KR101059096B1

KR101059096B1 - 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법

Info

Publication number: KR101059096B1
Application number: KR1020090110807A
Authority: KR
Inventors: 이성호
Original assignee: 이성호
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-08-24
Also published as: KR20110054234A

Abstract

본 발명은 검출 감도 및 정확도가 매우 높은 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법에 관한 것으로서, 본 발명의 터치셀 구조는 기본적으로 신체의 손가락(25) 또는 이와 유사한 전기적 특성을 갖는 도전체로 이루어진 터치수단과 소정 거리로 이격될 때 터치수단과의 사이에서 정전용량(Ct)을 형성하는 터치패드(50); 상기 터치패드(50)에 출력단자가 접속되며, 제어단자에 인가되는 제어신호에 따라 턴 온/오프 되어 상기 터치패드(50)에 충전전압을 공급하는 3단자형의 제1스위칭소자(42); 상기 터치패드(50)에 제어단자가 접속되며, 상기 터치패드(50)의 전위에 따라 서로 다른 출력 신호를 갖는 제2스위칭소자(44); 및 상기 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44) 각각의 제어단자와 출력단자 사이에 접속되는 커패시터(C1, C2)를 포함하여 구성된다. 터치셀(60)은 위와 같은 기본적 구조에 부가적으로 스위칭소자, 커패시터, 기타 저항 등의 전기소자가 더 부가될 수 있다. 본 발명의 기술적 장점은 터치입력 발생시 터치수단과 터치패드 사이에서 형성된 정전용량(Ct)이 킥백을 결정하는 중요한 인자로 작용함은 물론, 터치입력 발생 여부에 따른 킥백의 차이가 제2스위칭소자의 출력신호를 수십 배 내지 수만 배 가량 차이나도록 함으로써, 터치입력에 대한 검출 감도 및 검출 정확도가 매우 높고, 외부의 노이즈에 대한 영향을 거의 받지 않으며, 제2스위칭소자의 출력신호를 별도로 AD(Analog to Digital) 변환하지 않고 디지털 방식으로 검출할 수 있다는 점이다.

터치셀, 터치패널, 터치입력 검출방법, 터치패드, TFT, 커패시터, 킥백

Description

터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법{Touch cell structure of touch panel, touch panel and detection method using that}

본 발명은 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스위칭소자의 온/오프 제어에 의한 킥백을 이용하여 터치입력에 대한 검출감도 및 정확도를 높이고, 반응시간을 크게 줄이며, 노이즈에 의한 오작동이 거의 발생하지 않는 새로운 구조의 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법에 관한 것이다.

일반적으로, 터치패널은 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 등의 표시장치 위에 부가 설치되는 입력장치로서, 손가락이나 터치펜 등과 같은 터치수단의 터치입력이 발생할 때 해당 위치에 대응하는 신호를 발생시키는 입력장치이다. 터치패널은 소형 휴대단말기, 산업용 단말기, DID(Digital Information Device) 등 매우 폭넓은 분야에서 이용되고 있다.

종래 터치패널은 다양한 유형이 개시되어 있으나, 제조공정이 간단하고 제조코스트가 저렴한 저항방식의 터치패널이 가장 널리 이용되고 있다. 그러나 저항방식의 터치패널은 투과율이 낮고, 기판에 대해 압력을 가해야 하므로 사용시간이 경과함에 따라 내구성의 저하가 불가피하고, 정확한 터치 지점의 인식이 어렵고, 온도 등과 같은 주변환경 및 노이즈에 의한 검출오류가 자주 발생하는 문제점이 있다.

저항식 터치입력장치의 대안으로 개발된 용량식(또는 '정전용량식') 터치입력장치는 비접촉 방식으로 터치입력을 검출하며, 저항식 터치입력장치의 제반 문제점에 대한 해결책을 갖고 있다.

도 1은 종래 정전용량식 터치패널의 구조를 보여준다. 도 1을 참조하면, 종래 용량식 터치패널은 필름, 플라스틱 또는 유리 등으로 제조된 투명기판(10)의 상하면에 투명도전막이 형성되며, 투명기판(10)의 네 모서리 각각에 전압인가용 금속전극(12)이 형성되어 있다. 상기 투명도전막은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ATO(Antimony Tin Oxide) 등의 투명한 금속으로 형성된다. 그리고 상기 투명도전막의 네 모서리에 형성되는 금속전극(12)들은 은(Ag) 등의 저항률이 낮은 도전성 금속으로 프린팅하여 형성된다. 상기 금속전극(12)들의 주변에는 저항 네트워크가 형성된다. 상기 저항 네트워크는 상기 투명도전막의 표면 전체에 균등하게 컨트롤신호를 송출하기 위하여 선형성 패턴(Linearization Pattern)으로 형성된다. 그리고 금속전극(12)을 포함한 투명도전막의 상부에는 보호막이 코팅된다.

위와 같은 정전용량 방식의 터치패널은 다음과 같이 동작한다. 상기 금속전 극(12)에 고주파의 교류 전압을 인가하면 이는 투명기판(10)의 전면에 퍼지게 된다. 이때 손가락(16, 또는 도전성 물질의 터치수단)으로 투명기판(10) 상면의 투명도전막을 가볍게 터치하면, 일정량의 전류가 체내로 흡수되며 컨트롤러(14)에 내장된 전류센서에서 전류의 변화를 감지하고 4개의 금속전극(12) 각각에서의 전류량을 연산하여 터치 지점을 인식하게 된다.

이러한 정전용량 방식의 터치패널은 소프트터치 방식이므로 수명이 길며, 1장의 투명기판(10)만 사용하므로 광 투과율이 높으며, 접촉표면에 특수금속 코팅처리를 하므로 견고하다는 장점을 가지고 있다. 특히 패널 에지부분에서 터치입력 검출이 불가능한 비동작영역(non active area)의 폭이 좁으므로 표시장치와 결합시에 기구를 슬림하게 만들 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 위와 같은 정전용량 방식의 터치패널은 미소 전류의 크기를 검출하는 방식으로서, 고가의 검출장치를 필요로 하며 나아가서 검출된 전류를 디지털로 변환하기 위한 ADC를 필요로 하므로 가격 상승이 불가피하다. 또한, 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 과정의 소요시간으로 인해 반응시간이 길어지는 문제점이 있다. 무엇보다, 터치입력이 발생했을 때의 검출전류와 터치입력 전의 평상시 전류의 크기 차이가 매우 적어, 검출 감도가 나쁘고 노이즈에 민감한 문제점을 안고 있다. 예컨대, 터치입력 미발생시 금속전극(12) 하나에서 유출되는 전류의 크기가 1uA라고 하고, 터치입력이 발생했을 때 동일한 금속전극(12)에서 유출되는 전류의 크기가 2uA라고 한다면, 이와 같은 미소전류의 차이를 회로적인 수단으로 검출하는 것은 정밀도의 저하, 노이즈에 의한 신호 인식 오류 등을 야기할 것이다.

본 발명은 상기와 같이 종래 용량식 터치입력장치에서는 터치입력 전후의 전류값이 미세한 차이를 가짐으로 인해 검출 정확도가 떨어지고 노이즈에 취약한 문제점이 나타나는 것을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 킥백(kick back) 현상을 이용하여 터치입력 미발생시와 발생시의 검출신호 차이를 크게(예를 들어, 수십 배 이상으로) 함으로써, 터치입력에 대한 검출감도 및 정확도를 높이고, 반응시간을 크게 줄이고, 노이즈에 의한 영향이 거의 발생하지 않는 새로운 구조의 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터치셀 구조는, 터치패널의 단위 터치셀(60)을 구성하는 터치셀 구조에 있어서, 신체의 손가락(25) 또는 이와 유사한 전기적 특성을 갖는 도전체로 이루어진 터치수단과 소정 거리로 이격될 때 터치수단과의 사이에서 정전용량(Ct)을 형성하는 터치패드(50); 상기 터치패드(50)에 출력단자가 접속되며, 제어단자에 인가되는 제어신호에 따라 턴 온/오프 되어 상기 터치패드(50)에 충전전압을 공급하는 3단자형의 제1스위칭소자(42); 상기 터치패드(50)에 제어단자가 접속되며, 상기 터치패드(50)의 전위에 따라 서로 다른 출력 신호를 갖는 제2스위칭소자(44); 및 상기 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44) 각각의 제어단자와 출력단자 사이에 접속되는 커패시터(C1, C2)를 포함하여 구성된다.

일실시예로서, 상기 제1스위칭소자(42)의 제어단자와 출력단자 사이에 접속되는 커패시터 C1은 10fF 내지 300fF이다.

