KR101951322B1 - 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치 - Google Patents
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Abstract
광센싱 화소 내의 광센서 트랜지스터가 빛을 감지할 수 있는 산화물 반도체 트랜지스터로 이루어지는 광센싱 장치, 상기 광센싱 장치의 구동 방법, 및 상기 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치를 개시한다. 개시된 광센싱 장치의 하나의 광센싱 회로는 단순하게 하나의 산화물 반도체 트랜지스터만을 포함할 수 있다. 이러한 광센싱 장치에서, 산화물 반도체 트랜지스터는 광센싱 소자로서 역할을 할 뿐만 아니라, 광센싱 신호를 출력하기 위한 구동 회로의 역할도 함께 수행할 수 있다. 따라서, 개시된 광센싱 장치는 하나의 화소 내에 다수의 트랜지스터를 포함하는 복잡한 회로 구조를 가질 필요가 없다.
Description
광센싱 장치 및 그 구동 방법, 상기 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치를 개시한다. 더욱 상세하게는, 광센싱 화소 내의 광센서 트랜지스터가 빛을 감지할 수 있는 산화물 반도체 트랜지스터로 이루어지는 광센싱 장치, 상기 광센싱 장치의 구동 방법, 및 상기 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치를 개시한다.
터치 스크린 장치란 디스플레이 화면의 특정 위치에 사용자의 손이나 펜이 닿으면 그 위치를 파악하여 소프트웨어에 의해 특정 처리를 할 수 있도록, 화면에서 직접 입력 자료를 받을 수 있게 만든 장치를 말한다. 이를 위하여, 터치 스크린 장치는 일반적인 디스플레이 패널에 터치 패널이라는 장치를 덧붙여서 그 기능을 발휘하도록 한다. 터치 패널에는 압력식 저항막 방식, 접촉식 정전용량 방식, 표면초음파전도(surface Acoustic Wave; SAW) 방식, 적외선광 감지 방식 및 압전 방식 등의 다양한 종류가 있다. 이러한 터치 스크린 장치는 최근 키보드나 마우스를 대신할 수 있는 입력 장치로서 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
지금까지 널리 사용되고 있는 터치 스크린 장치는 손이나 펜 등을 이용하여 디스플레이 장치의 화면에 직접 터치하는 방식이다. 그러나, 디스플레이 장치가 점차 대형화되면서 사용자와 디스플레이 장치 사이의 거리가 멀어지는 경우에는 이러한 직접 터치 방식을 적용하기가 어려울 수 있다. 이에 따라, 손이나 펜의 접촉 대신에 광을 감지하여 기존의 터치 스크린과 동일한 기능을 수행할 수 있는 광터치 스크린 장치가 제안되고 있다. 광터치 스크린 장치는 사용자와 단말기 간의 의사소통뿐만 아니라 사용자와 사용자 간의 의사소통에도 유리할 것으로 기대되고 있다.
광터치 스크린 장치를 구현하기 위해서는 광을 감지할 수 있는 미세한 크기의 광센싱 소자가 요구된다. 일반적으로 널리 사용되는 광센싱 소자로는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(a-Si TFT)가 있다. 그런데, a-Si TFT의 경우, 광에 의한 전류 변화가 충분히 크지 않다. 이에 따라, 광이 인가될 때 포토다이오드에서 발생한 전하를 일정한 시간 동안 캐패시터에 축적한 후, 캐패시터에 축적된 전하량으로부터 광세기에 관한 신호를 발생시킨다. 이렇게 캐패시터를 사용하는 경우, 캐패시터에 전하를 축적하는 시간만큼 센싱 시간이 지연될 수 있으며, 광터치 스크린 장치의 면적이 커질수록 기생 커패시턴스가 증가할 수 있다.
광센싱 소자로서 산화물 반도체 트랜지스터를 이용하는 광센싱 장치 및 상기 광센싱 장치의 구동 방법을 제공한다.
또한, 상기 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 광센싱 장치는, 다수의 행과 다수의 열로 배열된 다수의 광센싱 화소들을 갖는 광센싱 화소 어레이; 및 각각의 광센싱 화소에 게이트 전압과 리셋 신호를 제공하도록 행 방향을 따라 배열된 다수의 게이트 라인을 갖는 게이트 드라이버;를 포함할 수 있다.
여기서 각각의 광센싱 화소는 광센서의 역할과 광센싱 신호를 출력시키기 위한 스위치의 역할을 함께 수행하는 산화물 반도체 트랜지스터를 포함하고, 또한 상기 게이트 드라이버는, 행 방향을 따라 순차적으로 상기 산화물 반도체 트랜지스터에 게이트 전압을 인가한 후 모든 산화물 반도체 트랜지스터들에 한꺼번에 리셋 신호를 인가하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 게이트 드라이버는, 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압보다 낮은 제 1 전압, 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압과 광 비입사시의 제 2 문턱 전압 사이의 제 2 전압, 및 양(+)의 제 3 전압을 각각의 산화물 반도체 트랜지스터에 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 게이트 드라이버는, 제 1 전압, 제 2 전압, 제 1 전압 및 제 3 전압의 순서로 각각의 산화물 반도체 트랜지스터에 게이트 전압을 제공하며, 상기 제 3 전압은 산화물 반도체 트랜지스터를 리셋시키는 리셋 신호일 수 있다.
