KR101220889B1 - 선형성이 강화된 터치 검출 방법 및 터치 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치 검출 방법 및 터치 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예와 관련하여 터치 검출 장치는 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번 전압에 응답하여 터치 상태에 따른 신호를 출력하는 센서패드; 상기 센서 패드의 출력과 연결된 제 1 입력과 상기 교번 전압을 수신하는 제 2 입력을 구비하는 연산 증폭기; 상기 교번 전압에 따른 상기 연산 증폭기 출력단에서의 전압 변동분 및 터치 발생시에 상기 연산 증폭기 출력단에서의 전압 변동분의 차분에 기초하여 터치 신호를 획득하는 레벨 시프트 검출부; 및 상기 연산 증폭기의 제1입력단과 출력단 사이의 전위를 제어하는 제1 스위치와 상기 센서 패드와 상기 연산증폭기의 제1입력을 스위칭하는 제2스위치를 포함하는 스위칭부를 포함할 수 있다.

Description

선형성이 강화된 터치 검출 방법 및 터치 검출 장치{TOUCH DETECTING METHOD AND APPARATUS HAVING ADVANCED LINEARITY}

본 발명은 터치를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 터치 신호를 검출하여 터치의 면적 및 좌표를 측정하는 터치 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.

터치 스크린 패널은 영상 표시 장치에 의해 표시된 내용에 기초하여 사람의 손 또는 다른 접촉 수단으로 터치하여 사용자의 명령을 입력할 수 있도록 한 입력 장치이다.

이를 위하여 터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 전면(front face)에 구비되어 사람의 손 또는 다른 접촉 수단으로 직접 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다. 이에 따라 접촉 위치에서 선택된 지시 내용이 입력 신호로 받아들여진다.

터치 스크린 패널을 구현하는 방식으로는 저항막 방식, 광감지 방식 및 정전 용량 방식 등이 알려져 있다. 이 중 정전 용량 방식의 터치 패널은 사람의 손 또는 물체가 접촉될 때 도전성 감지 패턴이 주변의 다른 감지 패턴 또는 접지 전극 등과 형성하는 정전용량의 변화를 감지함으로써 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다.

도 1a는 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 평면 구성도이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널은 횡방향의 선형 센서패턴(5a), 종방향의 선형 센서패턴(5b), 터치 신호를 분석하는 터치드라이브IC를 포함한다. 이러한 터치 스크린 패널은 선형 센서패턴(5)과 손가락(8) 사이에 형성되는 커패시턴스의 크기를 검출하는 방식으로서, 횡방향의 선형 센서패턴(5a)과 종방향의 선형 센서패턴(5b)을 스캔하여 신호를 검출함으로써 복수개의 터치 지점을 인식할 수 있다.

도 1b는 표시장치(20) 위에 설치된 정전식 터치 스크린 패널을 나타내는 도면이다.

도 1b를 참조하면, 표시장치(20) 위에 터치 스크린 패널이 배치된다. 따라서, 기판(1)의 상면에 선형 센서패턴(5)이 배치되며, 기판(1) 위에는 선형 센서패턴(5)을 보호하기 위한 보호패널(3)이 부착된다. 터치 스크린 패널은 접착부재(9)를 매개로 표시장치(20)에 접착되며, 표시장치(20)와의 사이에서 에어갭(9a)를 형성한다.

도 1b에서, 터치가 발생할 경우 손가락(8)과 선형 센서패턴(5) 사이에는 Ct와 같은 정전용량이 형성되고, 선형 센서패턴(5)과 공통전극(202) 사이에서도 Cvcom과 같은 정전용량이 형성되며, 선형 센서패턴(5)에는 미지의 기생정전용량인 Cp가 형성된다.

도 1c는 터치가 발생한 경우 터치 검출을 위한 등가회로를 나타낸다.

도 1c는 정전 용량식 터치 검출 방식 중 레벨시프트를 측정하여 터치를 검출하는 방식의 등가 회로에 해당한다.

도 1c를 참고하면, 손가락이 선형 센서패턴(5)에 접촉되면 Cvcom, Cdrv, Cp, Ct 등이 생성된다. 터치 스크린 패널은 Ct의 변화량을 검출하여 터치를 인식하므로 Cp, Cvcom 등은 노이즈로 작용하게 된다.

