KR20160056759A - 이미지 스캔이 가능한 플렉서블 디스플레이 장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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KR20160056759A
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이준석
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Abstract

일 실시예에 따르면, 이미지 스캔이 가능한 플렉서블 디스플레이 장치 및 이의 구동 방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 단위 화소 마다 배치되는 접촉 센서를 포함하는 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치로서, 상기 접촉 센서는, 접촉 수단과의 접촉에 의해 접촉 용량을 형성하는 화소 전극; 드레인 전극이 상기 접촉 용량이 형성되는 노드와 연결되며, 게이트 전극 및 소스 전극이 각각 선택 신호가 인가되는 제1 스캔 라인과 연결되는 센싱 트랜지스터; 게이트 전극이 상기 센싱 트랜지스터의 드레인 전극과 연결되며, 소스 전극이 전원 입력단과 연결되는 증폭 트랜지스터; 및 드레인 전극이 상기 증폭 트랜지스터의 드레인 전극과 연결되며, 게이트 전극이 선택 신호가 인가되는 제2 스캔 라인과 연결되고, 소스 전극이 상기 접촉 용량에 상응하는 전류를 검출하는 리드아웃 라인과 연결되는 검출 트랜지스터를 포함하는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치가 제공된다.

Description

이미지 스캔이 가능한 플렉서블 디스플레이 장치 및 이의 구동 방법{FLEXIBLE DISPLAY APPARATUS ABLE TO IMAGE SCAN AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 이미지 스캔이 가능한 플렉서블 디스플레이 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전하 공유 방식을 대신하고 개구율을 향상시키는 이미지 스캔이 가능한 플렉서블 표시 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 화면에 표시된 문자나 도형을 사람의 손가락이나 다른 접촉수단으로 접촉하여 사용자의 명령을 입력하는 장치로서, 영상 표시 장치 위에 부착되어 사용된다. 터치 스크린 패널은 사람의 손가락 등으로 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다. 상기 전기적 신호는 입력 신호로서 이용된다.
터치 스크린 패널에서의 터치 검출 방식은 저항막 방식, 광학 방식, 정전용량 방식, 초음파 방식 등 여러가지가 있으나, 이 중 정전용량 방식은 표시 장치의 화면에 터치 발생 수단이 접촉할 때 변화하는 정전용량을 이용하여 터치 발생 여부를 검출한다. 정전용량 방식의 터치 스크린 패널은 사람의 손가락, 전도성 터치펜 등의 접촉을 탐지할 수 있다.
한편, 최근 보안관련 문제가 대두되면서 스마트폰, 태블릿 PC 등 개인휴대기기에 대한 보안이 화두가 되고 있다. 사용자들의 휴대기기 사용빈도가 증가하면서 휴대기기를 통한 전자상거래 등에 있어서의 보안이 요구되고, 이러한 요구에 따라 지문, 홍채, 안면, 음성, 혈관 등의 생체 정보를 이용하고 있다.
다양한 생채 정보 인증 기술 중 가장 보편적으로 사용되고 있는 기술은 지문을 통한 인증 기술이다. 최근에는, 스마트폰 및 태블릿 PC 등에 지문 인식 및 이를 통한 인증 기술이 적용된 제품이 출시되었다.
그러나, 지문 인식을 위한 센서들이 휴대 기기에 접목되기 위해서는 영상 표시 장치 외에 지문 인식을 위한 장치를 함께 장착시켜야 하는데, 이에 따라 휴대 기기의 부피가 늘어나는 등의 문제점이 있었다.
또한, 최근 들어 플렉서블(Flexible)한 영상표시장치가 개발되고 있는 추세이며, 이 경우 상기 플렉서블 영상표시장치에 적용되는 터치 스크린 패널 역시 플렉서블한 특성이 요구된다.
따라서, 휴대 기기에 별도 지문 인식 센서를 위한 공간을 없앨 수 있으면서도, 디스플레이 영역을 방해하지 않도록 함과 동시에 플렉서블 특성을 부여할 수 있는 기술에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 센서 내에서 검출 되는 신호의 크기를 전하 공유 방식을 사용한 회로에 비하여 급격히 증가시키는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 접촉 센서를 디스플레이 단위 화소 내에 들어가도록 설계하여 표시 화면 상에 접촉되는 이미지가 표시 장치의 적어도 일부에서 스캔가능한 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단위 화소 마다 배치되는 접촉 센서를 포함하는 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치로서, 상기 접촉 센서는, 접촉 수단과의 접촉에 의해 접촉 용량을 형성하는 화소 전극; 드레인 전극이 상기 접촉 용량이 형성되는 노드와 연결되며, 게이트 전극 및 소스 전극이 각각 선택 신호가 인가되는 제1 스캔 라인과 연결되는 센싱 트랜지스터; 게이트 전극이 상기 센싱 트랜지스터의 드레인 전극과 연결되며, 소스 전극이 전원 입력단과 연결되는 증폭 트랜지스터; 및 드레인 전극이 상기 증폭 트랜지스터의 드레인 전극과 연결되며, 게이트 전극이 선택 신호가 인가되는 제2 스캔 라인과 연결되고, 소스 전극이 상기 접촉 용량에 상응하는 전류를 검출하는 리드아웃 라인과 연결되는 검출 트랜지스터를 포함하는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치가 제공된다.
