KR20210068773A - 초음파 센서 및 디스플레이 장치 - Google Patents

초음파 센서 및 디스플레이 장치 Download PDF

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조지호
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예들은, 초음파 센서 및 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 픽셀 전극과 공통 전극(또는 제2 공통 전극) 사이에 배치된 압전 물질 사이에 초음파 발신 전극(또는 제1 공통 전극)을 배치하고, 초음파 발신 전극으로 교류 전압을 공급하여 초음파를 발신함으로써, 구동 전압의 레벨, 공급 기간 및 횟수 등을 감소시키면서 초음파의 발신 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 초음파를 수신하는 기간에는 압전 물질 사이에 배치된 초음파 발신 전극을 플로팅 상태로 유지함으로써, 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.

Description

초음파 센서 및 디스플레이 장치{ULTRASONIC SENSOR AND DISPLAY DEVICE}
본 발명의 실시예들은, 초음파 센서 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라, 화상을 표시하는 디스플레이 장치에 대한 요구가 증가하고 있으며, 액정 디스플레이 장치, 유기발광 디스플레이 장치 등과 같은 다양한 유형의 디스플레이 장치가 활용된다.
디스플레이 장치는, 사용자에게 보다 다양한 기능을 제공하기 위하여, 디스플레이 패널에 대한 사용자의 터치를 인식하거나, 디스플레이 패널에 접촉된 또는 근접한 생체 정보(예: 지문 등)나 제스처 등을 인식하고, 인식된 정보를 기반으로 입력 처리를 수행하는 기능을 제공한다.
생체 정보 등의 인식을 위해, 일 예로, 광 센서 등을 이용할 수 있다. 그러나, 광 센서 등이 디스플레이 패널의 베젤 영역에 배치될 경우, 액티브 영역이 좁아지는 문제점이 존재한다. 또한, 광 센서가 액티브 영역에 배치될 경우, 디스플레이 구동에 영향을 주거나 센싱의 정확도가 저하될 수 있는 문제점이 존재한다.
따라서, 디스플레이 패널의 디스플레이 구동에 영향을 주지 않고, 디스플레이 패널의 액티브 영역에서 생체 정보 등의 센싱 성능을 개선할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 실시예들은, 디스플레이 패널의 액티브 영역의 감소를 방지하며, 디스플레이 패널의 액티브 영역에 접촉하거나 근접한 생체 정보 등을 센싱할 수 있는 방안을 제공한다.
본 발명의 실시예들은, 센서의 구동을 위해 센서로 공급되는 전압을 낮추면서 센싱 성능을 향상시킴으로써, 센서의 구동 효율 및 센싱 성능을 개선할 수 있는 방안을 제공한다.
일 측면에서, 본 발명의 실시예들은, 다수의 스캔 라인, 다수의 센싱 라인 및 다수의 센싱 픽셀이 배치된 픽셀 어레이와, 다수의 센싱 픽셀 각각에 배치된 다수의 픽셀 전극과, 픽셀 전극 상에 배치된 제1 압전 물질과, 제1 압전 물질 상에 배치된 제1 공통 전극과, 제1 공통 전극 상에 배치된 제2 압전 물질과, 제2 압전 물질 상에 배치된 제2 공통 전극을 포함하는 초음파 센서를 제공한다.
이러한 초음파 센서에서, 초음파 발신 기간에 픽셀 전극으로 공급되는 픽셀 전압과 상이한 제1 공통 전압이 제1 공통 전극으로 공급되고, 픽셀 전압과 동일한 제2 공통 전압이 제2 공통 전극으로 공급될 수 있다.
그리고, 초음파 수신 기간 및 판독 기간 중 적어도 일부 기간에 제1 공통 전극은 플로팅 상태일 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명의 실시예들은, 다수의 스캔 라인, 다수의 센싱 라인 및 다수의 센싱 픽셀이 배치된 픽셀 어레이와, 다수의 센싱 픽셀 각각에 배치된 다수의 픽셀 전극과, 픽셀 전극 상에 배치된 압전 물질과, 압전 물질 상에 배치된 공통 전극과, 압전 물질 내에 배치되고 픽셀 전극과 공통 전극이 서로 중첩하는 영역을 포함하는 영역과 중첩되도록 배치되며 공통 전극의 두께 이하의 두께를 갖는 초음파 발신 전극을 포함하는 초음파 센서를 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명의 실시예들은, 디스플레이 패널과, 디스플레이 패널에 내장되거나 디스플레이 패널의 적어도 일면에 배치된 전술한 초음파 센서를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 디스플레이 패널의 배면에 배치된 초음파 센서를 이용하여 생체 정보 등의 센싱을 수행함으로써, 디스플레이 패널의 액티브 영역의 감소를 방지하며 생체 정보 등의 센싱 기능을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 초음파 센서에 포함된 압전 물질 사이에 초음파 발신 전극을 배치하고 초음파 발신 시 구동 전압이 병렬 구조의 전극으로 공급되도록 함으로써, 초음파 발신을 위한 구동 전압의 레벨을 낮추면서 초음파 발신의 성능을 유지할 수 있다.
또한, 초음파 수신 시에는 초음파 발신 전극을 플로팅 시킴으로써, 초음파 수신을 위한 전극이 직렬 구조가 되도록 하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서의 구조의 예시를 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 3b는 도 2에 도시된 초음파 센서의 구동 방식의 예시를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서의 픽셀 어레이의 회로 구조의 예시를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서의 구동 타이밍의 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서의 구동 시 공급되는 신호와 신호가 공급되는 타이밍의 예시를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 초음파 센서의 구동 기간 중 초음파 발신 기간에 센싱 픽셀이 구동하는 방식의 예시를 나타낸 도면이다.
도 8a와 도 8b는 도 6에 도시된 초음파 센서의 구동 기간 중 초음파 수신 기간에 센싱 픽셀이 구동하는 방식의 예시를 나타낸 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 6에 도시된 초음파 센서의 구동 기간 중 판독 기간에 센싱 픽셀이 구동하는 방식의 예시를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서에서 수신 전극으로 공급되는 전압에 따른 센싱 전압과 센싱 신호 사이의 관계의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서의 픽셀 어레이의 회로 구조의 다른 예시를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서의 구동 시 공급되는 신호와 신호가 공급되는 타이밍의 다른 예시를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들의 시간 관계 또는 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)의 개략적인 구성을 나타낸 도면으로서, 초음파 센서(200)가 디스플레이 장치에 배치된 구조의 예시를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 디스플레이 장치는, 다수의 게이트 라인, 다수의 데이터 라인 및 다수의 서브픽셀이 배치된 디스플레이 패널(110)과, 디스플레이 패널(110)에 배치된 신호 라인이나 전압 라인을 구동하기 위한 각종 구동 회로를 포함할 수 있다.
이러한 디스플레이 장치의 적어도 일면에는, 디스플레이 패널(110)에 접촉되거나 근접한 생체 정보(예: 지문) 또는 제스처 등을 센싱하기 위한 초음파 센서(200) 또는 초음파 센싱 장치가 배치될 수 있다.
또는, 경우에 따라, 이러한 초음파 센서(200)는, 디스플레이 장치의 내부에 내장된 형태로 배치될 수도 있다.
초음파 센서(200)가 디스플레이 장치의 일면에 배치되는 경우, 일 예로, 디스플레이 패널(110)에서 영상이 표시되는 면 상에 커버 글래스(120)가 배치될 수 있다. 그리고, 디스플레이 패널(110)에서 영상이 표시되는 면의 반대편에 초음파 센서(200)가 배치될 수 있다. 즉, 초음파 센서(200)는, 디스플레이 패널(110)에서 커버 글래스(120)가 배치된 면의 반대 면에 배치될 수 있다.
