KR20200002169A - 지문센서 일체형 화소 구동회로 및 이를 이용한 디스플레이 패널 - Google Patents

지문센서 일체형 화소 구동회로 및 이를 이용한 디스플레이 패널 Download PDF

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Abstract

본 발명은 OLED나 LCD 또는 LED의 화소 구동회로에 지문을 검출하기 위한 정전용량 검출회로가 일체로 구현되어 디스플레이 화면의 어느 곳에서나 지문을 검출할 수 있고 소자의 박형화와 저비용화를 가능하게 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로 및 이를 이용한 디스플레이 패널에 관한 것이다. 본 발명의 지문센서 일체형 화소 구동회로는 디스플레이 모드에서 동작하여 화상을 표출하는 표시부와, 지문인식 모드에서 동작하여 정전용량방식으로 지문을 검출하는 지문 검출부가 하나의 단위 화소에 일체로 구현된 것이다. 표시부는 OLED 화소나 LCD 화소 또는 LED 화소 중 어느 하나일 수 있고, 지문 검출부는 지문인식 모드에서 손가락이 접촉되면 충전을 시작하는 검출용량과, 지문인식 모드에서 지문 Vdd 전압에 의해 충전을 시작하는 기준용량과, 지문인식 모드에서 행 제어 신호에 따라 온되면, 지문검출 라인을 통해 지문센서용 Vdd 전압을 공급하는 매트릭스 스위치와, 검출용량의 충전전압이 임계치를 초과하면, 턴 온되어 지문검출 라인에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 지문검출 스위치와, 지문인식 모드가 개시되면, 상기 검출용량을 방전시키는 리셋부로 구성된다.

Description

지문센서 일체형 화소 구동회로 및 이를 이용한 디스플레이 패널{Fingerprint sensor integrated type pixel driver circuit and display panel using the same}
본 발명은 지문센서 일체형 디스플레이 패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 OLED나 LCD 또는 LED의 화소 구동회로에 지문을 검출하기 위한 정전용량 검출회로가 일체로 구현되어 디스플레이 화면의 어느 곳에서나 지문을 검출할 수 있고 소자의 박형화와 저비용화를 가능하게 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로 및 이를 이용한 디스플레이 패널에 관한 것이다.
최근에는 모바일 시장에서도 개인 인증 및 보안 강화의 필요성이 급격히 증가하면서, 모바일 기기에 지문인식 기능을 탑재한 휴대 단말기들이 널리 보급되고 있다.
모바일 기기에 지문 인식 센서를 구현하는 방식으로는 광학 방식, 초음파 방식, 열감지 방식 및 정전용량 방식 등의 다양한 인식 방식이 알려져 있다. 이 중, 정전용량 방식의 지문센서는 최상위 전극판과 지문의 융선(ridge) 간에 형성되는 정전용량, 최상위 전극판과 지문의 골(valley) 간에 형성되는 정전용량의 차이를 전기적 신호로 변환하여 기준 신호와의 크기를 비교한 후 디지털화 및 이미지화함으로써 지문 이미지를 형성하게 된다.
한편, 종래 대부분의 모바일 기기에 탑재된 지문인식 기능은 디스플레이 패널과 분리된 별도의 지문센서 반도체 칩을 이용하는 방식이었으나 기기의 소형화를 위해 디스플레이 패널에 지문인식 기능을 일체로 구현하고자 하는 시도가 널리 연구되고 있다.
종래에 디스플레이 패널에 지문인식 기능을 구현하는 방식은 주로 터치 스크린을 검출 전극으로 이용하는 방식이다. 예컨대, 공개번호 10-2016-0093750호로 공개된 지문센서를 구비한 터치 스크린 표시장치와 공개번호 10-2017-0129476호로 공개된 지문인식 겸용 터치 스크린 장치는 터치 스크린에 검출 전극을 구현한 것이다.
이와 같이 OLED나 LCD 또는 LED 디스플레이 패널과는 별도로 제작되어 있는 정전 용량 식이나 광학식 지문 센서 패널을 부가하여 디스플레이 패널에 지문센서 기능을 구현하는 방식은 별도의 지문 센서 패널과 드라이브 IC를 사용하여 원가가 상승하고, 패널의 두께가 두꺼워지며, 디스플레이 화면의 투명도가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 OLED나 LCD 또는 LED의 화소 구동회로에 지문을 검출하기 위한 정전용량 검출회로가 일체로 구현되어 디스플레이 화면의 어느 곳에서나 지문을 검출할 수 있고 소자의 박형화와 저비용화를 가능하게 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로 및 이를 이용한 디스플레이 패널을 제공하는 것이다.
본 구현 예는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 제공한다. 본 지문센서 일체형 화소 구동회로는 디스플레이 모드에서 동작하여 화상을 표출하는 표시부와, 지문인식 모드에서 동작하여 정전용량방식으로 지문을 검출하는 지문 검출부가 하나의 단위 화소에 일체로 구현된 것이다.
상기 표시부는 OLED 화소나 LCD 또는 LED 화소 중 어느 하나일 수 있고, 상기 지문 검출부는 지문인식 모드에서 손가락이 접촉되면 충전을 시작하는 검출용량과, 지문인식 모드에서 지문 Vdd 전압에 의해 충전을 시작하는 기준용량과, 지문인식 모드에서 행 제어 신호에 따라 온(on)되면, 지문검출 라인을 통해 지문센서용 Vdd 전압을 공급하는 매트릭스 스위치와, 상기 검출용량의 충전전압이 임계치를 초과하면, 턴 온(turn on)되어 지문검출 라인에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 지문검출 스위치와, 지문인식 모드가 개시되면, 상기 검출용량을 방전시키는 리셋(reset)부를 포함한다.