예를 들어, 각각의 게이트 라인은 동일한 행을 따라 배열되어 있는 광센싱 화소들에 연결될 수 있다.
한 행을 따라 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에는 해당 행에 대응하는 게이트 라인이 연결될 수 있다.
상기 광센싱 장치는, 열 방향을 따라 배열된 다수의 데이터 라인을 가지며 각각의 광센싱 화소로부터 광센싱 신호를 받아 데이터 신호를 출력하는 신호 출력부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 한 열을 따라 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 소스에는 해당 열에 대응하는 데이터 라인이 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 반도체 트랜지스터는, 기판; 상기 기판 위에 부분적으로 배치된 게이트; 적어도 상기 게이트의 주위를 덮도록 상기 기판과 게이트 위에 배치된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 위에서 상기 게이트와 대향하도록 배치된 채널층; 상기 채널층의 양측에 각각 배치된 소스와 드레인; 및 상기 소스, 드레인 및 채널층을 전체적으로 덮도록 배치된 투명 절연층;을 포함할 수 있다.
상기 채널층은 산화물 반도체 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 산화물 반도체 재료는 ZnO, InO, SnO, InZnO, ZnSnO 또는 InSnO를 포함하거나, 또는 상기 ZnO, InO, SnO, InZnO, ZnSnO 또는 InSnO에 Hf, Zr, Ti, Ta, Ga, Nb, V, Al, 및 Sn 중에서 적어도 하나의 재료가 추가적으로 혼합된 재료를 포함할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 영상을 디스플레이 하는 디스플레이 장치; 상기 디스플레이 장치의 화면 위에 부착된 것으로, 상기 광센싱 장치를 포함하는 광터치 패널; 및 상기 광터치 패널에 광신호를 제공하는 광원 장치;를 포함하는 광터치 스크린 장치가 제공될 수 있다.
한편, 다른 유형에 따르면, 광센서의 역할과 광센싱 신호를 출력시키기 위한 스위치의 역할을 함께 수행하는 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 음(-)의 제 1 전압, 상기 제 1 전압보다 높은 음(-)의 제 2 전압, 제 1 전압, 및 양(+)의 제 3 전압을 순차적으로 인가하는 단계를 포함하는 광센싱 장치의 동작 방법이 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전압은 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압보다 낮은 전압이며, 상기 제 2 전압은 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압과 광 비입사시의 제 2 문턱 전압 사이의 전압일 수 있다.
또한, 상기 제 3 전압은 산화물 반도체 트랜지스터를 리셋시키는 리셋 신호일 수 있다.
상기 광센싱 장치의 동작 방법은 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 제 2 전압이 인가된 동안, 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 유형에 따르면, 광센서의 역할과 광센싱 신호를 출력시키기 위한 스위치의 역할을 함께 수행하는 산화물 반도체 트랜지스터를 포함하며 다수의 행과 다수의 열로 배열된 다수의 광센싱 화소 중에서, 어느 한 행에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 음(-)의 제 2 전압을 인가하고, 나머지 행들에 배열된 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 상기 제 2 전압보다 낮은 음(-)의 제 1 전압을 인가하는 단계; 및 순차적으로, 후속하는 다음의 행에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 제 2 전압을 인가하고, 나머지 행들에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 제 1 전압을 인가하는 단계; 및 모든 행들에 대해 순차적인 제 2 전압의 인가가 완료된 후, 모든 행들에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트들에 동시에 양(+)의 제 3 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 광센싱 장치의 동작 방법이 제공될 수 있다.
개시된 광센싱 장치의 하나의 광센싱 화소는 단순하게 하나의 산화물 반도체 트랜지스터만을 포함할 수 있다. 이러한 광센싱 장치에서, 산화물 반도체 트랜지스터는 광센싱 소자로서 역할을 할 뿐만 아니라, 광센싱 신호를 출력하기 위한 구동 회로의 역할도 함께 수행할 수 있다. 따라서, 개시된 광센싱 장치는 하나의 화소 내에 다수의 트랜지스터를 포함하는 복잡한 회로 구조를 가질 필요가 없다. 대신에, 한 화소 내에 단지 하나의 산화물 반도체 트랜지스터만이 배치될 수 있다. 이로 인해 광센싱 장치의 구조 및 동작이 간단해질 수 있다. 또한, 이러한 단순화된 광센싱 장치를 채용한 광터치 스크린 장치는 회로 구조가 단순하기 때문에 대형화에도 적합할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 산화물 반도체 트랜지스터의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 산화물 반도체 트랜지스터의 동작 특성을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광센싱 장치의 한 광센싱 화소의 예시적인 구조를 도시하는 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 광센싱 화소 내의 산화물 반도체 트랜지스터의 구동 방식을 예시적으로 설명한다.
