KR101461929B1 - 정현파 전압을 이용한 터치 검출 장치 및 터치 검출 방법 - Google Patents

정현파 전압을 이용한 터치 검출 장치 및 터치 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 터치입력수단과의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 복수의 센서패드들; 상기 각 센서 패드에 정현파 전압을 인가하는 구동부; 상기 센서 패드의 출력과 연결된 제1입력단과 미리 설정된 기준 전압을 연결하는 제2입력단을 구비하는 증폭부; 상기 센서 패드의 출력과 상기 증폭부의 제1입력단을 연결하는 제1스위치와, 상기 증폭부의 제1입력단과 출력단 사이의 전위를 제어하는 제2스위치; 및 상기 터치 정전용량에 따른, 상기 증폭부의 출력단에서의 전압 변동분에 기초하여 터치 여부를 검출하는 터치 검출부를 포함하고, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 교번하여 온 또는 오프 되는, 터치 검출 장치를 제공한다.

Description

정현파 전압을 이용한 터치 검출 장치 및 터치 검출 방법{TOUCH DETECTING APPARATUS AND METHOD USING SINUSOIDAL VOLTAGE}
본 발명은 정현파 전압을 이용한 터치를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 센서 패드에 정현파 전압을 인가하여 터치 여부를 검출하는 터치 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 화면에 표시된 문자나 도형을 사람의 손가락이나 다른 접촉 수단으로 접촉하여 사용자의 명령을 입력하는 장치로서, 영상 표시 장치 위에 부착되어 사용된다. 터치 스크린 패널은 사람의 손가락 등으로 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환하고, 변환된 전기적 신호는 입력 신호로서 이용된다.
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 정전 용량의 변화를 감지함으로써 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 분해 평면도이다.
도 1을 참고하면, 터치 스크린 패널(10)은 투명 기판(12)과 투명 기판(12) 위에 차례로 형성된 제1 센서 패턴층(13), 제1 절연막층(14), 제2 센서 패턴층(15) 및 제2 절연막층(16)과 금속 배선(17)으로 이루어진다.
제1 센서 패턴층(13)은 투명 기판(12) 위에 횡방향을 따라 연결될 수 있으며, 행 단위로 금속 배선(17)과 연결된다.
제2 센서 패턴층(15)은 제1 절연막층(14) 위에 열방향을 따라 연결될 수 있으며, 제1 센서 패턴층(13)과 중첩되지 않도록 제1 센서 패턴층(13)과 교호로 배치된다. 또한, 제2 센서 패턴층(15)은 열 단위로 금속 배선(17)과 연결된다.
터치 스크린 패널(10)에 사람의 손가락이나 접촉 수단이 접촉되면 제1 및 제2 센서 패턴층(13, 15) 및 금속 배선(17)을 통하여 구동 회로 측으로 접촉 위치에 따른 정전용량의 변화가 전달된다. 그리고 이렇게 전달된 정전용량의 변화가 전기적 신호로 변환됨에 따라 접촉 위치가 파악된다.
그러나 이러한 터치 스크린 패널(10)은 각 센서 패턴층(13, 15)에 인듐-틴 옥사이드(Indium Tin Oxide; ITO)와 같은 투명한 도전성 물질로 이루어진 패턴을 별도로 구비하여야 하고, 센서 패턴층(13, 15) 사이에 절연막층(14)을 구비하여야 하므로 두께가 증가한다.
또한, 터치에 의해 미세하게 발생하는 정전용량의 변화를 수 차례 축적하여야 터치 검출이 가능하기 때문에 높은 주파수로 정전용량 변화를 감지하여야 한다. 그리고, 정전용량의 변화를 정해진 시간 내에 충분히 축적하기 위해서는 낮은 저항을 유지하기 위한 금속 배선을 필요로 하는데, 이러한 금속 배선은 터치 스크린의 테두리에 베젤을 두껍게 하고 추가의 마스크 공정을 발생시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 2에 도시되는 바와 같은 터치 검출 장치가 제안되었다.
도 2에 도시되는 터치 검출 장치는 터치 패널(20)과 구동 장치(30) 및 이 둘을 연결하는 회로 기판(40)을 포함한다.
터치 패널(20)은 기판(21) 위에 형성되며 다각형의 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 센서 패드(22) 및 센서 패드(22)에 연결되어 있는 복수의 신호 배선(23)을 포함한다.
각 신호 배선(23)은 한쪽 끝이 센서 패드(22)에 연결되어 있으며 다른 쪽 끝은 기판(21)의 아래 가장자리까지 뻗어 있다. 센서 패드(22)와 신호 배선(23)은 커버 유리(50)에 패터닝 될 수 있다.
구동 장치(30)는 복수의 센서 패드들(22)을 순차적으로 하나씩 선택하여 해당 센서 패드(22)의 정전용량을 측정하고, 이를 통해 터치 발생 여부를 검출해낸다.
