KR20130101859A - 터치센서의 정전용량 측정회로 및 이를 갖는 정전용량식 터치패널 - Google Patents

터치센서의 정전용량 측정회로 및 이를 갖는 정전용량식 터치패널 Download PDF

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Abstract

터치센서의 정전용량 측정회로는 전압비교부, 제어부, 복합스위치, 충방전회로부 및 타이머부를 포함한다. 전압비교부는 제1 기준전압과 터치센서에 의한 감지전압을 비교한 제1 비교신호와 제2 기준전압과 감지전압을 비교한 제2 비교신호를 출력한다. 제어부는 외부로부터 제공되는 제2 제어신호에 응답하여, 제1 및 제2 비교신호들을 근거로 하나의 충방전 제어신호를 출력한다. 복합스위치는 터치센서들 양단과 연결되고, 감지신호를 터치센서에 전송하는 경로와 터치센서를 경유하여 터치센서의 정전용량 변화량을 감지하는 감지신호를 수신하는 경로를 설정하도록 설계된다. 충방전회로부는 복합스위치에 의해 선택된 터치센서를 제1 기준전압에서 제2 기준전압까지 충전하거나, 제2 기준전압부터 제1 기준전압으로 방전시킨다. 타이머부는 충전 및 방전시간과 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정한다.

Description

터치센서의 정전용량 측정회로 및 이를 갖는 정전용량식 터치패널{CAPACITANCE MEASURING CIRCUIT OF A TOUCH SENSOR AND CAPACITANCE TYPE TOUCH PANEL}
본 발명은 터치센서의 정전용량 측정회로 및 이를 갖는 정전용량식 터치패널에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터치센서의 길이가 길어지는 대형 크기의 터치스크린 장치에도 채용되어 보다 안정적으로 상기 터치센서의 정전용량을 측정하기 위한 터치센서의 정전용량 측정회로 및 이를 갖는 정전용량식 터치패널에 관한 것이다.
전자공학기술과 정보기술이 발전을 거듭함에 따라 업무환경을 포함한 일상생활에서 전자기기가 차지하는 비중은 꾸준히 증가하고 있다. 근래에 들어서는 전자기기의 종류도 매우 다양해졌는데, 특히 노트북, 휴대폰, PMP(portable multimedia player) 등의 휴대용 전자기기 분야에서는 날마다 새로운 기능이 부가된 새로운 디자인의 기기들이 쏟아져 나오고 있다.
이처럼 일상생활에서 접하게 되는 전자기기의 종류가 점차 다양해지고, 각 전자기기의 기능이 고도화, 복잡화함에 따라, 사용자가 쉽게 익힐 수 있고 직관적인 조작이 가능한 사용자 인터페이스의 필요성이 제기되고 있다.
이러한 필요를 충족시킬 수 있는 입력 장치로서 터치스크린 장치가 주목받고 있으며, 이미 여러 전자기기에 널리 적용되고 있다. 터치스크린 장치는 디스플레이 화면상의 사용자의 접촉 위치를 감지하고, 감지된 접촉 위치에 관한 정보를 입력정보로 하여 디스플레이 화면 제어를 포함한 전자기기의 전반적인 제어를 수행하기 위한 장치를 일컫는다.
터치스크린 장치의 접촉 위치 감지 방법은 크게 이산 위치 감지방식과 연속 위치 감지방식으로 구분할 수 있다.
이산 위치 감지방식(discrete location detecting)은 소위 매트릭스 방식이라고 불리는 것으로서, 패널상의 2차원 평면을 복수의 구획으로 나누어, 각 구획에 대한 접촉/비접촉 여부를 감지하는 것을 일컫는다.
반면, 연속 위치 감지방식(continuous location detecting)은 접촉 감지 영역을 제한된 수의 구획으로 나누지 않고, 2차원 평면상의 접촉 위치를 연속적인 값으로 인식하는 방식이다.
연속 위치 감지방식의 터치스크린 장치는 흔히 제한된 수의 터치센서를 통해 측정된 값으로부터 연속적인 좌표를 계산하기 위해 특정한 알고리즘을 이용한다.
도 1은 일반적인 연속 위치 감지방식의 정전용량식 터치패널을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연속 위치 감지방식의 정전용량식 터치패널은 터치시 터치센서(10)에 형성된 저항(Rf)과 커패시턴스(Cf)에 의한 전압변화를 감지하여 접촉위치를 파악한다.
정전용량식 터치패널은 상기 전압변화를 감지하기 위한 수단으로 감지부(20)가 구비된다. 정전용량식 터치패널은 감지부(20)에서 구성된 기준신호를 인가하는 입력채널(21)과 터치센서(10)를 통해 전압변화가 발생한 기준신호를 수신하는 수신채널(22)이 터치센서의 일측부에 하나의 연결배선을 통해 연결된다.
이러한 경우, 인가되는 기준신호와 터치센서(10)를 흐르다 수신되는 신호가 하나의 연결배선을 이용하기 때문에 수신되는 신호에 대한 전압변화를 측정하는데 오차가 발생하여 터치위치의 정밀한 감지를 하는데 용이하지 못한 문제점이 있다. 여기서, 상기 전압변화의 측정오차는 터치센서(10)가 길어짐에 따라 형성되는 저항성분이 커질수록 크게 나타난다.
