휴대용 기기의 소비 전력을 낮추고 영상의 질을 개선하기 위해, 주변 밝기에 따라서 LCD 모듈의 백라이트를 조정하는 방법을 사용할 수 있다. 이를 효과적으로 구현하기 위해서 LCD 패널에 광 센서와 신호취득 회로를 집적하고자 했으며, LTPS TFT 공정을 이용하여 설계했다. 서로 다른 LCD 패널의 광 센서에 대한 특성 편차를 보정하기 위해 새로운 개념의 start-up 보정 방식을 제안하였다. 이와 더불어 광 전류 정보를 디지털 형태로 전달하기 위해 time-to-digital 방식을 사용하였으며, 이를 start-up 보정 방식과 효과적으로 결합하는 dual slope 보정 방법을 제안하였다. LTPS TFT 공정을 이용하여 최종적인 신호취득 회로를 구현하고자, 간단하고 안정적인 회로 구조와 타이밍을 제안하고 설계 및 검증을 진행했다. 설계한 신호취득 회로는 별도의 검사 설비 없이 광 센서 편차의 보정이 가능하며, 60dB 범위의 입력 광에 대해 10배수 구간 마다 4 단계의 디지털 데이터를 출력한다. 신호취득 속도는 100Hz이며, 디지털 변환의 선형 오차는 18% 미만이다.
휴대용 기기의 소비 전력을 낮추고 영상의 질을 개선하기 위해, 주변 밝기에 따라서 LCD 모듈의 백라이트를 조정하는 방법을 사용할 수 있다. 이를 효과적으로 구현하기 위해서 LCD 패널에 광 센서와 신호취득 회로를 집적하고자 했으며, LTPS TFT 공정을 이용하여 설계했다. 서로 다른 LCD 패널의 광 센서에 대한 특성 편차를 보정하기 위해 새로운 개념의 start-up 보정 방식을 제안하였다. 이와 더불어 광 전류 정보를 디지털 형태로 전달하기 위해 time-to-digital 방식을 사용하였으며, 이를 start-up 보정 방식과 효과적으로 결합하는 dual slope 보정 방법을 제안하였다. LTPS TFT 공정을 이용하여 최종적인 신호취득 회로를 구현하고자, 간단하고 안정적인 회로 구조와 타이밍을 제안하고 설계 및 검증을 진행했다. 설계한 신호취득 회로는 별도의 검사 설비 없이 광 센서 편차의 보정이 가능하며, 60dB 범위의 입력 광에 대해 10배수 구간 마다 4 단계의 디지털 데이터를 출력한다. 신호취득 속도는 100Hz이며, 디지털 변환의 선형 오차는 18% 미만이다.
To improve the image quality and lower the power consumption of the mobile applications, it is the one of the best candidate to control the backlight unit of the LCD module with ambient light. Ambient light sensor and readout circuit were integrated in LCD panel for the mobile applications, and we d...
To improve the image quality and lower the power consumption of the mobile applications, it is the one of the best candidate to control the backlight unit of the LCD module with ambient light. Ambient light sensor and readout circuit were integrated in LCD panel for the mobile applications, and we designed them with LTPS TFT. We proposed noble start-up correction in order to correct the variation of the photo sensors in each panel. We used time-to-digital method for converting photo current to digital data. To effectively merge time-to-digital method with start-up correction, we proposed noble dual slope correction method. The entire readout circuit was designed and estimated with LTPS TFT process. The readout circuit has very simple and stable structure and timing, so it is suitable for LTPS TFT process. The readout circuit can correct the variation of the photo sensors without an additional equipment, and it outputs the 4-levels digital data per decade for input luminance that has a dynamic range of 60dB. The readout rate is 100 times/sec, and the linearity error for digital conversion is less than 18%.
To improve the image quality and lower the power consumption of the mobile applications, it is the one of the best candidate to control the backlight unit of the LCD module with ambient light. Ambient light sensor and readout circuit were integrated in LCD panel for the mobile applications, and we designed them with LTPS TFT. We proposed noble start-up correction in order to correct the variation of the photo sensors in each panel. We used time-to-digital method for converting photo current to digital data. To effectively merge time-to-digital method with start-up correction, we proposed noble dual slope correction method. The entire readout circuit was designed and estimated with LTPS TFT process. The readout circuit has very simple and stable structure and timing, so it is suitable for LTPS TFT process. The readout circuit can correct the variation of the photo sensors without an additional equipment, and it outputs the 4-levels digital data per decade for input luminance that has a dynamic range of 60dB. The readout rate is 100 times/sec, and the linearity error for digital conversion is less than 18%.
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문제 정의
것이다. 그러나, 본 논문에서는 광 센서 보다는 이를 위한 신호취득 회로 구현에 더 중점을 두고자 한다. Top 게이트 구조의 TFT에서 상부 게이트 전극을 제거한 PIN 구조의 광 센서를 제작하였으며, 이에 대한 측정결과를 그림 2에 나타내었다.
