KR101427590B1 - 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법 - Google Patents

광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광센서는 외부 광을 수광하는 수광 트랜지스터와; 일 단이 상기 수광 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되고, 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부와; 제1입력단 및 기준 전압부에 연결되어 기준 전압을 입력받는 제2입력단을 갖는 신호증폭부와; 상기 제1입력단과 상기 전하충전부의 상기 일 단 사이에 연결되어 있는 충전스위칭부와; 상기 전하충전부의 상기 전하가 충전 또는 방전되도록 기설정된 제1주기에 따라 상기 충전 스위칭부를 단속하는 제어부를 포함한다. 이에 의해 광에 대한 반응성이 선형적인 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법이 제공된다.
Figure R1020070118071
광센서, 표시장치

Description

광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법{OPTICAL SENSOR, DISPLAY APPARATUS COMPRISING THE SAME AND CONTROL METHOD}
본 발명은 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막트랜지스터를 이용하여 광을 센싱하는 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
액정패널 또는 유기전계발광패널 등을 포함하는 디스플레이장치의 경우, 외부광을 센싱하여 표시패널의 조도를 제어한다. 특히, 전화기, PDA, 게임기와 같이 휴대용 단말기에 사용되는 표시패널의 경우 실내가 아닌 실외에서 사용되거나, 매우 어두운 장소에서 사용될 경우 외부광에 의하여 영상의 표시상태가 변화하므로 외부광을 센싱하는 것은 매우 중요하다.
광센서로는 표시패널에 형성되는 박막트랜지스터가 사용되며, 광에 반응하여 광센서로부터 출력되는 전류의 양을 측정하여 외부광의 세기를 측정한다. 이러한 박막트랜지스터의 경우, 게이트단과 소스단 사이의 전압에 의하여 출력되는 전류의 양은 매우 가변적이며, 소스단에 연결되어 있는 저항으로 인하여 소스단과 드레인단 사이의 전압 역시 안정적이지 못하다. 이와 같은 박막트랜지스터의 특성으로 인 하여 광의 세기가 아주 작거나 아주 큰 경우 광센서로부터 선형적인 출력을 얻는 것이 어렵다. 또한, 특히 박막트랜지스터의 열화로 인하여 박막트랜지스터의Vth가 시프트되면 출력전류의 변화의 더욱 심해진다.
따라서, 본 발명의 목적은 광에 대한 반응성이 선형적인 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 소자의 특성 변화에 상관없이 안정적인 출력을 얻을 수 있는 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 온도의 영향이 배제된 출력을 얻을 수 있는 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 디스플레이장치에 마련되는 광센서에 있어서, 외부 광을 수광하는 수광 트랜지스터와; 일 단이 상기 수광 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되고, 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부와; 제1입력단 및 기준 전압부에 연결되어 기준 전압을 입력받는 제2입력단을 갖는 신호증폭부와; 상기 제1입력단과 상기 전하충전부의 상기 일 단 사이에 연결되어 있는 충전스위칭부와; 상기 전하충전부의 상기 전하가 충전 또는 방전되도록 기설정된 제1주기에 따라 상기 충전 스위칭부를 단속하는 제어부를 포함하는 광센서에 의해 달성된다.
일 단이 상기 제1입력단에 연결되고, 타 단이 상기 신호증폭부의 출력단에 연결되어 있는 리셋스위칭부를 더 포함하고, 상기 제어부는 기설정된 제2주기에 따라 상기 리셋 스위칭부를 단속할 수 있다.
상기 출력단에 연결되어 있는 출력스위칭부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 리셋 스위칭부의 턴온에 동기하여 상기 출력스위칭부를 단속하며, 상기 출력 스위칭부가 턴온되어 있는 턴온시간은 상기 리셋 스위칭부가 턴온되어 있는 턴온시간보다 긴 것이 바람직하다.
상기 제2주기 내에서 상기 충전 스위칭부는 상기 리셋 스위칭부가 턴오프된 후 턴온될 수 있다.
상기 충전 스위칭부와 상기 출력 스위칭부가 동시에 턴온되어 있는 충전구간은, 상기 충전 스위칭부가 턴오프 되어 있는 방전구간보다 작은 것이 바람직하다.
상기 제1주기는 상기 제2주기와 동일하거나 짧을 수 있다.
안정적인 드레인 전류를 얻기 위하여 상기 수광 트랜지스터의 게이트 전극 및 소스 전극 간의 전압은 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 게이트 전극과 상기 소스 전극 간의 전압은 -5 내지 -8V인 것이 바람직하다.
상기 직류터미널은 접지단을 포함할 수 있다.
