KR101482931B1 - 터치 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 고립되어 배치되는 센서 패드를 포함하는 터치 패널의 터치 검출 방법에 있어서, 복수의 센서 패드를 선택하는 단계; 상기 선택된 복수의 센서 패드의 충전 후 플로팅 상태에서 공급되는 교번전압에 대한 응답으로 출력되는 신호를 동시에 획득하는 단계; 및 상기 복수의 센서 패드로부터 동시에 획득된 출력 신호를 순차적으로 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 터치 검출 방법이 제공된다.

Description

터치 검출 방법 및 장치{TOUCH DETECTION METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 터치 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 터치 센서로부터 출력되며 터치 여부 판단에 필요한 신호를 동시에 획득함으로써 터치 검출 시간을 감소시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 화면에 표시된 문자나 도형을 사람의 손가락이나 다른 접촉수단으로 접촉하여 사용자의 명령을 입력하는 장치로서, 영상 표시 장치 위에 부착되어 사용된다. 터치 스크린 패널은 사람의 손가락 등으로 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다. 상기 전기적 신호는 입력 신호로서 이용된다.
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(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 수차례 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 패드(22)를 순차적으로 하나씩 선택하여 해당 센서 패드(22)의 정전용량을 측정하고, 이를 통해 터치 발생 여부를 검출해낸다.
하나의 센서 패드(22)에 대한 정전용량 측정을 위해서는, 센서 패드(22)에 대한 프리챠징 시간, 프리챠징 후 플로팅 상태에서 구동 전압 인가 시 전압 변화가 정상 상태로 돌아올 때까지의 시간, 신호 변환 및 터치 발생 여부 판단 시간이 필요하다.
종래에는 한번에 하나의 센서 패드(22)에 대해서만 터치 발생 여부 검출이 가능하였기 때문에, 모든 센서 패드(22)에 대한 터치 발생 여부 검출에는 많은 시간이 요구되었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 고립되어 배치되는 복수의 센서 패드를 포함하는 터치 패널에 있어, 통상적인 구조를 그대로 유지하면서 검출 시간을 감소시키고자 하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 고립되어 배치되는 센서 패드를 포함하는 터치 패널의 터치 검출 방법에 있어서, 복수의 센서 패드를 선택하는 단계; 상기 선택된 복수의 센서 패드의 충전 후 플로팅 상태에서 공급되는 교번전압에 대한 응답으로 출력되는 신호를 동시에 획득하는 단계; 및 상기 복수의 센서 패드로부터 동시에 획득된 출력 신호를 순차적으로 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 터치 검출 방법이 제공된다.
상기 복수의 센서 패드 선택 단계는, 일 이상의 센서 패드와 신호 배선을 통해 연결되는 복수의 멀티플렉서가 하나씩의 센서 패드를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센서 패드는 M×N의 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 복수의 멀티플렉서는 각각 M개의 센서 패드와 연결되는 N개의 멀티플렉서로 구현될 수 있다.
상기 선택된 복수의 센서 패드로부터 동시에 획득된 신호는 하나의 멀티플렉서에 의해 상기 변환을 수행하는 아날로그-디지털 변환기로 순차적으로 입력될 수 있다.
상기 변환된 신호를 통해 터치 미발생시와 발생시 상기 교번전압에 따른 상기 센서 패드에서의 전압 변동분 차이에 기초하여 터치 여부를 검출하는 단계를 더 포함하는, 터치 검출 방법.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 고립되어 배치되는 센서 패드를 포함하는 터치 패널의 터치 검출 장치에 있어서, 각각 복수의 센서 패드를 선택하는 복수의 제1 멀티플렉서; 상기 제1 멀티플렉서에 의해 선택된 복수의 센서 패드의 충전 후 플로팅 상태에서 공급되는 교번전압에 대한 응답으로 출력되는 신호를 동시에 입력받는 제2 멀티플렉서; 및 상기 제2 멀티플렉서로부터 순차적으로 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 터치 검출 장치가 제공된다.
