KR102153849B1 - 스마트 픽셀 조명 및 디스플레이 마이크로컨트롤러 - Google Patents

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Abstract

발광 조립체를 설명한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 디바이스 및 하나 이상의 마이크로컨트롤러가 기판의 동일한 면에 본딩되고, 하나 이상의 마이크로컨트롤러는 하나 이상의 LED 디바이스를 스위칭하고 구동한다.

Description

스마트 픽셀 조명 및 디스플레이 마이크로컨트롤러{SMART PIXEL LIGHTING AND DISPLAY MICROCONTROLLER}
본 발명은 발광 다이오드(LED) 마이크로컨트롤러에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 디스플레이 또는 조명 장치에 사용하기 위한 LED 마이크로컨트롤러에 관한 것이다.
LED 디바이스를 활용하는 플랫 패널 디스플레이는 소형의 핸드헬드 전자 디바이스부터 대형 옥외 디스플레이까지 전자 디바이스의 광범위한 분야에서 인기를 얻고 있다. 현대 컴퓨터 디스플레이, 스마트폰 및 텔레비전에 사용되는 것과 같은 고해상도 LED 디스플레이는 통상적으로 액티브 매트릭스 디스플레이 구조를 사용한다. 액티브 매트릭스 디스플레이에서, 액티브 구동 회로가 각 픽셀 또는 서브픽셀에 부착되어, 패시브 매트릭스 디스플레이에는 없는, 각각의 픽셀들에 대한 정확한 전압 스위칭을 가능하게 한다. 정확한 전압 스위칭은 패시브 매트릭스 디스플레이에 비교하여 개선된 화질 및 응답 시간을 가능하게 한다. 종래의 액티브 매트릭스 디스플레이에서, 각 픽셀에 있는 스위칭 회로는 방출 요소들을 구동하는 박막 트랜지스터(TFT) 백플레인을 사용하여 구현된다. 방출 액티브 매트릭스 디스플레이에 사용되는 통상적인 TFT 스위칭 회로는 2 개의 트랜지스터와 1 개의 커패시터를 포함하는 2T1C 회로이지만, 더 발전된 TFT회로들이 가능하다.
TFT 백플레인의 사용은 패시브 매트릭스 디스플레이에 비하여 개선된 정확성을 가능하게 하지만, 박막 트랜지스터 백플레인의 사용이 단점이 없는 것은 아니다. 고품질 TFT 제조는 비용이 많이 든다. 최고품질의 TFT는 제조 공정에서 수반되는 고온 때문에 석영 기판 상의 제조를 필요로 한다. 더 낮은 온도 공정이 유리 기판을 이용하여 사용될 수 있지만, 생성되는 트랜지스터들은 낮은 캐리어 이동도를 겪게 되어, 트랜지스터의 전도성이 떨어질 수 있다. 전류 누설 및 전력 소비 또한 문제가 될 수 있고, 균일성 이슈가 제조 공정 중에 여러 지점에서 일어날 수 있다.
발광 다이오드들을 제어하기 위한 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러를 설명한다. 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러를 이용하여 LED 및 LCD 디스플레이 기술에 사용된 TFT 백플레인을 대체하고, 디스플레이에서 스위칭 및 구동 요소로서 박막 트랜지스터를 사용하여 이전에는 불가능했던 새로운 기능을 추가할 수 있다. 실시예에서 발광 조립체는 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 디바이스 및 하나 이상의 LED 디바이스를 스위칭하고 구동하기 위한 하나 이상의 마이크로컨트롤러를 포함한다. 하나 이상의 LED 디바이스 및 하나 이상의 마이크로컨트롤러는 기판의 동일한 면에 본딩된다. 실시예에서, LED 디바이스 및 마이크로컨트롤러는 인듐, 금, 은, 구리, 또는 그것들의 합금들과 같은 재료를 이용하여 기판에 본딩된다.
일 실시예에서, 스마트-픽셀 집적 회로는 아날로그 입력을 위하여 구성되고, 전자장치들을 포함하는 입력 블록 및 출력 블록을 갖는다. 그와 같은 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러는 액티브 매트릭스 디스플레이와 유사하게 스캔 라인 및 데이터 라인에 인가되는 전압으로 제어된다. 유사한 형태로, 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러는 적어도 하나의 아날로그 데이터 입력을 받아들여 적어도 하나의 LED 디바이스를 제어할 수 있지만, 다수의 LED 디바이스가 단일 마이크로컨트롤러를 이용하여 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러는 디지털 저장장치를 갖는 아날로그 회로를 보충하여 적응적인 리프레시 속도 및 디스플레이 자체 리프레시를 용이하게 한다. 일 실시예에서, 용량성 저장장치를 이용하여 아날로그 입력을 저장한다.
일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러는 디지털 입력을 위하여 구성되고, 디지털 로직을 포함하는 입력 블록 및 출력 블록, 및 임베디드 메모리를 구비한 저장 모듈을 갖는다. 디지털 입력은 디지털 버스 또는 포인트 대 포인트(point-to-point) 데이터 링크를 경유하여 올 수 있다. 다수의 LED 디바이스 또는 센서 디바이스는 단일 마이크로컨트롤러를 이용하여 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 적응적 디스플레이 업데이트는 각각의 집적 회로 내의 데이터 저장장치에 의하여 이용 가능하다.
일 실시예에서, 복수의 LED 디바이스는 마이크로컨트롤러와 같이 동일한 기판의 면에 본딩되고, 마이크로컨트롤러와 전기적으로 연결된다. LED 디바이스는 디스플레이에서 서브픽셀들로서 사용될 수 있고, 적색, 녹색, 청색(RGB) 서브픽셀 배열로 구성될 수 있다. 다른 서브픽셀 배열 및 기법들 또한 가능하다. 실시예에서, 발광 조립체는 기판의 동일한 면에 본딩된 LED 디바이스들의 어레이 및 마이크로컨트롤러들의 어레이를 포함한다. 마이크로컨트롤러들의 어레이 내의 마이크로컨트롤러들의 수는 LED 디바이스들의 어레이 내의 LED 디바이스들의 수보다 적다. 실시예에서, 각각의 마이크로컨트롤러는 복수의 픽셀과 전기적으로 연결되어 각각의 픽셀에서 복수의 LED 디바이스를 구동한다.
디스플레이의 방출 요소들을 제어하는 것뿐만 아니라, 마이크로컨트롤러는 하나 이상의 광학, 전기 또는 열 센서와 연결될 수 있다. 대안적으로 마이크로컨트롤러는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러는 하나 이상의 압력 센서와 연결되고, 이는 디스플레이가 터치될 때 시각적 디스플레이 피드백을 주거나, 터치 디스플레이에서 사용자 입력을 전송하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 센서를 이용하여 시간의 경과에 따른 디스플레이의 화이트 포인트(white point)의 드리프트를 검출할 수 있고, 디스플레이를 종종 재보정하여 일관성있는 화이트 포인트를 유지할 수 있다.
수용 기판, 하나 이상의 이송 헤드, 및 하나 이상의 캐리어 기판을 이용하여 디스플레이 또는 조명 디바이스를 제조하는 방법의 일 실시예가 또한 개시된다. 조명 또는 디스플레이 디바이스는 마이크로 스케일 서브픽셀 어레이를 수용 기판 상에 배치함으로써 제조될 수 있고, 수용 기판은 마이크로 스케일 서브픽셀 어레이의 컴포넌트들을 연결하기 위한 배전선들이 구비되어 있다. 실시예에서, 발광 조립체를 제조하는 방법은 복수의 LED 디바이스를 운반하는 기판 위에 이송 헤드들의 어레이를 위치시키는 단계, 복수의 LED 디바이스를 픽업하는 단계, 및 복수의 LED 디바이스를 수용 기판 상에 배치하는 단계를 포함한다. 이 공정은 예를 들어, 상이한 발광 특성을 갖는 다른 복수의 LED 디바이스를 운반하는 별도의 기판에 대하여 반복될 수 있다. 동일한 또는 상이한 이송 헤드들의 어레이가 사용될 수 있다. 이어서 동일한 또는 상이한 이송 헤드들의 어레이는 복수의 마이크로컨트롤러를 운반하는 기판 위에 위치되고, 복수의 마이크로컨트롤러를 픽업하고, 마이크로컨트롤러들을 복수의 LED 디바이스와 동일한 수용 기판의 면 상에 배치한다. 본 발명의 실시예에 따라 이송 헤드들의 어레이들은 정전기 원리에 따라 동작할 수 있다. 복수의 LED 디바이스 및 마이크로컨트롤러는 또한 수용 기판에 본딩될 수 있다. 실시예에서, 본딩은 복수의 LED 디바이스 및 복수의 마이크로컨트롤러를 각각의 이송 헤드들의 어레이를 이용하여 가열함으로써 성취된다. 본딩은 또한 이송 헤드들의 어레이를 이용한 열압착 본딩에 의해 성취될 수 있다. 추가적으로 하나 이상의 센서 디바이스는 또한 정전기 이송 헤드를 이용하여 수용 기판 상에 배치될 수 있다.
