KR20130033641A - 터치 센서 내장형 표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 기판 상에 형성되는 다수의 게이트라인; 상기 게이트라인과 나란한 방향으로 형성되는 다수의 Tx 전극라인; 제1 절연막을 사이에 두고 상기 게이트라인 상에서 상기 게이트라인과 교차되게 형성되는 다수의 데이터라인; 각각의 TFT를 통해 상기 데이터라인에 접속되는 다수의 화소전극; 및 제2 절연막을 사이에 두고 상기 화소전극 상에 패터닝되며, 디스플레이 기간에서 공통전극으로 기능하고 터치 센서 구동 기간에서 Rx 전극라인으로 기능하는 다수의 공통전극 패턴을 구비하고; 상기 터치 센서 구동 기간에서 상기 화소전극과 상기 Tx 전극라인 사이에 제1 정전용량을 형성시키고, 상기 화소전극과 상기 공통전극 패턴 사이에 제2 정전용량을 형성시키며, 터치하는 물체와 상기 화소전극 사이에 제3 정전용량을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

Description

터치 센서 내장형 표시장치{TOUCH SENSOR INTEGRATED TYPE DISPLAY}
본 발명은 터치 센서 내장형 표시장치에 관한 것이다.
가전기기나 휴대용 정보기기의 경량화, 슬림화 추세에 따라 유저 입력 수단이 버튼형 스위치에서 터치 스크린으로 대체되고 있다. 디스플레이 장치에 적용되는 터치 스크린은 다수의 터치센서들을 포함한다. 터치센서들은 표시패널 내에 인셀 타입(In-cell type)으로 내장되거나 또는 표시패널에 결합될 수 있다. 인셀 타입의 터치센서들로는 정전 용량 변화가 일어난 위치를 감지하여 터치된 부분을 감지하는 정전용량 방식(capacitive type)이 널리 쓰이고 있다.
정전 용량 방식의 터치센서들은 서로 교차하여 형성되는 다수의 구동 전극라인들(이하, 'Tx 전극라인들'이라 함)과 다수의 센싱 전극라인들(이하, 'Rx 전극라인들'이라 함)을 포함한다.
기존의 정전 용량 방식에서는 도 1 및 도 2와 같이 표시패널을 액정표시패널로 구성하고, 액정표시패널에 형성된 공통전극을 수평 방향으로 패터닝하여 Tx 전극라인들(T1,T2,T3)을 형성함과 아울러, 공통전극을 수평 방향에 직교하는 수직 방향으로 패터닝하여 Rx 전극라인들(R1,R2,R3)을 형성한 후, Tx 전극라인들(T1,T2,T3)과 Rx 전극라인들(R1,R2,R3) 사이의 상호 용량(mutual capacitance)의 변화량을 센싱하였다.
종래 기술에서, Tx 전극라인들(T1,T2,T3) 각각은 투명 도전 블록 패턴들(T1)과, 수평 방향으로 이웃한 투명 도전 블록 패턴들(T1)을 전기적으로 연결하기 위한 링크 패턴들(L)을 포함한다. 투명 도전 블록 패턴들(T1) 각각의 크기는 픽셀들 각각의 크기보다 크게 패터닝된다. 투명 도전 블록 패턴들(T1) 각각은 절연막을 사이에 두고 픽셀들과 중첩되고, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 도전 물질로 패터닝된다. 링크 패턴들(L)은 Rx 전극라인들(R1,R2,R3)을 가로 질러 수평 방향으로 이웃하는 투명 도전 블록 패턴들(T1)을 전기적으로 연결한다. 링크 패턴들(L)은 절연막을 사이에 두고 Rx 전극라인들(R1,R2,R3)과 중첩된다. 링크 패턴들(L)은 전기 전도율이 높은 불투명 금속으로 패터닝된다.
종래 기술에서, Rx 전극라인들(R1,R2,R3)은 수평 방향으로 이웃하는 투명 도전 블록 패턴들(T1) 사이에서 수직 방향을 따라 길게 패터닝된다. Rx 전극라인들(R1,R2,R3)은 ITO와 같은 투명 도전 물질로 형성되고, 그들 각각은 도시하지 않은 다수의 픽셀들과 중첩된다.
이러한 종래 인셀 타입의 터치센서들은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 종래 기술에서는 표시패널의 공통전극이 수평 및 수직 방향으로 분리되어 있기 때문에, 터치 유닛(Tx 전극라인들 및 Rx 전극라인들) 별로 디스플레이 얼룩이 발생하기 쉽다.
둘째, 종래 기술에서는 Tx 전극라인들과 Rx 전극라인들 사이의 상호 용량의 변화량을 센싱하는데, 상호 용량의 변화량이 작아 센싱 신호의 크기가 작다.
셋째, 종래 기술에서는 Tx 전극라인들을 구성하기 위해 별도의 링크 패턴들을 요구한다. 추가적인 콘택홀 공정을 통해 형성되는 링크 패턴들은 공정을 복잡하게 하고, 투과율을 떨어뜨린다.
