노트북, 테블릿 PC 및 스마트폰 등의 휴대 기기를 위한 디스플레이의 전력소모를 낮추기 위해, 주변 밝기에 따라서 디스플레이의 밝기를 조정할 수 있는 광 센서 시스템을 연구하였다. 또한, 휴대 기기의 복잡도와 비용에 크게 영향을 주지 않도록, 광 센서 시스템을 디스플레이 패널에 일체형으로 구현하고자 했으며, 이를 위해서 저온 다결정 실리콘 박막트렌지스터를 이용하여 패널에 광 센서와 신호취득 회로를 집적하고자 했다. 주변 밝기를 감지하는 광 센서의 패널 간 편차를 별도의 공정 설비없이 신뢰성 있게 보정할 수 있도록, 새로운 보정 방식을 제안하였다. 이와 더불어 최종 데이터를 디지털화하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 포함한 신호취득 회로를 제안하고 검증하였다. 제안하는 회로는 집적하기에 적합하도록 간단한 구동 신호로 동작되며, 인식 가능한 입력 밝기는 10에서 10,000 lux까지이다. 제안하는 신호취득 회로의 신호취득 주파수는 100Hz이며, 20개의 출력 레벨에 대한 최대 차등 불균일 오차는 0.5 LSB 이하이다.
노트북, 테블릿 PC 및 스마트폰 등의 휴대 기기를 위한 디스플레이의 전력소모를 낮추기 위해, 주변 밝기에 따라서 디스플레이의 밝기를 조정할 수 있는 광 센서 시스템을 연구하였다. 또한, 휴대 기기의 복잡도와 비용에 크게 영향을 주지 않도록, 광 센서 시스템을 디스플레이 패널에 일체형으로 구현하고자 했으며, 이를 위해서 저온 다결정 실리콘 박막트렌지스터를 이용하여 패널에 광 센서와 신호취득 회로를 집적하고자 했다. 주변 밝기를 감지하는 광 센서의 패널 간 편차를 별도의 공정 설비없이 신뢰성 있게 보정할 수 있도록, 새로운 보정 방식을 제안하였다. 이와 더불어 최종 데이터를 디지털화하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 포함한 신호취득 회로를 제안하고 검증하였다. 제안하는 회로는 집적하기에 적합하도록 간단한 구동 신호로 동작되며, 인식 가능한 입력 밝기는 10에서 10,000 lux까지이다. 제안하는 신호취득 회로의 신호취득 주파수는 100Hz이며, 20개의 출력 레벨에 대한 최대 차등 불균일 오차는 0.5 LSB 이하이다.
Ambient-light sensor system, which changes the brightness of a display as ambient light change, was studied to reduce the power consumption of the mobile applications such as note PC, tablet PC and smart phone. The ambient-light sensor system should be integrated on a display panel to improve the co...
Ambient-light sensor system, which changes the brightness of a display as ambient light change, was studied to reduce the power consumption of the mobile applications such as note PC, tablet PC and smart phone. The ambient-light sensor system should be integrated on a display panel to improve the complexity and cost of mobile applications, so the ambient-light sensor and readout circuit was integrated on a display panel using low-temperature poly-silicon thin film transistors (LTPS-TFT). We proposed the new compensation method to correct the panel-to-panel variation of the ambient-light sensors, without additional equipment. We designed and investigated the new readout circuit with the proposed compensation method and the analog-to-digital converter for the final digital output of ambient light. The readout circuit has very simple structure and control timing to be integrated with LTPS-TFT, and the input luminance ranges from 10 to 10,000 lux. The readout rate is 100 Hz, and maximum differential non-uniformity with 20 levels of the final output below 0.5 LSB.
Ambient-light sensor system, which changes the brightness of a display as ambient light change, was studied to reduce the power consumption of the mobile applications such as note PC, tablet PC and smart phone. The ambient-light sensor system should be integrated on a display panel to improve the complexity and cost of mobile applications, so the ambient-light sensor and readout circuit was integrated on a display panel using low-temperature poly-silicon thin film transistors (LTPS-TFT). We proposed the new compensation method to correct the panel-to-panel variation of the ambient-light sensors, without additional equipment. We designed and investigated the new readout circuit with the proposed compensation method and the analog-to-digital converter for the final digital output of ambient light. The readout circuit has very simple structure and control timing to be integrated with LTPS-TFT, and the input luminance ranges from 10 to 10,000 lux. The readout rate is 100 Hz, and maximum differential non-uniformity with 20 levels of the final output below 0.5 LSB.
