KR20190098555A - 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

실시 예의 생체 정보 측정 장치는 서로 이격된 복수의 압전 부재, 상기 복수의 압전 부재의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 제1 방향으로 나란하고 제2 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제1 전극, 및 상기 복수의 압전 부재의 상기 상부 또는 상기 하부 중 나머지 하나에 상기 제2 방향으로 나란하고 상기 제1 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 압전 초음파 변환 장치; 및 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 구동 전압을 인가하고, 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 일부를 통해 수신 신호를 획득하는 구동 제어부를 포함하되, 상기 구동 제어부는, 제1 주파수를 갖는 제1 구동 전압 및 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 구동 전압을 동시에 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 인가할 수 있다.

Description

압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치{Piezoelectric ultrasonic transducer, biometric apparatus including the same, and display apparatus including the apparatus}

실시 예는 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.

지문 인식 센서는 사람의 지문을 감지하는 센서로서, 기존에 널리 적용되던 도어락 등의 장치는 물론, 최근에는 전자 기기 전원의 온/오프/슬립(sleep) 또는 잠금(lock) 모드의 해제 여부를 결정하는 데에도 널리 이용되고 있다.

지문 인식 센서는 그 동작 원리에 따라 초음파 방식, 광학(적외선) 방식 및 정전용량 방식 등으로 구분할 수 있다.

그런데, 정전 용량 방식은 지문의 융선에 의해 발생하는 정전용량의 차이를, 광학 방식은 명암 혹은 빛이 되돌아오는 시간 차이로 지문을 구분하였으나, 외부 환경 변화에 민감하여 인식률이 떨어져 보안적인 한계를 가진다. 아울러, 정전 용량 방식이나 광학 방식의 경우 이용하는 에너지 소스의 태생적인 한계로 감지거리가 매우 짧거나, 빛의 투과 거리가 짧은 한계를 가진다. 뿐만 아니라, 신뢰성에 있어서도 정전용량 방식의 경우 표면에 얇은 비전도성 재질을 부착하거나, 보호코팅으로 표면이 형성되므로 표면 손상에 취약하며, 광학식의 경우 광투과 원리를 가지므로 크리스탈이나 글래스 재질 이외에는 적용하기 어려운 문제가 있다.

따라서, 초음파 방식이 고려될 수 있다. 초음파 방식은 복수의 압전 센서에서 방출되는 일정 주파수의 초음파 (신호)가 지문의 골(VALLEY)과 마루(RIDGE)에서 반사되는 경우 각각의 골과 마루에서의 음향 임피던스(Acoustic Impedance)차이에 의한 반사되는 초음파의 차이를 초음파 발생원인 해당 복수의 압전 센서를 이용해 측정하여 지문을 감지한다. 특히, 초음파 방식의 장점은 단순한 지문 인식의 기능을 넘어서 초음파를 펄스(pulse) 형으로 발생시켜 그 반향파에 의한 도플러 효과를 검출함으로써 손가락 내부의 모세 혈관을 감지할 수 있는 기능을 갖고 있으므로, 이를 이용하여 위조 지문 여부까지 판단할 수 있는 장점을 가질 수 있다.

이러한 지문 센서는 압전 물질(예컨대, 압전 세라믹: PZT)의 양면에 전극을 배치하여 초음파를 발생한 후 지문에서 반사된 초음파를 이용하여 지문을 인식할 수 있다. 이러한 초음파 지문 센서는 전기 에너지를 음향 에너지(Acoustic Wave)로 변환하는 과정에서 PZT의 특성상 높은 전압(Voltage)을 필요로 한다. 예를 들어, 지문 감지를 위한 초음파 송수신기(Transducer)의 경우 PZT 물질에 따른 차이는 있으나 보통 12V이상의 입력 전압을 필요로 하며, 15~25Mhz 범위의 공진주파수를 이용한다. 여기에 사용되는 입력 전압은 PZT의 히스테리시스(Hysteresis) 특성에 따라 다르지만, 전압이 높을 수록 접촉물체의 투과 거리가 늘어나는 경향이 있다.

그런데, 특히 모바일이나 웨어러블과 같은 경우, 배터리 등의 한정된 에너지로 운용되기 때문에 높은 전압을 구현하기 어렵고, 이로 인해 승압 장치와 같은 별도의 전압 모듈을 가져야 하기도 한다. 따라서, 보안성 강화를 위하여 지문 인식과 동시에 손가락 내부의 모세혈관 특징을 분석하는 데에는 한계가 있다.

실시 예는 별도의 승압 장치 없이도 비교적 낮은 전압으로 높은 진동 효과를 얻을 수 있는 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.

실시 예의 생체 정보 측정 장치는 서로 이격된 복수의 압전 부재, 상기 복수의 압전 부재의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 제1 방향으로 나란하고 제2 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제1 전극, 및 상기 복수의 압전 부재의 상기 상부 또는 상기 하부 중 나머지 하나에 상기 제2 방향으로 나란하고 상기 제1 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 압전 초음파 변환 장치; 및 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 구동 전압을 인가하고, 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 일부를 통해 수신 신호를 획득하는 구동 제어부를 포함하되, 상기 구동 제어부는, 제1 주파수를 갖는 제1 구동 전압 및 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 구동 전압을 동시에 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 인가할 수 있다.

예를 들어, 상기 구동 제어부는 상기 제1 구동 전압 및 상기 제2 구동 전압을 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 하나에 동시에 인가할 수 있다.

예를 들어, 상기 구동 제어부는 상기 제1 구동 전압은 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나에 인가하고, 상기 제2 구동 전압은 상기 제1 구동 전압이 인가된 제1 전극과 인접한 다른 제1 전극에 인가하여 빔 포밍이 수행되도록 할 수 있다.

예를 들어, 상기 구동 제어부는, 상기 제1 구동 전압은 상기 복수의 제1 전극 중 인접한 N(여기서 N은 1보다 큰자연수)개의 제1 전극에 인가하고, 상기 제2 구동 전압은 상기 제1 구동 전압이 인가된 N개의 제1 전극과 인접한 다른 N개의 제1 전극에 인가하여 빔 포밍이 수행되도록 할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 구동 전압과 상기 제2 구동 전압은, 유사한 파형과 동일한 진폭을 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 구동 제어부는, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압이 인가될 때, 상기 복수의 제2 전극은 그라운드상태로 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 구동 제어부는, 상기 복수의 압전 부재 중 상기 제1 구동 전압 및 상기 제2 구동 전압이 인가된압전 부재로부터 송신된 초음파가 생체 대상물로부터 반사된 반사파에 대응되는 전기적 신호를 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 일부를 통해 획득하되, 상기 반사파에 대응되는 전기적 신호를 획득하는 동안 상기 복수의 제1 전극을 그라운드 상태로 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 생체 대상물은 표피와 내부 구성물을 포함하고, 상기 구동 제어부는, 상기 표피와 내부 구성물 중 측정 희망 생체 대상물에 따라 상기 반사파에 대응되는 전기적 신호를 획득하는 시점을 달리할 수 있다.

