KR20120036619A - 터치스크린 컨트롤러 아이씨 - Google Patents

터치스크린 컨트롤러 아이씨

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Abstract

본 발명은 터치스크린 컨트롤러 IC에 관한 것으로서, 좌표에 따른 패턴 커패시터를 갖는 터치스크린부로부터 터치 유무를 판단하는 터치스크린 컨트롤러 IC에 있어서, 드라이빙 신호를 생성하는 드라이빙 신호 송신부와, 상기 터치스크린부로부터 입력된 센싱 전압에 따라 출력 전류를 제어하는 전류증폭부; 상기 전류증폭부의 출력 전압을 기준 전압과 비교하는 비교기부; 상기 전류증폭부의 출력 전압이 상기 기준 전압에 도달할 때까지 클럭을 카운트하는 카운터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하면, 본 발명은 CDS 회로와 OTA를 응용하여 터치스크린 컨트롤러 IC를 구성하였으므로 터치, 언터치 조건에 따라 수 mV 수준으로 변화하는 IC의 입력 신호에 대해 CDS 회로는 입력 신호를 전압축으로 증폭하고, OTA는 입력 전압의 변화에 따라 출력 전류를 제어하여 카운터부의 동작에 있어서 시간축으로 증폭함에 따라서 터치(touch) , 언터치(un-touch) 조건에 따라 미세하게 변화하는 터치스크린의 전압 변화를 전압축과 시간축으로 증폭시켜 터치, 언터치의 차이를 보다 명확하게 구분할 수 있게 하여 유리한 효과가 있는 것이다.

Description

터치스크린 컨트롤러 아이씨{TOUCH-SCREEN CONTROLLER INTEGRATED CIRCUIT}
본 발명은 멀티포인트 터치 인식이 가능한 정전용량방식(capacitive type)의 터치스크린 컨트롤러 IC에 관한 것으로, 특히 터치(touch) 및 언터치(un-touch)에 따라 미세하게 변화하는 터치스크린의 커패시턴스(capacitance)를 감지하는 터치스크린 컨트롤러 IC에 관한 것이다.
오늘날의 현대인들은 휴대용 전자 장치를 포함한 다양한 전기전자 장치를 사용하고 광범위한 범위에서 이용하고 있다. 예를 들어, 휴대폰, PDA, DMB 폰과 같은 이동 통신 단말기에서부터 MP3, 게임장비 등 멀티미디어 장비에 이르기까지 다양하다.
특히 휴대용 전자장치는 데이터 전용 네트워크로부터 GSM, CDMA, UMTS CDMA2000 등의 네트워크와 같은 복합 음성 및 데이터 네트워크와 결합하여 장비의 휴대성이 더욱 강조되고 있다. 터치스크린 입력/출력 장치는 이와 같은 휴대용 장치들에서 특히 유용한데, 휴대용 장치들은 사용자 입력 및 출력 장치를 위한 공간에서 큰 제약을 받기 때문이다.
터치스크린은 키패드나 마우스 등의 입력장치를 사용하지 않고 화면에 손가락이나 펜을 접촉하여 입력하는 방식을 말한다. 터치 센서 모듈은 접촉에 의한 전기적 변화를 감지하는 터치스크린 패널과 상기 터치 패널로부터 감지된 신호를 디지털 데이터로 변환하여 컴퓨터 및 휴대폰 등의 기기에 전송하는 컨트롤러 IC로 구성된다.
터치 인식 방법의 종류에는 대표적으로 저항막 방식, 정전용량 방식, 적외선 방식, 초음파 방식 등이 있으며, 각각의 기술마다 장단점이 존재하나 최근 멀티 터치 구현이 가능한 정전용량방식(capacitive type)의 터치스크린 비중이 늘어나고 있는 추세이다.
정정용량방식의 터치스크린도 구동 방식에 따라 그 종류가 다양하며, 대표적으로 커패시턴스 센싱 회로에 연결된 각각의 독립적인 전극층의 변화를 모니터링하는 셀프 커패시턴스(self capacitance) 방식과 전류를 전달하는 드라이빙 라인과 각 교차점에서 전류를 감지하는 센싱라인으로 구성되는 센서 그리드(sensor grid)를 이용하여 전하량의 변화와 위치를 감지하는 뮤추얼 커패시턴스(mutual capacitance) 방식으로 구분된다.