일실시예로서, 상기 제1스위칭소자(42)의 제어단자와 출력단자 사이에 접속되는 커패시터 C1은 터치수단과 터치패드(50) 사이의 Ct에 비해 2배 내지 수백 배 작은 값으로 선택된다.

일실시예로서, 상기 제2스위칭소자(44)의 입력단자와 제어단자 사이에 커패시터(C3)가 더 접속된다.

일실시예로서, 상기 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)는 릴레이(Relay), MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치, BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나이다.

일실시예로서, 상기 커패시터(C1, C2)는 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)에 내장 설치된다.

일실시예로서, 상기 커패시터(C1, C2)는 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)의 외부에 설치된다.

일실시예로서, 상기 커패시터(C1, C2)는 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)에 내장 설치되는 동시에 외부에도 설치된다.

일실시예로서, 상기 터치패드(50)와 접지 사이에는 커패시터(Cadd)가 더 설치된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터치패널은, 상술한 터치셀 구조 중 어느 하나의 터치셀 구조를 갖는 터치셀(60) 복수개가 광 투과성 기판(30) 상에 매트릭스 형태로 배열되며, 상기 기판(30)의 에지부 또는 기판(30)의 외부에는 상기 제1스위칭소자(42)의 제어단자에 온/오프 제어신호를 인가하고, 상기 제1스위칭소자(42)의 입력단자에 위치검출신호를 인가하며, 상기 제2스위칭소자(44)에서 출력되는 신호를 검출하여 터치입력을 인식하되, 터치입력 여부에 의한 킥백의 차이에 따르는 제2스위칭소자(44)의 출력신호 차이를 대비하여 터치입력을 인식하는 터치위치 검출부(70)가 더 설치되도록 구성된다.

일실시예로서, 상기 제2스위칭소자(44)의 출력신호는 터치입력 여부에 따라 수십 배 내지 수만 배의 차이를 갖는다.

일실시예로서, 상기 제2스위칭소자(44)의 출력신호와 기준신호를 비교하는 비교수단을 더 포함한다.

상기 실시예에서, 상기 기판(30)의 일측에는 상기 제2스위칭소자(44)와 동일한 회로구성을 가지되, 제어단자에는 터치패드(50)가 접속되지 않는 3단자형의 센싱스위칭소자(64)를 구비한 센싱셀(61)이 더 설치되고, 상기 터치위치 검출부(70)는 상기 센싱스위칭소자(64)의 제어단자에 "터치입력 미발생시 터치셀(60)의 제2스위칭소자(44)의 제어단자에 인가되는 신호"와 "터치입력 발생시 터치셀(60)의 제2스위칭소자(44)의 제어단자에 인가되는 신호"의 사이값에 대응하는 제어신호를 인가하고, 센싱스위칭소자(64)의 입력단자에 제2스위칭소자(44)의 입력단자에 인가되는 신호와 동일한 신호를 인가하며, 센싱스위칭소자(64)의 출력단자에서 출력되는 신호를 상기 비교수단의 기준신호로 이용한다.

일실시예로서, 상기 터치위치 검출부(70)는 상기 터치셀(60)의 좌표값에 대응하는 주소들을 갖는 메모리수단(74)을 더 포함하며, 상기 터치위치 검출부(70)에서 터치입력을 검출하면 대응 터치셀(60)의 좌표값을 상기 메모리수단(74)의 대응 주소에 저장한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터치입력 검출방법은, 상술한 터치셀 구조 중 어느 하나의 터치셀 구조를 이용하여 터치입력을 검출하는 터치입력 검출방법에 있어서, (a) 터치입력이 발생하지 않은 경우, 제1스위칭소자(42)의 출력단자에서 발생하는 킥백에 의해 제2스위칭소자(44)에서 출력되는 신호를 검출하는 단계; (b) 터치입력이 발생한 경우, 제1스위칭소자(42)의 출력단자에서 발생하는 킥백에 의해 제2스위칭소자(44)에서 출력되는 신호를 검출하는 단계; 및 (c) 상기 단계(a)에서 검출된 신호와 단계(b)에서 검출된 신호를 대비하여 단계(b)에서 검출된 신호로부터 터치입력을 인식하는 단계;를 포함하여 구성된다.

일실시예로서, 상기 단계(a)에서 검출되는 신호와 단계(b)에서 검출되는 신호는 수십 배 내지 수만 배의 차이를 갖는다.

상기 실시예에서, 상기 단계(c)는 상기 단계(a)에서 검출된 신호와 단계(b)에서 검출된 신호의 사이값을 기준신호로 하여, 이 기준신호를 넘어서면 터치입력을 인식한다.

상기 실시예에서, 상기 기준신호는 상기 기판(30) 상에 설치되며 터치셀(60)의 제2스위칭소자(44)와 동일한 회로구성을 가지되, 제어단자에는 터치패드(50)가 접속되지 않은 3단자형의 센싱스위칭소자(64)를 구비한 센싱셀(61)로부터 얻어진다.

본 발명의 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법에 따르면, 터치셀을 구성하는 회로가 특화된 회로 구성을 가지며, 그에 따라 터치입력 발생시 터치수단과 터치패드 사이에서 형성된 정전용량(Ct)이 킥백을 결정하는 중요한 인자로 작용함은 물론, 터치입력 발생 여부에 따른 킥백의 차이가 제2스위칭소자의 출력신호를 수십 배 내지 수만 배 가량 차이나도록 함으로써, 터치입력에 대한 검출 감도 및 검출 정확도가 매우 높고, 외부의 노이즈에 대한 영향을 거의 받지 않으며, 제2스위칭소자의 출력신호를 별도로 AD(Analog to Digital) 변환하지 않고 디지털 방식으로 검출함으로써 회로 구성이 간단하고 신호반응이 매우 빠른 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명은 LCD, PDP, OLED, AMOLED 등의 표시장치 상면에 부가하여 설치되거나, 표시장치 내에 내장되는 터치패널에 관한 것으로서, 신체 또는 이와 유사한 도전특성을 갖는 터치수단의 접촉 또는 접근을 감지하여 터치신호를 획득하는 용량식(또는 "정전용량식"으로 표기될 수도 있음) 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에서는 비접촉 터치입력 검출을 위하여, 인체의 손가락 또는 이와 유사한 도전 특성을 갖는 터치수단이 터치입력 검출을 위한 터치패드와 일정한 거리로 유지되어야 한다. 터치수단과 터치패드가 일정한 거리를 유지하도록 하기 위해, 터치패드의 상면에 보호 코팅막이 형성되거나, 다른 투명기판이 올려질 수 있다. 여기서, 터치수단에 의한 터치입력 발생시에, 터치수단은 터치패드에 대해서는 비접촉 상태이지만, 보호코팅막이나 다른 투명기판에 대해서는 접촉 상태이다. 이하의 설명에서 언급되는 "접근" 및 "접촉"은 위와 같은 터치수단의 터치입력 상태를 언급하는 표현으로 이해된다.

첨부된 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께나 영역을 확대하여 나타내었다. 여기서, 층, 막, 영역, 기판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상면" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 본 명세서에 기재된 신호는 특별한 언급이 없는 한, 전압 또는 전류를 총칭한다.

본 발명에 따라 특화된 터치셀 구조는 단위 터치셀마다 터치패드와, 적어도 두 개의 스위칭소자가 설치된 구조이며, 스위칭소자의 온/오프 제어시에 스위칭소자에 접속된 커패시터로 인한 킥백(kick back)을 이용하여 터치입력을 검출하도록 구성된다.

두 개의 스위칭소자는 각각 3단자형 스위칭소자이다. 도 2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 통상적인 3단자형 스위칭소자를 개념적으로 묘사한 것이다. 도 2를 참조하면, 스위칭소자는 온/오프 제어단자(도 2에서 "Cont"로 표시), 입력단자(도 2에서 "In"으로 표시), 출력단자(도 2에서 "Out"으로 표시)의 3개 단자를 구비한다. 온/오프 제어단자는 스위칭소자의 온/오프를 제어하는 단자로서 이 단자에 소정 크기의 전압이나 전류를 인가하면, 입력단자로 인가된 전압 또는 전류는 출력단자에 전압이나 전류형태로 출력된다. 스위칭소자는 예를 들어, 릴레이(Relay), MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치, BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor)일 수 있다. 릴레이(Relay)는 제어단자에 전류를 인가하면 입력단자에 인가된 전압이나 전류가 손실 없이 출력되는 소자이며, BJT는 베이스(Base)의 문턱전압(Threshold voltage)보다 높은 전압을 베이스에 인가한 상태에서 베이스단자에 전류를 흘리면, 일정량 증폭된 전류가 콜렉터 (Collector)에서 에미터(Emitter)로 흐르는 소자이다. 또한 TFT는 LCD나 AMOLED등의 표시장치를 구성하는 화소부에 사용되는 스위칭소자로서 제어단자인 게이트(Gate)단자, 입력단자인 드레인(Drain)단자 및 출력단자인 소스(Source)단자로 구성되며, 게이트단자로 드레인단자에 인가된 전압보다 문턱전압 이상되는 전압을 가하면, 도통되면서 게이트단자에 인가된 전압의 크기에 종속되는 전류가 입력단자에서 출력단자로 흐르는 소자이다.

