KR102555296B1 - 표시장치와 이를 이용한 모바일 단말기 - Google Patents

표시장치와 이를 이용한 모바일 단말기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표시장치와 이를 이용한 모바일 단말기에 관한 것으로, 표시패널의 화면 상에서 터치 입력을 센싱하는 터치 센서, 상기 터치 입력이 미리 설정된 지문 센싱 영역에 위치할 때 상기 터치 입력의 압력을 센싱하는 포스 센서, 및 상기 포스 센서에 의해 센싱된 상기 터치 입력의 압력이 소정 압력 이상일 때 구동되어 상기 터치 입력 위치의 지문을 센싱하는 지문 센서를 구비한다.

Description

표시장치와 이를 이용한 모바일 단말기{display device and mobile terminal using the same}
본 발명은 지문 센서(fingerprint sensor)와 포스 센서(force sensor)를 포함한 표시장치와 이를 이용한 모바일 단말기에 관한 것이다.
생체 인식 기술(Biometrics)은 신원 확인 또는 등록된 사용자를 확인하기 위해 지문, 음성과 같이 사람의 변하지 않는 신체적 특징을 인식한다. 생체 인식 기술에서 사용되는 생체 정보는 지문(Fingerprint), 얼굴(Face), 홍채(Iris) 등이 있다. 최근, 다양한 정보 기기에서 정보 보안을 위해 다양한 생체 인식 기술이 적용되고 있다. 고사양 스마트 폰의 경우, 경쟁적으로 생체 인식 기술이 적용되고 있다.
지문 인식 장치는 대부분의 정보 기기에서 사용되고 있는 대표적인 생체 인식 시스템이다. 지문 인식 장치에 이용되는 지문 센서는 정전 용량 방식, 초음파 방식, 광학식 등이 있다. 초음파 방식 지문 센서와 광학식 지문 센서는 사용자의 지문 상태나 환경에 따라 지문 인식률에서 차이가 큰 단점이 있다.
모바일 단말기는 미리 설정된 시간 동안 입력 신호가 없으면 슬립 모드(sleep mode, 또는 대기 모드)로 전환되어 소비 전력을 줄인다. 그런데 지문 인식 장치는 대기 모드에서 동작하고 있기 때문에 대기 모드에서 소비 전력을 발생한다.
본 발명은 사용자의 지문 상태나 환경에 영향을 받지 않고 지문 인식률을 개선할 수 있는 지문 인식 장치와 이를 이용한 표시장치와 모바일 단말기를 제공한다.
본 발명의 표시장치는 화면 상에 영상을 표시하는 표시패널, 상기 표시패널의 화면 상에서 터치 입력을 센싱하는 터치 센서, 상기 터치 입력이 미리 설정된 지문 센싱 영역에 위치할 때 상기 터치 입력의 압력을 센싱하는 포스 센서, 및 상기 포스 센서에 의해 센싱된 상기 터치 입력의 압력이 소정 압력 이상일 때 구동되어 상기 터치 입력 위치의 지문을 센싱하는 지문 센서를 구비한다.
본 발명의 모바일 단말기는 화면 상에 영상을 표시하는 표시패널, 입력 영상의 픽셀 데이터를 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 표시패널 구동부, 상기 표시패널의 화면 상에서 터치 입력을 센싱하는 터치 센서, 상기 터치 입력이 미리 설정된 지문 센싱 영역에 위치할 때 상기 터치 입력의 압력을 센싱하는 포스 센서, 상기 포스 센서에 의해 센싱된 상기 터치 입력의 압력이 소정 압력 이상일 때 구동되어 상기 터치 입력 위치의 지문을 센싱하는 지문 센서, 및 상기 표시패널에 표시될 입력 영상의 픽셀 데이터를 상기 표시패널 구동부로 전송하고, 터치 센서로부터 얻어진 터치 데이터, 상기 포스 센서로부터 얻어진 포스 데이터 및 상기 지문 센서로부터 얻어진 지문 센서 데이터를 수신하는 호스트 시스템을 구비한다. 상기 호스트 시스템은 상기 터치 데이터와 상기 포스 데이터가 수신된 후에 수신되는 상기 지문 데이터에 대하여 지문 인증을 실시한다.
본 발명은 포스 센서를 이용하여 지문의 압력이 소정 압력 이상일 때만 지문을 센싱함으로써 지문의 접촉 면적 증대를 유도한다. 그 결과, 본 발명은 사용자의 지문 상태나 환경에 영향을 받지 않고 지문 인식률을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 지문 센싱 영역 상에서 터치 입력이 확인될 때에만 포스 센서를 구동하고, 터치 입력(지문)의 압력이 소정의 압력 이상일 때에만 지문 센서를 구동함으로써 오동작을 방지하고 슬립 모드에서 소비 전력을 개선할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 단말기의 전면을 개략적으로 보여 주는 평면도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 표시장치를 보여 주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 단말기를 보여 주는 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 단말기의 외관과 내부 구조를 개략적으로 보여 주는 도면들이다.
도 5a 내지 도 5c는 표시장치에 연결되는 가요성 인쇄 회로들을 보여 주는 도면들이다.
도 7a 내지 도 7d는 터치 및 포스 센서 구동부를 상세히 보여 주는 회로도들이다.
도 8은 FSR 방식 포스 센서의 상판과 하판 구조를 상세히 보여 주는 도면이다.
도 9는 도 8의 선 “Ⅰ-Ⅰ'”를 따라 절취하여 포스 센서의 단면 구조를 보여 주는 도면이다.
도 10은 FSR 방식 포스 센서의 동작 원리를 보여 주는 도면이다.
도 11은 일반 지문에서 지문 센서를 통해 획득된 지문 이미지를 보여 주는 도면이다.
도 12는 건조 지문에서 지문 센서를 통해 획득된 지문 이미지를 보여 주는 도면이다.
도 13은 건조 지문의 압력을 높일 때 지문 센서로부터 획득된 지문 이미지의 변화를 보여 주는 도면이다.
도 14는 슬립 모드에서 지문 센싱 및 인증 과정을 보여 주는 흐름도이다.
도 15는 노멀 구동 모드에서 지문 센싱 방법을 보여 주는 흐름도이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 실시예에 따른 지향성 광원 장치를 보여 주는 도면들이다.
도 17은 도 16a 및 도 16b에 도시된 투명 기판 내에서의 광 경로를 나타내는 단면도이다.
도 18a 및 도 18b는 표시 패널 상에 배치된 지향성 광원 장치를 보여 주는 도면들이다.
도 19는 표시 패널에 지향성 광원 장치, 지문 센서 및 포스 센서가 배치된 예를 보여 주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것에 주의하여야 한다. 이하의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명은 특허청구범위에 의해 정의된다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 ' ~ 만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, ' ~ 상에', ' ~ 상부에', ' ~ 하부에', ' ~ 옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
실시에 설명에서, 제1, 제2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되지만, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 발명의 표시장치는 영상이 표시되는 화면 상에 접촉된 사용자의 지문을 센싱하되, 지문의 압력이 소정의 압력 이상일 때에 지문 센서가 구동한다.
본 발명의 표시장치는 지문 센서와 포스 센서가 배치될 수 있다면 제약이 없다. 표시장치는 액정 표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 전계 발광 표시장치(Electroluminescence Display), 전계 방출 표시장치(Field Emission Display, FED), 플라즈마 표시패널(Plasma Display Panel, PDP) 등의 평판 표시장치에 적용될 수 있다. 전계 발광 표시장치는 발광층의 재료에 따라 무기 발광 표시장치와 유기 발광 표시장치로 대별된다.
액티브 매트릭스 타입(active matrix type)의 유기 발광 표시장치의 픽셀들은 스스로 발광하는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode: 이하, "OLED"라 함)를 포함한다. 유기 발광 표시장치는 응답속도가 빠르고 발광효율, 휘도, 시야각 등이 우수할 뿐 아니라, 블랙 계조를 완전한 블랙으로 표현할 수 있기 때문에 명암비(contrast ratio)와 색재현율이 우수하다. 이하에서, 본 발명의 표시장치를 유기 발광 표시장치를 중심으로 설명하지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 실시예들에서, 전계 발광 표시장치는 유기 발광 물질을 포함한 유기 발광 표시장치를 중심으로 설명한다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 유기 발광 표시장치에 국한되지 않고, 무기발광 물질을 포함한 무기발광 표시장치에 적용될 수 있음에 주의하여야 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 단말기의 전면을 개략적으로 보여 주는 평면도이다. 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 표시장치를 보여 주는 도면이다. 도 1b는 도 1a에서 선 A-A'을 따라 절취한 표시장치의 단면도를 구동 회로부의 블록도와 함께 보여 준다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 표시장치는 터치 스크린을 포함한 표시패널(50), 표시패널(50)을 구동하는 표시패널 구동부(12), 표시패널(50) 아래에 배치된 지문 센서(32), 및 지문 센서(32)와 가깝게 배치된 포스 센서(24)를 포함한다. 본 발명의 표시장치는 터치 및 포스 센서 구동부(20), 지문 센서 구동부(30) 및 센서 신호 처리부(40)를 더 포함한다.
