KR102378398B1 - 터치 스크린을 갖는 표시장치와 그 구동 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치 스크린을 갖는 표시장치와 그 구동 회로에 관한 것으로, 터치 센서들의 신호를 증폭 및 적분하고 디지털 데이터로 변환하여 터치 로 데이터를 출력하는 다수의 집적 회로들(IC), 및 상기 집적 회로들과 SPI(Serial Peripheral Interface)를 통해 연결되어 상기 집적 회로들로부터의 터치 로 데이터를 분석하여 터치 입력들 각각의 좌표 정보를 출력하는 마이크로 콘트롤 유닛(MCU)을 포함한다. 상기 마이크로 콘트롤 유닛은 SPI 대기 상태에서 상기 SPI 채널들 중에서 MISO(Master Input Slave Output) 채널의 신호가 토글되면 클럭에 동기하여 MOSI(Master Output Slave Input) 채널을 통해 명령어와 더미 데이터를 전송하여 상기 MISO 채널을 통해 상기 집적 회로들로부터 상기 터치 로 데이터를 수신한다. 따라서, 본 발명의 MCU와 다수의 IC들(ROIC 또는 SRIC) 간의 SPI 통신을 GPIO 채널 없이 SPI 통신 채널만으로 구현하여 GPIO 배선을 제거할 수 있다.

Description

터치 스크린을 갖는 표시장치와 그 구동 회로{DISPLAY WITH TOUCH SCREEN AND DRIVING CIRCUIT}

본 발명은 터치 센서들이 픽셀 어레이에 내장된 터치 스크린을 갖는 표시장치와 그 구동 회로에 관한 것이다.

유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전기, 전자 기기 등의 통신을 가능하게 하여 사용자가 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 표시패널 상에 터치 스크린을 구현하여 터치 입력을 감지하여 사용자 입력을 전자기기에 전송한다. 터치 UI는 스마트 폰과 같은 휴대용 정보기기에 필수적으로 채택되고 있으며, 노트북 컴퓨터, 컴퓨터 모니터, 가전 제품 등에 확대 적용되고 있다.

최근, 터치 센서들을 표시패널의 픽셀 어레이에 내장하는 기술(이하, "인셀 터치 센서(In-cell touch sensor)"라 함)을 이용하여 터치 스크린을 구현하는 방법이 적용되고 있다. 터치 센서들은 터치 전후 정전 용량의 변화를 바탕으로 터치를 센싱하는 정전 용량 타입의 터치 센서로 구현될 수 있다.

인셀 터치 센서 기술은 표시패널의 두께 증가 없이 표시패널에 터치 센서들을 설치할 수 있다. 인셀 터치 센서 기술은 표시패널의 픽셀들에 연결된 전극을 터치 센서 전극(C1~C4)으로 활용할 수 있다. 인셀 터치 센서 기술은 도 1과 같이 액정표시장치의 픽셀들에 공통 전압(Vcom)을 공급하기 위한 공통 전극을 분할하여 터치 센서 전극(C1~C4)으로 활용할 수 있다. 터치 센서 전극들(C1~C4)에는 센서 배선들(SL)이 연결된다. 터치 센서들(Cs)이 표시패널(100)의 픽셀 어레이에 내장되기 때문에 터치 센서들(Cs)은 기생 용량을 통해 픽셀들에 커플링(coupling)된다. 픽셀들과 터치 센서들(Cs)의 커플링으로 인한 상호 영향을 줄이기 위하여, 인셀 터치 센서 기술은 1 프레임 기간을 디스플레이 기간과 터치 센싱 기간으로 시분할한다. 인셀 터치 센서 기술은 디스플레이 기간 동안 터치 센서 전극들(C1~C4)에 픽셀의 기준 전압인 공통 전압(Vcom)을 공급하고, 터치 센싱 기간 동안 터치 센서를 구동하여 터치 입력을 센싱한다.

표시장치는 표시패널의 데이터 라인들에 데이터 전압을 공급하는 데이터 구동부, 표시패널의 게이트 라인들에 게이트 펄스(또는 스캔 펄스)를 공급하는 게이트 구동부(또는 스캔 구동부), 터치 센서들을 구동하여 터치 입력을 센싱하는 터치 센싱부를 포함한다.

터치 센싱부는 터치 ROIC(Read Out Integrated Circuit 이하, “ROIC”라 함)와, 마이크로 콘트롤 유닛(Micro Control Unit, 이하 "MCU"라 함)을 포함할 수 있다. ROIC는 센서 배선의 신호 변화를 바탕으로 터치 센서의 정전 용량 변화를 검출하여 디지털 데이터로 변환한다. ROIC는 디지털 데이터를 터치 로 데이터(Touch Raw Data, 이하 “터치 데이터”라 함)로서 MCU로 전송한다. MCU는 터치 데이터를 분석하는 연산 로직 회로를 포함한다. MCU는 터치 로 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 문턱값 이상의 데이터를 터치 입력으로 판정한다. MCU는 터치 입력 위치 각각의 좌표 정보와 터치 입력 각각을 구분하는 식별 코드(ID)를 포함한 터치 리포트(Touch Report)를 출력한다.

