JP6000727B2 - 光センシング装置及びその駆動方法、光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置 - Google Patents

光センシング装置及びその駆動方法、光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置 Download PDF

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Description

本発明は、光センシング装置及びその駆動方法、前記光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置に係り、さらに詳細には、光センシング画素内の光センサトランジスタが光を感知することができる酸化物半導体トランジスタからなる光センシング装置、前記光センシング装置の駆動方法、及び前記光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置に関する。
タッチスクリーン装置とは、ディスプレイ画面の特定位置に、ユーザの指やペンが触れれば、その位置を把握し、ソフトウェアによって特定処理を行うことができるように、画面で直接入力資料を受けるように作った装置をいう。そのために、タッチスクリーン装置は、一般的なディスプレイパネルにタッチパネルという装置を付加し、その機能を発揮させる。タッチパネルには、圧力式抵抗膜方式、接触式静電容量方式、表面超音波伝導（ＳＡＷ：surface acoustic wave）方式、赤外線光感知方式及び圧電方式などの多様な種類がある。このようなタッチスクリーン装置は、最近キーボードやマウスを代替することができる入力装置として、多様な分野で広く使われている。
これまで広く使われているタッチスクリーン装置は、指やペンなどを利用し、ディスプレイ装置の画面に直接タッチする方式である。しかし、ディスプレイ装置がだんだんと大型化されつつ、ユーザとディスプレイ装置との距離が遠ざかる場合には、このような直接タッチ方式を適用し難いのである。それにより、指やペンの接触の代わりに、光を感知して、既存のタッチスクリーンと同一の機能を遂行することができる光タッチスクリーン装置が提案されている。光タッチスクリーン装置は、ユーザと端末機との意思疎通だけではなく、ユーザとユーザとの意思疎通にも有利であると期待されている。
光タッチスクリーン装置を具現するためには、光を感知することができる微細な大きさの光センシング素子が要求される。一般的に広く使われる光センシング素子としては、非晶質シリコン薄膜トランジスタ（ａ−Ｓｉ ＴＦＴ）がある。ところで、ａ−Ｓｉ ＴＦＴの場合、光による電流変化が十分に大きくない。それにより、光が印加されるとき、フォトダイオードで発生した電荷を一定時間の間、キャパシタに蓄積した後、キャパシタに蓄積された電荷量から光度に係わる信号を発する。このようにキャパシタを使用する場合、キャパシタに電荷を蓄積する時間ほどセンシング時間が遅延され、光タッチスクリーン装置の面積が大きくなるほど、寄生キャパシタンスが増大することになる。
韓国登録特許第１０−０９８３５２４号公報 韓国公開特許第１０−２０１１−００２６６６１号公報 米国特許第７,９４０,２５２号明細書 韓国公開特許第１０−２０１１−００４３９０５号公報
本発明は、光センシング素子として酸化物半導体トランジスタを利用する光センシング装置及び前記光センシング装置の駆動方法を提供するものである。
本発明はまた、前記光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置を提供するものである。
本発明のこと類型による光センシング装置は、光を感知するための光センサトランジスタと、前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するためのスイッチトランジスタと、前記スイッチトランジスタのゲートに連結されるゲートラインと、前記光センサトランジスタのゲートに連結されるリセットラインと、前記リセットラインと前記ゲートラインとの間に連結される位相反転器と、を含み、ここで、前記スイッチトランジスタ及び前記光センサトランジスタには、互いにに対して位相反転された信号が同時に印加されてもよい。
例えば、前記位相反転器の入力端は、前記ゲートラインに連結され、出力端は、前記リセットラインに連結されてもよい。
例えば、前記スイッチトランジスタと光センサトランジスタは、互いに直列に連結されてもよい。
一実施形態で、前記光センサトランジスタは、酸化物半導体をチャンネル層の材料として使用する酸化物半導体トランジスタであってもよい。
例えば、前記酸化物半導体トランジスタは、基板と、前記基板上に部分的に配置されたゲートと、少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及びゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置され、酸化物半導体材料からなるチャネル層と、前記チャネル層の両側にそれぞれ配置されたソース及びドレインと、前記ソース、ドレイン及びチャネル層を覆うように配置された透明絶縁層と、を含んでもよい。
例えば、前記酸化物半導体の材料は、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含むか、あるいは前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうちから少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含んでもよい。
また、本発明の他の類型による光センシング装置は、多数の行及び列によって配列された多数の光センシング画素を有する光センシング画素アレイ；互いに対して位相反転されたゲート電圧とリセット信号とをそれぞれの光センシング画素に提供するためのゲートドライバ；及びそれぞれの光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力するための信号出力部；を含み、それぞれの光センシング画素は、光を感知するための光センサトランジスタと、前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するためのスイッチトランジスタと、を含み、ここで、前記ゲートドライバは、前記スイッチトランジスタのゲートに連結される多数のゲートラインと、前記光センサトランジスタのゲートに連結される多数のリセットラインと、互いに対応するリセットラインとゲートラインとの間にそれぞれ連結される多数の位相反転器と、を含んでもよい。
