KR101572866B1 - 터치 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR101572866B1
KR101572866B1 KR1020140010550A KR20140010550A KR101572866B1 KR 101572866 B1 KR101572866 B1 KR 101572866B1 KR 1020140010550 A KR1020140010550 A KR 1020140010550A KR 20140010550 A KR20140010550 A KR 20140010550A KR 101572866 B1 KR101572866 B1 KR 101572866B1
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리앙후아 모
광 오우양
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포컬테크 시스템즈, 엘티디.
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Abstract

터치 디스플레이 장치는 제 1 기판, 제 2 기판, 및 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 배치된 액정층; 제 1 기판의 상부면에 배치된 복수의 센싱 전극; 제 1 기판의 상부면에 부착된 터치 컨트롤 칩을 포함하고, 복수의 센싱 전극은 2 차원 배열로 배치되고, 각 센싱 전극은 와이어에 의해 터치 컨트롤 칩과 연결된다. 터치 컨트롤 칩은 각 센싱 전극의 정전용량을 감지한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전원 잡음의 억제력이 상당히 개선되고, 접촉 감지에서의 잡음의 간섭은 감소한다.

Description

터치 디스플레이 장치{Touch display device}
본 발명은 터치 컨트롤 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 터치 디스플레이 장치에 관한 것이다.
터치 패널 기능 모듈이 디스플레이 스크린의 컬러 필터의 상부면에 내장된 온-셀 방식은 기존의 터치 패널들에서 널리 이용되고 있다. 수평 및 수직의 전극들은 LCD (Liquid Crystal Display)의 제 1 유리 기판의 상부 면에 배치되고, 와이어에 의해 연성 인쇄 회로를 통해 터치 컨트롤 칩과과 연결된다. 수평 및 수직의 전극이 적용된 배치에서, 수평 및 수직의 전극은 일측에서 반대측까지 터치 스크린상에 연장되어배치되고 터치 스크린상에 긴 범위를 차지한다. 따라서, 복수의 손가락으로 접촉하는 경우, 하나의 동일한 전극이 상기 복수의 손가락에 의해 접촉될 수 있다. 그 결과, 복수의 손가락에 의해 발생하는 노이즈는 동일한 전극에 축적될 수 있고, 상기 노이즈에 의한 간섭이 커진다.
본 발명의 실시예들은 접촉 위치에 대한 감지에서의 노이즈의 간섭을 줄일 수 있는 터치 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터치 디스플레이 장치는, 제 1 기판, 제 2 기판, 및 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이에 배치된 액정층; 상기 제 1 기판의 상부면에 배치된 복수의 센싱 전극; 및 상기 제 1 기판의 상부면에 부착된 터치 컨트롤 칩을 포함하고, 상기 복수의 센싱 전극은 2 차원 배열로 배치되고, 상기 각 센싱 전극은 와이어에 의해 상기 터치 컨트롤 칩과 연결되며, 상기 터치 컨트롤 칩은 상기 각 센싱 전극의 정전용량을 감지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은 자기 정전용량 감지를 통해 상기 각 센싱 전극의 정전용량을 감지한다.
바람직하게는, 상기 와이어는 상기 복수의 센싱 전극과 같은 층에 배치되거나, 또는 상기 와이어는 상기 복수의 센싱 전극과 다른 층에 배치된다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은 칩-온-글라스 방식으로 상기 제 1 기판의 상부면에 부착된다.
바람직하게는, 상기 터치 디스플레이 장치는 연성 인쇄 회로를 더 포함하고, 상기 연성 인쇄 회로는 상기 제 1 기판의 상부면에 부착되고, 상기 터치 컨트롤 칩과 연결된다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은, 동시 구동 모드로 상기 각 센싱 전극을 감지한다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은, 상기 모든 센싱 전극을 동시에 감지하거나 상기 센싱 전극을 그룹별로 감지함으로써, 상기 각 센싱 전극의 자기 정전용량을 감지한다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은, 전압원 또는 전류원으로 상기 센싱 전극을 구동시키는 단계 및 상기 센싱 전극의 전압, 주파수, 또는 전기량을 감지하는 단계에 의해, 상기 각 센싱 전극의 자기 정전용량을 감지한다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은, 상기 센싱 전극을 구동시켜 감지하고 나머지 센싱 전극들을 동시에 구동시키거나, 상기 센싱 전극을 구동시켜 감지하고 상기 센싱 전극의 주변의 센싱 전극들을 동시에 구동시킴으로써 상기 각 센싱 전극의 자기 정전용량을 감지하며, 상기 센싱 전극을 구동시키는 신호와 나머지 센싱 전극들을 구동시키고 상기 센싱 전극의 주변 센싱 전극들을 동시에 구동시키는 신호들은 동일한 전압 또는 전류 신호이거나, 상이한 전압 또는 전류이다.