ROIC와 MUC는 도 2와 같은 SPI(Serial Peripheral Interface)를 통해 데이터 통신을 할 수 있다. 도 2에서, SPI 마스터 소자는 MCU(11)이고, SPI 슬레이브 소자들은 ROIC들(21, 22)이다. SPI는 4개의 선을 직렬로 연결하여 사용하는 동기식 통신이다. SPI는 MCU(11)와 센서 또는 메모리와 같은 주변 기기의 통신에 사용되고 있다. SPI는 Master/Slave 설정을 이용한다. SPI의 통신 채널은 SCLK(Serial Clock), MOSI(Master Output Slave Input), MISO(Master Input Slave Output), CS(Slave Select 또는 Chip Enable)를 포함한다. 도 1에서, MISO는 SPI 통신에서 마스터 소자의 데이터 입력 전용 및 슬레이브 소자의 데이터 출력 전용 채널이다. MOSI는 SPI 통신에서 마스터 소자의 데이터 출력 전용 및 슬레이브 소자의 데이터 입력 전용 채널이다. CS는 SPI 통신에서 슬레이브 소자를 선택하는 채널이다. 마스터 소자는 CS를 이용하여 데이터를 수신할 슬레이브 소자를 선택한다. SCLK는 데이터와 동기되는 직렬 클럭이다.

MCU(11)와 ROIC들(21, 22) 간에는 GPIO(General Purpose Input-Output) 채널이 연결되고 있다. ROIC들(21, 22)은 ROIC들에서 터치 데이터 전송 준비가 되었음을 MCU(11)에 알려 주기 위하여 GPIO 채널을 통해 MCU로 전송한다.

MCU(11)는 ROIC들(21, 22)로부터 터치 데이터 전송 준비가 되었음을 지시하는 신호를 수신한 후 SPI 통신 절차를 따라 MISO채널을 통해 ROIC들(21, 22)로부터 터치 데이터를 수신한다.

SPI 통신은 마스터 소자와 슬레이브 소자가 시프트 레지스터(Shift register)와 같은 방법으로 동작하여 데이터를 전송한다. SCLK에 따라 마스터 소자에서 슬레이브 소자로 SCLK의 클럭 타이밍마다 한 비트(bit)씩 더미 데이터를 MOSI 채널로 전송하면, 슬레이브 소자는 이와 동기하여 SCLK의 클럭 타이밍마다 한 비트씩 데이터를 MISO 채널로 마스터 소자로 전송한다.

MCU(11)와 ROIC들(21, 22) 간의 SPI 통신을 위해 SPIC 통신 채널들 이외에 GPIO 채널이 ROIC 개수 만큼 더 필요하다. 이로 인하여, MCU(11)와 ROIC들(21, 22) 간의 배선 수를 줄이기가 어렵고, SPI 통신전 대기 시간이 길어지는 등의 문제가 있다.

본 발명은 터치 데이터의 통신 인터페이스를 간소화할 수 있는 터치 스크린을 가지는 표시장치와 그 구동 회로를 제공한다.

본 발명의 표시장치는 데이터 라인들과 게이트 라인들에 연결되고, 상기 픽셀들에 연결되는 다수의 터치 센서들을 갖는 표시패널, 1 프레임 기간 내에서 분할된 다수의 디스플레이 기간에 상기 픽셀들에 입력 영상의 데이터를 기입하는 디스플레이 구동 회로, 상기 1 프레임 기간 내에서 상기 디스플레이 기간들 사이에 할당된 터치 센싱 기간에 상기 터치 센서들의 신호를 증폭 및 적분하고 디지털 데이터로 변환하여 터치 로 데이터를 출력하는 다수의 집적 회로들(IC), 및 상기 집적 회로들과 SPI를 통해 연결되어 상기 집적 회로들로부터의 터치 로 데이터를 분석하여 터치 입력들 각각의 좌표 정보를 출력하는 마이크로 콘트롤 유닛(MCU)을 포함한다.

상기 마이크로 콘트롤 유닛이 SPI 대기 상태에서 상기 SPI 채널들 중에서 MISO(Master Input Slave Output) 채널의 신호가 토글되면 클럭에 동기하여 MOSI(Master Output Slave Input) 채널을 통해 명령어와 더미 데이터를 전송하여 상기 MISO 채널을 통해 상기 집적 회로들로부터 상기 터치 로 데이터를 수신한다.

상기 표시장치의 구동 회로는 터치 센서들의 신호를 증폭 및 적분하고 디지털 데이터로 변환하여 터치 로 데이터를 출력하는 다수의 슬레이브 소자들; 및 상기 슬레이브 소자들과 SPI를 통해 연결되어 상기 슬레이브 소자들로부터 수신된 터치 로 데이터를 분석하여 터치 입력들 각각의 좌표 정보를 출력하는 마스터 소자를 포함한다.

상기 마스터 소자가 SPI 대기 상태에서 상기 SPI 채널들 중에서 MISO 채널의 신호가 토글되면 클럭에 동기하여 MOSI 채널을 통해 명령어와 더미 데이터를 전송하여 상기 MISO 채널을 통해 상기 슬레이브 소자들로부터 상기 터치 로 데이터를 수신한다.

본 발명의 MCU와 다수의 IC들(ROIC 또는 SRIC) 간의 SPI 통신을 GPIO 채널 없이 SPI 통신 채널만으로 구현하여 GPIO 배선을 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명은 MCU와 IC들 간의 SPI 통신에 필요한 배선을 줄여 SPI 통신 채널을 최적화하여 SPI 통신 절차를 효율적으로 구현하여 터치 데이터의 통신 인터페이스를 간소화할 수 있다.

도 1은 터치 센서들의 터치 전극 패턴과 터치 센싱부를 보여 주는 평면도이다.
도 2는 MCU와 다수의 ROIC들에 SPI 인터페이스로 연결된 예를 보여 주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MCU가 다수의 ROIC들간의 인터페이스를 보여 주는 도면들이다.
도 4는 도 3에 도시된 SPI 인터페이스의 통신 방법을 보여 주는 파형도이다.
도 5는 MCU의 SPI 처리부를 보여 주는 도면이다.
도 6는 MCU의 스타트 신호와 그에 따른 SPI 데이터 입출력을 보여 주는 파형도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 표시장치를 보여 주는 블록도들이다.
도 9는 터치 센싱부와 데이터 구동부가 내장된 SRIC들을 보여 주는 평면도이다.
도 10은 인셀 타입 터치 센서들의 평면 배치와 터치 센싱부의 회로 구성을 보여 주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 표시장치의 구동 신호를 보여 주는 파형도이다.
도 12 내지 도 14는 다양한 인셀 터치 센싱 방법에서 SPI를 이용한 터치 데이터 전송 방법의 예들을 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.

