KR102242315B1 - 터치 센싱 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펜과 손가락의 센싱이 가능한 터치 센싱 시스템에 관한 것으로, 공진 회로를 내장한 펜; 입력 영상의 데이터가 기입되는 표시패널의 픽셀 어레이와 중첩되는 XY 전극들과, 상기 픽셀 어레이 및 상기 XY 전극들로부터 분리되도록 상기 표시패널 상에 배치된 안테나를 포함한 터치 스크린; 및 상기 XY 전극들을 통해 정전 용량의 변화로 손가락을 감지하고 공진 유도 신호를 상기 XY 전극들에 공급하여 상기 안테나를 통해 상기 펜의 공진 신호를 수신하여 상기 펜을 감지하는 터치 구동 회로를 포함한다. 안테나 배선들이 상기 그라운드 노드와 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에서 병렬 연결된다.

Description

터치 센싱 시스템{TOUCH SENSING SYSTEM}

본 발명은 펜과 손가락의 센싱이 가능한 터치 센싱 시스템에 관한 것이다.

유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전자 기기의 통신을 가능하게 하여 사용자가 전자 기기를 쉽게 자신이 원하는 대로 쉽게 제어할 수 있게 한다. 유저 인터페이스의 대표적인 예로는 키패드, 키보드, 마우스, 온스크린 디스플레이(On Screen Display, OSD), 적외선 통신 혹은 고주파(RF) 통신 기능을 갖는 원격 제어기(Remote controller) 등이 있다. 유저 인터페이스 기술은 사용자 감성과 조작 편의성을 높이는 방향으로 발전을 거듭하고 있다. 최근, 유저 인터페이스는 터치 UI, 음성 인식 UI, 3D UI 등으로 진화되고 있다.

터치 UI는 휴대용 정보기기에 필수적으로 채택되고 있는 추세에 있으며, 나아가 가전 제품에도 확대 적용되고 있다. 터치 UI는 터치 스크린 상에 터치되는 손가락이나 펜의 위치를 감지하여 위치 정보를 발생한다.

터치 스크린은 손가락과 같은 도전체를 센싱하는 터치 스크린과, 펜을 센싱하는 터치 스크린으로 나뉘어진다. 후자의 펜 터치 스크린의 일예로서, 미국 특허 US 7,903,085(1988. 11. 22. 이하, "종래 기술의 펜 터치 센싱 장치"라 함)에는 공진 회로가 내장된 특수한 펜, 그 펜으로부터 공진 신호를 수신하는 루프 안테나, 및 루프 안테나의 신호에서 펜의 위치 정보(Pen location)와 필압(Pen pressure) 정보를 추출하는 아날로그 신호 처리부를 포함한다.

종래 기술의 펜 터치 센싱 장치에서, 도 1과 같이 펜의 공진을 유도하기 위한 구형파 신호(공진 유도 신호)는 안테나(ANT)를 통해 전자기 공명(Electromagnetic resonance) 경로를 통해 자기장으로 전파되어 펜(PEN)에 송신된다. 펜(PEN)의 공진 회로로부터 발생된 공진 신호는 전자기 공명 경로를 통해 자기장으로 전파되어 안테나(ANT)에 수신된다. 펜(PEN)의 공진 회로는 전자기 공명 즉, 자기장을 통해 인가된 구형파 신호에 의해 공진되고 그 공진신호를 자기장으로 루프 안테나로 송신한다. 따라서, 종래 기술의 펜 터치 센싱 장치에서, 펜(PEN)과 안테나(ANT)는 자기장으로 신호를 송수신한다.

종래 기술의 펜 터치 센싱 장치는 아래와 같은 문제점들이 있다.

XY 좌표계에서 펜 터치 위치를 검출하기 위하여 다수의 루프 안테나들과, 그 루프 안테나들을 순차 구동하기 위한 스위치 회로들이 필요하다. XY 좌표계에서 터치 포인트를 인식하기 위하여, 루프 안테나들은 매트릭스 형태로 겹쳐 있는 형태로 구현되어야 한다. 루프 안테나들을 표시패널에 구현하기 위해서, 표시패널에 별도의 안테나 레이어(antenna layer)가 추가되어야 하므로 표시패널의 두께가 증가한다. 표시패널에 다수의 루프 안테나들과 아날로그 신호 처리부를 연결하기 위한 구조가 추가되어야 하기 때문에 케이블 연결 기구가 커지고 복잡하게 된다. 따라서, 표시패널에 다수의 루프 안테나들이 집적되면 표시장치를 슬림화하고 단순화하기가 어렵다.

아래의 수학식 1은 패러데이의 유도 법칙(Faraday's law of electromagnetic induction)을 나타낸다.

안테나에서 발생하는 기전력(Emf)은 안테나 배선의 감긴 수(N)와 안테나를 통과하는 자속의 시간 변화율(dΦ/dt)에 비례한다. 따라서, 안테나의 수신 신호를 크게 하기 위하여, N을 증가시킬 수 있으나 N을 증가시키면 안테나의 길이가 길어져 안테나의 저항과 기생 용량(capacitance) 증가한다. 그러면, RC 딜레이(delay) 증가로 인하여, 안테나 수신 신호가 지연되어 신호 감쇄가 발생한다.

본 발명은 안테나의 신호 감쇄를 방지할 수 있는 터치 센싱 시스템을 제공한다.

본 발명의 터치 센싱 시스템은 공진 회로를 내장한 펜; 입력 영상의 데이터가 기입되는 표시패널의 픽셀 어레이와 중첩되는 XY 전극들과, 상기 픽셀 어레이 및 상기 XY 전극들로부터 분리되도록 상기 표시패널 상에 배치된 안테나를 포함한 터치 스크린; 및 상기 XY 전극들을 통해 정전 용량의 변화로 손가락을 감지하고 공진 유도 신호를 상기 XY 전극들에 공급하여 상기 안테나를 통해 상기 펜의 공진 신호를 수신하여 상기 펜을 감지하는 터치 구동 회로를 포함한다.
상기 안테나는 다수의 안테나 배선들을 포함한다.
상기 안테나 배선들 각각의 일단이 상기 안테나의 그라운드 노드에 연결되고, 상기 안테나 배선들의 타단이 상기 터치 구동 회로의 증폭기에 연결된다.
상기 안테나 배선들이 상기 그라운드 노드와 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에서 병렬 연결된다.
상기 증폭기의 출력 단자는 공진 주파수 이외의 주파수 대역을 차단하여 상기 안테나 배선들로부터의 신호에서 노이즈를 제거하는 대역 통과 필터에 연결된다.

삭제

상기 터치 센싱 시스템은 상기 안테나 배선들 각각의 타단에 연결된 버퍼, 및 상기 버퍼와 상기 증폭기 사이에 연결된 저항을 더 포함한다. 상기 안테나 배선들의 타단이 서로 분리된다.

상기 터치 센싱 시스템은 상기 안테나 배선들과 상기 증폭기 사이에 배치되어 상기 안테나 배선들 각각의 타단에 연결된 저항을 더 포함한다. 상기 안테나 배선들의 타단이 서로 분리된다.

