KR101095720B1 - 화상 센서를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치는 장치 엘리먼트들(18)의 어레이를 포함하며, 이들 장치 엘리먼트 각각은 디스플레이 픽셀(M4, C2, CLC)을 포함한다. 디스플레이 픽셀들은 열 데이터 라인(SL, 6, 6')에 연결되는 데이터 입력들을 갖는다. 어레이는 센서 엘리먼트들(10)을 포함하며, 이들 각각은 적분 노드(11)에 함께 연결되는 트랜지스터(M1), 적분 캐패시터(C1) 및 광다이오드(D1)를 포함한다. 트랜지스터(M1)는 열 데이터 라인(6, 6') 사이에 연결된다. 캐패시터(C1)는 트랜지스터(M1)의 스위치 오프를 위해 센싱 단계 동안 제1 전압을 수신하고, 트랜지스터(M1)를 인에이블링하기 위해 판독 단계 동안은 제2 전압을 수신하는 제어 입력(RS)에 연결된다.
화상 센서, 디스플레이 장치, 광검출용 엘리먼트, 리세팅 엘리먼트, 센서 엘리먼트

Description

화상 센서를 포함하는 디스플레이 장치{DISPLAY DEVICE HAVING IMAGE SENSOR}
본 발명은 결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.
능동 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)용 박막 트랜지스터 기판의 제조 시에 이용되는 것과 양립가능한 박막 폴리실리콘 공정에서 화상 센서를 제조하는 것이 바람직하다. 이런 제조 공정을 이용함으로써, 이러한 화상 센서는 AMLCD 내에 모노리딕식으로 집적되어, 예를 들어, 터치 또는 펜 입력을 검출하는 입력 기능을 제공할 수 있다. 이런 구성에서, 각 픽셀은 화상 센싱 및 디스플레이 장치 모두를 포함하여 화상 센싱 및 디스플레이의 유사한 공간 해상도를 제공할 수 있다. 그러나, 픽셀들 내에서의 화상 센싱 기능의 존재는 화상 센싱 기능을 제공하지 않은 디스플레이에 비해, 이러한 디스플레이의 개구율을 감소시킨다.
전하 결합 장치(CCD) 기술에 기반한 것들 및 상보형 금속 산화물 실리콘(CMOS) 기술에 기반한 것들을 비롯하여, 여러 유형의 반도체 화상 센서들이 존재한다. CCD는 역사적으로 광-생성 전하(photo-generated charges)의 전송 효율을 극대화시키는 전문화된 공정 기술로 인해 CMOS 화상 센서보다 높은 화질 성능을 제공해 왔다. 그러나, CMOS 화상 센서는 촬상 어레이 및 신호 처리 전자장치를 동일 칩 상에 통합시킬 수 있는 장점을 갖는 한편, 전문화된 CCD 공정의 특성은 이런 통합을 금지시킨다. 따라서, CMOS 화상 센서는 다양한 응용 분야, 예를 들어, 가전제품의 경우 비용이 낮다는 장점을 갖는다.
주요 두 유형의 CMOS 화상 센서가 알려져 있는 데, 즉 수동 픽셀 센서(PPS) 및 능동 픽셀 센서(APS)가 알려져 있다. 수동 픽셀 센서들은 화상 센서의 각 픽셀 내에 광다이오드 또는 유사한 감광 장치(photo sensitive device) 및 "선택(select)" 트랜지스터를 포함한다. 화상 센서 어레이는 행(row) 단위로 어드레싱되고, 각 광다이오드에 의해 발생되는 전류는 전형적으로 각 열(column)의 하단에 위치되는 적분기(integrator)에 의해 한 행 주기의 기간 동안 적분된다. 각 픽셀은 단지 두 능동 장치만을 포함하므로, 수동 픽셀 구성은 고 해상도 어레이를 제공할 수 있다. 그러나, 이런 어레이의 크기는 각 행을 순차로 적분하는 데 필요한 시간에 의해 제한되고, 출력 신호들은 적분 동안 열(column) 전류에서의 변동에 연관된 상대적으로 큰 정도의 잡음을 겪는다.
APS 장치들은 각 픽셀에 증폭기를 포함하므로, PPS 구성의 제한을 겪지 않는다. 첨부된 도면의 도 1은 예를 들어 USPN 5,471,515에 개시된, 광게이트(photogate)-기반 픽셀 회로를 갖는 APS의 일례를 도시한다. 동작 시, 적분 기간 동안, 전자들은 광게이트 전극 아래의 기판 상에 입사되는 광자 플럭스(photon flux)에 비례하여 광게이트(30) 아래의 전위 웰(well)에 축적된다. 각각의 적분 기간의 종료 시에, 부유 확산 영역(40)의 전위는 리셋팅 신호 펄스 RST를 인가함에 의해 초기 레벨로 리세트된다. 이로써, 광게이트 상에 축적된 전하는 펄스 TX에 의해 제어되는 전송 단계 동안 부유 확산 영역(40)으로 전송된다. 이에 따라, 부유 확산 영역(40)의 전위는 적분 기간 동안 축적되는 전하를 나타낸다.
한 행의 픽셀들을 샘플링할 때, 행 선택 트랜지스터(60)는 행 스캔 펄스(ROW)에 의해 턴온된다. 트랜지스터(55)는 픽셀 어레이의 열의 종단에 배치된 바이어스 트랜지스터(65)와 협동하는 소스-폴로워(source-follower)로서 접속된다. 트랜지스터(55)의 게이트는 부유 확산 노드에 접속되어, 소스-폴로워의 출력은 트랜지스터(55)의 게이트에서의 전압 및 따라서 적분 기간 동안 픽셀에 축적되는 전하에 대한 표시(indication)를 제공한다.