도 6은 도 4에 도시된 광센싱 화소를 포함하는 일 실시예에 따른 광센싱 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 7은 도 6에 광센싱 장치의 구동 방법을 보이는 타이밍도이다.
도 8은 도 6에 도시된 광센싱 장치를 광터치 패널로서 사용하는 일 실시예에 따른 광터치 스크린 장치의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 산화물 반도체 트랜지스터의 동작 특성을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광센싱 장치의 한 광센싱 화소의 예시적인 구조를 도시하는 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 광센싱 화소 내의 산화물 반도체 트랜지스터의 구동 방식을 예시적으로 설명한다.
도 6은 도 4에 도시된 광센싱 화소를 포함하는 일 실시예에 따른 광센싱 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 7은 도 6에 광센싱 장치의 구동 방법을 보이는 타이밍도이다.
도 8은 도 6에 도시된 광센싱 장치를 광터치 패널로서 사용하는 일 실시예에 따른 광터치 스크린 장치의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 산화물 반도체 트랜지스터를 이용한 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 상기 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
산화물 반도체 트랜지스터는 채널의 재료로서 산화물 반도체를 사용하는 트랜지스터를 의미한다. 이러한 산화물 반도체 트랜지스터는 채널층으로서 사용되는 산화물 반도체의 재료에 따라 빛에 민감한 특성을 가질 수 있다. 빛에 민감한 특성을 갖는 산화물 반도체 재료를 채널층으로서 사용할 경우, 산화물 반도체 트랜지스터는 입사광의 파장이나 광량에 따라 문턱 전압 및 드레인 전류가 변하는 특성이 있기 때문에 광센싱 소자로서 활용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 산화물 반도체 트랜지스터의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 기판(11), 상기 기판(11) 위에 전체적으로 배치된 절연층(12), 상기 절연층(12) 위에 부분적으로 배치된 게이트(13), 적어도 게이트(13)의 주위를 덮도록 절연층(12)과 게이트(13) 위에 배치된 게이트 절연막(14), 상기 게이트 절연막(14) 위에서 게이트(13)와 대향하도록 배치된 채널층(15), 상기 채널층(15)의 양측을 덮도록 배치된 소스(16)와 드레인(17), 및 상기 소스(16), 드레인(17) 및 채널층(15)을 전체적으로 덮도록 배치된 투명 절연층(18)을 포함할 수 있다. 도 1에는 게이트(13)가 채널층(15)의 아래쪽에 배치된 하부 게이트 구조의 산화물 반도체 트랜지스터(10)가 도시되었지만, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 상부 게이트 구조로 구성될 수도 있다.
여기서, 기판(11)은 유리, 실리콘 등과 같은 일반적인 기판 재료를 사용할 수 있다. 절연층(12), 게이트 절연막(14), 투명 절연층(18)은 예를 들어 SiO2과 같은 재료를 사용할 수 있다. 만약 기판(11) 자체가 절연성 재료로 이루어진다면, 상기 기판(11) 위의 절연층(12)은 생략될 수도 있다. 또한, 게이트(13), 소스(16) 및 드레인(17)은 전도성 금속 또는 전도성 금속 산화물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 산화물 반도체 트랜지스터(10)가 투명할 것이 요구되는 경우, 상기 게이트(13), 소스(16) 및 드레인(17)은 ITO와 같은 투명 전도성 재료로 이루어질 수 있다. 그러나 산화물 반도체 트랜지스터(10)가 투명할 것이 요구되지 않는 경우에는, 기판(11), 절연층(12), 게이트(13), 게이트 절연막(14), 소스(16) 및 드레인(17)의 재료가 반드시 투명할 필요는 없다.
한편, 채널층(15)은, 상술한 바와 같이, 산화물 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 채널층(15)으로서 사용되는 산화물 반도체 재료의 선택에 따라, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 빛에 민감한 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 그러한 산화물 반도체 채널 재료로서 ZnO, InO, SnO, InZnO, ZnSnO, InSnO 등과 같은 산화물 반도체 재료를 사용하거나, 또는 전술한 산화물 반도체 재료에 Hf, Zr, Ti, Ta, Ga, Nb, V, Al, Sn 등의 재료가 하나 이상 추가적으로 혼합된 재료를 사용할 수 있다. 이러한 재료를 채널층(15)으로서 사용할 경우, 도 1에 도시된 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 입사광의 파장이나 광량에 따라 문턱 전압 및 드레인 전류가 변하는 특성이 있기 때문에 광센싱 소자로서 활용될 수 있다. 채널층(15)은 단일한 하나의 산화물 반도체층으로 이루어질 수도 있지만 다층 구조로 이루어질 수도 있다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 동작 특성을 예시적으로 나타내는 그래프이다. 먼저, 도 2는 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트 전압(Vgs)에 대한 드레인 전류(Ids) 특성을 보이고 있다. 도 2를 참조하면, 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 빛이 입사하면, 문턱 전압이 전체적으로 음의 방향으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 빛이 입사하지 않을 때 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 문턱전압은 Vth2이지만, 빛이 입사하게 되면 문턱전압은 Vth1으로 변하게 된다. 따라서, 문턱전압 Vth1과 Vth2 사이의 게이트 전압(V2)이 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 인가되는 경우, 빛이 입사하지 않을 때(Dark)는 산화물 반도체 트랜지스터(10)가 OFF 상태가 되어 낮은 드레인 전류가 흐르며, 빛이 입사할 때(Light)는 ON 상태가 되어 높은 드레인 전류가 흐르게 된다. 반면, 문턱전압 Vth1과 Vth2보다 낮은 게이트 전압(V1)이 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 인가되는 경우, 빛의 입사 여부와 관계 없이 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 항상 OFF 상태가 된다. 또한 문턱전압 Vth1과 Vth2보다 높은 게이트 전압(V3)이 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 인가되는 경우, 빛의 입사 여부와 관계 없이 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 항상 ON 상태가 된다.