바람직하게는, 상기 모든 센싱 전극에 대한 상기 전압원 또는 상기 전류원은 동일 주파수를 갖거나, 상기 센싱 전극에 대한 상기 전압원 또는 상기 전류원은 두 개 이상의 주파수를 갖는다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은, 2차원 정전용량 센싱 배열에 기초하여 접촉 위치를 결정한다.
바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩은, 상기 전압원 또는 상기 전류원의 파라미터를 통해, 접촉 감지의 민감도 또는 동적 범위를 조정하고, 상기 파라미터는 진폭, 주파수, 또는 타임시퀀스 중 어느 하나 이상을 포함한다.
바람직하게는, 상기 센싱 전극은 직사각형, 마름모꼴, 원형, 또는 타원형이다.
바람직하게는, 상기 센싱 전극은 투명 도전 재료인 인듐 주석 산화물 또는 그래핀으로 구성된다.
바람직하게는, 상기 터치 디스플레이 장치는 In-Plane Switching 구조 또는 Twisted Nematic 구조이다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 디스플레이 장치에서, 센싱 전극들은 서로 독립적이고, 터치 컨트롤 칩은 각 센싱 전극과 와이어에 의해 연결되며, 실제 멀티 접촉 감지가 가능하다.
나아가, 터치 컨트롤 칩은 각 센싱 전극의 정전용량을 감지함으로써 접촉 감지를 수행하고, 따라서, 전원 노이즈 억제력은 상당히 개선되고 접촉 감지에서의 노이즈의 간섭은 감소한다.
복수의 손가락에 의해 발생하는 노이즈는, 복수의 손가락이 동일한 전극에 접촉되는 경우 동일한 전극에 축적되기 때문에 노이즈의 간섭이 증가하는 문제는 피할 수 있다.
실시예들의 설명에 이용되는 도면들은 본 발명의 실시예들의 기술적인 해결에 대한 용이한 이해를 위해 다음과 같이 간략하게 설명된다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 디스플레이 장치의 개략 구조도이다.
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 따른 터지장의 또 다른 개략 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 전극 배열의 평면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 전극 구동 방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 용량성 터치 스크린의 네 가지 적용되는 경우를 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 컨트롤 칩에서의 신호 흐름도이다.
도 9A는 중심 알고리즘을 이용하여 접촉 위치의 좌표를 산출하는 예를 설명한다.
도 9B는 노이즈가 존재시 중심 알고리즘을 이용하여 접촉 위치의 좌표를 산출하는 예를 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간-기계 상호 작용 과정에서 터치 디스플레이 장치의 제어 원리도이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 접촉 위치 감지에서의 노이즈의 간섭을 줄일 수 있는 터치 디스플레이 장치가 제공된다.
해당분야에서에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 본 출원의 기술적 해결에 대한 용이한 이해를 위해, 본 출원의 실시예들의 기술적 해결은 도면들과의 함께 명확하고 완벽하게 후술될 것이다. 분명하게, 기재된 실시예들은 모든 실시예라기 보다는, 본 출원의 일부 실시예에 지나지 않는다. 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 창작의 작업없이 본 출원의 실시예에 기초하여 획득되는 다른 실시예들은 본 출원의 보호 범위에 포함된다. 설명의 편의를 위하여, 장치의 구조를 나타내는 단면도는 부분적으로 확대될 수 있고 스케일에 맞게 그려지지 않을 수 있다. 도면들은 설명을 위한 것으로, 본 발명의 보호 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 나아가, 실제 제작 과정에서는 3차원 크기, 즉 길이, 폭, 높이는 고려되어야 한다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 디스플레이 장치의 개략 구조도이다. 도 1A에서 보이는 바와 같이, 터치 디스플레이 장치는 제 1 기판 (15), 제 2 기판 (16), 및 제 1 기판 (15)과 제 2 기판 (16) 사이에 배치된 액정층 (17); 제 1 기판 (15)의 상부면에 배치되고, 2차원 배열로 배치된 복수의 센싱 전극 (19); 및 제 1 기판 (15)의 상부면에 부착되고, 와이어에 의해 상기 상기 각 센싱 전극과 연결된 터치 컨트롤 칩 (10)을 포함한다. 터치 컨트롤 칩 (10)은 상기 각 센싱 전극의 정전용량을 감지한다. 바람직하게는, 상기 터치 컨트롤 칩 (10)은 자기 정전용량 감지를 통해 상기 각 센싱 전극 (19)의 정전용량을 감지한다.
도 1B를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 디스플레이 장치는 제 1 기판 (15) 위에 배치된 제 1 편광판; 제 2 기판 (16) 아래에 배치된 제 2 편광판; 상기 제 1 편광판 위에 배치된 커버 렌즈; 제 1 기판 (15)과 액정층 (17) 사이에 배치된 컬러필터층; 및 제 1 기판 (15)의 상부면에 부착되고 터치 컨트롤 칩 (10)과 연결된 연성 인쇄 기판 (Flexible Printed Circuit, FPC)을 더 포함할 수 있다.