화상 센서 칩은 또한 도 1에서 참조부호(70)로 도시한 샘플링된 픽셀 신호를 판독하기 위한 회로를 포함한다. 센싱 엘리먼트를 포함하는 행이 선택되면, 입사된 광 강도를 나타내는 소스-폴로워 출력 전압은 트랜지스터(200)를 통해 캐패시터(205)에 저장된다. 트랜지스터(210, 215 및 220)는 센싱 엘리먼트를 포함하는 열에 대해 다른 소스-폴로워를 형성한다. 열 선택 신호 COL의 펄스가 공급되면, 열 소스-폴로워의 출력은 출력 OUT를 통해 칩 증폭기에 공급된다. 열 소스-폴로워들이 차례로 인에이블링되어, 화상 센서 출력 전압은 어레이의 각 픽셀 상에 입사되는 광 강도에 대한 시간-순차 표현이다.
도 1에 도시된 구성은 또한 오프셋 오차를 감소시키기 위해 칩 증폭기의 기준 전압을 발생하는 데 사용되는 장치들(116, 225, 230, 235, 240 및 245)을 포함한다. 이런 구성의 동작은 공지되어 있으므로, 더 이상 설명하지 않기로 한다.
첨부된 도 2는 "벌크" 또는 수직형의 광다이오드(1)를 포함한 APS형의 센서 엘리먼트를 도시한 것으로, 이는 예를 들어, "128x128 CMOS photodiode-type active pixel sensor with on-chip timig, control, and signal chain electronics(E Fossum et al, Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V, Proc. SPIE, Vol 2415, pp 117-123, 1995)"에 개시되어 있다. 센싱 엘리먼트는 공급 라인 VDD와 광다이오드(1)의 캐소드(3) 사이에 접속된 리셋팅 트랜지스터(2)를 포함한다. 트랜지스터(2)의 게이트는 리세트 신호 RST를 수신하여 광다이오드(1)를 역 바이어싱시킴으로써, 광다이오드의 캐패시턴스를 소정의 전압으로 충전시킨다. 리세트 단계 다음에 센싱 단계가 이어지는데, 이 센싱 단계 동안 적분이 행해져 광다이오드의 전류는 그 캐패시턴스가 광다이오드(1) 상에 입사되는 광자 플럭스에 비례하는 비율로 방전된다. 트랜지스터(4)는 공급 라인 VDD와 센싱 엘리먼트 어레이의 열 버스 COL BUS 간의 선택용 트랜지스터(5)의 것과 직렬 접속된 소스-드레인 또는 "주 도통" 경로와 소스-폴로워로서 접속된다. 한 행의 픽셀들이 셈플링되면, 행 선택 트랜지스터(5)는 펄스 RS에 의해 턴온된다. 열 버스는 열 판독 구성 장치-예를 들어, 도 1에서 트랜지스터(65) 및 회로(70)에 의해 도시된 유형-에 접속되어, 픽셀들의 행으로부터의 출력 전압이 센서로부터 판독될 수 있다.
US 2006/0033729 A1에는 첨부된 도면의 도 3에 도시된 AMLCD 내에 통합된 화상 센서를 포함한 장치에 대해 개시되어 있다. 각 픽셀은 디스플레이부 및 화상 센싱부를 포함하며, 화상 센싱부는 첨부된 도면의 도 2에 도시된 것과 유사한 유형으로 되어 있다. 이 장치에서, 각 광다이오드는 AMLCD 박막 트랜지스터(TFT) 기판 의 제조 시에 사용되는 것과 동일한 공정 기술을 이용하여 제조된 박막 광다이오드를 포함한다. 이 경우 별도의 적분 캐패시터를 필요로 하는데, 그 이유는 박막 광다이오드의 자체 캐패시턴스에 대한 광전류의 비가 벌크 CMOS 장치의 것에 비해 크기 때문이다. 따라서, 적분 캐패시턴스의 부재 시에는, 픽셀 방전비는 실제 사용하기에는 너무 높을 것이다.
이런 장치는 쉐도우 모드(shadow mode) 또는 반사(reflection) 모드로 동작될 수 있다. 쉐도우 모드에서, AMLCD 위에 있는 물체들은 주변 광로를 차단하고, 디스플레이의 표면 상에 쉐도우를 캐스팅(cast)하는데, 이 쉐도우는 화상 센서 어레이에 의해 검출된다. 이 모드는, 예를 들어, 터치, 펜 또는 제스처 입력 시에 사용될 수 있다. 첨부된 도 4에서 도시된 반사 모드에 있어서, 디스플레이 백라이트(23)로부터 나온 광은 대향-기판(24), 액정층(25) 및 TFT 기판(21)에 전달되어 장치의 정면에서 물체(22) 상에 입사된다. 물체(22)로부터 반사된 광은 화상 센서 어레이로 귀환하여 대응하는 신호로 변환된다. 반사 모드의 응용 예로서는 접촉형 화상 스캐닝 및 지문 인식 및 식별을 포함한다.
본 발명에 따르면, 결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치를 제공하며, 이 결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치는 행 및 열(rows and columns)의 어레이로 배열된 복수의 장치 엘리먼트를 포함하며; 복수의 장치 엘리먼트의 제1 세트 각각은 데이터 입력을 갖는 디스플레이 픽셀을 포함하고; 각 열의 데이터 입력은 해당 열 데이터 라인에 연결되고; 복수의 장치 엘리먼트의 제2 세트 각각은 광검출용 엘리먼트, 반도체 증폭용 엘리먼트 및 적분 캐패시터를 포함하는 화상 센서 엘리먼트를 포함하며; 적분 캐패시터는 증폭용 엘리먼트의 제어 전극 및 광검출용 엘리먼트의 제1 전극에 접속되는 제1 전극 및, 제어 입력에 접속된 제2 전극을 포함하며; 제어 입력은 센싱 단계 동안은 증폭용 엘리먼트를 디스에이블링하여 적분 캐패시터에 의한 광검출용 엘리먼트로부터의 광전류의 적분을 허용하는 제1 전압을 수신하고, 판독 단계 동안은 증폭용 엘리먼트를 인에이블링하는 제2 전압을 수신하도록 구성되며; 증폭용 엘리먼트 각각은 열 데이터 라인들 중 적어도 하나에 연결된 주 도통로을 포함하며; 증폭용 엘리먼트 각각은 제어 전극 임계 절대 전압을 가지며; 제어 전극 임계 절대 전압 이하에서 증폭용 엘리먼트는 디스에이블되고; 광전류는 제어 전극에서의 전압의 절대값이 센싱 단계 동안 절대 임계 전압 이하로 남아 있도록 되어 있다.
