KR20120121705A - 인셀 터치 패널 - Google Patents

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KR20120121705A
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Abstract

본 발명은 전극 구조를 변경하여 정전 용량 방식을 적용시 터치 전후 용량 차를 크게 하여 터치 감지 감도를 높일 수 있는 인셀 터치 패널에 관한 것으로, 서로 대향되며, 사이에 액정층을 구비한 제 1 기판 및 제 2 기판;과, 상기 제 1 기판 내면에, 서로 교차하여 화소 영역을 정의하는 게이트 라인과 데이터 라인과, 상기 화소 영역에 화소 전극과, 상기 게이트 라인 및 데이터 라인과 접속되어 상기 화소 전극을 구동하는 화소 박막트랜지스터, 상기 화소 전극과 오버랩하며 분할 패터닝된 공통 전극을 구비한 화소;와, 상기 제 2 기판의 배면에 센서 전극; 및 상기 화소와 상기 센서 전극 사이의 정전 용량과, 상기 센서 전극과 상기 센서 전극 상부의 터치 물체 사이의 정전 용량의 변화를 감지하여 센싱 신호를 출력하는 터치 센서를 포함하여 이루어지는 것에 그 특징이 있다.

Description

인셀 터치 패널 {In-cell Type Touch Panel}
본 발명은 터치 패널에 관한 것으로 특히, 전극 구조를 변경하여 정전 용량 방식을 적용시 터치 전후 용량 차를 크게 하여 터치 감지 감도를 높일 수 있는 인셀 터치 패널에 관한 것이다.
평판 표시장치의 구체적인 예로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계방출표시장치(Field Emission Display device: FED), 전기발광표시장치(Electro luminescence Display Device : ELD) 등을 들 수 있는데, 이들은 공통적으로 화상을 구현하는 평판 표시패널을 필수적인 구성요소로 하는 바, 평판 표시패널은 고유의 발광 또는 편광 물질층을 사이에 두고 한 쌍의 투명 절연기판을 대면 합착시킨 구성을 갖는다.
이 중 액정 표시장치는 전계를 이용하여 액정의 광 투과율을 조절함으로써 화상을 표시하게 된다. 이를 위하여, 화상 표시장치는 액정셀을 가지는 표시패널과, 표시패널에 광을 조사하는 백 라이트 유닛 및 액정셀을 구동하기 위한 구동회로를 포함하여 구성된다.
최근 이러한 표시 장치에, 사람의 손이나 별도의 입력 수단을 통해 터치 부위를 인식하고 이에 대응하여 별도의 정보를 전달할 수 있는 터치 패널을 부가하는 요구가 늘고 있다. 현재 이러한 터치 패널은 표시 장치의 외부 표면에 부착하는 형태로 적용되고 있다.
그리고, 터치 감지 방식에 따라, 저항 방식, 정전 용량 방식, 적외선 감지 방식 등으로 나뉘며, 제조 방식의 편이성 및 센싱력 등을 감안하여 소형 모델에 있어서는 최근 정전 용량 방식이 주목받고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 정전 용량 방식의 터치 패널을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 정전 용량 방식의 터치 패널의 터치 전후의 전기장이 걸리는 상태를 나타낸 단면도이며, 도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b에 대한 등가 회로도이다.
도 1a 및 도 2a와 같이, 종래의 정전 용량 방식의 터치 패널은 상호 정전 용량 방식을 채택한 것으로, 기판(10) 상에 서로 다른 방향으로 형성된 복수개의 구동 전극(13)(Tx)과 복수개의 센싱 전극(11)(Rx)을 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 구동 전극(13)과 센싱 전극(11)들의 사이의 층간에는 절연막(12)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 구동 전극(13)과 센싱 전극(11)은 평면적으로 서로 인접하게 배치한다. 이에 따라, 상기 구동 전극(13)(Tx: Txn, Txn +1)들에 차례로 전압을 인가하게 되면, 이와 인접하게 형성된 센싱 전극(11)(Rx)와의 사이에 프린지 필드(fringe field)가 발생하고, 이에 의해 정전 캐패시터(C0)가 걸린다.
도 1b 및 도 2b와 같이, 손가락이나 펜과 같은 터치물체에 의한 터치시에는, 상기 터치물체가 접지원으로 기능하여, 상기 센싱 전극(11)(Rx)과는 접촉 정전 용량 Cf가 형성되고, 상기 센싱 전극(11)과 구동 전극(13)간에 형성된 프린지 필드에 변화가 생겨 상기 센싱 전극(11)과 구동 전극(13)간의 형성된 정전 캐패시터의 값이 C0'로 변화하게 된다.
이에 따라, 터치시 상기 구동 전극(13)들에 차례로 구동 전압이 걸리면, 터치시 정전 용량 변화량(C0-C0')과 구동 전압의 크기에 비례하여 상기 센싱 전극(11)으로 센싱 신호가 출력된다.
이 경우, 출력 신호를 크게 하기 위해서는 터치시의 정전 용량 변화(C0-C0')를 크게 하여야 하나 도시된 종래의 정전 용량 방식의 터치 패널 구조에 있어서는, 센싱 전극과 구동 전극과의 프린지 필드를 이용한 방식으로, 실제로 도시된 바와 같은 상기 구동 전극과 센싱 전극간의 상호 정전 용량 값은 프린지 필드의 영향이 작아 검출되는 정전 용량 값이 작아 터치 감도가 낮은 문제점이 있다.
