KR101718476B1 - 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치 - Google Patents

지문 인식 기능을 구비한 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표시 장치에 관한 것이다. 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치는 게이트 신호를 전달하는 복수의 게이트 라인, 상기 복수의 게이트 라인과 교차하여 복수의 화소 영역을 정의하며, 데이터 신호를 전달하는 복수의 데이터 라인, 상기 화소 영역에 위치하며, 상기 복수의 게이트 라인 중 n번째 게이트 라인에 연결된 게이트에 상기 게이트 신호가 인가되면 제1 전극으로 입력된 상기 데이터 신호를 제2 전극으로 출력하는 제1 스위칭 트랜지스터, 상기 화소 영역에 위치하며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 제2 전극에 일단이 연결되며, 상기 데이터 신호에 의해 전하를 저장하는 저장 커패시터, 상기 화소 영역에 위치하며, 제1 전극은 상기 복수의 게이트 라인 중 n-1번째 게이트 라인에 연결되는 수광 소자 및 게이트는 상기 n-1번째 게이트 라인에 연결되고, 제1 전극은 상기 수광 소자의 제2 전극에 연결되며, 제2 전극은 상기 저장 커패시터의 일단에 연결된 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하되, 상기 복수의 데이터 라인은 상기 저장 커패시터의 충전 전압을 읽는데 이용된다.

Description

지문 인식 기능을 구비한 표시 장치{Display capable of finger-print detection}
본 발명은 표시 장치에 관한 것으로, 상세하게는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치에 관한 것이다.
표시 장치에 지문 인식 기능을 구현하기 위한 연구가 계속되고 있다. 지문을 검출하기 위해서, 기존의 게이트 라인 및 데이터 라인 이외에 새로운 라인을 추가하는 구조가 제시되었으나, 개구율을 감소시키는 결과를 초래하였다. 개구율 감소로 인한 문제점을 해결하기 위해서, 백라이트의 밝기를 증가시킬 수 있으나 이는 전력 소모의 증가라는 새로운 문제점을 발생시켰다.
개구율 감소를 최소화하는 새로운 구조의 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치를 제안한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치가 제공된다. 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치는 게이트 신호를 전달하는 복수의 게이트 라인, 상기 복수의 게이트 라인과 교차하여 복수의 화소 영역을 정의하며, 데이터 신호를 전달하는 복수의 데이터 라인, 상기 화소 영역에 위치하며, 상기 복수의 게이트 라인 중 n번째 게이트 라인에 연결된 게이트에 상기 게이트 신호가 인가되면 제1 전극으로 입력된 상기 데이터 신호를 제2 전극으로 출력하는 제1 스위칭 트랜지스터, 상기 화소 영역에 위치하며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 제2 전극에 일단이 연결되며, 상기 데이터 신호에 의해 전하를 저장하는 저장 커패시터, 상기 화소 영역에 위치하며, 제1 전극은 상기 복수의 게이트 라인 중 n-1번째 게이트 라인에 연결되는 수광 소자 및 게이트는 상기 n-1번째 게이트 라인에 연결되고, 제1 전극은 상기 수광 소자의 제2 전극에 연결되며, 제2 전극은 상기 저장 커패시터의 일단에 연결된 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하되, 상기 복수의 데이터 라인은 상기 저장 커패시터의 충전 전압을 읽는데 이용된다.
지문 인식 기능을 구비한 표시 장치는 상기 복수의 데이터 라인을 통해 전달되는 데이터 신호를 출력하는 적어도 하나 이상의 데이터 드라이버 및 상기 복수의 데이터 라인에 연결되며, 상기 저장 커패시터의 충전 전압을 샘플링하는 샘플링 회로를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 샘플링 회로는, 상기 복수의 데이터 라인을 통해 상기 저장 커패시터의 충전 전압을 샘플링하는 제1 충전 전압 샘플링부, 상기 데이터 신호에 상응하는 전압을 샘플링하는 제2 충전 전압 샘플링부, 및 상기 데이터 드라이버와 상기 복수의 데이터 라인 사이에 위치하며, 상기 복수의 데이터 라인을 상기 데이터 드라이버 또는 상기 제1 충전 전압 샘플링부 및 상기 제2 전압 샘플링부에 연결하는 샘플링 설정 스위치를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 충전 전압 샘플링부는, 제1 충전 전압을 유지하는 제1 커패시터, 및 상기 제1 커패시터의 양단에 결합된 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 스위치는 상기 복수의 데이터 라인과 접지 사이에서 스위칭하고, 상기 제2 스위치는 리드아웃 회로의 부극성 입력단과 상기 접지 사이에서 스위칭하며, 상기 제1 충전 전압 샘플링부는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 의해 상기 제1 충전 전압의 극성을 반전하여 출력할 수 있다.
또한, 상기 제2 충전 전압 샘플링부는, 상기 데이터 신호에 상응하는 전압을 유지하는 제2 커패시터, 및 상기 제2 커패시터의 일단에 결합된 제3 스위치를 포함하며, 상기 제3 스위치는 상기 데이터 드라이버의 출력단과 리드아웃 회로의 정극성 입력단 사이에서 스위칭할 수 있다.