광전류의 극성은 센싱 단계 동안 제어 전극에서의 전압의 절대값을 감소시킬 정도의 것일 수 있다.
이와 같이, 디스플레이 및 화상 센서의 기능들을 결합시키면서 개선된 디스플레이 개구율을 갖는 장치를 제공하는 것이 가능하다. 장치 면적의 상당 부분을 디스플레이 목적으로, 예를 들어, 더 밝은 개선된 외관의 디스플레이를 제공하는 데 이용할 수 있다. 이런 장치는 박막 반도체 공정 또는 실리콘-온-절연체 공정 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
증폭용 엘리먼트들 각각의 주 도통로는 한 쌍의 열 데이터 라인 사이에 연결될 수 있다.
제1 세트는 장치 엘리먼트들 모두를 포함할 수 있다.
제2 세트는 장치 엘리먼트들 전부보다 적게 포함할 수 있다.
센서 엘리먼트들 각각은 장치 엘리먼트들의 해당 그룹에 걸쳐 분포될 수 있다.
센싱 및 판독 단계는 반복될 수 있다.
광검출용 엘리먼트들 각각은 광다이오드일 수 있다. 광다이오드 각각은 측방향 광다이오드일 수 있다. 광다이오드 각각은 박막 다이오드일 수 있다.
증폭용 엘리먼트 각각은 전압-폴로워 구성을 포함할 수 있다.
증폭용 엘리먼트 각각은 제1 트랜지스터를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터들 각각은 박막 트랜지스터일 수 있다. 제1 트랜지스터들 각각은 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 제1 트랜지스터들 각각은 소스-폴로워로서 접속되고, 제어 전극은 트랜지스터의 게이트를 포함하고, 주 도통로는 소스-드레인 경로를 포함할 수 있다.
센서 엘리먼트들 각각은, 리세트 입력에 연결되고, 리세팅 단계 동안 적분 캐패시터를 소정의 전압으로 충전시키도록 구성되는 제어 전극을 갖는 반도체 리세팅 엘리먼트를 포함할 수 있다. 리세팅 엘리먼트들 각각은 적분 캐패시터의 제1 전극과 소정의 전압원 사이에 연결된 주 도통로를 가질 수 있다. 리세팅 엘리먼트들 각각은 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다. 제2 트랜지스터들 각각은 박막 트랜지스터일 수 있다.
장치는 행 제어 입력들을 포함하며, 이들 행 제어 입력들 각각은 해당 행의 센서 엘리먼트들의 제어 입력들에 연결된다. 장치는 행 리세트 입력들을 포함할 수 있으며, 이들 행 리세트 입력들 각각은 해당 행의 센서 엘리먼트들의 리세트 입력들에 연결된다. 열 데이터 라인들의 적어도 일부 각각은 해당 바이어싱 엘리먼트에 연결될 수 있다. 각각의 바이어싱 엘리먼트는 제3 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각각의 제3 트랜지스터는 박막 트랜지스터일 수 있다.
장치는 능동 매트릭스 어드레싱 구성을 포함할 수 있다.
디스플레이 픽셀들은 액정 픽셀들일 수 있다.
능동 매트릭스 구성은 디스플레이 픽셀들의 대응하는 행의 라인 블랭킹 기간 동안 센서 엘리먼트들의 각 행을 어드레싱하도록 구성될 수 있다.
도 1은 공지된 유형의 화상 센서의 일부에 대한 개략도.
도 2는 공지된 유형의 화상 센싱 엘리먼트의 회로도.
도 3은 화상 센서를 포함한 공지된 디스플레이의 일부에 대한 회로도.
도 4는 반사 모드로 동작하는 화상 센서를 포함한 공지된 디스플레이의 개략적인 횡단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 사용하기 위한 화상 센서의 일부에 대한 회로도.
도 6은 도 5에 도시된 화상 센서에서 발생하는 파형을 도시하는 타이밍도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에서 사용하기 위한 화상 센서의 일부에 대한 회로도.
도 8은 도 7에 도시된 화상 센서에서 발생하는 파형을 도시하는 타이밍도.
도 9는 본 발명의 일 실시예를 구성하는 결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치를 도시한 개략도
도 10은 도 9에 도시된 실시예의 일례의 상세를 나타내는 도면.
도 11은 도 9에 도시된 실시예의 다른 예의 상세를 나타내는 도면.
도 12는 도 9에 도시된 실시예의 또 다른 예의 상세를 나타내는 도면.
도 13은 도 9에 도시된 실시예의 동작을 예시하는 타이밍도.
도 14는 도 9에 도시된 실시예의 또 다른 예를 도시하는 도면.
도면 전체를 통해 동일 참조부호는 동일 부분을 나타낸다.
결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치는 도 5에서 각각이 참조부호(10)로 도시되어 있는, 센서 엘리먼트들의 행 및 열 어레이를 포함한다. 센서 엘리먼트(10)는 어드레싱 및 출력 회로들과 함께, 예를 들어, 박막 트랜지스터 또는 실리콘-온-절연체 기술을 이용하여 공통 기판 상에 집적된다. 센서는 후술할 액정 타입의 능동 매트릭스 디스플레이와 결합되는, 능동 매트릭스 장치를 포함한다.
센서 엘리먼트(10)는 측방향 박막 광다이오드 D1로서 구체화되는 광검출용 엘리먼트를 포함하며, 광다이오드 D1의 애노드는 행의 모든 센서 엘리먼트에 공통이며 광다이오드 애노드 전위 VSSR을 전달하는 라인 VSSR에 접속된다. 광다이오드의 캐소드는 적분 캐패시터 C1의 제1 전극 또는 플레이트에 접속되는 적분 노 드(11)에 접속된다. 캐패시터 C1의 제2 전극 또는 플레이트는 행 선택 라인 RS에 접속되며, 이 라인 RS는 행의 센서 엘리먼트에 공통이며 판독 단계 동안 센서 엘리먼트(10)의 행을 선택하는 행 선택 신호를 공급한다.
