KR101105279B1

KR101105279B1 - 터치 센서 ｉｃ

Info

Publication number: KR101105279B1
Application number: KR1020100006444A
Authority: KR
Inventors: 홍순양; 유창범; 이광희
Original assignee: (주)토마토엘에스아이
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2012-01-17
Also published as: KR20110087014A

Abstract

본 발명은 정전용량방식(capacitive type)의 터치 센서 모듈에 관한 것으로, 좌표에 따른 패턴 캐패시터를 갖는 터치패널부; 및 상기 터치패널부의 패턴 캐패시터와 병렬적으로 연결되어 상기 패턴 캐패시터의 캐패시턴스 변화를 감지하여 접촉 판단의 디지털 신호를 출력하는 컨트롤IC부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC를 제공한다. 본 발명에 의한 터치 센서 IC는 구조가 간단하고, 패널의 오차보정이 용이한 터치 센서 IC를 제공한다.

Description

터치 센서 ＩＣ{TOUCH SENSOR INTEGRATED CIRCUIT}

본 발명은 터치 센서 IC에 관한 것으로, 특히 정전용량방식(capacitive type) 터치스크린 패널을 디지털 기기에 적용시킴에 있어서 사용자의 접촉 여부 또는 접촉위치를 감지하여 디지털 기기를 제어하기 위한 디지털 신호를 출력하는 터치 센서 IC에 관한 것이다.

오늘날의 현대인들은 휴대용 전자 장치를 포함한 다양한 전기전자 장치를 사용하고 광범위한 범위에서 이용하고 있다. 예를 들어, 휴대폰, PDA, DMB폰과 같은 이동 통신 단말기에서부터 MP3, 게임장비 등 멀티미디어 장비에 이르기까지 다양하다. 특히 휴대용 전자 장치는 데이터 전용 네트워크로부터,GSM, CDMA, UMTS CDMA2000 등의 네트워크와 같은 복합 음성 및 데이터 네트워크와 결합하여 장비의 휴대성이 더욱 강조되고 있다. 터치 스크린 입력/출력 장치는 이와같은 휴대용 장치들에서 특히 유용한데, 휴대용 장치들은 사용자 입력 및 출력 장치를 위한 공간에서 큰 제약을 받기 때문이다.

터치 스크린은 키패드나 마우스 등의 입력장치를 사용하지 않고 화면에 손가락이나 펜을 접촉하여 입력하는 방식을 말한다. 터치 센서 모듈은 접촉에 의한 전기적 변화를 감지하는 터치 스크린 패널과 상기 터치 패널로부터 감지된 신호를 디지털 데이터로 변환하여 컴퓨터 및 휴대폰 등의 기기에 전송하는 컨트롤러 IC로 구성된다.

터치 인식방법의 종류에는 대표적으로 저항막 방식, 정전용량 방식, 적외선 방식, 초음파 방식이 있으며, 각각의 기술마다 장단점이 존재하나 최근 멀티 터치 구현이 가능한 정전용량방식(capacitive type)의 터치 스크린 비중이 늘어나고 있는 추세이다.

정전용량방식의 터치스크린도 그 종류가 다양하며, 터치 검출 방식도 제각각이다. 본 발명은 프로젝트 캐패시턴스 터치 스크린 (projected capacitance touch screen)이라 명명되는 터치 스크린에 적용되며, 현재 사용되고 있는 대부분의 터치 스크린이기도 하다. 캐패시턴스 터치 스크린은 캐패시턴스 센싱 회로에 연결된 각각의 독립적인 전극층의 변화를 모니터링하는 셀프 캐패시턴스 (self capacitance) 방식과 전류를 전달하는 드라이빙 라인과 각 교차점에서 전류를 감지하는 센싱라인으로 구성되는 sensor grid를 이용하여 전하량의 변화와 위치를 감지하는 mutual capacitance 방식으로 구분된다.