상기 터치 디스플레이 장치는 In-Plane Switching (IPS) 구조 또는 Twisted Nematic (TN) 구조이다.
제 1 기판 (15)은 투명하고, 예로써 유리 기판 또는 플렉서블 기판일 수 있다. 복수의 센싱 전극 (19)은 제 1 기판 (15)의 상부면에 배치된다. 복수의 센싱 전극 (19)은 2차원 배열로 배치되고, 직교 배열 또는 다른 유사한 형태일 수 있다. 정전용량성 터치 스크린을 위하여, 각 센싱 전극 (19)은 정전용량성 센서이고, 터치 스크린상 대응하는 위치가 접촉될 때, 정전용량이 변한다.
각 센싱 전극 (19)은 와이어에 의해 터치 컨트롤 칩 (10)과 연결된다. 터치 컨트롤 칩 (10)은 제 1 기판 (15)의 상부면에 부착된다. 터치 컨트롤 칩 (10)이 와이어에 의해 각 센싱 전극 (19)과 연결되는바, 많은 양의 핀이 존재하고, 따라서, 터치 컨트롤 칩 (10)은 종래 패키징에 의해 발생하는 복잡성을 피하기 위하여 제 1 기판 (15)에 부착된다. 특히, 터치 컨트롤 칩 (10)은 칩-온-글라스 (Chip-on-Glass, COG) 방식으로 상기 기판에 부착된다. 본 실시예에 따르면, 이방성 도전필름 (Anisotropic Conductive Film, ACF)이 터치 컨트롤 칩 (10)과 제 1 기판 (15) 사이에 배치될 수 있다.
나아가, 일반적으로 연성 인쇄 기판 (FPC)의 연결 필요에 따라 터치 컨트롤 칩과 연성 인쇄 기판 (Flexible Printed Circuit, FPC)를 위한 물리적 공간이 필요하고, 이는 시스템의 간소화에 불리하다. 이에 반하여, 터치 컨트롤 칩 (10)을 터치 스크린과 COG 모드에서 전체로서 연결함으로써, 터치 컨트롤 칩 (10)과 터치 스크린 사이의 거리가 상당히 감소하고, 따라서 전체 크기가 감소한다. 나아가, 센싱 전극은 기판 상에 인듐 주석 산화물 (Indium Tin Oxide, ITO)를 에칭함으로써 형성되고, 터치 컨트롤 칩은 같은 기판상에 배치되는바, 센싱 전극과 터치 컨트롤 칩 사이의 연결 와이어는 ITO 에칭 과정을 함께 하나의 과정을 통해 구현될 수 있고, 제작 과정은 상당히 간소화될 수 있다. 상기 센싱 전극은 그래핀으로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 전극 배열의 평면도이다. 도 2의 센싱 전극은 복수의 자기 정전용량 행렬로 분할된다. 센싱 전극의 예시적 배치가 도 2에서 도시된 것이고, 실제로 임의의 2차원 배열이 센싱 전극의 배치에 적용될 수 있다는 것을 해당분야에서 통상의 지식을 가진자에게 자명하다. 나아가, 어느 방향에서의 두 개의 근접한 센싱 전극 간의 거리는 동일하거나 다를 수 있다. 도 2에 도시된 것보다 더 많은 센싱 전극이 존재할 수 있다는 것 또한, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자에게 자명하다.
도 2는 단지 센싱 전극의 하나의 예시적인 형태를 설명하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 상기 센싱 전극은 실시예에 따라 직사각형, 마름모꼴, 원형, 타원형, 또는 불규칙한 형태일 수 있다. 상기 센싱 전극들은 동일하거나 상이한 형태일 수 있다. 예를 들어, 센싱 전극들은 중간이 마름모인 반면, 가장자리는 삼각형일 수 있다. 나아가, 센싱 전극들은 동일하거나 상이한 크기일 수 있다. 예를 들어, 가장자리에 위치한 센싱 전극이 더 작은 반면, 내부의 센싱 전극은 더 클 수 있고, 이는 배선과 가장자리에서의 터치 정확도에 유리하다.
각 센싱 전극은 와이어에 의해 외부로 연결되고 상기 와이어는 센싱 전극들 사이의 간격에 배치된다. 일반적으로, 와이어는 가능한 균일하고 짧게 형성된다. 나아가, 배선의 범위는 안전 거리가 확보되는 상태하에서 가능한 좁고, 따라서 센싱 전극을 위한 더 많은 공간이 확보되며 센싱은 더 정확하다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 터치 디스플레이 장치는 와이어에 의해 각 자기 정전용량 행렬의 센싱 전극과 연결되고 터치 컨트롤 칩과 연결되는 적어도 하나 이상의 버스 (22)를 더 포함한다.