例えば、前記位相反転器の入力端は、前記ゲートラインに連結され、出力端は、前記リセットラインに連結されてもよい。
一実施形態によれば、前記スイッチトランジスタ及び前記光センサトランジスタには、互いに対して位相反転されたゲート電圧とリセット信号とがそれぞれ同時に印加されてもよい。
また、一実施形態によれば、前記ゲートラインは、前記ゲートドライバに直接に連結され、前記リセットラインは、前記位相反転器とゲートラインとを介して間接的に前記ゲートドライバに連結されてもよい。
一実施形態で、それぞれのゲートラインとリセットラインは、同じ行に沿って配列されている多数の光センシング画素に連結されてもよい。
また、前記信号出力部は、列方向に沿って配列された多数のデータラインを含んでもよい。
例えば、それぞれのデータラインは、同じ列に沿って配列されている多数の光センシング画素に連結され、１つの列に沿って配列された光センシング画素のスイッチトランジスタのソースには、当該列に対応するデータラインが連結されてもよい。
また、本発明のさらに他の類型による光タッチスクリーン装置は、多数の行及び多数の列で配列された多数のディスプレイ画素と、多数の光センシング画素とを有する画素アレイと、行方向に沿って配列されており、それぞれのディスプレイ画素と光センシング画素とにゲート電圧を提供する多数のゲートラインと、行方向に沿って配列されており、それぞれの光センシング画素にリセット信号を提供する多数のリセットラインと、互いに対応するリセットラインとゲートラインとの間にそれぞれ連結される多数の位相反転器と、を含み、それぞれのディスプレイ画素は、ディスプレイセルと、前記ディスプレイセルのオン／オフを制御するための第１スイッチトランジスタと、を含み、それぞれの光センシング画素は、光を感知するための光センサトランジスタと、前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するための第２スイッチトランジスタと、を含み、ここで、前記第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタ、並びに前記光センサトランジスタには、互いに対して位相反転されたゲート電圧とリセット信号とがそれぞれ同時に印加されてもよい。
前記光タッチスクリーン装置は、前記多数のゲートラインに順次にゲート電圧を提供するゲートドライバ；列方向に沿って配列された多数のデータラインを有し、それぞれの光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する信号出力部；及び列方向に沿って配列された多数の映像データラインを有し、それぞれのディスプレイ画素に映像信号を提供するデータドライバ；をさらに含んでもよい。
一実施形態で、前記ゲートラインは、前記ゲートドライバに直接に連結され、前記リセットラインは、前記位相反転器とゲートラインとを介して間接的に前記ゲートドライバに連結されてもよい。
一実施形態によれば、それぞれのゲートラインは、同じ行に沿って配列されているディスプレイ画素と光センシング画素とに連結されており、１つの行に沿って配列されたディスプレイ画素の第１スイッチトランジスタのゲートと、光センシング画素の第２スイッチトランジスタのゲートとには、当該行に対応するゲートラインが連結されてもよい。
また、それぞれのリセットラインは、同じ行に沿って配列されている光センシング画素に連結され、１つの行に沿って配列された光センシング画素の光センサトランジスタのゲートには、当該行に対応するリセットラインが連結されてもよい。
また、本発明のさらに他の類型による光センシング装置の動作方法は、光を感知するための光センサトランジスタと、前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するためのスイッチトランジスタと、をそれぞれ含み、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素のうちから、いずれか１つの行に配列された光センシング画素のスイッチトランジスタのゲートにしきい値電圧以上の正の第１ゲート電圧を印加すると同時に、それと同一行に配列された光センシング画素の光センサトランジスタのゲートに、前記第１ゲート電圧に対して位相反転された負の第２ゲート電圧を印加する段階を含んでもよい。
また、前記光センシング装置の動作方法は、残りの行に配列された光センシング画素のスイッチトランジスタのゲートにしきい値電圧未満の負の第２ゲート電圧を印加すると同時に、残りの行に配列された光センシング画素の光センサトランジスタのゲートに、前記第２ゲート電圧に対して位相反転された正の第１ゲート電圧を印加する段階をさらに含んでもよい。
例えば、前記第２ゲート電圧は、位相反転器によって、前記第１ゲート電圧に対して位相反転されてもよい。
本実施形態によれば、スイッチトランジスタと、光センサトランジスタとをそれぞれ個別的に駆動させるための別個の駆動回路が要求されない。すなわち、ゲートラインに信号を提供する１つのゲートドライバだけでも、スイッチトランジスタと、光センサトランジスタとを共に制御することができる。特に、光センサトランジスタをリセットさせるにあたり、それぞれのリセットラインに大きい負荷がかかることもなく、別途の複雑な配線が追加される必要もない。従って、光センシング装置の構成が簡単になり、空間活用性の向上、工程コストの節減及び電力消費量を低減させることができ、光センシング装置を大面積化するにおいて有利である。
一実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。 図１に図示された酸化物半導体トランジスタの動作特性を例示的に示すグラフである。 図１に図示された酸化物半導体トランジスタの動作特性を例示的に示すグラフである。 一実施形態による光センシング装置の１光センシング画素の例示的な構造を図示する回路図である。 図４に図示された光センシング画素の例示的な動作を示すタイミング図である。 図４に図示された光センシング画素を含む一実施形態による光センシング装置の全体的な構造を概略的に図示するブロック図である。 一実施形態による光タッチスクリーン装置の１画素の例示的な構造を図示する回路図である。 図７に図示された画素を含む一実施形態による光タッチスクリーン装置の全体的な構造を概略的に図示する図である。