따라서, 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 V2의 게이트 전압을 인가한 상태에서, 드레인 전류의 측정을 통해 빛의 입사 여부를 판단할 수 있다. 특히, 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 경우, 빛이 입사하였을 때의 드레인 전류와 빛이 입사하지 않았을 때의 드레인 전류 사이의 전류비(ION/IOFF)가 상당히 크다. 이러한 특성을 갖는 산화물 반도체 트랜지스터(10)를 광센싱 소자로서 활용할 경우, 여러 가지 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 큰 전류비를 갖기 때문에, 광센싱 소자로서 산화물 반도체 트랜지스터(10)를 사용하면, 커패시터가 없는 매우 간단한 광센싱 장치를 구현할 수 있다. 이에 따라, 광센싱 장치(100)의 대면적화가 가능하게 될 뿐만 아니라, 구동 속도의 향상 및 소비 전력의 절감이 가능하게 될 수 있다.
또한, 도 3은 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 빛이 입사한 이후 시간의 흐름에 따른 드레인 전류의 변화를 보이는 그래프로서, 문턱전압 Vth1과 Vth2 사이의 전압 V2(예컨대, -5V)가 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 인가되고 있는 경우이다. 도 3을 참조하면, 약 40초 정도에 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 빛이 입사하면서 드레인 전류가 증가하게 된다. 그러나, 약 55초 정도에 빛의 입사가 중단되었음에도 드레인 전류는 거의 감소하지 않고 빛의 입사시와 유사한 상태를 유지하고 있다. 즉, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 빛의 입사 여부에 대한 일종의 기억 기능을 갖는다. 이러한 현상은 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 채널층(15) 내부에 또는 그 계면에 전하가 트랩되어 발생하는 것으로 이해될 수 있다. 예컨대, 빛과 함께 음의 게이트 전압이 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 인가되면, 채널층(15) 내부에서 빛에 의해 생성된 정공(hole)들이 게이트 절연막(14)과 채널층(15) 사이의 계면으로 이동하여 트랩될 수 있다. 이렇게 트랩된 전하들은 충분히 큰 양(+)의 전압이 게이트에 인가될 때까지 제거되지 않는다. 따라서, 일단 전하가 트랩된 후에는 빛의 입사가 중단된 후에도 드레인 전류가 낮아지지 않는다. 이러한 현상은 충분히 큰 양의 게이트 전압을 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 인가하여 트랩된 전하들을 제거하면 사라지게 된다.
도 4는 상술한 산화물 반도체 트랜지스터(10)를 이용하는 일 실시예에 따른 광센싱 장치의 한 광센싱 화소의 예시적인 구조를 도시하는 회로도이다. 도 4를 참조하면, 하나의 광센싱 화소(110)는 감광성을 갖는 단지 하나의 산화물 반도체 트랜지스터(10), 상기 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트에 연결되는 게이트 라인(GATE), 상기 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 드레인에 연결되는 구동 전압 라인(Vdd), 및 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 소스에 연결되는 데이터 라인(DATA)을 포함할 수 있다. 이러한 구조를 갖는 본 실시예에 따른 광센싱 화소(110)는, 이하의 설명에서와 같이, 단지 하나의 산화물 반도체 트랜지스터(10)만으로도 광센싱 동작과 스위칭 동작이 모두 가능하다.
도 5는 도 4에 도시된 광센싱 화소(110) 내의 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 구동 방식을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 먼저 대기 상태에서, 광 입사시의 제 1 문턱 전압(Vth1)보다 낮은 음(-)의 제 1 전압(V1)이 게이트 라인(GATE)을 통해 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트에 인가된다. 그러면, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 광의 입사 여부와 관계 없이 항상 OFF 상태에 있다. 그 결과, 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 드레인으로부터 소스로 전류가 흐르지 않는다. 따라서, 이 동안에는 데이터 라인(DATA)으로 전류가 거의 흐르지 않는다.