상기 안테나 배선들 각각의 타단이 상기 안테나의 출력 노드에 연결된다. 상기 출력 노드가 상기 증폭기에 연결된다.

삭제

본 발명은 펜의 공진을 유도하기 위한 교류 신호를 기존의 핑거 터치 전극들에 인가하여 전기 용량 결합(electric capacitance coupling)을 통해 펜으로 송신하고, 안테나를 통해 펜의 공진 신호를 수신한다. 그 결과, 본 발명은 다수의 안테나 루프들을 표시패널에 형성하지 않으므로 기판 구조를 단순하고 하고 표시패널을 슬림화할 있다.

본 발명은 다수의 안테나 배선들을 병렬 연결하여 안테나의 RC 딜레이를 줄여 신호 감쇄를 최소화할 수 있다. 나아가, 본 발명은 안테나 수신 신호 대역을 증가할 수 있고 안테나의 신호 대 노이즈 비율(SNR)을 향상시킬 수 있고, 안테나 금속 선택의 자유도를 높일 수 있다.

도 1은 종래 기술의 펜 터치 센싱 시스템에서 자기장 송수신을 보여 주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 시스템의 전기장 송신과 자기장 수신을 보여 주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 시스템을 보여 주는 블록도이다.
도 4는 내지 도 6은 표시패널과 터치 스크린의 다양한 조합 형태를 보여 주는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 터치 스크린 구조를 보여 주는 평면도이다.
도 8은 제1 터치 구동 회로가 원칩 IC로 집적된 예를 보여 주는 도면이다.
도 9은 본 발명의 1 프레임 기간을 보여 주는 도면이다.
도 10은 펜 터치 센싱 동작을 보여 주는 파형도이다.
도 11은 핑거 터치 센싱 동작을 보여 주는 파형도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 제1 터치 구동 회로를 상세히 보여 주는 회로도이다.
도 13은 펜에 내장된 인덕터를 보여 주는 도면이다.
도 14는 제1 터치 구동 회로의 동작을 보여 주는 파형도이다.
도 15는 안테나 배선의 감긴 수를 증가한 예를 보여 주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 장치를 보여 주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 장치를 보여 주는 도면이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 안테나 장치를 보여 주는 도면이다.
도 19는 도 15에 도시된 안테나의 등가 회로도이다.
도 20은 본 발명의 안테나의 등가 회로도이다.
도 21 및 도 22는 도 19 및 도 20에 도시된 안테나의 시뮬레이션 결과를 보여 주는 도면들이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 터치 센싱 시스템은 다수의 XY 전극들(X/Y), 안테나(ANT) 및 펜(PEN)을 포함한다.

XY 전극들(X/Y)은 X 전극 그룹과, Y 전극 그룹으로 나뉘어진다. X 전극 그룹은 다수의 X 전극들을 포함한다. Y 전극 그룹은 유전체를 사이에 두고 X 전극들과 직교하는 Y 전극들을 포함한다. XY 전극들(X/Y)은 기존의 정전 용량 방식의 터치 스크린에 형성되는 전극들과 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.

따라서, 본 발명은 기존의 핑거 터치 센싱을 위한 터치 스크린의 전극들로 XY 전극들(X/Y)을 구현할 수 있다.

XY 전극들(X/Y)은 표시패널의 픽셀 어레이와 중첩된다. 입력 영상의 데이터는 픽셀 어레이의 픽셀들에 기입된다. XY 전극들(X/Y)은 픽셀 어레이에 내장될 수도 있다. 따라서, XY 전극들(X/Y)은 픽셀들로부터의 빛을 투과할 수 있도록 투과율이 높은 전극 물질 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다.

XY 전극들(X/Y)은 정전 용량(Csx)을 사이에 두고 펜(PEN)과 전기 용량 결합(electric capacitance coupling)된다. 정전 용량(Csx)은 XY 전극들과 펜(PEN) 사이의 정전 용량이다. XY 전극들(X/Y)은 공진 유도 신호를 정전 용량(Csx)을 통해 전기장으로 펜(PEN)에 송신한다.

종래 기술과 같이 펜과 안테나 사이에서 전자기 공명 경로를 통해 자기장으로 전파되면 펜의 팁이 도전체로 형성될 필요가 없다. 이에 비하여, 본 발명은 펜(PEN)과 XY 전극들(Y1~Yj, X1~Xi)이 전기장으로 결합되면 펜(PEN)의 팁은 도전체 예를 들어, 금속이어야만 한다.

펜(PEN)은 공진 회로를 포함한다. 펜(PEN)의 공진 회로는 정전 용량(Csx)을 통해 수신된 공진 유도 신호에 따라 공진하여 공진 신호를 발생한다. 펜(PEN)의 공진 회로는 펜의 팁(Tip)이 터치 스크린 상에 눌려졌을 때 LC 값이 변화하여 공진 주파수가 변한다. 따라서, 펜(PEN)의 필압 변화는 공진 주파수의 변화를 초래한다. 펜(PEN)의 공진 신호는 전자기 공명 경로를 통해 자기장으로 안테나(ANT)에 전송된다.

안테나(ANT)는 펜(PEN)의 공진 신호를 수신한다. 안테나(ANT)는 XY 전극들(X/Y)을 둘러 싸는 형태로 형성된다. 본 발명의 터치 센싱 시스템은 XY 전극들(X/Y)을 통해 정전 용량의 변화로 손가락의 터치 입력을 감지하고, XY 전극들(X/Y)과 안테나(ANT)를 이용하여 펜 터치 입력을 감지한다.

본 발명의 터치 센싱 시스템은 표시장치에 다양한 형태로 결합될 수 있다. 표시장치는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시장치(Organic Light Emitting Display, OLED), 전기영동 표시소자(Electrophoresis, EPD) 등의 평판 표시소자 기반으로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 평판 표시소자의 일 예로서 표시장치를 액정표시소자 중심으로 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시소자에 한정되지 않는다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 표시장치는 표시패널(DIS), 디스플레이 구동 회로, 터치 스크린(TSP), 터치 스크린 구동 회로 등을 포함한다.

표시패널(DIS)에서 두 장의 기판들 사이에 액정층이 형성된다. 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이는 데이터라인들(D1~Dm, m은 양의 정수)과 게이트라인들(G1~Gn, n은 양의 정수)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성된 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성된 TFT들(Thin Film Transistor), 데이터전압을 충전하는 화소전극, 화소전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함한다.

표시패널(DIS)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등이 형성된다. 표시패널(DIS)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 블랙매트릭스와 컬러필터는 표시패널(DIS)의 하부 기판에 형성될 수 있다. 공통전압(Vcom)이 공급되는 공통전극은 표시패널(DIS)의 상부 기판이나 하부 기판에 형성될 수 있다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성된다.

표시패널(DIS)의 배면 아래에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(DIS)에 빛을 조사한다. 표시패널(DIS)은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 등 공지된 어떠한 액정 모드로도 구현될 수 있다.

