KR101361341B1 - 통합 터치 스크린 - Google Patents

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마듀크 유세프퍼
시 창 창
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Abstract

터치 감지 회로가 통합된 디스플레이들이 제공된다. 통합된 터치 스크린은 디스플레이 상에 이미지를 발생하는 디스플레이 시스템의 디스플레이 회로의 부분을 형성하고, 또한 디스플레이 상 또는 근처의 하나 이상의 터치를 감지하는 터치 감지 시스템의 터치 감지 회로의 부분을 형성하는 다기능 회로 요소들을 포함할 수 있다. 다기능 회로 요소들은 예를 들어, 디스플레이 시스템 내의 디스플레이 회로로서 동작하도록 구성되고, 또한 터치 감지 시스템의 터치 회로로서 동작하도록 구성될 수 있는 LCD의 디스플레이 픽셀들 내의 캐패시터들일 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 픽셀 스택업의 하나 이상의 회로 요소들은 터치를 감지하기 위해 스위치들 및 도전성 라인들과 동작될 수 있는, 전하 콜렉터와 같은, 터치 감지 시스템의 도전성 부분을 형성할 수 있다.

Description

통합 터치 스크린{INTEGRATED TOUCH SCREEN}
본 발명은 일반적으로 디스플레이 픽셀 스택업들(display pixel stackups)을 포함하는 디스플레이들에 관한 것이고, 더욱 구체적으로, 디스플레이 상 또는 근처의 터치를 감지하는 터치 감지 회로를 형성하기 위해 디스플레이 픽셀 스택업들의 회로 요소들을 함께 그룹화하기 위한 구성들에 관한 것이다.
버튼들 또는 키들, 마우스들, 트랙볼들, 조이스틱들, 터치 센서 패널들, 터치 스크린들 등과 같은, 컴퓨팅 시스템에서 동작들을 수행하기 위한 많은 타입의 입력 디바이스들이 현재 이용가능하다. 터치 스크린들은 특히 그것들의 감소하는 가격뿐만 아니라, 그것들의 동작의 용이성 및 융통성 때문에 점점 대중적이 되고 있다. 터치 스크린들은 터치 민감 표면을 갖는 클리어 패널(clear panel)일 수 있는 터치 센서 패널, 및 터치 민감 표면이 디스플레이 디바이스의 가시 영역의 적어도 일부분을 커버할 수 있도록 패널 뒤에 부분적으로 또는 완전히 배치될 수 있는 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD)를 포함할 수 있다. 터치 스크린들은 디스플레이 디바이스에 의해 디스플레이되는 사용자 인터페이스(user interface; UI)에 의해 지시되는 위치에서 손가락, 스타일러스 또는 다른 물체를 이용하여 터치 센서 패널을 터치함으로써 사용자가 다양한 기능들을 수행할 수 있게 할 수 있다. 일반적으로, 터치 스크린들은 터치 센서 패널 상의 터치 및 터치의 위치를 인식할 수 있고, 컴퓨팅 시스템은 그 다음에 터치시에 나타나는 디스플레이에 따라 터치를 해석할 수 있고, 그 후에 터치에 기초하여 하나 이상의 액션을 수행할 수 있다. 일부 터치 감지 시스템들의 경우에, 디스플레이 상의 물리적 터치는 터치를 검출하는 데 필요하지 않다. 예를 들어, 일부 용량성 타입 터치 감지 시스템들에서, 터치를 검출하는 데 이용되는 프린징 전기장들(fringing electric fields)은 디스플레이의 표면을 넘어서 연장할 수 있고, 표면 근처에 접근하는 물체들은 표면을 실제로 터치하지 않고 표면 근처에서 검출될 수 있다.
용량성 터치 센서 패널들은 종종 실질적으로 투명한 기판 상의 수평 및 수직 방향들로 로우들 및 컬럼들로 배열되는, 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO)과 같은, 실질적으로 투명한 도전성 물질의 드라이브 및 감지 라인들의 매트릭스로부터 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 부분적으로 그것들의 실질적인 투명성으로 인해 용량성 터치 센서 패널들은 터치 스크린을 형성하기 위해 디스플레이 상에 오버레이될 수 있다. 그러나, 디스플레이를 터치 센서 패널로 오버레이하는 것은, 부가된 무게 및 두께, 터치 센서 패널의 구동에 요구되는 부가적인 전력, 및 디스플레이의 감소된 휘도와 같은 단점들을 가질 수 있다.
이것은 LCD 디스플레이와 같은, 디스플레이의 디스플레이 픽셀 스택업(즉, 디스플레이 픽셀들을 형성하는 스택 물질 층들) 내로 터치 감지 회로를 통합하는 것에 관한 것이다. 디스플레이 픽셀 스택업 내에 형성된 다양한 구조들은 디스플레이 상에 이미지를 발생하기 위해 디스플레이 시스템의 회로로서 동작하도록 설계된다. 통합된 터치 스크린은 디스플레이 상에 이미지를 발생하는 디스플레이 시스템의 디스플레이 회로의 부분을 형성하고, 또한 디스플레이 상 또는 근처의 하나 이상의 터치를 감지하는 터치 감지 시스템의 터치 감지 회로의 부분을 형성하는 다기능 회로 요소들을 포함할 수 있다. 다기능 회로 요소들은 예를 들어, 디스플레이 시스템 내의 디스플레이 회로의 저장 캐패시터들/전극들, 공통 전극들, 도전성 와이어들/경로들 등으로서 동작하도록 구성되고, 또한 터치 감지 회로의 회로 요소들로서 동작하도록 구성될 수 있는 LCD의 디스플레이 픽셀들 내의 캐패시터들일 수 있다. 이러한 식으로, 예를 들어, 터치 감지 능력이 통합된 디스플레이는 소수의 부분들 및/또는 프로세싱 단계들을 이용하여 제조될 수 있고, 디스플레이 자체는 더 얇고, 더 밝고, 적은 전력을 요구할 수 있다.
도 1a-1c는 다양한 실시예들에 따른 통합 터치 스크린이 구현될 수 있는 예시적인 시스템들을 도시한다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 예시적인 통합 터치 스크린의 일 구현을 예시하는 예시적인 컴퓨팅 시스템의 블록도이다.
도 3은 예시적인 고속 필드 스위칭(fast field switching; FFS) LCD 디스플레이를 예시한다.
도 4a-4b는 다양한 실시예들에 따른 예시적인 터치 스크린을 도시한다.
도 5는 도 4b의 회로의 전하 이동에 의해 터치를 감지하는 예시적인 방법을 예시한다.
도 6은 도 4b의 회로의 전하 이동에 의해 터치를 감지하는 다른 예시적인 방법을 예시한다.
도 7은 다양한 실시예에 따른 디스플레이 픽셀 쌍들의 예시적인 그룹화를 도시한다.
도 8a-b는 다양한 실시예에 따른 터치 감지 시스템의 예시적인 동작을 예시한다.
도 9a-b는 다양한 실시예에 따른 다른 예시적인 터치 감지 시스템 및 터치 단계 동작을 예시한다.
도 10a-b는 다양한 실시예에 따른 다른 예시적인 터치 감지 시스템 및 터치 단계 동작을 예시한다.
도 11은 다양한 실시예에 따른 예시적인 디스플레이 픽셀 쌍의 회로도이다.
도 12a 및 12b는 시스템의 기생 캐패시턴스를 감소시킬 수 있는 예시적인 터치 감지 시스템의 게이트 라인 및 데이터 라인에 적용될 수 있는 2개의 예시적인 파형을 도시한다.
도 13-15는 다양한 실시예에 따른 예시적인 터치 스크린 픽셀 스택업 및 픽셀들을 만들기 위한 제조 공정을 도시한다.
예시적인 실시예들의 다음의 설명에서, 그의 부분을 형성하고 실시될 수 있는 특정 실시예들이 예시의 방법으로 도시되는 첨부 도면들에 대한 참조가 이루어진다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고 개시된 실시예들의 범위에서 벗어나지 않고 구조적 변경들이 만들어질 수 있다는 것을 이해한다.