적분 노드(11)는 또한 트랜지스터 M1로서 구체화되는 반도체 증폭용 엘리먼트의 게이트 및 트랜지스터 M2로서 구체화되는 리세팅을 행하기 위한 반도체 리세팅 엘리먼트의 소스에 접속된다. 트랜지스터 M1 및 M2는 박막 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터들이다. 트랜지스터 M1의 소스는 열 데이터 라인(6)에 접속된다. 라인(6)은 열의 모든 센서 엘리먼트에 공통이며, 그 하단에서 열 출력 및 박막 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터 M3의 드레인에 접속된다. 트랜지스터 M3는 트랜지스터 M1의 소스 부하를 형성하는 바이어스 구성으로 기능하며, 다른 전력 공급 라인 VSS에 연결된 소스 및 기준 전압 VB를 공급하는 기준 전압원에 연결된 게이트를 갖는다.
트랜지스터 M1의 드레인은 장치 엘리먼트들의 인접 열의 열 데이터 라인(6')에 연결되고, 이 장치 엘리먼트들은 센서 엘리먼트가 아닌 디스플레이 픽셀을 포함한다. 센서 엘리먼트(10)의 판독 단계 동안, 열 데이터 라인은 공급 라인 VDD에 연결되고, 열 데이터 라인(6)은 열 출력 라인으로서 기능한다. 판독 단계 이외에는, 열 데이터 라인(6, 6')은 장치의 디스플레이 픽셀에 픽셀 데이터를 공급한다.
트랜지스터 M2의 드레인은 라인 VDDR에 연결되며, 이 라인 VDDR은 모든 센서 엘리먼트(10)에 공통이며 초기 리세트 전위 VDDR을 공급한다. 트랜지스터 M2의 게 이트는 리세트 라인 RST에 연결되며, 이 리세트 라인 RST는 행의 센서 엘리먼트(10)에 공통이며 리세팅 단계 동안 리세트 신호를 공급한다.
화상 센싱 동안, 센서 엘리먼트(10)는 리세팅 단계, 적분 단계 및 판독 단계를 포함한 반복 사이클을 수행한다. 동일 행 내의 센서 엘리먼트에서의 사이클은 서로 동기를 이루는 반면, 상이한 행들에서의 사이클은 공지의 능동 매트릭스 어드레싱 기술에 따라 시간적으로 스태거링된다. 리세팅 단계 동안, 도 6에서 도시된 바와 같이, 리세팅 펄스가 리세트 라인 RST에 공급된다. 리세팅 펄스에 의해 트랜지스터 M2는 펄스가 하이 레벨인 동안 도통하게 되어, 적분 노드(11) 및 특히, 캐패시터 C1의 제1 전극은 초기 리세트 전위 VDDR로 충전된다. 초기 리세트 전위가 트랜지스터 M1의 임계치보다 작으므로, 트랜지스터 M1는 리세팅 단계 및 후속하는 적분 단계 동안 스위치 오프 상태로 남아 있는다.
적분 단계는 리세팅 신호가 로우(low) 값으로 복귀될 때 시작된다. 리세팅 신호의 로우 값은 광다이오드의 애노드 전위 VSSR보다 낮거나 같아, 트랜지스터 M2는 적분 단계 동안 내내 오프 상태로 남아 있는다.
적분 단계 동안, 광다이오드 D1에 의해 공급된 광전류는 광다이오드 상에 입사되는 광자 플럭스에 비례하는 비율로 캐패시터 C1을 방전시킨다. 적분 단계의 종료 시에, 적분 노드의 전압 VINT는
VINT = VDDR - IPHOTO·tINT/CT
로 주어지며, 여기서 IPHOTO는 광다이오드 D1를 통하는 전류이고, tINT는 적분 시간 주기이고, CT는 적분 노드에서의 총 캐패시턴스이다. 적분 노드에서의 총 캐패시턴스는 적분 캐패시터 C1의 캐패시턴스, 광다이오드 D1의 자체-캐패시턴스, 트랜지스터 M1의 게이트 캐패시턴스 및 트랜지스터 M2의 게이트-소스 캐패시턴스의 합으로 주어진다. 적분 노드(11)에서의, 따라서 트랜지스터 M1의 게이트에서의 전압은 트랜지스터 M1의 임계 전압 이하로 더 떨어진다. 그러므로, 트랜지스터 M1이 우연히 턴온되어 도통할 위험은 존재하지 않는다.
적분 단계는 행 선택 신호가 도 6의 아래 파형에서 도시된 바와 같이 하이 레벨로 변경될 때 종료된다. 이에 의해 행의 모든 센서 엘리먼트(10)에 대한 판독 단계가 시작된다. 판독 단계 동안, 열 데이터 라인은 공급 라인 VDD로부터 공급 전압 VDD를 수신한다. 적분 캐패시턴스 C1 양단에 전하 주입이 발생하여, 적분 노드(11)에서의 전위는
Figure 112008090879634-pct00001
로 증가되고, 여기서,
Figure 112008090879634-pct00002
및
Figure 112008090879634-pct00003
는 행 선택 신호의 하이 및 로우 전위 각각이며, VDD 및 VSS 각각과 동일할 수 있다. 따라서, 적분 노드(11)는 트랜지스터 M1의 임계 전압 이상으로 증가되어, 트랜지스터 M1은 스위치 온되고 트랜지스터 M3와 함께 소스-폴로워 증폭기를 형성하여, 적분 단계 동안 적분된 광다이오드 전류를 나타내며, 이로써 광다이오드 D1 상에 입사되는 광 강도를 나타내는 열 출력에서의 출력 전압을 제공한다.
