KR102456350B1 - 능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템 - Google Patents

능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부 노이즈에 둔감하고, 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 향상시키기 위한 능동형 스타일러스 펜에 관한 것이다.
본 발명의 능동형 스타일러스 펜은 그라운드(GND)에 연결된 하우징(280)과, 하우징(280)의 일측 외부로 돌출되어 터치 스크린(TSP)에 접촉되는 전도성 팁(210)과, 절연체를 사이에 두고 하우징(280)의 외면을 둘러싸는 전도체층(290)과, 전도체층(290)에 연결되는 펜 구동회로(200)와, 전도체층(290)과 펜 구동회로(200)를 연결하는 스위치(300)를 포함한다. 펜 구동회로(200)는 하우징(280)에 의해 케이싱되며, 터치 스크린(TSP)으로부터 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성하여 전도성 팁(210)을 통해 터치 스크린(TSP)에 출력한다.

Description

능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템{ACTIVE STYLUS PEN AND TOUCH SENSING SYSTEM AND DRIVING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 터치 센싱 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 능동형 스타일러스 펜을 통해 터치 입력이 가능한 터치 센싱 시스템에 관한 것이다.
유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)이 쉽게 자신이 원하는 대로 각종 전자 기기를 제어할 수 있게 한다. 이러한 유저 인터페이스의 대표적인 예로는 키패드, 키보드, 마우스, 온 스크린 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 있다. 터치 UI는 표시장치의 화면 상에 터치 스크린을 형성하는 방법으로 구현되고 있다. 이러한 터치 스크린은 정전 용량 방식으로 구현될 수 있다. 정전 용량 방식의 터치 센서를 갖는 터치 스크린은 손가락 또는 전도성 물질이 터치 센서에 접촉(또는 근접)될 때, 터치 지점에서의 정전 용량(capacitance) 변화 즉, 터치 센서의 전하 변화량을 센싱하여 터치 입력을 감지한다.
정전 용량 방식의 터치 센서는 자기 용량(Self Capacitance) 센서 또는 상호 용량(Mutual Capacitance) 센서로 구현될 수 있다. 자기 용량 센서의 전극들 각각은 한 방향을 따라 형성된 센서 배선들과 1:1로 연결될 수 있다. 상호 용량 센서는 유전층을 사이에 두고 직교하는 센서 배선들의 교차부에 형성될 수 있다.
최근 스마트 폰, 및 스마트 북 등에는 손가락뿐만 아니라 스타일러스 펜(Stylus Pen)이 HID(Human Interface Device)로서 많이 사용되고 있다. 스타일러스 펜은 손가락에 비해 좀 더 세밀한 입력이 가능한 장점이 있다. 스타일러스 펜에는 수동형과 능동형이 있다. 수동형은 터치 스크린과의 접촉 지점에서 정전용량 변화가 적어 터치 위치 검출이 어렵다. 능동형은 자체적으로 구동신호를 생성하여 터치 스크린과의 접촉 지점에 출력하기 때문에 수동형에 비해 터치 위치 검출이 용이하다.
이러한 능동형 스타일러스 펜을 포함한 터치 센싱 시스템은 다음과 같은 방법으로 동작한다.
터치 스크린에는 터치 스크린 구동신호가 인가된다. 터치 스크린 구동신호에는 능동형 스타일러스 펜과의 동기화를 위한 업 링크 신호(Uplink Signal)와, 터치 스크린에 대한 터치 입력을 센싱하기 위한 터치 센서 구동신호가 포함된다. 능동형 스타일러스 펜은 터치 스크린에 접촉하여 터치 스크린으로부터 업 링크 신호를 입력 받고, 이 업 링크 신호를 기반으로 터치 센서 구동신호에 동기되는 다운 링크 신호(Downlink Signal)(이하, 펜 구동신호라 함)를 생성하여, 이 펜 구동신호를 전도성 팁을 통해 터치 스크린에 출력한다. 펜 구동신호는 터치 센서 구동신호에 동기되므로 터치 센서 구동신호의 감도를 높이는 역할을 한다. 터치 센싱 시스템은 터치 센서 구동신호와 펜 구동신호에 기초한 터치 지점에서의 정전 용량(capacitance) 변화를 센싱하여 터치 입력을 감지한다.
그러나, 도 1과 같이 터치 스크린에 능동형 스타일러스 펜과 함께 손바닥을 대는 경우 능동형 스타일러스 펜이 업 링크 신호를 수신하지 못하는 문제가 있다. 여기서, 손바닥은 펜을 잡은 손과 그렇지 않은 손을 모두 대상으로 한다. 이 경우 능동형 스타일러스 펜은 터치 스크린과 동기화에 실패하여 정상적인 동작이 불가능하게 된다.
능동형 스타일러스 펜이 업 링크 신호를 수신하지 못하는 첫 번째 이유는, 터치 스크린에 손바닥을 접촉하면 터치 스크린의 부하가 증가하여 업 링크 신호의 크기가 감쇄하기 때문이다. 능동형 스타일러스 펜이 업 링크 신호를 수신하지 못하는 두 번째 이유는, 터치 스크린에 손바닥을 접촉하면 업 링크 신호가 능동형 스타일러스 펜의 그라운드 역할을 하는 하우징으로 전달되고, 그에 따라 능동형 스타일러스 펜은 하우징을 통해 수신되는 업 링크 신호의 간섭으로 인해 전도성 팁을 통해 수신되는 업 링크 신호를 인식할 수 없게 되기 때문이다.
도 2a 내지 도 3을 참조하여 상기 첫 번째 이유에 대해 부연 설명하면, 터치 구동장치는 입력 전원(Vin)을 이용하여 업 링크 신호를 생성하여 터치 스크린에 인가한다. 도 2a와 같이 터치 스크린에 전달되는 전하의 양을 Qin이라 하고, 터치 스크린의 부하를 Cpl라고 할 때, 터치 스크린에서 검출되는 업 링크 신호의 크기인 Vp는 Qin/Cpl가 된다. 여기서, 터치 스크린에 손바닥을 접촉하는 경우에는 도 2b와 같이 터치 스크린의 부하(Cpl)에 인체의 부하(Chl)가 더해지게 된다. 터치 구동장치에서 공급되는 전하의 양(Qin)은 동일하므로 터치 스크린의 부하(Cpl)에 더해지는 인체의 부하(Chl) 크기만큼 업 링크 신호의 크기(Vp)가 감소하게 된다. 즉, 터치 스크린에서 검출되는 업 링크 신호의 크기(Vp)는 Qin/Cpl+Chl가 된다. 커패시터의 용량은 면적에 비례하므로, 도 3과 같이 터치 스크린과 손바닥 간의 접촉 면적이 증가할수록 인체의 부하(Chl)는 증가하고 터치 스크린에서 검출되는 업 링크 신호의 크기(Vp)가 감소한다.
