KR101074795B1 - 광 센싱 회로, 이를 포함하는 터치 패널, 및 광 센싱 회로의 구동 방법 - Google Patents

광 센싱 회로, 이를 포함하는 터치 패널, 및 광 센싱 회로의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 센싱 회로, 이를 포함하는 터치 패널, 및 광 센싱 회로의 구동 방법에 관한 것으로서, 외부로부터의 빛을 수광하여 전류를 발생시키며, 캐소드 전극 및 애노드 전극을 구비하는 포토 다이오드, 포토 다이오드에서 발생시킨 전류를 증폭시키는 구동 트랜지스터, 구동 트랜지스터에 전달되는 전압 레벨의 데이터 신호를 저장하기 위한 커패시터, 현재 스캔 신호에 응답하여 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 제1 스위칭 트랜지스터 및 현재 스캔 신호에 응답하여 전압 레벨의 데이터 신호를 전달하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는 광 센싱 회로를 제공하여 구동 트랜지스터의 문턱 전압의 편차를 보상해줌으로써 광 센싱을 정확하게 할 수 있다.

Description

광 센싱 회로, 이를 포함하는 터치 패널, 및 광 센싱 회로의 구동 방법{Light sensing circuit, touch panel comprising the same, and driving method of the light sensing circuit}
본 발명은 광 센싱 회로, 이를 포함하는 터치 패널, 및 광 센싱 회로의 구동 방법에 관한 것이다.
종래에는 컴퓨터에서 입력 신호를 인가하는 방법으로 마우스나 키보드 등이 사용되었다. 또한, 디지털 TV에서 사용자가 특정 기능을 선택하기 위하여 리모컨이 사용되었다. 그러나 마우스, 키보드, 리모컨 등의 조작이 서투른 사용자는 이러한 입력 장치를 사용하는데 불편함을 느끼게 마련이다.
터치 패널 또는 터치 스크린은 상기 언급한 사용자의 불편함을 해소할 수 있는 새로운 개념의 입력 장치이다. 터치 패널이란 기존에 마우스 등으로 수행하였던 명령 신호의 입력을 손가락이나 펜 등을 사용자가 디스플레이 패널 위에 직접 접촉함으로 인하여 수행할 수 있는 입력 장치를 말한다.
사용자가 디스플레이 패널 위에 손가락 등을 접촉시키므로 인하여 명령 신호를 입력할 수 있기 때문에, 마우스, 키보드 등의 입력 장치의 사용에 거부감을 느 끼는 사람도 쉽게 컴퓨터 등의 디지털 장치를 사용할 수 있게 된다. 이러한 터치 패널은 외부 입력을 인식하는 방법에 의하여 분류가 가능하다. 상기 터치 패널에는 정전 용량 방식, 저항막 방식, 적외선 감지 방식, 초음파 방식, 적분식 장력 측정 방식, 피에조 효과 방식, 광 센싱 방식 등이 있다.
상기 다양한 터치 패널 방식들 중에서 광 센싱 방식은 패널 내부에 포토 다이오드를 형성하고, 상기 포토 다이오드에 입사되는 광에 의하여 발생하는 전류를 감지하여 손가락 등의 접촉을 인식하는 방식이다. 이러한 광 센싱 방식에서 필수적 요소인 포토 다이오드는 LCD, OLED 등의 디스플레이 패널의 구동 회로를 형성하는 공정에서 같이 형성할 수 있어서 제조상 이점이 있다. 또한 저항막 방식이나 정전 용량 방식 등과 같이 디스플레이 패널 외부에 별도의 층을 형성할 필요가 없어서 두께를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 광 센싱 방식에서 사용되는 포토 다이오드가 센싱하는 값이 매우 작다. 예를 들면, 포토 다이오드에서 발생하는 전류는 인가된 전압 값과 포토다이오드 면적에 따라 약간의 차이가 있지만, 대략 수 내지 수십 피코 암페어 정도의 작은 값이다. 따라서, 포토 다이오드에서 발생하는 전류를 증폭하여 출력해야만 센싱의 정확도를 높일 수 있다.