기존의 정전용량방식 터치 센서 IC는 터치 유무를 판단하는 검출 회로가 복잡하며 특히, 접촉에 의해 발생되는 RC 시간 지연을 응용한 검출회로는 동작 속도의 한계를 극복하기 어렵다. 또한 터치 스크린 제조 공정상 발생되는 ITO 패터 캐패시턴스 (pattern capacitance) 및 저항 (resistance) 의 오차는 센서 IC의 오동작을 초래하고 터치 스크린 패널 수율 저하의 원인이 된다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 터치 센서 IC를 제공한다. 본 발명에 따른 터치 센서 IC는 좌표에 따른 패턴 캐패시터를 갖는 터치패널부 및 상기 터치패널부의 패턴 캐패시터와 병렬적으로 연결되어 상기 패턴 캐패시터의 캐패시턴스 변화를 감지하여 접촉 판단의 디지털 신호를 출력하는 컨트롤IC부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 컨트롤IC부는 상기 터치패널부의 좌표에 따른 패턴 캐패시터를 선택적 연결시키는 MUX, 상기 MUX를 통해 선택된 패턴 캐패시터와 병렬로 연결되는 캐패시터를 구비한 RC오실레이터부, 상기 RC오실레이터부에서 출력하는 주파수를 카운트하는 카운터부, 상기 카운터부에서 카운트된 클럭 수와 기준 주파수 조건에서의 클럭 수를 비교하여 접촉 유무를 판단하고 해당하는 디지털 신호를 출력하는 비교기부를 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 MUX와 RC오실레이터부 사이에 구성되어 상기 터치패널부에서 유입되는 노이즈를 제거하는 로우패스필터부가 더 구비될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 RC오실레이터부는 제 1 노드와 제 2 노드사이에 구성되어 반전동작을 수행하는 제 1 인버터, 제 2 노드와 제 3 노드 사이에 구성되어 반전동작을 수행하는 제 2 인버터, 상기 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 구성되는 저항부, 상기 제 1 노드와 제3노드 사이에 구성되어 상기 패턴 캐패시터와 병렬로 연결되는 캐패시터 가변부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 캐패시터 가변부는 캐패시턴스의 크기가 8:4:2:1의 비율을 갖는 캐패시터 소자가 병렬로 연결되고, 상기 캐패시터 소자와 직렬로 연결되는 제어스위치를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 제어스위치는 CMOS-FET(Complementary metal oxide semiconductor FET)으로 구현되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 의한 터치 센서 모듈의 터치 패널부에는 ITO(Indium-Tin Oxide)로 패턴 캐패시터를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 간단한 구조로 터치 센서 모듈을 제작할 수 있으므로 비용절감 및 저전력 구현이 가능하며, IC 내부 캐패시터 가변부에 의해 터치 패널 공정상 발생하는 패턴 캐패시턴스의 오차를 손쉽게 보상하여 패널 수율 향상과 컨트롤 IC의 범용성을 보장할 수 있다. 또한 간단히 주파수 조정만으로도 센싱의 감도 조절이 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 IC의 동작 개념을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 RC오실레이터부(230)의 동작 원리를 설명하기 위한 등가회로도이다.
도 3은 도 2의 각 노드에서 시간(t)에 따른 전압(V)변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 RC오실레이터부(230)와 패턴 캐패시터(111) 연결 구성을 보여주는 등가회로도이다.
도 5는 도 4의 캐패시터 가변부(237)의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6는 비교기부(250) 동작원리를 설명하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

(실시예1)

도 1은 본 실시예에 따른 터치 센서 IC의 동작 개념을 나타내는 블럭도이다.

본 실시예의 터치 센서 IC는 좌표에 따른 패턴 캐패시터(111) (도 4참조) 를 갖는 터치패널부(100) 및 상기 터치패널부(100)의 패턴 캐패시터(111)와 병렬적으로 연결되어 상기 패턴 캐패시터(111)의 캐패시턴스 변화를 감지하여 접촉 판단의 디지털 신호를 출력하는 컨트롤IC부(200)로 구성된다.