본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하기에 앞서, 도 3을 참조하여 본 발명에서 비접촉 터치입력을 검출하는 원리에 대하여 간략하게 설명한다. 도 3을 참조하면, 터치패드(50)에 손가락(25, 또는 이와 유사한 도전성의 터치수단)이 접근했을 때 터치패드(50)와 손가락(25)이 "d"의 간격으로 이격되며, "A"라는 대향면적을 갖는다고 가정하자. 그러면, 도 3의 우측 등가회로 및 수식에서 보여지듯이 손가락(25)과 터치패드(50) 사이에는 정전용량 "C"가 형성된다. 정전용량 "C"를 가지는 터치패드(50)의 신호입력선에 전압이나 전류의 신호를 공급하여 전하량 "Q"의 크기를 갖는 전하가 축적되면, V=Q/C라는 전압관계식이 형성된다. 이때 신체는 대지에 대하여 가상으로 접지된다.

도 4는 본 발명에 따른 기본적인 터치셀 구조를 보인 회로도이다. 도 4를 참조하면, 터치패널을 구성하는 단위 터치셀은 터치패드(50)와, 적어도 두 개의 스위칭소자(42, 44)와, 각각의 스위칭소자의 제어단자와 출력단자 사이에 접속된 커패시터(C1, C2)로 구성된다. C1 및 C2는 커패시터의 이름 및 크기를 동시에 표현하는 기호로서, 예컨대, "C1"은 C1이라는 이름을 가진 커패시터를 의미하는 동시에 C1이라는 크기의 커패시턴스를 의미한다.

도시한 바와 같이, 제1스위칭소자(42)의 출력단자(Out1)는 제2스위칭소자(44)의 제어단자(Cont2)에 접속된다. 그리고, 제2스위칭소자(44)의 제어단자(Cont2)는 터치패드(50)에 접속된다. 도 4에서 보여지는 바와 같이, 인체의 손가락(25)이 터치패드(50)에 일정 간격으로 접근하면, 손가락(25)과 터치패드(50) 사이에는 "Ct"라는 정전용량이 형성된다. 제1스위칭소자(42)의 출력단자(Out1)를 통해 출력된 신호는 Ct에 일정시간 저장되며, Ct에 축적된 신호는 Ct에 접속된 주변 소자들에 의해 형성된 방전경로를 통해 방전된다. 방전되는 신호의 크기는 시간이 경과함에 따라 점차 작아질 것이다. 이에 따라, 터치입력 미발생시의 터치패드(50)의 전위에 비해 터치입력 발생시에는 터치패드(50)의 전위가 크게 하강된다.

여기서, Ct는 터치수단과 터치패드(50)의 간격, 대향면적 등을 조절하는 것에 의해 자유롭게 설계될 수 있다. 예컨대, 터치패드(50)의 면적을 크게 선택하는 것으로서 도 3의 관계식에 의거하여 Ct 역시 크게 설계된다. 반대로, 터치패드(50)의 면적을 작게 선택하는(예를 들어, 1mm² 이하로 선택하는 등으로) 것으로서 Ct는 작게 설계된다. 바람직하게는, Ct는 수십 fF(femto F) 내지 수십 pF(pico F)으로 설계될 수 있다.

도 5는 도 4와 같은 터치셀 구조에서의 신호의 파형을 보여준다. 도 5를 참조하여, 도 4의 터치셀 구조에서 발생하는 킥백(kick)을 설명하면 다음과 같다.

제1스위칭소자(42)의 제어단자(Cont1)에 인가되는 온 전압을 "VH"라고 하고 오프 전압을 "VL"이라고 할 때, 온/오프에 따른 제어단자(Cont1)의 전압차이는 VH에서 VL을 감한 값이 된다. 제1스위칭소자(42)의 입력단자(In1)에 "V1"의 크기를 가지는 전압을 인가하고 제어단자(Cont1)에 VH를 인가하여 제1스위칭소자(42)를 턴 온 시키면, 터치패드(50)에 터치입력이 발생하지 않은 경우에는 제1스위칭소자(42)의 출력단자(Out1)에서 측정되는 전압이 "Out1-A"의 파형에서와 같이 "V2"이다. 여기서, 신호선의 배선이나 기생저항 등에 의한 과도응답특성은 무시하였다. 소정 시간 후에 제1스위칭소자(42)의 제어단자(Cont1)에"VL"을 인가하여 제1스위칭소 자(42)를 턴 오프 시키면, 제1스위칭소자(42)의 출력단자(Out1)에서 측정되는 전압은 전압강하 된다. 이때, 도 4의 회로도에서와 같이, 제1스위칭소자(42)의 제어단자(Cont1)와 출력단자(Out1) 사이에는 C1이 접속되어 있고, 제2스위칭소자(44)의 제어단자(Cont2)와 출력단자(Out2) 사이에는 C2가 접속되어 있으므로, Out1-A의 파형에서 터치입력 미발생시의 킥백 전압 "KB1"은 다음과 같은 수식1로 정의한다.

----- 수식1

예컨대, VH가 10V이고, VL이 -5V이고, V1이 8V이고, C1과 C2의 크기가 동일한 경우 킥백 전압 KB1은 7.5V이다. 즉, Out1-A의 파형에서 V2는 8V로부터 0.5V로 낮아지게 된다. 또한, 이러한 전압강하는 터치패드(50)에서의 전위가 8V에서 0.5V로 낮아지는 것을 의미한다.

한편, 도 5에서 "Out1-B"로 표시된 파형은 터치패드(50)에 대해 터치입력이 발생한 경우, 제1스위칭소자(42)의 출력단자(Out1)에서 측정되는 전압의 파형이다. 다른 조건들은 위에서와 동일하나, 이 경우에는 손가락(25)과 터치패드(50) 사이에서 정전용량 Ct가 형성된 상태이므로, Out1-B의 파형에서 터치입력 발생시의 킥백 전압 "KB2"는 다음과 같은 수식2로 정의한다.

----- 수식2

만약, Ct가 C1의 3배의 크기를 갖는다면, 킥백 전압 KB2는 3V이다. 즉, Out1-B의 파형에서 V2는 8V로부터 5V로 낮아지게 된다.

한편, 도 5의 실시예에서 Out2-A 및 Out2-B는 제2스위칭소자(44)의 출력단 자(Out2)에서 출력되는 신호의 크기(본 예시에서는 전류값)를 예시한 것으로서 각각 Out1-A 및 Out1-B와 유사한 형태의 파형을 갖는 것을 알 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이, 우리는 터치수단과 터치패드(50)의 간격 및 대향면적을 조절하는 것으로 Ct의 크기를 선택할 수 있다. 또한, C1 및 C2는 설계시 자유롭게 선택할 수 있다. 따라서, 터치입력 발생 유무에 따른 킥백 전압의 차이(예를 들어, KB1과 KB2의 차이)를 비교적 자유롭게 설계할 수 있다. 예컨대, C1을 Ct에 비해 2배 내지 수백 배 작게 선택한다면, KB1에 비해 KB2의 분모값이 높은 배율로 커지게 되며, KB1과 KB2의 차이를 크게 가져갈 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 도 4의 실시예에 "C3"이 추가된 실시예이다. 도시된 예에서, C3은 제2스위칭소자(44)의 제어단자(Cont2)와 입력단자(In2) 사이에 접속된다. 추가된 커패시터 C3에 의해, 킥백 전압 KB1과 KB2는 다음과 같은 수식3 및 수식4로 정의한다.

----- 수식3

----- 수식4

본 발명은 이와 같이 도 4의 기본 실시예에 도 커패시터를 추가하거나, 기타 스위칭소자를 더 부가하고 커패시터의 수를 늘려 분모항의 크기를 키우는 방식 등으로 터치입력 발생 여부에 따른 킥백 차이를 조정할 수 있다.