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문제 정의
휴대 기기를 위한 디스플레이의 전력소모를 낮추고 영상의 질을 개선하기 위해, 패널 일체형 ALS 시스템을 연구하였다. 제안하는 ALS 시스템은 주로 LCD 응용에 맞추어 검증했지만, 논문에 제시한 바와 같이 AMOLED 디스플레이에도 충분히 적용될 수 있다.
가설 설정
그림 10의 기준(reference) 데이터는 최소 광 반응을 갖는 광 센서에 대한 특성을 나타낸다. 나머지 세 개의 데이터는 패널 간 PRNU가 기준으로부터 100% 차이나는 광 센서를 가정하여 얻은 것이다. 제안하는 신호취득 회로를 사용하여 보정하는 경우, 보정 과정이 없는 경우에 비해서 기준 특성과 크게 차이 없는 표준화된 특성을 보이고 있다.
이 때 가정한 주변 밝기의 범위는 실제 휴대 기기의 사용 환경을 반영한 것이다. 우선, 같은 패널 상에서 인접한 두 LTPS 광센서의 광 반응 차이(photo-response non-uniformity, PRNU)를 최대 5% 또는 10%로 가정했고, 패널 간 PRNU의 차이는 100%로 가정했으며, 이는 실제 광 센서 제작을 통해 실험적으로 얻은 수치이다. 그림 10의 기준(reference) 데이터는 최소 광 반응을 갖는 광 센서에 대한 특성을 나타낸다.
제안 방법
따라서, Vx 파형은 그림 5(b)처럼 선형의 ramp 신호를 나타내는 것이 아니라, 그림 9와 같이 시간에 따라 지수함수 형태로 변하도록 했다. 이를 위해, 그림 5(a) DAC의 저항열을 조정하여, DAC의 전체 출력 구간(4V)을 서로 다른 크기를 갖는 8 구간(2, 1, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-5V)으로 나누고, 다시 각 구간마다 동일한 크기로 8개의 구간을 갖도록 했다. 즉, 제한된 6-bit 디지털 해상도 내에서 VPD 신호가 작은 경우에 대해 보다 많은 디지털 레벨을 할당한 것이다.
RPI(Rensselaer Polytechnic Institute) 다결정 실리콘 TFT 모델을 사용한 HSPICE 모의실험을 통해 제안하는 회로를 검증하였다. 그림 8은 그림 3의 회로에 대한 모의실험 파형을 나타내며, 그림 4의 타이밍도와 동일한 동작을 확인할 수 있다.
그럼에도 불구하고, LTPS TFT 간의 특성 편차가 심각하기 때문에 증폭기의 입력 오프셋(VOS)은 수백 mV 정도로 다소 큰 편이다. 따라서, 제안하는 신호취득 회로는 앞에서 설명한 설계 방법들을 이용하여 최종 디지털 값이 VOS의 영향을 거의 받지 않도록 했다.
이 때, 각 패널의 적분기는 IBLU를 적분하고, 적분기의 출력은 비교기를 통해 정해진 전압 레벨(VS)과 비교된다. 별도의 디지털 카운터와 메모리를 사용하여 적분기의 출력이 VS에 도달하는 시간을 디지털화하여 저장한다. 그림 2(b)에서 예시한 바와 같이 두 패널 상의 광 센서 특성에 따라 VS 도달 시간(tB1, tB2)이 다르게 나타난다.
일반적인 LTPS-TFT 공정을 사용하여 PIN 구조의 광 센서를 제작하였고, 이에 대한 광 특성 곡선을 측정하였다.[5] LTPS 광 센서는 비교적 좋은 안정성을 보이지만 패널 간 편차가 매우 크므로, 아무런 보정 과정 없이 이를 이용하여 주변 밝기를 측정하면, 기기 간에 측정 오차가 크게 발생한다.