상기 전하충전부에 소정 레벨의 충전전압을 공급하는 충전전원부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 충전전압의 레벨이 상기 기준전압의 레벨보다 큰 경우, 상기 직 류터미널은 상기 기준전압의 레벨에 대응하는 전압을 출력하는 직류전압원을 포함할 수 있다.
상기 충전원전부는 상기 충전전압을 출력하는 충전전압원과, 일 단이 상기 충전전압원에 연결되고 타 단이 상기 전하충전부와 상기 충전스위칭부 사이에 연결되어 있는 보조충전 스위칭부를 포함한다.
상기 제1주기 내에서 상기 보조충전 스위칭부는 상기 충전 스위칭부가 턴오프된 후 턴온된다.
상기 신호증폭부의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 신호증폭부로부터 출력되는 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 영상이 표시되는 표시영역 및 영상이 표시되지 않는 비표시영역을 갖는 표시패널과; 상기 비표시영역에 형성되며 외부 광을 수광하는 수광 트랜지스터와; 일 단이 상기 수광 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되고, 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부와; 제1입력단 및 기준 전압부에 연결되어 기준 전압을 입력받는 제2입력단을 갖는 신호증폭부와; 상기 제1입력단과 상기 전하충전부의 상기 일 단 사이에 연결되어 있는 충전스위치와; 상기 전하충전부의 전하가 충전 또는 방전되도록 기설정된 제1주기에 따라 상기 충전 스위칭부를 단속하는 제어부를 포함하는 디스플레이장치에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 표시패널을 갖는 디스플레이장치의 제어방법에 있어서, 게이트 전극과 소스 전극 사이의 전압이 일정한 수 광 트랜지스터와, 일 단이 상기 수광 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되고 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부를 마련하는 단계와; 상기 전하충전부가 충전되도록 소정의 충전전압을 공급하는 단계와; 상기 전하충전부의 전하가 상기 수광 트랜지스터로 방전되도록 소정 시간 상기 충전전압의 공급을 중단하는 단계와; 상기 전하충전부를 충전시키면서, 상기 전하충전부에 충전되는 전하에 대응되는 출력값을 독출하는 단계와; 독출된 출력값에 기초하여 상기 표시패널의 휘도를 제어하는 단계를 포함하는 디스플레이장치의 제어방법에 의해 달성될 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 광에 대한 반응성이 선형적인 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면 소자의 특성 변화에 상관없이 안정적인 출력을 얻을 수 있는 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 온도의 영향이 배제된 출력을 얻을 수 있는 광센서, 이를 포함하는 디스플레이장치 및 그 제어방법이 제공된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 설명한다.
여러 실시예에 있어서 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하였으며, 동일한 구성요소에 대하여는 제1실시예에서 대표적으로 설명하고 다른 실시예에서는 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 디스플레이장치의 개략도이고, 도 2는 도1의 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 디스플레이장치는 제1기판(10) 및 제2기판(20)을 포함하는 표시패널(30)을 포함하고, 외부의 빛을 수광하여 그 세기에 대응하는 전압을 출력하는 광센서(도3; 100)를 포함한다. 제1기판(10)에는 박막트랜지스터를 포함하는 복수의 화소가 형성되어 있으며, 제2기판(20)에는 도시하지 않은 컬러필터층이 형성되어 있다. 본 발명에 따른 디스플레이장치는 액정층을 포함하는 액정표시장치로 마련되거나, 유기전계발광층을 포함하는 유기전계발광표시장치로 마련될 수 있다. 디스플레이장치가 액정표시장치인 경우, 디스플레이장치는 표시패널(30)의 배면에 빛을 제공하는 백라이트 유닛을 더 포함한다. 또한, 액정표시장치에서 액정층에 빛을 제공하는 방법으로 반투과 방식 또는 투과 방식이 채용될 수 있다.
박막트랜지스터를 제어 및 구동하기 위한 각종 신호를 생성하고, 이를 박막트랜지스터에 인가하기 위한 패널구동부(40)는 제1기판(10)에 실장되어 있다. 이러한 패널구동부(40)는 칩의 형태로 마련되어 제1기판(10)에 실장될 수도 있고, 제1기판(10) 상에 박막트랜지스터와 동일한 공정을 통하여 형성될 수도 있다. 패널구동부(40)와 복수의 화소 사이에는 신호전달을 위한 복수의 신호선(미도시)이 형성되어 있다.