다음으로, 광센싱 신호의 출력을 위해 광 입사시의 제 1 문턱 전압(Vth1)과 광 비입사시의 제 2 문턱 전압(Vth2) 사이에 있는 음(-)의 제 2 전압(V2)이 게이트 라인(GATE)을 통해 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트에 인가된다. 여기서, 제 2 전압(V2)은 제 1 전압(V1)보다 높다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 광이 입사할 경우에는 ON 상태로 되고, 광이 입사하지 않는 경우에는 OFF 상태로 된다. 따라서, 이 동안에 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 광이 입사하면 드레인으로부터 소스로 전류가 흐르게 된다. 즉, 광센싱 화소(110)의 구동 전압 라인(Vdd)으로부터 데이터 라인(DATA)으로 전류가 흐를 수 있다. 여기서, 데이터 라인(DATA)으로 흐르는 전류의 양은 입사광의 광량에 비례할 수 있다. 따라서, 제 2 전압(V2)이 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트에 인가된 동안, 데이터 라인(DATA)으로 흐르는 전류를 측정함으로써, 광의 입사 여부 및 입사광의 광량을 계산할 수 있다.
광센싱 신호의 출력이 완료되면, 게이트 라인(GATE)을 통해 제 1 전압(V1)을 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트에 다시 인가한다. 그러면, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 광의 입사 여부와 관계 없이 OFF 상태로 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 광이 일단 입사하고 나면 광의 입사가 중단된 후에도 드레인 전류가 낮아지지 않는다. 따라서, 광센싱 신호의 출력 후, 다음의 광센싱 동작을 위해서는 충분히 큰 양의 게이트 전압을 산화물 반도체 트랜지스터(10)에 인가하여 산화물 반도체 트랜지스터(10)를 리셋시키는 동작을 수행한다. 예컨대, 도 5를 참조하면, 게이트 라인(GATE)을 통해 충분히 큰 양의 제 3 전압(V3)을 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트에 인가한다. 그러면, 산화물 반도체 트랜지스터(10)가 리셋되면서 다음의 광센싱 동작을 수행할 수 있게 된다. 그런 후에는, 다음의 광센싱 동작이 시작될 때까지 제 1 전압(V1)을 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트에 다시 인가하면서 대기 상태에 있는다.
도 6은 도 4에 도시된 광센싱 화소(110)를 포함하는 일 실시예에 따른 광센싱 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 블록도이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 광센싱 장치(100)는, 입사광을 감지하는 다수의 광센싱 화소(110)들을 갖는 광센싱 화소 어레이, 각각의 광센싱 화소(110)에 게이트 전압과 리셋 신호를 제공하는 게이트 드라이버(120), 및 각각의 광센싱 화소(110)로부터 광센싱 신호를 받아 데이터 신호를 출력하는 신호 출력부(130)를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광센싱 화소 어레이 내의 광센싱 화소(110)들은 다수의 행(row)과 다수의 열(column)로 배열될 수 있다. 예를 들어, 광센싱 화소(110)들은 n개의 행과 m개의 열을 갖는 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 각각의 광센싱 화소(110)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 단지 하나의 산화물 반도체 트랜지스터(10)로 이루어질 수 있다.
게이트 드라이버(120)는 각각의 광센싱 화소(110)들을 개별적으로 활성화시켜 각각의 광센싱 화소(110)로부터 광센싱 신호가 출력되도록 제어하는 역할을 한다. 이를 위해, 게이트 드라이버(120)는 행 방향을 따라 배열된 다수의 게이트 라인(GATE1, GATE2, ...)들을 포함할 수 있다. 각각의 게이트 라인은 동일한 행에 배열되어 있는 모든 광센싱 화소(110) 내의 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 게이트 라인(GATE1)은 첫 번째 행에 배열되어 있는 모든 광센싱 화소(110) 내의 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트들에 연결될 수 있으며, 제 2 게이트 라인(GATE2)은 2번째 행에 배열되어 있는 모든 광센싱 화소(110) 내의 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 게이트들에 연결될 수 있다.