한편, 광 센싱 방식의 터치 패널은 계조 표현을 위한 다수의 화소 회로들과 각각의 화소의 터치 여부를 감지하기 위한 다수의 광 센서 회로를 포함하고 있다. 다수의 광 센서 회로에는 각각의 포토 다이오드의 전류 증폭을 위해 박막 트랜지스 터가 사용된다. 전류 증폭을 위한 구동용 트랜지스터의 문턱 전압(Vth)이 변하여 광 센서 회로마다 출력 값이 일정하지 않게 되어, 터치 여부 또는 터치 위치를 판단하는 정확도가 떨어지게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 포토 다이오드에서 발생하는 전류를 증폭시킬 뿐만 아니라, 구동용 박막 트랜지스터의 문턱 전압의 편차를 자체적으로 보상할 수 있는 광 센싱 회로 이를 포함하는 터치 패널, 및 광 센싱 회로의 구동 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로는 외부로부터의 빛을 수광하여 전류를 발생시키며, 캐소드 전극 및 애노드 전극을 구비하는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드에서 발생시킨 전류를 증폭시키는 구동 트랜지스터; 상기 구동 트랜지스터에 전달되는 전압 레벨의 데이터 신호를 저장하기 위한 커패시터; 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 제1 스위칭 트랜지스터; 및 상기 현재 스캔 신호에 응답하여 전압 레벨의 데이터 신호를 전달하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함한다.
바람직하게, 상기 구동 트랜지스터는, 게이트 전극이 상기 커패시터의 일측 단자에 연결되고, 소스 전극이 상기 제2 스위칭 트랜지스터에 연결되고, 드레인 전극이 상기 제1 스위칭 트랜지스터에 연결된 PMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제1 스위칭 트랜지스터는, 소스 전극이 상기 구동 트랜지 스터의 드레인 전극과, 드레인 전극이 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극과 연결된 PMOS 트랜지스터이고, 상기 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 다이오드 연결(diode connection)시켜 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광 센싱 회로는, 상기 현재 스캔 신호의 바로 이전의 스캔 신호에 응답하여 포토 다이오드의 캐소드 전극의 전압과 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극의 전압을 초기화시키는 초기화 전압을 전달하는 제3 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광 센싱 회로는, 발광 신호에 응답하여 제1 전원 전압을 상기 구동 트랜지스터에 전달하는 제4 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광 센싱 회로는, 집광 신호에 응답하여 상기 구동용 트랜지스터를 통해 증폭된 전류를 출력 라인을 통해 전달하는 제5 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광 센싱 회로는, 리셋 신호에 응답하여 상기 출력 라인의 전압을 접지 전압으로 리셋시키는 제6 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 현재 스캔 신호 라인과 상기 이전 스캔 신호 라인은, 표시를 위해 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로의 현재 스캔 신호 라인과 이전 스캔 신호 라인인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 초기화 전압 및 상기 제1 전원 전압은, 표시를 위해 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로의 초기화 전압 및 전원 전압인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제2 스위칭 트랜지스터는, 표시를 위해 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로에 스캔 신호를 전달하는 픽셀 스캔 구동부에 배치된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제4 스위칭 트랜지스터는, 표시를 위해 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로에 발광 신호를 전달하는 픽셀 발광 구동부에 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 표시를 위해 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로를 포함하는 터치 패널은 터치 여부를 검출하는 광 센싱 회로를 포함하고, 상기 광 센싱 회로는, 외부로부터의 빛을 수광하여 전류를 발생시키며, 캐소드 전극 및 애노드 전극을 구비하는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드에서 발생시킨 전류를 증폭시키는 구동 트랜지스터; 상기 구동 트랜지스터에 전달되는 전압 레벨의 데이터 신호를 저장하기 위한 커패시터; 상기 픽셀을 선택하는 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 다이오드 연결시켜 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 제1 스위칭 트랜지스터; 및 상기 현재 스캔 신호에 응답하여 전압 레벨의 데이터 신호를 전달하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함한다.