위 요약은 논의될 모든 양태들의 포괄적인 리스트를 포함하지 않는다. 고려되어야 할 점은 아래에 자세하게 설명되는 것들이 위에서 요약한 다양한 양태들의 모든 적절한 조합으로부터 실행될 수 있는 모든 시스템 및 방법을 포함한다는 것이다.
실시예들은 예시로써 설명되는 것이고 첨부 도면의 형태들로의 제한은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스의 회로 다이어그램이다.
도 2는 일 실시예에 따른 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러 구조의 블록 다이어그램이다.
도 3은 일 실시예에 따른 대안적인 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러 구조의 블록 다이어그램이다.
도 4는 실시예에 따른 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러 입력 블록의 블록 다이어그램이다.
도 5a, 5b는 실시예에 따른 대안적인 다른 스마트-픽셀 입력 블록의 블록 다이어그램이다.
도 6은 실시예에 따른 또 다른 스마트-픽셀 입력 블록의 블록 다이어그램이다.
도 7은 실시예에 따른 스마트-픽셀 출력 블록을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 8은 실시예에 따른 다른 스마트-픽셀 출력 블록을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 9는 실시예에 따른 예시적인 스마트-픽셀 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 10은 실시예에 따른 예시적인 픽셀 업데이트 타이밍을 도시하는 타이밍 다이어그램이다.
도 11은 실시예에 따른 스마트-픽셀 프레임 업데이트 신호의 타이밍 다이어그램이다.
도 12a, 도 12b, 및 도 12c는 실시예에 따른 다양한 예시적인 마이크로-매트릭스 구성들을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 13은 실시예에 따른 센서 입력을 구비한 대안적인 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러 구조의 블록 다이어그램이다.
도 14는 실시예에 따른 데이터 릴레이를 구비한 대안적인 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러 구조의 블록 다이어그램이다.
도 15는 실시예에 따라 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스 디스플레이 또는 조명 기판을 만드는 하나의 방법의 플로 다이어그램이다.
도 16은 실시예에 따라 마이크로 디바이스의 마이크로-디바이스 기판을 수용 기판으로 처리하는 도해이다.
도 17은 실시예에 따른 디스플레이 또는 조명 기판 상에 조립된 스마트-픽셀들의 어레이로 만들어진 스마트-픽셀 디스플레이 조립체의 도해이다.
본 발명의 실시예들은 발광 디바이스를 위한 "스마트-픽셀" 마이크로컨트롤러를 제공한다. 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러는 웨이퍼 기반 마이크로컨트롤러 디바이스의 성능, 효율성, 및 신뢰성을 활용하여 TFT 백플레인을 형성하는 데 사용되는 박막 전자장치를 대체한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 발광 디바이스가 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러와 연결되어 스마트-픽셀 발광 디바이스를 만든다. 스마트-픽셀 발광 디바이스의 방출 요소는 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 디바이스, 하나 이상의 유기 LED(OLED) 디바이스, 또는 하나 이상의 마이크로-LED(μLED) 디바이스일 수 있다. TFT 제조 공정이 없어서, 스마트-픽셀 "마이크로-매트릭스"가 강성, 반강성, 또는 가요성 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 또는 임의의 응용 적합한 기판을 포함하는 다양한 기판을 이용하여 제조될 수 있는데, 기판이 TFT 제조 공정을 거칠 필요가 없기 때문이다.
스마트-픽셀 디바이스는 하나 이상의 LED 디바이스, 및 하나 이상의 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러를 수용 기판 상에 이송함으로써 만들어질 수 있고, 이것은 각 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러를 그것의 각 LED 디바이스, 다른 스마트 픽셀 컨트롤러, 및/또는 외부 디바이스 및 회로들에 연결하도록 배전선들이 구비되어 있다. 스마트-픽셀 디바이스는 또한 하나 이상의 LED 디바이스에 추가하거나, 그것에 대신하는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(μC), LED 디바이스, 및 센서 디바이스는 기판 표면의 동일한 면에 본딩된다. 핀, 전도성 패드, 전도성 범프, 및 전도성 볼과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 다양한 접속부를 이용하여 본딩이 이루어질 수 있다. 금속, 금속 합금, 솔더, 전도성 중합체, 또는 전도성 산화물이 핀, 패드, 범프, 또는 볼을 형성하는 전도성 재료로서 사용될 수 있다. 실시예에서, μC, LED 디바이스, 또는 선택적 센서 디바이스 상의 전도성 컨택은 기판 상의 전도성 패드에 열압착 본딩된다. 이러한 방법으로, 본딩은 μC, LED 디바이스, 또는 센서 디바이스에 대한 전기 접속부로서 기능할 수 있다. 실시예에서, 본딩은 전도성 컨택을 전도성 패드와 합금 본딩하는 것을 포함한다. 예를 들어, 전도성 컨택 또는 전도성 패드는 본딩을 위해 인듐, 금, 은, 주석, 또는 구리와 같은 재료를 포함할 수 있다. 실시예에서, 전도성 컨택과 전도성 패드가 서로 본딩되면, 인듐-금, 주석-금, 주석-은-구리와 같은 합금을 형성한다. 발명의 실시예로 활용될 수 있는 다른 예시적인 본딩 방법은 열적 본딩 및 열초음파 본딩을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 실시예에서, μC, LED 디바이스, 또는 센서 디바이스는 기판 상의 배전선들에 전기적으로 연결되는 랜딩 패드들에 결합되어 하나 이상의 LED 디바이스를 스마트-픽셀 μC에 전기적으로 본딩된다. 수용 기판은 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스의 응용에 기초하여 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 디스플레이 기판을 사용하여, 스마트-픽셀들이 고해상도 디스플레이의 화소로서 사용되는 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스 LED 디스플레이 디바이스를 형성한다.
일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스는 조명 디바이스에서 사용하는 데 적합한 수용 기판 상에 구성된다. 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러를 사용하여 발광되는 광에 대한 정확한 휘도, 균일성, 및 색상 제어를 유지할 수 있다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스는 액정 디스플레이(LCD) 디바이스를 위한 LED 백라이트로서 사용된다. 황색과 조합한 청색 또는 UV LED, 청색-황색 또는 백색 형광체를 사용하여 LCD 디스플레이를 위한 백색 백라이트를 제공할 수 있다. 백색광은 또한 형광체를 사용 또는 사용하지 않고 단일의 색상 LED 디바이스들의 다양한 조합으로써 생성될 수 있다. 백색 조명뿐만 아니라, 추가적인 단일 색상 LED 디바이스(예를 들어, 적색, 호박색, 녹색, 청색 등) 디바이스가 또한 사용되어 백색 백라이트를 갖는 다른 후보군보다 더 넓은 색 재현영역 및 연색지수(color rendering index)를 제공할 수 있다.
하나 이상의 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러는 또한 마이크로컨트롤러 네트워크를 형성하도록 연결될 수 있다. 마이크로컨트롤러들 사이에 다단식 배열이 존재하는 마이크로컨트롤러들의 계층이 사용될 수 있다. 다양한 유형의 마이크로컨트롤러들이 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있고, 마이크로컨트롤러들은 각각 공통 데이터 버스에 묶이거나, 데이지 체인(daisy chain) 형태로 연결되거나, 또는 무선으로 통신할 수 있다. 마이크로컨트롤러 네트워크는 결함 허용성(fault tolerance)을 인에이블할 수 있고, 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스의 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러와 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스의 다른 디바이스 간에 양방향 통신이 인에이블 된다. 하나 이상의 센서는 방출 요소들과 함께 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러와 연결될 수 있다. 센서는 주변광 센서, 광학 센서, 전기 센서, 또는 열 센서일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 디스플레이가 터치되면 디스플레이 상에 시각적 디스플레이 피드백을 주거나 터치 디스플레이에 사용자 입력을 전송하는 데 압력 센서가 사용된다. 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스 디스플레이에서, 센서를 이용하여 시간의 경과에 따른 디스플레이의 화이트 포인트의 드리프트를 검출할 수 있고, 디스플레이를 종종 재보정하여 일관성있는 화이트 포인트를 유지할 수 있다.
