KR101899423B1 - 투명 지문인식 패널 및 이를 포함하는 지문인식 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

정전용량 방식의 지문인식 센서 어레이가 투명한 패널 형태로 제공되는 투명 지문인식 패널 및 디스플레이 패널 상에 이러한 투명 지문인식 패널을 포함하는 지문인식 디스플레이 장치가 개시된다. 상기 지문인식 센서 어레이는, 다수의 게이트 라인; 상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인; 및, 상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소;를 포함하고, 서로 인접한 N개(N은 2 이상의 자연수)의 게이트 라인에 대응되는 N개 행의 센서 화소로 이루어진 일시적 검출 화소 그룹의 각 센서 화소 전극으로부터 상기 다수의 리드아웃 라인을 통해 동시에 정전용량 신호를 검출하며, 상기 다수의 게이트 라인에 순차적으로 인가되는 게이트 온(On) 신호가 1개의 라인 단위로 시프트(shift) 될 때마다 상기 일시적 검출 화소 그룹도 1개의 행씩 순차적으로 시프트 되도록 구동된다.

Description

투명 지문인식 패널 및 이를 포함하는 지문인식 디스플레이 장치{Transparent Fingerprint Image Scanning Panel and Display Apparatus Comprising The Same}

본 발명은 정전용량 방식의 지문인식 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 정전용량 방식의 지문인식 센서 어레이가 투명한 패널 형태로 제공되는 투명 지문인식 패널 및 디스플레이 패널 상에 이러한 투명 지문인식 패널을 포함하는 지문인식 디스플레이 장치에 관한 것이다.

최근 정보통신상의 보안 문제가 이슈화되면서 스마트폰, 태블릿 PC 등 개인휴대용 정보통신기기 분야에서도 보안 관련 기술이 화두가 되고 있다. 사용자들의 휴대기기를 통한 전자상거래 등도 늘어나고 있는데, 특히 핀테크(FinTech)라 불리는 금융과 정보통신 융합기술의 발전이 활발히 이루어지면서 지문, 홍채, 안면, 음성, 혈관 등의 생체 정보를 이용하여 개인을 식별하고 인증하는 기술들이 개발되고, 활용되고 있다. 다양한 생체 정보 인증 기술 중 가장 보편적으로 사용되고 있는 기술은 지문인식을 통한 인증 기술이다. 최근에는, 스마트폰 및 태블릿 PC의 휴대용 정보통신기기에 지문인식 및 이를 통한 인증 기술이 적용된 제품이 출시되었다.

현재까지 휴대용 정보통신기기에 적용된 지문인식 센서의 주류는 반도체 웨이퍼 기반의 정전용량 방식 지문인식 센서이다. 이 방식의 지문인식 센서는 우선 불투명하기 때문에 홈 키나 사이드 키 또는 후면 키 등에 설치되어 왔다. 그런데, 이런 부분에 설치될 경우 지문인식 센서의 정확하고 편리한 활용을 위해 충분한 면적을 확보하는 데에 한계가 있다. 또한 위치가 한정되어 사용자의 편의성에도 제약이 따른다. 그리고, 정전용량 방식의 지문인식 센서는 실리콘 고무(silicone rubber) 등을 이용한 위조 지문에도 취약한 것으로 알려져 있다.

한편, 최근에는 휴대용 정보통신기기에서 가장 넓은 면적을 차지하는 디스플레이 패널에 터치 인식 또는 지문인식을 위한 센서를 통합하여 일체화하는 기술에 관해서도 연구와 개발이 진행되고 있다. 휴대용 정보통신기기에는 디스플레이 패널의 보호를 위해 커버 글라스(Cover Glass)가 적용되는 것이 일반적이므로, 커버 글라스에 하면에 투명 지문인식 센서 어레이를 형성하는 것이 이상적이라고 볼 수 있다. 그러나, 커버 글라스는 그 두께가 두꺼워서 정전용량 방식으로 지문인식에 필요한 감도와 해상도를 확보하는 데에 어려움이 따른다.

휴대용 정보통신기기의 디스플레이 패널 보호용 커버 글라스에 정정용량 방식의 지문인식 센서 어레이를 형성하는 것을 가정할 때, 디스플레이 패널 상에 배치되더라도 투명전극과 투명 반도체 활성층을 이용하면 우수한 시인성을 제공할 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 지문인식에 필요한 센서 어레이의 해상도를 갖추기 위해서는 인접 센싱 화소간의 간격이 좁아질 수밖에 없는 점을 고려하면, 커버 글라스의 두께에 따른 센서 화소간의 크로스톡(Cross Talk)이 지문인식의 정확도를 떨어뜨리는 요인이 된다.

따라서, 본 발명은 디스플레이 시인성을 크게 저해하지 않아 커버 글라스에 배치될 수 있도록 구성되면서, 센서 화소간의 크로스톡을 효과적으로 방지하여 지문인식의 정확도를 높일 수 있는, 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널 및 이를 포함하는 지문인식 디스플레이 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

전술한 과제의 해결을 위해, 본 발명에 따른 투명 지문인식 패널은, 투명 절연성 기판에 적어도 일부가 투명한 소재로 이루어진 지문인식 센서 어레이가 형성되어 지문 융선의 접촉에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널로서, 상기 지문인식 센서 어레이는, 다수의 게이트 라인; 상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인; 및, 상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소;를 포함하고, 서로 인접한 N개(N은 2 이상의 자연수)의 게이트 라인에 대응되는 N개 행의 센서 화소로 이루어진 일시적 검출 화소 그룹의 각 센서 화소 전극으로부터 상기 다수의 리드아웃 라인을 통해 정전용량 신호를 검출하며, 상기 다수의 게이트 라인에 순차적으로 인가되는 게이트 온(On) 신호가 1개의 라인 단위로 시프트(shift) 될 때마다 상기 일시적 검출 화소 그룹도 1개의 행씩 순차적으로 시프트 되도록 구동된다.