또한 본 구현 예의 디스플레이 패널은 M x N 단위 화소들로 이루어지고, 행 제어신호에 따라 선택된 행에 데이터를 인가하여 단위 화소를 구동하거나 지문인식 모드에서 소정의 지문인식 영역을 형성하는 매트릭스부; 상기 매트릭스부에 행 제어신호를 공급하는 스캔 드라이버; 상기 매트릭스부에 화소 데이터신호를 공급하는 데이터 드라이버; 및 지문인식 모드에서 상기 지문인식 영역의 단위 화소에 지문을 인식하기 위한 구동전압을 인가하고 검출전류를 입력받는 지문인식 드라이버를 포함한다.
상기 단위 화소의 물리적인 구조는, 지문검출전극이 화소전극과 분리된 독립형 구조이거나 화소전극을 지문검출전극으로 사용하는 구조일 수도 있고, 지문검출전극으로 사용되는 화소전극은 지문모드에서 아노드(Anode)와 케소드(Cathode)를 연결하기 위한 스위치를 더 구비하여 아노드와 케소드를 지문검출전극으로 사용할 수도 있다. 화소전극을 지문검출전극으로 사용할 경우에는 추가 접지전극 및 추가 절연막과 조합하여 지문검출 커패시터(Capacitor)를 형성시킨다.
또한 상기 단위 화소의 물리적인 구조는 화소영역과 일체형 드라이브회로 영역 및 검출 커패시터 영역이 수평으로 배치되거나 수직으로 배치될 수 있다.
상기 단위 화소는 디스플레이 모드에서 동작하여 화상을 표출하는 단위 화소의 표시부와, 지문인식 모드에서 동작하여 지문을 검출하는 단위 화소의 지문 검출부로 이루어지고, 상기 단위 화소의 표시부는 OLED 픽셀과, 인가된 데이터 전압에 따라 상기 OLED 픽셀에 흐르는 전류를 제어하는 버퍼와, 행 제어 신호에 따라 온되면 데이터 선으로부터 인가되는 데이터 전압을 상기 버퍼에 인가하는 제1 매트릭스 스위치로 구성된 것이다.
상기 단위 화소의 표시부는 인가된 데이터 전압에 따라 휘도가 가변되는 액정 픽셀과, 행 제어 신호에 따라 온되면 데이터 라인으로부터 인가되는 데이터 전압을 상기 액정 픽셀에 인가하는 제1 매트릭스 스위치로 구성된 것이고, 상기 단위 화소의 지문 검출부는 지문인식 모드에서 손가락이 접촉되면 충전을 시작하는 검출용량과, 지문인식 모드에서 지문 Vdd 전압에 의해 충전을 시작하는 기준용량과, 행 제어 신호에 따라 지문인식 모드에서 온되어 지문검출 라인을 통해 지문센서용 Vdd 전압을 공급하는 제2 매트릭스 스위치와, 상기 검출용량의 충전전압이 임계치를 초과하면, 턴 온되어 지문검출 라인에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 지문검출 스위치와, 지문인식 모드가 개시되면, 상기 검출용량을 방전시키는 리셋부를 포함하는 것이다.
본 구현 예에 따르면, LCD 패널, OLED 패널 혹은 LED 패널에 정전 센서를 일체로 실장할 수 있어 종래의 반도체 지문 센서와 달리 패널 어디서나 지문 검출이 가능하게 된다.
또한 본 구현예에 따르면, 패널의 두께에 변화가 없으면서도 디스플레이 화면과 지문 인식이 모두 가능하고, 별도의 지문 센서 패널과 별도의 지문 센서 드라이브용 IC가 필요 없으며, 디스플레이 디바이스 구조의 추가가 없어 그대로 사용하기 때문에 투명도 저하의 문제도 없다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 디스플레이 패널의 예,
도 2는 제 1 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 블럭도,
도 3은 제 1 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 회로 예,
도 4는 제 1 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 동작 타이밍도,
도 5는 본 실시예에 따른 단위 픽셀 물리적 구조의 제 1 형,
도 6은 본 실시예에 따른 단위 픽셀 물리적 구조의 제 2 형,
도 7은 본 실시예에 따른 단위 픽셀 물리적 구조의 제 3 형,
도 8은 본 실시예에 따른 단위 픽셀 물리적 구조의 제 4 형,
도 9는 제 2 실시예에 따른 디스플레이 패널의 예,
도 10은 제 2 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 블럭도,
도 11은 제 2 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 회로 예,
도 12는 제 2 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 동작 타이밍도,
도 13은 본 실시예들에서 디스플레이 패널에 지문 터치 영역을 구현한 예,
도 14는 도 13의 구동 타이밍 예이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
본 발명은 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) Display, 그리고 OLED(Organic Light Emitting Diode) 등과 같은 다양한 유형의 평판 표시 장치에 적용할 수 있는데, 제 1 실시예는 OLED 디스플레이 패널에 적용한 예이고, 제 2 실시예는 LCD 디스플레이 패널에 적용한 예이다. 여기서, LED 디스플레이는 micro-LED를 화소로 이용한 것으로서, 화소를 구성하는 물질로 유기물(Organic)을 사용하는 OLED와 달리 무기물(Inorganic)을 사용하고 micro 단위로 미세하게 형성하여 화소를 구성한 것이다. 동작원리는 OLED와 동일하나 OLED가 유기물이어서 Burn In되는 문제점을 해결하기 위한 대안으로 개발되고 있는 무기물 디스플레이 형태이다.