디스플레이 구동 회로는 데이터 구동 회로(12), 스캔 구동 회로(14) 및 타이밍 콘트롤러(20)를 포함하여 입력 영상의 데이터를 표시패널(DIS)의 픽셀들에 기입한다. 데이터 구동 회로(12)는 타이밍 콘트롤러(20)로부터 입력되는 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동 회로(12)로부터 출력된 데이터전압은 데이터라인들(D1~Dm)에 공급된다. 스캔 구동 회로(14)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터가 기입되는 표시패널(DIS)의 라인을 선택한다.

타이밍 콘트롤러(20)는 호스트 시스템(40)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동 회로(12)와 스캔 구동 회로(14)의 동작 타이밍을 동기시킨다. 스캔 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 게이트 출력 인에이블신호(Gate Output Enable, GOE) 등을 포함한다. 데이터 타이밍 제어신호는 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock, SSC), 극성제어신호(Polarity, POL), 소스 출력 인에이블신호(Source Output Enable, SOE) 등을 포함한다.

타이밍 콘트롤러(20)는 입력 영상의 프레임 레이트×N(N은 2 이상의 양의 정수) Hz의 주파수로 프레임 레이트를 높여 디스플레이 구동 회로와 터치 스크 구동 회로의 동작 주파수를 N 배 체배된 프레임 레이트로 제어할 수 있다. 입력 영상의 프레임 레이트(frame rate)는 NTSC(National Television Standards Committee) 방식에서 60Hz(1 프레임 기간 : 16.67 msec)이며, PAL(Phase-Alternating Line) 방식에서 50Hz(1 프레임 기간 : 20 msec)이다.

터치 스크린(TSP)은 도 7과 같이 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)과 안테나(ANT)를 포함한다. XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)의 교차부에는 손가락과 같은 전도체의 유무에 따라 전하양이 달라지는 터치 센서들(Cts)이 형성된다. XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)은 손가락의 터치 입력을 센싱하는 기존의 정전 용량 방식의 터치 스크린에서 사용된 전극들로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 터치 스크린(TSP)은 기존의 정전 용량 방식의 터치 스크린의 가장자리에 안테나(ANT)를 추가 설치하는 방법으로 간단히 구현될 수 있다.

터치 스크린(TSP)의 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)과 안테나(ANT)는 도 4와 같이 표시패널(DIS)의 상부 편광판(POL1) 상에 접합되거나, 도 5와 같이 상부 편광판(POL1)과 상부 기판(GLS1) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 터치 스크린(TSP)의 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)과 안테나(ANT)는 도 6과 같이 표시패널(DIS) 내에서 픽셀 어레이와 함께 인셀(In-cell) 타입으로 하부 기판 상에 내장될 수 있다. 도 4 내지 도 6에서 "PIX"는 액정셀의 화소전극, "GLS2"는 하부 기판, "POL2"는 하부 편광판을 각각 의미한다. 터치 스크린(TSP)의 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)과 안테나(ANT)는 동일 평면 상에 형성되거나 서로 다른 평면 상에 형성될 수 있다. 도 6과 같은 인셀 타입에서, XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)은 픽셀 어레이의 공통전극을 분할하는 방법으로 구현될 수 있다.

터치 스크린 구동 회로는 제1 터치 구동 회로(30)와, 제2 터치 구동 회로(32)를 포함한다. 제1 및 제2 터치 구동 회로(30, 32)는 하나의 IC 칩(chip) 내에 집적될 수 있다. 제1 및 제2 터치 구동 회로(30, 32)에서 동일한 기능을 갖는 구성 요소들은 공용화될 수 있다.

제1 터치 구동 회로(30)는 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)에 공진 유도 신호를 순차적으로 공급하고 안테나(ANT)를 통해 펜의 공진 신호를 수신한다. 제1 터치 구동 회로(30)는 안테나(ANT)를 통해 수신된 펜의 공진 신호를 디지털 데이터로 변환하여 공진 주파수 별 공진 크기를 측정한다. 제1 터치 구동 회로(30)는 수신된 공진 신호의 공진 크기를 소정의 기준값과 비교하여 펜의 터치 위치 정보(Pen location, XY)를 판단하고, 수신된 공진 신호의 주파수 변화를 바탕으로 펜의 필압(Pen pressure)을 측정한다. 제1 터치 구동 회로(30)로부터 발생된 펜의 위치 및 필압 정보(XY(PEN))는 호스트 시스템(40)으로 전송된다.

제2 터치 구동 회로(32)는 터치 센서(Cts)에 자극 신호(또는 구동 신호)를 인가하고, 그 자극 신호에 동기하여 터치 센서의 전하를 수신한다. 제2 터치 구동 회로(32)는 수신된 전하양을 분석하여 터치 전후 정전 용량의 변화를 판단하고, 그 정전 용량의 변화를 바탕으로 손가락의 터치 위치를 센싱한다.

터치 센서(Cst)는 자기(Self) 정전 용량이나 상호(Mutual) 정전 용량으로 구현될 수 있다. 제2 터치 구동 회로(32)는 X 전극들 또는 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)에 자극 신호를 순차적으로 공급하고, 그 자극 신호에 동기하여 터치 센서(Cts)의 터치 전후의 정전 용량 변화를 검출하여 디지털 데이터로 변환한다. 제2 터치 구동 회로(32)는 디지털 데이터를 소정의 기준값과 비교하여 손가락의 터치 위치 정보(XY(FINGER))를 판단한다. 제2 터치 구동 회로(32)로부터 발생된 손가락의 터치 위치 정보(XY(FINGER))는 호스트 시스템(40)으로 전송된다. 자극 신호는 펄스, 삼각파 등 다양한 형태의 신호로 발생될 수 있다. 제2 터치 구동 회로(32)는 손가락 터치 입력을 센싱하는 기존의 정전 용량 터치 스크린에서 사용되는 터치 구동 회로로 구현될 수 있다.

호스트 시스템(40)은 텔레비젼 시스템, 셋톱박스, 네비게이션 시스템, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나로 구현되어 입력 영상을 수신한다. 호스트 시스템(40)에는 제1 터치 구동 회로(30)로부터 펜의 위치 및 필압 정보(XY(PEN))가 수신되고, 제2 터치 센구동 회로(32)로부터 손가락의 터치 위치 정보(XY(FINGER))가 수신된다.

호스트 시스템(40)은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 표시패널(DIS)에 표시하기에 적합한 포맷으로 변환한다. 호스트 시스템(40)은 입력 영상의 디지털 비디오 데이터와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(20)로 전송한다. 또한, 호스트 시스템(40)은 제1 및 제2 터치 구동 회로(30, 32)로부터 입력되는 펜(PEN)의 위치 및 필압 정보(XY(PEN))와, 손가락의 터치 위치 정보(XY(FINGER)에 연계된 응용 프로그램을 실행한다.