그림 8은 그림 3의 회로에 대한 모의실험 파형을 나타내며, 그림 4의 타이밍도와 동일한 동작을 확인할 수 있다. 일반적인 휴대 기기에서 사용할 수 있는 표준 밝기의 세기와 적분 캐패시터 CINT의 용량을 고려하여, 첫 번째 구간은 7ms로 하고 나머지 구간은 각각 5ms로 설정했다. 세 번째 구간에서 V(c)신호는 회로 동작에 영향을 미치지 않는다.
전원은 6V와 -2V를 사용했고, 전력소모는 150μW 이하가 되도록 설계했으며, 신호취득 주파수와 최대 적분 시간은 각각 100Hz 및 5ms로 설계했다.
제안하는 ALS 시스템은 주로 LCD 응용에 맞추어 검증했지만, 논문에 제시한 바와 같이 AMOLED 디스플레이에도 충분히 적용될 수 있다. 제안하는 ALS 시스템을 위해 실시간 보정 방식을 제안하고, 이를 구현할 수 있는 신호취득 회로를 제안하여 검증하였다. 제안하는 신호취득 회로를 통해서, 추가적인 비용 또는 시간을 들이지 않고 신뢰성 있게 주변 밝기를 감지하여 휴대 기기의 성능을 높이는 데 기여할 수 있을 것이다.
사용자가 휴대 기기를 사용 함과 동시에 보정이 이루어지기 때문에, 시간이 지남에 따라 LTPS 광 센서의 특성이 변하더라도, 신뢰성 있게 주변 밝기를 측정할 수 있다. 제안하는 보정 방법을 LCD에 적용하는 경우, 표준 밝기를 구현하기 위해 백라이트를 사용하고, 한 패널에 두 개의 LTPS 광 센서(PD1, PD2)를 사용한다. 동일한 패널 위에서 인접한 LTPS 광 센서 간의 특성 편차는 패널 간 특성 편차에 비해 매우 작다.
제안하는 신호취득 회로의 보정 효과를 정량화하기위해, ADC의 차등 비선형 오차(Differential non-linearity error, DNL)와 유사한 개념을 갖는 최대 차등 불균일 오차(Differential non-uniformity error, DNU)를 사용하고자 한다. 최종적으로 얻어진 각 20 개의 레벨에 대해서 패널 간 오차를 고려할 때 실제 가능한 입력 범위와 이상적인 범위의 차이를 DNU로 정의한다.
그림 3과 그림 4는 제안하는 ALS 시스템을 위한 신호취득 회로의 블록도와 타이밍도를 각각 나타낸다. 제안하는 신호취득 회로의 주요 구성은 크게 적분기(A1, CINT), 비교기(A2), 디지털 비교기, 카운터 및 ADC로 나눌 수 있다. 적분기의 입력단은 두 개의 광 센서로 구성되며, 앞에서 설명한 바와 같이 시간을 나누어 둘 중 하나를 입력으로 사용한다.
이 때 저장된 디지털 값은 표준 밝기에 대한 광 전류가 정해진 전압 차(VS2-VS1) 만큼 적분되는 데 필요한 시간으로, II-1절에서 설명한 tB를 의미한다. 증폭기 A1의 입력 오프셋 및 1/f 잡음 등에서 발생하는 문제를 제거하기 위해, 카운팅의 시작 기준으로 리셋 전압 VRST 대신에 고정 전압 VS1을 사용하였다.
대상 데이터
모의실험을 위해서 사용할 n형 및 p형 TFT의 이동도(μ)와 문턱전압(VTH) 등은 제작된 LTPS-TFT 의 측정 데이터를 이용해 모델링했다.
세 번째 구간의 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위해서, 그림 3의 ADC에 대한 회로도와 타이밍도를 그림 5에 나타냈다. 사용한 ADC는 6-bit single-slope ADC(SS ADC)로서, 저항열 방식의 디지털-아날로그 변환기(DAC), 비교기 및 레지스터로 구성된다. 먼저, ɸ2 신호가 논리 ‘0’ 값을 유지하는 동안 DAC의 출력 Vx는 최대전압 VSAT로 고정되며, ADC의 입력 Vin은 그림 4의 두 번째 구간에서 결정한 VPD 값을 가진다.