다음의 설명은 터치 감지 회로가 LCD 디스플레이와 같은 디스플레이의 디스플레이 픽셀 스택업(즉, 디스플레이 픽셀들을 형성하는 스택 물질 층들) 내로 통합될 수 있는 예들을 포함한다. 디스플레이 픽셀 스택업들은 통상적으로 도전성 물질들(예를 들어, 금속, 실질적으로 투명한 도전체들), 반도체 물질들(예를 들어, 폴리크리스탈린 실리콘(Poly-Si)), 및 유전체 물질들(예를 들어, SiO2, 유기 물질들, SiNx)과 같은 물질들의 퇴적, 마스킹, 식각, 도핑 등을 포함하는 프로세스들에 의해 제조된다. 디스플레이 픽셀 스택업 내에 형성되는 다양한 구조들은 디스플레이 상에 이미지를 발생하기 위해 디스플레이 시스템의 회로로서 동작하도록 설계된다. 다시 말해, 스택업 구조들 중 일부는 디스플레이 회로의 회로 요소들이다. 통합 터치 스크린의 일부 실시예들은 디스플레이 상에 이미지를 발생하는 디스플레이 시스템의 디스플레이 회로의 부분을 형성하고 또한 디스플레이 상 또는 근처의 하나 이상의 터치를 감지하는 터치 감지 시스템의 터치 감지 회로의 부분을 형성하는 다기능 회로 요소들을 포함할 수 있다. 다기능 회로 요소들은 예를 들어, 디스플레이 시스템 내의 디스플레이 회로의 저장 캐패시터들/전극들, 공통 전극들, 도전성 와이어들/경로들 등으로서 동작하도록 구성되고, 또한 터치 감지 회로의 회로 요소들로서 동작하도록 구성될 수 있는 LCD의 디스플레이 픽셀들 내의 캐패시터들일 수 있다. 이러한 식으로, 예를 들어, 터치 감지 능력이 통합된 디스플레이는 소수의 부분들 및/또는 프로세싱 단계들을 이용하여 제조될 수 있고, 디스플레이 자체는 더 얇고, 더 밝고, 적은 전력을 요구할 수 있다.
예시적인 실시예들은 x-방향 및 y-방향이 각각 수평 방향 및 수직 방향과 같은 데카르트(Cartesian) 좌표계를 참조하여 설명된다. 그러나, 이 기술분야의 통상의 기술자는 특정 좌표계에 대한 참조는 그저 명확함을 위한 것이고, 구조들의 방향을 특정 방향 또는 특정 좌표계로 한정하지 않는다는 것을 이해할 것이다. 또한, 특정 물질들 및 물질들의 타입들은 예시적인 실시예들의 설명들에 포함될 수 있지만, 이 기술분야의 통상의 기술자는 동일한 기능을 실현하는 다른 물질들이 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 아래 예들에 설명되는 바와 같은 "금속층"은 임의의 전기적으로 도전성 물질의 층일 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 터치 감지 기능이 통합된 LCD 디스플레이는 이미지가 디스플레이 단계 동안에 디스플레이될 수 있도록 디스플레이 픽셀들의 다기능 회로 요소들을 어드레싱하고, 터치 감지 단계 동안 터치 스크린 상에서 터치가 감지될 수 있도록 디스플레이의 다기능 회로 요소들을 어드레싱하기 위해 도전성 라인들의 매트릭스를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 다기능 회로 요소들은 디스플레이 단계 동안 디스플레이 시스템의 부분으로서 동작할 수 있고, 터치 감지 단계 동안 터치 감지 시스템의 부분으로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 라인들 중 일부는 터치 감지 단계 동안 터치 스크린의 특정 영역들을 구동하기 위해 제1 구동 신호로 구동될 수 있다. 또한, 라인들 중 하나 이상은 터치 스크린의 영역들을 구동하기 위해 제1 구동 신호에 대해 180도 동기가 맞지 않는(out-of-sync) 제2 구동 신호로 구동될 수 있다. 동기가 맞지 않는 신호들로 라인들을 구동하는 것은 터치 스크린들의 정적 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.
얇음(thinness), 휘도, 및 전력 효율성과 같은 다양한 실시예의 잠재적인 이점들 중 일부는 포터블 디바이스들에 대해 특히 유용할 수 있지만, 다양한 실시예의 이용은 포터블 디바이스들로 한정되지 않는다. 도 1a-1c는 다양한 실시예에 따른 통합 터치 스크린이 구현될 수 있는 예시적인 시스템들을 도시한다. 도 1a는 통합 터치 스크린(124)을 포함하는 예시적인 모바일 전화기(136)를 예시한다. 도 1b는 통합 터치 스크린(126)을 포함하는 예시적인 디지털 미디어 플레이어(140)를 예시한다. 도 1c는 통합 터치 스크린(128)을 포함하는 예시적인 퍼스널 컴퓨터(144)를 예시한다.
일부 실시예들에서, 터치 감지 시스템은 캐패시턴스에 기초할 수 있다. 터치 픽셀들 각각에서의 캐패시턴스의 변경들을 검출하고 터치 픽셀들의 위치를 주목(noting)함으로써, 터치 감지 시스템은 복수의 물체들을 인식하고, 그것들이 터치 스크린에 걸쳐서 이동될 때 물체들의 위치, 압력, 방향, 속도 및 가속도를 결정할 수 있다.
예시적으로, 통합 터치 감지 시스템의 일부 실시예들은 자기 캐패시턴스(self capacitance)에 기초할 수 있고, 일부 실시예들은 상호 캐패시턴스(mutual capacitance)에 기초할 수 있다. 자기 캐패시턴스 기반 터치 시스템에서, 터치 픽셀들 각각은 접지에 대한 자기 캐패시턴스를 형성하는 개별 전극에 의해 형성될 수 있다. 물체가 터치 픽셀에 접근함에 따라, 접지에 대한 부가적인 캐패시턴스가 물체와 터치 픽셀 사이에 형성된다. 접지에 대한 부가적인 캐패시턴스는 터치 픽셀의 자기 캐패시턴스의 순(net) 증가를 야기한다. 이러한 자기 캐패시턴스의 증가는 그것들이 터치 스크린을 터치할 때 복수의 물체들의 위치들을 결정하기 위해 터치 감지 시스템에 의해 검출 및 측정된다. 상호 캐패시턴스 기반 터치 시스템에서, 터치 감지 시스템은 예를 들어, 구동 라인들 및 감지 라인들과 같은 구동 영역들 및 감지 영역들을 포함한다. 하나의 예시적인 경우에, 구동 라인들은 로우들로 형성되고, 감지 라인들은 컬럼들로(예를 들어, 직교) 형성된다. 터치 픽셀들은 로우들 및 컬럼들의 교차점들에 제공된다. 동작 중에, 로우들은 AC 파형으로 자극되고(stimulated), 상호 캐패시턴스는 터치 픽셀의 로우와 컬럼 사이에 형성된다. 물체가 터치 픽셀에 접근함에 따라, 터치 픽셀의 로우와 컬럼 사이에 결합되는 전하의 일부는 대신에 물체에 결합된다. 터치 픽셀에 걸친 이러한 전하 결합의 감소는 로우와 컬럼 사이의 상호 캐패시턴스의 순 감소 및 터치 픽셀에 걸쳐서 결합되는 AC 파형의 감소를 야기한다. 전하 결합 AC 파형의 이러한 감소는 그것들이 터치 스크린을 터치할 때 복수의 물체들의 위치들을 결정하기 위해 터치 감지 시스템에 의해 검출 및 측정된다. 일부 실시예들에서, 통합 터치 스크린은 멀티 터치, 싱글 터치, 프로젝션 스캔(projection scan), 풀 이미징 멀티 터치(full-imaging multi-touch), 또는 임의의 용량성 터치일 수 있다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 예시적인 통합 터치 스크린(220)의 일 구현을 예시하는 예시적인 컴퓨팅 시스템(200)의 블록도이다. 컴퓨팅 시스템(200)은 예를 들어, 터치 스크린을 포함하는 모바일 전화기(136), 디지털 미디어 플레이어(140), 퍼스널 컴퓨터(144), 또는 임의의 모바일 또는 넌-모바일 컴퓨팅 디바이스에 포함될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(200)은 하나 이상의 터치 프로세서(202), 주변장치들(204), 터치 컨트롤러(206), 및 터치 감지 회로(아래에서 더 상세히 설명됨)를 포함하는 터치 감지 시스템을 포함할 수 있다. 주변장치들(204)은 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM) 또는 다른 타입들의 메모리 또는 스토리지, 워치독 타이머들(watchdog timers) 등을 포함할 수 있고, 이것들로 한정되지 않는다. 터치 컨트롤러(206)는 하나 이상의 감지 채널들(208), 채널 스캔 로직(210) 및 드라이버 로직(214)을 포함할 수 있고, 이것들로 한정되지 않는다. 채널 스캔 로직(210)은 RAM(212)에 액세스하고, 감지 채널들로부터 자동으로 데이터를 판독하고, 감지 채널들에 대한 제어를 제공할 수 있다. 또한, 채널 스캔 로직(210)은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 터치 스크린(220)의 터치 감지 회로의 구동 영역들에 선택적으로 적용될 수 있는 다양한 주파수들 및 위상들에서 자극(stimulation) 신호들(216)을 발생하도록 드라이버 로직(214)을 제어할 수 있다. 일부 실시예들에서, 터치 컨트롤러(206), 터치 프로세서(202) 및 주변장치들(204)은 단일 ASIC(application specific integrated circuit) 내로 통합될 수 있다.