상기 센싱 트랜지스터, 상기 증폭 트랜지스터 및 상기 검출 트랜지스터는 컬러 필터층의 단위 컬러 화소를 덮지 않도록 배치되고, 상기 화소 전극은 상기 단위 컬러 화소의 적어도 일부를 덮도록 배치될 수 있다.
상기 센싱 트랜지스터는, 상기 제1 스캔 라인으로부터의 선택 신호에 의해 턴 온 되며, 소스 전극으로 인가되는 전원 입력단으로부터의 신호를 드레인 전극으로 전달시킬 수 있다.
상기 증폭 트랜지스터는, 상기 접촉 용량에 충전된 전압에 따라 변화되는 전류를 생성하여 상기 검출 트랜지스터에 전달할 수 있다.
상기 검출 트랜지스터는, 상기 제2 스캔 라인으로부터의 선택 신호에 의해 턴 온 되며, 상기 증폭 트랜지스터에 의해 생성되는 전류를 상기 리드아웃 라인에 전달할 수 있다.
상기 센서 내에서, 상기 제2 스캔 라인으로 인가되는 선택 신호는, 상기 제1 스캔 라인에 선택 신호가 인가되고 나서 인가될 수 있다.
상기 센서 내에서, 상기 센싱 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 검출 트랜지스터는 투명 박막 트랜지스터로 구성되어 컬러 필터층의 단위 컬러 화소 위의 적어도 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
상기 이미지 스캔 가능한 표시 장치는, 상기 제1 및 제2 스캔 라인에 선택 신호가 공급된 후 검출되는 상기 리드아웃 라인의 전류를 기초로 상기 접촉 센서 상부에 대한 접촉 여부, 접촉 상태를 판단할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 단위 화소 마다 배치되는 접촉 센서로 이루어진 센서 어레이층 및 단위 컬러 화소로 이루어진 컬러 필터층을 포함하는 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치로서, 상기 접촉 센서는, 접촉 수단과의 접촉에 의해 접촉 용량을 형성하고, 상기 단위 컬러 화소를 덮도록 배치되는 투명 화소 전극; 제1 스캔 라인으로부터 선택 신호를 인가 받아, 입력 전원 신호를 상기 접촉 용량에 전달하는 센싱 트랜지스터; 상기 접촉 용량에 충전된 전압에 따라 변화하는 전류를 생성하는 증폭 트랜지스터; 및 제2 스캔 라인으로부터 선택 신호를 인가 받아, 상기 전류를 검출하여 리드아웃 라인으로 전달하는 검출 트랜지스터를 포함하고, 상기 센싱 트랜지스터, 상기 증폭 트랜지스터 및 상기 검출 트랜지스터는 상기 단위 컬러 화소를 덮지 않도록 배치되는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치가 제공된다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 선택 신호를 받아 턴 온 되는 센싱 트랜지스터를 통해, 화소 전극과 접촉 수단과의 사이에서 형성되는 접촉 용량을 충전시키는 단계; 증폭 트랜지스터를 통해 상기 접촉 용량에 충전된 전압에 따라 변화하는 전류를 발생시키는 단계; 및 제2 선택 신호를 받아 턴 온 되는 검출 트랜지스터를 통해 상기 발생된 전류를 검출하여, 접촉 센서 상부에 대한 접촉 여부 및 접촉 상태를 판단하는 단계를 포함하는, 표시 장치의 구동 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 트랜지스터 및 주변 회로 구성에 포함되는 기생 정전용량에 의한 커플링 현상을 이용하여, 검출되는 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 투명 전극을 이용하여 센서를 구성함으로써, 디스플레이 장치의 가시성이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 접촉 센서를 디스플레이 단위 화소 사이즈로 설계하여, 표시 화면에 접촉되는 이미지가 디스플레이 장치 상에서 센싱될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기의 모습을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 기능을 갖는 표시 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 기능을 구현하는 센서 어레이 층의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 센서 어레이 상에 배치되는 접촉 센서에 대한 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치에 적용이 가능한 정전용량식 접촉 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량식 접촉 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서, “접촉 인식”이란 표면에 대해 접촉되는 물체(object)에 대해 인식하는 기능을 의미하며, 사람의 손가락에 대한 지문 또는 터치 인식 및 이와는 다른 터치 발생 수단에 의한 터치 인식을 모두 포괄하는 의미로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기의 모습을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 기기(10)는 표시 장치(DP)를 포함한다.
전자 기기(10)는 유무선 통신 기능 또는 이와는 다른 기능을 포함하는 디지털 기기일 수 있다. 예를 들면, 이동 전화기, 네비게이션, 웹 패드, PDA, 워크스테이션, 개인용 컴퓨터(예를 들어, 노트북 컴퓨터 등) 등과 같이 메모리 수단을 구비하고 마이크로 프로세서를 탑재하여 연산 능력을 갖춘 디지털 기기로서, 바람직하게는 스마트폰을 예로서 상정하여 설명할 것이지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
표시 장치(DP)는 전자 기기(10)의 일면에 형성되며, 바람직하게는 도 1에 도시되는 바와 같이 전자 기기(10)의 전면에 형성되어 입력 장치로서의 기능 또한 동시에 수행하는 터치 스크린 패널로서 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 표시 장치(DP)는 터치 발생 수단(예를 들면, 손가락 등)의 접촉 여부 및 접촉 위치 파악뿐만 아니라, 손가락의 지문에 대한 인식 기능을 함께 수행한다.