각 센싱 전극이 버스 (22)과 연결되는 와이어는 버스 (22)에 의해 터치 컨트롤 칩 상의 핀과 직접 연결되거나 적절한 순서에 의해 연결된다. 하나의 큰 크기를 갖는 터치 스크린에는 많은 센싱 전극이 있을 수 있다. 이러한 상황에서, 하나의 터치 컨트롤 칩은 모든 센싱 전극을 제어할 수 있고, 또는 복수의 터치 컨트롤 칩이 스크린 상에 서로 다른 분할된 영역을 제어할 수 있으며, 상기 복수의 터치 컨트롤 칩들은 하나의 클락에 동기화될 수 있다. 여기서, 버스 (22)는 서로 다른 터치 컨트롤 칩들과 연결되기 위하여 여러 개의 버스 그룹들로 분할될 수 있고, 각 터치 컨트롤 칩은 동일하거나 상이한 수의 센싱 전극을 제어할 수 있다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 배선은 센싱 전극 배열과 동일한 층에 구현될 수 있다.
다른 구조의 센싱 전극 배열과 센싱 전극이 구멍들을 통해 연결되는 것과 같이, 상기 같은 층에서 배선을 구현하기 어려운 경우, 상기 와이어는 센싱 전극의 층과 상이한 층에 배치될 수 있다.
도 2에서 보이는 센싱 전극 배열은 자기 정전용량 접촉 감지의 원리에 기초한다. 각 센싱 전극은 스크린 상 특정 위치에 대응한다. 도 2에서, 참조 부호 2a-2d는 서로 다른 센싱 전극을 나타내고, 참조 부호 21은 접촉을 나타낸다. 센싱 전극의 전하량은 센싱 전극에 대응하는 위치가 접촉되었을 때 변한다. 따라서, 센싱 전극 상의 전하량 (전압/전류)을 감지함으로써 해당 센싱 전극에 대응하여 터치 이벤트가 발생하는지에 여부를 결정할 수 있고, 이는 일반적으로 아날로그-디지털 컨버터 (ADC)를 통한 아날로그 디지털 변환의 수단에 의해 구현될 수 있다. 센싱 전극의 전하량 변화는 센싱 전극이 커버되는 영역과 관계가 있으며, 전극 2b 또는 2d에서의 전하량의 변화가 전극 2a 또는 2c에서의 전하량의 변화보다 크다는 것이 그 예이다.
스크린 상의 모든 위치는 대응하는 센싱 전극에 의해 제공되고, 센싱 전극들 사이의 물리적 연결은 없다. 실시예에 따른 정전용량성 터치 스크린들은 실제 복수의 터치 제어가 구현될 수 있고, 종래 기술인 자기 정전용량 접촉 감지에서의 고스트 위치의 문제를 피할 수 있으며, 전원 노이즈 억제력은 상당히 개선되고, 접촉 감지에서의 노이즈의 간섭은 감소한다.
실시예에 따른 터치 컨트롤 칩은 동시 구동 모드에서 각 센싱 전극을 감지한다.
행렬 전극들을 위한 많은 와이어들 때문에, 배선은 스크린 영역이 제한된 상황에서 매우 좁고, 따라서 저항은 증가하고 감지 신호의 질에 영향을 미친다. 이러한 문제의 관점에서, 본 발명에서의 터치 컨트롤 칩은 동시 구동 모드에서 각 센싱 전극을 감지한다. 이러한 방식으로, 행렬 중 하나의 전극이 감지될 때, 감지되지 않은 다른 전극들은 현재 전극과 다른 전극들 사이의 전압 차를 감소시키기 위하여, 감지된 현재 전극에 적용되는 신호에 기초하여 동시에 구동되고/구동되거나, 디스플레이 스크린의 데이터 라인들은 감지된 현재 전극과 상기 데이터 라인들과의 전압 차를 감소시키기 위하여 동시에 구동된다. 감지된 전극의 정전용량은 이러한 방법으로 감소하고, 따라서 감지된 전극의 저항 (리액턴스)은 감소한다.
도 3 내지 도 7은 실시예들에 따른 센싱 전극의 구동 방법을 설명한다. 센싱 전극 (19)은 구동원 (24)으로부터 구동되고, 상기 구동원은 전압원 또는 전류원일 수 있다. 서로 다른 센싱 전극 (19)들에 대한 구동원 (24)은 서로 다른 구조일 수 있다. 예를 들어, 구동원의 일부는 전압원일 수 있고, 일부는 전류원일 수 있다. 나아가, 서로 다른 센싱 전극 (19)들에 대한 구동원 (24)은 주파수 같거나 다를 수 있다. 구동원 (24)의 타임시퀀스는 타임 시퀀스 제어 회로 (23)에 의해 제어된다.