한편, 도 4의 실시예에서 킥백에 의해 전압강하된 제어신호는 제2스위칭소자(44)의 제어단자(Cont2)에 입력되므로, 제2스위칭소자(44)의 출력신호가 제어신 호에 종속되되 제어신호의 크기에 따라 편차가 크게 나는 경우에는 제2스위칭소자(44)의 출력단자(Out2)에서 더욱 용이하게 신호를 검출할 수 있다. 이는 본 발명이 가지는 기술적 장점으로서, 예컨대 터치입력 여부에 따른 킥백 전압의 차이가 5V인 것에 비해 제2스위칭소자(44)의 출력전류의 차이는 수십 배 내지 수만 배라면, 그 차이를 검출하는 것이 매우 용이하며, 이는 터치입력 검출 정확도를 크게 높일 수 있다는 것을 의미한다.

도 7은 스위칭소자로서 MOSFET가 사용될 때 게이트전압 대비 출력전류의 특성을 보인 그래프이다. 도 7에 예시된 MOSFET는 "한국전자"의 "KF80N08P/F"라는 형명의 MOSFET로서, 상온에서 2.5V의 V_GS차이에 의해 출력전류인 I_D는 약 200배 정도의 차이를 보이고 있다.

도 8은 입력신호 대비 출력신호의 차이가 큰 또 다른 실시예의 하나로서 TFT를 본 발명의 터치신호 검출에 적용한 것이다. 도 8을 참조하면 도 6과 동일하게 C1, C2, C3가 터치패드(50)에 접속되어 있으며 터치입력이 발생할 경우 정전용량 Ct가 형성되는 것도 도 6의 실시예와 동일하다. 다만, 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)가 TFT이다. TFT는 스위칭소자의 하위개념에 속하지만, 이하의 설명에서는 스위칭소자의 실시예로서 TFT가 언급된 경우에는, TFT에 대하여 스위칭소자와 동일한 도면부호를 사용하기로 한다. 예를 들어, 제1스위칭소자(42)는 제1TFT(42)로 언급될 수 있다.

후반부의 터치패널에 대한 설명에서 상세히 설명하겠지만, 터치패널에는 복 수의 신호선들이 배선된다. 이 신호선들은 TFT를 온/오프 제어하고, 터치입력 검출을 위한 신호를 송수신하고, 관측용 보조신호를 인가하는 등의 신호선들이다. 도 8에서와 같이, 본 발명에 따라 특화된 터치셀 구조에서도, 제1TFT(42)와 제2TFT(44)의 각 단자들이 신호선에 접속된다.

도 8의 실시예에서, 터치패널에는 위치검출신호 송수신을 위한 제1신호선(32) 및 제2신호선(34), 제1TFT(42)의 온/오프 제어를 위한 게이트신호선(36) 및 제2TFT(44)의 출력전류 생성을 위한 관측용 보조신호를 인가하는 보조신호선(37)이 배선된다. 제1TFT(42)의 드레인단자는 제1신호선(32)에 접속되며, 제2TFT(44)의 소스단자는 제2신호선(34)에 접속된다. 따라서, 제1신호선(32)으로 위치검출신호를 인가하면, 두 개의 TFT에 의해 제어된 신호가 제2신호선(34)을 통해 출력된다.

그리고, 제1TFT(42)의 게이트단자가 게이트신호선(36)에 접속되며, 게이트신호선(36)을 통해 온/오프 전압을 인가함에 따라 제1TFT(42)의 온/오프가 제어된다. 제2TFT(44)의 게이트단자가 제1TFT(42)의 소스단자에 접속되어 있으므로, 제1TFT(42)의 온/오프 제어에 의해 제2TFT(44) 역시 온/오프 제어된다. 이때, 제2TFT(44)의 게이트단자에 인가되는 전압은 전술한 바와 같이 킥백에 의해 영향을 받게 된다. 또한, 제2TFT(44)의 게이트단자는 터치패드(50)에도 접속되어 있으므로, 터치입력 발생 여부에 따라 킥백 전압은 달라질 것이다.

도 9는 TFT의 제어전압(Vgs) 및 출력전류(Ids)의 상관관계를 보인 파형도이다. 도 9를 참조하면, TFT의 게이트단자에 인가되는 제어전압인 Vgs가 15V일 때에는 약 1uA의 Ids가 흐르는 반면에, Vgs가 0V인 경우에는 100pA의 Ids가 흐르는 것 을 알 수 있다. 즉, 제어전압이 15V에서 0V로 전압강하되는 경우, 출력전류는 약 만 배 정도의 차이를 갖는다.

이와 같이, 본 발명의 터치셀 구조에서는, 터치입력이 발생하지 않을 때에는 C1과 C2(C3 및 추가의 커패시터가 더 포함될 수도 있음)를 적절하게 선택하여 제1TFT(42)의 출력단자에서의 킥백을 작게 하고, 터치입력이 발생할 때에는 Ct가 관여하게 되므로 Ct를 적절하게 설계하여(혹은 Ct에 대비한 C1과 C2를 적절한 용량으로 선택하여) 제1TFT(42)의 출력단자에서의 킥백을 크게 할 수 있다. 또한, 이와 같이 터치입력이 발생했을 때의 킥백을 그렇지 않은 경우에 비해 상대적으로 크게 하면, 터치입력이 발생했을 때 제2TFT(44)의 출력단자에서 측정되는 전류값을 수십 배에서 수만 배로 설정할 수 있다. 따라서, 터치입력 검출이 용이할 뿐만 아니라 검출정확도 및 신뢰도가 매우 높은 기술적 장점을 갖는다. 또한, 이러한 기술적 장점에 의해 터치셀(60)의 너비나 폭을 매우 작게 가져갈 수 있다.

한편, 도시된 예시에서는 스위칭소자로서 전압 구동형인 TFT를 언급하였으나, 다른 스위칭소자로 대체되는 경우 구동 방식 및 검출 방식은 달라질 수 있다. 예컨대, BJT나 IGBT와 같은 스위칭소자는 전류 구동형으로 동작되며, 제어단자에 인가되는 전류에 비해 수십 배 이상의 전류가 출력된다. 따라서, BJT나 IGBT와 같은 스위칭소자는 터치입력 여부에 따라 킥백의 차이를 부여하면, 작은 차이의 제어전류에 비해 수십 배 이상의 차이를 보이는 출력전류 특성을 얻을 수 있다.

도 10 내지 도 13은 본 발명에 따른 터치패널의 일실시예를 보인 구성도이다. 이를 참조하여, 본 발명에 따른 터치패널의 구성을 살펴보기로 한다. 도시된 실시예에서, 스위칭소자는 모두 TFT인 경우를 예시하였다.

도시된 예에서와 같이, 본 발명의 터치패널은 단일 기판(30) 상에 복수의 터치셀(60)이 매트릭스 형태로(마치 LCD 등과 같은 표시장치에서 단위화소들이 매트릭스 형태로 배치되는 것과 같이) 배치된 구조를 갖는다. 각 터치셀(60)은 패널 상에서 실체 터치가 이루어지는 액티브영역(active area)을 구획하여 형성된다.

도 10은 터치셀(60)의 어레이를 보여주는 것으로서, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 3*3의 분해능으로 터치셀(60)이 배치된 예를 도시한 것이다. 도 10에서와 같이, 기판(30)의 상면 또는 하면에는 위치검출신호 입출력을 위한 복수의 제1신호선(32)과 제2신호선(34), 제1TFT(42)의 제어단자에 게이트신호를 인가하기 위한 게이트신호선(36), 제2TFT(44)의 출력전류 생성을 위해 관측용 보조신호를 인가하기 위한 보조신호선(37)이 배치된다.

각각의 터치셀(60)은 터치패드(50)와 두 개의 TFT(42, 44)로 구성된다. 앞서 살펴본 본 발명의 터치셀 구조에서와 마찬가지로, 터치패드(50)는 제1TFT(42)의 출력단자와 제2TFT(44)의 제어단자 사이에 접속된다. 제1TFT(42) 및 제2TFT(44)의 신호선에 대한 연결관계 역시 앞선 실시예와 동일하다.

도시된 실시예에서는 제1신호선(32) 및 제2신호선(34)이 세로방향으로 배선되고, 게이트신호선(36) 및 보조신호선(37)이 가로방향으로 배선된 것을 예시하였지만, 이는 단지 일실시예이며 각 신호선은 방향을 달리하여 배선되거나, 수평 또는 수직이 아닌 사선방향으로 배선될 수도 있다. 또한, 지그재그 사선방향으로 배선될 수도 있다.

