KR101548796B1 - 접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 접촉 감지 장치 및 터치 스크린 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 접촉 감지 장치는 제1 축 방향으로 연장되는 복수의 구동 전극; 상기 제1 축과 교차하는 제2 축 방향으로 연장되는 복수의 감지 전극; 상기 복수의 감지 전극 중 제1 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화를 적분하여 제1 아날로그 신호를 생성하고, 상기 제1 감지 전극과 인접한 제2 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화로부터 제2 아날로그 신호를 생성하는 적분 회로부; 및 상기 제1 아날로그 신호 및 상기 제2 아날로그 신호를 차분 연산하는 감산부; 를 포함할 수 있다.

Description

접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치{TOUCH SENSING APPARATUS AND TOUCHSCREEN APPARATUS}
본 발명은 터치스크린 패널에 유입되는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치에 관한 것이다.
터치스크린, 터치패드 등과 같은 접촉 감지 장치는 디스플레이 장치에 부착되어 사용자에게 직관적인 입력 방법을 제공할 수 있는 입력 장치로서, 최근 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistant), 네비게이션 등과 같은 다양한 전자 기기에 널리 적용되고 있다. 특히 최근 스마트폰에 대한 수요가 증가하면서, 제한된 폼팩터에서 다양한 입력 방법을 제공할 수 있는 터치스크린의 채용 비율이 날로 증가하고 있다.
휴대용 기기에 적용되는 터치스크린은 터치 입력을 감지하는 방법에 따라 크게 저항막 방식과 정전용량 방식으로 구분할 수 있으며, 이 중 정전용량 방식은 상대적으로 수명이 길고 다양한 입력 방법과 제스처를 손쉽게 구현할 수 있는 장점으로 인해 그 적용 비율이 갈수록 높아지고 있다. 특히 정전용량 방식은 저항막 방식에 비해 멀티 터치 인터페이스를 구현하기가 용이하여 스마트폰 등의 기기에 폭넓게 적용된다.
정전용량 방식의 터치스크린은 일정한 패턴을 갖는 복수의 전극을 포함하며, 터치 입력에 의해 정전용량 변화가 생성되는 복수의 노드가 상기 복수의 전극에 의해 정의된다. 2차원 평면에 분포하는 복수의 노드는, 터치 입력에 의해 자체 정전용량(Self-Capacitance) 또는 결합 정전용량(Mutual-Capacitance) 변화를 생성하며, 복수의 노드에서 생성되는 정전용량 변화에 가중 평균 계산법 등을 적용하여 터치 입력의 좌표를 계산할 수 있다. 정확한 터치 입력의 좌표 계산을 위해서는 터치 입력에 의해 생성되는 정전용량 변화를 정확하게 감지할 수 있는 기술이 필요하나, 무선 통신 모듈, 디스플레이 장치 등에서 전기적 잡음이 발생하는 경우, 정전용량 변화를 정확하게 감지하는 데에 방해가 될 수 있다.
하기의 선행기술문헌 중 특허문헌 1은 반전 적분회로 및 비반전 적분회로가 결합된 적분회로에 관한 것으로서, 복수의 전극 마다 2개의 연산 증폭기가 연결되어 부피 및 면적이 늘어나는 문제점이 있다. 또한, 특허문헌 1은 2개의 연산증폭기의 반전단자에 각각 위상이 반대되는 신호를 인가하여 잡음을 제거하고자 하나, 잡음의 주파수가 동작 주파수와 같거나 동작 주파수의 배수에 해당하는 경우에는 잡음을 효과적으로 제거하지 못하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2011-0126026
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 노드 커패시터 중 인접하는 감지 전극에 형성되는 노드 커패시터를 서로 다른 극성으로 충전하여 정전용량 변화를 검출하고 이를 차분 연산하는 접촉 감지 장치 및 터치 스크린 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 기술적인 측면에 따르면, 제1 축 방향으로 연장되는 복수의 구동 전극; 상기 제1 축과 교차하는 제2 축 방향으로 연장되는 복수의 감지 전극; 상기 복수의 감지 전극 중 제1 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화를 적분하여 제1 아날로그 신호를 생성하고, 상기 제1 감지 전극과 인접한 제2 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화로부터 제2 아날로그 신호를 생성하는 적분 회로부; 및 상기 제1 아날로그 신호 및 상기 제2 아날로그 신호를 차분 연산하는 감산부; 를 포함하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
일 실시예에서, 상기 적분 회로부는, 상기 제1 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화와 상기 제2 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화를 서로 다른 극성으로 적분할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 감산부는, 상기 제1 아날로그 신호와 상기 제2 아날로그 신호를 차분 연산하여 양의 극성을 가지는 전압을 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 아날로그 신호 및 상기 제2 아날로그 신호는 상기 적분회로부의 리셋 구간을 기준으로 전압의 극성이 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 접촉 감지 장치는 상기 복수의 구동 전극 각각에 소정의 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 기술적인 측면에 따르면, 복수의 구동 전극, 복수의 감지 전극 및 상기 복수의 구동 전극과 상기 복수의 감지 전극의 교차점에서 형성되는 복수의 노드 커패시터를 포함하는 패널부; 상기 복수의 구동 전극 각각에 소정의 구동 주기를 갖는 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 상기 복수의 감지전극과 연결되어, 상기 복수의 노드 커패시터의 정전용량 변화를 검출하는 감지 회로부; 상기 감지 회로부의 출력을 디지털 신호로 변환하여, 터치 입력을 판단하는 신호 처리부; 를 포함하며, 상기 감지 회로부는 상기 복수의 노드 커패시터 중 인접하는 감지 전극에서 형성되는 노드 커패시터의 정전용량 변화를 차분 연산하는 터치스크린 장치를 제안한다.