표시패널(50)의 화면은 입력 영상을 표시하는 픽셀 어레이를 포함한다. 픽셀 어레이는 다수의 데이터 라인들, 데이터 라인들과 교차되는 다수의 게이트 라인들(또는 스캔 라인들), 및 매트릭스 형태로 배치되는 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은 컬러 구현을 위하여 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀, 청색 서브 픽셀로 나뉘어질 수 있다. 픽셀들 각각은 백색 서브 픽셀을 더 포함할 수 있다. 서브 픽셀들 각각은 OLED와 같은 발광 소자를 포함한다.
표시패널(50)의 화면 상에 터치 스크린을 구현하기 위한 터치 센서들(22)이 배치될 수 있다. 터치 센서들은 온-셀(On-cell type) 또는 애드 온 타입(Add on type)으로 표시패널(50)의 화면 상에 배치되거나 픽셀 어레이에 내장되는 인-셀(In-cell type) 터치 센서들로 구현될 수 있다.
표시패널(50)의 전면에 투명 기판(60)이 접착될 수 있다. 투명 기판(60)은 모바일 단말기의 커버 글라스(cover glass)로 이용될 수 있다. 표시패널(50)의 후면에 폼 패드(foam pad, 52)와 금속층(54)이 적층될 수 있다.
표시패널(50)의 후면에 지문 센서(32)와 포스 센서(24)가 배치된다. 지문 센서(32)는 폼 패드(52)와 금속층(54)을 관통하여 표시패널(50)을 노출하는 개구공을 통해 표시패널(50)에 접착된다. 지문 센서(32)는 초음파 방식 또는 광학식 센서로 구현될 수 있다. 지문 센서(32)는 표시패널(50)을 사이에 두고 지문 접촉면의 반대면에서 지문으로부터 반사된 초음과 또는 광을 수신하여 지문 패턴을 센싱한다. 포스 센서(24)는 지문 센서(32)와 가깝게 배치되어 지문 센싱 영역에 가해지는 압력을 센싱한다.
표시패널 구동부(12)는 타이밍 콘트롤러(Timing controller, 10)의 제어 하에 표시패널(50)의 픽셀들에 입력 영상의 픽셀 데이터를 기입하여 표시패널(50)의 화면 상에 입력 영상을 표시한다. 표시패널 구동부(12)는 모바일 단말기의 노멀 구동 모드(normal driving mode)에서 표시패널(50)의 화면 전체의 픽셀 어레이 상에 입력 영상을 표시한다. 반면, 표시패널 구동부(12)는 모바일 단말기의 슬립 모드(sleep mode)에서 표시패널(50)의 화면 중 일부 픽셀 영역만 저휘도로 구동하여 미리 설정된 정보 혹은 이미지를 화면의 일부에 저휘도로 표시할 수 있다.
표시패널 구동부(12)는 데이터 구동부와 게이트 구동부를 포함한다. 데이터 구동부는 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog converter, 이하 DAC라 함)를 이용하여 매 프레임 기간마다 타이밍 콘트롤러(10)로부터 수신되는 입력 영상의 픽셀 데이터(디지털 데이터)를 아날로그 감마 보상 전압으로 변환하여 데이터 전압을 출력한다. 게이트 구동부는 시프트 레지스터(Shift register)를 이용하여 타이밍 콘트롤러(10)의 제어 하에 데이터 전압에 동기되는 게이트 신호를 게이트 라인들에 순차적으로 공급한다.
타이밍 콘트롤러(10)는 호스트 시스템으로부터 입력 영상의 픽셀 데이터와, 그와 동기되는 타이밍 신호를 수신한다. 타이밍 콘트롤러(10)는 입력 영상의 픽셀 데이터를 데이터 구동부로 전송하고, 데이터 구동부와 게이트 구동부의 동작 타이밍을 제어한다.
터치 및 포스 센서 구동부(20)는 터치 센서(22)와 포스 센서(24)를 구동한다. 터치 및 포스 센서 구동부(20)는 터치 센서(22)로부터 수신된 터치 센서 신호를 증폭하고 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)를 통해 디지털 데이터로 변환하고, 이 데이터를 미리 설정된 기준값과 비교하여 기준값 이상의 데이터를 터치 입력으로 판단한다. 터치 및 포스 센서 구동부(20)는 터치 입력 위치의 좌표 정보를 포함한 터치 데이터를 센서 신호 처리부(40)로 전송한다.
터치 및 포스 센서 구동부(20)는 포스 센서(24)로부터 수신된 포스 센서 신호를 증폭하고 ADC를 통해 디지털 데이터로 변환하여 포스 데이터를 발생하여 센서 신호 처리부(40)로 전송한다.
본 발명에서 터치 센서(22)와 포스 센서(24)는 도 7d에 도시된 바와 같이 터치 및 포스 센서 구동부(20)의 센싱부를 공유할 수 있다. 센싱부는 반전 증폭기와 ADC를 포함한다. 한편, 터치 및 포스 센서 구동부(20)는 터치 센서(22)를 구동하기 위한 터치 센서 구동부와, 포스 센서(24)를 구동하기 위한 포스 센서 구동부로 분리될 수 있다.
지문 센서 구동부(30)는 지문 센서(32)를 구동한다. 지문 센서(32)는 지문으로부터 얻어진 신호를 증폭하고 ADC를 통해 디지털 데이터로 변환하여 지문 패턴 정보를 포함한 지문 데이터를 발생한다. 지문 센서 구동부(30)는 지문 센서(32)로부터 출력된 지문 데이터를 센서 신호 처리부(40)로 전송한다.
센서 신호 처리부(40)는 터치 데이터를 수신하여 지문 센싱 영역 상에서 터치 입력이 센싱되면, 포스 데이터에 따라 지문 센싱 영역의 압력이 미리 설정된 문턱값 이상일 때 지문 센서 구동부(30)를 인에이블하여 지문을 센싱한다. 센서 신호 처리부(40)는 표시장치(100)에 배치되거나 도 2에 도시된 모바일 단말기의 호스트 시스템(200)에 내장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 단말기를 보여 주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 모바일 단말기는 표시장치(100)에 연결된 호스트 시스템(200)을 포함한다.
호스트 시스템(200)은 모바일 기기의 전체 기능을 제어한다. 호스트 시스템(200)은 AP(Application Processor)로 구현될 수 있다. 호스트 시스템(200)은 MIPI(Mobile Industry Processor Interface)를 통해 표시장치(100)를 포함한 주변 기기들에 연결되어 주변 기기들 간의 입/출력을 제어한다.
호스트 시스템(200)이 실장된 메인 보드는 센서부, 입력부, 출력부, 통신부, 인터페이스부, 메모리, 및 전원 공급부 등에 연결된다. 센서부는 표시패널(50) 상에 배치된 센서들(22, 24, 32), 지문 센서, 심박 센서, 근접센서(proximity sensor), 조도 센서(illumination sensor), 가속도 센서(acceleration sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 중력 센서(G-sensor), 자이로스코프 센서(gyroscope sensor), 모션 센서(motion sensor), RGB 센서, 적외선 센서(IR 센서: infrared sensor), 지문 센서 이외의 다른 생체 인식 센서(홍채 인식 센서, 안면 인식 센서) 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서는 카메라를 포함할 수 있다.