표시패널(30)은 영상이 표시되는 표시영역(A)과 표시영역(A) 이외의 비표시영역(B)으로 구분될 수 있다. 상술한 화소는 표시영역(A)에 형성된다. 표시패널(30)의 비표시영역(B)에는 빛을 차단하기 위한 차단층(23)이 형성되어 있으며, 차단층(23)이 형성되어 있지 않은 비표시영역(B)에는 도1과 같이 외부광을 센싱하기 위한 수광 트랜지스터(110)가 형성되어 있다. 도시된 바와 같이, 수광 트랜지스터(110)는 제1기판(10)과 제2기판(20)이 중첩되는 비표시영역(B) 및 제1기판(10) 만이 존재하는 비표시영역(B) 모두에 형성될 수 있다.
수광 트랜지스터(110)는 도 2와 같이 제1기판을 형성하는 제1기판부재(11) 상에 형성되며, 수광 트랜지스터(110)의 상부에는 차단층(23)이 형성되어 있지 않아 외부의 빛이 입사된다. 수광 트랜지스터(110)는 외부로부터 빛이 입사되면 드레인 전극에서 소스 전극 방향으로 드레인 전류(i)가 흐른다. 수광 트랜지스터(110)는 제1기판부재(11) 상에 형성되어 있는 복수의 박막트랜지스터(미도시)와 동일한 구조를 가질 수 있으며, 별도의 수광 소자로 마련되어 비표시영역(B)에 장착될 수도 있다. 이 때 수광 트랜지스터(110)의 게이트 전극과 데이터 전극에는 일정한 레벨의 전압이 인가된다.
제2기판(20)은 제2기판부재(21) 상에 형성되어 있는 차단층(23) 및 차단층(23)을 덮고 있는 공통전극층(25)을 포함한다. 차단층(23)은 블랙매트릭스로 마련되거나, 복수의 컬러필터층이 적층됨으로써 형성될 수 있다. 차단층(23)은 도2와 같이 제2기판(20)에 형성될 수도 있으며, 수광 트랜지스터(110)가 형성되어 있는 제1기판(10)에 형성될 수도 있다.
만약, 수광 트랜지스터(110)가 제1기판(10)과 제2기판(20)가 중첩되어 있지 않은 비표시영역(B)에 형성되어 있다면, 수광 트랜지스터(110)의 상부에는 제2기판(20)이 존재하지 않는다.
도 3은 본 실시예에 따른 광센서(100)의 회로도로서, 이하 수광 트랜지스터(110)를 포함하는 광센서(100)에 대하여 설명한다.
본 실시예에 따른 광센서(100)는 제1기판(10) 상에 형성되어 있는 수광 트랜지스터(110), 전하충전부(120), 충전 스위칭부(130), 신호증폭부(140), 리셋 스위칭부(150), 출력 스위칭부(160), 신호변환부(170) 및 이들을 제어하는 제어부(175)를 포함한다.
수광 트랜지스터(110)는 게이트 전극(g), 드레인 전극(d) 및 소스전극(s)와 같은 세 개의 제어단을 가진다. 게이트 전극(g)과 드레인 전극(d) 사이에는 제1캐패시터(C1)가 연결되어 있다. 제1캐패시터(C1)는 게이트 전극(g)에 인가되는 전압을 충전하였다가 충전스위칭부(130)가 턴오프되면 충전되어 있던 전하를 방전하며, 이는 후술할 전하충전부(120)의 역할과 동일한다. 즉, 제1캐페시터(C1)는 전하충전부(120)의 기능을 보조하는 역할을 한다. 제1캐패시터(C1)는 별도의 구성으로 마련되지 않고 게이트 전극(g)과 드레인 전극(d) 사이에 발생하는 기생캐패시터로 대체될 수 있다. 트랜지스터의 특성에 의하여 드레인 전극(d)과 소스 전극(s)에 흐르는 전류(이하 드레인 전류(i))는 게이트 전극(g)과 소스 전극(s) 사이의 전압(Vgs) 및 드레인 전극(d)과 소스 전극(s) 사이의 전압(Vds)의 영향을 받는다. 게이트 전극(g)과 소스 전극(s) 사이의 전압이 변하는 경우, 드레인 전류(i)는 동일한 빛의 세기(조도)에서도 가변적으로 변화하기 때문에 조도에 따라 안정적인 출력값을 얻을 수 없는 문제점이 있다. 출력값이란 빛의 세기에 따라 변하는 드레인 전류(i)에 대응하는 최종적인 센싱값을 의미한다. 출력값은 전류 또는 전압의 단위로 수치화 될 수 있다. 게이트 전극(g)과 소스 전극(s) 간의 전압을 일정하게 유지하기 위하여 본 실시예에 따른 수광 트랜지스터(110)의 게이트 전극(g) 및 소스 전극(s)은 모두 직류 터미널에 연결된다.