예를 들어, 상기 생체 대상물은 손가락을 포함하고, 상기 표피는 지문을 포함하며, 상기 내부 구성물은 모세 혈관을 포함할 수 있다.

실시예에 따른 디스플레이 장치는, 활성 영역을 포함하는 디스플레이 패널; 및 생체 정보 측정 장치를 포함하고, 상기 생체 정보 측정 장치는 서로 이격된 복수의 압전 부재, 상기 복수의 압전 부재의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 제1 방향으로 나란하고 제2 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제1 전극, 및 상기 복수의 압전 부재의 상기 상부 또는 상기 하부 중 나머지 하나에 상기 제2 방향으로 나란하고 상기 제1 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 압전 초음파 변환 장치; 및 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 구동 전압을 인가하고, 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 일부를 통해 수신 신호를 획득하는 구동 제어부를 포함하되, 상기 구동 제어부는 제1 주파수를 갖는 제1 구동 전압 및 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 구동 전압을 동시에 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 인가하고, 상기 압전 초음파 변환 장치는 상기 디스플레이 패널 하단에서, 상기 활성 영역과 대응하는 영역에 배치될 수 있다.

실시 예에 따른 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치는 간섭파형을 이용하여 전압 승압 없이 고출력을 구현할 수 있으므로 모세혈관과 같이 지문보다 깊이 위치하는 생체 정보를 획득할 수 있다.

도 1은 비트 펄스 현상의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시예에 적용될 수 있는 생체 정보 측정 장치 구조의 일례를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 생체 정보 측정 장치가 송신부로 동작하는 상태를, 도 4는 도 2에 도시된 생체 정보 측정 장치가 수신부로 동작하는 상태를 각각 나타내는 단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 빔 포밍을 통해 비트 펄스 인가 방법의 일례를, 도 6은 실시예에 따른 구동 제어부 단에서 비트 펄스를 생성하는 방법의 일례를 각각 나타낸다.
도 7은 실시예에 따른 비트 펄스를 이용한 송신 초음파와 수신 초음파 형태의 일례를 나타낸다.
도 8은 실시예에 따른 생체 정보 획득 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 9는 일 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 10은 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 11은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 12는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 13은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 14는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치의 단면도를 나타낸다.
도 15는 디스플레이 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 16 (a) 내지 (c)는 도 15의 설명을 돕기 위한 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.

이하, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치(300A 내지 300F)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 압전 초음파 변환 장치, 이 장치를 포함하는 생체 정보 측정 장치 및 이 장치를 포함하는 디스플레이 장치(300A 내지 300F)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축, z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, x축, y축, z축은 서로 교차할 수도 있다.

본 발명의 실시예들에서는 별도의 전압 승압 과정 없이 실질적으로 고출력 초음파의 구현이 가능하도록 하기 위하여, 초음파의 간섭 현상, 특히 비트 펄스 현상을 이용할 것을 제안한다. 따라서, 실시예에 따른 압전 초음파 변환 장치, 생체 정보 측정 장치 및 이를 이용한 디스플레이 장치를 설명하기 앞서, 비트 펄스 현상의 원리를 먼저 설명한다.

도 1은 비트 펄스 현상의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에서는 (a) 부터 (c)까지 총 3개의 그래프가 도시된다. 각 그래프에서 공통적으로 가로축은 시간을, 세로축은 진폭을 각각 나타낸다.

먼저, 도 1의 (a)에서는 진폭 1에 10Hz의 주파수를 갖는 사인파형이 도시되고, 도 1의 (b)에서는 도 1의 (a)와 진폭은 동일하되, 11Hz의 주파수를 갖는 사인파형이 도시된다. 주파수가 서로 다른 두 파형이 동일 시간 상에서 중첩될 때, 도 1의 (c)와 같이 1Hz의 사인파가 곱해진 것과 유사한 파형이 발생한다.

이를 이하 수식으로 설명한다. 먼저, 도 1의 (c)에 해당하는 비트 펄스를 x(t)라 할 때, 이를 수식으로 나타내면 아래 수학식 1과 같다.

수학식 1을 수학식 2에 나타난 삼각함수의 합의 공식으로 다시 표현하면 아래 수학식 3과 같다.

수학식 1 및 3에서, ω1은 2 x π x 10Hz 이고, ω2는 2 x π x 11Hz와 같다.

결국, 서로 다른 주파수의 1/2 공배수를 만족하는 시점에서는 두 파형의 페이즈가 반대(즉, out of phase)이므로 진폭은 0되나, 공배수를 만족하는 시점에서는 두 파형의 페이즈가 일치(즉, in phase)하므로 2배의 진폭이 발생한다.

다시 말해, 두 개의 사인파가 초음파의 파형이라고 할 때, 서로 유사한 파형을 갖는 두 음파가 교차할 때 간섭으로 인해 이론적으로 2배의 진폭을 갖는 비트 펄스(Beat Pulse) 현상이 발생한다. 따라서, 비트 펄스를 이용하면 동일 전압으로 초음파(Acoustic Wave)의 발진 성능을 향상시킬 수 있다.

유사한 파형을 갖되 주파수가 서로 다른 초음파를 발생시키기 위해서는 서로 다른 발신체(예컨대, PZT) 각각에 서로 다른 주파수를 갖는 펄스를 인가하여 주파수가 서로 다른 초음파가 각각의 발신체에서 발신된 후, 외부에서 중첩되도록 할 수 있다. 이와 달리, 동일한 발신체에 서로 다른 주파수를 갖는 펄스를 함께 인가하거나 미리 서로 다른 주파수가 중첩된 형태의 펄스를 인가하여 발신체 자체에서 비트 펄스를 포함하는 초음파가 발신되도록 할 수도 있다. 이를 위한 압전 초음파 변환 장치 및 생체 정보 측정 장치의 구조를 이하 설명한다.

도 2는 실시예에 적용될 수 있는 생체 정보 측정 장치 구조의 일례를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치(200)는 압전 초음파 변환 장치(100), 구동 제어부(210) 및 생체 정보 분석부(220)를 포함할 수 있다.

이하, 각 구성 요소를 상세히 설명한다.

압전 초음파 변환 장치(100)는 구동 제어부(210)의 제어에 따라 생체 대상물(미도시)로 초음파를 송신하거나 생체 대상물에서 반사된 초음파를 수신하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 압전 초음파 변환 장치(100)는 복수의 압전 부재(110), 복수의 상부 전극(UE) 및 복수의 하부 전극(LE)을 포함할 수 있다.