본 발명의 표시장치는 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 유기발광 다이오드 표시장치(Organic Light Emitting Display, OLED Display) 등의 평판 표시장치로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 평판 표시소자의 일 예로서 액정표시장치를 중심으로 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 표시장치는 인셀 터치 센서 기술이 적용 가능한 어떠한 표시장치도 가능하다.

본 발명의 터치 센서는 픽셀 어레이에 내장 가능한 정전 용량 타입의 터치 센서 예를 들면, 상호 용량(mutual capacitance) 센서 또는 자기 용량(Self capacitance) 센서로 구현될 수 있다. 이하에서 터치 센서를 자기 용량 센서 중심으로 설명하지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MCU(50)와 다수의 ROIC들(61, 62)간의 인터페이스를 보여 주는 도면들이다. 도 4는 도 3에 도시된 SPI 인터페이스의 통신 방법을 보여 주는 파형도이다. 도 3에서 ROIC들(61, 62)은 두 개로 예시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, MCU(50)는 SPI를 통해 N(N은 2 이상의 양의 정수) 개의 ROIC들(61, 62)에 연결된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, MCU(50)는 SPI 통신 채널들을 통해 다수의 ROIC들(61, 62)에 연결된다. MCU(50)는 SPI 마스터로 동작한다. ROIC들(61, 62)은 SPI 슬레이브로 동작한다. SPI의 통신 채널은 SCLK, MOSI, MISO, CS를 포함한다. CS 채널은 IC 칩들 각각을 선택하기 위하여 ROIC 개수와 같은 개수로 설정될 수 있다.

ROIC들(61, 62)은 터치 데이터의 전송 준비가 완료되면, MISO 채널 신호를 토글(toggle)한다. MCU(11)는 SPI의 대기 상태에서 MISO 채널 신호가 1(또는 high level)로 토글되면 이를 감지하여 MOSI를 통해 SCLK와 함께 그 클럭 타이밍에 동기되는 명령어들과 더미 데이터를 MOSI 채널로 전송하기 시작한다. ROIC들(61, 62)은 MOSI 채널을 통해 더미 데이터가 수신되면 미리 정해진 데이터만큼 터치 데이터를 MISO 채널을 통해 출력하여 터치 데이터를 전송하기 시작한다. 여기서, 미리 정해진 데이터양은 더미 데이터양과 같다. MCU(50)는 MISO 채널을 통해 ROIC들(61, 62)로부터 터치 데이터를 수신한다.

CS = 1(또는 high level)일 때, SPI는 대기 상태다. 대기 상태에서 SCLK와 MOSI 채널 데이터가 발생되지 않기 때문에 ROIC들(61, 62)은 대기 상태에서 터치 데이터를 전송할 수 없다. 도 4의 예에서, 명령어는 메모리 어드레스(Address) 명령어, 메모리 독출(Read) 명령어 등을 포함할 수 있다. 더미 데이터는 정보를 포함한 의미 있는 데이터가 아니라, ROIC들(61, 62)의 터치 데이터 전송을 유도하기 위한 임의의 비트 열이다.

본 발명의 MCU(50)와 ROIC들(61, 62)는 GPIO 채널 없이 SPI 통신을 하기 때문에 그들 사이에 GPIO 채널이 필요 없다. 따라서, 본 발명은 MCU(50)와 ROIC들(61, 62) 간의 SPI 통신에 필요한 배선을 줄여 SPI 통신 채널을 최적화하여 SPI 통신 절차를 효율적으로 구현할 수 있다.

본 발명의 MCU(50)는 대기 상태에서 MISO가 토글될 때 SPI 스타트 명령을 발생하기 위하여, 도 5와 같은 스타트 신호 발생부(503)를 포함한다.

도 5는 MCU(50)의 SPI 처리부를 보여 주는 도면이다. 도 6는 MCU의 스타트 신호와 그에 따른 SPI 데이터 입출력을 보여 주는 파형도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, MCU(50)의 SPI 처리부는 SPI 제어부(501), SPI 메모리(502) 및 스타트 신호 발생부(503)를 포함한다.

스타트 신호 발생부(503)는 CS = 1인 대기 상태에서 MISO 채널 신호가 1일 때 스타트 신호를 발생한다. 따라서, 스타트 신호는 대기 상태에서 MISO가 1(=high level)로 토글될 때 발생된다. 스타트 신호 발생부(503)는 CS 신호에 따라 MISO 채널 신호를 선택하여 SPI 제어부(501)로 전송하는 멀티플렉서(Multiplexer, MUX)로 구현될 수 있다.

SPI 제어부(501)는 스타트 신호가 하이 레벨로 반전될 때 인에이블되어 SPI 통신 채널을 활성화한다. SPI 제어부(501)는 스타트 신호에 응답하여 CS 채널을 0(=low level)로 반전시켜 ROIC를 선택하고 SCLK를 발생함과 동시에, SPI 메모리(502)를 제어하여 MOSI 채널을 통해 명령어와 더미 데이터를 출력한다. SPI 메모리(501)는 SPI 제어부(501)의 제어 하에 더미 데이터를 SCLK의 클럭 타이밍에 동기하여 MOSI 채널을 통해 출력함과 동시에 MISO 채널을 통해 터치 데이터를 수신한다. SPI 메모리(502)는 MOSI 채널을 통해 데이터를 병렬 입력 및 직렬 출력(Parallel Input Serial Output, PISO)한다. 그리고, SPI 메모리(502)는 MISO 채널을 통해 데이터를 직렬 입력 및 병렬 출력(Serial Input Parallel Output, SIPO)한다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 표시장치를 보여 주는 블록도들이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 표시장치는 표시패널(100), 디스플레이 구동회로, 터치 센싱부(110) 등을 포함한다.

