KR20050097289A - 광센서 및 이를 구비한 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광센서 및 이를 구비한 표시 장치에 관한 것으로, 이 광센서는 외부 광을 받아 광량에 기초한 감지 전압을 생성하여 출력하는 감지부, 외부 광으로부터 차단되어 있으며, 기준 전압을 생성하여 출력하는 기준 전압 생성부, 그리고 감지부로부터의 감지 전압과 기준 전압 생성부로부터의 기준 전압을 받아 감지 전압과 기준 전압의 차전압인 센서 출력 전압을 생성하여 출력하는 처리부를 포함한다. 본 발명에 따른 광센서에 의하면, 센서의 감도 편차에 무관하며 외부 광량에 해당하는 정확한 광센서 값을 출력할 수 있다.

Description

광센서 및 이를 구비한 표시 장치 {PHOTOSENSOR AND DISPLAY DEVICE INCLUDING PHOTOSENSOR}
본 발명은 광센서 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 것이다.
표시 장치에는 스스로 발광하는 음극선관(cathode ray tube), 유기 발광 표시 장치(organic electro-luminescence display) 및 플라스마 표시 장치(PDP, plasma display) 등과 스스로 발광하지 못하고 별도의 광원을 필요로 하는 액정 표시 장치(liquid crystal display) 등이 있다.
액정 표시 장치는 일반적으로 두 표시판과 그 사이에 들어 있는 유전율 이방성(dielectric anisotropy)을 갖는 액정층을 포함한다. 액정층에 전계를 인가하고, 이 전계의 세기를 조절하여 액정층을 통과하는 빛의 투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 얻는다. 이 때의 빛은 별도로 구비된 인공 광원일 수도 있고 자연광일 수도 있다.
액정 표시 장치에 별도로 구비된 인공 광원인 램프와 이를 제어하는 인버터 등을 백라이트 장치(backlight)라 하며, 이러한 백라이트 장치는 액정 표시 장치에서 소비되는 전력 중 상당한 부분을 차지한다. 그런데 휴대폰이나 노트북 PC 등과 같은 액정 표시 장치는 휴대용이므로 소비 전력을 줄이는 것이 장시간의 휴대 및 이동성을 용이하게 한다. 따라서 백라이트 장치의 전력 소비를 줄이기 위하여 외부의 밝기를 감지하는 광센서를 액정 표시 장치에 부착하고 이를 이용하여 램프를 제어하는 방법이 연구되어 왔다.
한편, 액정 표시 장치는 각 화소를 제어하기 위한 복수의 박막 트랜지스터를 포함하며, 박막 트랜지스터는 채널층으로서 주로 비정질 규소(amorphous silicon)를 사용하고 있다. 비정질 규소는 약 1.7eV의 임계 전압을 가지며 결정화된 규소에 비해서 흡착 상수가 크기 때문에 광전자 공학 또는 광전자 소자 등에 널리 이용할 수 있다. 이러한 비정질 규소 박막 트랜지스터는 가시 광선에 의하여 효과적으로 정공, 전자를 발생시키므로 사람의 육안으로 느낄 수 있는 광량에 해당하는 전류를 출력할 수 있다. 따라서 별도의 광센서를 액정 표시 장치에 부착하지 않고, 박막 트랜지스터를 광센서로 이용하여 액정 표시 장치의 램프를 제어하는 데 사용할 수 있다.
그러나 이러한 광센서를 내장하는 표시 장치를 양산하는 경우에, 공정 편차로 인하여 박막 트랜지스터가 생성하는 광전류의 산포가 클 수 있다. 또한 백라이트의 발열에 의한 온도 변화로 광전류의 특성이 변할 수도 있으며, 장시간 구동함으로써 박막 트랜지스터의 특성이 변할 수 있으므로 광전류의 특성도 변할 수 있다. 이러한 경우에 광센서의 감도 편차가 발생하는데 감도 편차를 제거하기 위하여 각 광센서의 감도를 검사하고 조정하는 공정이 추가되거나 이를 위한 구동 회로가 추가될 필요가 있다. 결국 광센서의 신뢰성이 저하될 수 있으며 원가가 상승될 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 감도 편차에 무관하며 외부 광량에 해당하는 정확한 센서 출력 전압을 생성할 수 있는 광센서를 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 이러한 광센서를 구비하여 표시판의 밝기 또는 감마 값을 제어하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 광센서는,
외부 광을 받아 광량에 기초한 감지 전압을 생성하여 출력하는 감지부,
상기 외부 광으로부터 차단되어 있으며, 기준 전압을 생성하여 출력하는 기준 전압 생성부, 그리고
상기 감지부로부터의 상기 감지 전압과 상기 기준 전압 생성부로부터의 상기 기준 전압을 받아 상기 감지 전압과 상기 기준 전압의 차전압인 센서 출력 전압을 생성하여 출력하는 처리부를 포함한다.
상기 감지부는,
상기 광량에 해당하는 제1 광전압을 생성하는 제1 수광부, 그리고
상기 제1 광전압을 상기 감지 전압으로 변환하여 출력하는 제1 출력부를 포함하고,
상기 기준 전압 생성부는,
제2 광전압을 생성하는 제2 수광부, 그리고
상기 제2 광전압을 상기 기준 전압으로 변환하여 출력하는 제2 출력부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 수광부는,
상기 외부 광에 노출되어 있으며, 상기 광량에 해당하는 광전류를 생성하는 제1 센서 트랜지스터, 그리고
상기 광전류에 따라 전하를 축적하여 상기 제1 광전압을 생성하는 제1 축전기를 포함하며,
상기 제2 수광부는,
기준 전류를 생성하는 제2 센서 트랜지스터, 그리고
상기 기준 전류에 따라 전하를 축적하여 상기 제2 광전압을 생성하는 제2 축전기를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 광센서는 상기 외부 광으로부터 상기 제2 센서 트랜지스터를 차단하는 차광막을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 센서 트랜지스터는 제1 전압이 인가되는 입력 단자, 상기 제1 센서 트랜지스터를 오프시키는 오프 전압이 인가되는 제어 단자, 상기 광전류를 출력하는 출력 단자, 그리고 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되어 있으며 상기 광전류를 생성하는 감광층을 가지고,
상기 제2 센서 트랜지스터는 상기 제1 전압이 인가되는 입력 단자, 상기 오프 전압이 인가되는 제어 단자, 상기 기준 전류를 출력하는 출력 단자, 그리고 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되어 있으며 상기 기준 전류를 생성하는 감광층을 가지는 것이 바람직하다.
상기 제1 센서 트랜지스터의 감광층과 상기 제2 센서 트랜지스터의 감광층은 동일한 소재로 이루어는 것이 바람직하다.
상기 소재는 비정질 규소인 것이 바람직하다.
상기 제1 축전기의 일단은 상기 제1 센서 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단에는 제2 전압이 인가되어 있으며,
상기 제2 축전기의 일단은 상기 제2 센서 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단에는 상기 제2 전압이 인가되어 있다.
상기 제1 출력부는 스위칭 신호에 따라 상기 제1 광전압을 선택적으로 출력하는 제1 스위칭 트랜지스터를 포함하고,
상기 제2 출력부는 상기 스위칭 신호에 따라 상기 제2 광전압을 선택적으로 출력하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 스위칭 트랜지스터는 상기 스위칭 신호가 인가되는 제어 단자, 상기 제1 광전압을 받는 입력 단자, 그리고 상기 스위칭 신호에 따라 상기 제1 광전압을 선택적으로 출력하는 출력 단자를 가지고,
상기 제2 스위칭 트랜지스터는 상기 스위칭 신호가 인가되는 제어 단자, 상기 제2 광전압을 받는 입력 단자, 그리고 상기 스위칭 신호에 따라 상기 제2 광전압을 선택적으로 출력하는 출력 단자를 가지는 것이 바람직하다.