복수의 압전 부재(110) 각각은 사각형 평면 형상을 가질 수 있으며, 각 압전 부재(110)는 평면 상의 가로 및 세로 길이보다 두께 방향(예를 들어, z축 방향)으로의 높이가 큰 사각 기둥 형상을 가질 수 있다. 이러한 압전 부재(110)는 1-3 콤포지트(composite) 구성을 가질 수 있다. 또한, 복수의 압전 부재(110)는 평면 상에서 서로 이격되어 어레이(array) 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서는 압전 부재(110) 8x8 어레이 형태로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로 실시예에 따른 압전 부재(110)의 배치 형태는 이에 한정되지 아니한다.

예를 들어, 압전 부재(110)는 압전 세라믹(예를 들어, PZT), 압전 단결정(예를 들어, PMN-PT 또는 PMN-PZT), 압전폴리머(예를 들어, PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CTFE), 압전복합체(예를 들어, PVDF계열+PZT) 또는 압전후막재료(예를 들어, PZT, AlN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

복수의 상부 전극(UE)은 압전 부재(110)의 상부에서 제1 방향(예컨대, y축 방향)으로 나란히 연장되며, 제2 방향(예컨대, x축 방향)으로 서로 이격될 수 있다. 또한, 복수의 하부 전극(LE)은 압전 부재(110)의 하부에서 제2 방향(예컨대, x축 방향)으로 나란히 연장되며, 제1 방향(예컨대, y축 방향)으로 서로 이격될 수 있다.

복수의 하부 전극(LE)은 제1 멀티플렉서(M1)를 통해 구동 제어부(210)로부터 구동 신호(Tx)를 수신할 수 있으며, 복수의 상부 전극(UE)은 제2 멀티플렉서(M2)를 통해 구동 제어부(210)로 수신 신호(Rx)를 전달할 수 있다.

또한, 상부 전극(UE) 및 하부 전극(LE) 각각은 도전성을 갖는 물질로서, 패터닝될 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 각 전극(UE, LE)은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo). 금(Au), 티타튬(Ti) 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

복수의 압전 부재(110) 각각의 사이에는 충진 부재(120)가 충진되어 배치될 수 있다. 충진 부재(120)는 압전 부재(110)를 서로 지지하면서 연결하며 임의의 압전 부재(110)에서 초음파가 방출될 때 진동을 흡수하여 인접한 압전 부재로 진동이 전파되는 것을 방지하는 역할도 수행할 수 있다. 충진 부재(120)는 폴리머(polymer) 또는 레진(resion) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100)는 초음파를 이용하는 다양한 장치 또는 시스템 등에 이용될 수 있다. 예를 들어, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100)는 모바일 전화, 멀티미디어 인터넷 휴대 전화, 이동용 텔레비젼 수상기, 무선 장치, 스마트 폰, 블루투스 장치, 휴대 정보 단말기(PDA), 무선 전자 메일 수신기, 휴대용 컴퓨터, 넷북(netbook), 노트북, 스마트북, 테블릿(tablets), 핸드라이팅 계수기(handwriting digitizers), 지문 검사기, 프린터, 복사기, 스캐너, 팩시밀리 장치, GPS 수신기, GPS 네비게이터, 카메라, 디지털 미디어 플레이어(예를 들어, MP3), 캠코더, 게임 콘솔, 손목 시계, 벽시계, 계산기, 텔레비젼 모니터, 평판형 디스플레이, 전자 판독기(예를 들어, e-readers), 휴대용 건강 (모니터링) 장치, 컴퓨터 모니터, 자동차용 디스플레이 장치(주행계 및 속도계 포함), 조종석 제어 장치나 디스플레이 장치, 카메라 뷰 디스플레이(camera view display)(예를 들어, 자동차용 블랙 박스), 전자 사진기, 전자 광고판, 프로젝터, 전자 레인지(microwave), 냉장고, 스테레오 시스템, 카셋트 리코더나 플레이어, DVD 플레이어, CD 플레이어, VCR, 라디오, 휴대용 메모리 칩, 세탁기, 드라이, 주차 미터, 패키징(packaging)(EMS, MEMS 등), 심미적 구조 장치(예를 들어, 보석 가게나 옷가게 등에서 사용되는 영상 표시 장치) 등의 전자 기기에 포함될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

구체적으로, 전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100)는 생체 감지, 영상, 터치 및 제스쳐 인식용 전기적 센서 어레이 또는 쌍방향 디스플레이 등에 적용될 수 있다.

더욱 구체적으로, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100)는 초음파 지문 센서와 같은 생체 감지 장치, 제스쳐 검사 장치, 마이크로폰, 스피커, 초음파 영상 장치, 초음파 화학적 센서, 초음파 터치 패드 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 생체 감지 장치로서, 초음파 지문 센서뿐만 아니라, 초음파 표피나 진피 센서, 피부의 팽팽한 정도나 피부의 손상 정도를 인식하는 초음파 피부 상태 센서 등이 있다.

정전 용량 방식으로 지문을 인식할 때보다 정전기적 간섭이 적으며, 투과도가 높아 압전 초음파 변환 장치(100)에 의해 초음파 방식으로 지문을 인식할 경우 지문이 더 정확하게 인식될 수 있다.

구동 제어부(210)는 압전 초음파 변환 장치(100)가 먼저 송신부로 동작하여 초음파를 송신하도록 할 수 있다. 이후 구동 제어부(210)는 송신된 초음파가 생체 대상물에서 반사되어 다시 압전 초음파 변환 장치(100)로 돌아오기 전에 압전 초음파 변환 장치(100)를 수신부로 동작하도록 스위칭하여 반사되는 초음파를 수신할 수 있도록 한다. 예컨대, 구동 제어부(210)는 압전 초음파 변환 장치(100)를 송신부로 동작시키기 위해 하부 전극(LE)에 구동 전압을 인가하고, 상부 전극(UE)은 그라운드 상태로 제어할 수 있다. 반대로, 구동 제어부(210)는 압전 초음파 변환 장치(100)를 수신부로 동작(즉, 스위칭)시키기 하부 전극(LE)을 그라운드 상태로 제어하고, 상부 전극(UE)으로 수신된 초음파에 대응되는 신호가 수신될 수 있도록 수신 전극으로 제어할 수 있다. 또한, 즉, 구동 제어부(210)는 수신부로 동작하는 압전 초음파 변환 장치(100)에서 수신된 초음파에 상응하는 전기적 신호를 받아서 생체 정보 분석부(220)로 출력할 수 있다.

이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 도 2에 도시된 생체 정보 측정 장치(200)를 이용한 생체 정보 획득 방법을 설명한다.

도 3은 도 2에 도시된 생체 정보 측정 장치가 송신부로 동작하는 상태를, 도 4는 도 2에 도시된 생체 정보 측정 장치가 수신부로 동작하는 상태를 각각 나타내는 단면도이다.

