KR101014019B1 - 이미지 센서 및 디스플레이 - Google Patents

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샤프 가부시키가이샤
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Abstract

예를 들어, 액티브 매트릭스 디스플레이 내에 통합되는 이미지 센서는 센서 소자(10)들의 어레이를 포함한다. 각 센서 소자(10)는 게이트가 적분 노드(11)에 연결되어 있는 증폭 트랜지스터(M1)를 포함한다. 적분 노드(11)는 적분 커패시터(C1)의 하나의 판에 연결되고 광다이오드(D1)의 하나의 전극에 연결되며, 이 광다이오드의 나머지 하나의 전극은 리셋 라인(RST)에 연결된다. 센서 소자(10)는 리셋 단계, 적분 단계, 판독 단계를 포함하는 반복 센싱 사이클을 수행한다. 리셋 단계 동안, 리셋 라인(RST)은, 적분 노드(11)를 소정의 전압으로 충전하도록 광다이오드(D1)를 순방향 바이어싱하는 전압을 수신한다. 이어서, 리셋 라인(RST)은 광다이오드(D1)를 역방향 바이어싱하기 위한 전압으로 복귀되며 이에 따라 적분 단계와 판독 단계가 수행될 수 있다.
이미지 센서, 디스플레이, 반도체 선택 소자, 광다이오드

Description

이미지 센서 및 디스플레이{IMAGE SENSOR AND DISPLAY}
본 발명은 이미지 센서 및 이러한 이미지 센서를 포함하는 디스플레이에 관한 것이다.
액티브 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)를 위한 박막 트랜지스터 기판의 제조에 사용되는 프로세스와 호환성있는 박막 폴리실리콘 프로세스로 이미지 센서를 제조하려 한다. 이러한 제조 프로세스를 이용함으로써, 이러한 이미지 센서는 예를 들어 터치나 펜 입력을 검출하기 위한 입력 기능을 제공하기 위해 AMLCD 내에 일체로 통합될 수 있다. 이러한 구성에서, 각 픽셀은 이미지 센싱과 디스플레이의 유사한 공간 해상도(spatial resolution)들을 제공하도록 이미지 센싱 소자와 디스플레이 소자 둘 다를 포함할 수 있다. 그러나, 픽셀 내에 이미지 센싱 기능이 존재함에 따라, 이러한 디스플레이의 개구비가 이미지 센싱 기능이 없는 디스플레이에 비해 저감된다.
전하 결합 소자(CCD) 기술에 기초한 것과 상보 금속 산화 실리콘(CMOS) 기술에 기초한 것을 비롯하여, 여러 유형의 반도체 이미지 센서들이 존재한다. CCD는 광 전하(photo-generated charge)의 전달 효율을 최대화하는 특별한 프로세스 기술 때문에 역사적으로 CMOS 이미지 센서보다 높은 품질의 성능을 제공해 왔다. 그러나, CMOS 이미지 센서는 이미징 어레이 및 신호 처리 전자 부품 둘 다가 동일한 칩 상에 통합될 수 있다는 이점을 갖는 반면 CCD 프로세스의 특별한 성질은 이러한 통합을 금지한다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 많은 응용에 있어서 예를 들어 가전 제품에 있어서 비용이 덜 드는 이점을 갖는다.
CMOS 이미지 센서의 2가지 주요 유형은 패시브 픽셀 센서(PPS)와 액티브 픽셀 센서(APS)로 알려져 있다. 패시브 픽셀 센서는 이미지 센서의 각 픽셀 내에 광다이오드나 유사한 감광 장치 및 선택(select) 트랜지스터를 포함한다. 이미지 센서 어레이는 행(row)에 의해 어드레싱되고, 각 광다이오드에 의해 생성되는 전류는 통상적으로 각 열(column)의 바닥에 위치한 적분기(integrator)에 의해 하나의 행 기간의 지속 시간 동안 적분된다. 각 픽셀은 2개의 액티브 장치만을 포함하기 때문에, 패시브 픽셀 장치는 고 해상도 어레이를 제공할 수 있게 한다. 그러나, 이러한 어레이의 크기는, 각 행을 순차적으로 적분하는 데 필요한 시간에 의해 한정되고, 출력 신호는 적분 기간 동안 열(column) 전류에서의 변동에 연관된 상대적으로 큰 잡음을 겪는다.
APS 장치는 각 픽셀 내에 증폭기를 포함하며 PPS 장치에서의 제한 사항을 겪지 않는다. 첨부 도면 중 도 1은 예를 들어 미국 특허번호 제5,471,515호에 개시된 바와 같이 포토게이트 기반 픽셀 회로를 갖춘 APS의 일 예를 도시한다. 동작시, 적분 기간 동안, 전자들은 포토게이트 전극 아래의 기판에 입사하는 광자 플럭스(photon flux)에 비례하여 포토게이트(30) 아래의 전위 우물 내에 축적된다. 각 적분 기간의 종료시, 부동 확산 영역(40)의 전위는 리셋 신호 펄스(RST)를 인가함에 따라 초기 레벨로 리셋된다. 이어서, 포토게이트 상에 축적된 전하는 펄스(TX)에 의해 제어되는 전달 단계 동안 부동 확산 영역(40)에 전달된다. 따라서, 부동 확산 영역(40)의 전위는 적분 기간 동안 축적된 전하를 표시한다.