XY 전극들(X1~X6, Y1~Y6)은 도 7과 같이 x축을 따라 나란하게 배치된 X 전극들(X1~X6)과, y축을 따라 나란하게 배치되어 X 전극들(X1~X6)과 직교되는 Y 전극들(Y1~Y6)을 포함한다. 안테나(ANT)는 XY 전극들(X~X6, Y1~Y6)을 둘러 싸는 단일 안테나로 형성될 수 있다. 단일 안테나는 픽셀들의 개구율 저하가 없도록 영상이 표시되는 픽셀 어레이 밖의 베젤(Bezel, BZ) 영역 내에 형성될 수 있다. 베젤은 표시패널의 가장자리를 따라 형성된 비표시 영역이다. 단일 안테나는 XY 전극들(X1~X6, Y1~Y6)과 실질적으로 같은 층에 형성될 수 있으므로 표시패널의 두께 증가를 초래하지 않는다. 제1 터치 구동 회로(30)는 안테나 패드(APAD)를 통해 안테나(ANT)에 연결되고 XY 패드들(XYPAD)을 통해 XY 전극들(X1~X6, Y1~Y6)에 연결된다.

제1 터치 구동 회로(30)는 도 8과 같은 원 칩(One chip) IC(Integrated Circuit)에 집적될 수 있다.

도 8을 참조하면, 원칩 IC는 아날로그 신호 처리부(100), 디지털 신호 처리부(200), 마이크로 프로세서 유닛(micro processor Unit, 이하, "MPU"라 함)(300), 인터페이스회로(310), 및 메모리(320)를 포함한다.

디지털 신호 처리부(200)는 메모리(2)를 포함한다. 메모리(2)는 수신된 공진 신호의 주파수별 공진 특성을 저장하고, 도 12에 도시된 적분기(214, 216)에서 데이터를 누적하기 위하여 이전 데이터를 일시적으로 저장하고, 위치 및 필압 판단부(218)의 출력 데이터를 일시 저장한다.

마이크로 프로세서 유닛(300)은 펜의 위치 및 필압 정보(XY(PEN))를 메모리(320)에 저장한다. 마이크로 프로세서 유닛(300)은 터치 스크린(TSP)의 해상도를 디스플레이의 해상도에 맞게 변환하기 위하여 펜 입력 위치의 좌표 정보를 보간(interpolation)하고, 노이즈 제거와 터치 인식 성능 개선을 위한 추가 알고리즘을 실행할 수 있다. 인터페이스회로(310)는 표준 인터페이스를 통해 펜의 위치 및 필압 정보(XY(PEN))를 호스트 시스템(40)으로 전송한다.

도 9는 본 발명의 1 프레임 기간을 보여 주는 도면이다.

도 9를 참조하면, 터치 스크린(TSP)이 도 6과 같이 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장되면, 픽셀 어레이와 터치 스크린 사이에 전기적인 커플링이 발생되어 상호 악영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 터치 스크린(TSP)이 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장되면, 1 프레임 기간은 (A)와 같이 디스플레이 기간(Tdis), 제1 터치 센싱 기간(Tpen), 및 제2 터치 센싱 기간(Tfinger)로 시분할될 수 있다.

터치 스크린(TSP)이 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장되면, 터치 스크린의 XY 전극들(X/Y)은 공통전압(Vcom)을 픽셀들에 공급하는 공통전극 역할을 할 수 있다. 이 경우, XY 전극들(X/Y)에 디스플레이 기간(Tdis) 동안 공통전압(Vcom)이 공급되고, 터치 센싱 기간(Tpen, Tfinger) 동안 자극신호나 공진 유도 신호가 공급된다.

유기발광 다이오드 표시장치(OLED)의 경우에 터치 스크린(TSP)이 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장되면, 디스플레이 기간(Tdis) 동안 터치 스크린의 XY 전극들(X/Y)에 전위 전원 전압(VDD), 저전위 전원 전압(VSS), 기준전압 등의 픽셀 전원 전압이 공급될 수 있다.

디스플레이 기간(Tdis)은 디스플레이 구동 회로가 구동되어 입력 영상의 데이터를 표시패널(DIS)의 픽셀들에 기입한다. 제1 터치 센싱 기간(Tpen)은 제1 터치 구동 회로(30)가 구동되어 터치 스크린(TSP) 상에서 펜의 터치 위치와 필압을 센싱한다. 제2 터치 센싱 기간(Tfinger)은 제2 터치 구동 회로(32)가 구동되어 터치 스크린(TSP) 상에서 손가락과 같은 전도체의 터치 위치를 센싱한다.

터치 스크린(TSP)이 도 4 및 도 5와 같이 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이와 분리된 상판에 형성되면, 터치 스크린(TSP)과 픽셀 어레이의 전기적인 커플링이 거의 없다. 따라서, 터치 스크린(TSP)이 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이와 분리되면, (B)와 같이 디스플레이 기간(Tdis)은 1 프레임 기간으로 할당되고 제1 및 제2 터치 센싱 기간(Tpen, Tfinger)은 1 프레임 기간 내에서 시분할될 수 있다. 이 경우에, 디스플레이 기간(Tdis)은 제1 및 제2 터치 센싱 기간(Tpen, Tfinger)과 중첩될 수 있다.

도 10은 펜 터치 센싱 동작을 보여 주는 파형도이다.

도 10을 참조하면, 제1 터치 구동 회로(30)는 제1 터치 센싱 기간(Tpen)에 동작하여 XY 전극들(Y1~Yj, X1~Xi)에 순차적으로 공진 유도 신호를 공급하여 펜(PEN)의 공진을 유도한다. 펜(PEN)의 공진 회로는 정전 용량(Csx)을 통해 전기장으로 입력된 공진 유도 신호에 따라 공진하여 공진 신호를 발생한다. 안테나(ANT)는 자기장의 변화로 펜(PEN)의 공진 신호를 수신한다. 제1 터치 구동 회로(30)는 안테나(ANT)를 통해 수신된 아날로그 공진 신호를 디지털 데이터로 변환하고 그 디지털 데이터에서 공진 신호의 진폭과 위상을 계산하여 펜의 위치와 펜의 필압을 센싱한다.

도 11은 핑거 터치 센싱 동작을 보여 주는 파형도이다.

도 11을 참조하면, 제2 터치 구동 회로(32)는 제2 터치 센싱 기간(Tfinger)에 동작한다. 상호 정전 용량의 경우, 제2 터치 구동 회로(32)는 Y 전극들(Y1~Yj)에 순차적으로 자극 신호를 공급하고, 자극신호에 동기하여 X 전극들(X1~Xi)을 통해 터치 센서(Cts)의 전하들을 수신한다. 제2 터치 구동 회로(32)는 터치 센서(Cts) 상에서 손가락이 터치되면 터치 전후 터치 센서(Cts)의 전하 변화량을 바탕으로 터치 입력을 센싱한다. 따라서, 제2 터치 센싱 기간(Tfinger) 동안 Y 전극 그룹의 Y 전극들(Y1~Yj)은 자극 신호를 터치 센서들(Cts)에 공급하는 Tx 채널 전극들로 동작하고, X 전극 그룹의 X 전극들(X1~Xi)은 터치 센서들(Cts)로부터 전하를 수신하는 Rx 채널 전극들로 동작한다.