먼저 도 3을 참조하면, 생체 대상물(OB)과 압전 초음파 변환 장치(100) 사이에 임피던스 정합 부재(202)가 배치된다. 임피던스 정합 부재(202)는 생체 대상물(OB)과 압전 초음파 변환 장치(100) 사이의 임피던스 부정합을 개선시키는 역할을 한다. 또한, 생체 대상물(OB)은 예를 들어, 산(R:Ridge)과 골(V:Valley)을 갖는 지문과, 내부에 모세혈관(C)을 포함하는 손가락일 수 있다.

먼저, 송신시에는 전술된 바와 같이 상부 전극(UE)은 그라운드로 제어되고, 하부 전극(LE)은 송신 전극으로 동작하여, 구동 제어부(210)가 하부 전극(LE)과 상부 전극(UE) 사이에 초음파 대역의 공진 주파수를 가지는 펄스 신호(wa1)를 인가하여, 각 압전 부재(110)가 초음파를 송신할 수 있다. 송신된 초음파는, 임피던스 정합 부재(202)의 상부면(202) 중에서 생체 대상물(OB)의 산(R)과 접하는 부분에서는 생체 대상물(OB)로 진입하는 반면, 임피던스 정합 부재(202)의 상부면 중에서 공기와 접한 부분에서는 압전 초음파 변환 장치의 내부 쪽으로 반사될 수 있다. 이와 같이, 초음파는 손가락(OB) 등이 접촉 또는 접근하지 않는 경우에는, 초음파가 방출되고자 하는 임피던스 정합 부재(202)와 공기 사이의 음향 임피던스 차이로 인해, 초음파의 대부분이 임피던스 정합 부재(202)와 공기의 계면을 통과하지 못한다. 반면에, 손가락(OB)이 접촉 또는 접근한 지점의 경우 송신되는 초음파의 일부가 손가락(OB)의 피부와 임피던스 정합 부재(202)의 경계면을 뚫고 손가락(OB) 내부로 진행하게 된다. 이 경우, 반사되어 압전 부재(110)로 수신되는 초음파의 강도가 낮아져 이로부터 지문 패턴을 감지할 수 있다.

한편, 수신시에는 도 4에 도시된 바와 같이 하부 전극(LE)은 그라운드로 제어되고, 상부 전극(UE)은 수신 전극으로 동작한다. 구동 제어부(210)는 비록 도시되지는 않았지만, 각 압전 부재(110)에서 수신된 초음파에 대응하는 전기적 신호를 받아서 생체 정보 분석부(210)로 출력한다.

생체 정보 분석부(210)는 구동 제어부(210)를 통해 받은 전기적 신호를 이용하여 생체 대상물(OB)의 생체 정보를 분석할 수 있다. 예를 들어, 생체 대상물(OB)이 지문일 경우, 생체 정보 분석부(210)는 전기적 신호를 이용하여 지문(OB)의 골(V)과 마루(R)에 따른 음향 임피던스 차이로부터 발생하는 초음파가 수신되는 반사 신호의 세기 또는 반사 계수를 측정함으로써 손가락의 지문 패턴을 감지할 수 있다.

그런데, 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 전압 승압 수단이 구비되지 않은 모바일 기기 환경에서는 구동 제어부(210)가 각 압전 부재(110)에 인가할 수 있는 전압이 한정적(예컨대, 24V 이하)이기 때문에 PZT 구성의 압전 부재(110)에서 송신되는 초음파는 손가락 내부로 투과되어 모세혈관(C)까지 진행한 후 모세혈관(C)에서 반사되기가 어렵다. 즉, 일반적인 단일 구동 펄스(예컨대, wa1)의 인가로는 생체 정보 측정 장치가 생체 대상물(OB)의 모세 혈관에 대한 정보를 얻기 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 비트 펄스를 이용한 송신 및 수신 방법이 적용될 수 있다.

먼저, 실시예에 따른 비트 펄스를 이용한 초음파 송신 방법을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 도 5는 실시예에 따른 빔 포밍을 통해 비트 펄스 인가 방법의 일례를, 도 6은 실시예에 따른 구동 제어부 단에서 비트 펄스를 생성하는 방법의 일례를 각각 나타낸다.

먼저, 도 5를 참조하면, 기본적인 생체 정보 측정 장치(200)의 구성은 도 2와 동일하다. 다만, 빔포밍을 위해 복수의 상부 전극에 연결된 압전 부재(110)가 1회의 빔포밍에 참여한다. 예를 들어, 도 4a에서는 제1 하부 전극(LE1)과 제2 하부 전극(LE2) 각각에 연결된 복수의 압전 부재(110)가 1회의 빔포밍을 위한 제1 전송 단위(TU1)로 동작한다. 이때, 제1 하부 전극(LE1)에는 제1 주파수를 갖는 제1 구동 전압(wa1)이 인가되고, 제2 하부 전극(LE2)에는 제1 구동 전압(wa1)과 동일 진폭에 유사한 파형을 가지되, 제1 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 구동 전압(wa2)이 인가될 수 있다.

그에 따라, 제1 하부 전극(LE1)에 연결된 압전 부재들과 제2 하부 전극(LE2)에 연결된 압전 부재들은 서로 다른 주파수의 초음파를 송신하게 된다. 결국, 제1 전송 단위(TU1)의 상부(즉, Z축 방향으로 상부) 영역에서는 서로 다른 주파수의 초음파가 중첩되면서 간섭 현상으로 인해 도 1의 (c)에 도시된 바와 유사하게 특정 시간대에 비트 펄스 현상으로 2배의 진폭을 갖는 초음파가 발생한다.

한편, 제1 전송 단위(TU1)에 해당하는 영역이 스캔된 후 구동 제어부(210)는 다음 영역을 스캔하기 위해 전송 단위를 변경할 수 있다. 이를 쉬프팅(shifting)이라 칭할 수 있는데, 2개의 인접한 하부 전극 단위로 전송 단위가 결정되는 경우, 다음 전송 단위는 제3 하부 전극(LE3)과 제4 하부 전극(LE4)을 포함하는 제3 전송 단위(TU3)일 수 있다. 그러나, 제3 전송 단위(TU3)가 제1 전송 단위(TU1)의 다음 스캔 영역이 되는 경우 해상도가 저하되는 문제가 있다. 따라서, 전송 단위를 구성하는 하부 전극과 동일 개수만큼 쉬프팅하지 않고, 그보다 적은 하부 전극 단위로 쉬프팅이 수행될 수 있다. 예컨대, 제1 전송 단위(TU1)이후의 스캔 영역은 제2 하부 전극(LE2)과 제3 하부 전극(LE3)을 포함하는 제2 전송 단위(TU2)가 될 수 있으며, 제2 전송 단위(TU2)에 해당하는 두 번째 스캔이 완료되면 제3 전송 단위(TU3)가 세 번째 스캔 영역이 될 수 있다. 이러한 방식을 통해 해상도는 일반적인 하부 전극 하나 단위와 동일하게 유지될 수 있다.