또한, 이와 같이, 터치 감도가 낮을 경우에는 구동 전극 및 센싱 전극이 길어지는 대형 터치 패널에는, 전극의 구동 전압의 인가에서 멀어질수록 로드(load)가 커져 로드 값에 대비한 터치시의 상호 정전 용량 값의 변화의 값이 작아 터치 감지의 신뢰성이 떨어진다.
상기와 같은 종래의 정전 용량 방식의 터치 패널은 다음과 같은 문제점이 있다.
최근 이용하는 정전 용량 방식은 멀티 터치를 인식하기 위해 상호 정전 용량 감지 방식을 이용하고 있다.
이 경우, 구동 전극(Tx)에 구동 전압을 인가하면 센싱 전극(Rx)에 터치시의 센싱 전압이 출력된다. 터치시 손과 각 전극의 정전 용량이 생성되고, 프린지 필드(fringe field)의 변화에 의해 구동 전극과 센싱 전극 사이에 형성된 초기 정전 용량(C0)이 감지 정전 용량(C0') 값으로 변화된다. 따라서, 터치시 구동 전극에 구동 신호가 인가되면, 터치시 정전 용량 변화량과 구동 전압의 크기에 비례하여 센싱 전극으로 센싱 신호가 출력된다. 현재 사용되는 대부분의 터치 전극은 프린지 필드를 이용한 방식으로, 이 때 형성되는 상호 정전 용량 값은 구동 전극과 센싱 전극 사이의 인접 부분에 사이에 걸리는 프린지 필드의 영향이 작아 검출되는 정전 용량 값이 작아 터치 감도가 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 이와 같이, 터치 감도가 낮을 경우에는 구동 전극 및 센싱 전극이 길어지는 대형 터치 패널에는 터치 여부 신뢰도의 감소로 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 전극 구조를 변경하여 정전 용량 방식을 적용시 터치 전후 용량 차를 크게 하여 터치 감지 감도를 높일 수 있는 인셀 터치 패널을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인셀 터치 패널은 서로 대향되며, 사이에 액정층을 구비한 제 1 기판 및 제 2 기판;과, 상기 제 1 기판 내면에, 서로 교차하여 화소 영역을 정의하는 게이트 라인과 데이터 라인과, 상기 화소 영역에 화소 전극과, 상기 게이트 라인 및 데이터 라인과 접속되어 상기 화소 전극을 구동하는 화소 박막트랜지스터, 상기 화소 전극과 오버랩하며 분할 패터닝된 공통 전극을 구비한 화소;와, 상기 제 2 기판의 배면에 센서 전극; 및 상기 화소와 상기 센서 전극 사이의 정전 용량과, 상기 센서 전극과 상기 센서 전극 상부의 터치 물체 사이의 정전 용량의 변화를 감지하여 센싱 신호를 출력하는 터치 센서를 포함하여 이루어지는 것에 그 특징이 있다.
터치 센싱시 상기 터치 센서로 센싱 구동 전압을 공급하는 센서 구동 배선과, 상기 터치 센서로부터 센싱 신호를 출력하는 리드 아웃 배선을 더 구비할 수 있다.
상기 센서 구동 배선과 상기 리드 아웃 배선 중 적어도 하나는 상기 게이트 라인 또는 상기 데이터 라인과 동일층의 금속이다. 경우에 따라, 상기 센서 구동 배선은 상기 게이트 라인과 동일층에 동일 금속으로 형성되며, 상기 리드 아웃 배선은 상기 데이터 라인과 동일층에 동일 금속으로 형성될 수 있다.
상기 공통 전극은 터치센싱시와 디스플레이시를 나누어 구동하며, 디스플레이시는 공통 전압이 인가된다.
또한, 상기 센서 구동 배선은 상기 게이트 라인과 공유될 수도 있다.
상기 공통 전극은, 서로 교번하여 이격 배치된 제 1 공통 전극 및 제 2 공통 전극을 포함하며, 상기 제 1, 제 2 공통 전극은 각각 다수의 화소 단위로 배치된다.
상기 센서 전극은 상기 제 1 공통 전극 하나와 그 양측의 제 2 공통 전극의 일부와 오버랩되는 섬상이다.
상기 제 1 공통 전극 및 상기 제 2 공통 전극은 하나 이상의 슬릿을 포함한다.
여기서, 상기 제 1 공통 전극은 센서 구동 배선과 접속되며, 상기 제 2 공통 전극은 리드 아웃 배선과 접속될 수 있다. 상기 리드 아웃 배선과, 상기 제 1, 제 2 공통 전극 사이에 보호막이 더 구비되며, 상기 센서 구동 배선과 상기 제 1, 제 2 공통 전극 사이에 게이트 절연막 및 보호막의 적층체가 더 구비될 수 있다.
이 경우, 상기 화소와 상기 센서 전극간의 정전 용량은, 상기 제 1 공통 전극과 상기 센서 전극간의 정전 용량과, 상기 제 2 공통 전극과 센서 전극간의 정전 용량의 합이다.
한편, 상기 공통 전극은 상기 센서 구동 배선을 경계로 나누어지도록 분할 배치될 수 있다. 이 때, 상기 공통 전극은 상기 리드 아웃 배선과 접속된다. 이 경우, 상기 센서 전극은 상기 공통 전극들과 교차하는 방향으로 형성되며, 그 중앙에 하나의 공통 전극의 세로 폭 전체와, 양옆의 인접한 공통 전극의 세로 폭 일부가 오버랩된 섬상이다. 여기서, 상기 화소와 상기 센서 전극간의 정전 용량은, 상기 센서 구동 배선과 상기 센서 전극간의 정전 용량과, 상기 공통 전극과 센서 전극간의 정전 용량의 합이다.
상기 센서 전극은 플로팅 상태이다.