바람직하게, 상기 구동 트랜지스터는, 게이트 전극이 상기 커패시터의 일측 단자에 연결되고, 소스 전극이 상기 제2 스위칭 트랜지스터에 연결되고, 드레인 전극이 상기 제1 스위칭 트랜지스터에 연결된 PMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제1 스위칭 트랜지스터는, 소스 전극이 상기 구동 트랜지스터의 드레인 전극과, 드레인 전극이 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극과 연결된 PMOS 트랜지스터이고, 상기 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 다이오드 연결(diode connection)시켜 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 터치 패널은 상기 포토 다이오드의 캐소드 전극의 전압과 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극의 전압을 초기화시키기 위해, 상기 현재 스캔 신호의 바로 이전의 스캔 신호에 응답하여 상기 픽셀 구동 회로의 초기화 전압을 전달하는 제3 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 터치 패널은 상기 픽셀을 발광시키는 발광 신호에 응답하여 상기 픽셀 구동 회로의 전원 전압을 상기 구동 트랜지스터에 전달하는 제4 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 터치 패널은 집광 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 통해 증폭된 전류를 출력 라인을 통해 전달하는 제5 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 터치 패널은 리셋 신호에 응답하여 상기 출력 라인의 전압을 접지 전압으로 리셋시키는 제6 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광 센싱 회로의 구동 방법은 이전 스캔 신호에 의해 구동 트랜지스터의 게이트 전극 및 포토 다이오드의 캐소드 전극의 전압을 초기화시키는 단계; 현재 스캔 신호에 의해 구동 트랜지스터를 다이오드 연결시키고, 상기 구동 트랜지스터에 전달되는 전압 레벨의 데이터 신호를 커패시터에 저장하는 단계; 발광 신호에 의해 상기 구동 트랜지스터의 소스 전극에 전원 전압을 인가하고, 상기 포토 다이오드에서 발생한 전류에 상응하는 전압 레벨의 데이터 신호를 상기 커패시터에 저장하는 단계; 집광 신호에 의해 상기 포토 다이오드에서 발생한 전류를 증폭시켜 출력하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 구동 방법은 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압의 편차를 보상하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 센싱 회로는 포토 다이오드에서 발생하는 전류를 증폭시킬 수 있을 뿐만 아니라, 트랜지스터의 문턱 전압의 편차를 보상함으로써 광 센싱을 정확하게 할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대하여 자세 설명한다.
도 1는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 광 센싱 회로의 동작을 설명 하기 위한 타이밍 도이다.
도 1을 참조하면, 광 센싱 회로는 포토 다이오드(D), 구동 트랜지스터(Tr_d), 제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1), 제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2) 및 커패시터(Cst)를 포함한다.
포토 다이오드(D)는 외부로부터 입사되는 빛을 수광하여 전류를 발생시킨다. 포토 다이오드(D)는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한다. 포토 다이오드(D)의 애노드 전극에는 접지 전압(VSS)이 인가되고, 캐소드 전극은 노드(N1) 에 연결되어 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극에 연결된다.
포토 다이오드(D)는 일반적인 다이오드와 달리 역 바이어스(reverse bias) 전압이 걸린다. 따라서 애노드 전극의 전위가 캐소드 전극의 전위보다 낮아야 한다. 포토 다이오드(D)에 역 바이어스 전압이 걸린 상태에서 외부로부터 광이 입사되면 광의 휘도, 역 바이어스 전압값, 포토 다이오드 면적에 따라서 전류(ID1)가 발생한다. 하지만, 포토 다이오드는 터치 패널 내에 내장되기 때문에 그 크기에 제약이 있고, 포토 다이오드에 입사되는 광의 휘도와 역 바이어스 전압값에도 제약이 있다. 일반적으로, 터치 패널의 광 센싱에 이용되는 포토 다이오드의 전류 값은 대략 수 내지 수십 피코 암페어 정도이다. 따라서, 포토 다이오드의 전류값을 증폭해서 사용해야만 한다.
구동 트랜지스터(Tr_d)의 소스 전극에는 전원 전압(VDD)이 인가되고, 게이트 전극은 제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1)의 드레인 전극, 포토 다이오드(D)의 캐소드 전극, 커패시터(Cst)의 일측 단자에 연결된다.
제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1)의 게이트 전극은 스캔 라인(Scan[n])에 연결되며, 소스 전극에는 초기 전압(Vinit)이 인가된다. 여기서, 스캔 라인(Scan[n])은 표시를 위해 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로의 스캔 라인이다. 따라서, 광 센싱 회로를 위해 별도의 신호 라인이 필요치 않다.