신호 출력부(130)는 각각의 광센싱 화소(110)들로부터 발생하는 광센싱 신호를 받아 데이터 신호를 출력하는 역할을 한다. 이를 위하여, 신호 출력부(130)는 열 방향을 따라 배열된 다수의 데이터 라인(Data1, Data2, ...)들을 포함할 수 있다. 각각의 데이터 라인(Data1, Data2, ...)은 동일한 열에 배열되어 있는 모든 광센싱 화소(110) 내의 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 소스들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 데이터 라인(Data1)은 첫 번째 열에 배열되어 있는 모든 광센싱 화소(110) 내의 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 소스들에 연결될 수 있으며, 제 2 데이터 라인(Data2)은 두번째 열에 배열되어 있는 모든 광센싱 화소(110) 내의 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 소스들에 연결될 수 있다. 이러한 구조에서, 신호 출력부(130)는 동일한 행에 배열되어 있는 다수의 광센싱 화소(110)들에서 발생한 모든 광센싱 신호를 다수의 데이터 라인(Data1, Data2, ...)들을 통해 동시에 수신할 수 있다. 예를 들어, 제 1 게이트 라인(GATE1)에 V2의 게이트 전압을 인가되는 경우, 첫 번째 행에 배열되어 있는 광센싱 화소(110)들에서 발생한 모든 광센싱 신호가 동시에 신호 출력부(130)에 입력될 수 있다. 신호 출력부(130)는 이들 광센싱 신호들을 디지털 데이터 신호로 변환한 후 한 열씩 순차적으로 출력하도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 상술한 광센싱 장치(100)의 동작을 설명한다. 도 7에는 광센싱 장치(100)의 동작을 예시적으로 나타내는 타이밍도가 도시되어 있다. 도 7의 타이밍도을 참조하면, 먼저 게이트 드라이버(120)는 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 문턱전압 Vth1과 Vth2 사이의 게이트 전압 V2를 제 1 게이트 라인(GATE1)에 인가하여, 첫 번째 행의 광센싱 화소(110)들로부터 광센싱 신호를 출력한다. 나머지 게이트 라인(GATE2, ...)에는 V1의 로우 전압이 인가된다. 따라서, 나머지 행들의 광센싱 화소(110)들로부터는 광센싱 신호가 출력되지 않는다. 그런 후, 게이트 드라이버(120)는 제 2 게이트 라인(GATE2)에 V2의 게이트 전압을 인가하여, 두 번째 행의 광센싱 화소(110)들로부터 광센싱 신호를 출력한다. 나머지 게이트 라인(GATE1, GATE3, ...)에는 V1의 로우 전압이 인가된다. 이러한 방식으로 광센싱 화소 어레이의 첫번째 행부터 마지막 행까지 순차적으로 광센싱 화소(110)들로부터 광센싱 신호를 출력할 수 있다.
그런 후, 게이트 드라이버(120)는 모든 게이트 라인(GATE1, GATE2, ...)들에 양의 리셋 신호 V3을 인가하여 광센싱 화소 어레이 내의 모든 광센싱 화소(110)들의 산화물 반도체 트랜지스터(10)들을 리셋시킨다. 이에 따라, 산화물 반도체 트랜지스터(10)가 초기화되어 다음의 광센싱 동작을 수행할 수 있게 된다. 그러면, 한 프레임의 광센싱 동작이 완료된다. 이렇게 해서 한 프레임의 광센싱 동작이 완료되면, 이어서 위와 동일한 순서로 다음 프레임의 광센싱 동작이 반복될 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 광센싱 장치(100)의 광센싱 회소(110)는 단순하게 하나의 산화물 반도체 트랜지스터(10)만을 포함할 수 있다. 이러한 광센싱 장치(100)에서, 산화물 반도체 트랜지스터(10)는 광센서로서 역할을 할 뿐만 아니라, 광센싱 신호를 출력시키기 위한 스위치의 역할도 함께 수행할 수 있다. 따라서, 하나의 화소 내에 다수의 트랜지스터와 캐패시터가 설치된 복잡한 회로 구조를 갖는 기존의 광센싱 장치에 비해, 본 실시예에 따른 광센싱 장치(100)의 구조와 동작은 크게 간단해질 수 있다. 이러한 이유로, 상기 광센싱 장치(100)는 기생 저항 및 기생 커패시턴스로 인한 설계 제한을 극복하여 대면적으로 제작이 가능하다. 또한, 단순화된 화소 구조로 인해 개구율(aperture ratio)이 향상되어, 광센싱 장치(100)의 감도 및 해상도를 증가시킬 수 있다.
상술한 광센싱 장치(100)는, 예를 들어, 광을 감지하여 기존의 터치 스크린과 동일한 기능을 수행할 수 있는 광터치 스크린 장치의 광터치 패널에 적용될 수 있다. 광터치 패널은 상술한 광센싱 장치(100)가 얇고 투명한 박막 형태로 구현된 것으로, 디스플레이 패널의 표면에 부착되어 사용될 수 있다. 이 경우, 산화물 반도체 트랜지스터(10)의 각 구성요소들은 ITO, SiO2 등과 같은 투명한 재료들로 이루어질 수 있다. 또한, 디스플레이 패널에서 나오는 빛에는 영향을 받지 않도록, 자외선 영역에 민감한 채널 재료의 선택을 통해 자외선에만 반응하는 산화물 반도체 트랜지스터(10)를 설계할 수도 있다.