상기 제1 출력부는 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 출력 전압을 상기 감지 전압으로 변환하는 제3 축전기를 더 포함하고,
상기 제2 출력부는 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 출력 전압을 상기 기준 전압으로 변환하는 제4 축전기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제3 축전기의 일단은 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단은 접지되어 있으며,
상기 제4 축전기의 일단은 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단은 접지되어 있는 것이 바람직하다.
상기 감지부는 리셋 신호에 따라 상기 제1 광전압을 초기화하는 제1 리셋 트랜지스터를 더 포함하고,
상기 기준 전압 생성부는 상기 리셋 신호에 따라 상기 제2 광전압을 초기화하는 제2 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 리셋 트랜지스터는 상기 리셋 신호가 인가되는 제어 단자, 접지되어 있는 입력 단자, 그리고 상기 리셋 신호에 따라 접지 전압을 출력하는 출력 단자를 가지고,
상기 제2 리셋 트랜지스터는 상기 리셋 신호가 인가되는 제어 단자, 접지되어 있는 입력 단자, 그리고 상기 리셋 신호에 따라 접지 전압을 출력하는 출력 단자를 가지는 것이 바람직하다.
상기 처리부는,
상기 감지 전압을 반전시키는 제1 연산 증폭기, 그리고
상기 반전된 감지 전압과 상기 기준 전압을 더하여 반전시키는 제2 연산 증폭기를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치는,
외부 광을 받아 광량에 대응하는 센서 출력 전압을 생성하는 광센서,
상기 광센서로부터의 상기 센서 출력 전압을 제어 전압으로 변환하는 전압 변환부,
복수의 화소를 포함하는 표시판, 그리고
상기 제어 전압에 따라 상기 화소의 밝기를 조절하는 제어부
를 포함하며,
상기 광센서는,
상기 광량에 기초한 감지 전압을 생성하여 출력하는 감지부,
상기 외부 광으로부터 차단되어 있으며, 기준 전압을 생성하여 출력하는 기준 전압 생성부, 그리고
상기 감지부의 출력 전압과 상기 기준 전압의 차전압인 상기 센서 출력 전압을 생성하여 출력하는 처리부를 포함한다.
상기 제1 센서 트랜지스터와 상기 제2 센서 트랜지스터는 상기 표시판에 위치하며 인접하여 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 표시 장치는 액정 표시 장치, EL 및 PDP 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 광센서 및 이를 이용한 표시 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광센서의 등가 회로도이다.
도 1에 보이는 것처럼, 이 광센서(40)는 외부 광을 받아 광량에 대응하는 센서 전압(Vout)을 생성하여 출력하며 3개의 트랜지스터(Q1, Q2, Q3) 및 2개의 축전기(C1, C2)를 포함한다.
트랜지스터(Q1, Q2, Q3)는 비정질 규소 박막 트랜지스터인 것이 바람직하며, 센서 트랜지스터(Q1), 리셋 트랜지스터(Q2), 스위칭 트랜지스터(Q3)를 포함한다.
센서 트랜지스터(Q1)의 드레인 단자는 제1 전압(VDD)에 연결되어 있고 게이트 단자는 제2 전압(VGG)에 연결되어 있고, 리셋 트랜지스터(Q2)의 드레인 단자는 제3 전압(VDC)에 연결되어 있고 게이트 단자에는 리셋 신호(RESET)가 인가되며, 스위칭 트랜지스터(Q3)의 게이트 단자에는 스위칭 신호(SWITCH)가 인가된다. 센서 트랜지스터(Q1)의 소스 단자, 리셋 트랜지스터(Q2)의 소스 단자 및 스위칭 트랜지스터(Q3)의 드레인 단자는 서로 연결되어 접점(n1)을 이룬다. 스위칭 트랜지스터(Q3)의 소스 단자는 광센서(40)의 출력단에 연결되어 센서 출력 전압(Vout)을 출력한다.
축전기(C1)는 접점(n1)과 제3 전압(VDC) 사이에 연결되어 있고, 축전기(C2 )는 스위칭 트랜지스터(Q3)의 소스 단자와 제3 전압(VDC) 사이에 연결되어 있으며, 접점(n2)은 스위칭 트랜지스터(Q3)와 축전기(C2)의 연결점을 나타낸다.
센서 트랜지스터(Q1)에 인가되는 제1 전압(VDD)은 트랜지스터를 턴 온 시키는 게이트 온 전압(Von)으로 설정할 수 있고, 제2 전압(VGG)은 트랜지스터를 턴 오프 시키는 게이트 오프 전압(Voff)으로 설정할 수 있으며, 제3 전압(VDC)은 접지 전압(GND)으로 설정할 수 있다. 본 실시예에서의 전압(VDD, VGG, VDC)은 편의를 위하여 이와 같이 설정한 것이다. 따라서 전압(VDD, VGG, VDC)은 다양한 변화가 가능하다.
본 실시예에서 트랜지스터(Q1∼Q3)의 드레인 단자와 소스 단자는 서로 바뀌어 해당 접점 또는 전압에 연결될 수 있다.
그러면, 외부 광에 따라 센서 출력 전압(Vout)을 생성하여 출력하는 광센서(40)의 동작에 대하여 설명한다.
센서 트랜지스터(Q1)의 소스 단자와 드레인 단자 사이에는 비정질 규소층(도시하지 않음)이 구비되고 외부 광에 노출되어 있어 입사되는 광량에 해당하는 광전류(Ioff)를 드레인 단자로부터 소스 단자로 흘린다. 그러나 리셋 트랜지스터(Q2)와 스위칭 트랜지스터(Q3)는 차광막(도시하지 않음)으로 가려져 있어 이들 트랜지스터(Q2, Q3)의 비정질 규소층(도시하지 않음)은 광전류를 흘리지 않는다.
센서 트랜지스터(Q1)로부터의 광전류(Ioff)에 따라 축전기(C1)는 전하를 축적하고, 축적된 전하량에 해당하는 광전압(VP)을 생성한다.
리셋 트랜지스터(Q2)는 리셋 신호(RESET)에 따라 온/오프 된다. 리셋 신호(RESET)는 광센서(40)를 이용하는 표시 장치 등의 외부 장치로부터 인가되는 신호이다. 리셋 신호(RESET)는 한 프레임 또는 수 프레임의 주기를 가질 수 있다.
리셋 신호(RESET)가 하이 레벨이 되어 리셋 트랜지스터(Q2)가 온이 되면, 축전기(C1)에 축적되어 있는 전하는 방전된다. 그런 후 리셋 신호(RESET)가 로우 레벨이 되어 리셋 트랜지스터(Q2)가 오프 되면, 축전기(C1)는 센서 트랜지스터(Q1)로부터의 광전류(Ioff)에 따른 전하를 다시 축적하여 외부 광량에 따른 광전압(VP)을 생성한다.
스위칭 트랜지스터(Q3)는 스위칭 신호(SWITCH)에 따라 온/오프 된다. 스위칭 신호(SWITCH)도 리셋 신호(RESET)와 마찬가지로 표시 장치 등의 외부 장치로부터 인가되는 신호이고, 리셋 신호(RESET)와 동일한 주기를 갖는다.
스위칭 신호(SWITCH)가 하이 레벨이 되어 스위칭 트랜지스터(Q3)가 온이 되면, 축전기(C1)에 충전된 전압(VP)이 접점(n2)을 통하여 출력되는 한편, 축전기(C 2)도 같은 전압으로 충전된다. 이에 따라 스위칭 신호(SWITCH)가 로우 레벨이 되어 스위칭 트랜지스터(Q3)가 오프 되더라도 센서 출력 전압(Vout)은 일정하게 된다.