일 실시예에서, 상기 감지 회로부는, 상기 인접하는 감지 전극 중 하나의 감지 전극에 형성되는 복수의 노드 커패시터와 다른 하나의 감지 전극에 형성되는 복수의 노드 커패시터를 서로 다른 극성으로 충전할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 감지 회로부는, 상기 복수의 감지 전극과 각각 연결되는 복수의 적분회로; 상기 인접하는 감지 전극에서 형성되는 노드 커패시터의 충전 전압의 극성을 다르게 설정하는 전압 설정부; 및 상기 인접하는 감지 전극과 각각 연결되는 적분회로의 출력전압을 차분 연산하는 감산부; 를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 신호 처리부는, 상기 감지 회로부의 출력을 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 디지털 신호로부터 상기 터치 입력을 판단하는 연산부; 를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산부는, 상기 터치 입력에 의한 제스처 동작 및 상기 터치 입력의 개수 중 적어도 어느 하나를 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동 회로부는 소정의 제1 전압 및 제2 전압을 서로 다른 타이밍으로 인가하며, 상기 전압 설정부는 상기 제1 전압 및 소정의 제3 전압 중 어느 하나를 선택하여, 상기 인접하는 감지 전극에서 형성되는 노드 커패시터의 충전 전압의 극성을 다르게 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전압, 상기 제2 전압, 상기 제3 전압은 하기의 조건식을 만족할 수 있다.
[조건식]
V1-V2=△V, V3-V2=△V
(V1: 제1 전압, V2: 제2 전압, V3: 제3전압)
본 발명의 접촉 감지 장치 및 터치 스크린 장치에 따르면, 복수의 노드 커패시터 중 인접하는 감지 전극에 형성되는 노드 커패시터를 서로 다른 극성으로 충전하여 정전용량 변화를 검출하고, 이를 차분 연산함으로써 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함될 수 있는 패널부를 나타낸 도이다.
도 3은 도 2에 도시한 패널부의 단면을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 나타낸 회로도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함되는 스위치에 인가되는 클럭 신호 및 클럭 신호에 따른 스위칭 동작에 의해 생성되는 출력 전압을 설명하기 위한 도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시하는 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에 관련하여 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위까지 확장된다. 한편, 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 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 기기(100)는 화면을 출력하기 위한 디스플레이 장치(110), 입력부(120), 음성 출력을 위한 오디오부(130) 등을 포함하며, 디스플레이 장치(110)와 일체화되어 접촉 감지 장치를 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모바일 기기 같은 경우 접촉 감지 장치가 디스플레이 장치에 일체화되어 구비되는 것이 일반적이며, 접촉 감지 장치는 디스플레이 장치가 표시하는 화면이 투과할 수 있을 정도로 높은 빛 투과율을 가져야 한다. 따라서 접촉 감지 장치는 PET(Polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyethersulfone), PI(polyimide) 등과 같이 투명한 필름 재질의 베이스 기판에 투명하고 전기 전도성을 갖는 ITO(Indium-Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide), 탄소 나노 튜브(CNT, Carbon Nano Tube), 또는 그라핀(Graphene)과 같은 물질로 감지 전극을 형성함으로써 구현될 수 있다. 디스플레이 장치의 베젤 영역에는 투명 전도성 물질로 형성된 감지 전극과 연결되는 배선 패턴이 배치되며, 배선 패턴은 베젤 영역에 의해 시각적으로 차폐되므로 은(Ag), 구리(Cu) 등과 같은 금속 물질로도 형성이 가능하다.