따라서, 본 발명의 목적은 터치 유닛별 디스플레이 얼룩을 완화시키고, 센싱 신호의 크기를 증대시키며, 공정을 간소화하고 투과율 저하를 방지할 수 있도록 한 터치 센서 내장형 표시장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 기판 상에 형성되는 다수의 게이트라인; 상기 게이트라인과 나란한 방향으로 형성되는 다수의 Tx 전극라인; 제1 절연막을 사이에 두고 상기 게이트라인 상에서 상기 게이트라인과 교차되게 형성되는 다수의 데이터라인; 각각의 TFT를 통해 상기 데이터라인에 접속되는 다수의 화소전극; 및 제2 절연막을 사이에 두고 상기 화소전극 상에 패터닝되며, 디스플레이 기간에서 공통전극으로 기능하고 터치 센서 구동 기간에서 Rx 전극라인으로 기능하는 다수의 공통전극 패턴을 구비하고; 상기 터치 센서 구동 기간에서 상기 화소전극과 상기 Tx 전극라인 사이에 제1 정전용량을 형성시키고, 상기 화소전극과 상기 공통전극 패턴 사이에 제2 정전용량을 형성시키며, 터치하는 물체와 상기 화소전극 사이에 제3 정전용량을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 Tx 전극라인은 다수개씩 전기적으로 연결되어 그룹화되며; 상기 터치 센서 구동 기간 동안 Tx 전극라인 그룹들에는 순차적으로 제1 구동전압과 기저전압 사이에서 스윙되는 터치 구동펄스가 순차적으로 인가된다.
상기 다수의 공통전극 패턴에는, 상기 디스플레이 기간 동안 공통전압이 인가되고, 상기 터치 센서 구동 기간 동안 터치 기준전압이 인가된다.
상기 다수의 공통전극 패턴 각각은 다수의 픽셀들에 대응되도록 패터닝되고, 상기 다수의 Tx 전극라인과 수직으로 대향된다.
상기 다수의 Tx 전극라인은 상기 게이트라인과 동일층 상에 형성되거나 또는, 제3 절연막을 사이에 두고 상기 데이터라인 상에 배치되되 상기 화소전극과 수직하게 대향되도록 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 기판 상에 형성되며, 디스플레이 기간에서 게이트라인으로 기능하고 터치 센서 구동 기간에서 Tx 전극라인으로 기능하는 다수의 게이트&Tx 전극라인; 제1 절연막을 사이에 두고 상기 게이트&Tx 전극라인 상에서 상기 게이트&Tx 전극라인과 교차되게 형성되는 다수의 데이터라인; 각각의 TFT를 통해 상기 데이터라인에 접속되는 다수의 화소전극; 및 제2 절연막을 사이에 두고 상기 화소전극 상에 패터닝되며, 상기 디스플레이 기간에서 공통전극으로 기능하고 상기 터치 센서 구동 기간에서 Rx 전극라인으로 기능하는 다수의 공통전극 패턴을 구비하고; 상기 터치 센서 구동 기간에서 상기 화소전극과 상기 게이트&Tx 전극라인 사이에 제1 정전용량을 형성시키고, 상기 화소전극과 상기 공통전극 패턴 사이에 제2 정전용량을 형성시키며, 터치하는 물체와 상기 화소전극 사이에 제3 정전용량을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 터치 유닛별 디스플레이 얼룩을 완화시키고, 센싱 신호의 크기를 증대시키며, 공정을 간소화하고 투과율 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 종래 인셀 타입의 터치센서들을 보여주는 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'를 따라 절취한 단면을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치를 보여주는 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 1 픽셀 구조를 보여주는 평면도.
도 5는 도 4의 A-A'를 따라 절취한 단면을 보여주는 단면도.
도 6은 도 4의 B-B'를 따라 절취한 단면을 보여주는 단면도.
도 7은 도 4의 등가회로도.
도 8은 터치 센서 구동 기간에서 비 터치시의 픽셀 등가회로를 보여주는 도면.
도 9는 터치 센서 구동 기간에서 터치시의 픽셀 등가회로를 보여주는 도면.
도 10은 그룹 단위로 순차적으로 구동되는 Tx 전극라인들을 포함한 픽셀 어레이의 등가회로를 보여주는 도면.
도 11은 도 10의 등가회로에 대응되는 패널 구조로서 터치 센싱시 공통전극의 활용예를 보여주는 도면.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 구동 신호들을 보여 주는 파형도.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 출력 특성을 보여주는 그래프.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치를 보여주는 블록도.
도 15는 디스플레이 기간과 터치 센서 구동 기간에서 게이트&Tx 전극라인들을 다르게 구동시키기 위한 스위치 어레이를 포함한 픽셀 어레이의 등가회로를 보여주는 도면.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 구동 신호들을 보여 주는 파형도.
이하, 도 3 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 터치 센서 내장형 표시장치는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD)와, 그 액정표시소자의 표시패널 내에 인셀 타입으로 내장된 터치 센서들로 구현될 수 있다.
도 3 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치에 관한 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치를 보여준다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 표시패널(10), 디스플레이 데이터 구동회로(12), 디스플레이 스캔 구동회로(14), 터치 센서 구동회로(16), 터치 센서 독출회로(Touch sensor read-out circuit, 18), 터치 콘트롤러(20), 타이밍 콘트롤러(22) 등을 포함한다.
