KR101462149B1 - 터치센서, 이를 갖는 액정표시패널 및 터치센서의 센싱방법 - Google Patents

터치센서, 이를 갖는 액정표시패널 및 터치센서의 센싱방법 Download PDF

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Abstract

터치센서는 터치 동작을 센싱하기 위하여 액정표시패널에 내장되고, 포토 다이오드로 이루어진 광 감지부, 액정 커패시터로 이루어진 용량 감지부 및 게이트부를 포함한다. 광 감지부는 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 외부 광량에 대응하는 제어 신호를 생성하고, 용량 감지부는 상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 액정 커패시터의 커패시턴스 변화량에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시킨다. 센싱신호 출력부는 상기 제어 신호에 응답하여 센싱 신호를 생성하고, 생성된 센싱신호를 출력하는 시점을 결정한다. 이처럼 용량 감지부가 추가됨으로써 광 감지 방식을 채용하는 터치센서에서 발생할 수 있는 그림자 효과로 인한 오동작 또는 조도가 낮은 환경에서의 오동작을 보완할 수 있다.

Description

터치센서, 이를 갖는 액정표시패널 및 터치센서의 센싱방법{TOUCH SENSOR, LIQUID CRYSTAL DISPLAY PANEL HAVING THE SAME AND METHOD OF SENSING THE SAME}
본 발명은 터치센서, 이를 갖는 액정표시패널 및 터치센서의 센싱방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액정표시패널에 내장된 터치센서, 이를 갖는 액정표시패널 및 터치센서의 센싱방법에 관한 것이다.
일반적으로 터치패널은 영상표시장치의 화면상에 나타낸 지시 내용을 사람의 손 또는 물체로 선택할 수 있도록, 영상표시장치의 최상층에 구비되어 손 및 물체에 직접적으로 접촉되는 패널이다. 터치패널을 구비하는 영상표시장치는 터치패널을 통해 접촉된 위치를 파악하고, 접촉된 위치에서 지시하는 내용을 입력신호로 받아들여 입력신호에 따라서 구동된다.
터치패널을 갖는 영상표시장치는 키보드 및 마우스와 같이 영상표시장치에 연결되어 동작하는 별도의 입력 장치를 필요로 하지 않기 때문에 사용이 증대되고 있는 추세이다.
최근에는 터치패널이 액정표시장치에도 사용되고 있으며, 이 경우 터치패널은 영상을 표시하는 액정표시패널의 상층에 구비되어 사용자로부터 소정의 입력을 받아 위치 정보를 검출한다. 그러나, 터치패널이 액정표시패널과 별도의 패널로 구비되면 휘도 및 시야각과 같은 액정표시장치의 광학적 특성이 저하될 뿐만 아니라, 터치패널의 두께만큼 액정표시장치의 전체적인 두께가 증가하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 액정표시패널에 내장되어 터치동작을 정확하게 인식하기 위한 터치센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 터치센서를 구비하는 액정표시패널을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 터치센서의 센싱 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 터치센서는 영상을 표시하는 액정표시패널에 내장된다. 상기한 터치센서는 상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 외부 광량에 대응하는 제어 신호를 생성하는 광 감지부, 상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 커패시턴스의 변화량에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 용량 감지부, 및 상기 제어 신호에 응답하여 센싱 신호를 생성하고, 상기 생성된 센싱신호를 출력하는 시점을 결정하는 센싱신호 출력부를 포함한다.
본 발명에 따른 액정표시장치는 다수의 게이트 라인, 다수의 데이터 라인, 대응하는 게이트 라인과 대응하는 데이터 라인에 전기적으로 연결된 다수의 박막 트랜지스터, 및 상기 다수의 박막 트랜지스터에 각각 전기적으로 연결된 다수의 제 1 액정 커패시터로 이루어져 영상을 표시하는 액정표시패널을 포함한다. 상기 액정표시장치는 상기 액정표시패널에 내장되고, 외부 광량 및 셀갭의 변화를 감지하여 터치 동작을 센싱하는 터치센서를 포함한다.
상기 터치센서는 상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 외부 광량에 대응하는 제어 신호를 생성하는 광 감지부, 상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 커패시턴스의 변화량에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 용량 감지부, 및 상기 제어 신호에 응답하여 센싱 신호를 생성하고, 상기 생성된 센싱신호를 출력하는 시점을 결정하는 센싱신호 출력부를 포함한다.
본 발명에 따른 터치센서의 센싱 방법은, 액정표시패널에 내장된 포토 다이오드를 이용하여 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 외부 광량에 대응하는 제어 신호를 생성하는 단계; 상기 액정표시패널에 내장된 액정 커패시터를 이용하여 상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 상기 액정 커패시터의 커패시턴스 변화량에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 단계; 및 상기 제어 신호에 응답하여 센싱 신호를 생성하고, 상기 생성된 센싱신호를 출력하는 단계를 포함한다.
이와 같은 터치센서는 광 감지부와 용량 감지부를 이용하여 터치동작에 의한 외부 광량의 변화와 셀갭의 변화를 동시에 감지함으로써, 광 감지 방식에서 발생할 수 있는 그림자 현상으로 인한 오동작 및 주위 조도가 낮은 환경에서의 오동작을 용량 감지부를 통해서 보완할 수 있고, 그 결과 정확한 센싱 동작을 수행할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 액정표시장치(400)는 액정표시패널(100), 데이터 드라이버(210), 게이트 드라이버(220) 및 컨트롤러(300)를 포함한다.