또한, 터치 스크린 패널에서는 센서패턴(5)에 Vdrv 같은 클락 신호를 인가한 후 선형 센서패턴(5)에서 검출되는 출력값인 변동량을 그대로 ADC(Analog to Digital Converter)의 입력으로 인가하여 ADC의 출력값을 구하였다. 따라서, 터치 스크린패널에 터치 발생시 센서패턴(5)의 출력단에서의 전압변동은 다음 [수학식 1]에 의해 결정된다.

[수학식 1]

여기서, △Vo는 센서패턴(5)에서의 전압 변동분, VdrvH는 교번전압(Vdrv)의 하이 레벨 전압, VdrvL은 교번전압의 로우 레벨 전압, Cdrv는 구동정전용량, Cp는 기생정전용량이며, Ct는 터치정전용량이다.

[수학식 1]에서 Ct값이 분모에 위치하므로 터치 전후의 △Vo의 차이(레벨 시프트)는 Ct가 상승함에 따라 상승하지만 완전한 선형성을 갖는 것은 아니다.

터치 전후의 △Vo의 차이는 터치 면적에 상응하고 도 1c에 도시된 방식에서는 터치 면적을 이용하여 터치 좌표를 구하기 때문에 상기 선형성을 확보하는 경우에는 보다 용이하게 터치 좌표를 구할 수가 있다.

이를 해결하기 위해 ADC 출력값과 Ct값이 일대일로 대응하는 테이블을 구성하고 ADC 결과값을 look-up 하는 방식에 의해서 Ct 값을 구할 수 있으나, Cp 값이 터치 노드 별로 다르기 때문에 각각의 노드 별로 테이블을 구성해야 하는 문제가 있으며, 테이블을 구성하는데 소모되는 메모리의 크기가 커져 전체 시스템의 성능 및 비용에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 각 노드 별로 테이블을 구성하는데 걸리는 시간이 오래 걸려 시스템의 구동 시간을 지연시키는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 레벨 시프트값과 터치정전용량과 선형성을 가질 수 있는 터치 검출 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번 전압에 응답하여 터치 상태에 따른 신호를 출력하는 센서패드; 상기 센서 패드의 출력과 연결된 제 1 입력과 상기 교번 전압을 수신하는 제 2 입력을 구비하는 연산 증폭기; 상기 교번 전압에 따른 상기 연산 증폭기 출력단에서의 전압 변동분 및 터치 발생시에 상기 연산 증폭기 출력단에서의 전압 변동분의 차분에 기초하여 터치 신호를 획득하는 레벨 시프트 검출부; 및 상기 연산 증폭기의 제1입력단과 출력단 사이의 전위를 제어하는 제1 스위치와 상기 센서 패드와 상기 연산증폭기의 제1입력을 스위칭하는 제2스위치를 포함하는 스위칭부를 포함하는 정전식 터치 검출장치를 제공한다.

여기서, 상기 스위칭부는 상기 제 1 스위치 및 상기 제2스위치를 각각 온 또는 오프시켜 터치 정전 용량과 전압 변동분 차분이 선형 관계가 되도록 할 수 있다.

또한, 상기 연산 증폭기는 출력단과 제1입력 사이에 구동 정전 용량을 포함한다.

여기서, 상기 스위칭부는, 상기 복수 개의 스위치를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1스위치가 온이면 상기 제 2스위치가 오프가 되게 하고, 상기 제 1스위치가 오프이면 상기 제 2스위치는 온이 되도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 전압 변동분의 차분에 기초하여 상기 센서패드에서의 터치 면적을 측정할 수 있다.

또한, 상기 센서패드는 고립된 매트릭스 형태로 배치되며, 상기 터치 면적에 의해 이루어진 영역으로부터 터치 좌표가 산출될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 a) 터치입력도구와의 사이에서 터치정전용량을 형성하는 센서패드를 충전시킨 후 플로팅 시키는 단계; b) 상기 센서 패드와의 연결이 스위칭되는 구동 정전 용량에 초기 전하를 충전 또는 방전시키는 단계; c) 상기 센서패드와 상기 구동 정전 용량을 연결시키고, 소정의 주파수로 교번하는 교번 전압을 인가하는 단계; 및 d) 터치 미 발생시에 상기 교번 전압에 따른 전압 변동분 및 터치 발생시에 상기 교번 전압에 따른 전압 변동분의 차분을 측정하는 단계를 포함하는 터치 검출 방법을 제공한다.

여기서, 상기 전압 변동분의 차분은, 복수 개의 스위치를 제어함으로써 터치정전용량에 대해 선형 관계가 될 수 있다.