여기서, 상기 제1 충전 전압 샘플링부가 샘플링하는 충전 전압은 상기 수광 소자가 출력한 광 전류에 의해 변화된 상기 저장 커패시터의 충전 전압이며, 상기 저장 커패시터는 이전 프레임에 공급된 데이터 신호에 의해 충전된 후 현재 프레임에 새로운 데이터 신호가 공급될 때까지 상기 광 전류에 의해 변화된 충전 전압을 유지할 수 있다.
일 실시예로, 상기 수광 소자는 상기 n-1번째 게이트 라인과 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 상기 제2 전극 사이에 다이오드 결합된 트랜지스터이거나, 플로팅 게이트 트랜지스터일 수 있다.
일 실시예로, 상기 복수의 게이트 라인 각각에 연결된 상기 제2 스위칭 트랜지스터들 및 상기 수광 소자들은 상기 복수의 게이트 라인을 통해 공급되는 상기 게이트 신호에 의해 순차적으로 구동할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 표시 장치에서 지문을 검출하는 방법이 제공된다. 지문 검출 방법은 n-1 번째 게이트 라인에 게이트 신호가 인가되면 입사된 빛을 광전 변환하는 단계, 상기 광전 변환에 의해 생성된 광 전류를 이전 프레임에 제공된 데이터 신호에 의해 충전된 저장 커패시터에 공급하는 단계, n 번째 게이트 라인에 게이트 신호가 인가되면 상기 데이터 신호가 제공되는 데이터 라인을 통해 상기 저장 커패시터의 제1 충전 전압을 샘플링하는 단계 및 현재 프레임에 제공된 데이터 신호에 상응하는 제2 충전 전압을 샘플링하는 단계를 포함한다.
한편, 지문 검출 방법은 상기 제1 충전 전압을 반전시켜 출력하는 단계, 및 상기 제2 충전 전압에서 반전된 제1 충전 전압을 빼서 상기 입사된 빛에 의한 변화량을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 개구율 감소를 최소화할 수 있으며, 소모 전력을 감소시킬 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 화소 영역(P)에 구현된 단위 화소를 예시적으로 도시한 회로도이다.
도 3은 도 1의 화소 영역(P)에 구현된 단위 화소를 예시적으로 도시한 다른 회로도이다.
도 4는 도 1의 표시 장치의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 동작 원리를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 샘플링 회로의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6의 샘플링 회로의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 실시예는 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD) 혹은 유기발광표시장치(Organic Light Emitting Diode; OLED)에 적용될 수 있다. 이하에서는 액정표시장치를 주로 예를 들어 설명하나 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명을 액정표시장치에 한정하는 것이 아니다.
도 1을 참조하면, 액정표시장치는 복수의 게이트 라인들(GL)과 복수의 데이터 라인들(DL)이 교차하여 형성된 복수의 화소 영역(P)을 포함하는 액정패널(100), 게이트 라인(GL)에 게이트 신호를 공급하는 게이트 드라이버(110), 데이터 라인에 데이터 신호를 공급하는 데이터 드라이버(120), 게이트 드라이버(110)를 제어하는 게이트 드라이버 제어신호 GCS 및 데이터 드라이버(120)를 제어하는 데이터 드라이버 제어신호 DCS를 출력하는 타이밍 컨트롤러(130), 지문 인식시 데이터 라인들(DL)을 통해 충전 전압을 샘플링하는 샘플링 회로(140)를 포함한다.
액정패널(100)은 화상을 표시하기 위해서 서로 대향하도록 결합된 하부기판 및 상부기판을 포함한다. 하부기판과 상부기판 사이에는 액정층이 개재된다.
하부기판은 서로 교차하도록 형성된 복수의 데이터 라인 및 복수의 게이트 라인과, 복수의 데이터 라인과 복수의 게이트 라인이 교차되어 정의되는 복수의 화소 영역 중 적어도 일부에 형성된 액정셀 및 지문 센싱셀을 포함한다. 액정셀은 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT) 및 박막 트랜지스터에 결합된 화소전극을 포함한다. 박막 트랜지스터는 게이트 라인을 통해 인가된 게이트 신호에 의해 구동하며, 데이터 라인을 통해 인가된 데이터 신호를 저장 커패시터에 공급한다.
액정셀은 액정층을 사이에 두고 대면하는 공통전극 Vcm과 박막 트랜지스터에 결합된 화소전극을 포함하며, 등가적으로 액정 커패시터 CLc로 표현될 수 있다. 또한, 액정셀은 데이터 신호에 상응하는 화소 전압으로 충전된 액정 커패시터 CLc가 다음 데이터 신호에 의해 충전될 때까지 화소 전압을 유지시키기 위한 저장 커패시터 Cst를 포함한다.
상부기판은 복수의 컬러필터 및 블랙 매트릭스를 포함할 수 있다. 블랙 매트릭스는 화소 영역 또는 액정셀을 정의할 수 있다. 한편, 상부기판은 공통전압이 인가되는 공통전극을 더 포함할 수 있다. 여기서, 액정표시장치의 종류에 따라 공통전극은 하부기판에 형성될 수도 있다.
게이트 드라이버(110)는 타이밍 컨트롤러(130)가 공급하는 게이트 드라이버 제어 신호 GCS에 응답하여 게이트 신호를 복수의 게이트 라인(GL)에 순차적으로 공급한다. 게이트 드라이버(110)는 쉬프트 레지스터, 쉬프트 레지스터의 출력신호를 액정셀의 박막 트랜지스터 구동에 적합한 스윙폭으로 변환하기 위한 레벨 쉬프터 및 레벨 쉬프터와 게이트 라인 사이에 접속되는 출력 버퍼를 포함할 수 있다.