표시패널(10)은 두 장의 유리기판들 사이에 액정층이 형성된다. 표시패널(10)의 하부 기판에는 다수의 데이터라인들(D1~Dm, m은 양의 정수), 데이터라인들(D1~Dm)과 교차되는 다수의 게이트라인들(G1~Gn, n은 양의 정수), 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성되는 다수의 TFT들(Thin Film Transistor), 액정셀들에 데이터전압을 충전시키기 위한 다수의 화소전극들, 각각의 화소전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor), 터치 센서들 등을 포함하는 TFT 어레이가 형성된다.
터치 센서들은, 게이트라인들(G1~Gn)과 나란한 Tx 전극라인들(T1~Tn), Tx 전극라인들(T1~Tn)과 교차하고 데이터라인들(D1~Dm)과 나란한 Rx 전극라인들(R1~Ri, i는 m 보다 작은 양의 정수), 및 제1 내지 제3 정전 용량을 포함한다. Tx 전극라인들(T1~Tn)은 터치 센서 구동 기간 동안 터치 센서들의 구동 채널로 기능한다. Rx 전극라인들(R1~Ri)은 디스플레이 기간 동안 공통전극으로 기능하고, 터치 센서 구동 기간 동안 터치 센서들의 수신 채널로 기능한다. 제1 정전 용량은 Tx 전극라인과 화소 전극 사이에 형성되고, 제2 정전 용량은 화소 전극과 공통 전극 사이에 형성되며, 제3 정전 용량은 터치하는 물체(손가락, 도전펜 등)와 화소 전극 사이에 형성된다. 터치 센서들은 터치 센서 구동 기간 동안 Rx 전극라인들(R1~Ri)의 리드 아웃(read-out) 단에 축적되는 전하량의 변화로 터치 여부를 감지한다.
표시패널(10)의 픽셀들은 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성되어 매트릭스 형태로 배치된다. 픽셀들 각각의 액정셀은 화소전극에 인가되는 데이터전압과 공통전극에 인가되는 공통전압의 전압차에 따라 인가되는 전계에 의해 구동되어 입사광의 투과량을 조절한다. TFT들은 게이트라인(G1~Gn)으로부터의 스캔펄스(게이트펄스)에 응답하여 턴-온되어 데이터라인(D1~Dm)으로부터의 전압을 액정셀의 화소전극에 공급한다.
표시패널(10)의 상부 유리기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등을 포함하는 컬러필터 어레이가 형성될 수 있다. 한편, 표시패널(10)의 하부 유리기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 블랙매트릭스와 컬러필터는 표시패널(10)의 하부 유리기판에 형성될 수 있다.
공통전극은 TN(Twisted Nematic) 모드와 VA(Vertical Alignment) 모드와 같은 수직전계 구동방식에서 상부 유리기판에 형성되며, IPS(In Plane Switching) 모드와 FFS(Fringe Field Switching) 모드와 같은 수평전계 구동방식에서 화소전극과 함께 하부 유리기판 상에 형성된다. 공통전극은 Rx 전극라인들(R1~Ri)로의 기능을 겸하도록 소정 단위로 패터닝된다. 디스플레이 기간 동안 공통전극의 패턴들에는 공통전압이 인가되고, 터치 센서 구동 기간 동안 공통전극의 패턴들에는 터치 기준전압이 인가된다. 공통전압은 3V ~ 5V 사이의 전압일 수 있다. 터치 센서 구동 기간 동안 공통전극의 패턴들은 Rx 전극라인들(R1~Ri)로 기능한다.
표시패널(10)의 상부 유리기판과 하부 유리기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(10)의 상부 유리기판과 하부 유리기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성될 수 있다.
디스플레이 데이터 구동회로(12)는 다수의 소스 드라이브 IC들(Integrated Circuit)을 포함한다. 소스 드라이브 IC들은 미리 설정된 디스플레이 기간 동안 아날로그 비디오 데이터 전압을 출력하고 터치 센서 구동 기간 동안 특정 직류 전압을 출력한다. 여기서, 특정 직류 전압은 터치 센서 구동 기간 동안 터치 센서들의 정전 용량들에 충전된 전압의 변동을 최소화할 수 있는 전압이다. 특정 직류 전압은 기저전압(0V)과 공통전압 사이의 전압일 수 있다. 디스플레이 기간에서, 소스 드라이브 IC들은 타이밍 콘트롤러(22)으로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 래치한다. 그리고 소스 드라이브 IC들은 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 아날로그 비디오 데이터전압을 출력한다. 아날로그 비디오 데이터전압은 데이터라인들(D1~Dm)에 공급된다.
디스플레이 스캔 구동회로(14)는 하나 이상의 스캔 드라이브 IC를 포함한다. 스캔 드라이브 IC는 디스플레이 기간 동안 타이밍 콘트롤러(22)의 제어 하에 아날로그 비디오 데이터전압에 동기되는 스캔펄스를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 아날로그 비디오 데이터전압이 기입되는 표시패널의 라인을 선택한다. 스캔펄스는 게이트 하이전압(VGH)과 게이트 로우전압(VGL) 사이에서 스윙하는 펄스로 발생된다. 디스플레이 스캔 구동회로(14)는 터치 센서 구동 기간 동안 스캔펄스를 발생하지 않고 게이트 로우 전압(VGL)을 게이트라인들(G1~Gn)에 지속적으로 공급한다. 따라서, 게이트라인들(G1~Gn)은 디스플레이기간 동안 스캔펄스를 픽셀들의 TFT에 공급하여 표시패널(10)에서 데이터가 기입될 라인을 순차적으로 선택하고, 터치 센서 구동 기간 동안 게이트 로우전압(VGL)을 유지한다. 게이트 하이전압(VGH)은 대략 18V~20V 사이의 전압일 수 있고, 게이트 로우전압(VGL)은 대략 0V ~ -5V 사이의 전압일 수 있다.