그러면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서에 대하여 도 2 및 도 3을 참고로 하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서의 등가 회로도이고, 도 3은 도2에 도시한 광센서의 처리부의 회로도의 한 예이다.
도 2에 보이는 것처럼, 이 광센서(50)는 센서, 리셋 및 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)와 축전기(C1, C2)를 포함하는 감지부(51), 센서, 리셋 및 스위칭 트랜지스터(Q4, Q5, Q6)와 축전기(C3, C4)를 포함하는 기준 전압 생성부(52), 그리고 처리부(55)를 포함한다.
감지부(51)와 기준 전압 생성부(52)는 각각 도 1에 도시한 광센서와 실질적으로 동일한 구조를 가지며 특히 감지부(51)의 센서 트랜지스터(Q1)와 기준 전압 생성부(52)의 센서 트랜지스터(Q4)가 실질적으로 동일한 소자 특성을 가진다. 다만, 기준 전압 생성부(52)의 센서 트랜지스터(Q4)가 차광막(BM)으로 가려져 있다는 점이 다르다.
감지부(51)는 외부 광을 받아 광량에 기초한 감지 전압(Vsen)을 출력하며, 기준 전압 생성부(52)는 기준 전압(Vref)을 생성하여 출력한다.
기준 전압 생성부(52)의 센서 트랜지스터(Q4)는 외부 광에 따른 광전류를 생성하는 것이 아니라 외부 광과 무관한 누설 전류 등의 기준 전류(Iref)를 생성하고, 기준 전압 생성부(52)는 이에 기초하여 기준 전압(Vref)을 생성한다. 감지부(51)의 센서 트랜지스터(Q1)가 외부 광으로부터 차단된 경우에는 기준 전압 생성부(52)의 센서 트랜지스터(Q4)가 생성하는 기준 전류(Iref)와 실질적으로 동일한 전류를 생성한다.
처리부(55)는 감지부(51)로부터 감지 전압(Vsen)과 기준 전압 생성부(52)로부터 기준 전압(Vref)을 받아 감지 전압(Vsen)과 기준 전압(Vref)의 차전압인 센서 출력 전압(Vout)을 생성하여 출력한다.
도 3에 보이는 것처럼, 처리부(55)는 차례로 연결된 한 쌍의 연산 증폭기(OP1, OP2)를 포함한다. 여기서 복수의 저항(R11, R12, R21, R22, R23)은 동일한 저항값을 갖는다. 연산 증폭기(OP1)는 입력 저항(R11)을 통한 감지 전압(Vsen)을 반전 입력단(-)을 통해서 입력받고 접지 전압을 비반전 입력단(+)을 통해서 입력받으며 피드백 저항(R12)을 통해서 부궤환하는 일종의 반전기로서, 반전 입력인 감지 전압(Vsen)을 반전시켜 출력(Vsen')한다. 연산 증폭기(OP2)는 입력 저항(R21)을 통한 반전 전압(Vsen')과 입력 저항(R23)을 통한 기준 전압(Vref)을 반전 입력단(-)을 통해서 입력받고 접지 전압을 비반전 입력단(+)을 통해서 입력받으며 피드백 저항(R22)을 통해서 부궤환하는 일종의 반전 가산기로서, 반전 입력인 반전 전압(Vsen)과 기준 전압(Vref)을 더하고 반전시켜 출력(Vout)한다.
그러면 연산 증폭기(OP2)의 출력 전압(Vout)은 다음 [수학식 1]과 같다.
처리부(55)의 회로는 도 3에 도시한 것에 한정하지 않으며 다양한 변화가 가능하다.
도 4a는 외부 광량에 따른 감지부(51)의 센서 트랜지스터(Q1)의 전압(Vgs)-전류(Ioff) 특성을 보여주는 그래프이고, 도 4b와 도 4c는 각각 초기 상태와 특성이 변화된 상태에서 외부 광에 따른 감지부(51)의 출력 전압을 보여주는 그래프이다.
도 4a의 곡선(1)은 빛이 차단된 경우의 전압-전류 특성을 보여주고, 곡선(2)은 초기 상태에서 외부 조도가 15,000Lux인 경우의 전압-전류 특성을 보여주고, 곡선(3)은 감지부(51)의 센서 트랜지스터(Q1)의 특성이 변화된 상태에서 외부 조도가 15,000Lux인 경우의 전압-전류 특성을 보여준다. 도 4b는 도 4a의 곡선(2)에 대응하는 경우의 감지 전압(Vsen)을 보여주고, 도 4c는 도 4a의 곡선(3)에 대응하는 경우의 감지 전압(Vsen)을 보여준다. 조도 15,000Lux에 대응하는 감지 전압(Vsen)은, 도 4b에서는 2.44V이고, 도 4c에서는 2.61V이다. 이것은 센서 트랜지스터(Q1)의 광전류(Ioff) 특성이 변하면 외부 조도가 동일하더라도 감지 전압(Vsen)이 일정한 값을 갖지 않는다는 것을 의미한다.
그러나 본 실시예에 따른 광센서(50)는 센서 트랜지스터(Q1)의 광전류(Ioff) 특성이 변하게 되더라도 외부 광량에 해당하는 일정한 출력 전압을 얻을 수 있는데, 이에 대하여 살펴보자.
본 실시예에 따른 광센서(50)의 센서 트랜지스터(Q1)와 센서 트랜지스터(Q4)는 이웃해 있다. 또한, 양 센서 트랜지스터(Q1, Q4)의 감광층은 동일하게 비정질 규소로 이루어져 있으며, 동일한 공정을 통하여 형성되므로 양 트랜지스터(Q1, Q4)의 특성은 실질적으로 동일하다고 할 수 있다. 따라서 어떤 특성 변화 요인이 발생하면 센서 트랜지스터(Q1)의 특성과 센서 트랜지스터(Q4)의 특성은 함께 변하게 되고 이에 따라 센서 트랜지스터(Q1)의 광전류(Ioff) 변화량과 센서 트랜지스터(Q4)의 기준 전류(Iref) 변화량도 동일하게 된다. 결국 센서 트랜지스터(Q1)의 광전류(Ioff) 특성이 변하더라도 동일한 크기의 기준 전류(Iref) 변화량이 항상 센서 출력 전압(Vout)에 반영되므로 광센서(50)는 동일한 외부 광량에 대하여 일정한 센서 출력 전압(Vout)을 생성할 수 있다.
그러면 이러한 광센서를 구비한 액정 표시 장치에 대하여 도 5 내지 도 7을 참고로 하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 액정 표시판 조립체(liquid crystal panel assembly)(300) 및 이에 연결된 게이트 구동부(400), 데이터 구동부(500), 데이터 구동부(500)에 연결된 계조 전압 생성부(800), 액정 표시판 조립체(300)에 빛을 조사하는 조명부(900), 광센서(50), 전압 변환부(60), 그리고 이들을 제어하는 신호 제어부(600)를 포함한다.
액정 표시판 조립체(300)는 등가 회로로 볼 때 복수의 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)과 이에 연결되어 있으며 대략 행렬의 형태로 배열된 복수의 화소(pixel)를 포함한다.
표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)은 게이트 신호("주사 신호"라고도 함)를 전달하는 복수의 게이트선(G1-Gn)과 데이터 신호를 전달하는 데이터선(D1-D m)을 포함한다. 게이트선(G1-Gn)은 대략 행 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하고 데이터선(D 1-Dm)은 대략 열 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하다.
