Originalentwurf. SS: Methodik, Formale Analyse, Untersuchung, Ressourcen. HL: Konzeptualisierung, Finanzierungsbeschaffung, Methodik, Validierung, formale Analyse, Untersuchung, Ressourcen, Schreiben – Originalentwurf, Überwachung, Projektverwaltung.

Korrespondenz mit Hyunkoo Lee.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jung, H., Sim, S. & Lee, H. Sicherheitsverbesserung der biometrischen Authentifizierung unter Quantenpunkt-Leuchtdiodenanzeige durch Fingerabdruck-Bildgebung und Temperaturmessung. Sci Rep 13, 794 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28162-6

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Eingegangen: 29. Oktober 2022

Angenommen: 13. Januar 2023

Veröffentlicht: 16. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28162-6

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