일 실시예에서, 스마트-픽셀 요소는 마이크로 스케일 서브픽셀 컨트롤러(μC) 디바이스와 마이크로 LED(μLED) 디바이스의 연결에 의해 만들어지는 마이크로 스케일 디바이스이다. "마이크로 스케일", "마이크로 LED 디바이스", "μLED 디바이스", "μC 디바이스" 및 "마이크로 스케일 픽셀 컨트롤러"에서의 용어 "마이크로"는 모두 1 내지 100 μm의 스케일을 지칭한다. 예를 들어, 각 μLED 또는 각 μC 디바이스는 1 내지 100 μm의 최대 (x, y) 치수를 가질 수 있다. 그러나, 알아야 할 점은 본 명세서에서 설명하는 실시예들은 애플리케이션에 기초하여 더 크고, 경우에 따라 더 작은 사이즈의 스케일에 적용될 수 있다는 것이다. 일 실시예에서 마이크로 스케일 센서 디바이스는 μLED 디바이스와 함께 사용된다. 예시적인 μLED 디바이스 및 일부 실시예에 따라 마이크로 스케일 마이크로컨트롤러 디바이스로서 활용될 수 있는 마이크로칩이 미국 특허 출원 제13/3711,554에 설명되어 있다. 그렇지만 실시예들이 그와 같이 제한되지 않고, 미국 특허 출원 제13/3711,554에서 설명하는 μLED 디바이스 및 마이크로칩은 예시적이며 비제한적어야 한다. 그와 같은 마이크로 LED 디바이스는 발광에 매우 효율적이고 LCD 또는 OLED 방출의 5 내지 10 와트에 비하여 매우 적은 전력(예를 들어, 10 인치 디스플레이의 250 mW)을 소비할 수 있다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀은 방출 컴포넌트로서 OLED를 사용하여 만들어진다. 일 실시예에서, 무기 LED가 스마트-픽셀의 방출 컴포넌트로서 사용된다. 그러나, 알아야 할 점은 스마트-픽셀 마이크로 스케일 마이크로컨트롤러 또한 표준 LED와 연결될 수 있고, 애플리케이션은 마이크로 스케일 LED로 특별히 제한되지 않는 다는 것이다. 일부 실시예에서 스마트-픽셀 내의 μLED 디바이스 및 μC의 사이즈는 픽셀 피치 및 디스플레이의 해상도의 사이즈에 의해 결정된다. 예시적인 디스플레이 치수들이 아래 표 1에 설명되어 있다.
다양한 방법 및 다양한 사이즈의 스케일로 디스플레이, 조명, 및 백라이팅 구성을 포함하는 스마트-픽셀 디바이스의 구성들이 설명되고 있다. 그러나, 소정 실시형태들은 개시된 구체적 상세 사항들 중 하나 이상 없이, 또는 다른 알려진 방법들 및 구성들과 조합하여 실시될 수 있다. 완전한 이해를 제공하기 위하여 특정 구성, 치수 및 공정 등과 같은 많은 특정 세부 사항이 언급된다. 일부 경우에, 불필요하게 논의를 어지럽히는 것을 피하기 위하여 잘 알려진 기술 및 컴포넌트들은 구체적으로 자세하게 설명하지 않았다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예", "실시예" 등의 언급은 실시예와 관련되어 기술된 특정 특징, 구조, 구성 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 나타낸다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 문구 "하나의 실시예에서", "일 실시예에서" 등의 출현이 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조, 구성 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "위의", "에", "사이의" 및 "상에"는 하나의 층의 다른 층들에 대한 상대적인 위치를 지칭할 수 있다. 다른 층 "위의," 또는 그것 "상의" 또는 다른 층"에" 결합되는 하나의 층은 다른 층과 직접 접촉할 수 있거나 하나 이상의 개재하는 층을 구비할 수 있다. 층들 "사이의" 하나의 층은 그 층들과 직접 접촉할 수 있거나, 하나 이상의 개재하는 층을 구비할 수 있다.
디바이스 상태와 연관되어 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 용어 "온(ON)"은 디바이스의 활성화된 상태를 지칭하고, 용어 "오프(OFF)"는 디바이스의 비활성화된 상태를 지칭한다. 디바이스에 의해 수신된 신호와 연관되어 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 용어 "온"은 디바이스를 활성화하는 신호를 지칭하고, 본 연관성에서 사용된 용어 "오프"는 디바이스를 비활성화하는 신호를 지칭한다. 디바이스는 디바이스를 구현하는 기초 전자 장치에 따라 높은 전압 또는 낮은 전압에 의해 활성화될 수 있다. 예를 들어, PMOS 트랜지스터 디바이스는 낮은 전압에 의해 활성화되는 반면, NMOS 트랜지스터 디바이스는 높은 전압에 의해 활성화된다. 따라서, 이해해야 할 점은 PMOS 트랜지스터 디바이스 및 NMOS 트랜지스터 디바이스에 대한 "온" 전압은 반대(낮음 대 높음) 전압 레벨에 해당한다는 것이다. Vdd 및 Vss가 도시 또는 설명되어 있는데, 그것은 또한 하나 이상의 Vdd 및/또는 Vss를 나타낼 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 디지털 Vdd는 데이터 입력, 디지털 로직, 메모리 디바이스 등에 사용될 수 있고, 다른 Vdd는 LED 출력 블록을 구동하는 데 사용된다.
도 1은 일 실시예에 따른 스마트-픽셀 마이크로 매트릭스의 회로 다이어그램이다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스(100)는 종래의 액티브 매트릭스 디스플레이의 방출 요소 및 TFT 층을 마이크로 스케일 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러(μC) 집적 회로 디바이스(110)로 대체하여, 하나 이상의 LED 디바이스(115)를 스위칭하고 구동한다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로 매트릭스(100)는, 다양한 μC 디바이스(110)들과 LED 디바이스(115)들을 연결하는 배전선(125)들을 구비한 수용 기판 상에 제조된다. 일 실시예에서, 배전선들은, 하나 이상의 스캔 드라이버(V선택)에 연결되는 스캔 라인, 및 하나 이상의 데이터 드라이버(V데이터)에 연결되는 데이터 라인을 포함한다. 도시된 바와 같이, LED 디바이스(115)들은 공통 접지에 연결되지만, 각각 개별적인 접지를 가질 수 있다. 이 도면, 및 다음의 도면들에서, 도시된 각 LED 디바이스(115)는 단일 LED 디바이스를 나타낼 수 있거나, 다수의 LED 디바이스가 동일한 제어 신호로 구동될 수 있도록 직렬, 병렬, 또는 이 둘의 조합으로 배열된 다수의 LED 디바이스를 나타낼 수 있다. 도 1의 예시적인 회로는 3 개의 제어 입력과 6 개의 LED 출력을 도시하지만, 실시예들이 그렇게 한정되지 않는다. 단일 μC(110)는 디스플레이 상의 다수의 픽셀 또는 조명 디바이스용 다수의 LED 디바이스(115) 그룹을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 단일 μC(110)는 50 내지 100 개의 픽셀을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, μC 디바이스(110)는 상이한 색상의 광을 방출하는 하나 이상의 적색, 녹색, 및 청색 LED 디바이스(115)와 연결된다. 적색-녹색-청색(RGB) 서브픽셀 배열에서, 각 픽셀은 각각 적색, 녹색 및 청색광을 방출하는 3 개의 서브픽셀을 포함한다. RGB 배열은 예시적이고 실시예들이 그렇게 한정되지 않는다. 추가적인 서브픽셀 배열은 적색-녹색-청색-황색(RGBY), 적색-녹색-청색-황색-시안(cyan)(RGBYC), 또는 적색-녹색-청색-백색(RGBW), 또는 픽셀들이 상이한 수의 서브픽셀을 가질 수 있는, 등록상표명 펜타일(PenTile®)로 제조된 디스플레이와 같은 기타 서브픽셀 매트릭스 기술법을 포함한다.