각 화소는 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)에 연결된 스위칭 소자(Q)와 이에 연결된 액정 축전기(liquid crystal capacitor)(CLC) 및 유지 축전기(storage capacitor)(CST)를 포함한다. 유지 축전기(CST)는 필요에 따라 생략할 수 있다.
박막 트랜지스터 등 스위칭 소자(Q)는 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 삼단자 소자로서 그 제어 단자 및 입력 단자는 각각 게이트선(G1-Gn) 및 데이터선(D1-Dm)에 연결되어 있으며, 출력 단자는 액정 축전기(CLC) 및 유지 축전기(CST)에 연결되어 있다.
액정 축전기(CLC)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190)과 상부 표시판(200)의 공통 전극(270)을 두 단자로 하며 두 전극(190, 270) 사이의 액정층(3)은 유전체로서 기능한다. 화소 전극(190)은 스위칭 소자(Q)에 연결되며 공통 전극(270)은 상부 표시판(200)의 전면에 형성되어 있고 공통 전압(Vcom)을 인가 받는다. 도 7에서와는 달리 공통 전극(270)이 하부 표시판(100)에 구비되는 경우도 있으며 이때에는 두 전극(190, 270) 중 적어도 하나가 선형 또는 막대형으로 만들어질 수 있다.
액정 축전기(CLC)의 보조적인 역할을 하는 유지 축전기(CST)는 하부 표시판(100)에 구비된 별개의 신호선(도시하지 않음)과 화소 전극(190)이 절연체를 사이에 두고 중첩되어 이루어지며 이 별개의 신호선에는 공통 전압(Vcom) 따위의 정해진 전압이 인가된다. 그러나 유지 축전기(CST)는 화소 전극(190)이 절연체를 매개로 바로 위의 전단 게이트선과 중첩되어 이루어질 수 있다.
한편, 색 표시를 구현하기 위해서는 각 화소가 삼원색 중 하나를 고유하게 표시하거나(공간 분할) 각 화소가 시간에 따라 번갈아 삼원색을 표시하게(시간 분할) 하여 이들 삼원색의 공간적, 시간적 합으로 원하는 색상이 인식되도록 한다. 도 2는 공간 분할의 한 예로서 각 화소가 화소 전극(190)에 대응하는 영역에 적색, 녹색, 또는 청색의 색 필터(230)를 구비함을 보여주고 있다. 도 7과는 달리 색 필터(230)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190) 위 또는 아래에 형성할 수도 있다.
액정 표시판 조립체(300)의 두 표시판(100, 200) 중 적어도 하나의 바깥 면에는 빛을 편광시키는 편광자(도시하지 않음)가 부착되어 있다.
도 5를 보면 조명부(900)는 램프부(910)와 램프부(910)를 점멸시키고 점멸 시간을 제어함으로써 화면의 밝기를 조절하는 인버터(inverter)(920)를 포함한다. 인버터(920)는 별도로 장착된 인버터 PCB(도시하지 않음)에 구비될 수 있다. 램프부(910)는 형광 램프(fluorescent lamp) 또는 발광 소자(light emitting device)로 이루어지며, 발광 소자의 경우 인버터(920)는 생략될 수 있다.
계조 전압 생성부(800)는 화소의 투과율과 관련된 두 벌의 복수 계조 전압을 생성한다. 두 벌 중 한 벌은 공통 전압(Vcom)에 대하여 양의 값을 가지고 다른 한 벌은 음의 값을 가진다.
게이트 구동부(400)는 액정 표시판 조립체(300)의 게이트선(G1-Gn)에 연결되어 외부로부터의 게이트 온 전압(Von)과 게이트 오프 전압(Voff)의 조합으로 이루어진 게이트 신호를 게이트선(G1-Gn)에 인가하며 통상 복수의 집적 회로로 이루어진다.
데이터 구동부(500)는 액정 표시판 조립체(300)의 데이터선(D1-Dm)에 연결되어 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압을 선택하여 데이터 신호로서 화소에 인가하며 통상 복수의 집적 회로로 이루어진다.
복수의 게이트 구동 집적 회로 또는 데이터 구동 집적 회로는 칩의 형태로 TCP(tape carrier package)(도시하지 않음)에 장착하여 TCP를 액정 표시판 조립체(300)에 부착할 수도 있고, TCP를 사용하지 않고 유리 기판 위에 이들 집적 회로 칩을 직접 부착할 수도 있으며(chip on glass, COG 실장 방식), 이들 집적 회로 칩과 같은 기능을 수행하는 회로를 화소의 박막 트랜지스터와 함께 액정 표시판 조립체(300)에 직접 형성할 수도 있다. 또한 이들 구동 집적 회로는 계조 전압 생성부(800)와 신호 제어부(600) 등을 포함하는 하나의 칩으로 이루어질 수 있다.
신호 제어부(600)는 게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500) 등의 동작을 제어한다.
광센서(50)는 외부 광을 받아 신호 제어부(600)로부터의 리셋 신호(RESET) 및 스위칭 신호(SWITCH)에 따라 외부 광량에 대응하는 센서 출력 전압(Vout)을 생성하여 출력한다. 전압 변환부(60)는 광센서(50)로부터의 센서 출력 전압(Vout)에 기초하여 조명부(900)를 구동하거나 영상 신호 보정용 감마값을 전환하는 밝기 제어 전압(Vcon)을 생성하여 출력한다.
한편, 인버터(920)는 외부 장치 또는 신호 제어부(600)로부터 램프 점등 명령 신호(EN)를 받고, 전압 변환부(60)로부터 밝기 제어 전압(Vcon)을 받아 이들을 이용하여 램프부(910)를 구동한다. 그러나 인버터(920)의 특성에 따라 센서 출력 전압(VOUT)을 그대로 사용할 수도 있으며, 이 경우 액정 표시 장치는 전압 변환부(60)를 포함하지 않을 수 있다.
한편, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 구조적으로 보면, 표시부(330)와 표시부(330)에 광을 제공하는 백라이트부(340)를 포함하는 액정 모듈(350)과 액정 모듈(350)을 수납하는 상부 및 하부 섀시(361, 362)를 포함한다.
표시부(330)는 액정 표시판 조립체(300), 통합 칩(610), 그리고 FPC 기판(620)을 포함한다.
액정 표시판 조립체(300)는, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 구조적으로 볼 때 하부 표시판(100) 및 상부 표시판(200)과 그 사이에 들어 있는 액정층(3)과 표시 영역(P2)을 정의하는 차광막(220)을 포함하며, 화소와 표시 신호선(G1-Gn, D 1-Dm)의 대부분은 표시 영역(P2) 내에 위치한다. 상부 표시판(200)은 하부 표시판(100)보다 크기가 작아서 하부 표시판(100)의 일부 영역(P3)이 노출되며 이 영역(P3)에 통합 칩(610)이 실장되고 FPC 기판(620)이 부착된다.
통합 칩(610)은 원칩(one-chip)이라고도 하는 단일 칩으로 이루어지며, 액정 표시 장치를 구동하기 위한 처리 유닛들, 즉, 계조 전압 생성부(800), 데이터 구동부(500), 게이트 구동부(400), 광센서(50) 중 처리부(55), 전압 변환부(60), 그리고 신호 제어부(600)를 포함한다. 이러한 처리 유닛들을 통합 칩(610) 안에 집적함으로써 실장 면적을 줄일 수 있으며, 소비 전력도 저감할 수 있다. 물론 필요에 따라, 각 처리 유닛 또는 각 처리 유닛에서 사용되는 회로 소자를 통합 칩(610) 외부에 둘 수도 있다.