본 논문에서는 LTPS TFT의 장점을 최대한 발휘하여, 광 센서와 신호취득 회로를 LCD panel 위에 집적하고자 한다.
다음으로 PD3는 표준 밝기에 대한 정보를 얻기 위한 것으로서, 백라이트의 초기 밝기 값을 인식하며, 이를 위해 하부의 백라이트 차단 테이프를 제거해야 한다. 이와 같은 방법을 이용하여 제품의 시작과 동시에 광 센서의 암전류와 감지도에 대한 정보를 알 수 있는 것이다. 두 가지 정보를 활용하여 보정하는 구체적인 회로 기법에 대해서는 추후에 설명하도록 하겠다.
주변 밝기에 따라 LCD 모듈의 백라이트를 조정하는 응용을 위해, LCD 패널에 광 센서와 신호취득 회로를 집적하는 연구를 진행했다. 이를 위해 LTPS TFT 공정을 이용하여 광 센서를 제작하고 신호취득 회로를 설계했다.
가설 설정
오차를 나타냈다. 광 센서의 패널 간 편차는 앞에서와 마찬가지로 100%로 가정하고, 패널 내 편차를 각각 5%와 10%로 가정한 결과이다. 원하는 입력 범위의 각 레벨에서 18% 이하의 선형 오차를 보이고 있다.
그림 12는 빛의 세기에 따른 신호취득 회로의 최종디지털 출력 특성을 나타낸다. 이 때, 서로 다른 LCD 패널의 센서 간 특성 편차는 최대 100%라 가정하고, 같은 LCD패널 내의 센서 간 특성 편차는 최대 5%라 가정했다. 그림 12의 이상적인 곡선은 디지털 변환 이전의 값으로 그림 11의 실선(Tpd)과 같다.
제안 방법
광전류의 디지털 변환에 적합한 time-to-digital 방법과 start up 보정 방법을 효율적으로 구현하기 위해, dual slope 보정 방법을 제안하였다. LTPS TFT 공정으로 설계하기에 적합하도록, 이를 간단한 회로 구조와 타이밍으로 구현하고 검증하였다. 검증 결과를 통해 알 수 있듯이, 별도의 검사 설비가 없어도 광 센서의 특성 보정이 가능하기 때문에, 제품의 비용과 생산 시간을 크게 줄일 수 있다.
그러나, 본 논문에서는 광 센서 보다는 이를 위한 신호취득 회로 구현에 더 중점을 두고자 한다. Top 게이트 구조의 TFT에서 상부 게이트 전극을 제거한 PIN 구조의 광 센서를 제작하였으며, 이에 대한 측정결과를 그림 2에 나타내었다.⑹ 외부 광량에 따른 광 전류의 크기가 매우 선형적임을 알 수 있다.
이를 위해 LTPS TFT 공정을 이용하여 광 센서를 제작하고 신호취득 회로를 설계했다. 광 센서의 특성이 LCD 패널 마다 크게 다르기 때문에 이를 위한 start up 보정 개념을 제안하였다. 광전류의 디지털 변환에 적합한 time-to-digital 방법과 start up 보정 방법을 효율적으로 구현하기 위해, dual slope 보정 방법을 제안하였다.
광 센서의 특성이 LCD 패널 마다 크게 다르기 때문에 이를 위한 start up 보정 개념을 제안하였다. 광전류의 디지털 변환에 적합한 time-to-digital 방법과 start up 보정 방법을 효율적으로 구현하기 위해, dual slope 보정 방법을 제안하였다. LTPS TFT 공정으로 설계하기에 적합하도록, 이를 간단한 회로 구조와 타이밍으로 구현하고 검증하였다.
비교기와 카운터는 time-to-digital 동작을 구현하기 위해서 사용한다. 마지막으로, 디지털- 아날로그 변환기는 저항 배열과 디코더를 이용하여 구성했으며, 기준 값 Vblu를 결정하고 유지하는데 사용한다.
제품의 시작과 동시에 백라이트는 정해진 레벨의 밝기를 갖는다. 이 후, 정해진 시간 Tblu 동안에 백라이트를 감지하는 광 센서의 전류를 적분한다. 그림 8에 나타낸 것과 같이, 각 패널의 광 센서 특성에 따라 최종 적분 값 Vblu가 다르게 나타날 것이다.
연구를 진행했다. 이를 위해 LTPS TFT 공정을 이용하여 광 센서를 제작하고 신호취득 회로를 설계했다. 광 센서의 특성이 LCD 패널 마다 크게 다르기 때문에 이를 위한 start up 보정 개념을 제안하였다.
