KR101059098B1

KR101059098B1 - 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법

Info

Publication number: KR101059098B1
Application number: KR1020090130696A
Authority: KR
Inventors: 이성호
Original assignee: 이성호
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-08-24
Also published as: WO2011078591A3; KR20110073894A; WO2011078591A2; US20120262418A1; US8982092B2

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 터치수단이 소정 거리(d)로 접근할 때 터치수단과의 사이에서 정전용량(Ct)을 형성하는 도전패드(50); 상기 도전패드(50)에 입력단자 또는 출력단자가 접속되며, 제어단자에 인가되는 제어신호에 의해 온/오프 제어되어 상기 터치수단과 도전패드(50) 사이의 Ct를 충전 또는 방전시키는 3단자형의 스위칭소자(40); 및 상기 스위칭소자(40)의 제어단자와 상기 도전패드(50) 사이에 접속되는 커패시터(C1);를 포함하여 구성된다. 바람직하게는, 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서의 킥백 차이를 보다 명확하게 하고, 신호를 안정적으로 획득할 수 있도록 하기 위해 도전패드(50)와 접지 사이에 추가의 커패시터(C2)가 더 설치될 수 있다. 본 발명의 기술적 장점은 터치입력 발생시 터치수단과 도전패드 사이에서 형성된 정전용량(Ct)이 킥백을 결정하는 중요한 인자로 작용하고, 그에 따라 터치입력 발생 여부에 따른 킥백의 차이가 스위칭소자(40)의 출력신호를 크게 차이나도록 함으로써, 터치입력에 대한 검출 감도 및 검출 정확도가 매우 높고, 외부의 노이즈에 대한 영향을 거의 받지 않으며, 스위칭소자(40)의 출력신호를 별도로 AD(Analog to Digital) 변환하지 않고 디지털 방식으로 검출할 수 있다는 점이다.

터치셀, 터치패널, 터치입력 검출방법, 도전패드, 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 설치되거나 표시장치 내에 내장 설계되는 입력장치로서, 손가락이나 터치펜 등과 같은 터치수단의 터치입력이 발생할 때 해당 위치에 대응하는 입력신호를 발생시키는 입력장치이다. 터치패널은 휴대폰(mobile phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 모바일 기기에 많이 장착되고 있으며, 그밖에도 네비게이션, 넷북, 노트북, DID(Digital Information Device), 터치입력 지원 운영체제를 사용하는 테스크탑 컴퓨터, IPTV(Internet Protocol TV), 최첨단 전투기, 탱크, 장갑차 등 전 산업분야에 걸쳐 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, 외부환경에 의한 저항값의 변화로 인해 오작동이나 오인식이 빈번하고, 면저항의 균일성을 엄정하게 요구함에 따라 수율이 매우 불량하고, 대화면 적용이 어려우며 멀티 터치를 인식하는 것이 근본적으로 곤란한 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 금 속으로 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 금속전극(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 1㎂라고 하고, 터치입력이 발생했을 때 동일한 금속전극(12)에서 유출되는 전류의 크기가 2㎂라고 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 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 터치수단이 소정 거리(d)로 접근할 때 터치수단과의 사이에서 정전용량(Ct)을 형성하는 도전패드(50); 상기 도전패드(50)에 입력단자 또는 출력단자가 접속되며, 제어단자에 인가되는 제어신호에 의해 온/오프 제어되어 상기 터치수단과 도전패드(50) 사이의 Ct를 충전 또는 방전시키는 3단자형의 스위칭소자(40); 및 상기 스위칭소자(40)의 제어단자와 상기 도전패드(50) 사이에 접속되는 커패시터(C1);를 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 상기 도전패드(50)와 접지 사이에 커패시터(C2)가 더 설치된다.

일실시예로서, 상기 커패시터(C1, C2)는 10fF 내지 300fF이다.

일실시예로서, 상기 커패시터(C1, C2)는 터치수단과 도전패드(50) 사이의 정전용량(Ct)에 비해 2배 내지 수백 배 작은 값으로 선택된다.

일실시예로서, 상기 스위칭소자(40)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)는 상기 스위칭소자(40)에 내장 설치된다.

다른 실시예로서, 상기 커패시터(C1)는 상기 스위칭소자(40)의 외부에 설치된다.

또 다른 실시예로서, 상기 커패시터(C1)는 상기 스위칭소자(40)에 내장 설치되는 동시에 외부에도 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 스위칭소자(40)의 제어단자에 온/오프 제어신호를 인가하고, 상기 도전패드(50)에 충전신호를 인가하며, 터치입력 여부에 의한 킥백의 차이에 따르는 스위칭소자(40)의 출력신호 차이를 대비하여 터치입력을 인식하는 터치위치 검출부(70)가 설치된다.

일실시예로서, 상기 스위칭소자(40)의 출력신호와 기준신호를 비교하는 비교수단을 더 포함한다.

상기 실시예에서, 상기 기준신호는 터치입력 미발생시 스위칭소자(40)의 출 력신호와 터치입력 발생시 스위칭소자(40)의 출력신호의 사이값에 해당한다.

일실시예로서, 상기 터치위치 검출부(70)는 상기 터치셀(60)의 좌표값에 대응하는 주소들을 갖는 메모리수단(74)을 더 포함하며, 상기 스위칭소자(40)의 출력신호로부터 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, 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 발생하는 킥백에 따라 스위칭소자(40)의 출력단자에서 출력되는 신호를 검출하는 단계; (b) 터치입력이 발생한 경우, 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 발생하는 킥백에 따라 스위칭소자(40)의 출력단자에서 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(c)는 상기 단계(a)에서 검출된 신호와 단계(b)에서 검출된 신호의 사이값을 기준신호로 하여, 이 기준신호를 넘어서면 터치입력을 인식한다.