그리고, 상기 센서 전극과 터치 물체 사이에 보호 기재가 더 구비될 수 있다. 상기 보호 기재는 글래스 또는 투명 필름일 수 있다.
또한, 상기 제 2 기판의 배면에 편광판이 더 구비되며, 상기 편광판 상부에, 상기 센서 전극이 부착될 수 있다.
경우에 따라, 상기 편광판 상에 투명 보호필름이 더 구비되며, 상기 투명 보호 필름 상에 상기 센서 전극이 패터닝되어 형성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 인셀 터치 패널은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 플레이트형의 센서 전극을 센서 구동 전극(제 1 공통 전극)과 센서 감지 전극(제 2 공통 전극)과 오버랩하여 형성함으로써, 터치시 정전 용량 변화가 크므로 터치 감도가 우수한다.
둘째, 표시 패널 내에 추가적인 공정 스텝을 더하지 않고, 공통 전극 또는 배선을 그대로 센서 구동 전극과 센서 감지 전극으로 이용함으로써, 일반적인 인플레인 모드 또는 프린지 필드 모드를 이용하는 횡전계형 표시 패널의 생산 라인을 이용하여 본 발명의 인셀 터치 패널의 제조가 가능하다.
셋째, 추가적 공정 스텝이 요구되지 않아 일반적인 인플레인 모드 또는 프린지 필드 모드에서 요구되는 마스크 수를 늘리지 않을 수 있어, 저비용을 제작 가능하다.
넷째, 센서 구동 전극/센서 감지 전극과 센서 전극간의 정렬 정도가 틀어져도 상기 센서 전극과 센서 구동 전극/센서 감지 전극간의 오버랩 정도는 센서 전극 면적으로 결정되기 때문에, 터치 센싱시 정전 용량 변화 감도 변화에는 영향이 적어 균등한 품질의 터치 센서 제작이 가능하다.
다섯째, 셀프 정전 용량 방식으로 멀티 터치가 가능하다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 정전 용량 방식의 터치 패널의 터치 전후의 전기장이 걸리는 상태를 나타낸 단면도
도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b에 대한 등가 회로도
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널의 평면도
도 4는 도 3의 I~I' 선상의 구조 단면도
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 인셀 터치 패널의 터치 전후의 등가 회로도
도 6은 본 발명의 인셀 터치 패널의 타이밍 차트
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 인셀 터치 패널을 나타낸 평면도
도 8은 도 7의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널의, 센서 구동 전극부의 공정 평면도
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널의 센서 감지 전극의 공정 평면도
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 인셀 터치 패널에 따라 세개의 전극을 적용한 실험예를 나타낸 도면
도 12는 2개의 전극을 적용시 편광판 두께 변화에 따른 터치 전후의 정전 용량 변화를 나타낸 그래프
도 13은 도 11a 및 도 11b에 따른 편광판 두께 변화에 따른 터치 전후의 정전 용량 변화를 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 인셀 터치 패널을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 인셀 터치 패널(In-cell Type Touch Panel)은 상기 센서 구동 전극과 센서 감지 전극을, 복수개의 화소를 구비한 TFT 어레이 기판의 내면에 구비하며, 상기 센서 구동 전극과 센서 감지 전극과 오버랩하는 센서 전극을 컬러 필터 어레이 기판의 배면측에 형성하는 것이다. 즉, 플레이트 상의 센서 전극을 더 구비함에 의해, 센서 구동 전극과 센서 감지 전극에 의해 발생한 터치 전후의 정전용량 변화를 크게 하여 터치 센싱 감도를 향상시킨 것이다. 특히, 상기 센서 구동 전극과 센서 감지 전극은 TFT 어레이의 공통 전극 또는 배선을 직접 이용하거나 이들과 동층에 패터닝하여 형성하는 것으로, TFT 어레이에 포함되는 구성으로, 추가적인 공정을 요구하지 않고, 형성이 가능하다.
한편, 상기 TFT 어레이를 포함한 제 1 기판을 TFT 어레이 기판이라고 하며, 블랙 매트릭스층 및 컬러 필터층을 포함한 제 2 기판을 컬러 필터 어레이 기판이라고 한다.
이하에서는 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
*제 1 실시예*
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널의 평면도이며, 도 4는 도 3의 I~I' 선상의 구조 단면도이다.
도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널은 서로 대향되며 사이에 액정층(150)을 구비한 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(120)과, 상기 제 1 기판(110) 내면에 구비된 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)과, 상기 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)에 각각 접속된 센서 구동 배선(141) 및 리드 아웃 배선(142)과, 상기 제 2 기판(120)의 배면에 형성된 센서 전극(123)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 정전 용량은 상기 센서 전극(123)을 기준(노드 A로 정의)으로 하여 3개 발생하는데, 각각 센서 구동 전극(113)과 센서 전극(123) 사이의 Cx와, 센서 감지 전극(114)과 센서 전극(123) 사이의 Cy와, 터치 물체와 상기 센서 전극(123) 사이의 Cf가 있으며, 이들의 합으로 정전 용량이 정의된다. 또한, 터치 전후로 이들의 용량 변화가 발생하며, 이를 감지하여 터치 여부를 검출할 수 있는 것이다.
한편, 상기 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)은 제 1 기판(110) 상에 형성되는 TFT 어레이의 공통 전극 또는 배선을 직접 이용하거나 이들과 동층에 패터닝하여 형성하는 것으로, TFT 어레이에 포함되는 구성이다. 따라서, 별도의 층을 두지 않고 터치 검출을 위한 센서 구동 전극과 센서 감지 전극을 제 1 기판(110) 내에 구비가 가능하여, 스텝 증가 및 비용 증가를 방지할 수 있다.