일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스는 LED 조명 솔루션에서, 또는 LCD 디바이스를 위한 LED 백라이트로서 사용된다. 광원으로 사용될 때, 황색과 조합한 청색 또는 UV LED 또는 청색-황색 형광체를 사용하여LCD 디스플레이를 위한 백색 백라이트를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 인듐 갈륨 질화물(InGaN) LED 디바이스와 같은 청색 LED 디바이스를 하나 이상 이용하는 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스는 세륨 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(YAG:Ce3+) 형광체에서 나오는 황색 발광(luminescence)과 조합된다. 일 실시예에서, 적색, 녹색, 및 청색 형광체는 근자외/자외(nUV/UV) InGaN LED 디바이스와 조합하여 백색광을 생성한다. 형광체는 LED 디바이스의 표면에 본딩될 수 있고, 또는 이격 형광체(remote phosphor)가 사용될 수 있다. 백색광 발광뿐만 아니라, 추가적인 적색, 녹색 및/또는 청색 LED 디바이스가 또한 사용되어 백색 백라이트를 갖는 다른 후보군보다 더 넓은 색상 재현영역을 제공한다.
도 2는 일 실시예에 따른 스마트-픽셀 μC 구조의 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC 디바이스(110)는 입력 블록(215) 및 출력 블록(225)을 갖는다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC 디바이스(110)는 추가적인 데이터 저장 모듈(210)을 갖는데, 이는 하나 이상의 커패시터를 구비한 아날로그 데이터 저장 모듈일 수 있거나, 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM), 또는 플래시 메모리와 같은 비휘발성 메모리로 구성된 디지털 데이터 저장 모듈일 수 있다. 입력 블록(210)은 전원(Vdd) 및 접지(Vss)를 위한 입력 핀, 및 하나 이상의 입력 핀(V데이터(1) 내지 V데이터(n))과 연결된다. 스마트-픽셀 μC(110)는 적어도 하나의 입력을 받아들이도록 구성 가능하고, 이는 적어도 하나의 LED 디바이스, 또는 백색광원에서 사용될 수 있는 하나 이상의 LED 디바이스와 같이, 직렬, 병렬, 또는 이 둘의 조합 형태에 있는 LED 디바이스들의 그룹을 적어도 하나 이상 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 3 개의 입력 제어 신호는 적색, 녹색, 및 청색 출력을 갖는 최대 3 개의 LED 디바이스(예를 들어, LED1, LED2, 및 LED3)를 제어하여 RGB 서브픽셀 배열을 만들어 낸다. 일 실시예에서, 3 개 이상의 LED 디바이스를 제어하여 적색-녹색-청색-황색(RGBY), 적색-녹색-청색-황색-시안(RGBYC), 또는 적색-녹색-청색-백색(RGBW), 또는 픽셀들이 상이한 수의 서브픽셀을 가질 수 있는 기타 서브픽셀 기법과 같은 서브픽셀 배열들을 가능하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(110)는 열 선택 신호를 제공하기 위한 스캔 드라이버 입력과 연결된 V선택 입력 핀을 갖는다. 일 실시예에서, 데이터 입력 상의 데이터 업데이트 신호를 사용하는 데 도움이 되도록 분명한 열 선택 입력이 생략된다.
일 실시예에서, 출력 블록(225)은 μC(110)에 연결된 다양한 방출 디바이스들에 전류를 출력하도록 구성된다. 종래 아날로그 구동 기술을 사용하는 구성에서는, 입력 데이터 라인들에서 온 입력 전압 신호는 연결된 서브픽셀들의 각각을 구동할 적절한 전류로 변환된다. 예를 들어, V데이터(1) 로의 전압 입력은 LED 조명 디바이스에서 LED1 출력을 구동할 수 있다. μC(110) 입력 모듈이 다수의 입력, 예컨대 V데이터(1) 내지 V데이터(n)을 갖는 경우, 출력 블록(225)은 LED1 내지 LEDn까지 최대 n 개의 제어 라인을 출력할 수 있다. 직렬, 병렬 또는 조합 형태의 하나 이상의 LED는 하나 이상의 LED 출력에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(110)는 입력이 수신되면 데이터 값들을 저장하기 위하여 데이터 저장 모듈(220)을 갖는다. 아날로그 또는 디지털 저장 모듈일 수 있는 데이터 저장 모듈(220)은 각 디스플레이 업데이트와 연관되는 데이터를 저장한다. 일 실시예에서, 데이터 저장 모듈(220)은 아날로그 입력 블록에서 들어오는 아날로그 전압을 저장하기 위하여 하나 이상의 커패시터를 포함한다. 일 실시예에서, 데이터 저장 모듈(220)은 디지털 값을 저장하기 위하여 랜덤 액세스 메모리(RAM), 예컨대 정적 RAM(SRAM) 또는 동적 RAM(DRAM)의 셀을 적어도 하나 포함한다. 일 실시예에서, 데이터 저장 모듈(220)은 플래시 메모리를 포함한다. 데이터 저장 모듈(220)이 인에이블되면, 스마트-픽셀 μC(110)는 각각의 픽셀에 대하여 들어오는 데이터를 저장하고 정적 데이터의 정규적인 리프레시에 대한 최소의 요구 또는 그러한 요구 없이 연속적으로 데이터를 디스플레이 할 수 있다. 대신에, 디스플레이 컨트롤러가 업데이트 이벤트를 표시할 때까지 픽셀은 계속해서 저장된 데이터를 디스플레이할 수 있다. 추가적으로, 다수의 프레임의 픽셀 데이터가 버스트(burst) 방식으로 스마트-픽셀 μC(110)에 전송되고 저장 모듈(220)에 저장될 수 있다. 이어서, 스마트-픽셀 μC(110)는 소정의 업데이트 속도로, 또는 디스플레이 컨트롤러의 업데이트 신호에 기초하여 다수의 프레임에 걸쳐 순환할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 대안적인 스마트-픽셀 μC의 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(310)는 입력 블록(315), 데이터 저장 모듈(320) 및 출력 블록(325)을 갖는다. 도 2에 도시된 아날로그 변형(110)으로서, 디지털 변형(310)은 Vdd 및 Vss 전압 입력, 및 선택적인 스캔 라인 또는 열 선택 입력 V선택(205)을 갖는다. 일 실시예에서, 디지털 스마트-픽셀 μC(310)의 출력(예를 들어, LED1 내지 LEDn)이 LED 조명 디바이스, 또는 LED 백라이트 내의 하나 이상의 LED 디바이스와 연결된다. 일 실시예에서, 3 개 이상의 LED 디바이스는 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위하여 적색-녹색-청색(RGB) 서브픽셀 배열, 또는 일부 다른 서브픽셀 매트릭스에서 제어될 수 있다. 입력은 디지털 데이터 버스, 디지털 데이터 링크, 또는 차동 신호 인터페이스로의 접속일 수 있는 디지털 입력(305)의 형태이다.
일 실시예에서, 데이터 저장 모듈(320)은 출력 블록(325)에 의한 후속적인 사용을 위하여 입력 블록(315)에 의해 수신된 입력을 버퍼링한다. 데이터 저장 모듈(325)은 리프레시 사이클들 사이에 입력 데이터를 버퍼링하기 위하여 메모리, 예컨대 DRAM, SRAM, 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 디스플레이 프레임에 대한 모든 입력 데이터는 버스트 메시지로서 각각의 스마트-픽셀 μC(310)에 개별적으로 전송되고, 이는 부착형 LED들에 대한 픽셀 또는 서브픽셀 정보를 저장한다. 출력 모듈(325)은 저장된 데이터를 판독하고 표준 업데이트 속도, 또는 콘텐츠에 따른 업데이트 속도로 부착형 LED들을 구동할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 스마트-픽셀 μC 입력 블록의 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 입력 블록(215)은 데이터 입력(405) 및 열 선택, 또는 스캔 입력(205)에 연결된다. 입력 블록(215)은 샘플 및 홀드 회로(406)의 하나 이상의 변형을 활용할 수 있다. 예시적인 샘플 및 홀드 회로(406)는 1 개의 트랜지스터 T1(402)과 1 개의 커패시터 Cs(404)를 갖지만, 더 복잡한 샘플 및 홀드 회로 또한 사용될 수 있다. 스위칭 트랜지스터(402)는 n-타입 또는 p-타입 반도체 트랜지스터와 같은 임의의 유형의 게이트 절연형 전계효과 트랜지스터일 수 있다. 이러한 구성에서, 스위칭 트랜지스터 T1(402)은 스캔 입력(205)과 연결된 게이트 전극, 및 데이터 입력(305)과 연결된 제1 소스/드레인 전극, 및 커패시터 Cs와 연결된 제2 소스/드레인 전극을 갖는다. 일 실시예에서, 전압 레벨 스캔 신호는 저장 커패시터 Cs(404)가 충전되도록 인에이블하고, 이는 근복적으로 출력 모듈에 연결된 LED 디바이스로의 전류 흐름을 인에이블한다. 일 실시예에서, 입력 모듈은 구동 트랜지스터를 포함하는 출력 모듈과 연결된다. 그와 같은 실시예에서, μC는 액티브 매트릭스 디스플레이의 2T1C 회로와 유사한 회로를 만들지만, 추가적인 회로 구성들이 가능하다. 일 실시예에서, 입력 모듈은 저장 모듈(220) 내의 하나 이상의 커패시터를 충전한다. 저장 모듈(220)은 또한 하나 이상의 커패시터 대신에 또는 그것에 추가하여 디지털 저장장치를 포함할수 있고, 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(430)는 아날로그 입력의 디지털 표현을 저장하는 데 사용된다.