도 1에서 도시된 것과 같이 터치 센서 IC는 크게 터치패널부(100)와 컨트롤IC부(200)로 구성되며, 컨트롤IC부(200)에서 출력되는 디지털 신호는 휴대폰, 멀티미디어 등의 각종기기를 제어하는 MCU(Micro controller unit)(300)에서 입력되어 각종 기기를 작동시킨다.

상기 터치패널부(100)는 사용자의 터치에 의한 아날로그 정보를 받아들이는 부분으로 좌표에 따른 패턴 캐패시터(111)를 갖는다. 터치패널부(100)는 전기 전도성과 투광성이 좋아야 하므로 투명기판상에 ITO(Indium Tin Oxide)를 패터닝하여 투명전극층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 패터닝은 x,y축을 기준으로 매트릭스 형태의 ITO 패턴 전극을 형성할 수 있으며, 이러한 ITO 패턴 전극은 등가적으로 각 좌표에 해당하는 패턴 캐패시터(111)로 표현할 수 있다. 이와 같이 형성된 패턴 캐패시터(111)는 패널에 대한 터치행위를 아날로그적으로 감지하는 센싱 채널로 기능한다.

상기 컨트롤IC부(200)의 RC 오실레이터부(230) 내부 캐패시터가변부(237)는 상기 터치패널부(100)의 패턴 캐패시터(111)와 병렬적으로 연결되어 상기 패턴 캐패시터(111)의 캐패시턴스 변화를 감지하여 접촉 판단의 디지털 신호를 출력한다.

구체적으로 상기 컨트롤IC부(200)는 도 1에서 보는 것과 같이 MUX(210), LPF(Low Pass Filter)(220), RC오실레이터부(230), 카운터부(240) 및 비교기부(250)로 구성된다.

상기 MUX(210)는 센싱 채널 스캔을 통해 일정 시간동안 터치패널부(100)의 좌표에 따른 패턴 캐패시터(111)를 선택적으로 상기 RC오실레이터부(230)로 연결시킨다.

이때 MUX(210)와 RC오실레이터부(230) 사이에는 패널로부터 유입되는 노이즈를 제거하기 위해 LPF(Low Pass Filter)를 삽입하는 것이 바람직하다.

상기 RC오실레이터부(230)는 상기 MUX(210)를 통해 선택된 패턴 캐패시터(111)와 병렬로 연결되는 캐패시터를 구비하고, 병렬 연결된 캐패시터의 합성 캐패시턴스와 저항의 크기에 반비례하는 주파수를 출력한다.

도 2는 RC오실레이터부(230)의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 3은 도 2의 각 노드에서 시간(t)에 따른 전압(V)변화를 도시한 그래프이다.

상기 RC오실레이터부(230)는 제 1 노드(n1)와 제 2 노드(n2) 사이에 구성되어 반전동작을 수행하는 제 1 인버터(231), 제 2 노드(n2)와 제 3 노드(n3) 사이에 구성되어 반전동작을 수행하는 제 2 인버터(233), 상기 제 1 노드(n1)와 제 2 노드(n2) 사이에 구성되는 저항부(235), 상기 제 1 노드(n1)와 제 3 노드(n3) 사이에 형성된 캐패시터 가변부(237)로 구성된다. 본 발명은 상기 캐패시터 가변부(237)가 상기 터치패널부(100)의 패턴 캐패시터(111)와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하지만 동작설명을 위해 이를 잠시 제외하고 설명한다.

