KR102358042B1 - 지문센서 일체형 터치 스크린 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고밀도 전극 패턴으로 지문센서 일체형 터치 스크린 패널을 구성할 때 상호 정전용량의 크기를 줄일 수 있도록 한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치에 관한 것이다.
본 발명은 터치 영역 단위로 터치 센서들을 그룹핑할 시에, 각 터치 영역 내에서 일부 Rx 전극라인들만을 선택적으로 센싱하고, 센싱되지 않는 나머지 Rx 전극라인들을 플로팅 또는 그라운드 처리한다.

Description

지문센서 일체형 터치 스크린 장치{FINGER SENSOR INTEGRATED TYPE TOUCH SCREEN DEVICE}
본 발명은 지문센서 일체형 터치 스크린 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 지문인식 기능을 갖는 터치 스크린 장치에 관한 것이다.
컴퓨터 기술의 발달에 따라 노트북 컴퓨터, 태블릿 피시(tablet PC), 스마트폰(smart phone), 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant), 현금 자동 입출금기(Automated Teller Machine), 검색 안내 시스템 등과 같은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템(computer based system)이 개발되어 왔다. 이들 시스템에는 통상적으로 개인 사생활과 관련된 개인정보는 물론 영업정보나 영업기밀과 같이 비밀을 요하는 많은 데이터가 저장되어 있기 때문에, 이들 데이터를 보호하기 위해서는 보안을 강화해야 할 필요성이 있다.
이를 위해 종래부터 손가락의 지문을 이용하여 시스템의 등록이나 인증을 수행함으로써 보안성을 강화할 수 있는 지문센서가 알려져 있다.
지문센서는 인간의 손가락 지문을 감지하는 센서이다. 지문센서는 광학식 지문센서(optical fingerprint sensor)와 정전용량식 지문센서(capacitive fingerprint sensor)로 크게 나누어진다.
광학식 지문센서(optical fingerprint sensor)는 내부에서 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원을 조사하고 지문의 융선(ridge)에 의해 반사된 빛을 CMOS 이미지 센서를 통해 감지하는 원리를 이용한 것이다. 광학식 지문센서는 LED를 이용해서 스캔을 해 야하기 때문에 크기를 줄이는 데에 한계가 있고 광원 자체가 고가이기 때문에 제조비가 증가한다는 문제점이 있다.
정전용량식 지문센서(capacitive fingerprint sensor)는 지문센서와 접촉되는 융선(ridge)과 골(valley) 사이에 대전되는 전기량의 차를 이용한 것이다.
종래의 정전용량식 지문센서로는 "정전용량식 센서 패키징(capacitive sensor packaging)"이란 명칭으로, 2013년 11월 21일 공개된 미국 공개특허 제 US2013/0307818호가 알려져 있다. 상기 미국 공개특허 공보에 기재된 정전용량식 지문센서는 정전용량식 지문센서는 특정 푸시버튼(push button)과 결합한 어셈블리 형태로 구성되어 있으며, 용량성 플레이트와 사용자의 지문(융선과 골) 사이의 정전용량을 측정하기 위한 회로가 인쇄된 실리콘 웨이퍼를 포함한다.
일반적으로 인간 지문의 융선(ridge)과 골(valley)은 대략 300㎛~500㎛의 크기로 매우 미세하기 때문에, 상기 미국 공보의 정전용량식 지문센서는 고해상도 센서 어레이와 지문인식 처리를 위한 IC(Integrated Chip) 제작이 필요하고, 이를 위해 센서 어레이와 IC을 일체로 형성할 수 있는 실리콘 웨이퍼를 이용하고 있다. 그러나, 실리콘 웨이퍼를 이용하여 고해상도의 센서 어레이와 IC를 함께 형성할 경우, 푸시버튼과 함께 지문센서를 결합하기 위한 어셈블리 구조가 필요하게 되므로 구성이 복잡해 질뿐 아니라 비표시 영역(베젤영역)이 증가하는 문제점이 있었다. 또한, 푸시버튼(예를 들면, 스마트폰의 홈키)과 지문센서가 중첩되게 형성되므로, 그 두께가 증가할 뿐 아니라 지문센싱 영역이 푸시버튼의 크기에 좌우되는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 터치센서 스크린의 영역을 지문식별 영역으로 이용하는 기술 등이 개발되어 왔다. 이러한 기술로서는 "지문식별용 용량성 터치센서(capacitive touch sensor for identifying a fingerprint)"란 명칭으로 2013년 10월 22일 등록된 미국 등록특허 제 US8,564,314호와, "지문인식 일체형 정전용량 터치 스크린"이란 명칭으로 2014년 8월 18일 등록된 대한민국 등록특허 제10-1432988호가 알려져 있다.