따라서, 종래의 정전용량식 터치패널은 터치센서(10)의 길이가 길어지는 대형 크기의 터치스크린 장치 등에는 적용할 수 없는 문제점이 있다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 터치센서의 길이가 길어지는 대형 크기의 터치스크린 장치에도 채용되어 보다 안정적으로 상기 터치센서의 정전용량을 측정하기 위한 터치센서의 정전용량 측정회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 정전용량 측정회로를 갖는 정전용량식 터치패널을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정회로는 전압비교부, 제어부, 복합스위치, 충방전회로부 및 타이머부를 포함한다. 상기 전압비교부는 외부로부터 제공되는 제1 제어신호에 응답하여, 상기 제1 기준전압과 터치센서에 의한 감지전압을 비교한 제1 비교신호와 상기 제2 기준전압과 상기 감지전압을 비교한 제2 비교신호를 출력한다. 상기 제어부는 외부로부터 제공되는 제2 제어신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2 비교신호들을 근거로 하나의 충방전 제어신호를 출력한다. 상기 복합스위치는 터치센서들 양단과 연결되고, 외부로부터 제공되는 제3 제어신호에 응답하여, 감지신호를 상기 터치센서에 전송하는 경로와 상기 터치센서를 경유하여 상기 터치센서의 정전용량 변화량을 감지하는 감지신호를 수신하는 경로를 설정하도록 설계된다. 상기 충방전회로부는 상기 충방전 제어신호에 응답하여, 상기 복합스위치에 의해 선택된 터치센서를 상기 제1 기준전압에서 상기 제2 기준전압까지 충전하거나, 상기 제2 기준전압부터 상기 제1 기준전압으로 방전시킨다. 상기 타이머부는 외부로부터 제공되는 제4 제어신호 및 상기 제3 제어신호에 응답하여, 상기 충방전회로부에 의해 이루어지는 충전 및 방전시간과 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고, 상기 측정에 따른 출력신호를 출력한다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 정전용량식 터치패널은 터치센서들과, 상기 터치센서들 각각의 양단에 연결되어 상기 터치센서의 정전용량 변화를 감지하여 터치위치를 감지하는 정전용량 측정회로를 포함한다. 상기 정전용량 측정회로는 전압비교부, 제어부, 복합스위치, 충방전회로부 및 타이머부를 포함한다. 상기 전압비교부는 외부로부터 제공되는 제1 제어신호에 응답하여, 상기 제1 기준전압과 터치센서에 의한 감지전압을 비교한 제1 비교신호와 상기 제2 기준전압과 상기 감지전압을 비교한 제2 비교신호를 출력한다. 상기 제어부는 외부로부터 제공되는 제2 제어신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2 비교신호들을 근거로 하나의 충방전 제어신호를 출력한다. 상기 복합스위치는 상기 터치센서들 양단과 연결되고, 외부로부터 제공되는 제3 제어신호에 응답하여, 감지신호를 상기 터치센서에 전송하는 경로와 상기 터치센서를 경유하여 상기 터치센서의 정전용량 변화량을 감지하는 감지신호를 수신하는 경로를 설정하도록 설계된다. 상기 충방전회로부는 상기 충방전 제어신호에 응답하여, 상기 복합스위치에 의해 선택된 터치센서를 상기 제1 기준전압에서 상기 제2 기준전압까지 충전하거나, 상기 제2 기준전압부터 상기 제1 기준전압으로 방전시킨다. 상기 타이머부는 외부로부터 제공되는 제4 제어신호 및 상기 제3 제어신호에 응답하여, 상기 충방전회로부에 의해 이루어지는 충전 및 방전시간과 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고, 상기 측정에 따른 출력신호를 출력한다.
이러한 터치센서의 정전용량 측정회로 및 이를 갖는 정전용량식 터치패널에 의하면, 터치센서의 길이가 길어지는 대형 크기의 터치스크린 장치에도 채용되어 보다 안정적으로 상기 터치센서의 정전용량을 측정할 수 있다. 또한, 터치센서를 경유하는 감지신호의 경로를 터치센서의 일측에서 타측 또는 타측에서 일측으로 변경하므로써, 하나의 정전용량 측정회로가 공유될 수 있다. 따라서, 두 개의 정전용량 측정회로를 통해 정전용량을 측정하는 경우에 비해 측정값의 오차율을 줄일 수 있다.
도 1은 일반적인 연속 위치 감지방식의 정전용량식 터치패널을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량 터치 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 정전용량 측정회로를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 정전용량 측정회로의 동작을 설명하기 위한 파형도들이다.
도 5는 도 3에 도시된 충방전회로부의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 3에 도시된 충방전회로부의 다른 예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 7은 도 2에 도시된 정전용량식 터치패널을 통한 정전용량 감지 원리를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 도 7에 도시된 제1 감지방향 및 제2 감지방향에 따른 감지 신호 지연 현상을 개략적으로 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 도 3에 도시된 복합스위치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10a 및 도 10b는 정전용량 감지신호의 경로를 설명하기 위한 개념도들이다. 특히, 도 10a에는 터치센서의 왼쪽에서 오른쪽으로 종단하는 정전용량 감지신호의 경로가 도시되고, 도 10b에는 터치센서의 오른쪽에서 왼쪽으로 종단하는 정전용량 감지신호의 경로가 도시된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량 터치 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 터치 시스템은 타이밍 컨트롤러(100), 표시패널(200), 터치패널(300) 및 정전용량 측정회로(400)를 포함한다. 상기 정전용량 측정회로(400)는 상기 터치패널(300)에 실장될 수 있다. 상기 정전용량 측정회로(400)가 상기 터치패널(400)에 실장되면, 상기 터치패널(400)은 정전용량식 터치패널(300)로 정의될 수 있다.
상기 타이밍 컨트롤러(100)는 복수의 제어신호들(CS1, CS2, CS3, CS4)을 상기 정전용량 측정회로(300)에 제공하고, 상기 정전용량 측정회로(300)로부터 제공되는 측정결과에 대응하는 측정신호(MS)를 제공받아 터치좌표를 연산한다.
상기 표시패널(200)은 상기 타이밍 컨트롤러(100)로부터 제공되는 영상신호(IS)와 상기 영상신호(IS)의 표시를 위해 영상제어신호(ICS)를 제공받아 영상을 표시한다. 상기 표시패널(200)은 상기 터치패널(400) 아래에 배치될 수 있다.
상기 터치패널(300)은 상기 표시패널(200) 위에 배치될 수 있다. 상기 터치패널(300)에는 복수의 터치센서들이 형성된다. 상기 터치센서들은 수평방향과 평행하게 형성될 수도 있고, 수직방향과 평행하게 형성될 수도 있다. 상기 터치센서는 단위 면적당 일정한 저항을 갖는 ITO(Indium Thin Oxide)나 CNT(Carbon Nano Tube) 등의 도전성 매질을 특정한 형태의 패턴으로 성형하여 제작된다. 본 실시예에서, 터치센서는 단일층으로 구성된다.
상기 정전용량 측정회로(400)는 상기 터치패널(300)에 형성된 복수의 터치센서들에 연결되어 터치센서들 각각에 정전류를 인가하여 상기 터치센서들을 충전시키고, 상기 터치센서와 인체에 의해서 생성된 정전용량의 캐패시턴스가 기준전압까지 방전되는데 소요되는 시간을 측정하여 해당 터치센서의 정전용량을 측정한 후, 상기 타이밍 컨트롤러(100)에 제공한다.