도 5a는 디지털 저장장치에 연결된 아날로그 데이터 입력을 구비한 스마트-픽셀 μC 입력 블록의 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 입력 블록(215)은 데이터 입력 핀을 통해 데이터 입력과 연결되고 데이터 저장 모듈(320)로 출력한다. 일 실시예에서, 데이터 동기화 로직(520)은 데이터 라인 상에서 아날로그 업데이트 신호를 검출하고, 들어오는 데이터를 ADC(530)로 전달하여, 데이터 저장 모듈(320)에 입력 데이터의 디지털 표현을 저장한다. 일 실시예에서, 업데이트 신호는 픽셀 상태값을 새로운 값으로 업데이트 하기 위한 데이터 샘플링 로직에 대한 표시이다.
도 5b는 용량성 저장장치에 연결된 아날로그 데이터 입력을 구비한 스마트-픽셀 μC 입력 블록의 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 입력 블록(215)은 데이터 입력 핀을 통해 데이터 입력과 연결되고, 아날로그 신호를 용량성 저장장치를 이용하는 데이터 저장 모듈(220)로 출력한다. 데이터 동기화 로직(520)은 데이터 라인(505) 상에서 아날로그 업데이트 신호를 검출하고, 업데이트된 데이터를 용량성 저장장치(220)로 전달한다.
도 6은 일 실시예에 따른 예시적인 스마트-픽셀 입력 블록의 블록 다이어그램이다. 디지털 입력 블록(315)은 하나 이상의 디지털 입력 핀(305)과 연결되고, 데이터 저장 모듈(220)과 연결되며, 이는 용량성 저장장치, 및/또는 디지털 메모리, 예컨대 SRAM 또는 DRAM, 또는 플래시 메모리와 같은 비휘발성 메모리의 셀을 하나 이상 포함할 수 있다. 입력 수신기(540)는 디지털 입력(305)과 연결되고, 하나 이상의 입력 핀에서 데이터를 수신하고 수신된 데이터를 데이터 저장 모듈(220) 내에 저장한다. 일 실시예에서, 스캔 라인(205)을 입력 블록과 연결하여 스캔 라인이 데이터 업데이트 신호를 보내도록 인에이블 한다. 일 실시예에서, 데이터 업데이트 이벤트들은 디지털 입력을 통해 전달된다.
도 7은 실시예에 따른 스마트-픽셀 출력 블록을 도시하는 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC 디바이스(110)는 아날로그 입력 블록, 또는 용량성 저장장치와 연결되도록 구성된 출력 블록(225)을 갖는다. 출력 블록(225)은 각각의 LED 출력에 대하여 전압-전류 변환 회로(720)의 하나 이상의 변형을 사용할 수 있다. 예시적인 전압-전류 변환은 구동 트랜지스터 T2(702)를 갖고, 이는 전원(Vdd)과 연결된 제1 소스/드레인 전극, 및 하나 이상의 LED 디바이스와 연결된 제2 소스/드레인 전극을 갖는다. 구동 트랜지스터 T2(702)의 게이트 전극과 연결된 저장 커패시터 Cs(704)는 출력 블록의 변형에 포함될 수 있거나 입력 블록(215)과 출력 블록(225) 간의 접속 회로의 일부로서 입력 블록 블록(예를 들어, 도 4의 Cs(404))에 포함될 수 있거나, 저장 모듈(220) 내의 하나 이상의 커패시터 중 하나이다. 저장 커패시터 Cs(704)의 제1 전극은 접지 라인(Vss)에 연결되거나, 전용 접지를 가질 수 있다. 제2 전극은 구동 트랜지스터 T2(702)의 게이트 전극과 연결된다. 저장 커패시터 Cs 내에 저장된 전압 포텐셜은 구동 트랜지스터 T2(702)의 게이트를 열어, 하나 이상의 부착형 LED 디바이스에 전류를 구동한다. 각 LED 디바이스(예를 들어, LED1, LED2, 내지 LEDn)는 단일 LED 디바이스, 또는 병렬, 직렬, 또는 조합 형태의 하나 이상의 LED 디바이스를 나타낼 수 있다. 주의할 점은 전압-전류 컨버터(225)에 의해 사용되는 소정의 구동 방법은 설명 목적을 위한 것이고, 대안적인 LED 구동 회로들이 다양한 실시예의 범주 안에 있고, 구현예가 디스플레이, 조명, 또는 백라이트 지향인지에 따라 달라질 수 있다는 것이다.
도 8은 실시예에 따른 다른 스마트-픽셀 출력 블록을 도시하는 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 출력 블록(325)은 데이터 저장 모듈(220) 내의 디지털 메모리로부터 판독할 수 있고, 디지털-아날로그 컨버터(DAC)(840)와 연결된 디지털 제어 로직(830)을 갖는다. 디지털 제어 로직에서 DAC로의 직렬의 데이터 링크를 사용하여 하나 이상의 부착형 LED를 제어할 수 있다. 주의할 점은 출력 블록(325)에 의해 사용되는 소정의 구동 방법은 설명 목적을 위한 것이고, 대안적인 LED 구동 회로들이 다양한 실시예의 범주 안에 있고, 구현예가 디스플레이, 조명, 또는 백라이트 지향인지에 따라 달라질 수 있다는 것이다. 추가적으로, 각 LED 디바이스(예를 들어, LED1, LED2, 내지 LEDn)는 단일 LED 디바이스, 또는 병렬, 직렬, 또는 조합 형태의 하나 이상의 LED 디바이스를 나타낼 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 예시적인 스마트-픽셀 디스플레이 시스템을 도시한다. 이 예에서, 디스플레이 패널(920)은 혼합형 디스플레이 모드를 갖는데, 비디오 스트림과 같은 동적 콘텐트(930)가 창에 도시되는 반면, 디스플레이의 나머지는 텍스트 페이지와 같은 정적 콘텐트(920)를 도시한다. 데이터 입력은 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러(μC) 디바이스(922)의 입력 핀들과 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 활성화/무시 신호(905)는 스캔 입력에 연결되고, 어드레스 정보를 전송하고, 프레임 업데이트 정보, 또는 프레임 메타데이터를 스마트-픽셀 마이크로컨트롤러에 전송하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 데이터 및 어드레스 정보는 둘 모두 데이터 입력(910)을 통해 전송된다. 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스(920)는 단일 디스플레이, 또는 고화질 텔레비전, 또는 대형 옥외 디스플레이와 같은 디스플레이의 일부에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, μC 디바이스(922)는 마이크로컨트롤러 링크(935)를 통해 다른 마이크로컨트롤러들에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스(920)는 부착형 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스를 갖는 추가적인 μC 디바이스에 μC 디바이스(922)를 연결함으로써 만들어지는 분할형 또는 모듈형 디스플레이 중 하나의 구성요소일 수 있다. 다수의 스마트-픽셀 마이크로 매트릭스 조립체를 연결하는 것과 각 μC 디바이스(922)를 링크로 연결하는 것은 모듈형 구성을 사용하여 점점 더 큰 디스플레이를 만들 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로컨트롤러 링크(935)는 무선 링크일 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 μC 디바이스는 마이크로컨트롤러 링크(935) 네트워크에서 리피터 디바이스로서 사용될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 예시적인 픽셀 업데이트 타이밍을 도시하는 타이밍 다이어그램이다. 도 10의 예에서, 서브픽셀을 위한 새로운 콘텐트가 도 9의 스마트-픽셀 μC 디바이스(922)와 같은 스마트-픽셀 μC 디바이스의 일 실시예에 의해 제어될 때마다 새로운 데이터가 전송된다. 새로운 데이터는 μC 디바이스(922)에 전송되고 저장 모듈에 저장될 수 있다. μC 디바이스(922)에 의해 제어되는 서브픽셀을 위한 새로운 데이터가 사용 가능할 때마다, 고정된 일정을 따르지 않고 데이터가 전송된다. 도 10에 도시된 바와 같이 휴지 기간을 나타내는 수평선 기간동안 주기적인 리프레시 동작이 요구되지 않는다. 일 실시예에서, 프레임 데이터가 예정된 디스플레이 업데이트 속도보다 빠르게 전송되고, 픽셀 데이터는 μC 디바이스 저장 모듈(예를 들어, 저장 모듈(220), 저장 모듈(320))의 일 실시예에 저장된다. 이어서 픽셀 데이터는 예정된 업데이트 간격 동안 저장 모듈로부터 판독된다. 이것은 다수의 프레임의 데이터가 버스트 모드로 전송되고, μC 디바이스(922)의 입력 블록에 의해 수신되고, 출력 블록에 의해 적절한 간격 동안 저장 모듈에서 판독되도록 인에이블 한다.