도 1은 본 발명을 OLED 디스플레이 패널에 적용한 제 1 실시예의 개략도이다.
제 1 실시예의 디스플레이 패널(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 매트릭스부(110), 스캔 드라이버(120), 데이터 드라이버(130), 지문인식 드라이버(140)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 매트릭스부(110)는 P00, P10, P01, ..Pmn의 단위 화소들로 이루어지고, 행 라인(Y0~Ym)에 스캔 제어신호를 순차적으로 인가하여 선택된 행에 데이터 라인(D0~Dn)을 통해 데이터 신호를 인가하여 해당 단위 화소를 구동하거나 지문인식 모드에서 소정의 지문인식 영역을 형성한다. 또한 매트릭스부(110)에는 단위 화소를 구동하기 위한 OLED Vdd 전압, 지문인식 영역을 구동하기 위한 클럭(CLK), 지문인식 영역의 검출 커패시터를 방전시키기 위한 Reset 신호 등이 공급된다.
스캔 드라이버(120)는 행 라인(Y0~Ym)을 통해 매트릭스부(110)에 행 제어신호를 공급하고, 데이터 드라이버(130)는 데이터 라인(D0~Dn)을 통해 매트릭스부(110)에 화소 데이터신호를 공급한다. 이러한 스캔 드라이버(120)와 데이터 드라이버(130)는 통상의 OLED 디스플레이 장치와 유사하므로 더 이상의 설명을 생략하기로 한다.
지문인식 드라이버(140)는 지문검출 라인(XF0~XFn)을 통해 지문인식 모드에서 지문인식 영역의 단위 화소에 지문을 인식하기 위한 구동전압(지문 Vdd)을 인가하고 해당 지문검출 라인(XF0~XFn)을 통해 검출전류를 입력받는다. 지문인식 드라이버(140)는 데이터 드라이버(130)와 일체로 구현될 수도 있다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 블럭도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 회로 예이며, 도 4는 제 1 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 동작 타이밍도이다.
제 1 실시예의 지문센서 일체형 화소 구동회로(Pmn)는 디스플레이 모드에서 동작하여 화상을 표출하는 OLED 표시부(A1)와, 지문인식 모드에서 동작하여 정전용량방식으로 지문을 검출하는 지문 검출부(B)가 하나의 단위 화소에 일체로 구현된 것이다.
도 2를 참조하면, OLED 표시부(A1)는 OLED 픽셀(113)과, 인가된 데이터 전압에 따라 OLED 픽셀(113)에 흐르는 전류를 제어하는 버퍼(112)와, 선택된 행 라인(Yselect)을 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온되면 데이터 선(Dn)으로부터 인가되는 데이터 전압(Data)을 버퍼(112)에 인가하는 제1 매트릭스 스위치(111)로 구성된다.
지문 검출부(B)는 지문인식 모드에서 손가락이 접촉되면 충전을 시작하는 검출용량(Cx)과, 지문인식 모드에서 지문 Vdd 전압에 의해 충전을 시작하는 기준용량(CR)과, 지문인식 모드에서 행 제어 신호에 따라 온되면, 지문검출 라인(XF)을 통해 지문센서용 Vdd 전압을 공급하는 제2 매트릭스 스위치(114)와, 검출용량의 충전전압이 임계치(Vt)를 초과하면, 턴 온되어 지문검출 라인(XF)에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 지문검출 스위치(115)와, 지문인식 모드가 개시되면, 검출용량(Cx)을 방전시키는 리셋부(117)를 포함한다.
이러한 제 1 실시예의 지문센서 일체형 화소 구동회로(Pmn)는 도 3에 도시된 바와 같이, OLED 픽셀과, 디스플레이 모드에서 선택된 행 라인(Yselect)을 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온(ON)/오프(OFF)되는 제 1 FET(Q1)와, 보조 커패시터(C1), 제 1 FET(Q1)가 온되면 게이트에 인가되는 데이터 전압에 따라 OLED 픽셀에 흐르는 전류를 제어하는 제 2 FET(Q2)와, 지문인식 모드에서 선택된 행 라인(Yselect)을 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온/오프되는 제3 FET(Q3)와, 기준 커패시터(CR), 손가락이 터치되면 충전되는 검출 커패시터(Cx), 게이트로 인가되는 Reset 전압에 따라 온되면 검출 커패시터(Cx)를 방전시키는 제 5 FET(Q5)와, 검출 커패시터(Cx)의 충전전압이 임계치(Vt)를 초과하면 턴 온되어 지문검출 라인(XF)에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 제 4 FET(Q4)로 이루어진다.
이러한 제 1 실시예의 지문센서 일체형 화소 구동회로(Pmn)는 도 4에 도시된 바와 같이, 디스플레이 모드와 지문인식 모드로 구분되어 동작한다. 도 4에서 (a)는 디스플레이 모드에서의 동작 타이밍도이고, (b)는 지문인식 모드에서의 동작 타이밍도이다.
도 4를 참조하면, 디스플레이 모드와 지문인식 모드는 다음 표 1과 같이 OLED Vdd와 지문 Vdd에 의해 결정된다.
구분 디스플레이 모드 지문인식 모드
OLED Vdd High Low
지문 Vdd Low High
상기 표 1과 같이 OLED Vdd는 디스플레이 모드에서 High가 되고 지문인식 모드에서는 Low가 되며, 지문 Vdd는 디스플레이 모드에서 Low가 되고 지문인식 모드에서는 High가 된다.