전하충전부(Cc; 120)는 통상적으로 캐패시터로 마련되고, 일 단(121)은 수광 트랜지스터(110)의 드레인 전극(d)에 연결되고, 타 단(122)은 접지단에 연결된다. 전하충전부(120)의 타 단(122)은 접지단이 아닌 일정한 레벨의 직류전압을 공급하는 직류터미널에 연결될 수 있다. 전하충전부(120)는 후술할 충전 스위칭부(130)에 따라 전하를 충전 또는 방전함으로써 수광 트랜지스터(110)의 드레인 전류(i)를 간접적으로 측정할 수 있도록 하고, 빛의 조도에 따라 드레인 전류(i)가 선형적으로 출력될 수 있도록 드레인 전류(i)를 완충하는 역할을 한다. 종래의 경우, 조도가 높으면 드레인 전류(i)가 급격하게 증가하고, 조도가 낮으면 드레인 전류(i)의 변화 정도가 크지 않아 조도에 따른 드레인 전류(i)의 측정이 용이하지 않았다. 본 실시예의 경우, 전하충전부(120)의 일 단(121)과 수광 트랜지스터(110)의 드레인 전극(d)은 동일한 전압을 유지하기 때문에 전하충전부(120)에 충전되어 있는 전압에 따라 드레인 전극(d) 및 소스 전극(s) 간의 전압이 변화하고, 이에 따라 드레인 전류(i)가 제어되는 효과가 있다.
충전스위칭부(130)는 전하충전부(120)의 일 단(121)과 신호증폭부(140)의 제1입력단(141) 사이에 연결되어 있으며, 제어부(175)에서 출력되는 충전제어신호(Sc)에 따라 제1주기 마다 단속된다. 충전스위칭부(130)가 턴온되면 전하충전부(120)에는 전하가 충전되고, 턴오프되면 전하충전부(120)의 전하는 수광 트랜지 스터(110) 방향으로 방전된다. 충전 스위칭부(130)는 수광 트랜지스터(110)와 같이 제1기판(10) 상에 형성될 수도 있으며, 별도의 칩 내에 형성될 수도 있다. 광센서(100)의 구성요소 중 빛을 수광하는 수광 트랜지스터(110)을 제외한 나머지 구성요소는 하나의 칩에 집적될 수 있다.
신호증폭부(140)는 전기적 신호를 증폭하는 연산증폭기로서 충전스위칭부(130)에 연결되어 있는 제1입력단(141), 소정 레벨의 기준전압(Vref)을 제공하는 기준전압부에 연결되어 있는 제2입력단(142)을 포함한다. 신호증폭부(140)의 출력단(143)은 후술할 출력 스위칭부(160)에 연결되어 있다. 제1입력단(141)과 출력단(143) 사이에는 출력신호의 게인(gain)을 결정하는 제2캐패시터(C2)가 연결되어 있으며, 제2캐패시터(C2)와 병렬적으로 리셋 스위칭부(150)가 마련되어 있다.
리셋 스위칭부(150)는 드레인 전류(i)에 대응하는 적절한 출력값을 얻을 수 있도록 제2캐패시터(C2)와 제3캐패시터(C3)를 리셋시키는 역할을 한다. 제어부(175)는 리셋 스위칭부(150)에 리셋제어신호(Sr)를 출력하고 리셋 스위칭부(150)는 리셋제어신호(Sr)에 따라 제2주기마다 턴온 및 턴오프된다. 리셋 스위칭부(150)가 단속되는 제2주기는 충전 스위칭부(130)가 단속되는 제1주기와 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
출력 스위칭부(160)는 출력제어신호(So)에 따라 리셋 스위칭부(150)의 턴온에 동기하여 턴온되며, 조도에 따른 출력값을 리드하기 위하여 단속된다. 즉, 출력 스위칭부(160)가 턴온되면, 드레인 전류(i)에 대응하는 출력값(Vout)이 외부로 출력된다.
신호변환부(170)는 신호증폭부(140)의 출력단(143)에 연결되어 있으며 신호증폭부(140)로부터 출력되는 출력신호를 디지털 신호로 변환한다. 신호변환부(170)로부터 출력되는 출력값(Vout)은 드레인 전류(i)에 대응하는 전압에 대한 수 비트의 디지털값이다.
도 4는 본 실시예에 따른 광센서의 스위칭부의 턴온 타이밍도이다. 이를 참조하여 제어부(175)로부터 각 스위칭부(130, 150, 160)에 출력되는 각 제어신호(Sc, Sr, So)와 드레인 전류(i)에 대응하는 출력값을 얻는 과정을 설명한다.