도 4 내지 도 9를 참조하여 상기 두 번째 이유에 대해 부연 설명하면, 터치 스크린에 손바닥을 접촉하는 경우 업 링크 신호가 인체를 거쳐 능동형 스타일러스 펜의 하우징으로 전달된다. 손바닥은 펜을 쥐고 있는 손과 다른 손 모두에 해당되며, 인체로 전달되는 업 링크 신호의 크기는 터치 스크린과 손바닥 간의 접촉 면적에 비례한다. 도 5의 (A)는 터치 스크린에 인가되는 업 링크 신호를 나타내고, 도 5의 (B)는 인체에서 검출되는 업 링크 신호를 나타낸다. 도 5와 같이 손바닥의 접촉 면적이 클수록 인체에서 검출되는 업 링크 신호는 증가하며, 이 신호가 능동형 스타일러스 펜의 하우징으로 전달된다. 능동형 스타일러스 펜은 도 4와 같이 전도성 팁과 터치 스크린 사이에 형성되는 펜 커패시터(Cp)를 통해 터치 스크린으로부터 업 링크 신호를 수신하는데, 터치 스크린에 손바닥이 접촉되는 경우에는 펜의 하우징과 터치 스크린 사이에 형성되는 휴먼 커패시터(Ch)를 통해서도 업 링크 신호를 더 수신한다. 이때 펜 구동회로는 도 9와 같이 (+) 단자에 접속되는 전도성 팁과 (-) 단자에 접속되는 하우징(그라운드) 으로부터 동시에 업 링크 신호를 수신하기 때문에 업 링크 신호를 정상적으로 인식할 수 없게 된다.
한편, 터치 스크린이 터치 센싱 시스템의 어쓰 그라운드(Earth GND)에 연결되어 있지 않은 플로팅 상태인 경우(즉, 휴대용 배터리로 구동되는 경우), 터치 스크린에 손바닥을 접촉하면 도 7의 (A)와 같이 터치 스크린에서 검출되는 업 링크 신호는 감소하고, 도 7의 (B)와 같이 터치 센싱 시스템의 그라운드 파형(즉, 터치 센싱 시스템의 외부 케이스에서 검출되는 업 링크 신호)은 업 링크 신호 (A) 에 대하여 역위상으로 증가한다. 만약, 손바닥이 터치 센싱 시스템의 외부 케이스에도 접촉되는 경우에는 인체를 통해 역위상의 업 링크 신호가 펜의 하우징으로 전달된다. 펜의 하우징에 전달된 역위상의 업 링크 신호는 전도성 팁을 통해 수신되는 업 링크 신호에 대한 인식률을 떨어뜨린다.
터치 스크린에 손바닥을 대면 터치 센싱 시스템의 외부 케이스에서 역위상의 업 링크 신호가 생성되는 메커니즘을 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 6a와 같이 터치 구동장치가 업 링크 신호를 구동하여 입력 전하(Qin)를 터치 스크린에 인가한다. 그러면, 터치 스크린에 형성된 패널 커패시터(Cpanel)의 일측 전극(왼쪽 전극)에는 양 전하(+Qin)가 축적되고, 패널 커패시터(Cpanel)의 타측 전극(오른쪽 전극)에는 음 전하(-Qin)가 축적된다. 이어서 도 6b와 같이 터치 스크린에 손바닥이 접촉되면 터치 스크린에는 휴먼 커패시터(Chuman)가 더 연결된다. 그에 따라 패널 커패시터(Cpanel)의 일측 전극(왼쪽 전극)에는 음 전하(-Qin)의 일부에 해당되는 제1 음 전하(-Qpanel)가 남고 음 전하(-Qin)의 나머지에 해당되는 제2 음 전하(-Chuman)는 휴먼 커패시터(Chuman)에 저장된다. 이때 커패시터는 양단에 동일한 양의 전하를 저장하려는 성질을 가지므로, 도 6c와 같이 패널 커패시터(Cpanel)의 일측 전극에는 제1 양 전하(+Qpanel)만이 남고 나머지 양 전하인 +(Qin-Qpanel)은 터치 센싱 시스템의 그라운드(GND) 쪽으로 밀려난다. 그 결과, 터치 센싱 시스템의 외부 케이스에 연결된 그라운드(GND)에는 역위상 업 링크 신호가 인가되게 된다.
도 8a 및 도 8b의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 터치 스크린과 손바닥 간의 접촉 면적이 증가할수록 터치 스크린에서 검출되는 업 링크 신호의 크기는 감소하는데 반해, 터치 센싱 시스템의 그라운드에서 검출되는 역위상 업 링크 신호의 크기는 증가한다.
도 9는 손바닥이 터치 스크린에 접촉된 경우 펜 구동회로 관점에서 능동형 스타일러스 펜 구조를 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, 펜 구동회로의 수신부는 전도성 팁에 연결된 (+) 입력단과, 그라운드(GND)에 연결된 (-) 입력단을 갖는 증폭기를 포함할 수 있다. 손바닥이 터치 스크린에 접촉되는 경우 증폭기의 (-) 입력단은 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 터치 스크린에 연결되므로, 능동형 스타일러스 펜은 터치 스크린으로부터 입력되는 외부 노이즈의 영향을 크게 받을 수밖에 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 외부 노이즈에 둔감하고, 터치 스크린과 손바닥 간의 접촉 유무에 상관없이 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 향상시킬 수 있도록 한 능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 능동형 스타일러스 펜은 그라운드(GND)에 연결된 하우징(280)과, 하우징(280)의 일측 외부로 돌출되어 터치 스크린(TSP)에 접촉되는 전도성 팁(210)과, 절연체를 사이에 두고 하우징(280)의 외면을 둘러싸는 전도체층(290)과, 전도체층(290)에 연결되는 펜 구동회로(200)와, 전도체층(290)과 펜 구동회로(200)를 연결하는 스위치(300)를 포함한다. 펜 구동회로(200)는 하우징(280)에 의해 케이싱되며, 터치 스크린(TSP)으로부터 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성하여 전도성 팁(210)을 통해 터치 스크린(TSP)에 출력한다.
1 프레임 중에서 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당되고, 스위치(300)는 상기 터치 구간 내에서 상기 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭되어 상기 전도체층(290)과 상기 펜 구동회로(200)를 연결하고, 터치 구간 내에서 펜 구동신호의 출력을 위한 송신 구간 동안 오프 스위칭되어 전도체층(290)과 펜 구동회로(200) 간의 전기적 연결을 해제한다.
전도성 팁(210)은 펜 커패시터(Cp)를 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링되고, 전도체층(290)은 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링된다.
수신 구간 동안, 펜 구동회로(200)는 전도성 팁(210)과 상기 전도체층(290) 중 적어도 어느 하나를 통해 업 링크 신호를 입력 받는다.
1 프레임 중에서 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당되고, 터치 구간에서 업 링크 신호가 터치 스크린(TSP)에 계속적으로 정위상으로 인가되는 경우, 스위치(300)는 터치 구간 내에서 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭되되, 수신 구간 내에서 업 링크 신호가 펜 구동회로(200)에 역위상으로 입력되는 경우에 오프 스위칭된다.