이러한 초음파 센서(200)는, 접착부(300)를 통해 디스플레이 패널(110)과 합착될 수 있다. 그리고, 접착부(300)는, 일 예로, 레진으로 구성될 수 있다.
초음파 센서(200)는, 초음파를 발생시키고 디스플레이 패널(110) 상에 배치된 커버 글래스(120)에 접촉된 지문에 반사되는 초음파를 센싱하여 커버 글래스(120)에 접촉된 지문을 인식할 수 있다. 초음파 센서(200)가 디스플레이 패널(110)에서 영상이 표시되는 면의 반대 면에 배치되어 센싱을 수행함으로써, 영상이 표시되는 영역을 감소시키지 않으면서 지문 인식이 가능하도록 할 수 있다.
구체적으로, 초음파 센서(200)에서 발생된 초음파가 지문의 골(Valley) 부분에 도달하면, 사람의 피부와 커버 글래스(120) 사이에 존재하는 공기에 닿게 된다. 여기서, 커버 글래스(120)와 공기의 음향 임피던스 값의 차이로 인해 공기에 닿은 대부분의 초음파가 반사되게 된다.
그리고, 초음파 센서(200)에서 발생된 초음파가 지문의 마루(Ridge) 부분에 도달하면, 커버 글래스(120)에 접촉된 사람의 피부에 닿게 된다. 여기서, 초음파의 일부가 반사될 수 있으나, 대부분의 초음파는 피부 안에 전달되어 피부 안쪽에서 반사되게 된다.
따라서, 지문의 골 부분과 마루 부분에 도달하여 반사되는 초음파의 세기와 시기 등에 기초하여, 지문의 골 부분과 마루 부분을 구분하고 지문을 센싱할 수 있다.
이와 같이, 초음파 센서(200)는, 피부의 안쪽까지 센싱하는 방식이므로, 피부 표면의 오염이나 상태에 민감하지 않으며 보안이 우수한 이점을 제공한다. 또한, 디스플레이 패널(110)에서 영상이 표시되는 영역을 감소시키지 않으면서 지문을 센싱할 수 있도록 하여, 디스플레이 장치가 센싱된 지문을 이용한 입력 처리를 수행할 수 있도록 한다.
이러한 초음파 센서(200)는, 초음파 발생을 위한 물질과, 초음파 발생 및 센싱을 위한 여러 회로 소자를 포함할 수 있다.
일 예로, 초음파 센서(200)는, 기판(210)과, 기판(210)에 배치된 박막 트랜지스터 어레이(220), 제1 패드부(231), 제2 패드부(232)를 포함할 수 있다. 그리고, 박막 트랜지스터 어레이(220)는, 각각의 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL)을 포함할 수 있으며, 박막 트랜지스터 어레이(220)에 압전 물질(240)과 공통 전극(COM)이 순차적으로 배치될 수 있다.
여기서, 픽셀 전극(PXL)과 공통 전극(COM) 중 어느 하나는 발신 전극이고, 다른 하나는 수신 전극일 수 있다.
압전 물질(240)은, 일 예로, PZT, ZnO, 페로브스카이트 등의 물질일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
공통 전극(COM)은, 접착층(250)을 통해 반사층(260)과 접착될 수 있으며, 반사층(260)에 커버층(270)이 배치될 수 있다.
박막 트랜지스터 어레이(220)와 공통 전극(COM) 등으로 신호, 전압 등을 공급하는 컨트롤러(400)는, 연성 인쇄 회로(290)와 본딩부(280)를 통해 기판(210)에 배치된 제2 패드부(232)와 전기적으로 연결될 수 있다.
박막 트랜지스터 어레이(220)에는, 초음파를 발생시키는 구동과 지문에 반사되는 초음파의 센싱을 위한 트랜지스터와, 픽셀 전극(PXL) 등이 배치될 수 있다.
박막 트랜지스터 어레이(220)에 배치된 픽셀 전극(PXL)은, 공통 전극(COM)과 캐패시터를 형성할 수 있다.
그리고, 박막 트랜지스터 어레이(220)에 배치된 픽셀 전극(PXL)과 공통 전극(COM)에 인가되는 전압에 의해 압전 물질(240)을 진동시켜 초음파를 발생시킬 수 있다.
이러한 픽셀 전극(PXL)을 포함하는 박막 트랜지스터 어레이(220)와, 압전 물질(240) 및 공통 전극(COM)은 회로적으로 픽셀 어레이로 볼 수도 있다.
공통 전극(COM)은, 일 예로, 은 잉크를 코팅하는 방식을 통해 배치될 수 있으며, 경우에 따라, 압전 물질(240) 전체를 덮는 형태로 배치되거나, 일정한 패턴으로 배치될 수도 있다.
반사층(260)은, 일 예로, 구리로 구성될 수 있으며, 지문에서 반사되어 돌아오는 초음파를 박막 트랜지스터 어레이(220)로 반사시켜주는 기능을 할 수 있다.
커버층(270)은, 일 예로, 폴리이미드로 구성될 수 있으며, 초음파 센서(200)의 픽셀 어레이와 반사층(260) 등을 캡핑하는 기능을 제공할 수 있다.
경우에 따라, 반사층(260)과 커버층(270)은, 하나의 필름 형태로 배치될 수도 있으며, 유기물이나 유전체 등이 공통 전극(COM) 상에 코팅된 형태로 구현될 수도 있다.
픽셀 어레이를 구동하기 위한 신호와 전압은, 컨트롤러(400)로부터 공급될 수 있다. 또는, 경우에 따라, 고전압이 요구되지 않는 신호 등은 디스플레이 패널(110)의 구동을 위해 배치된 구동 회로로부터 공급될 수도 있다.
그리고, 픽셀 전극(PXL)과 공통 전극(COM) 중 어느 하나의 전극으로 정전압이 공급되고, 다른 하나의 전극으로 교류 전압이 공급되며 초음파가 발신될 수 있다.
일 예로, 초음파 발신 기간에 픽셀 전극(PXL)으로 교류 전압이 공급되고, 공통 전극(COM)으로 정전압이 공급되며 초음파가 발신될 수 있다.
여기서, 교류 전압은, 일 예로, +100V에서 -100V로 스윙하는 전압일 수 있다.
초음파 발신을 위한 고전압이 픽셀 전극(PXL)으로 공급될 경우, 초음파 발신 영역이 용이하게 조절될 수는 있으나, 박막 트랜지스터 어레이(220)에 배치된 박박 트랜지스터의 열화가 발생할 수 있다.
다른 예로, 초음파 발신 기간에 공통 전극(COM)으로 교류 전압이 공급되고, 픽셀 전극(PXL)으로 정전압이 공급되며 초음파가 발신될 수 있다.
공통 전극(COM)으로 교류 전압을 공급함으로써, 고전압의 인가로 인한 박막 트랜지스터의 열화를 방지할 수 있다. 그리고, 공통 전극(COM)을 구동하여 전체 영역에서 초음파를 동시에 발신함으로써, 초음파의 발신 기간이나 횟수를 감소시킬 수 있다. 따라서, 초음파 센서(200)의 구동 효율을 높이면서 센싱을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 초음파 발신을 위해 교류 전압이 인가되는 전극을 압전 물질(240) 내에 배치함으로써, 구동 전압을 더욱 낮추면서 초음파 발신과 센싱을 수행할 수 있는 방안을 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)의 구조의 예시를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 초음파 센서(200)는, 기판(210)의 배면에 배치된 접착부(300)에 의해 디스플레이 패널(110) 등과 연결될 수 있다. 그리고, 기판(210) 상에 배치된 박막 트랜지스터 어레이(220)는, 연성 인쇄 회로(290)와 전기적으로 연결되며, 컨트롤러(400)와 전기적으로 연결될 수 있다.