한 행의 픽셀들이 샘플링되면, 행 스캔 펄스(ROW)에 의해 행 선택 트랜지스터(60)가 턴온된다. 트랜지스터(55)는 픽셀 어레이의 열의 끝에 배치된 바이어스 트랜지스터(65)와 동조하는 소스 팔로워로서 연결되어 있다. 트랜지스터(55)의 게이트는 부동 확산 노드에 연결되어 있으며 이에 따라 소스 팔로워의 출력은 트랜지스터(55)의 게이트에서의 전압을 표시하고 이에 따라 적분 기간 동안 픽셀에 축적된 전하를 표시한다.
이미지 센서 칩은 도 1에서 참조 번호 70으로 도시된 바와 같이 샘플링된 픽셀 신호를 판독하기 위한 회로부도 포함한다. 센싱 소자를 포함하는 행이 선택되면, 입사광 강도를 나타내는 소스 팔로워 출력 전압이 트랜지스터(200)를 통해 커패시터(205)에 저장된다. 트랜지스터(210, 215, 220)들은 센싱 소자를 포함하는 열에 대한 다른 하나의 소스 팔로워를 형성한다. 열 선택 신호(COL)가 펄스화되면, 열 소스 팔로워의 출력이 출력(OUT)을 통해 칩 증폭기에 공급된다. 열 소스 팔로워들은 차례로 인에이블되며, 이에 따라 이미지 센서 출력 전압은 어레이의 각 픽셀에 입사되는 광 강도가 시간 순차적으로 표현된 것이다.
도 1에 도시한 장치는, 오프셋 에러를 줄이도록 칩 증폭기에 대한 기준 전압을 생성하는 데 사용되는 장치(116, 225, 230, 235, 240, 245)도 포함한다. 이러한 장치의 동작은 알려져 있으므로 이하에서 설명하지 않는다.
첨부 도면 중 도 2는, 예를 들어, E Fossum 등에 의해 Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V, Proc. SPIE, Vol 2415, pp 117-123, 1995 내에 "128x128 CMOS photodiode-type active pixel sensor with on-chip timing, control, and signal chain electronics"라는 제목으로 개시된 바와 같이, 벌크 또는 수직 유형의 광다이오드(1)를 포함하는 APS 유형의 센서 소자를 도시한다. 센싱 소자는 광다이오드(1)의 캐소드(3)와 공급 라인(VDD) 사이에 연결된 리셋 트랜지스터(2)를 포함한다. 트랜지스터(2)의 게이트는 리셋 신호(RST)를 수신하고 광다이오드의 커패시턴스를 소정의 전압으로 충전하도록 광다이오드(1)를 역 바이어싱한다. 리셋 단계에는 센싱 단계가 뒤따르며 그동안 적분이 수행되고 이에 따라 광다이오드 전류가 광다이오드(1)에 입사되는 광자 플럭스에 비례하는 비율로 자신의 커패시턴스를 방전한다. 트랜지스터(4)는, 소스 드레인 또는 주 도전 경로가 센싱 소자 어레이의 열 버스(COL BUS; 6)와 공급 라인(DD) 사이에서 선택 트랜지스터(5)의 소스 드레인 또는 주 도전 경로와 직렬로 연결된 소스 팔로워로서 연결되어 있다. 한 행의 픽셀들이 샘플링되면, 행 선택 트랜지스터(5)가 펄스(RS)에 의해 턴온된다. 열 버스는, 예를 들어, 도 1의 회로(70) 및 트랜지스터(65)에 의해 도시한 유형의 열 판독 장치에 연결되어, 한 행의 픽셀들으로부터의 출력 전압이 센서로부터 판독될 수 있게 한다.
미국 특허 공개번호 2006/0033729 A1은 첨부 도면 중 도 3에 도시한 바와 같이 AMLCD 내에 통합된 이미지 센서를 포함하는 장치를 개시한다. 각 픽셀은 디스플레이부와 이미지 센싱부를 포함하며 여기서 이미지 센싱부는 첨부 도면 중 도 2에 도시한 것과 유사한 유형이다. 이 장치에서, 각 광다이오드는 AMLCD 박막 트랜지스터(TFT) 기판의 제조에 사용된 것과 동일한 프로세스 기술을 이용하여 제조된 박막 광다이오드를 포함한다. 이 경우 별도의 적분 커패시터가 필요하며 그 이유는 박막 광다이오드의 광전류 대 자기 커패시턴스의 비가 벌크 CMOS 장치에 대한 비보다 크기 때문이다. 따라서, 적분 커패시턴스가 없는 경우, 픽셀 방전율은 실제 사용시 매우 높다.
이러한 장치는 섀도우(shadow) 모드 또는 반사 모드에서 동작할 수 있다. 섀도우 모드에서, AMLCD 위의 오브젝트는 주변 광의 경로를 차단하고 디스플레이의 표면 상에 섀도우를 두며, 이 섀도우는 이미지 센서 어레이에 의해 검출된다. 이 모드는, 예를 들어, 터치, 펜, 또는 제스처 입력을 위해 사용될 수 있다. 첨부 도면 중 도 4에 도시한 바와 같은 반사 모드에서, 디스플레이 백라이트(23)으로부터의 광은, 장치 앞에 있는 오브젝트(22)에 입사되도록 대향 기판(24), 액정층(25), TFT 기판(21)을 통과한다. 오브젝트(22)로부터 반사된 광은 대응 신호로 변환되도록 이미지 센서 어레이로 복귀한다. 반사 모드의 응용 예로는 컨택트 유형의 이미지 스캐닝, 및 지문 인식과 식별이 포함된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 이미지 센서를 제공하며, 이 이미지 센서는, 적어도 하나의 센서 소자(sensor element)를 포함하고, 센서 소자는, 반도체 증폭 소자와, 적분 커패시터와, 광다이오드를 포함하고, 광다이오드는, 적분 커패시터의 제1 단자와 반도체 증폭 소자의 제1 제어 전극에 연결된 제1 전극과, 광다이오드를 역방향 바이어싱하기 위한 제1 전압을 센싱 단계(sensing phase)동안 수신하도록 하고, 적분 커패시터를 소정의 전압으로 충전하기 위해 광다이오드를 순방향 바이어싱하기 위한 제2 전압을 리셋 단계(resetting phase)동안 수신하도록 구성된 제1 제어 입력에 연결된 제2 전극을 포함한다.