以下、添付された図面を参照しつつ、酸化物半導体トランジスタを利用した光センシング装置及びその駆動方法、前記光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置について詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜さのために誇張されていることがある。
酸化物半導体トランジスタは、チャネルの材料として酸化物半導体を使用するトランジスタを意味する。このような酸化物半導体トランジスタは、チャネル層として使われる酸化物半導体の材料によって、光に敏感な特性を有することが可能である。光に敏感な特性を有する酸化物半導体の材料をチャネル層として使用する場合、酸化物半導体トランジスタは、入射光の波長や光量によって、しきい値電圧及びドレイン電流が変わる特性があるために、光センシング素子として活用される。
図１は、一実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。図１を参照すれば、酸化物半導体トランジスタ１０は、基板１１、前記基板１１上に全体的に配置された絶縁層１２、前記絶縁層１２上に部分的に配置されたゲート１３、少なくともゲート１３の周囲を覆うように、絶縁層１２とゲート１３との上に配置されたゲート絶縁膜１４、前記ゲート絶縁膜１４上で、ゲート１３と対向するように配置されたチャネル層１５、前記チャネル層１５の両側を覆うように配置されたソース１６及びドレイン１７、並びに前記ソース１６、ドレイン１７及びチャネル層１５を全体的に覆うように配置された透明絶縁層１８を含んでもよい。図１には、ゲート１３がチャネル層１５の下方に配置された下部ゲート（bottom gate）構造の酸化物半導体トランジスタ１０が図示されたが、酸化物半導体トランジスタ１０は、上部ゲート（top gate）構造によって構成されることも可能である。
ここで、基板１１は、ガラス、シリコンのような一般的な基板材料を使用することができる。絶縁層１２、ゲート絶縁膜１４、透明絶縁層１８は、例えば、ＳｉＯ２のような材料を使用することができる。もし基板１１自体が絶縁性材料からなるならば、前記基板１１上の絶縁層１２は、省略されてもよい。また、ゲート１３、ソース１６及びドレイン１７は、伝導性金属または伝導性金属酸化物を使用することができる。例えば、酸化物半導体トランジスタ１０が透明なものが要求される場合、前記ゲート１３、ソース１６及びドレイン１７は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明伝導性材料からなってもよい。しかし、酸化物半導体トランジスタ１０が透明なものが要求されない場合には、基板１１、絶縁層１２、ゲート１３、ゲート絶縁膜１４、ソース１６及びドレイン１７の材料は、必ずしも透明である必要はない。
一方、チャネル層１５は、前述のように、酸化物半導体の材料からなってもよい。チャネル層１５として使われる酸化物半導体の材料の選択によって、酸化物半導体トランジスタ１０は、光に敏感な特性を有することができる。例えば、このような酸化物半導体チャネルの材料として、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯ、ＩｎＳｎＯのような酸化物半導体の材料を使用したり、または前述の酸化物半導体の材料に、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｓｎなどの材料が一つ以上追加して混合された材料を使用することができる。このような材料をチャネル層１５として使用する場合、図１に図示された酸化物半導体トランジスタ１０は、入射光の波長や光量によって、しきい値電圧及びドレイン電流が変わる特性があるために、光センシング素子として活用可能である。また、チャネル層１５として使用する酸化物半導体の種類によって、酸化物半導体トランジスタ１０が感知することができる光の波長帯域が変化することもある。図１で、チャネル層１５は、単一の１層の酸化物半導体層からなってもよいが、多層構造からなりもする。
図２及び図３は、図１に図示された酸化物半導体トランジスタ１０の動作特性を例示的に示すグラフである。まず、図２は、酸化物半導体トランジスタ１０のゲート電圧（Ｖｇｓ）に対するドレイン電流（Ｉｄｓ）の特性を示している。図２を参照すれば、酸化物半導体トランジスタ１０に光が入射するとき、酸化物半導体トランジスタ１０のオフ（OFF）時、ドレイン電流が増加するということが分かる。例えば、酸化物半導体トランジスタ１０に、しきい値電圧より大きいゲート電圧を印加する場合には、図２に図示されたグラフの右側でのように、光が入射するとき（明）のドレイン電流と、光が入射しないとき（暗）のドレイン電流は、ほぼ同一である。しかし、酸化物半導体トランジスタ１０に、しきい値電圧より低いゲート電圧が印加される場合には、グラフの左側でのように、光が入射しないとき（暗）のドレイン電流より、光が入射するとき（明）のドレイン電流が大きく増加する。
従って、酸化物半導体トランジスタ１０に、しきい値電圧より低いゲート電圧を印加した状態で、ドレイン電流の測定を介して、光の入射いかんを判断することができる。特に、酸化物半導体トランジスタ１０の場合、光が入射したときのドレイン電流と、光が入射していないときのドレイン電流との電流比（ＩON／ＩOFF）が相当に大きい。このような特性を有する酸化物半導体トランジスタ１０を光センシング素子として活用する場合、さまざまなメリットを有することができる。例えば、酸化物半導体トランジスタ１０は、大きい電流比を有するために、光センシング素子として酸化物半導体トランジスタ１０を使用すれば、キャパシタのない非常に簡単な光センシング装置を具現することができる。
また、図３は、酸化物半導体トランジスタ１０に光が入射した後、経時的なドレイン電流の変化を示すグラフであり、図３を参照すれば、約４０秒ほどで酸化物半導体トランジスタ１０に光が入射しつつ、ドレイン電流が増加する。しかし、約５５秒ほど光の入射が中断しているにもかかわらず、ドレイン電流はほとんど低減せず、光の入射時と類似した状態を維持している。このような現象は、酸化物半導体トランジスタ１０のチャネル層１５内部、またはその界面に、電荷がトラップされて発生すると理解することができる。例えば、光と共に負のゲート電圧が酸化物半導体トランジスタ１０に印加されれば、チャネル層１５の内部で、光によって生成された正孔が、ゲート絶縁膜１４とチャネル層１５との界面に移動してトラップされる。このようにトラップされた電荷は、十分に大きい正（＋）の電圧がゲートに印加されるまで除去されない。従って、いったん電荷がトラップされた後には、光の入射が中断された後にも、ドレイン電流が低くならない。このような現象は、十分に大きい正のゲート電圧を酸化物半導体トランジスタ１０に印加し、トラップされた電荷を除去すれば消える。