도 2에 도시된 터치 검출 장치에서 터치 동작에 대한 응답 속도가 신속하고 정확하기 위해서는, 터치시 발생하는 노이즈와 각 센서 패드(22) 사이에서 발생하는 기생 정전용량을 제어해야만 한다. 정전용량 방식의 터치 검출 장치에서 발생하는 노이즈는, 외부적인 환경에 의한 노이즈(예, LCD 전원 노이즈 등), 센서 패드, 회로기판, 터치IC 등이 인접한 센서 패드(22)에 영향을 주면서 발생하게 된다. 또한, 기생 정전용량은 센서 패드(22) 사이의 정전용량 결합 또는 제조 공정 등에 의해 발생하게 되며, 터치 여부 검출에 악영향을 미치게 한다.
이러한 노이즈 및 기생 정전용량은, 터치 인식의 오류를 발생시킬 수 있고, 결과적으로 터치 검출 성능을 좌우하는 신호 대비 노이즈(SNR)를 작게 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 정현파 전압을 이용하여, 터치 정전용량에 따른 전압 변동분에 기초하여 터치 여부를 검출하는 터치 검출 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 터치입력수단과의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 복수의 센서 패드들; 상기 각 센서 패드에 정현파 전압을 인가하는 구동부; 상기 센서 패드의 출력과 연결된 제1입력단과 미리 설정된 기준 전압을 연결하는 제2입력단을 구비하는 증폭부; 상기 센서 패드의 출력과 상기 증폭부의 제1입력단을 연결하는 제1스위치와, 상기 증폭부의 제1입력단과 출력단 사이의 전위를 제어하는 제2스위치; 및 상기 터치 정전용량에 따른, 상기 증폭부의 출력단에서의 전압 변동분에 기초하여 터치 여부를 검출하는 터치 검출부를 포함하고, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 교번하여 온 또는 오프 되는, 터치 검출 장치를 제공한다.
상기 제1스위치는, 상기 각 센서 패드에 인가되는 상기 정현파 전압의 순시값이 최대치가 되는 시점에 오프 될 수 있다.
상기 터치 검출부는 상기 센서 패드에 인가되는 상기 정현파 전압의 순시값이 최대치가 되는 시점에 상기 전압 변동분의 최대값을 측정하여 터치 여부를 검출할 수 있다.
상기 증폭부의 출력단에서의 전압 레벨 중 상기 정현파 전압의 주파수에 기초하여 미리 설정된 임계 범위에 포함되지 않는 주파수 성분을 제거하는 차단부를 더 포함할 수 있다.
상기 구동부는 상기 센서 패드에 인접하게 배치된 전도성 물체에 상기 정현파 전압을 인가할 수 있다.
상기 제2 스위치는, 상기 각 센서 패드에 인가되는 상기 정현파 전압의 순시값이 최저치가 되는 시점에 소정의 시간 동안 온 되어, 터치 여부를 검출하기 위한 기준 값을 셋팅할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 증폭부의 제1입력단과 연결된 센서 패드에 정현파 전압을 인가하는 단계; 상기 정현파 전압의 순시값이 최대값을 가질 때, 터치입력도구의 터치 여부에 따른 상기 센서 패드의 출력과 상기 증폭부의 제1 입력단 간의 연결을 차단하는 단계; 및 상기 증폭부의 제2 입력단에 인가되는 기준 전압 대비 상기 증폭부의 출력단 전압에 기초하여 터치 여부를 검출하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법이 제공된다.
상기 정현파 전압 인가 단계는, 상기 센서 패드에 인접하게 배치된 전도성 물체에 상기 정현파 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정현파 전압 인가 단계 이전에, 상기 센서 패드와 상기 제1 입력단 간의 연결을 차단하고, 상기 증폭부의 제1 입력단과 출력단을 소정의 시간 동안 서로 연결하여 상기 제1 입력단과 상기 출력단 사이에 연결된 피드백 정전용량의 전하량을 초기화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 터치 검출 장치 및 그 방법에 따르면, 정현파 전압을 센서 패드에 인가할 뿐 아니라, 센서 패드에 인가된 정현파 전압의 주파수 성분을 제외한 다른 주파수 성분을 차단하여 터치 스크린 패널 구동시 발생하게 되는 노이즈 및 기생 정전용량에 대한 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 분해 평면도이다.
도 2는 통상적인 터치 검출 장치의 분해 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출부를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출부의 예시적인 파형도이다.
도 6은 터치가 발생하는 경우에 정현파 전압에 따른 증폭부의 출력단 전압의 변화를 예시한 파형도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 터치 검출 장치는 터치 스크린 패널(100)과 구동 장치(200)를 포함한다.
터치 스크린 패널(100)은 복수의 센서 패드들(110) 및 센서 패드(110)에 연결되어 있는 복수의 신호 배선들(120)을 포함한다.