표시패널(100)의 1 프레임 기간은 하나 이상의 디스플레이 기간과, 하나 이상의 터치 센싱 기간으로 시분할될 수 있다. 표시패널(100)의 화면(픽셀 어레이)가 둘 이상의 블록들(B1~BM)로 시분할 구동된다. 블록들(B1, B2)은 물리적으로 분할될 필요가 없다. 도 7은 표시패널(100)의 화면이 두 개의 블록들(B1, B2)로 분할된 예이고, 도 3은 표시패널(100)의 화면이 M(M은 3이상의 양의 정수) 개의 블록들(B1~BM)로 분할된 예이다. 표시패널(100)의 블록들은 터치 센싱 기간을 사이에 두고 시분할 된다. 예를 들어, 제1 디스플레이 기간 동안 제1 블록(B)의 픽셀들(11)이 구동되어 그 픽셀들(11)에 현재 프레임 데이터가 기입된 후, 제1 터치 센싱 기간 동안 터치 입력이 센싱된다. 제1 터치 센싱 기간에 이어서, 제2 디스플레이 기간 동안 제2 블록(B)의 픽셀들(11)이 구동되어 그 픽셀들(11)에 현재 프레임 데이터가 기입된다.

표시패널(100)의 화면은 입력 영상이 재현되는 픽셀 어레이(pixel array)를 포함한다. 픽셀 어레이는 m(m은 양의 정수) 개의 데이터라인들(S1~Sm)과 n(n은 양의 정수) 개의 게이트라인들(G1~Gn)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성된 m×n 개의 픽셀들(11)을 포함한다. 픽셀들(11) 각각은 데이터라인들(S1~Sm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성된 TFT들(Thin Film Transistor), 데이터전압을 충전하는 픽셀 전극, 픽셀 전극에 접속되어 데이터 전압을 유지하는 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함하여 입력 영상을 표시한다. 평판 표시장치의 구동 특성에 따라 픽셀들(11)의 구조는 변경될 수 있다.

표시패널(100)의 픽셀 어레이는 터치 센서들(Cs)과, 터치 센서 전극들(C1~C4)과 연결된 센서 배선들(L1~Li, i는 m, n 보다 작은 양의 정수)을 더 포함한다. 터치 센서 전극들(C1~C4)은 다수의 픽셀들에 연결되는 공통 전극을 분할하는 방법으로 구현될 수 있다. 하나의 터치 센서 전극(C1~C4)은 다수의 픽셀들(11)에 공통으로 연결되고 하나의 터치 센서(Cs)를 형성한다. 따라서, 터치 센서들은 디스플레이 기간 동안 픽셀들(11)에 동일 전위의 공통전압(Vcom)을 공급하고, 터치 센싱 기간 동안 터치 센싱부(110)에 의해 구동되어 터치 입력을 센싱한다.

픽셀 어레이에 내장된 터치 센서들은 정전 용량(capacitance) 타입의 터치 센서들로 구현될 수 있다. 정전 용량 방식은 자기 정전 용량(Self capacitance)이나 상호 정전 용량(Mutual capacitance)으로 나뉘어질 수 있다. 자기 정전 용량은 한 방향으로 형성된 단층의 도체 배선을 따라 형성된다. 상호 정전 용량은 직교하는 두 도체 배선들 사이에 형성된다. 도 9는 자기 정전 용량 타입의 터치 센서를 도시하였으나, 터치 센서들은 이에 한정되지 않는다.

표시패널(100)의 상부 기판에는 블랙 매트릭스(black matrix), 컬러 필터(color filter) 등이 형성될 수 있다.

디스플레이 구동회로는 데이터 구동부(102), 게이트 구동부(104) 및 타이밍 콘트롤러(106)를 포함하여 시분할된 디스플레이 기간 동안 입력 영상의 데이터를 표시패널(100)의 픽셀들(11)에 기입한다. 데이터 구동부(102)는 디스플레이 기간 동안 타이밍 콘트롤러(106)로부터 입력되는 입력 영상의 디지털 비디오 데이터를 감마보상전압으로 변환하여 출력 채널들을 통해 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동부(102)로부터 출력된 데이터전압은 디스플레이 기간 동안 데이터라인들(S1~Sm)에 공급된다. 데이터 구동부(102)의 출력 채널들은 터치 센싱 기간 동안 데이터 라인들(S1~Sm)과 분리되어 하이 임피던스(high impedence) 상태를 유지할 수 있다. 픽셀들(11)의 전압은 터치 센싱 기간 동안 TFT들이 턴-온(turn-on)되지 않으므로 스토리지 커패시터에 의해 데이터 전압으로 유지된다.

데이터 구동부(102)와 데이터 라인들(S1~Sm) 사이에 도시하지 않은 멀티플렉서(Multiplexer)가 배치될 수 있다. 이 멀티플렉서는 표시패널(100)의 기판 상에 형성되거나 데이터 구동부(102)와 함께 드라이브 IC 내에 집적될 수 있다. 멀티플렉서는 타이밍 콘트롤러(106)의 제어 하에 데이터 구동부(102)로부터 입력되는 데이터 전압을 데이터 라인들(S1~Sm)에 분배한다. 1:2 멀티플렉서의 경우에, 멀티플렉서는 데이터 구동부(102)의 한 개 출력 채널을 통해 입력되는 데이터 전압을 시분할하여 두 개의 데이터 라인들(S1, S2)로 시분할 공급한다. 따라서, 1:2 멀티플렉서를 사용하면, 드라이브 IC의 채널 수를 1/2로 줄일 수 있다. 데이터 구동부(102)는 COG(Chip on glass) 공정으로 표시패널(100)의 기판 상에 직접 접착될 수 있다.