본 실시예의 다른 양상에 의하면, 1회의 빔 포밍을 위해 둘 이상의 전송 단위가 함께 참여할 수도 있다. 예컨대, 제1 전송 단위(TU1)에 해당하는 압전 부재에 제1 주파수의 구동 전압(wa1)이 인가되고, 제3 전송 단위(TU3)에 해당하는 압전 부재에 제2 주파수의 구동 전압(wa2)이 인가될 수 있다. 이러한 경우, 상술한 도 5의 경우 대비 2배의 전송 파워가 향상되는 효과가 기대될 수 있다.

본 실시예의 또 다른 양상에 의하면, 제1 전송 단위(TU1)와 제3 전송 단위(TU3)에 해당하는 압전 부재에 제1 시점에서 제1 주파수의 구동 전압(wa1)이 인가되고, 제2 전송 단위(TU2)에 해당하는 압전 부재에 제2 시점에서 제2 주파수의 구동 전압(wa2)이 인가될 수 있다. 이때, 제1 시점과 제2 시점의 차이는, 제1 시점에 제1 전송 단위(TU1)와 제3 전송 단위(TU3)에 해당하는 압전 부재에서 송신된 초음파가 제2 시점에 제2 전송 단위(TU2)에 해당하는 압전 부재에서 송신된 초음파가 제2 전송 단위(TU2)에 해당하는 영역 상부에서 동시에 생체 대상물에 도달하도록 하는 시차일 수 있다. 이러한 경우, 단일 하부 전극(LE)을 이용해 전송하는 초음파 대비 이론상 6배의 전송 파워 효과가 기대될 수 있다.

다음으로, 도 6을 참조하면 구동 제어부(210)는 제1 주파수를 갖는 제1 구동 전압(wa1)과, 제1 구동 전압(wa1)과 동일 진폭에 유사한 파형을 가지되 제1 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 구동 전압(wa2)을 동시에 제1 멀티플렉서(M1)로 인가할 수 있다. 이를 위해, 구동 제어부(210)는 둘 이상의 신호 생성기(signal generator)를 포함할 수도 있다. 그에 따라, 서로 다른 주파수를 갖는 두 구동 전압은 제1 멀티플렉서(M1)에서, 또는, 그 제1 멀티플렉서(M1)로 입력되기 전에) 중첩된 상태로 어느 하나의 하부 전극(LE)에 인가될 수 있다. 따라서, 구동 전압이 인가된 하부 전극(LE)에서는 특정 시간대에 비트 펄스 현상으로 2배의 진폭을 갖는 초음파가 발생할 수 있다.

이하에서는 도 7을 참조하여 비트 펄스를 이용한 모세혈관 정보를 획득하는 원리를 설명한다. 도 7은 실시예에 따른 비트 펄스를 이용한 송신 초음파와 수신 초음파 형태의 일례를 나타낸다.

도 7에 도시된 그래프에서 가로축은 시간을, 세로축은 진폭을 각각 나타낸다.

도 7을 참조하면, t0에서 도 5 또는 도 6을 참조하여 설명된 바와 같이 비트 펄스를 이용한 초음파 송신을 위한 구동 전압(wa1+wa2)이 해당하는 압전 부재에 인가될 수 있다. 이후, t1에 해당하는 시점에서 생체 대상물의 외표면(예컨대, 지문)에서 반사된 초음파(즉, 지문 반사파)가 수신부로 동작하는 압전 초음파 변환 장치에 도달하며, 이후 t2에 해당하는 시점에서 생체 대상물의 내부 구성물(예컨대, 모세혈관)에서 반사된 초음파(즉, 모세혈관 반사파)가 압전 초음파 변환 장치에 도달할 수 있다. 여기서, t0와 t1 사이의 시간은 임피던스 정합 부재(202)의 재질에 따른 어쿠스틱 임피던스와 임피던스 정합 부재(202)의 두께에 따라 상이할 수 있다. 또한, t1과 t2의 차이는 피부 내에서 모세혈관이 얼마나 깊이 위치하는지 여부에 따라도 상이할 수 있다.

만일, 생체 정보 분석부(220)가 지문에 대한 정보를 감지하고자 하는 경우, 구동 제어부(210)는 t1에서 t2 사이에 해당하는 신호만을 선택(또는 마스킹)하여 생체 정보 분석부(220)에 전달할 수 있다. 보다 바람직하게는, 지문 반사파가 비트 펄스에 의해 피크 진폭을 나타내는 시점(t1’)을 전후로 일정 시간 범위에 해당하는 신호만 생체 정보 분석부(220)에 전달될 수도 있다.

유사하게, 생체 정보 분석부(220)가 모세 혈관에 대한 정보를 감지하고자 하는 경우, 구동 제어부(210)는 t2 이후에 해당하는 신호만을 선택(또는 마스킹)하여 생체 정보 분석부(220)에 전달할 수 있다. 보다 바람직하게는, 지문 반사파가 비트 펄스에 의해 피크 진폭을 나타내는 시점(t2’)을 전후로 일정 시간 범위에 해당하는 신호만 생체 정보 분석부(220)에 전달될 수도 있다.

여기서 t1, t1’, t2, t2’는 각각 임피던스 정합 부재(202)와 압전 부재(110)의 공진 주파수 및 인가되는 구동 전압 특성에 따라 실험을 통해 결정된 후, 미리 구동 제어부(210)나 생체 정보 분석부(220)에 획득되어 있는 값일 수 있다.

물론, 1회의 초음파 송신을 통해 지문 반사파와 모세혈관 반사파가 모두 압전 초음파 변환 장치에 도달하게 되므로, 각 반사파의 도달 시차를 고려하여 지문에 대한 정보와 모세혈관에 대한 정보가 함께 획득될 수도 있다. 이와 달리, 보다 효율적인 측정을 위해 측정 모드가 구분될 수도 있다. 예컨대, 지문 측정 모드와 모세혈관 측정 모드를 구분하고, 각 모드가 별도로 수행되도록 할 수 있다. 구체적으로, 지문 측정 모드에서는 비트 펄스가 아닌 일반적인 구동 전압 인가 방법(즉, 한 번의 스캔을 위해 하나의 하부 전극 단위로 구동 전압을 인가하는 방법)을 통해 지문 정보가 획득될 수 있다. 물론, 이러한 경우 비트 펄스에 의한 진폭 증대가 없기 때문에 t2 시점에서도 모세혈관 반사파는 실질적으로 감지되지 않을 수 있다. 또한, 모세혈관 측정 모드에서는 비트 펄스를 이용한 구동 전압 인가 방법을 통해 t2 또는 t2’ 시점 전후로 모세혈관 반사파만 분석될 수도 있다.