센싱 전극 (19)의 시퀀스를 구동하기 위한 다양한 옵션이 있다. 도 4A와 보이는 바와 같이, 모든 센싱 전극은 동시에 구동되고 감지될 수 있다. 이 방법에서, 스캐닝을 종료하는 시간은 가장 짧은 반면, 구동원의 수는 가장 많다. (센싱 전극의 수와 같다.) 도 4B에서 보이는 바와 같이, 센싱 전극에 대한 구동원들은 대응하는 영역에서 전극들을 순차적으로 구동할 수 있도록 여러 개의 그룹으로 분할될 수 있다. 이 방법에서는 구동원은 재사용할 수 있는 반면, 스캐닝 시간은 증가한다. 구동원의 재사용 이득과 스캐닝 시간의 타협은 적절한 그룹의 수를 선택함으로써 충족될 수 있다.
도 4C는 상호 정전용량 접촉 감지를 위한 종래의 스캐닝 방법을 설명한다. N 개의 구동 채널 (TX)와 각 TX의 스캐닝 시간을 Ts라 가정하면, 하나의 프레임을 스캐닝하는 시간은 N*Ts이다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 센싱 전극 구동 방법에서, 모든 센싱 전극이 동시에 감지되는바, 하나의 프레임에 대한 가장 짧은 스캐닝 시간은 Ts이다. 즉, 스캔 프레임율은 종래의 상호 정전용량 접촉 감지와 비교하여 본 발명에 따른 방법에서 N 배 향상된다.
40 개의 구동 채널과 500 μs 의 각 구동 채널에 대한 스캐닝 시간을 갖는 상호 정전용량 터치 스크린을 고려하면, 전체 터치 스크린 (하나의 프레임)을 스캔하는데 걸리는 시간은 20ms, 즉 프레임율은 50Hz이고, 이는 때때로 만족스러운 사용 경험을 충족시킬 수 없다. 상기 문제는 상기 실시예들에 의해 제공되는 해결방법에 의해 해결될 수 있다. 센싱 전극을 2차원 배열로 배치함으로써 모든 전극들은 동시에 감지될 수 있고, 각 전극에 대한 감지 시간이 500μs 일 경우, 프레임율은 2000Hz에 다다를 수 있고, 이는 대부분의 터치 스크린의 등록 요건을 상당히 상회한다. 디지털 신호 처리부에 의해, 예를 들어 더 나은 효과를 달성하기 위하여, 간섭방지 또는 접촉 추적 최적화에 의해 엄청난 스캐닝 데이터가 이용될 수 있다.
바람직하게는, 각 센싱 전극의 자기 정전용량은 감지된다. 상기 센싱 전극의 자기 정전용량은 센싱 전극의 접지에 대한 정전용량일 수 있다.
예를 들어, 전하량 감지는 자기 정전용량을 감지하는데 이용될 수 있다. 도 5에서 보이는 바와 같이, 정전압 V1은 구동원 (41)에 의해 제공된다. 전압 V1은 양수, 음수, 또는 접지와 같을 수 있다. 참조번호 S1 및 S2는 두 개의 제어 스위치를 나타내고, 참조번호 42는 센싱 전극의 접지에 대한 정전용량을 나타내며, 참조 번호 45는 특정 값 V2로 입력 전압을 고정시키고 전하량의 입력 또는 출력 양을 측정하는 전하량 수신 모듈을 나타낸다. 첫째로, S1은 온이고, S2는 오프일 때, Cx의 상부 플레이트는 구동원 (41)에 의해 제공되는 전압 V1으로 충전되고, S1이 오프고, S2가 온이면, Cx는 전기 수신 모듈 (45)에 의해 전하량을 교환한다. 전하 교환의 양이 Q1이고 Cx의 상부 플레이트상의 전압이 V2로 바뀌는 것을 가정하면, C=Q/?에 의해 Cx=Q1/(V2-V1)로 결론을 내릴 수 있고, 따라서 자기 정전용량은 감지된다.
선택적으로, 전류원이 사용될 수 있고, 또는 자기 정전용량은 센싱 전극의 주파수에 기초하여 감지될 수도 있다.
선택적으로, 복수의 구동원이 적용되는 경우에, 센싱 전극이 감지되었을 때, 감지된 센싱 전극에 적용된 구동원과 다른 전압이 상기 감지된 센싱 전극에 근접하거나 주변에 위치한 센싱 전극을 위해 선택될 수 있다. 설명 편의를 위해, 도 6은, 오직 3 개의 센싱 전극 (감지된 하나의 전극 (57), 및 두 개의 근접한 전극 (56 및 58))을 나타낸다. 후술되는 예시 또한 더 많은 센싱 전극에서의 상황에 적용가능한 것은 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
감지된 전극 (57)과 연결된 구동원 (54)은 감지된 전극 (57)을 구동하기 위하여 스위치 S2를 통해 전압원과 연결된다. 감지된 전극 (57)에 근접한 전극 (56 및 58)들은 구동원 (53 및 56)에 각각 연결되고, 각각 스위치S1 및 S2를 통해 전압원 (51) 또는 특정 레퍼런스 전압 (예컨대, 접지)과 연결될 수 있다. 감지된 전극과 주변의 전극들은, 스위치 S1및 S3가 전압원 (51)과 연결된 경우, 같은 전압원으로 동시에 구동된다. 상기의 경우, 감지된 전극과 주변의 전극 사이의 차이는 감소되고, 이는 감지된 전극의 정전용량을 감소시키고 물방울에 의해 발생하는 오류 접속을 방지하는데 유리하다.