각 센서 패드(110)는 터치 입력을 검출하기 위하여 기판 상에 패터닝 된 전극으로서 손가락이나 도전체와 같은 터치입력도구와의 사이에서 터치 정전용량(Ct)을 형성한다. 또한, 각 센서 패드(110)는 정현파 전압(Vg1)에 응답하여 터치입력도구의 터치 상태에 따른 센싱신호를 출력한다. 여기서, 센싱신호 는 다양한 실시예에 따라, 터치 정전용량(Ct)에 의한 터치 검출부(210)에서의 출력 전압의 전압 변화량 또는 터치 검출, 터치 좌표 산출에 이용되는 미리 정해진 데이터 또는 실시간 수신되는 데이터일 수 있다.
예를 들어, 복수의 센서 패드들(110)는 사각형 또는 마름모꼴일 수 있으나 이와 다른 형태일 수도 있으며, 균일한 형태의 다각형 형태일 수도 있다. 복수의 센서 패드들(110)은 인접한 다각형의 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
각 센서 패드(110)는 투명 도전체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각 센서 패드(110)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 각 센서 패드(110)가 금속성 물질로 형성될 수도 있다.
구동 장치(200)는 터치 검출부(210), 터치 정보 처리부(220), 메모리(230) 및 제어부(240) 등을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 집적회로(IC) 칩으로 구현될 수 있다.
터치 검출부(210), 터치 정보 처리부(220), 메모리(230), 제어부(240)는 각각 분리되거나, 둘 이상의 구성 요소들이 통합되어 구현될 수 있다.
터치 검출부(210)는 복수의 센서 패드들(110) 및 복수의 신호 배선들(120) 각각과 연결된 복수의 스위치와 복수의 정전용량을 포함할 수 있다. 터치 검출부(210)는 제어부(240)로부터 구동제어신호 를 받아 터치 검출을 위한 회로들 (예, 복수의 스위치, 복수의 정전용량 등)을 구동하고, 터치 검출 결과, 즉, 센싱신호에 대응하는 전압을 출력한다. 또한 터치 검출부(210)는 증폭기 및 아날로그-디지털 변환기를 더 포함할 수 있으며, 각 센서 패드(110)의 전압 변화의 차이를 변환, 증폭 또는 디지털화하여 메모리(230)에 기억시킬 수 있다.
터치 정보 처리부(220)는 메모리(230)에 기억된 디지털 전압을 처리하여 터치 여부, 터치 면적 및 터치 좌표 등의 필요한 정보를 생성한다. 예를 들어, 터치 정보 처리부(220)는 제어부(240)의 구동제어신호에 응답하여 터치 검출부(210)에서 출력된 출력값을 메모리(230)에 기억된 디지털 전압과 비교한 결과를 출력할 수 있다.
메모리(230)는 터치 검출부(210)로부터 검출된 전압 변화의 차이에 기초한 디지털 전압과 터치 검출, 면적 산출, 터치 좌표 산출에 이용되는 미리 정해진 데이터 또는 실시간 수신되는 데이터를 기억한다.
제어부(240)는 터치 검출부(210) 및 터치 정보 처리부(220)를 제어한다. 제어부(240)는 마이크로 컨트롤 유닛(micro control unit, MCU)을 포함할 수 있으며, 펌 웨어(Firm ware)를 통해 정해진 신호 처리를 수행할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하여 도 3에 도시되는 터치 스크린 패널 및 터치 검출부의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출부를 예시한 회로도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출부의 예시적인 파형도이다.
도 4를 참고하면, 터치 검출부(210)는 각 신호 배선(120)을 통하여 각 센서 패드(110)에 연결되어 있으며, 스위칭 동작을 하는 제1스위치(211) 및 제2스위치(212), 피드백 정전용량(C_FB), 증폭부(213) 및 차단부(214)를 포함한다.
스위칭 동작을 하는 제1스위치(211) 및 제2스위치(212), 피드백 정전용량(C_FB), 증폭부(213) 및 차단부(214)는 각 센서 패드(110) 및 각 신호 배선(120) 당 하나씩 그룹을 이룰 수 있다.
제1스위치(211)는 각 센서 패드(110)와 증폭부(213)의 제1입력단(P) 사이에 연결된다. 제1스위치(211)는 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)로서, 게이트(gate)에는 구동 제어 신호(FDRV_S)가 인가되고, 소스(source)에는 정현파 신호(Vg1)가 인가될 수 있으며 드레인(drain)은 증폭부(213)의 제1입력단에 연결될 수 있다. 물론 제1 스위치(211)의 소스가 증폭부(213)의 제1입력단에 연결되고 드레인에 정현파 신호(Vg1)가 인가될 수도 있다. 여기서, 구동 제어 신호(FDRV_S)와 정현파 신호(Vg1)는 제어부(240)에 의해 제어될 수 있다.