여기서, 상기 N은 3 이상의 홀수일 수 있다.

상기 다수의 센서 화소 각각은, 상기 센서 화소 전극에 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽이 연결되고, 나머지 한쪽이 상기 리드아웃 라인에 연결되며, 그 게이트 전극이 홀딩 노드(Holding Node)에 연결된, 리드아웃 트랜지스터를 더 포함하고, 어느 한 일시적 검출 화소 그룹의 정전용량 신호 검출 타이밍에 그 그룹에 속한 모든 센서 화소의 상기 홀딩 노드에는 상기 리드아웃 트랜지스터를 온(On) 시키는 동일한 작동 전위가 유지되도록 구성된 것일 수 있다.

이때, 상기 다수의 센서 화소 각각은, 그에 대응되는 게이트 라인의 게이트 신호에 따라 상기 홀딩 노드에 상기 작동 전위를 인가하는 스위치 트랜지스터; 및, 그 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽이 상기 홀딩 노드에 연결되고, 그 게이트 전극은 상기 스위치 트랜지스터에 대응되는 게이트 라인으로부터 N번째인 게이트 라인에 연결되어 그 신호에 따라 상기 홀딩 노드의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터;를 더 포함할 수 있다.

상기 다수의 게이트 라인, 상기 다수의 리드아웃 배선, 및 상기 다수의 센서 화소 전극은 투명 도전체로 형성될 수 있다.

한편, 상기 리드아웃 트랜지스터, 상기 스위치 트랜지스터, 및 상기 리셋 트랜지스터는 투명 산화물 반도체 활성층을 갖는 박막 트랜지스터일 수 있다.

본 발명의 한 측면에 따른 투명 지문인식 패널은, 투명 절연성 기판에 적어도 일부가 투명한 소재로 이루어진 지문인식 센서 어레이가 형성되어 지문 융선의 접촉에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널로서, 상기 지문인식 센서 어레이는, 다수의 게이트 라인; 상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인; 상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소; 각 센서 화소에 대응되는 게이트 라인의 게이트 온(On) 신호에 따라 홀딩 노드(Holding Node)에 작동 전위를 인가하는 스위치 트랜지스터; 상기 홀딩 노드에 그 게이트 전극이 연결되어 상기 작동 전위가 인가된 동안 온(On) 상태가 유지되며, 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽은 상기 센서 화소 전극과 연결되고 나머지 한쪽은 상기 리드아웃 라인에 연결된, 리드아웃 트랜지스터; 및, 상기 홀딩 노드에 그 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽이 연결되고, 그 게이트 전극은 해당 센서 화소가 속한 검출 화소 그룹에 전기적으로 연결되지 않는 게이트 라인에 연결되어 그 신호에 따라 상기 홀딩 노드의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 를 포함한다.

여기서, 어느 한 게이트 라인의 게이트 신호에 따라 상기 홀딩 노드에 상기 작동 전위가 인가되면, 상기 한 게이트 라인으로부터 N번째인 게이트 라인에 게이트 온 신호가 인가될 때까지 상기 홀딩 노드의 작동 전위가 유지되도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 홀딩 노드에 인가된 작동 전위가 유지되는 동안 상기 센서 화소 전극으로부터 상기 다수의 리드아웃 라인을 통해 N번 정전용량 신호를 검출할 수 있다.

또한, 상기 다수의 센서 화소의 각 행마다 상기 게이트 라인과 평행하게 형성되고, 상기 각 행에 속한 센서 화소의 리셋 트랜지스터들과 연결된, 리셋 라인을 더 포함하고, 상기 각 행에 대응되는 게이트 라인으로부터 N번째인 게이트 라인과 상기 리셋 라인은 배선을 통해 연결될 수 있다.

본 발명의 한 측면에 따른 지문인식 디스플레이 패널은, 디스플레이 패널; 및, 상기 디스플레이 패널 상에 중첩되게 배치된 투명 지문인식 패널; 을 포함하고, 상기 투명 지문인식 패널은, 상기 디스플레이 패널 보호용 커버 글라스의 어느 한 면에 지문인식 센서 어레이가 형성되어 지문 융선의 접촉에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널로서, 상기 지문인식 센서 어레이는, 다수의 게이트 라인; 상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인; 및, 상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소;를 포함하고, 서로 인접한 N개(N은 2 이상의 자연수)의 게이트 라인에 대응되는 N개 행의 센서 화소로 이루어진 일시적 검출 화소 그룹의 각 센서 화소 전극으로부터 상기 다수의 리드아웃 라인을 통해 동시에 정전용량 신호를 검출하며, 상기 다수의 게이트 라인에 순차적으로 인가되는 게이트 온(On) 신호가 1개의 라인 단위로 시프트(shift) 될 때마다 상기 일시적 검출 화소 그룹도 1개의 행씩 순차적으로 시프트 되도록 구동된다.