터치 센서 구동회로(16)는 디스플레이 기간 동안 Tx 전극라인들(T1~Tn)에 특정 직류전압을 공급하고, 터치 센서 구동 기간 동안 Tx 전극라인들(T1~Tn)에 터치 구동펄스를 인가한다. 터치 센서 구동 기간 동안 Tx 전극라인들(T1~Tn)은 다수개씩 전기적으로 연결되어 그룹화될 수 있다. 이 경우, 터치 센서 구동회로(16)는 Tx 전극라인들을 그룹 단위로 순차적으로 구동하여 터치 센서들을 스캐닝할 수 있다.
터치 센서 독출회로(18)는 디스플레이 기간 동안 Rx 전극라인들(R1~Ri)에 공통전압을 공급하고 터치 센서 구동 기간 동안 Rx 전극라인들(R1~Ri)에 터치 기준전압을 공급한다. 터치 기준전압은 공통전압과 동일한 레벨을 가질 수 있다. 터치 센서 독출회로(18)는 Rx 전극라인들(R1~Ri)을 통해 입력되는 터치 센서들의 아날로그 출력(리드 아웃단에 축적되는 전하량)을 증폭하고 HID 포맷의 디지털 데이터로 변환하여 터치 콘트롤러(20)로 전송한다.
터치 콘트롤러(20)는 터치 센서 독출회로(18)로부터 입력된 디지털 데이터를 미리 설정된 터치 인식 알고리즘으로 분석하여 좌표값을 산출한다. 터치 콘트롤러(20)로부터 출력된 터치 위치의 좌표값 데이터는 외부의 호스트 시스템으로 전송한다. 호스트 시스템은 터치 위치의 좌표값이 지시하는 응용 프로그램을 실행한다.
타이밍 콘트롤러(22)는 외부의 호스트 시스템으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 디스플레이 데이터 구동회로(12)와 디스플레이 스캔 구동회로(14)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들을 발생한다. 디스플레이 스캔 구동회로(14)의 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock, GSC), 게이트 출력 인에이블신호(Gate Output Enable, GOE), 쉬프트 방향 제어신호(DIR) 등을 포함한다. 디스플레이 데이터 구동회로(12)의 타이밍 제어신호는 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock, SSC), 극성제어신호(Polarity, POL), 및 소스 출력 인에이블신호(Source Output Enable, SOE) 등을 포함한다.
타이밍 콘트롤러(22)는 터치 센서 구동회로(16)와 터치 센서 독출회로(18)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들(Ctx, Crx)를 발생한다.
타이밍 콘트롤러(22)는 타이밍 제어신호들을 제어하여 1 프레임 기간을 디스플레이 기간과 터치 센서 구동 기간으로 시분할한다. 예를 들어, 1 프레임 기간이 1/60 초(16.67 msec) 이면, 타이밍 콘트롤러(22)는 대략 11 msec를 디스플레이 기간으로 설정하고 그 디스플레이 기간 동안 디스플레이 데이터 구동회로(12)와 디스플레이 스캔 구동회로(14)의 출력을 인에이블시켜 비디오 데이터를 픽셀들에 표시한다. 그리고 타이밍 콘트롤러(22)는 5.67 msec를 터치 센서 구동 기간으로 설정하여 그 터치 센서 구동 기간 동안 터치 센서 구동회로(16)와 터치 센서 독출회로(18)를 구동하여 터치 센서들에 대한 터치 위치를 검출한다. 디스플레이 기간과 터치 센서 구동 기간은 표시패널(10)의 종류에 따라 패널 특성을 고려하여 적절히 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 1 픽셀 구조를 보여준다. 그리고, 도 5는 도 4의 A-A'를 따라 절취한 단면을 보여주고, 도 6은 도 4의 B-B'를 따라 절취한 단면을 보여준다. 도 5 및 도 6에서 'SUB'는 하부 유리기판을 나타낸다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 1 픽셀 구조는 TFT 어레이와 컬러필터 어레이가 액정층(미도시)을 사이에 두고 합착됨으로써 이루어진다.
TFT 어레이에는 서로 나란하게 배치되는 게이트라인(GL)과 Tx 전극라인, 제1 절연막(GI)을 사이에 두고 게이트라인(GL) 및 Tx 전극라인 상에서 게이트라인(GL) 및 Tx 전극라인과 교차되게 배치되는 데이터라인(DL), TFT를 통해 데이터라인(DL)에 연결되는 화소전극, 제2 절연막(PASI)을 사이에 두고 화소전극 상에 배치되는 공통전극, 및 TFT가 형성된다. TFT의 게이트전극은 게이트라인(GL)에 접속되고, 소스전극은 데이터라인(DL)에 접속되며, 드레인전극은 화소전극에 접속된다. 화소전극은 도시되어 있는 바와 같이 데이터라인(DL)과 동일층 상에 형성될 수 있다. 이 경우 TFT의 드레인전극은 화소전극에 직접 콘택될 수 있다. 한편, 도시되어 있지 않지만 화소전극은 RC 딜레이를 줄이기 위해 별도의 유기절연막을 사이에 두고 데이터라인(DL) 상에 형성될 수도 있다. 이 경우 TFT의 드레인전극은 콘택홀을 통해 화소전극에 연결될 수 있다. 공통전극은 화소전극과 중첩되는 부분에서 다수의 프린지 홀들을 구비한다. 이 프린지 홀들에 의해 화소전극과 공통전극 사이에는 수평 전계가 형성된다.