디스플레이 모드에서 OLED 패널을 구동할 때는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, OLED Vdd가 하이가 되고, 선택된 행 라인(Yselect)이 하이가 되면 제1 FET(Q1)가 온되고, 이때 데이터 라인(Dn)을 통해 인가되는 전압이 제1 FET(Q1)를 거쳐 제2 FET(Q2)의 게이트에 인가되어 제2 FET(Q2)가 OLED 픽셀에 흐르는 전류를 데이터 전압에 따라 제어하여 OLED 픽셀을 구동한다. 디스플레이 모드에서 지문 Vdd, clock, 지문검출 스위치, Reset은 로우가 된다.
지문인식 모드에서 지문 센서로 작동하는 경우, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, OLED Vdd가 로우가 되고, 지문 Vdd가 하이가 되며, 선택된 행 라인(Yselect)이 하이가 되고, 이때 지문인식을 위한 클럭(Clock)이 인가된다.
지문인식 모드가 시작되면, 손가락을 터치하면 검출 커패시터(Cx)가 방전되거나, 손가락이 터치된 후에 리셋(Reset) 신호에 의해 검출 커패시터(Cx)가 방전된다. 그 후, 클럭(Clock) 신호에 의해 검출 커패시터(Cx)가 충전되면서 지문검출 스위치(Q4)의 (Vt)을 넘어서면 지문 검출 스위치(Q4)가 온되고, 이에 따라 지문검출 라인(XF)에 전류(Idd)가 흐르게 되면서 지문을 검출하게 된다.
한편, 본 실시예에서 단위 픽셀의 물리적 구조는 다음 표 2와 같이, 일체형 드라이브 회로와 화소 소자의 배열 구조에 따라 '수평(횡) 배열 구조'와 '수직(종) 배열구조'로 구분할 수 있고, 지문검출 커패시터(Cx)의 검출전극을 구현하는 방식에 따라 화소 전극과 독립된 별개의 검출 전극을 갖는 '독립형 배치 구조'와 화소 전극과 추가 독립 전극을 검출 전극으로 사용하는 '겸용 배치 구조'로 구분할 수 있다.
구분 지문검출전극의 배치구조 지문검출 커패시터(Cx) 일체형 드라이브회로 도면
제1형 화소전극과 별개의 독립형 화소영역과 수평 배열 화소영역에 횡 배열
화소영역에 종 배열		 도5a
도5b
제2형 화소전극과 별개의 독립형 화소영역의 하면에 배열 화소영역에 횡 배열
화소영역에 종 배열		 도6a
도6b
제3형 화소전극과 별도의 추가전극을 조합하여 검출전극으로 사용 화소영역의 하면에 배열 화소영역에 횡 배열
화소영역에 종 배열		 도7a
도7b
제4형 화소전극과 별도의 추가전극을 조합하여 검출전극으로 사용 화소영역의 하면에 배열 화소영역에 횡 배열
화소영역에 종 배열		 도8a
도8b
도 5는 본 실시예에 따른 단위 픽셀의 물리적 구조의 제1형으로서, (a)는 지문검출 커패시터를 독립형으로 구현하면서 일체형 드라이브 회로와 화소 소자를 수평(횡)으로 배열한 예이고, (b)는 지문검출 커패시터를 독립형으로 구현하면서 일체형 드라이브 회로와 화소 소자를 수직(종)으로 배열한 예이다.
수평(횡) 배열 구조의 제1형의 단위 픽셀(10-1)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(11) 위에 절연막(12)이 도포되어 있고, 절연막(12) 위에 화소영역(B1)과 지문센서 드라이브회로(B2), 디스플레이 드라이브회로(B3), 검출전극(B4)이 수평(횡)으로 배열된 구조로 되어 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, 기판(11) 위에 CVD나 PVD 등을 이용하여 절연막(12)이 형성되어 있고, 화소영역(B1)은 OLED의 경우 아노드(13)와 케소드(15) 사이에 OLED 발광 구조(14)가 형성되어 있다. 절연막(11) 위에 화소영역(B1)과 수평으로 지문센서 드라이브 회로(B2)와 디스플레이 드라이브 회로(B3)로 이루어진 일체형 드라이브 회로(16)가 형성되어 있다. 지문 검출 커패시터(Cx)는 절연막(12) 위에 검출전극(17)과 접지전극(19) 사이에 절연막(18)의 유전체층이 배치된 구조로서, 지문 검출전극(17)이 화소전극(13)과 별도로 독립되어 있다. 검출전극(17)과 접지전극(19)은 사용하고자 하는 지문센서의 지문 검출면의 방향에 따라 상호간에 극성을 바꾸어 형성할 수 있다. 통상 드라이브 회로(16)는 표면에 보호막(passivation)이 형성되어 있고, 하면에는 접지전극으로서 GND 막이 형성되어 있다. 이와 같은 독립형의 검출전극 구조에서는 다른 회로나 소자와 간섭이 발생되지 않는 장점이 있다. 즉, 화소전극만을 검출전극으로 사용할 경우에는 지문검출 커패시터를 형성하는 전극 구조가 OLED 발광소자에 국한되어 누설전류가 흘러 커패시터 역할을 할 수 없다.