리셋 단계 및 센싱 단계는 주기적으로 반복될 수 있다.
광다이오드는 횡형 광다이오드일 수 있다.
광다이오드는 박막 다이오드일 수 있다.
증폭 소자는 전압 팔로워 구성을 포함할 수 있다.
증폭 소자는 제1 트랜지스터를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터는 박막 트랜지스터일 수 있다. 제1 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 제1 트랜지스터는 소스 팔로워로서 연결될 수 있고 제1 제어 전극은 트랜지스터 게이트를 포함할 수 있다.
센서는, 증폭 소자의 주 도전 경로에 직렬로 연결된 주 도전 경로와, 판독 단계 동안 센서 소자의 선택을 제어하도록 제2 제어 입력에 연결된 제2 제어 전극를 갖는 반도체 선택 소자를 포함할 수 있다. 선택 소자는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다. 제2 트랜지스터는 박막 트랜지스터일 수 있다.
커패시터는, 센싱 단계 동안 증폭 소자를 디스에이블하기 위한 제3 전압을 수신하도록 하고, 광다이오드로부터의 광전류의 커패시터에 의한 적분을 허용하고 판독 단계 동안 증폭 소자를 인에이블하기 위한 제4 전압을 수신하도록 구성된 제2 제어 입력에 연결된 제2 단자를 구비할 수 있다.
적어도 하나의 센서 소자는 행과 열을 포함하는 제1 어레이로서 구성된 복수의 센서 소자를 포함할 수 있다. 센서는 제1 행 제어 입력들을 포함할 수 있으며, 제1 행 제어 입력들의 각각은 각 행의 센서 소자들의 제1 제어 입력들에 연결되어 있다. 센서는 제2 행 제어 입력들을 포함할 수 있고, 제2 행 제어 입력들의 각각은 각 행의 센서 소자들의 제2 제어 입력들에 연결되어 있다. 센서는 열 출력들을 포함할 수 있고, 열 출력들의 각각은 각 열의 센서 소자들의 출력들에 연결되어 있다. 각 열 출력은 각 바이어싱 소자에 연결될 수 있다. 각 바이어싱 소자는 제3 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각 제3 트랜지스터는 박막 트랜지스터일 수 있다.
센서는 센서 소자들을 어드레싱하기 위한 액티브 매트릭스 어드레싱 구성을 포함할 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 본 발명의 제1 양태에 따른 센서 및 적어도 하나의 디스플레이 픽셀을 포함하는 디스플레이가 제공된다.
적어도 하나의 픽셀은 복수의 행과 복수의 열을 포함하는 제2 어레이로서 구성된 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 센서 소자들의 각각은 적어도 하나의 픽셀의 일부를 형성할 수 있다. 디스플레이는 픽셀 열 데이터 라인들을 포함할 수 있으며, 이 라인들 중 적어도 두 개는 열 출력들을 센서 소자들의 각 열들의 센서 소자 출력들에 연결한다.
픽셀들은 액정 픽셀들일 수 있다.
액티브 매트릭스 어드레싱 구성은 대응하는 행의 라인 블랭킹(blanking) 기간 동안 각 행의 센서 소자들을 어드레싱하도록 구성될 수 있다.
따라서, 공지된 장치에 비해 각 센서 소자의 저감된 점유 면적의 이미지 센서를 제공할 수 있다. 이것은, 예를 들어, 공간 해상도가 증가된 센서를 제공하도록 센싱 소자들의 증가된 패킹 밀도(packing density)를 제공하는 데 사용될 수 있다. 센서와 디스플레이가 결합된 경우, 센서 소자들의 점유 면적이 저감되고 이에 따라 예를 들어 개선된 외관(appearance)의 보다 밝은 디스플레이를 제공하도록 소정의 공간 해상도의 보다 큰 픽셀 영역을 디스플레이용으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치는 박막 반도체 프로세스 또는 SOI 반도체 프로세스 기술을 이용하여 제조된 장치에서 사용될 수 있다. 디스플레이와 결합된 센서의 경우, 예를 들어, 통합된 이미지 센싱을 갖는 AMLCD의 개구비가 상당히 증가될 수 있다.
도 1은 공지된 유형의 이미지 센서의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 공지된 유형의 이미지 센싱 소자의 회로도이다.
도 3은 이미지 센서가 통합된 공지된 디스플레이의 일부의 회로도이다.
도 4는 반사 모드에서 동작하는 이미지 센서를 포함하는 공지된 디스플레이의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예를 구성하는 이미지 센서의 일부의 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시한 실시예의 발생가능한 수정예를 도시하는 회로도이다.
도 7은 도 5에 도시한 실시예의 다른 발생가능한 수정예를 도시하는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예를 구성하는 이미지 센서의 일부의 회로도이다.
도 9는 도 8에 도시한 실시예에서 발생하는 파형을 도시하는 타이밍 도이다.
도 10은 이미지 센서를 포함하는 본 발명의 일 실시예를 구성하는 디스플레이를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 11은 도 10에 도시한 실시예의 일 예의 상세를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 10에 도시한 실시예의 다른 일 예의 상세를 도시하는 도면이다.