바람직하게는, 터치 컨트롤 칩은 구동원의 파라미터들에 의해 접촉 감지의 민감도 또는 동적 범위를 조정할 수 있다. 상기 파라미터는 진폭, 주파수, 타임 시퀀스, 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 포함한다. 도 6에서 보이는 바와 같이, 예를 들어, 각 구동원의 파라미터 (예컨대 구동 전압, 전류, 및 주파수)와 구동원의 타임시퀀스는 터치 컨트롤 칩의 신호 구동 회로의 제어 로직 (50)에 의해 제어될 수 있다. 예컨대 높은 민감도, 중간 민감도, 또는 낮은 민감도와 같이, 서로 다른 회로 작동 모드 또는 서로 다른 동적 범위는 상기 파라미터들을 통해 조정될 수 있다.
상기 다른 회로 작동 모드는 서로 다른 응용 상황으로 구성될 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량성 터치스크린의 통상 손가락 접촉, 떠있는 손가락 접촉, 능동/수동 스타일러스 또는 작은 도체와의 접촉, 및 장갑낀 손가락의 접촉의 4가지 응용 상황을 설명한다. 하나 이상의 통상 접촉 및 하나 이상의 작은 도체와의 접촉은 상기 언급한 파라미터들과 함께 검출될 수 있다. 도 7에서 신호 수신부 (59)가 신호 구동 회로 (50)과 떨어져 있는 것으로 보이더라도, 이는 다른 실시예들에서 하나의 회로로 구현될 수 있음은 해당분야에서 통상의 지식을 가진자에게 자명하다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 컨트롤 칩에서의 신호 흐름을 설명한다. 센싱 전극이 접촉되면 센싱 전극의 정전용량의 변화가 발생하고, 상기 변화는 접촉의 정보를 복구하기 위하여 ADC를 통해 디지털 량으로 변한다. 정전용량의 변화는 일반적으로 접촉 물체에 의해 센싱 전극이 커버되는 지역에 관련된다. 상기 센싱 전극의 센싱 데이터는 신호 수신부 (59)에 의해 수신되고 접촉의 정보는 신호 처리부를 통해 따라서 복구된다.
신호처리부의 데이터처리방법은 다음과 같이 상세히 설명한다.
61단계: 센싱 데이터를 획득하는 단계.
62단계: 상기 센싱 데이터를 필터링하고 노이즈를 제거하는 단계. 본 단계는 이후의 계산의 편의를 위해 원 이미지로부터 가능한 많은 노이즈를 제거하는 단계이다. 공간-도메인 필터링, 시간-도메인 필터링, 또는 임계값 필터링이 본 단계에 사용될 수 있다.
63 단계; 후보 접촉 영역을 탐색하는 단계. 상기 영역은 실제 접촉 영역과 유효하지 않은 신호를 포함한다. 유효하지 않은 신호는 광역 접촉 신호, 전원 노이즈 신호, 잘못된 이상 신호, 물방울 신호 등을 포함한다. 유효하지 않은 신호에서, 일부는 실제 접촉과 유사할 수 있고, 일부는 실제 접촉을 간섭할 수 있으며, 또는 일부는 실제 접촉으로 해석될 수 있다.
64 단계: 유효하지 않은 신호를 제거하고 적정한 접촉 영역을 획득하는 예외처리 단계.
65 단계: 상기 적정한 접촉 영역의 데이터에 기초하여 접촉 위치의 좌표를 산출하는 단계.
바람직하게는, 상기 접촉 위치의 좌표는 2 차원 정전용량 센싱 배열에 기초하여 결정될 수 있다. 특히, 상기 접촉 위치의 좌표는 중심 (centroid) 알고리즘을 통해 상기 2차원 정전용량 센싱 배열에 기초하여 결정될 수 있다.
도 9A는 중심 알고리즘을 통해 접촉 위치의 좌표를 산출하는 예를 설명한다. 이하, 간결하게 접촉 위치의 1차원의 좌표를 산출하는 것만을 설명한다. 모든 좌표는 동일 또는 유사한 방법에 의해 획득될 수 있음은 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 도 6에서 보이는 전극 (56 내지 58)이 손가락에 의해 커버되는 것을 가정하면, 센싱 데이터에 대응하는 조각은 각각 PT1, PT2, 및 PT3이고, 대응하는 좌표는 각각 x1, x2, 및 x3이며, 중심 알고리즘을 통해 획득되는 접촉 위치의 좌표는 다음과 같다.
Figure 112014009260950-pat00001
선택적으로, 66 단계의 복수의 프레임의 데이터로부터 현재 프레임의 데이터를 획득하기 위하여 이전 프레임의 데이터의 분석은 접촉 위치의 좌표를 획득한 이후에 수행될 수 있다.