자기 정전 용량의 경우, 제2 터치 구동 회로(32)는 X 전극들(X1~Xi)과 Y 전극들(Y1~Yj)에 순차적으로 자극 신호를 공급한다. 제2 터치 구동 회로(32)는 자기 정전 용량의 경우에, X 전극들(X1~Xi)과 Y 전극들(Y1~Yj)을 통해 터치 전후에 자극신호의 폴링 에지 타임(falling edge time) 또는 라이징 에지 타임(rising edge time)의 변화를 바탕으로 터치 입력을 센싱한다. 따라서, 자기 정전 용량의 경우, 제2 터치 센싱 기간(Tfinger) 동안 X 전극들(X1~Xi)과 Y 전극들(Y1~Yj) 각각은 Tx 채널 전극들과 Rx 채널 전극들로 동작한다.

도 12는 제1 터치 구동 회로(30)를 상세히 보여 주는 회로도이다. 도 13은 펜에 내장된 인덕터(L)를 보여 주는 도면이다. 도 14는 제1 터치 구동 회로(30)의 동작을 보여 주는 파형도이다.

도 12 내지 도 14를 참조하면, 제1 터치 구동 회로(30)는 아날로그 신호 처리부(100)와, 디지털 신호 처리부(200)를 포함한다.

펜(PEN)은 인덕터(L)와 커패시터(C)가 병렬로 접속된 LC 병렬 공진 회로를 포함한다. 펜(PEN)의 공진 회로는 펜의 팁이 터치 스크린 상에 눌려졌을 때 LC 값이 변화하여 공진 주파수가 변한다. 도 12에서, 펜(PEN)에 연결된 'Ch'는 사람(human)이 펜(PEN)을 잡았을 때 발생하는 정전 용량을 나타낸다. 정전 용량(Csx)을 통해 펜(PEN)에 인가되는 공진 유도 신호의 주파수가 LC 병렬 공진 회로의 공진 주파수와 일치할 때 펜은 공진 신호를 발생한다. 따라서, 펜(PEN)은 LC 병렬 공진회로에 연결되는 별도의 전원을 필요로 하지 않는다. 펜(PEN)의 공진 신호는 안테나(ANT)에 수신된다.

펜(PEN)에 인가되는 공진 유도 신호는 디지털 신호 처리부(200)에서 발생된다. 공진 유도 신호는 구형파 신호, 정현파 신호 등 다양한 형태로 디지털 신호 처리부(200)에서 발생될 수 있다. 디지털 신호 처리부(200)는 주기가 다른 신호들을 조합하여 원하는 주파수를 갖는 공진 유도 신호를 발생할 수 있다. 또한, 디지털 신호 처리부는 공진 유도 신호의 주기값을 변경하여 공진 유도 신호의 주파수를 가변할 수 있다.

펜(PEN)의 LC 병렬 공진회로에서 인덕턴스(inductance)는 필압에 따라 가변된다. 이를 위하여, 인덕터(L)는 도 13과 같이 구현될 수 있다. 페라이트 코어(Ferrite Core, FC)에 감긴 코일(L11)과 가이드 코어(GC)에 감긴 코일(L12)이 직렬로 연결된다. 페라이트 코어(FC)와 가이드 코어(GC) 사이에는 스프링(SPR)이 설치된다. 인덕턴스(Inductance)는 L = μSN²/l에 의해 자성계수(μ), 코일의 단면적(S), 및 권선 수(N)의 제곱에 비례하고, 코일의 길이에 반비례한다. 따라서, 터치 스크린 상에서 펜(PEN)이 눌려 필압이 발생되면, 스프링(SPR)이 압축되면서 페라이트 코어(FC)와 가이드 코어(GC) 사이의 거리가 짧아진다. 그 결과, 필압이 발생되면 자성계수가 증가하고 코일 길이가 감소되어 인덕턴스가 커진다. LC 병렬 공진회로의 L이 커지면, 공진 주파수가 작아진다. 본 발명은 필압이 발생할 때 변하는 공진 주파수를 이용하여 필압을 판정할 수 있다.

도 12 및 도 14에서 (A)는 Csx를 통해 전기장으로 펜(PEN)에 인가되는 구형파 공진 유도 신호의 일예이다. (A')은 구형파 공진 유도 신호(A)에 따라 펜(PEN)으로부터 발생된 공진 신호가 안테나(ANT)에 수신될 때 안테나(ANT)에서 측정되는 아날로그 신호이다. 펜(PEN)에서 발생되는 공진 신호는

으로 나타낼 수 있다. 펜의 필압에 따라 공진 주파수(ω)가 변할 수 있다.

아날로그 신호 처리부(100)는 안테나(ANT)를 통해 수신된 아날로그 공진 신호를 증폭하고 펜(PEN)의 공진 신호 주파수 대역을 추출하여 디지털 공진 신호로 출력한다. 이를 위하여, 아날로그 신호 처리부(100)는 증폭기(110), 대역 통과 필터(Band Pass Filter, 이하 "BPF"라 함)(112), 및 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, 이하 "ADC"라 함)(114)를 포함한다.

증폭기(110)는 자신의 게인(gain) 만큼 안테나 신호를 증폭하여 BPF(112)에 전송한다. 도 12 및 도 14에서, (B)는 증폭기(110)에 의해 증폭된 안테나 신호이다. BPF(112)는 LC 병렬 회로의 공진 주파수 이외의 주파수 대역을 차단하여 안테나 신호에서 노이즈를 제거하고 공진 신호를 추출한다. ADC(114)는 BPF(112)로부터 입력된 공진 신호를 양자화하여 디지털 공진 신호를 출력한다.

도 12 및 도 14에서, (C)는 ADC(114)로부터 출력된 디지털 공진 신호로서

으로 나타낼 수 있다. S(t)는 공진 신호의 진폭이다. ω는 공진 주파수이고,

는 위상을 의미한다.

디지털 신호 처리부(200)는 아날로그 신호 처리부(100)로부터 입력된 디지털 신호에서 공진 신호를 복소수로 표현할 때 실수부와 허수부를 추출하여, 이를 바탕으로 공진 신호의 크기 즉, 진폭을 계산한다. 그리고 디지털 신호 처리부(200)는 공진 신호의 크기와 소정의 기준값을 비교하여 터치 스크린 상에서 펜(PEN)이 센싱되는가를 판정하고, 그 때 공진 신호가 인가된 XY 전극의 위치를 바탕으로 펜(PEN)의 위치 좌표를 계산한다. 또한, 디지털 신호 처리부(200)는 펜(PEN)의 공진 신호 주파수 변화를 바탕으로 펜(PEN)의 필압을 판정한다. 이를 위하여, 디지털 신호 처리부(200)는 공진 유도 신호 발생부(230), 디지털 복조기(Digital Demodulator)(250), 및 위치 및 필압 판단부(218)를 포함한다.