충전 스위칭부(130)는 제1주기(T1)에 따라 턴온 및 턴오프되며, 리셋 스위칭부(150) 및 출력 스위칭부(160)는 제2주기(T2)에 따라 턴온 및 턴오프된다. 본 실시예에 따를 경우 제1주기(T1)와 제2주기(T2)는 동일하다.
우선, 리셋 스위칭부(150)와 출력 스위칭부(160)는 동시에 턴온된다. 리셋 스위칭부(150) 및 출력 스위칭부(160)가 동시에 턴온되고, 충전 스위칭부(130)가 턴오프되어 있는 제1시간(t1) 동안 제2캐패시터(C2)와 제3캐패시터(C3)는 초기화된다. 초기화에 의하여 신호증폭부(140)의 제1입력단(141), 제2입력단(142) 및 출력단(143)의 전위는 모두 기준전압(Vref)이 된다. 따라서, 제2캐패시터(C2)의 양 단의 전압차는 없으며, 제3캐패시터(C3)는 기준전압(Vref)으로 충전된다.
그런 후, 제1시간(t1)이 경과하면 리셋 스위칭부(150)는 턴오프되고, 충전 스위칭부(130)는 턴온된다. 도시된 바와 같이, 리셋 스위칭부(150)가 턴온되어 있는 제1시간(t1)은 출력 스위칭부(160)가 턴온되어 있는 제2시간(t2)보다 짧다. 제2시간(t2)에서 제1시간(t1)을 뺀 시간 또는 충전 스위칭부(130)와 출력 스위칭 부(160)가 동시에 턴온되어 있는 제3시간(t3)은 전하충전부(120)가 충전되는 충전구간인 동시에 전하충전부(120)로 공급되는 전류에 대응하는 출력값을 출력하는 출력구간에 대응한다. 전하충전부(120)는 신호증폭부(140)의 기준전압(Vref)으로 충전된다.
그런 후, 출력 스위칭부(160)와 충전 스위칭부(130)가 순차적으로 턴오프된다. 전하충전부(120)에 충전되었던 전하는 충전 스위칭부(130)가 턴오프되는 제4시간(t4) 동안 방전되어 수광 트랜지스터(110)의 드레인 전류(i)방향으로 흐르게 된다. 방전으로 인하여 전하충전부(120)의 전위는 기준전압(Vref)으로부터 접지까지 감소할 수 있다. 이 때 드레인 전류(i)는 빛의 세기에 따라 달라지며, 빛의 세기가 증가할수록 드레인 전류(i)의 양은 증가한다.
이 후, 다시 상기 과정을 반복하면서, 방전된 전하를 충전하는 과정을 통해 빛의 세기를 측정한다. 즉, 빛의 세기가 증가하면 방전되는 전하량이 많아지고, 이를 재충전하는 과정에 소모되는 전류의 양이 증가하게 된다. 재충전에 소모되는 전류를 측정함으로써 역으로 드레인 전류(i)를 센싱할 수 있다. 상술한 바와 같이, 충전구간과 출력구간이 동일하므로 전하의 충전과 동시에 충전 전류에 대한 출력값이 리드된다. 전하가 방전되는 제4시간(t4)은 전하가 충전되는 제3시간(t3)보다 매우 길며, 약 10 ~100배로 설정되는 것이 바람직하다.
최종적으로 빛이 세기에 대응하여 출력되는 출력값(Vout)은 대략적으로 다음식과 같다.
Vout = Vref + i*t4/Cc + i*t3/C2
빛의 세기가 약한 저조도의 경우, 드레인 전류(i)는 매우 적고, 전하충전부(120)로부터 수광 트랜지스터(110)로 방전되는 전하에 의한 영향이 매우 크다. 따라서, 저조도의 경우, 출력값(Vout)은 i*t4/Cc 항의 지배적인 영향을 받는다. 달리 말하면, 저조도에서 안정적이고 선형적인 출력값을 얻기 위해서는 방전구간에 대응하는 제4시간(t4)을 충분하게 길게 할 필요가 있다. 제4시간은 약 10 내지 100ms 정도이다.
