KR20110069632A - 터치패널의 터치셀 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래 용량식 터치 입력장치의 문제점을 개선한 발명으로서, 터치셀이 새로운 P2G(Pad to Gate) 방식으로 구성된 터치패널의 터치셀 구조에 관한 것이며, 본 발명의 터치셀 구조는 신체의 손가락(25) 또는 이와 유사한 전기적 특성을 갖는 터치수단이 소정 거리(d)로 접근할 때, 터치수단과의 사이에서 정전용량을 형성하는 도전패드(50); 및 상기 도전패드(50)에 게이트단자가 접속되며, 터치수단과 도전패드(50) 사이의 정전용량에 의해 게이트단자의 전위가 변화될 때 그에 대응하여 출력신호가 변화되는 3단자형의 스위칭소자(40);를 포함하여 구성되며, 도전패드(50)에서 형성된 정전용량에 의해 스위칭소자(40)의 게이트단자 전위가 결정되므로, 터치입력 여부에 따라 스위칭소자(40)의 출력신호 차이가 커지므로 검출 감도 및 정확도가 매우 높고, 하이/로우 레벨의 디지털 방식으로 터치입력을 검출할 수 있으며, ADC의 사용이 불필요하므로 구조가 간소화되고 제조코스트가 저렴하며, 멀티 터치입력을 인식 가능한 효과를 갖는 것이다.
P2G, 터치 입력장치, 터치패널, 터치셀, 도전패드, 게이트, 스위칭소자

Description

터치패널의 터치셀 구조{Touch cell structure of touch panel}
본 발명은 터치패널의 터치셀 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특화된 셀 구성을 갖는 터치셀 구조로서 터치입력에 대한 검출 감도 및 정확도가 매우 높고, 디지털 방식으로 터치입력을 검출할 수 있고, 멀티 터치입력을 인식 가능한 새로운 Pad to Gate 방식의 터치셀 구조에 관한 것이다.
터치 입력장치는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 등과 같은 표시장치 위에 부가되거나 표시장치 내에 내장 설계되는 입력장치로서, 손가락이나 터치펜 등의 물체가 스크린에 접촉될 때 이를 입력신호로 인식하는 장치이다. 터치 입력장치는 근래 휴대폰(mobile phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 모바일 기기에 많이 장착되고 있으며, 그밖에도 네비게이션, 넷북, 노트북, DID(Digital Information Device), 터치입력 지원 운영체제를 사용하는 테스크탑 컴퓨터, IPTV(Internet Protocol TV), 최첨단 전투기, 탱크, 장갑차 등 전 산업분야에 걸쳐 이용되고 있다.
종래 터치 입력장치는 다양한 유형이 개시되어 있으나, 제조공정이 간단하고 제조코스트가 저렴한 저항방식의 터치 입력장치가 가장 널리 이용되고 있다. 그러나 저항방식의 터치패널은 투과율이 낮고, 기판에 대해 압력을 가해야 하므로 사용시간이 경과함에 따라 내구성의 저하가 불가피하고, 정확한 터치 지점의 인식이 어렵고, 온도 등과 같은 주변환경 및 노이즈에 의한 검출오류가 자주 발생하는 문제점이 있다.
저항식 터치입력장치의 대안으로 개발된 용량식(또는 '정전용량식') 터치입력장치는 비접촉 방식으로 터치입력을 검출하며, 저항식 터치입력장치의 제반 문제점에 대한 해결책을 갖고 있다.
도 1은 종래 정전용량식 터치패널의 구조를 보여준다. 도 1을 참조하면, 종래 용량식 터치패널은 필름, 플라스틱 또는 유리 등으로 제조된 투명기판(10)의 상하면에 투명도전막이 형성되며, 투명기판(10)의 네 모서리 각각에 전압인가용 금속전극(12)이 형성되어 있다. 상기 투명도전막은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ATO(Antimony Tin Oxide) 등의 투명한 금속으로 형성된다. 그리고 상기 투명도전막의 네 모서리에 형성되는 금속전극(12)들은 은(Ag) 등의 저항률이 낮은 도전성 금속으로 프린팅하여 형성된다. 상기 금속전극(12)들의 주변에는 저항 네트워크가 형성된다. 상기 저항 네트워크는 상기 투명도전막의 표면 전체에 균등하게 컨트롤신호를 송출하기 위하여 선형성 패턴(Linearization Pattern)으로 형성된다. 그리고 금속전극(12)을 포함한 투명도전막의 상부에는 보호막이 코팅된다.
위와 같은 정전용량 방식의 터치패널은 다음과 같이 동작한다. 상기 금속전극(12)에 고주파의 교류 전압을 인가하면 이는 투명기판(10)의 전면에 퍼지게 된다. 이때 손가락(16, 또는 도전성 물질의 터치수단)으로 투명기판(10) 상면의 투명도전막을 가볍게 터치하면, 일정량의 전류가 체내로 흡수되며 컨트롤러(14)에 내장된 전류센서에서 전류의 변화를 감지하고 4개의 금속전극(12) 각각에서의 전류량을 연산하여 터치 지점을 인식하게 된다.
이러한 정전용량 방식의 터치패널은 소프트터치 방식이므로 수명이 길며, 1장의 투명기판(10)만 사용하므로 광 투과율이 높으며, 접촉표면에 특수금속 코팅처리를 하므로 견고하다는 장점을 가지고 있다. 특히 패널 에지부분에서 터치입력 검출이 불가능한 비동작영역(non active area)의 폭이 좁으므로 표시장치와 결합시에 기구를 슬림하게 만들 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 위와 같은 정전용량 방식의 터치패널은 미소 전류의 크기를 검출하는 방식으로서, 고가의 검출장치를 필요로 하며 나아가서 검출된 전류를 디지털로 변환하기 위한 ADC를 필요로 하므로 가격 상승이 불가피하다. 또한, 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 과정의 소요시간으로 인해 반응시간이 길어지는 문제점이 있다. 무엇보다, 터치입력이 발생했을 때의 검출전류와 터치입력 전의 평상시 전류의 크기 차이가 매우 적어, 검출 감도가 나쁘고 노이즈에 민감한 문제점을 안고 있다. 예컨대, 터치입력 미발생시 금속전극(12) 하나에서 유출되는 전류의 크기가 1uA라고 하고, 터치입력이 발생했을 때 동일한 금속전극(12)에서 유출되는 전류의 크기 가 2uA라고 한다면, 이와 같은 미소전류의 차이를 회로적인 수단으로 검출하는 것은 정밀도의 저하, 노이즈에 의한 신호 인식 오류 등을 야기할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 용량식 터치 입력장치에서 터치입력에 의한 신호 변동이 미미하고, 이를 검출하기 위해 복잡한 구성을 요하는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 터치 입력장치를 구성하는 단위 터치셀이 특화된 회로 구성을 가짐에 따라 터치입력 여부에 따른 검출신호의 차이를 크게 하고, 그에 따라 터치입력에 대한 검출 감도 및 정확도를 높이고, 디지털 방식으로 터치입력을 검출하여 ADC 등과 같은 고가의 구성품을 사용하지 않으며, 반응시간을 크게 줄이고 노이즈에 의한 오인식을 제거하며, 멀티 터치입력을 인식할 수 있는 새로운 방식의 터치셀 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터치셀 구조는, 터치패널의 단위 터치셀(60)을 구성하는 터치셀 구조에 있어서, 신체의 손가락(25) 또는 이와 유사한 전기적 특성을 갖는 터치수단이 소정 거리(d)로 접근할 때, 터치수단과의 사이에서 정전용량을 형성하는 도전패드(50); 및 상기 도전패드(50)에 게이트단자가 접속되며, 터치수단과 도전패드(50) 사이의 정전용량에 의해 게이트단자의 전위가 변화될 때 그에 대응하여 출력신호가 변화되는 3단자형의 스위칭소자(40);를 포함하여 구성된다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 스위칭소자(40)는 상기 도전패드(50)에 출력단자가 접속되며, 게이트단자에 인가되는 제어신호에 따라 턴 온/오프되어 도전패드(50)에 충전신호를 스위칭 공급하는 3단자형의 제1스위칭소자(42); 및 상기 도전패드(50)에 게이트단자가 접속되며, 게이트단자의 전위가 변화될 때 그에 대응하여 출력신호가 변화되는 제2스위칭소자(44);를 포함한다.