도 1은 상기 미국 등록특허에 도시된 것으로, 용량성 센싱패널의 구동전극과 센싱전극의 배열을 개략적으로 보여준다. 도 2는 상기 대한민국 등록특허에 도시된 것으로, 지문인식 일체형 정전용량 터치 스크린의 구성을 보여준다. 그리고, 도 3a는 일반적인 터치센서 패턴을 보여주고, 도 3b는 고밀도 센서 패턴을 보여준다.
도 1을 참조하면, 지문식별용 용량성 터치센서는 터치 구동전극(1(x))과 터치 센싱전극(1(y))을 포함하는 터치센서(3)와, 지문 구동전극(5(x))과 지문 센싱전극(5(y))을 포함하는 지문센서(5)를 포함한다. 이러한, 지문식별용 용량성 터치센서는 화면 영역에 부분적으로 별도의 지문센서(5)가 배치되어 있기 때문에, 지문센서(5) 영역이 터치가 안 되거나 그 주변 영역의 터치 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
도 2를 참조하면, 지문인식 일체형 정전용량 터치스크린은 터치 패널(AA), 전극 연결 라인(BB), 및 터치 컨트롤러(CC)를 포함한다. 상기 구성에서 터치 패널(AA)은, 서로 교차하도록 배열되는 제1 채널 전극(A1)(Tx 및 Rx 중 어느 하나)과 제2 채널 전극(A2)(Tx 및 Rx 중 나머지 하나)의 조합에 의해 미세 채널(A3)이 형성된다. 이들 미세 채널(A3) 중 지문인식 센서(A4) 영역을 제외한 나머지 영역의 미세 채널(A3)들은 복수로 묶여 터치 신호의 감지를 위한 터치 그룹 채널들(A5)로 기능하고, 지문인식 센서(A4)의 영역에 해당하는 미세 채널들(A3) 각각은 지문인식 채널(A6)로 기능하도록 구성된다. 그러나, 상기 지문인식 일체형 정전용량 터치 스크린은 터치 그룹 채널들(A5)로 기능하는 미세 채널들(터치 채널들) 때문에 터치 채널들 사이의 상호 정전용량(Cm)이 상당히 증가된다. 즉, 도 3b의 고밀도 센서 패턴에서는 터치 채널들 사이의 상호 정전용량(Cm)이 도 3a의 일반적인 터치센서 패턴에 비해 수십~수백배 증가될 수 있다. 상호 정전용량이 증가되면 터치 센서의 센싱감도가 저하되기 때문에, 터치 동작 발생시 터치를 인식하지 못하는 등의 오작동이 생길 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고밀도 전극 패턴으로 지문센서 일체형 터치 스크린 패널을 구성할 때 상호 정전용량의 크기를 줄일 수 있도록 한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린 장치는 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 구비된 터치 스크린과 터치 IC를 포함한다. 터치 스크린의 각 터치 영역에는, 서로 교차되게 배열된 제1 그룹의 Tx 전극라인들과 제1 그룹의 Rx 전극라인들, 및 상기 제1 그룹의 Tx 전극라인들과 제1 그룹의 Rx 전극라인들의 교차점들에 구비된 터치 센서들이 포함된다. 터치 IC는 상기 제1 그룹의 Tx 전극라인들에 동일 위상의 센서 구동신호를 공급하고, 상기 제1 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 제1 유효 채널들만을 묶어 제1 터치 센싱부에서 동시 센싱한다. 이때 상기 제1 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 상기 제1 유효 채널들을 제외한 제1 무효 채널들은 상기 제1 터치 센싱부에 비 접속된다.