반면, 빛의 세기가 강한 고조도의 경우, 드레인 전류(i)는 매우 크다. 따라서, 충전 스위칭부(130)가 턴오프되면 매우 짧은 동안 전하는 모두 수광 트랜지스터(110)로 방전된다. 방전된 전하는 충전하는 것 역시 매우 짧을 시간에 이루어지며 전하충전부(120)가 모두 충전되는 경우 출력값은 일정한 레벨을 유지하게 된다. 한편, 충전 스위칭부(130)의 전하가 모두 방전되더라도 드레인 전류(i)는 계속 흐르기 때문에 드레인 전류(i)는 신호증폭부(140)로부터 공급되어야 한다. 즉, 충전 스위칭부(130)를 충전하는 전류와 드레인 전류(i)를 보상하기 위한 전류를 합한 값이 출력값(Vout)이 되고 상기 식에서 i*t3/C2항이 출력값(Vout)에 비치는 영향력이 우세해 진다. 정리하자면, 고조도의 경우, 제한된 용량의 전하충전부(120)를 사용함으로써 출력값(Vout)의 급상승을 방지하는 동시에 드레인 전류(i)를 보상하기 위한 전류를 통하여 조도에 따라 변화하는 선형적인 출력값(Vout)을 얻을 수 있다.
도5는 빛의 조도에 대한 광센서의 출력값을 도시한 그래프이다. x축은 조도의 상용로그값(log lux/10)이고, y축은 출력값(Vout)에 대응하는 8비트 디지털값의 크기를 나타낸다. 조도가 10에서 10000lux까지 변하는 동안 출력값(Vout)은 선형적 인 것을 알 수 있다. 조도가 10lux일 때 출력값(Vout)은 대략 0이고, 조도가 10000lux일 때는 약 250을 넘는 값을 가진다.
도6 은 도 3에 따른 광센서 스위칭부의 다른 턴온 타이밍도이다. 본 실시예에 따를 경우, 충전 스위칭부(130)가 단속되는 제1주기(T1’)는 출력 스위칭부(160)가 단속되는 제2주기(T2)보다 짧다. 제3시간(t3) 전에 충분한 전하가 방전되는 방전시간(t4)이 충분히 길다면, 출력 스위칭부(160)는 제1주기(T1’)와 상이한 턴온 주기를 가질 수 있다. 출력 스위칭부(160)가 턴온될 때마다 출력신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 신호변환부(170)가 작동하고, 이에 따른 전력소모가 수반된다. 광센서(100)가 포함하는 구성요소 중 신호변환부(170)에 의한 전력소모가 가장 크기 때문에 전력소모를 감소시키기 위하여 출력값을 리드를 위한 출력 스위칭부(160)의 단속은 충전 스위칭부(130)의 턴온주기(T1’)보다 짧게 설정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 광센서의 회로도이고, 도8은 도 7에 따른 광센서의 스위칭부의 턴온 타이밍도이다.
본 실시예에 따를 경우, 전하충전부(120)에 충전전압(Vc)을 공급하는 충전전원부(180)를 더 포함한다. 충전전원부(180)로부터 전하충전부(120)에 공급되는 충전전압(Vc)의 레벨이 기준전압(Vref)보다 큰 경우, 전하충전부(120)의 직류터미널은 기준전압(Vref)을 제공하는 직류전압원에 해당한다. 이 경우, 수광 트랜지스터(110)의 소스 전극(s) 역시 기준전압(Vref)에 연결된다. 직류터미널에 연결되는 직류전압의 레벨은 반드시 기준전압(Vref)에 한정되는 것은 아니고 기준전압(Vref) 보다 낮게 설정될 수도 있다.
충전전원부(180)는 충전전압(Vc)을 출력하는 충전전압원(181)과, 일 단이 충전전압원(181)에 연결되고 타 단이 전하충전부(120)와 충전 스위칭부(130) 사이에 연결되는 보조충전 스위칭부(183)을 포함한다. 제어부(175)는 보조충전 스위칭부(183)에 보조충전 제어신호(Sa)를 출력하고, 보조충전 제어신호(Sa)에 따라 보조충전 스위칭부(183)는 도 8과 같이 턴온 및 턴오프된다.
보조충전 스위칭부(183)은 충전 스위칭부(130)가 턴오프된 후 턴온되고, 보조충전 스위칭부(183)가 턴온되는 제5시간(t5) 동안 전하충전부(120)가 충전된다. 전하충전부(120)는 충전전압(Vc)의 레벨까지 충전된 후, 제6시간(t6) 동안 방전된다.
보조충전 스위칭부(183)는 턴오프되고, 충전 스위칭부(130)와 출력 스위칭부(160)가 턴온되는 제3시간(t3) 동안 방전된 전하충전부(120)는 재충전된다. 본 실시예의 경우, 상기 도3의 실시예와는 달리 충전과 재충전의 단계가 분리되어 차이점이 있다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 광센서의 회로도이다.