한편, 본 발명의 한 측면에 따른 지문인식 디스플레이 장치는, 디스플레이 패널; 및, 상기 디스플레이 패널 상에 중첩되게 배치된 투명 지문인식 패널; 을 포함하고, 상기 투명 지문인식 패널은, 상기 디스플레이 패널 보호용 커버 글라스의 어느 한 면에 지문인식 센서 어레이가 형성되어 지문 융선의 접촉에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널로서, 상기 지문인식 센서 어레이는, 다수의 게이트 라인; 상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인; 상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소; 각 센서 화소에 대응되는 게이트 라인의 게이트 온(On) 신호에 따라 홀딩 노드(Holding Node)에 작동 전위를 인가하는 스위치 트랜지스터; 상기 홀딩 노드에 그 게이트 전극이 연결되어 상기 작동 전위가 인가된 동안 온(On) 상태가 유지되며, 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽은 상기 센서 화소 전극과 연결되고 나머지 한쪽은 상기 리드아웃 라인에 연결된, 리드아웃 트랜지스터; 및, 상기 홀딩 노드에 그 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽이 연결되고, 그 게이트 전극은 상기 스위치 트랜지스터에 대응되는 게이트 라인으로부터 N번째인 게이트 라인에 연결되어 그 신호에 따라 상기 홀딩 노드의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 를 포함한다.

본 발명에 따른 투명 지문인식 패널 및 이를 포함하는 지문인식 디스플레이 장치는, 지문 융선의 접촉 여부를 감지하는 정전용량 방식의 투명 지문 센서 어레이를 제공하여 디스플레이 광이나 주변 광의 영향 없이 정확한 지문인식이 가능하다. 더구나, 본 발명에 따르면, 투명 기판의 두께가 비교적 두꺼워지더라도 센서 화소간의 크로스톡 발생을 억제할 수 있어, 투명 지문인식 패널의 기판이 디스플레이 보호용 커버 글라스 기능을 겸하도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널 및 디스플레이 장치를 개략적으로 보인다.
도 2는 본 발명에 따른 투명 지문인식 패널의 지문 센서 화소간 크로스톡 방지 원리를 보인다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 지문 센서 어레이를 나타내는 등가회로도이다.
도 4는 상기 도 3의 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 구동신호 타이밍을 보인다.
도 5는 상기 도 3의 실시예에 따른 투명 지문인식 패널에서 각 센서 화소에 대한 센서 신호 검출 원리를 보인다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 지문 센서 어레이를 나타내는 등가회로도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 센서 화소 레이아웃(Layout)을 보인다.
도 8은 상기 도 7에서 Ⅷ-Ⅷ'의 단면을 보인다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에 설명된 실시예로 한정되는 것은 아니다. 도면에서 본 발명의 이해를 돕기 위한 설명과 관계없는 부분은 생략되거나 간략하게 표현되었으며, 구성요소의 크기나 두께 등은 기술적 특징의 이해를 돕기 위해 실제와 다른 비율로 확대 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체를 통하여 그 성격이 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 참고로 상부, 하부, 상면 및 하면 등과 같이 상하의 개념을 포함하는 표현은 특별한 언급이 없으면 도면에 도시된 방향을 기준으로 한 것이다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분 "상에 배치"된다고 할 때, 이는 그 다른 부분 위에 직접적으로 접촉하도록 배치되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부재를 사이에 두고 그 위에 배치된 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널 및 디스플레이 장치를 개략적으로 보인다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 투명 지문인식 패널(100)은 디스플레이 패널(200) 상에 중첩되게 배치될 수 있다. 다시 말해, 디스플레이 패널(200)에서 영상이 표시되는 디스플레이 영역의 전부 또는 일부가 투명 지문인식 패널(100)에서 지문 융선의 접촉 여부를 검출하는 감지 영역과 중첩되게 배치된다. 상기 투명 지문인식 패널(100)은 광학적으로 투명하게 형성되는데, 그 투과율은 낮게는 50%에서 바람직하게는 90% 이상일 수 있다. 이를 위해 투명 지문인식 패널(100)을 구성하는 지문인식 센서 어레이는 배선, 전극 및 반도체 활성층 등 구성의 전부 또는 적어도 일부가 투명한 소재로 이루어질 수 있다.

상기 지문인식 센서 어레이는 사용자 손가락(F) 지문 융선의 이미지 데이터를 획득할 수 있을 정도의 해상도를 갖는다. 한편, 상기 투명 지문인식 패널(100)의 기판은 상기 디스플레이 패널(200)의 보호를 위한 커버 글라스일 수 있다. 상기 지문인식 센서 어레이는 상기 커버 글라스의 상면, 즉 손가락(F)이 접촉되는 면에 형성될 수도 있으나, 좀 더 바람직하게는 상기 커버 글라스의 하면에 형성될 수 있다. 후자의 경우, 커버 글라스의 두께로 인한 손가락(F) 접촉면과 센서 화소 전극 사이의 거리가 서로 인접한 센서 화소간의 간격에 비해 커서, 각 센서 화소로부터 접촉에 따른 정전용량 신호를 검출함에 있어서도 인접 화소간의 크로스 톡(cross talk)의 영향을 크게 받을 우려가 있으나, 본 발명에 따른 투명 지문인식 패널(100)은 이를 방지할 수 있는 회로 구성과 구동 방식을 채택함으로써 그러한 우려를 해소한다. 이하에서 그 회로 구성 및 구동 방식을 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 투명 지문인식 패널의 지문 센서 화소간 크로스톡 방지 원리를 보인다.