도 8은 도 6에 도시된 광센싱 장치(100)를 광터치 패널로서 사용하는 일 실시예에 따른 광터치 스크린 장치의 사시도이다. 도 8을 참조하면, 상술한 광센싱 장치(100)로 이루어진 광터치 패널이 화면에 부착된 디스플레이 장치(210)를 포함하는 광터치 스크린 장치(200)가 도시되어 있다. 이러한 광터치 스크린 장치(200)에서, 예를 들어, 레이저 포인터와 같은 간단한 광원 장치(220)를 이용하여 디스플레이 장치(210)에 광을 조사하면, 광센싱 장치(100) 내에 배열된 광센싱 화소(110)가 광을 인식하게 된다. 따라서 마치 손이나 펜으로 터치 스크린을 터치하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 상기 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....산화물 반도체 트랜지스터 11.....기판
12.....절연층 13.....게이트
14.....게이트 절연막 15.....채널층
16.....소스 17.....드레인
18.....투명 절연층 100....광센싱 장치
110....광센싱 화소 120....게이트 드라이버
130....신호 출력부
12.....절연층 13.....게이트
14.....게이트 절연막 15.....채널층
16.....소스 17.....드레인
18.....투명 절연층 100....광센싱 장치
110....광센싱 화소 120....게이트 드라이버
130....신호 출력부
Claims (14)
- 다수의 행과 다수의 열로 배열된 다수의 광센싱 화소들을 갖는 광센싱 화소 어레이;
각각의 광센싱 화소에 게이트 전압과 리셋 신호를 제공하도록 행 방향을 따라 배열된 다수의 게이트 라인을 갖는 게이트 드라이버;
열 방향을 따라 배열된 다수의 데이터 라인을 가지며, 각각의 광센싱 화소로부터 광센싱 신호를 받아 데이터 신호를 출력하는 신호 출력부; 및
구동 전압 라인;을 포함하며,
각각의 광센싱 화소는 광센서의 역할과 광센싱 신호를 출력시키기 위한 스위치의 역할을 함께 수행하는 하나의 산화물 반도체 트랜지스터를 포함하고, 각각의 광센싱 화소 내의 산화물 반도체 트랜지스터에 커패시터가 연결되지 않으며,
각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에는 상기 게이트 라인이 연결되고, 각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 소스에는 상기 데이터 라인만이 연결되며, 각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 드레인에는 상기 구동 전압 라인이 연결되고,
상기 게이트 드라이버는, 행 방향을 따라 순차적으로 상기 산화물 반도체 트랜지스터에 게이트 전압을 인가한 후, 모든 게이트 라인들에 리셋 신호를 인가하여 모든 산화물 반도체 트랜지스터들에 한꺼번에 리셋 신호를 인가하도록 구성되며,
상기 게이트 드라이버는, 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압보다 낮은 제 1 전압, 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압과 광 비입사시의 제 2 문턱 전압 사이의 제 2 전압, 및 양(+)의 제 3 전압을, 제 1 전압, 제 2 전압, 제 1 전압 및 제 3 전압의 순서로 각각의 산화물 반도체 트랜지스터에 게이트 전압을 제공하며,
상기 제 3 전압은 산화물 반도체 트랜지스터를 리셋시키는 리셋 신호인 광센싱 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
한 행을 따라 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에는 해당 행에 대응하는 게이트 라인이 연결되어 있는 광센싱 장치. - 제 1 항에 있어서,
한 열을 따라 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 소스에는 해당 열에 대응하는 데이터 라인이 연결되어 있는 광센싱 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 산화물 반도체 트랜지스터는:
기판;
상기 기판 위에 부분적으로 배치된 게이트;
적어도 상기 게이트의 주위를 덮도록 상기 기판과 게이트 위에 배치된 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 위에서 상기 게이트와 대향하도록 배치된 채널층;
상기 채널층의 양측에 각각 배치된 소스와 드레인; 및
상기 소스, 드레인 및 채널층을 전체적으로 덮도록 배치된 투명 절연층;을 포함하는 광센싱 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 채널층은 산화물 반도체 재료로 이루어지는 광센싱 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 산화물 반도체 재료는 ZnO, InO, SnO, InZnO, ZnSnO 또는 InSnO를 포함하거나, 또는 상기 ZnO, InO, SnO, InZnO, ZnSnO 또는 InSnO에 Hf, Zr, Ti, Ta, Ga, Nb, V, Al, 및 Sn 중에서 적어도 하나의 재료가 추가적으로 혼합된 재료를 포함하는 광센싱 장치. - 영상을 디스플레이 하는 디스플레이 장치;
상기 디스플레이 장치의 화면 위에 부착된 것으로, 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 광센싱 장치를 포함하는 광터치 패널; 및
상기 광터치 패널에 광신호를 제공하는 광원 장치;를 포함하는 광터치 스크린 장치. - 다수의 행과 다수의 열로 배열된 다수의 광센싱 화소들을 갖는 광센싱 화소 어레이, 각각의 광센싱 화소에 게이트 전압과 리셋 신호를 제공하도록 행 방향을 따라 배열된 다수의 게이트 라인을 갖는 게이트 드라이버, 열 방향을 따라 배열된 다수의 데이터 라인을 가지며 각각의 광센싱 화소로부터 광센싱 신호를 받아 데이터 신호를 출력하는 신호 출력부, 및 구동 전압 라인을 포함하는 광센싱 장치의 동작 방법에 있어서,
각각의 광센싱 화소는 광센서의 역할과 광센싱 신호를 출력시키기 위한 스위치의 역할을 함께 수행하는 하나의 산화물 반도체 트랜지스터를 포함하고, 각각의 광센싱 화소 내의 산화물 반도체 트랜지스터에 커패시터가 연결되지 않으며,
각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에는 상기 게이트 라인이 연결되고, 각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 소스에는 상기 데이터 라인만이 연결되며, 각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 드레인에는 상기 구동 전압 라인이 연결되고,