상기 컨트롤러(300)는 외부로부터 영상 데이터(I-data)와 각종 제어신호(CS)를 입력받는다. 상기 컨트롤러(300)는 각종 제어신호(CS)를 변환하여 데이터 제어신호(CS1) 및 게이트 제어신호(CS2)를 생성한다. 상기 컨트롤러(300)는 상기 데이터 제어신호(CS1) 및 상기 영상 데이터(I-data)를 상기 데이터 드라이버(210)로 전송하고, 상기 게이트 제어신호(CS2)를 상기 게이트 드라이버(220)로 전송한다.
상기 데이터 드라이버(210)는 상기 데이터 제어신호(CS1)에 응답하여 상기 영상 데이터(I-data)를 상기 데이터 신호로 변환하여 출력한다. 상기 게이트 드라이버(220)는 상기 게이트 제어신호(CS2)에 응답하여 제1 또는 제2 게이트 구동전압(Von, Voff)을 게이트 신호로써 상기 다수의 게이트 라인(GL1 ~ GLn)으로 출력한다.
상기 액정표시패널(100)에는 다수의 화소가 매트릭스 형태로 구비된다. 구체적으로, 상기 액정표시패널(100)에는 서로 절연되게 교차하는 다수의 데이터 라인(DL1 ~ DLm)과 다수의 게이트 라인(GL1 ~ GLn)이 구비되고, 상기 다수의 데이터 라인(DL1 ~ DLm)과 상기 다수의 게이트 라인(GL1 ~ GLn)에 의해서 매트릭스 형태로 형성된 다수의 화소영역에는 상기 다수의 화소(110)가 각각 구비된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각 화소(110)는 박막 트랜지스터(111) 및 제1 액정 커패시터(CLC1)로 이루어진다. 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 각 화소(110)는 상기 제1 액정 커패시터(CLC1)에 병렬 연결된 스토리지 커패시터를 더 구비할 수 있다.
상기 데이터 라인들(DL1 ~ DLm)은 상기 데이터 드라이버(210)에 전기적으로 연결되어 상기 데이터 신호를 입력받고, 상기 게이트 라인들(GL1 ~ GLn)은 상기 게이트 드라이버(220)에 전기적으로 연결되어 상기 게이트 신호를 순차적으로 입력받는다.
상기 박막 트랜지스터(111)는 대응하는 게이트 라인과 대응하는 데이터 라인에 전기적으로 연결되어 게이트 신호에 응답하여 데이터 신호를 입력받는다. 상기 제1 액정 커패시터(CLC1)는 대응하는 박막 트랜지스터(111)의 출력단에 전기적으로 연결되어 상기 데이터 신호를 입력받는다.
한편, 상기 액정표시패널(100)에는 다수의 터치센서(120)가 내장된다. 본 발명의 일 예로, 각 터치센서(120)는 포토 다이오드(Dp), 제2 액정 커패시터(CLC2), 및 커플링 커패시터(Ccp)를 포함한다. 상기 각 터치센서(120)는 화소영역의 주변에 형성된 블랙 매트릭스 영역 내에 구비된다. 단, 상기 포토 다이오드(Dp)가 외부 광량을 감지할 수 있도록 상기 포토 다이오드(Dp)가 구비된 영역에서 블랙 매트릭스가 부분적으로 제거되고, 그 결과 상기 포토 다이오드(Dp)가 외부광을 입력받을 수 있다. 한편, 상기 포토 다이오드(Dp)는 상기 액정표시패널(100)의 외부로부터 제공된 광 중 상기 액정표시패널(100) 내부에서 반사된 광을 감지할 수도 있다.
상기 포토 다이오드(Dp)는 상기 액정표시패널(100)을 터치하는 동작이 일어날 때 변화되는 외부 광량에 반응하여 동작한다. 즉, 터치된 영역에서는 외부 광량이 감소하기 때문에 상기 포토 다이오드(Dp)에는 광전류가 거의 흐르지 않는다. 그러나, 터치가 안된 영역에서는 외부광량이 감소하지 않기 때문에 상기 포토 다이오드(Dp)에는 큰 광전류가 흐른다.
한편, 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)는 상기 화소영역에 구비되는 제1 액정 커패시터(CLC1)와 구별된다. 즉, 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)는 상기 액정표시패널(100)을 터치하는 동작이 일어나면 상기 액정표시패널(100)의 셀갭이 변화하는데 이를 감지하기 위한 것이다. 구체적으로, 상기 액정표시패널(100)을 터치하는 동작이 일어나면 상기 액정표시패널(100)의 셀갭이 감소하여, 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 커패시턴스가 증가한다. 그러나, 터치가 안된 영역에서는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 커패시턴스가 증가하지 않는다.