또한, 상기 선형 관계에 기초하여 터치 면적을 산출하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 정전용량의 변화량이 디지털 값으로 변환되는 과정에서 변환값이 터치정전용량과 선형성을 가지도록 하여, 별도의 선형성 향상을 위한 추가 회로가 필요하지 않으며, 이에 따라 시스템에 발생하는 비용 및 전력 소비를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 터치 검출 장치는 선형 관계의 출력값을 쉽게 구할 수 있어 터치의 위치 및 크기를 산출하는 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1a는 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 평면 구성도이다.
도 1b는 표시장치(20) 위에 설치된 정전식 터치 스크린 패널을 나타내는 도면이다.
도 1c는 터치가 발생한 경우 터치 검출을 위한 등가회로를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부가 차동 증폭기를 포함하는 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드(210)에 관한 정보가 저장된 메모리부의 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치(200)는 센서패드(210), 레벨 시프트 검출부(220) 및 스위칭부(230)를 포함한다.

센서패드(210)는 터치 입력을 검출하기 위하여 기판 상에 패터닝 된 전극으로서 손가락이나 도전체와 같은 터치 입력 도구와의 사이에서 터치정전용량(Ct)을 형성한다. 센서패드(210)는 투명 도전체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 센서패드(210)는 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 예에서는 센서패드(210)가 메탈로 형성될 수도 있다.

센서패드(210)는 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번전압에 응답하여 터치 상태에 따른 신호를 출력한다. 예를 들어, 센서패드(210)는 소정 주파수로 교번하는 교번전압에 응답하여 터치입력도구의 터치 상태에 따른 터치 전하량 변동분 또는 미터치 전하량 변동분에 기초하여 상이한 레벨시프트 값을 출력한다.

터치 검출 장치(200)는 충전수단(도시 생략) 및 교번전압 생성수단(도시 생략)을 더 포함할 수 있다.

충전수단은 센서패드(210)의 출력단에 연결되어 충전 신호(Vb)를 공급한다. 충전수단은 온/오프 제어단자에 공급되는 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 3단자 형의 스위칭 소자이거나, 제어신호에 따라 신호를 공급하는 OP-AMP 등의 선형 소자일 수 있다. 충전수단의 출력단에는 센서패드(210)에 작용하는 터치정전용량(Ct), 기생정전용량(Cp), 구동정전용량(Cdrv)이 연결되며, 충전수단을 턴 온 시킨 상태에서 입력단에 충전 신호(Vb)를 인가하면 Ct, Cdrv, Cp 등이 충전된다. 이 후, 충전수단을 턴 오프 시키면 Ct, Cdrv 등에 충전된 신호는 별도로 방전시키지 않는 한 충전된 상태로 고립된다. 이 때, 충전된 신호를 안정적으로 고립시키기 위하여 후술할 레벨 시프트 검출부(220)의 입력단은 하이 임피던스를 갖는 것이 바람직하지만, Cdrv 등에 충전된 신호를 방전시키면서 터치 입력을 관찰하거나, 다른 수단으로 충전 신호를 고립시키거나, 방전 개시 시점에서 신속한 관찰이 가능한 경우에는 레벨 시프트 검출부(220)의 입력단의 임피던스가 낮아도 무방하다.

전술한 충전 수단이 턴 온 되어 센서 패드에 충전된 전하는 충전 수단가 턴 오프 됨에 의해 고립된다. 이러한 고립 상태를 플로팅(floating) 상태라 칭한다. 충전 수단과 레벨 시프트 검출부(220) 사이에 고립된 충전 신호의 전하는 외부에 인가되는 교번 신호에 의해 전압의 레벨이 변하게 된다. 상기 전압 레벨은 터치가 발생한 경우와 터치가 발생하지 않은 경우에 상이하다. 이러한 터치 전후의 레벨 차이를 레벨 시프트라고 칭한다.

교번전압 생성수단은 소정 주파수로 교번하는 교번전압(Vdrv)을 센서패드(210)의 출력단에 인가하여 센서패드(210)에서의 전위를 변동시킨다. 교번전압 생성수단은 듀티비(duty ratio)가 동일한 클락 신호를 생성할 수도 있으나, 듀티비가 상이한 교번전압을 생성할 수도 있다.

또한, 교번전압 생성수단은 공통전극(도시 생략)를 포함할 수 있다.