시스템의 감도(sensing resolution), 동작 범위 (dynamic range), 감지 속도(data acquisition rate) 등은 일반적인 응용에서 요구하는 값을 사용했다. 주어진 요구 값, 소스 드라이버 IC의 가용전압 및 타이밍 등을 고려하여 설계했으며, 최종 main clock <j)ck의 주기는 18.8us로 설정했다. 이 주기 값은 충분히 여유 있는 값으로, 4>ck를 더 빠르게 하여 시스템의 감도 등을 향상시킬 수 있다.
디지털 값으로 변환한다. 즉, 외부 광을 감지하는 센서의 전류 Ipd를 적분하고, 이 적분 값이 Vblu에도달하기 위한 시간 Tpd를 측정한다. 그림 8에 나타낸 바와 같이, 비록 각 광센서의 특성 차이로 인해 적분 기울기가 다르게 나타나도, 기준 값 Vblu가 이를 반영하여 설정이 되었기 때문에, 동일한 외부 광에 대한 최종결과 값은 광 센서에 관계없이 동일하다.
따라서, 추가적인 검사 없이 제품을 사용할 때 바로 보정이 가능하도록 하는 아이디어가 필요하다. 한 패널내의 인접한 광 센서의 특성은 매우 유사하다는 기초 연구를 바탕으로, 그림 5와 같은 start up 보정 개념을 제안한다. LCD의 단점이 될 수 있는 백라이트의 존재를 활용한 것으로, 백라이트를 표준 광원으로 사용하므로 보상을 위한 별도의 검사 설비가 필요 없다.
대상 데이터
TFT의 최소 게이트 길이는 4um이며, 표 1에 회로 설계에 필요한 주요 파라미터를 요약했다. 시스템의 감도(sensing resolution), 동작 범위 (dynamic range), 감지 속도(data acquisition rate) 등은 일반적인 응용에서 요구하는 값을 사용했다.
기대치도 함께 높아지게 되었다. 능동형 매트릭스 LCD(AMLCD) 패널을 구현하기 위해, 주로 비정질 실리콘(a-Si)을 기반으로 한 박막 트랜지스터 (TFT)를 이용하였다. 그러나 뛰어난 이동도와 안정성을 보이는 저온 다결정 실리콘(LTPS) TFT를 이용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며, a-Si TFT가 접근할 수 없는 영역을 중심으로 시장을 확대해가고 있다.
신호취득 회로를 설계하기 위해 top 게이트 구조의 1-poly 1-metal LTPS TFT 공정을 사용했다. TFT의 최소 게이트 길이는 4um이며, 표 1에 회로 설계에 필요한 주요 파라미터를 요약했다.
이론/모형
다음으로, time-to-digital 방법을 이용하여 외부 광정보를 디지털 값으로 변환한다. 즉, 외부 광을 감지하는 센서의 전류 Ipd를 적분하고, 이 적분 값이 Vblu에도달하기 위한 시간 Tpd를 측정한다.
성능/효과
백라이트에서 소모하는 전력을 줄이기 위해, 외부 밝기 조건에 따라 백라이트의 밝기를 자동으로 조정하고 영상의 질을 개선하는 연구가 진행되었다.(3) 즉, 주변 환경이 밝을 때는 백라이트를 밝게 하고, 어두울 때는 백라이트의 밝기를 단계적으로 낮추어서, 영상에 대한 시인성은 높이고 백라이트의 전력 소모는 낮추는 방법을 사용할 수 있다.
참고문헌 (7)
M. Karube, et al., "Low power consumption for circuits integration of low temperature poly-Si TFT-LCDs", IDW Digest, pp.1229-1230, 2005
T. Nishibe, and H. Nakamura, "Value-added circuit and function integration for SOG base on LTPS technology", SID symposium Digest, pp. 1091-1094, 2006
N. Chang, I. Choi, and H. Shim, "DLS: Dynamic backlight luminance scaling of liquid crystal display", IEEE trans. on VLSI systems, vol. 12, no. 8, pp. 837-846, 2004
K. Maeda, et al., "The system-LCD with monolithic ambient light sensor system", SID symposium Digest, pp. 356-357, 2005
F. Matsuki, et al., "Integrated ambient light sensor in LTPS AMLCDs", SID symposium Digest, pp. 290-293, 2007
H. S. Park, T. J. Ha, M. K. Han, D. H. Woo, K. S. Shin, and C. W. Kim, "A new monolithic polysilicon ambient light sensor system with wide dynamic range for active-matrix displays by employing an adaptive sensitivity control method", SID symposium Digest, pp. 716-719, 2008
D. H. Woo, S. G. Kang and H. C. Lee, "Novel current-mode background suppression for 2-D LWIR applications", Circuits and Systems II, IEEE Trans. on, Vol. 52, No. 9, pp. 600-610, 2005
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