상기 터치센서(120)는 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2)를 더 포함하지만, 상기 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2)에 대해서는 이후 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 각 터치센서(120)는 포토 다이오드(Dp)가 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)에 결합된 구조를 가짐으로써, 외부 광량 뿐만 아니라 셀갭의 변화를 통해서 상기 액정표시패널(100)의 터치된 위치를 감지할 수 있다. 따라서, 상기 터치센서들(120)이 내장된 상기 액정표시패널(100)의 터치 감도를 향상시킬 수 있고, 터치된 위치를 정확하게 판별할 수 있다.
또한, 상기 터치센서(120)의 밀도는 원하는 터치 감도와 개구율에 따라서 다르게 설정될 수 있다. 즉, 터치 감도를 향상시키기 위해서는 상기 터치센서(120)의 밀도를 향상시키면 되고, 개구율을 향상시키기 위해서는 상기 터치센서(120)의 밀도를 감소시키면 된다.
한편, 도 1에서는 상기 각 터치센서(120)의 구조를 개략적으로 도시되어 있으나, 상기 터치센서(120)의 상세한 구조는 도 2, 도 6 및 도 7에서 제시될 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센서의 회로도이고, 도 3은 n번째 게이트 신호, n-1번째 게이트 신호 및 게이트 노드(Ng)의 전위를 나타낸 파형도이다.
도 2를 참조하면, 터치센서(120)는 포토 다이오드(Dp), 제2 액정 커패시터(CLC2), 커플링 커패시터(Ccp), 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2)를 포함한다.
상기 포토 다이오드(Dp)는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극과 제1 신호라인과의 사이에 연결된다. 특히, 상기 포토 다이오드(Dp)의 애노드는 상기 제1 신호라인에 연결되고, 캐소드는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극에 연결된다. 여기서, 상기 포토 다이오드(Dp)와 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극이 결합된 노드를 게이트 노드(Ng)라고 정의한다. 또한, 상기 제1 신호라인은 도 1에 도시된 게이트 라인들 중 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 도 2에서는 상기 제1 신호라인이 n번째 게이트 라인(GLn)으로 이루어진 구조를 일 예로써 도시하였다.
상기 커플링 커패시터(Ccp)는 상기 게이트 노드(Ng)와 상기 제1 신호라인(GLn)과의 사이에 연결된다. 상기 제1 트랜지스터(T1)는 상기 게이트 노드(Ng)에 연결된 제어단, 구동전압라인(VDDL)에 연결된 입력단 및 제2 트랜지스터(T2)에 연결된 출력단으로 이루어진다. 상기 제2 트랜지스터(T2)는 리드아웃 신호를 입력받는 제2 신호라인에 연결된 제어단, 상기 제1 트랜지스터(T1)의 출력단에 연결된 입력단 및 리드아웃 라인(RL)에 연결된 출력단으로 이루어진다.
여기서, 상기 제2 신호라인(GLn-1)은 상기 게이트 라인들 중 n-1번째 게이트 라인(GLn-1)으로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 제2 신호라인에는 n-1번째 게이트 신호가 상기 리드아웃 신호로써 입력된다.
한편, 상기 리드아웃 라인(RL)은 도 1에 도시된 바와 같이 데이터 라인들(DL1 ~ DLm)과 평행한 방향으로 연장되고, 도 1에 도시된 데이터 드라이버(210)에 내장된 센서 드라이버(230)에 전기적으로 연결된다.
상기 센서 드라이버(230) 내에는 상기 리드아웃 라인(RL)에 연결된 적분기(231)가 구비된다. 상기 적분기(231)의 마이너스 단자(-)에는 상기 리드아웃 라인(RL)이 연결되고, 플러스 단자(+)에는 기준 전압(Vref)이 공급된다. 따라서, 상기 적분기(231)로부터 출력된 출력전압(Vout)은 상기 기준 전압(Vref)에 대해서 마이너스 극성을 갖는다.
상기와 같이 구성된 터치센서(120)는 다음과 같이 동작한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, i번째 프레임(i는 1이상의 자연수)에서 상기 제1 신호라인(GLn)으로 제공되는 n번째 게이트 신호가 하이 상태로 발생되면, 상기 포토 다이오드(Dp)가 턴-온되어 상기 게이트 노드(Ng)의 전위가 상승한다. 즉, 상기 게이트 노드(Ng)는 상기 n번째 게이트 신호(리셋신호)에 응답하여 다음 수학식 1에 의해서 정의된 리셋 전압(Vreset)으로 리셋된다. 여기서, 상기 n번째 게이트 신호의 하이 구간을 리셋구간(Treset)으로 정의할 수 있다.
Figure 112008036451663-pat00001
여기서, Vhigh는 상기 n번째 게이트 신호의 하이 전압이고, Vth는 상기 포토 다이오드(Dp)의 문턱전압이다.
이후, 상기 n번째 게이트 신호가 로우 상태로 천이되면, 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 커플링 커패시터(Ccp)와 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)에 의해서 챠지 커플링되어 하강한다. 여기서, 상기 게이트 노드(Ng)의 전위가 하강하는 구간을 조정구간(Tintegration)으로 정의할 수 있다. 한편, 챠지 커플링에 의해서 하강된 상기 게이트 노드(Ng)의 전위(이하, 커플링 전압(Vcoup))는 다음 수학식 2에 의해서 정의된다.