1 프레임 중에서 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당되고, 터치 구간에서 업 링크 신호가 터치 스크린(TSP)에 정위상 및 역위상으로 번갈아 인가되는 경우, 스위치(300)는 터치 구간 내에서 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭 상태를 유지한다.
또한, 본 발명에 따른 터치 센싱 시스템은 터치 스크린(TSP)과, 터치 스크린(TSP)에 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 인가하는 터치 구동장치(18)과, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성하여 터치 스크린(TSP)에 출력하는 능동형 스타일러스 펜(20)을 구빈한다. 여기서, 능동형 스타일러스 펜(20)은, 그라운드(GND)에 연결된 하우징(280)과, 하우징(280)의 일측 외부로 돌출되어 터치 스크린(TSP)에 접촉되는 전도성 팁(210)과, 절연체를 사이에 두고 하우징(280)의 외면을 둘러싸는 전도체층(290)과, 터치 스크린(TSP)으로부터 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 펜 구동신호를 전도성 팁(210)을 통해 터치 스크린(TSP)에 출력하며, 하우징(280)에 의해 케이싱되는 펜 구동회로(200)와, 전도체층(290)과 펜 구동회로(200)를 연결하는 스위치(300)를 포함한다.
본 발명은 능동형 스타일러스 펜의 하우징 외면에 전도체층을 추가하고, 전도체층과 펜 구동회로 간의 전기적 연결을 스위치를 통해 온/오프 시킴으로써, 외부 노이즈에 둔감하고 터치 스크린과 손바닥 간의 접촉 유무에 상관없이 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명은 능동형 스타일러스 펜에 역위상 업 링크 신호가 입력되는 경우에는 스위치를 오프시키고 정위상 업 링크 신호가 입력되는 경우에만 스위치를 온시킴으로써, 손바닥과 시스템 그라운드 간의 접촉 여부에 관계없이 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 정위상 업 링크 신호와 역위상 업 링크 신호를 터치 스크린에 교번하여 인가하고, 정위상의 업 링크 신호만을 수신하여 동기화 구동하는 것이 가능하므로, 손바닥과 시스템 그라운드 간의 접촉 여부에 관계없이 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 터치 스크린에 능동형 스타일러스 펜과 함께 손바닥이 접촉되는 것을 보여는 도면.
도 2a, 도 2b, 및 도 3은 종래 능동형 스타일러스 펜이 업 링크 신호를 수신하지 못하는 일 예를 설명하기 위한 도면들.
도 4 내지 도 8은 종래 능동형 스타일러스 펜이 업 링크 신호를 수신하지 못하는 다른 예를 설명하기 위한 도면들.
도 9는 종래 능동형 스타일러스 펜이 외부 노이즈에 취약한 이유를 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 터치 센싱 시스템을 개략적으로 보여주는 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 시스템이 적용되는 표시장치를 보여주는 도면.
도 12는 상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여주는 도면.
도 13은 자기 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여주는 도면.
도 14는 픽셀 어레이에 내장된 터치 센서의 일 예를 보여 주는 도면.
도 15는 표시패널의 픽셀들과 터치 센서들을 시분할 구동하는 방법을 보여 주는 타이밍도.
도 16은 본 발명에 따른 능동형 스타일러스 펜의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 17은 외부 노이즈에 둔감하고 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 향상시키기 위한 능동형 스타일러스 펜의 주요 구성을 보여주는 도면.
도 18은 능동형 스타일러스 펜에 구비된 전도체층에 의해 외부 노이즈가 상쇄되는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 19a 및 도 19b는 1 터치 구간 내의 수신 구간에서 손바닥 접촉이 있는 경우와 없는 경우에 있어 업 링크 신호의 수신 경로를 보여주는 도면들.
도 19c는 1 터치 구간 내의 송신 구간에서 펜 구동신호의 송신 경로를 보여주는 도면.
도 20은 1 터치 구간 내의 수신 구간 및 송신 구간 각각에서 스위치의 온/오프 상태를 보여주는 도면.
도 21은 능동형 스타일러스 펜에 역위상 업 링크 신호가 수신될 때 펜에서 업 링크 신호를 용이하게 인식하기 위한 일 구동 방안을 보여주는 도면.
도 22는 능동형 스타일러스 펜에 역위상 업 링크 신호가 수신될 때 펜에서 업 링크 신호를 용이하게 인식하기 위한 다른 구동 방안을 보여주는 도면.
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.
[터치 센싱 시스템]
도 10은 본 발명의 터치 센싱 시스템을 개략적으로 보여준다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 터치 센싱 시스템은 표시장치(10)와 능동형 스타일러스 펜(20)을 포함한다.
표시장치(10)는 디스플레이 기능과 터치 검출 기능을 갖는다. 표시장치(10)는 손가락 및/또는 능동형 스타일러스 펜(20)과 같은 전도성 물체의 접촉에 의한 터치 검출이 가능한 것으로, 그 내부에 일체형으로 정전 용량 방식의 터치 스크린을 구비하고 있다. 여기서, 터치 스크린은 디스플레이 구현을 위한 표시패널과 독립적인 형태로 구성될 수도 있고, 표시패널의 픽셀 어레이에 내장될 수도 있다. 터치 스크린에는 터치 스크린 구동신호가 인가된다. 터치 스크린 구동신호에는 능동형 스타일러스 펜과의 동기화를 위한 업 링크 신호(Uplink Signal)와, 터치 스크린에 대한 터치 입력을 센싱하기 위한 터치 센서 구동신호가 포함된다. 표시장치(10)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 도 11 내지 도 15를 참조로 후술한다.
능동형 스타일러스 펜(20)은 터치 스크린에서 수신되는 업 링크 신호를 기초로 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성하여 터치 스크린과의 접촉 지점에 출력함으로써 터치 스크린 상에서 펜 터치 입력이 용이하게 검출되도록 한다. 특히, 능동형 스타일러스 펜(20)은 하우징 외면에 전도체 층을 더 구비하고 이 전도체 층을 펜 구동회로에 연결함으로써, 터치 스크린에 손바닥이 접촉되는 경우에도 터치 스크린 구동신호 대한 수신 경로를 확보하여 펜 구동회로에서 업 링크 신호를 양호하게 수신할 수 있다. 전도체 층과 펜 구동회로 사이에는 스위치가 더 구비되어, 조건에 따라 온/오프 될 수 있다. 이러한 능동형 스타일러스 펜(20)의 구성과 업 링크 신호 감지 성능 향상 방안에 대해서는 도 16 내지 도 22를 통해 후술한다.