판독 단계의 종료 시, 행 선택 신호는 그 로우 전위로 복귀하고, 적분 캐패 시터 C1 양단에 걸친 주입에 의해 적분 노드(11)로부터 전하가 제거된다. 적분 노드(11)에서의 전위는 트랜지스터 M1의 임계 전압 이하로 강하되어, 트랜지스터 M1은 턴오프하게 된다.
센서 엘리먼트 출력들은 임의의 적합한 구성에 의해 장치의 하나 이상의 출력 단자에 공급될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하여 상술한 유형의 판독 구성이 사용될 수 있다.
따라서, 소면적을 차지하는 센서 엘리먼트(10)를 제공하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 3에 도시된 공지의 구성은 3 개의 트랜지스터를 필요로 하는 반면, 도 5의 센서 엘리먼트(10)는 단지 두 개의 트랜지스터만을 필요로 한다. 주어진 개구율의 경우, 그러므로, 주어진 기판 면적에 더 많은 센서 엘리먼트(10)를 제공할 수 있어, 높은 공간 해상도의 화상 센서를 제공할 수 있다. 또는, 예를 들어, 도 3의 구성과 비교하여 높은 디스플레이 개구율을 달성할 수 있다.
도 5의 센서 엘리먼트에 의해 제공되는 출력 전압의 범위는 광다이오드 자체-캐패시턴스, 트랜지스터 M1의 게이트 캐패시턴스 및 트랜지스터 M2의 게이트-소스 캐패시턴스로 형성되는 적분 노드에서의 "기생" 캐패시턴스 때문에 공지의 구성에 비해 줄어들 수 있다. 또한, 어레이를 형성하고 처리 결과로부터 생겨나는 센서 엘리먼트(10)의 기생 캐패시턴스에서의 변동은 화상 센서의 고정 패턴 잡음의 증가로 이어질 수 있다. 따라서, 도 5의 센서 엘리먼트는 이들 결과가 허용될 수 있는 응용 분야에 적합하며, 특히 개선된 화상 센싱 공간 해상도 및/또는 개선된 디스플레이 개구율이 요구되는 경우에 적합하다.
도 7은 단지 하나의 트랜지스터 M1만을 필요로 하여 훨씬 더 작은 기판 면적을 차지함으로써 훨씬 더 큰 화상 센싱 공간 해상도 및/또는 디스플레이 개구율을 허용하는, 결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치의 센서 엘리먼트(10)를 도시한다. 트랜지스터 M1 및 트랜지스터 M3는 상술한 바와 같다. 광다이오드 D1의 캐소드 및 적분 캐패시터 C1의 제1 전극은 적분 노드(11) 및 트랜지스터 M1의 게이트에 접속된다. 광다이오드 D1의 애노드는 리세트 라인 RST에 접속되며 트랜지스터 M2는 생략되었다. 캐패시터 C1의 제2 전극은 행 선택 라인 RS에 접속된다. 리세트 라인 RST 및 행 선택 라인 RS의 파형은 도 8에 도시된 상부 및 하부 파형으로 도시된다.
상술한 바와 같이, 센서 엘리먼트들은 리세팅, 적분 및 판독 단계의 반복 사이클을 수행한다. 이들 사이클은 동일 행 내의 센서 엘리먼트(10)에서는 서로 동기를 이루지만, 상이한 행에서의 사이클은, 예를 들어, 공지의 능동 매트릭스 어드레싱 기술에 따라 시간적으로 스태거링 또는 오프셋된다.
리세팅 단계의 시작 시, 리세트 라인 RST 상의 신호는 VDDR의 하이 레벨로 상숭한다. 따라서, 광다이오드 D1은 순방향 바이어스되어 도통되므로, 적분 노드(11)는 (VDDR-VD)의 전위까지 충전되며, 여기서 VD는 광다이오드의 순방향 전압이다. 전압 VDDR은 트랜지스터 M1의 임계 전압보다 적으므로, 이 트랜지스터 M1은 리세팅 단계 동안 그리고 후속하는 적분 단계 동안 스위치 오프 상태로 남아 있는다.
적분 단계는 리세팅 신호가 그 로우 값으로 복귀될 때 시작된다. 이 단계 동안, 광다이오드 전류는 적분 캐패시터 C1을 광다이오드에 입사되는 광자 플럭스 에 비례하는 비율로 방전시킨다. 적분 단계의 종료 시에(판독을 위해 행이 선택될 때), 적분 노드(11)에서의 전압 VINT는
Figure 112008090879634-pct00004
로 주어지고, 여기서 VD는 광다이오드 D1의 순방향 전압이고, 다른 변수는 상기에서 정의된 바와 같다. 또한, 트랜지스터 M1의 게이트에서의 전압은 트랜지스터 M1의 임계 전압 이하로 더 떨어지므로, 그러므로, 트랜지스터 M1이 우연히 턴온되는 일은 있을 수 없다.
판독 단계의 시작 시에, 행 선택 라인 RS 상의 행 선택 신호는 그하이 값으로 상승하고, 열 데이터 라인(6')은 공급 전압 VDD를 수신한다. 적분 캐패시터 C1 양단에서 전하 주입이 발생되어, 적분 노드(11)에서의 전위가
Figure 112008090879634-pct00005
로 증가되며, 여기서 (트랜지스터 M2의 소스-게이트 캐패시턴스가 더 이상 CT에 존재하지 않는 것을 제외하고는) 다른 변수들은 상술한 바와 같다. 따라서,적분 노드(11)에서의 전위는 트랜지스터 M1의 임계 전압 이상으로 상승하여, 트랜지스터 M1는 열의 종단의 트랜지스터 M3와 함께 소스-폴로워 증폭기로서 동작한다. 열 출력에 공급되는 출력 전압은 적분 단계 동안 적분된 광다이오드 전류를 나타내므로, 광다이오드 D1 상에 입사되는 광의 강도를 나타낸다.
판독 단계의 종료 시에, 행 선택 라인 RS 상의 행 선택 신호는 그 로우 값으로 복귀하여, 열 데이터 라인이 공급 라인 VDD에서 분리된다. 캐패시터 C1 양단 간의 전하 주입으로 인해 적분 노드(11)로부터 전하가 제거된다. 적분 노드(11)의 전위는 이로써 트랜지스터 M1의 임계 전압 이하로 강하되어, 트랜지스터 M1은 턴오프된다.