Figure 112008036451663-pat00002
여기서, Vlow는 상기 n번째 게이트 신호의 로우 전압이다.
수학식 2에 나타난 바와 같이, 상기 커플링 전압(Vcoup)은 상기 제2 액정 커 패시터(CLC2)와 상기 커플링 커패시터(Ccp)의 커패시턴스 비율에 의해서 변화된다. 즉, 상기 액정표시패널에 터치가 일어나면 셀갭 감소로 인해서 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 커패시턴스가 상승한다. 따라서, 상기 커플링 전압(Vcoup)은 터치가 안된 영역보다 터치된 영역에서 높게 나타난다.
한편, 상기 커플링 전압(Vcoup)은 상기 n번째 게이트 신호가 로우 상태로 전환된 이후부터 상기 포토 다이오드(Dp)에 의해서 변화하게 된다. 즉, 터치된 영역에서는 포토 다이오드(Dp)로 입사되는 외부광이 차단되므로 포토 다이오드(Dp)에 역방향 전류가 작은 반면에 터치가 안된 영역에서는 외부광이 포토 다이오드(Dp)로 입사되므로 광전류가 상대적으로 크다.
따라서, 상기 n번째 게이트 신호가 로우 상태로 전환된 이후부터 상기 n-1번째 게이트 신호가 하이 상태로 발생되기 이전까지 터치된 영역에서 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 커플링 전압(Vcoup)으로 유지되지만, 터치가 안된 영역에서 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 포토 다이오드(Dp)의 광전류에 의해서 상기 커플링 전압(Vcoup)으로부터 서서히 감소된다.
이와 같이 터치된 영역과 터치가 안된 영역 사이에서 상기 게이트 노드의 전위차가 발생하고, 그 결과, 제1 트랜지스터(T1)로부터 출력되는 전류값(Iout)이 달라진다.
이후, i+1번째 프레임에서 상기 제2 신호라인(GLn-1)으로 인가되는 상기 n-1번째 게이트 신호가 하이 상태로 올라가면, 상기 제2 트랜지스터(T2)가 턴-온된다. 따라서, 제1 트랜지스터(T1)로부터 출력된 전류값(Iout)은 상기 제2 트랜지스 터(T2) 및 상기 리드아웃 라인(RL)을 경유하여 센서 드라이버(230, 도 1에 도시됨)에 구비된 적분기(231)로 제공된다. 상기 적분기(231)는 상기 리드아웃 라인(RL)을 통해 공급된 전류값(Iout)에 대응하는 전압(Vout)을 출력한다. 따라서, 센서 드라이버(230)는 적분기(231)로부터 출력되는 전압(Vout)의 전압 레벨을 근거로하여 터치된 영역과 터치가 안된 영역을 판단할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 액정표시패널의 모식도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 포인트(PA)는 본 발명의 일 실시예로 터치팬(미도시)에 의해서 터치된 영역이고, 제2 및 제3 포인트(PB, PC)는 상기 터치팬의 그림자 영역이며, 제4 포인트(PD)는 터치되지 않은 영역이다.
터치된 제1 포인트(PA)에서 상기 게이트 노드(Ng)는 액정 커패시턴스 증가로 인하여 상대적으로 높은 제1 커플링 전압(VPA)으로 커플링되고, 외부광이 완전히 차단된 상태이므로 n-1번째 게이트 신호가 발생되기까지 상기 제1 커플링 전압(VPA)을 유지한다. 제2 포인트(PB)는 터치팬의 그림자 영역이지만, 상기 제1 포인트(PA)와 거의 근접하므로 외부광이 완전 차단된다고 가정할 수 있다. 그러나, 상기 제2 포인트(PB)는 그림자 영역이므로 상기 제1 포인트((PA)에서보다 액정 커패시턴스가 증가하지 않으므로 상기 제2 포인트(PB)에서의 상기 게이트 노드(Ng)는 상기 제1 커플링 전압(VPA)보다 낮은 제2 커플링 전압(VPB)으로 커플링되고, n-1번째 게이트 신호 가 발생되기까지 상기 제2 커플링 전압(VPB)을 유지한다.
한편, 제3 포인트(PC)의 제3 커플링 전압(VPC)에서 상기 게이트 노드(Ng)는 초기에는 상기 제2 커플링 전압(VPB)과 동일하게 커플링되지만, 제1 포인트(PA)와 거리가 있는 그림자 영역이므로 외부광이 조금 유입되기 때문에 n-1번째 게이트 신호가 발생되기까지 서서히 감소한다. 상기 제4 포인트(PD)는 터치가 안된 영역이므로, 외부광이 차단되지 않을 뿐만 아니라 액정 커패시턴스가 증가하지 않으므로, 제4 포인트(PD)의 제4 커플링 전압(VPD)은 그림자 영역인 상기 제3 포인트(PA)의 제3 커플링 전압(VPC)보다 큰 비율로 감소한다.
도 5는 위치에 따른 도 2에 도시된 적분기의 출력전압을 나타낸 파형도이다. 도 5에서, 제1 구간(A1)은 액정 커패시턴스의 변화량에 근거한 차이이고, 제2 구간(B1)은 포토 다이오드(Dp)의 광전류값에 근거한 차이이다.