컬러필터 어레이에는 블랙 매트릭스와 컬러필터 등이 형성된다. TFT 어레이와 마주하지 않는 컬러필터 어레이의 반대면에는 편광판(PO)이 부착된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 게이트라인(GL)과 나란하게 Tx 전극라인을 추가로 구비하고, 터치 센서 구동 기간에서 화소전극과 Tx 전극라인 사이에 제1 정전용량(Cgp)을 형성시키고, 화소전극과 공통전극 사이에 제2 정전용량(Cpc)을 형성시키며, 터치하는 물체(예컨대, 손가락)와 화소전극 사이에 제3 정전용량(Cpf)을 형성시킨다.
한편, Tx 전극라인은 도시되어 있는 바와 같이 게이트라인과 동일층 상에 형성될수도 있고, 나아가 도시되어 있지는 않지만 제3 절연막을 사이에 두고 데이터라인(DL) 상에 배치되도 화소전극과 수직하게 대향되도록 형성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 기존과 같이 공통전극을 Tx 전극라인 및 Rx 전극라인으로 기능시키지 않고, 오직 Rx 전극라인으로만 기능시키기 때문에 공통전극에 대한 패터닝 크기가 커져(도 11의 R1,R2 참조) 기존에 비해 터치 유닛별 디스플레이 얼룩을 완화된다. 그리고, 본 발명은 게이트라인 형성시 동일 공정으로 Tx 전극라인을 형성하기 때문에, 별도의 링크 패턴들이 불필요하여 공정이 간소화되고 링크 패턴들로 인한 투과율 저하를 방지할 수 있게 된다.
도 7은 도 4의 등가회로도이고, 도 8은 터치 센서 구동 기간에서 비 터치시의 픽셀 등가회로를 보여주고, 도 9는 터치 센서 구동 기간에서 터치시의 픽셀 등가회로를 보여준다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 공통전극에는 디스플레이 기간에서 공통전압(Vcom)이 인가되는 반면, 터치 센서 구동 기간에서 터치 센서 독출회로의 내부 스위치 동작을 통해 터치 기준전압(Vref)가 인가된다. 터치 센서 구동 기간에서 Tx 전극라인에 공급되는 터치 구동펄스는 제1 구동전압과 기저전압 사이에 스윙되는 펄스 형태를 띤다.
이러한 조건에서 도 8과 같이 비 터치시 픽셀 전압의 변화량(ΔVp)과 리드 아웃 단에 축적되는 전하의 변화량(ΔQ)은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
수학식 1에서, Vg1은 도 12의 제1 구동전압(drv1)을 지시하는 것으로 특정 직류전압보다 높은 전압, 예컨대 5V일 수 있다. Vg2는 도 12의 기저전압(GND)을 지시하는 것으로 0V이다. Vp'는 Tx 전극라인에 제1 구동전압(Vg1)이 인가될 때의 픽셀 전압을 지시하고, Vp는 Tx 전극라인에 기저전압(Vg2)이 인가될 때의 픽셀 전압을 지시한다.
그리고, 도 9와 같이 터치시 픽셀 전압의 변화량(ΔVp)과 리드 아웃 단에 축적되는 전하의 변화량(ΔQ)은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
수학식 2에서, Vg1은 도 12의 제1 구동전압(drv1)을 지시하는 것으로 특정 직류전압보다 높은 전압, 예컨대 5V일 수 있다. Vg2는 도 12의 기저전압(GND)을 지시하는 것으로 0V이다. Vp'는 Tx 전극라인에 제1 구동전압(Vg1)이 인가될 때의 픽셀 전압을 지시하고, Vp는 Tx 전극라인에 기저전압(Vg2)이 인가될 때의 픽셀 전압을 지시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 터치 유무에 따라 달라지는 리드 아웃 단에 축적되는 전하량의 변화로 터치 여부를 감지한다. 본 발명은 기존과 같이 수평 전계에 따른 상호 용량의 변화로 터치 여부를 감지하는 것이 아니라, 위에서 설명한 바와 같이 수직 전계에 따른 정전 용량의 변화로 터치 여부를 감지한다. 본 발명은 종래 기술에서 상호 용량의 변화량이 작아 센싱 신호의 크기가 작았던 문제점을 해결하기 위하여, Tx 전극라인들을 다수개씩 그룹화하고 Tx 전극라인들을 그룹 단위로 순차적으로 구동하여 터치 센서들을 스캐닝할 수 있다.
도 10은 그룹 단위로 순차적으로 구동되는 Tx 전극라인들을 포함한 픽셀 어레이의 등가회로를 보여준다. 도 11은 도 10의 등가회로에 대응되는 패널 구조로서 터치 센싱시 공통전극의 활용예를 보여준다.