도 2는 일반적으로 터치에 의하여 전하 공유가 일어나는 현상을 설명한 개념도이다. 일반적인 뮤추얼 커패시턴스 방식의 터치스크린에서 드라이빙 라인을 통해 펄스 신호를 인가하면 센싱 노드와 드라이빙 노드 사이에 형성되는 커플링 커패시터를 통해 드라이빙 신호가 전달된다. 이 때 터치스크린 컨트롤러 IC에 입력되는 센싱 전압의 크기는 전하 공유(charge sharing)에 따라 센싱 노드에 형성된 패턴 커패시턴스의 크기에 따라 결정되며, 터치가 발생할 경우 센싱 노드와 인체 사이에 전하 공유가 추가적으로 발생함에 따라 센싱 노드에 전달되는 드라이빙 신호의 진폭은 미세하게 감소한다. 이러한 미세한 전압 변동을 정확하게 센싱하는 것은 터치 유무 판단의 중요한 과제이다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 OTA(Operational Transconductance Amplifier)를 이용하여 터치에 따른 센싱 노드의 미세한 전압 변동을 센싱하여 터치 유무의 판단을 가능하게 하는 터치스크린 컨트롤러 IC 구현하고자 하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는 전류증폭부를 구비한 터치스크린 컨트롤러 IC가 제공된다.
본 발명은, 좌표에 따른 패턴 커패시터를 갖는 터치스크린부로부터 터치 유무를 판단하는 터치스크린 컨트롤러 IC에 있어서, 상기 터치스크린 컨트롤러 IC는 드라이빙 신호를 생성하는 드라이빙 신호 송신부와, 상기 터치스크린부로부터 입력된 센싱 전압에 따라 출력 전류를 제어하는 전류증폭부; 상기 전류증폭부의 출력 전압을 기준 전압과 비교하는 비교기부; 상기 전류증폭부의 출력 전압이 상기 기준 전압에 도달할 때까지 클럭을 카운트하는 카운터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 패턴 커패시터는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 여기서 상기 전류증폭부 앞 단에 위치하여 상기 센싱 전압을 증폭시키는 전압증폭부를 더 포함할 수 있고, 상기 전류증폭부는 전압제어전류전원인 OTA(Operational Transconductance Amplifier)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
한편 상기 OTA 출력 전압은 포화영역에서 충분히 동작할 수 있도록 OTA 출력 전압이 발생하기 전 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)의 문턱(threshold) 전압으로 미리 충전되는 것을 특징으로 한다.
또 한편 상기 전압증폭부는 오프셋 프리 CDS(Offset free Correlated double sampling)회로를 이용할 수 있다.
특히 상기 드라이빙 신호 송신부는 상기 전압증폭부, 상기 전류증폭부, 상기 비교기부 및 상기 카운터부와 한 쌍을 이루는 것을 특징으로 한다. 따라서 터치 센서 패널의 사양에 따라 드라이빙 신호 송신부 또는 상기 전압증폭부, 상기 전류증폭부, 상기 비교기부 및 상기 카운터부를 선택적으로 사용이 가능하므로 터치 센서 패널과 컨트롤러 IC의 까다로운 FPCB 라우팅(routing)이 용이하며, 보다 범용적으로 사용이 가능하다.
또한 여기서 상기 OTA 앞 단에서 상기 센싱 전압을 샘플링하는 커패시터를 더 포함한다.