본 발명에 따른 접촉 감지 장치는 정전용량 방식에 따라 동작하는 것을 가정하므로, 소정의 패턴을 갖는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 또한 복수의 전극에서 생성되는 정전용량 변화를 검출하기 위한 정전용량 감지 회로와, 정전용량 감지 회로의 출력 신호를 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로, 디지털 값으로 변환된 데이터를 이용하여 터치 입력을 판단하는 연산 회로 등을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함될 수 있는 패널부를 나타낸 도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 패널부(200)는 기판(210), 기판(210) 상에 마련되는 복수의 전극(220, 230)을 포함한다. 도 2에는 도시되지 않았으나, 복수의 전극(220, 230) 각각은 배선 및 본딩 패드를 통해 기판(210)의 일단에 부착되는 회로 기판의 배선 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다. 회로 기판에는 컨트롤러 집적회로가 실장되어 복수의 전극(220, 230)에서 생성되는 감지 신호를 검출하고, 그로부터 터치 입력을 판단할 수 있다.
터치스크린 장치의 경우, 기판(210)은 복수의 전극(220, 230)이 형성되기 위한 투명한 기판일 수 있으며, PI(Polyimide), PMMA(Polymethylmethacrylate), PET(Polyethyleneterephthalate), PC(Polycarbonate)과 같은 플라스틱 재료, 또는 강화 글라스(tempered glass)로 마련될 수 있다. 또한, 복수의 전극(220, 230)이 형성되는 영역 이외에, 복수의 전극(220, 230)과 연결되는 배선이 마련되는 영역에 대해서는 통상 불투명한 금속 물질로 형성되는 배선을 시각적으로 차폐하기 위한 소정의 인쇄 영역이 기판(210)에 형성될 수 있다.
복수의 전극(220, 230)은 기판(210)의 일면 또는 양면에 마련될 수 있으며, 터치스크린 장치의 경우 투명하고 전도성을 갖는 ITO(Indium Tin-Oxide), IZO(Indium Zinc-Oxide), ZnO(Zinc Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), 그라핀 계열 물질 등으로 형성될 수 있다. 도 2에는 마름모, 또는 다이아몬드 형상의 패턴을 갖는 복수의 전극(220, 230)이 도시되었으나, 이 외에 직사각형, 삼각형 등의 다양한 다각형 형상의 패턴을 가질 수 있음은 물론이다.
복수의 전극(220, 230)은 X 축 방향으로 연장되는 제1 전극(220)과, Y 축 방향으로 연장되는 제2 전극(230)을 포함한다. 제1 전극(220)과 제2 전극(230)은 기판(210)의 양면에 마련되거나, 또는 서로 다른 기판(210)에 마련되어 교차될 수 있으며, 기판(210)의 일면에 모두 마련되는 경우에는 제1 전극(220)과 제2 전극(230)의 교차 지점에 부분적으로 소정의 절연층을 형성할 수 있다.
복수의 전극(220, 230)과 전기적으로 연결되어 터치 입력을 감지하는 장치는, 터치 입력에 의해 복수의 전극(220, 230)에서 생성되는 정전용량 변화를 검출하고 그로부터 터치 입력을 감지한다. 제1 전극(220)은 컨트롤러 집적 회로에서 D1~D8로 정의되는 채널에 연결되어 소정의 구동 신호를 인가받을 수 있으며, 제2 전극(230)은 S1~S8로 정의되는 채널에 연결되어 접촉 감지 장치가 감지 신호를 검출하는 데에 이용될 수 있다. 이때, 컨트롤러 집적 회로는 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화를 감지 신호로 검출할 수 있으며, 제1 전극(220) 각각에 순차적으로 구동 신호를 인가하고, 제2 전극(230)에서 동시에 정전용량 변화를 검출하는 방식으로 동작할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시한 패널부의 단면을 나타낸 도이다. 도 3은 도 2에 도시한 패널부(200)를 Y-Z 평면으로 잘라서 나타낸 단면도로서, 도 2에서 설명한 기판(310), 복수의 감지 전극(320, 330) 이외에 접촉을 인가받는 커버 렌즈(340, Cover Lens)를 더 포함할 수 있다. 커버 렌즈(340)는 감지 신호 검출에 이용되는 제2 전극(330) 상에 마련되어 손가락 등의 접촉 물체(350)로부터 터치 입력을 인가받는다.