입력부는 마이크. 터치 센서, 및 키패드 등을 포함한다. 출력부는 표시장치(50), 음향 출력 모듈, 햅팁 모듈, 및 광 출력 모듈 등을 포함할 수 있다. 통신부는 방송 수신 모듈, 이동통신 모듈, 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈, 및 위치정보 모듈 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
인터페이스부는 호스트 시스템(200)과 외부 기기와의 인터페이스를 제공한다. 인터페이스부는 유/무선 헤드셋 포트(port), 외부 충전기 포트, 유/무선 데이터 포트, 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트, 오디오 I/O(Input/Output) 포트, 비디오 I/O 포트, 및 이어폰 포트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
메모리는 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application), 모바일 단말기의 제반 동작을 제어하기 위하여 미리 설정된 데이터, 명령어들을 저장할 수 있다. 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드될 수 있다. 또한 응용 프로그램 중 적어도 기본 기능을 실행하는 프로그램은 모바일 기기나 웨어러블 기기의 출고 당시에 기본적으로 메모리에 저장되어 있다. 기본 기능은 예를 들어, 전화 착신, 발신 기능, 메시지 수신, 및 발신 기능 등일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
호스트 시스템(200)에 연결된 메인 전원 공급부는 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 모바일 기기의 구동에 필요한 전원을 발생한다. 메인 전원 공급부는 배터리를 포함한다. 디스플레이 모듈 전원 모듈은 메인 전원 공급부로부터의 입력 전압을 표시장치(50)의 구동에 필요한 전원을 발생한다.
호스트 시스템(200)은 비디오 소스로부터 수신된 영상 신호의 해상도를 표시패널(50)의 해상도에 맞는 영상 신호의 픽셀 데이터로 변환하여 타이밍 콘트롤러(10)로 전송한다. 호스트 시스템(200)은 도 1에 도시된 센서 신호 처리부(40)를 포함할 수 있다.
본 발명의 모바일 단말기는 노멀 구동 모드(normal driving mode)와 슬립 모드(sleep mode)로 구동될 수 있다. 호스트 시스템은 소정 시간 동안 입력 신호가 없을 때 모바일 단말기를 제어하고, 소정 시간 내에서 입력 신호가 발생될 때 노멀 구동 모드로 전환한다. 노멀 구동 모드에서 모든 회로들이 정상적으로 구동되는 반면, 슬립 모드에서 최소한의 회로만 구동되어 소비 전력이 낮아진다. 표시장치는 노멀 구동 모드에서 화면 전체에서 높은 휘도로 데이터를 표시하는 반면, 슬립 모드에서 표시패널의 일부가 저휘도로 구동될 수 있다.
호스트 시스템(200)은 슬립 모드에서 도 14에 도시된 지문 인증 과정을 통해 등록 사용자의 지문으로 확인될 때 웨이크업(wake-up) 신호를 표시장치(100)를 비롯한 주변 기기들에 전송하여 노멀 구동 모드로 전환할 수 있다. 또한, 호스트 시스템(200)은 노멀 구동 모드에서 도 15와 같은 과정을 거쳐 수신된 터치 데이터(2D)와 포스 데이터(3D)와 관련한 어플리케이션을 실행하고, 지문 데이터에 대하여 인증 절차를 수행한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 단말기의 외관과 내부 구조를 개략적으로 보여 주는 도면들이다. 도 3 및 도 4에서 풀 터치 스크린(Full touch screen) 구조의 모바일 정보 단말기를 예시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다는 것에 주의하여야 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 모바일 단말기는 표시패널(50), 프론트 커버(front cover, 211), 백 커버(back cover, 213), 미드 프레임(mid frame, 212), 배터리(214) 등을 더 포함한다. 여기서, "커버"는 케이스(case), 하우징(housing)으로 표현될 수 있다.
표시패널(50)의 전면은 투명 기판(60)에 의해 덮여질 수 있다. 투명 기판(60)은 강화 유리로 구현될 수 있다. 프론트 커버(211)는 표시패널(50)과 투명 기판(60)의 가장자리를 덮는다. 모바일 정보 단말기의 전면에 전면 카메라와 각종 센서들이 배치될 수 있다. 모바일 단말기의 배면에는 후방 카메라와 각종 센서들이 배치될 수 있다.
프론트 커버(211)와 백 커버(213) 사이의 공간에 표시패널(50), 미드 프레임(212), 호스트 시스템(200)이 실장된 메인 보드, 배터리(214) 등이 배치된다. 미드 프레임(212)은 표시패널(50)을 지지하고, 표시패널(50)과 메인 보드를 공간적으로 분리한다. 표시패널(50) 상에 드라이브 IC(110)와 가요성 인쇄 회로(Flexible Printed Circuit, FPC)(120)가 접착된다. 드라이브 IC(110)는 도 1에 도시된 표시패널 구동부(12)와 타이밍 콘트롤러(10)를 포함할 수 있다. 가요성 인쇄 회로(120)는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 다수의 가요성 인쇄 회로들을 포함할 수 있다.
메인 보드는 호스트 시스템(200)과 메인 전원 공급부를 포함한다. 메인 보드는 각종 주변 기기들과 배터리(214)에 연결된다. 메인 보드는 가요성 인쇄 회로(120)를 통해 표시장치(100) 에 연결된다.
도 5a 내지 도 5c는 백 커버(213)와 배터리(214)를 분리한 상태에서 표시장치(100)에 연결되는 가요성 인쇄 회로들(121, 122, 33)을 보여 주는 도면들이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 제1 가요성 인쇄 회로(121)는 드라이브 IC(110)를 호스트 시스템(200)이 실장된 메인 보드에 연결한다. 제2 가요성 인쇄 회로(122)는 터치 및 포스 센서 구동부(20)가 실장된 IC를 포함한다. 제2 가요성 인쇄 회로(122)는 표시패널(50) 상의 터치 센서(22)를 터치 및 포스 센서 구동부(20)에 연결하고 또한, 터치 및 포스 센서 구동부(20)를 호스트 시스템(200)에 연결한다. 제3 가요성 인쇄 회로(33)는 지문 센서(32)를 포함한다. 제3 가요성 인쇄 회로(33)는 지문 센서(32)를 제1 가요성 인쇄 회로(121) 상의 커넥터에 연결되어 제1 가요성 인쇄 회로(121)를 통해 지문 센서(32)를 호스트 시스템(200)에 연결한다.
포스 센서(24)는 도 5a에 도시된 바와 같이 제2 가요성 인쇄 회로(122) 상의 커넥터에 연결되어 호스트 시스템(200)에 연결될 수 있다. 포스 센서(24)는 도 5b에 도시된 바와 같이 제3 가요성 인쇄 회로(33) 상의 커넥터에 연결되어 호스트 시스템(200)에 연결될 수 있다. 포스 센서(24)는 도 5c에 도시된 바와 같이 가요성 인쇄 회로들(121, 122, 33)과 분리되어 호스트 시스템(200)이 실장된 메인 보드 상의 커넥터에 직접 연결될 수도 있다. 이러한 포스 센서(24)는 도 6에 도시된 바와 같이 모바일 단말기 내에서 주변 구성 요소들의 배치를 고려하여 다양한 구조로 제작될 수 있다. 포스 센서(24)는 도 6에 도시된 바와 같이 지문 센서(32)의 적어도 두 변을 에워 싸는 형태 예를 들어, 사각띠 형태 또는, L자 형태로 제작될 수 있다. L자 형태의 포스 센서(24)는 지문 센서(32)의 일측 코너를 포함한 두 변을 감싼다. 포스 센서(24)의 일측으로부터 길게 신장된 테일부(tail, 24a)가 메인 보드의 커넥터에 연결된다. 포스 센서(24)의 테일부 길이와 방향은 주변 구성 요소들을 고려하여 적절히 설계될 수 있다.
도 7a 내니 도 7d는 터치 및 포스 센서 구동부(20)를 상세히 보여 주는 회로도들이다.
도 7a를 참조하면, 터치 및 포스 센서 구동부(20)는 터치 센서(22)에 연결된 제1 채널의 센싱부와, 포스 센서(24)에 연결된 제2 채널의 센싱부를 포함한다. 이 터치 및 포스 센서 구동부(20)는 기존의 터치 IC에서 터치 센서에 연결된 채널들 이외의 남는 채널들을 포스 센서(24)에 연결하는 방법으로 구현될 수 있다.
제1 채널의 센싱부는 증폭기(73)와, 증폭기(73)의 출력 전압(Vout)을 디지털 데이터로 변환하는 ADC(74)를 구비한다. 터치 센서(22)는 터치 전후 정전 용량의 변화를 바탕으로 터치를 센싱하는 정전 용량 방식으로 구현될 수 있다. 정전 용량 방식은 상호 용량(mutual capacitance)과 자기 용량(Self capacitance)으로 나뉘어질 수 있다. 상호 용량 방식의 터치 센서(22)의 경우, 도 7b와 같은 전하 센싱 방법(Charge sensing)과 도 7c와 같은 전압 센싱 방법(voltage sen으로 터치 입력을 센싱할 수 있다.
