KR20220001244A - 전기용량 화소 센서 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전기용량 화소 센서 회는 제1트랜지스터, 제2트랜지터, 제1용량과 제2용량으로 구성되고, 상기 제1트랜지스터의 드레인은 한 스캔 라인에 연결되고, 소오스는 리드 아웃선에 연결되며, 상기 제1용량의 일단은 한 스캔 라인에 연결되고 타단은 제2용량의 일단에 직렬로 연결되며 또한 노드 A(감지전곡)에 연결되고, 상기 제2용량의 타단은 접지전극에 연결되며, 상기 제1용량과 제2용량 간의 노드 A에 상기 제1트랜지스터의 게이트가 연결되며, 상기 제2트랜지스터 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다른 스캔 라인에 연결된다.

Description

전기용량 화소 센서 회로{Capacitive Pixel Sensor circuit}

본 발명은 터치를 감지하거나 지문인식을 감지하는데 사용될 수 있는 화소 센서 회로의 구성에 관한 것이다.

컴퓨터 기술의 발달에 따라 노트북, 태블릿 피시, 스마트 폰, 개인 휴대 정보단말기, ATM(Automated Teller Machine) 등과 같은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템이 개발되어 왔다. 이들 시스템에는 통상적으로 개인적인 사생활과 관련된 개인정보, 공공정보, 영업 정보 및 기밀과 관련된 다양한 정보와 같이 비밀을 요하는 많은 데이터가 저장되어 있기 때문에 이들 데이터를 보호하기 위해서는 보안을 강화해야 할 필요성이 있다.

보안강화를 위해 초기에는 비밀번호나 PIN번호를 사용하였지만, 인간의 손가락에 존재하는 지문은 사람마다 다 다르기 때문에 손가락의 지문을 이용하여 시스템의 등록이나 인증을 수행함으로써 보안성을 강화할 수 있는 지문센서가 공지되었고 현재 사용중에 있다.

지문센서는 인간의 손가락 지문을 감지하는 센서로서, 광학식 지문센서와 정전용량식 지문센서로 크게 나눌 수 있다.

광학식 지문센서는, 내부에서 LED 등의 광원을 조사하고 지문의 융선에 의해 반사된 빛을 CMOS 이미지 센서를 통해 감지하는 원리를 이용한 것이다. 광학식 지문센서는 LED를 이용해서 스캔을 해야 하기 때문에 크기를 줄이는 데에 한계가 있고 광원 자체가 고가이기 때문에 제조비용이 증가한다는 문제점이 있다.

정전용량식 지문센서는, 지문센서와 접촉되는 융선과 골 사이에 대전되는 전기량의 차를 이용한 것이다. 일반적인 정전용량식 지문센서는 특정 푸시버튼과 결합한 어셈블리 형태로 구성되어 있으며, 용량성 플레이트와 사용자의 지문(융선과 골) 사이의 정전용량을 측정하기 위한 회로가 인쇄된 실리콘 웨이퍼를 포함한다. 지문의 융선과 골은 대략 300㎛~500㎛의 크기로 매우 미세하기 때문에, 정전용량식 지문센서는 고해상도 센서 어레이와 지문인식 처리를 위한 IC(Integrated Chip) 제작이 필요하다.

한편, 센서 회로는 점점 작아지는 피치 안에 집어넣어야 하므로 보다 간단하면서도 성능이 우수한 센서회로가 필요하며 이를 위해 보다 사용하는 소자의 수가 작으면서도 성능이 우수한 회로를 제공하여 작아지는 피치에서도 사용이 용이한 회로를 제공하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 목적은 화소 피치가 작아져도 사용이 용이한 한편, 외부의 노이즈나 원하지 않는 외부전압에 대해 안정된 작동을 할 수 있는 전기용량 화소 센서 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기용량 화소 센서 회는 제1트랜지스터, 제2트랜지터, 제1용량과 제2용량으로 구성되고, 상기 제1트랜지스터의 드레인은 한 스캔 라인에 연결되고, 소오스는 리드 아웃선에 연결되며, 상기 제1용량의 일단은 한 스캔 라인에 연결되고 타단은 제2용량의 일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2용량의 타단은 접지에 연결되며, 상기 제1용량과 제2용량 간의 노드 A에 상기 제1트랜지스터의 게이트가 연결되며, 상기 제2트랜지스터 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다른 스캔 라인에 연결된다.