상기 제1 무효 채널들은 플로팅된다.
상기 제1 무효 채널들은 저전위 전압원에 접속된다.
상기 제1 무효 채널들 중에서, 상기 제1 유효 채널들에 인접한 일부 무효 채널들은 저전위 전압원에 접속되고, 상기 일부 무효 채널들을 제외한 나머지 무효 채널들은 플로팅된다.
상기 터치 스크린은, 상기 지문&터치 영역에, 서로 교차되게 배열된 제2 그룹의 Tx 전극라인들과 제2 그룹의 Rx 전극라인들, 및 상기 제2 그룹의 Tx 전극라인들과 제2 그룹의 Rx 전극라인들의 교차점들에 구비된 지문&터치 센서들을 더 가진다. 그리고, 상기 터치 IC는, 스위칭 블록과 제2 터치 센싱부와 다수의 지문 센싱부들을 더 구비한다. 상기 스위칭 블록은, 터치 센싱 모드에서, 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 제2 유효 채널들을 상기 제2 터치 센싱부에 연결하고, 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 상기 제2 유효 채널들을 제외한 제2 무효 채널들을 플로팅시킨다. 상기 스위칭 블록은, 지문 센싱 모드에서, 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들을 상기 지문 센싱부들에 개별적으로 연결한다.
상기 터치 IC는, 상기 터치 센싱 모드에서 상기 제2 그룹의 Tx 전극라인들에 동일 위상의 센서 구동신호를 공급하고, 상기 지문 센싱 모드에서 상기 제2 그룹의 Tx 전극라인들에 위상이 순차 지연되는 센서 구동신호를 공급한다.
상기 스위칭 블록은, 지문 인에이블신호에 따라 턴 온 되어 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들을 상기 지문 센싱부들의 입력단들에 개별적으로 연결하는 제1 스위치들과, 상기 터치 인에이블신호에 따라 턴 온 되어 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 상기 제2 유효 채널들을 상기 제2 터치 센싱부의 입력단에 공통으로 연결하는 제2 스위치들을 포함한다.
본 발명은 터치 영역 단위로 터치 센서들을 그룹핑할 시에, 각 터치 영역 내에서 일부 Rx 전극라인들만을 선택적으로 센싱하고, 센싱되지 않는 나머지 Rx 전극라인들을 플로팅 또는 그라운드 처리한다. 이를 통해 본 발명은 고밀도 전극 패턴으로 지문센서 일체형 터치 스크린 패널을 구성할 때 상호 정전용량이 급격히 상승되는 사이드 이펙트를 획기적으로 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 용량성 센싱패널의 구동전극과 센싱전극의 배열을 개략적으로 도시한 평면도.
도 2는 종래 지문인식 일체형 정전용량 터치 스크린의 구성을 보여주는 도면.
도 3a는 일반적인 터치센서 패턴에서 생기는 상호 용량을 보여주는 도면.
도 3b는 고밀도 센서 패턴에서 생기는 상호 용량을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치를 보여주는 블록도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린장치를 보여주는 도면.
도 6은 터치 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도.
도 7은 지문 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도.
도 8은 도 6의 일 터치 영역에 형성된 제1 그룹의 Tx 전극라인들과 제1 그룹의 Rx 전극라인들을 보여주는 도면.
도 9 내지 도 11은 고밀도 전극 패턴으로 지문센서 일체형 터치 스크린 패널을 구성할 때 상호 정전용량의 크기를 줄이는 방안들을 보여주는 도면.
도 12는 도 5의 지문센서 일체형 터치 스크린장치에서 터치 IC를 상세히 보여주는 도면.
도 13은 도 12의 스위칭 블록의 구성과 동작을 상세히 보여주는 도면.
도 14a는 터치 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린장치의 동작을 보여주는 도면.
도 14b는 지문 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린장치의 동작을 보여주는 도면.
