KR100983731B1

KR100983731B1 - 액정표시소자 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR100983731B1
Application number: KR1020030080722A
Authority: KR
Inventors: 김영식; 문수환; 이선용; 황광식
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2010-09-24
Also published as: KR20050046458A

Abstract

본 발명은 주위환경의 밝기에 따라 액정패널의 밝기를 자동으로 조절할 수 있는 액정표시소자 및 그 구동방법에 관한 것으로, 영상을 표시하기 위한 다수의 화소가 형성되어 있으며, 일측의 가장자리 영역에 외부 광의 밝기를 감지하는 광 센서가 형성되어 있는 제1 기판, 상기 제1 기판과 대응하도록 배치되며, 화상을 표시하는 표시영역 및 상기 표시영역 외곽에 형성되어 빛샘을 차단하는 블랙 매트릭스 영역을 포함하고, 상기 광 센서가 외부 광을 감지할 수 있도록 상기 광 센서와 대응하는 상기 블랙 매트릭스 영역에 형성된 블랙 매트릭스 일부가 제거된 제2 기판, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 형성된 액정층, 상기 제1 기판의 후면에 구비되어, 상기 기판에 광을 조사하는 백라이트 및 상기 광 센서로부터 출력된 신호에 따라 상기 백라이트의 밝기를 조절하는 백라이트 구동부를 포함한다.

Description

액정표시소자 및 그 구동방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE AND DRIVING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 의한 액정표시소자를 나타낸 분해사시도.

도 2는 액정패널을 개략적으로 나타낸 평면도.

도 3은 빛의 세기에 따른 비정질실리콘의 전자여기 상태를 나타낸 에너지밴드 구조.

도 4는 백라이트의 상세구조를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 의한 백라이트의 구동방법을 나타낸 도면.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

110: 상부기판 101: 칼라필터

103: 공통전극 105: 블랙매트릭스

120: 하부기판 121: 박막트랜지스터

123: 화소전극 125: 게이트라인

125a: 게이트패드 127: 데이터라인

127b: 데이터패드 130: 액정층

150: 액정패널 160: 백라이트

141: 게이트전극 143: 반도체층

145a: 소스전극 145b: 드레인전극

본 발명은 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 광센서를 통해 백라이트의 밝기를 자동으로 조절할 수 있는 액정표시소자 및 그 구동방법에 관한 것이다.

근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기가 발전함에 따라 이에 적용할 수 있는 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등이 활발히 연구되고 있지만, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시소자(LCD)가 각광을 받고 있다.

상기 액정표시소자는 투과형 표시소자로써, 액정분자의 굴절율 이방성에 이해 액정층을 투과하는 광의 양을 조절함으로써, 원하는 화상을 화면상에 표시한다. 따라서, 액정표시소자에서 화소의 표시를 위해 액정층을 투과하는 광원인 백라이트(back light)가 설치된다. 따라서, 액정표시소자는 크게 액정패널과 상기 액정패널의 후면에 설치된 백라이트로 이루어진다.

액정패널은 실제화상이 구현되는 곳으로, 하부기판 및 상부기판과 그 사이에 형성된 액정층으로 이루어진다. 상기 하부기판은 박막트랜지스터(thin film transisor)와 같은 구동소자 및 화소전극이 형성되는 TFT기판이고, 상부기판은 칼라필터층 및 공통전극이 형성되는 칼라필터기판이다. 또한, 상기 하부기판의 측면에는 구동회로부가 구비되어 상기 하부기판에 형성된 박막트랜지스터와 화소전극 및 공통전극에 각각신호를 인가한다.

그리고, 백라이트는 실제 광을 발생시키는 램프와, 상기 램프로부터 방출되는 광을 반사시켜 광효율을 향상시키는 반사판과, 상기 램프로 방출된 광을 액정패널로 균일하게 일사시키는 광학시트로 구성된다.