컴퓨팅 시스템(200)은 또한 터치 프로세서(202)로부터 출력들을 수신하고 출력들에 기초하여 액션들을 수행하기 위한 호스트 프로세서(228)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 호스트 프로세서(228)는 프로그램 스토리지(232) 및 LCD 드라이버(234)와 같은 디스플레이 컨트롤러에 접속될 수 있다. 호스트 프로세서(228)는 LCD 드라이버(234)를 이용하여 사용자 인터페이스(user interface; UI)의 이미지와 같은 터치 스크린(220) 상의 이미지를 발생할 수 있고, 터치 프로세서(202) 및 터치 컨트롤러(206)를 이용하여 디스플레이된 UI에 대한 터치 입력과 같은 터치 스크린(220) 상 또는 근처의 터치를 검출할 수 있다. 터치 입력은 커서 또는 포인터와 같은 물체를 이동하기, 스크롤링 또는 패닝(scrolling or panning), 제어 설정들을 조절하기, 파일 또는 문서 열기, 메뉴 보기, 선택하기, 명령어들을 실행하기, 호스트 디바이스에 접속된 주변 디바이스를 동작하기, 전화 호출에 응답하기, 전화 호출하기, 전화 호출 종료하기, 볼륨 또는 오디오 설정들을 변경하기, 주소들, 자주 전화 건 번호들, 수신된 호출들, 받지 못한 호출들과 같은 전화 통신들과 관련된 정보를 저장하기, 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크에 로그온하기, 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크의 제한된 영역들에의 인증된 개인 액세스를 허용하기, 컴퓨터 데스크톱의 사용자의 선호 배열과 연관된 사용자 프로필을 로드하기, 웹 콘텐츠에 대한 액세스를 허용하기, 특정 프로그램을 론치하기(launching), 및/또는 메시지를 암호화 또는 디코딩하기 등을 포함할 수 있지만 이것들로 제한되지 않는 액션들을 수행하기 위해 프로그램 스토리지(232)에 저장된 컴퓨터 프로그램들에 의해 이용될 수 있다. 호스트 프로세서(228)는 또한 터치 프로세싱과 관련되지 않을 수 있는 부가적인 기능들을 수행할 수 있다.
터치 스크린(220)은 복수의 구동 라인들(222) 및 복수의 감지 라인들(223)을 갖는 용량성 감지 매체를 포함하는 터치 감지 회로를 포함할 수 있다. 이 기술분야의 통상의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같이, "라인들"이라는 용어는 때때로 본원에서 간단하게 도전성 경로들을 의미하기 위해 이용되며, 엄격히 선형인 구조들로 한정되지 않지만, 방향을 변경하는 경로들을 포함하고, 상이한 사이즈, 모양, 물질들 등의 경로들을 포함한다. 구동 라인들(222)은 구동 인터페이스(224)를 통해 드라이버 로직(214)으로부터 자극 신호들(216)에 의해 구동될 수 있고, 감지 라인들(223)에서 발생되는 결과적인 감지 신호들(217)은 터치 컨트롤러(206) 내의 감지 채널들(208)(이벤트 검출 및 복조 회로라고도 함)에 감지 인터페이스(225)를 통해 전송된다. 이러한 식으로, 구동 라인들 및 감지 라인들은 터치 픽셀들(226 및 227)과 같은 터치 픽처 요소들(터치 픽셀들)로서 생각될 수 있는, 용량성 감지 노드들을 형성하기 위해 상호작용할 수 있는 터치 감지 회로의 부분이다. 이와 같이 이해하는 방식은 터치 스크린(220)이 터치의 "이미지"를 캡처하는 것으로서 생각될 때 특히 유용할 수 있다. 다시 말해, 터치 컨트롤러(206)가 터치 스크린 내의 각각의 터치 픽셀에서 터치가 검출되었는지를 결정한 후에, 터치가 발생한 터치 스크린 내의 터치 픽셀들의 패턴은 터치의 "이미지"(예를 들어, 터치 스크린을 터치하는 손가락들의 패턴)로서 생각될 수 있다.
도 3은 예시적인 FFS(fringe field switching) LCD 디스플레이(301)를 예시한다. 도 3은 다수의 디스플레이 픽셀들(309)을 포함하고, 각각의 픽셀은 3개의 서브 픽셀을 가질 수 있고, 각각 예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색 컬러로 될 수 있다. 도 3은 또한 픽셀 전극들(311) 및 공통 전극들(Vcom)(313)뿐만 아니라, 게이트 라인들(303), 데이터 라인들(305), 및 xVcom 라인들(307)을 도시한다. 각각의 Vcom(313)은 디스플레이(301)의 디스플레이 픽셀들(309)의 로우를 통해 x-방향으로 확장하는 ITO의 층으로서 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, Vcom(313)은 로우당 3개의 디스플레이 픽셀 위에 오버레이된 것으로 도시된다. 디스플레이 픽셀(309)의 각각의 서브 픽셀은 Vcom(313)에 xVcom(307)을 접속하는 접속(317)을 포함함으로써, xVcom이 Vcom에 공통 전압을 공급할 수 있게 한다. 접속(317)의 예외로, Vcom(313)은 임의의 다른 회로 요소와 직접 전기적 접촉하지 않는다. 각각의 서브 픽셀은 단일 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT)(315)를 포함하지만, 다른 스위칭 구성들도 이용될 수 있다. LCD 디스플레이(301)의 디스플레이 단계 동안, 디스플레이 픽셀들(309)의 서브 픽셀들의 개별 로우들의 TFT들(315)은 스위치 온됨으로써, 서브 픽셀의 데이터 라인(305) 상의 전압이 픽셀 전극(311)에 인가될 수 있게 한다. 전압들은 픽셀 전극들(311)과 Vcoms(313) 사이에 전기장들을 생성한다. 서브 픽셀들을 통해 허용되는 광의 양(즉, 각각의 서브 픽셀의 휘도)은 픽셀 전극들 및 공통 전극들에 의해 발생되는 전기장들 및 서브 픽셀들의 액정 사이의 상호작용을 제어함으로써 LCD 디스플레이(301) 상에 이미지를 생성하도록 제어될 수 있다.
따라서, 공통 전극들은 이미지를 디스플레이하기 위해 디스플레이 시스템의 부분으로서 동작하는, 일부 타입들의 알려진 LCD 디스플레이들, 예를 들어, FFS(fringe field switching) 디스플레이들의 디스플레이 픽셀들의 스택업(즉, 디스플레이 픽셀들을 형성하는 스택 물질 층들) 내의 디스플레이 시스템 회로의 회로 요소들이다. 도 4a-b는 다양한 실시예에 따른 터치 감지 시스템의 터치 감지 회로의 부분들을 공통 전극들(Vcom)이 또한 형성하는 예시적인 구성을 예시한다. 도 4a-b에 도시된 예에서, Vcom(415)은 터치 스크린(401)의 디스플레이 시스템의 디스플레이 회로로서 동작하고 또한 터치 감지 시스템의 터치 감지 회로로서 동작하는 다기능 회로 요소로서 역할을 할 수 있다. 이 예에서, Vcom(415)은 터치 스크린의 디스플레이 회로의 공통 전극으로서 동작할 수 있고, 또한 터치 스크린의 터치 감지 회로로서 다른 공통 전극들과 그룹화될 때 함께 동작할 수 있다. 이 예에서 트랜지스터들 S1, S2 및 S3을 이용하면, 공통 전극들은 전하 이동 용량성 터치 감지 시스템에서 전하 콜렉터(charge collector)들로서 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공통 전극들의 그룹은 터치 감지 단계 동안 터치 감지 회로의 구동 라인 또는 감지 라인의 용량성 부분과 같은, 터치 감지 시스템의 다른 부분들로서 함께 동작할 수 있다. 터치 스크린(401)의 다른 회로 요소들, 예를 들어, 트랜지스터들 S1, S2 및 S3은 예를 들어 영역의 공통 전극들(415)을 함께 전기적으로 접속하고, 전기적 접속들을 스위칭하는 등에 의해 터치 감지 회로의 부분을 형성할 수 있다.