도 2의 (a)는 본 발명과의 대비를 위한 가상의 투명 지문인식 패널(10)로서, 다수의 행과 열로 이루어진 지문인식 센서 어레이에서 지문 융선 접촉 여부에 따른 정전용량 신호를 종래와 같이 한 행씩 순차적으로 검출하도록 구성된 것을 나타낸다. 감지 영역 중 일부분(A0)을 확대 도시하였고, 이해를 돕기 위해 정전용량 신호 검출 중인 센서 화소의 행에 빗금을 표시하였다. 한 행의 센서 화소들로부터 신호를 검출할 때, 도시된 바와 같이 같은 행에 속한 인접 센서 화소들 사이에는 각각의 센서 화소 전극에 동일한 검출 전위가 형성되기 때문에 인접한 센서 화소간의 커패시턴스를 무시할 수 있지만, 서로 다른 행에 속한 인접 센서 화소의 화소 전극들 사이에는 신호 검출 타이밍에 서로 전위차가 생겨 무시할 수 없는 정도의 커패시턴스가 형성되므로, 이것이 검출되는 정전용량 신호에 영향을 미치게 된다.

도 2의 (b)는 본 발명에 따른 투명 지문인식 패널(100)을 단순화하여 도시한 것으로, 감지 영역 중 일부분(A1)을 확대 도시하였다. 역시, 이해를 돕기 위해 정전용량 신호 검출 중인 복수 행의 센서 화소에 빗금을 표시하였다. 본 실시예에서는 도시된 것처럼 3개 행의 센서 화소가 동시 검출 센서 화소 그룹을 이룬다. 상기 동시 검출 센서 화소 그룹은 반드시 3개 행으로 이루어질 필요는 없고, 2개 이상의 자연수인 N개의 행으로 이루어질 수 있는데, 3개 또는 5개 등 3개 이상의 홀수로 이루어지는 것이 유리하다.

3개 행의 센서 화소로 이루어진 동시 검출 센서 화소 그룹에 대해서는 정전용량 신호 검출 타이밍에 모든 센서 화소 전극들에 검출 전위로서 실질적인 등전위가 형성된다. 여기서 실질적인 등전위가 형성된다는 의미는, 인접한 센서 화소 전극들에 완전히 동일한 전위가 형성되는 것뿐만 아니라 센서 화소 전극에 대한 지문 융선의 접촉 여부에 따른 정전용량 변화에 대비하여 무시될 수 있는 수준의 작은 커패시턴스를 형성하는 정도의 전위차를 갖는 경우도 포함한다. 3개 행의 센서 화소로 이루어진 상기 동시 검출 센서 화로 그룹에서 가운데 행의 센서 화소 전극을 중심으로 보면, 가로 방향뿐만 아니라 세로 방향으로도 인접한 센서 화소 전극들 사이에 전위차가 없다. 따라서, 인접 센서 화소 전극 간 커패시턴스의 영향을 배제하고 지문 융선 접촉에 따른 신호를 정확하게 검출할 수 있다.

여기서, 전술한 동시 검출 센서 화소 그룹은 영구적인 그룹이 아니라 정전용량 신호 검출 타이밍마다 변하는 일시적인 그룹이다. 예를 들어, 첫 번째 검출 타이밍에 1 내지 3행의 센서 화소가 하나의 동시 검출 센서 그룹을 이루었다면, 두 번째 검출 타이밍에는 2 내지 4행의 센서 화소가 하나의 동시 검출 센서 그룹을 이루게 된다. 검출 타이밍마다 동시 검출 센서 그룹은 하나의 게이트 라인에 대응되는 센서 행 단위로 순차적으로 시프트(shift)된다. 이런식으로 투명 지문인식 패널(100) 전체에 대해 한 프레임의 정전용량 신호를 검출하면, 각 센서 화소마다 연속된 3번의 검출 타이밍에 신호를 획득할 수 있다. 그 중 가운데인 두번째 검출 타이밍에 획득된 신호를 활용하거나, 세차례의 신호 중 두번째 검출 타이밍에 획득된 신호에 가중치를 두어 활용하면, 가로 및 세로 방향으로 인접한 센서 화소 전극들 간의 커패시턴스의 영향이 배제된 정확한 데이터를 획득할 수 있다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 지문 센서 어레이를 나타내는 등가회로도이다.

도시된 바와 같이, 상기 지문인식 센서 어레이는 다수의 게이트 라인(G_{n +0}~G_{n +4})과 상기 다수의 게이트 라인(G_{n +0}~G_{n +4})과 교차하는 다수의 리드아웃 라인(R/O1,R/O2), 그리고 상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극(C_{n +0}~C_{n +4})을 갖는 다수의 센서 화소를 포함한다.