공통 전극은 표시장치 내에서 공통 전압이 인가되는 전극 또는 표시장치 내에서 공통으로 역할하는 전극을 지칭하는 것으로 표시 장치 중 하나인 LCD에서는 액정의 구동을 위하여 공통 전압을 필요로 한다. 중소형 LCD에서는 소비 전류를 감소시키기 위하여 소정 주파수로 교번하는 교번 전압을 공통 전압으로 하며 대형 LCD에서는 DC 전압을 공통 전압으로 한다.

레벨 시프트 검출부(220)는 플로팅 상태에서 교번 전압(Vdrv)에 의해 발생하는 레벨 시프트를 검출한다. 구체적으로, 레벨 시프트 검출부(220)는 터치 미발생시의 센서패드(210)에서의 전압 변동분 및 터치 발생시 센서패드(210)에서의 전압 변동분을 측정하여 레벨 시프트가 발생하였는지를 검출할 수 있다. 즉, 센서패드의 전위는 인가된 교번 전압(Vdrv)에 의해 상승 또는 하강 하게 되는데, 터치가 발생한 경우의 전압 레벨 변동은 터치가 발생하지 않은 경우의 전압 레벨 변동 보다 작은 값을 가진다. 따라서, 레벨 시프트 검출부(220)는 터치 전후의 전압 레벨을 비교함으로써 레벨 시프트를 검출한다. 또한, 레벨 시프트 검출부(220)는 전압 변동분의 차분에 기초하여 터치 신호를 획득할 수 있다.

레벨 시프트 검출부(220)는 다양한 소자 또는 회로의 조합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 레벨 시프트 검출부(220)는 센서패드(210)의 출력단의 신호를 증폭하는 증폭소자, ADC(Analogue to Digital Converter), VFC(Voltage to Frequency Converter), 플립플롭(Flip-Flop), 래치(Latch), 버퍼(Buffer), TR(Transistor), TFT(Thin Film Transistor), 비교기 등 중 적어도 하나를 조합하여 구성될 수 있다.

스위칭부(230)는 전압 변동분의 차분이 터치정전용량에 대해 선형 관계가 되도록 한다. 스위칭부(230)는 복수 개의 스위치를 포함한 회로를 포함할 수 있으며, 복수 개의 스위치가 각각 온 또는 오프 됨에 따라 전압 변동분의 차분이 터치정전용량에 대해 선형 관계가 되도록 할 수 있다. 예컨대, 스위칭부(230)는 레벨 시프트 검출부(220)의 출력단에 마련된 제 1 스위치 및 레벨 시프트 검출부(220)의 입력단에 마련된 제 2 스위치를 포함 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

스위칭부(230)는 복수 개의 스위치를 제어하는 제어부(도시 생략)를 더 포함할 수 있으며, 제어부는 제 1 스위치가 온이면 제 2 스위치가 오프가 되게 하고, 제 1 스위치가 오프이면 제 2 스위치는 온이 되도록 제어할 수 있다.

스위칭부(230)를 통해 전압 변동분의 차분이 터치정전용량에 대해 선형 관계가 되도록 하는 것에 관한 설명은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.

터치 검출 장치(200)는, 전압 변동분의 차분에 기초하여 센서패드에서의 터치 면적을 측정한다. 만약, 센서패드(210)가 고립된 매트릭스 형태로 배치된 경우에는 각각의 센서패드의 터치 면적을 이용하여 터치 좌표를 산출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.

도 3을 참조하면, 터치 검출 장치(200)는 센서패드(210), 터치정전용량(Ct), 기생정전용량(Cp), 구동정전용량(Cdrv), 트랜지스터(Q), 연산 증폭기 앰프(OP amp) 및 ADC를 포함할 수 있다.

센서패드(210)는 각각 독립 상태의 다각형으로 터치 스크린 전면에 걸쳐 복수 개가 배치된다. 따라서, 각각의 센서패드에서의 터치 면적이 산출되면 터치 스크린 상에서 터치 좌표를 산출할 수 있다.

먼저, 도 3에서 사용되는 용어를 다음과 같이 정의한다.

터치정전용량(Ct)은 센서패드(210)와 터치 입력 도구 사이에서 형성되는 정전용량을 의미하는 것이다.

기생정전용량(Cp)은 센서패드(210)에 부수되는 정전용량을 의미하는 것으로 센서패드(210), 신호배선, 표시장치 등에 의하여 발생하는 임의의 기생용량을 포함할 수 있다.