터치 센싱 시스템은 터치 스크린 상에서 터치 센서 구동신호와 펜 구동신호에 따른 터치 로 데이터(Touch raw data)의 변화를 분석하여 전도성 물체에 의한 터치 입력 위치를 감지한다. 본 발명의 터치 센싱 시스템은 손가락에 의한 핑거 터치 입력과 능동형 스타일러스 펜(20)에 의한 펜 터치 입력을 동시에 센싱할 수 있다. 핑거 터치 입력은 터치 센서 구동신호에 따른 터치 로 데이터의 분석 결과를 기초로 센싱될 수 있고, 펜 터치 입력은 펜 구동신호에 따른 터치 로 데이터의 분석 결과를 기초로 센싱될 수 있다. 터치 센싱 시스템은 펜 구동신호와 터치 센서 구동신호의 위상을 서로 같게 하되, 터치 센서 구동신호에 비해 펜 구동신호의 신호 크기(펄스 진폭)를 더 크게 설정함으로써, 펜이 터치된 위치의 터치 로 데이터와 손가락이 터치된 위치의 터치 로 데이터를 차등화하여 펜 터치 입력과 핑거 터치 입력을 용이하게 구분할 수 있다.
[표시장치]
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 시스템이 적용되는 표시장치를 보여준다. 도 12는 상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여준다. 도 13은 자기 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여준다. 도 14는 픽셀 어레이에 내장된 터치 센서의 일 예를 보여 준다. 그리고, 도 15는 표시패널의 픽셀들과 터치 센서들을 시분할 구동하는 방법을 보여 준다.
도 11내지 도15를 참조하면, 본 발명의 표시장치(10)는 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, 표시장치가 액정표시소자로 구현되는 것을 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시소자에 한정되지 않음에 주의하여야 한다.
표시장치(10)는 디스플레이 모듈과 터치 모듈로 이루어진다.
표시장치(10)에 포함된 터치 모듈은 터치 스크린(TSP)과 터치 구동장치(18)를 포함한다.
터치 스크린(TSP)은 다수의 정전 용량 센서들을 통해 터치 입력을 감지하는 정전 용량 방식으로 구현될 수 있다. 터치 스크린(TSP)은 정전 용량(capacitance)을 갖는 다수의 터치 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 센서(Cm)로 구현되는 터치 스크린(TSP)은, 도 12와 같이 Tx 전극라인들, Tx 전극라인들과 교차하는 Rx 전극라인들, 및 Tx 전극라인들과 Rx 전극라인들의 교차점들 마다 형성된 터치 센서들(Cm)을 포함할 수 있다. Tx 전극라인들은 터치 센서들(Cm)에 터치 센서 구동신호(및/또는 펜 구동신호)를 인가하여 터치 센서들에 전하를 공급하는 구동 신호 배선들이다. Rx 전극라인들은 터치 센서들(Cm)에 연결되어 터치 센서들의 전하를 터치 구동장치(18)로 공급하는 센서 배선들이다. 상호 용량 센싱 방법은 Tx 전극라인을 통해 Tx 전극에 터치 센서 구동신호(및/또는 펜 구동신호)를 인가하여 터치 센서(Cm)에 전하를 공급하고, 터치 센서 구동신호(및/또는 펜 구동신호)에 동기하여 Rx 전극과 Rx 전극라인을 통해 터치 센서(Cm)의 정전용량 변화를 센싱함으로써 전도성 물체에 의한 터치 입력을 알 수 있다.
자기 용량 센서(Cs)로 구현되는 터치 스크린(TSP)은, 도 13과 같이 터치 전극(31)들 각각이 한 방향을 따라 형성된 센서 배선들(32)과 1:1로 연결될 수 있다. 자기 용량 센서(Cs)는 전극들(31) 각각에 형성된 정전 용량을 포함한다. 자기 용량 센싱 방법은 터치 센서 구동신호(및/또는 펜 구동신호)가 센서 배선(32)을 통해 전극(31)에 인가되면 전하(Q)가 터치 센서(Cs)에 축적된다. 이때 손가락(또는 능동형 스타일러스 펜)이 전극(31)에 접촉되면 자기 용량 센서(Cs)에 추가로 기생 용량(Cf)이 연결되어 토탈 정전 용량값이 변한다. 전도성 물체가 터치된 센서와 그렇지 않은 센서 간에 정전 용량값이 달라지면, 터치 센서들로부터 센싱되는 전하량이 달라지며, 이를 통해 터치 여부를 판단할 수 있다.
터치 스크린(TSP)은 표시패널(DIS)의 상부 편광판 상에 접합되거나, 표시패널(DIS)의 상부 편광판과 상부 기판 사이에 형성될 수 있다. 또한, 터치 스크린(TSP)의 터치 센서들(Cm 또는 Cs)은 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장될 수 있다.
터치 스크린(TSP)이 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장되는 예가 도 14에 도시되어 있다. 도 14를 참조하면, 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이는 터치 센서들(C1~C4)과, 터치 센서들(C1~C4)과 연결된 센서 라인들(L1~Li, i는 m, n 보다 작은 양의 정수)을 포함한다. 픽셀들(101)의 공통전극(COM)은 다수의 세그먼트들(segment)로 분할된다. 터치 센서들(C1~C4)은 분할된 공통전극(COM)으로 구현된다. 하나의 공통전극 세그먼트(segment)는 다수의 픽셀들(101)에 공통으로 연결되고 하나의 터치 센서를 형성한다. 따라서, 도 15와 같이 터치 센서들(C1~C4)은 디스플레이 구간(Td1, Td2) 동안 픽셀들(101)에 공통전압(Vcom)을 공급하고, 터치 구간 (Tt1, Tt2) 동안 터치 스크린 구동신호(Ts)(또는 펜 구동신호)를 입력 받아 터치 입력을 센싱한다. 터치 스크린 구동신호(Ts)는 위에서 언급했듯이 업 링크 신호(Uplink Signal)와 터치 센서 구동신호를 포함한다. 펜 구동신호는 업 링크 신호를 기초로 터치 센서 구동신호에 동기되는 신호이다.
터치 구동장치(18)는 터치 스크린 구동신호(Ts)를 터치 센서들(C1~C4)에 인가하고, 터치 센서들(C1~C4)의 전하 변화량을 센싱하여 전도성 물체의 접촉 여부와 그 위치를 판단한다.
터치 구동장치(18)는 타이밍 콘트롤러(16) 또는 호스트 시스템(19)으로부터 입력되는 터치 인에이블 신호(TEN)에 응답하여 터치 구간(Tt1, Tt2) 동안 터치 센서들을 구동한다. 터치 구동장치(18)는 터치 구간(Tt1, Tt2) 동안 센서 라인들(L1~Li)을 통해 터치 센서들(C1~C4)에 대한 터치 입력을 센싱한다. 터치 구동장치(18)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 구동장치(18)는 터치 구간(Tt1, Tt2) 동안 터치 인에이블 신호(TEN)에 응답하여 터치 센서들(C1~C4)을 구동하되, 입력 영상을 표시하는 1 디스플레이 프레임 기간 내에 터치 센서들(C1~C4)을 구동하기 위한 터치 프레임을 적어도 2개 이상 할당함으로써 디스플레이 프레임 레이트(Frame rate) 보다 터치 리포터 레이트(Touch report rate)를 높일 수 있다.