상기 센서 패드는 M×N의 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 제1 멀티플렉서는 N개로 구현되어 각각 M개의 센서 패드와 연결될 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 변환된 신호를 통해 터치 미발생시와 발생시 상기 교번전압에 따른 상기 센서 패드에서의 전압 변동분 차이에 기초하여 터치 여부를 검출하는 레벨시프트 검출부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고립되어 배치되는 복수의 센서 패드를 포함하는 터치 패널에 있어, 복수의 센서 패드로부터 터치 검출을 위해 필요한 신호를 동시에 획득할 수 있기 때문에, 전체 터치 패널에 대해 터치 검출 소요 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 1은 종래 터치 패널의 분해 평면도이다.
도 2는 통상적인 터치 검출 장치의 분해 평면도이다.
도 3은 터치 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 터치 검출 장치의 상세 내부 구성을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 터치 검출 장치의 구동 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 터치 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 예시적인 파형도이다.
도 7은 터치 검출 과정에서 시간 흐름에 따른 센서 패드 출력단 전압 변화를 나타내는 파형도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
도 3은 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 터치 검출 장치는 터치 패널(100)과 구동 장치(200)를 포함한다.
터치 패널(100)은 복수의 센서 패드(110) 및 센서 패드(110)에 연결되어 있는 복수의 신호 배선(120)을 포함한다.
예를 들어 복수의 센서 패드(110)는 사각형 또는 마름모꼴일 수 있으나 이와 다른 형태일 수도 있으며, 균일한 형태의 다각형 형태일 수도 있다. 센서 패드(110)는 인접한 다각형의 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
구동 장치(200)는 터치 검출부(210), 터치 정보 처리부(220), 메모리(230) 및 제어부(240) 등을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 직접회로(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 센서 패드(110) 및 신호 배선(120)과 연결된 복수의 스위치와 복수의 커패시터를 포함할 수 있으며, 제어부(240)로부터 신호를 받아 터치 검출을 위한 회로들을 구동하고, 터치 검출 결과에 대응하는 전압을 출력한다. 또한 터치 검출부(210)는 증폭기 및 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있으며, 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.
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 제어하며, 마이크로 컨트롤 유닛(micro control unit, MCU)을 포함할 수 있으며, 펌 웨어를 통해 정해진 신호 처리를 수행할 수 있다.
도 4를 참조하여, 터치 검출부(210)의 동작에 대해 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 터치 검출부(210)는 매트릭스 형태로 서로 고립되어 배치되는 센서 패드(110)의 열의 수만큼의 제1 멀티플렉서(MUX1)를 포함한다. 도 4에서는 M×N개의 센서 패드(110)가 매트릭스 형태로 배치되는 예가 도시되었으며, 이에 따라, 센서 패드(110)의 열의 수에 대응되는 N개의 제1 멀티플렉서(MUX1)가 구비된다.
하나의 제1 멀티플렉서(MUX1)는 하나의 열에 속해 있는 M개의 센서 패드(110)와 각각 연결된 M개의 신호 배선(120) 중 하나를 선택한다. 선택과 관련된 신호는 제어부(240)로부터 인가될 수 있다.
선택된 신호 배선(120)과 연결된 센서 패드(110)의 출력 신호는 제2 멀티플렉서(MUX2)로 입력된다. 센서 패드(110)의 출력 신호는 구동 회로(211)의 동작에 의해 출력될 수 있다.
제2 멀티플렉서(MUX2)는 N 개의 제1 멀티플렉서(MUX1) 중 하나를 선택하고, 선택된 제1 멀티플렉서(MUX1)로부터 출력되는 특정 센서 패드(110)의 출력 신호를 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 전달한다.
즉, 제1 멀티플렉서(MUX1)와 제2 멀티플렉서(MUX2)에 의해 선택되는 하나의 센서 패드(110)로부터 출력되는 신호가 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 입력된다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 센서 패드(110)로부터 출력되는 신호, 즉, 전압 변화 차이를 변환, 증폭 또는 디지털화하여 메모리부(230; 도 3 참조)에 저장할 수 있다.
도 5는 터치 검출부(210)의 구동 회로(211)의 구성을 상세하게 나타내는 회로도이며, 도 6은 구동 회로(211)의 동작을 설명하기 위한 터치 검출부(210)의 예시적인 파형도이다.
도 5를 참조하면, 구동 회로(211)는 신호 배선(120)을 통하여 센서 패드(110)에 연결되어 있으며, 스위칭 동작을 하는 트랜지스터(Ts), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv), 공통 전압 커패시터(Cvcom)를 포함한다.