제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)의 게이트 전극에는 집광 라인(Integ[n])이 연결되며, 드레인 전극에는 데이터 출력 라인(D-out)이 연결되며, 빛을 수광하여 발생한 포토 다이오드 전류(ID1)를 증폭시킨 전류(ID2)가 데이터 출력 라인을 통해 출력된다.
커패시터(Cst)의 일측 단자는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 소스 전극이 연결되고, 여기에 전원 전압(VDD)이 인가된다. 여기서, 전원 전압(VDD)은 픽셀 구동 회로의 전원 전압이다. 따라서, 광 센싱 회로를 위한 별도의 전원 라인이 필요치 않다. 커패시터(Cst)의 타측 단자는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극이 연결되고, 커패시터(Cst)에는 게이트 전극과 소스 전극 사이의 전압(Vgs)이 저장된다.
도 1에 도시된 광 센싱 회로는 구조가 간단하고, 레이아웃시 면적을 작게 구현할 수 있다. 따라서, 포토 다이오드의 수광부 영역을 최대화시킬 수 있어서 터치 패널 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 픽셀의 스캔 신호 라인과 전원 라인을 공유함으로써 광 센싱 회로를 위한 별도의 신호 라인과 전원 라인이 필요하지 않다.
도 2를 참조하면, 스캔 신호에 의해 제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1)가 턴온되어 초기 전압(Vinit)이 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극에 인가된다. 즉, 스캔 신호에 의해 제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1)가 턴온되고, 초기화 라인의 초기 전압(Vinit)이 노드(N1)에 인가되어 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극과 포토 다이오드의 캐소드 전극의 전압을 초기화시킨다. 그리고 나서, 외부의 광원, 예를 들면 내부 광원의 빛을 포토 다이오드가 수광하여 1 프레임 시간 동안 포토 다이오드(D)가 집광을 하게 되면 전류(ID1)가 발생하고, 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전압이 떨어지게 된다.
집광 신호(Integ[n])에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)가 턴온되면 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트-소스 간 전압(Vgs)에 의해 결정된 전류(ID2)가 데이터 출력 라인(D-out)을 통해 출력된다. 여기서, 증폭된 전류(ID2)는 다음 수학식 1과 통해 계산할 수 있다.
Figure 112009040836284-pat00001
Figure 112009040836284-pat00002
여기서, ΔV는 포토 다이오드(D)에서 발생한 전류(ID1)에 따라 노드(N1), 즉 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전압이 떨어지는 것을 반영한 전압 변화량이고, Vth는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 문턱 전압이고, β는 상수값이다.
상기 수학식 1에서 알 수 있듯이, 광 센싱 회로의 출력 전류값(ID2)은 구동 트랜지스터의 문턱 전압(Vth)의 영향을 받는다. 앞서 언급한 것처럼, 전류 증폭을 위한 구동 트랜지스터의 문턱 전압(Vth)은 트랜지스터마다 다르다. 이는 박막 트랜지스터의 제조공정변수에 따라 문턱 전압이 변하게 되므로, 모든 트랜지스터의 문턱 전압을 통일하게 되도록 제조하는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서, 증폭 회로마다 문턱 전압의 편차가 존재하여 터치 여부 또는 위치 판단의 정확성이 떨어진다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 광 센싱 회로를 구동하기 위한 타이밍 도이다.
도 3을 참조하면, 광 센싱 회로는 포토 다이오드(D), 구동 트랜지스터(Tr_d), 제1 내지 제6 스위칭 트랜지스터들(Tr_s1 내지 Tr_s6), 커패시터(Cst)를 포함한다.
포토 다이오드(D)는 외부로부터 입사되는 빛을 수광하여 전류를 발생시킨다. 포토 다이오드(D)는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한다. 포토 다이오드(D)의 애노드 전극에는 제1 접지 전압(VSS1)이 인가되고, 캐소드 전극은 노드(N1)에 연결되어 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극에 연결된다.
구동 트랜지스터(Tr_d)의 소스 전극은 제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)의 드레인 전극, 커패시터(Cst)의 일측 단자, 제4 스위칭 트랜지스터(Tr_s4)의 드레인 전극에 연결된다.