도 3은 도 2에 도시된 정전용량 측정회로를 설명하기 위한 블록도이다. 도 4는 도 3에 도시된 정전용량 측정회로의 동작을 설명하기 위한 파형도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정회로(400)는 기준전압발생부(410), 전압비교부(420), 제어부(430), 타이머부(440), 충방전회로부(450) 및 복합스위치(460)를 포함하고, 복수의 터치센서들에 연결되어 터치센서들 각각에 정전류를 인가하고, 터치센서와 인체에 의해서 생성된 정전용량의 캐패시턴스를 기준전압까지 방전되는데 소요되는 시간을 측정하여 해당 터치센서의 정전용량을 측정한다.
구체적으로, 상기 충방전회로부(450)는 일정주기의 충방전을 N회 계속적으로 수행하되, 복합스위치(460)에 연결된 터치센서로부터 정전용량이 입력되면 상기 일정주기에 시간차가 발생되어 N회 주기 동안의 누적된 시간차를 상기 타이머부(440)가 측정함으로써 정전용량 입력여부를 결정하며, 상기 충방전 횟수가 증가할수록 상기 터치센서를 통해 정전용량이 측정되면 충방전에 소요되는 시간은 비례적으로 증가한다.
상기 기준전압발생부(410)는 직렬 연결된 제1 저항(R1), 제2 저항(R2) 및 제3 저항(R3)을 포함하고, 제1 기준전압(refh)과 제2 기준전압(refl)을 생성하여 전압비교부(20)에 제공한다. 본 실시예에서, 제1 내지 제3 저항들(R1, R2, R3)은 가변 저항이다. 상기한 가변 저항의 저항값은 프로그램으로 변경될 수 있다. 따라서, 상기 제1 기준전압(refh) 및 상기 제2 기준전압(refl) 역시 가변 전압이다.
이처럼, 정전용량 측정회로에 인가되는 전원의 노이즈가 많거나 외부에서 유입되는 노이즈가 많을 경우, 각각 제1 기준전압(vrefh)과 제2 기준전압(vrefl)을 프로그램으로 변경하여 노이즈에 영향을 받지 않는 기준전압을 설정할 수 있다.
특히, 정전용량을 감지하기 위해 형성된 터치센서의 면적이 넓을수록 외부 환경에 의한 영향으로 노이즈가 많이 유입되어 정전용량 감지특성이 저하된다. 하지만, 제1 기준전압(vrefh)과 제2 기준전압(vrefl)간의 차이를 작게 제어하면, 보다 노이즈 특성을 줄일 수 있다.
다만, 제1 기준전압(vrefh)과 제2 기준전압(vrefl)의 전압의 차이를 작게 설정한 경우, 동일한 시간 동안의 정전용량 측정 결과가 SNR(신호 대 잡음비)는 좋아지지만, 일정 부분 정전용량 감지신호의 감소도 발생하게 됨으로 응용에 따라 적절한 제1 기준전압(vrefh)과 제2 기준전압(vrefl)의 전압값을 선택하게 된다.
상기 전압비교부(420)는 외부로부터 제공되는 제1 제어신호에 응답하여 상기 기준전압발생부(410)에서 생성된 전압들과 상기 터치센서로부터 입력되는 감지전압을 비교한다. 예를들어, 상기 전압비교부(420)는 제1 전압비교기(COM1) 및 제2 전압비교기(COM2)를 포함한다. 본 실시예에서, 상기 제1 제어신호는 제1 및 제2 전압비교기들(COM1, COM2)을 인에이블 또는 디스에이블한다. 즉, H 레벨을 갖는 제1 제어신호는 상기 제1 및 제2 전압비교기들(COM1, COM2)을 인에이블하고, L 레벨을 갖는 제1 제어신호는 상기 제1 및 제2 전압비교기들(COM1, COM2)을 디스에이블한다.
상기 제1 전압비교기(COM1)는 H 레벨을 갖는 제1 제어신호에 응답하여 상기 기준전압발생부(10)에서 생성된 제1 기준전압(refh)과 상기 터치센서로부터 입력되는 감지전압을 비교하여 제1 비교신호(O_up)를 출력한다. 제1 비교신호(O_up)는 상기 제1 전압비교기(COM1)에서 비교한 신호의 전압이 제1 기준전압(refh)의 전압과 같거나 높을 때 소정의 H 레벨의 출력을 발생하며, 그렇지 않은 경우는 L 레벨의 출력을 발생시킨다. H 레벨의 제1 비교신호(O_up)가 출력되면, 상기 제어부(430)에서 출력되는 충방전 제어신호(ctl)가 제어되어 정상 동작 기간(제2 제어신호가 H인 구간) 중에는 회로내에 존재하는 소정의 지연시간 내에 즉시 H 레벨에서 L 레벨로 변화된다.
상기 제2 전압비교기(COM2)는 H 레벨을 갖는 제1 제어신호에 응답하여 상기 기준전압발생부(10)에서 생성된 제2 기준전압(refl)과 상기 터치센서로부터 입력되는 감지전압을 비교하여, 제2 비교신호(O_dn)를 출력한다. 제2 비교신호(O_dn)는 상기 제2 전압비교기(COM2)에서 비교한 신호의 전압이 제2 기준전압(refl)의 전압과 같거나 낮을 때 H 레벨의 출력을 발생하며, 그렇지 않은 경우는 L 레벨의 출력을 발생시킨다. H 레벨의 제2 비교신호(O_dn)가 출력되면, 상기 제어부(430)에서 출력되는 충방전 제어신호(ctl)가 제어되어 정상 동작 기간(제2 제어신호가 H인 구간) 중에는 회로내에 존재하는 소정의 지연 시간 내에 즉시 L 레벨에서 H 레벨로 변화된다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전압비교기들(COM1, COM2) 각각은 히스테리시스를 갖는 전압비교기를 포함할 수 있다. 히스테리시스를 갖는 전압비교기들은 쉬미트 트리거(Schmitt trigger)를 갖는 비교기라고도 불리며, 이를 사용함으로써, 정전용량 측정회로에 인가되는 VDD 공급 전압의 노이즈나 GND 레벨의 전압에 대한 노이즈가 인가될 경우 너무 민감하게 비교기가 동작하게 하는 것을 방지하여 실제 본 명세서를 기반으로 개발된 반도체가 응용회로에서 동작하게 될 경우 공급 전원에 의한 노이즈로부터 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있다.