구체적으로, 제1 애플리케이션 구동 시에는 표시 장치(DP)가 특정 기능 구동 등을 위한 터치 스크린으로서 기능할 수 있으며, 제2 애플리케이션 구동 시에는 표시 장치(DP)를 통해 표시되는 지문 입력 창(FP)의 영역 또는 표시 장치(DP) 전 영역에서 지문 인식 기능이 구현될 수 있다.
후술할 바와 같이, 터치 발생 수단에 의한 터치 또는 손가락 지문의 융선(ridge)과 골(valley)의 접촉은 복수개의 행과 열을 이루는 센서들에 의해 이루어지는데, 손가락 지문 인식을 위해서는 융선과 골의 접촉을 구분할 수 있어야 한다. 따라서, 표시 장치(DP)에 포함되는 센서들의 수와 관계되는 접촉 감지의 해상도는 손가락 지문의 융선과 골의 접촉을 구분할 수 있을 정도로 형성되어야만 할 것이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 기능을 갖는 표시 장치의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2a 내지 도 2d는 액정 표시 장치(LCD: Liquid Crystal Display)에 이미지 센싱 기능이 통합된 구성을 예로서 시한다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 액정 표시 장치는 순차적으로 적층되는 제1 기판(210), 박막 트랜지스터 층(220), 액정층(230), 컬러 필터층(240), 제2 기판(250) 및 커버 윈도우(260)로 구성된다.
액정 표시 장치는 제1 기판(210)의 하부에 위치하는 백라이트유닛(BLU: Back Light Unit)으로부터 조사되는 광이 액정층(230)을 투과한 후, 화소 단위로 색을 추출하여 컬러를 구현하는 컬러 필터층(240)을 통과하면서 원하는 색과 영상이 구현되는 원리로 동작한다. 박막 트랜지스터 층(220)은 전기적 신호를 전달 또는 제어하는 기능을 하며, 액정층(230)에 존재하는 액정은 인가된 전기적 신호에 따라 분자 구조를 달리하여 빛의 투과를 제어한다.
본 발명의 실시예에 따라 터치 발생 수단의 접촉 감지 또는 지문 인식 기능, 즉, 이미지 센싱 기능을 수행하는 센서 어레이 층(300)은 액정 표시 장치의 일부 영역에 배치될 수 있다.
먼저, 도 2a에 도시되는 바와 같이, 일 실시예에 따른 센서 어레이 층(300)은 컬러 필터층(240)에 근접하게 배치될 수 있다. 이 경우, 센서 어레이 층(300)은 컬러 필터층(240)의 하부 영역 또는 컬러 필터층(240)과 제2 기판(250) 사이의 영역에 배치될 수 있다.
다음으로, 도 2b에 도시되는 바와 같이, 일 실시예에 따른 센서 어레이 층(300)은 제2 기판(250)과 커버 윈도우(260) 사이에 배치될 수 있으며, 도 2c에 도시되는 바와 같이, 표시 장치 보호를 위한 커버 윈도우(260) 상부에 배치될 수도 있다.
도 2c에 도시되는 바와 같이, 센서 어레이 층(300)이 커버 윈도우(260) 상부에 배치된다면, 센서 어레이 층(300)을 보호하기 위한 별도의 보호층(270)이 그 상부에 더 형성되어야 할 것이다.
한편, 도 2d에 도시되는 바와 같이, 일 실시예에 따른 센서 어레이 층(300)은 표시 장치의 구동을 위한 회로들이 구현되어 있는 박막 트랜지스터 층(220)과 동일한 층에 형성될 수도 있다.
이상에서는 표시 장치가 액정 표시 장치로서 구현되는 예를 상정하여 설명하였으나, 유기 발광 다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diode) 표시 장치 또는 전기영동 디스플레이(EPD: Electro Phoretic Display) 등의 다른 종류의 표시 장치로서 구현될 수도 있음은 물론이다.
유기 발광 다이오드 표시 장치는 양 면에 전극층이 형성된 유기 발광 다이오드 소자가 기판 상에 배치되는 구조로 형성되는데, 이 경우 본 발명의 일 실시예에 따라 이미지 센싱 기능을 하는 센서 어레이 층(300)은 기판 상부, 또는 유기 발광 다이오드 소자의 상부 등에 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 3에는 컬러 필터층(240)과 센서 어레이 층(300)이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 센서 어레이 층(300)은 컬러 필터층(240)을 기준으로 상대적으로 상부에 형성될 수도 있고 그 하부에 형성될 수도 있다.
일 실시예에 따라 복수의 접촉 센서들을 포함한 센서 어레이는 디스플레이 전면에 형성될 수도 있고, 다른 실시예에 따라 디스플레이 일부 영역에 형성될 수도 있다. 디스플레이 일부 영역에 형성될 경우 접촉 센서가 없는 영역은 패시베이션(미도시)을 통해 접촉 센서가 있는 영역과 단차가 발생하지 않게 구성할 수 있다.
센서 어레이 층(300)에는 다수의 접촉 센서(SN)들이 구비된다. 접촉 센서(SN)는 복수개의 트랜지스터를 포함하는 정전 용량 방식의 센서로 구현될 수 있다.