본 발명의 터치패널의 터치셀 구조, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법에 따르면, 터치셀을 구성하는 회로가 특화된 회로 구성을 가지며, 그에 따라 터치입력 발생시 터치수단과 도전패드 사이에서 형성된 정전용량(Ct)이 킥백을 결정하는 중요한 인자로 작용하여 터치입력 발생 여부에 따른 스위칭소자의 출력신호를 크게 차이나도록 함으로써, 터치입력에 대한 검출 감도 및 검출 정확도가 매우 높고, 외부의 노이즈에 대한 영향을 거의 받지 않으며, 스위칭소자의 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 터치패널의 터치셀 구조에 관한 것으로서, 도전패드에 대한 신체 또는 이와 유사한 도전특성을 갖는 터치수단의 접촉 또는 접근을 감지하여 터치신호를 획득하는 용량식(또는 "정전용량식"으로 표기될 수도 있음) 터치패널의 터치셀 구조와, 그를 이용한 터치패널 및 터치입력 검출방법에 관한 것이다. 본 발명에서 "터치셀 구조"라 함은, 터치패널 상에서 실제 터치입력이 가능 한 액티브영역(Active area)을 분할하여 복수개의 터치셀들을 매트릭스 형태로 배열한 셀 방식의 터치 입력장치에 있어서, 각각의 단위 터치셀이 갖는 구조를 의미한다.

본 발명에 따라 특화된 터치셀 구조는 손가락이나 이와 유사한 도전특성을 갖는 터치수단과의 사이에서 정전용량을 형성하는 도전패드와, 이 도전패드에 충전신호를 인가하고 도전패드에 터치수단이 접근하는 것을 검출하기 위한 검출수단인 스위칭소자와, 이 스위칭소자와 도전패드 사이에 접속되어 스위칭소자의 턴 온/오프 동작시 킥백(kick back)을 발생시키기 위한 커패시터로 구성된다. 이와 같은 터치셀 구조에 있어서, 터치입력 발생시 터치수단과 도전패드 사이에서 형성되는 정전용량은 스위칭소자와 도전패드 사이에서의 킥백을 결정하는 중요한 인자로 작용한다. 그리고, 터치입력 발생 여부에 따른 킥백의 차이에 의해 스위칭소자의 출력신호는 크게 차이나고, 그로부터 터치입력을 보다 용이하게 검출할 수 있다.

터치셀을 구성하는 스위칭소자는 턴 온/오프를 제어할 수 있는 제어단자를 구비한 3단자형으로 구성된다. 예컨대, 3단자형 스위칭소자는 제어단자에 인가되는 신호에 따라 입출력단자의 도통을 제어하는 소자로서, 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 문턱 전압(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 소스단자에 인가된 전압보다 문턱전압 이상되는 전압을 가하면, 도통되면서 게이트단자에 인가된 전압의 크기에 종속되는 전류가 입력단자에서 출력단자로 흐르는 소자이다.

이하의 실시예 중 일부에서는 스위칭소자로서 TFT가 사용되는 예를 설명하겠으며, 스위칭소자와 TFT에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하기로 한다. 이와 같이 TFT를 이용하여 각 터치셀에서의 신호를 스위칭하는 것은 흡사 AMLCD(Active Matrix LCD)나 AMOLED에서 화면 표시를 위해 TFT를 이용하여 화소를 구성한 방식과 흡사하다. 즉, 본 발명에서 언급되는 터치셀들은 Active Matrix 방식으로 터치입력을 검출한다. 그에 따르는 기술적 장점은 터치패널의 양산성, 신뢰성 등이 양호하다는 것과, 신호의 역류를 방지하여 터치입력을 오인식하는 것을 막고 동시에 다수의 지점이 터치되는 멀티 터치입력을 인식할 수 있다는 것이다.

본 발명의 실시예에서는 비접촉 터치입력 검출을 위하여, 인체의 손가락 또는 이와 유사한 도전 특성을 갖는 터치수단이 터치입력 검출을 위한 도전패드와 일정한 거리로 유지되어야 한다. 터치수단과 도전패드가 일정한 거리를 유지하도록 하기 위해, 도전패드의 상면에 보호 코팅막이 형성되거나, 다른 투명기판이 올려질 수 있다. 또는 도전패드를 기판의 하면에 설치하여, 기판의 두께에 의해 터치수단 과 도전패드의 거리를 유지하도록 할 수도 있다.

여기서, 터치수단에 의한 터치입력 발생시에, 터치수단은 도전패드에 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.

도 2는 본 발명에서 터치셀을 구성하는 3단자형의 스위칭소자를 개념적으로 예시한 것이다. 도 2를 참조하면, 스위칭소자(40)는 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 스위칭소자(40)의 온/오프를 제어하는 단자로서 이 단자에 소정 크기의 전압이나 전류를 인가하면, 입력단자로 인가된 전압 또는 전류는 출력단자에 전압이나 전류형태로 출력된다.

도 3은 본 발명에서 비접촉 터치입력을 검출하는 방법을 개념적으로 묘사한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 도전패드(50)에 손가락(25, 또는 이와 유사한 도전성의 터치수단)이 접근했을 때, 도전패드(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 도전패드(50) 사이에는 정전용량 "C"가 형성된다. 정전용량 "C"를 가지는 도전패드(50)에 스위칭소자(40)를 통해 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 도전패드(50)와, 이 도전패드(50)에 출력단자(또는 입력단자)가 접속되며 입력단자(또는 출력단자)로는 충전신호가 인가되고 별도의 제어신호에 의해 온/오프 제어되는 스위칭소자(40)와, 스위칭소자(40)의 제어단자와 도전패드(50) 사이에 접속되는 커패시터(C1)로 구성된다. Ct와 C1 및 후술되는 C2는 커패시터의 이름 및 크기를 동시에 표현하는 기호로서, 예컨대, "C1"은 C1이라는 이름을 가진 커패시터를 의미하는 동시에 C1이라는 크기의 커패시턴스를 의미한다.