도 13은 도 10에 도시한 실시예의 또다른 일 예의 상세를 도시하는 도면이다.
도 14는 도 10에 도시한 실시예의 동작을 도시하는 타이밍 도이다.
유사한 참조 번호들은 도면 전체에 걸쳐 유사 부분들을 가리킨다.
이미지 센서는 센서 소자들의 행과 열의 어레이를 포함하며, 각 센서 소자가 도 5에 참조 번호 10으로 도시되어 있다. 센서 소자(10)들은 어드레싱 및 출력 회로들과 함께, 예를 들어, 박막 트랜지스터 또는 SOI 기술을 이용하여 공통 기판 상에 통합된다. 센서는, 이하에서 설명하는 바와 같이 액정 유형의 액티브 매트릭스 디스플레이와 결합될 수 있는 액티브 매트릭스 장치를 포함한다.
센서 소자(10)는 횡형 박막 광다이오드(D1)의 형태로 된 광검출기를 포함한다. 광다이오드(D1)의 애노드는, 동일한 행에 있는 모든 센서 소자들에게 공통인 리셋 라인(RST)에 연결된다. 광다이오드(D1)의 캐소드는, 적분 커패시터(C1)의 제1 전극이나 판에 연결된 적분 노드(11)에 연결되고, 이 커패시터의 다른 전극이나 판은 공급 라인(VDD)에 연결된다.
센싱 소자(10)는, 게이트가 광다이오드(D1)의 캐소드와 커패시터(C1)의 제1 전극에 연결되고 드레인이 공급 라인(VDD)에 연결되고 소스가 출력 신호를 제공하는 소스 팔로워로서 구성된 박막 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터(M1) 형태의 반도체 증폭 소자를 포함한다. 트랜지스터(M1)의 소스-드레인 경로는 공급 라인(VDD)과 열 출력 라인(6) 사이의 다른 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터(M2)의 소스-드레인 경로에 직렬로 연결된다. 트랜지스터(M2)의 게이트는 행 선택 라인(RS)에 연결되고, 이 행 선택 라인은 동일한 행에서의 센서 소자들에게 공통된 것이다. 트랜지스터(M2)의 소스는 센싱 소자(10)의 출력을 형성하고, 여기서 동일한 열에 있는 센싱 소자들의 출력들은 동일한 열 출력 라인(6)에 연결된다.
열 출력 라인(6)의 단자는 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터(M3)의 드레인에 연결되고, 이 트랜지스터의 소스는 다른 공급 라인(VSS)에 연결되고 게이트는 기준 전압 라인(VB)을 통해 기준 전압 생성기에 연결된다. 트랜지스터(M3)는 판독용으로 현재 선택된 열의 각 센싱 소자(10)의 트랜지스터(M1)에 대한 액티브 소스 로드(load)를 형성하는 바이어싱 소자로서 기능한다. 트랜지스터(M3)의 드레인은 열 출력을 포함하고 임의의 적절한 유형의, 예를 들어, 도 1을 참조하여 전술한 바와 같은 유형의 출력 판독 회로에 연결된다.
센서 소자(10)들의 각각은 다양한 단계들을 갖는 동작의 반복 사이클을 수행한다. 적분 기간을 포함하는 센싱 단계의 시작시, 광다이오드(D1)를 순방향 바이어싱하도록 펄스가 리셋 라인(RST)에 공급된다. 이에 따라, 광다이오드(D1)는 커패시터(C1)에 걸친 전압을 소정의 초기값으로 설정하도록 도전된다. 예를 들어, 리셋 라인(RST)의 전압은 일반적으로 VSS이고, 이것은 공급 라인(VSS)의 전압이며 통상적으로 0 볼트이다. 펄스는 VDD와 동일한 진폭을 갖고 이에 따라 커패시터(C1) 양단의 초기 전압이 공급 라인 전압(VDD)과 광다이오드(D1) 양단의 순방향 전압 강하의 차와 동일하다. 다음으로 리셋이 행해지며, 리셋 라인(RST)의 전압이 값 VSS으로 복귀되어 광다이오드(D1)가 역방향 바이어싱된다.
적분 기간 동안, 광다이오드 전류는 광다이오드에 입사되는 광자 플럭스에 비례하는 비율로 적분 커패시터(C1)를 방전시킨다. 적분 기간의 종료시, 커패시터(C1)에 걸친 전압은, 적분 기간 시간과 광다이오드 전류의 곱을 (트랜지스터(M1)의 게이트 커패시턴스 및 광다이오드(D1)의 커패시턴스와 병렬인) 커패시터(C1)의 커패시턴스로 나눈 값과 동일한 양만큼 감소된다.
적분 기간의 종료시, 행 선택 펄스는 행 선택 라인(RS)에 공급된다. 따라서, 트랜지스터(M2)의 게이트에 공급된 전압은 트랜지스터(M2)를 스위칭 온하기 위해 트랜지스터 임계 전압 미만의 값으로부터 트랜지스터 임계 전압을 초과하는 값으로 상승하게 된다. 따라서, 트랜지스터(M1)의 소스는 제어 라인(6)을 통해 바이어스 트랜지스터(M3)의 드레인에 연결되어 소스 팔로워를 형성하게 되며, 이 소스 팔로워는 전압 팔로워 구성으로서 기능한다. 소스 팔로워의 출력 전압은 적분 기간 동안 적분된 광다이오드 전류의 측정값을 제공하고 이에 따라 광다이오드(D1)에 입사되는 광 강도의 측정값을 제공한다.