상기 TFT 어레이는, 서로 교차하여 화소 영역을 정의하는 게이트 라인(도 9a 및 도 10a의 171 참조)과 데이터 라인(도 9d 및 도 10d의 153 참조)과, 상기 화소 영역에 화소 전극(112)과, 상기 게이트 라인 및 데이터 라인과 접속되어 상기 화소 전극을 구동하는 화소 박막트랜지스터(도 9f 및 도 10f의 TFT 참조), 상기 화소 전극(112)과 오버랩하며 분할 패터닝된 공통 전극을 구비한 화소를 포함한다.
도시된 도면은 예를 들어, 화소 전극(112)과 공통 전극간의 프린지 필드(fringe field)를 이용하는 구조로서, 여기서 공통 전극이 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)으로 분할하여 패터닝된 것이다. 상기 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)은 투명 도전막을 패터닝하여 형성된 것으로, 상기 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)은 서로 이격되어 있다.
그리고, 상기 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)과 각각 접속하는 센서 구동 배선(141) 및 리드 아웃 배선(142)은 서로 교차로 배열된다. 각각 센서 구동 배선(141)은 게이트 라인과 동일층이며, 리드 아웃 배선(142)은 데이터 라인과 동일층이다.
상기 센서 구동 배선(141)은 게이트 라인과 같이 순차 구동하도록 센서 구동 드라이버(미도시)와 연결되며, 리드 아웃 배선(142)은 리드 아웃 드라이버(미도시)와 연결되어, 센싱 신호를 검출한다. 이 경우, 리드 아웃 배선(142)은 상기 센서 전극(123)과 터치 물체 사이의 센서 정전 용량(Cf)과, 상기 센서 전극(123)과 센서 구동 전극(142) 및 센서 감지 전극(143)과의 각각 형성된 제 1, 제 2 정전 용량(Cx, Cy)의 커플링 정전 용량으로 생성된 전압 변화 또는 전하 변화량을 검출한다.
한편, 상기 센서 구동 배선(141)은 게이트 라인과 공유되어 같은 라인으로 형성될 수도 있다.
이러한 인셀 터치 패널에 있어서는, 상기 센서 전극(123)은 섬상으로 별도의 전압 인가 없이 플로팅(floating) 상태를 유지한다.
한편, 공통 전극이 분할 패터닝된 상기 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)은 각각 다수 화소 단위로 배치될 수 있다. 여기서, 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)은 동일한 방향으로 길게 형성되며 서로 이격되며 배치되며, 상기 센서 전극(123)은 상기 센서 감지 전극(114) 하나와 그 양측의 센서 구동 전극(113)의 일부와 오버랩되는 섬상이다.
경우에 따라, 센서 전극(123)은 상기 센서 구동 전극(113) 하나와 그 양측의 센서 감지 전극(114)의 일부와 오버랩되는 섬상으로 형성할 수도 있다.
상기 센서 전극(123) 하나가 차지하는 면적은 상기 표시 패널의 화소에 형성되는 터치 센서의 단위에 일치시켜 형성한다. 이는 일 터치 면적에 대응하는 것으로, 복수개의 화소에 대응되며, 규칙적으로 배치된다.
상기 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)은 디스플레이 구동시 원활한 횡전계를 조성하기 위해, 각각 플레이트 내에 복수개의 평행한 슬릿을 구비한 형태일 수 있다 (도 9f 및 도 10f 참조).
한편, 상기 제 1 기판(110) 상에 상기 게이트 라인/센서 구동 배선(141) 상에는 이들을 덮으며 게이트 절연막(111)에 형성되며, 상기 게이트 절연막(111) 상에는 데이터 라인(153)/리드 아웃 배선(142)이 형성되며, 상기 데이터 라인(153)/ 리드 아웃 배선(142)과 화소 전극(112)을 덮으며 보호막(116)이 형성된다.
상기 센서 구동 배선(141)과 상기 센서 구동 전극(113) 사이의 보호막(116), 및 게이트 절연막(111)에는 제 1 콘택홀(161)이 형성된다. 또한, 상기 리드 아웃 배선(142)과 상기 센서 감지 전극(114) 사이의 보호막(116) 및 게이트 절연막(111)에는 제 2 콘택홀(162)이 형성된다.
여기서, 상기 제 1 콘택홀(161) 및 제 2 콘택홀(162)의 배치는 센서 구동 전극과 센서 감지 전극으로 이용하는 층 및 성분에 따라 달라질 수 있을 것이다. 또한, 상기 제 1 콘택홀(161), 제 2 콘택홀(162)의 구비는 센서 구동 전극과 센서 감지 전극의 저항을 줄이기 위해 금속과의 콘택을 하는데 의의가 있다.
한편, 도시된 예에서 디스플레이 구동은, 센서 구동 전극과 센서 감지 전극으로 분할된 공통 전극이 화소 전극들을 덮는 프린지 필드 모드로 이용되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 인 플레인 스위칭 모드(IPS mode: In-Plane Switching mode)로도 적용될 수 있다. 인플레인 스위칭 모드의 경우, 화소 전극과 공통 전극은 교번하여 위치하며, 이들 전극들이 센서 구동 전극 및 센서 감지 전극으로 이용될 수 있다.
상기 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)은 터치센싱시와 디스플레이 구동시를 나누어 구동한다. 디스플레이 구동시는 공통 전압이 인가되며 터치 센싱시에는 분할된 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)에 구동 전압 인가와 센싱 전압 출력을 나누어 수행한다.