트랜지스터(Ts), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv), 공통 전압 커패시터(Cvcom)는 센서 패드(110) 및 신호 배선(120) 당 하나씩 그룹을 이룰 수 있으며, 앞으로 센서 패드(110), 신호 배선(120), 트랜지스터(Ts), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv) 및 공통 전압 커패시터(Cvcom)를 합하여 "터치 센싱 유닛(touch sensing unit)"라 한다. 이 터치 센싱 유닛은 각각의 구성요소가 멀티플렉서에 의해 전기적으로 연결된 경우를 포함하는 개념이다.
도 5에서 신호 배선(120)은 구동 회로(211)와 센서 패드(110) 간에 직접적으로 연결되는 것으로 도시되었으나, 신호 배선(120)은 복수의 센서 패드(110)에 각각 연결된 복수의 신호 배선(120) 중 제1 멀티플렉서(MUX1; 도 4 참조)에 의해 선택된 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 터치가 발생하지 않았을 경우의 전기적 특성 또는 데이터 값을 "비터치 기준값 (non-touch reference value)"이라고 칭한다.
이하, 편의상 커패시터와 그 정전용량의 도면 부호는 동일하게 사용한다.
트랜지스터(Ts)는 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)로서, 게이트(gate)에는 제어 신호(Vg)가 인가되고, 소스(source)에는 충전 신호(Vb)가 인가될 수 있으며 드레인(drain)은 신호 배선(120)에 연결될 수 있다. 물론 소스가 신호 배선(120)에 연결되고 드레인에 충전 신호(Vb)가 인가될 수도 있다. 제어 신호(Vg)와 충전 신호(Vb)는 제어부(240)에 의해 제어될 수 있으며, 트랜지스터(Ts) 대신 스위칭 동작을 할 수 있는 다른 소자가 사용될 수도 있다.
기생 정전용량(Cp)은 센서 패드(110)에 부수되는 정전용량을 의미하는 것으로 센서 패드(110), 신호 배선(120) 등에 의해 형성되는 일종의 기생 용량이다. 기생 정전용량(Cp)은 터치 검출부(210), 터치 패널, 영상 표시 장치에 의해 발생하는 임의의 기생 용량을 포함할 수 있다.
공통 전압 정전용량(Cvcom)은 터치 패널(100)이 LCD와 같은 표시 장치(도시하지 않음) 위에 장착될 때 표시 장치의 공통 전극(도시하지 않음)과 터치 패널(100) 사이에 형성되는 정전용량이다. 공통 전극에는 구형파 등의 공통 전압(Vcom)이 표시 장치에 의하여 인가된다. 한편 공통 전압 정전용량(Cvcom)도 일종의 기생 용량으로서 기생 정전용량(Cp)에 포함될 수 있으며, 이하 공통 전압 정전용량(CVcom)에 대한 별도로 언급이 없으면 공통 전압 정전용량(Cvcom)은 기생정전용량(Cp)에 포함되는 것으로 설명한다.
구동 정전용량(Cdrv)은 센서 패드(110)별 소정 주파수로 교번하는 교번전압(Vdrv)을 공급하는 경로에 형성되는 정전용량이다. 구동 커패시터(Cdrv)에 인가되는 교번전압(Vdrv)은 바람직하게는 구형파 신호이다. 교번전압(Vdrv)은 듀티비(duty ratio)가 동일한 클럭 신호일 수도 있으나 듀티비가 상이할 수도 있다. 교번전압(Vdrv)은 별도의 교번전압 생성 수단에 의하여 제공될 수도 있으나, 공통 전압(Vcom)을 이용할 수도 있다.
한편, 도 5에서 터치 정전용량(Ct)은 사용자가 센서 패드(110)를 터치할 경우에 센서 패드(110)와 사용자의 손가락 등의 터치 입력 도구 사이에 형성되는 정전용량을 나타낸 것이다.
도 6을 참고하면, 충전 신호(Vb)와 제어 신호(Vg)가 각각 트랜지스터(Ts)의 소스와 게이트에 인가되어 있다.