본 발명에 따른 전기용량 화소 센서 회로에서, 상기 한 스캔 라인은 N번째 스캔 라인이고, 상기 다른 스캔 라인은 N+1번째 스캔 라인이다.

본 발명에 따른 전기용량 화소 센서 회로에서, 상기 N번째 스캔 라인이 온상태이면 상기 N+1번째 스캔 라인은 오프상태이고, 상기 N번째 스캔 라인이 오프상태가 되면 상기 N+1번째 스캔 라인은 온상태가 된다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전기용량 화소 센서 회로는 제1트랜지스터, 제2트랜지터, 제1용량과 제2용량으로 구성되고, 상기 제1트랜지스터의 드레인은 리드 아웃선에 연결되고 소오스는 Vss에 연결되며, 상기 제1용량의 일단은 한 스캔 라인에 연결되고 타단은 제2용량의 일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2용량의 타단은 접지전극에 연결되며, 상기 제1용량과 제2용량 간의 노드 A에 상기 제1트랜지스터의 게이트가 연결되며, 상기 제2트랜지스터 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다른 스캔 라인에 연결된다.

상기 전기용량 화소 센서 회로에서, 회로 외부의 리셋 트랜지스터가 리드 아웃선과 VDD 사이에 설치된다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기용량 화소 센서 회로는 제1트랜지스터, 제2트랜지터, 제1용량과 제2용량으로 구성되고, 상기 제1트랜지스터의 드레인은 한 스캔 라인에 연결되고 소오스는 Vss에 연결되며, 상기 제1용량의 일단은 상기 한 스캔 라인에 연결되고 타단은 제2용량의 일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2용량의 타단은 접지전극에 연결되며, 상기 제1용량과 제2용량 간의 노드 A에 상기 제1트랜지스터의 게이트가 연결되며, 상기 제2트랜지스터 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다른 스캔 라인에 연결되며, 상기 제1트랜지스터의 소오스는 또한 인버터의 입력으로 연결되고, 그 소오스 전극과 Vss 간에 제3용량이 더 설치된다.

상기 전기용량 화소 센서 회로에서, 상기 인버터는 제3 및 제4트랜지스터로 구성되고, 상기 제3트랜지스터의 게이트와 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결되고 소오스는 상기 제4트랜지스터의 드레인이 연결되며, 상기 제4트랜지스터의 소오스는 Vss에 연결되고 게이트는 상기 제1트랜지스터의 소오스에 연결된다.

본 발명을 통하여 점점 피치가 작아지고 있는 디스플레이 화소 내에 같이 센서를 구성하기 용이하며 디스플레이가 아닌 독립적인 별도의 센서 어레이 구성에서도 보다 미세한 피치에 적용하기 간편하여 보다 고정세의 센서어레이를 형성 할 수 있으며, 또한 동작 안정성을 확보하여 오동작을 줄이는 효과가 있다.

도 1은 기존 센서 회로를 보여주는 도면.
도 2는 감지전극의 터치에 의한 전기용량의 변화를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 트랜지스터를 하나 추가하여 안정화 한 본 발명에 따른 회로를 보여주는 도면.
도 4는 트랜지스터의 연결을 변경하여 동작을 빠르게 한 본 발명에 따른 회로를 보여주는 도면.
도 5는 인버터 구조의 트랜지스터 회로를 추가하여 감도를 높이고 안정화한 회로를 보여주는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적인 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 트랜지스터 1개(10)를 사용하는 기존 화소 센서회로를 나타낸 것으로서, 제1용량(C1)은 화소 내에 형성되는 전기용량이다. 그리고 제2용량(C2)는 도 2에서 나타낸 바와 같이 화소 내에 전극과 인간의 지문 사이에 형성되는 전기용량이다. 제1용량(C1)의 일단은 N번째 스캔 라인(20)에 연결되고 타단은 노드 A에 연결되고, 제2용량의 일단은 노드 A(감지전극)에 연결되며, 제2용량의 타단은 접지(S)에 연결된다. 그리고 제1트랜지스터(10)의 드레인은 N번째 스캔 라인에 연결되고, 소오스는 리드 아웃선(30)에 연결되며, 게이트는 제1용량과 제2용량 사이의 노드 A 연결된다.