도 7b에서, CP2는 Vref로 충전된다. 증폭기(73)의 게인은 CM/Cf이다. 증폭기의 출력 전압 Vout은
Figure 112017130003379-pat00001
이다. 상호 용량(CM)에 의해 터치 센서(22)의 감도가 결정된다.
도 7c은 다음과 같다. 상호 용량(CM)에 의해 터치 센서(22)의 감도가 결정된다.
Figure 112017130003379-pat00002
Figure 112017130003379-pat00003
여기서, Cs/Cf는 증폭기(73)의 게인이다.
ADC(74)는 증폭기(73)의 출력 신호를 디지털 데이터로 변환하여 터치 데이터(2D)를 출력한다.
제2 채널의 센싱부는 증폭기(71)와, 증폭기(71)의 출력 전압(Vout)을 디지털 데이터로 변환하는 ADC(72)를 구비한다.
포스 센서(24)는 FSR(Force Sensing Resistor) 방식 또는 Strain-Gage 방식으로 구현될 수 있다. 포스 센서(24)는 압력에 따라 저항값이 변하는 가변 저항(Rforce)으로 나타낼 수 있다.
포스 센서(24)에 연결된 증폭기(71)는 포스 센서 신호를 증폭하여 ADC(72)의 입력 신호로서 출력한다. 반전 증폭기(71)에서 포스 센서 신호를 출력할 때, 증폭기(25)의 출력 전압 Vout은 Vout = -(R2/(Rforce+ R0))Vin 이다. ADC(72)는 증폭기(71)의 출력 신호를 디지털 데이터로 변환하여 포스 데이터(3D)를 출력한다.
도 7d를 참조하면, 터치 및 포스 센서 구동부(20)는 멀티플렉서(80)를 통해 터치 센서(22)와 포스 센서(24)에 연결된 센싱부를 포함한다. 센싱부는 증폭기(75)와 ADC(76)를 포함한다. 이 실시예는 터치 센서(22)와 포스 센서(24)에서 센싱부를 공유한다. 멀티플렉서(80)는 센서 신호 처리부(40) 또는 호스트 시스템(20)으로부터 수신된 선택 신호(M0)에 응답하여 터치 센서(22)를 센싱부에 연결한 후에 포스 센서(24)를 센싱부에 연결한다.
증폭기(75)는 터치 센서(22)의 신호를 증폭하여 ADCC(76)로 출력한 후에, 포스 센서(24)의 신호를 증폭하여 ADC(76)로 출력한다. ADC(76)는 증폭기(75)의 출력 신호를 디지털 데이터로 변환하여 터치 데이터(2D)와 포스 데이터(3D)를 연속으로 출력한다.
도 8은 FSR 방식 포스 센서(24)의 상판과 하판 구조를 상세히 보여 주는 도면이다. 도 9는 FSR 방식 포스 센서(24)의 상판과 하판이 접합된 상태에서 도 8의 선 "Ⅰ-Ⅰ'"를 따라 절취하여 포스 센서(24)의 단면 구조를 보여 주는 도면이다. 도 10은 FSR 방식 포스 센서(24)의 동작 원리를 보여 주는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, FSR 방식의 포스 센서(24)의 상판은 압력 센싱 물질 패턴들(241)과 접착제(242)가 형성된 상부 기판(240)을 포함한다. 포스 센서(24)의 하판은 압력 센싱 물질 패턴들(241)과 대향하는 전극들(244)과, 절연막 패턴(245)이 형성된 하부 기판(243)을 포함한다. 압력 센싱 물질 패턴들(241)은 고저항성 물질로 제작된다. 상부 기판(240)과 하부 기판(234)은 PET (Polyethylene Terepthalate) 기판일 수 있다. 상부 기판(240)과 하부 기판(243)은 테일부(240a, 243a)를 포함한다. 상판과 하판은 공기층(air gap, 246)을 사이에 두고 접착제(242)로 접합된다.
이러한 FSR 방식의 포스 센서(24)는 도 10에 도시된 바와 같이 동작하여 지문의 압력을 센싱한다. FSR 방식의 포스 센서(24)에서 지문 압력에 따라 상판의 압력 센싱 물질 패턴(241)과 전극(244) 간의 접촉 면적이 달라진다. 지문 압력(Force(gf))이 클수록 압력 센싱 물질 패턴(241)과 전극(244) 간의 접촉 면적이 증가하여 접촉 저항값이 감소된다. 접촉 저항값(kΩ)이 감소되면 ADC의 입력 신호 전압이 커져 ADC로부터 출력되는 포스 데이터(3D)의 데이터값이 커진다.
지문 상태나 환경에 따라 지문의 인식률이 달라질 수 있다. 본 발명은 포스 센서(24)를 이용하여 표시장치의 화면 상에서 지문의 압력이 일정 수준 높을 때 지문을 센싱함으로써 지문 인식률이 낮은 지문(이하, "불량 이미지 지문"이라 함)에 대한 지문 인식률을 높인다. 여기서, 불량 이미지 지문은 낮은 압력에서 지문 센서(32)로부터 획득된 지문 이미지에서 볼 때 선명도가 높은 일반 지문과 대비되는 용어이다. 지문 이미지의 선명도는 지문 센서(32)로부터 획득된 지문 이미지의 융선(Ridge, R)과 골(Valley, V) 간 명암비(Ridge-Valley contrast)로 판단될 수 있다. 불량 이미지 지문은 일반 지문에 비하여 지문 센서(32)에 의해 획득된 지문 이미지에서 볼 때 지문의 융선(R)과 골(V)의 명암비(contrast ration)가 작아 선명도가 낮다. 이로 인하여, 불량 이미지 지문은 일반 지문과 같은 압력에서 지문 인식률이 낮다. 이하에서, 불량 이미지 지문의 일 예로, 지문이 건조한 지문(이하, "건조"지문)을 중심으로 설명되지만 불량 이미지 지문은 건조 지문에 한정되지 않는다. 일반 지문의 경우에도, 건조한 환경에 노출되면 건조 지문과 같이 지문 이미지의 선명도가 낮아질 수 있다.
도 11과 도 12는 화면 상에서 같은 압력으로 일반 지문과 건조 지문이 접촉될 때 지문 센서(32)로부터 획득된 지문 이미지의 차이를 보여 주는 도면들이다. 도 11은 일반 지문에서 지문 센서를 통해 획득된 지문 이미지를 보여 주는 도면이다. 도 12는 건조 지문에서 지문 센서를 통해 획득된 지문 이미지를 보여 주는 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 건조 지문은 일반 지문에 비하여 지문의 접촉 면적이 충분히 넓지 않거나 유지(油脂) 성분이 부족하다. 일반 지문의 경우 융선(R)에 흡수되는 빛이 건조 지문의 경우에, 융선(R)에서 빛이 반사되어 투명 기판(CP)에서 전반사된다. 그 결과, 지문 센서(ISS)로부터 출력되는 데이터를 이미지로 표시하면, 건조 지문의 경우에 융선 패턴이 끊기기 때문에 일반 지문에 비하여 융선과 골의 명암비(contrast ration)가 작아지고, 동일한 지문의 접촉 면적에서 융선 패턴의 비율이 작아진다. 지문 센서(ISS)의 출력 이미지에서 볼 때 건조 지문은 융선(R)이 그레이 레벨(gray level)의 계조 값으로 출력되기 때문에 융선(R)과 골(R)의 계조 차이가 일반 지문을 100%라 할 때 30% 이하이다. 지문 센서(ISS)의 출력 이미지에서 볼 때 건조 지문은 융선(R)이 끊게 융선이 차지하는 면적이 일반 지문의 융선에 비하여 50% 이하이다.
도 13에 도시된 바와 같이 건조 지문이라 할지라도 지문의 압력을 높이면 화면 상에서 지문의 접촉 면적이 증가하여 지문 센서(32)로부터 획득된 지문 이미지의 선명도를 높일 수 있다. 본 발명은 포스 센서(24)로 화면 상에 가해지는 지문의 압력을 센싱하여 지문의 압력이 미리 설정된 소정의 압력 이상일 때에만 지문 센서(32)를 구동하여 지문의 인식률을 높일 뿐 아니라 지문 센서(32)의 불필요한 구동을 최소화하여 소비 전력을 줄일 수 있다.