컬러 필터층(240)은 적색 영상을 표시하는 적색 화소(R), 녹색 영상을 표시하는 녹색 화소(G), 및 청색 영상을 표시하는 청색 화소(B)를 포함하여 구성될 수 있다. 하나씩의 적색 화소(R), 녹색 화소(G), 청색 회소(B)가 하나의 단위 화소를 이루며, 이 단위 화소들은 복수개의 행과 열로 이루어진 매트릭스 형태로 형성되는 것으로 설명될 수 있다. 이에 따르면, 하나의 단위 화소 당 하나씩의 접촉 센서(SN)가 구비될 수 있다.
일 실시예에 따르면 접촉 센서(SN)는 센서 어레이(300) 층에 형성되며, 상면(Top view)에서 볼 때 접촉 센서(SN)의 센싱 회로(예를 들면 트랜지스터 및 배선들)은 컬러 필터층(240)의 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)를 덮지 않는(non-overlap) 영역에 배치되고, 접촉 센서(SN)의 화소 전극은 ITO 등의 투명 전극 물질로서 컬러 화소(R,G 또는 B)의 적어도 일부를 덮는 영역 또는 컬러 화소를 덮지 않는 영역의 일부에 배치될 수 있다. 도 3에서는 단위 화소의 하부에 접촉 센서(SN)가 구비되는 것으로 예시하였으나, 접촉 센서(SN)의 상부, 측면부 등에 구비될 수도 있다. 또한, 적색 화소(R), 녹색 화소(G), 청색 화소(B) 중 하나의 크기를 상대적으로 작게 만들어 해당 위치에 접촉 센서(SN)의 센싱 회로를 위치시킬 수도 있다.
다른 실시예에 따르면 접촉 센서(SN)는 트랜지스터 및 배선을 위한 투명 전극 물질을 이용할 경우 센서 어레이(300) 층에서, 화소 전극 뿐 아니라 센싱 회로까지 컬러 필터층(240)의 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)를 덮도록(overlap) 형성하여도 무방할 것이다. 이에 따르면, 접촉 센서(SN)가 단위 화소를 덮도록 형성할 수 있기 때문에, 단위 화소 당 2개 이상의 접촉 센서(SN)가 배치되어 이미지 센싱의 해상도를 증가시킬 수도 있으며, 단위 접촉 센서(SN)의 크기를 크게 형성함으로써 이미지 센싱의 감도를 향상시킬 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 기능을 구현하는 센서 어레이 층(300)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 센서 어레이 층(300)은 복수개의 스캔 라인(SL1, SL2, …, SLn) 및 복수개의 리드아웃 라인(RL1, RL2, …, RLl)을 포함한다. 복수개의 스캔 라인(SL1, SL2, …, SLn)에는 순차적으로 스캔 신호가 공급되며, 복수개의 리드아웃 라인(RL1, RL2, …, RLl)은 접촉 센서(SN)로부터 출력되는 신호들을 수신하여 이를 처리하는 리드아웃 회로(미도시됨)로 전달한다.
일 실시예에 따르면, 복수개의 스캔라인에 공급되는 스캔 신호는 센서 어레이 층(300)에 구비되는 스캔 드라이버로부터 공급되는 것일 수 있다.
스캔 라인(SL1, SL2, …, SLn)과 리드아웃 라인(RL1, RL2, …, RLl)은 상호 교차되도록 배치되는데, 그 교차점마다 적어도 하나의 접촉 센서(SN)가 형성될 수 있다.
도 5는 센서 어레이(300) 상에 배치되는 접촉 센서(SN)에 대한 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 접촉 센서(SN)는 화소 전극(미도시), 스위칭 트랜지스터(T1), 센싱 트랜지스터(T2)를 포함할 수 있으며, 화소 전극에 접촉 수단이 접촉하면 접촉 용량(C1)이 형성될 수 있다.
도 5의 (a)에서의 스위칭 트랜지스터(T1)의 게이트 전극 및 드레인 전극은 제1 스캔 라인(SL1)과 연결되고, 소스 전극은 접촉 용량(C1)이 형성되는 노드와 연결된다. 한편, 센싱 트랜지스터(T2)의 드레인 전극은 리드아웃 라인(RL)에 연결되고, 소스 전극은 스위칭 트랜지스터(T1)의 소스 전극과 연결되며, 게이트 전극은 제2 스캔 라인(SL2)와 연결된다.
도 5의 (b)를 도 5의 (a)와 비교하여 살펴보면, 스위칭 트랜지스터(T1)의 드레인 전극이 제1 스캔 라인 대신 데이터 라인(DL)에 연결되는 차이가 존재한다.
제1 스캔 라인(SL1)의 선택 신호가 스위칭 트랜지스터(T1)의 게이트 전극에 공급되면, 스위칭 트랜지스터(T1)가 턴 온 되어 접촉 용량(C1)을 충전되게 한다. 제2 스캔 라인(SL2)에 선택 신호가 인가되면 이에 따라 센싱 트랜지스터(T2)가 턴 온되어 접촉 용량(C1)에 충전된 전하가, 접촉 용량(C1)과 리드아웃 라인(RL)의 기생용량에 의해 공유될 수 있다.