상기 제어부(430)는 상기 전압비교부(420)의 상기 제1 전압비교기(COM1) 및 상기 제2 전압비교기(COM2) 각각의 출력신호인 제1 비교신호(O_up) 및 제2 비교신호(O_dn)와 외부로부터 제공되는 제2 제어신호를 입력받아, 상기 충방전회로부(450)의 동작과 상기 타이머부(440)의 동작을 제어한다. 예를들어, 상기 제어부(430)는 상기 충방전회로부(450)의 동작을 제어하기 위해 충방전 제어신호(ctl)를 상기 충방전회로부(450)에 제공한다. 제2 제어신호가 L 레벨에서 H 레벨로 천이되면, 상기 충방전 제어신호(ctl)는 L 레벨에서 H 레벨로 천이되고, 제1 비교신호가 L 레벨에서 H 레벨로 천이되면, 상기 충방전 제어신호(ctl)는 H 레벨에서 L 레벨로 천이된다. 또한, 제2 비교신호가 L 레벨에서 H 레벨로 천이되면, 상기 충방전 제어신호는 L 레벨에서 H 레벨로 천이되고, 제1 비교신호가 L 레벨에서 H 레벨로 천이되면 H 레벨에서 L 레벨로 천이된다. 즉, 충방전 제어신호(ctl)는 제2 제어신호에 의해 H 레벨로 천이된 후, 제1 비교신호에 의해 L 레벨로 천이되며, 제2 비교신호에 의해 H 레벨로 천이되는 동작을 반복한다.
상기 충방전회로부(450)는 상기 제어부(430) 및 상기 복합스위치(460)에 각각에 연결되고, 상기 제어부(430)에서 제공되는 충방전 제어신호(ctl)에 응답하여 상기 복합스위치(460)를 통해 입력된 감지전압(signal)을 상기 제1 기준전압(refh)에서 상기 제2 기준전압(refl)까지 충전하거나 상기 제2 기준전압(refl)에서 상기 제1 기준전압(refh)까지 방전시킨다. 본 실시예에서, 충방전 제어신호(ctl)를 입력받아 온/오프되는 스위치(SW)는 상기 감지신호에 대응하는 노드(VN)와 접지단자측 간에 연결된다. 즉, 스위치(SW)가 턴오프되면 전원전압단자의 전원전압을 근거로 생성된 충전전류(i1)를 상기 노드에 제공하여 터치센서를 충전시키고, 스위치(SW)가 턴온되면 터치센서의 충전전압에 대응하는 방전전류(i2)를 상기 접지단자를 통해 방전시킨다.
상기 복합스위치(460)는 외부로부터 제공되는 제3 제어신호에 응답하여 감지신호의 출력과 입력의 방향을 전환한다. 본 실시예에서, 상기 제3 제어신호는 상기 복합스위치(460)의 신호 전달 경로를 결정하는 역할을 수행한다. 즉, 상기 복합스위치(460)는 제3 제어신호의 제어를 받아 상기 충방전회로부(450)에서 출력되는 정전용량 감지신호가 터치센서의 왼쪽에서 오른쪽으로 종단하는 경로를 설정하거나 터치센서의 오른쪽에서 왼쪽으로 종단하는 경로를 설정할 수 있다.
상기 타이머부(440)는 외부로부터 제4 제어신호에 응답하여 상기 충방전회로부(450)에 의해 이루어지는 충전시간 및 방전시간 그리고 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고 이에 따른 측정결과에 대응하는 측정신호를 출력한다. 본 실시예에서, 상기 제4 제어신호는 상기 타이머부(440)의 동작을 제어한다. 예컨대, 상기 제4 제어신호가 첫번째로 H 레벨의 에지인 구간에서는 상기 타이머부(440)를 초기화함과 동시에 상기 타이머부(440)가 동작을 개시하여 감지신호(signal)의 정해진 주기만큼 상기 타이머부(440)를 동작시켜 클럭의 숫자를 계산한다. 첫번째 H 레벨의 에지 구간 이후에 발생하는 L 레벨의 에지 구간에서는 상기 타이머부(440)의 동작을 정지하고, 그때까지 계산된 상기 타이머부(440)의 값을 유지하여 측정 결과를 전송하는 역할을 수행한다.
제2 제어신호가 H 레벨인 구간에서 상술된 동작을 지속적으로 반복한다. 출력되는 상기 타이머부(440)의 값은 제3 제어신호에 의해 각각의 패드의 정전용량값으로 인식한다.
최초 시작은 충방전회로부(450)의 출력신호, 즉 정전용량 감지신호가 0V의 접지 레벨에서 시작한다. 이때 신호는 제1 기준전압(vrefh) 및 제2 기준전압(vrefl) 보다 낮은 값을 갖는다. 상기 제2 기준전압(vrefl)은 통상적으로 GND 0V보다 조금 높은 전압이다. 예를들어, 상기 제2 기준전압(vrefl)은 300mV로 설정될 수 있다. 상기 제1 기준전압(vrefh)은 1/2 VDD 내지 VDD-300mV로 설정될 수 있다.
정상상태에서 정전용량 측정회로가 동작하면, 비교기(420)와 제어부(430)는 신호가 vref보다 낮은 경우는 제어부(430)의 출력 충방전 제어신호(ctl)가 0V가 되어 신호가 제2 기준전압(vrefl)부터 제1 기준전압(vrefh)까지 삼각파의 형태로 상승하는 기울기가 있는 직선 형태의 모양을 갖도록 동작한다. 한편, 신호의 전압이 제1 기준전압(vrefh)에 도달하게 되면 스위치(SW)를 연결하여 정전용량 감지신호가 삼각형 형태에서 하강하는 기울기 있는 직선 형태의 모양을 갖도록 동작한다.
상기 충방전회로부(450)의 감지신호(signal)는 충전전류(i1)와 방전전류(i2)에 의해서 패드에 연결된 터치센서에 대한 전하를 충전 및 방전을 진행하는 동작을 함으로 상승 또는 하강할 때의 파형은 직선형태가 된다.
도 5는 도 3에 도시된 충방전회로부(450)의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 충방전회로부(450)는 터치센서를 충전하기 위한 충전전류를 출력하는 충전부(452), 상기 터치센서를 방전하기 위한 방전전류를 제공받는 방전부(454), 및 상기 충전부(452)와 상기 터치센서간의 연결을 스위칭하거나 상기 터치센서와 상기 방전부(454)간의 연결을 스위칭하는 충방전스위치(SW)를 포함한다.
상기 충전부(452)는 제1 PMOS(P0) 및 제2 PMOS(P1)을 포함한다. 상기 제1 NMOS(N0)의 소스와 상기 제2 NMOS(N1)의 소스는 각각 전원전압(VDD)을 공급하는 전원전압 노드에 연결되고, 상기 제1 NMOS(N0)의 게이트 및 드레인은 공통 연결되며, 상기 제1 NMOS(N0)와 상기 제2 NMOS(N1)의 게이트는 서로 연결되어 커런트미러형(Current-mirror)으로 구성된다. 즉, 상기 제1 PMOS(P0) 및 상기 제2 PMOS(P1)는 제1 커런트미러를 정의한다. 상기 제2 NMOS(N1)의 드레인은 터치센서 및 상기 충방전스위치(SW)에 연결된다.