도 10의 실시예는 터치패널의 시스템 구성을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 패널의 일측 에지부 또는 외부에는 터치위치 검출부(70)가 설치된다. 터치위치 검출부(70)는 드라이브IC(71)와, 타이밍 제어부(72)와, 신호처리부(73)와, 메모리수단(74)으로 구성된다. 그리고 터치위치 검출부(70)에서 획득한 검출신호는 CPU(75)로 전달되어 해당 좌표에 대응하는 입력신호를 생성한다. 도시하지 않았지만, 시스템 내에는 장치에 전원을 공급하는 전원부가 포함될 수 있다.

상기 드라이브IC(71)는 COF(Chip On Film)나 COG(Chip On Glass) 형태로 기판(30)의 에지부에 실장된다. 또한, 드라이브IC(71)는 비정질 실리콘 유리기판 위에 게이트를 직접 형성하는 ASG(Amorphous Silicon Gate) 형태로 SOC(System On Chip)화 될 수도 있다. 또한, 드라이브IC(71)를 외부에 형성하고, FPC(Flexible Printed Circuit)를 이용하여 기판(30)에 신호를 전달할 수도 있다.

드라이브IC(71)는 제1신호선(32)으로 위치검출신호를 인가하고, 제2신호선(34)으로부터 위치검출신호를 수신한다. 또한, 게이트신호선(36)에는 제1TFT(42)의 온/오프 제어신호를 인가하고, 보조신호선(37)에는 관측용 보조신호를 인가한다.

바람직하게는, 드라이브IC(71)는 게이트신호선(36) 각각에 순차적으로 스캔펄스를 인가한다. 이를 위하여, 타이밍 제어부(72)는 일예로서 수십 ms 이하의 시분할 신호를 발생시키며, 신호처리부(73)는 타이밍 제어부(72)에서 제공되는 클록에 따라 스캔펄스를 드라이브IC(71)측으로 제공한다.

메모리수단(74)은 위치검출신호를 일시 저장하는 수단이다. 도시된 실시예는 터치셀(60)이 3*3의 분해능인 경우를 예시하였으나, 실제로는 더욱 높은 분해능(예컨대, 1366*768의 분해능)을 갖기 때문에, 많은 신호들을 처리하는 과정에서 신호가 손실될 수 있다. 예를 들어, 터치위치 검출부(70)가 "Busy" 상태일 경우, 위치검출신호를 인식하지 못하여 신호를 놓칠 수 있는데, 메모리수단(74)은 이와 같은 신호의 손실을 방지한다.

메모리수단(74)은 도 11에 도시된 바와 같이, 터치셀(60)의 좌표값에 대응하는 절대주소를 갖는다. 이를 위하여, 메모리수단(74)은 터치셀(60)의 개수 이상의 비트를 갖는다. 만약, 도 10의 실시예에서 가장 우하단의 터치셀(60)에서 터치입력이 발생하였다면, 신호처리부(73)는 도 11에서 점선으로 보인 바와 같이 메모리수단(74)의 "m9" 주소에 위치검출신호를 저장한다. 이렇게 저장된 신호는 신호처리부(73)에 의해 호출될 수 있다.

터치위치 검출부(70)에서 제1신호선(32) 전체에 걸쳐 신호의 인가를 1회 스캐닝한 후에, 신호처리부(73)는 메모리수단(74)을 읽는다. 그리고, 누락된 신호를 확인한다. 메모리수단(74)에 저장된 신호 중 누락된 신호가 있다면, 다음 스캐닝 이전에 해당 신호를 정당한 입력신호로 처리한다. 그리고, 메모리수단(74)을 소거한 후, 다음 스캐닝을 진행한다. 도시한 실시예에서는 메모리수단(74) 9비트 이상의 용량을 가지면 족하지만, 실제로는 터치셀(60)이 1366*768의 분해능을 가질 때 메모리수단은 적어도 1049088비트 이상의 용량(예컨대, 132k바이트의 용량)을 확보해야 한다.

도 10의 실시예에서 게이트신호선(36)에 OFF 전압을 인가하면, 해당 게이트 신호선(36)에 접속된 제1TFT(42)는 제1신호선(32)과 터치패드(50)의 연결을 차단한다. 게이트신호선(36)에 ON 전압이 인가되면, 제1TFT(42)가 도통되어 제1신호선(32)을 통해 공급되는 위치검출신호가 터치패드(50)에 전달된다. 만약, 이때 터치입력이 발생하거나 터치입력이 발생된 상태라면 전술한 바와 같이 손가락(25)과 터치패드(50) 사이의 Ct가 충전된다. Ct에 충전된 전하는 제2TFT(44)를 턴 온 시키며, 보조신호선(37)을 통해 제2TFT(44)에 입력되는 신호에 대응하는 신호가 제2신호선(34)을 통해 출력된다.

한편, 도 10의 실시예를 살펴보면, 도 6이나 도 8의 실시예와 달리 TFT에 C1 내지 C3가 접속되어 있지 않다는 것을 알 수 있다. 이는 TFT의 경우에 제조과정에서 각 단자 사이에 커패시터가 내장될 수 있기 때문이다. 즉, 도 10의 실시예에서는 커패시터가 도시되지 않았지만, 실제 제1TFT(42) 및 제2TFT(44)에는 커패시터가 내장되어 있다. 또한, TFT의 제조공정에서 내장되는 커패시터의 크기를 결정할 수 있으므로, TFT에 커패시터를 내장시켜도 원하는 킥백의 크기 및 제2TFT(44)의 출력을 얻을 수 있다.

경우에 따라서는, 전술한 스위칭소자들에 있어서 커패시터를 내장시키지 않고, 도 6이나 8에서와 같이 외장형으로 설치할 수도 있다. 또한, TFT에 커패시터를 내장시키는 동시에 외부단자에도 추가로 커패시터를 접속할 수도 있다. 이는 TFT 뿐만 아니라 이와 유사한 다른 스위칭소자에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다. TFT에 커패시터를 내장시키는 과정에 대하여는 도 14를 참조하여 후술하기로 한다.

도 12는 본 발명에 따른 단위 터치셀의 평면 구성도이고, 도 13은 도 12에서 I-II 선을 따라 절개한 단면을 보인 단면 구성도이다. 도12에 도시한 바와 같이, 단위 터치셀(60)에서 터치패드(50)가 상당한 면적을 차지한 것을 볼 수 있다. 물론, 이 크기는 변경될 수 있다. 터치패드(50)의 면적은 정전용량 Ct를 결정하는 중요한 인자이므로, 터치입력 발생을 검출하기에 적합한 면적으로 설계되는 것이 바람직하다. 터치패드(50)는 투과성이 좋은 ITO 등과 같은 투명도전체를 도포하는 것으로 형성된다.

도 12를 참조하면, 도 10의 회로도에서와 같이 터치패드(50) 및 신호선들에 제1TFT(42) 및 제2TFT(44)가 접속되어 있다. 신호선들은 일 실시예로, 알루미늄과 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속, 은과 은 합금 등 은 계열의 금속, 구리와 구리 합금 등 구리 계열의 금속, 몰리브덴과 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열의 금속, 크롬, 티타늄, 탄탈륨 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제1신호선(32), 제2신호선(34), 게이트신호선(36) 및 보조신호선(37)은 물리적 성질이 다른 두 개의 막, 즉 하부막(도시하지 않음)과 그 위의 상부막(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 상부막은 신호지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 낮은 비저항(Resistivity)의 금속, 예를 들면 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속으로 이루어진다. 이와는 달리 하부막은 ITO(Indium Tion Oxide) 및 IZO(Indium Zinc Oxide)와의 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴(Mo), 몰리브덴합금, 크롬(Cr) 등으로 이루어진다. 신호선들은 바람직하게는 투명도전체로 형성되어, 관측자에 의해 시인되는 것을 회피한다. 그리고, 이종의 레이어에 형성된 신호선들은 콘택홀(59, contact hole)에 의해 다른 구성품들과 접속된다.

도 13은 도 12의 단면 층 구조를 보여준다. 도 13을 참조하면, 제1TFT(42)와 제2TFT(44)의 게이트전극(56) 위에는 질화규소(SiNx) 등으로 이루어진 게이트절연막(43)이 형성된다. 게이트절연막(43) 위에는 게이트전극(56)과 중첩되고, 드레인전극(57) 및 소스전극(58) 사이에 채널을 형성하는 활성층(46)이 형성된다. 또한, 활성층(46)은 드레인전극(57) 및 소스전극(58)과도 중첩되게 형성된다. 활성층(46)은 수소화 비정질 규소(Hydrogenated Amorphous Silicon) 또는 다결정규소(Poly Crystalline Silicon) 등으로 형성된다. 활성층(46) 위에는 실리사이드(Silicide) 또는 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n+ 수소화 비정질 규소 등의 물질로 만들어진 오믹(Ohmic) 접촉층(47)이 형성된다. 오믹 접촉층(47)은 드레인전극(57)과 소스전극(58)의 오믹 접촉을 위한 층이다. 드레인전극(57)과 소스전극(58) 위에는 보호막(45)이 형성되며, 보호막(45)의 상면에는 ITO 등의 투명한 도전물질로 형성된 터치패드(50)가 위치한다.