상기 다수의 센서 화소 각각을 살펴보자. 일 예로 게이트 라인 G_{n +0}에 대응되는 행의 좌측 첫번째 열의 센서 화소를 예로 들어 설명한다. 상기 센서 화소는 그에 대응되는 게이트 라인 G_{n +0}의 게이트 온(On) 신호에 따라 홀딩 노드(Holding Node)(dn0)에 작동 전위를 인가하는 스위치 트랜지스터(sw1)와, 상기 홀딩 노드(dn0)에 그 게이트 전극이 연결되어 상기 작동 전위가 인가된 동안 온(On) 상태가 유지되며, 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽은 상기 센서 화소 전극(C_{n +0})과 연결되고 나머지 한쪽은 상기 리드아웃 라인(R/O1)에 연결된 리드아웃 트랜지스터(sw2), 그리고 상기 홀딩 노드(dn0)에 그 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽이 연결되고, 그 게이트 전극은 상기 스위치 트랜지스터(sw1)에 대응되는 게이트 라인 G_n+0으로부터 N번째, 본 실시예에서는 3번째(N=3)인 게이트 라인 G_{n +3}에 연결되어 그 신호에 따라 상기 홀딩 노드(dn0)의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터(reset)를 포함한다. 상기 리셋 트랜지스터(reset)의 소스 및 드레인 전극 중 나머지 한쪽은 다음 게이트 라인 G_{n +1}에 연결될 수 있다. 다만, 상기 리셋 트랜지스터(reset)는 게이트 라인 G_{n +4}에 온(On) 신호가 인가될 때 접지되어 상기 홀딩 노드(dn0)의 전하를 제거할 수 있는 배선이라면 어디에 연결되어도 무방하다.

상기 지문인식 센서 어레이에는, 상기 다수의 센서 화소의 각 행마다 상기 게이트 라인(G_{n +0}~G_{n +4})과 평행하게 형성되고 상기 각 행에 속한 센서 화소의 리셋 트랜지스터(reset)들과 연결된, 리셋 라인이 더 구비된다. 상기 각 행에 대응되는 게이트 라인으로부터 N번째인 게이트 라인과 상기 리셋 라인은 도면의 좌측 부분에 도시된 것처럼 센서 화소들이 형성된 감지 영역 바깥의 주변부 배선을 통해 연결될 수 있다. 다만, 각 행의 리셋 라인이 그 행으로부터 N번째인 게이트 라인에 연결되는 것은 각각의 게이트 라인에 순차적으로 게이트 온 펄스가 인가되는 것을 전제로 한 예이고, 반드시 이렇게 연결되어야 하는 것은 아니다. 각 행의 리셋 라인이 그 행이 속할 수 있는 일시적 검출 화소 그룹에 대응되는 게이트 라인들 이외의 게이트 라인에 연결된다면 다양한 구동 방법과 연계하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.

또한, 상기 지문인식 센서 어레이에는 전술한 스위치 트랜지스터(sw1)에 연결되는 전원 배선(VDD)이 구비될 수 있다. 상기 전원 배선(VDD)은 상기 스위치 트랜지스터(sw1)가 온(On) 상태일 때 상기 홀딩 노드(dn0~dn3)에 상기 리드아웃 트랜지스터(sw2)를 온(On) 시킬 수 있는 작동 전위를 인가하기 위한 것이다. 이러한 목적만 달성될 수 있다면, 별도의 전원 배선(VDD)를 배치하지 않고 상기 스위치 트랜지스터(sw1)의 소스 및 드레인 전극 중 상기 홀딩 노드(dn0~dn3)에 연결된 것과 반대되는 쪽을 그 게이트 전극에 연결된 것과 같은 게이트 라인(G_{n +0}~G_{n +3})에 연결할 수도 있다.

도 4는 상기 도 3의 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 구동신호 타이밍을 보인다.

여기서는 도 3과 도 4를 함께 참조하여 설명한다. 상기 도 3에서 좌측 상단에 위치한 n+0행의 센서 화소를 중심으로 살펴본다. 먼저 첫 번째 검출 타이밍으로서 게이트 라인 G_{n +0}에 게이트 온 펄스 신호가 인가되면, 스위칭 트랜지스터(sw1)가 온 상태가 되며 홀딩 노드(dn0)에 작동 전위가 형성된다. 이때 해당 센서 화소의 센서 화소 전극(C_{n +0})에 연결된 리드아웃 트랜지스터(sw2)도 온 상태가 되어, 투명 지문인식 패널의 주변부 또는 그 외부에 연결된 리드아웃 회로의 구동에 따라 정전용량 신호가 검출된다. 정전용량 신호는 상기 센서 화소 전극(C_{n +0})에 손가락이, 좀 더 구체적으로는 지문의 융선이 접촉되었는지 여부에 따라 변화하는 정전용량에 관한 신호로서, 전류, 전하량 등의 전기적 신호일 수 있다.

두 번째 검출 타이밍으로서 게이트 라인 G_{n +1}에 게이트 온 펄스가 인가되면, 전술한 센서 화소의 바로 아래 행인 n+1행에 속한 센서 화소들에서도 위와 같은 동작이 일어난다. 단, 이때는 n+1행의 센서 화소의 홀딩 노드(dn1)뿐만 아니라 n+0행의 센서 화소의 홀딩 노드(dn0)에도 전술한 작동 전위가 유지되므로, 리드아웃 라인(R/O1)을 통해서 센서 화소 전극 C_{n +0} 및 C_{n +1}에 대해서(실제로는 상기 센서 화소 전극 C_{n +0}의 바로 윗 행의 센서 화소 전극까지 3개의 센서 화소 전극에 대해서) 동시에 검출 전위가 형성되고, 정전용량 신호가 검출된다.