FPC 기판(620)은 외부 장치로부터 신호를 받아들여 통합 칩(610) 또는 액정 표시판 조립체(300)에 전달하며, 외부 장치와의 접속을 용이하게 하기 위하여 끝단은 통상 커넥터(도시하지 않음)로 이루어진다.
한편, 광센서(50) 중 감지부(51) 및 기준 전압 생성부(52)는 액정 표시판 조립체(300)의 가장자리 영역(P1)과 표시 영역(P2) 중 어느 한 영역에 형성할 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, 센서 트랜지스터(Q1)의 광전류(Ioff) 및 센서 트랜지스터(Q4)의 기준 전류(Iref)의 특성 변화가 동일하도록 양 센서 트랜지스터(Q1, Q4)를 인접하게 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 감지부(51) 및 기준 전압 생성부(52)를 액정 표시판 조립체(300)에 형성함으로써 액정 표시 장치에 별도의 외부 광센서를 부착하지 않고 외부 광량을 감지할 수 있다.
한편, 광센서(50)에 포함되어 있는 축전기(C2, C4)는 통합 칩(610) 내부 또는 하부 표시판(100) 중 노출되어 있는 영역(P3)에 둘 수 있다. 이렇게 함으로써 축전기(C2, C4)의 용량을 키울 수 있고, 이에 따라 노이즈에 둔감한 센서 출력 전압(Vout)을 얻을 수 있다.
백라이트부(340)는 광을 발생시키는 램프 유닛과 램프 유닛으로부터 발생된 광을 표시부(330)로 유도하는 도광판(342)과 각종 광학 시트류(343) 및 반사판(344)을 포함한다.
램프 유닛은 광을 생성하는 램프(341)와 램프(341)가 장착되는 램프 기판(345)을 포함한다. 램프(341)는 도 6에 도시한 것처럼 하나 이상의 발광 소자를 사용할 수도 있고, 필요에 따라 하나 이상의 형광 램프(도시하지 않음)를 사용할 수도 있다. 형광 램프의 경우 형광 램프가 도광판(342)의 일단 또는 양단에 배치되거나 도광판(342) 대신 확산판(도시하지 않음)을 구비하여 확산판 아래에 배치될 수도 있으며, "L"자형의 형광 램프가 사용될 수도 있다.
도광판(342)은 액정 표시판 조립체(300)의 하부에 위치하고, 이 액정 표시판 조립체(300)에 대응하는 크기를 갖도록 형성되며, 램프 유닛으로부터 생성된 광의 경로를 변경하여 액정 표시판 조립체(300)로 광이 제공될 수 있도록 광을 유도한다. 이러한 도광판(342)의 상부에는 액정 표시판 조립체(300)로 향하는 광의 휘도를 균일하게 하기 위한 각종 광학 시트류(343)가 배치되며, 도광판(342)의 하부에는 이 도광판(342)으로부터 누설되는 광을 다시 액정 표시판 조립체(300) 측으로 반사시켜 광의 효율을 향상시키기 위한 반사판(344)이 배치된다.
표시부(330) 및 백라이트부(340)는 몰드 프레임(364)이라 불리는 틀에 지지되어 액정 모듈(350)을 이룬다. 표시부(330)는 그 하측을 몰드 프레임(364) 상에 배치하며, 백라이트부(340)는 그 하측에 배치되는 하부 섀시(362)로 지지된다. 표시부(330) 상측에 배치되는 상부 섀시(361)는 표시부(330) 및 백라이트부(340)를 몰드 프레임(364)에 고정시키기 위하여 몰드 프레임(364)에 결합된다.
그러면 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 표시 동작에 대하여 도 5와 도 8을 참고로 하여 좀더 상세하게 설명한다.
도 8은 도 2에 도시한 광센서에 공급되는 리셋 신호 및 스위칭 신호의 파형도이다.
신호 제어부(600)는 외부의 그래픽 제어기(도시하지 않음)로부터 입력 영상 신호(R, G, B) 및 이의 표시를 제어하는 입력 제어 신호, 예를 들면 수직 동기 신호(Vsync)와 수평 동기 신호(Hsync), 메인 클록(MCLK), 데이터 인에이블 신호(DE) 등을 제공받는다. 신호 제어부(600)는 입력 영상 신호(R, G, B)와 입력 제어 신호를 기초로 영상 신호(R, G, B)를 액정 표시판 조립체(300)의 동작 조건에 맞게 적절히 처리하고 게이트 제어 신호(CONT1), 데이터 제어 신호(CONT2), 리셋 신호(RESET), 그리고 스위칭 신호(SWITCH) 등을 생성한 후, 게이트 제어 신호(CONT1)를 게이트 구동부(400)로 내보내고 데이터 제어 신호(CONT2)와 처리한 영상 신호(R', G', B')는 데이터 구동부(500)로 내보내며 리셋 신호(RESET)와 스위칭 신호(SWITCH)는 광센서(50)로 내보낸다.
게이트 제어 신호(CONT1)는 게이트 온 전압(Von)의 출력 시작을 지시하는 수직 동기 시작 신호(STV), 게이트 온 전압(Von)의 출력 시기를 제어하는 게이트 클록 신호(CPV) 및 게이트 온 전압(Von)의 지속 시간을 한정하는 출력 인에이블 신호(OE) 등을 포함한다.
데이터 제어 신호(CONT2)는 영상 데이터(R', G', B')의 입력 시작을 지시하는 수평 동기 시작 신호(STH)와 데이터선(D1-Dm)에 해당 데이터 전압을 인가하라는 로드 신호(LOAD), 공통 전압(Vcom)에 대한 데이터 전압의 극성(이하 "공통 전압에 대한 데이터 전압의 극성"을 줄여 "데이터 전압의 극성"이라 함)을 반전시키는 반전 신호(RVS) 및 데이터 클록 신호(HCLK) 등을 포함한다.
도 8에 보이는 것처럼, 리셋 신호(RESET)와 스위칭 신호(SWITCH)는 한 프레임의 주기를 갖는다. 신호 제어부(600)는 별도의 신호로서 리셋 신호(RESET)를 생성할 수 있지만, 한 프레임의 주기를 갖는 수직 동기 시작 신호(STV), FLM(frame head pulse) 신호, 수직 동기 신호(Vsync) 등의 신호 중 어느 한 신호를 리셋 신호(RESET)로 사용할 수도 있다. 그리고 신호 제어부(600)는 게이트선(G1-Gn)에 인가되는 게이트 신호 중 하나를 스위칭 신호(SWITCH)로 사용할 수 있다. 이렇게 하면, 별도의 신호를 생성하지 않고 액정 표시 장치에서 사용하는 신호를 그대로 이용할 수 있다. 물론 게이트선(G1-Gn)에 인가되는 게이트 신호를 사용하지 않고 별도의 게이트 온 전압(Von)을 생성하여 스위칭 신호(SWITCH)로 사용할 수도 있다. 여기서 리셋 신호(RESET) 및 스위칭 신호(SWITCH)가 한 프레임의 주기를 갖는 것으로 설명하였지만 이에 한정하지 않으며 필요에 따라 수 프레임 또는 수십 프레임의 주기를 가질 수도 있다.
데이터 구동부(500)는 신호 제어부(600)로부터의 데이터 제어 신호(CONT2)에 따라 한 행의 화소에 대한 영상 데이터(R', G', B')를 차례로 입력받아 시프트시키고, 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중 각 영상 데이터(R', G', B')에 대응하는 계조 전압을 선택함으로써, 영상 데이터(R', G', B')를 해당 데이터 전압으로 변환한 후, 이를 해당 데이터선(D1-Dm)에 인가한다.