일실시예로서, 상기 도전패드(50)와 접지 사이에는 커패시터(54)가 더 설치된다.
일실시예로서, 상기 스위칭소자(40)는 릴레이(Relay), MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치, BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나이다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 스위칭소자(40)는 TFT(Thin Film Transistor)이다.
본 발명에 따른 터치셀 구조는 신체의 손가락이나 이와 유사한 도전특성을 갖는 터치수단과의 사이에서 정전용량을 형성하는 도전패드와, 이 도전패드에 게이트단자가 접속되는 3단자형의 스위칭소자로 구성됨으로써, 즉, 도전패드와 게이트단자가 접속되는 P2G(Pad to Gate) 방식으로 구성됨으로써, 터치수단과 도전패드 사이에서 형성된 정전용량(Ct)이 스위칭소자의 게이트단자 전위를 결정하게 되고, 터치입력 여부에 따라 스위칭소자의 출력신호가 수십 배 내지 수만 배 가량 차이나도록 할 수 있으며, 이로써 터치입력에 대한 검출 감도 및 검출 정확도가 매우 높고, 출력신호의 하이/로우 레벨로 터치입력을 검출할 수 있어 종래 ADC를 사용하던 터치패널 구조와 달리 디지털 방식으로 터치입력을 검출할 수 있고, 신호에 대한 반응속도가 매우 빠르며 노이즈에 의한 영향이 거의 없어 오작동이나 신호의 오인식이 발생하지 않고, 각각의 터치셀들이 능동적으로 동작하는 액티브 매트릭스(AM;Active Matrix) 방식으로서 각 터치셀들의 독립적인 동작이 가능하며 복수의 지점이 동시에 터치되는 멀티 터치입력을 인식 가능하고, 특화된 셀 구조를 가짐에 따라 셀 간격을 미소화 할 수 있어 다양한 어플리케이션에 대한 터치입력 지원이 가능할 뿐만 아니라 터치입력을 이용하는 어플리케이션의 개발을 촉진할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
우선, 본 발명은 LCD, PDP, OLED, AMOLED 등의 표시장치 상면에 부가하여 설치되거나 표시장치에 내장 설계되는 터치패널의 터치셀 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 터치셀 구조는, 터치패널 상에서 실제 터치입력이 가능한 액티브영역(Active area)을 분할하여 복수개의 터치셀들을 매트릭스 형태로 배열한 셀 방식의 터치 입력장치에 있어서, 각각의 단위 터치셀이 갖는 구조이다.
각 단위 터치셀의 구조는 손가락이나 이와 유사한 도전특성을 갖는 터치수단과의 사이에서 정전용량을 형성하는 도전패드와, 이 도전패드에 게이트단자가 접속된 3단자형의 스위칭소자로 구성된다. 여기서, 본 발명에 따라 특화된 터치셀 구조는 도전패드의 정전용량에 의해 스위칭소자의 게이트단자 전위를 결정하므로 P2G(Pad to Gate) 방식이라 칭하거나, 손가락에 의해 생성된 커패시턴스가 게이트단자 전위를 변화시키므로 F2G(Finger to Gate) 방식이라 칭하기로 한다. 이와 같은 명명방식에 의해 본 발명에 따른 P2G 또는 F2G 방식의 터치셀 구조가 종래 정전용량식 터치패널과 차별된다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
스위칭소자는 턴 온/오프를 제어할 수 있는 게이트단자를 구비한 3단자형으로 구성된다. 3단자형 스위칭소자는 각 터치셀로부터 출력되는 신호를 감지하는 용도로 사용되며, 다른 실시예에서는 각 터치셀에 인가되는 충전신호를 스위칭하는 부가의 스위칭소자가 더 요구될 수 있다. 예컨대, 3단자형 스위칭소자는 제어단자에 인가되는 신호에 따라 입출력단자의 도통을 제어하는 소자로서, 릴레이(Relay), MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치, BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor)일 수 있다. 릴레이(Relay)는 제어단자에 전류를 인가하면 입력단자에 인가된 전압이나 전류가 손실 없이 출력되는 소자이며, BJT는 베이스(Base)의 문턱전압(Threshold voltage)보다 높은 전압을 베이스에 인가한 상태에서 베이스단자에 전류를 흘리면, 일정량 증폭된 전류가 콜렉터 (Collector)에서 에미터(Emitter)로 흐르는 소자이다. 또한 TFT는 LCD나 AMOLED등의 표시장치를 구성하는 화소부에 사용되는 스위칭소자로서 제어단자인 게이트(Gate)단자, 입력단자인 드레인(Drain)단자 및 출력단자인 소스(Source)단자로 구성되며, 게이트단자로 소스단자에 인가된 전압보다 문턱전압 이상되는 전압을 가하면, 도통되면서 게이트단자에 인가된 전압의 크기에 종속되는 전류가 입력단자에서 출력단자로 흐르는 소자이다.
이하에서는 스위칭소자로서 TFT가 사용되는 예를 설명하겠으며, 스위칭소자와 TFT에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하기로 한다. 이와 같이 TFT를 이용하여 각 터치셀에서의 신호를 스위칭하는 것은 흡사 LCD(또는 Active Matrix LCD)나 AMOLED에서 화면 표시를 위해 TFT를 이용하여 화소를 구성한 방식과 흡사하다. 즉, 본 발명에서 언급되는 터치셀(50)들은 Active Matrix 방식으로 터치입력을 검출한다. 그에 따르는 기술적 장점은 터치패널의 양산성, 신뢰성 등이 양호하다는 것과, 신호의 역류를 방지하여 터치입력을 오인식하는 것을 막고 동시에 다수의 지점이 터치되는 멀티 터치입력을 인식할 수 있다는 것이다.
이하의 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께나 영역을 확대하여 나타내었다. 그리고, 층, 영역, 기판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상면" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 2는 본 발명에 따른 터치패널의 구조를 보인 분해사시도이다. 도시된 바와 같이, 표시장치(20)의 상면에 단일 기판(30)의 터치패널이 설치된다. 기판(30)은 글래스 또는 필름 등 광투과성 재료로 구성된다. 도시된 바와 같이, 기판(30)의 에지부에는 후술되는 신호선들에 위치검출신호 및 게이트신호 등을 인가하는 드라이브IC(71)가 실장된다. 도시된 실시예에서는 드라이브IC(71)가 단일의 IC로 설치된 예를 보였으나, 드라이브IC(71)는 발신용과 수신용이 각각 별도로 구성될 수도 있으며, 게이트IC가 별도로 구성될 수도 있다.
드라이브IC(71)는 기판(30)의 에지부에 COF(Chip On Film) 또는 COG(Chip On Glass) 형태로 실장된다. 또한, 드라이브IC(71)는 기판(30)의 에지부에서의 배선영역을 줄이기 위하여 ASG(Amorphous Silicon Gate)로 구성될 수도 있다. ASG는 게이트IC 기능을 비정질 실리콘 유리기판 위에 구현하는 SOG(System On Glass) 기술로서, ASG에 의해 글래스 기판 상에서 직접 게이트IC 기능을 구현할 수 있으며 게이트IC의 설치영역이 최소화될 수 있다. 또한, 드라이브IC(71)는 FPC(Flexible Printed Circuit)를 이용하여 기판(30)의 외부에서 신호를 전달할 수도 있다.