게이트 구동부(104)는 응답하여 표시패널(100)의 게이트 라인들(G1~Gn)에 게이트 펄스를 순차적으로 출력하는 시프트 레지스터를 포함한다. 게이트 구동부(104)는 디스플레이 기간 동안 시프트 레지스터를 이용하여 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스(또는 스캔 펄스)를 게이트 라인들(G1~Gm)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(100)의 라인을 선택한다. 터치 센싱 기간 동안, 게이트 구동부(104)에는 시프트 클럭이 입력되지 않는다. 그 결과, 게이트 구동부(104)는 터치 센싱 기간 동안 게이트 펄스를 출력하지 않는다. 게이트 구동부(104)는 표시패널(100)의 하부 기판 상에서 픽셀 어레이와 함께 형성되는 GIP(Gate In Panel) 회로로 구현될 수 있고, 별도의 IC로 접착될 수 있다.

타이밍 콘트롤러(106)는 도시하지 않은 호스트 시스템으로부터 수신되는 입력 영상의 디지털 비디오 데이터를 데이터 구동부(12)로 전송한다. 그리고 타이밍 콘트롤러(106)는 입력 영상 데이터에 동기하여 수신되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력 받아 데이터 구동부(102)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 데이터 타이밍 제어신호와, 게이트 구동부(104)의 동작 타이밍을 동작 타이밍을 제어시키기 위한 게이트 타이밍 제어신호를 출력한다. 게이트 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 시프트 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. 유기발광 다이오드 표시장치(Organic Light Emitting Display, OLED Display)는 데이터 전압의 극성이 반전되지 않으므로 데이터 전압의 극성을 반전시키기 위한 극성제어신호(Polarity, POL)가 필요 없다.

호스트 시스템은 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 시스템은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 입력 영상의 디지털 비디오 데이터를 표시패널(100)에 표시하기에 적합한 포맷으로 변환한다. 호스트 시스템은 입력 영상의 디지털 비디오 데이터와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(106)로 전송한다. 또한, 호스트 시스템은 터치 센싱부(110)로부터 수신된 터치 입력의 좌표 정보와 연계된 응용 프로그램을 실행한다.

터치 센싱부(110)는 타이밍 콘트롤러(106) 또는 호스트 시스템으로부터 입력되는 동기 신호(Tsync)에 응답하여 터치 센싱 기간 동안 터치 센서들을 구동한다. 터치 센싱부(110)는 터치 센싱 기간 동안 터치 구동 신호를 센서 배선들(L1~Li)에 공급하여 터치 입력을 센싱한다. 터치 센싱부(110)는 터치 입력 유무에 따라 달라지는 터치 센서의 전하 변화량을 분석하여 터치 입력을 판단하고, 터치 입력 위치의 좌표를 계산한다. 터치 입력 위치의 좌표 정보는 호스트 시스템으로 전송된다. 터치 센싱부(110)는 다수의 ROIC들(61, 62)로 구현되어 도 3과 같은 방법으로 SPI 인터페이스를 통해 MCU(50)에 연결될 수 있다.

터치 센싱부(110)의 적어도 일부는 데이터 구동부(102)와 함께 하나의 IC에 집적될 수 있다. 이하에서, 터치 센싱부(110)와 데이터 구동부(102)를 포함한 IC를 SRIC로 칭한다.

도 9는 터치 센싱부(100)와 데이터 구동부(102)가 내장된 SRIC들을 보여 준다. 도 9에서, MCU는 표시패널(100)에 전기적으로 연결된 인쇄 회로 보드(Printed Circuit Board, PCB)(200) 상에 실장된다. SRIC들은 표시패널(100)의 기판 상에 COG 공정으로 직접 접착된다. MCU와 SRIC들은 도 3 및 도 4와 같이 GPIO 채널 없이 SPI를 통해 연결된다.

도 10은 인셀 타입 터치 센서들의 평면 배치와 터치 센싱부의 회로 구성을 보여 주는 도면이다.

도 10을 참조하면, 터치 센서 전극들(COM1~COM4) 각각은 다수의 픽셀들에 연결되는 공통 전극의 분할 패턴으로 형성될 수 있다.

터치 센싱부(110)는 멀티플렉서(111)와 센싱 회로(112)를 포함한다.

멀티플렉서(111)는 MCU(113)의 제어 하에 센싱 회로(112)에 연결되는 센서 배선들(L1~L3)을 미리 정해진 순서대로 순차적으로 선택한다. 멀티플렉서(111)는 MCU(113)의 제어 하에 공통 전압(Vcom)을 공급할 수 있다. 멀티플렉서(111) 각각은 N 개의 센서 배선들(L1~L3)을 센싱 회로(112)의 채널에 순차적으로 함으로써 센싱 회로(112)의 채널 개수를 줄인다.

센싱 회로(112)는 멀티플렉서(111)를 통해 수신되는 센서 배선 신호의 전하량을 증폭하여 적분하고 디지털 데이터로 변환한다. 센싱 회로(112)는 수신된 터치 센서 신호를 증폭하는 증폭기, 증폭기의 출력 전압을 누적하는 적분기, 적분기의 전압을 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변한기(Analog-to-Digital Converter, 이하 "ADC"라 함)를 포함한다. ADC로부터 출력된 디지털 데이터는 터치 데이터로서 MCU(113)로 전송된다. 터치 센싱부(111) 각각은 IC(ROIC 또는 SRIC)로 집적된다.