본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시소자(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.
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 4는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치를 보여준다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치는 터치 스크린(TSP)과, 터치 IC(20)를 포함한다.
본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치는 다수의 정전 용량 센서들을 통해 터치 입력을 감지하는 정전 용량 방식의 터치 스크린(TSP)으로 구현될 수 있다.
정전 용량 방식의 터치 스크린은 정전 용량(capacitance)을 갖는 다수의 센서들을 포함한다. 정전 용량은 자기 정전 용량(Self Capacitance)과 상호 정전 용량(Mutual Capacitance)으로 나뉘어질 수 있다. 자기 정전 용량은 한 방향으로 형성된 단층의 도체 배선을 따라 형성될 수 있고, 상호 정전 용량은 직교하는 두 도체 배선들 사이에 형성될 수 있다.
상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린(TSP)은, 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되는 Tx 전극라인들(또는 Tx 채널들), 제2 방향을 따라 나란히 배열되어 Tx 전극라인들과 교차하는 Rx 전극라인들(또는 Rx 채널들), 및 Tx 전극라인들과 Rx 전극라인들의 교차점들 마다 형성된 상호 용량 센서들을 포함할 수 있다. 각 상호 용량 센서는 Tx 전극라인에 접속된 Tx 전극, Rx 전극라인에 접속된 Rx 전극, 및 Tx 전극과 Rx 전극 사이에 위치하는 절연층을 포함한다. Tx 전극라인들은 센서들 각각에 센서 구동신호를 인가하여 센서들에 전하를 공급하는 구동 신호 배선들이다. Rx 전극라인들은 센서들에 연결되어 센서들의 전하를 터치 IC(20)로 공급하는 센서 배선들이다. 상호 용량 센싱 방법은 Tx 전극라인을 통해 상호 용량 센서의 Tx 전극에 센서 구동신호를 인가하여 상호 용량 센서에 전하를 공급하고, 센서 구동 신호와 동기하여 상호 용량 센서의 용량 변화를 Rx 전극과 Rx 전극라인을 통해 센싱하면 터치 입력을 센싱할 수 있다.
터치 스크린(TSP)은 표시패널의 상부 편광판 상에 접합되거나, 표시패널의 상부 편광판과 상부 기판 사이에 형성될 수 있다. 또한, 터치 스크린(TSP)의 센서들은 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장될 수 있다.
지문센서 일체형 터치 스크린 구현을 위해, 터치 스크린(TSP)에는 Tx 전극라인들과 Rx 전극라인들이 미세 패턴, 즉 고밀도 전극 패턴으로 형성된다. 터치 스크린(TSP)에는 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역(FTAR)과 다수의 터치 영역들(TAR)이 구비된다. 이하의 실시예에서 지문&터치 영역(FTAR)은 하나인 것으로 설명되지만, 이는 단순히 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 물론 아니다. 또한, 이하의 실시예에서 지문&터치 영역(FTAR)이 복수의 터치 영역들(TAR)의 중앙에 위치되는 것으로 설명되지만, 그 위치가 특정되는 것은 아니며 터치 영역들(TAR) 중의 어느 한 위치에 배치될 수도 있다. 터치 스크린(TSP) 상에서 지문&터치 영역(FTAR)과 터치 영역들(TAR)의 위치는 표시패널(DIS)의 화상 표시 영역과 중첩된다.
Tx 전극라인들과 Rx 전극라인들이 고밀도 전극 패턴으로 형성되기 때문에, 지문&터치 센서들은 지문의 융선과 골 사이에 여러 개가 위치할 수 있도록 미세하게 구현됨으로써 정확한 지문 센싱이 가능해진다. Tx 전극라인들과 Rx 전극라인들이 고밀도 전극 패턴으로 형성되기 때문에 터치 센서들도 미세하게 구현되는데, 터치 센싱은 지문 센싱만큼 높은 해상력이 필요 없으므로, 소비전력 및 터치 리포트 레이트를 단축시키기 위해 터치 센서들은 터치 영역(TAR) 단위로 그룹핑되어 동시에 구동 및 센싱된다.