본 실시예에 따른 광센서(100)는 차단층(23)의 하부에 형성되어 있는 더미 트랜지스터(191), 신호증폭부(140)의 제1입력단(141)과 충전 스위칭부(130) 사이의 분지된 지로에 형성되어 있는 더미 스위칭부(195) 및 일 단이 더미 트랜지스터(191)의 드레인 전극(d)에 연결되고 타 단은 직류 터미널에 연결되어 있는 더미 충전부(193)를 포함한다. 또한, 광센서(100)는 충전 스위칭부(130), 더미 스위칭 부(195) 및 제1입력단(141)으로 분지되는 노드에 마련되어 있는 연산부(197)을 더 포함한다.
수광 트랜지스터(110)는 빛을 수광하는 것 이외에 주변의 온도상승에 따라 드레인 전류(i)가 발생할 수 있다. 본 실시예의 경우, 출력값(Vout)에서 온도에 의하여 발생하는 드레인 전류(i)의 영향을 배제시키기 위하여 빛은 입사되지 않는 차단층(23)의 하부에 더미 트랜지스터(191)를 마련한다.
수광 트랜지스터(110)와 더미 트랜지스터(191)에 드레인 전류(i)가 발생하면 신호증폭부(140)로부터 충전을 위한 전류가 수광 트랜지스터(110)와 더미 트랜지스터(191)로 흐른다. 신호증폭부(140)로부터 출력되는 총 전류(i1)는 수광 트랜지스터(110)로 입력되는 전류(i2)와 더미 트랜지스터(191)로 입력되는 전류(i3)의 합에 해당한다. 연산부(197)는 제1입력단(141)으로부터 출력되는 전류(i1)에서 더미 스위칭부(195)로 입력되는 전류(i3)의 차(i1-i3)를 연산한다. 연산부(197)의 연산에 의하여 광센서(100)의 출력값은 온도의 영향이 배제된 빛에 의한 드레인 전류(i)에 대응하는 값으로 설정된다.
도 10은 본 발명에 따른 디스플레이장치의 제어방법을 설명하기 위한 제어흐름도이다. 도 10을 참조하여 디스플레이장치의 제어방법을 정리하면 다음과 같다.
우선, 게이트 전극(g)과 소스 전극(s) 사이의 전압이 일정한 수광 트랜지스터(110)와, 일 단(121)이 수광 트랜지스터(110)의 드레인 전극(d)에 연결되고 타 단(122)이 접지단이나 기준 전압과 같은 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부(120)를 마련한다(S10).
그런 다음, 전하충전부(120)가 소정 레벨의 전압까지 충전되도록 충전전압을 공급한다(S20).
전하충전부(120)의 전하가 수광 트랜지스터(110)로 방전되도록 소정의 방전구간 동안 충전전압의 공급을 중단한다(S30).
그런 후, 전하충전부(120)를 재충전시키면서, 전하충전부(120)에 충전되는 전하, 즉 충전전류에 대응되는 출력값(Vout)을 독출한다(S40). 이 때, 온도에 의한 영향을 배제하기 위하여 차광층(23) 하부에 더미 트랜지스터(191)를 형성하고, 더미 트랜지스터(191)로 출력되는 전류를 제외하는 연산을 수행할 수도 있다.
마지막으로 독출된 출력값에 기초하여 표시패널(30)의 휘도를 제어한다(S50). 표시패널(30)의 휘도를 제어하는 방법은 백라이트 유닛으로부터 공급되는 빛의 휘도를 제어할 수도 있고, 화소에 인가되는 화소전압을 조절할 수도 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 디스플레이장치의 개략도이고,
도 2는 도1의 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광센서의 회로도이고,
도 4는 도3에 따른 광센서의 스위칭부의 턴온 타이밍도이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 조도에 대한 광센서의 출력값을 도시한 그래프이고,
도 6은 도 3에 따른 광센서의 스위칭부의 다른 턴온 타이밍도이고,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 광센서의 회로도이고,
도 8은 도 7에 따른 광센서의 스위칭부의 턴온 타이밍도이고,
도 9은 본 발명의 제3실시예에 따른 광센서의 회로도이고,
도 10은 본 발명에 따른 디스플레이장치의 제어방법을 설명하기 위한 제어흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 제1기판 20 : 제2기판
30 : 표시패널 100 : 광센서
110 : 수광 트랜지스터 120 : 전하충전부
130 : 충전 스위칭부 140 : 신호증폭부
150 : 리셋 스위칭부 160 : 출력 스위칭부
170 : 신호변환부 175 : 제어부
180 : 충전전원부 191 : 더미 트랜지스터

Claims (19)

  1. 디스플레이장치에 마련되는 광센서에 있어서,
    외부 광을 수광하는 수광 트랜지스터와;
    일 단이 상기 수광 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되고, 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부와;
    제1입력단 및 기준 전압부에 연결되어 기준 전압을 입력받는 제2입력단을 갖는 신호증폭부와;
    상기 제1입력단과 상기 전하충전부의 상기 일 단 사이에 연결되어 있는 충전스위칭부와;
    상기 전하충전부가 충전 또는 방전되도록 기설정된 제1주기에 따라 상기 충전 스위칭부를 단속하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  2. 제1항에 있어서,
    일 단이 상기 제1입력단에 연결되고, 타 단이 상기 신호증폭부의 출력단에 연결되어 있는 리셋스위칭부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 기설정된 제2주기에 따라 상기 리셋 스위칭부를 단속하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출력단에 연결되어 있는 출력스위칭부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 리셋 스위칭부의 턴온에 동기하여 상기 출력스위칭부를 단속하며,