선택적으로, 67 단계의 복수의 프레임의 데이터에 기초하여 접촉 트레이스의 추적은 접촉 위치의 좌표를 획득한 이후에 수행될 수 있다. 나아가, 이벤트 정보는 사용자의 동작에 기초하여 획득되고 보고될 수 있다.
복수의 접촉의 구현에서, 종래 기술에서의 노이즈 축적의 문제 본 발명의 실시예에 따른 정전용량성 터치 스크린으로 해결될 수 있다.
전원 공통 모드 노이즈가 도 6에서와 같이 501 위치에 인가되는 것으로 가정하면, 노이즈에 의해 접촉 위치의 산출에 미치는 영향은 다음과 같이 분석할 수 있다.
종래 기술에서의 상호 정전용량 접촉 감지에 기초한 감지 시스템에서는, 복수의 구동 채널 (TXs) 및 복수의 수신 채널 (RXs), 및 각 RX는 모든 TX와 연결된다. 이미 시스템에 인가된 공통모드 간섭 신호는 RX의 연결 때문에 모든 RX를 통해 전송된다. 특히, 복수의 노이즈원이 하나의 RX에 존재하는 경우, 상기 노이즈원에 의해 생성된 노이즈는 축적되고, 그것 때문에 생성된 노이즈의 진폭이 증가한다.
노이즈 때문에 측정되는 커패시터의 전압 신호는 변동하고, 따라서 접촉되지 않은 위치에서 감지오류가 발생한다.
본 발명의 실시예에 따른 정전용량성 터치 스크린에서는, 센싱 전극은 터치 컨트롤 칩의 외부와 물리적으로 연결되지 않고, 따라서 노이즈는 센싱 전극을 통해 전송되지 않고 축적되지 않으며 감지오류를 피할 수 있다.
전압 감지의 접근을 예로 들면, 노이즈 때문에 접촉된 전극의 전압은 변하고, 접촉된 전극의 센싱 데이터는 결과적으로 변한다. 자기 정전용량 접촉 감지의 원리에 따르면, 노이즈에 의해 발생하는 센싱 값은 통상 접촉의 경우와 같이, 접촉된 전극의 커버된 영역에 비례한다.
도 9B는 노이즈의 존재하는 경우의 중심 알고리즘을 통해 접촉 위치의 좌표를 산출하는 것을 설명한다. 통상 접촉에 의해 발생하는 센싱 값을 PT1, PT2, 및PT3로 가정하고, 노이즈에 의해 발생하는 센싱 값을 PN1, PN2, 및 PN3로 가정하면, (센싱 전극 56 내지 58을 예로 들면) 다음과 같다.
Figure 112014009260950-pat00002
여기서, PN1 = K*PT1，PN2 = K*PT2，PN3 = K*PT3, K 는 상수이다.
구동원과 노이즈의 전압의 극성이 동일한 경우, 전압 중첩 때문에 센싱 데이터의 마지막 부분은 다음과 같고,
PNT1 = PN1+PT1 = (1+K)*PT1
PNT2 = PN2+PT2 = (1+K)*PT2
PNT3 = PN3+PT3 = (1+K)*PT3
중심 알고리즘을 통해 획득되는 좌표는 다음과 같다.
Figure 112014009260950-pat00003
분명히 공식 (2)는 공식 (1)과 같다. 그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 정전용량성 터치 스크린은 공통모드 노이즈에 영향을 받지 않는다. 노이즈가 시스템의 동적 범위를 넘어가지 않는다면, 최종적으로 결정된 좌표는 영향을 받지 않을 것이다.
유효한 신호는 구동원과 노이즈의 전압의 극성이 반대인 경우에 감소할 것이다. 이는 감소된 유효한 신호가 감지되는 경우, 상기 최종 결정된 좌표는 영향을 받지 않는다는 상기 분석에서 볼 수 있다. 상기 감소된 유효한 신호가 감지되지 않는 경우, 현재 프레임의 데이터는 유효하지 않다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 따른 정전용량성 터치 스크린의 스캐닝 주파수가 통상 스캐닝 주파수의 N (N은 일반적으로 10보다 크다) 배에 이르기 때문에, 현재 프레임의 데이터는 복수의 프레임의 데이터를 통해 복구될 수 있다. 스캐닝 주파수가 실질적으로 요구되는 보고율보다 훨씬 높기 때문에 통상적인 보고율은 복수의 프레임의 데이터 처리에 의해 영향을 받지 않는다는 것은 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
유사하게, 노이즈가 제한된 시스템의 동적 범위 이상을 넘는 경우, 현재 프레임은 역시 올바른 좌표를 획득하기 위하여 복수의 프레임의 데이터를 통해 복구될 수 있다. 프레임간 처리하는 본 방법은, 또한 액정 디스플레이 모듈과 같이 다른 노이즈원으로부터의 RF 내성 및 간섭에 적용이 가능하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간-기계 상호 작용 과정에서 터치 디스플레이 장치의 제어 원리도이다. 2차원 배열에 배치된 복수의 센싱 전극 (19)은 터치 스크린 (11)에 배치된다. 사용자는 접촉 정보를 입력하기 위하여 손가락 또는 다른 장치를 통해 터치 스크린 (11)을 가동할 수 있다. 터치 컨트롤 칩 (10)은 구동 신호를 터치 스크린 (11)에 전송하고 터치 스크린 (11)으로부터 신호를 수신하며, 상기 수신된 신호가 ADC에 의해 일반적으로 디지털 신호로 변환되는 구동 및 수신부 (12), Micro Control Unit (MCU) 또는 Digital Signal Processor (DSP)가 될 수 있는 신호 처리부 (13)를 포함한다. 상기 신호 처리부 (13)는 다양한 신호를 처리하고, 접촉 정보로부터 좌표와 다양한 이벤트를 복구하고, 전송 포트를 통해 호스트에 보고한다.