도 11은 일 실시예에 따른 스마트-픽셀 프레임 업데이트 신호의 타이밍 다이어그램이다. 일 실시예에서, 아날로그 데이터 입력 V데이터(n) 이 Vdd 와 Vss 값 사이의 전압을 감지한다. 예를 들어, Vdd는 +5V일 수 있고 Vss는 -5V일 수 있다. 대안적으로, Vdd는 약간 양 또는 음의 전압이고 Vss는 접지에 묶인다. 마이크로 스케일 구현예에서, 전압은 훨씬 작을 수 있고, 조명 또는 옥외 디스플레이 구현예에서, 전압은 더 높을 수 있다. 아날로그 전압 신호는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 연결되는 데이터 싱크 로직(420)에 의해 감지된다. 디지털 서브픽셀 데이터 값은 아날로그 입력 전압 값에서 유도된다. 예를 들어 Vss 로의 강하는 데이터 싱크 로직(예를 들어, 데이터 싱크 로직(520))에 대한 싱크 표시(1110)로서 작용할 수 있다. 이어서 데이터 싱크 로직(520)은 들어오는 데이터 표시(1120)를 ADC 회로(430)에 전달하여, 아날로그 입력을 디지털 값으로서 데이터 저장 모듈(220)에 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 들어오는 데이터 값은 용량성 저장 모듈 내의 데이터 저장장치(220)에 저장된다.
도 12a, 도 12b, 및 도 12c는 다양한 예시적인 마이크로-매트릭스 구성들을 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 12a는 하나 이상의 스마트-픽셀 μC 디바이스(1230)를 포함하는 스마트 픽셀 마이크로-매트릭스, 및 종래의 LED 디바이스, 유기 LED 디바이스, 또는 μLED 디바이스일 수 있는 LED 디바이스(1250)의 매트릭스를 도시한다. 각 μC 디바이스(1230)가 단일 LED를 제어할 수 있고, 또는 단일 μC 디바이스(1230)가 마이크로-매트릭스(1240)를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로-매트릭스는 행/열 형태로 처리된다. 일 실시예에서, 각 LED 디바이스(1250)는 개별적으로 처리된다. 일 실시예에서, μLED들을 사용하여 고밀도 고화질 디스플레이를 만든다. 일 실시예에서, 해당 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, LED 디바이스들은 대형 옥외 디스플레이에 사용되고, 하나 이상의 μC 디바이스(1230)를 네트워크로 연결하여 디스플레이를 제어하고, 다양한 μC 디바이스(1230)가 디스플레이의 각 부분에 대한 타일 컨트롤러로서 작용한다. 일 실시예에서, 각 부분은 마이크로컨트롤러 링크(935)를 통해 통신할 수 있고, 이는 도 9에 도시된 바와 같다. 일 실시예에서, 마이크로-매트릭스(1240)는 LED 방출, 또는 방출 및 인광을 통해 백색 또는 착색광을 생성하는 LED 광원이다. 일 실시예에서, 마이크로-매트릭스(1240)는 LCD 디스플레이를 위한 LED 백라이트이다.
도 12b는 LED들이 행렬 형태로 배열된 "패시브" 마이크로-매트릭스 구성에서 μC 디바이스가 LED 디바이스(1250)들의 메시를 제어하는 실시예를 도시한다. LED들은 직렬, 병렬, 또는 조합 형태로 μC 디바이스(1230)의 각각의 LED 출력 핀에 연결될 수 있다. 하나 이상의 μC 디바이스(1230)는 LED 디바이스에 대하여 마이크로컨트롤러로서 사용될 수 있다.
도 12c는 일 실시예에 따른 또 다른 LED-μC 디바이스 배열을 도시한다. 각각의 LED 디바이스(1250)는 스마트-픽셀 μC 디바이스(1230)의 단일 출력 핀에 묶일 수 있다. LED 디바이스(1250)들은 백색광을 생성하기 위하여 각각 이격 형광체와 함께 사용되는 청색 또는 UV LED 디바이스들일 수 있다. 일 실시예에서, LED는 YAG:Ce3 형광체와 같은 응용형 형광체를 직접 사용하는 청색 LED 디바이스이다. LED 디바이스(1250)들은 또한 디스플레이 디바이스의 일부일 수 있다. 도시된 4 개의 LED는 RGBY 서브픽셀로서 구성될 수 있고, 또는 5 개의 LED 디바이스와 같이, 추가적인 LED 디바이스를 사용하여 RGBYC 배열을 만들 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 대안적인 스마트-픽셀 μC의 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(1310)은 광학, 전기, 열, 또는 압력 센서와 같은 임베디드 센서 디바이스(1302)를 하나 이상 포함한다. 임베디드 센서(1302)들은 센서 데이터 컨트롤러(1304)와 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 센서 데이터 컨트롤러(1304)는 하나 이상의 오프 칩 센서(1301)와 연결되어 오프 칩 센서(1301)들로부터 추가적인 센서 데이터를 수신한다. 일 실시예에서, 임베디드 또는 외부 센서로부터의 센서 데이터를 처리하기 위한 센서 로직(1312)이 센서 데이터 컨트롤러(1304) 및 데이터 저장장치(1320)에 연결된다. 센서 로직(1312)에 의해 처리된 센서 데이터는 데이터 저장 모듈(1320)에 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 외부 통신 모듈(1306)은 다른 μC 디바이스들과의 마이크로컨트롤러 링크(935)를 인에이블하고, 이는 도 9에 도시된 바와 같다.