상기와 같이 구성된 백라이트는 항상 일정한 밝기의 광을 액정패널에 조사하게 된다. 그러나, 주위환경의 밝기가 어두워서 상대적으로 인식도가 높은 장소에서는 많은 광량이 요구되지 않음에도 불구하고, 액정패널을 일정한 밝기를 유지하고 있기 때문에 백라이트의 소비전력이 증가하게 된다. 실제, 액정표시소자의 구동을 위해 소비되는 소비전력의 80% 이상을 백라이트가 차지하므로, 저소비전력형 액정표시소자를 만들기 위해서는 백라이트의 소비전력을 줄일 수 있는 방안들이 모색되어야 한다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 외부환경의 밝기를 감지하여 백라이트의 밝기를 자동으로 조절하여 소비전력을 감소시킬 수 있는 액정표시소자 및 그 구동방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 액정패널 제작시 외부환경의 밝기를 센싱할 수 있는 광센서를 함께 형성함으로써, 별도의 추가공정없이 광센서를 구비할 수 있는 액정표시소자 및 그 구동방법을 제공한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 이루어진 것으로, 영상을 표시하기 위한 다수의 화소가 형성되어 있으며, 일측의 가장자리 영역에 외부 광의 밝기를 감지하는 광 센서가 형성되어 있는 제1 기판, 상기 제1 기판과 대응하도록 배치되며, 화상을 표시하는 표시영역 및 상기 표시영역 외곽에 형성되어 빛샘을 차단하는 블랙 매트릭스 영역을 포함하고, 상기 광 센서가 외부 광을 감지할 수 있도록 상기 광 센서와 대응하는 상기 블랙 매트릭스 영역에 형성된 블랙 매트릭스 일부가 제거된 제2 기판, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 형성된 액정층, 상기 제1 기판의 후면에 구비되어, 상기 기판에 광을 조사하는 백라이트 및 상기 광 센서로부터 출력된 신호에 따라 상기 백라이트의 밝기를 조절하는 백라이트 구동부를 포함한다.
또한, 본 발명은 영상을 표시하기 위한 다수의 화소가 형성되어 있으며, 일측의 가장자리 영역에 외부 광의 밝기를 감지하는 광 센서가 형성되어 있는 제1 기판, 상기 제1 기판과 대응하도록 배치되며, 화상을 표시하는 표시영역 및 상기 표시영역 외곽에 형성되어 빛샘을 차단하는 블랙 매트릭스 영역을 포함하고, 상기 광 센서가 외부 광을 감지할 수 있도록 상기 광 센서와 대응하는 상기 블랙 매트릭스 영역에 형성된 블랙 매트릭스 일부가 제거된 제2 기판, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 형성된 액정층, 상기 제1 기판의 후면에 구비되어, 상기 기판에 광을 조사하는 백라이트를 포함하여 구성된 액정표시소자에 있어서, 상기 광센서를 통해 외부광의 밝기를 감지하는 단계, 상기 광센서 신호를 전기신호로 변환하는 단계 및 상기 전기신호의 크기에 따라 백라이트의 구동전압를 발생시켜, 백라이트를 구동시키는 단계를 포함하는 액정표시소자의 구동방법을 제공한다.
상기 광센서의 감지신호로부터 변환된 전기신호값에 비례하여 백라이트의 구동전압을 발생시키게 된다.

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즉, 외부광의 세기가 강한 경우, 광센서의 감지신호부터 변환된 전기신호가 강하여 백라이트의 구동전압이 증가하게 되고, 이에 따라, 백라이트의 밝기도 더욱 밝아진다. 반대로, 외부광의 세기가 약한 경우에는 광센서의 감지신호가 약하여 전 기신호도 감소하며, 백라이트의 밝기도 어두워지게 된다. 따라서, 주위환경의 밝기가 어두워서 상대적으로 광인식도가 높은 장소에서는 백라이트의 밝기가 어두워지게 되고, 주위환경의 밝기가 밝아져서 상대적으로 광인식도가 낮은 장소에서는 백라이트의 밝기가 더욱 밝아지게 된다. 이와 같은 백라이트 밝기가 주위환경의 밝기에 따라서 자동으로 조절됨에 따라, 백라이트의 소비전력을 줄일 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 통해 본 발명에 의한 액정표시소자에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 액정표시소자를 나타낸 것으로, 도 1은 분해사시도이고, 도 2는 액정패널의 평면도이며, 도 3은 액정패널에 형성된 광센서의 에너지밴드 구조를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 액정표시소자(100)는 액정층(130)을 사이에 두고, 서로 대향하는 상부기판(110) 및 하부기판(120)으로 구성된 액정패널(150)과, 상기 하부기판(120) 하부에 설치되어, 상기 액정패널(150)에 광을 조사하는 백라이트부(160)으로 구성된다. 상기 액정패널(150)은 실제화상을 구현하는 표시영역과, 패널의 외곽부에 빛이 차단되는 블랙 매트릭스(black matrix, 105)영역으로 구분된다.