구동정전용량(Cdrv)은 센서패드(210)별 소정 주파수로 교번하는 교번전압(Vdrv)을 공급하는 경로에 형성되는 정전용량이다.

트랜지스터(Q)는 전계 효과 트랜지스터로서, 게이트에는 제어신호(Vg)가 인가되고, 소스(또는 드레인)에는 충전신호(Vb)가 인가될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 트랜지스터(Q)가 아닌 스위칭할 수 있는 다른 소자가 사용될 수 있다.

연산 증폭기의 입력단은 하이 임피던스 상태를 갖는다.

트랜지스터(Q)를 턴 온 하여 충전신호(Vb)를 공급하여, 터치정전용량(Ct), 기생정전용량(Cp)을 충전시킨다. 이 후, 트랜지스터(Q)를 턴 오프하면 연산 증폭기의 입력단은 하이 임피던스이므로 충전된 전하는 고립되며, 이에 따라 센서패드(210)의 출력단에서의 전위가 유지되기 때문에 센서패드(210)의 출력단에서의 전압(Vo)는 일정하게 유지된다. 이와 같이, 전하가 충전되어 고립된 상태를 플로팅(Floating) 상태라고 부른다. 이후, 전압 상승 또는 하강이 발생하는 교번 전압이 인가되면, 센서패드(210)의 출력단에서의 전압(Vo) 레벨이 특정 레벨로 전압이 상승 또는 강하되는 현상이 발생하는데, 이러한 현상은 “킥백(kick-back)"이라고 불리기도 한다.

도 1c에 도시된 등가회로에서는 터치 미발생시 Cdrv에 의한 센서패드(210)에서의 전압변동(△Vo)은 다음의 [수학식 2]에 의해 변동된다.

[수학식 2]

터치 발생시 Cdrv에 Ct가 병렬로 부가되므로, 센서패드(210)에서의 전압변동(△Vo)은 다음의 [수학식 3]에 의해 변동된다.

[수학식 3]

여기서, △Vo는 센서패드(210)에서의 전압 변동분, VdrvH는 교번전압의 하이 레벨 전압, VdrvL은 교번전압의 로우 레벨 전압, Cdrv는 구동정전용량이고, Cp는 기생정전용량이며, Ct는 터치정전용량이다.

[수학식 3]에서와 같이 △Vo와 Ct는 선형 관계로 존재하지 않는다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 △Vo와 Ct로 선형 관계가 되도록 가공한다.

이하에서는, 스위칭부(230)에 의해 센서패드에서의 전압 변동분(△Vo)이 터치정전용량에 대해 선형 관계가 되도록 하기 위해 수식을 전개하기로 한다.

다시 도 3을 살펴보면, 터치 검출 장치(200)는 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)를 포함하며, 두 스위치(S1, S2)는 별도의 phase를 가질 수 있다.

먼저, 제 1 스위치(S1)를 온(ON) 하고, 제 2 스위치(S2)를 오프(0FF) 상태로 유지하면, 구동정전용량(Cdrv)은 초기화되어 최초 전하량이 충전된다. 한편, 터치정전용량(Ct) 및 기생정전용량(Cp)는 트랜지스터를 턴 온 시켜 동일한 값의 충전 전압으로 충전시킬 수 있다. 구동정전용량(Cdrv)의 전위는 연산 증폭기의 입력단에 연결된 노드의 교번전압(Vdrv)의 하이 레벨 전압과 교번전압의 로우 레벨 전압의 차이, 즉 (VdrvH-VdrvL)이 되고, 출력단에 연결된 노드는 Vb가 된다.

Ct 및 Cp에 충전된 전하량은 Q₁, Cdrv에 충전된 전하량을 Q₂라 하고 (VdrvH-VdrvL)을 △Vdrv 라고 하면, 각 전하량에 대한 수식은 아래와 같다. 여기서, 전하량의 수식인 Q = CV를 이용한다.

[수학식 4]

Vb는 트랜지스터를 턴 온하여 공급된 충전신호, Cdrv는 구동정전용량이고, Cp는 기생정전용량이며, Ct는 터치정전용량이다.

한편, 제 2 스위치(S2)를 온 하고, 제 1 스위치(S1)를 오프 하면, 터치정전용량(Ct) 및 기생정전용량(Cp)에 충전된 전하는 구동정전용량(Cdrv)와 공유된다. 이에 대한 전하량을 수식으로 나타내면 아래와 같다.

[수학식 5]

이 때, Cdrv는 구동정전용량이고, Cp는 기생정전용량이며, Ct는 터치정전용량이고, Vo는 연산 증폭기의 출력단에서의 출력 전압이다.