본 발명의 인셀 터치 패널은, 표시 패널 내에 터치 감지 기능을 갖는 터치 센서가 내장된 것으로, 여기서 터치 센서는 상기 제 2 기판(120)의 배면에 센서 전극(123)과 표시패널 내의 화소와의 정전 용량과, 상기 센서 전극(123)과 상기 센서 전극(123) 상부의 터치 물체(미도시) 사이의 정전 용량(ΔCm)의 변화를 감지하여 센싱 신호를 출력하는 기능을 갖는다.
제 2 기판(120)의 내면에는 도시되지 않았지만 블랙 매트릭스층 및 컬러 필터층이 더 포함된다. 또한, 상기 액정층(150)의 두께를 유지하기 위해 제 1 기판(110)과 제 2 기판(120) 사이에 칼럼 스페이서(미도시)를 더 구비할 수 있다.
그리고, 상기 센서 전극(123)은 상기 제 2 기판(120)의 배면측에 형성되는데, 편광판(121) 상부에 형성된다.
바람직하게는 상기 편광판(121)의 보호를 위해, 상기 편광판(121) 상에 투명 보호필름(122)를 더 부착한 후, 투명 도전막을 패터닝하여 센서 전극(123)을 형성한다.
또한, 상기 센서 전극(123) 상부와 터치 물체 사이에는 보호 기재(130)가 더 구비될 수 있다. 상기 보호 기재(130)는 강화 유리와 같은 글래스 또는 투명 필름이다. 이러한 보호 기재(130)는 사용자의 지속적인 터치에 의해서도 하부 표시 패널을 보호할 수 있을 정도로 충분히 내구성을 갖고, 하부로부터 디스플레이되는 화상의 영향이 없도록 투과율이 높은 재료에서 선택될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 인셀 터치 패널의 터치 전후의 등가 회로도이며, 도 6은 본 발명의 인셀 터치 패널의 타이밍 차트이다.
도 5a와 같이, 본 발명의 인셀 터치 패널은 터치 전에는 상기 센서 전극(123)을 노드 A로 하였을 때, 노드 A와 센서 구동 전극에 정전 용량 Cx과, 노드 A와 센서 감지 전극 사이에 Cy가 형성된다. 각각 센서 구동 전극은 오버랩하는 센서 구동 배선에 접속되어 있고, 센서 감지 전극은 오버랩하는 리드 아웃 배선에 접속한 상태이다.
그리고, 5b와 같이, 터치시에는 터치 물체(예를 들어, 손가락)와 노드 A와의 사이에 센서 정전 용량 Cf가 형성된다.
도 6을 참조하면, 센서 구동 전압을 경우, 센서 감지 전극과 연결된 리드 아웃 배선에는 Cx 및 Cy의 커플링 정전용량(coupling capacitance)에 의해 노드 A의 전압 변화가 감지된다. 터치를 하는 경우, 노드 A와 센서 전극(123) 사이에 센서 정전 용량 Cf이 형성되므로, 센서 구동 전압이 인가되는 경우, 노드 A의 전압은 상기 센서 정전 용량 Cf에 의해 전압 변화량이 줄어들게 되며, 이를 감지하여 터치 위치를 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b의 등가 회로로부터 센서 구동 전압이 센서 구동 배선에 인가되는 경우, 터치 전후에 있어서, 리드 아웃 배선에 유도되는 전하량은 다음의 수학식과 같이 구할 수 있다. 여기서, Vsl은 센서 구동 배선에 인가되는 로우 전압이며, Vsh은 센서 구동 배선에 인가되는 하이 전압이다.
즉, 터치 전에는 수학식 1과 같이, 센서 전극과 화소와의 정전 용량 합으로 전하량이 결정된다.
Figure pat00001
또한, 터치 후에는 센서 전극과 터치 물체와의 센서 정전 용량(Cf)가 더 발생하여, 이 때의 전하량은 다음 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
따라서, 터치 전후의 정전용량 변화는 수학식 3과 같이 결정된다.
Figure pat00003
Cx와 Cy를 같게 설계하고, 터치 물체와 리드 아웃 배선 또는 센서 구동 배선과의 정전용량을 C0(셀프 정전 용량)라고 하는 경우, 수학식 4와 같이 정전용량 변화량을 갖는다.
Figure pat00004
이러한 결과는 터치시 정전용량 변화량이 셀프 정전 용량의 절반까지 변화하게 되어 터치 감도를 올리고 노이즈를 줄이는데 적합함을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 인셀 터치 패널에 있어서는, 회로적으로 제 1 기판(TFT 어레이 기판) 상에 다수의 센서 구동 배선이 형성되고, 센서 구동 배선과 수직으로 다수의 리드 아웃 배선이 교차하여 형성되며, 상기 센서 구동 배선과 리드 아웃 배선이 교차하는 곳에 센서 전극이 형성되고, 상기 센서 구동 배선(또는 센서 구동 전극)과 센서 전극 사이에 절연막이 구비되어 제 1 정전 용량(Cx)이 형성되며, 상기 리드 아웃 배선(또는 센서 감지 전극)과 센서 전극 사이에 절연막이 구비되어 제 2 정전 용량(Cy)이 형성된다.
또한, 상기 센서 전극(123) 상에는 보호 기재(130)가 더 구비되어 터치시 상기 센서 전극(123)과 터치 물체와의 사이에 센싱 정전 용량이 형성된다.
그리고, 본 발명의 인셀 터치 패널의 구동 방법은 다음과 같다.