수직(종) 배열 구조의 제1형의 단위 픽셀(10-2)은 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(11) 위에 절연막(12)이 도포되어 있고, 절연막(12) 위에 일체형 드라이브 회로(16)와 화소영역(13~15)이 수직으로 적층되어 있고, 검출 커패시터(17~19)가 그 옆에 수평으로 배열되어 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 일체형 드라이브 회로(16)가 화소영역(13~15)의 하면에 수직으로 배열된 점을 제외하고는 도 5의 (a)와 동일한 것을 알 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 단위 픽셀의 물리적 구조의 제2형으로서, (a)는 지문검출 커패시터(Cx)를 독립형으로 구현하면서 일체형 드라이브 회로(29)를 화소 소자(26~28)에 대해 수평(횡)으로 나란히 배열한 예이고, (b)는 지문검출 커패시터(Cx)를 화소전극과 분리하여 독립형으로 구현하면서 일체형 드라이브 회로(29)와 화소소자(26~28)를 수직(종)으로 배열한 예이다.
수평 배열 구조의 제2형의 단위 픽셀(20-1)은 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(21) 위에 검출 커패시터(Cx)를 적층하고, 그 위에 절연막층(25)을 형성한 후 화소영역(26~28)과 일체형 드라이브 회로(29)를 수평(횡)으로 배열한 구조로 되어 있다.
도 6의 (a)를 참조하면, 접지전극(22)과 검출전극(24) 사이에 절연막(23)의 유전체층이 형성된 지문검출 커패시터(Cx)가 형성되어 있고, 검출전극(24) 위에 절연막(25)이 형성되어 있다. 절연막(25) 위에 화소영역(26~28)과 일체형 드라이브 회로(29)가 수평으로 나란히 배열되어 있는데, 화소영역(26~28)은 OLED의 경우 아노드(26)와 케소드(28) 사이에 OLED 발광 구조(27)가 형성된 구조로 되어 있다. 접지전극(22)과 검출전극(24)은 사용하고자 하는 지문센서의 지문 검출 면의 방향에 따라 상호간에 극성을 바꾸어 형성할 수 있다.
또한 일체형 드라이브 회로(29)는 디스플레이 드라이브 회로와 지문센서 드라이브 회로가 일체로 구현된 것으로서, 표면에 보호막이 형성되어 있고, 하면에는 접지전극으로서 GND 막이 형성되어 있다. 이와 같은 독립형 배열의 검출전극 구조에서는 다른 회로나 소자와 간섭이 발생하지 않는 장점이 있다.
수직 배열 구조의 제2형의 단위 픽셀(20-2)은 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(21) 위에 검출 커패시터(Cx)를 형성하고, 그 위에 절연막층(25)을 형성한 후 일체형 드라이브 회로(29)와 화소 영역(26~28)을 수직으로 순차 적층한 구조이다.
도 6의 (b)를 참조하면, 일체형 드라이브 회로(29)가 화소영역(26~28)의 하면에 수직으로 배열된 점을 제외하고는 도 6의 (a)와 동일한 것을 알 수 있다.
도 7은 본 실시예에 따른 단위 픽셀의 물리적 구조의 제3형으로서, (a)는 화소영역의 아노드(34)를 지문검출 전극으로 사용하면서 별도의 접지전극(32)을 추가하고 검출전극인 아노드(34)와 별도 접지전극(32) 사이에 절연막(33)을 두어 지문검출 커패시터(Cx)를 구성하고 일체형 드라이브 회로(37)와 화소영역(34~36)을 수평으로 배열한 예이고, (b)는 화소영역(34~36)의 아노드(34)를 지문검출 전극으로 사용하면서 별도의 접지전극(32)을 추가하고 검출전극인 아노드와 별도 접지전극 사이에 절연막을 두어 지문검출 커패시터(Cx)를 형성하고 일체형 드라이브 회로(37)와 화소영역(34~36)을 수직으로 배열한 예이다.
수평 배열 구조의 제3형의 단위 픽셀(30-1)은 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(31) 위에 지문검출 커패시터(Cx)를 형성하고, 화소 영역(34~36)과 일체형 드라이브 회로(37)를 수평으로 배열한 구조로 되어 있다.
도 7의 (a)를 참조하면, 기판(31) 위에 접지전극(32)을 형성한 후 절연막(33)을 적층하고, 절연막(33) 위의 일부에 아노드(34)와 케소드(36) 사이에 OLED 발광소자 구조(35)를 형성하여 화소영역(34~36)을 형성함과 아울러 화소영역의 아노드(34)를 지문을 검출하기 위한 검출전극으로 사용한다. 기판 위에 형성한 접지전극(32)은 절연막(33), 그리고 검출전극인 아노드(34)와 함께 지문검출 커패시터(Cx)를 형성시키기 위하여 별도로 추가한 전극이다. 그리고 절연막(33) 위의 다른 일부에 디스플레이 드라이브 회로와 지문센서 드라이브 회로가 일체로 구현된 일체형 드라이브 회로(37)를 형성한다.
수직 배열 구조의 제3형의 단위 픽셀(30-2)은 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(31) 위에 지문검출 커패시터(Cx)를 형성하고, 그 위에 일체형 드라이브 회로(37)와 화소 영역(34~36)을 순차적으로 수직 적층한 구조로 되어 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 절연막(33)과 아노드(34) 사이에 일체형 드라이브 회로(37)가 삽입되어 일체형 드라이브회로(37)가 수직(종)으로 배열된 것을 제외하고는 도 7의 (a)와 동일한 것을 알 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 단위 픽셀의 물리적 구조의 제4형으로서, (a)는 화소의 아노드와 케소드를 지문 검출전극으로 사용하면서 일체형 드라이브 회로와 화소영역을 수평으로 배열한 예이고, (b)는 화소의 아노드와 케소드를 지문 검출전극으로 사용하면서 일체형 드라이브 회로와 화소영역을 수직(종)으로 배열한 예이다.