도 4a-4b는 다양한 실시예들에 따른 예시적인 터치 스크린을 도시한다. 도 4a는 다기능 회로 요소들을 활용하는 4개의 픽셀(403)을 포함하는 예시적인 터치 스크린(401)의 평면도를 예시한다. 회로 요소들은 예를 들어 전술한 바와 같이, 공지된 LCD 디스플레이들에 존재하는 구조들을 포함할 수 있다. 회로 요소들은 전체 캐패시터, 전체 트랜지스터 등과 같은 전체 회로 컴포넌트들로 한정되지 않지만, 병렬 플레이트 캐패시터의 2개의 플레이트 중 오직 하나와 같은, 회로의 부분들을 포함할 수 있다. 도 4a는 S1 게이트 라인들(405), xVcom 라인들(407), S2 게이트 라인들(409), S3 게이트 라인들(411), 데이터 라인들(413), 픽셀 전극들(416), 공통 전극들(Vcom)(415), S1 트랜지스터(417), S2 트랜지스터(419), 및 S3 트랜지스터(421)를 포함한다. 공통 전극들(415)은 아래 더 상세히 설명되는, 터치 감지 시스템의 도전성 부분들로서 역할을 할 수 있는 회로 요소들이다. 터치 센서(401)의 픽셀들(403)은 공유된 Vcom 쌍을 갖는 디스플레이 픽셀 쌍(425)을 형성하기 위해 인접 픽셀의 Vcom에 하나의 픽셀의 Vcom을 접속하는 Vcom 브리지들(423)을 포함한다. 도 4a에 도시된 예시적인 구성에서, Vcom 브리지(423)는 바닥부 디스플레이 픽셀의 Vcom에 최상부 디스플레이 픽셀의 Vcom을 접속하는 수직 브리지이다.
이 예시적인 실시예에서, 각각의 디스플레이 픽셀은 도전성 라인에 공유된 Vcom 쌍을 접속하는 적어도 하나의 스위치를 포함한다. 특히, 디스플레이 픽셀 쌍(425)의 최상부 디스플레이 픽셀의 서브 픽셀들 각각은 xVcom 라인에 공유된 Vcom 쌍을 접속할 수 있는 스위치(즉, S2 트랜지스터(419))를 포함하고, 디스플레이 픽셀 쌍의 바닥부 디스플레이 픽셀의 서브 픽셀들 각각은 데이터 라인에 공유된 Vcom 쌍을 접속할 수 있는 스위치(즉, S3 트랜지스터(421))를 포함한다. S1 트랜지스터들(417)뿐만 아니라, S2 트랜지스터들(419) 및 S3 트랜지스터들(421)의 하나의 구성으로의 스위칭은 디스플레이 회로의 회로 요소들이 이미지를 디스플레이하게 할 수 있고, 트랜지스터들의 다른 구성으로의 스위칭은 디스플레이 회로의 회로 요소들의 일부가 터치를 감지하기 위해 터치 감지 회로로서 동작하게 할 수 있다.
더욱 구체적으로, 디스플레이 단계 동안, S1 트랜지스터(417)는 픽셀 전극들(416)에 데이터 라인들을 접속하기 위해 데이터 라인들(413)의 스위칭을 수행하고, S2 트랜지스터(419)는 픽셀이 터치 스크린 상에 이미지들을 디스플레이할 수 있도록 xVcom 라인들(407)에 공유된 Vcom 쌍을 접속하도록 스위칭될 수 있다. 터치 감지 단계 동안, S1 트랜지스터(417)는 픽셀 전극들(416)로부터 데이터 라인들(413)을 단절하기 위해 스위치 컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 스위칭될 수 있고, S2 트랜지스터들(419) 및 S3 트랜지스터들(421)은 터치 감지 회로의 부분으로서 동작하도록 공유된 Vcom 쌍을 스위칭할 수 있다. 예를 들어, S2 트랜지스터(419)는 xVcom 라인들(407)에 Vcom(415)을 교대로 접속/단절하도록 스위치 컨트롤러에 의해 스위치 온/오프될 수 있고, S3 트랜지스터(421)는 아래 더 상세히 설명되는 바와 같이, 데이터 라인들(413)에 Vcom(415)을 교대로 접속/단절하도록 스위칭될 수 있다.
도 4b는 터치 감지를 위해 구성되는 도 4a에 예시된 구조들을 표현하는 예시적인 터치 스크린(401)의 회로도이다. 도 4b는 또한 터치 스크린(401)에 근처에 있는 터치 물체(427)(예를 들어, 손가락)를 표현하는 캐패시터 Cf를 포함한다. 아래 더 상세히 설명되는 바와 같이, 예를 들어, (S1을 개방 상태로 두면서) 스위칭된 S3 및 S2의 스위칭을 중첩되지 않게 하고, 이로써 공유된 Vcom이 이 예에서 전하 콜렉터를 터치 감지 회로의 도전성 부분으로서 작용하도록 함으로써, 도 4b에 도시된 회로는 전하 이동 용량성 센서로서 동작될 수 있다. 이와 관련하여, 데이터 라인들(413)은 터치 스크린의 보더(border)에서 서로 접속될 수 있다. 라인들은 2009년 2월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제61/149,267호, 명칭 "DUAL CONFIGURATION FOR DISPLAY DATA LINES"에 설명된 다양한 스위칭 구성들을 이용하여 접속될 수 있고, 이들의 내용은 본원에서 참고로 포함된다.
이 예시적인 실시예에서, Vcom 수직 브리지(423)는 수직 방향으로 인접하는 2개의 디스플레이 픽셀들의 Vcom을 접속한다. 다른 실시예들에서, 브리지들은 3개 이상의 디스플레이 픽셀들을 접속할 수 있다. 디스플레이 픽셀 쌍들을 형성하기 위해 픽셀들을 접속하는 것은 필요할 수 있는 부가적인 도전성 라인들 및 다른 회로 요소들의 수를 줄이는 것과 같은, 일부 이점들을 제공할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 예를 들어, 인접하는 디스플레이 픽셀들의 공통 전극들을 접속하는 것은 터치 감지 회로의 부분으로서 공통 전극들을 동작하는 데 필요한 디스플레이 픽셀당 스위치들의 수를 감소시킬 수 있다. 더욱 구체적으로, 이 실시예는 전하 이동 용량성 터치 감지 시스템의 전하 콜렉터로서 ITO의 단일 구조를 동작하기 위해 6개의 스위치(즉, 3개의 서브 픽셀들 각각에 대해 하나의 S2 및 하나의 S3)를 이용한다. 단일 ITO 구조(공유된 Vcom)가 2개의 디스플레이 픽셀 사이에 공유되기 때문에, 6개의 스위치는 상이한 디스플레이 픽셀들에 배치될 수 있다. 따라서, 3개의 스위치는 터치 감지 회로의 이 예시적인 구성을 동작하기 위해서 각각의 디스플레이 픽셀에 부가될 필요가 있다. 반대로, 공통 전극들이 디스플레이 픽셀들 사이에 공유 및 함께 접속되지 않는 경우, 6개의 스위치는 각각의 디스플레이 픽셀에 부가될 필요가 있다. 따라서, 이 예에서, 공통 전극들을 접속하는 것은 디스플레이 픽셀당 부가되는 스위치들의 수가 절반으로 감소될 수 있게 한다.
일반적으로, 터치 감지 회로 요소들 각각은 디스플레이 회로의 부분을 형성하는 것과 같은, 터치 감지 회로의 부분을 형성하고 하나 이상의 다른 기능을 수행하는 다기능 회로 요소일 수 있거나, 또는 터치 감지 회로로서만 동작하는 단일 기능 회로 요소일 수 있다. 유사하게, 디스플레이 회로 요소들 각각은 터치 감지 회로로서 동작하는 것과 같은, 디스플레이 회로로서 동작하고 하나 이상의 다른 기능을 수행하는 다기능 회로 요소일 수 있거나, 또는 디스플레이 회로로서만 동작하는 단일 기능 회로 요소일 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 디스플레이 픽셀 스택업들의 회로 요소들의 일부는 다기능 회로 요소들일 수 있고 다른 회로들은 단일 기능 회로 요소들일 수 있다. 다른 실시예들에서, 디스플레이 픽셀 스택업들의 회로 요소들 전부는 단일 기능 회로 요소들일 수 있다.