상술한 과정을 순서도로 나타내면 도 8과 같다.

도 8은 실시예에 따른 생체 정보 획득 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.

도 8을 참조하면, 먼저 스캔 대상 영역과 측정 모드에 따라 전송 단위별 구동 전압이 인가될 수 있다(S810). 여기서 측정 모드는 전술한 지문 측정 모드와 모세혈관 측정 모드를 의미할 수 있으나, 측정 모드가 별도로 설정되지 않을 수도 있다. 일반적인 지문 측정이 이루어질 경우나 도 6에 도시된 비트 펄스 방식이 적용될 경우 전송 단위는 하나의 하부 전극(LE)에 연결된 압전 부재일 수 있고, 도 5에 도시된 비트 펄스 빔포밍 방식이 적용될 경우 전송 단위는 도 5의 제1 전송 단위(TU1) 내지 제3 전송 단위(TU3) 중 적어도 하나일 수 있다.

구동 전압 인가에 따른 초음파 송신이 수행된 후, 구동 제어부(210)는 압전 초음파 변환 장치를 수신부 동작으로 스위칭하고, 측정 희망 생체 대상물에 대응되는 반사파가 압전 초음파 변환 장치를 통해 수신되면, 그에 대응되는 신호를 획득할 수 있다(S820). 여기서, 측정 희망 생체 대상물은 지문일 수도 있고 모세혈관일 수도 있다. 따라서, 구동 제어부(210)는 도 7을 참조하여 전술한 바와 같이 시간대를 구분하여 측정 희망 생체 대상물에 대응되는 신호를 획득할 수 있다.

획득된 신호는 생체 정보 분석부(220)로 전달되어 생체 정보 분석부(220)에서 픽셀 정보로 변환되어(S840) 생체 정보 이미지의 일부를 구성하도록 데이터 처리될 수 있다(S850).

이후 스캔이 완료될 때까지(S850), 전송 단위 쉬프트를 통해(S860) 전술한 S810 단계 내지 S840 단계가 반복될 수 있다.

이하, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치와 기존의 압전 초음파 변환 장치를 비교하여 설명한다.

지금까지 설명한 실시예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100)를 이용한 빔포밍 방식은 비트 펄스를 통해 별도의 승압 장치 없이도 실질적으로 인가 전압의 2배에 해당하는 진폭을 얻을 수 있다. 따라서, 일반적인 방식은 모바일 기기 환경에서 출력 부족으로 생체 대상물 내부의 구성물(예컨대, 모세혈관)에 송신된 초음파가 도달하기 어려우나, 실시예에 따르면 모세혈관까지 초음파가 도달할 수 있다.

또한, 복수의 하부 전극(LE)에 연결된 복수의 압전 부재를 하나의 전송 단위로 하더라도 쉬프팅은 전송 단위를 구성하는 하부 전극(LE)의 개수보다 적은 수의 하부 전극만큼 수행되므로 해상도 손실이 없다.

아울러, 반사파의 도달 시간대를 선택함으로써 생체 대상물의 표면과 내부 구성물 중 희망하는 부위의 정보만을 선택적으로 획득할 수도 있다.

전술한 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100)는 디스플레이 장치에서 지문 센서로서 적용될 수 있다. 디스플레이 장치는 디스플레이 패널 및 커버 기판 등을 포함하므로, 두께가 약 1mm 정도 될 수 있다. 이러한 디스플레이 장치에서 정전용량 방식의 지문 센서를 이용할 경우 투과도 및 디스플레이 내부 회로에 의한 간섭에 의해서 지문을 인식하는 정확도가 떨어질 수 있다. 반면에, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치(100)를 디스플레이 장치에서 초음파 지문센서로 채택할 경우, 지문을 인식하는 정확도가 증가할 수 있으며, 압전 초음파 변환 장치(100)를 디스플레이 하단에 배치하더라도 지문 인식이 가능할 수 있다.

이하, 전술한 압전 초음파 변환 장치(100) 및 생체 정보 측정 장치(200)를 포함하는 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300A 내지 300F)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.

도 9는 일 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300A)의 단면도를 나타낸다.

일 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300A)는 커버 부재(310A), 접착층(320A), 디스플레이 패널(330A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A)를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 커버 부재(310A)와 접착층(320A)은 생략될 수 있다.

커버 부재(310A)는 리지드(rigid)하거나 또는 플렉서블(flexible)할 수 있다. 바람직하게는, 커버 부재(310A)는 휘어지거나(bending) 접힐 수 있도록(foldable) 플렉서블할 수 있다.

예를 들어, 커버 부재(310A)는 플라스틱이나 글래스(glass)를 포함할 수 있다. 자세하게, 커버 부재(310A)는 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 프로필렌 글리콜(propylene glycol, PPG), 폴리 카보네이트(PC) 등의 강화 혹은 연성 플라스틱을 포함하거나 사파이어를 포함할 수 있다.

또한, 커버 부재(310A)는 광등방성 필름을 포함할 수 있다. 일례로, 커버 부재(310)는 COC(Cyclic Olefin Copolymer), COP(Cyclic Olefin Polymer), 광등방 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 또는 광등방 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다.

디스플레이 패널(330A)은 커버 부재(310A)의 하부에 배치될 수 있다. 디스플레이 패널(330A)과 커버 기재(310A)는 광학용 투명 접착제 등의 접착층(320A)을 통해 서로 접착될 수 있다.

디스플레이 패널(330A)은 제1 기판(332) 및 제2 기판(334)을 포함할 수 있다.

디스플레이 패널(330A)이 액정표시패널인 경우, 디스플레이 패널(330A)은 박막트랜지스터(Thin Film Transistor,TFT)와 화소전극을 포함하는 제1 기판(332)과 컬러필터층들을 포함하는 제2 기판(334)이 액정층을 사이에 두고 합착된 구조로 형성될 수 있다.

또한, 디스플레이 패널(330A)은 박막트랜지스터, 칼라필터 및 블랙매트릭스가 제1 기판(332)에 형성되고, 제2 기판(334)이 액정층을 사이에 두고 제1 기판(332)과 합착되는 COT(color filter on transistor)구조의 액정표시패널일 수도 있다. 즉, 제1 기판(332) 상에 박막 트랜지스터를 형성하고, 박막 트랜지스터 상에 보호막을 형성하고, 보호막 상에 컬러필터층을 형성할 수 있다.

또한, 제1 기판(332)에는 박막 트랜지스터와 접촉하는 화소전극을 형성한다. 이때, 개구율을 향상하고 마스크 공정을 단순화하기 위해 블랙매트릭스를 생략하고, 공통 전극이 블랙매트릭스의 역할을 겸하도록 형성할 수도 있다.