도시한 바와 같이, 터치패드(50)를 제1TFT(42)의 소스전극(58)과 제2TFT(44)의 게이트전극(56)에 접속하기 위하여 콘택홀(59)이 사용된다. 콘택홀(59)은 다각형 또는 원 모양 등 다양한 모양으로 만들어 질 수 있다.

도시하지 않았지만, TFT(42, 44)의 위에는 광(Light)을 차단하기 위한 광차단층이 형성될 수 있다. 광차단층은 TFT(42, 44)의 드레인전극(57)과 소스전극(58)의 제조에 사용된 재질이나 게이트전극(56)의 제조에 사용된 재질이 사용될 수 있으며 불투과성 무기물질이 사용될 수 있다. 광차단층은 TFT(42, 44)가 광(Light)에 반응하여 오작동하는 것을 방지한다.

도 14는 제1TFT(42) 및 제2TFT(42)의 일실시예를 보인 단면구성도로서, TFT에 커패시터가 내장되는 예를 보여준다. 도 14를 참조하면, 드레인전극(57)이 게이트전극(56)과 오버랩되는 영역에는 커패시터 Cgd가 형성되며, 소스전극(58)이 게이트전극(56)과 오버랩되는 영역에는 커패시터 Cgs가 형성된다. 이들 커패시터(Cgd, Cgs)는 TFT의 제조과정에서 만들어지며 커패시터의 크기는 TFT의 폭 또는 길이에 따라 변경될 수 있다. 예컨대, TFT의 폭 또는 길이에 따라 Cgd 및 Cgs는 10fF 내지 300fF 정도로 설계될 수 있을 것이다.

이와 같이 커패시터를 TFT에 내장시키면, 도 10의 실시예에서와 같이 TFT 외부에는 별도의 커패시터를 접속할 필요가 없다. 그러나, TFT에 커패시터를 내장시킴은 물론, TFT의 외부단자에도 커패시터를 접속하는 것으로 커패시터의 크기에 대한 설계 자유도를 높일 수도 있을 것이다.

도 15는 도 10의 실시예에서 터치입력을 검출하는 예를 보인 파형도이다. 이를 참조하면, 터치위치 검출부(70)는 각 게이트신호선(36)에 순차적으로 스캔펄스를 제공한다. 터치위치 검출부(70)에 의해 제공되는 게이트신호 Gn은 제1TFT(42)의 게이트를 활성영역에 진입할 수 있도록 충분한 크기의 전압레벨을 갖는다. 예컨대, 게이트신호 Gn은 제1신호선(32)을 통해 송신되는 위치검출신호 Dn에 비해 3V 이상 크게 설정되는 것이 좋다. 바람직한 실시예로는 Dn의 Hi 전압레벨은 13V이며, Gn의 Hi 전압레벨은 18V이다. 또한, 제1TFT(42)를 안정적으로 턴 오프시키기 위하여 게이트 OFF 전압은 -5~-7V로 설정된다.

게이트신호 Gn은 각 신호들 사이에 충분한 관측시간을 갖는다. 이는 신체의 접근에 의해 신체의 손가락(25)과 터치패드(50) 사이에 형성되는 가상의 커패시터가 충분한 충전시간을 갖도록 하기 위함이다. 도시된 바와 같이, G1과 G2 사이에는 충분한 관측시간1의 휴지기가 주어진다. 제1신호선(32)을 통해 인가되는 위치검출신호 Dn은 어느 하나의 Gn이 Hi인 경우 반드시 Hi를 유지하도록 제공되며, 바람직하게는 Gn이 휴지기를 가질 때 역시 약간의 휴지기를 갖는다.

터치위치 검출부(70)는 보조신호선(37)을 통해 관측 전압을 제공한다. 보조신호선(37)을 통해 인가되는 신호 Auxn은 관측시간의 일부 구간에서 반드시 Hi 레벨이어야 하며, 모든 관측시간 구간에서 항상 Hi 레벨로 제공될 수도 있다. 보조신호 Auxn은 Hi 레벨에서 Dn에 의해 손가락(25)과 터치패드(50) 사이에 충전되는 전압인 13V에 비해 3V 이상 낮은 관측전압을 제공한다. 예를 들어, Auxn의 관측전압은 5V 정도로 족하다.

도 15를 참조하여 제2신호선(34)을 통해 입수되는 파형 및 이를 통해 터치 신호를 획득하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

만약, 게이트신호 G1 및 G2가 인가되는 경우에서처럼, 게이트신호가 인가되고 그 후의 관측시간이 지났는데도 신체의 접근이 이루어지지 않는다면, 제2신호선(34)을 통해 입수되는 신호 Sn은 S1 및 S2와 같은 파형을 갖는다. 이는 신체의 접근이 이루어지지 않아 터치패드(50)에서 정전용량이 형성되지 않기 때문이다. 보다 상세하게, 게이트신호 G1이 인가될 때 제1TFT(42)가 도통되고, 이때 제2TFT(44)의 게이트단자에 Dn의 전압이 인가되므로 제2TFT(44) 역시 도통된다. 그런데, 제2신호선(44)의 배선저항과 기생 정전용량이 존재하므로, 도시한 바와 같이 입수되는 신호 S1 및 S2는 Hi 레벨로 상승하는 구간 및 Low 레벨로 하강하는 구간에서 곡선을 갖게 된다. 도시된 바와 같이, G1에 의해 제1TFT(42)가 턴 오프되고 관측시간으로 변경된 직후부터, 킥백에 의해 제2TFT(44)의 게이트 전압이 급격하게 하강하여 입수되는 신호 Sn이 완전히 Low 레벨로 하강하기까지의 시간을 "T1"이라 하자. 단 본 파형도에서 입력신호 Dn에 비해 출력신호 Sn에서 발생되는 시간지연은 무시하였다.

만약, 어느 시점에서 도 10에서의 우하단 터치셀(60)에 손가락(25)의 접근이 이루어진다면, 해당 터치셀(60)에서 터치패드(50)와 신체의 손가락(25) 사이에는 정전용량 Ct가 형성될 것이다. 도 15의 파형도에서 보여지듯이 G3가 Hi 레벨인 구간에서 터치가 발생하였다면, 손가락(25)이 근접하는 순간 정전용량 Ct가 형성된다. 이때, 도 15의 파형도에서 S3의 파형이 터치 발생시점에서 파형이 왜곡되듯이, 충전 초기에 충전전압의 변동이 있을 수 있다. 하지만, 곧 충전이 완료되면서 S3는 Hi 레벨로 상승한다.

그런데, G3 신호가 관측시간으로 모드가 변경되는 경우, 즉, G3가 OFF되는 경우, Ct에 의해 킥백이 적어지므로 터치패드(50)에서의 전압강하는 작아지고, 이에 따라 제2TFT(44)의 출력파형은 S3의 파형에서 보여지듯 고유의 출력특성을 보인다. 이때, Sn의 파형이 50% 이하로 저하되는데 걸리는 시간을 "T2"라 하자.

도 15의 파형도를 참조하면, T1과 T2는 상당한 시간 차이를 보임을 알 수 있다. 터치위치 검출부(70)는 위와 같이 Gn의 OFF 이후 제2신호선(34)을 통해 입수되는 신호 Sn의 파형이 하강하는 데 걸리는 시간 또는 일정시점에서의 신호 크기를 판독하여, 터치 신호를 획득할 수 있다.

도 15의 실시예는 터치를 획득하기 위한 일 실시예이며 이와 다른 다른 방법으로도 터지지점을 획득하는 것이 가능하다. 예를 들어, 게이트신호 Gn을 모두 동시에 턴 온하여 신체와 터치패드(50)간에 형성된 가상의 커패시터 Ct에 충전을 유도한 후 보조신호선(37)에 순차적으로 신호를 인가하여, 출력되는 파형을 관측하는 방법이다. 본 발명의 기술사상에 따라 터치 신호를 획득하는 방법을 여러 가지로 구현할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

이와 같이 터치입력을 검출하는 과정에서, 터치입력 발생 유무에 따라 출력파형이 크게 달라지는 것은 본 발명에 따라 특화된 터치셀 구조에 기인한다. 앞서 설명한 바와 같이, 터치입력 발생 유무에 따른 킥백의 차이가 발생하고, 이는 제2TFT(44)를 통해 출력되는 신호가 수십 배 내지 수만 배의 차이를 갖도록 한다. 또한, 제2TFT(44)의 출력단자에서 측정된 전압 또는 전류는 디지털신호이다. 여기에서의 디지털신호라 함은 신호의 높낮이만으로 터치의 유무를 판단할 수 있다는 신호라는 의미이다. 이와 같이, 두 스위칭소자에 접속된 커패시터 및 터치입력 발생시 작용하는 Ct에 의한 킥백과, 제2스위칭소자의 출력특성에 의해 터치입력을 검출함에 따라, 터치입력에 대한 검출감도가 높고 검출정확도 역시 매우 신뢰할만한 수준을 보여준다.