채널 D1~D8을 통해 순차적으로 제1 전극(320)에 구동 신호가 인가되면, 구동 신호가 인가된 제1 전극(320)과, 제2 전극(330) 사이에서 결합 정전용량이 생성된다. 제1 전극(320)에 순차적으로 구동 신호가 인가되면, 접촉 물체(350)가 접촉된 영역과 인접한 제1 전극(320)과 제2 전극(330) 사이에서 생성되는 결합 정전용량에서 정전용량 변화가 발생한다. 상기 정전용량 변화는 접촉 물체(350)와 구동 신호가 인가된 제1 전극(320) 및 제2 전극(330) 사이의 중첩된 영역의 면적에 비례할 수 있으며, 도 3에서는 채널 D2 및 D3에 각각 연결된 제1 전극(320)과 제2 전극(330) 사이에서 생성된 결합 정전용량이 접촉 물체(350)에 의해 영향을 받는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 도시한 블록도이다. 도 4를 참조하면 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 구동 회로부(410), 적분 회로부(420) 및 감산부(430)을 포함할 수 있다. 구동 회로부(410) 및 적분 회로부(420) 사이에는 측정하고자 하는 정전용량 변화가 발생하는 커패시터 Cm, Cm`가 연결될 수 있다. 커패시터 Cm, Cm`는 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치가 측정하고자 하는 정전용량을 충전한 커패시터에 해당한다. 일례로, 커패시터 Cm, Cm`는 정전용량 방식의 터치스크린에 포함되는 복수의 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance)에 대응할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 정전용량 방식의 터치스크린에서 생성되는 정전용량 변화를 감지하는 것으로 가정한다. 이 경우, 커패시터 Cm, Cm`는 복수의 전극의 교차 지점에서 생성되는 결합 정전용량 변화에 의해 전하가 충전 또는 방전되는 노드 커패시터에 해당한다.
한편, 도 4에 도시된 노드 커패시터 Cm, Cm`는 도 2에서 서로 인접하는 제2 전극(230)에 형성되는 노드 커패시터에 해당한다. 예를 들어 도 2의 S1 채널과 연결된 전극 및 D8 채널과 연결된 전극 사이에서 형성되는 노드 커패시터와, S2 채널과 연결된 전극 및 D8 채널과 연결된 전극 사이에서 생성되는 노드 커패시터가 Cm, Cm`에 해당할 수 있다.
구동 회로부(410)는 전하를 충전하기 위한 소정의 구동 신호를 생성하여 노드 커패시터 Cm, Cm`에 공급한다. 구동 신호는 펄스 형태를 갖는 구형파(Square Wave)일 수 있으며, 소정의 주파수를 갖는다.
적분 회로부(420)는 하나 이상의 피드백 커패시터를 포함하는데, 하나 이상의 피드백 커패시터는 노드 커패시터 Cm, Cm`에 충전된 전하를 공급받아 충전 또는 방전되고, 적분 회로부(420)는 피드백 커패시터에서 충방전되는 전하로부터 출력전압을 생성한다. 이 때, 적분 회로부(420)는 노드 커패시터 Cm, Cm`의 충전 전압 극성이 달라지도록 노드 커패시터 Cm, Cm`에 전압을 제공하고, 노드 커패시터(Cm1, Cm2)에 충전된 전압을 적분하여 출력전압을 생성한다.
감산부(430)는 적분 회로부(420)에서 출력되는 전압을 차분 연산한다. 적분 회로부(420)에서 출력되는 전압에는 노이즈가 유입되어 있을 수 있는데, 인접하는 노드 커패시터 Cm, Cm`로부터 생성되는 전압을 차분 연산함으로써 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 나타낸 회로도이다. 도 5를 참조하면 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 구동 회로부(510), 적분 회로부(520) 및 감산부(530)을 포함할 수 있다. 도 4와 마찬가지로, 커패시터 Cm, Cm`는 정전용량 방식 터치스크린에 있어서, 인접하는 전극에서 형성되는 노드 커패시터에 대응한다.