본 발명의 원리는 상기 개시된 실시예들에 대한 상기 설명들에 기초하여 해당분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 실시 또는 적용될 수 있다. 실시예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 자명하다. 본 명세서에 제시된 일반 원리는 발명의 사상의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예들에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 본원에 개시된 실시예에 한정되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치되는 가장 넓은 범위를 포함한다.

Claims (15)

  1. 제 1 기판, 제 2 기판, 및 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이에 배치된 액정층;
    상기 제 1 기판의 상부면에 배치된 복수의 센싱 전극; 및
    상기 제 1 기판의 상부면에 부착된 터치 컨트롤 칩을 포함하고,
    상기 복수의 센싱 전극은 2 차원 배열로 배치되고,
    상기 각 센싱 전극은 와이어에 의해 상기 터치 컨트롤 칩과 연결되며,
    상기 터치 컨트롤 칩은 상기 각 센싱 전극의 정전용량을 감지하고, 동시 가동 모드로 상기 각 센싱 전극을 감지하며,
    상기 2 차원 배열로 배치된 센싱 전극들 중 하나의 전극이 감지될 때, 감지되지 않은 다른 전극들은 상기 감지된 전극에 적용되는 신호에 기초하여 동시에 구동되는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치 컨트롤 칩은,
    자기 정전용량 감지를 통해 상기 각 센싱 전극의 정전용량을 감지하는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어는 상기 복수의 센싱 전극과 같은 층에 배치되거나, 또는 상기 와이어는 상기 복수의 센싱 전극과 다른 층에 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 컨트롤 칩은,
    칩-온-글라스 방식으로 상기 제 1 기판의 상부면에 부착되는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연성 인쇄 회로를 더 포함하고,
    상기 연성 인쇄 회로는 상기 제 1 기판의 상부면에 부착되고, 상기 터치 컨트롤 칩과 연결되는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 컨트롤 칩은,
    상기 모든 센싱 전극을 동시에 감지하거나 상기 센싱 전극을 그룹별로 감지함으로써, 상기 각 센싱 전극의 자기 정전용량을 감지하는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 컨트롤 칩은,
    전압원 또는 전류원으로 상기 센싱 전극을 가동시키는 단계 및 상기 센싱 전극의 전압, 주파수, 또는 전기량을 감지하는 단계에 의해, 상기 각 센싱 전극의 자기 정전용량을 감지하는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 컨트롤 칩은,
    동시에 상기 센싱 전극을 가동시켜 감지하고 나머지 센싱 전극들을 가동시키거나, 또는 동시에 상기 센싱 전극을 가동시켜 감지하고 상기 센싱 전극의 주변의 센싱 전극들을 가동시킴으로써 상기 각 센싱 전극의 자기 정전용량을 감지하며,
    상기 센싱 전극을 가동시키는 신호와 나머지 센싱 전극들을 가동시키고 상기 센싱 전극의 주변 센싱 전극들을 동시에 가동시키는 신호들은 동일한 전압 또는 전류 신호이거나, 상이한 전압 또는 전류 신호인 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 모든 센싱 전극에 대한 상기 전압원 또는 상기 전류원은 동일 주파수를 갖거나, 상기 센싱 전극에 대한 상기 전압원 또는 상기 전류원은 두 개 이상의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 컨트롤 칩은,
    2차원 정전용량 센싱 배열에 기초하여 접촉 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 터치 컨트롤 칩은,
    상기 전압원 또는 상기 전류원의 파라미터를 통해, 접촉 감지의 민감도 또는 동적 범위를 조정하고,
    상기 파라미터는 진폭, 주파수, 타임시퀀스, 또는 이들의 조합 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 전극은 직사각형, 마름모꼴, 원형, 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 전극은 투명 도전 재료인 인듐 주석 산화물 또는 그래핀으로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    In-Plane Switching 구조 또는 Twisted Nematic 구조인 것을 특징으로 하는 터치 디스플레이 장치.

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