도 2에서는 P1 부분에만 전기용량을 도시하였지만, P2 부분뿐만 아니라 다른 부분 위에도 전기용량이 설치됨을 알 수 있다.

사람의 손가락으로 터치할 때 손가락 지문의 높은 부분(융선)이 터치 되는 부분은 전기용량이 그렇지 않은 부분(골)보다 더 크다. 도 2에서는 A부분의 전극과 B부분의 전극에 손가락 지문의 높은 부분(융선)이 더 많이 접촉하게 되어 이 부분의 전기용량들이 전기용량이 크지게 된다.

도 1에서 N번째 스캔 라인(20)에 온 펄스가 인가되면 온 전압이 N번째 스캔 라인(20)에 인가되고 상승하는 전압에 의하여 노드 A가 영향을 받게 된다.

전도체로 역할하는 사용자의 손가락이 터치 되어 있는 경우에는 제2용량(C2)가 상대적으로 커지게 되어 노드 A의 전압이 같이 상승하지 못하여, 결국 트랜지스터의 게이트 전압이 작아 제1트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않게 된다.

그러나 손가락이 터치가 되어 있지 않을 때는 상대적으로 용량2(C2)이 작아지게 되고, 이에 따라 노드 A 의 전압이 증가하여 트랜지스터의 게이트에 가해지는 전압도 증가하여 제1트랜지스터(10)를 통한 전류가 증가하게 된다. 트랜지스터를 통해 흐르는 전류는 리드 아웃 라인을 통해 감지가 되는데 이러한 감지를 통해 지문을 인식할 수 있다.

노드 A에 연결된 제1트랜지스터(10)의 게이트 전압이 증가할 때 제1트랜지스터(10)의 드레인 전극이 N번째 스캔 라인(20)에 연결되어 있고 N번째 스캔 라인(20)의 전압이 높은 상태이므로 N번째 스캔 라인이 트랜지스터의 전원역할을 한다.

이어서 N번째 스캔 라인의 전압이 다시 낮아지면 노드 A의 전압도 두 전극 간의 전기용량에 의하여 다시 낮아지게 된다. 따라서 제1트랜지스터에 가해지는 전압도 낮아지게 되어 트랜지스터는 오프 상태가 되며 N번째 스캔 라인의 전압도 오프 전압으로 낮아지게 되어 전원 전압도 없어지게 되어 제1트랜지스터는 동작하지 않는 상태가 된다.

N번째 스캔 라인에 의해 N 번째 화소가 스캔이 되면 그 다음 N+1번째 화소의 스캔 라인에 온 펄스가 공급이 되며 다음 화소 센서의 동작이 시작이 된다.

이와 같이 해서 각 화소센서가 순차적으로 동작을 하게 되며 게이트 전압에 의해 트랜지스터의 전류가 증가하게 되어 높은 감지율을 제공할 수 있다.

그러나, 노드 A는 회로 구성상으로는 플로팅 노드이고 외부 전원과 연결이 차단이 되어 있어 외부전압이나 노이즈의 영향을 쉽게 받아 전압이 변동이 일어날 수 있다. 이에 의해 제1트랜지스터의 게이트에 원하지 않는 전압이 인가되어, 오작동을 일으킬 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 제2트랜지스터(40)를 하나 더 추가한다. 제2트랜지스터(40)는 제1용량(C1)과 병렬로 연결하고, 그 드레인은 N번째 스캔 라인(20)에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다음번 스캔 라인(scan n+1)(50)에 연결하여 노드 A전압을 오프전압으로 안정화하는 역할하여 케이트 전압에 원하지 않는 전압이 인가되는 것을 방지한다. 즉 N번째 스캔 라인(20)이 온 전압일 때 다음번 스캔 라인(50)은 오프 전압이기 때문에 제2트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않아 제1트랜지스터의 게이트 전압을 안정적으로 유지하고 또한 N번째 스캔 라인이 오프 전압이 되고 그 다음 스캔 라인이 온 전압이 되어 제2트랜지스터의 게이터가 활성화되지만 N번째 스캔 라인이 오프 전압인 관계로 제2트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않게 되어 제1트랜지스터의 게이트 전압을 안정적으로 유지할 수 있게 된다. 따라서, 제2트랜지스터에 의해 노드 A는 원하지 않는 외부전압이나 노이즈에 대해 안정적으로 유지되게 되어 지문인식을 정확하게 할 수 있도록 해준다.