이렇게 터치 센서들이 터치 영역(TAR) 단위로 그룹핑되어 동시에 구동 및 센싱되는 경우에는 종래 기술에서 설명했듯이, 한번에 센싱되는 터치 센서들의 상호 정전용량이 너무 커지고 그에 따라 터치 센서의 센싱 성능이 저하되는 문제가 있다. 이에, 본 발명은 터치 영역(TAR) 단위로 터치 센서들을 그룹핑할 시에, 패턴의 고밀도화로 인해 상호 정전용량이 급격히 상승되는 사이드 이펙트를 줄이기 위해, 각 터치 영역(TAR) 내에서 일부 Rx 전극라인들만을 선택적으로 센싱하고, 센싱되지 않는 나머지 Rx 전극라인들을 플로팅 또는 그라운드 처리한다.
터치 IC(20)는 Tx 전극라인들에 센서 구동신호를 공급하는 구동신호 공급 유닛과, Rx 전극라인들을 센싱하는 센싱 유닛을 포함한다. 센싱 유닛에는 Rx 전극라인들로부터 터치 정보를 센싱하는 터치 센싱 유닛과, Rx 전극라인들로부터 지문 정보를 센싱하는 지문 센싱 유닛이 있다. 터치 IC(20)는 지문&터치 영역(FTAR)의 Rx 전극라인들을 터치 센싱 유닛과 지문 센싱 유닛에 선택적으로 연결하는 스위칭 블록을 더 포함한다. 스위칭 블록은 외부로부터 인가되는 터치 인에이블 신호 및 지문 인에이블 신호에 따라 그 스위칭 동작이 반대로 바뀐다.
터치 IC(20)는 센싱을 통해 획득된 터치 좌표 정보(TDATA)와 지문 감지 정보(FDATA)를 호스트 시스템(18)으로 전송한다.
한편, 본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치는 표시패널(DIS), 디스플레이 구동회로(12,14,16), 호스트 시스템(18)을 포함할 수 있다.
표시패널(DIS)은 두 장의 기판들 사이에 형성된 액정층을 포함한다. 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 포함할 수 있다.
표시패널(DIS)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등이 형성될 수 있다. 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. 공통전압이 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 구동회로는 데이터 구동회로(12), 스캔 구동회로(14) 및 타이밍 콘트롤러(16)를 포함하여 입력 영상의 비디오 데이터를 표시패널(DIS)의 픽셀들에 기입한다. 데이터 구동회로(12)는 타이밍 콘트롤러(16)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동회로(12)로부터 출력된 데이터전압은 데이터라인들(D1~Dm)에 공급된다. 스캔 구동회로(14)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(DIS)의 픽셀라인을 선택한다.
타이밍 콘트롤러(16)는 호스트 시스템(18)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동회로(12)와 스캔 구동회로(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.
호스트 시스템(18)은 텔레비젼 시스템, 셋톱박스, 네비게이션 시스템, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 호스트 시스템(18)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(18)은 디지털 비디오 데이터와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(16)로 전송한다. 또한, 호스트 시스템(18)은 터치 IC(20)로부터 입력되는 터치 레포트와 연계된 응용 프로그램을 실행한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린장치를 보여준다. 도 6은 터치 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도를 보여준다. 그리고, 도 7은 지문 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도를 보여준다.
도 5를 참조하면, 터치 스크린(TSP)의 터치 영역들(TAR) 각각에는 제1 방향(y)으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Tx 전극라인들(GPa-Tx)과, 제2 방향(x)으로 서로 나란하게 배열되어 제1 그룹의 Tx 전극라인들(GPa-Tx)과 교차하는 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx)과, 제1 그룹의 Tx 전극라인들(GPa-Tx)과 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx)의 교차점들에 형성되는 터치 센서들(Ta)이 구비된다.
터치 스크린(TSP)의 지문&터치 영역(FTAR)에는 제1 방향(y)으로 서로 나란하게 배열되는 제2 그룹의 Tx 전극라인들(GPb-Tx)과, 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되어 제2 그룹의 Tx 전극라인들(GPb-Tx)과 교차하는 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)과, 제2 그룹의 Tx 전극라인들(GPb-Tx)과 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)의 교차점들에 형성되는 지문&터치 센서들(FTa)이 구비된다.