먼저, 센서 패드(110)에 터치 입력 도구가 터치되지 않은 경우(non-touch)에 대하여 살펴본다. 충전 신호(Vb)가 예를 들면 5V로 상승한 후에, 트랜지스터(Ts)의 게이트에 인가되는 제어 신호(Vg)가 저전압(VL)에서 고전압(VH)으로 올라가면 트랜지스터(Ts)가 턴온되면서 제1 충전 구간(T1)이 시작된다. 이에 따라 센서 패드(110)는 5V의 충전 신호(Vb)로 충전되며, 출력 전압(Vo)은 충전 전압(Vb)이 된다. 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv) 및 공통 전압 커패시터(Cvcom)에도 충전 전압(Vb)에 의하여 전하가 충전된다. 제1 충전 구간(T1)에서는 트랜지스터(Ts)가 턴온되므로 교번전압(Vdrv)은 출력 전압(Vo)에 영향을 미치지 않는다.
다음, 제어 신호(Vg)가 고전압(VH)에서 저전압(VL)으로 내려가면서 제1 센싱 구간(T2)이 시작되면 트랜지스터(Ts)가 턴 오프되고, 터치 커패시터(Ct), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv) 및 공통 전압 커패시터(Cvcom)가 충전된 상태로 고립된다. 이 때, 충전된 전하를 안정적으로 고립시키기 위하여 센서 패드(110)의 출력단은 하이 임피던스를 가질 수 있다.
이와 같이 센서 패드(110) 등에 충전된 전하가 고립되어 있는 상태를 플로팅(floating) 상태라 한다. 이때, 구동 커패시터(Cdrv)에 인가된 교번전압(Vdrv)이 하강하게 되면, 센서 패드(110)의 출력단에서의 전압(Vo) 레벨이 순간적으로 강하되는 현상이 발생한다. 또한, 제2 검출 구간(T4)에서와 같이, 센서 패드(110)의 플로팅 상태에서 교번전압(Vdrv)이 상승하게 되면, 센서 패드(110) 출력단에서의 전압(Vo) 레벨은 순간적으로 상승한다. 이때, 전압(Vo) 레벨의 상승과 강하는 연결된 정전 용량에 따라 상이한 값을 갖게 된다. 이렇게 연결된 정전용량에 따라 전압 레벨의 상승 값 또는 하강 값이 바뀌는 현상을 "kick-back"이라고 칭하기도 한다.
센서 패드(110)에 터치가 없는 경우, 즉 센서 패드(110)에 연결된 커패시터가 구동 커패시터(Cdrv)와 기생 커패시터(Cp)밖에 없는 경우에는 이들 커패시터(Cdrv, Cp)에 의한 출력 전압(Vo)의 전압 변동(ΔVo1)은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112012089441283-pat00001
여기서 VdrvH와 VdrvL은 각각 교번전압(Vdrv)의 하이 레벨 전압 및 로우 레벨 전압이다. 수학식 1의 ΔVo1는 터치가 발생하지 않은 센서 패드(110)의 전기적 특성에 대응하므로, 앞서 설명한 "비터치 기준값"으로 설정될 수 있다.
다음으로 센서 패드(110)에 터치 입력 도구가 터치된 경우에 대하여 살펴본다.
터치 발생 시에는 센서 패드(110)와 터치 입력 도구 사이에 터치 커패시터(Ct)가 형성되며, 이에 따라 센서 패드(110)에 연결된 커패시터는 구동 커패시터(Cdrv)와 기생 커패시터(Cp) 외에도 터치 커패시터(Ct)가 더해진다. 앞서 설명한 방식과 마찬가지로 충전 구간(T3)을 거쳐 센싱 구간(T4)에서 이들 세 커패시터(Cdrv, Cp, Ct)에 의한 센서 패드(110)의 전압 변동(ΔVo2)은 다음 수학식 2와 같아진다.
Figure 112012089441283-pat00002
수학식 1과 수학식 2를 비교하면, 수학식 2의 분모 항목에 터치 정전용량(Ct)이 추가된 것이므로, 결국, 터치가 있는 경우의 전압 변동(ΔVo2)은 터치가 없는 경우의 전압 변동(ΔVo1)에 비하여 작고, 그 차이는 터치 용량(Ct)에 따라 달라진다.
이와 같이 터치 전후의 전압 변동(ΔVo)의 차이(ΔVo1 - ΔVo2)를 "레벨 시프트"라고 칭한다. 본 명세서에서는 "레벨 시프트"가 전압 변동(ΔVo) 차이의 디지털 값을 의미하는 경우도 있다.