수평 배열 구조의 제4형의 단위 픽셀(40-1)은 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(41) 위에 지문검출 커패시터(Cx)를 형성하고, 그 위에 화소 영역(44~46)과 일체형 드라이브 회로(47)를 수평으로 배열한 구조로 되어 있다.
도 8의 (a)를 참조하면, 기판(41) 위에 접지전극(42)을 형성한 후 절연막(43)을 적층하고, 절연막(43) 위의 일부에 아노드(44)와 케소드(46) 사이에 OLED 발광소자 구조(45)를 형성하여 화소영역을 형성함과 아울러 지문모드에서는 스위치(48)를 연결하여 화소영역의 아노드(44)와 케소드(46)를 지문을 검출하기 위한 검출 전극으로 사용한다. 그리고 절연막(43) 위의 다른 일부에 디스플레이 드라이브 회로와 지문센서 드라이브 회로가 일체로 구현된 일체형 드라이브 회로(47)를 형성한다. 이와 같은 구조는 제4형에서 아노드(44)와 케소드(46) 사이에 스위치(48)를 부가하여 지문모드에서 아노드(44)와 케소드(46)를 연결한 후 아노드(44)와 케소드(46)를 모두 검출전극으로 사용하는 점을 제외하고는 제3형과 동일하다.
수직 배열 구조의 제4형의 단위 픽셀(40-2)은 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(41) 위에 지문검출 커패시터(Cx)를 형성하고, 그 위에 일체형 드라이브 회로(47)와 화소 영역(44~46)을 순차적으로 수직 적층한 구조로 되어 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 절연막(43)과 아노드(44) 사이에 일체형 드라이브 회로(47)가 삽입되어 일체형 드라이브회로(47)가 수직으로 배열된 것을 제외하고는 도 8의 (a)와 동일한 것을 알 수 있다.
이러한 제1형 내지 제4형에 따른 단위 픽셀의 물리적 구조는 OLED형 화소는 물론 LCD 화소, LED 화소 등 다양한 종류의 평판 디스플레이 화소에 그대로 혹은 일부를 변경하여 적용할 수 있다. 즉, 본 실시예를 LCD에 적용할 경우에는 '아노드(Anode) - OLED - 케소드(Cathode)' 구조를 '전극 - 액정 - 전극' 구조로 변경하여 적용할 수 있다.
도 9는 본 발명을 LCD 디스플레이 장치에 적용한 제 2 실시예의 개략도이다.
제 2 실시예의 디스플레이 장치(200)는 도 9에 도시된 바와 같이, 매트릭스부(210), 스캔 드라이버(220), 데이터 드라이버(230), 지문인식 드라이버(240)를 포함한다.
도 9를 참조하면, 매트릭스부(210)는 P00, P10, P01, ..Pmn의 단위 화소들로 이루어지고, 행 라인(Y0~Ym)에 스캔 제어신호를 순차적으로 인가하여 선택된 행에 데이터 라인(D0~Dn)을 통해 데이터 신호를 인가하여 해당 단위 화소를 구동하거나 지문인식 모드에서 소정의 지문인식 영역을 형성한다. 또한 매트릭스부(210)에는 지문인식 영역을 구동하기 위한 클럭(CLK), 지문인식 영역의 검출 커패시터를 방전시키기 위한 Reset 신호 등이 공급된다.
스캔 드라이버(220)는 행 라인(Y0~Ym)을 통해 매트릭스부(210)에 행 제어신호를 공급하고, 데이터 드라이버(230)는 데이터 라인(D0~Dn)을 통해 매트릭스부(210)에 화소 데이터를 공급한다. 지문인식 드라이버(240)는 지문검출 라인(XF0~XFn)을 통해 지문인식 모드에서 지문인식 영역의 단위 화소에 지문을 인식하기 위한 구동전압(지문 Vdd)을 인가하고 해당 지문검출 라인(XF)을 통해 검출전류를 입력받는다.
이러한 제 2 실시예의 디스플레이 패널은 디스플레이 패널이 LCD인 점을 제외하고는 제 1 실시예와 유사하므로 더 이상의 설명을 생략하기로 한다.
도 10은 제 2 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 블럭도이고, 도 11은 제 2 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 회로 예이며, 도 12는 제 2 실시예에 따른 단위 픽셀 구동회로의 동작 타이밍도이다.
제 2 실시예의 지문센서 일체형 화소 구동회로(Pmn)는 디스플레이 모드에서 동작하여 화상을 표출하는 LCD 표시부(A2)와, 지문인식 모드에서 동작하여 정전용량방식으로 지문을 검출하는 지문 검출부(B)가 하나의 단위 화소에 일체로 구현된 것이다.
도 10을 참조하면, LCD 표시부(A2)는 인가된 데이터 전압에 따라 휘도가 가변되는 액정 픽셀(Cpl)과, 행 제어 신호에 따라 온되면 데이터 선으로부터 인가되는 데이터 전압을 액정 픽셀에 인가하는 제1 매트릭스 스위치(211)로 구성된다.
지문 검출부(B)는 지문인식 모드에서 손가락이 접촉되면 충전을 시작하는 검출용량(Cx)과, 지문인식 모드에서 지문 Vdd 전압에 의해 충전을 시작하는 기준용량(CR)과, 지문인식 모드에서 행 제어 신호에 따라 온되면, 지문검출 라인(XF)을 통해 지문센서용 Vdd 전압을 공급하는 제2 매트릭스 스위치(212)와, 검출용량의 충전전압이 임계치(Vt)를 초과하면, 턴 온되어 지문검출 라인에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 지문검출 스위치(213)와, 지문인식 모드가 개시되면, 검출용량을 방전시키는 리셋부(214)를 포함한다.