도 5에 도시된 바와 같이 액정 커패시턴스의 변화로 인하여 터치된 영역과 그림자 영역 사이의 출력전압(Vout, 도 2에 도시됨)의 차가 뚜렷하게 나타나므로, 그림자 효과로 인한 오동작을 방지할 수 있다. 결과적으로, 센서 드라이버(230)는 출력전압을 근거로하여 정확하게 터치 동작을 인식할 수 있고, 그 결과 터치 동작을 근거로한 외부 신호처리가 정확하게 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치센서의 회로도이다. 도 6에 도시된 구성요소 중 도 2에 도시된 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참 조부호를 병기하고, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 터치센서(121)는 포토 다이오드(Dp), 제2 액정 커패시터(CLC2), 커플링 커패시터(Ccp), 제1 트랜지스터(T1), 제2 트랜지스터(T2) 및 제3 트랜지스터(T3)를 포함한다.
상기 포토 다이오드(Dp)는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극과 상기 액정표시패널(100, 도 1에 도시됨)에서 공통전압(Vst)이 인가되는 공통전압라인(미도시)과의 사이에 연결된다. 특히, 상기 포토 다이오드(Dp)의 애노드는 상기 공통전압라인에 연결되고, 캐소드는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극에 연결된다. 여기서, 상기 포토 다이오드(Dp)와 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극이 결합된 노드를 게이트 노드(Ng)라고 정의한다. 상기 제3 트랜지스터(T3)는 제1 신호라인에 연결된 제어단, 구동전압라인(VDDL)에 연결된 입력단 및 상기 게이트 노드(Ng)에 연결된 출력단으로 이루어진다.
상기 제1 신호라인은 도 1에 도시된 게이트 라인들 중 n번째 게이트 라인(GLn)으로 이루어지므로, 상기 제3 트랜지스터(T3)는 상기 제1 신호라인(GLn)으로 인가되는 n번째 게이트 신호의 하이구간에서 턴-온된다. 따라서, 상기 게이트 노드(Ng)는 상기 n번째 게이트 신호의 하이구간에서 구동전압으로 리셋된다.
이후, 상기 n번째 게이트 신호가 로우 상태로 천이되면, 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 커플링 커패시터(Ccp)와 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)에 의해서 챠지 커플링되어 하강된다. 챠지 커플링에 의해서 하강된 상기 게이트 노드(Ng)의 전위를 커플링 전압(Vcoup)이라고 정의한다. 상기 커플링 전압(Vcoup)은 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)와 상기 커플링 커패시터(Ccp)의 커패시턴스 비율에 의해서 변화된다. 즉, 상기 액정표시패널(100)에 터치가 일어나면 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 커패시턴스가 상승한다. 따라서, 상기 커플링 전압(Vcoup)은 터치가 안된 영역보다 터치된 영역에서 높게 나타난다.
한편, 상기 커플링 전압(Vcoup)은 상기 n번째 게이트 신호가 로우 상태로 전환된 이후부터 상기 포토 다이오드(Dp)에 의해서 변화된다. 즉, 터치된 영역에서는 포토 다이오드(Dp)로 입사되는 외부광이 차단되므로 포토 다이오드(Dp)에 역바이어스가 걸려서 광전류가 거의 흐르지 않지만, 터치가 안된 영역에서는 외부광이 포토 다이오드(Dp)로 입사되므로 광전류가 크게 나타난다.
따라서, 상기 n번째 게이트 신호가 로우 상태로 전환된 이후부터 상기 n-1번째 게이트 신호가 하이 상태로 발생되기 이전까지 터치된 영역에서 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 커플링 전압(Vcoup)으로 유지도지만, 터치가 안된 영역에서 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 커플링 전압(Vcoup)으로부터 서서히 감소된다.
이와 같이 터치된 영역과 터치가 안된 영역 사이에서 커플링 전압의 차이가 발생하면, 상기 제1 트랜지스터(T1)로부터 출력되는 전류값(Iout)이 달라진다.
이후, i+1번째 프레임에서 상기 제2 신호라인(GLn-1)으로 인가되는 상기 n-1번째 게이트 신호가 하이 상태로 올라가면, 상기 제2 트랜지스터(T2)가 턴-온된다. 따라서, 제1 트랜지스터(T1)로부터 출력된 전류값(Iout)은 리드아웃 라인(RL)을 경유하여 센서 드라이버(230, 도 1에 도시됨)에 구비된 적분기(231)로 제공된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치센서의 회로도이다. 도 8은 n번째 게이트 신호, n-1번째 게이트 신호 및 구동전압을 나타낸 파형도이다. 도 9는 시간에 따른 게이트 노드(Ng)의 전위를 나타낸 그래프이다. 도 9에서 제1 그래프(G1)는 터치가 안된 영역에서 시간에 따른 게이트 노드(Ng)의 전위를 나타낸 것이고, 제2 그래프(G2)는 터치된 영역에서 시간에 따른 게이트 노드(Ng)의 전위를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 터치센서(123)는 포토 다이오드(Dp), 제2 액정 커패시터(CLC2), 커플링 커패시터(Ccp), 제4 및 제5 트랜지스터(T4, T5)로 이루어진다.