한편, 본 발명의 터치셀 구조를 갖는 터치패널은 단일 기판(30)으로 구성되 므로 매우 슬림하게 제조될 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 터치패널이 표시장치(20)의 상부에 설치되는 것이 아니라, 표시장치(20)의 내부에 내장 설계될 수 있으며, 이와 같은 설계에도 불구하고 표시장치(20)의 경박단소화를 크게 저해하지 않는다. 이는 본 발명이 가지는 중요한 기술적 장점 중 하나이다. 예컨대, LCD의 경우에 있어서, TFT기판과 칼라필터기판이 접합된 액정패널 위에 본 발명의 단일 기판(30)으로 구성된 터치 패널과 편광판 등을 적층한 후, BLU의 하우징 내에 이들을 설치하는 것으로서, 터치 패널을 표시장치(20) 내에 내장시킬 수 있을 것이다. 다른 예로서, 상기 기판(30)은 칼라필터기판과 동일한 기판으로 설치될 수도 있다. 예를 들어, 칼라필터기판의 상면 또는 하면에 후술하는 터치셀들이 형성될 수 있을 것이다.
본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하기에 앞서, 도 3을 참조하여 본 발명에서 비접촉 터치입력을 검출하는 원리에 대하여 간략하게 설명한다. 도 3을 참조하면, 도전패드(50)에 손가락(25, 또는 이와 유사한 도전성의 터치수단)이 접근했을 때, 도전패드(50)와 손가락(25)이 "d"의 간격으로 이격되며, "A"라는 대향면적을 갖는다고 가정하자. 그러면, 도 3의 우측 등가회로 및 수식에서 보여지듯이 손가락(25)과 도전패드(50) 사이에는 정전용량 "C"가 형성된다. 정전용량 "C"를 갖는 도전패드(50)에 전압이나 전류의 신호를 공급하여 전하량 "Q"의 크기를 갖는 전하가 축적되면, V=Q/C라는 전압관계식이 형성된다. 이때 신체는 대지에 대하여 가상으로 접지된다.
만약 손가락(25)이 도전패드(50)와 d의 간격으로 대향된 상태에서 도전패 드(50)에 소정 신호를 인가한다면, 도전패드(50)와 손가락(25) 사이에 형성된 정전용량 C에는 전하가 충전된다. 이때, 도시한 바와 같이 도전패드(50)에는 스위칭소자(40, 바람직하게는 TFT)의 게이트단자가 접속되어 있으므로, 도전패드(50)에 전하가 충전되는 시간 및 정전용량 C에 축적된 신호가 방전되는 임의의 시간동안 TFT(40)가 턴 온 된다. 방전된 신호의 크기는 시간이 경과함에 따라 점차 작아지며, 어느 정도 방전이 이루어지면 TFT(40)는 턴 오프 된다.
본 발명은 이와 같이 터치수단과 도전패드(50) 사이의 정전용량에 의해 TFT(40)의 게이트단 전위가 변동되는 것을 이용하여 비접촉 터치입력을 검출한다. 이때, 후술하는 바와 같이 TFT(40)의 게이트단의 전위에 대한 출력신호는 로그함수의 그래프로 나타나므로, 터치입력 여부에 따라 TFT(40)의 출력이 수십 배 내지 수만 배의 출력 차이를 갖게 된다. 본 발명은 이와 같이 도전패드(50)의 전위가 TFT(40)의 게이트단 전위를 결정하는 P2G 방식으로서, 종래 알려진 정전용량 방식의 터치 입력장치 및 터치셀 구조와 명백하게 차별된다.
도 4는 본 발명에 따른 터치셀 구조의 기본적인 실시예를 보인 구성도로서, 본 발명의 터치셀(60)이 3*3의 해상도로 구비된 터치패널을 예시한 것이다. 터치셀(60)은 실제로는 더욱 높은 해상도로 배치되겠지만, 본 발명의 이해를 돕기 위해 이하의 실시예에서는 터치셀(60)이 3*3으로 구성된 터치패널을 예시하여 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 기판(30)의 일면에는 복수의 제1신호선(32), 제2신호선(34) 및 보조신호선(37)이 배치된다. 제1신호선(32)은 각 터치셀(60)에 위치검출 신호(또는 충전신호)를 인가하기 위한 신호선이고, 제2신호선(34)은 각 터치셀(60)로부터 위치검출신호를 수신하기 위한 신호선이고, 보조신호선(37)은 각 터치셀(60)에 관측용 보조신호를 인가하기 위한 신호선이다. 도시된 실시예에서는 제1신호선(32)과 제2신호선(34)이 평행하게 배선되고, 여기에 보조신호선(37)이 교차하여 배선된 것을 예시하였지만, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 도시한 것일 뿐이며, 각 신호선들은 모두 평행하게 배선되거나 배선각도를 달리하여 배선될 수도 있다. 또한, 각 신호선들은 사선 형태로 배선되거나 지그재그 형태로 배선될 수도 있다.
도 4의 실시예에서, 각각의 단위 터치셀은 도전패드(50)와, 이 도전패드(50)에 게이트단자가 연결된 3단자형의 스위칭소자(40)로 구성된다. 3단자형의 스위칭소자(40)는 전술한 다양한 스위칭소자일 수 있으나, 바람직하게는 TFT(40)이다. TFT는 AMLCD(Active Matrix LCD) 또는 AMLCD 등에서 이미 검증된 소자이다.
도시한 바와 같이, 도전패드(50)는 제1신호선(32)에 접속되며, 제1신호선(32)으로부터 충전신호를 공급받는다. TFT(40)는 도전패드(50)에 게이트단자가 접속되고, 입력단자인 드레인단자는 보조신호선(37)에 접속되며, 출력단자인 소스단자는 제2신호선(34)에 접속된다.
도전패드(50)는 ITO, CNT(Carbon Nano Tube), ATO(Antimony Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 이와 유사한 도전특성을 갖는 투명도전체로 형성된다. 도전패드(50)는 신체의 손가락(25)과 대향하여 정전용량을 형성하는 것으로서, 도전패드(50)의 면적은 터치입력시 발생하는 정전용량을 결정하는 중요한 인자로 작용한다. 예컨대, 터치셀(60) 내에서 도전패드(50)의 면적을 크게 가져갈수록 터치입력시 발생하는 정전용량은 커질 것이다.
도 4의 하단에는 터치패널의 시스템 구성이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 패널의 일측 에지부 또는 외부에는 터치위치 검출부(70)가 설치된다. 터치위치 검출부(70)는 드라이브IC(71)와, 타이밍 제어부(72)와, 신호처리부(73)와, 메모리수단(74)으로 구성된다. 그리고 터치위치 검출부(70)에서 획득한 검출신호는 CPU(75)로 전달된다. CPU(75)는 표시장치(20)의 CPU 혹은 컴퓨터장치의 메인 CPU이거나, 터치 입력장치 자체의 CPU일 수 있다. 도시하지 않았지만, 시스템 구성에는 터치입력 검출을 위한 신호들의 하이나 로우전압을 생성하기 위한 전원부가 더 포함된다.
타이밍 제어부(72)는 수십 ms 이하의 시분할 신호를 발생시키며, 신호처리부(73)는 드라이브IC(71)를 통해 제1신호선(32) 각각에 충전신호를 인가하고, 보조신호선(37) 각각에는 관측용 보조신호를 인가하며, 제2신호선(34)으로 입수되는 신호를 검출하여 터치입력이 발생한 터치셀(60)의 좌표값을 획득한다.
메모리수단(74)은 획득된 좌표값을 일시 저장하는 수단이다. 도시된 실시예는 터치셀(60)이 3*3의 해상도인 경우를 예시하였으나, 실제로는 더욱 높은 해상도를 갖기 때문에, 많은 신호들을 처리하는 과정에서 신호가 손실될 수 있다. 예를 들어, 신호처리부(73)가 "Busy" 상태일 경우, 위치검출신호를 인식하지 못하여 신호를 놓칠 수 있다. 메모리수단(74)은 이와 같은 신호의 손실을 방지한다.