도시한 바와 같이, 스위칭소자(40)의 입력단자(In)로는 충전신호가 인가된다. 따라서, 스위칭소자(40)의 제어단자(Cont)로 턴 온 신호가 인가되면, 스위칭소자(40)를 통해 도전패드(50)에 충전신호가 공급된다. 이때, 도 4에서와 같이 인체의 손가락(25)이 도전패드(50)에 소정 간격으로 접근하면, 손가락(25)과 도전패드(50) 사이에는 "Ct"라는 정전용량이 형성된다. 스위칭소자(40)를 통해 공급된 충전신호는 Ct에 일정시간 저장되며, 일정시간 이후 Ct에 접속된 주변 소자들에 의해 형성된 방전경로를 통해 방전된다. 방전되는 신호의 크기는 시간이 경과함에 따라 점차 작아질 것이다.

도 4의 회로도에서 Ct는 터치입력 여부에 따라 작용하는 정전용량이다. 즉, 터치입력이 발생하지 않을 때는 Ct가 회로적으로 연결되지 않으며, 터치입력이 발생할 때만 Ct가 회로적으로 연결된다. 따라서, 터치입력 미발생시 스위칭소자(40)의 온/오프에 의해 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 발생하는 킥백에 Ct는 영향을 미치지 않는다. 스위칭소자(40)의 제어단자(Cont)에 인가되는 온 전압을 "VH"라 하고, 오프 전압을 "VL"이라 할 때, 온/오프에 따른 제어단자(Cont)의 전압 차이는 VH에서 VL을 감한 값이 된다. 그리고, 스위칭소자(40)의 입력단자(In)에 소정의 충전신호를 인가한다면, 스위칭소자(40)가 온 상태에서 오프 상태로 전환되면서 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 전압 강하가 발생된다. 이때, 도 4의 회로도에서와 같이 스위칭소자(40)의 제어단자(Cont)와 출력단자(Out) 사이에는 커패시터(C1)가 접속되어 있으므로, 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 전압 강하되는 킥백 전압"KB1"은 다음과 같은 수식1로 정의할 수 있다. 여기서, 신호선의 배선이나 기생저항 등에 의한 과도응답특성은 무시하였다.

----- 수식1

한편, 터치입력이 발생한다면, 도 4의 회로도에서와 같이 손가락(25)과 도전패드(50) 사이에 정전용량 Ct가 형성될 것이다. 이와 같이 Ct가 생성될 경우 Ct에 의해 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서의 킥백이 작아지게 되며, 스위칭소자(40)를 통해 공급된 충전신호는 Ct에 소정 시간 축적될 것이다. 여기서, 터치입 력이 발생할 경우, 스위칭소자(40)의 온/오프 동작에 의해 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 전압 강하되는 킥백 전압 "KB2"는 다음과 같은 수식 2로 정의할 수 있다.

----- 수식2

여기서, C1의 크기는 자유롭게 설계할 수 있으며, Ct의 크기는 터치수단과 도전패드(50)의 간격, 대향면적 등을 조절하는 것에 의해 설계될 수 있다. 예컨대, 도전패드(50)의 면적을 크게 선택하는 것으로서 도 3의 관계식에 의거하여 Ct 역시 크게 설계된다. 반대로, 도전패드(50)의 면적을 작게 선택하는(예를 들어, 1mm² 이하로 선택하는 등으로) 것으로서 Ct는 작게 설계된다. 바람직하게는, C1은 10fF(femto F) 내지 300fF이며, Ct는 수십 fF(femto F) 내지 수십 pF(pico F)으로 설계된다. 이와 같이, C1에 비해 Ct를 크게 한다면, KB1에 비해 KB2를 매우 작게 할 수 있으며, 터치입력 여부에 따른 킥백 차이를 이용하여 터치입력을 보다 용이하게 검출할 수 있다.

그런데, 수식1을 참조하면 KB1이 스위칭소자(40)의 제어단자 전압 차이에 해당하는 큰 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 KB1을 보상하기 위해 높은 전압 레벨의 충전신호가 요구됨을 의미한다. 만약, 충전신호가 낮다면 킥백에 의해 스위칭소자(40)의 출력단자가 음전위로 강하되어 스위칭소자(40)의 입력단자에 영 전위가 인가될 때 신호가 역류할 수 있기 때문이다. 따라서, KB1을 좀 더 낮출 필요가 있으며, 도 5의 회로도는 KB1을 낮출 수 있는 해결책을 제시한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예를 보여준다. 도시된 바와 같이, 도전패드(50)와 접지 사이에는 추가의 커패시터(C2)가 더 설치된다. 추가의 커패시터(C2)에 의해 KB1을 보다 안정적으로 설계할 수 있다. 도 6에 도시된 파형도를 참조하여, 도 5의 터치셀 구조에서 발생하는 킥백을 설명하면 다음과 같다.

터치입력 미발생시에, 스위칭소자(40)의 입력단자(In)에 "V1"의 크기를 가지는 전압을 인가하고 제어단자(Cont)에 VH를 인가하여 스위칭소자(40)를 턴 온 시키면, 스위칭소자(40)의 출력단자(Out)에서 측정되는 전압이 "Out-A"의 파형에서와 같이 "V2"이다. 여기서, 신호선의 배선이나 기생저항 등에 의한 과도응답특성은 무시하였다. 소정 시간 후에 스위칭소자(40)의 제어단자(Cont)에"VL"을 인가하여 스위칭소자(40)를 턴 오프 시키면, 스위칭소자(40)의 출력단자(Out)에서 측정되는 전압은 전압강하 된다. 이때, 도 5의 회로도에서와 같이, 스위칭소자(40)의 제어단자(Cont)와 출력단자(Out) 사이에는 C1이 접속되어 있고, 도전패드(50)와 접지 사이에는 C2가 접속되어 있으므로, Out-A의 파형에서 터치입력 미발생시의 킥백 전압 "KB1"은 다음과 같은 수식3으로 정의할 수 있다.