상기와 같은 구성에 의하면, 본 발명은 CDS 회로와 OTA를 응용하여 터치스크린 컨트롤러 IC를 구성하였으므로 터치, 언터치 조건에 따라 수 mV 수준으로 변화하는 IC의 입력 신호에 대해 CDS 회로는 입력 신호를 전압축으로 증폭하고, OTA는 입력 전압의 변화에 따라 출력 전류를 제어하여 카운터부의 동작에 있어서 시간축으로 증폭함에 따라서 터치(touch) , 언터치(un-touch) 조건에 따라 미세하게 변화하는 터치스크린의 전압 변화를 전압축과 시간축으로 증폭시켜 터치, 언터치의 차이를 보다 명확하게 구분할 수 있게 하여 유리한 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 컨트롤러 IC의 동작 개념을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일반적으로 터치에 의하여 전하 공유가 일어나는 현상을 설명한 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 OTA 회로를 이용한 커패시턴스 센싱 회로를 나타내는 개념도이고, 도 3b는 도 3a의 각 노드에 따른 전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 CDS 회로가 추가된 커패시턴스 센싱 회로를 나타내는 개념도이고, 도 4b는 도 4a의 입력과 출력에서의 전압변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 터치스크린 컨트롤러 IC의 각각의 단일 센싱 블록이 쌍으로 구성되는 개념도이다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 터치스크린 컨트롤러 IC의 단일 센싱 블록의 구성를 나타내는 개념도이고, 도 6b는 도 6a의 전체적인 동작 시퀀스를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 Tx/Rx 블록이 쌍을 이루는 센싱 블록 구조적 특징으로 양방향 드라이빙 및 센싱 동작을 수행하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다. 여기서 각 도면에 붙여진 도면부호는 일관성을 유지하고 있으므로 다른 도면이라도 동일한 부호로 표기된 것은 동일한 구성 및 작용을 가지는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 컨트롤러 IC의 동작 개념을 나타내는 블록도이다.
도 1에서, 좌표에 따른 패턴 커패시터를 갖는 터치스크린부(200)로부터 터치 유무를 판단하는 터치스크린 컨트롤러 IC(100)는, 드라이빙 신호를 생성하는 드라이빙 신호 송신부(130)와, 상기 터치스크린부(200)로부터 입력된 센싱 전압에 따라 출력 전류를 제어하는 전류증폭부(120); 상기 전류증폭부(120)의 출력 전압을 기준 전압과 비교하는 비교기부(140); 상기 전류증폭부의 출력 전압이 상기 기준 전압에 도달할 때까지 클럭을 카운트하는 카운터부(150)를 포함하고, 바람직하게는 상기 전류증폭부(120)의 앞 단에 센싱 전압을 증폭시키는 전압증폭부(110)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 터치스크린상의 터치 유무를 판단하는 모듈은 크게 터치스크린부(200)와 터치스크린 컨트롤러 IC(100)로 구성되며, 터치스크린 컨트롤러 IC(100)에서 출력되는 디지털 신호는 휴대폰, 멀티미디어 등의 각종 기기를 제어하는 MCU(Micro Controller Unit)(미도시)에서 입력되어 각종 기기를 작동시킨다.
상기 터치스크린부(200)는 사용자의 터치에 의한 아날로그 정보를 받아들이는 부분으로 좌표에 따른 패턴 커패시터를 갖는다. 상기 터치스크린부(200)는 전기 전도성과 투광성이 좋아야 하므로 투광기판상에 ITO(Induim Tin Oxide)를 패터닝하여 투명전극층을 형성하는 것이 바람직하다.
ITO 패터닝은 x, y 축을 기준으로 매티릭스 형태의 ITO 패턴 전극을 형성할 수 있으며, 이러한 ITO 패턴 전극은 등가적으로 각 좌표에 해당하는 패턴 커패시터로 표현할 수 있다. 이와 같은 패턴 커패시터는 패널에 대한 터치행위를 아날로그적으로 감지하는 센싱 채널로 기능한다.
상기 터치스크린 컨트롤러 IC(100)는 상기 터치스크린부(200)의 패턴 커패시터와 병렬적으로 연결되어 상기 패턴 커패시터의 커패시턴스 변화를 감지하여 접촉 판단의 디지털 신호를 출력한다.
구체적으로 상기 터치스크린 컨트롤러 IC(100)는 바람직한 일실시예로서 도 1에서 보는 바와 같이, 드라이빙 신호 송신부(130), 전압증폭부(110), 전류증폭부(120), 비교기부(140), 카운터부(150)으로 구성된다.