박막 트랜지스터 어레이(220) 상에 제1 압전 물질(241)이 배치될 수 있다. 그리고, 제1 압전 물질(241) 상에 제1 공통 전극(COM1)이 배치되고, 제1 공통 전극(COM1) 상에 제2 압전 물질(242)이 배치될 수 있다. 제2 압전 물질(242) 상에 제2 공통 전극(COM2)이 배치될 수 있다.
즉, 압전 물질(240) 사이에 배치되는 제1 공통 전극(COM1)에 의해 압전 물질(240)은 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)로 분리되어 배치될 수 있다.
따라서, 초음파 센서(200)는, 픽셀 전극(PXL), 제1 압전 물질(241), 제1 공통 전극(COM1), 제2 압전 물질(242) 및 제2 공통 전극(COM2)이 순차적으로 배치된 구조를 가질 수 있다. 그리고, 제1 공통 전극(COM1)은, 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)이 중첩하는 영역을 포함하는 영역에 배치될 수 있다.
여기서, 제1 공통 전극(COM1)은, 초음파 발신을 위한 교류 전압이 공급되는 전극일 수 있다. 그리고, 초음파 발신 기간에 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)으로 정전압이 공급될 수 있으며, 제2 공통 전극(COM2)으로 공급되는 정전압은 픽셀 전극(PXL)에 공급되는 정전압과 동일한 전압일 수 있다.
본 명세서에서, 제1 공통 전극(COM1)을 초음파 발신 전극으로 지칭할 수 있으며, 이러한 경우 제2 공통 전극(COM2)을 공통 전극(COM)으로 지칭할 수도 있다.
교류 전압이 공급되는 제1 공통 전극(COM1)이 압전 물질(240) 사이에 배치됨에 따라, 병렬 구조를 형성하여 초음파 발신 시 공급되는 교류 전압의 전압 레벨을 낮춰줄 수 있다.
구체적으로, 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압이 공급되면 제1 공통 전극(COM1)과 픽셀 전극(PXL) 사이에 배치된 제1 압전 물질(241)이 진동하며 초음파가 발생될 수 있다. 또한, 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압이 공급되면 제1 공통 전극(COM1)과 제2 공통 전극(COM2) 사이에 배치된 제2 압전 물질(242)이 진동하며 초음파가 발생될 수 있다.
따라서, 동일한 교류 전압을 이용하여 발신되는 초음파의 세기를 증가시켜줄 수도 있고, 제1 공통 전극(COM1)으로 공급되는 교류 전압의 레벨을 낮춰주면서 초음파의 발신 성능을 유지할 수도 있다.
제1 공통 전극(COM1)의 상하에 배치되는 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)은 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 공진 주파수가 동일해야 하므로 유사한 두께로 배치될 수 있다.
일 예로, 제1 압전 물질(241)의 두께 t1과 제2 압전 물질(242)의 두께 t3는 서로 동일할 수 있다. 또는, 제1 압전 물질(241)의 두께 t1과 제2 압전 물질(242)의 두께 t3 사이의 차이는 제1 압전 물질(241)이나 제2 압전 물질(242)의 두께의 10%에 해당하는 범위 내에 포함될 수도 있다.
즉, 제1 공통 전극(COM1)과 픽셀 전극(PXL) 사이의 거리는 제1 공통 전극(COM1)과 제2 공통 전극(COM2) 사이의 거리와 동일하거나, 유사할 수 있다.
이와 같이, 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)이 유사한 두께를 갖도록 함으로써, 제1 공통 전극(COM1)이 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242) 사이에 배치된 구조에서, 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)의 진동에 따른 공진 주파수를 일치시켜 발신되는 초음파의 세기를 증가시켜줄 수 있다.
제1 공통 전극(COM1)은 제2 공통 전극(COM2)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 제1 공통 전극(COM1)의 두께를 최소화하기 위해 제1 공통 전극(COM1)은, 일 예로, 나노와이어로 이루어질 수 있다.
따라서, 제1 공통 전극(COM1)의 두께 t2는 제2 공통 전극(COM2)의 두께 t4 이하일 수 있다.
제1 공통 전극(COM1)을 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242) 사이에 배치하되, 제1 공통 전극(COM1)의 두께를 최소화함으로써, 초음파 수신 시 센싱 감도를 높여줄 수 있다.
일 예로, 초음파 발신이 완료된 이후에 제1 공통 전극(COM1)을 플로팅 시킬 수 있다. 따라서, 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)이 하나의 캐패시터를 형성하며 픽셀 전극(PXL)에 의해 센싱 신호가 검출될 수 있다. 즉, 초음파 수신 시 직렬 구조를 형성할 수 있다.
따라서, 초음파 발신 기간에는 초음파 발신 성능을 높여주면서, 초음파 수신 기간에는 센싱 감도를 높여줄 수 있다.
도 3a와 도 3b는 도 2에 도시된 초음파 센서(200)의 구동 방식의 예시를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 초음파 발신 기간에 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압이 공급되고, 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)으로 정전압이 공급될 수 있다.
제1 공통 전극(COM2)으로 공급되는 전압은 픽셀 전극(PXL)으로 공급되는 전압과 상이한 전압일 수 있으며, 제2 공통 전극(COM2)으로 공급되는 전압은 픽셀 전극(PXL)으로 공급되는 전압과 동일한 전압일 수 있다.
픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)에 정전압이 인가된 상태에서 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압이 공급되므로, 제1 공통 전극(COM1)의 상하에 위치한 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)이 진동하며 초음파가 발신될 수 있다. 즉, 제1 공통 전극(COM1)이 픽셀 전극(PXL), 제2 공통 전극(COM2)과 병렬 구조를 형성하며 초음파가 발신될 수 있다.
그리고, 유사한 두께를 갖는 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)이 동일한 또는 유사한 공진 주파수의 초음파를 발신하므로, 발신되는 초음파의 세기가 증가될 수 있다.
따라서, 초음파 발신 전극인 제1 공통 전극(COM1)의 구동을 위해 공급되는 전압을 낮춰주면서, 초음파 발신을 위한 구동이 수행될 수 있다.
또한, 초음파를 수신하는 기간에는, 제1 공통 전극(COM1)을 플로팅 시켜 센싱 감도를 높여줄 수 있다.
도 3b를 참조하면, 초음파를 수신하는 기간, 수신된 초음파에 따른 센싱 신호를 검출하는 기간 등에 제1 공통 전극(COM1)은 플로팅 상태일 수 있다. 제2 공통 전극(COM2)은 정전압이 인가된 상태일 수 있으며, 일 예로, 그라운드 전압이 인가된 상태일 수 있다.
그리고, 반사되는 신호에 따라 픽셀 전극(PXL)의 전압 변동이 발생하면, 픽셀 전극(PXL)의 전압 변동에 따라 출력되는 전류의 양이나 변화를 이용하여 센싱을 수행할 수 있다.
제1 공통 전극(COM1)이 플로팅 상태가 되므로, 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)이 직렬 구조를 형성하며, 센싱 신호의 검출이 수행될 수 있다. 따라서, 압전 물질(240) 사이에 배치된 제1 공통 전극(COM1)에 의해 초음파 발신 성능과 구동 효율을 개선하면서, 센싱 감도를 높여줄 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들은, 압전 물질(240) 사이에 제1 공통 전극(COM1)을 배치하고, 제1 공통 전극(COM1)에 교류 전압을 공급하여 초음파를 발신함으로써, 구동 전압을 낮추면서 발신되는 초음파의 세기를 증가시켜줄 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 제1 공통 전극(COM1)을 구동하여 전체 센싱 영역에서 초음파를 동시에 발신하므로, 초음파 발신 기간과 횟수를 감소시켜 초음파 센서(200)의 구동 효율을 더욱 높여줄 수 있다.