예를 들어, 1 프레임 기간 내에서 디스플레이 구간(Td1, Td2)과 터치 구간 (Tt1, Tt2)이 각각 도 15와 같이 다수의 구간들로 분할되면, 터치 구동장치(18)는 매 터치 구간(Tt1, Tt2) 마다 터치 입력을 센싱하고, 각 터치 프레임이 완성되는 시점에 터치 입력의 좌표 정보를 호스트 시스템으로 전송한다. 이에 따라, 본 발명은 디스플레이 프레임 레이트(Display Frame rate) 보다 터치 리포터 레이트(Touch report rate)를 더 높일 수 있다. 디스플레이 프레임 레이트는 1 프레임 이미지가 픽셀 어레이에 기입되는 프레임 주파수이다. 터치 리포터 레이트는 터치 입력의 좌표 정보가 발생되는 속도이다. 터치 리포터 레이트가 높을 수록 터치 입력의 좌표 인식 속도가 빨라지므로 터치 감도가 좋아진다.
표시장치(10)에 포함된 디스플레이 모듈은 표시패널(DIS), 디스플레이 구동회로(12,14,16), 호스트 시스템(19)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 픽셀전극, 픽셀전극에 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), 게이트 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. 게이트 구동회로(14)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(DIS)의 픽셀라인을 선택한다. 게이트 구동 회로(14)는 픽셀들과 함께 표시패널(DIS)의 기판 상에 함께 배치될 수 있다.
타이밍 콘트롤러(16)는 호스트 시스템(19)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동회로(12)와 게이트 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(19)은 디지털 비디오 데이터(RGB)와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(16)로 전송하며, 터치 구동장치(18)로부터 입력되는 터치 좌표 정보(XY)와 연계된 응용 프로그램을 실행할 수 있다.
한편, 도 15의 터치 인에이블신호(TEN)는 호스트 시스템(19)에서 생성될 수도 있다. 디스플레이 구간(Td1, Td2) 동안, 데이터 구동회로(12)는 타이밍 콘트롤러(16)의 제어 하에 데이터전압을 데이터라인들(D1~Dm)에 공급하고, 게이트 구동회로(14)는 타이밍 콘트롤러(16)의 제어 하에 데이터전압에 동기되는 게이트 펄스를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급한다. 한편, 디스플레이 구간(Td1, Td2) 동안, 터치 구동장치(18)는 동작을 중지한다.
터치 구간 (Tt1, Tt2) 동안, 터치 구동장치(18)는 터치 스크린(TSP)의 터치 센서들에 터치 스크린 구동신호(Ts)를 인가한다. 한편, 터치 구간 (Tt1, Tt2) 동안, 디스플레이 구동회로(12,14,16)는 픽셀들에 연결된 신호 라인들(D1~Dm,G1~Gn)과 터치 센서들 사이의 기생 용량을 최소화하기 위하여 터치 스크린 구동신호(Ts)와 같은 진폭 및 같은 위상의 교류 신호를 신호라인들(D1~Dm,G1~Gn)에 공급할 수 있다. 이 경우 터치 센싱신호에 혼입되는 디스플레이 노이즈는 획기적으로 줄어들고 터치 센싱의 정확성이 증가된다.
[ 스타일러스 펜]
도 16은 본 발명에 따른 능동형 스타일러스 펜(20)의 구성을 개략적으로 보여준다.
도 16을 참조하면, 능동형 스타일러스 펜(20)은 펜 구동회로(200), 전도성 팁(210), 하우징(280), 전도체층(290), 및 스위치(300)를 포함한다. 펜 구동회로(200)는 입출력부(220), 수신부(230), 송신부(240), 신호처리부(250), 전원 공급부(260), 및 입출력 인터페이스(270) 등을 포함한다.
전도성 팁(210)은 금속 등과 같은 도전성 재료로 이루어지며, 하우징(280)의 일측 외부로 돌출되어 입출력 전극의 역할을 한다. 전도성 팁(210)이 입출력 전극 역할을 겸하기 때문에 능동형 스타일러스 펜(20)의 구조가 간소해지는 장점이 있다. 전도성 팁(210)이 표시 장치(10)의 터치 스크린(TSP)에 접촉될 때, 그 접촉 지점에서 전도성 팁(210)은 터치 스크린(TSP)과 커플링된다. 전도성 팁(210)은 접촉 지점에서 터치 스크린(TSP)으로부터 터치 스크린 구동신호를 입력 받고, 능동형 스타일러스 펜(20)의 내부에서 생성된 펜 구동신호를 터치 스크린(TSP)의 상기 접촉 지점에 출력한다.
입출력부(220)는 전도성 팁(210)이 표시 장치(10)의 터치 스크린(TSP)에 접촉될 때, 1터치 구간 내의 수신 구간(도 20 참조) 동안 전도성 팁(210)과 수신부(230)를 전기적으로 연결하고, 1터치 구간 내의 송신 구간(도 20 참조) 동안 전도성 팁(210)과 송신부(240)를 전기적으로 연결함으로써, 터치 스크린 구동신호의 수신 타이밍과 펜 구동신호의 송신 타이밍을 시간적으로 분리한다.
수신부(230)는 적어도 하나 이상의 증폭기와 비교기를 포함하여, 1터치 구간 내의 수신 구간(도 20 참조) 동안 입출력부(220)를 통해 입력되는 터치 스크린 구동신호를 디지털 처리한다.
신호처리부(250)는 디지털 처리된 터치 스크린 구동신호에 포함된 업 링크 신호의 패턴(즉 펄스 듀티, 펄스 개수 등)을 분석하여 터치 스크린 구동신호의 유효성을 검사한다. 정상적인 업 링크 신호가 감지되면, 신호처리부(250)는 터치 스크린 구동신호가 유효하다고 판단하고, 터치 스크린 구동신호에 포함된 터치 센서 구동신호에 동기되도록 펜 구동신호(PS)를 생성한다. 신호처리부(250)는, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호(PS)를 생성하기 위해 내장된 디폴트 파라미터 세트의 신호 생성 조건(주기, 듀티, 개수 등)을 참조할 수 있다. 신호처리부(250)는 디지털 레벨의 펜 구동신호를 송신부(240)에 출력한다.
송신부(240)는 레벨 쉬프터를 포함하여 펜 구동신호를 디지털 레벨에서 아날로그 레벨로 변환한다. 그리고, 송신부(240)는 레벨 쉬프팅 된 펜 구동신호를 1터치 구간 내의 송신 구간(도 20 참조) 동안 입출력부(220)를 통해 전도성 팁(210)에 출력한다.
전원부(260)는 펜 구동회로(200)에 동작에 필요한 전원을 생성한다. 입출력 인터페이스(270)는 사용자의 버튼 누름 동작에 따라 전원 공급부(260)에 연결되어, 수신부(230), 송신부(240) 및 신호처리부(250)에 필요한 전원을 공급할 수 있다.