----- 수식3

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

한편, 도 6에서 "Out-B"로 표시된 파형은 도전패드(50)에 대해 터치입력이 발생한 경우, 스위칭소자(40)의 출력단자(Out)에서 측정되는 전압의 파형이다. 다른 조건들은 위에서와 동일하나, 이 경우에는 손가락(25)과 도전패드(50) 사이에서 정전용량 Ct가 형성된 상태이므로, Out-B의 파형에서 터치입력 발생시의 킥백 전압 "KB2"는 다음과 같은 수식4로 정의할 수 있다.

----- 수식4

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

이처럼, 도 5에서와 같이 도전패드(50)와 접지 사이에 커패시터(C2)가 더 부가되면, 킥백 전압을 구하는 수식에서 분모항의 크기가 커지므로 충전신호의 킥백전압을 보다 용이하게 설계할 수 있고, 낮은 충전 전압으로도 Ct를 충전시킬 수 있다. 또한, KB1과 KB2의 차이를 크게 벌려 터치입력을 용이하게 검출할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 터치패널 및 시스템 구성을 예시한 구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 터치패널은 도 4 및 5와 같은 구조를 갖는 터치셀(60) 복수개가 매트릭스 형태로 배열된(마치 AMLCD나 AMOLED에서 단위화소들이 매트릭스 형태로 배열된 것과 같이) 구조를 갖는다. 본 발명의 터치패널에는 복수의 신호선들이 배선된다. 이 신호선들은 스위칭소자(40)의 제어단자에 온/오프 제어신호를 인가하고, 스위칭소자(40)의 입력단자에 충전신호를 인가하는 동시에 위치검출신호를 수신하기 위한 신호선들이다. 도 7의 실시예는 스위칭소자(40)로서 TFT가 적용된 예를 보인 것으로서, TFT(40)는 스위칭소자와 동일한 도면부호를 사용한다.

도 7을 참조하면, 터치셀(60)의 어레이는 3*3의 해상도로 배치된다. 본 발명에 따른 터치패널은 검출 감도 및 정확도가 높으므로, 터치셀(60)의 셀 간격을 매우 작게 설계할 수 있으므로, 실제 터치패널은 도 7의 예시보다 높은 해상도로 배치될 것이다. 그러나, 본 발명의 이해를 돕기 위해 3*3의 해상도로 터치셀(60)이 배치된 예를 도시하였으며, 이하의 설명에서도 터치셀(60)이 3*3의 해상도로 배치된 것을 예로 들어 설명한다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 터치패널은 단일의 기판(30) 상에서 실제 터치가 이루어지는 액티브영역을 복수개로 분할한 영역별로 터치셀(60)이 형성되고, 각각의 터치셀(60)에 신호들을 인가하고 터치셀(60)들로부터 신호들을 수신하기 위해 기판(30) 상에 복수의 제1신호선(32) 및 제2신호선(34)이 배치된다. 제1신호선(32)은 TFT(40)에 게이트신호를 인가하기 위한 신호선이며, 제2신호선(34)은 TFT(40)에 충전신호를 인가하고, 도전패드(50)의 방전에 의해 TFT(40)로부터 출력되는 신호를 수신하기 위한 신호선이다. 도시된 실시예에서는 제1신호선(32)이 세로방향으로 배선되고, 제2신호선(34)이 가로방향으로 배선된 것을 예시하였으나, 이는 단지 일실시예이며, 각 신호선은 방향을 달리하여 배선되거나, 수평 또는 수직이 아닌 사선방향으로 배선되거나, 지그재그 형태로 배선될 수도 있다.

각각의 단위 터치셀(60)은 도전패드(50)와 TFT(40)로 구성된다. 도전패드(50)는 ITO(Indium Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), ATO(Antimony Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 이와 유사한 도전특성을 갖는 투명도전체로 형성된다. 도전패드(50)는 신체의 손가락(25)과 대향하여 정전용량을 형성하는 것으로서, 도전패드(50)의 면적은 터치입력시 발생하는 정전용량을 결정하는 중요한 인자로 작용한다. 예컨대, 터치셀(60) 내에서 도전패드(50)의 면적을 크게 가져갈수록 터치입력시 발생하는 정전용량은 커질 것이다.

도 7의 시스템 구성을 참조하면, 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 전달된다. CPU(75)는 표시장치(20)의 CPU 혹은 컴퓨터장치의 메인 CPU이거나, 터치 입력장치 자체의 CPU일 수 있다. 도시하지 않았지만, 시스템 구성에는 터치입력 검출을 위한 신호들의 하이나 로우전압을 생성하기 위한 전원부가 더 포함된다.

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 제2신호선(34)으로 TFT(40)의 온/오프 제어신호를 인가하며, 제1신호선(32)으로 충전신호를 인가하는 동시에 제1신호선(32)으로부터 위치검출신호를 수신한다. 이와 같이 하나의 신호선을 이용하여 신호를 송수신하는 방식 에 대하여는 후술되는 파형도를 참조한 설명에서 자세하게 언급하기로 한다.

타이밍 제어부(72)는 수십 ms 이하의 시분할 신호를 발생시키며, 신호처리부(73)는 타이밍 제어부(72)에서 제공되는 클록에 따라 스캔펄스를 드라이브IC(71)측으로 제공한다. 이에 따라 드라이브IC(71)는 제2신호선(34) 각각에 순차적으로 스캔펄스를 인가하여 터치셀(60)들의 TFT(40)를 순차적으로 턴 온 제어한다.