전하는 새로 생성되거나 없어지지 않고 항상 처음의 전하량을 유지한다는 전하량 보존의 법칙에 따라, 제 2 스위치(S2)만을 온 하였을 때의 전하량(Q)은 제 1 스위치(S1)만을 온 하였을 때의 Ct 및 Cp에 충전된 전하량(Q₁) 및 Cdrv에 충전된 전하량(Q₂)의 합과 같으므로,

이 성립될 수 있으며, [수학식 4] 및 [수학식 5]를 대입하면 아래와 같이 전개된다.

양 변에 공통으로 존재하는 Cdrv△Vdrv을 삭제하고, 좌변에 Vo만 남도록 수식을 전개하면 아래와 같다.

센서패드에서의 전압 변동분(△Vo)는 트랜지스터를 통해 공급된 충전전압(Vb)에서 연산 증폭기의 출력단에서의 출력 전압(Vo)의 차이에 해당하며, 상기 수식에서 (△Vdrv-Vb)는 전압의 크기가 일정한 값을 취하는 상수(constant)이므로, 상수 A로 치환하게 되면 아래와 같다.

[수학식 6]

Cp 및 Cdrv 및 A는 일정한 값을 취하는 상수에 해당하므로

를 상수 B로 치환할 수 있다. 이와 같이, [수학식 6]에 따르면, △Vo는 Ct에 비례하는 관계가 성립될 수 있다. 따라서, 터치 전후의 △Vo의 차이인 레벨 시프트 값 역시 Ct에 비례하는 관계가 성립될 수 있다. 또한, △Vo 또는 레벨 시프트 값을 입력으로 하는 ADC의 출력값 역시 Ct 값에 선형적으로 비례하게 되어 선형성을 확보할 수 있다.

이는, 종래 기술에 따른 경우에는 [수학식 3]에서 분모에 위치하는 Ct와 전압 변동분의 결과값이 반비례 관계였기 때문에 Ct를 도출하기 어려웠을 뿐만 아니라 ADC의 출력값과 Ct값을 일대일로 대응하는 테이블을 각 터치 노드 별로 구성해야 했던 것에 비하여, [수학식 6]에 따라 전압 변동분은 Ct에 비례하므로 Ct를 도출하기 쉬워진다.

또한, Ct를 다음의 [수학식 7]에 대입하면 터치입력도구에 의한 터치의 면적을 측정할 수 있다.

[수학식 7]

[수학식 7]에서 ε은 유전율로서 센서패드(210)와 손가락 사이의 매질로부터 획득할 수 있다. 만약 기판의 상면에 강화 글래스를 부착한다면, 강화 글래스의 비유전율에 진공의 유전율을 곱한 값으로부터 유전율 ε을 도출할 수 있다. S2는 센서패드(210)와 손가락의 대향 면적에 해당한다. 예를 들어, 손가락이 센서패드(210)를 모두 덮고 있다면 S2는 센서패드(210)의 면적에 해당하며, 손가락이 센서패드(210)의 일부를 덮고 있다면 S2는 손가락과 대향하지 않은 면적만큼 줄어들 것이다. D2는 센서패드(210)와 손가락 간의 거리이므로, 기판의 상면에 올려진 강화 글래스 또는 다른 종류의 보호패널 등의 두께에 해당할 것이다.

따라서, [수학식 7]에 의하면 Ct는 손가락과 센서패드(210)의 대향 면적에 비례하므로, 이로부터 센서패드(210)에 대한 손가락의 터치 점유율을 연산할 수 있다.

센서패드(210)가 독립된 다각형으로 터치 패널 전체에 매트릭스 형태로 배치된 경우에는 센서패드의 터치 점유율로 이루어진 영역의 무게 중심으로부터 터치 좌표를 산출할 수 있다.

따라서, Ct에 기초하여 터치 신호의 검출 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 다음의 [수학식 7]에 대입하면 손가락에 의한 터치의 면적을 구할 수 있다.

ADC는 레벨 시프트 검출부에 포함될 수 있으며, 교번전압의 하이 레벨 전압과 로우 레벨 전압의 차이 값인 △Vdrv을 조절하게 되면, 제 2 스위치(S2)가 온 되는 동안에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있으므로 결과적으로 연산 증폭기의 이득(Gain) 값을 조절할 수 있다. 이는, Ct가 작거나 큰 경우에 ADC의 Operating range를 벗어나지 않게 하거나, ADC의 분해능(resolution)을 향상시키는데 이용될 수 있다.