또한, 디스플레이 패널(330A)이 액정표시패널인 경우, 디스플레이 장치(300A)는 디스플레이 패널(330A) 배면에서 광을 제공하는 백라이트 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 디스플레이 패널(330A)은 활성 영역을 포함할 수 있다. 여기서, 활성 영역은 실제로 화면이 출사되는 영역일 수 있다. 이 경우, 압전 초음파 변환 장치(340A)는 디스플레이 패널(330A)의 하단, 즉, 디스플레이 패널(330A) 또는 백라이트 유닛(미도시)의 광이 출사하는 방향의 반대 방향에서, 활성 영역과 대응하는 영역에 배치될 수 있다. 구체적으로 압전 초음파 변환 장치는 활성 영역의 지문 영역 상에 배치될 수 있으며, 특히 수신부가 지문 영역에 대응되도록 배치될 수 있다.

특히, 모바일 디스플레이 장치에서, 실시 예에 의한 압전 초음파 변환 장치를 생체 인식 장치로 사용하는 경우, 기존에 사용하던 지문 센서 버튼을 제거할 수 있어, 모바일 디스플레이 장치의 활성 영역을 넓힐 수 있는 장점이 있다.

도 10은 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300B)의 단면도를 나타낸다.

도 10에 도시된 디스플레이 장치(300B)는 커버 글래스(310B), 플라스틱 OLED(POLED)(330B) 및 압전 초음파 변환 장치(340B)를 포함할 수 있다.

커버 글래스(310B)는 도 9에 도시된 커버 부재(310A)가 글래스로 구현된 경우이며, 커버 부재(310A)와 동일한 역할을 수행한다.

POLED(330B)는 도 9에 도시된 디스플레이 패널(330A)의 다른 례이다.

도 11은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300C)의 단면도를 나타낸다.

도 11에 도시된 디스플레이 장치(300C)는 디스플레이 패널(330C), 접착층(320B) 및 압전 초음파 변환 장치(340C)를 포함할 수 있다.

디스플레이 패널(330C), 접착층(320B) 및 압전 초음파 변환 장치(340C)는 도 9에 도시된 디스플레이 패널(330A), 접착층(320A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.

도 12는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300D)의 단면도를 나타낸다.

도 12에 도시된 디스플레이 장치(300D)는 디스플레이 TFT(330D), 접착층(320C) 및 압전 초음파 변환 장치(340D)를 포함할 수 있다.

디스플레이 TFT(330D)는 도 9에 도시된 디스플레이 패널(330A)이 박막 트랜지스터로 구현된 경우이다. 접착층(320C) 및 압전 초음파 변환 장치(340D)는 도 13에 도시된 접착층(320A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.

도 13은 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300E)의 단면도를 나타낸다.

도 13에 도시된 디스플레이 장치(300E)는 디스플레이 하부 기판(TFT)(330E), 접착층(320D), 압전 초음파 변환 장치(340E), 폼 테이프(form tape)(350) 및 백 플레이트(back plate)(360)를 포함할 수 있다.

디스플레이 하부 기판(TFT)(330E)은 도 12에 도시된 디스플레이 TFT(330D)와 동일한 역할을 한다. 폼 테이프(350)는 디스플레이 하부 기판(330E)과 백 플레이트(360) 사이에 배치될 수 있다. 접착층(320D) 및 압전 초음파 변환 장치(340E)는 도 13에 도시된 접착층(320A) 및 압전 초음파 변환 장치(340A) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.

도 14는 또 다른 실시 예에 의한 디스플레이 장치(300F)의 단면도를 나타낸다.

도 14에 도시된 디스플레이 장치(300F)는 커버 기판(310C), 디스플레이 패널(330F), 폼 테이프(350), 백 플레이트(360), 접착층(320E) 및 압전 초음파 변환 장치(340F)를 포함할 수 있다.

커버 기판(310C)은 도 9에 도시된 커버 부재(310C)에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있다.

디스플레이 패널(330F)이 유기전계발광표시(OLED) 패널인 경우, 디스플레이 패널(330F)은 별도의 광원이 필요하지 않은 자발광 소자를 포함한다. 디스플레이 패널(330F)은 편광판(335), 봉지재(encapsulation)(336), 컬러 필터 어레이(337) 및 OLED TFT(338)를 포함할 수 있다.

편광판(335)은 커버 기판(310C)과 봉지재(336) 사이에 배치된다. 봉지재(336)는 편광판(335)과 필터 어레이(337) 사이에 배치될 수 있으며, 인캡슐레이션을 위한 봉지 기판 역할을 한다.

픽셀 어레이(337)는 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)로 구현될 수 있다.

OLED TFT(338)는 픽셀 어레이(337)와 폼 테이프(350) 사이에 배치될 수 있다. OLED TFT(338)는 박막 트랜지스터(TFT) 및 박막 트랜지스터(TFT)와 접촉하는 유기 발광 소자(OLED)를 포함할 수 있다. 유기 발광 소자(OLED)는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 형성된 유기발광층을 포함할 수 있다.

폼 테이프(350), 백 플레이트(360), 접착층(320E) 및 압전 초음파 변환 장치(340F)는 도 20에 도시된 폼 테이프(350), 백 플레이트(360), 접착층(320D) 및 압전 초음파 변환 장치(340E) 각각에 해당하며, 동일한 역할을 수행할 수 있으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.

도 9 내지 도 14에 도시된 압전 초음파 변환 장치(340A 내지 340F)는 도 2 내지 도 7에 도시된 압전 초음파 변환 장치에 해당하며 지문 센서일 수 있다. 또한, 도 10에 예시된 바와 같이 압전 초음파 변환 장치(340B)는 유효 영역(AA)에 배치될 수 있다.

도 9 내지 도 14에 따른 디스플레이 장치의 압전 초음파 변환 장치(340A 내지 340F)는 사용자 인증 시에 사용될 수 있다. 예를 들어, 압전 초음파 변환 장치(340A 내지 340F)가 배치된 지문 영역에 사용자가 터치하여, 인증한 후 디스플레이 장치의 잠금 화면의 해제할 수 있다.

도 15는 디스플레이 장치의 구동 방법(400)을 설명하기 위한 플로우차트이다.

도 16 (a) 내지 (c)는 도 15의 설명을 돕기 위한 도면이다.

도 15을 참조하면, 디스플레이 장치에서 화면이 터치되었는가를 판단한다(제410 단계). 만일, 화면이 터치되었다고 인식되지 않으면, 도 16 (a)에 도시된 바와 같이 화면이 턴 오프된 대기 상태를 유지한다. 제410 단계에서의 터치는 디스플레이 장치에서 화면 이외의 다른 부분의 터치일 수도 있다. 화면이 터치되었는가를 판단하는 기준은 일정 시간 간격을 둔 소정의 횟수 이상의 터치, 일정 압력 이상을 가하는 터치, 소정의 시간 이상을 유지하고 있는 터치일 수 있으며, 특별히 제한하지 않는다.