메모리수단(74)은 획득된 좌표값을 일시 저장하는 수단이다. 도시된 실시예는 터치셀(60)이 3*3의 해상도인 경우를 예시하였으나, 실제로는 더욱 높은 해상도를 갖기 때문에, 많은 신호들을 처리하는 과정에서 신호가 손실될 수 있다. 예를 들어, 신호처리부(73)가 "Busy" 상태일 경우, 위치검출신호를 인식하지 못하여 신호를 놓칠 수 있다. 메모리수단(74)은 이와 같은 신호의 손실을 방지한다.

도 8은 메모리수단의 일실시예를 개념적으로 보인 블록도이다. 도 8을 참조하면, 메모리수단(74)은 터치셀(60)의 좌표값에 대응하는 절대주소를 갖는다. 이를 위하여, 메모리수단(74)은 터치셀(60)의 개수 이상의 비트를 갖는다. 만약, 도 7의 실시예에서 가장 우하단의 터치셀(60)에서 터치입력이 발생하였다면, 신호처리부(73)는 도 5에서 점선으로 보인 바와 같이 메모리수단(74)의 "m9" 주소에 획득된 좌표값을 저장한다. 그리고, 전체 신호들을 1회 스캐닝한 후에 메모리수단(74)을 읽어 누락된 신호가 있는지를 판단한다. 만약, m9의 좌표값에 대응하는 신호가 누락되었고, 메모리수단(74)의 m9에는 저장된 상태라면, 해당 신호를 정상 입력신호로 생성하고 다음 스캐닝 이전에 메모리수단(74)을 소거한다.

도 9는 도 7의 실시예에 따른 터치셀의 평면도이고, 도 10은 도 9에서 I-II 선을 따라 절개한 단면을 보인 단면도이다. 도 9에 도시한 바와 같이, 단위 터치셀(60)에서 도전패드(50)가 상당한 면적을 차지한 것을 볼 수 있다. 물론, 이 크기는 변경될 수 있다. 도전패드(50)의 면적은 정전용량 Ct를 결정하는 중요한 인자이므로, 터치입력 발생을 검출하기에 적합한 면적으로 설계되는 것이 바람직하다.

도 9를 참조하면, 도 7의 회로도와 동일하게 도전패드(50) 및 신호선들에 TFT(40)가 접속되어 있는 것을 알 수 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)과 제2신호선(34) 및 후술하는 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. 도시하지는 않았으나, 신호선들이 투명도전체로 구성되는 경우에, 신호선의 교차 지점에서 신호선들간 절연을 위하여, 또한, 신호선의 저항을 감소시키기 위하여 부분적으로 금속계열의 신호선이 사용될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 신호선은 절연막으로 보호될 수 있다. 신호선들을 투명도전체로 구성하면, 신호선의 시인을 방지할 뿐만 아니라, 표시장치의 화면 표시를 위한 신호선(예컨대, LCD의 게이트라인 및 소스라인 등과 같은) 혹은 화소들 사이에 형성되어 신호선을 은폐하는 BM(Black Matrix)과의 광간섭에 의한 모아레 현상을 방지할 수도 있다. 이종의 레이어에 형성된 신호선들은 콘택홀(59, contact hole)에 의해 다른 구성품들과 접속된다.

도 10의 단면도를 참조하면, TFT(40)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 도전패드(50)가 위치한다.

도시한 바와 같이, 도전패드(50)를 TFT(40)의 소스전극(58)과 접속하기 위하여 콘택홀(59)이 사용된다. 콘택홀(59)은 다각형 또는 원 모양 등 다양한 모양으로 만들어 질 수 있다.

도 10을 참조하면, 기판(30)의 상면에 도전패드(50) 및 TFT(40)와 같은 터치 구성품들이 실장된 것을 볼 수 있다. 이와 같이, 도전패드(50)가 기판(30)의 상면에 설치된 경우, 도전패드(50)를 보호하기 위한 목적 및 손가락(25)과 도전패드(50)간 이격 거리를 안정적으로 유지시키기 위한 목적으로 투명절연막(49)이 이용될 수 있다. 투명절연막(49)은 도시한 바와 같이, 상면이 평탄하게 설계되며, 투명한 절연물질로 구성된다. 만약, 도전패드(50)를 포함한 터치 구성품들이 기판(30)의 하면에 위치한다면, 투명절연막(49)은 제거될 수도 있다.

도시하지 않았지만, TFT(40)의 위에는 광(Light)을 차단하기 위한 광차단층이 형성될 수 있다. 광차단층은 TFT(40)의 드레인전극(57)과 소스전극(58)의 제조에 사용된 재질이나 게이트전극(56)의 제조에 사용된 재질이 사용될 수 있으며 불투과성 무기물질이 사용될 수 있다. 광차단창은 TFT(40)가 광(Light)에 반응하여 오작동하는 것을 방지한다.

도 11은 TFT의 단면 구조를 보인 것으로서, TFT에 커패시터가 내장되는 예를 보여준다. 도 11을 참조하면, 게이트전극(56)과 다른 전극들 사이에 게이트 절연막(43)이 존재함에 따라, 게이트전극(56)과 다른 전극들 사이에는 커패시터(Cgd, Cgs)가 형성된다. 도시된 바와 같이 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 TFT의 제조과정에서 커패시터가 내장됨으로써, 도 7의 실시예에서 각 터치셀은 도 12와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 터치셀 구조에서 스위칭소자(40)로서 TFT를 선택하면, TFT(40)의 게이트단자와 소스단자 사이에 별도의 커패시터를 부가하지 않아도 도 4와 같은 회로 구성이 구성되며, TFT(40)의 게이트단자와 소스단자 사이에 내장되는 Cgs에 의해 전술한 킥백 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 터치셀 구조는 스위칭소자(40)의 외부에 커패시터(C1)을 설치하거나, 스위칭소자(40)에 C1이 내장되도록 구성할 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, TFT를 이용하여 스위칭소자(40)에 커패시터를 내장시키는 동시에 외부단자에도 추가로 커패시터를 접속할 수도 있다.