상기 포토 다이오드(Dp)는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극과 구동전압라인(VDDL)과의 사이에 연결된다. 특히, 상기 포토 다이오드(Dp)의 캐소드는 상기 구동전압라인(VDDL)에 연결되고, 애노드는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극에 연결된다. 여기서, 상기 포토 다이오드(Dp)와 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 제1 전극이 결합된 노드를 게이트 노드(Ng)라고 정의한다. 상기 제4 트랜지스터(T4)는 제1 신호라인에 연결된 제어단, 제2 신호라인에 연결된 입력단 및 상기 게이트 노드(Ng)에 연결된 출력단으로 이루어진다.
상기 제1 신호라인은 도 1에 도시된 게이트 라인들 중 n번째 게이트 라인(GLn)으로 이루어지고, 상기 제2 신호라인은 n-1번째 게이트 라인(GLn-1)으로 이루어진다. 상기 제4 트랜지스터(T4)는 상기 제1 신호라인(GLn)으로 인가되는 n번째 게이트 신호의 하이구간에서 턴-온된다. 따라서, 상기 게이트 노드(Ng)는 i번째 프 레임에서 상기 n번째 게이트 신호의 하이구간에서 상기 제2 신호라인(GLn-1)으로 인가되는 n-1번째 게이트 신호로 리셋된다. 상기 n번째 게이트 신호의 하이구간은 리셋구간(Treset)으로 정의될 수 있다. 또한, 상기 n-1번째 게이트 신호의 로우 전압(예를 들어, -7V)을 리셋 전압으로 정의한다.
한편, 상기 구동전압라인(VDDL)에는 상기 n-1번째 게이트 신호와 동일한 위상을 갖는 펄스 형태의 구동전압(VDD)이 인가된다. 본 발명의 일 예로 상기 구동전압(VDD)은 로우 구간에서 그라운드 전압(0V)을 유지하고, 하이 구간에서 상기 n-1번째 게이트 신호의 하이 전압(예를 들어, 25V)과 동일한 전압레벨을 유지한다.
다음, 상기 리셋 구간(Treset)부터 i+1번째 프레임에서 상기 구동전압(VDD)이 하이 상태로 발생되기 이전까지를 조정 구간(Tintegration)으로 정의한다. 상기 조정 구간(Tintegration)동안 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 포토 다이오드(Dp)의 광전류에 의해서 결정된다. 즉, 터치된 영역에서는 상기 포토 다이오드(Dp)에 역바이어스가 걸려 광전류가 작으므로 상기 게이트 노드(Ng)는 상기 리셋 전압(-7V)을 유지한다. 그러나, 터치가 안된 영역에서는 상기 포토 다이오드(Dp)의 광전류가 크게 나타나므로 상기 구동전압의 로우 전압(0V)이 상기 게이트 노드(Ng)에 충전된다. 이처럼, 터치 동작의 여부에 따라서 상기 게이트 노드(Ng)에 전압차가 7V 정도로 발생한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제3 구간(A2)은 포토 다이오드(Dp)로 입사되는 외부광의 광량에 의해서 터치된 영역과 터치가 안된 영역 사이에서 게이트 노드(Ng)의 전위차가 발생되는 구간이다.
한편, 상기 제5 트랜지스터(T5)는 상기 게이트 노드(Ng)에 연결된 제어단, 상기 구동전압라인(VDDL)에 연결된 입력단 및 리드아웃 라인(RL)에 연결된 출력단으로 이루어진다. 상기 커플링 커패시터(Ccp)는 상기 구동전압라인(VDDL)과 상기 게이트 노드(Ng) 사이에 연결된다.
다음, i+1번째 프레임에서 상기 구동전압(VDD)이 하이 상태로 발생되면, 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 커플링 커패시터(Ccp)와 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)에 의해서 챠지 커플링되어 상승한다. 여기서, 상기 구동전압(VDD)의 하이 구간을 리드아웃 구간(Treadout)으로 정의한다. 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)와 상기 커플링 커패시터(Ccp)의 커패시턴스 비율에 의해서 변화된다. 즉, 상기 액정표시패널(100)의 터치된 영역에서는 셀갭이 작아지므로 상기 제2 액정 커패시터(CLC2)의 커패시턴스는 터치되지 않은 영역보다 상승한다. 따라서, 상기 게이트 노드(Ng)의 전위는 터치된 영역보다 터치가 안된 영역에서 챠지 커플링에 의해서 더 많이 상승한다.
도 9의 제4 구간(B2)에서는 제2 액정 커패시터(CLC2)의 커패시턴스에 의해서 터치된 영역과 터치가 안된 영역 사이에서 게이트 노드(Ng)의 전위차가 발생한다.
상기 게이트 노드(Ng)의 전위에 따라서 상기 제4 트랜지스터(T4)로부터 출력되는 전류값(Iout)이 달라지고, 상기한 전류값(Iout)은 리드아웃 라인(RL)을 경유하여 센서 드라이버(230)에 구비된 적분기(231)로 제공된다.