하우징(280)은 그라운드(GND)에 연결되며 펜 구동회로(200)를 케이싱한다.
전도체층(290)은 하우징(280)의 외면을 둘러싸며, 전도체층(290)과 하우징(290) 사이에는 절연체가 위치한다. 전도체층(290)은 스위치(300)를 통해 펜 구동회로(200)에 연결된다. 전도체층(290)은 전도성 팁(210)과 함께 터치 스크린으로부터 터치 스크린 구동신호를 입력 받기 위한 수신 경로로 이용된다. 전도체층(290)은 터치 스크린에 손바닥이 접촉되는 경우에도 터치 스크린 구동신호 대한 수신 경로를 확보하여 펜 구동회로에서 업 링크 신호를 양호하게 전달할 수 있다.
[외부 노이즈 차단 및 업 링크 신호에 대한 감지 성능 향상 방안]
도 17은 외부 노이즈에 둔감하고 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 향상시키기 위한 능동형 스타일러스 펜의 주요 구성을 보여준다. 그리고, 도 18은 능동형 스타일러스 펜에 구비된 전도체층에 의해 외부 노이즈가 상쇄되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 능동형 스타일러스 펜(20)은 외부 노이즈에 둔감하고 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 향상시키기 위해, 절연체를 사이에 두고 하우징(280)의 외면을 둘러싸는 전도체층(290), 및 전도체층(290)과 펜 구동회로(200)를 연결하는 스위치(300)를 더 포함한다. 전도성 팁(210)은 펜 커패시터(Cp)를 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링되고, 전도체층(290)은 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링된다. 펜 구동회로(200)는 하우징(280)에 의해 케이싱되며, 터치 스크린(TSP)으로부터 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성하여 전도성 팁(210)을 통해 터치 스크린(TSP)에 출력한다. 펜 구동회로(200)는 전도성 팁(210)뿐만 아니라 전도체층(290)으로부터 업 링크 신호를 더 입력 받기 때문에, 터치 스크린(TSP)의 부하 증가(손바닥 접촉)로 인해 업 링크 신호의 크기가 감쇄되더라도 종래 기술보다 용이하게 업 링크 신호를 수신할 수 있다.
또한, 도 17과 같이 하우징(280)의 외면에는 '절연체- 전도체층(290)-절연체' 순서로 전도체층(290)이 추가될 수 있다. 이 경우, 하우징(280)과 전도체층(290) 사이에는 케이스 커패시터(Cc)가 형성되고, 전도체층(290)과 터치 스크린(TSP) 사이에는 휴먼 커패시터(Ch)가 형성된다. 종래 기술에서는 도 4에서와 같이 터치 스크린에 손바닥을 접촉하면 하우징과 터치 스크린 사이에 형성된 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 터치 스크린의 업 링크 신호가 펜 그라운드(GND) 역할을 하는 하우징에 직접 전달되고, 그에 따라 종래 능동형 스타일러스 펜은 하우징을 통해 수신되는 업 링크 신호의 간섭으로 인해 전도성 팁을 통해 수신되는 업 링크 신호를 인식할 수 없었다. 하지만, 본 발명과 같이 하우징(280)과 터치 스크린(TSP) 사이에 휴먼 커패시터(Ch) 이외에 케이스 커패시터(Cc)를 더 추가하면, 터치 스크린(TSP)에 손바닥 접촉시 하우징(280)에 직접 전달되는 업 링크 신호의 양이 'Cc/(Cc+Ch)'만큼 감소한다. 이렇게 손바닥 접촉이 펜 그라운드(GND)에 미치는 영향이 감소하므로 업 링크 신호에 대한 펜 구동회로(200)의 인식 성능이 향상된다.
도 17과 같이 하우징(280)의 외면에 전도체층(290)이 추가되면 외부 노이즈 영향을 줄이는 데 효과적이다. 이를 도 18을 결부하여 설명하면, 펜 구동회로(200)의 수신부(230)는 전도성 팁(210)과 전도체층(290)에 연결된 (+) 입력단과, 그라운드(GND)에 연결된 (-) 입력단을 갖는 증폭기를 포함할 수 있다. 도 9의 종래 능동형 스타일러스 펜은 외부 노이즈가 하우징을 거쳐 그대로 증폭기의 (-) 입력단에 입력되는 구조를 취하므로 외부 노이즈에 따른 영향이 클 수밖에 없다. 반면에, 본 발명과 같이 전도체층(290)이 추가된 능동형 스타일러스 펜(20)의 경우, 외부 노이즈는 휴먼 커패시터(Ch)와 전도체층(290)을 거쳐 증폭기의 (+) 입력단에 입력됨과 동시에 휴먼 커패시터(Ch)와 케이스 커패시터(Cc)를 거쳐 증폭기의 (-) 입력단에 입력된다. 따라서, 외부 노이즈는 (+) 입력단과 (-) 입력단에서 서로 상쇄되어 능동형 스타일러스 펜에 영향을 미치는 값이 종래 대비 크게 줄어든다.
도 19a 및 도 19b는 1 터치 구간 내의 수신 구간에서 손바닥 접촉이 있는 경우와 없는 경우에 있어 업 링크 신호의 수신 경로를 보여준다. 도 19c는 1 터치 구간 내의 송신 구간에서 펜 구동신호의 송신 경로를 보여준다. 그리고, 도 20은 1 터치 구간 내의 수신 구간 및 송신 구간 각각에서 스위치의 온/오프 상태를 보여준다.
도 19a, 도 19b 및 도 20을 참조하면, 1 프레임 중에서 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당될 때, 스위치(300)는 터치 구간 내에서 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭되어 전도체층(290)과 펜 구동회로(200)를 연결한다. 이 경우, 전도성 팁(210)은 펜 커패시터(Cp)를 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링될 수 있고, 또한 전도체층(290)은 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링될 수 있다.
도 19a와 같이 수신 구간에서 터치 스크린(TSP)에 손바닥 접촉없이 펜 접촉 만이 있는 경우, 펜 구동회로(200)는 펜 커패시터(Cp)만을 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링될 수 있다. 이 경우, 펜 구동회로(200)는 터치 스크린(TSP)으로부터 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성할 수 있다.
도 19b와 같이 수신 구간에서 터치 스크린(TSP)에 손바닥 접촉과 함께 펜 접촉이 있는 경우, 펜 구동회로(200)는 펜 커패시터(Cp)와 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 터치 스크린(TSP)에 커플링될 수 있다. 이 경우, 휴먼 커패시터(Ch)는 펜 커패시터(Cp)에 비해 훨씬 크다. 따라서, 펜 구동회로(200)는 주로 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 터치 스크린(TSP)으로부터 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성할 수 있다. 도 5에서 설명한 바와 같이, 터치 스크린(TSP)에 손바닥이 접촉되는 경우 펜 커패시터(Cp)를 통해 입력되는 업 링크 신호의 크기는 감소하여 펜 구동회로(200)에서 이를 인식하기 어려워진다. 대신에, 이 경우 휴먼 커패시터(Ch)와 스위치(300)를 통해 입력되는 업 링크 신호의 크기는 증가하기 때문에 펜 구동회로(200)는 이 업 링크 신호를 인식할 수 있다. 따라서, 손바닥이 터치 스크린(TSP)에 접촉되는 조건에서도 본 발명의 능동형 스타일러스 펜(20)은 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 용이하게 수신할 수 있고, 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성할 수 있다.