이하에서는, 전술한 초음파 센서(200)에 배치된 센싱 픽셀의 회로 구조의 예시를 참조하여, 초음파 센서(200)의 구동 방식에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)의 픽셀 어레이의 회로 구조의 예시를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 초음파 센서(200)의 픽셀 어레이에는, 다수의 스캔 라인(SCL)과 다수의 센싱 라인(SSL)이 배치될 수 있다. 일 예로, 스캔 라인(SCL)과 센싱 라인(SSL)은, 서로 교차하여 배치될 수 있다. 그리고, 스캔 라인(SCL)과 센싱 라인(SSL)의 교차에 의해 정의되는 영역에 다수의 센싱 픽셀이 배치될 수 있다.
또한, 픽셀 어레이에는, 센싱 픽셀의 초음파 발생 및 센싱을 위한 신호나 전압 등을 공급하기 위한 각종 신호 라인이 배치될 수 있다.
일 예로, 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL)으로 픽셀 전압(Vpxl)을 공급하는 픽셀 전극 구동 라인(PVL)과 센싱 전압(Vsen)을 공급하는 센싱 전압 라인(SVL)이 배치될 수 있다. 픽셀 전극 구동 라인(PVL)과 센싱 전압 라인(SVL)은 센싱 픽셀이 배치되는 영역의 외측에 배치될 수 있다.
제1 공통 전극(COM1)은 제1 압전 물질(241) 상에 전체적으로 배치될 수 있다. 그리고, 제2 공통 전극(COM2)은 제2 압전 물질(242) 상에 전체적으로 배치될 수 있다.
따라서, 제1 공통 전극(COM1)과 제2 공통 전극(COM2)으로 공통 전압(Vcom)을 공급하는 신호 라인은 박막 트랜지스터 어레이(220)에 배치될 수도 있고, 배치되지 않을 수도 있다. 즉, 제1 공통 전극(COM1)이나 제2 공통 전극(COM2)이 제1 패드부(231) 등과 직접 연결되고 제1 패드부(231)를 통해 공통 전압(Vcom)을 공급받을 수도 있다.
초음파 센서(200)는, 픽셀 어레이에 배치된 다수의 스캔 라인(SCL)을 구동하는 회로와, 다수의 센싱 라인(SSL)을 통해 센싱 신호를 검출하는 회로 등을 포함할 수 있다.
각각의 센싱 픽셀에는, 초음파 발생 및 센싱을 위한 여러 회로 소자가 배치될 수 있다.
일 예로, 각각의 센싱 픽셀에는, 스캔 라인(SCL)에 인가되는 스캔 신호에 의해 제어되는 제1 박막 트랜지스터(T1)와 제2 박막 트랜지스터(T2)가 배치될 수 있다. 그리고, 픽셀 전극(PXL)의 전압 레벨에 의해 제어되는 제3 박막 트랜지스터(T3)가 센싱 픽셀에 배치될 수 있다. 또한, 픽셀 전극(PXL)과 제1 공통 전극(COM1)에 의해 형성되는 캐패시터와, 제1 공통 전극(COM1)과 제2 공통 전극(COM2)에 의해 형성되는 캐패시터가 센싱 픽셀에 배치될 수 있다.
즉, 도 4는 센싱 픽셀의 회로 구조가 3T2C인 경우를 예시로 나타내나, 초음파 센서(200)에 배치된 센싱 픽셀의 회로 구조는 이에 한정되지는 아니한다.
또한, 도 4는 제1 박막 트랜지스터(T1), 제2 박막 트랜지스터(T2) 및 제3 박막 트랜지스터(T3)가 모두 N 타입인 경우를 예시로 나타내고 있으나, 경우에 따라, 모두 P 타입으로 구현될 수도 있다. 또는, 제1 박막 트랜지스터(T1)와 제2 박막 트랜지스터(T2)는 동일한 타입으로 구현되고, 제3 박막 트랜지스터(T3)는 다른 타입으로 구현될 수도 있다.
제1 박막 트랜지스터(T1)는, 스캔 라인(SCL)에 인가되는 스캔 신호에 의해 제어된다. 그리고, 제1 박막 트랜지스터(T1)는, 픽셀 전압(Vpxl)이 공급되는 픽셀 전극 구동 라인(PVL)과 픽셀 전극(PXL) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 박막 트랜지스터(T2)는, 스캔 라인(SCL)에 인가되는 스캔 신호에 의해 제어된다. 그리고, 제2 박막 트랜지스터(T2)는, 센싱 라인(SSL)과 제3 박막 트랜지스터(T3) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 제2 박막 트랜지스터(T2)는, 인접한 센싱 픽셀에 배치된 제1 박막 트랜지스터(T1)를 구동하는 스캔 라인(SCL)과 동일한 스캔 라인(SCL)에 의해 구동될 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 예시와 같이, B열의 센싱 픽셀에 배치된 제2 박막 트랜지스터(T2)와 A열의 센싱 픽셀에 배치된 제1 박막 트랜지스터(T1)는 모두 n번째 스캔 라인(SCL(n))에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, A열의 제1 박막 트랜지스터(T1)와 B열의 제2 박막 트랜지스터(T2)는 동시에 구동될 수 있으며, 픽셀 어레이에 배치되는 스캔 라인(SCL)의 수를 감소시킬 수 있다.
제3 박막 트랜지스터(T3)는, 픽셀 전극(PXL)의 전압 레벨에 의해 제어될 수 있다. 그리고, 제3 박막 트랜지스터(T3)는, 센싱 전압 라인(SVL)과 제2 박막 트랜지스터(T2) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
각각의 센싱 픽셀에, 픽셀 전극(PXL), 제1 공통 전극(COM1) 및 제2 공통 전극(COM2) 등에 의해 형성되는 캐패시터가 배치될 수 있다. 픽셀 전극(PXL)은 센싱 픽셀마다 분리되어 배치될 수 있으며, 제1 공통 전극(COM1)과 제2 공통 전극(COM2)은 둘 이상의 센싱 픽셀에 공통적으로 배치될 수 있다.
픽셀 전극(PXL)과 제1 공통 전극(COM1) 사이에는 제1 압전 물질(241)이 배치되고, 제1 공통 전극(COM1)과 제2 공통 전극(COM2) 사이에는 제2 압전 물질(242)이 배치될 수 있다.
제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)은 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 유사한 두께를 가질 수 있다.
따라서, 픽셀 전극(PXL)으로 공급되는 픽셀 전압(Vpxl)과 제1 공통 전극(COM) 및 제2 공통 전극(COM2)으로 공급되는 공통 전압(Vcom)에 따라 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)이 진동하며 초음파가 발생될 수 있다.
여기서, 픽셀 전극(PXL)으로 공급되는 픽셀 전압(Vpxl)은 정전압일 수 있다. 그리고, 제1 공통 전극(COM1)으로 공급되는 제1 공통 전압(Vcom1)은 픽셀 전압(Vpxl)과 상이한 교류 전압일 수 있다. 제2 공통 전극(COM2)으로 공급되는 제2 공통 전압(Vcom2)은 픽셀 전압(Vpxl)과 동일한 정전압일 수 있다.
픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)에 정전압이 인가된 상태에서 제1 공통 전극(COM1)에 교류 전압이 공급되므로, 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)이 진동하며 초음파가 발신될 수 있다.
그리고, 초음파 수신 시 픽셀 전극(PXL)의 전압 레벨의 변동에 따라 제3 박막 트랜지스터(T3)의 턴-온 상태나 출력 전류가 변동될 수 있다. 이때, 제2 박막 트랜지스터(T2)를 턴-온 시켜 센싱 신호를 검출함으로써, 반사되는 초음파를 센싱하고 초음파 센싱에 기초한 생체 정보 센싱이 수행될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예들은, 픽셀 어레이에 배치된 다수의 센싱 픽셀에서 동시에 초음파를 발신하고, 수신되는 신호를 다수의 센싱 픽셀로부터 순차적으로 검출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)의 구동 타이밍의 예시를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 초음파 센서(200)는, 일 예로, 초음파 센싱을 수행하는 센싱 기간과, 센싱 기간에 획득된 센싱 데이터를 기반으로 정보 처리를 수행하는 인증 기간으로 구분하여 구동될 수 있다.