터치 IC(20)는 호스트 시스템(18)으로부터 입력되는 터치 인에이블신호(도 13의 TEN)에 따라 터치 센싱 모드를 활성화시키고, 지문 인에이블신호(도 13의 FEN)에 따라 지문 센싱 모드를 활성화시킨다.
터치 센싱 모드(TMODE)에서, 터치 IC(20)는 도 6과 같이 동일 그룹의 Tx 전극라인들에 동일 위상의 센서 구동신호를 공급한다. 터치 센싱 모드(TMODE)에서, 터치 IC(20)는 Tx 전극라인들을 그룹 단위로 묶어 순차 구동시키고, 그에 동기시켜 Rx 전극라인들을 그룹 단위로 묶어서 터치 센싱유닛(TSU,20A)을 통해 센싱한다. 이때, 상호 정전용량이 급격히 증가되는 것을 방지하기 위해 동일 그룹 내의 Rx 전극라인들은 모두 센싱되지 않고 일부만 센싱된다. 일 예로, 터치 IC(20)는 터치 센싱 모드(TMODE)에서, 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)의 일부를 스위칭 블록(SB,20C)을 통해 터치 센싱유닛(TSU,20A)에 연결한다. 터치 센싱 모드(TMODE)에서, 터치 IC(20)는 제1 및 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx,GPb-Rx)을 통해 입력되는 센서의 전하 변화량을 센싱하여 손가락과 같은 전도성 물질의 터치 여부와 그 위치를 판단한다.
지문 센싱 모드(FMODE)에서, 터치 IC(20)는 제1 그룹의 Tx 전극라인들(GPa-Tx)을 그룹 단위로 순차 구동시키되, 제2 그룹의 Tx 전극라인들(GPb-Tx, tx21~tx2m)에 위상이 순차 지연되는 센서 구동신호를 공급하여 제2 그룹의 Tx 전극라인들(GPb-Tx, tx21~tx2m)을 개별적으로 1라인씩 순차 구동시킨다. 그리고, 그에 동기시켜 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)을 개별 센싱한다. 이를 위해, 터치 IC(20)는 지문 센싱 모드(FMODE)에서, 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)을 스위칭 블록(SB,20C)을 통해 지문 센싱유닛(FSU,20B)에 연결한다. 지문 센싱 모드(FMODE)에서, 터치 IC(20)는 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)을 통해 입력되는 센서의 전하 변화량을 센싱하여 지문 입력을 판단한다.
도 8은 도 6의 일 터치 영역에 형성된 제1 그룹의 Tx 전극라인들과 제1 그룹의 Rx 전극라인들을 보여준다. 그리고, 도 9 내지 도 11은 고밀도 전극 패턴으로 지문센서 일체형 터치 스크린 패널을 구성할 때 상호 정전용량의 크기를 줄이는 방안들을 보여준다.
도 8을 참조하면, 일 터치 영역(TAR)은 제1 그룹의 Tx 전극라인들(GPa-Tx)과 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx)의 교차로 이뤄진다. 터치 IC(20)는 터치 센싱 모드에서 제1 그룹의 Tx 전극라인들(GPa-Tx)에 동일 위상의 센서 구동신호를 공급하고, 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx) 중에서 제1 유효 채널들(ERx)만을 묶어 해당 터치 센싱부(TS)에서 동시에 센싱한다. 그리고, 터치 IC(20)는 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx) 중에서 제1 유효 채널들(ERx)을 제외한 제1 무효 채널들(NRx)은 상기 해당 터치 센싱부(TS)에 비 접속시킨다.
터치 IC(20)는 도 9와 같이 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx) 중에서 터치 센싱부(TS)에 연결되지 않는 무효 채널들(NRx)을 플로팅 시킴으로써 상호 정전용량의 크기를 줄일 수 있다.