상세하게는, 접촉 수단이 접촉 센서(SN)에 가까이 접근하게 되면, 접촉 수단과 접촉 센서(SN)간에는 큰 접촉 용량(C1)이 형성되게 되고, 접촉수단이 접촉 센서(SN)와 멀어지게 되면 접촉 용량(C1)의 크기는 감소하게 된다.
이후, 리드아웃 라인(RL)의 신호 전압이 별도의 IC 칩으로 전달되어, 전달된 신호 전압을 통해, 해당 화소에 대한 화면 접촉 여부 및 접촉 면적 등이 판단될 수 있다. 환언하면, 리드아웃 라인(RL)은 접촉 센서(SN)에 충전된 전하량에 상응하는 신호를 전압으로 센싱하게 되는데, 이렇게 센싱되는 전압의 크기를 통해 접촉 여부 및 접촉 상태를 판단할 수 있다
도 5에 도시된 방식에서는 접촉 용량(C1)에 저장된 전하가 센싱 트랜지스터(T2)를 통해 리드아웃 라인(RL)으로 전달되는데, 접촉 센서(SN) 내에서는 접촉 용량(C1), 센싱 트랜지스터(T2) 및 리드아웃 라인(RL) 주변의 회로 구성 또는 다른 구성요소와의 관계에 의해 기생 정전용량이 존재할 수 밖에 없게 된다. 따라서, 접촉 센서(SN)는 접촉 용량(C1)과 리드아웃 라인(RL)의 기생용량 간의 전하 공유를 통해 전압을 센싱하므로, 리드아웃 라인(RL)의 기생용량이 접촉 용량(C1)보다 상대적으로 커서 센싱되는 전압이 매우 작아지는 단점이 존재한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치에 적용이 가능한 정전용량식 접촉 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 센서(SN)는 도 2를 참조하여 설명한 센서 어레이(300) 상에 형성된 단위 화소의 적어도 일부에 구비된다.
각각의 접촉 센서(SN)는 화소 전극 및 3개의 트랜지스터를 포함하여 구성될 수 있으며, 3개의 트랜지스터는 각각 센싱 트랜지스터(T1), 증폭 트랜지스터(T2), 검출 트랜지스터(T3)로 구성될 수 있다. 각각의 트랜지스터(T1~T3)는 비정질 실리콘(Hydrogenated Amorphous Silicon, a-Si:H), 다결정 실리콘(Poly Silicon, Poly-Si), 산화물 트랜지스터 등의 실리콘 계열 트랜지스터로 구현될 수 있다.
각각의 트랜지스터(T1~T3)는 투명 박막 트랜지스터(Transparent Thin Film Transistor: TTFT)로 구성될 수 있다. 투명 박막 트랜지스터는 가시광선 영역의 파장을 통과시키는 것이 특징을 가지고 있으며, 이에 따라 디스플레이 장치와 결합시 가시성을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각각의 트랜지스터(T1~T3)는 컬러 필터층(240)의 단위 컬러 화소를 덮지 않도록 배치되며, 화소 전극은 단위 컬러 화소의 적어도 일부를 덮도록 배치 될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 각각의 트랜지스터(T1~T3)가 투명 박막 트랜지스터로 구현되는 경우, 상기 트랜지스터들은 컬러 화소 위를 덮도록 형성될 수도 있다.
센싱 트랜지스터(T1)의 게이트 전극은 스캔 라인(SLn)에 연결되고, 소스 전극은 전원 입력단(Vdd)에 연결되며, 드레인 전극은 증폭 트랜지스터(T2)의 게이트 전극과 연결될 수 있다.
증폭 트랜지스터(T2)는 접촉 용량(C1)에 걸리는 전압(V1)을 게이트 전극으로 입력받아, 전압의 변화량만큼을 전류 신호로 센싱 트랜지스터(T3)에 전달하는 증폭기 역할을 수행한다.
증폭 트랜지스터(T2)의 게이트 전극은 센싱 트랜지스터(T1)의 드레인 전극과 함께 접촉 수단과 화소 전극의 접촉에 의해 생성되는 접촉 용량(C1)과 연결되며, 소스 전극은 전원 입력단(Vdd)과 연결되고, 드레인 전극은 센싱 트랜지스터(T3)의 드레인 전극과 연결될 수 있다.
센싱 트랜지스터(T3)는 증폭 트랜지스터(T2)에서 흐르는 전류를 선택적으로 리드아웃 라인(RL)으로 넘겨주는 역할을 수행한다. 센싱 트랜지스터(T3)는 게이트 전극에 인가되는 스캔 라인(SLn+1)로부터 인가되는 선택 신호에 의해 증폭 트랜지스터(T2)에서 흐르는 전류를 리드아웃 라인(RL)으로 넘겨주는 동작을 수행한다.