공진 유도 신호 발생부(230)는 펜(PEN)의 공진 주파수와 같은 주파수의 공진 유도 신호를 발생하고 그 공진 유도 신호를 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)에 순차적으로 공급한다. 공진 유도 신호 발생부(230)는 공진 유도 신호의 주파수를 조절하는 카운터를 내장한 디지털 회로로 구성된다. 이러한 디지털 회로에서 주파수 조절 해상력은 카운터 클럭이 높을 수록 높아지지만 전력 소모가 그 만큼 많아지므로 한계가 있다. 본 발명은 공진 유도 신호를 매 주기마다 주기를 변경하여 주파수 해상력을 높여 단순히 카운터 동작 클럭을 높이는 방법에 비하여 주파수 조절 해상력을 더 향상시킬 수 있다.

위치 및 필압 판단부(218)의 출력(I)을 바탕으로 펜(PEN)이 터치 스크린(TSP) 상에 위치한 것으로 판정되면, 그 때 공진 유도 신호가 인가되는 XY 전극들(X1~Xi, Y1~Yj)의 좌표 정보로 펜(PEN)의 좌표 정보가 계산될 수 있다.

디지털 복조기(250)는 디지털 공진 신호에서 공진 신호의 실수부와 허수부를 추출하여 고주파 노이즈를 제거한 결과를 n(n은 2 이상의 양의 정수) 회 합산하여 위치 및 필압 판단부(218)에 공급한다. 이를 위하여, 디지털 복조기(250)는 제1 및 제2 발진기(206, 208), 제1 및 제2 승산기(202, 204), 제1 및 제2 저역 통과 필터(Low Pass Filter, 이하 "LPF"라 함)(210, 212), 제1 및 제2 적분기(214, 216) 등을 포함한다.

제1 발진기(206)는 공진 신호의 실수부를 추출하기 위하여 공진 신호의 주파수와 위상이 같은 발진 신호(D)를 제1 승산기(202)에 입력한다. 도 12 및 도 14에서, (C)를

이라 할 때, (D)는

으로 나타낼 수 있다.

제1 승산기(202)는 수신된 공진 신호에서 실수부의 포락선을 검출한다. 제1 승산기(202)는 수신된 공진 신호(C)와 제1 발진기(206)로부터의 발진신호(D)를 곱하여 그 결과(E)를 출력한다. 도 12 및 도 14에서, (C)를

이라 하고 (D)를

이라 할 때, 제1 승산기(202)의 출력(E)는

으로 나타낼 수 있다. 제1 LPF(210)는 제1 승산기(202)의 출력(E)에서 고주파 노이즈를 제거하여 직류 성분(DC)을 제1 적분기(214)에 공급한다. 도 12 및 도 14에서 제1 LPF(210)의 출력(F)는 (E)를

이라 할 때

으로 나타낼 수 있다.

제1 적분기(214)는 제1 LPF(210)로부터 입력된 실수부(In-Phase, I) 데이터를 n 회 합산하여 그 결과를 위치 및 필압 판단부(218)에 공급한다. 제1 적분기(214)에서 데이터(I)가 1024회 더해진다면, 도 12 및 도 14에서 (G)는

로 나타낼 수 있다.

제2 발진기(208)는 공진 신호의 허수부를 추출하기 위하여 공진 신호의 주파수와 같고 위상이 90°지연된 발진 신호를 제2 승산기(204)에 입력한다. 도 12 및 도 14에서, (C)를

이라 할 때, 제2 발진기(208)의 출력은

으로 나타낼 수 있다. 제2 승산기(204)는 수신된 공진 신호에서 허수부의 포락선을 검출한다. 제2 승산기(204)는 수신된 공진 신호(C)와 제2 발진기(208)로부터의 발진신호를 곱하여

을 출력한다. 제2 LPF(212)는 제2 승산기(204)의 출력(K)에서 고주파 노이즈를 제거하여 직류 성분(DC)을 제2 적분기(216)에 공급한다. 제2 LPF(212)의 출력은

로 나타낼 수 있다.

제2 적분기(216)는 제2 LPF(212)로부터 수신된 허수부(Quadrature, Q)의 데이터를 n 회 합산하여 그 결과를 위치 및 필압 판단부(218)에 공급한다. 제2 적분기(216)에서 허수부 데이터(I)가 1024회 더해진다면, 도 12 및 도 14에서 (H)는

로 나타낼 수 있다.

위치 및 필압 판단부(218)는 제1 및 제2 적분기(214, 216)로부터 입력된 데이터의 실효값(Root Mean Square, RMS)을 계산하여 공진 신호의 크기와 공진 주파수를 판단한다. 실효값은

으로 계산된다. I_sum은 제1 적분기(214)에 의해 누적된 공진 신호의 실수부(In-phase)이고 Q_sum은 제2 적분기(216)에 의해 누적된 공진 신호의 허수부(Quadrature, Q)이다.

위치 및 필압 판단부(218)는 공진 신호의 크기를 소정의 기준값과 비교하여 공진 신호의 크기가 기준값 보다 클 때 펜이 터치 스크린(TSP) 상에 위치는 것으로 판단하여 그 때 공진 유도 신호가 인가된 XY 전극의 좌표로 펜의 위치 정보를 출력한다. 그리고 위치 및 필압 판단부(218)는 공진 주파수의 변화를 바탕으로 펜(PEN)의 필압을 계산하여 필압 정보를 출력한다. 도 12 및 도 14에서 (I)는 위치 및 필압 판단부(218)으로부터 디지털 데이터로 출력되는 펜의 위치 및 필압 정보(XY(PEN))이다.

제1 및 제2 발진기(206, 208)는 출력 주파수 변경이 가능한 디지털 펄스 발생기(digital pulse generator) 예를 들어, 수치 제어 발진기(Numerically Controlled Oscillator, NCO)로 구현될 수 있다. 공진 유도 신호 발생부(230)는 카운터를 내장한 디지털 회로로 구현되고 주기 설정값을 변경하여 공진 유도 신호의 주파수를 쉽게 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명의 터치 센싱 시스템은 펜의 공진 주파수를 변경하기가 용이하다. 공진 유도 신호 발생부(230)에서 출력되는 공진 유도 신호의 주파수는 소정의 필압 측정 범위(필압 스케일)로 설정된 주파수 범위 내에서 일정한 규칙을 따라 가변될 수 있다.

본 발명에서 XY 전극들은 안테나로 이용되지 않는다. 모든 도체는 교류 전류를 인가할 때 자체 인덕턴스(Self inductance)가 형성되어 자기장을 방사할 수 있다. 그런데, 본 발명의 XY 전극들은 종래의 핑거 터치 전극들과 마찬가지로 안테나로 동작하기에는 저항과 길이 문제로 인하여 효율이 많이 떨어지기 때문에 안테나로 사용되지 않는다. XY 전극들에서 안테나 효율이 낮은 이유는 XY 전극 재료 예를 들어, ITO의 높은 저항 때문이다.