터치 IC(20)는 도 10과 같이 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx) 중에서 터치 센싱부(TS)에 연결되지 않는 무효 채널들(NRx)을 저전위 전압원(VSS)에 접속시킴으로써 상호 정전용량의 크기를 줄일 수 있다.
터치 IC(20)는 도 11과 같이 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx) 중에서 터치 센싱부(TS)에 연결되지 않는 무효 채널들(NRx)의 일부는 플로팅 시키고, 일부는 그라운드 시킴으로써 상호 정전용량의 크기를 줄일 수 있다. 이 경우, 무효 채널들(NRx) 중에서, 유효 채널들(ERx)에 인접한 일부 무효 채널들(H1,H2,H3,H4)은 저전위 전압원(VSS)에 접속되고, 일부 무효 채널들(H1,H2,H3,H4)을 제외한 나머지 무효 채널들은 플로팅될 수 있다.
도 12는 도 5의 지문센서 일체형 터치 스크린장치에서 터치 IC를 상세히 보여준다. 도 13은 도 12의 스위칭 블록의 구성과 동작을 상세히 보여준다. 도 14a는 터치 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린장치의 동작을 보여준다. 그리고, 도 14b는 지문 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린장치의 동작을 보여준다.
도 12 내지 도 14b를 참조하면, 터치 IC(20)는 다수의 터치 센싱부들(TS1,TS2,TS3)을 포함하여 터치 정보를 센싱하는 터치 센싱유닛(TSU)과, 다수의 지문 센싱부들(FS1~FS8)을 포함하여 지문 정보를 센싱하는 지문 센싱유닛(FSU)과, 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)을 터치 센싱유닛(TSU)과 지문 센싱유닛(FSU) 중 어느 하나에 선택적으로 연결하는 스위칭 블록(SB)을 포함한다.
터치 센싱부들(TS1,TS3)은 제1 그룹의 Rx 전극라인들(GPa-Rx)에 속하는 유효 채널들(ERx)에 연결된다.
스위칭 블록(SB)은, 터치 센싱 모드에서 도 14a와 같이 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)에 속하는 유효 채널들(rx3,rx4,rx5,rx6)을 터치 센싱부(TS2)에 공통으로 연결한다. 스위칭 블록(SB)은, 지문 센싱 모드에서 도 14b와 같이 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)에 속하는 모든 채널들(rx1~rx8)을 지문 센싱부들(FS1~FS8)에 개별 연결한다.
스위칭 블록(SB)은, 도 13과 같이 지문 인에이블신호(FEN)에 따라 턴 온 되어 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx)을 지문 센싱부들(FS1~FS8)의 입력단들에 개별적으로 연결하는 제1 스위치들(SW1)과, 터치 인에이블신호(TEN)에 따라 턴 온 되어 제2 그룹의 Rx 전극라인들(GPb-Rx) 중에서 유효 채널들(rx3,rx4,rx5,rx6)을 터치 센싱부(TS2)의 입력단에 공통으로 연결하는 제2 스위치들(SW2)을 포함한다.
터치 센싱부들(TS1,TS2,TS3) 각각은 오피 앰프와 제1 센싱 커패시터(Cfb_t)를 포함한다. 오피 앰프의 반전 입력 단자는 Rx 전극라인에 접속되고, 비반전 입력 단자는 기저 전압원에 접속된다. 제1 센싱 커패시터(Cfb_t)는 오피 앰프의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속된다.
지문 센싱부들(FS1~FS8) 각각은 오피 앰프와 제2 센싱 커패시터(Cfb_f)를 포함한다. 오피 앰프의 반전 입력 단자는 Rx 전극라인에 접속되고, 비반전 입력 단자는 기저 전압원에 접속된다. 제2 센싱 커패시터(Cfb_f)는 오피 앰프의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속된다.