도 10은 위치에 따른 도 7에 도시된 적분기로부로부터의 출력전압을 나타낸 파형도이다. 도 10에서, 제5 구간(A3)은 액정 커패시턴스의 변화량에 근거한 차이 이고, 제6 구간(B3)은 포토 다이오드(Dp)의 광전류값에 근거한 차이이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 터치된 제1 포인트(PA)와 외부 광량의 크기가 거의 동일한 제2 포인트(PB) 사이에서는 액정 커패시턴스의 변화로 인해서 출력전압(Vout, 도 7에 도시됨)의 차이가 뚜렷하게 나타난다. 또한, 터치된 제1 포인트(PA)와 터치가 안된 제4 포인트(PD) 사이에서는 외부 광량과 액정 커패시턴스에 의해서 출력전압의 차이가 발생한다. 따라서, 그림자 효과로 인한 터치센서의 오동작을 방지할 수 있고, 터치된 영역과 터치가 안된 영역 사이의 전압차가 증가하여 정확하게 터치 동작을 인식할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센서의 회로도이다.
도 3은 n번째 게이트 신호, n-1번째 게이트 신호 및 게이트 노드(Ng)의 전위를 나타낸 파형도이다.
도 4는 도 1에 도시된 액정표시패널의 모식도이다.
도 5는 위치에 따른 도 2에 도시된 적분기로부로부터의 출력전압을 나타낸 파형도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치센서의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치센서의 회로도이다.
도 8은 n번째 게이트 신호, n-1번째 게이트 신호 및 구동전압을 나타낸 파형도이다.
도 9는 시간에 따른 게이트 노드(Ng)의 전위를 나타낸 그래프이다.
도 10은 위치에 따른 도 7에 도시된 적분기로부로부터의 출력전압을 나타낸 파형도이다.

Claims (25)

  1. 영상을 표시하는 액정표시패널에 내장된 터치센서에서,
    상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 외부 광량에 대응하는 제어 신호를 생성하는 광 감지부;
    상기 액정표시패널이 터치될 때 상기 액정 표시 패널의 셀갭의 변화에 따른 커패시턴스의 변화량에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 용량 감지부; 및
    상기 제어 신호에 응답하여 센싱 신호를 생성하고, 상기 생성된 센싱신호를 출력하는 시점을 결정하는 센싱신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 감지부는 포토 다이오드를 포함하고,
    상기 용량 감지부는 상기 포토 다이오드와 연결된 액정 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 포토 다이오드와 상기 액정 커패시터가 연결된 노드에서 상기 포토 다이오드와 상기 액정 커패시터에 연결되고, 상기 액정 커패시터의 커패시턴스와 비율에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 커플링 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 커플링 커패시터의 제1 전극과 상기 포토 다이오드의 애노드에 공통으로 연결되고, 리셋 신호를 입력받는 제1 신호라인; 및
    상기 센싱신호 출력부에 리드아웃 신호를 공급하는 제2 신호라인을 더 포함하고,
    상기 포토 다이오드의 캐소드와 상기 커플링 커패시터의 제2 전극은 상기 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호라인은 상기 액정표시패널에 구비되는 다수의 게이트 라인들 중 n번째 및 n-1번째 게이트 라인(n은 2이상의 자연수)으로 각각 이루어지며,
    상기 리셋 신호는 i번째 프레임(i는 1이상의 자연수)에서 n번째 게이트 라인으로 인가되는 n번째 게이트 신호이고, 상기 리드아웃 신호는 i+1번째 프레임에서 n-1번째 게이트 라인으로 인가되는 n-1번째 게이트 신호인 것을 특징으로 하는 터치센서.
  6. 제4항에 있어서, 상기 센싱신호 출력부는,
    상기 노드에 연결되고, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 센싱 신호를 출력하는 제1 트랜지스터; 및
    상기 제1 트랜지스터에 연결되고, 상기 리드아웃 신호에 응답하여 상기 제1 트랜지스터로부터 출력된 상기 센싱 신호를 스위칭하는 제2 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터는,
    상기 노드에 연결된 제어단;
    구동전압을 입력받는 구동전압라인에 연결된 입력단; 및
    상기 제2 트랜지스터에 연결된 출력단을 포함하고,
    상기 제2 트랜지스터는,
    상기 제1 트랜지스터의 출력단에 연결된 입력단;
    상기 제2 신호라인에 연결된 제어단; 및
    상기 센싱 신호를 출력하는 리드아웃 라인에 연결된 출력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  8. 제3항에 있어서, 상기 포토 다이오드의 캐소드는 상기 노드에 연결되고, 애노드는 상기 액정표시패널에 구비되어 공통전압을 입력받는 공통전압라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 커플링 커패시터의 제1 전극에 연결되어 리셋 신호를 입력받는 제1 신호라인; 및
    상기 센싱신호 출력부에 리드아웃 신호를 공급하는 제2 신호라인을 더 포함하고,
    상기 커플링 커패시터의 제2 전극은 상기 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호라인은 상기 액정표시패널에 구비되는 다수의 게이트 라인들 중 n번째 및 n-1번째 게이트 라인으로 각각 이루어진 것을 특징으로 하는 터치센서.