데이터 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(130)가 공급하는 데이터 드라이버 제어신호 DCS에 응답하여 타이밍 컨트롤러(130)가 공급하는 R, G, B 신호를 아날로그 데이터 신호로 변환하고, 게이트 라인에 게이트 신호가 공급되는 1수평 주기마다 1수평 라인분의 데이터 신호를 복수의 데이터 라인에 공급한다. 즉, 데이터 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(130)가 공급하는 신호의 계조 값에 따라 소정 레벨을 가지는 데이터 신호를 복수의 데이터 라인에 공급한다. 이때, 데이터 드라이버(120)는 극성 제어신호에 의해 데이터 신호의 극성을 반전시킬 수 있다.
타이밍 컨트롤러(130)는 외부로부터 공급되는 소스 데이터(RGB)를 액정패널(100)을 구동하는데 적합한 R, G, B 신호로 정렬하고, R, G, B 신호를 데이터 드라이버(120)에 공급한다. 또한, 타이밍 컨트롤러(130)는 외부로부터 입력되는 메인클럭(DCLK), 데이터 인에이블 신호(DE), 수평 및 수직 동기신호(Hsync, Vsync)를 이용하여 데이터 드라이버 제어신호 DCS와 게이트 드라이버 제어신호 GCS를 생성하여 데이터 드라이버(120)와 게이트 드라이버(110) 각각의 구동 타이밍을 제어한다.
샘플링 회로(140)는 액정패널(100)과 데이터 드라이버(120) 사이에 연결된다. 샘플링 회로(140)는 데이터 드라이버(120)가 공급하는 데이터 신호가 데이터 라인을 통해 액정패널(100)로 전달되도록 하고, 순차적으로 인가되는 게이트 신호 사이에 데이터 라인을 통해 저장 커패시터의 충전 전압을 샘플링한다. 여기서, 도 1은 샘플링 회로(140)와 데이터 드라이버(120)를 분리해서 도시하고 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 데이터 드라이버(120)와 샘플링 회로(140)는 일체로 구현될 수 있다. 샘플링 회로의 구성 및 동작은 이하에서 도 6 및 7을 참조하여 설명한다.
도 2는 도 1의 화소 영역(P)에 구현된 단위 화소를 예시적으로 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 단위 화소는 액정셀을 구현하는 제1 트랜지스터 TN1와 저장 커패시터 Cst 및 지문 센싱셀을 구현하는 제2 트랜지스터 TN2와 수광 소자 TP1을 포함한다. 박막 트랜지스터의 소스/드레인 전극은 동일한 구조로 형성되며 연결 위치에 따라 구별되므로, 이하에서는 소스/드레인 전극을 제1 전극/제2 전극으로 표현한다. 아울러, 액정표시장치 및 유기발광표시장치의 일반적인 구조와 동작은 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로 본 발명의 요지와 상관없는 내용에 대한 설명은 생략한다.
제1 트랜지스터 TN1은 데이터 신호를 저장 커패시터 Cst에 인가하는 스위칭 트랜지스터이다. 제1 트랜지스터 TN1의 게이트는 n번째 게이트 라인(여기서, n<=N, N은 게이트 라인의 수)에 결합되고, 제1 전극은 데이터 라인에 결합되며, 제2 전극은 저장 커패시터 Cst의 일단 및 화소 전극에 결합된다. 도 2에서 화소 전극과 공통 전극 및 그 사이에 개재된 액정층은 액정 커패시터 Clc로 표시되어 있다.
제2 트랜지스터 TN2는 광 전류를 저장 커패시터 Cst에 인가하는 스위칭 트랜지스터이다. 제2 트랜지스터 TN2의 게이트는 n-1번째 게이트 라인에 결합되고, 제1 전극은 수광 소자 TP1의 제2 전극에 결합되며, 제2 전극은 저장 커패시터 Cst의 일단에 결합된다. 제2 트랜지스터 TN2는 수광 소자 TP1이 동작하지 않는 동안 액정셀이 기존과 동일하게 동작할 수 있도록 한다. 즉, 수광 소자 TP1는 n-1번째 게이트 라인에 게이트 신호가 인가되는 동안에만 광 전류를 저장 커패시터 Cst에 제공하여야 하며, 그 외의 기간에는 입사광이 검출되더라도 광 전류를 저장 커패시터 Cst에 제공하여서는 안 된다. 따라서, 제2 트랜지스터 TN2와 수광 소자 TP1은 n-1번째 게이트 라인에 게이트 신호가 인가될 때만 동작하며, 그 외의 기간에는 동작하지 않아야 한다. 한편, 액정셀의 개구율 손실을 최소화하기 위해서, 제2 트랜지스터 TN2는 게이트 라인 또는 데이터 라인에 최대한 가깝게 형성되거나, 게이트 라인 또는 데이터 라인과 중첩되게 형성될 수 있다.
