KR100870105B1 - 이미지 센서가 내장된 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서가 내장된 디스플레이 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변 커패시터의 영향을 제거하여 이미지 센서의 화소전극과 하부 공통전극 사이에 형성되는 저장용량을 안정적으로 유지하여 노이즈를 감소시킬 수 있는 이미지 센서가 내장된 디스플레이 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서 저장용량
Description
도 1은 종래의 이미지 센서 내장 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2의 등가회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 등가회로도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조사 시간에 따른 저장 용량의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 박막트랜지스터 기판 110 : 기판
120 : 게이트 전극 121 : LCD 공통전극
122 : 하부 공통전극 130 : 게이트 절연막
141 : 비정질 실리콘층 142 : N형 비정질 실리콘층
151 : 드레인 전극 152 : 소오스 전극
153 : 전원전극 154 : 화소 전극
160 : 보호 절연막 170 : LCD 화소 전극
180 : 상부 공통전극 20 : 칼라필터 기판
210 : 기판 220 : 상판 공통전극
30 : 액정 40 : 저장 용량
본 발명은 이미지 센서가 내장된 디스플레이 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변 캡의 영향을 제거하여 이미지 센서의 화소전극과 하부 공통전극 사이에 형성되는 저장용량을 안정적으로 유지하여 노이즈를 감소시킬 수 있는 이미지 센서가 내장된 디스플레이 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 이미지 센서 내장 박막 트랜지스터 액정 표시 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 등가 회로도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 종래의 이미지 센서 내장 디스플레이 장치는 화소 전극(50)이 비어홀을 통해 이미지 센싱 소자의 소스 전극과 스위칭 소자의 드레인 전극에 연결되도록 형성된다.
따라서 도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 구동 소자와 이미지 센싱 소자 사이에 기생 커패시터(CP)가 형성되고, 이미지 센서의 화소전극이 상부에 형성되어 있으므로 상판 공통전극과 액정에 의한 영향으로 액정 셀 커패시터(Cscl)가 형성된다.
일반적으로 이미지 센싱 소자는 신호 대 노이즈 비가 증가되는 현상을 감소 또는 제거하기 위해 큰 용량과 전하를 안정적으로 유지할 수 있는 저장 커패시터가 필요하나, 종래의 이미지 센서 내장 디스플레이 장치는 상기와 같은 기생 커패시터와 액정 셀에 의한 커패시터(Cscl)의 영향에 의해 저장 커패시터(C1)의 용량이 불안정하여 노이즈에 취약한 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 이미지 센서 소자의 저장 커패시터의 전하를 안정적으로 유지하여 노이즈를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 디스플레이 장치는 이미지 센싱 소자 및 스위칭 소자를 포함하는 이미지 센서가 내장된 디스플레이 장치로서, 상기 이미지 센서는 상기 이미지 센싱 소자의 소오스 전극에 연장되어 형성되는 화소전극과 상기 화소전극 상에 형성된 보호 절연막 및 상기 화 소 전극 상부의 보호 절연막 상에 형성된 공통전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 상부 공통전극은 비어홀을 통해 하부 공통전극과 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지 센싱 소자의 채널은 길이가 1 ~ 100um로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 이미지 센싱 소자의 채널은 너비가 1 ~ 2000um로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이미지 센싱 소자의 채널의 크기(W/L)는 시간에 따른 전압 변화의 선형성에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 디스플레이 장치 제조방법은 기판 상에 게이트 전극 및 하부 공통전극을 패터닝하여 형성하는 단계와 상기 게이트 전극 및 하부 공통전극 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계와 상기 게이트 전극 상부의 절연막 상에 비정질 실리콘층 및 N형 비정질 실리콘층을 패터닝하여 반도체층을 형성하는 단계와 상기 반도체층 상에 구동 소자와 스위칭 소자의 드레인/ 소오스 전극 및 이미지 센싱 소자의 전원전극과 화소전극을 패터닝하여 데이터 패턴을 형성하는 단계와 상기 데이터 패턴 상에 보호 절연막을 형성하는 단계와 상기 화소전극 상부의 보호 절연막 상에 상부 공통전극을 패터닝하여 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 게이트 절연막 및 보호 절연막 형성단계는 상부 공통전극과 하 부 공통전극이 연결되도록 포토리소그라피 공정을 통해 비어홀을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체층 형성 단계는 이미지 센싱 소자의 채널의 길이를 1 ~ 100um범위로 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 반도체층 형성단계는 이미지 센싱 소자의 채널의 너비를 1 ~ 2000um범위로 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용에 대하여 도면 및 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서 내장 박막 트랜지스터 액정 표시 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 등가 회로도이다.