상기 방전부(454)는 가변정전류원(VI), 제1 NMOS(N0), 제2 NMOS(N1) 및 제3 NMOS(N2)를 포함한다. 상기 제1 NMOS(N0), 상기 제2 NMOS(N1) 및 상기 제3 NMOS(N2)는 제2 커런트미러를 정의한다.
상기 가변정전류원(VI)은 제2 커런트미러에 흐르는 전류량을 결정한다. 상기 가변정전류원(VI)은 제1 NMOS(N0)의 바이어스의 전류량을 결정하는 가변저항을 포함할 수 있다. 상기 가변저항의 저항값에 의해 제1 NMOS(N0)의 드레인과 소스(GND)사이에 흐르는 전류량이 결정된다.
상기 제1 NMOS(N0)의 소스는 가변정전류원(VI)에 연결되고, 드레인은 접지노드(GND)에 연결되며, 게이트는 상기 제2 NMOS(N1)의 게이트에 연결된다.
상기 제2 NMOS(N1)의 소스는 제1 NMOS(N0)의 드레인에 연결되고, 게이트는 제1 NMOS(N0)의 게이트 및 소스에 공통 연결되며, 드레인은 접지노드(GND)에 연결된다.
상기 제3 NMOS(N2)의 소스는 충방전스위치(SW)에 연결되고, 게이트는 상기 제2 NMOS(N1)의 게이트에 공통 연결되며, 드레인은 접지노드(GND)에 연결된다. 상기 제1 NMOS(N0)의 소스 및 게이트는 공통 연결되고, 상기 제2 NMOS(N1)의 게이트 및 제3 NOMOS(N2)가 서로 연결되어 커런트미러형(Current-mirror)으로 구성된다. 즉, 상기 제1 NMOS(N0), 상기 제2 NMOS(N1) 및 상기 제3 NMOS(N2)는 제2 커런트미러를 정의한다.
상기 충방전스위치(SW)는 상기 충전부(452)에 연결된 제1 단, 상기 방전부(454) 및 상기 터치센서에 연결된 제2 단 및 외부로부터 제공되는 충방전 제어신호(ctl)를 제공받는 제어단을 포함한다. 상기 충방전스위치(SW)는 상기 충방전 제어신호(ctl)에 의해 턴온 또는 턴오프된다.
상기 충방전스위치(SW)가 턴온되는 경우, 충전부(452)와 터치센서간의 전기적 경로가 형성되어, 충전부(452)에서 출력되는 충전전류는 상기 터치센서에 제공되어 상기 터치센서를 충전시킨다.
상기 충방전스위치(SW)가 턴오프되는 경우, 충전부(452)와 터치센서간의 전기적 경로는 차단되고 터치센서와 방전부(454)간의 전기적 경로는 형성되어, 상기 터치센서에 충전된 전류는 상기 방전부(454)에 제공되어 상기 터치센서를 방전시킨다.
이처럼, 상기 제1 PMOS(P0) 및 상기 제2 NMOS(N1)는 상기 제2 PMOS(P1)의 전류를 미러링(mirroring)하기 위한 것이다.
상기 제2 PMOS(P1) 및 상기 제3 NMOS(N2)은 터치센서에 정전용량을 충전하거나 방전하기 위한 것으로, 상기 가변정전류원(VI)으로부터 결정된 상기 제1 NMOS(N0)의 전류와 동일한 양의 전류를 공급하는 기능을 수행한다.
본 실시예에서, 충전전류(i1)와 방전전류(i2)의 크기는 서로 갖지 않고 방전전류(i2)가 충전전류(i1)보다 크도록 설계하며, 정전용량을 감지한 감지신호의 삼각파가 상승시간과 하강시간이 동일하게 하기 위해, 방전전류(i2)는 충전전류(i1)의 두배가 되도록 설계될 수 있다.
커런트미러에서 i1 * 2 = i2의 전류를 신호라인으로 구동하기 위하여 NMOS의 채널 폭은 아래의 수학식 1 및 수학식 2를 만족하도록 설계될 수 있다.
[수학식 1]
N0 = N1
[수학식 2]
N2 = N0 * 2
반면에, 제1 PMOS(P0) 및 제2 PMOS(P1)는 동일한 크기의 채널 폭을 같도록 설계될 수 있다. 여기서, 모든 FET의 채널 길이는 동일하다고 가정한다.
따라서, 충방전 제어신호(ctl)에 의해서 동작하는 충방전스위치(SW)가 0인 구간(OFF상태)에서는 감지신호의 전압은 충전전류(i1)만큼의 전류를 사용하여 충전하기 때문에 직선형으로 기울기를 갖고 상승한다.
한편, 충방전스위치(SW)가 1인 구간(ON)인 구간에는 i2-i1 = i1, (i2 = i1 * 2인 경우) 즉 방전전류(i2)의 전류를 사용하여 방전을 개시하나, 방전전류(i2)의 1/2에 해당하는 전류값을 갖는 충전전류(i1)에 의해서 충전도 동시에 이루어지므로 결국 터치센서신호(signal)에 인가되는 최종 방전 전류는 전류의 식에 의해 충전전류(i1)만큼의 전류량으로 방전을 하며 신호의 전압을 선형적으로 감소시킨다.
이렇게 i2=i1*2의 전류 관계식과 충방전스위치(SW)의 동작을 사용하게 되면, 정전용량을 감지하는 신호의 신호선에는 어떠한 순간에도 전류가 0이 되는 구간이 발생하지 않아 외부 노이즈에도 강하게 되어 정전용량 감지특성이 향상되게 된다.
이상의 실시예에서는 상기 제1 및 제2 PMOS들(P0, P1)과 상기 제1 내지 제3 NMOS들(N0, N1, N2) 각각의 채널 길이는 동일할 때, 상기 제1 PMOS(P0)의 채널 폭과 상기 제2 PMOS(P1)의 채널 폭은 서로 동일하고, 상기 제1 NMOS(N0)의 채널 폭과 상기 제2 NMOS(N1)의 채널 폭은 서로 동일하며, 상기 제3 NMOS(N2)의 채널 폭은 상기 제1 NMOS(N0)의 채널 폭의 두 배인 것을 그 예로 설명하였다. 상기한 FET들의 채널 길이이나 채널 폭은, 전류 미러링 동작을 수행하기 위해, 다양하게 가변시킬 수 있다.