센서 입력을 위하여 구성된 일부 스마트-픽셀 μC 변형들은 또한 LED 디바이스들을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(1310)는 입력 블록(1315), 데이터 저장 모듈(1320) 및 출력 블록(1325)을 갖는다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(1310)는 도 3에 도시된 바와 같이 스마트-픽셀 μC(310)의 디지털 입력과 유사한 디지털 입력(305), 및 Vdd와 Vss 전압 입력을 갖는다. 일 실시예에서, 디지털 스마트-픽셀 μC(1310)의 출력(예를 들어, LED1 내지 LEDn)은 LED 조명 디바이스, 또는 LED 백라이트 내의 하나 이상의 LED 디바이스와 연결된다. 각각의 LED 디바이스 출력은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬의 조합 형태로 하나 이상의 LED 디바이스와 연결될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 대안적인 스마트-픽셀 μC의 블록 다이어그램이다. 일 실시예에서, 디지털 입력을 위하여 구성된 스마트-픽셀 μC(1410)는 도 3의 스마트 픽셀 μC(310)와 유사한 데이터 저장 모듈(320) 및 출력 블록(325), 및 추가적으로 Vdd와 Vss 전압 입력을 갖는다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(1410)는 들어오는 디지털 입력(305)을 하나 이상의 추가적인 스마트-픽셀 μC에 전달 또는 재전송하기 위하여 추가적으로 릴레이 출력(1417)에 연결된 입력 블록(1415)을 갖는다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 μC(1410)는 하나 이상의 LED 디바이스(예를 들어, LED1 내지 LEDn)에 출력을 구동한다. 각각의 LED 디바이스 출력은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬의 조합 형태로 하나 이상의 LED 디바이스와 연결될 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따라 스마트-픽셀 디스플레이를 만드는 방법의 플로 다이어그램이다. 마이크로 스케일 LED 디바이스(μLED)와 같은 마이크로 스케일 디바이스 및 마이크로 집적 회로 컨트롤러(μC)와 같은 마이크로칩을 제조하는 예시적인 방법이 미국 특허 출원 제13/711,554에서 설명되어 있고, 이는 이전에 포함된 바와 같다. μLED 디바이스들 및 μC들이 별도의 캐리어 기판들 위에 준비되고, 정전기 이송 헤드들의 어레이를 이용하여 픽업 및 이송할 준비가 된다. 예를 들어, 적색-방출 μLED 디바이스들, 청색-방출 μLED 디바이스들, 및 녹색-방출 μLED 디바이스들의 어레이가 별도의 캐리어 기판들 상에 준비된다. 유사하게 μC들의 어레이가 별도의 캐리어 기판 상에 준비된다. 블록(1502)에 도시된 바와 같이, 복수의 μLED 디바이스를 운반하는 캐리어 기판 위에 정전기 이송 헤드들의 어레이를 위치시키고 캐리어 기판에서 복수의 μLED 디바이스를 픽업한다. 블록(1504)에 도시된 바와 같이, μLED 디바이스들의 어레이를 수용 기판 상의 적절한 위치에 배치한다. 이어서, 동일한 또는 상이한 정전기 이송 헤드들의 어레이를 이용하여 스마트 픽셀 어레이에서 사용되는 각각의 색상에 대하여 별도의 μLED 디바이스들의 어레이들의 각각을 픽업, 이송, 및 수용 기판 상으로 배치한다. 수용 기판은 디스플레이 기판 또는 조명 기판일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 블록(1506)에 도시된 바와 같이, 동일한 또는 상이한 정전기 이송 헤드 어레이를 LED μ컨트롤러 디바이스들의 어레이를 운반하는 캐리어 기판 위에 위치시키고, μC 캐리어 기판에서 μ컨트롤러 디바이스들의 어레이를 픽업한다. 블록(1508)에 도시된 바와 같이, μLED 디바이스들의 어레이들과 동일한 수용 기판 상으로 각각의 μC 디바이스를 이송하고, 수용 기판 상의 적절한 위치에 배치한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 센서 디바이스 또한 수용 기판 상에 배치된다. 블록(1510)에 도시된 바와 같이, μLED 디바이스들 및 μC들에 사용된 바와 같이 동일한 또는 상이한 정전기 이송 헤드 어레이를 μ센서 디바이스들의 어레이를 운반하는 캐리어 기판 위에 위치시키고, μ센서 캐리어 기판에서 하나 이상의 μ센서 디바이스를 픽업한다. 블록(1512)에 도시된 바와 같이, μLED 디바이스들의 어레이들과 동일한 수용 기판 상으로 각각의 μ 센서 디바이스를 이송하고 수용 기판 상의 적절한 위치에 배치한다.
도 16은 일 실시예에 따라 마이크로 디바이스의 마이크로-디바이스 기판에서 수용 기판으로 처리하는 도해이다. 별도의 캐리어 기판들이 각각의 μLED 색상(1610), μC(1620), 및 μ센서(1625)에 사용된다. 하나 이상의 이송 조립체(1600)를 이용하여 캐리어 기판(예를 들어, 1610, 1620, 1625)에서 마이크로구조물들을 픽업하고 디스플레이 또는 조명 기판(1630)과 같은 수용 기판으로 이송하여 스마트-픽셀 어레이(1615)를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 별도의 이송 조립체(1600)들을 이용하여 μLED 색상(1610), μC(1620), 및 μ센서(1625)의 임의의 조합을 이송한다. 디스플레이 기판은 다양한 μLED와 μC 구조물을 연결하기 위하여 배전선들이 구비된다. 다수의 배전선이 랜딩 패드 및 상호연결 구조물에 연결되어, μLED 디바이스들과 μC 디바이스들을 전기적으로 연결하고, 다양한 μC 디바이스들을 서로 연결할 수 있다. 수용 기판은 마이크로 디스플레이부터 대면적 디스플레이에 이르는 임의의 사이즈의 디스플레이 기판(1630)일 수 있고, 또는 LED 조명, 또는 LCD 디스플레이를 위한 LED 백라이트로서 사용하기 위한 조명 기판일 수 있다. μLED 및 μC 구조물들은 기판 표면의 동일한 면에 본딩된다.
핀, 전도성 패드, 전도성 범프, 및 전도성 볼과 같은 다양한 접속부를 이용하여 본딩이 이루어질 수 있다. 금속, 금속 합금, 솔더, 전도성 폴리머, 또는 전도성 산화물이 핀, 패드, 범프, 또는 볼을 형성하는 전도성 재료로서 사용될 수 있다. 실시예에서, 본딩을 용이하게 하기 위하여 열 및/또는 압력이 이송 헤드들의 어레이로부터 전달될 수 있다. 실시예에서, μC, LED 디바이스, 또는 선택적인 센서 디바이스 상의 전도성 컨택들은 기판 상의 전도성 패드들에 열압착 본딩된다. 이러한 방법으로, 본딩은 μC, LED 디바이스, 또는 센서 디바이스에 대한 전기 접속부로서 기능할 수 있다. 실시예에서, 본딩은 전도성 컨택들을 전도성 패들과 인듐 합금 본딩 또는 금 합금 본딩하는 것을 포함한다. 발명의 실시예로 활용될 수 있는 다른 예시적인 본딩 방법은 열적 본딩 및 열초음파 본딩을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 실시예에서, μC, LED 디바이스, 또는 센서 디바이스는 기판 상의 배전선들과 전기적으로 연결되는 랜딩 패드들에 본딩되어 하나 이상의 LED 디바이스를 스마트-픽셀 μC에 전기적으로 연결한다. 수용 기판은 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스의 응용에 기초하여 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 디스플레이 기판을 사용하여, 스마트-픽셀들이 고해상도 디스플레이의 화소로서 사용되는 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스 LED 디스플레이 디바이스를 형성한다.
도 17은 조명 또는 디스플레이 기판 상에 조립된 스마트-픽셀들의 어레이로 만들어진 스마트-픽셀 조립체의 도시이다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 수용 기판은 μC 디바이스들 및 LED들의 마이크로-매트릭스를 하나 이상의 컨트롤러에 연결하기 위하여 배전선들이 구비된 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스(1730)이다. LED 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스는 도 16에서 설명한 방식으로 준비된 기판(1730) 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 수용 기판(1735)은 디스플레이 기판이고, 다수의 스마트-픽셀 마이크로-매트릭스 조립체는 서로 연결되어 고해상도 디스플레이 시스템을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 수용 기판(1735)은 조명 기판이고, 하나 이상의 스마트 픽셀 마이크로 매트릭스 조립체는 백색광원을 형성하기 위하여 황색 형광체와 함께 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 해당 기술분야에서 알려진 센서일 수 있거나, 1 내지 100 μm의 최대 (x, y) 치수를 갖는 마이크로 스케일 센서일 수 있는 하나 이상의 센서를 이용하여 시간의 경과에 따른 화이트 포인트의 드리프트를 검출할 수 있고, 디스플레이를 종종 재보정하여 일관성있는 화이트 포인트를 유지할 수 있다.