또한, 예시적인 실시예들은 본원에서 디스플레이 단계 동안 동작하는 것으로서 디스플레이 회로를 설명하고, 터치 감지 단계 동안 동작하는 것으로서 터치 감지 회로를 설명하고 있지만, 디스플레이 단계 및 터치 감지 단계는 동시에, 예를 들어, 부분적으로 또는 완전히 중첩되게 동작될 수 있거나, 또는 디스플레이 단계 및 터치 단계는 상이한 시간에 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 예시적인 실시예들은 본원에서 특정 회로 요소들을 다기능인 것으로서 설명하고 다른 회로 요소들을 단일 기능인 것으로서 설명하지만, 회로 요소들은 다른 실시예들에서 특정 기능으로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 다시 말해, 본원에서 하나의 예시적인 실시예에서 단일 기능 회로 요소로서 설명되는 회로 요소가 다른 실시예들에서 다기능 회로 요소로서 구성될 수 있고, 그리고 그 반대로도 구성될 수 있다.
도 5는 도 4b의 회로의 전하 이동에 의해 터치를 감지하는 예시적인 방법을 도시한다. 이 방법에서, 데이터 라인들(413)은 전압 드라이브(501)에 의해 구동되고, xVcom 라인들은 전하 감지 회로(503)에 접속되고 터치를 감지하기 위해 이용된다. 전압 드라이브(501)는 데이터 라인(413)에 구동 전압을 출력한다. 이 시점에서, S3 게이트는 폐쇄하고(즉, 트랜지스터 S3은 턴 온됨), S2는 개방된 채로 유지하여(즉, 트랜지스터 S2는 턴 오프됨), Vcom(415)을 전압 드라이브에 의해 제공되는 전압으로 충전한다.
터치 물체(427)는 AC 접지에 있고, 그래서 Vcom을 구동 전압으로 충전하는 것은 Cf가 붙은 캐패시터를 Cf 양단에 나타나는 전압으로 충전한다. Cf에 유지되는 전하의 양은 Cf의 캐패시턴스에 비례한다. 감지 단계 동안, S3 게이트는 턴 온프되고(즉, 트랜지스터 S3은 개방됨), S2 게이트는 턴 온되고(즉, 트랜지스터 S2는 폐쇄됨), S2 트랜지스터는 그 다음에 예를 들어, Vcom 플레이트들의 것보다 큰 캐패시터를 포함할 수 있는 전하 감지 회로(503)에 Vcom 플레이트들을 접속하거나, 또는 전하 감지 회로는 다른 타입으로 될 수 있다. 이와 관련하여, 측정된 점을 고정된 전압으로 가져오는데 요구되는 전하를 측정함으로써 동작하는 회로들, 예를 들어, 가상 접지 연산 증폭기(op amp)와 같은, 많은 상이한 전하 감지 회로들이 존재한다. 전하 센서가 이용될 때, S2 폐쇄된 타임프레임(timeframe) 동안 감지 라인에 이동되는 전하의 양은 Cf에 비례한다. 그 프로세스는 가능하게는 여러 번 반복되고, 전하의 총 양은 측정된다. 전하의 총 양은 Cf에 비례한다. 따라서, 각각의 디스플레이 픽셀 쌍의 Vcom은 전술한 예시적인 전하 이동 용량성 감지 시스템 내의 전하 콜렉터로서 동작한다.
도 6은 도 4b의 회로 내의 전하 이동에 의해 터치를 감지하는 다른 예시적인 방법을 도시한다. 도 6의 구성은, 전압 드라이브(501)가 xVcom 라인을 구동하고, 전하 센서(503)가 데이터 라인들(수직)에 접속된다는 것을 제외하고, 도 5와 유사하다. 이러한 차이를 고려한 후에, 도 6의 구성의 동작은 유사하다.
일부 실시예들의 경우, 전하 센서 및 전압 드라이브는 예를 들어 보더에서의 스위치들을 통해 데이터 및 xVcom 라인들에 서로 교환해서 접속될 수 있다. 이것은 다른 것은 아니고, 하나의 구성과 연관되는 아티팩트(artifact)가 존재하는 경우에 도움이 될 수 있다. 이와 관련하여, 구성을 변경하는 것은 아티팩트를 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.
많은 디스플레이 픽셀 쌍들은 일제히 감지될 수 있는, 즉, 모두 잠재적으로 감지 신호에 기여할 수 있는 터치 픽셀들을 형성하기 위해 함께 그룹화될 수 있다. 상이한 실시예들에서, 터치 픽셀들의 수, 사이즈, 모양 등은 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 터치 픽셀은 예를 들어 5mm x 5mm 면적일 수 있고, 이것은 통상적으로 인간의 손가락들의 터치들을 파악하기 위한 적절한 공간적 솔루션을 제공한다. 또한, 터치 픽셀들은 애플리케이션에 따라 상이하게 그룹화될 수 있다. 그룹화는 예를 들어, 전술한 수직 브리지들(423)과 같은 브리지들을 통해 픽셀들의 Vcom을 함께 더 많이 접속함으로써 실현될 수 있다. 다른 실시예에서, 그룹화는 예를 들어, 회로 요소들을 함께 하드 와이어링(hard-wiring)하는 것에 의해 터치 스크린의 보더에서 행해질 수 있다. 다른 실시예들에서, 그룹화는 보더에서 스위치들에 의해 행해질 수 있고, 예를 들어, 그룹화들의 사이즈, 모양 등을 변경하기 위해 프로그램 가능할 수 있다. 프로그램 가능한 그룹화들은 2008년 12월 18일자로 공개된 미국 특허 공개 2008/0309631, 명칭 "INTEGRATED MULTI-TOUCH SURFACE HAVING VARYING SENSOR GRANULARITY"에 설명된 바와 같은 원거리 검출에서 이용될 수 있고, 이것의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
일부 실시예들에서, 영역들은 예를 들어, 픽셀들이 상이한 사이즈, 모양 등의 영역들로 그룹화될 수 있도록 재구성가능할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들은 재구성가능한 스위칭 방식들이 예를 들어, 환경 잡음의 변동들, 터치 스크린으로부터 감지될 물체의 사이즈 및/또는 거리 등에 따라 상이한 사이즈의 영역들로 디스플레이 픽셀들을 그룹화할 수 있도록 하기 위해 프로그램 가능한 스위칭 어레이들을 포함할 수 있다. 그룹화를 허용하는 구성들의 다른 양태들은 재구성가능하지 않을 수 있고, 예를 들어, 디스플레이 픽셀의 스택업 내의 라인들의 물리적 파손들(breaks)은 재구성가능하지 않다. 그러나, 예를 들어 물리적 파손들을 포함하는 터치 스크린 구성이 여전히 프로그램 가능한 스위치들, 신호 발생기들 등과 같은, 재구성 가능한 다른 회로 요소들을 포함함으로써 상이한 사이즈, 모양 등을 갖는 영역들로 디스플레이 픽셀들의 재구성 가능한 그룹화를 허용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 구동 라인들 및/또는 감지 라인들은, 예를 들어, 알려진 LCD 디스플레이들에 이미 존재하는 다른 구조들(예를 들어, 알려진 LCD 디스플레이에서 회로 요소들로서 기능할 수 있는, 예를 들어, 신호들을 운반하고 전압들을 저장하는 등 할 수 있는 다른 전극들, 도전성 및/또는 반도전성 층들, 금속 라인들), 알려진 LCD 스택업 구조들이 아닌 LCD 스택업에 형성된 다른 구조들(예를 들어, 그 기능이 실질적으로 터치 스크린의 터치 감지 시스템을 위한 것인 다른 금속 라인들, 플레이트들), 및 LCD 스택업의 외부에 형성된 구조들(예를 들어, 외부 실질적으로 투명한 도전성 플레이트들, 와이어들, 및 다른 구조들과 같음)을 포함하는 다른 구조들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 터치 감지 시스템의 부분은 알려진 터치 패널 오버레이들과 유사한 구조를 포함할 수 있다. 디스플레이들에 이미 존재하는 구조들을 부분적으로 또는 전체적으로 이용하여 터치 감지 시스템을 형성하는 것은 통상적으로 디스플레이를 오버레이할 수 있는 터치 감지에 주로 전용인 구조의 양을 줄임으로써 터치 감지의 이미지 품질, 휘도 등을 잠재적으로 증가시킬 수 있다.