다이폴 안테나의 경우에 길이에 따라 송수신할 수 있는 신호의 주파수가 달라진다. 신호의 파장을 λ, 신호의 전달 속도를 c, 신호의 주파수를 f라 할 때, λ=c/f이다. 이 수식에서 알 수 있는 바와 같이, 안테나의 수신 신호의 주파수가 작을 경우에 신호의 파장이 커진다. 따라서, 터치 스크린(TSP) 내에 형성되는 XY 전극들의 길이와 형태를 고려할 때 XY 전극들은 펜의 공진 주파수 수신용 안테나로 동작하지 않는다는 것을 의미한다. 본 발명의 터치 센싱 시스템에서 XY 전극들은 안테나로 동작하지 않고 전기 용량 결합 Csx을 통해 전기장으로 공진 유도 신호를 펜(PEN)에 전송한다.

종래 기술과 같이 안테나를 통한 자기장 송수신 방식을 사용하면, 펜(PEN)의 위치 판단에 오류가 발생될 수 있다. 종래 기술은 펜의 끝단에 위치하는 펜 팁(tip)을 부도체로 제작하고 페라이트 코어(Ferrite Core)에 감은 와이어(wire)를 펜 팁 가까이 실장한다. 이러한 펜의 구조로 인하여, 펜(PEN)을 기울이면 펜의 인덕터가 펜과 접촉되지 않은 안테나 채널에도 영향을 끼쳐 팁(tip)의 위치를 정확하게 판정하기가 어렵다. 반면에, 본 발명과 같이 XY 전극들을 이용하면, XY 전극들과 펜 사이에 존재하는 Csx를 통한 전기장 결합으로 공진 유도 신호가 펜(PEN)으로 송신되기 때문에 종래 기술과 같은 펜 팁의 위치 인식 오류 문제를 방지할 수 있다.

안테나(ANT)에서 발생되는 기전력을 크게 하기 위하여, 도 15와 같이 안테나(ANT)를 베젤 영역(BZ) 내에서 도 15와 같이 다수 회 감길 수 있다. 그러나 이 경우에 RC 딜레이로 인한 안테나 신호의 시상수 증가를 초래하여 신호 감쇄가 커진다. 안테나 신호는 안테나의 양단의 전압차(V1)이다.

본 발명의 안테나 장치는 도 16 내지 도 18과 같은 안테나를 이용하여 RC 딜레이를 줄여 안테나의 시상수를 줄임으로써 안테나 신호의 신호 감쇄를 최소화한다.

도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 장치를 보여 주는 도면이다.

도 16을 참조하면, 본 발명의 안테나 장치는 제1 노드(n1)에 연결된 다수의 안테나 배선들(A11~A14), 안테나 배선들(A11~A14) 각각에 연결된 버퍼(Voltage buffer, BF), 및 저항(R)을 경유하여 버퍼들(BR)에 연결된 가산 증폭기(Summing Amplifier, SA)를 포함한다. 제1 노드(n1)는 기저 전압원(GND)에 연결된 시그널 그라운드 노드(signal ground node)이다.

안테나 배선들(A11~A14) 각각의 일단(그라운드 노드)은 제1 노드(n1)에 공통으로 접속되어 병렬 연결된다. 안테나 배선들(A11~A14)의 타단(출력 노드)은 서로 분리되어 버퍼(BF)에 연결된다.

안테나 배선들(A11~A14)의 출력 노드는 버퍼(BF)와 저항(R)을 통해 가산 증폭기(SA)의 반전 단자에 공통으로 연결된다. 버퍼(BF)는 안테나(ANT)와 증폭기(110) 간에 노이즈 전달을 차단하고 안테나 신호를 증폭기(110)에 손실 없이 전달한다.

가산 증폭기(SA)의 반전 입력 단자(-)에는 버퍼(BF)와 저항(R)을 경유하여 안테나 배선들(A11~A14)의 출력 노드들이 공통으로 연결된다. 가산 증폭기(SA)의 비반전 입력 단자(+)는 기저 전압원(GND)에 연결된다. 가산 증폭기(SA)의 출력 단자는 BPF(112)에 연결된다. 가산 증폭기(SA)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 피드백 저항(Rf)이 연결된다. 가산 증폭기(SA)는 안테나 배선들(A11~A14)로부터의 전압(V1, V2, V3, V4)을 합하여 안테나 신호를 증폭한다.

이 가산 증폭기(SA)의 출력 전압(Vout)은 수학식 2와 같다.

여기서, V1, V2, ... Vn은 n 개의 안테나 배선들(A11~A14)의 전압이다. 안테나 배선들(A11~A14) 각각의 길이는 도 15와 같이 N 번 연속으로 감겨진 안테나에 비하여 1/N 만큼 짧아진다. 그 결과, 안테나(ANT)의 배선 저항이 크게 감소한다. 이 때문에 도 16의 안테나 장치는 RC 딜레이가 작아 신호 감쇄가 작다.

도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 장치를 보여 주는 도면이다. 이 실시예는 전술한 도 16의 안테나 장치에 비하여 버퍼(BF)가 없는 점에서만 차이가 있다.

도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 안테나 장치를 보여 주는 도면이다.

도 18을 참조하면, 본 발명의 안테나 장치는 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 병렬 연결된 다수의 안테나 배선들(A11~A14) 및 반전 증폭기(OP)를 포함한다. 제1 노드(n1)는 기저전압원(GND)에 연결된 시그널 그라운드 노드(signal ground node)이다. 제2 노드(n2)는 증폭기(110)에 연결된 안테나(ANT)의 출력 노드이다.

안테나 배선들(A11~A14) 각각의 일단(그라운드 노드)은 제1 노드(n1)에 공통으로 접속되어 병렬 연결된다. 안테나 배선들(A11~A14)의 타단(출력 노드)은 서로 연결되고 반전 증폭기(OP)의 반전 입력 단자(-)에 연결된다.

반전 증폭기(OP)의 반전 입력 단자(-)에는 안테나 배선들(A11~A14)의 출력 노드들이 공통으로 연결된다. 반전 증폭기(OP)의 비반전 입력 단자(+)에는 기저 전압원(GND)이 연결된다. 반전 증폭기(OP)의 출력 단자는 BPF(112)에 연결된다. 반전 증폭기(OP)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 피드백 저항(Rf)이 연결된다. 안테나 배선들(A11~A14) 각각에서 흐르는 전류(i1, ... i4)는 제2 노드(n2)에서 합해져 반전 증폭기(OP)의 반전 입력 단자(-)에 공급된다. 증폭기(OP)는 제2 노드(n2)를 통해 입력된 전류를 증폭한다. 따라서, 이 실시예는 각각의 분리된 안테나 배선(A11~A14)에서 수신되는 전류 신호의 합에 비례하는 증폭된 신호를 얻는다. 반전 증폭기(OP)는 아래의 수학식 3과 같은 출력 전압(Vout)을 발생한다.