그리고 이 트랜지스터를 동작시키기 위하여 별도의 배선이 필요 없고 다음번 화소의 스캔 라인(Scan N+1)에 공급되는 전압을 이용하므로 별도의 배선이 필요 없어 매우 간단하고 또한 제조가 편리하다.

회로에 감지한 센싱신호는 리드 아웃(read out)선(30)에 전달이 되는데 리드 아웃선을 낮은 전압으로 리셋한 후 센싱회로를 동작시키면 센서 상태에 따라서 리드 아웃선의 전압이 높아지기도 하고 변화가 없기도 하게 된다.

트랜지스터가 N 채널형인 경우 리드 아웃선은 높은 전압으로 리셋하고 센서 상태에 따라 변화가 없거나 낮은 전압으로 방전되게 하거나 하는 것이 동작 면에서 유리한데 이를 도 4에 도시하였다. 이 경우에는 낮은 전압으로 두기 위한 VSS 배선이 추가로 필요하며 제1트랜지스터(10) 드레인 전극이 리드 아웃선(R/O)(30)에 연결되고, 소오스는 Vss에 연결된다. 그리고 별도의 리셋 트랜지스터(60)가 설치되어 리드 아웃선과 VDD에 연결된다. 그리고 1트랜지스터의 소오스는 스캔 라인 N11 에 연결할 수도 있는데, 이 경우는 VSS라인이 별도로 필요하지 않다. 스캔 라인 N-1이 오프 상태로 낮은 전압이므로 VSS라인 대신 사용이 가능하다.

센싱신호의 증폭율을 높이고 회로를 보다 안정화하기 위하여, 도 5에 도시한 바와 같이 두 개의 트랜지스터, 즉 제3트랜지스터(70)와 제4트랜지스터(80)를 추가하고, 제1트랜지스터의 소오스 전극과 Vss 사이에 제3용량(90)을 설치한 회로를 고안하였다.

도 1에 도시된 것과 같은 원리로 동작하며 제1트랜지스터(10)에 의해 N번째 스캔 라인의 전압이 노드 B에 전달이 되는데, 노드 A의 전압에 따라 전압이 전달될수도 있고 전달이 되지 않을 수도 있다. 전압이 전달되어 전압이 높아지면 제3 및 제4트랜지스터(70 및 80)으로 구성되는 인버터 동작에 의하여 출력은 낮은 전압이 되고, 전압이 차단되어 낮아지면 제3 및 제4트랜지스터로 구성되는 인버터의 출력은 높아진다.

따라서 노드 A의 전압에 따라서 출력전압은 확실히 높은 전압과 낮은 전압으로 구분되어 변별력을 높일 수 있으며, 다음번 스캔 라인인 스캔 N+1에 온 펄스가 공급이 되면 노드 B의 전압을 N번째 스캔 라인의 오프 전압으로 낮추게 되고 제3 및 제4트랜지스터로 구성되는 인버터의 출력은 높은 상태가 된다. 이 경우는 출력을 리드 아웃상태와 분리가 되는 스위치 트랜지스터를 두어 리드 아웃라인과는 전기적으로 분리가 되도록 한다.

한편, 상기에서 N번째 스캔라인이라는 표현에서, N은 0이 아닌 상수이고, 디스플레이에 형성되게 되는 화소의 수에 따라 결정될 수 있다.