図４は、前述の酸化物半導体トランジスタ１０を利用する一実施形態による光センシング装置の１光センシング画素の例示的な構造を図示する回路図である。
図４を参照すれば、光センシング画素１１０は、互いに直列に連結された１つの光センサトランジスタ１１２と、１つのスイッチトランジスタ１１１とを含んでもよい。すなわち、光センサトランジスタ１１２のソースは、スイッチトランジスタ１１１のドレインと互いに連結されている。光センサトランジスタ１１２は、光を感知するための光センシング素子であり、例えば、前述の酸化物半導体トランジスタ１０であってもよい。光センシング信号を出力するためのスイッチトランジスタ１１１は、感光性のない一般的な薄膜トランジスタであってもよい。また、図４に図示されているように、前記光センシング画素１１０は、スイッチトランジスタ１１１のゲートに連結されるゲートラインＧａｔｅ、スイッチトランジスタ１１１のソースに連結されるデータラインＤａｔａ、光センサトランジスタ１１２のドレインに連結される駆動電圧ラインＶｄｄ、光センサトランジスタ１１２のゲートに連結されるリセットラインＲｅｓｅｔ、及びリセットラインＲｅｓｅｔとゲートラインＧａｔｅとの間に連結される位相反転器１１３をさらに含んでもよい。例えば、位相反転器１１３の入力端は、ゲートラインＧａｔｅに連結され、出力端は、リセットラインＲｅｓｅｔに連結されており、ゲートラインＧａｔｅに印加されるゲート電圧は、位相反転されてリセットラインＲｅｓｅｔに提供される。例えば、位相反転器１１３は、インバータ（inverter）であってもよい。
このような構造の光センシング画素１１０から光センシング信号を読み取るために、ゲートラインＧａｔｅを介して、スイッチトランジスタ１１１にしきい値電圧以上のゲート電圧を印加することができる。それにより、スイッチトランジスタ１１１がON状態になる。このとき、ゲートラインＧａｔｅを介して印加されたしきい値電圧以上のゲート電圧は、位相反転器１１３によって位相が反転されたまま、リセットラインＲｅｓｅｔに提供される。すなわち、ゲートラインＧａｔｅに、しきい値電圧以上の正（＋）のゲート電圧が印加される間、リセットラインＲｅｓｅｔには、しきい値電圧未満の負（−）のゲート電圧が印加される。従って、この間には、光センサトランジスタ１１２がOFF状態にある。それにより、光センサトランジスタ１１２のソースから、データラインＤａｔａに電流が流れる。このとき、光センサトランジスタ１１２から、データラインＤａｔａに流れる電流の量は、光センサトランジスタ１１２に入射する光の強度によって変化する。従って、データラインＤａｔａを介して流れる電流の量を測定すれば、光センサトランジスタ１１２に入射する光の強度を計算することができる。
一方、スイッチトランジスタ１１１に、しきい値電圧以上のゲート電圧が印加されない間には、スイッチトランジスタ１１１がOFF状態になるので、データラインＤａｔａに電流が流れない。例えば、ゲートラインＧａｔｅには、しきい値電圧未満の負（−）のゲート電圧が印加されてもよい。従って、スイッチトランジスタ１１１のON／OFF制御を介して、光センシング画素１１０から光センシング信号を出力することができ、光センシング信号の大きさから、光センサトランジスタ１１２に光が入射するか否かということ及び光の強度が分かる。
一方、ゲートラインＧａｔｅに、しきい値電圧未満の負（−）のゲート電圧が印加される間、リセットラインＲｅｓｅｔには、位相反転器１１３によって位相が反転された正（＋）のゲート電圧が印加される。このような正のゲート電圧は、光センサトランジスタ１１２をリセットさせて初期化するリセット信号の役割を行うことができる。前述のように、酸化物半導体トランジスタの光センサトランジスタ１１２に光が入射すれば、ゲート絶縁膜とチャネル層との界面に電荷がトラップされる。これによって、その後光が入射せずとも、トラップされた電荷を除去するまでは、光センサトランジスタ１１２のドレイン電流が低くならない。従って、光センシング画素１１０で一度光を測定した後、次の測定のためには、正のリセット信号を光センサトランジスタ１１２に印加し、トラップされた電荷を除去するリセット過程を遂行する。
本実施形態によれば、リセットラインＲｅｓｅｔが、位相反転器１１３を介してゲートラインＧａｔｅに連結されているために、リセットラインＲｅｓｅｔ及びゲートラインＧａｔｅには、互いに反転された信号が印加される。従って、図５のタイミング図に図示されているように、スイッチトランジスタ１１１がOFFになっている間には、光センサトランジスタ１１２に、正のゲート電圧が印加され、次の測定のために、光センサトランジスタ１１２がリセットされる。一方、スイッチトランジスタ１１１がONになっている間には、光センサトランジスタ１１２が、それと同時にOFF状態になり、光の入射いかんによって、光センサトランジスタ１１２のドレイン電流が変化する。
図６は、図４に図示された光センシング画素１１０を含む一実施形態による光センシング装置の全体的な構造を概略的に図示するブロック図である。図６を参照すれば、光センシング装置１００は、入射光を感知する多数の光センシング画素１１０を有する光センシング画素アレイ、それぞれの光センシング画素１１０に、ゲート電圧及びリセット信号を順次に提供するためのゲートドライバ１２０、及びそれぞれの光センシング画素１１０から光センシング信号を受け、データ信号を出力するための信号出力部１３０を含んでもよい。図６に図示されているように、光センシング画素アレイ内の多数の光センシング画素１１０は、多数の行（row）と列（column）とから配列される。例えば、光センシング画素１１０は、ｎ行とｍ列とを有するアレイの形態で配列される。
ゲートドライバ１２０は、それぞれの光センシング画素１１０を個別に活性化させ、それぞれの光センシング画素１１０から光センシング信号が出力されるように制御する役割を行う。そのために、ゲートドライバ１２０は、行方向に沿って配列された多数のゲートラインＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，…，Ｇａｔｅ ｎを含んでもよい。それぞれのゲートラインは、同じ行に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内のスイッチトランジスタ１１１のゲートに連結されてもよい。例えば、第１ゲートラインＧａｔｅ１は、最初の行に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内のスイッチトランジスタ１１１のゲートに連結され、第ｎゲートラインＧａｔｅ ｎは、ｎ行目に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内のスイッチトランジスタ１１１のゲートに連結されてもよい。