도 19c 및 도 20을 참조하면, 1 프레임 중에서 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당될 때, 스위치(300)는 터치 구간 내에서 펜 구동신호의 출력을 위한 송신 구간 동안 오프 스위칭되어 전도체층(290)과 펜 구동회로(200) 간의 전기적 연결을 해제함으로써, 펜 구동신호(다운 링크 신호)가 전도체층(290)으로 분산되지 않도록 한다. 이러한 스위치(300)의 오프 스위칭 작용으로 인해, 터치 스크린(TSP)에 출력되는 펜 구동신호의 감도는 향상될 수 있다.
한편, 도 7에서 설명했듯이, 터치 스크린(TSP)이 터치 센싱 시스템의 어쓰 그라운드(Earth GND)에 연결되어 있지 않은 플로팅 상태인 경우(즉, 휴대용 배터리로 구동되는 경우), 터치 스크린(TSP)에 손바닥을 접촉하면 터치 스크린(TSP)에서 검출되는 업 링크 신호는 감소하고, 터치 센싱 시스템의 그라운드 파형(즉, 터치 센싱 시스템의 외부 케이스에서 검출되는 업 링크 신호)은 업 링크 신호에 대하여 역위상으로 증가할 수 있다. 만약, 손바닥이 터치 센싱 시스템의 외부 케이스에도 접촉되는 경우에는 휴먼 커패시터(Ch)와 케이스 커패시터(Cc)를 통해 역위상의 업 링크 신호가 펜(20)의 하우징(280)으로 전달된다. 펜(20)의 하우징(280)에 전달된 역위상의 업 링크 신호는, 업 링크 신호에 대한 펜(20)의 감지 성능을 떨어뜨린다. 본 발명은 이러한 해결 방안을 아래와 같이 제안한다.
도 21 및 도 22는 능동형 스타일러스 펜에 역위상 업 링크 신호가 수신될 때 펜에서 업 링크 신호를 용이하게 인식하기 위한 일 구동 방안들을 보여준다.
도 21을 참조하면, 1 프레임 중에서 상기 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간(Tt1~Tt6)이 할당되고, 터치 구간(Tt1~Tt6)에서 업 링크 신호가 터치 스크린(TSP)에 계속적으로 정위상으로 인가되는 경우, 본 발명의 능동형 스타일러스 펜(20)은 스위치(300)의 스위칭 동작을 제어함으로써 역위상 업 링크 신호의 수신을 차단할 수 있다. 이를 위해, 스위치(300)는, 터치 구간 (Tt1~Tt6)내에서 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭되되, 수신 구간 내에서 업 링크 신호가 펜 구동회로(200)에 정위상으로 입력되는 경우에는 계속해서 온 스위칭 상태를 유지하는 반면에, 수신 구간 내에서 업 링크 신호가 펜 구동회로(200)에 역위상으로 입력되는 경우에 오프 스위칭될 수 있다. 도 21에 도시되어 있듯이, 손바닥이 터치 스크린(TSP)에만 접촉된 경우에는 정위상의 업 링크 신호가 펜(20)에 수신되기 때문에 스위치(300)는 계속해서 온 스위칭 될 수 있다. 이에 반해, 손바닥이 터치 스크린(TSP)뿐만 아니라 터치 센싱 시스템의 외부 케이스(그라운드에 연결됨)에 더 접촉되는 경우에는 역위상의 업 링크 신호가 전도체층(290)에 인가될 수 있다. 이 경우 스위치(300)를 오프시키면 전도체층(290)에서 펜 구동회로(200)에 입력되는 역위상의 업 링크 신호는 차단되고, 펜 구동회로(200)는 전도성 팁(210)을 통해 입력되는 정위상의 업 링크 신호만을 수신하여 동기화 구동할 수 있다. 여기서, 동작의 안정을 높이기 위해 스위치(300)의 온/오프 주기는 터치 스크린(TSP)에서 업 링크 신호의 구동 주기보다 길게 함이 바람직하다.
도 22를 참조하면, 본 발명은 펜(20)의 스위치(300)는 수신 구간 동안 항상 온 스위칭 상태로 유지시키고, 업 링크 신호를 정위상 및 역위상으로 번갈아 터치 스크린(TSP)에 인가할 수 있다. 다시 말해, 1 프레임 중에서 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간(Tt1~Tt6)이 할당되는 경우, 본 발명은 터치 구간(Tt1~Tt6)에서 업 링크 신호를 터치 스크린(TSP)에 정위상 및 역위상으로 번갈아 인가하고, 펜(20)의 스위치(300)를 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 계속해서 온 스위칭 상태로 유지시킬 수 있다. 손바닥이 터치 스크린(TSP)에만 닿는 경우에는 터치 스크린(TSP)의 업 링크 신호는 동일 위상으로 펜(20)에 수신된다. 즉, 터치 스크린(TSP)의 정위상 업 링크 신호는 정위상으로 펜(20)에 수신되고, 터치 스크린(TSP)의 역위상 업 링크 신호는 역위상으로 펜(20)에 수신된다. 반면에, 손바닥이 터치 스크린(TSP)뿐만 아니라 터치 센싱 시스템의 외부 케이스(시스템 그라운드)에 더 접촉되는 경우에는 터치 스크린(TSP)의 업 링크 신호는 반대 위상으로 펜(20)에 수신된다. 즉, 터치 스크린(TSP)의 정위상 업 링크 신호는 역위상으로 펜(20)에 수신되고, 터치 스크린(TSP)의 역위상 업 링크 신호는 정위상으로 펜(20)에 수신된다.
이때, 펜(20)의 스위치(300)는 수신 구간 동안 계속해서 온 스위칭 상태로 유지되므로, 손바닥과 시스템 그라운드 간의 접촉 여부에 관계없이 펜 구동회로(200)는 전도성 팁(210) 또는 전도체층(290)을 통해 입력되는 정위상의 업 링크 신호만을 수신하여 동기화 구동하는 것이 가능해진다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 능동형 스타일러스 펜의 하우징 외면에 전도체층을 추가하고, 전도체층과 펜 구동회로 간의 전기적 연결을 스위치를 통해 온/오프 시킴으로써, 외부 노이즈에 둔감하고 터치 스크린과 손바닥 간의 접촉 유무에 상관없이 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명은 능동형 스타일러스 펜에 역위상 업 링크 신호가 입력되는 경우에는 스위치를 오프시키고 정위상 업 링크 신호가 입력되는 경우에만 스위치를 온시킴으로써, 손바닥과 시스템 그라운드 간의 접촉 여부에 관계없이 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 정위상 업 링크 신호와 역위상 업 링크 신호를 터치 스크린에 교번하여 인가하고, 정위상의 업 링크 신호만을 수신하여 동기화 구동하는 것이 가능하므로, 손바닥과 시스템 그라운드 간의 접촉 여부에 관계없이 터치 스크린으로부터 입력되는 업 링크 신호에 대한 감지 성능을 더욱 향상시킬 수 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.