제2스위치(212)는 증폭부(213)의 제1입력단(P)과 출력단(Q) 사이의 전위를 제어할 수 있다. 제2스위치(212)는 도 4에 도시된 바와 같이 적어도 2개의 전계 효과 트랜지스터(212-1, 212-2)로 구성될 수 있으며, 2개의 전계 효과 트랜지스터(212-1, 212-2)는 직렬 형태로 서로 연결될 수 있다. 이 경우, 제1트랜지스터(212-1)는 증폭부(213)의 제1입력단(P)과 제2 트랜지스터(212-2) 사이에 연결될 수 있으며, 제2트랜지스터(212-2)는 제1트랜지스터(212-1)와 증폭부(213)의 출력단(Q) 사이에 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(212-1)와 제2 트랜지스터(212-2) 모두 제어 신호(FB_S)에 의해 동기화되어 제어된다. 한편, 제1트랜지스터(212-1)와 제2트랜지스터(212-2) 사이에는 기준 전압(Vref)이 인가될 수 있다.
제어 신호(FB_S)와 기준 신호(Vref)는 제어부(240)에 의해 제어될 수 있는데, 기준 신호(Vref)는 제1트랜지스터(212-1) 및 제2트랜지스터(212-1)가 턴 온 될 시에 증폭부(213)의 제1입력단(P) 및 출력단(Q)의 전압이 기준 전압(Vref)이 되도록 하기 위해 인가된다.
한편, 도 4에서는, 제2스위치(212)가 2개의 트랜지스터를 포함하고 있으나, 이에 한정되지 않고 단일 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
예를 들어, 제2스위치(212)는 피드백 정전용량(C_FB)과 병렬로 연결될 수 있으며, 제어 신호(FB_S)에 의해 제어될 수 있다. 이 경우, 제2스위치(212)가 턴 온 되면 증폭부(213)의 제2입력단에 연결된 기준 전압(Vref)이 피드백 되어 증폭부(213)의 제1입력단(P) 및 출력단(Q)의 전압이 기준 전압(Vref)이 될 수 있다.
즉, 2개의 트랜지스터(212-1, 212-2)로 구성된 경우와 단일 트랜지스터인 경우, 제2스위치(212)의 동작은 동일함을 알 수 있다. 이하에서는, 제2스위치(212)가 2개의 트랜지스터(212-1, 212-2)로 구성된 경우로 설명하기로 한다.
한편, 제1스위치(211) 및 제2스위치(212)는 트랜지스터로 도시하였으나, 트랜지스터 대신에 스위칭 동작을 할 수 있는 다른 소자가 사용될 수 있다. 예를 들어 릴레이(Relay), MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치, BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSTET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor), OP AMP(Operational Amplifier)일 수 있으며, 이들끼리의 동종간 또는 이종간의 결합에 의해 형성될 수도 있다. 릴레이는 3단자형 소자 외에 4단자형 소자도 사용될 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 제1스위치(211) 및 제2스위치(212)는 공급되는 제어 신호(FDRV_S, FB_S)에 따라 턴 온 또는 턴 오프 되는 것에 대하여, 간략히 해당 스위치가 온 또는 오프 된다고 칭하기로 한다.
기준 전압(Vref)은 터치 발생 여부에 따른 증폭부(213)의 출력단(Q)에서의 전압 변동분(△V)을 비교하기 위해 사전에 설정되는 전압으로, 초기에는 증폭부(213)의 전압이 기준 전압(Vref)으로 조정될 수 있으며, 이로 인해 기준 전압(Vref)과의 전압 차이에 따라 터치 여부가 검출될 수 있다.
도 4에서 터치 정전용량(Ct)은 사용자가 센서 패드(110)를 터치할 경우에 센서 패드(110)와 사용자의 손가락 등의 터치입력도구 사이에 형성되는 정전용량을 나타낸 것이다.
한편, 증폭부(213)는 센서 패드(110)의 출력과 연결된 제1입력단(P)과 기준 전압(Vref)을 연결하는 제2입력단을 구비한다. 또한, 증폭부(213)의 제1입력단(P)과 출력단(Q) 사이에는 피드백 정전용량(C_FB)을 포함할 수 있다. 증폭부(213)의 출력단(Q)은 차단부(214)에 연결될 수 있다.
차단부(214)는 증폭부(213)의 출력단에서의 전압 레벨 중 정현파 전압(Vg1)의 주파수에 기초하여 미리 설정된 임계 범위에 포함되지 않는 주파수 성분을 제거할 수 있다. 여기서, 차단부(214)는 터치 검출시 주변에서 발생할 수 있는 기생 정전용량과 노이즈 신호를 제거하는 역할을 한다. 예를 들어, 차단부(214)는 정현파 신호(Vg1)의 주파수를 포함하는 일정 범위를 임계 범위로 설정하고, 설정된 해당 주파수를 제외한 다른 주파수들을 제거하도록 하여, 노이즈와 기생 정전용량에 의한 영향(예, 터치 인식 오류 등)을 최소화할 수 있다. 이때, 차단부(214)는 저역통과필터, 고역통과필터 및 대역통과필터 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 노이즈는 외부 환경에 의한 노이즈(LCD 전원 노이즈 등), 센서 패드, 회로 기판, 터치IC 등에 의한 노이즈 등을 포함할 수 있고, 기생 정전용량은 센서 패드(110), 신호 배선(120) 등에 의해 형성되는 일종의 기생 용량으로, 터치 검출부(210), 터치 스크린 패널, 영상 표시 장치에 의해 발생하는 임의의 기생 용량을 포함할 수 있다.