액정 표시 장치는 일반적으로 전계를 이용하여 액정의 광투과율을 조절함으로써 화상을 표시하게 된다. 이러한 액정 표시 장치는 박막트랜지스터 기판(10)과 칼라필터 기판(20)에 대향하게 배치된 화소 전극과 공통 전극 사이에 형성되는 전계에 의해 액정(30)을 구동하게 된다.
여기서, 상기 박막트랜지스터 기판(10)은 데이터 라인과 게이트 라인이 교차하는 영역에 구동소자와 이미지 센싱을 위한 이미지 센싱 소자 및 스위칭 소자를 포함하여 구성된다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 박막 트랜지스터 액정 표시 장치는 기판(110) 상에 구동소자 및 이미지 센싱 소자의 게이트 전극(120), LCD 공통전극(121), 하부 공통전극(122) 및 스위칭 소자의 게이트 전극이 이격되어 형성되고, 그 상면에 게이트 절연막(130)이 증착되어 형성된다.
그리고, 게이트 절연막(130) 상면에는 보호 절연막(passivation)(160)이 위치하며 상기 게이트 절연막(130)과 보호 절연막(160) 사이에는 반도체층(140), 구동소자의 소스(152)와 드레인 전극(151), 스위칭 소자의 소스와 드레인 전극 및 이미지 센싱 소자의 전원전극(153)과 화소전극(154)이 형성된다.
또한, 상기 화소전극(154) 상부의 보호 절연막(160) 상에 상부 공통전극(180)이 형성되고, 상기 상부 공통전극(180)은 비어홀을 통해 하부 공통전극(122)과 연결된다. 여기서, 상기 이미지 센싱 구동소자의 화소전극과 공통전극에 저장 용량(40)이 형성된다.
상기 도 3의 구성에 따라 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 등가 회로 구성을 살펴보면, 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 디스플레이 장치는 게이트 신호 라인이 게이트 단자에 연결되고, 데이터 신호 라인이 드레인 단자에 연결되어 액정 표시 장치를 구동하는 구동소자와; 드레인 단자가 전원전극과 연결되고 소오스 단자가 화소전극과 연결되고 게이트 단자가 공통전극에 연결되는 이미지 센싱 소자와; 상기 이미지 센싱 소자의 소스단자에 드레인 전극이 연결되고 상기 게이트 신호 라인에 게이트 단자가 연결되며 리드아웃(Read out) 데이터 라인에 소스전극이 연결되는 스위칭 소자 및 상기 이미지 센싱 소자의 소스전극과 스위칭 소자의 드레인전극에 일단이 연결되고 타단은 상기 공통전극에 연결되는 저장 커패시터(C1)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 이미지 센싱 소자의 출력단은 저장 커패시터와 스위칭 소자와 연결되고, 상기 스위칭 소자의 출력단은 데이터 버스라인과 연결되어 외부 리드아웃(read out) IC와 연결된다. 또한, 전원전압(VDD)은 전원 버스 라인을 통하여 상기 이미지 센싱 소자에 전달된다.
보다 구체적으로, 액정 패널은 게이트 라인 및 데이터 라인의 교차로 정의된 서브 화소 영역마다 형성된 액정 커패시터(Clcl)와, 그 교차부마다 형성되어 액정셀과 접속된 구동소자와 상기 액정 커패시터(Clcl)와 병렬 접속된 스토리지 커패시터(Cst)를 구비한다.
구동소자는 게이트 라인로부터의 스캔 신호에 응답하여 데이터 라인으로부터의 데이터 신호를 액정셀(Clcl)로 공급한다.