도 14는 슬립 모드에서 지문 센싱 및 인증 과정을 보여 주는 흐름도이다.
표시패널(50)은 슬립 모드에서 파셜 모드(Partial Mode)로 동작할 수 있다. 파셜 모드는 표시패널(50)의 화면 상에서 일부 영역의 픽셀들만 구동되고 나머지 픽셀들이 오프 상태를 유지하는 구동 모드이다. 파셜 모드의 일 예로, 올웨이즈 온 모드(Always on mode)와 가상 현실 모드(VR)가 있다. 본 발명은 슬립 모드에서 파셜 모드로 표시패널(50)을 구동하여 도 1a에 도시된 바와 같이 화면의 지문 센싱 영역을 지시하는 이미지를 표시하고 나마지 픽셀들을 구동하지 않을 수 있다.
도 14를 참조하면, 슬립 모드에서 터치 센서(22)는 터치 입력을 센싱한다. 사용자가 화면 상에서 지문 센싱 영역에 지문을 접촉하면 터치 센서(22)에 의해 터치 입력이 센싱된다(S1). 슬립 모드에서 소비 전력을 줄이기 위하여, 터치 센서(22)의 센싱 주기는 노멀 구동 모드에 비하여 더 길게 제어될 수 있다. 예를 들어, 슬립 모드에서 터치 센서(22)는 30Hz 이하의 주파수로 화면 상의 터치 입력을 감지할 수 있다.
한편, 표시패널(50)은 슬립 모드에서 파셜 모드(Partial Mode)로 동작할 수 있다. 파셜 모드는 표시패널(50)의 화면 상에서 일부 영역의 픽셀들만 구동되고 나머지 픽셀들이 오프 상태를 유지하는 구동 모드이다. 파셜 모드의 일 예로, 올웨이즈 온 모드(Always on mode)와 가상 현실 모드(VR)가 있다. 본 발명은 슬립 모드에서 파셜 모드로 표시패널(50)을 구동하여 도 1a에 도시된 바와 같이 미리 정해진 화면의 지문 센싱 영역을 지시하는 이미지를 표시하고 나마지 픽셀들을 구동하지 않을 수 있다. 슬립 모드에서 사용자는 화면 상에 표시된 이미지의 안내를 받아 지문 센싱 영역 상에 지문을 접촉할 수 있다. 지문 센싱 영역은 도 18a 및 도 18b에서 후술하는 바와 같이 지문 인식률이 가장 높은 영역으로 선정될 수 있고, 이 지문 센싱 영역 내에 지문 센서(32)와 포스 센서(24)가 배치되어야 한다.
S1 단계에서 센싱된 터치 입력 위치가 지문 센싱 영역이면, 포스 센서(24)가 구동된다(S2 및 S3). 터치 입력을 판단하지 않고 압력 만으로 포스 센서(24)가 구동되면 사용자의 주머니나 가방에서 모바일 단말기의 화면을 누르는 임의의 물체에 의해서도 포스 센서(24)와 지문 센서(32)가 구동하여 불필요한 소비 전력이 발생될 수 있다. 본 발명은 화면 상에서 미리 정해진 지문 센싱 영역에 터치 입력이 센싱될 때에만 포스 센서(24)가 구동된다.
지문 센싱 영역 상에 가해진 지문의 압력이 소정 압력 이상일 때에만 지문 센서(32)가 구동된다. 이를 위하여, 포스 센서(24)로부터 출력된 포스 데이터(3D)가 미리 설정된 문턱값(TH) 이상일 때 트리거(trigger) 신호를 발생하여 터치 데이터(2D)와 포스 데이터(3D)가 호스트 시스템(200)으로 전송되고, 지문 센서(32)가 구동된다(S4 내지 S6).
지문 센서(32)는 지문 영역 상의 지문을 센싱하여 그 지문의 융선(R)과 골(V)의 특징 정보에 관한 지문 데이터를 생성하여 호스트 시스템(200)으로 전송한다(S7 및 S8). 호스트 시스템(200)은 지문 인증을 실시하여 지문 센서(32)로부터 수신된 지문 데이터를 기 등록된 지문 패턴과 비교하고 현재 센싱된 지문이 등록 지문일 때 웨이크업(wake-up) 신호를 발생하여 노멀 구동 모드로 전환한다(S9 내지 S11). 반면에, 호스트 시스템(200)은 현재 센싱된 지문 이미지가 등록 지문 패턴이 아니면 슬립 모드를 유지한다(S10 및 S12).
도 15는 노멀 구동 모드에서 지문 센싱 방법을 보여 주는 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 노멀 구동 모드에서 터치 센서(22)는 터치 입력을 센싱한다. 사용자가 화면 상에서 지문 센싱 영역에 지문을 접촉하면 터치 센서(22)에 의해 터치 입력이 센싱된다(S11).
S11 단계에서 센싱된 터치 입력 위치가 지문 센싱 영역이면, 터치 데이터(2D)가 호스트 시스템(200)으로 전송되고 포스 센서(24)가 구동된다(S12 내지 S14). 터치 입력을 판단하지 않고 압력 만으로 포스 센서(24)가 구동되면 사용자의 주머니나 가방에서 모바일 단말기의 화면을 누르는 임의의 물체에 의해서도 포스 센서(24)와 지문 센서(32)가 구동하여 불필요한 소비 전력이 발생될 수 있다. 본 발명은 화면 상에서 미리 정해진 지문 센싱 영역에 터치 입력이 센싱될 때에만 포스 센서(24)가 구동된다.
지문 센싱 영역 상에 가해진 지문의 압력이 소정 압력 이상일 때에만 지문 센서(32)가 구동된다. 이를 위하여, 포스 센서(24)로부터 출력된 포스 데이터(3D)가 미리 설정된 문턱값(TH) 이상일 때 터치 데이터(2D)와 포스 데이터(3D)가 호스트 시스템(200)으로 전송되고, 지문 센서(32)가 구동된다(S15 내지 S17). S15 단계는 지문 영역 상에서 지문의 접촉 면적 증가를 유도하여 건조 지문과 같은 불량 이미지 지문에서도 지문 인식률을 높이고 지문 인식률이 높은 조건 하에서만 지문 센서(32)를 구동되게 함으로써 소비 전력을 줄일 수 있다.
지문 센서(32)는 지문 영역 상의 지문을 센싱하여 그 지문의 융선(R)과 골(V)의 특징 정보에 관한 지문 데이터를 생성하여 호스트 시스템(200)으로 전송한다(S18 및 S19). 호스트 시스템(200)은 지문 인증을 실시하여 지문 센서(32)로부터 수신된 지문 데이터를 기 등록된 지문 패턴과 비교하고 현재 센싱된 지문이 등록 지문일 때 사용자가 원하는 어플리케이션을 실행한다.
지문 센서(32)는 초음파 방식 또는 광학식 센서로 구현될 수 있다. 광학식 센서의 경우, 화면 상에 빛을 조사하는 지향성 광원 장치가 필요하다. 도 16a 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 지향성 광원 장치(SLS)를 보여 준다.
도 16a 내지 도 19를 참조하면, 본 발명의 지향성 광원 장치(SLS)는 투명 기판(CP), 광원(LS), 입광 소자(CHOE), 출광 소자(EHOE), 및 저굴절층(LR)을 구비한다. 투명 기판(CP)은 표시장치에서 화면이 구현된 표시패널의 기판 또는 도 16b에 도시된 바와 같이 표시패널 위에 덮여진 커버 글라스일 수 있다.
지향성 광원 장치(SLS)는 시준된(collimated) 빛을 투명 기판(CP) 내에서 대면적으로 확산하는 광학 장치이다. 광원(LS)은 시준된 빛을 제공하는 것이 바람직하다. 광원(LS)은 적외선(IR) 대역 또는 가시광 대역의 레이저 빛을 입광 소자(CHOE)로 조사한다.
입광 소자(CHOE)는 광원(LS)과 투명 기판(CP) 사이에 배치되어 투명 기판(CP) 내에서 빛이 전반사될 수 있는 각도로 광원(LS)으로부터의 빛을 굴절한다. 출광 소자(EHOE)는 표시패널의 화면 상에서 표시패널과 투명 기판(CP) 사이에 배치되어 투명 기판(CP) 내에서 진행하는 빛의 일부가 투명 기판의 하면을 통해 표시패널 쪽으로 진행할 수 있도록 투명 기판(CP) 내에서 진행하는 빛의 일부를 굴절 시킨다. 저굴절층(LR)은 출광 소자(EHOE)와 표시패널 사이에 배치되고 출광 소자(EHOE) 보다 낮은 굴절율을 갖는다.