상기 상부기판(110)은 칼라필터기판으로써, 화소영역에는 칼라를 구현하는 R,G,B 칼라필터(101)가 형성되고, 블랙 매트릭스영역(105)에는 빛샘을 방지를 위한 블랙매트릭스(105)가 형성되어 있다. 도면에 상세하게 도시하진 않았지만, 실제로, 블랙매트릭스(105)는 화소의 경계영역(미도시)에도 형성되어, 화소간의 빛샘을 막아준다. 상기 칼라필터(101)는 염료나 혹은 안료를 포함하는 수지막이며, 상기 칼라필터(101)의 평탄화를 위해 오버코트막(미도시)이 형성되기도 한다. 그리고, 상기 오버코트막 위에는 액정층(130)에 전압을 인가하기 위해 공통전극(103)이 형성되어 있다.

상기 하부기판(120)에는 종횡으로 배열되어 화소를 정의하는 복수의 게이트라인(gate line;125)과 데이터라인(data line;127)이 형성되어 있으며, 상기 게이트라인(125)과 데이터라인(127) 교차영역에는 각각의 화소를 스위칭하기 위한 스위칭소자가 형성되어 있다. 상기 스위칭소자는 박막트랜지스터(121)이며, 상기 박막트랜지스터(121)는 게이트전극, 반도체층 및 소스/드레인전극으로 구성된다. 그리고, 상기 게이트라인(125) 및 데이터라인(127)의 일측에는 신호인가를 위한 게이트/데이터패드(125a,127a)가 각각 형성되어 있으며, 각 화소에는 상기 공통전극(103)의 상대전극인 화소전극(123)이 형성되어 있다. 상기 공통전극(103) 및 화소전극(123)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명한 전도성 물질로 형성되어 백라이트(160)의 광을 투과시키게 된다.

아울러, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부기판(120)의 가장자리 영역에는 주위환경의 밝기를 감지하여 백라이트(160)의 밝기를 조절할 수 있는 광센서(140)가 형성되어 있으며, 광센서(140)가 외부 광을 감지할 수 있도록 광센서(160)와 대응하는 상부기판(110)의 블랙 매트릭스(105) 영역에 형성된 블랙 매트릭스(105) 일부가 제거되어야 한다.

상기 광센서(140)는 확대도면에 도시한 바와 같이, 게이트전극(141)과 반도체층(143) 및 소스/드레인전극(145a,145b)으로 구성되며, 상기 반도체층(143)은 비정질 실리콘(amorphos silicon)으로 이루어진다. 이때, 상기 광센서를 별도의 추가공정 없이 화소의 스위칭소자(박막트랜지스터) 형성시 함께 형성된다.

상기 비정질 실리콘은 빛에너지에 대하여 매우 민감한 에너지밴드 구조를 가진다. 도 3a 내지 3c는 비정질 실리콘의 에너지밴드 구조로써, 빛에너지의 세기에 따른 전자의 여기상태를 나타낸 것이다. 일반적으로, 반도체의 에너지밴드 구조는 컨덕션밴드(conduction band)와 밸런스밴드(valence band) 사이에 밴드갭이 존재한다. 상기 밴드갭 이상의 에너지를 조사하게 되면, 밸런스밴드로부터 컨덕션밴드로 전자가 여기되고, 이 상태에서 전계를 인가하면, 전계방향으로 전자가 이동하여 전류가 흐르게 된다.

특히, 비정질 실리콘은 상기 밴드갭 사이에 불순물등에 의한 딥레벨(deep level)이 많이 존재하게 된다. 따라서, 빛에너지에 매우 민감하게 반응한다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘에 빛에너지가 조사되면, 컨턱션밴드 가까이에 있는 딥레벨의 전자들이 여기되고, 계속해서 빛에너지의 세기를 증가시키게 되면, 도 3b와 같이, 밴드갭 사이에 존재하는 딥레벨의 전자들이 모두 컨덕션밴드로 이동하게 되며, 전류의 세기도 커지게 된다. 계속해서 빛에너지의 세기를 증가시켜 밴드갭 이상의 에너지를 조사하게 되면, 도 3c에 도시된 바와 같이, 밸런스밴드에 위치하던 전자들도 컨덕션밴드로 여기되고, 전류의 세기는 빛에너지의 세기와 비례하여 증가하게 된다.