초음파 센서(200)는, 센싱 기간 중 제1 기간(P1)에 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL), 제1 공통 전극(COM1) 및 제2 공통 전극(COM2)으로 구동 전압을 공급하여 압전 물질(240)을 진동시킴으로써, 초음파를 발생시킬 수 있다.
여기서, 제1 기간(P1)은, 초음파 발신 기간으로 볼 수 있다. 그리고, 초음파 발신 기간에 픽셀 어레이에 배치된 모든 센싱 픽셀을 구동하여 초음파를 발신할 수 있다.
초음파 센서(200)는, 제1 기간(P1) 이후의 제2 기간(P2)에 반사되는 초음파를 수신할 수 있으며, 제2 기간(P2)을 초음파 수신 기간으로 볼 수 있다. 여기서, 초음파 수신 기간 중 일부 기간은 수신된 신호를 저장하는 기간일 수도 있다.
그리고, 초음파 센서(200)는, 제2 기간(P2) 이후의 제3 기간(P3)에 수신된 초음파에 따른 센싱 신호를 검출할 수 있으며, 제3 기간(P3)을 판독 기간으로 볼 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예들은, 픽셀 어레이에 배치된 다수의 센싱 픽셀이 동시에 초음파를 발신함으로써, 초음파 발신 기간을 감소시킬 수 있다. 따라서, 초음파 발신을 위해 높은 레벨의 교류 전압이 인가되는 기간을 줄여줄 수 있다.
즉, 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242) 사이에 배치된 제1 공통 전극(COM1)에 교류 전압을 공급하여 초음파를 발신함으로써, 구동 전압의 레벨을 낮춰주면서 구동 전압이 공급되는 기간이나 횟수를 감소시켜 구동 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 초음파 수신 기간에 수신된 신호를 각각의 센싱 픽셀에 저장한 후, 순차적으로 센싱 신호를 검출함으로써, 초음파 발신 기간을 감소시키면서 센싱의 정확도를 유지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)의 구동 시 공급되는 신호와 신호가 공급되는 타이밍의 예시를 나타낸 도면이다. 그리고, 도 7 내지 도 9d는 초음파 센서(200)의 구동 과정에서 센싱 픽셀이 구동하는 방식의 예시를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)에 배치된 센싱 픽셀이 초음파 발신 기간에 구동하는 방식의 예시를 나타낸 도면이다. 그리고, 도 8a와 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)에 배치된 센싱 픽셀이 초음파 수신 기간에 구동하는 방식의 예시를 나타낸 도면이다. 도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)에 배치된 센싱 픽셀이 판독 기간에 구동하는 방식의 예시를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 초음파 센서(200)는, 초음파를 발신하는 제1 기간(P1), 반사되는 신호를 수신하고 저장하는 제2 기간(P2) 및 저장된 신호를 판독하는 제3 기간(P3)으로 구분하여 구동될 수 있다.
제1 기간(P1)에, 초음파 센서(200)의 픽셀 어레이에 배치된 픽셀 전극(PXL), 제1 공통 전극(COM1) 및 제2 공통 전극(COM2)으로 구동 전압이 공급될 수 있다. 그리고, 구동 전압에 따라 픽셀 전극(PXL), 제1 공통 전극(COM1) 및 제2 공통 전극(COM2) 사이에 배치된 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242)이 진동하여 초음파가 발신될 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하면, 제1 기간(P1)에, 픽셀 어레이에 배치된 다수의 스캔 라인(SCL)으로 스캔 라인(SCL)에 연결된 박막 트랜지스터를 턴-온 시키는 레벨의 스캔 신호가 공급될 수 있다. 따라서, 스캔 라인(SCL)에 연결된 제1 박막 트랜지스터(T1)와 제2 박막 트랜지스터(T2)가 모두 턴-온 될 수 있다.
그리고, 제1 박막 트랜지스터(T1)가 턴-온 되므로, 픽셀 전극 구동 라인(PVL)을 통해 공급되는 픽셀 전압(Vpxl)이 각각의 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL)에 공급될 수 있다.
또한, 스캔 라인(SCL)으로 턴-온 레벨의 스캔 신호가 공급되는 기간 중 적어도 일부 기간에 제2 공통 전극(COM)으로 제2 공통 전압(Vcom2)이 공급될 수 있다. 제2 공통 전압(Vcom2)은 픽셀 전압(Vpxl)과 동일한 전압일 수 있으며, 픽셀 전압(Vpxl)이 공급되는 기간보다 짧은 기간 동안 공급될 수 있다.
스캔 라인(SCL)으로 턴-온 레벨의 스캔 신호가 공급되는 기간 중 일부 기간에 제1 공통 전극(COM1)으로 제1 공통 전압(Vcom1)이 공급될 수 있다. 제1 공통 전압(Vcom1)은 픽셀 전압(Vpxl)이나 제2 공통 전압(Vcom2)과 상이한 교류 전압일 수 있다.
일 예로, 제1 공통 전압(Vcom1)은, 픽셀 전압(Vpxl)을 기준으로 ±α만큼 스윙하는 교류 전압일 수 있다. 픽셀 전압(Vpxl)가 10V일 경우, 제1 공통 전압(Vcom1)은 +110V에서 -90V로 스윙하는 교류 전압일 수 있다.
그리고, 제1 공통 전압(Vcom1)이 공급되는 기간은 제2 공통 전압(Vcom2)이 공급되는 기간보다 짧을 수 있다.
제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압을 공급하여 전체 센싱 픽셀에서 초음파를 발신하므로, 초음파 발신 기간과 횟수를 감소시킬 수 있어 픽셀 어레이로 고전압이 공급되는 기간을 줄여줄 수 있다.
또한, 고전압이 제1 공통 전극(COM1)으로 공급됨에 따라, 고전압의 인가로 인해 픽셀 어레이에 배치된 박막 트랜지스터 등의 열화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
제1 기간(P1)에 픽셀 전극(E1)으로 공급되는 픽셀 전압(Vpxl)은 픽셀 전극(PXL)의 전압 레벨에 의해 제어되는 제3 박막 트랜지스터(T3)를 턴-온 시키는 레벨의 전압일 수 있다. 그리고, 픽셀 전극 구동 라인(PVL)을 통해 공급이 가능하거나, 제3 박막 트랜지스터(T3)의 출력 전류가 최대가 되도록 하는 최대 전압(Vmax)보다 낮은 전압일 수 있다.
픽셀 전극(PXL)의 전압 레벨이 제3 박막 트랜지스터(T3)를 턴-온 시키는 레벨에서 반사되는 신호에 따라 변동되도록 함으로써, 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 픽셀 전압(Vpxl)은 제3 박막 트랜지스터(T3)로 공급되는 센싱 전압(Vsen)과 출력 전류 사이의 관계를 나타내는 그래프에서 포화 영역에 위치하는 전압 레벨을 가질 수 있다.
도 10은 초음파 센서(200)에서 수신 전극인 픽셀 전극(PXL)으로 공급되는 전압에 따른 센싱 전압(Vsen)과 센싱 신호 사이의 관계의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 픽셀 전압(Vpxl)의 전압 레벨은 제3 박막 트랜지스터(T3)로 공급되는 센싱 전압(Vsen)과 제3 박막 트랜지스터(T3)의 출력 전류 사이의 관계 그래프에서 포화 영역에 위치할 수 있다.