이상에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 기술된 실시예들을 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 물론 아니다. 후술하는 청구항들은 본 발명의 범주 안에서 이들 실시예로부터 자명하게 도출 가능한 많은 변형예들을 포괄하도록 의도되었다.

Claims (12)

1. 제1트랜지스터, 제2트랜지터, 제1용량과 제2용량으로 구성되고, 상기 제1트랜지스터의 드레인은 한 스캔 라인에 연결되고, 소오스는 리드 아웃선에 연결되며,
   상기 제1용량의 일단은 한 스캔 라인에 연결되고 타단은 제2용량의 일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2용량의 타단은 접지전극에 연결되며,
   상기 제1용량과 제2용량 간의 노드 A에 상기 제1트랜지스터의 게이트가 연결되며,
   상기 제2트랜지스터 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다른 스캔 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 한 스캔 라인은 N번째 스캔 라인이고, 상기 다른 스캔 라인은 N+1번째 스캔 라인인 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
3. 제2항에 있어서,
   상기 N번째 스캔 라인이 온상태이면 상기 N+1번째 스캔 라인은 오프상태이고, 상기 N번째 스캔 라인이 오프상태가 되면 상기 N+1번째 스캔 라인은 온상태가 되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
4. 제1트랜지스터, 제2트랜지터, 제1용량과 제2용량으로 구성되고, 상기 제1트랜지스터의 드레인은 리드 아웃선에 연결되고 소오스는 Vss에 연결되며,
   상기 제1용량의 일단은 한 스캔 라인에 연결되고 타단은 제2용량의 일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2용량의 타단은 접지전극에 연결되며,
   상기 제1용량과 제2용량 간의 노드 A에 상기 제1트랜지스터의 게이트가 연결되며,
   상기 제2트랜지스터 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다른 스캔 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
5. 제4항에 있어서,
   리셋 트랜지스터가 리드 아웃선과 VDD 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
6. 제4항에 있어서,
   상기 한 스캔 라인은 N번째 스캔 라인이고, 상기 다른 스캔 라인은 N+1번째 스캔 라인인 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
7. 제6에 있어서,
   상기 N번째 스캔 라인이 온상태이면 상기 N+1번째 스캔 라인은 오프상태이고, 상기 N번째 스캔 라인이 오프상태가 되면 상기 N+1번째 스캔 라인은 온상태가 되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 제1트랜지스터의 소오스가 N-1번째 스캔 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
9. 제1트랜지스터, 제2트랜지터, 제1용량과 제2용량으로 구성되고,
   상기 제1트랜지스터의 드레인은 한 스캔 라인에 연결되고 소오스는 Vss에 연결되며,
   상기 제1용량의 일단은 상기 한 스캔 라인에 연결되고 타단은 제2용량의 일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2용량의 타단은 접지전극에 연결되며,
   상기 제1용량과 제2용량 간의 노드 A에 상기 제1트랜지스터의 게이트가 연결되며,
   상기 제2트랜지스터 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결하고 소오스는 노드 A에 연결하며, 게이트 전극은 다른 스캔 라인에 연결되며,
   상기 제1트랜지스터의 소오스는 또한 인버터의 입력으로 연결되고, 그 소오스 전극과 Vss 간에 제3용량이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
10. 제9항에 있어서,
    상기 한 스캔 라인은 N번째 스캔 라인이고, 상기 다른 스캔 라인은 N+1번째 스캔 라인인 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
11. 제10항에 있어서,
    상기 N번째 스캔 라인이 온상태이면 상기 N+1번째 스캔 라인은 오프상태이고, 상기 N번째 스캔 라인이 오프상태가 되면 상기 N+1번째 스캔 라인은 온상태가 되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
12. 제9항에 있어서,
    상기 인버터는 제3 및 제4트랜지스터로 구성되고, 상기 제3트랜지스터의 게이트와 드레인은 상기 한 스캔 라인에 연결되고 소오스는 상기 제4트랜지스터의 드레인이 연결되며, 상기 제4트랜지스터의 소오스는 Vss에 연결되고 게이트는 상기 제1트랜지스터의 소오스에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기용량 화소 센서 회로.
    
    
    
    

Images