도 2는 앞서 설명한 대로, 터치에 의한 전하 공유 현상을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 OTA 회로를 이용한 커패시턴스 센싱 회로를 나타내는 개념도이고, 도 3b는 도 3a의 각 노드에 따른 전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 3a와 도 3b에 따르면, Rx 노드로부터 입력된 센싱 전압은 먼저 Cs 커패시터에 샘플링되며, 샘플링된 센싱 전압은 OTA(301)를 통해 전류값으로 변환된다. OTA(301)는 레퍼런스 전압 VCAL과 센싱 전압의 차이가 클수록 OTA(301)의 출력 전류는 커지게 되는 특징을 갖는다.
OTA(301)의 출력 노드는 OTA(301)가 포화영역에서 충분히 동작할 수 있도록 OTA(301) 출력이 발생하기 전 MOSFET의 문턱(threshold) 전압인 VINT로 미리 충전되어야 한다. /RST 신호에 의해 스위치가 열리면 OTA(301)의 출력 전류는 CL 커패시터에 충전되며, VL 노드의 전압이 증가한다.
VL 노드의 전압이 비교기(303)의 기준 전압인 VCMP에 도달하게 되면 DATA 노드의 출력이 하이(high)가 되고 RST 신호가 하이인 시점부터 시작된 카운터부(150)의 카운트는 이 때 카운트 동작을 멈춘다. 따라서 이 카운트 값의 변화에 따라 터치 유무를 판단한다.
도 3a와 도 3b에서와 같이, 터치(touch)가 발생하면 OTA(301)에 입력되는 센싱 전압의 크기는 감소하고, 언터치(un-touch) 상태보다 상대적으로 VCAL과 전압차이가 커짐에 따라 OTA(301)의 출력 전류는 증가하며, 결과적으로 카운트값이 감소한다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 CDS 회로가 추가된 커패시턴스 센싱 회로를 나타내는 개념도이고, 도 4b는 도 4a의 입력과 출력에서의 전압변화를 나타내는 그래프이다.
도 3a와 도 3b에서 설명한 커패시턴스 센싱 블록에 있어서 터치 유무에 따른 센싱 노드의 전압 차이가 너무 작을 경우 카운트의 변화량 또한 작아져 디지털 블록에서 터치 유무를 판단하기 어려워질 가능성이 있다. 따라서 도 4a에서처럼, 실제 터치에 따른 전압 변동폭인 ΔVIN을 증폭하여 터치 유무의 판단이 보다 용이할 수 있도록 CDS(Offset free Correlated Double Sampling) 회로를 응용한 입력 전압증폭부(110)를 추가하여 커패시턴스 센싱 회로의 기능을 강화한다.
다음의 [수학식 1]은 입력전압 VIN과 출력전압 VOUT간의 전하량 보존 법칙에 따른 관계식을 나타낸다.
Figure pat00001
센싱 노드의 입력전압 VIN에 대해 입력 전압증폭부(110)는 커패시턴스 C1 , C2의 비율에 따라 입력전압 VIN에 대한 출력전압 VOUT이 결정되며, 터치스크린상에서 터치, 언터치 조건에 따라 미세하게 변동되는 수 mV 수준의 전압 변동폭을 증폭시킨다.
입력 전압증폭부(110)는 OTA(301)의 앞 단에 위치하며, 증폭된 센싱 노드의 전압을 OTA(301)에 전달하여 터치 유무에 따른 카운트 데이터의 차이를 증가시킨다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 터치스크린 컨트롤러 IC의 각각의 단일 센싱 블록이 쌍으로 구성되는 개념도이다. 즉 드라이빙 신호를 생성하는 Tx 블록과 커패시턴스의 변화량을 감지하는 Rx 블록의 쌍으로 구성된다. 따라서 터치스크린 컨트롤러 IC(100)와 연결된 터치스크린의 모든 센서 노드는 드라이빙과 센싱이 모두 가능하게 된다. 도 5에서는 총 N+2 개의 노드에서 드라이빙과 센싱이 가능하다. 한편 여기서 Tx 블록은 드라이빙 신호 송신부를 의미하며, Rx 블록은 전압증폭부(110), 전류증폭부(120) 및 비교기부(140)를 포함한다.