투명 기판(CP)의 하부 표면에는 출광 소자(EHOE)와 입광 소자(CHOE)가 접착되어 있다. 출광 소자(EHOE)는 출사광(L3)을 제공하는 광학 소자이다. 출광 소자(EHOE) 아래에 표시패널(DP)의 픽셀 어레이가 표시된다. 표시장치의 화면은 입력 영상이 표시되는 표시패널(DP)의 픽셀 어레이 영역을 의미한다. 사용자의 자면 화면 상에서 투명 기판(CP) 상에 접착되고 사용자의 지문에 빛이 반사된 빛을 지문 센서(ISS)로 광전 변환하여 지문 이미지가 얻어진다.
입광 소자(CHOE)는 광원(LS)으로부터의 시준된 빛을 투명 기판(CP)으로 확산하면서 시준성을 갖도록 전환하는 광학 소자이다. 입광 소자(CHOE)는 광원(LS)과 대향하여야 한다. 광원(LS)으로부터의 시준된 빛은 입광 소자(CHOE)에 수직으로 입사될 수 있다. 입광 소자는(CHOE) 이미지 인식과는 직접 관련이 없으므로, 표시패널의 가장자리에 배치될 수 있다.
출광 소자(EHOE) 및 입광 소자(CHOE)는 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 제조 공정을 고려하면, 하나의 필름 위에 출광 소자(EHOE)와 입광 소자(CHOE)의 영역을 나누어서 형성하는 것이 바람직하다. 출광 소자(EHOE)와 입광 소자(CHOE)는 홀로그램 소자(Hologram Element)일 수 있다. 입광 소자(CHOE)와 출광 소자(EHOE)는 홀로그램 기록 공정에서 동시에 제작될 수 있다. 홀로그램 기록 공정에서, 출광 소자(EHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름과 입광 소자(CHOE)의 패턴을 갖는 마스터 필름이 인접되게 배치된 상태에서 한 매의 필름 상에 출광 소자용 홀로그램 패턴과 입광 소자용 홀로그램 패턴이 동시에 기록될 수 있다.
홀로그램 기록 방법은 투과형 기록 방법과 반사형 기록 방법으로 나뉘어질 수 있다. 투과형 기록 방법은 홀로그램 필름의 일면을 향해 참조광(reference light)과 물체광(object light)을 조사하여 홀로그램 필름의 기록면에 간섭 무늬를 기록한다. 투과형 기록 방법으로 정보가 기록된 홀로그램 필름의 일면을 향해 참조광을 조사하면 홀로그램 필름 상의 간섭 무늬에 의해 발생되는 1차 회절광으로 물체광 정보가 재생된다. 이와 동시에, 홀로그램 필름을 그대로 통과하는 0차 회절광이 발생된다.
반사형 기록 방법은 홀로그램 필름을 사이에 두고 참조광과 물체광을 홀로그램 필름에 조사한다. 반사형 기록 방법에서 참조광은 홀로그램 필름의 일면을 향해 조사되고, 물체광은 홀로그램 필름의 타면을 향해 조사된다. 홀로그램 필름의 타면은 일면의 반대면이다. 이렇게 홀로그램 필름의 기록면에 참조광과 물체광의 간섭 무늬가 기록된다. 반사형 기록 방법으로 정보가 기록된 홀로그램 필름의 일면을 향해 참조광을 조사하면 홀로그램 필름 상의 간섭 무늬에 의해 발생되는 1차 회절광으로 물체광 정보가 재생된다. 이와 동시에, 홀로그램 필름을 그대로 통과하는 0차 회절광이 발생된다.
입광 소자용 홀로그램 필름을 통과한 1차 회절광은 투명 기판(CP) 내에서 전반사되고, 0차 회절광은 홀로그램 필름을 투과하여 투명 기판(CP) 쪽으로 진행한다. 지문 인식 장치는 홀로그램 필름에서 굴절되어 투명 기판(CP)으로 입사된 1차 회절광을 이용하여 사용자의 지문 패턴을 센싱한다. 홀로그램 필름을 투과하는 0차 회절광은 사용자에게 광원(LS)이 보이지 않도록 하는 데코 필름 또는 블랙 매트릭스(Black matrix, BM)에 의해 차단될 수 있다.
홀로그램 필름(CHOE, EHOE)과 표시패널(DP) 사이에는 저굴절층(LR)이 배치된다. 저굴절층(LR)은 투명 기판(CP) 및 홀로그램 필름 보다 낮은 굴절율을 갖는다.
투명 기판(CP)은 굴절율이 1.5인 투명 기판으로 제작할 수 있다. 출광 소자(EHOE)와 입광 소자(CHOE)가 형성된 홀로그램 필름의 굴절율은 투명 기판(CP)과 같거나 조금 더 큰 값을 가질 수 있다. 이하에서, 홀로그램 필름(CHOE, EHOE)의 굴절율이 투명 기판(CP)의 그 것과 동일한 예를 들어 설명한다. 저굴절층(LR)의 굴절율은 인지하고자 하는 지문(IM) 즉, 피부의 굴절율과 비슷한 것이 좋다. 예를 들어, 사람의 피부가 갖는 굴절율인 1.39와 유사한 1.4 정도의 굴절율을 가질 수 있다.
입광 소자(CHOE)와 대향하도록 광원(LS)이 배치되어 있다. 광원(LS)은 레이저와 같이 시준성이 높은 빛을 제공하는 것이 바람직하다.
광원(LS)에서 제공된 적외선(IR) 대역의 시준광(Collimated Light)은 입사광(L1)으로서 일정한 단면적을 갖고 입광 소자(CHOE)에 정의된 입사점(IP)으로 제공된다. 입사광(L1)은 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사하는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 입사점(IP) 표면의 법선에 대해 기울어진 각도로 입사할 수도 있다.
입광 소자(CHOE)는 입사광(L1)을 진행광(L2)의 입사각으로 굴절시켜 투명 기판(CP)의 내부로 보낸다. 여기서, 진행광(L2)의 입사각은 투명 기판(CP)의 내부 전반사 임계각(Internal Total Reflection Critical Angle)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 진행광(L2)은 투명 기판(CP)의 내부에서 전반사를 하면서, 투명 기판(CP)의 길이 방향인 X축으로 진행한다. 광원(LS)으로부터의 빛은 사용자에게 보이지 않는 적외선(IR) 파장으로 발생된다.
출광 소자(EHOE)는 진행광(L2)의 일부 광량을 출사광(L3)으로 전환하여 투명 기판(CP)의 상부 표면 쪽으로 굴절 시킨다. 진행광(L2)의 나머지 광량은 투명 기판(CP) 내부에서 전반사되어 진행한다. 출사광(L3)은 투명 기판(CP)의 상부 표면에서는 전반사되지만, 하부 표면에서는 저굴절층(LR)을 투과한다. 즉, 출사광(L3)은 투명 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사되어, 하부 표면을 투과하는 검출광(혹은, '센싱광')(L4)이 된다.
출사광(L3)의 광량은 출광 소자(EHOE)의 광 추출 효율에 의해 결정된다. 출광 소자(EHOE)의 광 추출 효율이 3% 일 때, 진행광(L2)이 출광 소자(EHOE)에 가장 먼저 닿은 첫 번째 영역에서는 초기 입사광(L1)의 3%에 해당하는 광량이 출사광(L3)의 각도로 진행한다. 97%의 진행광(L2)은 계속 전반사되어 진행하여 두 번째 영역에서 97%의 3%인 초기 입사광(L1) 광량의 2.91%에 해당하는 광량이 출사광(L3)의 각도로 진행한다. 이와 같이, 광원(LS)의 반대측인 투명 기판(CP)의 끝 변에 도달할 때까지 출사광(L3)이 발생된다. 진행광(L2)이 투명 기판(CP) 내에서 진행하면서 일정한 광량을 갖는 출사광(L3)을 제공하기 위해서, 출광 소자(EHOE)의 광 추출 효율이 지수함수적으로 점차 증가하는 값을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.