제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1)는 소스 전극에 초기 전압(initial)이 인가되고, 게이트 전극에 이전 스캔 라인(Scan[n-1])이 연결되어 있으며, 드레인 전극은 노드(N1)에 연결된다. 제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1)는 현재 스캔 신호의 바로 이전의 스캔 신호, 즉 이전 스캔 신호(Scan[n-1])에 응답하여 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극과 포토 다이오드(D)의 캐소드 전극의 전압을 초기화시킨다.
제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)는 소스 전극에 초기 전압(Vinit)이 인가되고, 게이트 전극에 현재 스캔 라인(Scan[n])이 연결되어 있으며, 드레인 전극은 구동 트랜지스터(Tr_d)의 소스 전극에 연결된다. 제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)는 현재 스캔 신호(Scan[n])에 응답하여 구동 트랜지스터(Tr_d)의 소스 전극에 전압 레벨의 데이터 신호, 즉 전압(Vinit)을 인가한다.
제3 스위칭 트랜지스터(Tr_s3)의 소스 전극은 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극, 드레인 전극은 구동 트랜지스터(Tr_d)의 드레인 전극에 연결되고, 게이트 전극은 현재 스캔 라인(Scan[n])에 연결되어, 현재 스캔 신호에 응답하여 턴온되어 구동 트랜지스터(Tr_d)를 다이오드 연결시킨다. 제3 스위칭 트랜지스터(Tr_s3)가 구동 트랜지스터(Tr_d)를 다이오드 연결시킴으로써 구동 트랜지스터(Tr_d)의 문턱 전압(Vth)의 편차를 보상해준다. 문턱 전압 보상과 관련하여서는 도 4를 참조하여 후술한다.
제4 스위칭 트랜지스터(Tr_s4)는 소스 전극에 전원 전압(VDD)이 인가되고, 게이트 전극에는 발광 라인(EM[n])이 연결되어 발광 신호에 따라 전원 전압(VDD)을 구동 트랜지스터(Tr_d)의 소스 전극에 전달한다. 여기서, 전원 전압(VDD)은 픽셀 구동 회로의 전원 전압으로서, 광 센싱 회로를 위한 별도의 전원 전압 라인이 필요없다.
제5 스위칭 트랜지스터(Tr_s5)의 게이트 전극에는 집광 라인(Integ[n])이 연결되며, 드레인 전극에는 데이터 출력 라인(D-out)이 연결되며, 빛을 수광하여 발생한 포토 다이오드 전류(ID1)를 증폭시킨 전류(ID2)가 데이터 출력 라인을 통해 출력된다.
제6 스위칭 트랜지스터(Tr_s6)는 게이트 전극의 리셋 라인(reset[n])의 리셋 신호에 응답하여 드레인 전극에 인가된 제2 접지 전압(Vss2)으로 데이터 출력 라인(D-out)을 초기화시킨다.
커패시터(Cst)의 일측 단자는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 소스 전극이 연결되고, 여기에 전원 전압(VDD)이 인가된다. 여기서, 전원 전압(VDD)은 픽셀 구동 회로의 전원 전압이다. 커패시터(Cst)의 타측 단자에는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극이 연결되고, 커패시터(Cst)에는 게이트 전극과 소스 전극 사이의 전압(Vgs)이 저장된다.
도 3에 도시된 광 센싱 회로는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 문턱 전압을 보상 해 줄 수 있으며, 문턱 전압의 변화에 따른 산포가 작다. 또한, 픽셀의 스캔 신호 라인과 전원 라인을 공유함으로써 광 센싱 회로를 위한 별도의 신호 라인과 전원 라인이 필요하지 않다.
도 4를 참조하면, 먼저, 이전 스캔 신호(Scan[n-1])에 의해 제1 스위칭 트랜지스터(Tr_s1)가 턴온되고, 노드(N1)의 전압이 초기화된다. 즉, 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극과 포토 다이오드(D)의 캐소드 전극을 초기화시킨다. 그리고 현재 스캔 신호(Scan[n])에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)와 제3 스위칭 트랜지스터(Tr_s3)가 턴온된다. 제3 스위칭 트랜지스터(Tr_s3)가 턴온되어 구동 트랜지스터(Tr_d)가 다이오드 연결되고, 제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)가 턴온되어 전압(Vinit)이 다이오드 연결에 의해 구동 트랜지스터(Tr-d)의 게이트 전극에 인가되고, 이때 커패시터(Cst)에는 Vinit-Vth의 전압값이 저장된다.