수광 소자 TP1은 P형 플로팅 게이트 트랜지스터로 구현될 수 있다. 수광 소자 TP1는 입사광(hv)을 광전변환하여 광 전류를 저장 커패시터 Cst에 제공한다. 여기서, 수광 소자 TP1는 입사광(hv)에 의해 분극된 플로팅 게이트에 의한 전계로 소스와 드레인간 형성된 채널을 흐르는 광 전류의 크기를 제어할 수 있다. 수광 소자 TP1의 제1 전극은 n-1번째 게이트 라인에 결합되며, 제2 전극은 제2 트랜지스터 TN2의 제1 전극에 결합된다. 수광 소자 TP1의 바디는 플로팅 바디로 형성될 수 있다. 수광 소자 TP1의 제1 전극에 인가되는 게이트 신호는 데이터 신호에 비해 상대적으로 높은 전압이므로, 적은 양의 입사광(hv)에 의해서도 충분한 크기의 광 전류를 출력할 수 있다.
저장 커패시터 Cst는 데이터 신호에 의해 충전되며 다음 데이터 신호에 의해 충전될 때까지 충전 전압을 유지한다. 또한, 저장 커패시터 Cst는 수광 소자 TP1이 제공한 광 전류에 의해 이전 데이터 신호에 의해 충전되었던 전압 값이 변경될 수 있다. 이 때, n번째 게이트 라인에 연결된 저장 커패시터 Cst의 충전 전압이 광 전류에 의해 변경되는 시간은 n-1번째 게이트 라인에 연결된 액정셀에 새로운 데이터 신호를 저장하는 시간 동안으로 한정된다. 이전 데이터 표시시간에 비하여 상대적으로 매우 짧은 시간 동안 저장 커패시터 Cst의 충전 전압이 변화되어야 하는 이유는, 전체적으로 화면의 밝기 및 표시 내용의 변화를 최소화 시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 표시 장치의 게이트 라인의 수가 480개라고 하면 1/480의 순간 동안만 데이터가 변할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우, 표시되고 있는 화면이 게이트 라인별로 순간적으로 변화하므로, 사용자는 이 변화를 인지할 수 없게 된다. 한편, 저장 커패시터 Cst의 일단은 제1 트랜지스터 TN1의 제2 전극 및 제2 트랜지스터 TN2의 제2 전극에 결합되며, 저장 커패시터 Cst의 타단에는 커패시터 기준 전압 Vcs가 인가된다.
도 3은 도 1의 화소 영역(P)에 구현된 단위 화소를 예시적으로 도시한 다른 회로도이다. 도 2와 중복되는 설명은 생략하고 차이점만 설명한다.
도 3을 참조하면, 수광 소자 TN3은 N형 트랜지스터로 구현될 수 있다. 수광 소자 TN3은 입사광(hv)을 광전변환하여 광 전류를 저장 커패시터 Cst에 제공한다. 수광 소자 TN3은 n-1번째 게이트 라인과 제2 트랜지스터 TN2의 제1 전극 사이에 모스팻 다이오드의 형태로 결합된다. 수광 소자 TN3는 도 2에 도시된 플로팅 게이트 방식의 수광소자 TP1과 같이 제1 전극이 n-1번째 게이트 라인을 통해서 전원에 연결되며 제2 전극으로 전류를 출력하는 방식은 동일하지만 TP1에 비해 상대적으로 낮은 광감도를 가질 수 있는 반면, 액정셀과 동일한 n형 모스팻 만을 이용할 수 있어서 제조공정의 단순화 및 제조 공정비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.
도 4는 도 1의 표시 장치의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 게이트 신호 Vgate가 복수의 게이트 라인 중 n-1번째 게이트 라인 GLn -1에 공급된다. 이에 따라 게이트 라인 GLn -1에 결합된 액정셀 LCn -1 및 지문 센싱셀 FDn이 구동한다. n번째 게이트 라인 GLn에 대응하는 화소 영역에 위치한 지문 센싱셀 FDn의 제2 트랜지스터 TN2n의 게이트와 수광 소자 TP1n 또는 수광 소자 TN3n의 제1 전극은 게이트 라인 GLn -1에 결합되어 있다. 따라서 동일한 화소 영역에 위치한 액정셀 LCn은 아직 구동하지 않지만, 지문 센싱셀 FDn는 게이트 라인 GLn -1이 공급하는 게이트 신호 Vgate에 의해 전원을 공급받아 구동할 수 있다.
시간 t1부터 시간 t3 사이에 게이트 신호 Vgate가 게이트 라인 GLn -1에 공급되면, 데이터 신호가 액정셀 LCn -1 에 데이터 라인을 통해 공급된다. 지문 센싱셀 FDn도 시간 t1부터 시간 t3 사이에 구동하여 입사광을 검출한다. 수광 소자 TP1n 또는 수광 소자 TN3n이 입사광을 광전변환하여 생성한 광 전류는 n번째 저장 커패시터 Cstn에 공급된다. 여기서, 지문 센싱셀 FDn이 게이트 라인 GLn -1에 공급된 게이트 신호 Vgate에 의해 구동하지만, 지문 센싱셀 FDn은 액정셀 LCn이 위치한 화소 영역으로 입사되는 입사광을 검출한다. 한편, 시간 t1부터 시간 t2사이에 게이트 라인 GLn -1에 대응하는 화소 영역에 위치한 저장 커패시터 Cstn-1의 충전 전압이 샘플링된다.