상기 복수개의 센서 구동 배선에는 위에서부터 혹은 아래에서부터 순차적으로 센서 구동 신호가 인가되며, 상기 센서 구동 신호 공급시 상기 제 1 정전용량(Cx)과 상기 센서 정전 용량(Cf)과 상기 제 2 정전 용량(Cy)의 커플링 정전 용량의 의해 생성된 전압 변화 또는 전하 변화량을 상기 리드 아웃 배선에 연결된 리드 아웃 드라이버를 통해 읽어들여 터치 여부 및 터치 위치를 검출하는 것이다.
*제 2 실시예*
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 인셀 터치 패널을 나타낸 평면도이며, 도 8은 도 7의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도이다.
도 7 및 도 8과 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 인셀 터치 패널은 서로 교차 배치된 센서 구동 배선(211)과 리드 아웃 배선(241)에 있어서, 센서 감지 전극만(215)을 상기 리드 아웃 배선(241)과 접속하도록 상기 센서 구동 배선(211)을 경계로 나누어지도록 분할 배치한 것이다. 이 경우, 센서 감지 전극(215)은 화소 전극(213)과 프린지 필드를 형성하는 공통 전극을 분할 패터닝하여 형성된 것이며, 별도의 센서 구동 전극은 형성하지 않는다. 즉, 센서 구동 배선(211)이 센서 구동 전극의 기능을 겸하는 것이다.
앞서 설명한 제 1 실시예와 마찬가지로, 디스플레이 구동시 상기 센서 감지 전극(215)에는 공통 전압이 인가되며, 터치 구동시에 상기 센서 구동 배선(211)에는 펄스 전압이 하나의 센서 전극으로 오버랩되는 센서 구동 배선(211)들에 동시에 인가되어 센싱 신호가 리드 아웃 배선(241)으로 인식된다.
여기서, 상기 센서 구동 배선(211)이 게이트 라인일 경우에는, 터치 센싱시 상기 게이트 라이에 게이트 로우 전압(Vgl)이 인가된다.
한편, 상기 센서 전극(223)은 상기 센서 구동 배선(211)과 교차하는 방향으로 형성되며, 그 중앙에 하나의 센서 감지 전극(215)의 세로 폭 전체와, 양옆의 인접한 센서 감지 전극의 세로 폭 일부가 오버랩된 섬상이다. 즉, 플로팅 상태로 센서 전극(223)에 전압은 인가되지 않는다.
제 1 기판(210) 상에 센서 구동 배선(211)과 화소 전극(213) 사이에 절연막(212)은 앞서 설명한 게이트 절연막일 수 있다.
그리고, 상기 화소 전극(213)과 상기 센서 감지 전극(215) 사이에는 보호막(214)이 형성된다.
한편, 설명하지 않은 제 2 기판(220), 편광판(221), 보호필름(222) 및 보호기재(230)은 상술한 제 1 실시예와 동일하므로 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 인셀 터치 패널의 제조 방법에 대해 살펴본다. 이하에서는 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널에 대해 소개하지만, 다른 실시예들에 있어서도 센서 구동 전극 및 센서 감지 전극의 배치 등을 바꾸어 유사한 공정으로 적용 가능할 것이다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널의, 센서 구동 전극부의 공정 평면도이며, 도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 인셀 터치 패널의 센서 감지 전극의 공정 평면도이다.
도 9a 및 10a와 같이, 제 1 기판 상에 금속을 패터닝하여, 일 방향으로 길게 연장된 복수개의 게이트 라인(171) 및 센서 구동 배선(141)을 형성한다. 게이트 라인(171)은 게이트 전극(171a)이 돌출되며, 센서 구동 배선(141)은 센서 구동 콘택 전극(141a)이 돌출 형성된다.
이어, 게이트 절연막(111)을 전면 형성한다.
도 9b 및 도 10b와 같이, 반도체층을 패터닝하여 상기 게이트 전극(171a)과 오버랩된 반도체층 패턴(151)을 형성한다.
도 9c 및 도 10c와 같이, 상기 게이트 절연막(111) 상에 투명 도전막을 패터닝하여, 각 화소 영역에 화소 전극(152)을 형성한다.
도 9d 및 도 10d과 같이, 상기 화소 전극(152)을 포함한 게이트 절연막(111) 상에 금속을 증착한 후 이를 패터닝하여 상기 게이트 라인과 교차하는 각 화소 영역을 정의하는 데이터 라인(153) 및 이와 평행한 리드 아웃 배선(142)을 형성한다. 여기서, 상기 데이터 라인(153)으로부터 상기 게이트 전극(171a)이 오버랩된 부위로 돌출되어 'C'자형의 소오스 전극(152a)과 이와 이격된 드레인 전극(153b)이 함께 형성된다. 상기 드레인 전극(153b)은 상기 화소 전극(152)과 전기적으로 접속된다.
이 때, 상기 데이터 라인은 상기 게이트 라인과 교차하여 단위 화소를 구분하는 배치로 형성되며, 상기 리드 아웃 배선(142)은 복수개의 화소마다 형성된다. 그리고, 상기 리드 아웃 배선(142)은 일측에 리드 아웃 콘택 전극(142a)이 돌출되어 구비된다.
이어, 보호막(116)을 상기 데이터 라인(153)/리드 아웃 배선(142)이 포함된 게이트 절연막(111) 상에 전면 형성한다.
도 9e 및 도 10e과 같이, 상기 보호막(116), 게이트 절연막(111) 및 게이트 절연막(111)을 패터닝하여, 상기 센서 구동 콘택 전극(141a)을 노출하는 제 1 콘택홀(161)과, 상기 센서 감지 콘택 전극(142a)을 노출하는 제 2 콘택홀(162)를 형성한다. 여기서, 상기 제 2 콘택홀(162)은 도 10e와 같이, 상기 보호막(116)만을 패터닝하여 정의되며, 상기 제 1 콘택홀(161)은 상기 보호막(116) 및 게이트 절연막(111)을 관통하여 상기 센서 구동 배선(141)이 노출되도록 패터닝하여 정의된다.