만일, 제2 검출 구간(T4)에서 터치 입력이 발생하지 않았다면 센서 패드(110)의 출력단에서의 전압 레벨(Vo)은 수학식 1에 따라 5V에서 7.5V로 변하게 되나, 터치 입력이 발생함에 따라 센서 패드(110)의 출력단에서의 전압 레벨(Vo)은 6V가 된다. 즉, 터치 미발생시에 비하여 터치 발생시의 센서 패드(110)의 출력단에서의 전압 레벨(Vo)이 7.5V에서 6V로 시프트 된 것을 알 수 있다. 따라서, 이와 같은 레벨 시프트를 검출하여 터치 신호를 획득할 수 있다.
제3 충전 과정(T5)에서는 센서 패드(110)의 출력단에서의 전압(Vo)이 다시 5V가 되며, 제3 검출 과정(T6)에서는 터치 입력이 발생한 상태이므로 교번전압(Vdrv)의 전압이 하강할 시 센서 패드(110)의 출력단 전압(Vo) 레벨이 수학식 2에 따라 3.33V로 하강한다. 즉, 터치 입력 발생시 교번전압(Vdrv)의 상승 구간에서는 전압(Vo)이 아래쪽으로 레벨 시프트되며 교번전압(Vdrv)의 하강 구간에서는 전압(Vo)이 위쪽으로 레벨 시프트 된다.
한편, 커패시터의 정전용량(C)은 C=ε*A／d 로서, 전극의 면적(A)에 비례하고 전극 사이의 거리(d)에 반비례한다(ε은 유전 상수). 따라서, 터치 면적이 커질수록 터치 정전용량(Ct)이 커진다. 그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(Ts)가 턴 오프 되는 센싱 구간(T2, T4, T6)에서 구동 커패시터(Cdrv)에 인가되는 교번전압(Vdrv)의 변동이 발생하면, 출력 전압(Vo)의 전압 변화가 발생한다. 이와 같은 관계를 이용하여, 터치 전후의 출력 전압(Vo)의 전압 변동(ΔVo)의 차이(ΔVo1- ΔVo2)를 이용하여 터치 여부 및 터치 면적을 산출할 수 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참고하면, 센서 패드(110)의 출력단 전압(Vo)으로부터 플로팅 상태에서 교번전압(Vdrv)에 의해 발생하는 레벨 시프트를 검출할 수 있다. 이러한 레벨 시프트를 검출하는 레벨 시프트 검출부(미도시됨)가 터치 검출부(210) 내에 추가적으로 구비될 수 있다. 구체적으로, 센서 패드(110)의 출력단 전압(Vo)은 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있고, 레벨 시프트 검출부는 터치 미발생 시의 센서 패드(110)에서의 출력 전압(Vo)의 변동분(ΔVo1) 및 터치 발생시 센서 패드(110)에서의 출력 전압(Vo)의 변동분(ΔVo2)을 측정하여 레벨 시프트가 발생하였는지를 검출할 수 있다. 즉, 센서 패드(110)의 전위는 인가된 교번전압(Vdrv)에 의해 상승 또는 하강하게 되는데, 터치가 발생한 경우의 전압 레벨 변동은 터치가 발생하지 않은 경우의 전압 레벨 변동보다 작은 값을 가진다. 따라서, 레벨 시프트 검출부는 플로팅 상태에서 교번전압(Vdrv)의 상승 직후의 출력 전압(Vo) 레벨을 비교함으로써 레벨 시프트를 검출할 수 있다. 이 때 레벨 시프트값이 0이 아닌 경우에는 터치가 발생한 것이므로 터치 신호로서 레벨 시프트 값을 이용할 수 있다. 한편, 플로팅 상태에서 교번전압(Vdrv) 하강이 먼저 발생하는 경우에는 하강 직후의 출력 전압(Vo) 레벨을 비교함으로써 레벨 시프트를 검출할 수도 있다.
도 4에 도시되는 터치 검출 장치에 있어서 N×M 개의 센서 패드(110)에 대한 터치 검출을 하기 위해서는 각 센서 패드(110)에 대한 충전, 킥백 현상이 일어날 시 안정화되는 시간, 및 신호 변환 시간이 필요하다. 즉, 제1 멀티플렉서(MUX1) 및 제2 멀티플렉스(MUX2)에 의해 선택되는 하나의 센서 패드(110)에 대해 터치 검출을 수행하고, 이어서 다른 센서 패드(110)에 대한 터치 검출을 수행하는 동작이 순차적으로 일어나야 한다.