그리고 발광 신호(EM[n])에 의해 제4 스위칭 트랜지스터(Tr_s4)가 턴온되고, 전원 전압(VDD)이 구동 트랜지스터(Tr-d)의 소스 전극에 인가된다. 발광에 따라 포토 다이오드(D)가 한 프레임 동안 집광을 하게 되어 전류(ID1)가 흐르게 되고, 노드(N1)의 전압, 즉 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전극의 전압이 발생한 전류(ID1)에 상응하게 감소한다. 즉, 게이트 전극의 전압(VG)이 ΔV만큼 감소하게 된다. 따라서, 광 반응에 의한 전압 감소량이 커패시터(Cst)에 저장된다.
이어, 리셋 신호에 의해 제6 스위칭 트랜지스터(Tr_s6)가 턴온되어 데이터 출력 라인(D-out)이 초기화되고, 집광 신호(Integ[n])에 의해 제5 스위칭 트랜지스 터(Tr_s5)가 턴온되어 수광에 의해 발생한 포토 다이오드(D)의 전류(ID1)를 증폭한 전류(ID2)가 출력 라인을 통해 출력된다. 즉, 광에 의해 센싱된 데이터 값, 즉 전류(ID2)가 출력된다. 상기 과정을 통해 증폭된 전류(ID2)는 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112009040836284-pat00003
Figure 112009040836284-pat00004
Figure 112009040836284-pat00005
여기서, ΔV는 포토 다이오드(D)에서 발생한 전류(ID1)에 따라 노드(N1), 즉 구동 트랜지스터(Tr_d)의 게이트 전압이 떨어지는 것을 반영한 전압 변화량이고, Vth는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 문턱 전압이고, β는 상수값이다.
상기 수학식 2에서 알 수 있듯이, 광 센싱 회로의 출력 전류값(ID2)은 구동 트랜지스터의 문턱 전압(Vth)에 영향을 받지 않는다. 따라서, 구동 트랜지스터의 문턱 전압의 편차에 상관없이 각각의 광 센싱 회로에서 일정한 출력 데이터를 얻을 수 있으므로, 터치 여부 또는 위치를 정확하게 판단할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 광 센싱 회로의 동작점을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 구동 트랜지스터의 게이트와 소스 간 전압(Vgs)에 따른 출력 전류(Ids)를 나타낸 그래프이다. 각각의 동작점(Operation Point)을 보면 각 지점에서의 기울기가 차이남을 확인할 수 있다. 다시 도 4를 참조하면, 스캔 신호에 의해 구동 트랜지스터(Tr_d)가 다이오드 연결될 때, 전압(Vinit)이 인가된다. 이때 낮은 전압값을 인가하게 되면 최종적으로 출력할 때 Vgs값이 커지게 되므로 화살표 방향의 동작점에서 구동하게 된다. 따라서 작은 Vgs 변동에 대해서 Ids값 변화가 크므로 광반응에 의한 센싱값의 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광센싱 회로를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 3에 도시된 광 센싱 회로와의 차이점은 제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)와 제4 스위칭 트랜지스터(Tr_s4)를 패널(600) 외부, 즉 픽셀 발광 구동부(610)와 픽셀 스캔 구동부(620)에 배치된 것이다. 따라서, 도 6에 도시된 광 센싱 회로는 구동 트랜지스터(Tr_d)의 문턱 전압(Vth)을 보상해 줄뿐만 아니라 패널 내부의 광 센싱 회로의 면적을 감소시킬 수 있고, 포토 다이오드의 크기를 확보할 수 있는 효과가 있다. 이하, 도 3에 도시된 광 센싱 회로와의 동작을 동일하며, 구조상의 차이점을 위주로 설명한다.