도 2와 도 3을 참고하면, 제 1 노드(n1)가 최초 Vss라고하면, 제 2 노드(n2)는 Vcc가 되고, 제 3 노드(n3)는 Vss가 된다(t=0). t>0 일때 제 1 노드(n1)와 제 2 노드(n2) 사이에 연결된 저항(235)을 통하여 전류가 흐르게 되고, 제 1 노드(n1) 는 저항(235)을 통하여 흐르는 전류에 의해 지수적(exponential)으로 증가하게 된다. 제 1 노드(n1)의 증가로 인해 제 2 노드(n2)의 전압이 통상 Vcc/2 전압(Vth)을 넘어서게 되면 제 2 노드(n2)는 다시 Vcc/2로 감소하고 제 1 노드(n1)는 다시 지수적으로 감소한다. 제 1 노드(n1)의 감소값이 Vcc/2 전압(Vth)을 넘어서면 다시 제 2 노드는 반전된다. 제 3 노드(n3)에서는 제 2 노드(n2) 출력값이 반전된 값이 출력되며 이러한 동작이 반복되면 제 3 노드(n3)에서는 일정한 주기의 클럭이 발생한다. 도 3에서 보는 것과 같이 한 주기(T)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

T = t2-t0

상기 주기(T)는 제 1 노드(n1)의 전압이 지수적으로 증가하거나 감소하는 시간에 따라 달라지며 회로의 저항(R)과 회로의 합성 커패시턴스(C)가 커질수록 길어진다.

주파수(f)는 주기(T)와 반비례 관계에 있으므로 회로의 저항(R)과 커패시턴스(C)에는 반비례하는 관계에 있다. 따라서, 상기 RC오실레이터부(230)에서는 저항(235)과 커패시터 가변부(237)의 크기를 조절하면 출력되는 주파수를 조절할 수 있다. 본 발명은 이러한 RC오실레이터의 성질을 이용하여 터치 유무 및 위치를 파악한다.

도 4는 RC오실레이터부(230)가 터치패널부(100)의 패턴 캐패시터(111)와 병렬연결된 등가회로도이다. 도 4에 도시된 것과 같이 MUX(210)에서 선택된 패턴 캐패시터(111)는 상기 RC오실레이터부(230)의 캐패시터 가변부(237)과 병렬로 연결된다. 또한 터치패널부(100)에는 신체 접촉에 따라 접촉 캐패시턴스 성분(C_finger)(113)이 발생하며 이는 등가적으로 패턴 캐패시터(111)의 캐패시턴스 성분을 변화시킨다. 따라서, 접촉되지 않은 상태에서 RC오실레이터부(230)는 캐패시터 가변부(237)와 패턴 캐패시터(111)의 합성 캐패시턴스에 따른 주파수가 출력되지만, 터치패널부(100)에 접촉 캐패시턴스 성분(Cfinger,113)이 인지되면 접촉캐패시턴스 성분이 패턴 캐패시터(111)의 캐패시턴스 성분과 합해지고, 결국 캐패시터 가변부와 병렬로 합성된 합성 캐패시턴스의 크기도 달라지게 된다. 합성 캐패시턴스의 크기가 달라지므로 결국 RC오실레이터부(230)는 변경된 출력 주파수를 상기 카운터부(240)로 보낸다. 즉, 접촉에 의한 경우 접촉 커패시턴스(Cfinger)로 인해 출력 주파수는 줄어든다.

도 5는 상기 캐패시터 가변부(237)의 구성을 나타내는 구성도이다. 도시된 것과 같이 캐패시터 가변부는(237)는 다수개의 캐패시터(c1, c2, c3, c4,‥‥)가 병렬로 연결되어 있고 이를 제어하기 위하여 캐패시터와 직렬로 스위치(s1, s2, s3, s4,‥‥)가 형성되어 캐패시터 가변부(237)의 캐패시턴스를 조절할 수 있다. 특히, 본 실시예는 도면과 같이 4개의 캐패시터(c1, c2, c3, c4)와 스위치(s1, s2, s3, s4)로 구성되고 각 캐패시턴스 비는 c1:c2:c3:c4=8:4:2:1로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 상기 4개의 스위치(s1,s2,s3,s4)는 4비트 신호로 제어 할 수 있으며, 8C:4C:2C:1C로 구성하는 경우 1비트 증가시마다 1C씩 캐패시터 값의 조정이 가능하여 오차보정을 용이하게 할 수 있다. 상기 스위치는 소비전력이 적고 속도가 빠른 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)로 구현하는 것이 바람직하다. 이와 같이 캐패시터 가변부(237)에서 캐패시턴스 값을 조절하여 터치스크린 패널 공정상 발생되는 캐패시턴스 오차의 보상이 가능하다.