진행광(L2)을 길이 방향 축과 두께 방향 축으로 이루어진 XZ 평면(혹은, '수직 평면') 상에서 보면, 입사광(L1)의 시준된 상태를 그대로 유지한다. 반면에, 폭 방향 축과 길이 방향 축으로 이루어진 XY 평면(혹은, '수평 평면')에서는 도 17에 도시된 확산각(Φ)을 갖는 것이 바람직하다. 이는 이미지 검출 면적을 투명 기판(CP)의 면적에 대응하도록 설정하기 위함이다. 예를 들어, 출광 소자(EHOE)는 가급적, 광 출사부(LOT) 면적 전체에 대응하도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 확산각(Φ)은 입사점(IP)에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 투명 기판(CP)의 타측변의 두 끝점(P1, P2)을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도와 같거나 큰 것이 바람직하다.
입광 소자(CHOE)가 배치된 영역을 도 16b에 도시된 광 입사부(LIN)로 정의할 수 있다. 또한, 출광 소자(EHOE)가 배치된 영역을 광 출사부(LOT)로 정의할 수 있다. 한편, 광 출사부(LOT)는 진행광(L2)이 전파되는 전 반사부이기도 하다.
광원(LS)에서 제공하는 시준된 빛의 단면적이 0.5mm x 0.5mm인 정원인 경우, 입광 소자(CHOE)는 투명 기판(CP)의 폭에 대응하는 길이와 3mm ~ 5mm정도의 폭을 가질 수 있다. 입광 소자(CHOE)는 투명 기판(CP)의 폭 방향으로 가로 질로 배치될 수 있다.
도 17을 결부하여, 광원(LS)에서 제공된 시준된 빛이 투명 기판(CP) 내에서 어떠한 경로를 거쳐, 지문 이미지 센싱에 사용하는 지향성(Directional) 빛으로 전환되는지 설명하기로 한다.
광원(LS)에서 제공된 입사광(L1)은 입광 소자(CHOE)의 입사점(IP)의 표면에 대해 법선 방향으로 입사한다. 입광 소자(CHOE)는 입사광(L1)을 입사각(θ)을 갖도록 굴절시킨 진행광(L2)으로 전환하여 투명 기판(CP)의 내부로 보낸다.
진행광(L2)의 입사각(θ)은 출광 소자(EHOE)와 저굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(TEHOE _ LR)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 투명 기판(CP) 및 출광 소자(EHOE)의 굴절율이 1.5이고, 저굴절층(LR)의 굴절율이 1.4일 경우, 출광 소자(EHOE)와 저굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(TEHOE _ LR)은 약 69도로 계산된다. 따라서, 입사각(θ)은 69도보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 입사각(θ)은 70도 내지 75 중 어느 한 값을 갖도록 설정할 수 있다.
투명 기판(CP)의 상부 표면은 공기층(AIR)과 접촉하고 있으므로, 진행광(L2)은 투명 기판(CP)의 상부 표면에서 역시 전반사된다. 이는, 투명 기판(CP)과 공기층(AIR)의 계면에서의 전반사 임계각(TCP_AIR)은 약 41.4도이기 때문이다. 즉, 입사각(θ)이 출광 소자(EHOE)와 저굴절층(LR)의 계면에서의 전반사 임계각(TEHOE _ LR)보다 큰 값을 가지면, 이는 항상 투명 기판(CP)과 공기층(AIR)의 계면에서의 전반사 임계각(TCP_AIR)보다 큰 값이다.
출광 소자(EHOE)는 진행광(L2)의 일정 광량을 반사각(α)을 갖는 출사광(L3)으로 전환시켜 투명 기판(CP)의 내부로 되돌려 보낸다. 출사광(L3)은 투명 기판(CP)의 상면에 접촉된 지문(IM)의 패턴을 인지하기 위한 광이다. 출사광(L3)은 투명 기판(CP)의 표면 상에 지문이 없는 경우에 투명 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사되어 지향성 광원 장치(SLS)의 아래에 배치된 지문 센서로 전파되어야 한다. 출사광(L3)은 투명 기판(CP)의 상부 표면에서 전반사된 후에, 검출광(L4)으로서 지향성 광원 장치(SLS)의 아래로 전파된다.
저굴절층은 도 18a 및 도 19에 도시된 바와 같이 홀로그램 필름(CHOE, EHOE)의 위와 아래에 배치될 수 있다. 제1 저굴절층(LR1)은 투명 기판(CP)과 홀로그램 필름(CHOE, EHOE) 사이에 배치된다. 제2 저굴절층(LR2)은 홀로그램 필름(CHOE, EHOE)과 표시패널(DP) 사이에 배치된다. 저굴절층(LR1,LR2)의 굴절율은 1.4 정도일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 저굴절층(LR1, LR2)은 광학 접착제 예를 들어, OCA(Optical Clear Adhesive)로 구현될 수 있다.
도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같이 지향성 광원 장치(SLS) 아래에 표시패널(DP)이 배치될 수 있다.
지문 센서(ISS)는 표시패널(DP)에 내장되거나 도 19에 도시된 바와 같이 표시패널(DP) 아래에 배치되어 투명 기판(CP) 상에 접촉된 지문 이미지를 획득한다. 광학식 지문 센서는 수광된 빛을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서로 구현될 수 있다. 지문 센서(ISS)의 픽셀들(SS)은 표시패널(DP)의 디스플레이 픽셀들(PIX)과 함께 표시패널(DP)에 내장될 수 있다. 지문 센서(ISS)는 광학 접착제(OCA), 감압 접착제(Pressure sensitive adhesive, PSA) 등의 접착제로 표시패널(DP)의 기판에 접착될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 18a 내지 도 19를 참조하면, 입사광(L1)은 입광 소자(CHOE)에 의해 진행광(L2)으로 변환된다. 진행광(L2)은 길이 방향 축인 X축과 폭 방향 축인 Y축으로 이루어진 수평 평면인 XY 평면에서는 확산각(Φ)을 가지도록 변환된다. 또한, 길이 방향 축인 X과 두께 방향 축인 Z축으로 이루어진 수직 평면인 XZ 평면에서는 원래의 시준된 상태를 유지한다.
확산각(Φ)은 입사점(IP)에서 입광 소자(CHOE)와 대향하는 투명 기판(CP)의 타측변의 두 끝점을 각각 연결하는 두 선분이 이루는 내측 각도와 같거나 이보다 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 진행광(L2)은 확산각(Φ)을 갖는 삼각형 형상으로 확산되면서 투명 기판(CP) 내에서 전파된다. 출사광(L3) 역시 진행광(L2)과 동일한 범위에 걸쳐 제공된다. 그 결과, 지문 센싱 영역은 입사점(IP)으로부터 확산각(Φ)으로 넓어지는 삼각형 영역 내에서 선택될 수 있다. 도 18b에서 빗금친 원형으로 표시한 부분이 지문 센싱 영역(SA)으로 지정될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
표시패널(DP)의 중앙부 혹은 입광 소자(CHOE)와 대향하는 상단변의 일부에 센싱 영역(SA)을 설정할 경우, 센싱 영역(SA)에서 출사광(L3)의 광량이 최대 값을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 출광 소자(EHOE)의 광 추출 효율이 센싱 영역(SA)에 대응하는 부분에서 최대 값을 갖고, 다른 부분에서는 최소 값 혹은 '0'에 가까운 값을 갖도록 위치에 따른 함수 관계로 설계할 수 있다. 센싱 영역(SA)에서 지문(IM)으로부터 반사되어 지문 센서(ISS)로 향하는 광량이 높기 때문에 지문 인식률이 높다.
투명 기판(CP) 상에 지문(IM)이 접촉되면, 지문의 융선(Ridge, R)과 골(Valley, V) 중에서 골 위치의 투명 기판(CP)의 상부 표면으로부터 빛이 반사되고, 그 빛은 출광 소자(EHOE)와 저굴절층(LR)을 통과하여 표시패널(DP) 쪽으로 진행하기 때문에 지문 센서(ISS)에 도달할 수 있다. 투명 기판(CP)과 접촉된 지문의 융선(R)에서, 빛은 피부에 흡수되기 때문에 지문 센서(ISS)에 도달되지 않는다.