제2 스위칭 트랜지스터(Tr_s2)와 제4 스위칭 트랜지스터(Tr_s4) 사이를 라인 하나로 두 전압, 즉 VDD2 와 data[m]을 인가할 수 있으며, 패널 외부에 스위칭 트랜지스터들을 배치하면서 패널 내장 회로의 신호 및 전원을 이용할 수 있으므로 별도 의 내장 회로 추가없이 동작할 수 있어서 레이아웃 면적을 확보할 수 있다. 여기서, VDD2 는 픽셀 발광 구동부의 발광 전원(EM VDD)이다. 그리고 VDD1 은 픽셀 구동 회로의 전원이다. 이와 같이, 별도의 전원을 이용함으로써, 픽셀의 전원 전압을 공유하여 사용할 때 발생할 수 있는 패널 이미지 영향을 최소화할 수 있다.
터치 패널(600)에는 광 센싱 회로 하나만이 도시되어 있지만, 표시를 위한 n×m 행렬의 복수의 픽셀(Pixel)들을 구동하는 픽셀 구동 회로를 포함하며, 각각의 픽셀 구동 회로에 대응하는 각각의 광 센싱 회로가 존재한다.
여기서, 픽셀 구동 회로는 유기 발광 표시 장치의 픽셀 회로일 수 있다. 유기 발광 표시 회로의 일 실시예로 제1 트랜지스터(tr1), 제2 트랜지스터(tr2), 제3 커패시터(Cst) 및 OLED를 포함하는 2 트랜지스터 1 커패시터 형태의 픽셀 회로가 적용될 수 있다. 상기 픽셀 회로에서는 종래의 유기 발광 표시 장치의 표시 회로와 동일한 방식으로 데이터를 표시할 수 있으며, 그 자세한 동작에 대한 설명은 생략한다. 또한, 픽셀 구동 회로는 예시적인 것으로 기존에 공지된 다양한 형태의 픽셀 구동 회로를 사용하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광 센싱 회로는 픽셀 구동 회로와 광 센싱 회로가 스캔 라인을 공유함으로 인하여 터치 패널의 구동에 필요한 배선의 수 및 구동 신호를 생성하기 위한 구동 장치의 수를 줄일 수 있다. 또한, 포토 다이오드의 전류 증폭을 위해 사용되는 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상해줌으로써 일정한 출력 데이터를 얻을 수 있다.
이상 상세한 설명과 도면에서는 구동 트랜지스터와 스위칭 트랜지스터들로 PMOS 트랜지스터를 예로써 설명하였지만, NMOS 트랜지스터 또는 CMOS 트랜지스터 등으로 구성하는 것도 가능하다.
상기 발명의 상세한 설명과 도면은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 따라서 이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광센싱 회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 센싱 회로를 구동하기 위한 타이밍 도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광센싱 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 광 센싱 회로를 구동하기 위한 타이밍 도이다.
도 5는 도 3에 도시된 광 센싱 회로의 동작점을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
Cst: 커패시터 Tr_d: 구동 트랜지스터
Tr_s1: 제1 스위칭 트랜지스터 Tr_s2: 제2 스위칭 트랜지스터
Tr_s3: 제3 스위칭 트랜지스터 Tr_s4: 제4 스위칭 트랜지스터
Tr_s5: 제5 스위칭 트랜지스터 Tr_s6: 제6 스위칭 트랜지스터
Scan[n]: 스캔 라인 D-out[m]: 데이터 출력 라인 data[m]: 데이터 라인 reset[n]: 초기화 라인
Integ[n]: 집광 라인 EM[n]: 발광 라인
600: 터치 패널 610: 픽셀 발광 구동부
620: 픽셀 스캔 구동부

Claims (20)

  1. 외부로부터의 빛을 수광하여 전류를 발생시키며, 캐소드 전극 및 애노드 전극을 구비하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에서 발생시킨 전류를 증폭시키는 구동 트랜지스터;
    상기 구동 트랜지스터에 전달되는 전압 레벨의 데이터 신호를 저장하기 위한 커패시터;
    소스 전극이 상기 구동 트랜지스터의 드레인 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극과 연결되며, 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 다이오드 연결(diode connection)시켜 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 제1 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 전압 레벨의 데이터 신호를 전달하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 트랜지스터는,
    게이트 전극이 상기 커패시터의 일측 단자에 연결되고, 소스 전극이 상기 제2 스위칭 트랜지스터에 연결되고, 드레인 전극이 상기 제1 스위칭 트랜지스터에 연결된 PMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 현재 스캔 신호의 바로 이전의 이전 스캔 신호에 응답하여 포토 다이오드의 캐소드 전극의 전압과 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극의 전압을 초기화시키는 초기화 전압을 전달하는 제3 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    현재 발광 신호에 응답하여 제1 전원 전압을 상기 구동 트랜지스터에 전달하는 제4 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    집광 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 통해 증폭된 전류를 출력 라인을 통해 전달하는 제5 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    리셋 신호에 응답하여 상기 출력 라인의 전압을 접지 전압으로 리셋시키는 제6 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 현재 스캔 신호와 상기 이전 스캔 신호는,
    표시를 위한 픽셀 구동 회로의 현재 스캔 신호와 이전 스캔 신호인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 초기화 전압 및 상기 제1 전원 전압은,
    표시를 위한 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로의 초기화 전압 및 전원 전압인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터는,
    표시를 위한 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로에 스캔 신호를 전달하는 픽셀 스캔 구동부에 배치된 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제4 스위칭 트랜지스터는,
    표시를 위한 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로에 발광 신호를 전달하는 픽셀 발광 구동부에 배치된 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 전류 증폭을 위한 광 센싱 회로.