게이트 구동부(400)는 신호 제어부(600)로부터의 게이트 제어 신호(CONT1)에 따라 게이트 온 전압(Von)을 게이트선(G1-Gn)에 인가하여 이 게이트선(G 1-Gn)에 연결된 스위칭 소자(Q)를 턴온시키며, 이에 따라 데이터선(D1-Dm)에 인가된 데이터 전압이 턴온된 스위칭 소자(Q)를 통하여 해당 화소에 인가된다.
화소에 인가된 데이터 전압과 공통 전압(Vcom)의 차이는 액정 축전기(CLC)의 충전 전압, 즉 화소 전압으로서 나타난다. 액정 분자들은 화소 전압의 크기에 따라 그 배열을 달리하며, 이에 따라 액정층(3)을 통과하는 빛의 편광이 변화한다. 이러한 편광의 변화는 표시판(100, 200)에 부착된 편광자(도시하지 않음)에 의하여 빛의 투과율 변화로 나타난다.
1 수평 주기(또는 "1H")[수평 동기 신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(DE), 게이트 클록(CPV)의 한 주기]가 지나면 데이터 구동부(500)와 게이트 구동부(400)는 다음 행의 화소에 대하여 동일한 동작을 반복한다. 이러한 방식으로, 한 프레임(frame) 동안 모든 게이트선(G1-Gn)에 대하여 차례로 게이트 온 전압(Von )을 인가하여 모든 화소에 데이터 전압을 인가한다. 한 프레임이 끝나면 다음 프레임이 시작되고 각 화소에 인가되는 데이터 전압의 극성이 이전 프레임에서의 극성과 반대가 되도록 데이터 구동부(500)에 인가되는 반전 신호(RVS)의 상태가 제어된다("프레임 반전"). 이때, 한 프레임 내에서도 반전 신호(RVS)의 특성에 따라 한 데이터선을 통하여 흐르는 데이터 전압의 극성이 바뀌거나("라인 반전" 및 "도트 반전"), 한 화소행에 인가되는 데이터 전압의 극성도 서로 다를 수 있다("도트 반전" 및 "컬럼 반전").
한편, 광센서(50)는 신호 제어부(600)가 생성하는 리셋 신호(RESET)와 스위칭 신호에 따라 광량에 대응하는 센서 출력 전압(Vout)을 생성한다.
즉, 광센서(50)는 리셋 신호(RESET)에 따라 축전기(C1, C3)를 리셋한다. 다시 말하면, 리셋 신호(RESET)가 하이 레벨이 되면 광센서(50)는 축전기(C1, C3)에 축적되어 있는 전하를 방전시키고, 로우 레벨이 되면 축전기(C1, C3)에 해당하는 전하를 다시 축적하여 광전압(VP)과 기준 전류(Iref)에 해당하는 전압을 생성한다.
그러고 광센서(50)는 소정 시간이 경과한 후 스위칭 신호(SWITCH)가 하이 레벨이 되면 축전기(C1, C3)에 충전된 전압을 축전기(C2, C4)에 각각 전달하여 축전기(C1, C3)에 충전된 전압과 동일한 전압을 축전기(C2, C4 )에 각각 충전한다. 광센서(50)의 처리부(55)는 축전기(C2, C4)에 충전된 전압(Vsen, V ref)의 차를 계산하여 센서 출력 전압(Vout)을 생성한다.
전압 변환부는 광센서(50)로부터 센서 출력 전압(Vout)을 받아 밝기 제어 전압(Vcon)으로 변환하여 인버터(920)와 신호 제어부(600)에 전송한다. 인버터(920)는 밝기 제어 전압(Vcon)을 받아 램프(341)의 밝기를 제어하고, 신호 제어부(600)는 밝기 제어 전압(Vcon)을 받아 영상 보정용 감마값의 전환 제어를 한다.
그러면 이러한 전압 변환부에 대하여 도 9a 내지 도 11c를 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 9a는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치용 전압 변환부의 회로도이고, 도 9b는 도 9a에 도시한 전압 변환부의 입출력 특성을 도시한 그래프이다.
이 전압 변환부(60)는 연산 증폭기(OPAMP)와 복수의 저항(R1, R2, R3)을 포함한다. 연산 증폭기(OPAMP)는 입력 저항(R1)을 통한 센서 출력 전압(Vout)을 반전 입력단(-)을 통해서 입력받고 참조 전압(Vref')과 입력 저항(R3)을 통한 접지 전압을 비반전 입력단(+)을 통해서 입력받으며 피드백 저항(R2)을 통해서 부궤환하는 반전 증폭기로서 동작한다. 연산 증폭기(OPAMP)의 출력 전압(Vcon)은 다음 [수학식 2]와 같으며 이를 도시하면 도 9b와 같다.
도 9b에 도시한 것처럼, 밝기 제어 전압(Vcon)은 음의 기울기를 갖는 센서 출력 전압(Vout)의 일차 함수이다. 결국 외부 광량이 많아 센서 출력 전압(VOUT)이 크면 밝기 제어 전압(Vcon)은 작게 되고, 외부 광량이 적어 센서 출력 전압(Vout)이 작으면 밝기 제어 전압(Vcon)은 크게 된다.
도 10a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 표시 장치용 전압 변환부의 블록도이고, 도 10b는 도 10a에 도시한 전압 변환부의 입출력 전압의 대응 관계를 도시한 표이고, 도 10c는 도 10a에 도시한 전압 변환부의 입출력 특성을 도시한 그래프이다.
이 전압 변환부(60)는 2비트 아날로그-디지털 변환기(AD converter)(61) 및 4채널 멀티플렉서(62)를 포함한다. 아날로그-디지털 변환기(61)는 센서 출력 전압(Vout)을 받아 2비트 디지털 선택 신호(SEL1, SEL2)를 생성한다. 멀티플렉서(62)는 선택 신호(SEL1, SEL2)에 따라 4개의 전압(V1, V2, V3, V4) 중 하나를 출력한다. 도 10b에 보이는 것처럼, 센서 출력 전압(Vout)이 클수록 밝기 제어 전압(Vcon)이 작아지도록 매개 변수(a, b, c)와 전압(V1, V2, V3, V4)을 설정할 수 있다. 이 전압 변환부(60)는, 도 10c에 보이는 것처럼, 4단계의 밝기 제어 전압(Vcon)을 생성한다.
이 전압 변환부(60)는 4단계의 밝기 제어 전압(Vcon)을 생성하는 것으로 설명하였지만 아날로그-디지털 변환기(61)의 비트 수를 늘리고 멀티플렉서(62)의 채널 수를 늘림으로써 더 많은 단계의 밝기 제어 전압(Vcon)을 생성할 수 있다. 물론, 이와 반대로 단계를 더 줄일 수도 있다.
도 11a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 표시 장치용 전압 변환부의 회로도이고, 도 11b는 도 11a에 도시한 전압 변환부의 입출력 전압의 대응 관계를 도시한 그래프이고, 도 11c는 도 11a에 도시한 전압 변환부의 밝기 제어 전압의 히스테리시스 특성을 도시한 그래프이다.
도 11a에 보이는 것처럼, 이 전압 변환부(60)는 2개의 비교기(COMP1, COMP2)를 포함한다. 각 비교기(COMP1, COMP2)는 반전 입력단(-)을 통하여 센서 출력 전압(Vout)을 입력받고 비반전 입력단(+)을 통하여 비교 전압(Vref1, Vref2 )을 입력받으며, 센서 출력 전압(Vout)이 비교 전압(Vref1, Vref2)보다 크면 전압(V dd)를 출력하고, 작으면 전압(Vss)을 출력한다.