도 7은 센서 패드(110)에 대한 터치 검출 시 센서 패드(110) 출력단 전압 변화를 나타내는 도면으로서, 하나의 센서 패드(110)의 터치 검출에 소요되는 시간을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 하나의 센서 패드(110)에 대한 터치 검출을 위해서는, 센서 패드(110)를 충전시키고 플로팅시킨 후 킥백 현상이 일어나기 전까지의 시간(Ta), 킥백 발생 시 센서 패드(110) 출력단 전압이 정상상태로 돌아오기 위한 시간(Tb), 디지털 신호로 변환되고 레벨 시프트가 검출되는 시간(Tc)이 필요하다.
센서 패드(110)에 대한 터치 검출을 위해서는 충전 후 플로팅시키는 과정 및 플로팅 상태에서 교번전압(Vdrv) 변화에 따른 킥백 상태를 검출하는 과정이 필요하다. 충전 후 플로팅시킨 후, 교번전압(Vdrv) 변화에 따라 킥백이 관찰되기 직전까지의 시간을 Ta라 가정하기로 한다.
한편, 센서 패드(110)의 플로팅 상태, 즉, 센싱 구간에서, 교번전압(Vdrv)이 하강하면 센서 패드(110) 출력단 전압이 하강하는 킥백이 발생하게 되는데, 순간적으로 하강한 전압이 정상상태로 돌아오기 위해서는 일정 시간이 필요하다. 필요한 최소 시간은 센서 패드(110)의 출력단에서 바라본 총 저항(R)과 총 커패시턴스(C)의 곱으로 표현되는 시정수(τ) 값의 5배이므로, 최소 5τ 이상의 시간이 필요하다. 디지털 신호로 변환되고 터치 여부가 판단되는 시간(Tc)은 아날로그-디지털 변환기(ADC; 도 4 참조)에 의해 아날로그 신호가 디지털 신호로 변화된 후, 레벨 시프트 검출부에 의해 레벨 시프트가 검출되는 시간이다.
하나의 센서 패드(110)에 대한 터치 검출을 위해 Ta+Tb+Tc 의 시간이 필요하므로, N×M 개의 센서 패드(110)를 포함하는 터치 패널에 대한 터치 검출을 위해서는 N×M×(Ta+Tb+Tc)의 시간이 필요하다.
센서 패드(110)의 충전 및 플로팅 후 킥백 직전까지의 시간(Ta)은 약 10㎲, 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의한 신호 변환 및 레벨 시프트 검출부에 의한 레벨 시프트 검출 시간(Tc)은 약 2㎲로 가정할 수 있다. 또한, 킥백 발생 시 정상상태로 돌아오는 시간(Tb)은 터치 검출부(210; 도 4 참조)로부터 먼 센서 패드(110)일수록 길어진다. 터치 검출부(210)와 가장 가까운 센서 패드(110)는 10㎲, 가장 먼 센서 패드(110)는 50㎲으로 가정하면, 이의 평균값을 전체 센서 패드(110)에 대한 터치 검출에 소요되는 시간의 산정 변수로서 사용할 수 있다.
즉, N×M 개의 센서 패드(110)를 포함하는 터치 패널에 대한 터치 검출에 소요되는 시간은 다음의 수학식 3과 같아진다.
Figure 112012089441283-pat00003
본 발명에서는 이러한 터치 검출 시간을 감축시키기 위해 다음과 같은 터치 검출 방법을 이용한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4 및 도 8을 참조하면, M×N개의 센서 패드(110)를 포함하는 터치 패널(100)에 있어서, 하나의 열에 속하는 M개의 센서 패드(110)는 각각 신호 배선(120)을 통해 하나의 제1 멀티플렉서(MUX1)에 연결된다. 도 4에서는 하나의 제1 멀티플렉서(MUX1)가 하나의 열에 포함되는 센서 패드(110)들과 신호 배선(120)을 통해 연결되는 것으로 예시되었으나, 이에 제한되지 않고, 제1 멀티플렉서(MUX1)는 하나의 행에 포함되는 센서 패드(110)들과 연결될 수도 있으며, 이와는 다르게 무작위로 선택되는 센서 패드(110)들과 연결될 수도 있다. 즉, 제1 멀티플렉서(MUX1)는 복수의 센서 패드(110)들과 신호 배선(120)을 통해 연결되어 있으면 족하다. 이하에서는, 제1 멀티플렉서(MUX1)가 하나의 열에 속해 있는 센서 패드(110)들과 연결되는 것으로 가정하여 설명한다.