공지된 장치보다 센서 소자(10)의 점유 면적이 저감되며 박막 또는 SOI 기술을 이용하여 전체 소자가 형성될 수 있게 한다. 예를 들어, 도 5의 센서 소자(10)는 도 3에 도시한 공지된 장치에서 필요한 3개의 트랜지스터에 비해 2개의 트랜지스터만 필요로 한다. 이것은 이미지 센싱의 공간 해상도를 증가시키도록 단위 면적당 더 많은 센서 소자들을 갖는 이미지 센서를 저 비용으로 제조할 수 있게 한다. 다른 방안으로, 센서가 디스플레이의 일부를 형성하는 경우, 센서 소자들의 점유 면적은 저감되고 이에 따라 디스플레이의 개구비가 예를 들어 도 3에 도시한 장치에 비해 증가될 수 있다. 따라서, 공지된 장치에 비해 디스플레이의 개선된 휘도 및 품질을 얻을 수 있다.
도 6에 도시한 센서 소자(10)는, 광다이오드(D1)의 극성이 역으로 되어 캐소드가 리셋 라인(RST)에 연결되는 반면 애노드가 적분 노드(11)에 연결되어 있다는 점에서 도 5에 도시한 센서 소자와 다르다. 또한, 리셋 라인(RST)은 일반적으로 공급 라인(VDD)의 전압(VDD)을 전달하고, 리셋 펄스는 이 전압을 공급 라인(VSS)의 전압(VSS)으로 떨어지게 한다. 센서 소자(10)의 동작은 도 5에 도시한 소자의 동작과 유사하다. 그러나, 리셋 단계 동안, 커패시터(C1)의 제1 판에 의해 형성된 적분 노드의 전위는 전압(VSS)과 광다이오드(D1)에 걸친 순방향 전압 강하의 합으로 설정되고, 적분 기간 동안 적분 노드(11)에서 존재하는 커패시턴스와 광다이오드(D1)를 통한 광전류에 의해 결정된 비율로 상승한다.
도 7은 도 5의 센서 소자의 수정예를 도시하며, 이 수정예는 도 6의 센서 소자에 적용될 수도 있다. 특히, 차광부(11a)는 광다이오드(D1) 위에 제공되며 센서 소자(10)의 적분 노드(11)에 연결된다.
이러한 차광부(11a)를 이용하는 것은, 예를 들어, 센서 소자(10)가 AMLCD와 같은 디스플레이의 일부인 경우, 필요하다. 이 경우, 디스플레이 기판은 투명하며 감지될 주변 광에 더하여 백라이트에 노출되어 있다. 차광부(11a)는, 예를 들어, TFT 프로세스의 임의의 적절한 층 내에 제조될 수 있고, 백라이트로부터의 광이 광다이오드(D1)의 감광 영역에 들어가지 않도록 구성되고 이에 따라 실질적으로 입사되는 주변 광만이 광다이오드 전류에 기여한다.
도 8은 하나의 트랜지스터(M1)만을 필요로 하며 이에 따라 점유하는 기판 면적이 보다 저감되며, 보다 큰 센싱 공간 해상도 및/또는 디스플레이 개구비를 허용하는 이미지 센서의 센서 소자를 도시한다. 소스 팔로워 트랜지스터(M1) 및 바이어싱 트랜지스터(M3)는 전술한 바와 같다. 광다이오드(D1)의 캐소드 및 적분 커패시터(C1)의 제1 전극(단자)은 적분 노드(11)에 그리고 트랜지스터(M1)의 게이트에 연결된다. 광다이오드(D1)의 애노드는 리셋 라인(RST)에 연결된다. 커패시터(C1)의 제2 전극(단자)은 행 선택 라인(RS)에 연결되고 트랜지스터(M2)는 생략되어 있다. 리셋 라인(RST)과 행 선택(RS) 상의 파형들은 도 9에서 상위 파형과 하위 파형으로 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 센서 소자들은 리셋 단계, 적분 단계, 판독 단계의 반복 사이클을 수행한다. 이 사이클들은 동일한 행에 있는 센서 소자(10)들에 대하여 서로 동기화되고, 서로 다른 행들에 대한 사이클들은 예를 들어 공지된 액티브 매트릭스 어드레싱 기술에 따라 시간적으로 스태커(stagger)되거나 오프셋된다.
리셋 단계의 시작시, 리셋 라인(RST) 상의 신호는 VDDR의 보다 높은 레벨로 상승한다. 따라서, 광다이오드(D1)는 적분 노드(11)를 (VDDR-VD) 전위로 충전하도록 순방향 바이어싱되고 도전되며, 여기서 VD는 광다이오드의 순방향 전압이다. 전압(VDDR)은 트랜지스터(M1)의 임계 전압보다 작고 이에 따라 이 트랜지스터는 리셋 단계 동안 그리고 후속하는 적분 단계 동안 스위칭 오프 상태로 유지된다.
적분 단계는 리셋 신호가 낮은 값(low value)으로 복귀할 때 시작된다. 이 단계 동안, 광다이오드 전류는 광다이오드에 입사하는 광자 플럭스에 비례하는 비율로 적분 커패시터(C1)를 방전한다. (판독을 위해 행이 선택될 때) 적분 단계의 종료시, 적분 노드(11)에서의 전압(VINT)은 아래 수학식과 같이 주어진다.
VINT = VDDR - VD - IPHOTO·tINT/CT
여기서, IPHOTO는 광다이오드(D1)를 통한 전류이고, tINT는 적분 시간이며, CT는 적분 노드(11)에서의 총 커패시턴스이다. 총 커패시턴스(CT)는 커패시터(C1)의 커패시턴스, 광다이오드(D1)의 자기 커패시턴스, 트랜지스터(M1)의 게이트 커패시턴스의 합이다.