MCU(113)는 도 3 및 도 4와 같이 SPI를 통해 각각 터치 센싱부(110)를 포함한 IC들에 연결된다. MCU(113)는 멀티플렉서(111)를 제어하여 센서 배선들(115)을 센싱 회로(112)에 연결한다. MCU(113)는 센싱 회로(112)로부터 수신된 터치 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 터치 입력을 판정한다. MCU(113)는 미리 설정된 터치 센싱 알고리즘을 실행하여 터치 입력 위치 각각에 대하여 좌표를 계산하여 터치 좌표 데이터(XY)를 생성하고 그 데이터(XY)와 함께 터치 입력 각각의 식별 코드(IC)를 포함한 터치 리포트(Touch report)를 호스트 시스템(108)으로 전송한다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 표시장치의 구동 신호를 보여 주는 파형도이다. 도 11에 있어서, Gate는 게이트 라인들(G1~Gn)의 전압이고, Data는 데이터 라인들(S1~Sm)의 전압이다. Vcom은 터치 센서 전극의 전압이다.

도 11을 참조하면, 1 프레임 기간은 다수의 디스플레이 기간(Td1, Td2)과 다수의 터치 센싱 기간(Tt1, Tt2)으로 시분할될 수 있다. 디스플레이 구동 회로(102, 104, 106)는 제1 디스플레이 기간(Td1) 동안 제1 블록(B1)의 픽셀들에 현재 프레임 데이터를 기입하여 제1 블록(B1)에서 재현되는 영상을 현재 프레임 데이터로 업데이트한다.

제1 디스플레이 기간(Td1) 동안 제1 블록(B1)을 제외한 나머지 블록(B2)은 이전 프레임 데이터를 유지하고, 터치 센서 구동부(110)는 터치 센서들을 구동하지 않는다. 이어서, 터치 센서 구동부(110)는 제1 터치 센싱 기간(Tt1) 동안 모든 터치 센서들을 순차적으로 구동하여 터치 입력을 센싱하여 터치 입력 각각에 대한 좌표 정보와 식별 정보(ID)를 포함한 터치 리포트를 발생하여 호스트 시스템으로 전송한다. 터치 센싱부(110)는 터치 센싱 기간(Tt1) 동안 센서 배선들(L1~Li)을 통해 터치 센서에 터치 센서 구동 신호를 공급하여 터치 입력 전후 터치 센서의 전하량을 검출하고 그 전하량을 문턱전압과 비교하여 터치 입력을 판정한다.

이어서, 디스플레이 구동 회로(102, 104, 106)는 제2 디스플레이 기간(Td2) 동안 제2 블록(B2)의 픽셀들에 현재 프레임 데이터를 기입하여 제2 블록(B2)에서 재현되는 영상을 현재 프레임 데이터로 업데이트한다. 제2 디스플레이 기간(Td2) 동안 제1 블록(B1)은 이전 프레임 데이터를 유지하고, 터치 센서 구동부(110)는 터치 센서들을 구동하지 않는다. 이어서, 터치 센서 구동부(110)는 제2 터치 센싱 기간(Tt2) 동안 모든 터치 센서들을 순차적으로 구동하여 터치 입력을 센싱하여 터치 입력 각각에 대한 좌표 정보와 식별 정보(ID)를 포함한 터치 리포트를 발생하여 호스트 시스템으로 전송한다.

터치 센싱부(110)는 터치 센싱 기간(Tt1, Tt2) 동안 센서 배선들(L1~Li)을 통해 터치 센서에 터치 센서 구동 신호를 공급하여 터치 입력 전후 터치 센서의 전하량을 검출하고 그 전하량을 문턱전압과 비교하여 터치 입력을 판정한다.

터치 센싱부(110)는 프레임 레이트(Frame rate) 보다 높은 터치 리포트 레이트(Touch report rate)로 터치 리포트를 호스트 시스템으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 프레임 레이트가 60Hz 일 때 터치 리포트 레이트는 120Hz 이상일 수 있다. 프레임 레이트는 1 프레임 이미지가 픽셀 어레이에 기입되는 프레임 주파수이다. 터치 리포트 레이트는 터치 입력의 좌표 정보가 발생되는 속도이다. 터치 리포트 레이트가 높을 수록 터치 입력의 좌표 인식 속도가 빨라지므로 터치 감도가 좋아진다.

데이터 구동부(102)는 픽셀들(11)과 터치 센서들 사이의 기생 용량을 줄이기 위하여 터치 센싱 기간(Tt1, Tt2) 동안 터치 센서 구동 신호와 같은 위상과 같은 전압의 교류 신호(LFD)를 공급할 수 있다. 마찬가지로, 게이트 구동부(102)는 픽셀들(11)과 터치 센서들 사이의 기생 용량을 줄이기 위하여 터치 센싱 기간(Tt1, Tt2) 동안 터치 센서 구동 신호와 같은 위상과 같은 전압의 교류 신호(LFD)를 공급할 수 있다. 터치 센싱부(110)는 현재 터치 입력을 센싱하는 터치 센서들과 연결되는 센서 배선 이외의 다른 센서 배선들에 교류 신호(LFD)를 공급하여 이웃한 터치 센서들 간의 기생 용량을 방지한다.

인셀 터치 센서 기술은 표시패널(100)의 픽셀들에 연결된 공통 전극을 터치 센서 단위로 분할하여 터치 센서들(Cs)의 전극으로 활용한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 인셀 터치 센서 기술은 액정표시장치의 경우에, 공통 전극(12)을 분할하고, 분할된 공통 전극 패턴들을 도 2 및 도 3과 같은 자기 용량 타입 터치 센서들(Cs)의 전극으로 활용한다. 이러한 터치 센서들은 픽셀들과 결합되기 때문에 터치 센서들과 픽셀들 간의 기생 용량(parasitic capacitance)이 커진다. 터치 센서들과 픽셀들은 기생 용량을 통해 커플링(Coupling)되기 때문에 상호 간에 전기적으로 악영향을 줄 수 있으므로 도 4와 같이 픽셀들과 터치 센서들이 시분할 구동된다. 시분할 구동 방법에 의해서도, 표시패널(100)의 기생 용량으로 인하여 터치 센서들의 터치 감도와 터치 인식 정확도가 떨어질 수 있다.