터치 픽셀들을 형성하기 위해 디스플레이 픽셀들을 그룹화하는 것은 애플리케이션을 위해 원하는 공간적 솔루션에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 인간의 손가락의 터치를 검출하기 위해서, 5mm 피치가 대부분의 애플리케이션을 위해 적절할 수 있다. 일부 애플리케이션들의 터치 픽셀에서, 예를 들어, 32x64 디스플레이 픽셀 쌍들이 존재할 수 있고, 이것은 대략 1800 총 디스플레이 픽셀 쌍들일 수 있다. 하나의 터치 컬럼 내에 64 컬럼들의 디스플레이 픽셀 쌍들이 존재할 수 있고, 터치 로우 그룹 내에 32 로우들의 디스플레이 픽셀 쌍들이 존재할 수 있다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 터치 픽셀들을 형성하기 위해 디스플레이 픽셀 쌍들의 예시적인 그룹화를 도시한다. 도 7에서, S1 게이트 라인들 및 트랜지스터들은 명확함을 위해 도시되지 않는다는 것에 주목한다. 도 7은 각각이 4 디스플레이 픽셀 쌍들을 갖는 4개의 터치 픽셀들(701), 즉, 4 터치 픽셀들로 그룹화되는 16개의 총 디스플레이 픽셀 쌍들을 도시한다. 터치 감지 동안, 디스플레이 픽셀 쌍들의 로우들은 터치 로우 그룹들에서 공통 S2 게이트, S3 게이트 및 xVcom 라인들과 접속된다. 접속들을 그룹화하는 것은 상이한 구성들, 예를 들어, 터치 스크린 보더의 하드 와이어링, 보더의 트랜지스터 스위치들, 드라이버 전자장치의 트랜지스터 스위치들 등에서 행해질 수 있다. 터치 감지 동안, 디스플레이 픽셀 쌍들의 컬럼들은 공통 데이터 라인들과 터치 컬럼 그룹들을 형성하기 위해 접속된다. 일부 실시예들에서, 데이터 라인들은 디스플레이 단계 동안 서브 픽셀들에 데이터를 전달할 때 고유하게 어드레싱 가능해야 하고, 따라서 디스플레이 픽셀 쌍들을 그룹화하기 위한 하드와이어링 기법들이 이용되지 않을 수 있다.
도 8a-b는 다양한 실시예에 따른 터치 감지 시스템의 예시적인 동작을 도시한다. 도 8a에서, 도 7의 터치 픽셀들의 회로도들은 S3 트랜지스터들 전부가 병렬로 접속되고 제어되기 때문에 단일 회로의 표현으로 간략화되었고, 따라서, Vcoms 전부는 그것들이 동시에 공통 접속을 공유하기 때문에 단일 노드로서 표현될 수 있다. 이러한 식으로, 각각의 디스플레이 픽셀 쌍의 개별 Vcom 전하 콜럭터 구조들은 전하 이동 감지 시스템에서 더 큰 전하 콜렉터를 형성하기 위해 함께 이용될 수 있다. 감지 시스템은 저항성, 용량성, 스위칭 전류 소스 등일 수 있는 피드백(FB)을 포함하는 전하 증폭기들(801)을 포함한다. 이 예에서, 피드백 루프는 Vref와 실질적으로 동일한 입력에서 평균 전압을 유지하는 네거티브 피드백 루프이다. 이 예시적인 실시예는 데이터 라인들이 구동되고 Vcom을 이용하여 터치를 감지하는, 도 5의 구성과 유사한 구성을 이용한다. 도 8a-b에서, 괄호 안의 숫자들은 대응하는 터치 컬럼 그룹 또는 터치 로우 그룹을 지정한다. 예를 들어, 데이터(1)는 터치 컬럼 그룹 1의 모든 데이터 라인들을 표현하고, xVcom(1)은 터치 로우 그룹 1의 모든 xVcom 라인들을 표현한다. 데이터 라인들이 구동되고 있는 이 실시예에서는, 하드와이어링이 보더에서 이용될 수 있다(즉, 스위치들은 요구되지 않을 수 있다)는 것에 주목한다. 이 접근법에서, 터치 스크린의 디스플레이 단계를 구동하는 LCD 드라이버(도시되지 않음)의 출력 버퍼는 터치 단계에 대해 적절한 신호들을 제공하도록 프로그램될 수 있다. 특히, 출력 버퍼는 동일한 전압에서 데이터 라인들(터치 컬럼들) 전부를 구동하도록 프로그램될 수 있다. LCD 드라이버를 이용하는 것은 공통 모드가 매칭될 필요가 없을 수 있다는 점에서 부가적인 이점을 제공할 수 있다. 다시 말해, LCD 드라이버가 동작하는 평균 DC 전압은 터치 파형들을 생성하는 데 이용되는 동일한 DC 전압일 수 있고, 따라서 공통 모드의 잠재적인 미스매치들(mismatches)이 줄어들 수 있다.
도 8b는 도 8a의 터치 감지 시스템의 예시적인 동작의 신호들을 예시한다. 일반적으로, 감지는 타임프레임에 걸쳐서 일어난다. 도 8b는 1 타임 프레임 동안 시스템의 예시적인 파형들을 도시한다. 바닥부의 2개의 파형들(xVcom(1) 및 xVcom(0)으로 라벨이 붙음)에 도시된 바와 같이, 전하는 타임 프레임의 제1 절반에서 터치 픽셀들(TP) (0,1) 및 (0,0)(즉, 도 8a의 좌측 상부 및 좌측 하부 터치 픽셀들(TP))에서 감지되고, 타임 프레임의 마지막 절반에서, 터치 픽셀들 (1,1) 및 (1,0)(즉, 우측 상부 TP 및 우측 하부 TP)이 감지된다. 따라서, 임의의 주어진 시간에서, 터치 감지는 터치 픽셀들의 컬럼에서 일어나고 있다.
도 8b의 예에서, 데이터(0)는 도시된 파형의 절반에 대해 전압 Hiref에서 유지되고, S3 게이트들은 먼저 턴 온하고 나서 턴 오프하는 도시된 S3 파형을 따르고, 약간의 시간량 후에, S2 게이트는 시간 기간 동안(for a period of time) 턴 온하고 나서, 턴 오프하고, 약간의 시간량 후에, S3은 턴 온하고, 프로세스는 오버랩하지 않는 게이트들로 반복한다. Vcom 파형을 참조하면, Vcom 전압은 S3 게이트들이 온인 시간 동안 Hiref로 충전되고, 그 다음에 S2 게이트들이 온일 때, Vcoms는 전하 감지 xVcom 라인들에 접속된다. 따라서, 도 8b에 도시된 바와 같이, Vcom의 전압은 S2 트랜지스터들을 통해 그 ITO 플레이트로부터 xVcom 라인들로 전하가 흐름에 따라 테이퍼 다운(taper down)하고, 전하는 그것들이 Vref 전압에서 수렴하도록 전하 증폭기들에 의해 감지된다. 일부 실시예들에서, Hiref는 5V일 수 있고, Vref는 2.5V일 수 있다.
xVcom 라인들에서의 전압들은 xVcom(1) 및 xVcom(0)으로 라벨이 붙은 바닥부의 2개의 파형에 의해 도시된다. 타임 프레임의 대부분 동안, xVcom(1) 및 xVcom(0)의 전압들은 전하 증폭기들의 네거티브 피드백 거동(negative feedback behavior) 때문에 대략 Vref이다. 그러나, S2 트랜지스터들이 폐쇄될 때, xVcom 라인들에서의 전압들은 순간적으로 상승할 것이고, 그 이유는 전하 센서들이 전압을 Vref 레벨로 낮추도록 피드백을 제공하는 데 어떤 반응 시간이 걸리기 때문이다. 전하 증폭기들의 네거티브 피드백 거동은 xVcom 라인들로부터 전하를 풀 아웃(pull out)하고 전하가 얼마나 많이 풀 아웃되는지를 측정한다. 풀 아웃되는 총 전하의 양은 예를 들어, 결과 캐패시터에 축적되게 된다. 일부 실시예들에서, 전하 감지 ADC를 이용하여 전하를 축적하고 디지털 결과를 출력할 수 있다. 축적된 전하의 값은 관심있는(즉, 감지된 터치에 의해 야기된) 캐패시턴스에 비례한다.