また、ゲートドライバ１２０は、位相反転器１１３を介して、それぞれの対応するゲートラインＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，…，Ｇａｔｅ ｎに連結される、行方向に沿って配列された多数のリセットラインＲｅｓｅｔ１，Ｒｅｓｅｔ２，…，Ｒｅｓｅｔ ｎをさらに含んでもよい。例えば、第１リセットラインＲｅｓｅｔ１は、位相反転器１１３を介して、第１ゲートラインＧａｔｅ１に連結されており、第ｎリセットラインＲｅｓｅｔ ｎは、位相反転器１１３を介して、第ｎゲートラインＧａｔｅ ｎに連結されている。すなわち、図６に図示されているように、ゲートラインＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，…，Ｇａｔｅ ｎだけゲートドライバ１２０に直接に連結されており、リセットラインＲｅｓｅｔ１，Ｒｅｓｅｔ２，…，Ｒｅｓｅｔ ｎは、位相反転器１１３と、ゲートラインＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，…，Ｇａｔｅ ｎとを介して、間接的にゲートドライバ１２０に連結されている。従って、ゲートドライバ１２０は、互いに対して位相反転されたゲート電圧とリセット信号とをゲートラインＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，…，Ｇａｔｅ ｎと、リセットラインＲｅｓｅｔ１，Ｒｅｓｅｔ２，…，Ｒｅｓｅｔ ｎとにそれぞれ提供可能である。
それぞれのリセットラインは、光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２をリセットさせるためのリセット信号を、それぞれの光センシング画素１１０に提供することができる。このために、それぞれのリセットラインは、同じ行に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２のゲートに連結されてもよい。例えば、第１リセットラインＲｅｓｅｔ１は、最初の行に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２のゲートに連結されており、第ｎゲートラインＧａｔｅ ｎは、ｎ行目に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２のゲートに連結されてもよい。
信号出力部１３０は、それぞれの光センシング画素１１０から発生する光センシング信号を受け、データ信号を出力する役割を行う。このために、信号出力部１３０は、列方向に沿って配列された多数のデータラインＤａｔａ１，Ｄａｔａ２，…を含んでもよい。それぞれのデータラインＤａｔａ１，Ｄａｔａ２，…は、同じ列に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内のスイッチトランジスタ１１１のソースに連結されてもよい。例えば、第１データラインＤａｔａ１は、最初の列に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内のスイッチトランジスタ１１１のソースに連結され、第２データラインＤａｔａ２は、２列目に配列されているあらゆる光センシング画素１１０内のスイッチトランジスタ１１１のソースに連結されてもよい。このような構造で、信号出力部１３０は、同じ行に配列されている多数の光センシング画素１１０で発生したあらゆる光センシング信号を、多数のデータラインＤａｔａ１，Ｄａｔａ２，…を介して同時に受信することができる。例えば、第１ゲートラインＧａｔｅ１にゲート電圧を印加される場合、最初の行に配列されている光センシング画素１１０で発生したあらゆる光センシング信号が、同時に信号出力部１３０に入力されてもよい。信号出力部１３０は、それら光センシング信号をデジタルデータ信号に変換した後、１列ずつ順次に出力するように構成されてもよい。
以下、前述の光センシング装置１００の動作について説明する。図６の右側には、光センシング装置１００の動作を例示的に示すタイミング図が図示されている。図６のタイミング図を参照すれば、ゲートドライバ１２０は、まず第１ゲートラインＧａｔｅ１にスイッチトランジスタ１１１のしきい値電圧以上の正のゲート電圧を印加し、最初の行の光センシング画素１１０から光センシング信号を出力する。一方、残りのゲートラインＧａｔｅ２〜Ｇａｔｅ ｎには、スイッチトランジスタ１１１のしきい値電圧未満の負のゲート電圧が印加される。従って、残りの行の光センシング画素１１０からは、光センシング信号が出力されない。このとき、第１リセットラインＲｅｓｅｔ１には、位相反転器１１３を介して、反転された負のゲート電圧が印加される。従って、最初の行に配列された光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２は、OFF状態になり、光の入射いかんによって、ドレイン電流が変化する。一方、残りの行に配列された光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２には、正のゲート電圧が印加され、光センサトランジスタ１１２がリセットされる。
その後、ゲートドライバ１２０は、第２ゲートラインＧａｔｅ２に、スイッチトランジスタ１１１のしきい値電圧以上の正のゲート電圧を印加し、２行目の光センシング画素１１０から、光センシング信号を出力する。残りのゲートラインには、スイッチトランジスタ１１１のしきい値電圧未満の負のゲート電圧が印加される。これと同時に、位相反転器１１３を介して、第２ゲートラインＧａｔｅ２と連結された第２リセットラインＲｅｓｅｔ２には、負のゲート電圧が印加される。従って、２行目の光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２は、OFF状態になり、光の入射いかんによって、ドレイン電流が変化する。残りの行に配列された光センシング画素１１０内の光センサトランジスタ１１２には、正のゲート電圧が印加され、光センサトランジスタ１１２がリセットされる。このような方式で、最初の行からｎ行目まで順次に光センシング画素１１０から光センシング信号を出力することができる。それにより、１フレームの光センシング動作が完了する。このようにして、１フレームの光センシング動作が完了すれば、続いて、以上と同一の順序で、次のフレームの光センシング動作が反復される。