상기 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 음(-)의 제 1 전압, 상기 제 1 전압보다 높은 음(-)의 제 2 전압, 제 1 전압, 및 양(+)의 제 3 전압을 순차적으로 인가하는 단계를 포함하며,
상기 제 1 전압은 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압보다 낮은 전압이며, 상기 제 2 전압은 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압과 광 비입사시의 제 2 문턱 전압 사이의 전압이고,
상기 제 3 전압은 산화물 반도체 트랜지스터를 리셋시키는 리셋 신호이고,
상기 게이트 드라이버는, 행 방향을 따라 순차적으로 상기 산화물 반도체 트랜지스터에 게이트 전압을 인가한 후, 모든 게이트 라인들에 리셋 신호를 인가하여 모든 산화물 반도체 트랜지스터들에 한꺼번에 리셋 신호를 인가하는 광센싱 장치의 동작 방법. - 삭제
- 제 9 항에 있어서,
상기 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 제 2 전압이 인가된 동안, 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 측정하는 단계를 더 포함하는 광센싱 장치의 동작 방법. - 다수의 행과 다수의 열로 배열된 다수의 광센싱 화소들을 갖는 광센싱 화소 어레이, 각각의 광센싱 화소에 게이트 전압과 리셋 신호를 제공하도록 행 방향을 따라 배열된 다수의 게이트 라인을 갖는 게이트 드라이버, 열 방향을 따라 배열된 다수의 데이터 라인을 가지며 각각의 광센싱 화소로부터 광센싱 신호를 받아 데이터 신호를 출력하는 신호 출력부, 및 구동 전압 라인을 포함하는 광센싱 장치의 동작 방법에 있어서,
각각의 광센싱 화소는 광센서의 역할과 광센싱 신호를 출력시키기 위한 스위치의 역할을 함께 수행하는 하나의 산화물 반도체 트랜지스터를 포함하고, 각각의 광센싱 화소 내의 산화물 반도체 트랜지스터에 커패시터가 연결되지 않으며,
각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에는 상기 게이트 라인이 연결되고, 각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 소스에는 상기 데이터 라인만이 연결되며, 각각의 산화물 반도체 트랜지스터의 드레인에는 상기 구동 전압 라인이 연결되고,
상기 다수의 광센싱 화소 중에서, 어느 한 행에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 음(-)의 제 2 전압을 인가하고, 나머지 행들에 배열된 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 상기 제 2 전압보다 낮은 음(-)의 제 1 전압을 인가하는 단계; 및
순차적으로, 후속하는 다음의 행에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 제 2 전압을 인가하고, 나머지 행들에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 제 1 전압을 인가하는 단계; 및
모든 행들에 대해 순차적인 제 2 전압의 인가가 완료된 후, 모든 게이트 라인들에 리셋 신호를 인가하여 모든 행들에 배열된 광센싱 화소의 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트들에 동시에 양(+)의 제 3 전압을 인가하는 단계;를 포함하며,
상기 제 1 전압은 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압보다 낮은 전압이며, 상기 제 2 전압은 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 광 입사시의 제 1 문턱 전압과 광 비입사시의 제 2 문턱 전압 사이의 전압이고,
상기 제 3 전압은 산화물 반도체 트랜지스터를 리셋시키는 리셋 신호인 광센싱 장치의 동작 방법. - 삭제
- 제 12 항에 있어서,
상기 산화물 반도체 트랜지스터의 게이트에 제 2 전압이 인가된 동안, 상기 산화물 반도체 트랜지스터의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 측정하는 단계를 더 포함하는 광센싱 장치의 동작 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170172314A KR101951322B1 (ko) | 2017-12-14 | 2017-12-14 | 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170172314A KR101951322B1 (ko) | 2017-12-14 | 2017-12-14 | 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110073779A Division KR102056905B1 (ko) | 2010-04-22 | 2011-07-25 | 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170141638A KR20170141638A (ko) | 2017-12-26 |
| KR101951322B1 true KR101951322B1 (ko) | 2019-02-22 |
Family
ID=60937022
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170172314A KR101951322B1 (ko) | 2017-12-14 | 2017-12-14 | 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101951322B1 (ko) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5121478B2 (ja) * | 2008-01-31 | 2013-01-16 | 株式会社ジャパンディスプレイウェスト | 光センサー素子、撮像装置、電子機器、およびメモリー素子 |
-
2017
- 2017-12-14 KR KR1020170172314A patent/KR101951322B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20170141638A (ko) | 2017-12-26 |
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