구동 회로부(510)는 스위치 SW1, SW2로 구성되는 구동 회로(511)를 포함한다. 스위치 SW1은 노드 커패시터 Cm의 제1 노드 및 구동 전압(VDD)단 사이에 배치되고, 스위치 SW2는 노드 커패시터 Cm의 제1 노드 및 공통 전압(VCM)단 사이에 배치된다. 이 때, 스위치 SW1, SW2는 서로 다른 타이밍으로 스위칭 동작하여 노드 커패시터 Cm에 구동신호를 전달할 수 있다. 본 실시예에서 공통 전압(VCM)은 구동 전압(VDD)의 중간 레벨을 갖는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니며 접지(GND) 레벨을 갖는 것 또한 가능하다.
적분 회로부(520)는 적분회로(521) 및 전압 설정부(522)를 포함할 수 있다. 적분회로(521)은 연산 증폭기 OPA1, 피드백 커패시터 CF1, 스위치 SW3, SW4, SW5로 구성된다. 스위치 SW3는 노드 커패시터 Cm의 제2 노드 및 연산 증폭기 OPA1의 반전단 사이에 배치되고, 스위치 SW4는 노드 커패시터 Cm 의 제2 노드 및 전압 설정부(522) 사이에 배치된다. 스위치 SW5는 연산 증폭기 OPA1의 반전단 및 출력단 사이에 배치되고, 피드백 커패시터 CF1는 스위치 SW5와 병렬로 연결된다. 연산 증폭기 OPA1의 비반전단은 공통 전압(VCM)단과 연결된다. 스위치 SW1 - SW5의 스위칭 동작에 의해 노드 커패시터 Cm에 저장된 전하는 피드백 커패시터 CF1 및 연산 증폭기 OPA1에 의해 적분되어 연산 증폭기 OPA1의 출력단에서 출력 전압 V1으로 출력된다. 출력 전압 V1은 커패시터 Cm과 커패시터 CF1의 용량에 따라 결정되는데, 측정하고자 하는 전하가 충전되는 커패시터 Cm의 용량보다 큰 용량을 갖도록 커패시터 CF1을 구성함으로써, 출력 전압 V1이 포화(saturation)되는 것을 방지할 수 있다.
전압 설정부(522)는 적분 회로(521)의 스위치 SW4와 연결되는 스위치 SW6을 포함한다. 스위치 SW6는 전압 VA 및 전압 VCM를 공급하는 전압단 중 적어도 하나와 연결되어 노드 커패시터 Cm에 충전되는 전압의 극성을 설정할 수 있다. 이 때, 전압 VA, VDD, VCM은 VA-VDD=△V, VDD-VCM=△V와 같은 관계가 있다.
구동 회로(511`), 적분 회로(521`) 및 전압 설정부(522`)는 구동 회로(511), 적분 회로(521) 및 전압 설정부(522)와 회로의 구성 및 연결관계가 유사하므로 동일한 설명은 생략하도록 하고, 차이점에 관하여는 후술하도록 한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함되는 스위치에 인가되는 클럭 신호 및 클럭 신호에 따른 스위칭 동작에 의해 생성되는 출력 전압을 설명하기 위한 도이다. 스위치 SW1 - SW5, SW1`-SW5`에 인가되는 클럭 신호가 하이 레벨인 경우 스위치는 턴 온되며, 로우 레벨인 경우, 턴 오프 된다. 또한, 스위치 SW6, SW6`에 인가되는 클럭신호가 하이 레벨인 경우, 스위치는 VCM을 공급하는 전압단에 연결되며, 로우 레벨인 경우 VA를 공급하는 전압단에 연결된다. 이 하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 접촉 감지 장치의 동작을 상세히 설명하도록 한다.
T1 시점에서 스위치 SW1, SW4가 턴 온되고, 스위치 SW2, SW3가 턴 오프된다. 이 때, SW6은 VCM을 공급하는 전압단과 연결되어, 커패시터 Cm에는 (VDD-VCM) 만큼 충전된다. T2 시점에서 스위치 SW1, SW4가 턴 오프되고, 스위치 SW2, SW3이 턴 온되어, 노드 커패시터 Cm에 (VDD-VCM) 만큼 충전된 전하가 연산증폭기 OPA1 및 피드백 커패시터 CF1에 의해 적분되어 출력된다.
T1 및 T2 시점에서의 스위칭 동작에 의해 연산증폭기 OPA1에서 출력되는 전압 V1의 증가분 △V1은 하기의 수학식 1과 같다. 여기서 Vnoise는 유입되는 노이즈를 등가적으로 표현한 것이다.