일 예로, 센싱 전압(Vsen)이 6V일 경우, 픽셀 전압(Vpxl)은 포화 영역에 위치하는 5V로 설정될 수 있다. 픽셀 전극(PXL)에 5V의 전압이 인가된 상태에서 반사되는 신호에 의해 픽셀 전극(PXL)의 전압 레벨이 1V가 증가하여 6V가 될 경우 제3 박막 트랜지스터(T3)의 출력 전류는 약 25mA에서 약 35mA로 10mA가 증가할 수 있다.
따라서, 픽셀 전압(Vpxl)의 레벨이 선형 영역에 위치하는 경우보다 출력 전류의 증가 폭이 클 수 있으므로, 센싱 라인(SSL)을 통해 검출되는 센싱 신호의 세기가 증가할 수 있다. 그리고, 센싱 신호의 세기가 증가함에 따라, 센싱 감도를 개선할 수 있다.
또는, 센싱의 대상이나 센싱 방식의 유형에 따라, 픽셀 전압(Vpxl)의 레벨이 선형 영역에 위치하도록 설정하고, 초음파 센싱을 수행할 수도 있다.
초음파가 발신되는 제1 기간(P1)에, 제3 박막 트랜지스터(T3)와 연결된 센싱 전압 라인(SVL)으로 제1 센싱 전압(Vsen1)이 공급될 수 있다. 그리고, 제1 센싱 전압(Vsen1)은, 일 예로, 0V일 수 있다. 또한, 센싱 라인(SSL)과 연결된 멀티플렉서(MUX)는 턴-오프 상태일 수 있다.
따라서, 제2 박막 트랜지스터(T2)가 턴-온 된 상태에서 제3 박막 트랜지스터(T3)를 턴-온 시키는 레벨의 픽셀 전압(Vpxl)이 공급되더라도, 센싱에 영향을 주지 않을 수 있다. 그리고, 제1 센싱 전압(Vsen1)에 의해 센싱 라인(SSL)이 초기화될 수도 있다.
초음파가 발신된 이후에, 제1 공통 전압(Vcom1)이 공급되는 제1 공통 전극(COM1)은 플로팅 상태가 될 수 있다. 또한, 기설정된 시점에 픽셀 전극(PXL)도 플로팅 상태가 될 수 있다. 즉, 초음파 발신 기간과 판독 기간 사이에 픽셀 전극(PXL)이 플로팅 상태인 기간이 존재할 수 있다.
초음파 발신 기간과 판독 기간 사이에 제2 공통 전극(COM2)이 플로팅 상태인 기간이 존재할 수 있으며, 제2 공통 전극(COM2)은 픽셀 전극(PXL)이 플로팅 되는 시점에 플로팅 상태일 수 있다.
도 6과 도 8a를 참조하면, 제2 기간(P2)에 턴-온 레벨의 스캔 신호가 유지된 상태에서, 제1 공통 전극(COM1)으로 제1 공통 전압(Vcom1)의 공급이 중지될 수 있다. 따라서, 제1 공통 전극(COM1)은 플로팅 상태가 될 수 있다. 그리고, 초음파의 발신이 이루어진 상태이므로, 센싱 픽셀은 반사되는 신호를 수신할 수 있는 상태가 될 수 있다.
제2 공통 전극(COM2)은, 제1 공통 전극(COM1)이 플로팅 상태가 된 이후에 플로팅 될 수 있으며, 픽셀 전극(PXL)이 플로팅 되는 시점에 맞춰 플로팅 될 수도 있다.
여기서, 반사되는 초음파가 수신되는 시기나 수신되는 강도가 가장 높은 시점에 맞춰 픽셀 전극(PXL)으로 픽셀 전압(Vpxl)의 공급이 중지될 수 있다.
일 예로, 수신되는 신호의 피크 타이밍에 맞춰 픽셀 전극(PXL)이 플로팅 상태가 될 수 있다. 따라서, 신호의 세기가 가장 강한 시점에 수신된 신호를 저장하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 6과 도 8b를 참조하면, 일 예로, 제2 기간(P2) 중 초음파 수신을 대기하는 지연 기간(P21)의 종료 시점에 다수의 스캔 라인(SCL)으로 스캔 라인(SCL)에 연결된 박막 트랜지스터를 턴-오프 시키는 레벨의 스캔 신호가 동시에 공급될 수 있다.
따라서, 스캔 라인(SCL)에 연결된 제1 박막 트랜지스터(T1)와 제2 박막 트랜지스터(T2)가 모두 턴-오프 상태가 될 수 있다.
제1 박막 트랜지스터(T1)가 턴-오프 상태가 되므로, 픽셀 전극 구동 라인(PVL)으로 픽셀 전압(Vpxl)이 공급되는 상태가 유지되더라도, 픽셀 전극(PXL)으로 픽셀 전압(Vpxl)의 공급이 중지될 수 있다. 그리고, 픽셀 전극(PXL)이 플로팅 상태가 될 수 있다.
제1 공통 전극(COM1)이 플로팅 된 상태에서 픽셀 전극(PXL)이 플로팅 상태가 되므로, 수신되는 신호가 픽셀 전극(PXL)에 저장될 수 있다. 그리고, 제2 기간(P2) 중 스캔 라인(SCL)으로 턴-오프 레벨의 스캔 신호가 공급된 이후의 저장 기간(P22) 동안 픽셀 전극(PXL)이 반사되는 신호를 저장하는 상태가 유지될 수 있다.
이와 같이, 초음파를 모든 센싱 픽셀에서 동시에 발신함으로써, 초음파의 발신 기간의 길이를 감소시킬 수 있다. 그리고, 반사되는 초음파가 수신되는 시점에 맞춰 픽셀 전극(PXL)을 플로팅 시켜 수신된 신호를 저장함으로써, 초음파 발신 기간을 감소시키면서 정확한 센싱이 수행될 수 있다.
수신된 신호가 저장된 이후, 각각의 센싱 픽셀로부터 저장된 신호가 순차적으로 검출될 수 있다.
도 6과 도 9a, 도 9b를 참조하면, 제3 기간(P3)에 (n-1)번째 스캔 라인(SCL(n-1))으로 스캔 라인(SCL)에 연결된 박막 트랜지스터를 턴-온 시키는 레벨의 스캔 신호가 공급될 수 있다. 그리고, 나머지 스캔 라인(SCL)은 박막 트랜지스터를 턴-오프 시키는 레벨의 스캔 신호가 인가된 상태가 유지될 수 있다.
또한, 센싱 전압 라인(SVL)으로 제2 센싱 전압(Vsen2)이 공급될 수 있다. 제2 센싱 전압(Vsen2)은 제1 기간(P1)과, 제2 기간(P2)의 적어도 일부 기간에 공급되는 제1 센싱 전압(Vsen1)보다 높은 레벨의 전압일 수 있다.
(n-1)번째 스캔 라인(SCL(n-1))으로 턴-온 레벨의 스캔 신호가 공급되므로, (n-1)번째 스캔 라인(SCL(n-1))에 연결된 제2 박막 트랜지스터(T2)가 모두 턴-온 상태가 될 수 있다.
제2 박막 트랜지스터(T2)가 턴-온 상태가 되고 일정한 레벨의 제2 센싱 전압(Vsen2)이 공급된 상태가 되므로, 픽셀 전극(PXL)의 전압 레벨에 따라 제3 박막 트랜지스터(T3)의 출력 전류가 발생하거나, 출력 전류의 변동이 발생할 수 있다.
그리고, 센싱 라인(SSL)에 연결된 멀티플렉서(MUX)를 턴-온 시키는 레벨의 신호가 순차적으로 공급될 수 있다.
일 예로, 도 9a를 참조하면, 제1 멀티플렉서(MUX1)를 턴-온 시키는 레벨의 신호가 공급될 수 있다. 따라서, m번째 센싱 라인(SSL(m))과 연결된 A열의 센싱 픽셀에 저장된 신호가 리드아웃 라인(ROL)을 통해 검출될 수 있다.