이어, 투명 도전막을 전면 증착한 후 이를 패터닝하여 도 9f와 같이, 상기 센서 구동 콘택 전극(141a)과 상기 제 1 콘택홀(161)을 통해 접속하는 센서 구동 전극(113)과 도 10f과 같이, 상기 리드 아웃 콘택 전극(142a)과 상기 제 2 콘택홀(162)을 통해 접속하는 센서 감지 전극(114)을 형성한다.
이 때, 상기 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)은 복수개의 슬릿은 화소 내에 포함할 수 있을 것이다.
한편, 이와 같은 공정을 통해 게이트 라인(171)과 데이터 라인(153)의 교차부에 각 화소별로 상기 게이트 전극(171a), 반도체층 패턴(151), 소오스 전극(153a) 및 드레인 전극(153b)으로 이루어진 화소 박막트랜지스터(TFT)(도 9f 및 도 10f 참조)가 형성된다.
이하, 본 발명의 인셀 터치 패널에서 향상되는 정전 용량 변화를 다음의 실험으로 검토해본다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 인셀 터치 패널에 따라 세개의 전극을 적용한 실험예를 나타낸 도면이다. 이하의 실험에서는 편의를 위해 개략적으로 액정층과 표시 패널 내에 포함되는 어레이의 구성을 생략하여 나타내어 진행하였다.
도 11a와 같이, 개략적으로 본 발명의 인셀 터치 패널은 서로 인접한 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)이 글래스 기판(GLS)(1000) 상에 배치되며, 상기 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)을 덮도록 편광판(POL)이 배치되며, 상기 편광판(POL) 상에 상기 센서 구동 전극(113)과 센서 감지 전극(114)과 오버랩하며 센서 전극(123)이 구비된다. 그리고, 상기 센서 전극(123)을 덮으며, 보호기재(PT)가 배치된다.
여기서, 터치 물체(180)는 5mm의 폭으로 도시되었고, 편광판(POL)은 0.22mm의 두께로 선택되어 실험되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
터치 전에는 도 11a와 같이, 상기 센서 전극(123)이 플로팅 상태를 유지하다가, 터치시에는 도 11b와 같이, 터치 물체(180)가 접지원으로 작용하여 터치 전에 비해 상기 센서 전극(123)을 노드 A로 할 때, 노드 A의 정전용량 감소가 있다.
이를 그래프를 통해 살펴보면 다음과 같다.
도 12는 2개의 전극을 적용시 편광판 두께 변화에 따른 터치 전후의 정전 용량 변화를 나타낸 그래프이다.
2개의 전극을 적용하는 경우는 글래스 기판 상에 센서 구동 전극과 센서 감지 전극을 인접하게 배치시키고, 상기 센서 구동 전극 및 센서 감지 전극을 덮도록 편광판을 배치시킨다.
이 경우, 터치시 상기 편광판 상에 터치 물체가 접지원으로 작용하는 것이다.
도 12와 같이, 편광판의 두께에 따라 터치 전후 정전 용량차는 점점 줄어드는 경향을 보이는데, 초기 0.2mm~0.7mm 구간 사이에서 ΔCmu는 2.8pF에서, 2.0pF으로 줄어들고 편광판의 두께가 0.7mm 이상일 경우는 거의 2.0pF로 동일한 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 2개의 전극으로 형성되는 터치 센서를 구비한 표시 패널 상의 편광판의 두께가 0.7 mm이상인 경우 정전 용량차는 2.0pF 이상 얻기 힘듦을 의미한다. 즉, 실제 센싱 구동 전극과 센싱 감지 전극을 인셀 구조에서와 같이, TFT 어레이 기판 내에 2개의 전극으로 터치 센서를 구비하는 경우, 터치 물체와의 사이에는 적어도 글래스 기판과 편광판이 개재하여 이들의 두께의 합이 약 0.5mm 이상이 넘을을 고려하면, 터치 전후로 2.0pF 이상의 정전용량차를 구비하기 힘들다.
도 13은 도 11a 및 도 11b에 따른 편광판 두께 변화에 따른 터치 전후의 정전 용량 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 인셀 터치 패널은 터치 전후로 도 11a 및 도 11b와 같은 구조를 가지며, 이 경우, 상기 보호기재(PT), 센서 전극(123) 및 편광판(POL)의 두께의 합 t2가 터치 물체(180)와 센서 구동 전극(113) 및 센서 감지 전극(114)의 사이에 존재한다.
이 경우, 상기 두께 t2에 따른 정전용량차 ΔCmu는, 두께 t2가 약 0.4mm에서, 0.9mm로 증가할 때, 음의 기울기로 선형적으로 감소함을 나타낸다. 이 경우, 상기 두께 t2 내에 글래스 기판과 편광판이 구비되어 두께가 0.5mm를 넘는 경우에도, 이 때의 정전 용량 변화는 3.5pF에서 2.2p의 값을 나타내어, 본 발명의 인셀 터치 패널은 상술한 2개 전극 구조 대비 충분한 정전용량차의 증가를 보임을 알 수 있으며, 이로써 보다 정확한 터치 센싱을 기대할 수 있다.