このような本実施形態によれば、スイッチトランジスタ１１１と、光センサトランジスタ１１２とをそれぞれ個別的に駆動させるための別個の駆動回路が要求されない。すなわち、ゲートラインＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，…，Ｇａｔｅ ｎに信号を提供する１つのゲートドライバ１２０だけでも、スイッチトランジスタ１１１と、光センサトランジスタ１１２とを共に制御することができる。特に、光センサトランジスタ１１２をリセットさせるにあたり、それぞれのリセットラインＲｅｓｅｔ１，Ｒｅｓｅｔ２，…，Ｒｅｓｅｔ ｎに大きい負荷がかかることもなく、別途の複雑な配線が追加される必要もない。従って、光センシング装置１００の構成が簡単になり、空間活用性の向上、工程コストの節減及び電力消費量の低減のような効果を得ることができる。これは、光センシング装置１００を大面積化するにおいて有利に作用しうる。
このような空間の節約によって、ディスプレイ画素と光センシング画素とが一つに統合されているインセル（in-cell）方式の光タッチスクリーン装置の具現も、容易になる。図７は、インセル方式の光タッチスクリーン装置の１画素２１０の例示的な構造を図示する回路図である。
図７を参照すれば、インセル方式の光タッチスクリーン装置の１つの画素２１０は、ディスプレイ画素２１０ｄと光センシング画素２１０ｓとを含む。ディスプレイ画素２１０ｄは、ディスプレイセル（例えば、ＬＣＤ（liquid crystal display）の場合、液晶セル）２１２、及び前記ディスプレイセル２１２のオン／オフを制御するための第１スイッチトランジスタ２１１を含んでもよい。光センシング画素２１０ｓは、入射光を感知するための光センサトランジスタ２１４と、前記光センサトランジスタ２１４から光センシング信号を出力するための第２スイッチトランジスタ２１３と、を含んでもよい。第１スイッチトランジスタ２１１及び第２スイッチトランジスタ２１３のゲートは、１本のゲートラインＧａｔｅに連結されている。第１スイッチトランジスタ２１１のドレインは、映像データラインＳｏｕｒｃｅ−Ｄａｔａに連結されており、ソースは、ディスプレイセル２１２に連結されてもよい。第２スイッチトランジスタ２１３のソースは、光センシングデータラインＳｅｎｓｏｒ−Ｄａｔａに連結されており、ドレインは、光センサトランジスタ２１４のソースと連結される。そして、光センサトランジスタ２１４のドレインは、駆動電圧ラインＶｄｄに連結されており、ゲートは、リセットラインＲｅｓｅｔに連結されている。また、リセットラインＲｅｓｅｔは、位相反転器２１５を介して、ゲートラインＧａｔｅに連結されている。
このような構造で、ゲートラインＧａｔｅに正のゲート電圧が印加されれば、第１スイッチトランジスタ２１１及び第２スイッチトランジスタ２１３は、ON状態になり、光センサトランジスタ２１４は、OFF状態になる。それにより、映像データラインＳｏｕｒｃｅ−Ｄａｔａに提供される映像信号によって、ディスプレイセル２１２が映像を表示し、画素２１０に入射する光の強度によって、光センシングデータラインＳｅｎｓｏｒ−Ｄａｔａから光センシング信号が出力される。一方、ゲートラインＧａｔｅに、負のゲート電圧が印加されれば、第１スイッチトランジスタ２１１及び第２スイッチトランジスタ２１３は、OFF状態になり、光センサトランジスタ２１４は、ON状態になる。このとき、映像の表示及び光センシング信号の出力は中断され、光センサトランジスタ２１４がリセットされる。
図８は、図７に図示された画素２１０を含むインセル方式の光タッチスクリーン装置２００の全体的な回路構造を図示するブロック図である。図８を参照すれば、光タッチスクリーン装置２００は、映像をディスプレイする多数のディスプレイ画素２１０ｄと、入射光を感知する多数の光センシング画素２１０ｓとを有する多数の画素２１０のアレイ、それぞれのディスプレイ画素２１０ｄと、光センシング画素２１０ｓとにゲート電圧を提供するためのゲートドライバ２２０、それぞれのディスプレイ画素２１０ｄに映像信号を提供するためのデータドライバ２４０、及びそれぞれの光センシング画素２１０ｓから光センシング信号を受け、データ信号を出力するための信号出力部２３０を含んでもよい。
図８に図示されているように、多数のディスプレイ画素２１０ｄと、多数の光センシング画素２１０ｓは、行及び列をなしてアレイ状に配列される。図８には、それぞれのディスプレイ画素２１０ｄごとに、光センシング画素２１０ｓが一つずつ配置されると図示されているが、多数のディスプレイ画素２１０ｄに対して、１つの光センシング画素２１０ｓが配置されることも可能である。一般的に、１つの画素は、約２００〜３００μｍの幅と長さとを有する一方、入射光は、これよりはるかに大きい約２ｍｍほどのビーム径を有する。従って、光センシング画素２１０ｓが、画素アレイ２５０内で部分的に配置されても、入射光の入射位置を特定することが可能である。例えば、２個のディスプレイ画素２１０ｄごとに、１つの光センシング画素２１０ｓが配置されることも可能である。一方、それぞれのディスプレイ画素２１０ｄは、カラーの表現のために、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）のサブ画素をさらに含んでもよい。
ゲートドライバ２２０は、行方向に沿って配列された多数のゲートラインＧａｔｅ、行方向に沿って配列された多数のリセットラインＲｅｓｅｔ、及びそれぞれのリセットラインとゲートラインとの間にそれぞれ連結される位相反転器２１５を含んでもよい。それぞれのゲートラインＧａｔｅは、同じ行に沿って配列されているあらゆるディスプレイ画素２１０ｄ内の第１スイッチトランジスタ２１１のゲートと、光センシング画素２１０ｓ内の第２スイッチトランジスタ２１３のゲートとに連結されてもよい。ディスプレイ画素２１０ｄが、３個のサブ画素Ｒ，Ｇ，Ｂを含む場合、１つのディスプレイ画素２１０ｄには、３個の第１スイッチトランジスタ２１１が存在する。図８に図示されているように、ゲートラインＧａｔｅは、３個のサブ画素Ｒ，Ｇ，Ｂ内の第１スイッチトランジスタ２１１のゲートにいずれも連結されもする。また、リセットラインＲｅｓｅｔは、同じ行に配列されているあらゆる光センシング画素２１０ｓ内の光センサトランジスタ２１４のゲートに連結されてもよい。前述のように、リセットラインＲｅｓｅｔは、位相反転器２１５を介して、ゲートラインＧａｔｅに連結されているために、同じ行の対応するリセットラインＲｅｓｅｔ及びゲートラインＧａｔｅには、互いに相反する位相反転された信号が同時に印加される。