예를들어, 상기 제1 및 제2 PMOS들(P0, P1)과 상기 제1 내지 제3 NMOS들(N0, N1, N2) 각각의 채널 길이는 동일할 때, 상기 제1 PMOS(P0)의 채널 폭과 상기 제2 PMOS(P1)의 채널 폭간의 비율은 1 : N (N은 자연수), 상기 제1 NMOS(N0)의 채널 폭과 상기 제2 NMOS(N1)의 채널 폭간의 비율은 1 : N이며, 상기 제1 NMOS(N0)의 채널 폭과 상기 제3 NMOS(N2)의 채널 폭간의 비율은 1 : N*M(여기서, M은 2*N)일 수 있다.
예를들어, N이 1이고 M이 2인 경우, FET들간의 채널 폭 관계는 아래의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
P0:P1=1:1,
N0:N1:N3=1:1:2
한편, N이 4이고 M이 2인 경우, FET들간의 채널 폭 관계는 아래의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
P0:P1=1:4,
N0:N1:N2=1:4:8
도 6은 도 3에 도시된 충방전회로부(450)의 다른 예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 충방전회로부(450)는 충방전스위치(610), 제1 커런트미러(620), 제2 커런트미러(630), 방전제어부(640), 방전부(650), 제3 커런트미러(660), 충전제어부(670) 및 충전부(680)를 포함한다.
상기 충방전스위치(610)는 외부로부터 제공되는 충방전 제어신호에 따라 온/오프된다. 상기 충방전스위치(610)는 게이트를 통해 수신되는 충방전 제어신호에 따라 턴온 또는 턴-오프되는 NMOS(N11)를 포함한다. H 레벨의 충반전 제어신호가 입력되면, NMOS(N11)는 턴-온되고, L 레벨의 충방전 제어신호가 입력되면, NMOS(N11)는 턴-오프된다.
상기 제1 커런트미러(620)는 전원전압에 대응하는 제1 바이어스 전류를 공급한다. 상기 제1 커런트미러(620)는 PMOS(P21), PMOS(P22), PMOS(P23) 및 PMOS(P24)를 포함한다. 본 실시예에서, PMOS(P21)와 PMOS(P22)는 직렬 연결되고, PMOS(P23)와 PMOS(P24)는 직렬 연결된다. PMOS(P21)의 게이트와 PMOS(P23)의 게이트는 공통 연결되고, PMOS(P22)의 게이트와 PMOS(P24)의 게이트는 공통 연결된다. PMOS(P21)의 소스와 PMOS(P23)의 소스는 전원전압단에 연결되어 전원전압(VDD)을 공급받고, PMOS(P22)의 드레인은 접지단에 연결된다.
상기 제2 커런트미러(630)는 상기 제1 바이어스 전류에 미러링되어 제2 바이어스 전류를 공급한다. 상기 제2 커런트미러(630)는 PMOS(P31), PMOS(P32), PMOS(P33) 및 PMOS(P34)를 포함한다. 본 실시예에서, PMOS(P31)와 PMOS(P32)는 직렬연결되고, PMOS(P33)와 PMOS(P34)는 직렬 연결된다. PMOS(P31)의 소스 및 PMOS(P33)의 소스는 각각 전원전압단에 연결되어 전원전압(VDD)을 공급받는다. PMOS(P31)의 게이트 및 PMOS(P33)의 게이트는 제1 커런트미러(620)의 PMOS(P21)의 게이트 및 소스에 연결된다. PMOS(P32)의 게이트 및 PMOS(P34)의 게이트는 제1 커런트미러(620)의 PMOS(P22)의 게이트 및 소스에 연결된다.
상기 방전제어부(640)는 상기 제2 바이어스 전류를 근거로 방전제어신호를 출력한다. 상기 방전제어부(640)는 NMOS(N41), NMOS(N42) 및 NMOS(N43)를 포함한다. 본 실시예에서, NMOS(N41)의 소스 및 게이트는 공통 연결되어 제2 커런트미러(630)의 PMOS(P32)의 드레인에 연결되고, 드레인은 접지단에 연결된다. NMOS(N42)의 소스는 제2 커런트미러(630)의 PMOS(P34)의 드레인에 연결되고, 게이트는 NMOS(N41)의 소스 및 게이트에 연결된다. NMOS(N43)의 소스는 NMOS(N42)의 드레인에 연결되고, 게이트는 제2 커런트미러(630)의 PMOS(P34)의 드레인에 연결되고, 드레인은 접지단에 연결된다.
상기 방전부(650)는 터치센서에 전기적으로 연결되고, 상기 방전제어신호에 응답하여 상기 터치센서의 전하를 방전한다. 상기 방전부(650)는 NMOS(N51) 및 NMOS(N52)를 포함한다. 본 실시예에서, NMOS(N51) 및 NMOS(N52)는 직렬 연결된다. NMOS(N51)의 게이트는 방전제어부(640)의 NMOS(N42)의 게이트에 연결되고, NMOS(N52)의 게이트는 방전제어부(640)의 NMOS(N43)의 게이트에 연결된다. NMOS(N51)의 소스는 터치센서에 연결된다. NMOS(N52)의 드레인은 접지단에 연결된다.
상기 제3 커런트미러(660)는 상기 충방전스위치(610)가 오프되면, 상기 제1 바이어스 전류를 상응하는 전류를 미러링한다. 상기 제3 커런트미러(660)는 NMOS(N61), NMOS(N62), NMOS(N63), NMOS(N64), NMOS(N65) 및 NMOS(N66)을 포함한다. 본 실시예에서, NMOS(N61)와 NMOS(N63)는 직렬연결되고, NMOS(N62)와 NMOS(N64)는 직렬연결되며, NMOS(N65)와 NMOS(N66)는 직렬 연결된다. NMOS(N61)의 소스 및 게이트는 공통 연결되어 제1 커런트미러(620)의 PMOS(P24)의 드레인, NMOS(N62)의 게이트 및 NMOS(N65)의 게이트에 연결된다. NMOS(N62)의 소스는 충전제어부(670)와 연결된다. NMOS(N65)의 소스는 충전제어부(670)에 연결된다. NMOS(N63)의 소스 및 게이트는 공통 연결되어 NMOS(N61)의 드레인, NMOS(N64)의 게이트 및 NMOS(N66)의 게이트에 연결된다. NMOS(N63)의 드레인은 접지단에 연결되고, NMOS(N64)의 드레인은 접지단에 연결되며, NMOS(N66)의 드레인은 접지단에 연결된다.