상술한 바와 같이, 도 7의 센서 엘리먼트(10)가 차지하는 기판 면적은 상술한 엘리먼트가 차지하는 기판 면적보다 훨씬 작다. 또한, 적분 노드(11)에서의 기생 캐패시턴스는 도 5에 도시된 센서 엘리먼트의 것보다 작은데, 그 이유는 트랜지스터 M2가 생략되었기 때문이다. 그러므로, 출력 신호의 범위는 증가되고, 고정 패턴 잡음은 도 5의 센서 엘리먼트에 비해 줄어든다.
도 7의 센서 엘리먼트는 광다이오드 D1의 극성을 반전시켜 그 애노드가 적분 노드(11)에 접속되고 그 캐소드는 리세트 라인 RST에 접속되도록 함으로써 변경될 수 있다. 이로써, 리세트 라인 RST 상의 신호는 리세팅 단계 동안 로우 값 VSSR을 갖고 다른 단계 동안은 하이 값 VDDR을 갖도록 변경된다. 이 경우, 적분 노드(11)에서의 전위는 적분 단계 동안 증가한다. 이 구성의 변수은 적분 노드(11) 및 따라서 트랜지스터 M1의 게이트에서의 전위가 적분 단계 동안 트랜지스터 M1의 임계 전압 이하가 되도록 된다.
상술한 바와 같이, 센서 엘리먼트(10)의 어레이 및 열의 하단에서의 출력 회로는 장치 내에 통합되어, 예를 들어, "터치 스크린" 형태의 입력 수단을 갖는 디스플레이를 제공한다. 도 9는 예를 들어, 박막 기술 또는 실리콘-온-절연체 기술에 의해 모든 구성부품들을 집적시킨 공통 기판 상의 장치의 레이아웃을 도시한다. 예를 들어, 유리로 만들어진 투명 기판(12)은 행 및 열 방향으로 연장하는 적합한 전극과 함께, 센서 엘리먼트를 포함한 디스플레이 화소(픽셀)의 어레이 또는 매트릭스를 구비하는 픽셀 매트릭스(13)를 포함한다. 장치는 임의의 적합한 화상 소스로부터 타이밍 신호 및 전력과 함께 화상 데이터를 수신하고, 디스플레이 소스 드라이버(14) 및 디스플레이 게이트 드라이버(15)를 포함한다. 이런 드라이버들은 능동 매트릭스 장치의 분야에서는 공지되어 있으므로, 더 이상 기술하지 않기로 한다. 장치는 또한 센서 행 드라이버(16) 및 센서 판독 드라이버(17)를 포함한다. 드라이버(16 및 17)는 센서 데이터를 처리하는 기기로부터 타이밍 및 전력 신호를 수신한다. 센서 판독 드라이버(17)는 상술한 바와 같은 통상의 타입으로 구성될 수 있으며, 센서 행 드라이버(16)는 디스플레이 게이트 드라이버(15)와 유사할 수 있다.
도 10은 화상 센싱 기능을 포함한 능동 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD) 형태의 도 9의 결합된 화상 센서 및 디스플레이 장치의 일례를 도시한다. 어레이를 형성하는 장치 엘리먼트(18) 중 하나의 회로도가 상세히 도시되어 있다. 디스플레이 픽셀은 공지된 타입으로 구성되고, 박막 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터 M4를 포함하며, 이 트랜지스터 M4의 게이트는 행 게이트 라인 GL을 통해 디스플레이 게이트 드라이버(15)에 연결되고 그 소스는 열 데이터 라인(6')을 통해 디스플레이 소스 드라이버(14)에 연결된다. 트랜지스터 M4의 드레인은 캐패시터 C2의 한 전극 및 액정 픽셀 CLC의 전극에 연결된다. 캐패시터 C2의 다른 전극은 공통 라인 TFTCOM을 통해 드라이버(15)에 연결된다. 다른 픽셀 전극은 공통 대향-전극 전압 VCOM을 수신하도록 연결된 대향 장치 기판 상의 대향-전극으로 구성된다.
센서 엘리먼트(10)는 도 7에 도시된 타입으로 구성되고, 단일 트랜지스터 M1, 광다이오드 D1 및 적분 캐패시터 C1을 포함한다. 열 데이터 라인(6 및 6')은 디스플레이 소스 드라이버(14) 및 센서 판독 드라이버(17)에 연결된다. 행 선택 라인 RS 및 리세트 라인 RST는 센서 행 드라이버(16)에 연결된다. 편의 상, 트랜지스터 M1의 소스는 장치 엘리먼트의 인접 열에 속하는 열 데이터 라인(6)에 연결되는 것으로 도시하였으며, 장치 엘리먼트는 센서 엘리먼트가 아닌 단지 디스플레이 픽셀만을 포함한다.
이런 AMLCD에서의 화상 디스플레이 픽셀의 동작은 공지되어 있으므로, 더 이상 기술하지 않기로 한다. 센서 엘리먼트(10) 및 드라이버(16 및 17)를 포함하는 화상 센서의 동작은 상술한 바와 같다. 디스플레이 픽셀 및 센서 엘리먼트의 어드레싱은 행 단위로 동기되고, 이런 어드레싱의 타이밍의 일례는 후술하기로 한다.
도 11은 복합 풀-컬러 픽셀을 형성하는 3 가지 컬러 성분 픽셀의 각 세트마다 하나의 센서 엘리먼트(10)가 제공되는 장치를 도시한다. 소스 라인 SLr, SLg 및 SLb 형태의 독립된 열 데이터 라인들이 복합 픽셀의 각 열의 RGB 성분 픽셀마다 제공되고, 디스플레이 소스 드라이버(14)에 연결된다. 소스 라인 SLr 및 SLb는 또한 열 데이터 라인(6 및 6') 각각을 형성하고, 센서 판독 드라이버(17)에 연결된다.