시간 t4부터 시간 t7 사이에 게이트 신호 Vgate가 게이트 라인 GLn에 공급되면, 게이트 라인 GLn에 대응하는 화소 영역에 위치한 저장 커패시터 Cstn의 제1 충전 전압이 시간 t4부터 시간 t5 사이에 샘플링된다. 제1 충전 전압은 이전 프레임에 인가된 데이터 신호에 의한 화소 전압과 시간 t1부터 시간 t3 사이에 지문 센싱셀 FDn이 입사광을 광전변환하여 출력한 광 전류에 의한 전압(이하 광 전압이라 함)의 합이다. 제1 충전 전압은 게이트 라인 GLn에 결합된 액정셀 LCn에 데이터 신호가 인가되기 전에 샘플링된다. 여기서, 제1 충전 전압이 데이터 신호가 공급되기 전에 샘플링될 수 있도록 하기 위해, 게이트 신호 Vgate가 공급되기 시작하는 시간 t4부터 데이터 신호가 공급되기 시작하는 시간 t5 사이에 충분한 여유가 있어야 한다. 한편, 시간 t4부터 시간 t7 사이에 게이트 신호 Vgate가 게이트 라인 GLn에 공급되면, n+1번째 게이트 라인 GLn +1에 대응하는 화소 영역에 위치한 지문 센싱셀 FDn +1이 구동한다.
시간 t5부터 시간 t7 사이에 데이터 신호가 게이트 라인 GLn에 결합된 액정셀 LCn에 데이터 라인을 통해 공급되면, 게이트 라인 GLn에 대응하는 화소 영역에 위치한 저장 커패시터 Cstn의 제2 충전 전압이 시간 t6부터 시간 t7 사이에 샘플링된다. 제2 충전 전압은 현재 프레임에 인가된 데이터 신호에 의한 화소 전압이다.
상술한 바와 같이, 하나의 게이트 신호 Vgate는 동일한 게이트 라인 GL에 결합된 액정셀 LC과 지문 센싱셀 FD를 동시에 구동시킨다. 또한, 게이트 신호 Vgate는 복수의 게이트 라인 GL을 통해 순차적으로 공급되므로, 지문 센싱셀 FD 역시 순차적으로 구동한다. 모든 지문 센싱셀 FD들이 동시에 구동하는 대신에 각 게이트 라인 GL에 결합된 지문 센싱셀 FD이 게이트 신호 Vgate에 의해 순차적으로 구동하므로, 동시 구동의 경우에 비해 지문 인식에 소요되는 시간은 증가하지만, 지문 센싱셀로 인한 소비 전력의 추가적인 증가는 크지 않다. 또한, 터치 인식과 달리, 지문 인식은 즉각적인 검출이 일반적으로 요구되지 않는다. 일반적인 표시 장치는 초당 수십 프레임을 출력하기 때문에, 지문 센싱셀이 순차적으로 구동하여 지문을 검출하더라도 기존 어플리케이션, 예를 들어, 사용자 인증 등에 소요되는 시간은 실질적으로 차이가 없거나 더 작을 수도 있다.
도 5는 본 발명의 동작 원리를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
액정표시장치는 반짝거림(Flicker)을 방지하기 위해 액정셀에 인가하는 데이터 신호의 극성을 설정된 단위마다 다르게 하는 반전(Inversion) 방식을 이용한다. 데이터 신호의 극성은 예를 들어, 액정셀 단위, 라인 단위, 프레임 단위로 반전될 수 있다. 이하에서는 이전 프레임에 부극성(또는 음극성)의 데이터 신호가 인가된 단위 화소를 예로 들어 설명한다. 참고로, 도 5에서는 지문의 융선이 위치한 경우 광 전류에 의해 충전 전압의 극성이 변하는 예를 설명하였지만, 다양한 요소, 예를 들어, 저장 커패시터의 커패시턴스, 광전 소자의 종류나 효율 등에 의해서 충전 전압의 극성이 변화하지 않을 수도 있음을 이해하여야 한다.
도 5를 참조하면, 지문이 위치하지 않는 단위 화소 A, 지문의 융선이 위치하는 단위 화소 B, 및 지문의 골이 위치하는 단위 화소 C가 도시되어 있다. 지문의 융선 또는 골이 단위 화소 A의 상부에 위치하고 있지 않으므로, 단위 화소 A가 생성한 빛은 커버 글라스를 통과하여 진행하지만, 단위 화소 A로 입사되는 빛은 없다. 이에 반해, 단위 화소 B에 있어서, 지문의 융선이 단위 화소 B의 상부에 위치하므로, 융선에 반사된 빛 또는 융선으로부터 나오는 빛은 단위 화소 B로 입사한다. 유사하게, 단위 화소 C에 있어서, 지문의 골이 단위 화소 C의 상부에 위치하므로, 골에 반사된 빛 또는 골로부터 나오는 빛이 단위 화소 C로 입사한다. 이 때, 단위 화소 B로 입사하는 빛의 세기 또는 광량은 단위 화소 C로 입사된 빛의 세기 또는 광량보다 상대적으로 크다.