また、信号出力部２３０は、列方向に沿って配列された多数の光センシングデータラインＳｅｎｓｏｒ−Ｄａｔａを含んでもよい。それぞれの光センシングデータラインは、同じ列に配列されているあらゆる光センシング画素２１０ｓに連結されてもよい。さらに具体的には、それぞれの光センシングデータラインＳｅｎｓｏｒ−Ｄａｔａは、同じ列に配列されているあらゆる第２スイッチトランジスタ２１３のソースに連結されてもよい。信号出力部２３０は、それぞれの光センシング画素２１０ｓ内の光センサトランジスタ２１４から発生する光センシング信号を、それぞれの光センシングデータラインを介して受信して処理した後、デジタル化されたデータ信号を出力することができる。
また、データドライバ２４０は、列方向に沿って配列された多数の映像データラインＳｏｕｒｃｅ−Ｄａｔａを含んでもよい。それぞれの映像データラインＳｏｕｒｃｅ−Ｄａｔａは、同じ列に配列されているあらゆるディスプレイ画素２１０ｄに連結される。データドライバ２４０は、映像データラインＳｏｕｒｃｅ−Ｄａｔａを介して、それぞれのディスプレイ画素２１０ｄにディスプレイされる映像信号を提供する。もしディスプレイ画素２１０ｄが、３個のサブ画素Ｒ，Ｇ，Ｂを含むならば、データドライバ２４０は、それぞれのサブ画素Ｒ，Ｇ，Ｂごとに、個別的に連結される別途の映像データラインＳｏｕｒｃｅ−Ｄａｔａを含んでもよい。
以上、本発明の理解の一助とするために、光センシング装置及びその駆動方法、前記光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置に係わる例示的な実施形態について説明し、かつ添付された図面に図示した。しかし、このような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点を理解せねばならない。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限定されるものではないという点を理解せねばならない。それは、多様な他の変形が本技術分野で当業者において可能であるからである。
本発明の光センシング装置及びその駆動方法、光センシング装置を含む光タッチスクリーン装置は、例えば、ディスプレイ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１０ 酸化物半導体トランジスタ
１１ 基板
１２ 絶縁層
１３ ゲート
１４ ゲート絶縁膜
１５ チャネル層
１６ ソース
１７ ドレイン
１８ 透明絶縁層
１００，２１０ｓ 光センシング装置
１１０ 光センシング画素
１１１ スイッチトランジスタ
１１２，２１４ 光センサトランジスタ
１１３，２１５ 位相反転器
１２０，２２０ ゲートドライバ
１３０，２３０ 信号出力部
２００ 光タッチスクリーン装置
２１０ 画素
２１０ｄ ディスプレイ画素
２１１ 第１スイッチトランジスタ
２１２ ディスプレイセル
２１３ 第２スイッチトランジスタ
２４０ データドライバ

Claims (26)

  1. 光を感知するための光センサトランジスタと、
    前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するためのスイッチトランジスタと、
    前記スイッチトランジスタのゲートに連結されるゲートラインと、
    前記光センサトランジスタのゲートに連結されるリセットラインと、
    前記リセットラインと前記ゲートラインとの間に連結される位相反転器と、を含み、
    前記スイッチトランジスタ及び前記光センサトランジスタには、互いに対して位相反転された信号が同時に印加される光センシング装置。
  2. 前記位相反転器の入力端は、前記ゲートラインに連結され、出力端は、前記リセットラインに連結されていることを特徴とする請求項１に記載の光センシング装置。
  3. 前記スイッチトランジスタと光センサトランジスタは、互いに直列に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の光センシング装置。
  4. 前記光センサトランジスタは、酸化物半導体をチャネル層の材料として使用する酸化物半導体トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の光センシング装置。
  5. 前記酸化物半導体トランジスタは、
    基板と、
    前記基板上に部分的に配置されたゲートと、
    少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及びゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置され、酸化物半導体の材料からなるチャネル層と、
    前記チャネル層の両側にそれぞれ配置されたソース及びドレインと、
    前記ソース、ドレイン及びチャネル層を覆うように配置された透明絶縁層と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の光センシング装置。
  6. 前記酸化物半導体の材料は、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含むか、あるいは前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうちから少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含むことを特徴とする請求項５に記載の光センシング装置。
  7. 多数の行及び列によって配列された多数の光センシング画素を有する光センシング画素アレイと、
    互いに対して位相反転されたゲート電圧とリセット信号とをそれぞれの光センシング画素に提供するためのゲートドライバと、
    それぞれの光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力するための信号出力部と、を含み、
    それぞれの光センシング画素は、光を感知するための光センサトランジスタと、前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するためのスイッチトランジスタと、を含み、
    前記ゲートドライバは、
    前記スイッチトランジスタのゲートに連結される多数のゲートラインと、
    前記光センサトランジスタのゲートに連結される多数のリセットラインと、
    互いに対応するリセットラインとゲートラインとの間にそれぞれ連結される多数の位相反転器と、を含む光センシング装置。