또한, ADC는 제 1 스위치(S1)가 온 되어 있는 동안 항상 Vb의 전위 값을 입력으로 받게 되므로, offset 조정을 통해서 Vb의 출력이 0이 되도록 구성하면 ADC의 dynamic range를 별도의 DAC로 조정할 필요가 없게 된다. 아울러, Cp에 의한 영향을 상쇄할 수 있도록 ADC의 offset 조정을 하는 것 역시 가능하다는 점에서 ADC의 출력을 예상 가능한 범위 안으로 한정 지을 수 있다는 이점이 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.

도 4에 도시한 회로도는 도 3에서 도시한 회로도와 같이, 스위치를 포함시켜 전압 변동분의 차분이 터치정전용량에 대해 선형 관계가 되도록 하기 위한 회로에 대한 다른 실시예이다.

스위치 S1 및 S2는 도 3에 도시된 실시예와 동일한 방식으로 두 가지 phase로 온/오프 된다. 도 4에 도시된 실시예에서도 각각의 phase에서 충전된 전하량이 동일하다는 공식을 Vo에 관하여 정리하면 이하와 같이 Vo와 Ct의 선형 관계를 도출할 수 있다.

(여기서,

)

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부가 차동 증폭기를 포함하는 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.

도 5를 참조하면, 레벨 시프트 검출부는 센서패드(210)에 입력단이 접속된 연산 증폭기(18)와 연산 증폭기(18)의 출력과 기준 전압(Vref)과의 차이를 차동 증폭하는 차동 증폭기(19)를 더 포함한다. 차동 증폭기(19)의 제1입력은 터치 전 또는 후의 Vo 이며, 제2입력인 기준 전압(Vref)은 각각의 센서 패드에 터치가 발생하지 않았을 때의 Vo 값이다. 기준 전압(Vref)은 실시간으로 측정되어 제공되거나, 주기적인 측정값을 메모리에 저장하여 제공할 수 있다.

차동 증폭기(19)의 출력값은 터치 전후의 전압 변동량의 차이, 즉, 레벨 시프트값이 된다. 따라서, ADC(도시 생략)는 차동 증폭기(19)의 출력을 아날로그-디지털 변환하여 터치 면적을 산출할 수 있다.

도 5는 도 3에 도시된 실시예를 기초하여 그 변형예를 도시한 것이지만, 도 4에 도시된 실시예에도 적용될 수 있음은 자명하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드(210)에 관한 정보가 저장된 메모리부의 구조를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 센서패드(210)이 도트 매트릭스 형태로 배열되고, m*n의 분해능을 가질 때, 메모리부는 m개의 행과 n개의 열을 갖는 테이블로 구성될 수 있다. 메모리부에는 센서패드(210) 별로 또는 센서패드의 그룹별(예를 들면, 동일한 행 또는 동일한 열)로 터치가 발생하지 않았을 때의 해당 센서패드(210)의 출력단에서의 신호에 관한 정보가 저장된다. 예를 들어, M1-1 주소에는 터치 미 발생시 좌상단의 센서패드(210)에서의 출력값, 예를 들어 센서패드(210)에서의 전압 변동분(또는 전압 변동분을 디지털화한 후 ADC의 출력값)이 저장될 수 있다. 또한, 메모리부에는 센서패드(210) 별로 터치 미 발생시 또는 터치 발생시의 전압 변동분을 저장할 수 있다.

기생정전용량(Cp) 및 구동정전용량(Cdrv)은 센서패드(210) 별로 상이할 수 있다. 센서패드(210)의 위치, 배선길이, 기타 외부 요인 등을 모든 센서패드(210)에 대하여 동일하게 설계하는 것이 불가능하기 때문이다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 메모리부에 터치가 발생하지 않았을 때의 출력단에서의 신호(예를 들면, 전압)에 관한 정보를 센서패드(210) 별로 저장하여 관리함으로써 센서패드(210)의 특성이 상이한 경우에도 터치를 효과적으로 검출할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 단계 S710에서, 터치 검출 장치(200)는 제 1 스위치(S1)를 닫고(ON), 제 2 스위치(S2)를 열어서(OFF), 구동정전용량에 초기 전하 충전(초기 전하는 0이 될 수도 있음)하고, 센서패드와 기생정전용량을 충전 신호로 충전시키고 턴 오프 하여 플로팅 상태로 만든다.