구동부(215)는 센서 패드(110)에 정현파 전압(Vg1)을 인가한다. 이때, 구동부(215)는 센서 패드(110) 대신에 센서 패드(110)에 인접하게 배치된 전도성 물체에 정현파 전압(Vg1)을 인가함으로써, 센서 패드(110)에 신호가 유기되도록 할 수도 있다. 정현파 전압(Vg1)은 교류 형태의 사인파(sine) 신호와 같이 소정의 주기와 단일 주파수를 유지하는 신호일 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 도 4에 도시된 회로의 동작을 설명하기로 한다. 이때, 정현파 전압(Vg1)은 최저치가 0V, 최고치가 1.8V인 사인파 형태의 신호이고, 기준 전압(Vref)이 0.9V 인 경우로 가정하여 설명하기로 한다. 여기서, 제어 신호(FB_S)가 저전압(0V)일 때 제2스위치(212)가 오프 되고, 고전압(1.8V)일 때 제2스위치(212)가 온 되며, 제어 신호(FDRV_S)가 저전압(0V)일 때 제1스위치(211)가 오프 되고, 고전압(1.8V)일 때 제1스위치(211)가 온 될 수 있다.
한편, 설명의 편의를 위해, 터치가 발생하지 않은 경우(No Touch)에 대한 설명에 앞서, 센서 패드(110)에 터치가 발생한 경우(Full Touch 및 1/2 Touch)에 대하여 먼저 설명하기로 한다.
도 5에서는, 센서 패드(110)의 전체 면적이 터치된 경우의 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 값(V(Q))의 최저치는 0.2V이고, 센서 패드(110)의 면적 절반이 터치된 경우의 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 값(V(Q))은 0.6V로 가정하여 설명하기로 한다. 실제로는, 센서 패드(110)에 터치입력도구가 터치되는 터치 면적에 따라 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 값(V(Q))이 상이해지므로, 센서 패드(110)의 터치 면적 별로 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 값(V(Q))이 미리 측정되거나 설정될 수 있다.
먼저, 도 5를 참조하여 터치입력도구가 센서 패드(110)의 전체 면적(Full Touch)을 터치한 경우에 대하여 살펴본다. 터치 발생 시에는 센서 패드(110)와 터치입력도구 사이에 터치 정전용량(Ct)이 형성된다.
T1 구간에서는, 제1스위치(211)는 오프(OFF) 된 상태에서 제2스위치(212)가 온(ON) 되면, 기준 전압(Vref)이 제2스위치(212)를 통해 연결되면서 증폭부(213)의 제1입력단(P)과 출력단(Q)의 전압(V(Q))이 기준 전압(Vref)인 0.9V가 된다. 이때 피드백 정전용량의 양단은 기준 전압(Vref)이 인가되어 전위차가 없으므로, 피드백 정전용량(C_FB)의 전하량(
Figure 112013079126610-pat00001
)은 초기화된다. 또한, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q))은 기준 전압(Vref)인 상태로서, 터치 여부를 검출하기 위한 기준 값이 된다. T1 구간에서의 피드백 정전용량(C_FB) 전하량(
Figure 112013079126610-pat00002
)을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 1]
Figure 112013079126610-pat00003
T2 구간에서는, 제2스위치(212)가 오프 된 후에 제1스위치(211)가 온 되면, 증폭부(213)의 제1입력단(P)에 센서 패드(110)가 연결되면서,
Figure 112013079126610-pat00004
의 전하량은 터치 정전 용량과 피드백 정전용량에서 공유되어 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(Vout)이 점차 감소하게 된다. 즉, 센서 패드(110)에 인가되는 정현파 전압(Vg1) 및 터치 정전용량(Ct)의 전하량 변화에 의해 증폭부(213)의 피드백 정전용량에서의 전하량은 다음 [수학식 2]와 같이 되고, 피드백 정전용량에서의 전압 변동분(△V)으로 정리하면 [수학식 3]과 같이 된다.
[수학식 2]
Figure 112013079126610-pat00005
Figure 112013079126610-pat00006
[수학식 3]
Figure 112013079126610-pat00007
여기서, Vref는 기준 전압이고, Ct는 터치 정전용량, C_FB는 피드백 정전용량, Vg1은 정현파 전압의 순시값, △V는 피드백 정전용량(C_FB)에서의 전압 변동분이다.
[수학식 3]에 의하면, △V는 T1 구간에서 기준 전압(Vref)을 유지하다가, T2 구간에서 터치 정전용량(Ct)과 정현파 전압의 순시값(Vg1)의 크기에 따라 점차 변하게 된다. 특히, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q))은 정현파 전압의 순시값(Vg1)이 최대치(1.8V)가 되는 시점에 최저치인 0.2V가 된다.