도 13은 본 발명에 따른 터치패널의 다른 실시예를 보인 구성도이다. 이를 참조하면, 각 터치셀(60)에는 스위칭소자(40)로서 TFT(40)가 설치되며, 도 7의 실시예에 부가하여 도전패드(50)와 접지 사이에 추가의 커패시터(C2)가 더 설치된다. 앞서 살펴본 바와 같이, TFT(40)에는 C1이 내장되어 있으며, 여기에 부가로 C2가 더 설치되므로, 도 13에서 각 단위 터치셀(60)은 도 5와 동일한 회로 구성을 갖는다. 따라서, 도 13의 실시예는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 킥백 전압을 보다 안정적으로 제어할 수 있다. 또한, 이와 같이 부가의 커패시터(C2)를 설치하면, 터치가 발생한 터치셀(60)에서의 충전시간 및 방전시간을 길게 할 수 있으므로, 터치를 보다 안정적으로 검출할 수 있다.

도 13을 참조하면, 도 5와 다른 점이 C2의 일단이 보조신호선(37)에 접속된 다는 점이다. 보조신호선(37)은 C2의 일단을 안정적으로 영 전위를 만들어주기 위한 신호선으로서, 일예로 보조신호선(37)에 인가되는 신호(AUX1-AUX3)는 그라운드 전위(Zero V)를 갖는다. 즉, C2의 일단이 보조신호선(37)에 접속되는 것은 C2의 일단이 접지되는 것과 실질적으로 동일한 개념이다.

도 14는 본 발명에서 터치입력을 검출하는 예를 보인 파형도이다. 이를 참조하여, 본 발명에 따른 터치입력 검출방법을 설명하면 다음과 같다.

도 7 혹은 도 13의 실시예에서, 드라이브IC(71)에 의해 제2신호선(34)에 인가되는 로우(Low) 전압은 TFT(40)를 턴 오프 시키기에 충분한 전압이며, 일 실시예로 -5 내지 -10V가 사용된다. 하이(High) 전압은 TFT(40)을 턴 온 시키기에 충분한 전압이며, 일실시예로 10 내지 18V가 사용된다.

도 14의 파형도를 참조하면, 드라이브IC(71)는 "T"의 주기로 각각의 제2신호선(34)에 스캔신호를 인가한다. 바람직하게는 도시한 바와 같이 각각의 스캔신호 사이에는 휴지구간이 존재한다. 한 주기의 스캔신호는 입력위치검출신호(D1~D3)를 입력하기 위한 위치검출신호 입력구간(Ti)과, 출력위치검출신호(S1~S3)를 검출하기 위한 위치검출신호 검출구간(Td)를 갖는다. 그리고 위치검출신호 입력구간(Ti)과 위치검출신호 검출구간(Td) 사에에는 리셋신호구간(Tr)이 포함된다. 도 14에서 SW3의 파형에서와 같이, 리셋신호구간(Tr)은 포함되지 않을 수도 있다. 다만, 이러한 경우에 있어 위치검출신호 입력구간(Ti)과 위치검출신호 검출구간(Td) 각각에는 입력위치검출신호(D1~D3)와 출력위치검출신호(S1~S3)가 동기되는 것이 바람직하다.

도시한 바와 같이, 위치검출신호 입력구간(Ti)에 제2신호선(34)에 하이 전압 이 인가되며, 해당 제2신호선(34)에 접속된 TFT(40)들은 온 상태로 된다. 그리고 위치검출신호 입력구간(Ti)의 게이트신호(SW1~SW3)와 동기된 입력위치검출신호(D1~D3)가 제1신호선(32)을 통해 인가된다. 예를 들어, 입력위치검출신호(D1~D3)는 8V이다. 입력위치검출신호(D1~D3) 인가 후의 리셋구간에는, 제2신호선(34)에 로우 전압이 인가되어 TFT는 오프상태로 전환된다. 그리고, 제1신호선(32)을 통해서도 리셋신호가 인가된다. 제1신호선(32)을 통해 인가되는 리셋신호는 출력위치검출신호(S1-S3)를 검출하기 전에 제1신호선(32)의 전위를 특정 전위로 만들어주는 신호이며, 본 실시예에서는 0(zero) V의 전압이 인가되어 제1신호선(32)을 영 전위로 만들어준다.

도시한 바와 같이, 위치검출신호 검출구간(Td)에 위에서와 마찬가지로 제2신호선(34)에 다시 하이 전압이 인가된다. 그리고, 터치위치 검출부(70)는 위치검출신호 검출구간(Td)의 게이트신호(SW1~SW3)와 동기된 출력위치검출신호(S1-S3)를 제1신호선(32)으로 부터 수신한다. 만약, 위치검출신호 검출구간(Td)동안, 어떤 출력위치검출신호(S1~S3)도 수신되지 않았다면, S1~S3의 상태는 로우상태이며, 터치가 발생하지 않았음을 의미한다.

여기서, 터치입력이 발생하지 않은 상태에서, 위치검출신호 입력구간(Ti)에 인가된 충전신호는 앞서 설명한 바와 같이 KB1에 의해 큰 차로 전압 강하된다. 이러한 미세한 신호는 도 13의 실시예에서 C2에 충전되었다가 위치검출신호 검출구간(Td)에서 방전될 수 있다. 하지만, 충전신호가 KB1에 의해 큰 차로 떨어진 상태이므로, 터치입력 미발생시 C2에 충전되었다가 방전된 신호는 제1신호선(32)으로 입수되지 않거나, 매우 작은 레벨의 신호이므로 무시할 수 있는 수준이 될 것이다.