터치 센싱 기간(Tt1, Tt2) 동안 표시패널(100)의 데이터 라인들(S1~Sm)과 게이트 라인들(G1~Gm) 그리고 현재 연결되지 않는 터치 센서들에 터치 센서 구동 신호와 같은 위상의 교류 신호(LFD)를 공급하면, 표시패널(100)의 기생 용량의 전하량을 줄일 수 있다. 이는 기생 용량 양단의 전압 차를 최소화하여 기생 용량의 충전양을 최소화할 수 있기 때문이다. 터치 센서의 기생 용량을 줄이면 터치 센서 신호의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 “SNR”이라 함)를 향상시켜 터치 센싱부의 동작 마진(margin)을 넓히고 터치 입력과 터치 감도를 개선할 수 있다.

도 12 내지 도 14는 다양한 인셀 터치 센싱 방법에서 SPI를 이용한 터치 데이터 전송 방법의 예들을 보여 주는 도면들이다. 도 12 및 도 13은 LHB(Long Horizontal Blank)를 이용한 터치 센싱 방법의 일 예를 보여 주는 도면이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 인셀 터치 센싱 방법의 일 예는 1 프레임 기간을 다수의 디스플레이 기간과 다수의 터치 센싱 기간들을 분할한다. 터치 센싱 기간 각각은 1 수평 기간(Horizontal period) 보다 길고 1/2 프레임 기간 보다 짧은 기간으로 할당될 수 있다. 도 12에서, “Tsync”는 디스플레이 기간(high level)과 터치 센싱 기간(low level)을 서로 다른 논리값으로 정의하는 동기 신호이다. 터치 센싱부(110)가 집적된 IC들(ROIC 또는 SRIC) 각각은 동기 신호(Tsync)에 응답하여 터치 입력을 센싱하고 디스플레이 구동 회로(102, 104, 106)와 동기된다. 도 12 및 도 14에서, GSP는 게이트 스타트 펄스이다. 게이트 스타트 펄스는(GSP)는 1 프레임 기간 내에서 1 프레임 기간의 스타트 타이밍에 1회 발생될 수 있다.

도 12 및 도 13에서, 84ⅹ48 개의 터치 센서들은 8 개의 터치 센서 그룹으로 나뉘어 분할 구동된다. 제1 터치 센싱 기간(1st Tsync Low 구간)에서 IC 당 14ⅹ6 개의 터치 센서들(Cs)을 포함한 제1 터치 센서 그룹이 구동된다. 제8 터치 센싱 기간(8th Tsync Low 구간)에서 IC 당 14ⅹ6 개의 터치 센서들(Cs)을 포함한 제8 터치 센서 그룹이 구동된다. 제1 내지 제8 터치 센싱 기간 동안 터치 스크린 전체의 터치 센서들에 대하여 터치 입력이 센싱되어 제1 터치 리포트를 얻을 수 있다. 제9 터치 센싱 기간(9th Tsync Low 구간)에서 제1 터치 센서 그룹이 다시 구동된다. 제16 터치 센싱 기간(16th Tsync Low 구간)에서 제8 터치 센서 그룹이 구동된다. 제9 내지 제16 터치 센싱 기간 동안 터치 스크린 전체의 터치 센서들에 대하여 터치 입력이 센싱되어 제2 터치 리포트를 얻을 수 있다.

터치 스크린이 도 13과 같이 표시패널(100)의 픽셀 어레이에 내장된 84 ⅹ 48 개의 터치 센서들로 구현될 수 있다. 84는 컬럼(column) 방향을 따라 배치된 터치 센서들의 개수이고, 48은 로우(row) 방향을 따라 배치된 터치 센서들의 개수이다. 이러한 터치 스크린의 터치 센서들(Cs)을 구동하기 위하여, IC 당 2 개의 터치 센싱부(RO, R1)가 내장될 수 있다. 한 개의 IC(ROIC 또는 SRIC)에 2 개의 터치 센싱부(RO, R1)가 내장되면 IC들은 도 13과 같은 터치 센서들을 구동하기 위하여 6 개 필요하다. 터치 센싱부들(R0, R1) 각각은 하나의 터치 센싱 기간 동안, 14 ⅹ 3 개의 터치 센서들의 신호를 동시에 수신하여 증폭 및 적분한 후 ADC에 순차적으로 입력하여 터치 데이터를 출력한 다음, 다음 14 ⅹ 3 개의 터치 센서들의 신호를 동시에 수신하여 증폭 및 적분한 후 ADC에 순차적으로 입력하여 터치 데이터를 출력한다. 14 ⅹ 3 에서, “14”는 컬럼 방향을 따라 배치된 터치 센서들의 개수이고, “3”은 로우(row) 방향을 따라 배치된 터치 센서들의 개수이다.

도 14는 VB(Vertical Horizontal Blank)를 이용한 터치 센싱 방법의 일 예를 보여 주는 도면이다.

도 14를 참조하면, 1 프레임 기간은 디스플레이 기간(Td)과 터치 센싱 기간(Tt)으로 시분할된다. 터치 센싱 기간(Tt)은 버티컬 블랭크 기간(Vertical blank period)에 할당된다. 터치 센싱 기간(Tt)을 충분히 확보하기 위하여, 타이밍 콘트롤러(106)는 1 프레임 기간 내에서 디스플레이 기간(Td)을 압축하여 버티컬 블랭크(Vertical blank) 기간을 확장할 수 있다.