T3 구간에서는, 제1스위치(211)가 오프 된다. 제1스위치(211)가 오프 되면, 증폭부(213)의 제1입력단(P)에 정현파 전압(Vg1)이 인가되는 센서 패드(110)가 연결되지 않는다. 정현파 전압(Vg1)이 최대치(1.8V)가 되는 시점, 즉, 제1스위치(211)가 오프 되어, 증폭부(213)의 제1입력단(P)에 정현파 전압(Vg1)이 인가되는 센서 패드(110)가 연결되지 않으면, △V가 최대인 상태에서, 즉 [수학식 3]에 따라 기준 전압(Vref)과의 전압 차이가 0.7V(0.9V-0.2V)인 상태를 유지하게 된다.
즉, 터치 검출부(210)는 센서 패드(110)에 인가되는 정현파 전압(Vg1)의 순시값이 최대치가 되는 시점에 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 차이가 최대인 상태에서 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 변동분(△V)의 최대값을 측정할 수 있다.
이로 인해, 도 5에 도시된 바와 같이 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q)) 값이 최저 값인 0.2V이고, 전압 변동분의 최대값이 0.7V가 된다. 즉, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q)) 값이 최저치로 측정되어, 센서 패드(110)에 터치가 발생하였을 뿐 아니라, 센서 패드(110)의 전체 면적(Full Touch)에 터치되었음을 알 수 있다.
이후, 제2스위치(212)가 온 되면, 증폭부(213)의 출력단(Q) 전압은 다시 초기 상태인 기준 전압(Vref)이 될 수 있다.
한편, 터치입력도구가 센서 패드(110)의 절반 면적(1/2 Touch)을 터치한 경우에 대하여 살펴본다.
T4 구간에서는, 제1스위치(211)가 오프 되고 제2스위치(212)가 온 되면, 증폭부(213)의 제1입력단(P)과 출력단(Q)의 전압은 기준 전압(Vref)인 0.9V가 된다.
T5 구간에서는, 제2스위치(212)가 오프 된 후에 제1스위치(211)가 온 되면서, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q))이 [수학식 3]에 따라 변하게 된다. 여기서, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q))은 정현파 전압의 순시값(Vg1)이 최대치(1.8V)가 되는 시점에 최저치가 0.6V이다.
T6 구간에서는, 제1스위치(211)가 오프 되고, 증폭부(213)의 제1입력단(P)에 정현파 전압(Vg1)이 인가되는 센서 패드(110)가 연결되지 않는다 . 즉, 정현파 전압(Vg1)이 최대치(1.8V)가 되는 시점에 제1스위치(211)가 오프 되면서 증폭부(213)의 제1입력단(P)에 정현파 전압(Vg1)이 인가되는 센서 패드(110)가 연결되지 않으면 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 변동분은 0.3V(0.9V-0.6V)인 상태를 유지하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q)) 값이 0.6V이고, 전압 변동분의 최대값이 0.3V가 된다. 즉, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q)) 값이 최저치로 측정되었으므로, 센서 패드(110)의 면적에 절반(1/2 Touch)이 터치되었음을 알 수 있다.
즉, 센서 패드(110)의 면적에 절반이 터치된 경우에는, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 변동분이 0.3V로, 센서 패드(110)의 전체 면적이 터치된 경우의 0.7V 보다 전압 차이가 더 작다.
이는, [수학식 3]에 따라, 증폭부(213)의 출력단(Q) 전압이 터치 정전용량(Ct)의 값에 따라 달라지기 때문이다. 센서 패드(110)에 터치입력도구가 터치되는 면적이 커지면 터치 정전용량(Ct) 값이 커짐에 따라, △V 값이 작아지게 되어, V(Q)값이 전체면적을 터치한 경우보다 큰 값이 되는 것이다. 즉, 센서 패드(110)에 터치입력도구가 터치되는 면적에 따라 증폭부(213)의 출력단(Q) 전압 변동분(△V)이 상이해진다.
따라서, 터치 검출부(210)는 터치 정전용량(Ct) 값에 따른 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압 변동분(△V)을 측정하게 되면, 터치 여부 검출뿐 아니라 터치 면적을 산출할 수 있다.
다음으로, 센서 패드(110)에 터치입력도구가 터치되지 않은 경우(No touch)에 대하여 살펴본다.
제1스위치(211)가 오프 되고 제2스위치(212)가 온 되면, 증폭부(213)의 제1입력단(P)과 출력단(Q)의 전압은 기준 전압(Vref)인 0.9V가 된다.
제2스위치(212)가 오프 된 후에 제1스위치(211)가 온이 되면, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q))은 [수학식 3]에 따라 산출된다. 그러나, 증폭부(213)의 제1입력단(P)에 센서 패드(110)가 연결되어 정현파 전압(Vg1)이 인가되지만, 터치 정전용량(Ct) 값이 0이므로, 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q))은 0.9V를 그대로 유지하게 된다.