10: 표시장치 18: 터치 구동장치
20: 스타일러스 펜 200: 펜 구동회로
210: 전도성 팁 280: 하우징
290: 전도체층 300: 스위치

Claims (12)

  1. 능동형 스타일러스 펜으로,
    그라운드(GND)에 연결되고 외면을 갖는 하우징(280);
    상기 하우징(280)의 일측 외부로 돌출되어 터치 스크린(TSP)에 접촉되는 전도성 팁(210);
    상기 하우징(280)의 상기 외면을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제1 절연체;
    상기 제1 절연체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 전도체층(290);
    상기 전도체층(290)을 둘러싸고, 상기 능동형 스타일러스 펜의 외면을 제공하는 제2 절연체;
    상기 터치 스크린(TSP)으로부터 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 상기 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성하여 상기 전도성 팁(210)을 통해 상기 터치 스크린(TSP)에 출력하며, 상기 하우징(280)에 의해 케이싱되는 펜 구동회로(200); 및
    상기 전도체층(290)과 상기 펜 구동회로(200)를 선택적으로 연결하는 스위치(300)를 포함하는 능동형 스타일러스 펜.
  2. 제 1 항에 있어서,
    1 프레임 중에서 상기 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당되고,
    상기 스위치(300)는,
    상기 터치 구간 내에서 상기 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭되어 상기 전도체층(290)과 상기 펜 구동회로(200)를 연결하고,
    상기 터치 구간 내에서 상기 펜 구동신호의 출력을 위한 송신 구간 동안 오프 스위칭되어 상기 전도체층(290)과 상기 펜 구동회로(200) 간의 전기적 연결을 해제하는 능동형 스타일러스 펜.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전도성 팁(210)은 펜 커패시터(Cp)를 통해 상기 터치 스크린(TSP)에 커플링되고, 상기 전도체층(290)은 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 상기 터치 스크린(TSP)에 커플링되는 능동형 스타일러스 펜.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수신 구간 동안, 상기 펜 구동회로(200)는 상기 전도성 팁(210)과 상기 전도체층(290) 중 적어도 어느 하나를 통해 상기 업 링크 신호를 입력 받는 능동형 스타일러스 펜.
  5. 제 1 항에 있어서,
    1 프레임 중에서 상기 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당되고, 상기 터치 구간에서 상기 업 링크 신호가 상기 터치 스크린(TSP)에 계속적으로 정위상으로 인가되는 경우,
    상기 스위치(300)는, 상기 터치 구간 내에서 상기 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭되되, 상기 수신 구간 내에서 상기 업 링크 신호가 상기 펜 구동회로(200)에 역위상으로 입력되는 경우에 오프 스위칭되는 능동형 스타일러스 펜.
  6. 제 1 항에 있어서,
    1 프레임 중에서 상기 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당되고, 상기 터치 구간에서 상기 업 링크 신호가 상기 터치 스크린(TSP)에 정위상 및 역위상으로 번갈아 인가되는 경우,
    상기 스위치(300)는, 상기 터치 구간 내에서 상기 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭 상태를 유지하는 능동형 스타일러스 펜.
  7. 터치 스크린(TSP)과,
    상기 터치 스크린(TSP)에 업 링크 신호와 터치 센서 구동신호를 인가하는 터치 구동장치(18)과,
    상기 터치 센서 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성하여 상기 터치 스크린(TSP)에 출력하는 능동형 스타일러스 펜(20)을 구비하고,
    상기 능동형 스타일러스 펜(20)은,
    그라운드(GND)에 연결된 하우징(280);
    상기 하우징(280)의 일측 외부로 돌출되어 터치 스크린(TSP)에 접촉되는 전도성 팁(210);
    제1 절연체를 사이에 두고 상기 하우징(280)의 외면을 둘러싸는 전도체층(290);
    상기 터치 스크린(TSP)으로부터 상기 업 링크 신호와 상기 터치 센서 구동신호를 입력 받고, 상기 펜 구동신호를 상기 전도성 팁(210)을 통해 상기 터치 스크린(TSP)에 출력하며, 상기 하우징(280)에 의해 케이싱되는 펜 구동회로(200); 및
    터치 구간의 수신 구간 동안 상기 전도체층(290)과 상기 펜 구동회로(200)를 전기적으로 연결하고, 상기 터치 구간의 송신 구간 동안 상기 펜 구동회로(200)로부터 상기 전도체층(290)을 전기적으로 분리하는 스위치(300)를 포함하는 터치 센싱 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    1 프레임 중에서 상기 터치 스크린(TSP)의 구동을 위해 적어도 하나 이상의 터치 구간이 할당되고,
    상기 스위치(300)는,
    상기 터치 구간 내에서 상기 업 링크 신호의 입력을 위한 수신 구간 동안 온 스위칭되어 상기 전도체층(290)과 상기 펜 구동회로(200)를 연결하고,
    상기 터치 구간 내에서 상기 펜 구동신호의 출력을 위한 송신 구간 동안 오프 스위칭되어 상기 전도체층(290)과 상기 펜 구동회로(200) 간의 전기적 연결을 해제하는 터치 센싱 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전도성 팁(210)은 펜 커패시터(Cp)를 통해 상기 터치 스크린(TSP)에 커플링되고, 상기 전도체층(290)은 휴먼 커패시터(Ch)를 통해 상기 터치 스크린(TSP)에 커플링되는 터치 센싱 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 수신 구간 동안, 상기 펜 구동회로(200)는 상기 전도성 팁(210)과 상기 전도체층(290) 중 적어도 어느 하나를 통해 상기 업 링크 신호를 입력 받는 터치 센싱 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 업 링크 신호는 상기 터치 스크린(TSP)에 계속적으로 정위상으로 인가되고,
    상기 스위치(300)는, 상기 수신 구간 내에서 상기 업 링크 신호가 상기 펜 구동회로(200)에 역위상으로 입력되는 것에 응답하여 오프 스위칭되는 터치 센싱 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 업 링크 신호는 상기 터치 스크린(TSP)에 정위상 및 역위상으로 번갈아 인가되고,
    상기 스위치(300)는, 상기 터치 구간 내에서 상기 업 링크 신호의 입력을 위한 상기 수신 구간 동안 온 스위칭 상태를 유지하는 터치 센싱 시스템.
KR1020160039022A 2016-01-28 2016-03-31 능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템 KR102456350B1 (ko)

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