판독 단계의 시작시, 라인(RS) 상의 행 선택 신호는 자신의 보다 높은 값으로 상승한다. 적분 노드(11)에서의 전위가 아래 수학식과 같이 증가하도록 적분 커패시터(C1)에 걸쳐 전하 주입이 발생한다.
VINT = VDDR - VD - IPHOTO.tINT/CT + (VRS .H - VRS .L)·CINT/CT
여기서, VRS.H 및 VRS.L는 각각 행 선택 신호의 고 전위 및 저 전위이고, 각각 VDD 및 VSS와 동일할 수 있다.
따라서, 적분 노드(11)에서의 전위는, 열의 단에 있는 바이어스 트랜지스터(M3)와 함께 소스 팔로워 증폭기로서 동작하도록, 소스 팔로워 트랜지스터(M1)의 임계 전압을 초과하여 상승한다. 열 출력에 공급되는 출력 전압은 적분 단계 동안 적분된 광다이오드 전류를 나타내며 또한 광다이오드(D1)에 입사하는 광의 강도를 나타낸다.
판독 단계의 종료시, 라인(RS) 상의 행 선택 신호는 자신의 낮은 값으로 복귀한다. 전하는 커패시터(C1)에 걸친 전하 주입에 의해 적분 노드(11)로부터 제거된다. 따라서, 적분 노드(11)의 전위는 트랜지스터(M1)의 임계 전압 아래로 강하되고, 이에 따라 이 트랜지스터가 턴오프된다.
전술한 바와 같이, 커패시터(C1)의 제2 단자는 행 선택 라인(RS)의 형태로 된 공급 라인(VDD)(제2 제어 입력)에 연결된다. 센싱 단계 또는 적분 단계 동안, 행 선택 라인(RS)은 전압(VDDR/VSS)(제3 전압)을 수신하고, 이것은 증폭 소자(M1)를 디스에이블하고 광전류의 적분을 허용한다. 적분 기간의 종료시 판독 단계 동안, 도 9의 하위 그래프로 도시한 바와 같이, 행 선택 라인(RS)은 전압(VDD)(제4 전압)을 수신하고, 이것은, 전하 주입에 의해, 적분 기간 동안 트랜지스터(M1)의 게이트가 트랜지스터 임계 전압을 초과하여 광다이오드(D1)에 입사하는 광에 의해 적어도 부분적으로 결정된 전압으로 상승되도록, 트랜지스터(M1)를 인에이블한다.
전술한 바와 같이, 도 8의 센서 소자(10)가 점유하는 기판 면적은, 행 선택 트랜지스터(M2)가 생략되어 있으므로, 전술한 실시예에서의 기판 면적보다 훨씬 작다.
전술한 바와 같이, 열들의 바닥에 있는 출력 회로부 및 센서 소자(10)들의 어레이는, 예를 들어 터치 스크린의 형태로 된 입력 장치를 디스플레이에 제공하도록 이러한 디스플레이 내에 통합될 수 있다. 도 10은 공통 기판 상의 이러한 장치의 레이아웃을 도시하며, 이 기판 상에는 모든 컴포넌트들이 예를 들어 박막 기술이나 SOI 기술에 의해 통합되어 있다. 예를 들어, 유리로 형성된 투명 기판(12)은, 행 방향과 열 방향으로 연장되는 적절한 전극들과 함께 센서 소자들을 포함하는 디스플레이 픽셀들의 어레이를 포함하는 픽셀 매트릭스(13)를 전달한다. 디스플레이는, 임의의 적절한 이미지 소스로부터 타이밍 신호 및 전력과 함께 이미지 데이터를 수신하고, 디스플레이 소스 드라이버(14) 및 디스플레이 게이트 드라이버(15)를 포함한다. 이러한 드라이버들은 액티브 매트릭스 장치의 분야에 알려져 있으므로 이하에서 설명하지 않는다. 또한, 이 장치는 센서 행 드라이버(16) 및 센서 판독 드라이버(17)를 포함한다. 드라이버(16, 17)들은 센서 데이터를 처리하는 장치로부터 타이밍 신호 및 전력 신호를 수신한다. 센서 판독 드라이버(17)는 전술한 바와 같은 종래의 유형일 수 있고 센서 행 드라이버(16)는 디스플레이 게이트 드라이버(15)와 유사할 수 있다.
도 11은 도 10의 디스플레이와 센서 장치가 이미지 센싱 기능을 포함하는 액티브 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)의 형태로 결합된 일 예를 도시한다. 어레이를 형성하는 픽셀 회로(18)들 중 하나의 회로도가 상세히 도시되어 있다. 디스플레이 픽셀은, 공지된 유형이며, 게이트가 행 게이트 라인(GL)을 통해 디스플레이 게이트 드라이버(15)에 연결되고 소스가 열 소스 라인(SL)을 통해 디스플레이 소스 드라이버(14)에 연결된 박막 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터(M4)를 포함한다. 트랜지스터(M4)의 드레인은 커패시터(C2)의 하나의 전극과 액정 픽셀(CLC)의 하나의 전극에 연결된다. 커패시터(C2)의 나머지 하나의 전극은 공통 라인(TFTCOM)을 통해 드라이버(15)에 연결된다. 나머지 하나의 픽셀 전극은 공통 대향 전극 전압(VCOM)을 수신하도록 연결된 대향 장치 기판 상의 대향 전극에 의해 구성된다.