픽셀 전극 하나와 터치 물체가 형성되는 정전 용량은 실제로 작은 값이다. 그러나, 도 10과 같이 다수의 Tx 전극라인들을 전기적으로 연결하여 동시에 구동시키고, 도 11과 같이 공통전극들을 다수의 픽셀들에 대응되도록 패터닝하고 이 공통전극 패턴들을 통해 센싱 신호를 읽어들이는 경우, 센싱 신호를 구성하는 정전 용량값은 크게 증대된다. 도 10 및 도 11에서, Tx 전극라인들을 3개씩 동시에 구동시키는 경우를 일 예로 보여주고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 구동 신호들을 보여 주는 파형도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 1 프레임 기간을 디스플레이 기간(P1)과 터치 센서 구동 기간(P2)으로 시분할하여 터치 센서들이 내장된 표시패널(10)을 구동한다.
디스플레이 기간(P1) 동안, 데이터라인들(D1~D4)에는 정극성/부극성 아날로그 비디오 데이터전압들이 공급되고, 게이트라인들(G1~Gn)에는 데이터전압과 동기되는 스캔펄스가 공급된다. Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk, k는 n보다 작은 양의 정수)에는 특정 직류 전압(Vdc)이 공급되고, Rx 전극라인들(R1~Ri)에는 공통전압(Vcom)이 공급된다.
터치 센서 구동 기간(P2) 동안, 데이터라인들(D1~D4)에는 특정 직류 전압(Vdc)이 공급되고, 게이트라인들(G1~Gn)에는 게이트 로우전압(VGL)이 공급된다. Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk)에는 터치 센서 구동 기간(P2) 동안 제1 구동전압(Vdrv1)의 터치 구동펄스가 순차적으로 공급된다. Rx 전극라인들(R1~Ri)에는 터치 센서 구동 기간(P2) 동안 터치 기준전압(Vref)이 공급된다. 터치 센서 구동 기간(P2) 동안, 도 12와 같이 모든 데이터라인들(D1~D4)에 동일한 특정 직류 전압(Vdc)을 공급하면, 픽셀들에 연결된 신호배선을 통해 센싱 신호에 혼입되는 노이즈 성분을 최소화할 수 있다.
터치 센서 구동 기간(P2) 동안, Rx 전극라인들(R1~Ri)에 공급되는 터치 기준전압(Vref)이 인가된다. 본 발명은 Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk)에 터치 구동펄스를 순차적으로 인가하고 Rx 전극라인들(R1~Ri)의 전하량 변화에 기초하여 터치 여부를 검출한다. Rx 전극라인들(R1~Ri)에 일정한 터치 기준전압(Vref)이 인가되면, Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk)의 펄싱(pulsing)에 의해서 정전 용량의 전하량이 변하고, 이 전하량 변동에 비례하여 Rx 전극라인들(R1~Ri)의 리드 아웃 단에 축적되는 전하량이 변하게 된다. 이 과정에서 Rx 라인들(R1~Ri)의 변화를 감지할 수 있다.
Rx 전극라인들(R1~Ri)에 터치 기준전압(Vref)이 인가된 상태이면, Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk)에 터치 구동펄스가 인가되기 전에는 Rx 전극라인들(R1~Rj)은 터치 기준전압(Vref)에 의해 전하를 충전하고 있다. Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk)의 펄싱으로 Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk)의 전압이 스윙하면, Rx 전극라인들(R1~Ri)의 전하량도 변하게 된다. Tx 전극라인 그룹들(Tg1~Tgk)의 전위가 기저전압(GND)으로 낮아지면, Rx 전극라인들(R1~Ri)의 전하도 터치 구동펄스가 인가되기 전 상태로 복원된다. 그러면 Rx 전극라인들(R1~Ri)의 전하량 변화는 정전 용량의 변화에 의해서 유발된 전하량 변화분 만큼으로 검출될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 출력 특성을 보여주는 그래프이다.
위의 수학식 2로부터 리드 아웃 단에 축적되는 전하의 변화량(ΔQ)을 계산하면 도 13의 그래프와 같다. 도 13을 참조하면, 제1 구동전압(Vg1) 5V, 제1 정전용량(Cgp) 50fF, 리드 아웃 단과 Tx 전극라인 사이의 정전용량(Cgc) 50fF의 경우, 터치시 약 0.5 pC의 변화량이 생성되는 것을 알 수 있다. 리드 아웃 단에 축적되는 전하의 변화량(ΔQ)이 0.5 pC 정도의 크기이면 충분히 측정 가능한 수치이다. 계산에 사용된 픽셀수는 해상도 330ppi(pixel per inch) 디스플레이에서 가로 및 세로 각각 4.5mm의 터치 유닛을 기준으로 9700개가 사용되었다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치에 관한 것이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치를 보여준다. 도 15는 디스플레이 기간과 터치 센서 구동 기간에서 게이트&Tx 전극라인들을 다르게 구동시키기 위한 스위치 어레이를 포함한 픽셀 어레이의 등가회로를 보여준다. 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치의 구동 신호들을 보여 주는 파형도이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 표시패널(100), 디스플레이 데이터 구동회로(120), 통합 구동회로(140), 스위치 어레이(160), 터치 센서 독출회로(180), 터치 콘트롤러(200), 타이밍 콘트롤러(220) 등을 포함한다.