이러한 제 2 실시예의 지문센서 일체형 화소 구동회로(Pmn)는 도 11에 도시된 바와 같이, LCD 픽셀(Cp1)과, 보조 커패시터(C1), 선택된 행 라인(Yselect1)을 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온/오프되며 온되면 데이터 라인(Dn)을 통해 데이터 전압을 LCD 픽셀에 인가하는 제 1 FET(Q1)와, 선택된 행 라인(Yselect2)을 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온/오프되며 온되면 데이터 라인(Dm)을 통해 데이터 전압을 LCD 픽셀(Cp1)에 인가하는 제 2 FET(Q2)와, 선택된 행 라인(Yselect1)을 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온/오프되는 제3 FET(Q3)와, 기준 커패시터(CR), 손가락이 터치되면 충전되는 검출 커패시터(Cx), 게이트로 인가되는 Reset 전압에 따라 온되면 검출 커패시터(Cx)를 방전시키는 제 5 FET(Q5)와, 검출 커패시터(Cx)의 충전전압이 임계치(Vt)를 초과하면 턴 온되어 지문검출 라인(F)에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 제 4 FET(Q4)로 이루어진다.
이러한 제 2 실시예의 지문센서 일체형 화소 구동회로(Pmn)는 도 12에 도시된 바와 같이, 디스플레이 모드와 지문인식 모드로 구분되어 동작한다. 도 12에서 (a)는 디스플레이 모드에서의 동작 타이밍도이고, (b)는 지문인식 모드에서의 동작 타이밍도이다.
도 12를 참조하면, 디스플레이 모드와 지문인식 모드는 다음 표 3과 같이 지문 Vdd에 의해 결정된다.
구분 디스플레이 모드 지문인식 모드
지문 Vdd Low High
상기 표 3과 같이 지문 Vdd는 디스플레이 모드에서 Low가 되고, 지문인식 모드에서는 High가 된다.
디스플레이 모드에서 LCD 패널을 구동할 때는 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 선택된 행 라인(Yselect1)이 하이가 되면 제1 FET(Q1)가 온되고, 이때 데이터 라인(Dn)을 통해 인가되는 전압이 LCD 전극에 인가되어 LCD 픽셀을 구동한다.
한편, LCD 구동시에는 제1 FET(Q1)가 ON되고, Data 전압이 Cp1과 C1에 인가되면 액정에 전하가 축적되어 액정의 밝기를 제어하게 되는데, LCD 구동의 특성 상 다음 프레임에서는 데이터의 위상이 180°바뀌어 Cp1과 C1에 축적된 전하를 빠르게 방전시킨다. 디스플레이 모드에서 지문 Vdd, clock, 지문검출 스위치, Reset은 로우가 된다.
지문인식 모드에서 지문 센서로 작동하는 경우, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 지문 Vdd가 하이가 되고, 선택된 행 라인(Yselect)이 하이가 되며, 이때 지문인식을 위한 클럭(Clock)이 인가된다.
지문인식 모드가 시작되고 손가락을 터치하면 검출 커패시터(Cx)가 방전되거나 손가락 터치된 후에 리셋(Reset) 신호에 의해 검출 커패시터(Cx)가 방전된다. 그 후, 클럭 신호에 의해 검출 커패시터(Cx)가 충전되면서 지문검출 스위치(Q4)의 게이트 전압이 증가하게 된다. 검출 커패시터(Cx)의 충전 전압이 임계값(Vt)을 넘어서면 지문 검출 스위치(Q4)가 온되고, 이에 따라 지문검출 라인(XF)에 전류(Idd)가 흐르게 되면서 지문을 검출하게 된다.
도 13은 본 발명의 실시예들에서 디스플레이 패널에 지문 터치 영역을 구현한 예이고, 도 14는 도 13의 시분할 구동 타이밍 예이다.
본 발명이 적용된 디스플레이 패널의 해상도가 도 13에 도시된 바와 같이 가로 1080 픽셀, 세로 1920 픽셀(1920 X 1080 픽셀)일 경우 화면의 해상도는 대략 401 dpi가 된다. 수직 스캔 속도를 60Hz로 했을 때, 1 프레임의 수직 시간은 Tver = 1 / 60 = 16.6 msec이 된다. 패널의 주사 시간과 지문 센서의 수직 시간(16.6msec)이 같다고 생각했을 때, 패널 드라이브와 지문 검출의 관계는 대략 1:1이므로 시간 축 상의 압축과 해제가 필요 없고, 동시에, 지문 센서도 패널과 같은 해상도가 얻어지게 되므로 복잡한 스케일링 등이 필요없이 지문 센서를 구동할 수 있다.
또한, 도 13과 같이 패널의 화면에 지문 센서 영역을 만들 때, 도 14와 같은 시분할 구동에 의해 화면의 동작과 지문 센서의 용량 탐지가 동시에 이루어지는 오작동이 발생하지 않는다. 즉, 지문 검출 영역에서는 지문 검출 및 화면 동작을 교대로 실시한다. 도 14를 참조하면, 각 프레임에서 지문인식영역이 없는 A 위치를 스캔하다가 지문인식영역에서는 B,C,D로 시분할하여 스캔한다.