상술한 본 발명의 인셀 터치 패널은, TFT 기판 상에 다수의 센서 구동 배선이 형성되고, 센서 구동 배선과 수직으로 다수의 리드 아웃 배선이 교차하여 형성되며, 상기 센서 구동 배선과 리드 아웃 배선이 교차하는 곳에 센서 전극이 형성되고, 상기 센서 구동 배선(또는 센서 구동 전극)과 센서 전극 사이에 절연막이 구비되어 제 1 정전 용량이 형성되며, 상기 리드 아웃 배선(또는 센서 감지 전극)과 센서 전극 사이에 절연막이 구비되어 제 2 정전 용량이 형성된다.
또한, 상기 센서 전극 상에는 절연체가 더 구비되어 터치시 상기 센서 전극과 터치 물체와의 사이에 센싱 정전 용량이 형성된다.
상기 센서 구동 배선에는 순차적으로 센서 구동 신호가 인가되며, 상기 센서 구동 신호 공급시 상기 제 1 정전용량과 상기 센싱 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 커플링 정전 용량의 의해 생성된 전압 변화 또는 전하 변화량을 상기 리드 아웃 배선에 연결된 리드 아웃 드라이버를 통해 읽어들여 터치 여부 및 터치 위치를 검출한다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110: 제 1 기판 111: 게이트 절연막
112: 화소 전극 113: 센서 구동 전극
114: 센서 감지 전극 116: 보호막
120: 제 2 기판 121: 편광판
122: 보호필름 123: 센서 전극
130: 강화 유리 141: 센서 구동 배선
141a: 센서 구동 콘택 전극 142: 리드 아웃 배선
142a: 리드 아웃 콘택 전극 144: 공통 라인
150: 액정층 151: 반도체층 패턴
153: 데이터 라인 153a: 소오스 전극
153b: 드레인 전극 161: 제 1 콘택홀
162: 제 2 콘택홀 171: 게이트 라인
171a: 게이트 전극

Claims (21)

  1. 서로 대향되며, 사이에 액정층을 구비한 제 1 기판 및 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 내면에, 서로 교차하여 화소 영역을 정의하는 게이트 라인과 데이터 라인과, 상기 화소 영역에 화소 전극과, 상기 게이트 라인 및 데이터 라인과 접속되어 상기 화소 전극을 구동하는 화소 박막트랜지스터, 상기 화소 전극과 오버랩하며 분할 패터닝된 공통 전극을 구비한 화소;
    상기 제 2 기판의 배면에 센서 전극; 및
    상기 화소와 상기 센서 전극 사이의 정전 용량과, 상기 센서 전극과 상기 센서 전극 상부의 터치 물체 사이의 정전 용량의 변화를 감지하여 센싱 신호를 출력하는 터치 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  2. 제 1항에 있어서,
    터치 센싱시, 상기 터치 센서로 센싱 구동 전압을 공급하는 센서 구동 배선과, 상기 터치 센서로부터 센싱 신호를 출력하는 리드 아웃 배선을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 센서 구동 배선과 상기 리드 아웃 배선 중 적어도 하나는 상기 게이트 라인 또는 상기 데이터 라인과 동일층의 금속으로 형성된 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 센서 구동 배선은 상기 게이트 라인과 동일층에 동일 금속으로 형성되며, 상기 리드 아웃 배선은 상기 데이터 라인과 동일층에 동일 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 공통 전극은 터치센싱시와 디스플레이시를 나누어 구동하며, 디스플레이 구동시는 상기 각 공통 전극에 공통 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 센서 구동 배선은 상기 게이트 라인과 공유됨을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 공통 전극은, 서로 교번하여 이격 배치된 제 1 공통 전극 및 제 2 공통 전극을 포함하며,
    상기 제 1, 제 2 공통 전극은 각각 다수의 화소 단위로 배치되는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 센서 전극은 상기 제 1 공통 전극 하나와 그 양측의 제 2 공통 전극의 일부와 오버랩되는 섬상인 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 공통 전극 및 상기 제 2 공통 전극은 하나 이상의 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 공통 전극은 센서 구동 배선과 접속되며, 상기 제 2 공통 전극은 리드 아웃 배선과 접속된 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 리드 아웃 배선과, 상기 제 1, 제 2 공통 전극 사이에 보호막이 더 구비되며,
    상기 센서 구동 배선과 상기 제 1, 제 2 공통 전극 사이에 게이트 절연막 및 보호막의 적층체가 더 구비된 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 화소와 상기 센서 전극간의 정전 용량은, 상기 제 1 공통 전극과 상기 센서 전극간의 정전 용량과, 상기 제 2 공통 전극과 센서 전극간의 정전 용량의 합인 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  13. 제 2항에 있어서,
    상기 공통 전극은 상기 센서 구동 배선을 경계로 나누어지도록 분할 배치되는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 공통 전극은 상기 리드 아웃 배선과 접속되는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 센서 전극은 상기 공통 전극들과 교차하는 방향으로 형성되며, 그 중앙에 하나의 공통 전극의 세로 폭 전체와, 양옆의 인접한 공통 전극의 세로 폭 일부가 오버랩된 섬상인 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 화소와 상기 센서 전극간의 정전 용량은, 상기 센서 구동 배선과 상기 센서 전극간의 정전 용량과, 상기 공통 전극과 센서 전극간의 정전 용량의 합인 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 전극은 플로팅 상태인 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 전극과 터치 물체 사이에 보호 기재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 보호 기재는 글래스 또는 투명 필름인 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 배면에 편광판이 더 구비되며,
    상기 편광판 상부에, 상기 센서 전극이 부착되는 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 편광판 상에 투명 보호필름이 더 구비되며,
    상기 투명 보호 필름 상에 상기 센서 전극이 패터닝되어 형성된 것을 특징으로 하는 인셀 터치 패널.
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