마찬가지로 세 번째 검출 타이밍에서 게이트 라인 G_{n +2}에 게이트 온 펄스가 인가되면, n+0, n+1 및 n+2행에 속한 센서 화소 전극 C_{n +0}, C_{n +1}, 및 C_{n +2}에 실질적으로 등전위인 검출 전위가 형성되면서, 도면에서 D1으로 표시된 타이밍에 상기 세 개의 행으로 이루어진 동시 검출 센서 그룹에 대해 공통의 리드아웃 라인(R/O1)을 통해 동시에 정전용량 신호가 검출된다.

그런 다음, 네 번째 검출 타이밍에서 게이트 라인 Gn+3에 게이트 온 펄스가 인가되면, 그와 주변부 배선을 통해 연결된 n+0행의 리셋 라인에도 온 펄스가 인가되면서 그 리셋 트랜지스터(reset)가 온 되어 전술한 홀딩 노드(dn0)의 전위가 접지 전위로 떨어지게 된다. 그 결과 리드아웃 트랜지스터(sw2)가 오프 상태로 바뀐다. 이때, n+3행의 센서 화소에서는 그 홀딩 노드(dn3)에 작동 전위가 새롭게 인가되어 그 리드아웃 트랜지스터(sw2)가 온 상태가 되므로, 도면에서 D2로 표시된 타이밍에 전술한 D1 타이밍에 비해 한 행만큼 아래로 시프트 된 새로운 동시 검출 센서 그룹이 이루어지고, 그에 대한 정전용량 신호 검출이 수행된다.

도 5는 상기 도 3의 실시예에 따른 투명 지문인식 패널에서 각 센서 화소에 대한 센서 신호 검출 원리를 보인다.

본 실시예에 대해서 앞서 설명한 바와 같이, 3개 행으로 이루어진 동시 검출 센서 그룹에 대해서는 센서 화소 전극에 실질적으로 등전위인 검출 전위가 인가되며, 같은 열에 속한 세 개의 센서 화소 전극으로부터 공통의 리드아웃 라인을 통해 동시에 정전용량 신호가 검출된다. 여기서는 일 예로서 전술한 정전용량 신호가 각 센서 화소 전극에 충전되는 전하량인 경우를 가정하여, 각 센서 화소에 대한 센서 신호 검출 원리를 설명하고자 한다. 정전용량 신호가 전류 등 다른 전기적 신호인 경우에도 동일한 원리가 적용될 수 있다.

먼저, 제 1 타이밍에 하나의 리드아웃 라인을 통해서 제 1 내지 제 3 행으로 이루어진 동시 검출 센서 그룹에 속한 세 개의 센서 화소에 충전된 전하량이 Q1이라고 하면, 각 행의 센서 화소 전극에 충전된 전하량을 q1, q2, q3 라고 할 때, Q1=q1+q2+q3인 관계식을 얻을 수 있다. 이와 같은 방식으로 제 2 타이밍에는 제 2 내지 제 4 행으로 이루어진 동시 검출 센서 그룹의 센서 화소들에 대해서 Q2=q2+q3+q4 라는 관계식을 얻을 수 있고, 제 4 타이밍에는 Q3=q3+q4+q5 라는 관계식을 얻을 수 있다. 여기서, Q1, Q2, Q3 등은 리드아웃 회로를 통해 검출되는 값이므로, q1 내지 q5 등 각 센서 화소의 전하량에 대해서는 각각 3개의 변수로 이루어진 3개의 일차방정식이 얻어지는 것이다. 이것을 수학적으로 연산하면 각 센서 화소의 전하량을 구할 수 있다.

이와 같은 원리를 통해 각각의 센서 화소에 대해서, 인접 센서 화소의 영향이 억제된 정확한 정전용량 데이터를 획득할 수 있다. 다만, 정전용량 데이터 획득을 위해 이와 같은 연산이 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 제 1 타이밍에 검출된 전하량 Q1을 동시 검출 센서 그룹 중 가운데인 제 2 행의 센서 화소의 정전용량을 나타내는 대표값으로 인식하고, 제 2 타이밍에 검출된 전하량 Q2를 역시 가운데인 제 3 행의 센서 화소의 정전용량을 나타내는 대표값으로 인식하는 방식으로도 인접 화소의 영향이 배제된 데이터를 획득할 수 있다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 지문 센서 어레이를 나타내는 등가회로도이다.

본 실시예는 전술한 도 3의 실시예와 기능적인 면에서 동일하다. 다만, 별도의 전원 배선(VDD) 없이 스위치 트랜지스터(sw1)의 게이트 전극과 소스/드레인 전극 중 하나가 같은 게이트 라인에 연결된 점, 리셋 트랜지스터의 소스/드레인 전극 중 홀딩 노드 반대편의 전극 역시 같은 게이트 라인에 연결된 점에서 회로 구성상의 차이가 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 투명 지문인식 패널의 지문 센서 어레이는 다양한 회로 형태로 구현될 수 있다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 지문인식 패널의 센서 화소 레이아웃(Layout)을 보이고, 도 8은 상기 도 7에서 Ⅷ-Ⅷ'의 단면을 보인다.