센싱 트랜지스터(T3)의 게이트 전극은 스캔 라인(SLn+1)과 연결되며, 드레인 전극은 증폭 트랜지스터(T2)의 드레인 전극과 연결되고, 소스 전극은 리드아웃 라인(RL)과 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 접촉 센서(SN)에 포함되는 화소 전극들의 중심부에 개구부가 형성되고, 각각의 트랜지스터(T1~T3)들은 전극 테두리에 배치될 수 있다. 상세하게는, 접촉 수단으로 인해 접촉 용량(C1)을 생성하기 위한 투명 소재의 화소 전극이 단위 화소의 중심부에 배치되도록 설계되며, 각각의 트랜지스터(T1~T3)는 화소 전극이 생성되는 위치의 주변부에 배치될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량식 접촉 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 도 6에서 개시된 접촉 센서(SN)의 구성에서, 센싱 트랜지스터(T1)의 연결상태만이 상이하게 변경될 수 있다. 상세하게는, 센싱 트랜지스터(T1)의 소스 전극이 전원 입력단(Vdd)이 아닌, 게이트 전극과 연결될 수 있으며, 이에 따라 게이트 전극에 스캔 라인(SLn)으로부터 선택 신호가 인가될 때 소스 전극에도 같은 선택 신호가 인가되어, 접촉 센서(SN)가 구동함에 있어 별도의 전원 입력단을 필요로 하지 않을 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 7에서 개시된 접촉 센서(SN)의 구성에서 센싱 트랜지스터(T1)의 연결상태가 상이하게 변경될 수 있다. 도 7의 회로에서는 센싱 트랜지스터(T1)의 소스 전극과 게이트 전극이 함께 묶여 스캔 라인(SLn)과 연결되었지만, 도 8의 회로에서와 같이 센싱 트랜지스터(T1)의 소스 전극과 게이트 전극은 함께 묶여 전원 입력단(Vdd)에 연결될 수 있다.
상기와 같이 접촉 센서(SN)의 회로를 구성함으로써, 각각의 접촉 센서(SN)를 구동하는데에 필요한 스캔 라인(SLn)의 수를 감소시킬 수 있다. 전체적으로 보면, 스캔 라인(SLn)의 수는 하나만 감소되지만, 각각의 접촉 센서(SN)가 구동되는데 필요한 스캔 라인이 두 개에서 하나로 감소되므로, 스캔 드라이버의 동작이 간소화될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명에서 개시되는 접촉 센서(SN)의 회로 구성에 있어, 전원 입력단(Vdd)이 제거되고 스캔 라인(SLn)만으로 접촉 센서(SN)의 구동이 수행될 수 있다.
상세하게는, 증폭 트랜지스터(T2)의 소스 전극이 전원 입력단(Vdd) 대신 스캔 라인(SLn)으로부터 전압 입력을 받아 동작하게 되고, 이를 위해서는 스캔 드라이버가 증폭 트랜지스터(T2)의 동작 타이밍에 신호가 전달하도록 구동될 수 있다.
이와 같이, 전원 입력단(Vdd)을 제거함으로써, 접촉 센서(SN)의 회로 구성을 보다 간소화할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 센서(SN)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 센서(SN)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 10에서 SLn과 SLn+1은 각각 해당하는 스캔 라인(SLn, SLn+1)에 공급되는 신호를 나태는 것으로, 하이(high) 구간 동안 선택 신호가 스캔 라인(SLn, SLn+1)에 공급되는 것으로 이해되어야 한다. 선택 신호의 인가에 의해 특정 접촉 센서(SN)가 선택되며, N번째 스캔 라인에 선택 신호가 인가될 때 N-1번째 스캔 라인에 연결된 다른 접촉 센서(SN)로부터의 신호가 출력된다. 이하에서는 'SL'을 스캔 라인 신호로 칭하기로 한다. 또한, RL Reset은 리드아웃 라인(RL)을 리셋시키기 위한 신호로서, 하이(high) 구간에 리셋 신호가 공급되어, 리드아웃 라인(RL)이 리셋된다.
한편 V1은 센싱 트랜지스터(T1)의 드레인 전극의 전위, 즉 접촉 용량(C1)에 충전되는 전하에 의한 전위를 나타내며, RL은 검출 트랜지스터(T3)의 소스 전극과 연결되는 리드아웃 라인(RL)에서 검출되는 전류량을 나타내는 것이다.
V1과 RL의 타이밍도에 있어서, 접촉 센서(SN)의 화소 전극 상에 융선이 닿았는지 또는 골이 닿았는지 여부에 따라 접촉 용량(C1)에 충전되는 전하량에 따른 전위(V1)와, 리드아웃 라인(RL)의 전류가 달라지게 된다.
먼저, 어떠한 접촉 수단도 접촉 센서(SN)에 접촉되지 않는 경우에 대해 설명한다. 접촉 수단이 존재하지 않기 때문에, 화소 전극과 접촉 수단 사이에서 형성되는 접촉 용량(C1)이 존재하지 않게 된다.
센싱 트랜지스터(T1)의 게이트 전극과 연결되어 있는 스캔 라인 신호(SLn)가 하이 레벨로 전환되면(S2 구간), 센싱 트랜지스터(T1)가 턴 온 되며, 센싱 트랜지스터(T1)의 소스 전극과 연결되어 있는 전원 입력단(Vdd)을 통해 입력되는 전압을 통해 센싱 트랜지스터(T1)의 드레인 전극 전압(V1)이 상승하게 된다.
증폭 트랜지스터(T2)의 소스 전극 역시, 전원 입력단(Vdd)과 연결되어 입력 전압을 전달받게 된다. 이때, 증폭 트랜지스터(T2)의 게이트 전압(V1)과 소스 전극의 관계가 증폭 트랜지스터(T2)의 문턱 전압을 넘어서지 못하게 설계가 되어 있으므로, 증폭 트랜지스터(T2)의 드레인 전극에서 검출 트랜지스터(T3)로 넘어가는 전류가 존재하지 않아, 리드아웃 라인(RL)에서도 전류가 검출되지 않는다(S2 구간).