센서 소자(10)는, 도 8에 도시한 유형이며, 단일 트랜지스터(M1), 박막 횡형 광다이오드(D1), 및 적분 커패시터(C1)를 포함한다. 공급 라인(VDD) 및 열 출력 라인(6)은 센서 판독 드라이버(17)에 연결된다. 행 선택 라인(RS) 및 리셋 라인(RST)은 센서 행 드라이버(16)에 연결된다.
이러한 AMLCD 내의 이미지 디스플레이 픽셀들의 동작은 잘 알려져 있으므로 더 설명하지 않는다. 센서 소자(10)와 드라이버(16, 17)를 포함하는 이미지 센서의 동작은 전술한 바와 같다. 센서 소자와 디스플레이 픽셀의 어드레싱이 독립적으로 수행될 수 있지만, 이러한 어드레싱은 일반적으로 행 단위로 동기화되며 이러한 어드레싱의 타이밍의 일 예를 이하에서 설명한다.
도 11의 디스플레이에서, 각 센서 소자(10)는 각 픽셀 회로(18) 내에 배치되며 이에 따라 이미지 센싱 공간 해상도가 이미지 디스플레이 공간 해상도와 동일하다. 그러나, 센싱 해상도와 디스플레이 해상도는 동일할 필요가 없으며 각각은 임의의 특정한 애플리케이션의 필요에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 12는 혼합 풀 컬러 픽셀(composite full-colour pixel)을 형성하는 색 컴포넌트 픽셀(colour component pixel) 3개로 된 세트 각각에 대하여 하나의 센서 소자(10)가 제공된 디스플레이를 도시한다. 혼합 픽셀들의 각 열의 RGB 컴포넌트 픽셀들에 대하여 별도의 소스 라인(SLr, SLg, SLb)들이 제공된다. 광다이오드(D1) 및 적분 커패시터(C1)는 색 컴포넌트 픽셀들 중 하나, 이 경우, 적색 픽셀 내에 배치되는 반면, 트랜지스터(M1)는 녹색 컴포넌트 픽셀 내에 배치된다. 이에 의해 각 색 컴포넌트 픽셀 내에서 센서 소자 회로부의 점유 면적이 저감되고 이에 따라 최저 픽셀 개구비가 증가된다. 하나의 색의 색 컴포넌트 픽셀들 아래에 광다이오드(D1)를 배치함으로써, 이미지 센서가 그 색의 단색광(monochromatic light)에 민감하게 된다. 이것은, 광다이오드들을 장치에 걸쳐 서로 다른 색 필터 색들 아래에 배치함으로써, 또는 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이 가장 위에 있는 액티브 매트릭스 기판을 이용하여 장치를 동작시킴으로써 회피될 수 있다. 도 4의 장치에서, 주변 광은 광다이오드에 입사하기 전에 디스플레이 색 필터링을 통과하지 않는다.
도 13은 최저 픽셀 개구비를 더 증가시키도록 소스 라인들이 이미지 센서의 열 출력 라인(6)들로도 사용된다는 점에서 도 12의 디스플레이와 다른 디스플레이를 도시한다. 그 라인들을 소스 라인 및 열 출력 라인으로서 공유하기 때문에, 센서 소자들 및 이미지 디스플레이 픽셀들의 어드레싱이나 스캐닝을 적절한 타이밍으로 수행할 필요가 있으며 이러한 타이밍의 일 예가 도 14의 파형도에 도시되어 있다. 각 센서 소자 행의 판독 단계는 각 행의 전체 행 어드레싱 시간 중 비교적 작은 부분 동안에만 수행되면 되고, 이것은 디스플레이 기능의 수평 블랭킹 기간과 일치하도록 구성될 수 있으며, 이 시간 동안 소스 라인들은 일반적으로 디스플레이 소스 드라이버(14)로부터 연결 해제되어 있다.
도 14에 도시한 바와 같이, 각 디스플레이 행 기간은 수평 동기 펄스(HSYNC)로 시작하고, 이 펄스 후에는 어드레싱 기술에서 알려져 있듯이 행마다 이미지를 리프레시하도록, 선택된 행의 색 컴포넌트 픽셀의 광학 상태를 제어하기 위해 소스 라인(SLr, SLg, SLb)들이 적절한 전압으로 구동된다.
행의 이미지 디스플레이 픽셀로의 신호 전달 후에, 소스 라인들은 블랭킹 기간의 시작시 디스플레이 소스 드라이버(14)로부터 연결 해제되고, 이것은 액정 물질의 열화를 방지하기 위해 대향 전극의 극성을 반전하도록 공지된 AMLCD에서 일반적인 것이다. 블랭킹 기간 동안, 센서 소자 행 선택 신호는 라인(RS)에서 상승되고, 현재 선택된 행의 이미지 소자들 내에서 소스 팔로워 장치를 인에이블하도록 열 출력 라인(6)들이 연결되어 있는 트랜지스터(M3)에 바이어스 전압(VD)이 인가된다. 따라서, 센서 데이터는 열 라인(SLg)을 통해 센서 판독 드라이버(17)에 출력되고, 이 드라이버는 장치의 센서 출력과 센서 소자(10) 사이의 인터페이스로서 기능한다.
센서 소자들의 선택된 행의 판독 단계의 종료시, 행 선택 신호 및 바이어스 신호는 자신들의 저 전위로 복귀한다. 리셋 신호는, 적분 노드를 소정의 전압으로 리셋하도록, 선택된 행의 센서 소자들에 대한 리셋 라인(RST)에 인가된다. 이어서, 리셋 신호는 행 어드레싱 기간(tROW)의 종료시 제거되고 이어서 다음 픽셀 행에 대하여 프로세스가 반복된다.