신호 제어부(600)는 비교기(COMP1, COMP2)의 출력 전압(Vcon1, Vcon2)을 받아 램프의 점멸 제어를 하거나 영상 신호 보정용 감마값의 전환 제어를 할 수 있다. 이 전압 변환부(60)의 출력 전압(Vcon1, Vcon2)은 도 11c에 보이는 것처럼 히스테리시스 특성을 가지고 있으므로 램프의 잦은 점멸 및 감마값의 빈번한 전환을 방지할 수 있다.
이와 같이 센서 출력 전압(Vout)을 밝기 제어 전압(Vcon)으로 변환하는 전압 변환부(60)에 대하여 3가지 예를 들어 설명하였으나 이에 한정하지 않으며 다양한 변화가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 광센서(50)가 액정 표시 장치에 구비되어 있는 것으로 설명하였지만 이에 한정하지 않으며 이 광센서(50)는 EL(electro luminance) 표시 장치 및 PDP(plasma display panel) 등의 표시 장치에도 구비되어 화소의 밝기를 조절하는 데 사용될 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 광센서에 포함되어 있는 센서 트랜지스터의 구조에 대하여 도 12 및 도 13을 참고로 하여 설명한다.
도 12는 도 2에 도시한 광센서에서 두 센서 트랜지스터의 배치도이고, 도 13은 도 12에 도시한 센서 트랜지스터를 XIII-XIII' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 12 및 도 13에 보이는 것처럼, 센서 트랜지스터(Q1, Q4)가 형성되는 박막 트랜지스터 표시판(100)에는 하부 절연 기판(110) 위에 전압(VGG)이 인가되는 게이트선(121)이 형성되어 있다. 게이트선(121)의 일부는 센서 트랜지스터(Q1, Q4)의 게이트 전극(gate electrode)(124)을 이룬다.
게이트선(121) 위에는 질화 규소(SiNx) 따위로 이루어진 게이트 절연막(gate insulating layer)(140)이 형성되어 있다.
게이트 절연막(140) 상부에는 수소화 비정질 규소(hydrogenated amorphous silicon)(비정질 규소는 약칭 a-Si로 씀) 등으로 이루어진 섬형 반도체(154)가 형성되어 있다.
반도체(154)의 상부에는 실리사이드(silicide) 또는 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n+ 수소화 비정질 규소 따위의 물질로 만들어진 섬형 저항성 접촉 부재(ohmic contact)(163, 165)가 형성되어 있다. 반도체(154)와 저항성 접촉 부재(163, 165)의 측면은 경사져 있으며 경사각은 30-80°이다.
저항성 접촉 부재(163, 165) 및 게이트 절연막(140) 위에는 각각 전압(VDD)이 인가되는 소스 전극(source electrode)(173)과 광전류(Ioff)를 출력하는 드레인 전극(drain electrode)(175) 및 축전기(C1, C3)용 도전체(capacitor conductor)(177)가 형성되어 있다.
한 쌍의 소스 전극(173)과 드레인 전극(175)은 서로 분리되어 있으며 게이트 전극(124)에 대하여 서로 반대쪽에 위치한다. 게이트 전극(124), 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)은 반도체(154)와 함께 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 이루며, 박막 트랜지스터의 채널(channel)은 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이의 반도체(154)에 형성된다.
소스 전극(173), 드레인 전극(175) 및 유지 축전기용 도전체(177)도 게이트선(121)과 마찬가지로 그 측면이 약 30-80°의 각도로 각각 경사져 있다.
소스 전극(173), 드레인 전극(175) 및 유지 축전기용 도전체(177)와 노출된 반도체(154) 부분의 위에는 평탄화 특성이 우수하며 감광성(photosensitivity)을 가지는 유기 물질 또는 플라스마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 형성되는 a-Si:C:O, a-Si:O:F 등의 저유전율 절연 물질 등으로 이루어진 보호막(passivation layer)(180)이 형성되어 있다.
축전기(C1, C3)는 드레인 전극(175)으로부터 뻗어 나온 선과 축전기용 전극(133)이 중첩하여 형성된다. 축전기용 전극(133)에는 축전기용 전극선(131)을 통하여 접지 전압이 인가된다.
한편, 박막 트랜지스터 표시판(100)과 마주하는 대향 표시판(200)에는 투명한 유리등의 절연 물질로 이루어진 상부 기판(210) 아래에 광을 차단하는 차광막(220)이 형성되어 있다. 차광막(220)은 센서 트랜지스터(Q1)가 광에 노출되도록 도 12의 점선 부분과 같은 모양의 개구부를 가지고 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이와 같이, 외부 광에 따른 감지 전압과 광이 차단된 상태에서의 기준 전압을 생성하여 감지 전압과 기준 전압의 차전압을 센서 출력 전압으로 함으로써 센서의 감도 편차에 무관하며 외부 광량에 해당하는 안정된 광센서 값을 출력할 수 있다.
또한, 표시 장치는 이러한 광센서를 포함함으로써, 외부 광량에 해당하는 광센서의 출력 전압으로부터 조명부의 밝기를 보다 정밀하게 제어할 수 있으며, 영상 신호 보정용 감마값의 전환을 보다 정확하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광센서의 등가 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서의 등가 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시한 광센서의 처리부의 회로도의 한 예이다.
도 4a는 외부 광량에 따른 감지부의 센서 트랜지스터의 전압-전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4b 및 도 4c는 각각 초기 상태와 특성이 변화된 상태에서 외부 광에 따른 감지부의 출력 전압을 보여주는 도면이다.
도 5은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 8은 도 2에 도시한 광센서에 공급되는 리셋 신호 및 스위칭 신호의 파형도이다.
도 9a는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치용 전압 변환부의 회로도이다.
도 9b는 도 9a에 도시한 전압 변환부의 입출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 표시 장치용 전압 변환부의 블록도이다.
도 10b는 도 10a에 도시한 전압 변환부의 입출력 전압의 대응 관계를 도시한 표이다.
도 10c는 도 10a에 도시한 전압 변환부의 입출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 표시 장치용 전압 변환부의 회로도이다.
도 11b는 도 11a에 도시한 전압 변환부의 입출력 전압의 대응 관계를 도시한 그래프이다.
도 11c는 도 11a에 도시한 전압 변환부의 밝기 제어 전압의 히스테리시스 특성을 도시한 그래프이다.
도 12는 도 2에 도시한 광센서에서 두 센서 트랜지스터의 배치도이다.
도 13은 도 12에 도시한 센서 트랜지스터를 XIII-XIII' 선을 따라 절단한 단면도이다.

Claims (25)

  1. 외부 광을 받아 광량에 기초한 감지 전압을 생성하여 출력하는 감지부,
    상기 외부 광으로부터 차단되어 있으며, 기준 전압을 생성하여 출력하는 기준 전압 생성부, 그리고
    상기 감지부로부터의 상기 감지 전압과 상기 기준 전압 생성부로부터의 상기 기준 전압을 받아 상기 감지 전압과 상기 기준 전압의 차전압인 센서 출력 전압을 생성하여 출력하는 처리부
    를 포함하는 광센서.
  2. 제1항에서,
    상기 감지부는,
    상기 광량에 해당하는 제1 광전압을 생성하는 제1 수광부, 그리고
    상기 제1 광전압을 상기 감지 전압으로 변환하여 출력하는 제1 출력부
    를 포함하고,
    상기 기준 전압 생성부는,
    제2 광전압을 생성하는 제2 수광부, 그리고
    상기 제2 광전압을 상기 기준 전압으로 변환하여 출력하는 제2 출력부
    를 포함하는
    광센서.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 수광부는,
    상기 외부 광에 노출되어 있으며, 상기 광량에 해당하는 광전류를 생성하는 제1 센서 트랜지스터, 그리고
    상기 광전류에 따라 전하를 축적하여 상기 제1 광전압을 생성하는 제1 축전기
    를 포함하며,
    상기 제2 수광부는,
    기준 전류를 생성하는 제2 센서 트랜지스터, 그리고
    상기 기준 전류에 따라 전하를 축적하여 상기 제2 광전압을 생성하는 제2 축전기
    를 포함하는
    광센서.