만약, 도 7 혹은 도 13의 터치패널에서 중앙의 터치셀(60)에 손가락(25) 또는 도전체 등의 터치수단이 접근한 상태에서 입력위치검출신호 D2가 인가되면, 터치수단과 도전패드(50) 사이에는 정전용량 Ct가 형성되고 앞서 설명한 바와 같이 KB2에 의해 8V의 충전 전압이 5V로 강하되어 Ct에 축적된다. 이어서 TFT(40)는 리셋신호구간(Tr) 동안 오프상태를 유지하므로 도전패드(50)에 형성된 전압은 리셋동안 5V의 크기를 유지한다, 리셋신호구간(Tr)에서 제1신호선(32)의 전위는, 제1신호선(32)에 인가된 로우의 리셋신호에 의해 0V의 크기가 된다. 이어서 위치검출신호 검출구간(Td)에서 TFT(40)가 턴 온 되면, 도전패드(50)에 형성된 5V의 전압이 제1신호선(32)을 통해 방전되면서, 제1신호선(32)으로부터 출력위치검출신호 S2가 입수된다. 이에 따라, 터치위치 검출부(70)는 "SW2, S2"에 대응하는 터치신호를 획득한다. 즉, SW2 게이트신호가 발생될 때, S2 신호가 입수된다면, 이는 "SW2, S2" 좌표에서 터치가 이루어졌음을 의미한다.

도 14의 파형도에서 신호들의 과도응답 특성과 고유한 충방전 파형은 무시하였다. 그리고 본 실시예에서는 터치가 발생하였을 경우의 출력위치검출신호(S1-S3)의 상태를 하이로 표시하였으나, 이는 검출회로의 구성에 따라 로우로 변경될 수 있다. 다른 신호들 역시 검출회로의 구성에 따라 하이와 로우가 바뀔 수 있다.

또한, 전술한 실시예에서는 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.

한편, 터치패널의 상태에 따라, 스캐닝 된 게이트신호의 위치검출신호 입력구간(Ti), 리셋신호구간(Tr), 위치검출신호 검출구간(Td), 휴지구간 및 스캔신호에 비해 입력위치검출신호(D1~D3)를 지연시켜 인가하는 타이밍(도시하지 않음) 등은 가변적이므로, 이를 결정하는 수단이 필요하다.

도 15는 신호구간 및 신호 사이의 지연시간을 결정하는 수단의 일 실시예를 보인 구성도로서 레지스터(Register)가 사용된 경우이다. 도 15를 참조하면, R10은 레지스터의 어드레스로서, 레지스터 어드레스의 10번지에 위치함을 나타낸다. Input0~Input3은 위치검출신호 입력구간(Ti)의 폭을 결정하는 비트(Bit)이며, RST0~RST3은 리셋신호구간(Tr)의 폭을 결정하는 비트이다. 도 15의 실시예에서, Input0~Input3의 상태는 "1100", 즉 "HHLL"이므로, 도 15의 아래 테이블에서 이에 해당하는 입력위치검출신호(D1-D3)의 인가 타이밍은 130us가 될 것이다. 도 15에서는 비록 위치검출신호 입력구간(Ti)에 대한 예를 보였으나, 이와 같이 레지스터를 사용하여 신호구간을 결정하는 방법은 리셋신호구간(Tr), 위치검출신호 검출구간(Td), 휴지구간, 게이트신호와 입력위치검출신호(D1~D3)의 지연시간 등을 결정하는 용도로 사용될 수도 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 신호구간 및 신호 사이의 지연시간은 터치위치 검출부(70)에 인가되는 전압의 크기나 전류의 크기로 결정될 수도 있다.

한편, 본 발명의 터치 입력장치는 하나의 제1신호선(32)으로 위치검출신호를 송수신하므로, 신호선의 배선을 줄이는 장점을 갖지만, 터치위치 검출부(70)에는 입력위치검출신호(D1~D3)와 출력위치검출신호(S1~S3)를 구분하여 처리하는 수단이 필요하다.

도 16은 본 발명에서 터치위치 검출부가 신호절환부를 이용하여 하나의 데이터신호선으로 위치검출신호를 송수신하는 예를 개념적으로 보여준다. 도시한 바와 같이, 드라이브IC(71)는 입력신호처리부(71a), 출력신호처리부(71b), 신호절환부(71c)를 포함한다. 그리고 제1신호선(32)의 말단에는 제1신호선(32)의 연결을 입력신호처리부(71a) 또는 출력신호처리부(71b)로 선택적으로 절환하는 절환스위치(71d)가 설치된다. 드라이브IC(71)는 신호절환부(71c)를 제어하여, 게이트신호의 위치검출신호 입력구간(Ti)에는 제1신호선(32)과 입력신호처리부(71a)가 연결되도록 하며, 게이트신호의 위치검출신호 검출구간(Td)에는 제1신호선(32)과 출력신호처리부(71b)가 연결되도록 한다. 이와 같은 입력신호처리부(71a), 출력신호처리부(71b), 신호절환부(71c) 등의 구성은 물리적 회로 구성을 가질 수도 있지만 소프트웨어적으로 구성될 수도 있다.

본 발명에 따른 터치입력 검출방법은 도 14의 파형도에서와 같은 파형의 관측으로 가능하며, 특히 터치입력 여부를 디지털 방식으로 검출할 수 있다는 기술적 특징을 갖는다. 터치입력을 검출하는 과정은 (a) 터치입력이 발생하지 않은 경우, 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 발생하는 킥백에 따라 스위칭소자(40)의 출력단자에서 출력되는 신호를 검출하는 단계와, (b) 터치입력이 발생한 경우, 스 위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 발생하는 킥백에 따라 스위칭소자(40)의 출력단자에서 출력되는 신호를 검출하는 단계와, (c) 상기 단계(a)에서 검출된 신호와 단계(b)에서 검출된 신호를 대비하여 단계(b)에서 검출된 신호로부터 터치입력을 인식하는 단계를 반복하는 것으로 이루어질 수 있다.