Figure 112013020047168-pat00001
Figure 112013020047168-pat00002
또한, T1 시점에서 스위치 SW1`, SW4`가 턴 온되고, 스위치 SW2`, SW3`가 턴 오프된다. 이 때, SW6`은 VA을 공급하는 전압단과 연결되어, 커패시터 Cm`에는 (VDD-VA) 만큼 충전된다. T2 시점에서 스위치 SW1`, SW4`가 턴 오프되고, 스위치 SW2`, SW3`이 턴 온되어, 노드 커패시터 Cm`에 (VDD-VA) 만큼 충전된 전하가 연산증폭기 OPA1` 및 피드백 커패시터 CF1`에 의해 적분되어 출력된다. T1 및 T2 시점에서의 스위칭 동작에 의해 연산증폭기 OPA1`에서 출력되는 전압 V2의 전압 증가분 △V2은 하기의 수학식 2과 같다.
Figure 112013020047168-pat00003
Figure 112013020047168-pat00004
이 후, T3시점까지 T1 및 T2 시점에서와 같은 동작을 복수 회, 예를 들어 N회 반복하는 경우, 최종 전압 증가분 △V1, △V2은 하기의 수학식 3과 같다.
Figure 112013020047168-pat00005
T3 시점에서, SW1, SW1`, SW4, SW4`는 턴 오프되고, SW2, SW2`, SW3, SW3`, SW5, SW5`는 턴 온되어, 피드백 커패시터 CF1, CF1`은 각각 리셋되고, 연산 증폭기 OPA1, OPA1`의 출력단은 공통전압 VCM을 출력한다.
한편, 감산부(530)는 적분회로부(520)의 리셋 구간 - T3 ~ T4 구간 - 에서 최종 전압 증가분 △V1, △V2을 차분 연산하여 최종 출력 전압을 생성한다. 이 때, 감산부(530)는 전압 △V1, △V2을 차분 연산하여 양의 극성을 갖는 전압을 출력한다. 감산부(530)에서 출력되는 전압 Vo의 증가분 △Vo는 하기의 수학식 4와 같다.
Figure 112013020047168-pat00006
이 때, Cm 및 Cm`의 용량이 동일하고, CF1 및 CF1`의 용량이 동일한 경우, 노이즈가 제거됨을 확인할 수 있다.
한편, 스위치 SW6, SW6`에 인가되는 클럭 신호는 T3 시점에서 반전되어, 제1 동작 구간 - T1 ~ T3 구간 - 과 달리, 제2 동작 구간 - T4 시점에서 다음 리셋 시점까지의 구간 - 에서는 V1이 양의 극성의 전압 레벨을 가지며, V2가 음의 극성의 전압 레벨을 갖는다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7(a)는 노이즈가 유입되는 경우에 있어서, 도 5의 적분 회로(521, 521`)의 출력 전압 V1, V2를 나타낸 그래프이고, 도 7(b)는 도 7(a)는 노이즈가 유입되는 경우에 있어서, 도 5의 감산부(530)의 출력 전압 Vo를 나타낸 그래프이다.
도 7(a)를 살펴보면 노이즈가 유입되는 경우, 전압 V1, V2는 일정한 전압레벨을 유지하지 못하고 노이즈에 의해서 전압 레벨이 왜곡되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 도 7(b)를 살펴보면, 노이즈의 영향에도 불구하고 전압 V1 및 V2를 차분 연산한 결과 일정한 전압이 출력되는 것을 알 수 있다. 즉, 노이즈의 영향을 제거하는 것을 확인할 수 있다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다.
도 8를 참조하면, 본 실시예에 따른 터치스크린 장치는 패널부(810), 구동 회로부(820), 감지 회로부(830), 신호 변환부(840), 및 연산부(850)를 포함한다. 패널부(810)는 제1축 - 도 8의 가로 방향 - 방향으로 연장되는 복수의 제1 전극과, 제1축에 교차하는 제2축 - 도 5의 세로 방향 - 방향으로 연장되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 정전용량 변화 C11~Cmn가 발생한다. 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 발생하는 정전용량 변화 C11~Cmn은 구동 회로부(820)에 의해 제1 전극에 인가되는 구동 신호에 의해 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화일 수 있다. 한편, 구동 회로부(820), 감지 회로부(830), 신호 변환부(840), 및 연산부(850)는 하나의 집적 회로(IC)로 구현될 수 있다.