제1 센싱 커패시터(Cfb_t)의 용량은 제2 센싱 커패시터(Cfb_f)의 용량보다 크게 설계된다. 센싱 커패시터의 용량은 센싱부에 연결된 Rx 전극라인들의 개수에 따라 결정되기 때문이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 터치 영역 단위로 터치 센서들을 그룹핑할 시에, 각 터치 영역 내에서 일부 Rx 전극라인들만을 선택적으로 센싱하고, 센싱되지 않는 나머지 Rx 전극라인들을 플로팅 또는 그라운드 처리한다. 이를 통해 본 발명은 고밀도 전극 패턴으로 지문센서 일체형 터치 스크린 패널을 구성할 때 상호 정전용량이 급격히 상승되는 사이드 이펙트를 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 베젤영역에 별도의 지문센서 영역을 필요로 하지 않기 때문에 좁은 베젤영역을 갖는 설계가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 화면이 표시되는 영역 상에서 지문인식 기능과 함께 터치인식 기능을 구현할 수 있으므로 화면 영역에 터치를 인식할 수 없는 데드 존(dead zone)이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, UI/UX 관점의 직관성 또는 편의성을 증대시키는 효과가 있다.
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
16 : 타이밍 콘트롤러 18 : 호스트 시스템
20 : 터치 IC FTAR : 지문&터치 영역
TAR : 터치 영역 FTa : 지문&터치 센서
Ta : 터치 센서

Claims (7)

  1. 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 구비되고, 각 터치 영역에, 서로 교차되게 배열된 제1 그룹의 Tx 전극라인들과 제1 그룹의 Rx 전극라인들, 및 상기 제1 그룹의 Tx 전극라인들과 제1 그룹의 Rx 전극라인들의 교차로 이루어진 터치 센서들이 마련된 터치 스크린; 및
    상기 제1 그룹의 Tx 전극라인들에 동일 위상의 센서 구동신호를 공급하고, 상기 제1 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 제1 유효 채널들만을 묶어 제1 터치 센싱부에서 동시 센싱하는 터치 IC를 구비하고,
    상기 제1 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 상기 제1 유효 채널들은 상기 제1 터치 센싱부에 접속되고, 상기 제1 유효채널들을 제외한 제1 무효 채널들은 플로팅되거나 접지되어 상기 제1 터치 센싱부에 비 접속되는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 무효 채널들은 모두 플로팅되는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 무효 채널들은 저전위 전압원에 접속되는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 무효 채널들 중에서,
    상기 제1 유효 채널들에 인접한 일부 무효 채널들은 저전위 전압원에 접속되고,
    상기 일부 무효 채널들을 제외한 나머지 무효 채널들은 플로팅되는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치 스크린은, 상기 지문&터치 영역에, 서로 교차되게 배열된 제2 그룹의 Tx 전극라인들과 제2 그룹의 Rx 전극라인들, 및 상기 제2 그룹의 Tx 전극라인들과 제2 그룹의 Rx 전극라인들의 교차점들에 구비된 지문&터치 센서들을 더 가지며,
    상기 터치 IC는, 스위칭 블록과 제2 터치 센싱부와 다수의 지문 센싱부들을 더 구비하고,
    상기 스위칭 블록은,
    터치 센싱 모드에서, 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 제2 유효 채널들을 상기 제2 터치 센싱부에 연결하고, 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 상기 제2 유효 채널들을 제외한 제2 무효 채널들을 플로팅시키고,
    지문 센싱 모드에서, 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들을 상기 지문 센싱부들에 개별적으로 연결하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 터치 IC는,
    상기 터치 센싱 모드에서, 상기 제2 그룹의 Tx 전극라인들에 동일 위상의 센서 구동신호를 공급하고,
    상기 지문 센싱 모드에서, 상기 제2 그룹의 Tx 전극라인들에 위상이 순차 지연되는 센서 구동신호를 공급하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위칭 블록은,
    지문 인에이블신호에 따라 턴 온 되어 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들을 상기 지문 센싱부들의 입력단들에 개별적으로 연결하는 제1 스위치들; 및
    터치 인에이블신호에 따라 턴 온 되어 상기 제2 그룹의 Rx 전극라인들 중에서 상기 제2 유효 채널들을 상기 제2 터치 센싱부의 입력단에 공통으로 연결하는 제2 스위치들을 포함하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
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