이와 같이 본 발명은 OLED 또는 LCD 또는 LED 디스플레이 드라이브 회로에 지문 센서 드라이브 회로를 결합 적용하여 일체형 구동 회로를 구현할 수 있는데, 패널의 두께에 변화가 없으면서도 디스플레이 화면에서 모두 지문 인식이 가능하고, 별도의 지문 센서 패널과 별도의 지문 센서 드라이브용 IC가 필요 없으며, 디스플레이 패널 구조의 추가 없이 그대로 사용하기 때문에 투명도 저하의 문제도 없다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,200: 디스플레이 장치 110,210: 매트릭스부
120,220: 스캔 드라이버 130,230: 데이터 드라이버
140,240: 지문인식 드라이버

Claims (14)

  1. M x N 단위 화소들로 이루어지고, 행 제어신호에 따라 선택된 행에 데이터를 인가하여 단위 화소를 구동하거나 지문인식 모드에서 소정의 지문인식 영역을 형성하는 매트릭스부;
    상기 매트릭스부에 행 제어신호를 공급하는 스캔 드라이버;
    상기 매트릭스부에 화소 데이터신호를 공급하는 데이터 드라이버; 및
    지문인식 모드에서 상기 지문인식 영역의 단위 화소에 지문을 인식하기 위한 구동전압을 인가하고 검출전류를 입력받는 지문인식 드라이버를 포함하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 화소는
    디스플레이 모드에서 동작하여 화상을 표출하는 단위 화소의 표시부와, 지문인식 모드에서 동작하여 지문을 검출하는 단위 화소의 지문 검출부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단위 화소의 표시부는
    OLED 픽셀과, 인가된 데이터 전압에 따라 상기 OLED 픽셀에 흐르는 전류를 제어하는 버퍼와, 행 제어 신호에 따라 온되면 데이터 라인으로부터 인가되는 데이터 전압을 상기 버퍼에 인가하는 제1 매트릭스 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  4. 제2항에 있어서, 상기 단위 화소의 표시부는
    인가된 데이터 전압에 따라 휘도가 가변되는 액정 픽셀과, 행 제어 신호에 따라 온되면 데이터 라인으로부터 인가되는 데이터 전압을 상기 액정 픽셀에 인가하는 제1 매트릭스 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  5. 제2항에 있어서, 상기 단위 화소의 지문 검출부는
    지문인식 모드에서 손가락이 접촉되면 충전을 시작하는 검출용량과,
    지문인식 모드에서 지문 Vdd 전압에 의해 충전을 시작하는 기준용량과,
    행 제어 신호에 따라 지문인식 모드에서 온되어 지문검출 라인을 통해 지문센서용 Vdd 전압을 공급하는 제2 매트릭스 스위치와,
    상기 검출용량의 충전전압이 임계치를 초과하면, 턴 온되어 지문검출 라인에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 지문검출 스위치와,
    지문인식 모드가 개시되면, 상기 검출용량을 방전시키는 리셋부를 포함하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단위 화소의 물리적인 구조는
    지문검출전극이 화소전극과 분리된 독립형 배열 구조이거나 화소전극을 지문검출전극으로 사용하는 겸용 배열 구조인 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  7. 제6항에 있어서, 지문검출전극이 화소전극과 분리된 독립형 배열 구조에서 상기 지문검출전극은
    화소전극과 분리되어 별도로 구성되며 별도의 절연층 및 접지전극과 결합하여 지문검출 커패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  8. 제6항에 있어서, 화소전극을 지문검출전극으로 사용하는 겸용 배열 구조에서
    상기 화소전극은
    별도의 접지전극 및 별도의 절연막과 결합하여 지문검출 커패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  9. 제6항에 있어서, 지문검출전극으로 사용되는 화소전극은
    지문모드에서 아노드와 케소드를 연결하기 위한 스위치를 더 구비하여
    아노드와 케소드를 지문검출전극으로 함께 사용하는 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  10. 제1항에 있어서, 상기 단위 화소의 물리적인 구조는
    화소영역과 일체형 드라이브회로 영역 및 지문검출 커패시터 영역이 수평으로 배열된 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  11. 제1항에 있어서, 상기 단위 화소의 물리적인 구조는
    화소영역과 일체형 드라이브회로 영역 및 지문검출 커패시터 영역이 수직으로 배열된 지문센서 일체형 화소 구동회로를 이용한 디스플레이 패널.
  12. 디스플레이 모드에서 동작하여 화상을 표출하는 표시부와,
    지문인식 모드에서 동작하여 정전용량방식으로 지문을 검출하는 지문 검출부가 하나의 단위 화소에 일체로 구현된 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 표시부는 OLED 화소나 LCD 화소 또는 LED 화소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지문센서 일체형 화소 구동회로.
  14. 제12항에 있어서, 상기 지문 검출부는
    지문인식 모드에서 손가락이 접촉되면 충전을 시작하는 검출용량과,
    지문인식 모드에서 지문 Vdd 전압에 의해 충전을 시작하는 기준용량과,
    지문인식 모드에서 행 제어 신호에 따라 온되면, 지문검출 라인을 통해 지문센서용 Vdd 전압을 공급하는 매트릭스 스위치와,
    상기 검출용량의 충전전압이 임계치를 초과하면, 턴 온되어 지문검출 라인에 흐르는 전류의 변화로 지문을 검출하게 하는 지문검출 스위치와,
    지문인식 모드가 개시되면, 상기 검출용량을 방전시키는 리셋부를 포함하는 지문센서 일체형 화소 구동회로.
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