구동 회로부(820)는 패널부(810)의 제1 전극에 소정의 구동 신호를 인가한다. 구동 신호는 소정 주기와 진폭을 갖는 구형파(Square Wave), 사인파(Sine Wave), 삼각파(Triangle Wave) 등일 수 있으며, 복수의 제1 전극 각각에 순차적으로 인가될 수 있다. 도 8에는 구동 신호를 생성 및 인가하기 위한 회로가 복수의 제1 전극 각각에 개별적으로 연결되는 것으로 도시하였으나, 하나의 구동 신호 생성 회로를 구비하고 스위칭 회로를 이용하여 복수의 제1 전극 각각에 구동 신호를 인가하는 구성 또한 가능함은 물론이다.
감지회로부(830)는 전압 설정부(831), 적분 회로(832) 및 감산부(833)를 포함한다. 도 8의 전압 설정부(831), 적분 회로(832) 및 감산부(833)는 도 4 및 도 5의 전압 설정부(522, 522`), 적분 회로(521, 521`), 감산부(430, 530)를 포함하는 구성요소에 해당하는 것으로 동일한 설명은 생략하도록 한다. 전압 설정부(831)는 복수의 제2 전극 중 인접하는 제2 전극에 형성되는 노드 커패시터에 서로 다른 극성을 갖는 전압을 충전한다. 적분 회로(832)는 제2 전극으로부터 정전용량 변화를 감지하기 위한 적어도 하나의 연산 증폭기와 소정 용량을 갖는 커패시터 C1을 포함할 수 있으며, 연산 증폭기의 반전 입력단이 제2 전극과 연결되어 정전용량 변화를 전압 신호 등와 같은 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. 복수의 제1 전극 각각에 순차적으로 구동 신호를 인가하는 경우, 복수의 제2 전극으로부터 정전용량 변화를 동시에 검출할 수 있으므로, 적분 회로는 제2 전극의 갯수 n개 만큼 구비될 수 있다. 인접하는 제2 전극과 연결되는 적분 회로에서 출력되는 아날로그 신호는 감산부(833)에서 차분 연산되어 노이즈가 제거된 전압이 출력될 수 있다.
감산부(833)는 인접하는 제2 전극에서 발생하는 정전용량 변화로부터 생성되는 아날로그 신호를 각각 차분 연산하는 것 - 예를 들어, Y1, Y2 전극에 기초하여 생성되는 아날로그 신호를 차분 연산하고, Y2, Y3 전극에 기초하여 생성되는 아날로그 신호를 차분 연산 - 뿐만 아니라, 복수의 제2 전극을 인접하는 전극끼리 짝지어, 이로부터 생성되는 아날로그 신호를 차분 연산하는 것 - 예를 들어, Y1, Y2 전극에 기초하여 생성되는 아날로그 신호를 차분 연산하고, Y3, Y4 전극에 기초하여 생성되는 아날로그 신호를 차분 연산 - 또한 가능하다.
신호 변환부(840)는 감산부(833)로부터 생성되는 출력 전압으로부터 디지털 신호 SD를 생성한다. 일례로, 신호 변환부(840)는 전압 형태로 감지 회로부(830)가 출력하는 전압이 소정의 기준 전압 레벨까지 도달하는 시간을 측정하여 이를 디지털 신호 SD로 변환하는 TDC(Time-to-Digital Converter) 회로 또는 감지 회로부(830)가 출력하는 전압의 레벨이 소정 시간 동안 변화하는 양을 측정하여 이를 디지털 신호 SD로 변환하는 ADC(Analog-to-Digital Converter) 회로를 포함할 수 있다.
연산부(850)는 디지털 신호 SD를 이용하여 패널부(810)에 인가된 접촉 입력을 판단한다. 일 실시예로, 연산부(850)는 패널부(810)에 인가된 접촉 입력의 갯수, 좌표, 제스처 동작 등을 판단할 수 있다.
도 8의 터치스크린 장치를 도 4 및 도 5에 도시한 접촉 감지 장치와 비교하면, 도 8의 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 생성되는 노드 커패시터 C11~Cmn는 도 4 및 도 5의 노드 커패시터 Cm, Cm`에 대응한다. 또한, 도 8의 구동 회로부(820)는 도 4 및 도 5의 구동 회로부(410, 510)에, 도 6의 감지 회로부(830)는 도 4 및 도 5의 적분 회로부(420, 520) 및 감산부(430, 530)를 포함하는 구성 요소로 볼 수 있다.