광다이오드 D1 및 적분 캐패시터 C1은 컬러 성분 픽셀들 중 한 픽셀, 이 경우에는 적색 픽셀 내에 배치되는 한편, 트랜지스터 M1은 녹색 컬러 성분 픽셀 내에 배치된다. 이는 각각의 컬러 성분 픽셀 내에서 센서 엘리먼트 회로들이 차지하는 면적을 감소시킴으로써, 최저의 픽셀 개구율을 증가시킨다. 한 컬러의 컬러 성분 픽셀 아래에 광다이오드 D1를 위치시키면, 화상 센서를 그 컬러의 단색 광에 감응하게 만들 수 있다. 이는 장치에 걸쳐 상이한 컬러 필터 아래에 광다이오드들을 위치시키거나 또는 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 최상위 능동 매트릭스 기판으로 장치를 동작시킴에 의해 달성될 수 있다. 도 4의 구성에서는, 주변 광은 광다이오드 상에 입사되기 전에는 디스플레이 컬러 필터링은 거치지 않는다.
도 12는 센서 엘리먼트를 인접한 3 개의 컬러 성분 픽셀 상에 분포시켜 최저 픽셀 개구율을 훨씬 더 증가시킨다는 점에서, 도 11의 장치와는 다른 장치는 도시한다.
열 데이터 라인들을 픽셀 소스 라인 및 열 출력 라인으로서 공유하기 때문에, 화상 디스플레이 픽셀 및 센서 엘리먼트의 어드레싱 또는 센싱을 적절한 타이밍에서 수행할 필요가 있으며, 이런 타이밍의 일례를 도 13의 파형도로 나타내었다. 각 센서 엘리먼트 행의 판독 단계는 각 행의 총 행 어드레싱 시간 중 비교적 적은 부분 동안만 수행될 필요가 있으며, 이는 디스플레이 기능의 수평 블랭킹 기간과 일치하도록 구성될 수 있고, 이 기간 동안 열 데이터 라인들은 디스플레이 소스 드라이버(14)에서 분리된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 각 디스플레이 행 기간은 수평 동기 펄스 HSYNC로 시작되고, 이 후 라인 SLr, SLg 및 SLb는 공지의 어드레싱 방식에서와 같이 화상을 행 단위로 갱신(refresh)하도록 선택된 행의 컬러 성분 픽셀의 광학 상태를 제어하기 위해 적합한 전압으로 구동된다.
행의 화상 디스플레이 픽셀로의 신호 전송에 이어서, 열 데이터 라인들이 블랭킹 기간의 시작 시에 디스플레이 소스 드라이버(14)에서 분리되며, 이 기간은 대향-전극의 극성을 반전시켜 액정 물질의 열화를 방지하기 위해 공지의 AMLCD에서 통상적으로 이용된다. 블랭킹 기간 동안, 센서 엘리먼트의 행 선택 신호는 라인 RS 상에서 상승하고, 공급 전압 VDD는 열 데이터 라인(6')에 인가되고, 바이어스 전압 VB는 트랜지스터 M3에 인가되고, 이 트랜지스터 M3에 열 데이터 라인(6)이 연결되어 현재 선택되어 있는 행의 센서 엘리먼트의 소스-폴로워 구성을 인에이블시킨다. 이로써, 센서 데이터는 열 데이터 라인(SLg, 6)을 통해 센서 판독 드라이버(17)로 출력되고, 이 드라이버(17)는 센서 엘리먼트(10)와 장치의 센서 출력 간의 인터페이스로서 기능한다.
선택된 행의 센서 엘리먼트의 판독 단계의 종료 시에, 행 선택 및 바이어스 신호는 그들의 로우 전위로 복귀하고, 공급 전압 VDD는 열 데이터 라인(6')에서 제거된다. 선택된 행의 센서 엘리먼트에 대한 리세트 라인 RST에 리세팅 신호가 인가되어 적분 노드를 소정의 전압으로 리세트한다. 그 후, 리세팅 신호는 행 어드레싱 기간 tROW의 종료 시에 제거되고, 그 다음 픽셀 행에 대해 처리가 반복된다.
도 11 및 도 12에 도시된 구성은 최저 픽셀 개구율을 증가시키기 위해 복수의 픽셀에 걸쳐 센서 엘리먼트 구성성분을 분포시키고, 센서 엘리먼트가 차지하는 면적은 줄이고 이로써 디스플레이의 개구율은 증가시키는 예들을 제공한다. 그러나, 센서 엘리먼트의 구성성분은 디스플레이 픽셀에 걸쳐 임의의 다른 적합한 방식 으로 배열될 수 있다. 또한, 다른 일반적인 라인 공유 구성도 가능하다.
도 14는 장치 엘리먼트(18) 각각 내에 센서 엘리먼트를 제공한다는 점에서 도 10에 도시된 것과는 다른 장치를 도시한다. 도 14는 첨자 r, g, 및 b 각각을 갖는 적, 녹 및 청 컬러 성분 픽셀에 대한 디스플레이 픽셀 및 센서 엘리먼트의 구성성분을 갖는 동일 행 내의 인접한 3 개의 컬러 성분 픽셀을 도시한다.
트랜지스터 M1r, M1g 및 M1b의 소스-드레인 경로는 인접한 열 데이터 라인(61, 62 및 63) 쌍들 간에 접속되고, 이는 또한 소스 라인 SLr, SLg,및 SLb를 형성한다. 예를 들어, 트랜지스터 M1g는 장치 엘리먼트(18)의 열에 속해 있는 열 데이터 라인(62)과 인접 열의 인접 열 데이터 라인(63) 간에 접속된 소스-드레인 경로를 갖는다.