  8. 前記位相反転器の入力端は、前記ゲートラインに連結され、出力端は、前記リセットラインに連結されていることを特徴とする請求項７に記載の光センシング装置。
  9. 前記スイッチトランジスタ及び前記光センサトランジスタには、互いに対して位相反転されたゲート電圧とリセット信号とが、それぞれ同時に印加されることを特徴とする請求項８に記載の光センシング装置。
  10. 前記ゲートラインは、前記ゲートドライバに直接に連結されており、前記リセットラインは、前記位相反転器とゲートラインとを介して間接的に前記ゲートドライバに連結されていることを特徴とする請求項８に記載の光センシング装置。
  11. 前記スイッチトランジスタと光センサトランジスタは、互いに直列に連結されていることを特徴とする請求項７に記載の光センシング装置。
  12. それぞれのゲートラインとリセットラインは、同じ行に沿って配列されている多数の光センシング画素に連結されていることを特徴とする請求項７に記載の光センシング装置。
  13. 前記信号出力部は、列方向に沿って配列された多数のデータラインを含むことを特徴とする請求項７に記載の光センシング装置。
  14. それぞれのデータラインは、同じ列に沿って配列されている多数の光センシング画素に連結されており、１つの列に沿って配列された光センシング画素のスイッチトランジスタのソースには、当該列に対応するデータラインが連結されていることを特徴とする請求項１３に記載の光センシング装置。
  15. 前記光センサトランジスタは、酸化物半導体をチャネル層の材料として使用する酸化物半導体トランジスタであることを特徴とする請求項７に記載の光センシング装置。
  16. 多数の行及び多数の列で配列された多数のディスプレイ画素と、多数の光センシング画素とを有する画素アレイと、
    行方向に沿って配列されており、それぞれのディスプレイ画素と光センシング画素とにゲート電圧を提供する多数のゲートラインと、
    行方向に沿って配列されており、それぞれの光センシング画素にリセット信号を提供する多数のリセットラインと、
    互いに対応するリセットラインとゲートラインとの間にそれぞれ連結される多数の位相反転器と、を含み、
    それぞれのディスプレイ画素は、ディスプレイセルと、前記ディスプレイセルのオン／オフを制御するための第１スイッチトランジスタと、を含み、それぞれの光センシング画素は、光を感知するための光センサトランジスタと、前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するための第２スイッチトランジスタと、を含み、
    前記第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタ、並びに前記光センサトランジスタには、互いに対して位相反転されたゲート電圧とリセット信号とがそれぞれ同時に印加される光タッチスクリーン装置。
  17. 前記位相反転器の入力端は、前記ゲートラインに連結され、出力端は、前記リセットラインに連結されていることを特徴とする請求項１６に記載の光タッチスクリーン装置。
  18. 前記光センサトランジスタは、酸化物半導体をチャネル層の材料として使用する酸化物半導体トランジスタであることを特徴とする請求項１６に記載の光タッチスクリーン装置。
  19. 前記多数のゲートラインに順次にゲート電圧を提供するゲートドライバと、
    列方向に沿って配列された多数のデータラインを有し、それぞれの光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する信号出力部と、
    列方向に沿って配列された多数の映像データラインを有し、それぞれのディスプレイ画素に映像信号を提供するデータドライバと、をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の光タッチスクリーン装置。
  20. 前記ゲートラインは、前記ゲートドライバに直接に連結されており、前記リセットラインは、前記位相反転器とゲートラインとを介して間接的に前記ゲートドライバに連結されていることを特徴とする請求項１９に記載の光タッチスクリーン装置。
  21. それぞれのゲートラインは、同じ行に沿って配列されているディスプレイ画素と、光センシング画素とに連結されており、１つの行に沿って配列されたディスプレイ画素の第１スイッチトランジスタのゲートと、光センシング画素の第２スイッチトランジスタのゲートとには、当該行に対応するゲートラインが連結されていることを特徴とする請求項１６に記載の光タッチスクリーン装置。
  22. それぞれのリセットラインは、同じ行に沿って配列されている光センシング画素に連結されており、１つの行に沿って配列された光センシング画素の光センサトランジスタのゲートには、当該行に対応するリセットラインが連結されていることを特徴とする請求項２１に記載の光タッチスクリーン装置。
  23. 前記第２スイッチトランジスタと光センサトランジスタは、互いに直列に連結されていることを特徴とする請求項１６に記載の光タッチスクリーン装置。
  24. 光を感知するための光センサトランジスタと、前記光センサトランジスタから光センシング信号を出力するためのスイッチトランジスタと、をそれぞれ含み、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素のうちから、いずれか１つの行に配列された光センシング画素のスイッチトランジスタのゲートに、しきい値電圧以上の正の第１ゲート電圧を印加すると同時に、それと同一行に配列された光センシング画素の光センサトランジスタのゲートに、前記第１ゲート電圧に対して位相反転された負の第２ゲート電圧を印加する段階を含む光センシング装置の動作方法。
  25. 残りの行に配列された光センシング画素のスイッチトランジスタのゲートに、しきい値電圧未満の負の第２ゲート電圧を印加すると同時に、残りの行に配列された光センシング画素の光センサトランジスタのゲートに、前記第２ゲート電圧に対して位相反転された正の第１ゲート電圧を印加する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の光センシング装置の動作方法。
  26. 前記第２ゲート電圧は、位相反転器によって、前記第１ゲート電圧に対して位相反転されることを特徴とする請求項２４に記載の光センシング装置の動作方法。
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