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 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
410, 510, 820: 구동 회로부
420, 520: 적분회로부
430, 530, 833: 감산부
521, 521`, 832: 적분회로
522, 522`, 831: 전압 설정부
810: 패널부
820: 구동 회로부
830: 감지 회로부
840: 신호 변환부
850: 연산부

Claims (12)

  1. 패널부에 마련되는 복수의 감지 전극 중 이웃하여 배치되는 제1 감지 전극 및 제2 감지 전극 각각에서 발생하는 정전용량 변화들로부터 제1 아날로그 신호 및 제2 아날로그 신호를 생성하는 적분 회로부;
    상기 제1 아날로그 신호 및 상기 제2 아날로그 신호를 차분 연산하는 감산부; 및
    상기 이웃하여 배치되는 제1 감지 전극 및 제2 감지 전극 각각에 형성되는 노드 커패시터의 충전 전압의 극성을 다르게 설정하는 전압 설정부; 를 포함하는 접촉 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적분 회로부는,
    상기 제1 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화와 상기 제2 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화를 서로 다른 극성으로 적분하는 접촉 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 감산부는,
    상기 제1 아날로그 신호와 상기 제2 아날로그 신호를 차분 연산하여 양의 극성을 가지는 전압을 출력하는 접촉 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 아날로그 신호 및 상기 제2 아날로그 신호는 상기 적분회로부의 리셋 구간을 기준으로 전압의 극성이 달라지는 접촉 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 구동 전극 각각에 소정의 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 를 더 포함하는 접촉 감지 장치.
  6. 복수의 구동 전극 및 복수의 감지 전극을 포함하는 패널부;
    상기 복수의 구동 전극 각각에 소정의 구동 주기를 갖는 구동 신호를 인가하는 구동 회로부;
    상기 복수의 감지 전극으로부터 복수의 정전용량 변화를 검출하는 감지 회로부;
    상기 감지 회로부의 출력을 디지털 신호로 변환하여, 터치 입력을 판단하는 신호 처리부; 를 포함하며,
    상기 감지 회로부는 상기 복수의 감지 전극 중 이웃하여 배치되는 감지 전극으로부터 검출되는 둘의 정전용량 변화를 차분 연산하고, 상기 이웃하여 배치되는 감지 전극 중 하나의 감지 전극에 형성되는 복수의 노드 커패시터와 다른 하나의 감지 전극에 형성되는 복수의 노드 커패시터를 서로 다른 극성으로 충전하는 터치 스크린 장치.
  7. 삭제
  8. 복수의 구동 전극 및 복수의 감지 전극을 포함하는 패널부;
    상기 복수의 구동 전극 각각에 소정의 구동 주기를 갖는 구동 신호를 인가하는 구동 회로부;
    상기 복수의 감지 전극으로부터 복수의 정전용량 변화를 검출하는 감지 회로부; 및
    상기 감지 회로부의 출력을 디지털 신호로 변환하여, 터치 입력을 판단하는 신호 처리부; 를 포함하며,
    상기 감지 회로부는 상기 복수의 감지 전극 중 이웃하여 배치되는 감지 전극으로부터 검출되는 둘의 정전용량 변화를 차분 연산하고,
    상기 감지 회로부는,
    상기 복수의 감지 전극과 각각 연결되는 복수의 적분회로;
    상기 이웃하여 배치되는 감지 전극 각각에 형성되는 노드 커패시터의 충전 전압의 극성을 다르게 설정하는 전압 설정부; 및
    상기 이웃하여 배치되는 감지 전극과 각각 연결되는 적분회로의 출력전압을 차분 연산하는 감산부; 를 포함하는 터치 스크린 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 감지 회로부의 출력을 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및
    상기 디지털 신호로부터 상기 터치 입력을 판단하는 연산부; 를 포함하는 터치스크린 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연산부는,
    상기 터치 입력에 의한 제스처 동작 및 상기 터치 입력의 개수 중 적어도 어느 하나를 판단하는 터치스크린 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 구동 회로부는 소정의 제1 전압 및 제2 전압을 서로 다른 타이밍으로 인가하며,
    상기 전압 설정부는 상기 제1 전압 및 소정의 제3 전압 중 어느 하나를 선택하여, 상기 이웃하여 배치되는 감지 전극에서 형성되는 노드 커패시터의 충전 전압의 극성을 다르게 설정하는 터치스크린 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전압, 상기 제2 전압, 상기 제3 전압은 하기의 조건식을 만족하는 터치스크린 장치.
    [조건식]
    V1-V2=△V, V3-V2=△V
    (V1: 제1 전압, V2: 제2 전압, V3: 제3전압)
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