표시패널(100)에는 디스플레이 기간(P1)에서 게이트라인들로 기능하고, 터치 센서 구동 기간(P2)에서 Tx 전극라인들로 기능하는 다수의 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn)이 형성된다. 이에 따라, 터치 센서들은, 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn), 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn)과 교차하고 데이터라인들(D1~Dm)과 나란한 Rx 전극라인들(R1~Ri), 및 제1 내지 제3 정전 용량을 포함한다. 제1 정전 용량은 게이트&Tx 전극라인과 화소 전극 사이에 형성되고, 제2 정전 용량은 화소 전극과 공통 전극 사이에 형성되며, 제3 정전 용량은 터치하는 물체(손가락, 도전펜 등)와 화소 전극 사이에 형성된다. 터치 센서들은 터치 센서 구동 기간(P2) 동안 Rx 전극라인들(R1~Ri)의 리드 아웃(read-out) 단에 축적되는 전하량의 변화로 터치 여부를 감지한다. 그 외의 표시패널(100)의 다른 구성은 전술한 일 실시예에서 설명한 것과 실질적으로 동일하다.
통합 구동회로(140)는 디스플레이 기간(P1)에서 디스플레이 스캔 구동회로로 기능하고, 터치 센서 구동 기간(P2)에서 터치 센서 구동회로로 기능한다.
통합 구동회로(140)는 도 16과 같이 디스플레이 기간(P1)에서 게이트 하이전압(VGH)과 게이트 로우전압(VGL) 사이에서 스윙하는 스캔펄스를 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn)에 순차적으로 공급하여 아날로그 비디오 데이터전압이 기입되는 표시패널의 라인을 선택한다. 통합 구동회로(140)는 터치 센서 구동 기간(P2)에서 다수개씩 묶여진 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn)의 각 그룹에 제2 구동전압(Vdrv2)과 게이트 로우전압(VGL) 사이에서 스윙하는 터치 구동펄스를 순차적으로 공급하여 터치 센서들을 스캐닝할 수 있다. 여기서, 표시패널(100)의 TFT들이 n-type으로 구현되는 경우, 제2 구동전압(Vdrv2)은 터치 센서 구동 기간(P2) 동안 표시패널(100)의 TFT들이 계속적으로 턴 오프 상태를 유지하도록 게이트 로우전압(VGL)보다 낮은 레벨로 인가되어야 한다. 게이트 로우전압(VGL)이 -5V로 설정된 경우 제2 구동전압(Vdrv2)은 -10V일 수 있다.
도 16에서, 디스플레이 기간(P1) 및 터치 센서 구동 기간(P2) 각각에서 데이터라인들(D1~D4)에 공급되는 전압과, Rx 전극라인들(R1~Ri)에 공급되는 전압은 전술한 일 실시예에서 설명한 것과 실질적으로 동일하다.
스위치 어레이(160)는 도 15와 같이 통합 구동회로(140)의 스캔펄스 출력단들과 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn) 사이마다 접속된 다수의 제1 스위치들(S1)과, 통합 구동회로(140)의 터치 구동펄스 출력단들과 그룹화된 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn) 사이마다 접속된 다수의 제2 스위치들(S2)을 포함한다. 제1 스위치들(S1)은 타이밍 콘트롤러(220)로부터의 제1 스위치 제어신호(CS1)에 응답하여 스캔펄스 출력단들과 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn) 사이의 전류 패스를 스위칭한다. 제2 스위치들(S2)은 타이밍 콘트롤러(220)로부터의 제2 스위치 제어신호(CS2)에 응답하여 구동펄스 출력단들과 그룹화된 게이트&Tx 전극라인들(GT1~GTn) 사이의 전류 패스를 스위칭한다. 제1 스위치 제어신호(CS1)는 디스플레이 기간(P1)에서 턴 온 레벨로 발생되어 제1 스위치들(S1)을 동시에 턴 온 시키고, 터치 센서 구동 기간(P2)에서 턴 오프 레벨로 발생되어 제1 스위치들(S1)을 동시에 턴 오프 시킨다. 반면, 제2 스위치 제어신호(CS2)는 디스플레이 기간(P1)에서 턴 오프 레벨로 발생되어 제2 스위치들(S2)을 동시에 턴 오프 시키고, 터치 센서 구동 기간(P2)에서 턴 온 레벨로 발생되어 제2 스위치들(S2)을 동시에 턴 온 시킨다.
스위치 어레이(160)는 통합 구동회로(140)와 함께 드라이버 IC로 형성된 후 표시패널(100)에 부착되거나 또는, 통합 구동회로(140)와 함께 표시패널(100)의 비 표시영역 상에 직접 형성될 수도 있다.
터치 센서 독출회로(180), 터치 콘트롤러(200), 및 타이밍 콘트롤러(220) 등은 전술한 일 실시예에서 설명한 것과 실질적으로 동일하다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서 내장형 표시장치는 터치 유닛별 디스플레이 얼룩을 완화시키고, 센싱 신호의 크기를 증대시키되, 게이트&Tx 전극라인들을 이용하여 게이트라인들과 Tx 전극라인들의 기능을 겸하게 하여 신호라인수를 줄임으로써 제1 실시예에 비해 공정을 더욱 간소화할 수 있고 아울러 투과율을 좀 더 높일 수 있는 효과가 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.