    상기 출력 스위칭부가 턴온되어 있는 턴온시간은 상기 리셋 스위칭부가 턴온되어 있는 턴온시간보다 긴 것을 특징으로 하는 광센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2주기 내에서 상기 충전 스위칭부는 상기 리셋 스위칭부가 턴오프된 후 턴온되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전 스위칭부와 상기 출력 스위칭부가 동시에 턴온되어 있는 충전구간은, 상기 충전 스위칭부가 턴오프 되어 있는 방전구간보다 작은 것을 특징으로 하는 광센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1주기는 상기 제2주기와 동일한 것을 특징으로 하는 광센서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1주기는 상기 제2주기보다 짧은 것을 특징으로 하는 광센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수광 트랜지스터의 게이트 전극 및 소스 전극 간의 전압은 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 직류터미널은 접지단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전하충전부에 소정 레벨의 충전전압을 공급하는 충전전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충전전압의 레벨이 상기 기준전압의 레벨보다 큰 경우,
    상기 직류터미널은 상기 기준전압의 레벨에 대응하는 전압을 출력하는 직류전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 충전전원부는 상기 충전전압을 출력하는 충전전압원과, 일 단이 상기 충전전압원에 연결되고 타 단이 상기 전하충전부와 상기 충전스위칭부 사이에 연결되어 있는 보조충전 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1주기 내에서 상기 보조충전 스위칭부는 상기 충전 스위칭부가 턴오프된 후 턴온되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 신호증폭부의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 신호증폭부로부터 출력되는 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  15. 영상이 표시되는 표시영역 및 영상이 표시되지 않는 비표시영역을 갖는 표시패널과;
    상기 비표시영역에 형성되며 외부 광을 수광하는 수광 트랜지스터와;
    일 단이 상기 수광 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되고, 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부와;
    제1입력단 및 기준 전압부에 연결되어 기준 전압을 입력받는 제2입력단을 갖는 신호증폭부와;
    상기 제1입력단과 상기 전하충전부의 상기 일 단 사이에 연결되어 있는 충전스위칭부와;
    상기 전하충전부가 충전 또는 방전되도록 기설정된 제1주기에 따라 상기 충전 스위칭부를 단속하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 충전 스위칭부는 상기 표시패널 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 표시패널은 제1기판, 상기 제1기판과 마주하는 제2기판 및 상기 제1기판 및 상기 제2기판 중 적어도 하나에 형성되어 외부광을 차단하는 차단층을 포함하고,
    상기 제1입력단과 상기 충전스위칭부 사이의 분지된 지로에 형성되어 있는 더미 스위칭부와;
    상기 차단층의 하부에 형성되어 있으며, 드레인 전극이 상기 더미 스위칭부에 연결되어 있는 더미 트랜지스터와;
    일 단이 상기 더미 트랜지스터의 상기 드레인 전극에 연결되고, 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 더미 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 충전 스위칭부, 상기 더미 스위칭부 및 상기 제1입력단으로 분지되는 노드에 마련되어, 상기 제1입력단으로부터 출력되는 전류에서 상기 더미 스위칭부로 입력되는 전류의 차를 연산하는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치.
  19. 표시패널을 갖는 디스플레이장치의 제어방법에 있어서,
    게이트 전극과 소스 전극 사이의 전압이 일정한 수광 트랜지스터와, 일 단이 상기 수광 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되고 타 단이 직류터미널에 연결되어 있는 전하충전부를 마련하는 단계와;
    상기 전하충전부가 충전되도록 소정의 충전전압을 공급하는 단계와;
    상기 전하충전부의 전하가 상기 수광 트랜지스터로 방전되도록 소정 시간 상기 충전전압의 공급을 중단하는 단계와;
    상기 전하충전부를 충전시키면서, 상기 전하충전부에 충전되는 전하에 대응되는 출력값을 독출하는 단계와;
    독출된 출력값에 기초하여 상기 표시패널의 휘도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치의 제어방법.
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