도 5는 메모리수단의 일실시예를 개념적으로 보인 블록도이다. 도 5를 참조 하면, 메모리수단(74)은 터치셀(60)의 좌표값에 대응하는 절대주소를 갖는다. 이를 위하여, 메모리수단(74)은 터치셀(60)의 개수 이상의 비트를 갖는다. 만약, 도 4의 실시예에서 가장 우하단의 터치셀(60)에서 터치입력이 발생하였다면, 신호처리부(73)는 도 5에서 점선으로 보인 바와 같이 메모리수단(74)의 "m9" 주소에 획득된 좌표값을 저장한다. 그리고, 전체 신호들을 1회 스캐닝한 후에 메모리수단(74)을 읽어 누락된 신호가 있는지를 판단한다. 만약, m9의 좌표값에 대응하는 신호가 누락되었고, 메모리수단(74)의 m9에는 저장된 상태라면, 해당 신호를 정상 입력신호로 생성하고 다음 스캐닝 이전에 메모리수단(74)을 소거한다.
도 6은 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보인 평면구성도로서, 터치셀(60)에 2개의 스위칭소자(42, 44)가 구성된 예를 보여준다. 도 6의 실시예는 신호의 처리가 더욱 용이하고, 안정적으로 멀티 터치입력을 인식하는 예이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기판(30)의 일면에는 복수의 게이트신호선(36)이 더 배치된다. 각 터치셀(60)이 도전패드(50)와, 이 도전패드(50)에 게이트단자가 접속되는 스위칭소자(44)로 구성되는 기본적인 회로구성은 도 4의 실시예와 동일하며, 여기에 추가로 도전패드(50)에 충전신호를 스위칭 공급하기 위한 스위칭소자(42)가 더 설치된다. 후자의 스위칭소자(42)는 제1스위칭소자(42)이고, 전자의 스위칭소자(44)는 제2스위칭소자(44)이다. 바람직하게는, 두 스위칭소자(42, 44) 모두 TFT이다.
도 6을 참조하면, 제1TFT(42)는 제1신호선(32)에 입력단자가 연결되고, 도전패드(50)에 출력단자가 연결되며, 게이트신호선(36)에 게이트단자가 연결된다. 제 2TFT(44)는 도전패드(50)에 게이트단자가 연결되며, 입력단자와 출력단자는 각각 보조신호선(37)과 제2신호선(34)에 연결된다.
도 6의 실시예에서, 터치위치 검출부(70)는 각각의 게이트신호선(36)에 순차적으로 스캔펄스를 인가하여 제1TFT(42)들을 순차적으로 도통시킨다. 또는, 게이트신호 Gn을 동시에 턴 온하여 손가락(25)과 도전패드(50) 사이의 정전용량에 충전을 유도한 후 보조신호선(37)을 순차적으로 인가하여 터치위치를 확인할 수도 있다.
도 7은 도 6의 실시예에서 단위 터치셀의 구조를 보인 평면구성도이고, 도 8은 도 7에서 I-II 선을 따라 절단한 단면 구성을 보인 단면도로서, 이를 참조하여 단위 터치셀(60)의 구조에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7을 참조하면, 도 6의 회로도에서와 같이 도전패드(50) 및 신호선들에 제1TFT(42) 및 제2TFT(44)가 접속되어 있다. 신호선들은 일 실시예로, 알루미늄과 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속, 은과 은 합금 등 은 계열의 금속, 구리와 구리 합금 등 구리 계열의 금속, 몰리브덴과 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열의 금속, 크롬, 티타늄, 탄탈륨 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제1신호선(32), 제2신호선(34), 게이트신호선(36) 및 보조신호선(37)은 물리적 성질이 다른 두 개의 막, 즉 하부막(도시하지 않음)과 그 위의 상부막(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 상부막은 신호지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 낮은 비저항(Resistivity)의 금속, 예를 들면 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속으로 이루어진다. 이와는 달리 하부막은 ITO(Indium Tion Oxide) 및 IZO(Indium Zinc Oxide)와의 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴(Mo), 몰리브덴합금, 크 롬(Cr) 등으로 이루어진다.
신호선들은 바람직하게는 투명도전체로 형성되어, 관측자에 의해 시인되는 것을 회피한다. 도시하지는 않았으나, 신호선들이 투명도전체로 구성되는 경우에, 신호선의 교차 지점에서 신호선들간 절연을 위하여, 또한, 신호선의 저항을 감소시키기 위하여 부분적으로 금속계열의 신호선이 사용될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 신호선은 절연막으로 보호될 수 있다. 신호선들을 투명도전체로 구성하면, 신호선의 시인을 방지할 뿐만 아니라, 표시장치의 화면 표시를 위한 신호선(예컨대, LCD의 게이트라인 및 소스라인 등과 같은) 혹은 화소들 사이에 형성되어 신호선을 은폐하는 BM(Black Matrix)과의 광간섭에 의한 모아레 현상을 방지할 수도 있다. 이종의 레이어에 형성된 신호선들은 콘택홀(59, contact hole)에 의해 다른 구성품들과 접속된다.
도 8의 단면도를 참조하면, 제1TFT(42)와 제2TFT(44)의 게이트전극(56) 위에는 질화규소(SiNx) 등으로 이루어진 게이트절연막(43)이 형성된다. 게이트절연막(43) 위에는 게이트전극(56)과 중첩되고, 드레인전극(57) 및 소스전극(58) 사이에 채널을 형성하는 활성층(46)이 형성된다. 또한, 활성층(46)은 드레인전극(57) 및 소스전극(58)과도 중첩되게 형성된다. 활성층(46)은 수소화 비정질 규소(Hydrogenated Amorphous Silicon) 또는 다결정규소(Poly Crystalline Silicon) 등으로 형성된다. 활성층(46) 위에는 실리사이드(Silicide) 또는 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n+ 수소화 비정질 규소 등의 물질로 만들어진 오믹(Ohmic) 접촉층(47)이 형성된다. 오믹 접촉층(47)은 드레인전극(57)과 소스전극(58)의 오믹 접촉을 위한 층이다. 드레인전극(57)과 소스전극(58) 위에는 보호막(45)이 형성되며, 보호막(45)의 상면에는 ITO 등의 투명한 도전물질로 형성된 도전패드(50)가 위치한다.
도시한 바와 같이, 도전패드(50)를 제1TFT(42)의 소스전극(58)과 제2TFT(44)의 게이트전극(56)에 접속하기 위하여 콘택홀(59)이 사용된다. 콘택홀(59)은 다각형 또는 원 모양 등 다양한 모양으로 만들어 질 수 있다.
도시하지 않았지만, TFT(42, 44)의 위에는 광(Light)을 차단하기 위한 광차단층이 형성될 수 있다. 광차단층은 TFT(42, 44)의 드레인전극(57)과 소스전극(58)의 제조에 사용된 재질이나 게이트전극(56)의 제조에 사용된 재질이 사용될 수 있으며 불투과성 무기물질이 사용될 수 있다. 광차단층은 TFT(42, 44)가 광(Light)에 반응하여 오작동하는 것을 방지한다.
도 9는 도 6의 실시예에서 터치입력을 검출하는 예를 보인 파형도이다. 이를 참조하면, 터치위치 검출부(70)는 각 게이트신호선(36)에 순차적으로 스캔펄스를 제공한다. 터치위치 검출부(70)에 의해 제공되는 게이트신호 Gn은 제1TFT(42)의 게이트를 활성영역에 진입할 수 있도록 충분한 크기의 전압레벨을 갖는다. 예컨대, 게이트신호 Gn은 제1신호선(32)을 통해 송신되는 위치검출신호 Dn에 비해 3V 이상 크게 설정되는 것이 좋다. 바람직한 실시예로는 Dn의 Hi 전압레벨은 13V이며, Gn의 Hi 전압레벨은 18V이다. 또한, 제1TFT(42)를 안정적으로 턴 오프시키기 위하여 게이트 OFF 전압은 -5~-7V로 설정된다.