따라서, 본 발명의 광센서(140)는 이러한 반도체의 특성을 이용한 것으로, 외부광의 세기가 강하면, 상기 소스/드레인전극(145a,145b)을 통해 흐르는 전류의 세기가 강해지고, 외부광의 세기가 약해지면 소스/드레인전극(145a,145b)을 통해 흐르는 전류의 세기도 약해진다. 따라서, 상기 광센서(140)의 소스/드레인전극(145a,145b)을 통해 흐르는 전류의 세기에 따라, 백라이트(160)의 밝기를 조절하게 된다.

백라이트(160)는 실제 광을 발생시키는 램프와, 상기 램프로부터 방출되는 광을 반사시켜 광효율을 향상시키는 반사판과, 상기 램프로 방출된 광을 액정패널(150)로 균일하게 입사시키는 광학시트로 구성되며, 백라이트의 상세구조를 도 4에 도시하였다.

도 4에 도시한 바와 같이, 백라이트(160)는 램프(161)에서 발생된 빛이 도광판(162)의 측면 쪽으로 입사되며, 상기 램프(161)를 감싸고 있는 램프하우징(163)은 빛을 반사시킬 수 있도록 처리되어, 램프(161)로부터 발생된 빛을 도광판(162)의 측면 쪽으로 반사시킴으로써, 램프(161)에서 발생된 빛의 이용률을 향상시키게 된다.

한편, 상기 도광판(162)은 경사진 하면과 수평한 상면(또는, 경사진 상면과 수평한 하면)의 패널 형태를 갖도록 PMMA와 같은 플라스틱 계열의 투명한 물질로 형성되며, 그 도광판(162)의 경사진 면은 빛을 균일하게 반사시키기 위하여 다수의 도트(dot)나 V형태의 홈이 구비됨에 따라 램프(161)로부터 발생된 빛이 상면을 경유하여 위쪽으로 균일하게 진행되도록 한다.

그리고, 상기 도광판(162)의 아래쪽에는 반사판(164)이 설치되고, 위쪽에는 확산판(165), 제1 및 제2프리즘 시트들(166a,166b), 그리고 보호시트(168)가 순차적으로 설치된다. 여기서, 반사판(164)은 도광판(162)의 하면을 통해 아래쪽으로 투과되는 빛을 다시 도광판(162)쪽으로 반사시킴으로써, 빛의 손실을 줄임과 아울러 도광판(162)의 위쪽으로 투과되는 빛의 균일도를 향상시키는데 기여한다.

그리고, 상기 제1프리즘시트(166a)는 평평한 하면과 전후방향으로 주름진 주름면을 갖는 반면에, 제2프리즘시트(166b)는 평평한 하면과 좌우방향으로 주름진 주름면을 갖는다. 따라서, 제1프리즘시트(166a)는 제2프리즘시트(166b) 쪽으로 진행하는 빛을 전후방향에서 집광하고, 제2프리즘시트(166b)는 보호시트(168)쪽으로 진행하는 빛을 좌우방향에서 집광함으로써, 결과적으로 확산판(165)으로부터 보호시트(168)쪽으로 진행되는 빛을 일으켜 세워 수직하게 진행될 수 있도록 한다.

그리고, 상기 보호시트(168)는 백라이트의 최상층에 형성되어, 먼지나 긁힘(scratch)에 민감한 하부 시트들을 보호하고, 백라이트를 운반하는 경우에 하부시트들의 유동을 방지하는 역할을 하며, 그 외에 빛의 분포가 보다 균일해지도록 빛을 확산시키는 특성을 갖도록 할 수 있다.

상기 백라이트의 구성요소들은 액정패널(150)과 함께 메인지지대(169)에 안착되어 있으며, 메인지지대(160)의 측면에 설치된 탑케이스(top case;160a) 의해 고정되어 있다.

상기와 같이 구성된 백라이트의 구동은 별도로 구성된 백라이트구동부에 의해 이루어지는데, 백라이트구동부는 광센서의 감지신호를 전기신호로 변환하여 상기 신호의 크기에 따라 백라이트의 점등신호를 자동으로 조절하는 신호변환부, 게 어부 및 구동전압 발생부로 구성된다.