단계 S720에서, 터치 검출 장치(200)는 제 1 스위치(S1)를 열고(OFF), 제 2 스위치(S2)를 닫아서(ON), 구동정전용량을 연산 증폭기 입력단과 출력단과 연결되도록 하고, 연산 증폭기의 입력단과 센서패드와 기생정전용량을 연결시킨다. 이 때 발생하는 센서패드의 전압 변화가 연산 증폭기의 출력단의 전압 변화를 발생시키므로, 단계 S730에서, 연산 증폭기의 출력단의 전압 변화를 측정한다.

단계 S740에서, 터치 검출 장치(200)는 터치 전후의 연산 증폭기의 출력단의 전압 변화의 차이에 기초하여 터치 여부 및 터치 면적을 검출한다. 즉, 터치 검출 장치(200)는 터치가 없을 때의 연산 증폭기의 출력단의 전압 변화와 터치가 있는 경우의 연산 증폭기의 출력단의 전압 변화의 차이(레벨 시프트)로부터 터치 여부 및 터치 면적을 검출할 수 있다.

이 때, 레벨 시프트 값은 터치 정전 용량(Ct) 또는 터치 면적과 선형관계에 있다.

위의 실시예는 단순히 본 발명의 일예일 뿐, 본 발명이 여기에 제한되는 것은 아니다.

이상 설명한 바와 같은 영상 표시 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 디스크 관리 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

1. 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번 전압에 응답하여 터치 상태에 따른 터치정전용량을 형성하는 센서패드;
   상기 센서 패드의 출력과 연결된 제 1 입력과 상기 교번 전압을 수신하는 제 2 입력을 구비하는 연산 증폭기;
   상기 교번 전압에 따른 상기 연산 증폭기 출력단에서의 전압 변동분 및 터치 발생시에 상기 연산 증폭기 출력단에서의 전압 변동분의 차분에 기초하여 터치 신호를 획득하는 레벨 시프트 검출부; 및
   상기 연산 증폭기의 제 1 입력단과 출력단 사이의 전위를 제어하는 제 1 스위치와 상기 센서 패드와 상기 연산증폭기의 제 1 입력을 스위칭하는 제 2 스위치를 포함하는 스위칭부를 포함하되,
   상기 스위칭부는 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 교대로 온(ON)시켜 상기 터치정전용량과 상기 센서 패드에서의 전압 변동분이 선형 관계가 되도록 하는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 연산 증폭기는 출력단과 제 1 입력 사이에 구동 정전 용량을 포함하는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위칭부는, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치를 온 또는 오프 되도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전압 변동분의 차분에 기초하여 상기 센서패드에서의 터치 면적을 측정하는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 센서패드는 고립된 매트릭스 형태로 배치되며,
   상기 터치 면적에 의해 이루어진 영역으로부터 터치 좌표가 산출되는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
7. a) 터치입력도구와의 사이에서 터치정전용량을 형성하는 센서패드를 충전시킨 후 플로팅 시키는 단계;
   b) 구동 정전 용량과 연결된 제1스위치를 온 시키고, 상기 센서패드와 상기 구동 정전 용량을 연결시키는 제2스위치를 오프 시켜 상기 구동 정전 용량에 초기 전하를 충전 또는 방전시키는 단계;
   c) 상기 제1스위치를 오프, 상기 제2스위치를 온 상태로 전환하여 상기 센서패드와 상기 구동 정전 용량을 연결시키고, 소정의 주파수로 교번하는 교번 전압을 인가하는 단계; 및
   d) 터치 미 발생시에 상기 교번 전압에 따른 전압 변동분 및 터치 발생시에 상기 교번 전압에 따른 전압 변동분의 차분을 측정하며, 상기 센서패드에서의 전압 변동분이 상기 터치정전용량에 대해 선형 관계가 되도록 하는 단계를 포함하는 터치 검출 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 센서패드의 출력과 연결된 제1입력과 상기 교번 전압을 수신하는 제2입력을 구비하는 연산 증폭기를 포함하며,
   상기 제1스위치는 상기 연산 증폭기의 제1입력과 출력단 사이의 전위를 제어하며, 상기 제2스위치는 상기 센서 패드와 상기 연산 증폭기의 제1입력을 스위칭하는 것인, 터치 검출 방법.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 선형 관계에 기초하여 터치 면적을 산출하는 단계를 더 포함하는 터치 검출 방법.

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