액정셀(Clcl)은 구동소자와 접속되어 하부 기판에 형성된 화소 전극이 액정을 사이에 두고 상부 기판의 공통전극과 중첩됨으로써 커패시터 형태로 형성된다. 이러한 액정셀(Clcl)은 구동소자를 통해 화소 전극에 공급된 데이터 신호와 공통 전극에 공급된 공통 전압과의 차전압에 따라 유전 이방성을 갖는 액정이 회전하여 광투과율을 조절함으로써 데이터 신호에 따른 계조를 구현하게 된다. 그리고, 적, 녹, 청색 컬러 필터를 각각 포함하는 3개의 액정셀 (Clcl)의 조합으로 하나의 화소가 구현된다.
한편 이미지 센서는 선택된 라인의 스위칭 소자의 게이트 전극에 양의 전압 이 가해져서 스위칭 소자가 턴온(Turn On)되면, 명암의 신호가 이미지 센서에 의해서 전류의 양으로 변화되며, 상기 광전류는 상기 스위칭 소자를 통해서 리드아웃 IC에 전달된다. 여기서, 선택되지 않은 라인의 스위칭 소자는 턴오프(Turn Off)되어 전류의 흐름을 막아 이미지 센서의 신호를 외부로 전달하지 않는다.
상기 턴오프 기간 동안 이미지 센서에서 발생한 전하를 저장 커패시터에 저장하고, 스위칭 소자가 턴온되면 상기 저장 커패시터에 저장된 전하가 리드아웃 IC에 입력된다.
그러나, 종래의 이미지 센서 내장 디스플레이 장치는 구동소자와 이미지 센서 사이에 형성된 기생 커패시턴스와 기판 상부에 화소전극이 형성되어 발생하는 액정 셀 커패시턴스가 저장 커패시턴스에 영향을 미치게 되어 저장 커패시턴스의 저장 용량에 변화가 발생되어 노이즈에 취약한 문제가 있으나, 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 디스플레이 장치는 이미지 센싱 소자의 화소전극을 보호 절연막 하부에 형성하여 액정 셀에 의한 커패시턴스를 제거할 수 있으며, 상기 화소전극 상부의 보호 절연막 상에 상부 공통전극을 형성하고 상기 상부 공통전극과 하부 공통전극은 비어홀을 통해 연결하여 접지시킴으로서 기생 커패시턴스를 제거할 수 있다.
따라서, 이미지 센서의 저장 커패시터의 용량을 안정적으로 유지할 수 있으므로 노이즈를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 디스플레이 장치 제조 방법은 하기와 같다.
먼저, 기판(110) 상에 금속을 증착 및 포토리소그라피 공정에 의해 패터닝하고 식각하여 구동 소자, 이미지 센싱 소자 및 스위칭 소자의 게이트 전극(120), LCD 공통전극(121), 하부 공통전극(122)을 포함하는 게이트 패턴을 형성한다.
이어서, 상기 기판, 게이트 전극 및 하부 공통전극 상에 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기 절연 물질을 증착하고, 포토리소그라피 및 식각 공정을 통해 비어홀을 패터닝하여 게이트 절연막(130)을 형성한다.
상기 게이트 절연막 상에 PECVD, 스퍼터링 등의 증착 방법을 통해 비정질 반도체층 및 상기 비정질반도체층 상에 N형 비정질 반도체층을 증착하고, 포토리소그라피 공정에 의해 패터닝하여 비정질반도체층(141) 및 N형 비정질 반도체층(142)으로 구성된 반도체층을 형성한다. 여기서, 이미지 센싱 소자의 채널 크기는 저장용량의 크기를 고려하여 어떠한 크기로도 형성될 수 있으며, 상기 채널 길이와 너비는 시간에 따른 저장 용량의 전압 변화 선형성에 의해 결정될 수 있다. 바람직하게는, 채널의 길이(L)는 1 ~ 100um 범위가 바람직하고, 채널의 너비(W)는 1 ~ 2000um 범위가 바람직하다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조사 시간에 따른 저장 용량의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 채널의 너비(W)가 3um 일 경우, 채널의 너비(L)가 11um, 23um, 45um, 90um일 때의 조사 시간에 따른 저장 용량의 전압 변화를 알 수 있으며, 채널의 크기(W/L)에 따라 선형성이 다르게 나타남을 알 수 있다.