그러나, 디스플레이 장치에서 화면이 터치되었다고 인식되면, 화면을 턴 온시켜 지문 영역을 표시하고, 지문 센서를 활성화시킨다(제420 단계). 여기서, 화면의 턴 온이란, 도 16 (b)에 예시된 바와 같이 화면이 사용자에게 디스플레이된 상태를 의미한다. 제420 단계에서, 디스플레이 장치의 잠금 상태는 유지된다.

제420 단계 후에, 디스플레이 장치의 화면이 추가로 터치되었는가를 판단한다(제430 단계). 만일, 디스플레이 장치의 화면이 추가로 터치되지 않았다고 판단되면 화면을 다시 턴 오프한다. 추가로 화면이 터치되었는가를 판단하는 기준은 제410 단계에서의 터치 이후 별도의 터치 입력일 수 있고, 또는, 제410 단계에서 터치를 유지하고 있는 터치 입력일 수 있으며, 활성화된 지문 센서로 인식이 가능한 상태인지 판단할 수 있는 입력이면 족하며 이에 제한하지 않는다.

그러나, 디스플레이 장치의 화면이 추가로 터치되었다고 판단되면, 디스플레이 장치의 지문 영역이 터치되었는가를 판단한다(제440 단계). 여기서, 지문 영역이란, 지문 센서가 지문을 감지할 수 있는 영역을 의미하며, 디스플레이 장치의 화면에 위치하며, 사용자의 지문이 지문 영역을 터치할 때만, 지문 센서가 지문을 센싱할 수 있다.

만일, 디스플레이 장치의 지문 영역이 터치되지 않았다고 판단되면, 지문 영역을 터치하라는 메시지를 사용자에게 보낸 후, 제420 단계로 진행한다(제450 단계). 지문 영역의 일 례가 도 16 (b)에 도시되어 있다.

그러나, 지문 영역이 터치되었다고 판단되면, 터치된 지문이 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문인가를 판단한다(제460 단계). 이를 위해, 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문은 사전에 저장되고, 제460 단계에서 터치된 지문이 사전에 저장된 지문과 동일한가를 판단한다.

만일, 터치된 지문이 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문이 아니라고 판단되면, 지문 재인식을 요구하는 메시지를 사용자에게 보낸 후, 제420 단계로 진행한다(제470 단계).

그러나, 터치된 지문이 디스플레이 장치의 사용이 허가된 지문이라고 판단되면, 디스플레이 장치의 잠금을 해제하여 사용자로 하여금 디스플레이 장치를 사용하도록 허가한다(제480 단계). 도 16 (c)는 잠금 해제된 일 례를 보인다.

이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 340A 내지 340F: 압전 초음파 변환 장치
110: 압전 부재 120: 충진 부재
200: 생체 정보 측정 장치 202: 임피던스 정합 부재
210: 구동 제어부 220: 생체 정보 분석부
300A 내지 300F: 디스플레이 장치 310A: 커버 부재
310B: 커버 글래스 320A 내지 320E: 접착층
330A: 디스플레이 패널

Claims (10)

1. 서로 이격된 복수의 압전 부재, 상기 복수의 압전 부재의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 제1 방향으로 나란하고 제2 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제1 전극, 및 상기 복수의 압전 부재의 상기 상부 또는 상기 하부 중 나머지 하나에 상기 제2 방향으로 나란하고 상기 제1 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 압전 초음파 변환 장치; 및
   상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 구동 전압을 인가하고, 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 일부를 통해 수신 신호를 획득하는 구동 제어부를 포함하되,
   상기 구동 제어부는,
   제1 주파수를 갖는 제1 구동 전압 및 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 구동 전압을 동시에 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 인가하는, 생체 정보 측정 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 구동 제어부는,
   상기 제1 구동 전압 및 상기 제2 구동 전압을 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나에 동시에 인가하는, 생체 정보 측정 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 구동 제어부는,
   상기 제1 구동 전압은 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나에 인가하고, 상기 제2 구동 전압은 상기 제1 구동 전압이 인가된 제1 전극과 인접한 다른 제1 전극에 인가하여 빔 포밍이 수행되도록 하는, 생체 정보 측정 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 구동 제어부는,
   상기 제1 구동 전압은 상기 복수의 제1 전극 중 인접한 N(여기서 N은 1보다 큰자연수)개의 제1 전극에 인가하고, 상기 제2 구동 전압은 상기 제1 구동 전압이 인가된 N개의 제1 전극과 인접한 다른 N개의 제1 전극에 인가하여 빔 포밍이 수행되도록 하는, 생체 정보 측정 장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 구동 전압과 상기 제2 구동 전압은,
   유사한 파형과 동일한 진폭을 갖는, 생체 정보 측정 장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 구동 제어부는,
   상기 제1 전압 및 상기 제2 전압이 인가될 때, 상기 복수의 제2 전극은 그라운드상태로 제어하는, 생체 정보 측정 장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 구동 제어부는,
   상기 복수의 압전 부재 중 상기 제1 구동 전압 및 상기 제2 구동 전압이 인가된압전 부재로부터 송신된 초음파가 생체 대상물로부터 반사된 반사파에 대응되는 전기적 신호를 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 일부를 통해 획득하되, 상기 반사파에 대응되는 전기적 신호를 획득하는 동안 상기 복수의 제1 전극을 그라운드 상태로 제어하는, 생체 정보 측정 장치.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 생체 대상물은
   표피와 내부 구성물을 포함하고,
   상기 구동 제어부는,
   상기 표피와 내부 구성물 중 측정 희망 생체 대상물에 따라 상기 반사파에 대응되는 전기적 신호를 획득하는 시점을 달리하는, 생체 정보 측정 장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 생체 대상물은 손가락을 포함하고,
   상기 표피는 지문을 포함하며,
   상기 내부 구성물은 모세 혈관을 포함하는, 생체 정보 측정 장치.
10. 활성 영역을 포함하는 디스플레이 패널; 및
    생체 정보 측정 장치를 포함하고,
    상기 생체 정보 측정 장치는,
    서로 이격된 복수의 압전 부재, 상기 복수의 압전 부재의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 제1 방향으로 나란하고 제2 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제1 전극, 및 상기 복수의 압전 부재의 상기 상부 또는 상기 하부 중 나머지 하나에 상기 제2 방향으로 나란하고 상기 제1 방향으로 이격되어 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 압전 초음파 변환 장치; 및
    상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 구동 전압을 인가하고, 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 일부를 통해 수신 신호를 획득하는 구동 제어부를 포함하되,
    상기 구동 제어부는,
    제1 주파수를 갖는 제1 구동 전압 및 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 구동 전압을 동시에 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 일부에 인가하고,
    상기 압전 초음파 변환 장치는 상기 디스플레이 패널 하단에서, 상기 활성 영역과 대응하는 영역에 배치되는 디스플레이 장치.

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