도 16은 본 발명에서 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 예를 개략적으로 묘사한 도면이고, 도 17은 도 16의 비교기의 동작원리를 예시한 파형도이다. 제2TFT(44)에서 출력되는 신호 Sn은 도 16에서와 같이 비교기로 입력되어 기준신호와 비교된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 터치입력 발생 유무에 따라 제2TFT(44)의 출력신호 차이가 크므로, 비교기에서의 신호검출은 매우 용이하다. 또한, 비교기의 출력은 하이나 로우의 레벨을 갖는 디지털 신호로서, 터치위치 검출부(70)에서 별도의 신호변환 없이 이를 판독할 수 있다.

예컨대, 도 17에서와 같이, 터치입력이 발생하여 제2TFT(44)의 출력신호 Sn이 t1 구간에서 하이로 될 때, Sn은 기준신호보다 커지며 비교기의 출력은 회로 구성에 따라 하이나 로우가 된다. 터치입력이 중단되거나 정해진 시간 이후 신호가 소멸되는 t2 구간에서는 Sn이 로우로 하강하며, Sn은 기준신호보다 작아지고 비교기의 출력은 회로 구성에 따라 로우나 하이가 된다. 따라서, 터치위치 검출부(70)는 비교기의 출력을 디지털 방식으로 처리할 수 있다. 여기서, 비록 도시한 예에서는 Sn의 하이와 로우의 차이가 작은 것으로 보이지만, 앞서 언급한 바와 같이 이 차이는 수십 배 내지 수만 배이다.

도 16 및 17의 예에서와 같이 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 경우, 기준신호가 사용된다. 기준신호는 터치위치 검출부(70)에서 별도의 기준신호 생성부를 구성하여 만들 수 있을 것이다.

그런데, 기준신호가 일정하게 주어지는 것은 터치입력에 대한 판독오류를 야기할 수 있다. 예컨대, 온도나 경년변화 등의 요인에 의해 제1TFT(42)의 특성이 변하여 동일한 출력전류 생성을 위한 Vgs에 2V 정도의 전압변동이 발생하였다고 가정해보자. 도 9의 그래프를 참조하면, Vgs가 0(zero)에서 2V 정도로 변경되는 구간에서 출력전류인 Ids의 차이는 백 배이다. 만약, 터치입력 여부를 Vgs 0V일 때와 Vgs 15V일 때의 차이로 검출한다면, Ids의 차이는 만 배이므로, 기준신호를 터치입력 발생 여부에 따른 제2TFT(44)의 출력신호의 사이값(즉, 백 배의 차이를 갖는 전류값)으로 정할 수 있다. 즉, Vgs 2V에서의 전류값으로 기준신호를 설정할 수 있다. 여기서, "사이값"이라 함은 반드시 중간의 값을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 열 배의 차이를 갖는 전류값 또는 천 배의 차이를 갖는 전류값이 기준신호가 될 수도 있다.

그런데, 제1TFT(42)의 출력전압이 2V 변동되는 경우, 터치입력이 발생하지 않았음에도 불구하고 제2TFT(44)의 출력이 기준신호에 근접한다. 이때, 외란 등의 영향으로 인해 터치입력이 발생하지 않았음에도 터치입력을 검출한 것으로 오작동할 수 있다.

본 발명은 위와 같은 기준신호 설정에 따른 오작동을 방지하기 위해 센싱셀(61)을 이용한다. 센싱셀(61)은 패널 상에 설치되며, 터치입력 검출을 위한 터치셀(60)과 유사한 구조로 구성된다. 이와 같이 터치셀(60)과 유사한 구조를 갖는 센싱셀(61)은 터치셀(60)과 마찬가지로 동일한 온도 조건 및 경년변화를 갖는다. 예를 들어, 온도나 경년변화에 기인하여 터치셀(60)의 TFT가 2V의 전압변동이 있었다면, 센싱셀(61) 역시 동일한 전압변동의 기준신호를 발생시킨다. 따라서, 온도 및 경년변화와 같은 요인에 의한 판독오류를 줄일 수 있다.

도 18a 및 18b는 센싱셀(61)의 일예를 보여준다. 도 8의 실시예에서와 같이 터치입력 검출은 제2TFT(44)의 출력신호를 통해 얻어진다. 이처럼 하나의 TFT를 경유하여 출력신호가 얻어지는 경우에 대응하여, 도 18a의 실시예에서 센싱셀(61)은 하나의 센싱스위칭소자(64)로 구성될 수 있다. 본 예시에서도 센싱스위칭소자(64)는 TFT이며, 이하에서는 센싱TFT(64)로 언급되고 동일한 도면부호를 부여한다.

경우에 따라서는 제2TFT(44)의 후단에 별도의 TFT가 더 부가될 수 있으므로, 이 경우에는 도 18b에서와 같이 센싱셀(61)이 제1센싱TFT(66) 및 제2센싱TFT(68)가 순차로 연결된 구성을 가질 수 있다. 도시된 예에서는 센싱셀(61)의 설치 위치가 명시되지 않았지만, 센싱셀(61)은 패널 상에서 비동작영역(non active area)에 설치될 수 있을 것이다.

센싱셀(61)을 구성하는 센싱TFT(64)는 터치셀(60)의 제2TFT(44)와 동일한 회로구성을 갖는다. 센싱TFT(64)의 드레인단자는 보조신호선(36)에 연결되며, 소스단자는 제2신호선(34)에 연결된다. 다만, 센싱TFT(64)의 게이트단자에는 터치패드가 접속되지 않으며, 게이트단자에는 별도의 게이트신호를 인가하거나 할 수 있다. 다른 예로서, 게이트단자에 제1TFT(42)와 동일한 회로 구성을 갖는 TFT를 더 부가할 수도 있다.

터치위치 검출부(70)는 센싱TFT(64)의 게이트단자에 소정 제어신호를 인가한다. 이 제어신호는 "터치입력 미발생시 터치셀(60)의 제2TFT(44)의 제어단자에 인가되는 신호"와 "터치입력 발생시 터치셀(60)의 제2TFT(44)의 제어단자에 인가되는 신호"의 사이값에 대응하는 신호이다. 예컨대, 상술한 예시에서 센싱TFT(64)의 제어단자에는 2V가 인가될 것이다. 만약, 센싱TFT(64)의 게이트단자에 2V를 인가하면, 센싱TFT(64)의 출력은 Vgs가 2V인 경우의 Ids 값에 대응할 것이다. 그런데, 만약 터치셀(60)의 TFT가 온도나 경년변화에 의해 전압변동이 발생한 경우, 센싱 TFT(64) 역시 같은 조건으로 전압변동이 발생하므로, 센싱TFT(64)에서 출력되는 기준신호 역시 변동된다. 따라서, 위와 같이 온도 조건이나 경년변화에 의한 오작동을 방지하고 터치입력을 안정적으로 검출할 수 있다.

도 19는 도 8에 도시된 실시예에 대한 변형 실시예를 보여준다. 도 8에서는 제1TFT(42)에 C1이 접속되어 있고, 제2TFT(44)에 C2 및 C3이 접속된 것을 예시하였지만, C1, C2, C3는 모두 TFT에 내장될 수 있으므로, 도 19의 예시에서는 C1, C2, C3는 생략하여 도시하였다. 즉, 도 19는 각 TFT에 도 8에서와 같은 C1, C2, C3가 내장된 것으로 이해해야 한다.

도 19를 참조하면, 도 8에 대비하여 커패시터 Cadd가 하나 더 추가된 것을 볼 수 있다. Cadd는 터치패드(50)와 접지 사이에 접속되며 킥백의 크기를 조절하는 목적으로 활용된다. 도 19의 실시예에서 터치입력이 발생했을 때의 킥백 전압 KB2는 다음과 같은 수식5로 정의한다.