IC들(ROIC 또는 SRIC) 각각에서 두 개의 터치 센싱부들(R0, R1)은 터치 센싱 기간(Tt) 동안 센서 배선들(L1~Li)을 센싱 회로(112)에 동시에 연결한다. IC들(ROIC 또는 SRIC)은 터치 센싱 기간(Tt) 동안 터치 스크린 전체의 터치 센서들을 시분할하여 구동하여 터치 데이터를 출력한다. MCU는 SPI를 통해 수신된 IC들(ROIC 또는 SRIC)로부터 수신된 터치 데이터를 분석하여 1 프레임 기간마다 터치 리포트를 1회 발생한다.

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.

11 : 픽셀 전극 12 : 터치 센서 전극
100 : 표시패널 102 : 데이터 구동부
104 : 스캔 구동부 106 : 타이밍 콘트롤러
110 : 터치 센싱부

Claims (5)

1. 데이터 라인들과 게이트 라인들에 의해 정의되는 영역에 형성된 픽셀들과, 상기 픽셀들에 연결되는 다수의 터치 센서들을 갖는 표시패널;
   1 프레임 기간 내에서 분할된 다수의 디스플레이 기간들에 상기 픽셀들에 입력 영상의 데이터를 기입하는 디스플레이 구동 회로;
   상기 1 프레임 기간 내에서 상기 디스플레이 기간들 사이에 할당된 터치 센싱 기간에 상기 터치 센서들의 신호를 증폭 및 적분하고 디지털 데이터로 변환하여 터치 로 데이터를 출력하는 다수의 집적 회로들; 및
   상기 집적 회로들과 SPI(Serial Peripheral Interface)의 통신 채널들을 통해 연결되어 상기 집적 회로들로부터의 터치 로 데이터를 분석하여 터치 입력들 각각의 좌표 정보를 출력하는 마이크로 콘트롤 유닛을 포함하고,
   상기 SPI의 통신 채널들은 SCLK(Serial clock) 채널, MOSI(Master Output Slave Input) 채널, MISO(Master Input Slave Output) 채널 및 CS(Slave Select 또는 Chip Enable) 채널을 포함하고,
   상기 마이크로 콘트롤 유닛은 상기 SPI의 대기 상태에서 상기 다수의 집적 회로들이 상기 MISO 채널의 신호를 1(=high level)로 토글하면, 클럭과 함께 상기 클럭에 동기되는 명령어들과 더미 데이터를 상기 MOSI 채널을 통해 상기 집적 회로들에 전송하며,
   상기 집적 회로들은 상기 MOSI 채널을 통해 상기 더미 데이터가 수신되면, 미리 정해진 데이터 양의 터치 데이터를 상기 MISO 채널을 통해 상기 마이크로 콘트롤 유닛에 공급하고,
   상기 미리 정해진 데이터 양은 상기 더미 데이터의 양과 같은 터치 스크린을 갖는 표시장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 콘트롤 유닛은
   상기 CS 채널의 신호가 1(=high level) 인 대기 상태에서 상기 MISO 채널의 신호가 1(=high level)일 때 스타트 신호를 발생하는 스타트 신호 발생부;
   상기 스타트 신호에 응답하여 상기 CS 채널을 0(=low level)로 반전시켜 상기 집적 회로를 선택하고, 상기 클럭을 발생시키는 것과 함께 상기 MOSI 채널을 통해 상기 명령어와 상기 더미 데이터를 출력하는 SPI 제어부; 및
   상기 SPI 제어부의 제어 하에, 상기 더미 데이터를 상기 클럭의 타이밍에 동기하여 상기 MOSI 채널을 통해 출력하고, 상기 MISO 채널을 통해 상기 터치 데이터를 수신하는 SPI 메모리를 포함하는 터치 스크린을 갖는 표시장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 콘트롤 유닛과 상기 집적회로들은 GPIO(General Purpose Input-Output) 채널 없이 상기 CS 채널, 상기 MISO 채널, 상기 MOSI 채널 및 상기 클럭이 전송되는 SCLK(Serial Clock) 채널을 통해 연결되는 터치 스크린을 갖는 표시장치.
5. 터치 센서들의 신호를 증폭 및 적분하고 디지털 데이터로 변환하여 터치 로 데이터를 출력하는 다수의 슬레이브 소자들; 및
   상기 슬레이브 소자들과 SPI(Serial Peripheral Interface)를 통해 연결되어 상기 슬레이브 소자들로부터 수신된 터치 로 데이터를 분석하여 터치 입력들 각각의 좌표 정보를 출력하는 마스터 소자를 포함하고,
   상기 SPI의 통신 채널들은 SCLK(Serial clock) 채널, MOSI(Master Output Slave Input) 채널, MISO(Master Input Slave Output)채널 및 CS(Slave Select 또는 Chip Enable) 채널을 포함하고,
   상기 마스터 소자는 상기 SPI의 대기 상태에서 상기 슬레이브 소자들이 상기 MISO 채널의 신호를 1(=high level)로 토글하면, 클럭과 함께 상기 클럭에 동기되는 명령어들과 더미 데이터를 상기 MOSI 채널을 통해 상기 슬레이브 소자들에 전송하며,
   상기 슬레이브 소자들은 상기 MOSI 채널을 통해 상기 더미 데이터가 수신되면 미리 정해진 데이터 양의 터치 데이터를 상기 MISO 채널을 통해 상기 마스터 소자에 공급하고,
   상기 미리 정해진 데이터 양은 상기 더미 데이터의 양과 같은, 터치 스크린을 갖는 표시장치의 구동 회로.

Images