이와 같은 터치입력 검출이 가능한 것은 본 발명에 따라 특화된 터치셀 구조에 기인한다. 앞서 설명한 바와 같이, 터치입력 발생 유무에 따른 킥백의 차이가 발생하고, 이러한 차이는 도전패드(50)에서의 전위를 결정한다. 그리고, 터치입력 유무에 따라 제1신호선(32)으로 입수되는 신호는 큰 차이를 갖는다. 여기서, 본 발명이 디지털 방식으로 터치입력을 검출한다는 것은 신호의 높낮이만으로 터치의 유무를 판단할 수 있다는 의미이다.

도 17은 본 발명에서 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 예를 개략적으로 묘사한 도면이고, 도 18은 도 17의 비교기의 동작원리를 예시한 파형도이다. 제1신호선(32)으로 입수되는 신호 Sn은 도 17에서와 같이 비교기로 입력되어 기준신호와 비교된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 터치입력 발생 유무에 따라 제1신호선(32)으로 입수되는 신호의 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 18에서와 같이, 터치입력이 발생하여 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.

상술한 실시예에서 언급된 터치셀 구조는 본 발명의 몇가지 실시예를 언급한 것일 뿐이며, 각 터치셀은 상술한 실시예들을 기본적인 구조로 하여 추가의 스위칭소자, 커패시터 또는 다른 전기소자(예컨대, 저항 등과 같은)가 더 부가될 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 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 터치셀 구조를 보인 회로도

도 6은 도 5의 터치셀 구조에 따른 신호의 파형도

도 7은 본 발명에 따른 터치패널 및 시스템 구성을 예시한 구성도

도 8은 메모리수단의 일예를 보인 블록도

도 9는 도 7의 실시예에 따른 터치셀의 평면도

도 10은 도 7의 실시예에 따른 터치셀의 단면도

도 11은 TFT에 커패시터를 내장시키는 구성을 예시한 단면도

도 12는 도 7의 실시예에 따른 터치셀의 구성을 보인 회로도

도 13은 본 발명에 따른 터치패널의 다른 실시예를 보인 구성도

도 14는 터치입력을 검출하는 예를 보인 파형도

도 15는 신호구간 및 신호사이의 지연시간을 결정하는 예를 보인 구성도

도 16은 신호절환부의 구성예를 개념적으로 묘사한 구성도

도 17은 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 예를 보인 도면

도 18은 비교기 검출시 파형을 예시한 파형도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

25 : 손가락 30 : 기판

32 : 제1신호선 34 : 제2신호선

37 : 보조신호선 40: 스위칭소자

43 : 게이트 절연막 45 : 보호막

46 : 활성층 47 : 오믹 접촉층

49 : 투명절연막 50 : 도전패드

56 : 게이트전극 57 : 드레인전극

58 : 소스전극 59 : 콘택홀

60 : 터치셀 70 : 터치위치 검출부

71 : 드라이브IC 71a : 입력신호처리부

71b : 출력신호처리부 71c : 신호절환부

71d : 절환스위치 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 터치수단이 소정 거리(d)로 접근할 때 터치수단과의 사이에서 정전용량(Ct)을 형성하는 도전패드(50);

상기 도전패드(50)에 입력단자 또는 출력단자가 접속되며, 제어단자에 인가되는 제어신호에 의해 온/오프 제어되어 상기 터치수단과 도전패드(50) 사이의 Ct를 충전 또는 방전시키는 3단자형의 스위칭소자(40); 및

상기 스위칭소자(40)의 제어단자와 상기 도전패드(50) 사이에 접속되는 커패시터(C1);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 도전패드(50)와 접지 사이에 커패시터(C2)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 2항에 있어서,

상기 커패시터(C1, C2)는 10fF 내지 300fF인 것을 특징으로 하는 터치셀 구 조.
제 2항에 있어서,

상기 커패시터(C1, C2)는 터치수단과 도전패드(50) 사이의 정전용량(Ct)에 비해 2배 내지 수백 배 작은 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 스위칭소자(40)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)는 상기 스위칭소자(40)에 내장 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 커패시터(C1)는 상기 스위칭소자(40)의 외부에 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항에 있어서,

상기 커패시터(C1)는 상기 스위칭소자(40)에 내장 설치되는 동시에 외부에도 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
제 1항 내지 제 8항 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 스위칭소자(40)의 제어단자에 온/오프 제어신호를 인가하고, 상기 도전패드(50)에 충전신호를 인가하며, 터치입력 여부에 의한 킥백의 차이에 따르는 스위칭소자(40)의 출력신호 차이를 대비하여 터치입력을 인식하는 터치위치 검출부(70)가 설치된 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 9항에 있어서,

상기 스위칭소자(40)의 출력신호와 기준신호를 비교하는 비교수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 10항에 있어서,

상기 기준신호는 터치입력 미발생시 스위칭소자(40)의 출력신호와 터치입력 발생시 스위칭소자(40)의 출력신호의 사이값에 해당하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 9항에 있어서,

상기 터치위치 검출부(70)는 상기 터치셀(60)의 좌표값에 대응하는 주소들을 갖는 메모리수단(74)을 더 포함하며, 상기 스위칭소자(40)의 출력신호로부터 터치입력을 검출하면 대응 터치셀(60)의 좌표값을 상기 메모리수단(74)의 대응 주소에 저장하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 터치셀 구조를 이용하여 터치입력을 검 출하는 터치입력 검출방법에 있어서,

(a) 터치입력이 발생하지 않은 경우, 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 발생하는 킥백에 따라 스위칭소자(40)의 출력단자에서 출력되는 신호를 검출하는 단계;

(b) 터치입력이 발생한 경우, 스위칭소자(40)와 도전패드(50) 사이에서 발생하는 킥백에 따라 스위칭소자(40)의 출력단자에서 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 13항에 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.