도 13에 도시한 장치는 복수의 픽셀에 걸쳐 센서 소자 컴포넌트들을 확장시켜 최저 픽셀 개구비(lowest pixel aperture ratio)를 증가시키고 공통 라인들을 공유하여 센서 소자의 점유 면적을 저감시켜 디스플레이의 개구비를 증가시키도록 한 일 예를 도시한다. 그러나, 센서 소자들의 컴포넌트들은 디스플레이 픽셀들에 걸쳐 다른 임의의 적절한 방식으로 구성될 수 있다. 또한, 다른 공통 라인 공유 장치들도 가능하다.

Claims (27)

  1. 적어도 하나의 센서 소자(sensor element)를 포함하고,
    상기 센서 소자는, 반도체 증폭 소자와, 적분 커패시터와, 광다이오드를 포함하고,
    상기 광다이오드는, 상기 적분 커패시터의 제1 단자와 상기 반도체 증폭 소자의 제1 제어 전극에 연결된 제1 전극과, 센싱 단계(sensing phase) 동안에는 상기 광다이오드를 역방향 바이어싱하기 위한 제1 전압을 수신하도록 하고, 리셋 단계(resetting phase) 동안에는 상기 적분 커패시터를 소정의 전압으로 충전하기 위해 상기 광다이오드를 순방향 바이어싱하기 위한 제2 전압을 수신하도록 구성된 제1 제어 입력에 연결된 제2 전극을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리셋 단계와 상기 센싱 단계는 주기적으로 반복되는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광다이오드는 횡형 광다이오드(lateral photodiode)인 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광다이오드는 박막 다이오드인 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 증폭 소자는 전압 팔로워 구성(voltage-follower arrangement)을 포함하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 증폭 소자는 제1 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터는 박막 트랜지스터인 이미지 센서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터인 이미지 센서.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 증폭 소자는 제1 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터는 소스 팔로워로서 연결되어 있고, 상기 제1 제어 전극은 트랜지스터 게이트를 포함하는 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 증폭 소자의 주 도전 경로와 직렬로 연결된 주 도전 경로와, 판독 단계 동안 상기 센서 소자의 선택을 제어하도록 제2 입력에 연결된 제2 제어 전극을 갖는 반도체 선택 소자(semiconductor selection element)를 더 포함하는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반도체 선택 소자는 제2 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터는 박막 트랜지스터인 이미지 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적분 커패시터는, 상기 센싱 단계 동안에는 상기 반도체 증폭 소자를 디스에이블하고 상기 적분 커패시터에 의한 상기 광다이오드로부터의 광전류의 적분을 허용하기 위한 제3 전압을 수신하도록 하고, 판독 단계 동안에는 상기 반도체 증폭 소자를 인에이블하기 위한 제4 전압을 수신하도록 구성된 제2 제어 입력에 연결된 제2 단자를 갖는 이미지 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 소자는, 행과 열을 포함하는 제1 어레이로서 구성된 복수의 센서 소자를 포함하는 이미지 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    제1 행 제어 입력들을 더 포함하고, 상기 제1 행 제어 입력들 각각은 각 행의 상기 센서 소자의 상기 제1 제어 입력에 연결되어 있는 이미지 센서.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 반도체 증폭 소자의 주 도전 경로와 직렬로 연결된 주 도전 경로와, 판독 단계 동안 상기 센서 소자의 선택을 제어하도록 제2 입력에 연결된 제2 제어 전극과, 제2 행 제어 입력들을 갖는 반도체 선택 소자를 더 포함하고, 상기 제2 행 제어 입력들 각각은 각 행의 상기 센서 소자의 제2 제어 입력에 연결되어 있는 이미지 센서.
  17. 제14항에 있어서,
    열 출력들을 더 포함하고, 상기 열 출력들 각각은 각 열의 상기 센서 소자의 출력에 연결되어 있는 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    각 열은 각 바이어싱 소자에 연결되어 있는 이미지 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    각 바이어싱 소자는 제3 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    각 제3 트랜지스터는 박막 트랜지스터인 이미지 센서.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 센서 소자를 어드레싱하기 위한 액티브 매트릭스 어드레싱 구성(active matrix addressing arrangement)을 더 포함하는 이미지 센서.
  22. 제1항에 따른 이미지 센서 및 적어도 하나의 디스플레이 픽셀을 포함하는 디스플레이.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 소자는, 행과 열을 포함하는 제1 어레이로서 구성된 복수의 센서 소자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 픽셀은, 복수의 행과 복수의 열을 포함하는 제2 어레이로서 구성된 복수의 픽셀을 포함하는 디스플레이.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 센서 소자의 각각은 적어도 하나의 픽셀의 일부를 형성하는 디스플레이.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 센서는 열 출력들을 더 포함하고, 상기 열 출력들 각각은 각 열의 상기 센서 소자의 출력에 연결되어 있고,
    상기 디스플레이는 픽셀 열 데이터 라인들을 더 포함하고, 상기 픽셀 열 데이터 라인들 중 적어도 두 개는, 상기 열 출력을 각 열의 상기 센서 소자의 센서 소자 출력에 연결하는 디스플레이.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 픽셀은 액정 픽셀인 디스플레이.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 센서는 상기 센서 소자를 어드레싱하기 위한 액티브 매트릭스 어드레싱 구성을 더 포함하고, 상기 액티브 매트릭스 어드레싱 구성은, 대응하는 행의 픽셀의 라인 블랭킹(line blanking) 기간 동안 각 행의 센서 소자를 어드레싱하도록 구성된 디스플레이.
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