단위 화소 B와 단위 화소 C에 있어서, 각 지문 센싱셀은 입사된 빛의 세기 또는 광량에 실질적으로 비례하는 광 전류를 생성한다. 생성된 광 전류가 저장 커패시터에 공급되면, 저장 커패시터의 충전 전압이 변화한다. 즉, 저장 커패시터의 충전 전압은 이전 프레임에 공급된 데이터 신호에 의해 부극성의 화소 전압을 유지하고 있으며, 지문 센싱셀에 의해 공급된 광 전류에 의해 충전 전압이 변화하게 된다. 단위 화소 B에서, 지문의 융선에 반사되어 나온 빛에 상응하는 광 전류가 저장 커패시터에 공급된다. 입사된 빛의 세기 또는 광량에 실질적으로 비례하는 광 전류로 인해, 저장 커패시터의 충전 전압은 부극성에서 정극성(또는 양극성)으로 변한다. 한편, 단위 화소 C에서, 지문의 골에 반사되어 나온 빛에 상응하는 광 전류는 단위 화소 B에서 생성된 광 전류보다 상대적으로 작으므로, 저장 커패시터의 충전 전압은 변하지만 극성은 변하지 않는다.
입사된 빛에 의한 변화량을 측정하기 위해서, 저장 커패시터의 충전 전압이 제1 충전 전압과 제2 충전 전압으로 샘플링된다. 여기서, 샘플링된 제1 충전 전압은 이전 프레임에 공급된 데이터 신호에 상응하는 화소 전압이 광 전류에 의해 변화된 전압이며, 샘플링된 제2 충전 전압은 현재 프레임에 공급된 데이터 신호에 상응하는 화소 전압이다. 한편, 제2 충전 전압은 데이터 신호에 상응하는 화소 전압이기 때문에, 제2 충전 전압은 데이터 드라이버에서 출력되는 데이터 신호를 샘플링해서 획득할 수도 있다. 샘플링된 제1 충전 전압과 제2 충전 전압의 극성이 다르므로, 변화량을 측정하기 위해서는 제1 충전 전압의 극성을 반전시킨 후 제2 충전 전압과의 차이를 산출하여야 한다. 여기서, 제1 충전 전압과 제2 충전 전압은 동일한 프레임에서 제공된 데이터 신호에 의해 생성된 값이 아니므로, 이전 프레임과 현재 프레임간 변화가 거의 없어야 한다.
단위 화소 A에 있어서, 입사된 빛에 의해 발생한 광 전류가 없으므로, 제1 충전 전압과 제2 충전 전압은 실질적으로 동일하다. 즉, 제1 충전 전압과 제2 충전 전압은 극성만 달라질 뿐 절대값은 실질적으로 동일하다. 따라서, 부극성인 제1 충전 전압의 극성을 반전하여 정극성인 제2 충전 전압에서 빼면, 그 값은 실질적으로 0이다. 이는 단위 화소 A에는 지문의 융선이나 골이 위치하지 않음을 나타낸다.
단위 화소 B에 있어서, 입사된 빛에 의해 발생한 상대적으로 큰 광전류로 인해 제1 충전 전압의 극성이 반전되었다. 따라서 제1 충전 전압의 극성을 반전시킨 후 제2 충전 전압에서 빼면, 그 값은 제2 충전 전압보다 크게 된다.
단위 화소 C에 있어서, 입사된 빛에 의해 발생한 상대적으로 작은 광전류로 인해 제1 충전 전압이 변화하였지만, 극성이 반전될 정도로 변화하지는 않았다. 따라서 제1 충전 전압의 극성을 반전시킨 후 제2 충전 전압에서 빼면, 그 값은 제2 충전 전압보다 작게 된다.
이상에서는 부극성-정극성의 순서로 저장 커패시터의 충전 전압이 변경되는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 정극성-부극성의 순서로 저장 커패시터의 충전 전압이 변경되는 경우에도 본 동작 원리를 적용할 수 있다. 고정 전원으로부터 전류를 받기 때문에, 부극성의 충전 전압은 정극성의 충전 전압에 비해 광 전류에 의한 변화량이 상대적으로 클 수 있다. 그러나 정극성의 충전 전압은 광 전류에 의해 추가로 증가할 수 있는 여유가 거의 없을 수 있다. 예를 들어, 정극성이고 가장 밝은 백색광 상태에서는 저장 커패시터의 충전 전압이 광 전류에 의해 증가하지 않을 수 있다.
도 6은 샘플링 회로의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면으로, 도 5에서 설명한 동작 원리를 회로로 구현한 실시예를 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 샘플링 회로(140)는 샘플링 설정 스위치부(141), 제1 충전 전압 샘플링부(142) 및 제2 충전 전압 샘플링부(143)를 포함한다.
샘플링 설정 스위치(141)는 두 개의 스위치 S1, S2로 구성되며, 데이터 드라이버(120)와 액정 패널(100) 사이에 위치한다. 샘플링 설정 스위치(141)는 스위치 S1, S2를 온 또는 오프하여 데이터 드라이버(120)로부터 출력된 데이터 신호가 액정 패널(100)로 전달되는 경로를 형성하거나, 액정 패널(100)의 단위 화소로부터 제1 충전 전압 및/또는 제2 충전 전압을 읽어 들이기 위한 경로를 형성한다. 구체적으로, 스위치 S1의 일단은 데이터 드라이버(120)의 출력단에 연결되며, 스위치 S1의 타단은 액정 패널(100)의 데이터 라인에 연결된다. 스위치 S2의 일단은 스위치 S1의 타단에 연결되며, 스위치 S2의 타단은 1 충전 전압 샘플링부(142) 및 제2 충전 전압 샘플링부(143)의 입력단에 연결된다.