도 5는 본 발명에 의한 백라이트의 구동원리를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 액정패널에 형성된 광센서는 외부광을 감지하여 감지신호를 발생시키게 된다. 상기 광센서로부터 감지된 신호는 신호변환부에 의해 전기신호로 변환되어 출력되며, 상기 신호변환부의 출력값은 광센서의 감지신호와 비례하게 된다. 즉, 감지신호가 클수록, 변환된 전기신호값도 커지게된다. 상기 신호변환부를 통해 출력된 전압은 구동전압 발생부를 통해 백라이트 점등용 전압으로 바뀌게 된다. 이때, 상기 구동전압 발생부와 신호변환부 사이의 제어부를 통해 백라이트의 온/오프 및 구동전압의 크기가 결정된다. 즉, 제어부는 상기 신호변환부의 출력전압의 크기에 따라 구동전압값을 제어하게 되는데, 출력전압값이 클수록 구동전압값이 커지도록 제어한다.

따라서, 주위의 환경이 밝은 경우에는 백라이트로부터 발생되는 광의 세기가 증가하여 액정패널의 화면의 밝기가 증가하게 되고, 주위의 환경이 어두운 경우에는 백라이트로부터 발생되는 광의 세기가 감소하여 액정패널의 밝기도 감소하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 액정패널에 형성된 광센서를 통해 주위 밝기를 감지하고, 광센서에 의해 감지된 주위의 밝기에 따라 백라이트로의 밝기를 자동으로 조절함으로써, 소비전력을 줄일 수 있는 액정표시소자를 제공한다.

본 발명의 실시예에는 TN방식(twisted nematic) 액정표시소자를 설명하고 있으나, 본 발명은 TN방식 액정표시소자에 한정되지 않고, 백라이트를 사용하는 모든 표시소자에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 주위의 밝기를 광센서를 이용하여 감지하여 백라이트로부터 발생되는 광의 세기를 조절하여 줌으로써, 주위의 밝기에 따라 백라이트의 밝기를 자동으로 조절하는 것이 가능하게 되어 사용자가 임의로 주위의 밝기에 따라 밝기를 조정해야 하는 불편함을 해소할 뿐만 아니라 밝기나 조명정도와 같은 주위의 환경에 따라 최적의 밝기 상태를 자동적으로 유지시켜 줄 수 있다.

또한, 주위환경에 따라 밝기를 자동적으로 조절하는 것이 가능하므로, 백라이트의 전력소모를 줄일 수 있는 잇점이 있다.

Claims

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영상을 표시하기 위한 다수의 화소가 형성되어 있으며, 일측의 가장자리 영역에 외부 광의 밝기를 감지하는 광 센서가 형성되어 있는 제1 기판;

상기 제1 기판과 대응하도록 배치되며, 화상을 표시하는 표시영역 및 상기 표시영역 외곽에 형성되어 빛샘을 차단하는 블랙 매트릭스 영역을 포함하고 상기 광 센서가 외부 광을 감지할 수 있도록 상기 광 센서와 대응하는 상기 블랙 매트릭스 영역에 형성된 블랙 매트릭스 일부가 제거된 제2 기판;

상기 제1 및 제2 기판 사이에 형성된 액정층;

상기 제1 기판의 후면에 구비되어, 상기 기판에 광을 조사하는 백라이트; 및

상기 광센서로부터 출력된 신호에 따라 상기 백라이트의 밝기를 조절하는 백라이트구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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영상을 표시하기 위한 다수의 화소가 형성되어 있으며, 일측의 가장자리 영역에 외부 광의 밝기를 감지하는 광 센서가 형성되어 있는 제1 기판, 상기 제1 기판과 대응하도록 배치되며, 화상을 표시하는 표시영역 및 상기 표시영역 외곽에 형성되어 빛샘을 차단하는 블랙 매트릭스 영역을 포함하고, 상기 광 센서가 외부 광을 감지할 수 있도록 상기 광 센서와 대응하는 상기 블랙 매트릭스 영역에 형성된 블랙 매트릭스 일부가 제거된 제2 기판, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 형성된 액정층, 상기 제1 기판의 후면에 구비되어, 상기 기판에 광을 조사하는 백라이트를 포함하여 구성된 액정표시소자에 있어서,

상기 광센서를 통해 외부광의 밝기를 감지하는 단계;

상기 광센서 신호를 전기신호로 변환하는 단계; 및

상기 전기신호의 크기에 따라 백라이트의 구동전압를 발생시켜, 백라이트를 구동시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 구동방법.
제10항에 있어서,

상기 광센서의 감지신호로 부터 변환된 전기신호값에 비례하여 백라이트의 구동전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 구동방법.