센서 엘리먼트의 각 행의 판독 단계 동안, 열 데이터 라인(61 및 63) 등의 다른 열 데이터 라인이 공급 라인 VDD에 연결된다. 열 데이터 라인(62) 등의 나머지 열 데이터 라인은 센서 판독 드라이버(17) 내의 바이어싱 트랜지스터(도 14에 도시 안 됨)에 연결된다. 따라서, 센서 엘리먼트의 인접 쌍들은 열 데이터 라인(62) 등의 공통 열 데이터 라인을 공유하여, 이들 센서 엘리먼트의 출력이 합산된다. 그러므로, 이 출력은 유효하게 두 센서 값의 평균으로서, 출력 변동이 줄어든다. 또한, 열 데이터 라인을 충전하는 데 필요한 시간이 줄어들게 되어, 판독 단계는 더 짧아질 수 있다.
상기에서 기술한 실시예들 및 구현의 구체적인 예들은 단지 본 발명의 기술을 상세히 기술한 것으로, 이와 같은 실시예들 및 구체적인 예들의 제한 내에서 협의적으로 해석되어서는 안 되고, 오히려 첨부된 청구범위의 범주를 벗어 나지 않는 한, 본 발명의 사상 내에서 여러 변형 실시예들이 가능하다는 인식해야 한다.

Claims (27)

  1. 화상 센서를 포함하는 디스플레이 장치로서,
    행 및 열(rows and columns)의 어레이로 배열된 복수의 장치 엘리먼트를 포함하며,
    상기 복수의 장치 엘리먼트의 제1 세트 각각은 데이터 입력을 갖는 디스플레이 픽셀을 포함하고,
    각 열의 상기 데이터 입력은 해당 열 데이터 라인에 연결되고,
    상기 복수의 장치 엘리먼트의 제2 세트 각각은 광검출용 엘리먼트, 반도체 증폭용 엘리먼트 및 적분 캐패시터를 포함하는 화상 센서 엘리먼트를 포함하며,
    상기 적분 캐패시터는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 상기 적분 캐패시터의 상기 제1 전극은 상기 증폭용 엘리먼트의 제어 전극 및 상기 광검출용 엘리먼트의 제1 전극에 접속되고, 상기 적분 캐패시터의 상기 제2 전극은 제어 입력에 접속되며,
    상기 제어 입력은 센싱 단계 동안은 상기 증폭용 엘리먼트를 디스에이블링하여 상기 캐패시터에 의한 상기 광검출용 엘리먼트로부터의 광전류의 적분을 허용하는 제1 전압을 수신하고, 판독 단계 동안은 상기 증폭용 엘리먼트를 인에이블링하는 제2 전압을 수신하도록 구성되며,
    상기 증폭용 엘리먼트 각각은 상기 열 데이터 라인들 중 적어도 하나의 열 데이터 라인에 연결된 주 도통로을 포함하며,
    상기 증폭용 엘리먼트 각각은 제어 전극 임계 절대 전압을 가지며, 상기 제어 전극 임계 절대 전압 이하에서 상기 증폭용 엘리먼트는 디스에이블되고,
    상기 광전류는 상기 제어 전극에서의 전압의 절대값이 상기 센싱 단계 동안 상기 임계 절대 전압 이하로 남아 있도록 되어 있으며,
    상기 증폭용 엘리먼트 각각의 상기 주 도통로는 상기 열 데이터 라인의 쌍 사이에 연결되는,
    디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광전류의 극성은 상기 센싱 단계 동안 상기 제어 전극에서의 전압의 절대값을 감소시키도록 되어 있는, 디스플레이 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장치 내 상기 화상 센서 엘리먼트들의 총 수는 상기 장치 내 상기 디스플레이 픽셀들의 총 수 이하인, 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서 엘리먼트들 각각은 상기 장치 엘리먼트들의 상기 제1 세트 내 복수의 디스플레이 픽셀에 걸쳐 분포되는, 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 및 판독 단계는 주기적으로 반복되는, 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광검출용 엘리먼트들 각각은 광다이오드인, 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광다이오드 각각은 측방향 광다이오드인, 디스플레이 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광다이오드 각각은 박막 다이오드인, 디스플레이 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 증폭용 엘리먼트 각각은 전압-폴로워 구성을 포함하는, 디스플레이 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 증폭용 엘리먼트 각각은 제1 트랜지스터를 포함하는, 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 각각은 박막 트랜지스터인, 디스플레이 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 각각은 전계 효과 트랜지스터인, 디스플레이 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 각각은 소스-폴로워로서 접속되고, 상기 제어 전극은 트랜지스터 게이트를 포함하고, 상기 주 도통로는 소스-드레인 경로를 포함하는, 디스플레이 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 센서 엘리먼트 각각은, 리세트 입력에 연결되고, 리세팅 단계 동안 상기 적분 캐패시터를 소정의 전압으로 충전시키도록 구성되는 제어 전극을 갖는 반도체 리세팅 엘리먼트를 포함하는, 디스플레이 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 리세팅 엘리먼트 각각은 상기 캐패시터의 상기 제1 전극과 소정의 전압원 사이에 연결된 주 도통로를 갖는, 디스플레이 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 리세팅 엘리먼트 각각은 제2 트랜지스터를 포함하는, 디스플레이 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터 각각은 박막 트랜지스터인, 디스플레이 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    행 제어 입력들을 포함하며, 상기 행 제어 입력들 각각은 해당 행의 센서 엘리먼트들의 제어 입력들에 연결되는, 디스플레이 장치.
  21. 제16항에 있어서,
    행 리세트 입력들을 포함하며, 상기 행 리세트 입력들 각각은 해당 행의 센서 엘리먼트들의 리세트 입력들에 연결되는, 디스플레이 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 열 데이터 라인들의 적어도 일부 각각은 해당 바이어싱 엘리먼트에 연결되는, 디스플레이 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    각각의 바이어싱 엘리먼트는 제3 트랜지스터를 포함하는, 디스플레이 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    각각의 제3 트랜지스터는 박막 트랜지스터인, 디스플레이 장치.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 픽셀들의 대응하는 행의 라인 블랭킹 기간 동안 상기 센서 엘리먼트들의 각 행을 어드레싱하도록 구성된 능동 매트릭스 어드레싱 구성을 포함하는, 디스플레이 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 픽셀은 액정 픽셀인, 디스플레이 장치.
  27. 삭제
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