다음으로, 손가락이 접촉 센서(SN)에 접촉되는 경우에 대해 설명한다. 손가락 지문의 골(valley)이 접촉 센서(SN)에 접촉되는 경우와, 융선(ridge)이 접촉되는 경우를 나누어 설명하면 다음과 같다. 손가락의 골 또는 융선이 접촉 센서(SN)에 접촉됨에 따라, 접촉 수단과 접촉 센서(SN) 내 화소 전극간에는 접촉 용량(C1)이 형성되게 되는데, 화소 전극에 골이 접촉되는 경우와 융선이 접촉되는 경우에 각각 상이한 크기의 접촉 용량(C1)이 형성되게 된다.
센싱 트랜지스터(T1)의 게이트 전극과 연결되어 있는 스캔 라인(SLn)에 S2 구간에서 선택 신호가 인가됨에 따라, 센싱 트랜지스터(T1)이 턴 온되어 전원 입력단(Vdd)으로부터의 신호가 센싱 트랜지스터(T1)의 드레인 전극을 통해 전달되며, 이에 따라 접촉 용량(C1)이 충전되게 된다.
접촉 용량(C1)이 형성되는 크기에 따라, 접촉 용량(C1)에 충전되는 전압(V1)의 크기가 상이하게 된다. 즉, 화소 전극과 지문의 골 또는 융선 과의 간격에 기초하여 지문의 골(valley)과 접촉 센서(SN)가 접촉되었을 경우가, 지문의 융선(ridge)과 접촉 센서(SN)가 접촉된 경우보다 형성되는 접촉 용량(C1)의 크기가 작다.
손가락 지문의 골이 화소 전극에 접촉하는 경우를 먼저 설명하면, 제1 스캔 라인(SLn)에 하이 신호가 인가될 때(S2), 센싱 트랜지스터(T1)의 소스 전극에서 드레인 전극으로 흐르는 전류에 의해 접촉 용량(C1)의 전위(V1)가 상승하게 된다. 이후, 제2 스캔 라인(SLn+1)에 하이 신호가 인가되면(S4), 검출 트랜지스터(T3)가 턴 온이 됨에 따라 증폭 트랜지스터(T2)의 소스 전극의 전위가 0으로 낮아지면서, 증폭 트랜지스터(T2)의 게이트와 소스간에 형성되는 기생용량에 의한 커플링으로 인하여 접촉 용량(C1)의 전위(V1)가 감소하게 된다. 또한, 제2 스캔 라인(SLn+1)에 하이 신호가 검출 트랜지스터(T3)의 게이트 전극에 인가됨에 따라(S4) 검출 트랜지스터(T3)가 턴 온 되어, 증폭 트랜지스터(T2)의 드레인 전극으로부터 흐르는 전류가 검출 트랜지스터(T3)의 드레인 전극을 통해 소스 전극으로 흘러, 리드아웃 라인(RL)에 최종적으로 전류가 흐르게 된다. 이 경우, 접촉 용량(C1)의 전위(V1_Valley)가 낮은 상태이므로, 리드아웃 라인(RL)에 흐르는 전류(RL_Valley)는 융선이 접촉한 경우(RL_Ridge)보다 작을 수 있다.
손가락 지문의 융선이 접촉 센서(SN)내 화소 전극에 접촉하는 경우를 설명하면, 제1 스캔 라인(SLn)에 하이 신호가 인가될 때(S2), 접촉 용량(C1)의 전위(V1)가 상승하게 되고, 접촉 용량(C1)의 크기가 골이 접촉하였을 경우보다 상대적으로 크게 형성되므로, 증폭 트랜지스터(T2)의 게이트와 소스간 기생용량에 의한 커플링이 일어나지 않게 된다. 따라서, 이 경우에 접촉 용량(C1)의 전위(V1)가 일정하게 유지될 수 있다. 이후, 제2 스캔 라인(SLn+1)에 하이 신호가 인가되면(S4), 검출 트랜지스터(T3)가 턴 온되어, 증폭 트랜지스터(T2)의 드레인 전극으로부터 흐르는 전류가 검출 트랜지스터(T3)의 소스 전극을 통해 드레인 전극으로 흘러, 리드아웃 라인(RL_Ridge)에서 검출되게 되지만, 증폭 트랜지스터(T2)의 게이트 전극 전위인 V1이 일정하게 유지되기 때문에(V1_Ridge), 골이 접촉하였을 경우보다 많은 량의 전류(RL_Ridge)가 흐르게 된다.