----- 수식5

위의 수식5를 살펴보면, Cadd가 킥백을 결정하는 중요한 인자가 되는 것을 알 수 있다. 예를 들어, TFT에 내장된 C1, C2, C3의 설계값과 터치패드(50)에서의 정전용량 Ct가 제한적이라면, 경우에 따라서는 원하는 킥백을 얻을 수 없을 수 있다. 이때, 설계값을 자유롭게 선택할 수 있는 Cadd를 별도로 추가하는 것으로, 원하는 킥백을 얻을 수 있을 것이다.

상술한 실시예에서는 각 터치셀별로 스위칭소자가 2개 설치된 구성을 예시하 여 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술사상을 이루기 위한 기본적인 모델일 뿐이며, 각 터치셀은 둘 이상의 스위칭소자를 구비할 수도 있다. 또한, 각 스위칭소자의 제어단자와 출력단자에 커패시터가 연결된 것을 예시하였으나, 여기에 추가의 커패시터 또는 다른 전기소자(예컨대, 저항 등과 같은)가 더 추가될 수도 있을 것이다.

이와 같이 이상 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 종래 용량식 터치패널의 일예를 보인 사시도

도 2는 3단자형 스위칭소자을 예시한 구성도

도 3은 비접촉 터치입력을 검출하는 방법을 개념적으로 묘사한 도면

도 4는 본 발명에 따른 기본적인 터치셀 구조를 보인 회로도

도 5는 도 4의 터치셀 구조에 따른 신호의 파형도

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치셀 구조를 보인 회로도

도 7은 MOSFET의 게이트전압 대비 출력전류의 특성을 보인 그래프

도 8은 TFT를 이용한 터치셀 구조를 예시한 회로도

도 9는 TFT의 게이트전압 대비 출력전류의 특성을 보인 그래프

도 10은 본 발명에 따른 터치패널 및 시스템 구성을 예시한 구성도

도 11은 메모리수단의 일예를 보인 블록도

도 12는 도 10의 실시예에 따른 터치셀의 평면도

도 13은 도 10의 실시예에 따른 터치셀의 단면도

도 14는 TFT에 커패시터를 내장시키는 구성을 예시한 단면도

도 15는 도 10의 실시예에 따른 동작 파형을 보인 파형도

도 16은 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 예를 보인 도면

도 17은 비교기 검출시 파형을 예시한 파형도

도 18a 및 18b는 센싱셀의 구성을 예시한 회로도

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치셀 구조를 보인 회로도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

25 : 손가락 30 : 기판

32 : 제1신호선 34 : 제2신호선

36 : 게이트신호선 37 : 보조신호선

42 : 제1스위칭소자 44 : 제2스위칭소자

45 : 보호막 46 : 활성층

47 : 오믹 접촉층 50 : 터치패드

56 : 게이트전극 57 : 드레인전극

58 : 소스전극 59 : 콘택홀

60 : 터치셀 61 : 센싱셀

64 : 센싱스위칭소자 66 : 제1센싱스위칭소자

68 : 제2센싱스위칭소자 70 : 터치위치 검출부

71 : 드라이브IC 72 : 타이밍 제어부

73 : 신호처리부 74 : 메모리수단

75 : CPU

Claims

터치패널의 단위 터치셀(60)을 구성하는 터치셀 구조에 있어서,

신체의 손가락(25) 또는 이와 유사한 전기적 특성을 갖는 도전체로 이루어진 터치수단과 소정 거리로 이격될 때 터치수단과의 사이에서 정전용량(Ct)을 형성하는 터치패드(50);

상기 터치패드(50)에 출력단자가 접속되며, 제어단자에 인가되는 제어신호에 따라 턴 온/오프 되어 상기 터치패드(50)에 충전전압을 공급하는 3단자형의 제1스위칭소자(42);

상기 터치패드(50)에 제어단자가 접속되며, 상기 터치패드(50)의 전위에 따라 서로 다른 출력 신호를 갖는 제2스위칭소자(44); 및

상기 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44) 각각의 제어단자와 출력단자 사이에 접속되는 커패시터(C1, C2)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 제1스위칭소자(42)의 제어단자와 출력단자 사이에 접속되는 커패시터 C1은 10fF 내지 300fF인 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 제1스위칭소자(42)의 제어단자와 출력단자 사이에 접속되는 커패시터 C1은 터치수단과 터치패드(50) 사이의 Ct에 비해 2배 내지 수백 배 작은 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 제2스위칭소자(44)의 입력단자와 제어단자 사이에 커패시터(C3)가 더 접속되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)는 릴레이(Relay), MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치, BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 커패시터(C1, C2)는 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)에 내장 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 커패시터(C1, C2)는 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)의 외부에 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 커패시터(C1, C2)는 제1스위칭소자(42) 및 제2스위칭소자(44)에 내장 설치되는 동시에 외부에도 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 터치패드(50)와 접지 사이에는 커패시터(Cadd)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 터치셀 구조를 갖는 터치셀(60) 복수개가 광 투과성 기판(30) 상에 매트릭스 형태로 배열되며,

상기 기판(30)의 에지부 또는 기판(30)의 외부에는 상기 제1스위칭소자(42)의 제어단자에 온/오프 제어신호를 인가하고, 상기 제1스위칭소자(42)의 입력단자에 위치검출신호를 인가하며, 상기 제2스위칭소자(44)에서 출력되는 신호를 검출하여 터치입력을 인식하되, 터치입력 여부에 의한 킥백의 차이에 따르는 제2스위칭소자(44)의 출력신호 차이를 대비하여 터치입력을 인식하는 터치위치 검출부(70)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 10항에 있어서,

상기 제2스위칭소자(44)의 출력신호는 터치입력 여부에 따라 수십 배 내지 수만 배의 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 10항에 있어서,

상기 제2스위칭소자(44)의 출력신호와 기준신호를 비교하는 비교수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 12항에 있어서,

상기 기판(30)의 일측에는 상기 제2스위칭소자(44)와 동일한 회로구성을 가지되, 제어단자에는 터치패드(50)가 접속되지 않는 3단자형의 센싱스위칭소자(64)를 구비한 센싱셀(61)이 더 설치되고,

상기 터치위치 검출부(70)는 상기 센싱스위칭소자(64)의 제어단자에 "터치입력 미발생시 터치셀(60)의 제2스위칭소자(44)의 제어단자에 인가되는 신호"와 "터치입력 발생시 터치셀(60)의 제2스위칭소자(44)의 제어단자에 인가되는 신호"의 사이값에 대응하는 제어신호를 인가하고, 센싱스위칭소자(64)의 입력단자에 제2스위칭소자(44)의 입력단자에 인가되는 신호와 동일한 신호를 인가하며, 센싱스위칭소자(64)의 출력단자에서 출력되는 신호를 상기 비교수단의 기준신호로 이용하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 10항에 있어서,

상기 터치위치 검출부(70)는 상기 터치셀(60)의 좌표값에 대응하는 주소들을 갖는 메모리수단(74)을 더 포함하며, 상기 터치위치 검출부(70)에서 터치입력을 검출하면 대응 터치셀(60)의 좌표값을 상기 메모리수단(74)의 대응 주소에 저장하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 터치셀 구조를 이용하여 터치입력을 검출하는 터치입력 검출방법에 있어서,

(a) 터치입력이 발생하지 않은 경우, 제1스위칭소자(42)의 출력단자에서 발생하는 킥백에 의해 제2스위칭소자(44)에서 출력되는 신호를 검출하는 단계;

(b) 터치입력이 발생한 경우, 제1스위칭소자(42)의 출력단자에서 발생하는 킥백에 의해 제2스위칭소자(44)에서 출력되는 신호를 검출하는 단계; 및

(c) 상기 단계(a)에서 검출된 신호와 단계(b)에서 검출된 신호를 대비하여 단계(b)에서 검출된 신호로부터 터치입력을 인식하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터치입력 검출방법.
제 15항에 있어서,

상기 단계(a)에서 검출되는 신호와 단계(b)에서 검출되는 신호는 수십 배 내지 수만 배의 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 터치입력 검출방법.
제 15항에 있어서,

상기 단계(c)는 상기 단계(a)에서 검출된 신호와 단계(b)에서 검출된 신호의 사이값을 기준신호로 하여, 이 기준신호를 넘어서면 터치입력을 인식하는 것을 특징으로 하는 터치입력 검출방법.
제 17항에 있어서,

상기 기준신호는 상기 기판(30) 상에 설치되며 터치셀(60)의 제2스위칭소자(44)와 동일한 회로구성을 가지되, 제어단자에는 터치패드(50)가 접속되지 않은 3단자형의 센싱스위칭소자(64)를 구비한 센싱셀(61)로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 터치입력 검출방법.