게이트신호 Gn은 각 신호들 사이에 충분한 관측시간을 갖는다. 이는 신체의 접근에 의해 신체의 손가락(25)과 도전패드(50)가 형성하는 가상의 커패시터가 충분한 충전시간을 갖도록 하기 위함이다. 도시된 바와 같이, G1과 G2 사이에는 충분한 관측시간1의 휴지기가 주어진다. 제1신호선(32)을 통해 인가되는 위치검출신호 Dn은 어느 하나의 Gn이 Hi인 경우 반드시 Hi를 유지하도록 제공되며, 바람직하게는 Gn이 휴지기를 가질 때 역시 약간의 휴지기를 갖는다.
터치위치 검출부(70)는 보조신호선(37)을 통해 관측 전압을 제공한다. 보조신호선(37)을 통해 인가되는 신호 Auxn은 관측시간의 일부 구간에서 반드시 Hi 레벨이어야 하며, 모든 관측시간 구간에서 항상 Hi 레벨로 제공될 수도 있다. 보조신호 Auxn은 Hi 레벨에서 Dn에 의해 손가락(25)과 도전패드(50) 사이에 충전되는 전압인 13V에 비해 3V 이상 낮은 관측전압을 제공한다. 예를 들어, Auxn의 관측전압은 5V 정도로 족하다.
도 9를 참조하여 제2신호선(34)을 통해 입수되는 파형 및 이를 통해 터치 신호를 획득하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
만약, 게이트신호 G1 및 G2가 인가되는 경우에서처럼, 게이트신호가 인가되고 그 후의 관측시간이 지났는데도 신체의 접근이 이루어지지 않는다면, 제2신호선(34)을 통해 입수되는 신호 Sn은 도시된 바와 같은 파형을 갖는다. 이는 신체의 접근이 이루어지지 않아 도전패드(50)에서 정전용량이 형성되지 않기 때문이다. 보다 상세하게, 게이트신호 G1이 인가될 때 제1TFT(42)가 도통되고, 이때 제2TFT(44)의 게이트단자에 Dn의 전압이 인가되므로 제2TFT(44) 역시 도통된다. 그런데, 제2신호선(44)의 배선저항과 기생 정전용량이 존재하므로, 도시한 바와 같이 입수되는 신호 S1 및 S2는 Hi 레벨로 상승하는 구간 및 Low 레벨로 하강하는 구간에서 곡선을 갖게 된다. 도시된 바와 같이, G1에 의해 제1TFT(42)가 턴 오프되고 관측시간으로 변경된 직후부터, 제2TFT(44)의 게이트 전압이 급격하게 하강하여 입수되는 신호 Sn이 완전히 Low 레벨로 하강하기까지의 시간을 "T1"이라 하자. 단 본 파형도에서 입력신호 Dn에 비해 출력신호 Sn에서 발생되는 시간지연은 무시하였다.
만약, 어느 시점에서 도 6에서의 우하단 터치셀(60)에 손가락(25)의 접근이 이루어진다면, 해당 터치셀(60)에서 도전패드(50)와 신체의 손가락(25) 사이에는 정전용량이 형성될 것이다. 도 9의 파형도에서 보여지듯이 G3가 Hi 레벨인 구간에서 터치가 발생하였다면, 손가락(25)이 근접하는 순간 가상의 커패시터가 형성된다. 이때, 도 9의 파형도에서 S3의 파형이 터치 발생시점에서 파형이 왜곡되듯이, 충전 초기에 충전전압의 변동이 있을 수 있다. 하지만, 곧 충전이 완료되면서 S3는 Hi 레벨로 상승한다.
그런데, G3 신호가 관측시간으로 모드가 변경되는 경우, 즉, G3가 OFF되는 경우, 가상의 커패시터에 충전된 전압이 방전되면서 제2TFT(44)의 게이트측 전압은 서서히 하강되며, 제2TFT(44)의 출력파형은 S3의 파형에서 보여지듯 고유의 출력특성을 보인다. 이때, Sn의 파형이 50% 이하로 저하되는데 걸리는 시간을 "T2"라 하자.
도 9의 파형도를 참조하면, T1과 T2는 상당한 시간 차이를 보임을 알 수 있다. 터치위치 검출부(70)는 위와 같이 Gn의 OFF 이후 제2신호선(34)을 통해 입수되는 신호 Sn의 파형이 하강하는 데 걸리는 시간 또는 일정시점에서의 하강전압(또는 전류)을 판독하여, 터치 신호를 획득할 수 있다.
도 9의 실시예는 터치를 획득하기 위한 일 실시예이며 이와 다른 다른 방법으로도 터지지점을 획득하는 것이 가능하다. 예를 들어, 게이트신호 Gn을 모두 동시에 턴 온 하여 신체와 도전패드(50)간에 형성된 가상의 커패시터에 충전을 유도한 후 보조신호선(37)에 순차적으로 신호를 인가하여, 출력되는 파형을 관측하는 방법이다. 본 발명의 기술사상에 따라 터치 신호를 획득하는 방법을 여러 가지로 구사할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 10 및 11은 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 구성도로서, 각 터치셀(60)에서 도전패드(50)와 접지 사이에 별도의 커패시터(54)를 부가한 예를 보여준다. 부가된 커패시터(54)는 신체의 손가락(25)에 의해 형성되는 가상의 커패시터와 charge sharing을 하며, 이에 따라 제2TFT(44)의 게이트측 전위를 떨어뜨리거나 충전시간을 더 길게 만들 것이다. 따라서, 이를 검출하면 손가락(25)의 접근에 대하여 보다 안정적으로 터치 신호를 획득할 수 있을 것이다.
도 10을 참조하면, 도 6의 실시예에 더하여, 도전패드(50)와 보조신호선(37) 사이에 커패시터(54)가 더 접속된다. 본 실시예에서도 터치위치 검출부(70)는 각 게이트신호선(36)에 순차적으로 스캔펄스를 인가하며, 또는 모든 게이트신호선(36)에 동일한 게이트신호를 인가할 수도 있다.
본 실시예에서는 게이트신호 Gn과 관측을 위한 보조신호 Auxn이 반드시 연동될 필요가 없으며, 독립적으로 인가될 수 있다. 단, Gn에 의해 커패시터(54)가 충전된 이후 너무 많은 시간이 경과하면 커패시터(54)에서 자유방전이 발생하여 관측 이 되지 않을 수 있으므로, 보조신호 Auxn은 Gn에 의해 커패시터(54)가 충전된 이후 즉시 인가되는 것이 바람직하다.
일 실시예로서 Gn의 ON 전압은 15V로 한다. Gn이 인가될 때 Dn도 인가되며 제2TFT(44)의 게이트단자에 접속된 커패시터(54)를 충전시킨다. Dn의 Hi 레벨 전위는 제2TFT(44)를 ON 시키는 전압이므로 Gn과의 관계를 고려하여 약 10V가 적당하다. Dn은 커패시터(54)를 충전시킬 정도로 충분한 시간동안 제공된다.
제2TFT(44) 게이트의 전압이 입력단자 Auxn의 전압보다 3V 이상 크므로 제2TFT(44)는 항상 턴 온 상태이다. 만약 관측을 위한 보조신호 Auxn이 인가되는 시점에서 우하단 터치셀(60)에서 손가락(25)의 접근이 이루어진다면, 커패시터(54)에 저장된 전하가 방출하여 신체에 의해 형성되는 가상의 커패시터로 이동하며, 이는 두 커패시터의 전위가 동일해질 때까지 계속된다. 커패시터(54)의 정전용량이 손가락(25)에 의해 형성되는 가상의 커패시터보다 충분히 적으면 이러한 charge sharing이 발생하면서 제2TFT(44)의 게이트에 인가되는 전압이 보조전압 Auxn과의 크기 관계에 있어서, 제2TFT(44)를 턴 온 시키지 못하거나 출력신호 Sn의 크기가 저하되는 시점이 발생하며, 이를 판독하여 터치 신호를 획득한다. 본 예시에서도 획득되는 터치 신호는 "D3, S3"에 해당하는 좌표값이다.