타임 프레임의 임의의 주어진 부분에서, 터치는 오직 단일 컬럼을 이용하여 예를 들어, 다른 컬럼들에 의한 전하의 축적을 제한 또는 감소하면서 그 컬럼으로 전하를 축적함으로써 감지될 수 있다. 예를 들어, 도 8b에 도시된 타임 프레임의 제1 절반에서, 터치 컬럼 그룹 0이 전술한 바와 같이 전하를 축적하는 데 이용되는 동안, 데이터(1) 라인들의 전압은 Vref로 설정될 수 있어, S3 트랜지스터들은 폐쇄된 동안, 전압 Vref는 터치 컬럼 그룹 1(즉, TP(1,1) 및 TP(1,0))에서 Cf 캐패시터들에 인가된다. 결과로서, S3 트랜지스터들을 개방하고 S2 트랜지스터들을 폐쇄하는 것에 의해 터치 픽셀들이 데이터(1) 라인들로부터 xVcom 라인들로 스위칭될 때, 터치 컬럼 그룹 1에서의 Cf 캐패시터들에 걸친 전압의 순 변경은 0이고, 그 이유는 Cf 캐패시터들에 인가된 전압은 Vref에 있는 데이터(1) 라인으로부터, 또한 Vref에 있는 xVcom 라인들로 스위칭될 때 변하지 않기 때문이다. 다시 말해, 터치 컬럼 그룹 1에서의 Cf 캐패시터들의 캐패시턴스는 타임 프레임의 제1 절반 동안 결과에 기여하지 않는다.
타임 프레임의 제2 절반에서, 데이터(1)의 전압은 Hiref로 설정되고 데이터(0)의 전압은 Vref로 설정된다. 따라서, 타임 프레임의 제2 절반은 이제 데이터(1)를 측정하고 데이터(0)를 측정하지 않는다는 것을 제외하고 제1 절반과 동일하다.
도 9a 및 9b는 다양한 실시예에 따른 다른 예시적인 터치 감지 시스템 및 터치 단계 동작을 예시한다. 이 실시예에서, Vcom과 데이터 라인들 사이의 기생 캐패시턴스 Cp가 감소할 수 있다. 도 9a-b의 터치 감지 시스템은 데이터 라인들을 구동하기 위해 수정된 파형을 이용한다. 결과로서 생긴 파형(도 9b의 Vcom ITO(x,y)로 라벨이 붙음)은 Hiref로부터 Vref로 크기가 이동하는 S3 게이트 파형과 동기가 맞는 변조된 파형이다. S3이 온일 때, Cp 양단의 전압은 0이다(데이터 및 Vcom은 둘다 Hiref에 있다). 따라서, S3이 온일 때 제1 타임 프레임 동안의 캐패시턴스, 및 측정된 픽셀들의 캐패시터들 양단의 전압은 0일 것이다. 스위치 S2가 폐쇄될 때, 데이터 라인들은 Vref 레벨로 구동된다. 이것은 Vcom과 데이터 라인들 사이의 기생 캐패시턴스를 표현하는 Cp 캐패시터 양단의 순 제로 전압 변경(net zero voltage change)을 유지한다. 따라서, Cp 양단의 전압이 변경되지 않았기 때문에, 터치 Cf 전하 측정에 기여되는 기생 전하가 줄어든다.
도 8a-b 및 9a-b에서, 복조가 픽셀에서 직접 행해지기 때문에 측정되는 전하의 총 양은 DC 양(quantity)이고, 그래서 시스템은 전압으로 충전하고 나서 전하를 측정을 위해 전하 증폭기에 전달하고 있다. 전하가 전달될 때, 전하는 한 방향으로(관심있는 픽셀로부터 xVcom 라인들을 통해 전하 센서로) 흐르고 있다. 따라서, 측정되는 캐패시턴스의 총 양은 DC 양이고, 전하는 (파형 포인팅 업(waveform pointing up)에서 톱니모양을 나타내는, 도 8b 및 9b의 마지막 2개의 파형으로부터 볼 수 있는 바와 같이) 한 방향으로만 흐르고 있다.
도 10a 및 10b는 다양한 실시예에 따른 다른 예시적인 구성을 도시한다. 도 10a-b의 실시예는 누설 전류와 같은 에러 신호들을 처리 또는 거부하는 것을 용이하게 할 수 있다. 도 10a-b는 풀 레인지(full-range) 복조를 포함하는 실시예를 도시하고, 예를 들어, 데이터 라인들은 Vref 위와 아래 둘다 변조되고 있다. 스위칭 동작은 도 8-9에 도시된 이전의 실시예들과 유사할 수 있지만, Vcom은 이제 포지티브 및 네거티브 전하 둘다를 전달하고 있다. 이것은 xVcom 파형들에서 포지티브 및 네거티브 전하에 대해 포지티브 및 네거티브 스파이크들(positive and negative spikes)로서 볼 수 있다. 이와 관련하여, 신호는 본질적으로 AC 신호이다. 측정된 터치가 증가함에 따라, 스파이크들의 사이즈는 변하고, 따라서 파형의 진폭은 감지된 터치에 따라 수정된다. 이것은 예를 들어, 도 10a의 우측 상부에 도시된 바와 같이, 디지털 도메인에서 복조 멀티플라이어(1001)를 이용하는 것과 같은 복조 기법들의 이용을 허용할 수 있다. 예시적인 코딩 파형(즉, out)뿐만 아니라, 예시적인 디지털 복조 파형(즉, demod)이 도 10b에 도시된다. 적절한 demod 파형을 이용함으로써, 대역외 신호들 및 잡음이 감소될 수 있다. 또한, 감지 채널들에서 파형들을 복조하는 능력은 터치 감지에 대한 복수의 자극 접근법을 허용할 수 있다. 일부 실시들에서, 예를 들어, 터치 감지의 노이즈 배제 성능을 향상시킬 수 있는 골드 시퀀스를 이용하는 것, 주파수 변조(frequency modulation; FM) 기법들 등을 포함하는, CDMA(code division multiple access)와 같은, 다른 변조/복조 스킴들이 있다.
도 11은 다양한 실시예에 따른 예시적인 디스플레이 픽셀 쌍(1101)의 회로도이다. 도 11은 터치 감지 동작들의 대역폭에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 이러한 시스템에 존재할 수 있는 기생 캐패시턴스들의 일부를 예시한다. 특히, 도 11은 기생 캐패시턴스들이 다음의 구조들 사이에 일어날 수 있다는 것을 도시한다: Vcom ITO 및 S1 TFT(Ci1); Vcom ITO 및 S2 TFT(Ci2); Vcom ITO 및 S3 TFT (Ci3); Vcom ITO 및 S1 게이트 라인(1105)(Cig); Vcom ITO 및 데이터 라인(1103)(Cid); Vcom ITO 및 xVcom(Cix); 데이터 라인 및 게이트 라인(Cdg); 및 데이터 라인 및 xVcom(Cdx).
도 12a 및 12b는 도 11에 도시된 기생 캐패시턴스 Ci1을 감소시킬 수 있는, 데이터 라인(1103) 및 S1 게이트 라인(1105)에 각각 적용될 수 있는, 2개의 예시적인 파형인, Dx 파형 및 S1 파형을 도시한다. 특히, Dx 및 S1 파형들 및 전압들은 소스 전압이 변하고 있는 동안 S1 트랜지스터의 일정한 게이트-소스 전압이 유지될 수 있도록 된다. 이것은 부트스트래핑(bootstrapping)이라고 하는 기법에 의해 실현될 수 있다. 결과는, 캐패시터 Ci1이 어떠한 전압의 변경도 보이지 않고, 따라서, 어떠한 기생 캐패시턴스도 발생하지 않는다는 것이다. 이 방법은 또한 시스템에서 다른 기생 캐패시턴스들을 감소 또는 제거하기 위해 적용될 수 있다.
도 13-15는 다양한 실시예에 따른 예시적인 터치 스크린 픽셀 스택업 및 픽셀들을 만들기 위한 제조 프로세스를 도시한다. 도 13은 폴리-Si 층(1301), M1 층의 게이트 라인(1303) 및 xVcom 라인(1305), 제1 접속(CON1) 층의 접속들, 및 M2 층의 데이터 라인들(1307)의 형성을 포함하는 프로세싱의 앞선 스테이지들을 도시한다.
도 14는 제2 접속(CON2) 층의 접속들, 및 Vcom(1401)의 형성을 포함하는 프로세싱의 중간 스테이지들을 도시한다. 도 15는 제3 접속(CON3) 층 및 픽셀 전극(1501)을 포함하는 프로세싱의 나중 스테이지들을 도시한다.
다양한 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 완전히 설명되었지만, 다양한 변형들 및 수정들이 이 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백해질 것이라는 것에 주목한다.