이 경우, 제1 멀티플렉서(MUX1)는 M×N의 매트릭스 형태로 배열되는 센서 패드(110)의 열의 수만큼 구비된다. 도 4에 도시되는 예에서는 N개의 제1 멀티플렉서(MUX1)가 구비될 수 있다.
각각의 제1 멀티플렉서(MUX1)는 M개의 센서 패드(110)와 연결되어 있는 M개의 신호 배선(120) 중 하나를 선택한다. 즉, 제1 멀티플렉서(MUX1)가 각각 M개의 채널 중 하나를 선택함으로써, 모두 N개의 제1 멀티플렉서(MUX1)가 하나씩의 센서 패드(110)를 선택할 수 있도록 한다(S810).
N개의 제1 멀티플렉서(MUX1)에 의해 각각 선택된 N개의 센서 패드(110)에 대해 동시에 충전을 시킨 후, 플로팅 상태를 유지한 상태에서 일정 주기로 레벨이 변동하는 교번전압을 인가한다(S820).
교번전압을 인가하면 교번전압 레벨 변화에 따른 킥백 현상이 발생하고, 이에 따른 센서 패드(110)의 출력단 전압값이 제2 멀티플렉서(MUX2)로 입력된다. 센서 패드(110)에 대한 충전, 플로팅 및 교번전압 인가에 따른 킥백 현상 등에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같으므로, 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. 하나의 제1 멀티플렉서(MUX1) 당 하나씩의 센서 패드(110) 출력단 전압값이 제2 멀티플렉서(MUX2)로 입력되므로, 총 N개의 센서 패드(110) 출력단 전압값이 제2 멀티플렉서(MUX2)로 입력된다(S830).
제2 멀티플렉서(MUX2)로 입력된 N개의 센서 패드(110) 출력단 전압값은 하나씩 출력되어 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털 신호로 변환된다(S840). 변환된 신호는 레벨 시프트 검출부에 의해 레벨 시프트 검출 및 이를 통한 해당 센서 패드(110)에의 터치 발생 여부 판단에 활용된다(S850). 즉, N개의 센서 패드(110) 출력단 전압이 순차적으로 디지털 신호로 변환되며, 레벨 시프트 검출 및 이를 통한 터치 발생 여부 판단에 활용된다.
레벨 시프트 검출과 이를 통한 터치 발생 여부 판단 방법에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 것과 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이러한 터치 검출 방법에 따르면, 한번에 N개의 센서 패드(110)에 대한 충전 과정 및 플로팅 후 교번전압 인가와 이에 따른 출력단 전압 변동값 획득까지의 과정이 동시에 이루어지므로, 전체 터치 패널(100)에 대한 터치 검출 과정에 소요되는 시간이 감소하게 된다.
구체적으로, 센서 패드(110)를 충전시키고 플로팅시킨 후 킥백 현상이 일어나기 전까지의 시간을 Ta, 킥백 발생 시 센서 패드(110) 출력단 전압이 정상상태로 돌아오기 위한 시간을 Tb, 디지털 신호로 변환되고 레벨 시프트가 검출되는 시간을 Tc라고 한다면, M×N개의 센서 패드(110)를 포함하는 전체 터치 패널(100)에 대한 터치 검출 시간은 (Ta+Tb+N*Tc)×M이며, Ta, Tb, Tc에 수학식 3에서 예를 든 값들을 대입시키면, 결과적으로 다음의 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure 112012089441283-pat00004
수학식 3과 수학식 4를 비교하여 보면, 본 발명에 따른 터치 검출 방법을 사용할 시, M(N-1){10㎲+(50㎲+10㎲)/2} 만큼의 시간이 감축될 수 있다.
아래의 표 1은 통상적인 터치 검출 방법과 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 방법 간 터치 검출 시간을 비교하는 표이다.