이후, 도 9b를 참조하면, 제2 멀티플렉서(MUX2)를 턴-온 시키는 레벨의 신호가 공급될 수 있다. 따라서, (m+1)번째 센싱 라인(SSL(m+1))과 연결된 A열의 센싱 픽셀에 저장된 신호가 리드아웃 라인(ROL)을 통해 검출될 수 있다.
따라서, A열의 센싱 픽셀 각각에 배치된 픽셀 전극(PXL)에 저장된 신호가 순차적으로 검출될 수 있다.
그리고, 도 9a와 도 9b는 4개의 센싱 픽셀의 예시로 나타낸 것으로서, 설명의 편의상, 2개의 멀티플렉서(MUX)와 1개의 리드아웃 라인(ROL)이 배치된 구조를 예시로 설명하나, 멀티플렉서(MUX)와 리드아웃 라인(ROL)의 배치 구조는 이에 한정되지 아니한다.
여기서, 제3 기간(P3)에 제2 공통 전극(COM2)으로 정전압이 공급될 수 있으며, 일 예로, 그라운드 전압이 공급될 수 있다.
그리고, 픽셀 전극 구동 라인(PVL)으로 픽셀 전압(Vpxl)과 상이한 리셋 전압(Vrst)이 공급될 수 있으며, 리셋 전압(Vrst)은, 일 예로, 0V일 수 있다. 따라서, 센싱이 완료된 이후에, 픽셀 전극(PXL)이 리셋 전압(Vrst)에 의해 리셋이 될 수 있다.
도 6과 도 9c, 도 9d를 참조하면, A열의 센싱 픽셀로부터 센싱 신호의 검출이 완료되면, (n-1)번째 스캔 라인(SCL(n-1))으로 턴-오프 레벨의 스캔 신호가 공급될 수 있다. 따라서, (n-1)번째 스캔 라인(SCL(n-1))에 연결된 제2 박막 트랜지스터(T2)가 턴-오프 상태가 될 수 있다.
그리고, n번째 스캔 라인(SCL(n))으로 턴-온 레벨의 스캔 신호가 공급될 수 있다. 따라서, n번째 스캔 라인(SCL(n))에 연결된 제1 박막 트랜지스터(T1)와 제2 박막 트랜지스터(T2)가 턴-온 상태가 될 수 있다.
일 예로, A열의 센싱 픽셀에 배치된 제1 박막 트랜지스터(T1)와 B열의 센싱 픽셀에 배치된 제2 박막 트랜지스터(T2)가 턴-온 상태가 될 수 있다. 그리고, (n+1)번째 스캔 라인(SCL(n+1))은 턴-오프 레벨의 스캔 신호가 공급된 상태이므로, B열의 센싱 픽셀에 배치된 제1 박막 트랜지스터(T1)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다.
B열의 센싱 픽셀에 배치된 제2 박막 트랜지스터(T2)가 턴-온 상태가 되므로, B열의 센싱 픽셀로부터 센싱 신호가 검출될 수 있다.
도 9c를 참조하면, 제1 멀티플렉서(MUX1)가 턴-온 되며 m번째 센싱 라인(SSL(m))에 연결된 B열의 센싱 픽셀에 저장된 센싱 신호가 리드아웃 라인(ROL)을 통해 검출될 수 있다. 그리고, 도 9d를 참조하면, 제2 멀티플렉서(MUX2)가 턴-온 되며 (m+1)번째 센싱 라인(SSL(m+1))에 연결된 B열의 센싱 픽셀에 저장된 센싱 신호가 리드아웃 라인(ROL)을 통해 검출될 수 있다.
이때, A열의 센싱 픽셀에 배치된 제1 박막 트랜지스터(T1)가 턴-온 된 상태이므로, 픽셀 전극 구동 라인(PVL)을 통해 공급되는 리셋 전압(Vrst)이 A열의 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL)으로 공급될 수 있다.
따라서, A열의 센싱 픽셀의 픽셀 전극(PXL)에 저장된 신호의 검출이 완료된 이후에, B열의 센싱 픽셀로부터 센싱 신호를 검출하는 기간에 A열의 센싱 픽셀의 픽셀 전극(PXL)이 리셋될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들은, 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242) 사이에 배치된 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압을 공급하여 초음파를 발신함으로써, 초음파가 다수의 센싱 픽셀에서 동시에 발신될 수 있다.
따라서, 초음파 발신을 위해 공급하는 구동 전압의 레벨을 낮추면서 초음파 발신 기간과 횟수를 감소시킬 수 있으며, 고전압의 인가로 인한 박막 트랜지스터의 열화를 방지할 수 있다.
그리고, 반사되는 신호가 수신되는 타이밍에 맞춰 픽셀 전극(PXL)을 플로팅 시켜 신호를 저장하고, 이후 순차적으로 센싱함으로써, 초음파 발신 기간 및 횟수를 감소시키면서 센싱의 정확도 및 감도를 유지할 수 있다.
또한, 경우에 따라, 수신된 신호의 저장을 위해 픽셀 전극(PXL)만 플로팅 상태가 되고, 공통 전극(COM)은 초음파 발신 이후 정전압 상태가 유지될 수도 있다.
또한, 제1 압전 물질(241)과 제2 압전 물질(242) 사이에 제1 공통 전극(COM1)이 배치된 구조에서, 제2 공통 전극(COM2)을 픽셀 전극(PXL)과 전기적으로 연결시킴으로써 구조를 단순화할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)의 픽셀 어레이의 회로 구조의 다른 예시를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 다수의 센싱 픽셀 각각에는, 제1 박막 트랜지스터(T1), 제2 박막 트랜지스터(T2) 및 제3 박막 트랜지스터(T3)가 배치될 수 있다.
그리고, 센싱 픽셀에 픽셀 전극(PXL)과 제1 공통 전극(COM1)에 의해 형성되는 캐패시터와, 제1 공통 전극(COM1)과 제2 공통 전극(COM2)에 의해 형성되는 캐패시터가 배치될 수 있다.
여기서, 각각의 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제2 공통 전극(COM2)은 센싱 픽셀 단위로 패터닝되어 배치되고, 대응되는 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL)과 전기적으로 연결될 수 있다.
따라서, 제2 공통 전극(COM2)으로 제2 공통 전압(Vcom2)을 공급하기 위한 구성을 별도로 배치하지 않아도 되며, 픽셀 전극(PXL)으로 공급되는 픽셀 전압(PXL)에 따라 제2 공통 전극(COM2)이 제어될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 센서(200)의 구동 시 공급되는 신호와 신호가 공급되는 타이밍의 다른 예시를 나타낸 것으로서, 도 11에 도시된 픽셀 어레이가 구동될 경우 신호 타이밍의 예시를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 초음파 발신 기간인 제1 기간(P1)에 다수의 스캔 라인(SCL)으로 턴-온 레벨의 스캔 신호가 공급된다. 그리고, 픽셀 전극(PXL)으로 정전압인 픽셀 전압(Vpxl)이 공급될 수 있다.
이때, 제2 공통 전극(COM2)이 픽셀 전극(PXL)과 전기적으로 연결된 상태이므로, 제2 공통 전극(COM2)으로 픽셀 전압(Vpxl)과 동일한 제2 공통 전압(Vcom2)이 공급될 수 있다.
픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)으로 정전압이 공급된 기간의 일부 기간에 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압인 제1 공통 전압(Vcom1)이 공급될 수 있다.
초음파 발신 기간 이후에 제1 공통 전극(COM1)은 플로팅 상태가 될 수 있다.