상기 충전제어부(670)는 상기 제3 커런트미러(660)의 미러링에 의해 충전제어신호를 출력한다. 상기 충전제어부(670)는 PMOS(P71), PMOS(P72) 및 PMOS(P73)을 포함한다. 본 실시예에서, PMOS(P71)와 PMOS(P72)는 직렬 연결된다. PMOS(P71)의 소스는 전원전압단에 연결되어 전원전압을 수신하고, 게이트는 PMOS(P72)의 드레인과 공통 연결되어 충전부(680)에 연결된다. 또한, PMOS(P72)의 드레인은 제3 커런트미러(660)의 NMOS(N62)의 소스에 연결된다. PMOS(P73)의 소스는 전원전압단에 연결되어 전원전압을 수신하고, 게이트는 PMOS(P72)의 게이트와 공통 연결되어 충전부에 연결된다. PMOS(P73)의 드레인은 제3 커런트미러(660)의 NMOS(N65)의 소스에 연결된다.
상기 충전부(680)는 상기 터치센서에 전기적으로 연결되고, 상기 충전제어신호에 응답하여 상기 터치센서에 전하를 충전한다. 상기 충전부(680)는 PMOS(P81), PMOS(P82), PMOS(P83) 및 PMOS(P84)를 포함한다. 본 실시예에서, PMOS(P81)와 PMOS(P82)는 직렬연결되고, PMOS(P83)와 PMOS(P84)는 연결된다. PMOS(P81)의 소스는 PMOS(P83)의 소스는 공통 연결되어 전원전압단에 연결되어 전원전압(VDD)을 공급받는다. PMOS(P81)의 게이트와 PMOS(P83)의 게이트는 공통 연결되어 충전제어부(670)의 PMOS(P71)의 게이트 및 PMOS(P72)의 드레인에 연결된다. PMOS(P82)의 게이트 및 PMOS(P84)의 소스는 공통 연결되어 충전제어부(670)의 PMOS(P72)의 게이트에 연결된다. PMOS(P82)의 드레인 및 PMOS(P84)의 드레인은 공통 연결되어 터치센서 및 방전부(650)의 NMOS(N51)의 소스에 연결된다.
그러면, 이하에서, 도 6에 도시된 충방전회로부(450)의 동작을 간략히 설명한다.
L 레벨의 충방전 제어신호(ctl)가 상기 충방전스위치(610)에 공급되면, NMOS로 구성되는 상기 충방전스위치(610)는 턴-오프된다. 상기 제1 커런트미러(620)에서 출력되는 제1 미러링 전류에 의해 상기 제2 커런트미러(630)는 활성화되어 상기 제2 커런트미러(630)는 제2 미러링 전류를 상기 방전제어부(640)에 공급한다. 상기 방전제어부(640)는 제2 미러링 전류를 근거로 상기 방전부(650)를 활성화시킨다. 활성화된 상기 방전부(650)는 터치센서에 충전된 전하를 접지단을 통해 방전시킨다. 이때, 상기 제1 커런트미러(620)에서 출력되는 제1 미러링 전류는 상기 제3 커런트미러(660)에도 공급되어 바이어스 전류 역할을 수행한다.
H 레벨의 충방전 제어신호(ctl)가 상기 충방전스위치(610)에 공급되면, NMOS로 구성되는 상기 충방전스위치(610)는 턴-온된다. 상기 충방전스위치(610)가 턴온되면, 상기 제1 커런트미러(620)에서 출력되는 제1 미러링 전류는 상기 충방전스위치(610)에도 공급되므로 상기 제3 커런트미러(660)는 상대적으로 낮은 레벨의 전류를 미러링한다. 상기 제3 커런트미러(660)가 상대적으로 낮은 레벨의 전류를 미러링하므로, PMOS들로 구성된 상기 충전제어부(670)는 활성화되어 상기 충전부(680)를 활성화시킨다. 상기 충전부(680)가 활성화되면 전원전압에 상응하는 전하를 터치센서에 공급하여 터치센서를 충전시킨다. 이때, 상기 방전부(650)에 의해 방전되는 터치센서의 전압보다 상기 충전부(680)에 의해 충전되는 전압이 높다. 따라서, 상기 충전부(680)가 비활성화되면 터치센서에 충전된 전하는 상기 방전부(650)를 통해 방전되지만, 상기 충전부(680)가 활성화되면 전원전압(VDD)에 상응하는 전류가 터치센서에 공급되어 터치센서를 충전시킨다.
도 7은 도 2에 도시된 정전용량식 터치패널을 통한 정전용량 감지 원리를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 정전용량식 터치패널에는 복수의 터치센서들이 배치된다. 상기 터치센서는 단위 면적당 일정한 저항을 갖는 ITO(Indium Thin Oxide)나 CNT(Carbon Nano Tube) 등의 도전성 매질을 특정한 형태의 패턴으로 성형하여 제작된다. 본 실시예에서, 터치센서는 단일층으로 구성된다.
상기 터치센서는 왼쪽으로부터 오른쪽으로 일정한 저항성분(r)을 갖게 되며, 해당 저항성분과 공기 중 또는 가상의 접지로 매우 작은 값이지만 기생 정전용량(c)을 갖고 있다.
이 상태에서 f 위치에 인체에 대한 터치가 발생하였다는 가정하에 좌측에서 우측(즉, 제1 감지방향)으로 감지신호를 인가할 경우, 신호는 5*(r//c)+Cf의 지연 효과가 발생하며, 우측에서 좌측(즉, 제2 감지방향)으로 감지신호를 인가할 경우 신호는 3*(r//c)+Cf의 지연 효과가 발생된다.
이러한 지연 시간의 차이를 이용하여 터치가 발생한 지점의 터치센서상의 물리적인 위치를 계산할 수 있다.
상기한 내용을 일반화하기 위하여 각각의 a, b, c, d, e, f, g, h, i의 지점에 인체의 손에 의한 터치(Cf)가 발생하였을 경우에 대한 제1 감지방향과 제2 감지방향의 감지신호에 대한 지연 현상을 도식화하면 도 5와 같다.
도 8은 도 7에 도시된 제1 감지방향 및 제2 감지방향에 따른 감지 신호 지연 현상을 개략적으로 설명하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 제1 감지방향은 터치의 위치가 a에서 i로 진행함에 따라 감지신호의 지연 시간이 증가하는 현상이 발생한다. 제2 감지방향은 터치의 위치가 a에서 i로 진행함에 따라 감지신호의 지연 시간이 감소하는 현상을 나타낸다.