도 11을 참조하면, 보조신호선(37)이 제1보조신호선(37a)과 제2보조신호선(37b)으로 구분되어 제공된다. 그리고, 커패시터(54)의 일단부는 제1보조신호선(37a)에 연결되고, 제2TFT(44)의 입력단자는 제2보조신호선(37b)에 연결된다.
본 실시예는 단지 관측을 위한 보조신호와 상태 모니터링을 위한 보조신호를 분리한다는 점이 다를 뿐 나머지는 도 10의 실시예와 동일하다. 관측을 위한 제1보조신호선(37a)으로는 보조신호 Aux1-n이 인가되며, 모니터링을 위한 제2보조신호선(37b)으로는 보조신호 Aux2-n이 인가된다.
본 실시예에서 Gn의 ON 전압은 18V로 한다. Dn의 Hi 레벨 전위는 제2TFT(44)를 ON 시키는 전압으로 약 12V가 적당하다. 관측을 위한 보조신호 Aux1-n은 일 실시예로서 Low 레벨에서 -18V, Hi 레벨에서 0V의 전위를 갖게 할 수 있다. 예컨대, 보조신호 Aux1-n이 Low 레벨이고 커패시터(54)가 충전되었을 때 제2TFT(44)의 게이트측 전위가 -6V로 내려가므로, 이보다 큰 전위를 갖는 제2 보조신호선(37b)에 대해 제2TFT(44)는 도통되지 않는다. 또한, Aux1-n의 Hi 레벨(즉, zero 볼트)에서 Dn의 Hi 레벨 전위가 12V이므로, 이보다 3V 정도 이하로 작은 보조신호 Aux2-n에 대해 제2TFT(44)의 안정된 도통을 보장한다. 보조신호 Aux2-n은 Aux1-n의 신호와 동기되는 것이 바람직하며, Aux2-n의 Hi 레벨에서의 전위 및 Low 레벨에서의 전위 역시 Aux1-n과 일치되는 것이 바람직하다.
도 10 및 11의 실시예는 커패시터(54)의 정전용량을 다양하게 선택하여 charge sharing 이후에 제2TFT(44)의 게이트측에 인가되는 전압을 조절할 수 있으며, 이는 곧 터치가 이루어졌을 때 Sn 신호의 파형 하강 기울기를 결정하는 요소가 된다. 즉, 커패시터(54)를 부가함으로써, 각 신호들의 전압레벨 선택의 폭이 넓어지며 Sn 신호의 하강 기울기를 보다 완만하게 하여 터치 신호를 안정적으로 획득할 수 있게 된다.
상술한 실시예들은 본 발명에 따른 터치셀 구조들을 보여준다. 터치셀(60)은 기본적으로 P2G 방식으로 구성되며, 이러한 기본적인 구성에 몇가지 구성품들이 추가될 수 있다. 위에서 열거한 실시예들 이외에도, 각 터치셀(60)은 추가의 스위칭소자, 커패시터, 저항 또는 기타 다른 전기소자들을 더 포함할 수 있다.
여기서, 위와 같은 P2G 방식의 터치셀(60)이 갖는 기술적 특징은, 스위칭소자(40)의 게이트단자에서의 킥백(kick back)이 터치입력 여부에 따라 크게 변화되고, 터치입력에 따른 킥백 차이에 따라 스위칭소자(40)의 출력신호는 수십 배 내지 수만 배의 차이를 가지므로, 검출 감도 및 정확도가 매우 높고 디지털 방식으로 터치입력을 검출할 수 있다는 점이다.
이하에서는 본 발명에 따른 터치셀 구조가 킥백을 이용하여 터치입력을 검출하는 예에 대하여 설명한다. 이하에서 설명되는 C1 및 C2는 커패시터의 이름 및 크기를 동시에 표현하는 기호로서, 예컨대, "C1"은 C1이라는 이름을 가진 커패시터를 의미하는 동시에 C1이라는 크기의 커패시턴스를 의미한다.
도 12는 TFT에 커패시터가 내장 설계되는 예를 보인 단면도이다. 이를 참조하면, TFT를 제조하는 과정에서 TFT의 게이트단자와 드레인단자의 사이 및 게이트단자와 소스단자의 사이에는 커패시터(Cgd, Cgs)가 형성된다. 도시한 바와 같이, 드레인전극(57)이 게이트전극(56)과 오버랩되는 영역에는 커패시터 Cgd가 형성되며, 소스전극(58)이 게이트전극(56)과 오버랩되는 영역에는 커패시터 Cgs가 형성된다. 이들 커패시터(Cgd, Cgs)의 크기는 TFT의 폭 또는 길이에 따라 정해진다. 예컨대, TFT의 폭 또는 길이에 따라 Cgd 및 Cgs는 10fF(femto F) 내지 300fF 정도로 설계된다.
도 13은 TFT에 커패시터가 내장된 상태를 예시한 터치셀 구성도로서, 도 6의 실시예에 따른 터치셀 구조에서 제1TFT(42) 및 제2TFT(44) 각각에 내장 커패시터가 부가된 상태를 예시한 것이다. 도시한 바와 같이, 신체의 손가락(25)과 도전패드(50) 사이에는 터치입력시 가상의 커패시터 "Ct"가 형성된다. 제1TFT(42)의 출력단자를 통해 출력되는 신호는 Ct에 일정시간 저장되며, Ct에 축적된 신호는 Ct에 접속된 주변 소자들에 의해 형성된 방전경로를 통해 방전된다.
Ct의 충방전 동작에 따라 제2TFT(44)의 게이트단자 전위를 결정하는 회로 구성에서, 도시한 바와 같이 각 TFT의 내장 커패시터 C1, C2, C3가 작용한다. 여기서, C1, C2, C3는 앞서 언급한 바와 같이 10fF 내지 300fF 정도이며, Ct는 터치수단과 도전패드(50)의 간격, 대향면적 등을 조절하는 것에 의해 자유롭게 설계될 수 있다. 예컨대, 도전패드(50)의 면적을 크게 선택하는 것으로서 도 3의 관계식에 의거하여 Ct 역시 크게 설계된다. 반대로, 도전패드(50)의 면적을 작게 선택하는(예를 들어, 1mm2 이하로 선택하는 등으로) 것으로서 Ct는 작게 설계된다. 바람직하게는, Ct는 C1 내지 C3에 비해 2배 내지 수백 배 큰 값으로 선택되며, 예컨대 수십 fF(femto F) 내지 수십 pF(pico F)으로 설계될 수 있다.
도 14는 터치입력 여부에 따른 킥백 파형을 예시한 파형도로서, 도 13의 터치셀 구조에서의 신호의 파형을 보여준다. 도 14를 참조하여, 터치입력 여부에 따른 킥백의 차이를 설명하면 다음과 같다.
제1TFT(42)의 게이트단자에 인가되는 온 전압을 "VH"라고 하고 오프 전압을 "VL"이라고 할 때, 온/오프에 따른 전압차이는 VH에서 VL을 감한 값이 된다. 제1TFT(42)의 입력단자(In1)에 "V1"의 크기를 가지는 전압을 인가하고 게이트단자(Cont1)에 VH를 인가하여 제1TFT(42)를 턴 온 시키면, 도전패드(50)에 터치입력이 발생하지 않은 경우에는 제1TFT(42)의 출력단자(Out1)에서 측정되는 전압이 "Out1-A"의 파형에서와 같이 "V2"이다. 여기서, 신호선의 배선이나 기생저항 등에 의한 과도응답특성은 무시하였다. 소정 시간 후에 제1TFT(42)의 게이트단자(Cont1)에"VL"을 인가하여 제1TFT(42)를 턴 오프 시키면, 제1TFT(42)의 출력단자(Out1)에서 측정되는 전압은 전압강하 된다. 이때, 도 13의 회로도에서와 같이 C1, C2, C3가 접속되어 있으므로, Out1-A의 파형에서 터치입력 미발생시의 킥백 전압 "KB1"은 다음과 같은 수식1로 정의한다.