제1 충전 전압 샘플링부(142)는 두 개의 스위치 S3, S3'와 제1 커패시터 Cdata로 구성되며, 스위치 S2의 타단과 접지 노드 사이에 위치한다. 제1 충전 전압 샘플링부(142)는 액정 패널(100)의 단위 화소에 위치한 저장 커패시터의 제1 충전 전압을 샘플링하고, 샘플링된 제1 충전 전압의 극성을 반전하여 출력한다. 구체적으로, 스위치 S3는 접점 1과 접점 2 사이에서 스위칭하며, 스위치 S3'는 접점 3과 접점 4 사이에서 스위칭한다. 제1 충전 전압을 샘플링할 때, 스위치 S3는 접점 1에 연결되며, 스위치 S3'는 접점 4에 연결된다. 이로 인해, 제1 커패시터 Cdata의 일단이 데이터 라인에 연결되며, 제1 커패시터 Cdata가 저장 커패시터의 제1 충전 전압으로 충전될 수 있다. 샘플링된 제1 충전 전압을 출력할 때, 스위치 S3는 접점 2에 연결되며, 스위치 S3'는 접점 3에 연결된다. 이로 인해, 제1 커패시터 Cdata의 양단에 걸린 제1 충전 전압의 극성이 반전되어 출력된다. 반전된 제1 충전 전압은 접점 3을 통해 리드아웃 회로(150)의 부극성 입력단 INN에 입력된다.
제2 충전 전압 샘플링부(143)는 스위치 S4와 제2 커패시터 Cref로 구성되며, 스위치 S2의 타단과 접지 노드 사이에 위치한다. 제2 충전 전압 샘플링부(143)는 액정 패널(100)의 단위 화소에 위치한 저장 커패시터의 제2 충전 전압을 샘플링하여 출력한다. 구체적으로, 스위치 S4는 접점 5와 접점 6 사이에서 스위칭한다. 제2 충전 전압을 샘플링할 때, 스위치 S4는 접점 5에 연결된다. 이로 인해, 제2 커패시터 Cref의 일단은 데이터 라인 또는 데이터 드라이버(120)의 출력단에 연결되며, 제2 커패시터 Cref가 제2 충전 전압으로 충전될 수 있다. 여기서, 제2 충전 전압은 데이터 드라이버(120)로부터 출력된 데이터 신호에 상응하는 화소 전압일 수도 있다. 제2 충전 전압은 접점 6을 통해 리드아웃 회로(150)의 정극성 입력단 INP에 입력된다.
리드아웃 회로(150)는 샘플링 회로(140)의 출력단에 연결되며, 샘플링된 제1 충전 전압과 제2 충전 전압을 이용하여 입사된 빛에 의한 변화량을 출력한다.
도 7은 도 6의 샘플링 회로의 동작을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 게이트 신호 Vgate가 복수의 게이트 라인 중 n번째 게이트 라인 GLn에 공급된다. 시간 t8부터 시간 t9 사이에 스위치 S1은 개방되어 데이터 드라이버(120)와 데이터 라인간 연결이 전기적으로 해제되고, 스위치 S2는 닫혀서 샘플링 회로(140)와 데이터 라인간 연결이 전기적으로 설정된다. 시간 t8부터 시간 t9에 의해 정의되는 시구간은 도 3의 시간 t3부터 시간 t5에 의해 정의되는 시구간과 실질적으로 동일할 수 있다. 한편, 시간 t8부터 시간 t9 사이에 스위치 S3와 S'3는 각각 접점 1과 접점 4에 연결되며, 스위치 S4는 접점 6에 연결되어 있다. 따라서, 제1 커패시터 Cdata는 데이터 라인과 접지 사이에 연결되어 저장 커패시터의 제1 충전 전압으로 충전된다.
시간 t9부터 시간 t13 사이에 스위치 S1은 닫혀서 데이터 드라이버(120)와 데이터 라인간 연결이 전기적으로 설정된다.
시간 t9부터 시간 t11 사이에 스위치 S2는 개방되어 샘플링 회로(140)와 데이터 라인간 연결이 전기적으로 해제된다.
시간 t10부터 시간 t13 사이에 스위치 S3와 스위치 S'3는 각각 접점 2와 접점 3에 연결된다. 접점 2는 접지에 연결되어 있고, 접점 3은 제1 충전 전압 샘플링부(142)의 출력단이므로, 제1 커패시터 Cdata에 저장된 제1 충전 전압의 극성이 반전되어 출력된다.
시간 t11부터 시간 t13 사이에 스위치 S2가 닫히고, 시간 t11부터 시간 t12 사이에 S4가 접점 5에 연결된다. 이로 인해, 제2 충전 전압 샘플링부(143)는 데이터 드라이버(120)로부터 출력된 데이터 신호로 충전된다. 여기서, 데이터 신호에 의해 충전된 제2 커패시터 Cref의 양단 전압은 제2 충전 전압과 실질적으로 동일하다.