이후, 정현파 전압(Vg1)이 최대치(1.8V)가 되는 시점, 즉 제1스위치(211)가 오프 되어, 증폭부(213)의 제1입력단(P)에 정현파 전압(Vg1)이 인가되는 센서 패드(110)가 연결되지 않는 경우에도 증폭부(213)의 출력단(Q)의 전압(V(Q))은 기준 전압(Vref)을 그대로 유지하게 되며, 전압 차이 또한 없다.
즉, 센서 패드(110)에 터치입력도구가 터치되지 않은 경우(No Touch)에는, 도 5에 도시된 바와 같이 제1스위치(211)와 제2스위치(212)가 온 또는 오프 됨과 관계 없이 증폭부(213)의 출력단(Q) 전압이 기준 전압(Vref)을 지속적으로 유지하게 된다.
따라서, 터치 검출부(210)는 터치 정전용량에 따른 증폭부(213)의 출력단에서의 전압 변동분에 기초하여 터치 여부를 검출할 수 있다. 이때, 터치 검출부(210)는 센서 패드(110)에 정현파 전압을 인가하고, 복수 개의 스위치를 제어하여 기준 전압과 정현파 전압에 의한 증폭부(213)의 출력단 전압(V(Q)) 변동분을 통해 터치 여부 검출 및 터치 면적을 산출할 수 있다. 일례로서 터치되지 않은 경우(No Touch)의 증폭부(213)의 출력단(Q) 전압이 터치 여부 검출의 기초가 되는 전압 변동분의 기준 값이 될 수 있다.
도 6은 터치 발생시 정현파 전압에 따른 증폭부의 출력단 전압의 변화를 예시한 파형도이다. 도 6은, 도 5에 도시된 파형도를 참고하여 터치가 발생한 경우(Full Touch 및 1/2 Touch)에 정현파 전압(Vg1)의 변화에 따라 증폭부의 출력단 전압이 변화되는 것을 상대적으로 보여주기 위한 도면이다. 여기서, 가로축은 시간(Time)이고, 세로축은 증폭부의 출력단 전압값(Vout)이다. 또한, 정현파 전압(Vg1)은 교류 형태의 사인파(sine) 신호이고, Full Touch는 센서 패드(110)의 전체 면적이 터치된 경우 증폭부의 출력단 전압 변화를 나타내는 파형이며, Half Touch는 센서 패드(110)의 면적에 절반이 터치된 경우 증폭부의 출력단 전압 변화를 나타내는 파형이다.
설명의 편의를 위해, 도 6은, 도 5에 도시된 파형도 중에서 터치 발생시 정현파 전압(Vg1)과 터치가 발생한 경우의 증폭부의 출력단 전압을 하나의 도면에 도시하기로 한다.
먼저, 터치입력도구가 센서 패드(110)의 전체 면적(Full Touch)에 터치된 경우를 살펴본다.
제1스위치(211)가 오프 된 상태에서 제2스위치(212)가 온 되면, 기준 전압이 제2스위치를 통해 연결되면서 증폭부의 출력단 전압(Vout) 값이 초기에는 V(Q).max가 된다.
다음으로, 제2스위치(212)가 오프 된 후에 제1스위치(211)가 온 되면, 정현파 전압(Vg1)이 인가되는 센서 패드(110)가 연결되면서, 증폭부의 출력단 전압(Vout)이 점차 감소하다가, 정현파 전압의 순시값(Vg1)이 최대치(Vg1.max)일 때, 증폭부의 출력단 전압(Vout)이 최저치(V(Q).min)가 된다.
이후, 제1스위치(211)가 오프 되고, 제2스위치(212)가 온 되면서, 정현파 전압의 순시값(Vg1)이 최저치(Vg1.min)일 때, 증폭부의 출력단 전압(Vout)은 다시 초기 상태인 V(Q).max 값이 된다. 실제로는, 도 5에서 설명한 바와 같이, 제1스위치(211)가 오프 되면, 정현파 전압(Vg1)이 인가되는 센서 패드가 연결되지 않고, 출력단의 전압(Vout)이 최저치(V(Q).min1)인 상태를 유지하다가, 그 이 후에 제2스위치(212)가 온 되면서, 곧바로 증폭부의 출력단 전압(Vout)이 V(Q).max 값이 될 수 있다.
마찬가지로, 터치입력도구가 센서 패드(110)의 절반 면적(1/2 Touch)을 터치한 경우에 대하여 살펴보면, 센서 패드(110)의 전체 면적(Full Touch)이 터치된 경우와 유사하게 정현파 전압의 순시값(Vg1)이 최대치(Vg1.max)일 때, 증폭부의 출력단 전압(Vout)이 최저치(V(Q).min2)가 되고, 정현파 전압의 순시값(Vg1)이 최저치(Vg1.min)일 때, 증폭부의 출력단 전압(Vout)은 다시 초기 상태인 V(Q).max 값이 된다.