  12. 표시를 위해 복수의 픽셀을 구동하는 픽셀 구동 회로를 포함하는 터치 패널에 있어서,
    터치 여부를 검출하는 광 센싱 회로를 포함하고,
    상기 광 센싱 회로는,
    외부로부터의 빛을 수광하여 전류를 발생시키며, 캐소드 전극 및 애노드 전극을 구비하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에서 발생시킨 전류를 증폭시키는 구동 트랜지스터;
    상기 구동 트랜지스터에 전달되는 전압 레벨의 데이터 신호를 저장하기 위한 커패시터;
    상기 픽셀을 선택하는 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 다이오드 연결시켜 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 제1 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 현재 스캔 신호에 응답하여 전압 레벨의 데이터 신호를 전달하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는 터치 패널.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 구동 트랜지스터는,
    게이트 전극이 상기 커패시터의 일측 단자에 연결되고, 소스 전극이 상기 제2 스위칭 트랜지스터에 연결되고, 드레인 전극이 상기 제1 스위칭 트랜지스터에 연결된 PMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 트랜지스터는,
    소스 전극이 상기 구동 트랜지스터의 드레인 전극과, 드레인 전극이 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극과 연결된 PMOS 트랜지스터이고, 상기 현재 스캔 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 다이오드 연결(diode connection)시켜 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 보상하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드의 캐소드 전극의 전압과 상기 구동 트랜지스터의 게이트 전극의 전압을 초기화시키기 위해, 상기 현재 스캔 신호의 바로 이전의 스캔 신호에 응답하여 상기 픽셀 구동 회로의 초기화 전압을 전달하는 제3 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 픽셀을 발광시키는 발광 신호에 응답하여 상기 픽셀 구동 회로의 전원 전압을 상기 구동 트랜지스터에 전달하는 제4 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  17. 제 12 항에 있어서,
    집광 신호에 응답하여 상기 구동 트랜지스터를 통해 증폭된 전류를 출력 라인을 통해 전달하는 제5 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  18. 제 12 항에 있어서,
    리셋 신호에 응답하여 상기 제2 스위칭 트랜지스터로부터 출력된 상기 데이터 신호를 전달하는 출력 라인의 전압을 접지 전압으로 리셋시키는 제6 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  19. 이전 스캔 신호에 의해 구동 트랜지스터의 게이트 전극 및 포토 다이오드의 캐소드 전극의 전압을 초기화시키는 단계;
    현재 스캔 신호에 의해 구동 트랜지스터를 다이오드 연결시키고, 상기 구동 트랜지스터에 전달되는 전압 레벨의 데이터 신호를 커패시터에 저장하여, 상기 구동 트랜지스터의 문턱 전압의 편차를 보상하는 단계;
    발광 신호에 의해 상기 구동 트랜지스터의 소스 전극에 전원 전압을 인가하고, 상기 포토 다이오드에서 발생한 전류에 상응하는 전압 레벨의 데이터 신호를 상기 커패시터에 저장하는 단계; 및
    집광 신호에 의해 상기 포토 다이오드에서 발생한 전류를 증폭시켜 출력하는 단계를 포함하는 광 센싱 회로의 구동 방법.
  20. 삭제
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