240 Channel Case 390 Channel Case 단위
기존 방식 본 발명 방식 기존 방식 본 발명 방식
N 12 12 15 15 ea
M 20 20 26 26 ea
Pre setting time 10 10 10 10 ㎲
Settling time 1st row 50 50 65 65 ㎲
Settling time Nth row 10 10 10 10 ㎲
ADC time 2 2 2 2 ㎲
One frame sensing time 10.08 1.28 19.305 2.015 ㎳
Frame rate 99 781 52 496 Hz
센서 패드(110)가 240개인 경우와, 390개인 경우를 각각 가정하였다. 상기 표에서, "Pre setting time", "ADC time"은 도 7에서 Ta 및 Tc를 각각 의미하는 변수이다. 또한, "Settling time 1st row"는 터치 검출부(210)의 제1 멀티플렉서(MUX1)와 가장 멀리 떨어진 센서 패드(110)에 대한 Tb에 해당하는 시간이며, "Settling time Nts row"는 터치 검출부(210)의 제1 멀티플렉서(MUX1)와 가장 근접한 센서 패드(110)에 대한 Tb에 해당하는 시간이다.
한편, "One frame sensing time"은 전체 터치 패널에 대한 터치 검출에 소요되는 시간을 의미하며, "Frame rate"는 1초당 터치 패널에 대한 터치 검출 가능 횟수를 나타낸다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, M개의 센서 패드(110)를 그룹화하여 동시에 충전 후 플로팅시키고, 교번전압 인가에 따른 센서 패드(110) 출력단 전압을 동시에 획득함으로써, 전체 터치 패널(100)에 대한 터치 검출 시간이 획기적으로 감소하였다.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 터치 패널
110: 센서 패드
120: 신호 배선
200: 구동 장치
210: 터치 검출부
211: 구동 회로
220: 터치 정보 처리부
230: 메모리
240: 제어부

Claims (8)

  1. 서로 고립되어 배치되는 센서 패드를 포함하는 터치 패널의 터치 검출 방법에 있어서,
    복수의 센서 패드를 선택하는 단계;
    상기 선택된 복수의 센서 패드를 동시에 충전 및 플로팅 시키고, 상기 복수의 센서패드에 대해 동시에 교번전압을 인가한 후, 상기 교번전압 인가에 따른 응답으로 출력되는 신호를 상기 복수의 센서패드로부터 동시에 획득하는 단계; 및
    상기 복수의 센서 패드로부터 동시에 획득된 출력 신호를 순차적으로 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 터치 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 센서 패드 선택 단계는,
    일 이상의 센서 패드와 신호 배선을 통해 연결되는 복수의 멀티플렉서가 하나씩의 센서 패드를 선택하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서 패드는 M×N의 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 복수의 멀티플렉서는 각각 M개의 센서 패드와 연결되는 N개의 멀티플렉서로 구현되는, 터치 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 복수의 센서 패드로부터 동시에 획득된 신호는 하나의 멀티플렉서에 의해 상기 변환을 수행하는 아날로그-디지털 변환기로 순차적으로 입력되는, 터치 검출 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변환된 신호를 통해 터치 미발생시와 발생시 상기 교번전압에 따른 상기 센서 패드에서의 전압 변동분 차이에 기초하여 터치 여부를 검출하는 단계를 더 포함하는, 터치 검출 방법.
  6. 서로 고립되어 배치되는 센서 패드를 포함하는 터치 패널의 터치 검출 장치에 있어서,
    각각 복수의 센서 패드를 선택하는 복수의 제1 멀티플렉서;
    상기 제1 멀티플렉서에 의해 선택된 복수의 센서 패드를 동시에 충전 및 플로팅 시키고, 상기 복수의 센서패드에 대해 동시에 교번전압을 인가한 후, 상기 교번전압 인가에 따른 응답으로 출력되는 신호를 동시에 입력받는 제2 멀티플렉서; 및
    상기 제2 멀티플렉서로부터 순차적으로 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 터치 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센서 패드는 M×N의 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 제1 멀티플렉서는 N개로 구현되어 각각 M개의 센서 패드와 연결되는, 터치 검출 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 변환된 신호를 통해 터치 미발생시와 발생시 상기 교번전압에 따른 상기 센서 패드에서의 전압 변동분 차이에 기초하여 터치 여부를 검출하는 레벨시프트 검출부를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
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