  11. 제9항에 있어서, 상기 센싱신호 출력부는 제1 및 제2 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제1 트랜지스터는 상기 노드에 연결된 제어단, 구동 전압을 입력받는 구동전압라인에 연결된 입력단 및 상기 제2 트랜지스터에 연결된 출력단으로 이루어지며,
    상기 제2 트랜지스터는 상기 제1 트랜지스터의 출력단에 연결된 입력단, 상기 리드아웃 신호를 입력받는 제어단 및 상기 센싱 신호를 출력하는 리드아웃 라인에 연결된 출력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 신호라인에 연결된 제어단, 상기 구동전압라인에 연결된 입력단 및 상기 노드에 연결된 제어단으로 이루어진 제3 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  13. 제3항에 있어서, 스위칭 신호를 입력받는 제1 신호라인;
    리셋 신호를 입력받는 제2 신호라인; 및
    상기 리셋 신호와 동일한 위상을 갖는 펄스 형태의 구동전압을 입력받는 구동전압라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 커플링 커패시터의 제1 전극 및 상기 포토 다이오드의 캐소드는 상기 구동전압라인에 연결되며, 상기 커플링 커패시터의 제2 전극 및 상기 포토 다이오드의 애노드는 상기 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 센싱신호 출력부는 상기 노드에 연결된 제어단, 상기 구동전압라인에 연결된 입력단 및 리드아웃 라인에 연결된 출력단으로 이루어진 제4 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제4 트랜지스터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 리드아웃 라인으로 상기 센싱 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 신호라인에 연결된 제어단, 상기 제2 신호라인에 연결된 입력단 및 상기 노드에 연결된 출력단으로 이루어진 제5 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 제5 트랜지스터는 상기 스위칭 신호에 응답하여 상기 리셋신호를 상기 노드로 출력하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제1 신호라인은 상기 액정표시패널에 구비되는 게이트 라인들 중 n번째 게이트 라인으로 이루어져 n번째 게이트 신호를 상기 스위칭 신호로써 입력받고, 상기 제2 신호라인은 n-1번째 게이트 라인으로 이루어져 n-1번째 게이트 신호를 상기 리셋신호로써 입력받는 것을 특징으로 하는 터치센서.
  18. 다수의 게이트 라인, 다수의 데이터 라인, 대응하는 게이트 라인과 대응하는 데이터 라인에 전기적으로 연결된 다수의 박막 트랜지스터, 및 상기 다수의 박막 트랜지스터에 각각 전기적으로 연결된 다수의 제1 액정 커패시터로 이루어져 영상을 표시하는 액정표시패널; 및
    상기 액정표시패널에 내장되고, 외부 광량 및 셀갭의 변화를 감지하여 터치 동작을 센싱하는 터치센서를 포함하고,
    상기 터치센서는,
    상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 외부 광량에 대응하는 제어 신호를 생성하는 광 감지부;
    상기 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 커패시턴스의 변화량에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 용량 감지부; 및
    상기 제어 신호에 응답하여 센싱 신호를 생성하고, 상기 생성된 센싱신호를 출력하는 시점을 결정하는 센싱신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 광 감지부는 포토 다이오드를 포함하고,
    상기 용량 감지부는 상기 포토 다이오드와 연결된 제2 액정 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 포토 다이오드와 상기 제2 액정 커패시터가 연결된 노드에서 상기 포토 다이오드와 상기 제2 액정 커패시터에 연결되고, 상기 제2 액정 커패시터의 커패시턴스와 비율에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 커플링 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 커플링 커패시터의 제1 전극과 상기 포토 다이오드의 애노드에 공통으로 연결되고, 리셋 신호를 입력받는 제1 신호라인; 및
    상기 센싱신호 출력부에 리드아웃 신호를 공급하는 제2 신호라인을 더 포함하고,
    상기 포토 다이오드의 캐소드와 상기 커플링 커패시터의 제2 전극은 상기 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호라인은 상기 액정표시패널에 구비되는 다수의 게이트 라인들 중 n번째 및 n-1번째 게이트 라인(n은 2이상의 자연수)으로 각각 이루어지며,
    상기 리셋 신호는 i번째 프레임(i는 1이상의 자연수)에서 n번째 게이트 라인으로 인가되는 n번째 게이트 신호이고, 상기 리드아웃 신호는 i+1번째 프레임에서 n-1번째 게이트 라인으로 인가되는 n-1번째 게이트 신호인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  23. 액정표시패널에 내장된 포토 다이오드를 이용하여 액정표시패널이 터치될 때 변화되는 외부 광량에 대응하는 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 액정표시패널에 내장된 액정 커패시터를 이용하여 상기 액정표시패널이 터치될 때 상기 액정 표시 패널의 셀갭의 변화에 따른 상기 액정 커패시터의 커패시턴스 변화량에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 단계; 및
    상기 제어 신호에 응답하여 센싱 신호를 생성하고, 상기 생성된 센싱신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 구동방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제어 신호를 생성하는 단계 이전에,
    리셋신호에 응답하여 상기 액정 커패시터와 상기 포토 다이오드가 결합된 노드를 리셋시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 구동방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제어 신호를 변화시키는 단계는,
    상기 액정표시패널이 터치될 때 증가하는 상기 액정 커패시터의 커패시턴스와 상기 노드에 연결된 커플링 커패시터의 커패시턴스와의 비율에 근거하여 상기 제어 신호를 변화시키는 것을 특징으로 하는 터치센서의 구동 방법.
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