제안하는 신호취득 회로를 설계하기 위해서, top 게이트 구조의 4-μm 1-poly 1-metal LTPS-TFT 공정을 사용했으며, 그림 7은 전체 회로에 대한 마스크 레이아웃을 나타낸다.
이론/모형
제안하는 신호취득 회로에서 설계한 연산증폭기는 크기가 큰 TFT를 사용하면서 common-centroid 레이 아웃 기법을 사용했다. 그럼에도 불구하고, LTPS TFT 간의 특성 편차가 심각하기 때문에 증폭기의 입력 오프셋(VOS)은 수백 mV 정도로 다소 큰 편이다.
이를 휴대용 기기를 위해 사용할 경우, 백라이트 시스템에서 소모하는 소비전력은 전체 패널에서 상당 부분을 차지한다. 휴대 기기에서 소비전력을 낮추는 것은 매우 중요한 과제이므로, 백라이트 시스템의 소비전력을 낮추고 영상의 질을 개선하기 위해서, 주변 밝기에 따라 디스플레이의 밝기를 조정하는 방법(Ambient-light sensor system, ALS 시스템)을 사용할 수 있다.[3～5] 즉, 주변이 밝을 때는 백라이트를 밝게 하고, 어두울 때는 백라이트의 밝기를 단계적으로 낮추어서, 영상의 질은 높이고 백라이트의 전력소모는 줄이는 방법이다.
성능/효과
[5] LTPS 광 센서는 비교적 좋은 안정성을 보이지만 패널 간 편차가 매우 크므로, 아무런 보정 과정 없이 이를 이용하여 주변 밝기를 측정하면, 기기 간에 측정 오차가 크게 발생한다. 따라서, 별도의 표준 광원으로 각 패널의 광 센서에 대한 광 특성을 측정하여 이를 표준 특성 곡선으로 보정해야 한다.
그림 2에 제안하는 ALS 시스템의 동작 원리를 나타내었다. 일반적인 방법과는 달리 제안하는 방법에서는 별도의 공정 및 설비가 없어도 LTPS 광 센서의 패널간 편차를 보정할 수 있다. 사용자가 휴대 기기를 사용 함과 동시에 보정이 이루어지기 때문에, 시간이 지남에 따라 LTPS 광 센서의 특성이 변하더라도, 신뢰성 있게 주변 밝기를 측정할 수 있다.
나머지 세 개의 데이터는 패널 간 PRNU가 기준으로부터 100% 차이나는 광 센서를 가정하여 얻은 것이다. 제안하는 신호취득 회로를 사용하여 보정하는 경우, 보정 과정이 없는 경우에 비해서 기준 특성과 크게 차이 없는 표준화된 특성을 보이고 있다. 실제 목표로 하는 응용에서 입력 밝기에 대한 해상도 조건이 그다지 높지는 않으며, 휴대 기기 응용의 목적에 맞추어 최종 ADC 출력에 대해 해상도를 낮게 조정하여 사용하는 것이 일반적이다.
즉, 최종 적분 값 VPD는 주변 밝기에 대해 표준화된 측정 결과를 제공하며, LTPS 광 센서의 감지도와 거의 무관한 값을 나타낸다. 그림 2(b)에서 예시한 바와 같이 두 패널 상의 광 센서가 큰 편차를 보이더라도, 동일한 주변 밝기에 대해 동일한 VPD를 나타내고 있다.
후속연구
그림 9는 그림 5(a)의 ADC에 대한 모의실험 파형을 나타내며, 그림 5(b)의 타이밍도와 동일한 동작을 확인할 수 있다. 실제 빛의 세기에 대해 우리 눈에서 느끼는 정도는 로그함수의 특성을 갖기 때문에, 본 연구에 대한 응용을 위해서는 감지하는 주변 밝기의 구간을 로그축에서 일정한 간격으로 나누는 것이 바람직하다. 따라서, Vx 파형은 그림 5(b)처럼 선형의 ramp 신호를 나타내는 것이 아니라, 그림 9와 같이 시간에 따라 지수함수 형태로 변하도록 했다.