초음파 수신 기간인 제2 기간(P2) 중 제1 공통 전극(COM1)이 플로팅 된 상태에서 턴-온 레벨의 스캔 신호의 공급이 중지될 수 있다.
따라서, 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)이 플로팅 될 수 있다. 그리고, 반사된 신호가 픽셀 전극(PXL)에 저장된 상태가 될 수 있다.
판독 기간인 제3 기간(P3)에 제1 공통 전극(COM1)은 플로팅 된 상태를 유지할 수 있다.
그리고, 다수의 스캔 라인(SCL)으로 턴-온 레벨의 스캔 신호가 순차적으로 공급되며, 각각의 센싱 픽셀로부터 센싱 신호가 검출될 수 있다. 이때, 센싱 신호의 검출이 완료된 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)으로 리셋 전압(Vrst)이 공급될 수 있다.
이와 같이, 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2)이 전기적으로 연결된 경우에도, 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압을 공급하여 초음파 센서(200)의 구동 효율 및 센싱 성능을 개선할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예들에 의하면, 픽셀 전극(PXL)과 제2 공통 전극(COM2) 사이에 배치된 압전 물질(240) 사이에 제1 공통 전극(COM1)을 배치하고, 제1 공통 전극(COM1)으로 교류 전압을 공급하여 초음파를 발신함으로써, 공급되는 구동 전압을 낮추면서 초음파의 발신 성능을 높여줄 수 있다.
또한, 제1 공통 전극(COM1)에 교류 전압을 공급하여 전체 센싱 영역에서 동시에 초음파를 발신하므로, 초음파의 발신 기간과 횟수를 감소시켜 구동 효율을 극대화할 수 있다.
그리고, 초음파 수신 기간에는 제1 공통 전극(COM1)을 플로팅 시킨 상태에서, 반사된 신호가 수신되는 시점에 맞춰 픽셀 전극(PXL)을 플로팅 시켜 수신된 신호를 저장한 후 센싱을 수행함으로써, 센싱 감도와 센싱 정확도를 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 디스플레이 패널 120: 커버 글래스
200: 초음파 센서 210: 기판
220: 박막 트랜지스터 어레이 231: 제1 패드부
232: 제2 패드부 240: 압전 물질
250: 접착층 260: 반사층
270: 커버층 280: 본딩부
290: 연성 인쇄 회로 300: 접착부
400: 컨트롤러

Claims (20)

  1. 다수의 스캔 라인, 다수의 센싱 라인 및 다수의 센싱 픽셀이 배치된 픽셀 어레이;
    상기 다수의 센싱 픽셀 각각에 배치된 다수의 픽셀 전극;
    상기 픽셀 전극 상에 배치된 제1 압전 물질;
    상기 제1 압전 물질 상에 배치된 제1 공통 전극;
    상기 제1 공통 전극 상에 배치된 제2 압전 물질; 및
    상기 제2 압전 물질 상에 배치된 제2 공통 전극을 포함하고,
    초음파 발신 기간에 상기 픽셀 전극으로 공급되는 픽셀 전압과 상이한 제1 공통 전압이 상기 제1 공통 전극으로 공급되고, 상기 픽셀 전압과 동일한 제2 공통 전압이 상기 제2 공통 전극으로 공급되며,
    초음파 수신 기간 및 판독 기간 중 적어도 일부 기간에 상기 제1 공통 전극은 플로팅 상태인 초음파 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공통 전극의 두께는 상기 제2 공통 전극의 두께 이하인 초음파 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전 물질의 제1 두께와 상기 제2 압전 물질의 제2 두께는 상기 제1 두께와 상기 제2 두께의 평균값으로부터 기설정된 범위 이내인 초음파 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전 물질과 상기 제2 압전 물질은 동일한 물질로 이루어진 초음파 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 전압과 상기 제2 공통 전압은 정전압이고, 상기 제1 공통 전압은 교류 전압인 초음파 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발신 기간에 상기 다수의 픽셀 전극으로 동시에 상기 픽셀 전압이 공급되는 초음파 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 수신 기간에서 상기 제1 공통 전극이 플로팅 상태인 기간 중 기설정된 시점에 상기 픽셀 전극으로 상기 픽셀 전압의 공급이 중지되는 초음파 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판독 기간에 상기 제2 공통 전극으로 상기 제2 공통 전압과 상이한 정전압이 공급되는 초음파 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 판독 기간 이전의 기간 중 적어도 일부 기간에 상기 제2 공통 전극은 플로팅 상태인 초음파 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 판독 기간에 상기 다수의 센싱 픽셀로부터 센싱 신호가 순차적으로 검출되는 초음파 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센싱 신호가 검출된 이후에 상기 픽셀 전극으로 상기 픽셀 전압과 상이한 리셋 전압이 공급되는 초음파 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공통 전극은 상기 다수의 센싱 픽셀 각각과 대응되도록 패터닝되고, 대응되는 센싱 픽셀에 배치된 픽셀 전극과 전기적으로 연결된 초음파 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 센싱 픽셀 각각은,
    상기 스캔 라인으로 공급되는 신호에 의해 제어되고, 상기 픽셀 전압을 공급하는 픽셀 전압 라인과 상기 픽셀 전극 사이에 전기적으로 연결된 제1 박막 트랜지스터;
    상기 스캔 라인으로 공급되는 신호에 의해 제어되고, 상기 센싱 라인에 전기적으로 연결된 제2 박막 트랜지스터; 및
    상기 픽셀 전극의 전압 레벨에 의해 제어되고, 센싱 전압을 공급하는 센싱 전압 라인과 상기 제2 박막 트랜지스터 사이에 전기적으로 연결된 제3 박막 트랜지스터를 포함하는 초음파 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 초음파 발신 기간과, 상기 초음파 수신 기간의 적어도 일부 기간에 상기 센싱 전압 라인으로 제1 센싱 전압이 공급되고, 상기 판독 기간에 상기 센싱 전압 라인으로 제2 센싱 전압이 공급되며,
    상기 제1 센싱 전압의 레벨은 상기 제2 센싱 전압의 레벨보다 낮은 초음파 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 초음파 발신 기간에 상기 픽셀 전극으로 공급되는 상기 픽셀 전압의 레벨은 상기 센싱 전압과 상기 제3 박막 트랜지스터의 출력 전류 사이의 관계 그래프에서 포화 영역에 포함되는 레벨인 초음파 센서.
  16. 다수의 스캔 라인, 다수의 센싱 라인 및 다수의 센싱 픽셀이 배치된 픽셀 어레이;
    상기 다수의 센싱 픽셀 각각에 배치된 다수의 픽셀 전극;
    상기 픽셀 전극 상에 배치된 압전 물질;
    상기 압전 물질 상에 배치된 공통 전극; 및
    상기 압전 물질 내에 배치되고, 상기 픽셀 전극과 상기 공통 전극이 서로 중첩하는 영역을 포함하는 영역과 중첩되도록 배치되며, 상기 공통 전극의 두께 이하의 두께를 갖는 초음파 발신 전극
    을 포함하는 초음파 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 초음파 발신 전극은 상기 픽셀 전극과 상기 공통 전극 사이의 중간 지점으로부터 기설정된 범위 내에 위치하는 초음파 센서.
  18. 제16항에 있어서,
    초음파 발신 기간에 상기 픽셀 전극과 상기 공통 전극으로 동일한 정전압이 공급되고, 상기 초음파 발신 전극으로 상기 픽셀 전극에 공급되는 정전압과 상이한 교류 전압이 공급되는 초음파 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 초음파 발신 기간 이외의 기간에 상기 초음파 발신 전극은 플로팅 상태인 초음파 센서.
  20. 디스플레이 패널; 및
    상기 디스플레이 패널에 내장되거나, 상기 디스플레이 패널의 적어도 일면에 배치된 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 초음파 센서
    를 포함하는 디스플레이 장치.
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