선택적인 실란트(1740)를 사용하여 기판을 고정하고 보호할 수 있다. 일 실시예에서, 실란트는 투명하여 상부 방출 LED 디바이스들을 갖는 디스플레이 또는 조명 기판이 실란트를 통과해서 디스플레이하게 한다. 일 실시예에서, 실란트는 불투명하여 하부 방출 LED 디바이스들과 사용된다. 일 실시예에서, 데이터 드라이버(1710) 및 스캔 드라이버(1720)는 디스플레이 기판 상의 다수의 데이터 및 스캔 라인과 연결된다. 일 실시예에서, 스마트-픽셀 디바이스들의 각각은 리프레시 및 타이밍 컨트롤러(1724)와 연결된다. 리프레시 및 타이밍 컨트롤러(1724)는 각각의 LED 디바이스를 개별적으로 처리하여 비동기식 또는 적응적 동기식 디스플레이 업데이트를 인에이블 할 수 있다. 일 실시예에서, 리프레시 및 타이밍 컨트롤러(1724)는 데이터 드라이버(1710)와 연결될 수 있고, 리프레시 및 타이밍 컨트롤러(1724)는 스캔 드라이버(1720)에 신호를 보내서 디스플레이 패널의 제1 열로 하여금 현재의 데이터 프레임에서 리프레시되지 않도록 하고 디스플레이 패널의 제2 열로 하여금 현재의 데이터 프레임에서 리프레시되도록 동작 가능할 수 있다. 일 실시예에서, LED 마이크로-매트릭스 LED 조명 디바이스의 휘도를 제어하는 데 사용되는 휘도 컨트롤러(1726)가 마이크로-매트릭스 기판(1735)에 연결될 수 있고, 이는 또한 LCD의 백라이트로서 사용될 수 있다. 휘도 컨트롤러(1726)는 또한 하나 이상의 광학 센서에 연결되어 광 출력의 적응적 조정을 가능하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 열 센서는 스마트-픽셀 기반 LED 광원이 자동으로 열 출력을 관리하도록 인에이블 한다.
표 1은 1920 × 1080p 및 2560×1600 해상도를 갖는 적색-녹색-청색(RGB) 디스플레이를 사용하는 다양한 실시예들에 따라 예시적인 구현예들의 리스트를 제공한다. 이해해야 할 점은 본 발명의 실시예들은 RGB 색상 기법 또는 1920 × 1080p 또는 2560×1600 해상도에 한정되지 않고, 특정 해상도 및 RGB 색상 기법은 단지 설명 목적을 위한 것이라는 것이다.
[표 1]
Figure 112019120412903-pat00001
위의 예시적인 실시예들에서, 40 PPI 픽셀 밀도는 55 인치 1920 × 1080p 해상도 텔레비전에 대응할 수 있고, 326 및 440 PPI 픽셀 밀도는 레티나 디스플레이를 갖는 핸드헬드 디바이스에 대응할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라, 스마트-픽셀(120)을 위한 μLED 디바이스 및 μC의 최대 (x,y) 치수는 할당된 픽셀 피치, 예컨대 표 1에 대하여 위에서 설명한 예시적인 할당된 픽셀 피치에 맞는다. 예를 들어, 일 실시예에서 440 PPI를 갖는 5" RGB 디스플레이는 각각 대응하는 (19 μm, 58 μm) 서브픽셀 피치와 맞는 최대 (x, y) 치수를 갖는 적색-방출 μLED 디바이스, 녹색-방출 μLED 디바이스, 및 청색-방출 μLED 디바이스, 및 (58 μm, 58 μm) 픽셀 피치와 맞는 μC 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 40 PPI를 갖는 55" RGB 디스플레이는 각각 대응하는 (211 μm, 634 μm) 서브픽셀 피치에 맞는 최대 (x, y) 치수를 갖는 적색-방출 μLED 디바이스, 녹색-방출 μLED 디바이스, 및 청색-방출 μLED 디바이스 및, (634 μm, 634 μm) 픽셀 피치에 맞는 μC 디바이스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 양태를 활용하는 데 있어서, 상기 스마트-픽셀 실시예들의 조합 또는 변형이 가능하다는 것이 당업자에게는 명백해질 것이다. 본 발명이 구조적 특징 및/또는 방법론적 동작에 대해 특정한 표현으로 기술되어 있지만 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명은 반드시 기술된 구체적 특징 또는 동작으로 한정되지는 않는다는 것은 이해되어야 한다. 대신에, 개시된 특정 특징 및 동작은 본 발명을 예시하는 데 유용한 청구된 발명의 특히 세련된 구현으로 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 발광 조립체로서,
    마이크로-매트릭스들의 어레이로 배열된 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이 및 발광 다이오드(LED) 디바이스의 어레이 - 각각의 마이크로 매트릭스는 마이크로컨트롤러 칩과 전기적으로 연결된 발광 다이오드(LED) 디바이스들의 매트릭스를 포함함 - ;
    를 포함하고,
    각각의 마이크로컨트롤러 칩은, 제1 스트링의 LED 디바이스들을 구동하기 위해 상기 제1 스트링의 LED 디바이스들에 전기적으로 연결되는 제1 출력 핀과, 제2 스트링의 LED 디바이스들을 구동하기 위해 상기 제2 스트링의 LED 디바이스들에 전기적으로 연결되는 제2 출력 핀을 포함하고,
    상기 제1 스트링의 LED 디바이스들 내의 각각의 LED 디바이스는 상기 제1 출력 핀에 병렬로 연결되고, 상기 제2 스트링의 LED 디바이스들 내의 각각의 LED 디바이스는 상기 제2 출력 핀에 병렬로 연결되는, 발광 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 열 드라이버(column driver)를 더 포함하는 발광 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 행 드라이버(row driver)를 더 포함하는 발광 조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이와 상기 LED 디바이스들의 어레이를 전기적으로 연결하는 배전선들을 더 포함하는 발광 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 LED 디바이스들의 어레이 내의 각각의 LED 디바이스는 1 내지 100 μm의 최대 길이 또는 너비 치수를 갖는, 발광 조립체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이와 상기 LED 디바이스들의 어레이를 전기적으로 연결하기 위한 배전선들을 더 포함하고,
    상기 배전선은 상기 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이 중 복수의 마이크로컨트롤러 칩을 서로 전기적으로 연결하는, 발광 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 LED 디바이스들의 어레이 내의 각각의 LED 디바이스는 1 내지 100 μm의 최대 길이 또는 너비 치수를 갖는, 발광 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 LED 디바이스들의 어레이는 상기 배전선들과 전기적으로 연결되는 랜딩 패드들에 결합되는, 발광 조립체.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이 내의 각각의 마이크로컨트롤러 칩은 하나 이상의 입력 회로 및 적어도 하나의 출력 회로를 포함하는, 발광 조립체.
  11. 제7항에 있어서,
    하나 이상의 열 드라이버에 연결되는 타이밍 컨트롤러를 더 포함하고,
    상기 타이밍 컨트롤러는, 디스플레이 패널의 제1 열이 현재의 데이터 프레임에서 리프레시되지 않고 상기 디스플레이 패널의 제2 열이 상기 현재의 데이터 프레임에서 리프레시되게 하기 위해 하나 이상의 행 드라이버에 신호를 보내도록 동작 가능한, 발광 조립체.
  12. 제7항에 있어서,
    복수의 센서를 더 포함하고,
    각각의 센서는 광학 센서, 전기 센서, 열 센서, 및 압력 센서로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 발광 조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    각각의 센서는 상기 마이크로컨트롤러 칩들의 어레이의 마이크로컨트롤러 칩 내에 위치하지 않는, 발광 조립체.
  14. 제7항에 있어서,
    각각의 마이크로컨트롤러 칩은 데이터 입력 단자 및 스캔 입력 단자를 포함하는, 발광 조립체.
  15. 제14항에 있어서,
    각각의 마이크로컨트롤러 칩은 샘플 및 홀드 회로, 아날로그-디지털 컨버터, 및 데이터 저장 모듈을 포함하는, 발광 조립체.
  16. 제14항에 있어서,
    각각의 마이크로컨트롤러 칩은 데이터 동기화 로직, 아날로그-디지털 컨버터, 및 데이터 저장 모듈을 포함하는, 발광 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    각각의 마이크로컨트롤러 칩은 복수의 디지털 입력 단자를 포함하는, 발광 조립체.
  18. 제17항에 있어서,
    각각의 마이크로컨트롤러 칩은 Vdd 입력 및 Vss 입력을 포함하는, 발광 조립체.
  19. 제17항에 있어서,
    각각의 마이크로컨트롤러 칩은 입력 수신기, 데이터 저장 모듈, 디지털 제어 로직, 및 디지털-아날로그 컨트롤러를 포함하는, 발광 조립체.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 LED 디바이스들의 어레이 내의 각각의 LED 디바이스는 1 내지 100 μm의 최대 길이 또는 너비 치수를 갖는, 발광 조립체.
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