휴대 기기를 위한 디스플레이의 전력소모를 낮추고 영상의 질을 개선하기 위해, 패널 일체형 ALS 시스템을 연구하였다. 제안하는 ALS 시스템은 주로 LCD 응용에 맞추어 검증했지만, 논문에 제시한 바와 같이 AMOLED 디스플레이에도 충분히 적용될 수 있다. 제안하는 ALS 시스템을 위해 실시간 보정 방식을 제안하고, 이를 구현할 수 있는 신호취득 회로를 제안하여 검증하였다.
제안하는 ALS 시스템을 위해 실시간 보정 방식을 제안하고, 이를 구현할 수 있는 신호취득 회로를 제안하여 검증하였다. 제안하는 신호취득 회로를 통해서, 추가적인 비용 또는 시간을 들이지 않고 신뢰성 있게 주변 밝기를 감지하여 휴대 기기의 성능을 높이는 데 기여할 수 있을 것이다. 본 연구에서 CAD 툴과 칩 제작은 IDEC의 지원을 받았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LTPS-TFT 공정을 사용한 광 센서의 단점은 무엇인가?
일반적인 LTPS-TFT 공정을 사용하여 PIN 구조의 광 센서를 제작하였고, 이에 대한 광 특성 곡선을 측정하였다.[5] LTPS 광 센서는 비교적 좋은 안정성을 보이지만 패널 간 편차가 매우 크므로, 아무런 보정 과정 없이 이를 이용하여 주변 밝기를 측정하면, 기기 간에 측정 오차가 크게 발생한다. 따라서, 별도의 표준 광원으로 각 패널의 광 센서에 대한 광 특성을 측정하여 이를 표준 특성 곡선으로 보정해야 한다.
광 센서 시스템의 기능은 무엇인가?
노트북, 테블릿 PC 및 스마트폰 등의 휴대 기기를 위한 디스플레이의 전력소모를 낮추기 위해, 주변 밝기에 따라서 디스플레이의 밝기를 조정할 수 있는 광 센서 시스템을 연구하였다. 또한, 휴대 기기의 복잡도와 비용에 크게 영향을 주지 않도록, 광 센서 시스템을 디스플레이 패널에 일체형으로 구현하고자 했으며, 이를 위해서 저온 다결정 실리콘 박막트렌지스터를 이용하여 패널에 광 센서와 신호취득 회로를 집적하고자 했다.
광 센서 시스템을 연구한 이유는 무엇인가?
노트북, 테블릿 PC 및 스마트폰 등의 휴대 기기를 위한 디스플레이의 전력소모를 낮추기 위해, 주변 밝기에 따라서 디스플레이의 밝기를 조정할 수 있는 광 센서 시스템을 연구하였다. 또한, 휴대 기기의 복잡도와 비용에 크게 영향을 주지 않도록, 광 센서 시스템을 디스플레이 패널에 일체형으로 구현하고자 했으며, 이를 위해서 저온 다결정 실리콘 박막트렌지스터를 이용하여 패널에 광 센서와 신호취득 회로를 집적하고자 했다.
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.
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J. F. Wu, et al., "Integrated ambient light sensor on a LED driver chip", IEEE PEDS Digest, pp. 944-947, 2011.
K. Maeda, et al., "The system-LCD with monolithic ambient-light sensor system", SID symposium Digest, pp. 356-359, 2005.
H. S. Park, T. J. Ha, Y. Hong, M. K. Han, D. H. Woo, K. S. Shin, and C. W. Kim, "A self -reset ambient-light sensor system for lowtemperature polycrystalline-silicon active-matrix displays", Journal of the SID, pp. 889-893, 2008.
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Y. Vygranenko, M. Fernandes, A. Sazonov, and M. Vieira, "Driving scheme using MIS photosensor for luminance control of AMOLED pixel", Journal of display technology, pp. 1-5, 2013.
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