이후, 리드아웃 라인(RL)에 의해 검출된 전류 크기의 변화 패턴을 통해, 손가락 지문의 융선과 골 중에 어느 부분이 접촉하였는지를 알 수 있고, 변화 패턴이 발생하는 각 접촉 센서의 개수에 기초하여 접촉 면적 등이 판단될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 스캔 라인에 신호가 인가될 때 센싱 트랜지스터(T1)에 의해 회로의 리셋이 수행되므로, 별도의 리셋 라인이 필요없는 장점이 존재하게 된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 스캔 라인 외의 별도의 배선이 필요 없어 회로가 간단히 구성될 수 있다. 또한, 검출 트랜지스터(T3)의 게이트 전극과 연결된 스캔 라인에 선택 신호가 인가되는 경우, 해당하는 스캔 라인에는 다른 접촉 센서(SN)의 센싱 트랜지스터(T1)의 게이트 전극 또한 연결되어 있으므로, 하나의 스캔 라인이 하나의 접촉 센서(SN)에 포함된 리드아웃 라인(RL)에서의 신호 검출과, 다른 접촉 센서(SN)에 포함된 센싱 트랜지스터(T1)의 동작을 동시에 제어할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 접촉 용량(C1)에 충전되는 전위(V1)의 변화에 따라 증폭 트랜지스터(T2)가 동작하게 되어, 전하 공유 회로에서 검출되는 신호가 작아지는 단점을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 투명 박막 트랜지스터와 투명 전극들이 이용되고, 단위 화소의 중심부에 개구부를 형성함으로써 디스플레이 장치의 개구율을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210: 제1 기판
220: 박막 트랜지스터 층
230: 액정층
240: 컬러 필터층
250: 제2 기판
260: 커버 윈도우
270: 보호층
300: 센서 어레이 층
SN: 접촉 센서
SL: 스캔 라인
RL: 리드아웃 라인
Vdd: 전원 입력단

Claims (10)

  1. 단위 화소 마다 배치되는 접촉 센서를 포함하는 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치로서, 상기 접촉 센서는,
    접촉 수단과의 접촉에 의해 접촉 용량을 형성하는 화소 전극;
    드레인 전극이 상기 접촉 용량이 형성되는 노드와 연결되며, 게이트 전극 및 소스 전극이 각각 선택 신호가 인가되는 제1 스캔 라인과 연결되는 센싱 트랜지스터;
    게이트 전극이 상기 센싱 트랜지스터의 드레인 전극과 연결되며, 소스 전극이 전원 입력단과 연결되는 증폭 트랜지스터; 및
    드레인 전극이 상기 증폭 트랜지스터의 드레인 전극과 연결되며, 게이트 전극이 선택 신호가 인가되는 제2 스캔 라인과 연결되고, 소스 전극이 상기 접촉 용량에 상응하는 전류를 검출하는 리드아웃 라인과 연결되는 검출 트랜지스터를 포함하는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터, 상기 증폭 트랜지스터 및 상기 검출 트랜지스터는 컬러 필터층의 단위 컬러 화소를 덮지 않도록 배치되고,
    상기 화소 전극은 상기 단위 컬러 화소의 적어도 일부를 덮도록 배치되는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터는, 상기 제1 스캔 라인으로부터의 선택 신호에 의해 턴 온 되며, 소스 전극으로 인가되는 전원 입력단으로부터의 신호를 드레인 전극으로 전달시키는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증폭 트랜지스터는, 상기 접촉 용량에 충전된 전압에 따라 변화되는 전류를 생성하여 상기 검출 트랜지스터에 전달하는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출 트랜지스터는, 상기 제2 스캔 라인으로부터의 선택 신호에 의해 턴 온 되며, 상기 증폭 트랜지스터에 의해 생성되는 전류를 상기 리드아웃 라인에 전달하는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스캔 라인으로 인가되는 선택 신호는, 상기 제1 스캔 라인에 선택 신호가 인가되고 나서 인가되는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 검출 트랜지스터는 투명 박막 트랜지스터로 구성되어 컬러 필터층의 단위 컬러 화소의 적어도 일부를 덮도록 형성되는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스캔 라인에 선택 신호가 공급된 후 검출되는 상기 리드아웃 라인의 전류를 기초로 상기 접촉 센서 상부에 대한 접촉 여부, 접촉 상태를 판단하는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  9. 단위 화소 마다 배치되는 접촉 센서로 이루어진 센서 어레이층 및 단위 컬러 화소로 이루어진 컬러 필터층을 포함하는 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치로서, 상기 접촉 센서는,
    접촉 수단과의 접촉에 의해 접촉 용량을 형성하고, 상기 단위 컬러 화소를 덮도록 배치되는 투명 화소 전극;
    제1 스캔 라인으로부터 선택 신호를 인가 받아, 입력 전원 신호를 상기 접촉 용량에 전달하는 센싱 트랜지스터; 상기 접촉 용량에 충전된 전압에 따라 변화하는 전류를 생성하는 증폭 트랜지스터; 및
    제2 스캔 라인으로부터 선택 신호를 인가 받아, 상기 전류를 검출하여 리드아웃 라인으로 전달하는 검출 트랜지스터를 포함하고,
    상기 센싱 트랜지스터, 상기 증폭 트랜지스터 및 상기 검출 트랜지스터는 상기 단위 컬러 화소를 덮지 않도록 배치되는, 이미지 스캔 가능한 플렉서블 표시 장치.
  10. 제1 선택 신호를 받아 턴 온 되는 센싱 트랜지스터를 통해, 화소 전극과 접촉 수단과의 사이에서 형성되는 접촉 용량을 충전시키는 단계;
    증폭 트랜지스터를 통해 상기 접촉 용량에 충전된 전압에 따라 변화하는 전류를 발생시키는 단계; 및
    제2 선택 신호를 받아 턴 온 되는 검출 트랜지스터를 통해 상기 발생된 전류를 검출하여, 접촉 센서 상부에 대한 접촉 여부 및 접촉 상태를 판단하는 단계를 포함하는, 표시 장치의 구동 방법.
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