지문 센서(ISS)는 수신된 빛을 전기적인 신호로 변환하여 지문 패턴을 검출한다. 지문 센서(ISS)의 픽셀들은 광전 변환 소자 예를 들어, 포토 다이오드(Photo diode)를 포함한다. 지문 센서(ISS)는 픽셀들의 광전 변환 소자로부터 얻어진 신호를 증폭하고, ADC(Analog to Digital Converter)를 통해 디지털 데이터로 변환하여 지문 데이터를 출력한다. 지문 센서(ISS)는 8 bit 데이터로 지문 이미지 데이터를 출력할 수 있다. 지문 센서(ISS)는 지문의 융선 패턴을 어두운 계조값의 데이터로 출력하는 반면, 지문의 골 패턴을 밝은 계조값의 데이터로 출력한다.
본 발명은 도 18b에서 센싱 영역(SA) 아래에 지문 센서(ISS)를 배치하여 지문 센서(ISS)에 수광되는 광 효율을 높이고, 사용자가 그 위치를 쉽게 알 수 있도록 화면 상에 그 위치를 지시하는 이미지를 표시할 수 있다. 지문 센서(ISS)는 센싱 영역(SA)을 향하도록 표시패널(DP) 내에 내장되거나 표시패널 아래에 배치될 수 있다. 지문 센서(ISS)의 픽셀들(SS)은 지향성 광원 장치(SLS)의 투명 기판(CP), 출광 소자(EHOE) 및 저굴절층(LR)과 대향한다.
표시패널(DP)의 화면은 입력 영상을 재현하는 픽셀 어레이를 포함한다. 픽셀 어레이는 다수의 데이터 라인들과, 데이터 라인들과 교차되는 다수의 게이트 라인들, 및 매트릭스 형태로 배치되는 디스플레이 픽셀들(PIX)을 포함한다. 디스플레이 픽셀들(PIX) 각각은 컬러 구현을 위하여 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀, 청색 서브 픽셀로 나뉘어질 수 있고, 백색 서브 필터를 더 포함할 수 있다. 서브 픽셀들 각각은 OLED와 같은 발광 소자를 포함할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10 : 타이밍 콘트롤러 12 : 표시패널 구동부
20 : 터치 및 포스 센서 구동부 22 : 터치 센서
24 : 포스 센서 30 : 지문 센서 구동부
32, ISS : 지문 센서 40 : 센서 신호 처리부
50, DP : 표시패널 52 : 폼 패드(foam PAD)
54 : 금속층 60, CP : 투명 기판
62 : 미드 프레임(mid-frame) 100 : 표시장치
200 : 호스트 시스템(host system) SLS : 지향성 광원 장치
CHOE : 입광 소자 EHOE : 출광 소자
LR, LR1, LR2 : 저굴절층 LS : 광원
PXL : 표시패널의 픽셀 SS : 지문 센서의 픽셀

Claims (15)

  1. 화면 상에 영상을 표시하는 표시패널;
    상기 표시패널의 화면 상에서 터치 입력을 센싱하는 터치 센서;
    상기 터치 입력이 미리 설정된 지문 센싱 영역에 위치할 때 상기 터치 입력의 압력을 센싱하는 포스 센서; 및
    상기 포스 센서에 의해 센싱된 상기 터치 입력의 압력이 소정 압력 이상일 때 구동되어 상기 터치 입력 위치의 지문을 센싱하는 지문 센서를 구비하며,
    상기 지문 센서와 상기 포스 센서는 상기 표시패널의 후면에 배치되며, 상기 포스 센서는 상기 지문 센서의 적어도 두 변을 감싸도록 배치되어 상기 지문 센싱 영역에 가해지는 압력을 센싱하며, 상기 지문 센서는 상기 표시패널을 사이에 두고 지문 접촉면의 반대편에서 지문으로부터 반사된 초음파 또는 광을 수신하여 지문 패턴을 센싱하는 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표시패널을 구동하여 입력 영상의 픽셀 데이터를 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 표시패널 구동부;
    상기 터치 센서와 상기 터치 센서를 구동하는 터치 및 포스 센서 구동부; 및
    상기 지문 센서를 구동하는 지문 센서 구동부를 더 구비하는 표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 터치 및 포스 센서 구동부의 센싱부는
    상기 터치 센서와 상기 포스 센서에 연결된 증폭기; 및
    상기 증폭기에 연결된 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    노멀 구동 모드에서 상기 표시패널의 화면 전체에 입력 영상이 표시되고,
    슬립 모드에서 상기 표시패널의 화면 상의 일부 픽셀 영역이 구동되고,
    상기 슬립 모드에서 구동되는 상기 일부 픽셀 영역은 지문 센싱 영역을 포함하는 표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬립 모드에서,
    상기 터치 센서에 의해 상기 지문 센싱 영역이 터치될 때에 상기 포스 센서가 구동되는 표시장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 슬립 모드에서 상기 포스 센서에 의해 상기 지문 센싱 영역 상의 터치 입력의 압력이 상기 소정 압력 이상일 때에 상기 지문 센서가 구동되는 표시장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 슬립 모드에서 상기 지문 센서에 의해 센싱된 지문 패턴이 기 등록된 지문일 때 상기 노멀 구동 모드로 전환되는 표시장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포스 센서는
    압력 센싱 물질 패턴이 형성된 상부 기판; 및
    상기 압력 센싱 물질 패턴과 대향하는 전극이 형성된 하부 기판을 포함하고,
    상기 압력 센싱 물질 패턴과 상기 전극이 공기층을 사이에 두고 대향되도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판이 접합되고,
    상기 상부 기판에 가해지는 압력이 커질수록 상기 압력 센싱 물질 패턴과 상기 전극 간의 접촉 저항이 감소되는 표시장치.
  10. 화면 상에 영상을 표시하는 표시패널;
    입력 영상의 픽셀 데이터를 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 표시패널 구동부;
    상기 표시패널의 화면 상에서 터치 입력을 센싱하는 터치 센서;
    상기 터치 입력이 미리 설정된 지문 센싱 영역에 위치할 때 상기 터치 입력의 압력을 센싱하는 포스 센서;
    상기 포스 센서에 의해 센싱된 상기 터치 입력의 압력이 소정 압력 이상일 때 구동되어 상기 터치 입력 위치의 지문을 센싱하는 지문 센서; 및
    상기 표시패널에 표시될 입력 영상의 픽셀 데이터를 상기 표시패널 구동부로 전송하고, 터치 센서로부터 얻어진 터치 데이터, 상기 포스 센서로부터 얻어진 포스 데이터 및 상기 지문 센서로부터 얻어진 지문 센서 데이터를 수신하는 호스트 시스템을 구비하고,
    상기 호스트 시스템은 상기 터치 데이터와 상기 포스 데이터가 수신된 후에 수신되는 상기 지문 데이터에 대하여 지문 인증을 실시하며,
    상기 지문 센서와 상기 포스 센서는 상기 표시패널의 후면에 배치되며, 상기 포스 센서는 상기 지문 센서의 적어도 두 변을 감싸도록 배치되어 상기 지문 센싱 영역에 가해지는 압력을 센싱하며, 상기 지문 센서는 상기 표시패널을 사이에 두고 지문 접촉면의 반대편에서 지문으로부터 반사된 초음파 또는 광을 수신하여 지문 패턴을 센싱하는 모바일 단말기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 터치 센서와 상기 터치 센서를 구동하는 터치 및 포스 센서 구동부; 및
    상기 지문 센서를 구동하는 지문 센서 구동부를 더 구비하고,
    상기 호스트 시스템은 상기 터치 및 포스 센서 구동부로부터 상기 터치 데이터와 상기 포스 데이터를 수신하고, 상기 지문 센서 구동부로부터 상기 지문 데이터를 수신하는 모바일 단말기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    노멀 구동 모드에서 상기 표시패널의 화면 전체에 입력 영상이 표시되고,
    슬립 모드에서 상기 표시패널의 화면 상의 일부 픽셀 영역이 구동되고,
    상기 슬립 모드에서 구동되는 상기 일부 픽셀 영역은 지문 센싱 영역을 포함하는 모바일 단말기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 슬립 모드에서,
    상기 터치 센서에 의해 상기 지문 센싱 영역이 터치될 때에 상기 포스 센서가 구동되는 모바일 단말기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 슬립 모드에서 상기 포스 센서에 의해 상기 지문 센싱 영역 상의 터치 입력의 압력이 상기 소정 압력 이상일 때에 상기 지문 센서가 구동되는 모바일 단말기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 호스트 시스템은
    상기 슬립 모드에서 상기 지문 센서에 의해 센싱된 지문 패턴이 기 등록된 지문일 때 상기 노멀 구동 모드로 전환하는 모바일 단말기.
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