일반적으로 대부분의 터치스크린 컨트롤러 IC는 x 드라이빙(driving) 및 y 센싱(sensing) 또는 y 드라이빙(driving) 및 x 센싱(sensing)만을 수행하여 터치 유무를 판단한다. 그러나 본 발명에서는 Tx/Rx 블록이 쌍을 이루는 센싱 블록 구조적 특징으로 양방향 모두 드라이빙 및 센싱 동작의 수행이 가능하다.
터치 센서 패널의 제작 공정상의 오차로 인하여 패턴 커패시터의 크기는 이상적으로 같지 않다. 따라서 각각의 드라이빙 노드 및 센싱 노드별로 입출력되는 신호는 상이하게 된다. 본 발명과 같이 한 쌍의 스캐닝(scanning) 동작이 가능할 경우 이러한 터치 센서 패널의 공정 오차 보상이 일부 가능하므로 터치 센서 패널의 수율 향상을 도모할 수 있으며, 동일 지점의 터치 유무에 대한 양방향 센싱 데이터의 비교가 가능하므로 터치 컨트롤러 IC의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 터치스크린 컨트롤러 IC의 단일 센싱 블록의 구성를 나타내는 개념도이고, 도 6b는 도 6a의 전체적인 동작 시퀀스를 나타내는 그래프이다. 여기서 Cp(X)와 Cp(Y)는 각각 x축 패턴 커패시터 및 y축 패턴 커패시터를 나타내고, CT/UT는 터치여부에 따른 커패시턴스를 의미한다. T는 터치한 경우, UT는 언터치의 경우를 의미한다.
도 6a에서 Tx 블록은 드라이빙 신호 송신부를 의미하고, Rx 블록은 CDS회로, OTA(301) 및 비교기(303)을 포함한다. 상기 Tx 블록과 Rx 블록은 단일 센싱 블록으로 구성되어 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 Tx/Rx 블록이 쌍을 이루는 센싱 블록 구조적 특징으로 양방향 드라이빙 및 센싱 동작을 수행하는 개념도이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 터치스크린 컨트롤러IC 110: 전압증폭부
120: 전류증폭부 130: 드라이빙 신호 송신부
140: 비교기부 150: 카운터부
200: 터치스크린부 301: OTA
303: 비교기

Claims (9)

  1. 좌표에 따른 패턴 커패시터를 갖는 터치스크린부로부터 터치 유무를 판단하는 터치스크린 컨트롤러 IC에 있어서,
    드라이빙 신호를 생성하는 드라이빙 신호 송신부와,
    상기 터치스크린부로부터 입력된 센싱 전압에 따라 출력 전류를 제어하는 전류증폭부;
    상기 전류증폭부의 출력 전압을 기준 전압과 비교하는 비교기부;
    상기 전류증폭부의 출력 전압이 상기 기준 전압에 도달할 때까지 클럭을 카운트하는 카운터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류증폭부 앞 단에 위치하여 상기 센싱 전압을 증폭시키는 전압증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전류증폭부는 전압제어전류전원인 OTA(Operational Transconductance Amplifier)를 이용하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 OTA 출력 전압은 포화영역에서 충분히 동작할 수 있도록 OTA 출력 전압이 발생하기 전에 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)의 문턱(threshold) 전압으로 미리 충전되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 전압증폭부는 오프셋 프리 CDS(Offset free Correlated double sampling)회로를 이용하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 드라이빙 신호 송신부와;
    상기 전압증폭부, 상기 전류증폭부, 상기 비교기부 및 상기 카운터부;를 한 쌍의 단일 센싱 블록으로 구성하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 OTA 앞 단에서 상기 센싱 전압을 샘플링하는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 커패시터는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 한 쌍의 단일 센싱 블럭의 구조적 특징으로 터치스크린에 양방향으로 센싱과 드라이빙 동작이 가능한 것을 특징으로 하는 터치스크린 컨트롤러 IC.
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