전술한 지문 센서 어레이는 투명 절연성 기판(101) 상에 배치되는데, 상기 투명 절연성 기판(101)은 디스플레이 패널 보호용 커버 글라스일 수도 있다. 상기 투명 절연성 기판(101) 상에 전술한 스위치 트랜지스터(sw1), 리드아웃 트랜지스터(sw2) 및 리셋 트랜지스터(reset)가 박막 트랜지스터로서 형성된다. 이들 박막 트랜지스터는 채널 영역을 형성하는 반도체 활성층(141, 142, 143)을 가지고, 이들과 각각의 게이트 전극(111, 112, 116) 사이에 게이트 절연막인 제 1 절연막(102)이 배치된다. 상기 박막 트랜지스터들(sw1, sw2, reset) 위에는 보호막으로서 제 2 절연막(103)이 형성된다. 그 위에 투명 전극인 센서 화소 전극(150)이 상기 박막 트랜지스터들의 위를 덮도록 형성되고, 상기 센서 화소 전극(150) 위에 봉지층 기능을 하는 제 3 절연막(104)이 형성된다.

본 실시예에서 상기 박막 트랜지스터들은 소위 탑 게이트 형태(Top Gate type)로 형성될 수 있다. 바텀 게이트 형태(Bottom Gate type)로 형성될 수도 있음은 물론이다. 따라서, 본 실시예에서는 리드아웃 라인(130)과 상기 박막트랜지스터들의 소스/드레인 전극(131, 132, 133, 134)을 형성하는 도전층이 상대적으로 젤 아래층에 형성되고, 이들과 상기 센서 화소 전극(150)을 형성하는 도전층의 중간에 게이트 라인(110)과 리셋 라인(115) 그리고 게이트 전극(141, 142, 143)을 이루는 도전층이 배치된다. 상기 센서 화소 전극(150)은 컨택홀을 통해 리드아웃 트랜지스터(sw2)의 소스/드레인 전극(132)과 연결되는데, 위와 같은 적층 구조로 인해 상기 센서 화소 전극(150)과 상기 리드아웃 트랜지스터(sw2)의 소스/드레인 전극(132)의 중간에 게이트 전극과 같은 도전층으로 연결 패턴(113)을 형성하고, 제 1 컨택홀(V1)과 상기 연결 패턴(113), 그리고 제 2 컨택홀(V2)을 거쳐 이들을 연결할 수 있다. 한편, 전술한 홀딩 노드(dn)에 해당하는 부분은 상기 스위치 트랜지스터(sw1)의 소스/드레인 전극(133) 및 상기 리드아웃 트랜지스터(sw2)의 게이트 전극(112)을 제 3 컨택홀(V3)로 연결함으로써 형성된다.

한편, 상기 스위치 트랜지스터(sw1)의 게이트 전극(111)과 그 소스/드레인 전극(134)은 게이트 전극 연장부(114)와 제 4 컨택홀(V4)을 통해 서로 접속되며, 이들 도전체 패턴은 다시 리셋 트랜지스터(reset)의 소스/드레인 전극으로 연결된다. 다시 말해, 상기 도 7의 레이아웃과 상기 도 8의 단면도는 상기 도 6의 등가회로를 구현한 것이라 볼 수 있다.

여기서, 상기 센서 화소 전극(150)은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 등의 투명 도전체 박막 패턴으로 이루어질 수 있다. 나아가 리드아웃 라인(130), 게이트 라인(110), 리셋 라인(115) 등의 배선이나 전극을 형성하는 도전층도 투명 도전체 박막으로 형성될 수 있다. 또한, 전술한 반도체 활성층(141, 142, 143)은 광학적으로 투명한 산화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 지문 센서 어레이는 전부 또는 적어도 일부가 광학적으로 투명한 소재로 형성되어, 이를 포함하는 투명 지문인식 패널이 디스플레이 패널 상에 결합되더라도 양호한 시인성을 제공할 수 있다.

10, 100: 투명 지문인식 패널
101: 투명 절연성 기판(커버 글라스)
102: 제 1 절연막 103: 제 2 절연막
104: 제 3 절연막 110: 게이트 라인
115: 리셋 라인 150: 센서 화소 전극
sw1: 스위치 트랜지스터 sw2: 리드아웃 트랜지스터
reset: 리셋 트랜지스터 dn: 홀딩 노드

Claims (12)