  4. 제3항에서,
    상기 광센서는 상기 외부 광으로부터 상기 제2 센서 트랜지스터를 차단하는 차광막을 더 포함하는 광센서.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 센서 트랜지스터는 제1 전압이 인가되는 입력 단자, 상기 제1 센서 트랜지스터를 오프시키는 오프 전압이 인가되는 제어 단자, 상기 광전류를 출력하는 출력 단자, 그리고 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되어 있으며 상기 광전류를 생성하는 감광층을 가지고,
    상기 제2 센서 트랜지스터는 상기 제1 전압이 인가되는 입력 단자, 상기 오프 전압이 인가되는 제어 단자, 상기 기준 전류를 출력하는 출력 단자, 그리고 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되어 있으며 상기 기준 전류를 생성하는 감광층을 가지는
    광센서.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 센서 트랜지스터의 감광층과 상기 제2 센서 트랜지스터의 감광층은 비정질 규소로 이루어진 광센서.
  7. 제6항에서,
    상기 소재는 비정질 규소인 광센서.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 축전기의 일단은 상기 제1 센서 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단에는 제2 전압이 인가되어 있으며,
    상기 제2 축전기의 일단은 상기 제2 센서 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단에는 상기 제2 전압이 인가되어 있는
    광센서.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 출력부는 스위칭 신호에 따라 상기 제1 광전압을 선택적으로 출력하는 제1 스위칭 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제2 출력부는 상기 스위칭 신호에 따라 상기 제2 광전압을 선택적으로 출력하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는
    광센서.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 스위칭 트랜지스터는 상기 스위칭 신호가 인가되는 제어 단자, 상기 제1 광전압을 받는 입력 단자, 그리고 상기 스위칭 신호에 따라 상기 제1 광전압을 선택적으로 출력하는 출력 단자를 가지고,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터는 상기 스위칭 신호가 인가되는 제어 단자, 상기 제2 광전압을 받는 입력 단자, 그리고 상기 스위칭 신호에 따라 상기 제2 광전압을 선택적으로 출력하는 출력 단자를 가지는
    광센서.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 출력부는 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 출력 전압을 상기 감지 전압으로 변환하는 제3 축전기를 더 포함하고,
    상기 제2 출력부는 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 출력 전압을 상기 기준 전압으로 변환하는 제4 축전기를 더 포함하는
    광센서.
  12. 제11항에서,
    상기 제3 축전기의 일단은 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단은 접지되어 있으며,
    상기 제4 축전기의 일단은 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 출력 단자에 연결되어 있고, 타단은 접지되어 있는
    광센서.
  13. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    상기 감지부는 리셋 신호에 따라 상기 제1 광전압을 초기화하는 제1 리셋 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 기준 전압 생성부는 상기 리셋 신호에 따라 상기 제2 광전압을 초기화하는 제2 리셋 트랜지스터를 더 포함하는
    광센서.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 리셋 트랜지스터는 상기 리셋 신호가 인가되는 제어 단자, 접지되어 있는 입력 단자, 그리고 상기 리셋 신호에 따라 접지 전압을 출력하는 출력 단자를 가지고,
    상기 제2 리셋 트랜지스터는 상기 리셋 신호가 인가되는 제어 단자, 접지되어 있는 입력 단자, 그리고 상기 리셋 신호에 따라 접지 전압을 출력하는 출력 단자를 가지는
    광센서.
  15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    상기 처리부는,
    상기 감지 전압을 반전시키는 제1 연산 증폭기, 그리고
    상기 반전된 감지 전압과 상기 기준 전압을 더하여 반전시키는 제2 연산 증폭기
    를 포함하는
    광센서.
  16. 외부 광을 받아 광량에 대응하는 센서 출력 전압을 생성하는 광센서,
    상기 광센서로부터의 상기 센서 출력 전압을 제어 전압으로 변환하는 전압 변환부,
    복수의 화소를 포함하는 표시판, 그리고
    상기 제어 전압에 따라 상기 화소의 밝기를 조절하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 광센서는,
    상기 광량에 기초한 감지 전압을 생성하여 출력하는 감지부,
    상기 외부 광으로부터 차단되어 있으며, 기준 전압을 생성하여 출력하는 기준 전압 생성부, 그리고
    상기 감지부의 출력 전압과 상기 기준 전압의 차전압인 상기 센서 출력 전압을 생성하여 출력하는 처리부
    를 포함하는
    표시 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 감지부는,
    상기 광량에 해당하는 제1 광전압을 생성하는 제1 수광부, 그리고
    상기 제1 광전압을 상기 감지 전압으로 변환하여 출력하는 제1 출력부
    를 포함하고,
    상기 기준 전압 생성부는,
    제2 광전압을 생성하는 제2 수광부, 그리고
    상기 제2 광전압을 상기 기준 전압으로 변환하여 출력하는 제2 출력부
    를 포함하는
    표시 장치.
  18. 제17항에서,
    상기 제1 수광부는,
    상기 외부 광에 노출되어 있으며, 상기 광량에 해당하는 광전류를 생성하는 제1 센서 트랜지스터, 그리고
    상기 광전류에 따라 전하를 축적하여 상기 제1 광전압을 생성하는 제1 축전기
    를 포함하며,
    상기 제2 수광부는,
    기준 전류를 생성하는 제2 센서 트랜지스터, 그리고
    상기 기준 전류에 따라 전하를 축적하여 상기 제2 광전압을 생성하는 제2 축전기
    를 포함하는
    표시 장치.
  19. 제18항에서,
    상기 광센서는 상기 외부 광으로부터 상기 제2 센서 트랜지스터를 차단하는 차광막을 더 포함하는 표시 장치.
  20. 제19항에서,
    상기 제1 센서 트랜지스터는 상기 광전류를 생성하는 감광층을 가지고,
    상기 제2 센서 트랜지스터는 상기 기준 전류를 생성하는 감광층을 가지며,
    상기 제1 센서 트랜지스터의 감광층과 상기 제2 트랜지스터의 감광층은 비정질 규소로 이루어진
    표시 장치.
  21. 제20항에서,
    상기 제1 센서 트랜지스터와 상기 제2 센서 트랜지스터는 상기 표시판에 위치하며 인접하여 배치되어 있는 표시 장치.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 출력부는 상기 제어부로부터의 스위칭 신호에 따라 상기 제1 광전압을 선택적으로 출력하는 제1 스위칭 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제2 출력부는 상기 스위칭 신호에 따라 상기 제2 광전압을 선택적으로 출력하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는
    표시 장치.
  23. 제22항에서,
    상기 제1 출력부는 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 출력 전압을 상기 감지 전압으로 변환하는 제3 축전기를 더 포함하고,
    상기 제2 출력부는 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 출력 전압을 상기 기준 전압으로 변환하는 제4 축전기를 더 포함하는
    표시 장치.
  24. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에서,
    상기 감지부는 상기 제어부로부터의 리셋 신호에 따라 상기 제1 광전압을 초기화하는 제1 리셋 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 기준 전압 생성부는 상기 리셋 신호에 따라 상기 제2 광전압을 초기화하는 제2 리셋 트랜지스터를 더 포함하는
    표시 장치.
  25. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에서,
    상기 표시 장치는 액정 표시 장치, EL 및 PDP 중 어느 하나인 표시 장치.
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