시간 t12에서 스위치 S4가 접점 6에 다시 연결된다. 따라서 시간 t12부터 시간 t13 사이에 샘플링된 제1 충전 전압과 제2 충전 전압이 샘플링 회로(140)에서 출력된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 액정패널
110: 게이트 드라이버
120: 데이터 드라이버
130: 타이밍 컨트롤러
140: 샘플링 회로

Claims (12)

  1. 순차적으로 게이트 신호를 전달하는 복수의 게이트 라인;
    상기 복수의 게이트 라인과 교차하여 복수의 화소 영역을 정의하며, 데이터 신호를 전달하는 복수의 데이터 라인;
    상기 화소 영역에 위치하며, 상기 복수의 게이트 라인 중 n번째 게이트 라인에 연결된 게이트에 상기 게이트 신호가 인가되면 제1 전극으로 입력된 상기 데이터 신호를 제2 전극으로 출력하는 제1 스위칭 트랜지스터;
    상기 화소 영역에 위치하며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 제2 전극에 일단이 연결되며, 상기 데이터 신호에 의해 전하를 저장하는 저장 커패시터;
    상기 화소 영역에 위치하며, 제1 전극은 상기 복수의 게이트 라인 중 n-1번째 게이트 라인에 연결되는 수광 소자; 및
    게이트는 상기 n-1번째 게이트 라인에 연결되고, 제1 전극은 상기 수광 소자의 제2 전극에 연결되며, 제2 전극은 상기 저장 커패시터의 일단에 연결된 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하되,
    상기 복수의 데이터 라인은 상기 저장 커패시터의 충전 전압을 읽는데 이용되는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 데이터 라인을 통해 전달되는 데이터 신호를 출력하는 적어도 하나 이상의 데이터 드라이버; 및
    상기 복수의 데이터 라인에 연결되며, 상기 저장 커패시터의 충전 전압을 샘플링하는 샘플링 회로를 더 포함하는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 샘플링 회로는,
    상기 복수의 데이터 라인을 통해 상기 저장 커패시터의 충전 전압을 샘플링하는 제1 충전 전압 샘플링부;
    상기 데이터 신호에 상응하는 전압을 샘플링하는 제2 충전 전압 샘플링부; 및
    상기 데이터 드라이버와 상기 복수의 데이터 라인 사이에 위치하며, 상기 복수의 데이터 라인을 상기 데이터 드라이버 또는 상기 제1 충전 전압 샘플링부 및 상기 제2 충전 전압 샘플링부에 연결하는 샘플링 설정 스위치를 포함하는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 충전 전압 샘플링부는,
    제1 충전 전압을 유지하는 제1 커패시터, 및
    상기 제1 커패시터의 양단에 결합된 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하며,
    상기 제1 스위치는 상기 복수의 데이터 라인과 접지 사이에서 스위칭하고,
    상기 제2 스위치는 리드아웃 회로의 부극성 입력단과 상기 접지 사이에서 스위칭하며,
    상기 제1 충전 전압 샘플링부는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 의해 상기 제1 충전 전압의 극성을 반전하여 출력하는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 충전 전압 샘플링부는,
    상기 데이터 신호에 상응하는 전압을 유지하는 제2 커패시터, 및
    상기 제2 커패시터의 일단에 결합된 제3 스위치를 포함하며,
    상기 제3 스위치는 상기 데이터 드라이버의 출력단과 리드아웃 회로의 정극성 입력단 사이에서 스위칭하는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 충전 전압 샘플링부가 샘플링하는 충전 전압은 상기 수광 소자가 출력한 광 전류에 의해 변화된 상기 저장 커패시터의 충전 전압이며,
    상기 저장 커패시터는 이전 프레임에 공급된 데이터 신호에 의해 충전된 후 현재 프레임에 새로운 데이터 신호가 공급될 때까지 상기 광 전류에 의해 변화된 충전 전압을 유지하는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이전 프레임에 공급된 데이터 신호의 극성과 상기 현재 프레임에 공급된 데이터 신호의 극성은 상이한 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수광 소자는 상기 n-1번째 게이트 라인과 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 상기 제2 전극 사이에 다이오드 결합된 트랜지스터인 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 수광 소자는 플로팅 게이트 트랜지스터인 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 게이트 라인 각각에 연결된 상기 제2 스위칭 트랜지스터들 및 상기 수광 소자들은 상기 복수의 게이트 라인을 통해 공급되는 상기 게이트 신호에 의해 순차적으로 구동하는 지문 인식 기능을 구비한 표시 장치.
  11. n-1 번째 게이트 라인에 게이트 신호가 인가되면 상기 n-1 번째 게이트 라인에 연결된 수광 소자가 입사된 빛을 광전 변환하는 단계;
    상기 광전 변환에 의해 생성된 광 전류를 이전 프레임에 제공된 데이터 신호에 의해 충전된 n 번째 게이트 라인에 연결된 저장 커패시터에 공급하는 단계;
    상기 n 번째 게이트 라인에 게이트 신호가 인가되면 상기 데이터 신호가 제공되는 데이터 라인을 통해 상기 저장 커패시터의 제1 충전 전압을 샘플링하는 단계; 및
    현재 프레임에 제공된 데이터 신호에 상응하는 제2 충전 전압을 샘플링하는 단계를 포함하는 지문 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 충전 전압을 반전시켜 출력하는 단계; 및
    상기 제2 충전 전압에서 반전된 제1 충전 전압을 빼서 상기 입사된 빛에 의한 변화량을 검출하는 단계를 더 포함하는 지문 검출 방법.
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