여기서, i1, i2, ... in은 n 개의 안테나 배선들(A11~A14)의 전류이다. 안테나 배선들(A11~A14) 각각의 길이는 도 15와 같이 N 번 연속으로 감겨진 안테나에 비하여 1/N 만큼 짧아진다. 그 결과, 안테나의 배선 저항이 크게 감소한다. 이 때문에 도 16의 안테나 장치는 RC 딜레이가 작아 신호 감쇄가 작다.

도 19 및 도 20은 안테나의 RLC(저항, 인덕턴스, 정전용량) 성분을 고려한 등가 회로도이다. 도 19는 도 15에 도시된 안테나(종래 기술)의 등가 회로도이다. 도 20은 본 발명의 안테나(도 16 내지 도 18)의 등가 회로도이다. 도 19의 안테나와 도 20에 도시된 안테나에 대한 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) simulation 결과이다. 도 20의 안테나는 도 19에 비하여 배선 저항(R)이 크게 감소된다. 도 21 및 도 22는 시뮬레이션 결과이다. 도 21 및 도 22에서 x 축은 주파수이고, y축은 안테나의 출력 전압(Vout)이다.

도 21은 RC 딜레이로 인한 수신 신호 감쇄 효과를 종래 기술과 본 발명을 비교하여 보여 주는 시뮬레이션 결과이다. 종래 기술은 RC 딜레이가 커 상대적으로 낮은 주파수에서 신호 감쇄가 나타나는 반면, 본 발명의 안테나에서는 높은 주파수에서 신호 감쇄가 나타남을 알 수 있다. 이는 본 발명에서 각각의 분리된 안테나 배선들(A11~A14)의 길이가 종래 기술에 비해 상대적으로 짧기 때문에 RC 딜레이로 인한 신호 감쇄가 크지 않기 때문이다. 본 발명의 안테나는 고주파 영역에서도 신호 세기가 큰 출력을 발생할 수 있다.

도 22는 종래 기술과 본 발명의 안테나 구조 및 수신 회로 적용 후 안테나의 출력 신호의 주파수 특성을 측정한 결과를 보여준다. 종래 기술의 안테나에 비해 본 발명의 경우 동일 주파수에서 신호 감쇄가 상대적으로 작게 나타나며 수신 신호 대역이 증가 된 것을 알 수 있다. 본 발명의 안테나의 경우 수신 신호 감쇄가 작기 때문에 신호 대 노이즈 비율(SNR)이 종래 기술에 비해 증가한다. 본 발명의 경우 수신 신호 대역이 크기 때문에 상대적으로 저항이 큰 금속으로 안테나를 제작하더라도 기존과 유사한 신호 대 노이즈 비율(SNR)을 얻을 수 있기 때문에 고저항 금속의 안테나 적용이 가능하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

DIS : 표시패널 TSP : 터치 스크린
12 : 데이터 구동 회로 14 : 스캔 구동 회로
20 : 타이밍 콘트롤러 30 : 제1 터치 구동 회로
32 : 제2 터치 구동 회로 40 : 호스트 시스템
ANT : 안테나 A11~A14 : 안테나 배선
SA, OP : 증폭기

Claims (10)

1. 공진 회로를 내장한 펜;
   입력 영상의 데이터가 기입되는 표시패널의 픽셀 어레이와 중첩되는 XY 전극들과, 상기 픽셀 어레이 및 상기 XY 전극들로부터 분리되도록 상기 표시패널 상에 배치된 안테나를 포함한 터치 스크린; 및
   상기 XY 전극들을 통해 정전 용량의 변화로 손가락을 감지하고 공진 유도 신호를 상기 XY 전극들에 공급하여 상기 안테나를 통해 상기 펜의 공진 신호를 수신하여 상기 펜을 감지하는 터치 구동 회로를 포함하고,
   상기 안테나는 다수의 안테나 배선들을 포함하고,
   상기 안테나 배선들 각각의 일단이 상기 안테나의 그라운드 노드에 연결되고,
   상기 안테나 배선들의 타단이 상기 터치 구동 회로의 증폭기에 연결되고,
   상기 안테나 배선들이 상기 그라운드 노드와 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에서 병렬 연결되고,
   상기 증폭기의 출력 단자는 공진 주파수 이외의 주파수 대역을 차단하여 상기 안테나 배선들로부터의 신호에서 노이즈를 제거하는 대역 통과 필터에 연결되는 터치 센싱 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 안테나 배선들과 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에 배치되어 상기 안테나 배선들 각각의 타단에 연결된 버퍼; 및
   상기 버퍼와 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에 연결된 저항을 더 포함하고,
   상기 안테나 배선들의 타단이 서로 분리된 터치 센싱 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 안테나 배선들과 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에 배치되어 상기 안테나 배선들 각각의 타단에 연결된 저항을 더 포함하고,
   상기 안테나 배선들의 타단이 서로 분리된 터치 센싱 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 안테나 배선들 각각의 타단이 상기 안테나의 출력 노드에 연결되고,
   상기 출력 노드가 상기 증폭기의 반전 입력 단자에 연결되는 터치 센싱 시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 공진 회로를 내장한 펜;
   전기 용량 결합(electric capacitance coupling)을 통해 상기 펜에 공진 유도 신호를 인가하는 XY 전극들; 및
   상기 XY 전극들로부터 분리되고 상기 펜의 공진 신호가 수신되는 안테나를 포함하고,
   상기 안테나는 다수의 안테나 배선들을 포함하고,
   상기 안테나 배선들 각각의 일단이 상기 안테나의 그라운드 노드에 연결되고,
   상기 안테나 배선들의 타단이 증폭기에 연결되고,
   상기 안테나 배선들이 상기 그라운드 노드와 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에서 병렬 연결되고,
   상기 증폭기의 출력 단자는 공진 주파수 이외의 주파수 대역을 차단하여 상기 안테나 배선들로부터의 신호에서 노이즈를 제거하는 대역 통과 필터에 연결되는 터치 센싱 시스템.
10. 공진 회로를 내장한 펜;
    표시패널에서 영상이 표시되는 픽셀 어레이와 중첩되는 XY 전극들; 및
    상기 표시패널에서 상기 픽셀 어레이 밖의 비표시영역에 배치되어 상기 XY 전극들과 분리되는 안테나를 포함하고,
    상기 안테나는 다수의 안테나 배선들을 포함하고,
    상기 안테나 배선들 각각의 일단이 상기 안테나의 그라운드 노드에 연결되고,
    상기 안테나 배선들의 타단이 증폭기에 연결되고,
    상기 안테나 배선들이 상기 그라운드 노드와 상기 증폭기의 반전 입력 단자 사이에서 병렬 연결되고,
    상기 증폭기의 출력 단자는 공진 주파수 이외의 주파수 대역을 차단하여 상기 안테나 배선들로부터의 신호에서 노이즈를 제거하는 대역 통과 필터에 연결되는 터치 센싱 시스템.

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