카운터부(240)는 센싱 기간동안 상기 RC오실레이터부(230)에서 출력하는 주파수 클럭을 카운트하여 비교부(250)로 출력한다.

상기 비교부(250)는 센싱 구간에서 카운트된 클럭 개수를 기 설정된 기준 주파수 조건에서의 카운트 수와 비교하여 터치 유무를 판단하고 그 결과를 디지탈 신호로 MCU(300)로 전달한다.

도 6는 비교기부(250)에서 클럭을 비교하여 접촉유무를 판단하는 동작원리를 설명하는 도면이다. 예시에는 센싱 구간에서 기 설정된 조건의 기준 주파수(f-ref)의 클럭 수가 6이고 RC오실레이터부(230)에서 출력되는 주파수의 클럭 수가 3이다. 오차 범위의 설정에 따라 판단이 달라지므로 오차범위를 1개로 잡으면 상기 예시에서 센싱 구간은 터치된 것으로 판단한다. 즉, 오차범위의 설정에 따라서 터치 센서 모듈의 민감도는 달라지므로 비교기부의 오차 범위 설정으로 민감도 조절이 가능하다.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 터치패널부 200 컨트롤IC부
230 RC오실레이터부 240 카운터부
250 비교기부 237 캐패시터 가변부
c1,c2,c3,c4 캐패시터 s1,s2,s3,s4 제어 스위치

Claims

좌표에 따른 패턴 캐패시터를 갖는 터치패널부; 및
상기 터치패널부의 패턴 캐패시터와 병렬적으로 연결되어 상기 패턴 캐패시터의 캐패시턴스 변화를 감지하여 접촉 판단의 디지털 신호를 출력하는 컨트롤IC부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC.
제1항에 있어서, 상기 컨트롤IC부는
상기 터치패널부의 좌표에 따른 패턴 캐패시터를 선택적 연결시키는 MUX;
상기 MUX를 통해 선택된 패턴 캐패시터와 병렬로 연결되는 캐패시터를 구비한 RC오실레이터부;
상기 RC오실레이터부에서 출력하는 주파수를 카운트하는 카운터부; 및
상기 카운터부에서 카운트된 클럭 수와 기준 주파수 조건에서의 클럭 수를 비교하여 접촉 유무를 판단하고 해당하는 디지털 신호를 출력하는 비교기부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC.
제 2 항에 있어서, 상기 컨트롤IC부는
상기 MUX와 RC오실레이터부 사이에 구성되어 상기 터치패널부에서 유입되는 노이즈를 제거하는 로우패스필터부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC.
제 2 항에 있어서, 상기 RC오실레이터부는
제 1 노드와 제 2 노드사이에 구성되어 반전동작을 수행하는 제 1 인버터; 제 2 노드와 제 3 노드 사이에 구성되어 반전동작을 수행하는 제 2 인버터; 상기 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 구성되는 저항부; 및 상기 제 1 노드와 제3노드 사이에 구성되어 상기 패턴 캐패시터와 병렬로 연결되는 캐패시터 가변부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC.
제 4 항에 있어서, 상기 캐패시터 가변부는
캐패시턴스의 크기가 8:4:2:1의 비율을 갖는 캐패시터 소자가 병렬로 연결되고, 상기 캐패시터 소자와 직렬로 연결되는 제어스위치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC.
제 5 항에 있어서,
상기 제어스위치는 CMOS-FET으로 구현되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴 캐패시터는 ITO로 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 IC.