예를 들어, 전술한 컴퓨팅 시스템(200)의 기능들 중 하나 이상은 메모리(예를 들어, 도 2의 주변장치들(204) 중 하나)에 저장되고 터치 프로세서(202)에 의해 실행되거나, 또는 프로그램 스토리지(232)에 저장되고 호스트 프로세서(228)에 의해 실행되는 펌웨어에 의해 수행될 수 있다. 펌웨어는 또한 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스로부터 명령어들을 인출하고 명령어들을 실행할 수 있는 컴퓨터 기반 시스템, 프로세서 포함 시스템, 또는 다른 시스템과 같은 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 결합하여 이용하기 위한 임의의 컴퓨터 판독 가능한 매체 내에 저장 및/또는 수송(transport)될 수 있다. 이 문서의 문맥에서, "컴퓨터 판독 가능한 매체"는 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 결합하여 이용하기 위한 프로그램을 포함 또는 저장할 수 있는 임의의 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는, 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템, 장치 또는 디바이스, 포터블 컴퓨터 디스켓(자기), RAM(random access memory)(자기), ROM(read-only memory)(자기), EPROM(erasable programmable read-only memory)(자기), CD, CD-R, CD-RW, DVD, DVD-R, 또는 DVD-RW와 같은 포터블 광학 디스크, 또는 콤팩트 플래시 카드들과 같은 플래시 메모리, 보안 디지털 카드들, USB 메모리 디바이스들, 메모리 스틱들 등을 포함할 수 있지만, 이것들로 한정되지 않는다.
펌웨어는 또한 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스로부터 명령어들을 인출하고 명령어들을 실행할 수 있는 컴퓨터 기반 시스템, 프로세서 포함 시스템, 또는 다른 시스템과 같은 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 결합하여 이용하기 위한 임의의 수송 매체 내에서 전파(propagated)될 수 있다. 이 문서의 문맥에서, "수송 매체"는 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 결합하여 이용하기 위한 프로그램을 통신, 전파 또는 수송할 수 있는 임의의 매체일 수 있다. 수송 판독 가능한 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기 또는 적외선 유선 또는 무선 전파 매체를 포함할 수 있지만, 이것들로 한정되지 않는다.

Claims (17)

  1. 터치 스크린의 표면 상의 또는 상기 터치 스크린의 표면 근처의 터치 물체를 감지하는 터치 스크린으로서,
    복수의 디스플레이 픽셀 - 상기 디스플레이 픽셀들은 상기 터치 스크린 상의 이미지를 디스플레이하도록 동작하는 디스플레이 회로를 포함하고, 상기 디스플레이 회로는 하나 이상의 회로 요소를 포함함 -; 및
    상기 디스플레이 픽셀들 중 하나 이상의 디스플레이 픽셀 내의 자기-용량성 터치 감지 회로(self-capacitive touch sensing circuitry)
    를 포함하고,
    상기 자기-용량성 터치 감지 회로는 상기 회로 요소들 중 하나를 포함하는 도전성 부분을 포함하고, 상기 자기-용량성 터치 감지 회로는 상기 도전성 부분의 자기-커패시턴스(self capacitance)를 감지하고, 상기 자기-커패시턴스는 상기 터치 스크린의 표면에 대한 상기 터치 물체의 근접성에 기초하는 터치 스크린.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 회로 요소들은 공통 전극을 포함하는 터치 스크린.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 도전성 라인들 - 상기 제1 및 제2 도전성 라인들 각각은 디스플레이 픽셀로부터 디스플레이 픽셀들의 그룹의 외부 에지로 연장함 -; 및
    상기 도전성 부분에 상기 제1 도전성 라인을 접속 및 단절하는 제1 스위치; 및
    상기 도전성 부분에 상기 제2 도전성 라인을 접속 및 단절하는 제2 스위치
    를 더 포함하는 터치 스크린.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 도전성 라인들 각각은 복수의 제1 스위치에 전기적으로 접속되는 터치 스크린.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 도전성 라인들은 상기 디스플레이 회로의 데이터 라인들을 포함하는 터치 스크린.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 스위치는 박막 트랜지스터인 터치 스크린.
  7. 제3항의 터치 스크린을 포함하는 터치 스크린 시스템으로서,
    제2 도전성 라인에 전압을 출력하는 전압 드라이브;
    도전성 부분에 전하를 발생하기 위해 그리고 제1 도전성 라인에 상기 전하를 전달하기 위해 출력 전압에 따라 제1 및 제2 스위치들을 제어하는 스위치 컨트롤러 - 발생된 전하의 양은 상기 터치 스크린의 표면에 대한 상기 터치 물체의 근접성에 기초함 - ; 및
    상기 제1 도전성 라인에 전달된 전하의 양을 검출하는 전하 감지 회로
    를 더 포함하는 터치 스크린 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위치 컨트롤러는 상기 전압 드라이브가 상기 전압을 출력할 때 상기 도전성 부분에 대하여, 상기 제2 도전성 라인을 접속하고, 상기 제1 도전성 라인을 단절하도록 상기 제1 및 제2 스위치들을 제어하고, 상기 제1 도전성 라인에 상기 전압에 의해 발생된 전하의 양을 전달하기 위해 상기 도전성 부분에 대하여, 상기 제2 도전성 라인을 단절하고, 상기 제1 도전성 라인을 접속하도록 상기 제1 및 제2 스위치들을 제어하는 터치 스크린 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이 회로는 복수의 회로 요소를 포함하고, 각각의 디스플레이 픽셀은 상기 회로 요소들 중 개별적인 하나를 포함하고, 상기 도전성 부분은 제1 디스플레이 픽셀의 회로 요소 및 제2 디스플레이 픽셀의 회로 요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 디스플레이 픽셀들의 회로 요소들은 도전성 브리지에 의해 전기적으로 접속되는 터치 스크린.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 디스플레이 픽셀들은 서로 인접하는 터치 스크린.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 디스플레이 픽셀의 회로 요소, 상기 제2 디스플레이 픽셀의 회로 요소, 및 상기 브리지는 각각 상기 터치 스크린의 물질 층들의 스택업의 제1 도전성 물질 층 내에 포함되는 터치 스크린.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 및 제2 도전성 라인들 - 상기 제1 및 제2 도전성 라인들 각각은 디스플레이 픽셀로부터 디스플레이 픽셀들의 그룹의 외부 에지로 연장함 -; 및
    상기 도전성 부분에 상기 제1 도전성 라인을 접속 및 단절하는 제1 스위치; 및
    상기 도전성 부분에 상기 제2 도전성 라인을 접속 및 단절하는 제2 스위치
    를 더 포함하는 터치 스크린.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 스위치는 상기 제1 디스플레이 픽셀에 배치되고, 상기 제2 스위치는 상기 제2 디스플레이 픽셀에 배치되는 터치 스크린.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 회로는 복수의 회로 요소를 포함하고, 상기 자기-용량성 터치 감지 회로는 복수의 도전성 부분을 포함하고, 상기 도전성 부분은 상기 회로 요소들 중 하나 이상의 서로 다른 그룹을 포함하는 터치 스크린.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 회로 요소들을 상기 그룹들로 함께 접속하는 복수의 스위치를 더 포함하고,
    상기 복수의 스위치는 상기 도전성 부분들의 크기와 형상 중 하나를 변경하도록 재프로그램가능한 터치 스크린.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 자기-용량성 터치 감지 회로는 상기 도전성 부분으로부터 수신된 교류(alternating current; AC) 신호를 복조하는 복조기를 더 포함하고, 상기 AC 신호의 크기는 상기 터치 스크린의 표면에 대한 상기 터치 물체의 근접성에 기초하는 터치 스크린.
  17. 제16항에 있어서,
    제1 및 제2 도전성 라인들 - 상기 제1 및 제2 도전성 라인들 각각은 디스플레이 픽셀로부터 디스플레이 픽셀들의 그룹의 외부 에지로 연장함 -; 및
    상기 도전성 부분에 상기 제1 도전성 라인을 접속 및 단절하는 제1 스위치;
    상기 도전성 부분에 상기 제2 도전성 라인을 접속 및 단절하는 제2 스위치;
    제2 도전성 라인에 교류 전압을 출력하는 전압 드라이브;
    상기 도전성 부분에 교류 전하를 발생하기 위해 그리고 제1 도전성 라인에 상기 전하를 전달하기 위해 출력 전압에 따라 상기 제1 및 제2 스위치들을 제어하는 스위치 컨트롤러 - 발생된 전하의 양은 상기 터치 스크린의 표면에 대한 상기 터치 물체의 근접성에 기초함 - ; 및
    상기 AC 신호로서 상기 제1 도전성 라인에 전달된 전하의 양을 검출하는 전하 감지 회로
    를 더 포함하는 터치 스크린.
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