10,100: 표시패널 12,120: 디스플레이 데이터 구동회로
14: 디스플레이 스캔 구동회로 18,180: 터치 센서 구동회로
20,200: 터치 콘트롤러 22,220: 타이밍 콘트롤러
140: 통합 구동회로 160 : 스위치 어레이
Cgp,Cpc,Cpf : 정전용량

Claims (11)

  1. 기판 상에 형성되는 다수의 게이트라인;
    상기 게이트라인과 나란한 방향으로 형성되는 다수의 Tx 전극라인;
    제1 절연막을 사이에 두고 상기 게이트라인 상에서 상기 게이트라인과 교차되게 형성되는 다수의 데이터라인;
    각각의 TFT를 통해 상기 데이터라인에 접속되는 다수의 화소전극; 및
    제2 절연막을 사이에 두고 상기 화소전극 상에 패터닝되며, 디스플레이 기간에서 공통전극으로 기능하고 터치 센서 구동 기간에서 Rx 전극라인으로 기능하는 다수의 공통전극 패턴을 구비하고;
    상기 터치 센서 구동 기간에서 상기 화소전극과 상기 Tx 전극라인 사이에 제1 정전용량을 형성시키고, 상기 화소전극과 상기 공통전극 패턴 사이에 제2 정전용량을 형성시키며, 터치하는 물체와 상기 화소전극 사이에 제3 정전용량을 형성시키는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 Tx 전극라인은 다수개씩 전기적으로 연결되어 그룹화되며;
    상기 터치 센서 구동 기간 동안 Tx 전극라인 그룹들에는 순차적으로 제1 구동전압과 기저전압 사이에서 스윙되는 터치 구동펄스가 순차적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 공통전극 패턴에는, 상기 디스플레이 기간 동안 공통전압이 인가되고, 상기 터치 센서 구동 기간 동안 터치 기준전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 공통전극 패턴 각각은 다수의 픽셀들에 대응되도록 패터닝되고, 상기 다수의 Tx 전극라인과 수직으로 대향되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 Tx 전극라인은 상기 게이트라인과 동일층 상에 형성되거나 또는, 제3 절연막을 사이에 두고 상기 데이터라인 상에 배치되되 상기 화소전극과 수직하게 대향되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  6. 기판 상에 형성되며, 디스플레이 기간에서 게이트라인으로 기능하고 터치 센서 구동 기간에서 Tx 전극라인으로 기능하는 다수의 게이트&Tx 전극라인;
    제1 절연막을 사이에 두고 상기 게이트&Tx 전극라인 상에서 상기 게이트&Tx 전극라인과 교차되게 형성되는 다수의 데이터라인;
    각각의 TFT를 통해 상기 데이터라인에 접속되는 다수의 화소전극; 및
    제2 절연막을 사이에 두고 상기 화소전극 상에 패터닝되며, 상기 디스플레이 기간에서 공통전극으로 기능하고 상기 터치 센서 구동 기간에서 Rx 전극라인으로 기능하는 다수의 공통전극 패턴을 구비하고;
    상기 터치 센서 구동 기간에서 상기 화소전극과 상기 게이트&Tx 전극라인 사이에 제1 정전용량을 형성시키고, 상기 화소전극과 상기 공통전극 패턴 사이에 제2 정전용량을 형성시키며, 터치하는 물체와 상기 화소전극 사이에 제3 정전용량을 형성시키는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 디스플레이 기간에서 게이트 하이전압과 게이트 로우전압 사이에서 스윙하는 스캔펄스를 상기 게이트&Tx 전극라인들에 순차적으로 공급하고, 상기 터치 센서 구동 기간에서 다수개씩 묶여진 상기 게이트&Tx 전극라인들의 각 그룹에 제2 구동전압과 상기 게이트 로우전압 사이에서 스윙하는 터치 구동펄스를 순차적으로 공급하는 통합 구동회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 구동전압은 상기 게이트 로우전압보다 낮은 레벨로 인가되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 통합 구동회로의 스캔펄스 출력단들과 상기 게이트&Tx 전극라인들 사이마다 접속된 다수의 제1 스위치들과, 상기 통합 구동회로의 터치 구동펄스 출력단들과 상기 그룹화된 게이트&Tx 전극라인들 사이마다 접속된 다수의 제2 스위치들을 포함하고;
    상기 제1 스위치들은 상기 디스플레이 기간에서 턴 온 레벨로 입력되는 제1 스위치 제어신호에 응답하여 상기 스캔펄스 출력단들과 상기 게이트&Tx 전극라인들 각각을 전기적으로 연결시키고;
    상기 제2 스위치들은 상기 터치 센서 구동 기간에서 턴 온 레벨로 입력되는 제2 스위치 제어신호에 응답하여 상기 구동펄스 출력단들과 상기 그룹화된 게이트&Tx 전극라인들 각각을 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수의 공통전극 패턴에는, 상기 디스플레이 기간 동안 공통전압이 인가되고, 상기 터치 센서 구동 기간 동안 터치 기준전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수의 공통전극 패턴 각각은 다수의 픽셀들에 대응되도록 패터닝되고, 상기 다수의 게이트&Tx 전극라인들과 수직으로 대향되는 것을 특징으로 하는 터치 센서 내장형 표시장치.
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