Figure 112009078284451-PAT00001
----- 수식1
예컨대, VH가 10V이고, VL이 -5V이고, V1이 8V이고, C1이 C2 및 C3의 합과 같은 크기라면 킥백 전압 KB1은 7.5V이다. 즉, Out1-A의 파형에서 V2는 8V로부터 0.5V로 낮아지게 된다. 또한, 이러한 전압강하는 도전패드(50)에서의 전위가 8V에서 0.5V로 낮아지는 것을 의미한다.
한편, 도 14에서 "Out1-B"로 표시된 파형은 도전패드(50)에 대해 손가락(25)이 접근하는 터치입력이 발생한 경우, 제1TFT(42)의 출력단자(Out1)에서 측정되는 전압의 파형이다. 다른 조건들은 위에서와 동일하나, 이 경우에는 손가락(25)과 도전패드(50) 사이에서 정전용량 Ct가 형성된 상태이므로, Out1-B의 파형에서 터치입 력 발생시의 킥백 전압 "KB2"는 다음과 같은 수식2로 정의한다.
Figure 112009078284451-PAT00002
----- 수식2
만약, Ct가 C1의 3배의 크기를 갖는다면, 킥백 전압 KB2는 3V이다. 즉, Out1-B의 파형에서 V2는 8V로부터 5V로 낮아지게 된다.
도 14의 실시예에서 Out2-A 및 Out2-B는 제2스위칭소자(44)의 출력단자(Out2)에서 출력되는 신호의 크기(본 예시에서는 전류값)를 예시한 것으로서 각각 Out1-A 및 Out1-B와 유사한 형태의 파형을 갖는 것을 알 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 우리는 터치수단과 도전패드(50)의 간격 및 대향면적을 조절하는 것으로 Ct의 크기를 선택할 수 있으며, Ct를 C1에 비해 큰 배율로 설계할수록 KB1에 비해 KB2의 분모값이 높은 배율로 커지게 되며, KB1과 KB2의 차이를 크게 가져갈 수 있다.
도 15는 TFT의 게이트전압 대비 출력전류의 특성을 보인 그래프로서, 이를 참조하면 TFT가 게이트단자에 인가되는 신호에 대비하여 출력신호가 로그함수를 갖는 것을 알 수 있다. 도 15를 참조하면, TFT의 게이트단자에 인가되는 제어전압인 Vgs가 15V일 때에는 약 1uA의 Ids가 흐르는 반면에, Vgs가 0V인 경우에는 100pA의 Ids가 흐르는 것을 알 수 있다. 즉, 제어전압이 15V에서 0V로 전압강하되는 경우, 출력전류는 약 만 배 정도의 차이를 갖는다.
즉, C1, C2, C3 및 그에 대비한 Ct의 배율을 적절하게 선택하는 것으로서, KB1과 KB2의 차이를 적절하게 설계할 수 있고, 그에 따라 터치입력 여부에 의한 제 2TFT(44)의 출력신호를 수십 배 내지 수만 배의 차이가 나도록 할 수 있다. 따라서, 터치입력 검출이 용이할 뿐만 아니라 검출정확도 및 신뢰도가 매우 높고, 신호의 하이/로우 레벨을 검출하는 디지털 검출방식으로 터치입력을 검출할 수 있는 기술적 장점을 갖는다. 또한, 이러한 기술적 장점에 의해 터치셀(60)의 너비나 폭을 매우 작게 가져갈 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 스위칭소자(40)로서 TFT를 언급하였으며, TFT는 도 12에서와 같이 게이트메탈 및 소스메탈이 적층되는 구조에 기인하여 내장 커패시터가 존재하였으나, TFT가 아닌 다른 스위칭소자(내장 커패시터가 존재하지 않는)로 대체되는 경우에는 도 13의 회로도에서와 같이 스위칭소자(40)에 커패시터를 부가하는 것으로 킥백 효과를 얻을 수 있을 것이다. 또한, 전술한 실시예에서는 전압 구동형인 TFT를 언급하였으나, 다른 스위칭소자로 대체되는 경우 구동 방식 및 검출 방식은 달라질 수 있다. 예컨대, BJT나 IGBT와 같은 스위칭소자는 전류 구동형으로 동작되며, 제어단자에 인가되는 전류에 비해 수십 배 이상의 전류가 출력된다. 따라서, BJT나 IGBT와 같은 스위칭소자는 터치입력 여부에 따라 킥백의 차이를 부여하면, 작은 차이의 제어전류에 비해 수십 배 이상의 차이를 보이는 출력전류 특성을 얻을 수 있다.
도 16은 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 예를 보인 도면이고, 도 17은 비교기를 이용한 검출시 파형을 예시한 파형도로서, 제2TFT(44)의 출력신호의 하이/로우 레벨을 디지털 방식으로 검출하여 터치입력을 인식하는 예를 보여준다.
제2TFT(44)에서 출력되는 신호 Sn은 도 16에서와 같이 비교기로 입력되어 기 준신호와 비교된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 터치입력 발생 유무에 따라 제2TFT(44)의 출력신호 차이가 크므로, 비교기에서의 신호검출은 매우 용이하다. 또한, 비교기의 출력은 하이나 로우의 레벨을 갖는 디지털 신호로서, 터치위치 검출부(70)에서 별도의 신호변환 없이 이를 판독할 수 있다.
예컨대, 도 17에서와 같이, 터치입력이 발생하여 제2TFT(44)의 출력신호 Sn이 t1 구간에서 하이로 될 때, Sn은 기준신호보다 커지며 비교기의 출력은 회로 구성에 따라 하이나 로우가 된다. 터치입력이 중단되거나 정해진 시간 이후 신호가 소멸되는 t2 구간에서는 Sn이 로우로 하강하며, Sn은 기준신호보다 작아지고 비교기의 출력은 회로 구성에 따라 로우나 하이가 된다. 따라서, 터치위치 검출부(70)는 비교기의 출력을 디지털 방식으로 처리할 수 있다. 여기서, 비록 도시한 예에서는 Sn의 하이와 로우의 차이가 작은 것으로 보이지만, 앞서 언급한 바와 같이 이 차이는 수십 배 내지 수만 배이다.
도 16 및 17의 예에서와 같이 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 경우, 기준신호가 사용된다. 기준신호는 터치위치 검출부(70)에서 별도의 기준신호 생성부를 구성하여 만들 수 있을 것이다.
그런데, 기준신호가 일정하게 주어지는 것은 터치입력에 대한 판독오류를 야기할 수 있다. 예컨대, 온도나 경년변화 등의 요인에 의해 제1TFT(42)의 특성이 변하여 동일한 출력전류 생성을 위한 Vgs에 2V 정도의 전압변동이 발생하였다고 가정해보자. 도 15의 그래프를 참조하면, Vgs가 0(zero)에서 2V 정도로 변경되는 구간에서 출력전류인 Ids의 차이는 백 배이다. 만약, 터치입력 여부를 Vgs 0V일 때와 Vgs 15V일 때의 차이로 검출한다면, Ids의 차이는 만 배이므로, 기준신호를 터치입력 발생 여부에 따른 제2TFT(44)의 출력신호의 사이값(즉, 백 배의 차이를 갖는 전류값)으로 정할 수 있다. 즉, Vgs 2V에서의 전류값으로 기준신호를 설정할 수 있다. 여기서, "사이값"이라 함은 반드시 중간의 값을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 열 배의 차이를 갖는 전류값 또는 천 배의 차이를 갖는 전류값이 기준신호가 될 수도 있다.