증폭부의 출력단 전압(Vout)의 최저치 값(V(Q).min2)이 센서 패드(110)의 전체 면적(Full Touch)이 터치된 경우(V(Q).min1)에 비하여 더 큰 값을 가진다. 다시 말해, 센서 패드(110)의 절반 면적(1/2 Touch)이 터치된 경우의 증폭부 출력단의 전압 변동분(△V₂)이, 센서 패드(110)의 전체 면적(Full Touch)이 터치된 경우의 전압 변동분(△V₁) 보다 1/2 정도 더 작음을 알 수 있다.
이로 인해, 터치 발생시 정현파 전압(Vg1)의 변화에 따라 출력단 전압이 변화하는 형태는 유사하나, 터치 면적에 따라 전압 변동분(△V)이 상이해진다는 것을 알 수 있다.
이상에서는, 정현파 전압(Vg1)이 센서 패드(110)에 직접 인가되는 것에 한정하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 센서 패드(110)에 인접하게 배치된 전도성 물체에 정현파 전압(Vg1)이 인가될 수도 있다. 이로 인해, 상기 전도성 물체와 센서 패드(110) 사이에 전기장(Electric Field)이 형성되고, 전기장에 의해 센서 패드(110)에 신호가 유기될 수도 있다. 즉, 본 발명은 뮤추얼(Mutual) 방식으로 터치 검출하는 경우에도 적용 가능하다.
또한, 이상에서는, 정현파 전압(Vg1)을 0 내지 1.8V, 기준전압(Vref)을 0.9인 경우로 각각 예시하여 설명하였으나, 본 발명의 범위가 상기 수치에 한정되는 것은 아닌 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 터치 검출 장치는 센서 패드(110)에 구형파 형태(예, Rectangular 형태의 신호)의 신호 대신에 정현파 신호(예, Sine 형태의 교류 신호)를 이용하고, 정현파 신호의 주파수 외의 다른 주파수를 제거하여, 터치 스크린 패널 구동시 발생하게 되는 노이즈와 기생 정전용량에 의한 영향을 최소화할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 터치입력수단과의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 복수의 센서 패드들;
    상기 각 센서 패드에 특정 주파수를 갖는 정현파 전압을 인가하는 구동부;
    상기 복수의 센서 패드들 중 특정 센서 패드의 출력과 연결되는 제1입력단과 미리 설정된 기준 전압을 연결하는 제2입력단을 구비하는 증폭부;
    상기 특정 센서 패드의 출력과 상기 증폭부의 제1입력단을 연결하는 제1스위치와, 상기 증폭부의 제1입력단과 출력단 사이의 전위를 제어하며 상기 제1 스위치와 교번하여 온 또는 오프되는 제2스위치; 및
    상기 증폭부의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결되며, 상기 제1 스위치가 온 상태일 때, 상기 특정 센서 패드에 형성된 터치 정전용량과 전하를 공유하는 피드백 정전용량; 및
    상기 전하 공유 후 제1 스위치가 오프 상태로 전환된 상태에서, 상기 터치 정전용량에 따른, 상기 증폭부의 출력단에서의 전압 변동분에 기초하여 터치 여부를 검출하는 터치 검출부를 포함하는,
    터치 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1스위치는, 상기 각 센서 패드에 인가되는 상기 정현파 전압의 순시값이 최대치가 되는 시점에 오프 되는, 터치 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 터치 검출부는 상기 센서 패드에 인가되는 상기 정현파 전압의 순시값이 최대치가 되는 시점에 상기 전압 변동분의 최대값을 측정하여 터치 여부를 검출하는, 터치 검출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭부의 출력단에서의 전압 레벨 중 상기 정현파 전압의 주파수에 기초하여 미리 설정된 임계 범위에 포함되지 않는 주파수 성분을 제거하는 차단부를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 센서 패드에 인접하게 배치된 전도성 물체에 상기 정현파 전압을 인가하는, 터치 검출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 스위치는, 상기 각 센서 패드에 인가되는 상기 정현파 전압의 순시값이 최저치가 되는 시점에 소정의 시간 동안 온 되어, 터치 여부를 검출하기 위한 기준 값을 셋팅하는, 터치 검출 장치.
  7. 증폭부의 제1입력단과 연결된 센서 패드에 정현파 전압을 인가하는 단계;
    상기 정현파 전압의 순시값이 최대값을 가질 때, 터치입력도구의 터치 여부에 따른 상기 센서 패드의 출력과 상기 증폭부의 제1 입력단 간의 연결을 차단하는 단계; 및
    상기 증폭부의 제2 입력단에 인가되는 기준 전압 대비 상기 증폭부의 출력단 전압에 기초하여 터치 여부를 검출하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 정현파 전압 인가 단계는,
    상기 센서 패드에 인접하게 배치된 전도성 물체에 상기 정현파 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 정현파 전압 인가 단계 이전에,
    상기 센서 패드와 상기 제1 입력단 간의 연결을 차단하고, 상기 증폭부의 제1 입력단과 출력단을 소정의 시간 동안 서로 연결하여 상기 제1 입력단과 상기 출력단 사이에 연결된 피드백 정전용량의 전하량을 초기화시키는 단계를 더 포함하는, 터치 검출 방법.
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