상기 실시예에서는 채널의 너비(W)가 3um, 채널의 너비(L)가 90um인 경우 가 장 높은 저장 용량을 얻을 수 있다. 상기와 같은 방법에 의해 조사 시간에 따른 저장 용량의 전압 변화 선형성을 이용하여 채널의 길이(L)와 채널의 너비(W)를 결정하여 박막트랜지스터의 크기를 결정할 수 있다.
이어서, 상기 반도체층(140) 상에 금속을 증착 및 포토리소그라피 공정에 의해 패터닝하고 식각하여 구동소자와 스위칭 소자의 드레인 및 소오스 전극, 이미지 센싱 소자의 전원전극과 화소전극으로 구성되는 데이터 패턴(150)을 형성한다.
그 후, 상기 데이터 패턴 상에 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기 절연 물질 또는 유기 절연 물질을 증착하고, 포토리소그라피 및 식각 공정을 통해 비어홀을 패터닝하여 보호 절연막(160)을 형성한다.
그리고, 상기 보호 절연막(160) 상에 도전성 금속을 증착하고 포토리소그라피 공정에 의해 패터닝하여 LCD 화소전극(170) 및 상부 공통전극(180)을 형성한다. 이때, 상기 상부 공통전극(180)은 비어홀을 통해 하부 공통전극(122)과 연결된다.
이를 통해, 저장 용량(40)을 확장할 수 있으며, 이를 통해 큰 용량을 확보하여 노이즈를 감소시킬 수 있다.
기타 상부 기판 제조 방법 및 액정 주입방법은 액정 표시 장치의 통상적인 지식을 가진 당업자에게 자명할 뿐만 아니라, 본 발명의 핵심을 벗어나는 부분이므로 생략하기로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서 내장 디스플레이 장치는 주변의 커패시터의 영향을 제거하여 이미지 센서 소자의 저장 커패시터의 전하를 안정적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 큰 저장 용량을 확보할 수 있으므로 노이즈를 감소시킬 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 이미지 센싱 소자 및 스위칭 소자를 포함하는 이미지 센서가 내장된 디스플레이 장치로서,상기 이미지 센서는상기 이미지 센싱 소자의 소오스 전극에 연장되어 형성되는 화소전극과;상기 화소전극 상에 형성된 보호 절연막 및;상기 화소 전극 상부의 보호 절연막 상에 형성된 공통전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치.
- 제 1항에 있어서,상부 공통전극은비어홀을 통해 하부 공통전극과 연결된 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 이미지 센싱 소자의 채널은길이(L)가 1 ~ 100um로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플 레이 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 이미지 센싱 소자의 채널은너비(W)가 1 ~ 2000um로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치.
- 제 3항 또는 제 4항에 있어서,상기 이미지 센싱 소자의 채널의 크기(W/L)는조사 시간에 따른 전압 변화의 선형성에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치.
- 이미지 센서 내장 디스플레이 장치 제조방법에 있어서,기판 상에 게이트 전극 및 하부 공통전극을 패터닝하여 형성하는 단계와;상기 게이트 전극 및 하부 공통전극 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계와;상기 게이트 전극 상부의 절연막 상에 비정질 실리콘층 및 N형 비정질 실리콘층을 패터닝하여 반도체층을 형성하는 단계;상기 반도체층 상에 구동 소자와 스위칭 소자의 드레인/ 소오스 전극 및 이미지 센싱 소자의 전원전극과 화소전극을 패터닝하여 데이터 패턴을 형성하는 단계와;상기 데이터 패턴 상에 보호 절연막을 형성하는 단계와;상기 화소전극 상부의 보호 절연막 상에 상부 공통전극을 패터닝하여 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 게이트 절연막 및 보호 절연막 형성단계는상부 공통전극과 하부 공통전극이 연결되도록 포토리소그라피 공정을 통해 비어홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 반도체층 형성 단계는이미지 센싱 소자의 채널의 길이를 1 ~ 100um범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 반도체층 형성단계는이미지 센싱 소자의 채널의 너비를 1 ~ 2000um범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 내장 디스플레이 장치 제조 방법.
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