1. 투명 절연성 기판에 적어도 일부가 투명한 소재로 이루어진 지문인식 센서 어레이가 형성되어 지문 융선의 접촉에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널로서, 상기 지문인식 센서 어레이는,
   다수의 게이트 라인;
   상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인; 및,
   상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소;를 포함하고,
   하나의 검출 타이밍에 어느 한 행의 센서 화소 및 상기 한 행과 상하로 인접한 행들을 포함하는 동시 검출 센서 그룹의 센서 화소 전극에 등전위를 형성한 상태로 상기 다수의 리드아웃 라인을 통해 검출한 정전용량 신호를 활용하여 상기 한 행의 센서 화소에 대한 지문 융선 접촉 여부를 나타내는 데이터를 획득하고,
   상기 동시 검출 센서 그룹은 검출 타이밍마다 센서 행 단위로 한 행씩 순차적으로 시프트(shift)되는,
   투명 지문인식 패널.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 동시 검출 센서 그룹은 3 이상의 홀수개 행의 센서 화소로 구성되는,
   투명 지문인식 패널.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 행이 포함된 서로 다른 복수의 동시 검출 화소 그룹에 대해서 적어도 3번의 연속된 검출 타이밍에 검출된 정전용량신호들 중 순서가 가운데인 검출 타이밍에 검출된 정전용량 신호를 활용하여 상기 한 행에 대한 상기 데이터를 획득하는,
   투명 지문인식 패널.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 행이 포함된 서로 다른 복수의 동시 검출 화소 그룹에 대해서 적어도 3번의 연속된 검출 타이밍에 검출된 복수의 정전용량 신호를 활용하여 상기 한 행에 대한 상기 데이터를 획득하는,
   투명 지문인식 패널.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 복수의 정전용량 신호를 활용하되 순서가 가운데인 검출 타이밍에 검출된 신호에 가중치를 부여하여 상기 한 행에 대한 상기 데이터를 획득하는,
   투명 지문인식 패널.
6. 삭제
7. 투명 절연성 기판에 적어도 일부가 투명한 소재로 이루어진 지문인식 센서 어레이가 형성되어 지문 융선의 접촉에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널로서, 상기 지문인식 센서 어레이는,
   한 라인씩 순차적으로 구동되는 다수의 게이트 라인;
   상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인;
   상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소;
   각 센서 화소에 대응되는 게이트 라인의 게이트 온(On) 신호에 따라 홀딩 노드(Holding Node)에 작동 전위를 인가하는 스위치 트랜지스터;
   상기 홀딩 노드에 그 게이트 전극이 연결되어 상기 작동 전위가 인가된 동안 온(On) 상태가 유지되며, 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽은 상기 센서 화소 전극과 연결되고 나머지 한쪽은 상기 리드아웃 라인에 연결된, 리드아웃 트랜지스터; 및,
   상기 홀딩 노드에 그 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽이 연결되고, 그 게이트 전극은 상기 스위치 트랜지스터에 대응되는 게이트 라인을 포함하는 N개의 인접한 게이트 라인(N은 2이상의 자연수)에 속하지 않는 다른 라인에 연결되어 그 신호에 따라 상기 홀딩 노드의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 를 포함하며,
   상기 홀딩 노드는 상기 스위치 트랜지스터에 의해 작동 전위가 인가된 때부터 상기 리셋 트랜지스터에 의해 리셋되기 전까지 상기 작동 전위를 유지하는,
   투명 지문인식 패널.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 리셋 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 스위치 트랜지스터에 대응되는 게이트 라인으로부터 N번째(N은 2이상의 자연수)인 게이트 라인에 연결되어, 상기 스위치 트랜지스터에 대응되는 게이트 라인의 게이트 신호에 따라 상기 홀딩 노드에 상기 작동 전위가 인가되면, 상기 한 게이트 라인으로부터 N번째인 게이트 라인에 게이트 온 신호가 인가될 때까지 상기 홀딩 노드의 작동 전위가 유지되도록 구성된,
   투명 지문인식 패널.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 홀딩 노드에 인가된 작동 전위가 유지되는 동안 상기 센서 화소 전극으로부터 상기 다수의 리드아웃 라인을 통해 N번 정전용량 신호를 검출하는,
   투명 지문인식 패널.
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 다수의 센서 화소의 각 행마다 상기 게이트 라인과 평행하게 형성되고, 상기 각 행에 속한 센서 화소의 리셋 트랜지스터들과 연결된, 리셋 라인을 더 포함하고,
    상기 각 행에 대응되는 게이트 라인으로부터 N번째인 게이트 라인과 상기 리셋 라인이 서로 연결된,
    투명 지문인식 패널.
11. 삭제
12. 디스플레이 패널; 및,
    상기 디스플레이 패널 상에 중첩되게 배치된 투명 지문인식 패널; 을 포함하고,
    상기 투명 지문인식 패널은, 상기 디스플레이 패널 보호용 커버 글라스의 어느 한 면에 지문인식 센서 어레이가 형성되어 지문 융선의 접촉에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 방식의 투명 지문인식 패널로서, 상기 지문인식 센서 어레이는,
    다수의 게이트 라인;
    상기 다수의 게이트 라인과 교차하는 다수의 리드아웃 라인;
    상기 다수의 게이트 라인과 상기 다수의 리드아웃 라인의 교차점마다 대응되도록 배치된 적어도 하나의 센서 화소 전극을 갖는 다수의 센서 화소;
    각 센서 화소에 대응되는 게이트 라인의 게이트 온(On) 신호에 따라 홀딩 노드(Holding Node)에 작동 전위를 인가하는 스위치 트랜지스터;
    상기 홀딩 노드에 그 게이트 전극이 연결되어 상기 작동 전위가 인가된 동안 온(On) 상태가 유지되며, 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽은 상기 센서 화소 전극과 연결되고 나머지 한쪽은 상기 리드아웃 라인에 연결된, 리드아웃 트랜지스터; 및,
    상기 홀딩 노드에 그 소스 및 드레인 전극 중 어느 한쪽이 연결되고, 그 게이트 전극은 상기 스위치 트랜지스터에 대응되는 게이트 라인을 포함하는 N개의 인접한 게이트 라인(N은 2이상의 자연수)에 속하지 않는 다른 라인에 연결되어 그 신호에 따라 상기 홀딩 노드의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 를 포함하며,
    상기 홀딩 노드는 상기 스위치 트랜지스터에 의해 작동 전위가 인가된 때부터 상기 리셋 트랜지스터에 의해 리셋되기 전까지 상기 작동 전위를 유지하는,
    지문인식 디스플레이 장치.

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