그런데, 제1TFT(42)의 출력전압이 2V 변동되는 경우, 터치입력이 발생하지 않았음에도 불구하고 제2TFT(44)의 출력이 기준신호에 근접한다. 이때, 외란 등의 영향으로 인해 터치입력이 발생하지 않았음에도 터치입력을 검출한 것으로 오작동할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 기준신호 설정에 따른 오작동을 방지하기 위해 센싱셀(61)을 이용한다. 센싱셀(61)은 패널 상에 설치되며, 터치입력 검출을 위한 터치셀(60)과 유사한 구조로 구성된다. 이와 같이 터치셀(60)과 유사한 구조를 갖는 센싱셀(61)은 터치셀(60)과 마찬가지로 동일한 온도 조건 및 경년변화를 갖는다. 예를 들어, 온도나 경년변화에 기인하여 터치셀(60)의 TFT가 2V의 전압변동이 있었다면, 센싱셀(61) 역시 동일한 전압변동의 기준신호를 발생시킨다. 따라서, 온도 및 경년변화와 같은 요인에 의한 판독오류를 줄일 수 있다.
도 18 및 19는 센싱셀(61)의 일예를 보여준다. 도 4 및 도 6의 실시예에서와 같이 터치입력 검출은 TFT(40) 혹은 제2TFT(44)의 출력신호를 통해 얻어진다. 이처럼 하나의 TFT를 경유하여 출력신호가 얻어지는 경우에 대응하여, 도 18의 실시예 에서 센싱셀(61)은 하나의 센싱스위칭소자(64)로 구성될 수 있다. 본 예시에서도 센싱스위칭소자(64)는 TFT이며, 이하에서는 센싱TFT(64)로 언급되고 동일한 도면부호를 부여한다.
경우에 따라서는 TFT(40) 혹은 제2TFT(44)의 후단에 별도의 TFT가 더 부가될 수 있으므로, 이 경우에는 도 19에서와 같이 센싱셀(61)이 제1센싱TFT(66) 및 제2센싱TFT(68)가 순차로 연결된 구성을 가질 수 있다. 도시된 예에서는 센싱셀(61)의 설치 위치가 명시되지 않았지만, 센싱셀(61)은 패널 상에서 비동작영역(non active area)에 설치될 수 있을 것이다.
센싱셀(61)을 구성하는 센싱TFT(64)는 터치셀(60)의 도전패드(50) 후단의 TFT(40) 혹은 제2TFT(44)와 동일한 회로구성을 갖는다. 센싱TFT(64)의 드레인단자는 보조신호선(36)에 연결되며, 소스단자는 제2신호선(34)에 연결된다. 다만, 센싱TFT(64)의 게이트단자에는 도전패드가 접속되지 않으며, 게이트단자에는 별도의 게이트신호를 인가할 수 있다. 다른 예로서, 게이트단자에 제1TFT(42)와 동일한 회로 구성을 갖는 TFT를 더 부가할 수도 있다.
터치위치 검출부(70)는 센싱TFT(64)의 게이트단자에 소정 제어신호를 인가한다. 이 제어신호는 "터치입력 미발생시 터치셀(60)의 제2TFT(44)의 제어단자에 인가되는 신호"와 "터치입력 발생시 터치셀(60)의 제2TFT(44)의 제어단자에 인가되는 신호"의 사이값에 대응하는 신호이다. 예컨대, 상술한 예시에서 센싱TFT(64)의 제어단자에는 2V가 인가될 것이다. 만약, 센싱TFT(64)의 게이트단자에 2V를 인가하면, 센싱TFT(64)의 출력은 Vgs가 2V인 경우의 Ids 값에 대응할 것이다. 그런데, 만 약 터치셀(60)의 TFT가 온도나 경년변화에 의해 전압변동이 발생한 경우, 센싱TFT(64) 역시 같은 조건으로 전압변동이 발생하므로, 센싱TFT(64)에서 출력되는 기준신호 역시 변동된다. 따라서, 위와 같이 온도 조건이나 경년변화에 의한 오작동을 방지하고 터치입력을 안정적으로 검출할 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 종래 용량식 터치패널의 일예를 보인 사시도
도 2는 본 발명에 따른 터치패널의 구조를 보인 분해사시도
도 3은 본 발명에서 터치입력을 검출하는 방법을 개념적으로 묘사한 도면
도 4는 본 발명에 따른 터치셀 구조의 기본적인 실시예를 보인 구성도
도 5는 메모리수단의 일실시예를 개념적으로 보인 블록도
도 6은 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보인 구성도
도 7은 도 6의 실시예에서 단위 터치셀의 구조를 보인 평면구성도
도 8은 도 7에서 I-II 선을 따라 절단한 단면 구성을 보인 단면도
도 9는 도 6의 실시예에서 터치입력을 검출하는 예를 예시한 파형도
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 구성도
도 11은 도 10의 변형 실시예를 보인 구성도
도 12는 TFT에 커패시터가 내장 설계되는 예를 보인 단면도
도 13은 TFT에 커패시터가 내장된 상태를 예시한 터치셀 구성도
도 14는 터치입력 여부에 따른 킥백 파형을 예시한 파형도
도 15는 TFT의 게이트전압 대비 출력전류의 특성을 보인 그래프
도 16은 비교기를 이용하여 터치입력을 검출하는 예를 보인 도면
도 17은 비교기를 이용한 검출시 파형을 예시한 파형도
도 18은 센싱셀의 구성을 예시한 회로도
도 19는 센싱셀의 다른 예를 보인 회로도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 표시장치 25 : 손가락
30 : 기판 32 : 제1신호선
34 : 제2신호선 36 : 게이트신호선
37 : 보조신호선 37a : 제1보조신호선
37b : 제2보조신호선 40 : 스위칭소자
42 : 제1스위칭소자 44 : 제2스위칭소자
45 : 보호막 46 : 활성층
47 : 오믹접촉층 50 : 도전패드
54 : 커패시터 56 : 게이트전극
57 : 드레인전극 58 : 소스전극
59 : 콘택홀 60 : 터치셀
61 : 센싱셀 64 : 센싱스위칭소자
66 : 제1센싱스위칭소자 68 : 제2센싱스위칭소자
70 : 터치위치 검출부 71 : 드라이브IC
72 : 타이밍 제어부 73 : 신호처리부
74 : 메모리수단 75 : CPU

Claims (5)

  1. 터치패널의 단위 터치셀(60)을 구성하는 터치셀 구조에 있어서,
    신체의 손가락(25) 또는 이와 유사한 전기적 특성을 갖는 터치수단이 소정 거리(d)로 접근할 때, 터치수단과의 사이에서 정전용량을 형성하는 도전패드(50); 및
    상기 도전패드(50)에 게이트단자가 접속되며, 터치수단과 도전패드(50) 사이의 정전용량에 의해 게이트단자의 전위가 변화될 때 그에 대응하여 출력신호가 변화되는 3단자형의 스위칭소자(40);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스위칭소자(40)는 상기 도전패드(50)에 출력단자가 접속되며, 게이트단자에 인가되는 제어신호에 따라 턴 온/오프되어 도전패드(50)에 충전신호를 스위칭 공급하는 3단자형의 제1스위칭소자(42); 및
    상기 도전패드(50)에 게이트단자가 접속되며, 게이트단자의 전위가 변화될 때 그에 대응하여 출력신호가 변화되는 제2스위칭소자(44);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 도전패드(50)와 접지 사이에는 커패시터(54)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 스위칭소자(40)는 릴레이(Relay), MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치, BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 스위칭소자(40)는 TFT(Thin Film Transistor)인 것을 특징으로 하는 터치셀 구조.
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