그리고 각각 제1 감지방향과 제2 감지방향에서 측정한 지연 시간의 차이는 각각의 터치센서상의 물리적 위치에 대응하는 구조를 갖는다.
상기 도 6의 각각의 제1, 제2 감지방향에 의한 시간 지연 효과는 실제 현상에서는 도 6과 같이 일정 기울기를 갖는 직선형상은 아니지만 직선형상과 매우 유사한 형상을 갖고 있어 이를 직선으로 표현하였다.
도 9는 도 3에 도시된 복합스위치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 복합스위치(460)는 제1 스위치(462) 및 제2 스위치(464)를 포함한다.
상기 제1 스위치(462)는 상기 충방전회로부(450), 상기 터치센서들 각각의 일단, 상기 전압비교부(420)에 연결되어, 외부로부터 제공되는 제3 제어신호에 응답하여, 상기 터치센서를 종단하는 감지신호를 제1 경로로 제어한다.
상기 제2 스위치(464)는 상기 충방전회로부(450), 상기 터치센서들 각각의 타단, 상기 전압비교부(420)에 연결되어, 외부로부터 제공되는 제3 제어신호에 응답하여, 상기 터치센서를 종단하는 감지신호를 제2 경로로 제어한다.
상기 제3 제어신호가 제1 레벨을 갖는다면, 상기 제1 스위치(462)는 상기 충방전회로부(450)와 상기 터치센서의 일단을 연결하고 상기 제2 스위치(464)는 상기 터치센서의 타단 및 상기 전압비교부(420)를 연결한다.
상기 제3 제어신호가 제2 레벨을 갖는다면, 상기 제2 스위치(464)는 상기 충방전회로부(450)와 상기 터치센서의 타단을 연결하고 상기 제1 스위치(462)는 상기 터치센서의 일단 및 상기 전압비교부를 연결한다.
도 10a 및 도 10b는 정전용량 감지신호의 경로를 설명하기 위한 개념도들이다. 특히, 도 10a는 터치센서의 왼쪽에서 오른쪽으로 종단하는 정전용량 감지신호의 경로를 도시하고, 도 10b는 터치센서의 오른쪽에서 왼쪽으로 종단하는 정전용량 감지신호의 경로를 도시한다.
도 10a를 참조하면, 터치센서의 좌측에서 우측으로 감지신호가 전송하고, 전송된 신호는 터치센서의 우측을 통해 출력되어 정전용량의 변화량이 감지된다.
제3 제어신호가 0인 경우, 감지신호(Signal_out)는 SW0을 통해 PAD L을 지나 터치센서의 상부측에 인가되고, 상기 터치센서를 통과한 신호는 상기 터치센서 하부측을 통해 PAD R을 지나 SW1을 통해 signal_in으로 입력되는 제1 감지경로를 갖는다.
도 10b를 참조하면, 터치센서의 우측에서 좌측으로 감지신호가 전송되고, 전송된 신호는 상기 터치센서의 좌측을 통해 출력되어 받아 정전용량의 변화량을 감지한다.
제3 제어신호가 1인 경우, 감지신호(Signal_out)는 SW1을 통해 PAD R을 지나 상기 터치센서의 하부측에 인가되고, 상기 터치센서를 통과한 신호는 상기 터치센서의 상부측을 통해 PAD L을 지나 SW0을 통해 signal_in으로 입력이 되는 제2 감지경로를 갖는다.
종래에는 터치센서의 양쪽에 정전용량 측정회로를 사용하였다. 즉, 2개의 정전용량 측정회로가 사용되므로 반도체 IC내의 실리콘 면적이 낭비되었고, 두 개의 회로들간의 편차로 인하여 측정값이 일정하게 수렴되지 않는 경우가 있었다.
하지만, 본 발명에 따르면, 제1 감지경로와 제2 감지경로는 그 신호의 흐름만 정반대로 이루어지므로 동일한 측정회로 하나를 이용하여 복합스위치(460)를 통해 감지경로를 조정함으로써, 그 측정값을 얻게 됨으로 반도체의 내부 회로간의 편차에 의한 오차율을 줄일 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 터치센서의 길이가 길어지는 대형 크기의 터치스크린 장치에도 채용되어 보다 안정적으로 상기 터치센서의 정전용량을 측정할 수 있다. 또한, 터치센서를 경유하는 감지신호의 경로를 터치센서의 일측에서 타측 또는 타측에서 일측으로 변경하므로써, 하나의 정전용량 측정회로가 공유될 수 있다. 따라서, 터치센서의 양단에 연결된 두 개의 정전용량 측정회로를 통해 정전용량을 측정하는 경우에 비해 측정값의 오차율을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 정전용량식 터치패널은 터치 위치를 감지하는 감지 장치에 탑재되어 다양한 제품에 탑재되어 응용될 수 있다. 현재 터치스크린 방식의 제품은 폭넓은 분야에서 사용되고 있고, 공간상의 이점으로 빠르게 버튼 방식의 기기들을 대체하고 있다. 가장 폭발적인 수요는 역시 휴대폰 분야라고 할 수 있다. 특히 휴대폰에서는 그 편의성뿐만 아니라 단말의 크기가 민감한 분야라서 별도의 키를 마련하지 않거나 키를 최소화하는 터치 폰 방식이 요즘 크게 각광을 받고 있는 것이 주지의 사실이다. 따라서 본 발명에 따른 정전용량식 터치패턴이 탑재된 감지장치는 휴대폰에 채용할 수 있음을 물론이고, 터치스크린을 채용한 TV, 은행의 현금 입출납을 자동적으로 대행하는 ATM기, 엘리베이터, 지하철 등에서 사용되는 티켓 발급기, PMP, e-book 단말기, 네비게이션 등에 폭넓게 사용될 수 있다. 이 외에도 사용자 인터페이스가 필요한 모든 분야에서 터치 스크린은 빠르게 기존의 버튼식 인터페이스를 대체해가고 있음은 자명하다.
100 : 타이밍 컨트롤러 200 : 표시패널
300 : 터치패널 400 : 정전용량 측정회로
410 : 기준전압발생부 420 : 전압비교부
430 : 제어부 440 : 타이머부
450 : 충방전회로부 452, 680 : 충전부
454, 650 : 방전부 460 : 복합스위치
COM1 : 제1 전압비교기 COM2 : 제2 전압비교기
SW, 610 : 충방전스위치 620 : 제1 커런트미러
630 : 제2 커런트미러 640 : 방전제어부
660 : 제3 커런트미러 670 : 충전제어부

Claims (16)

  1. 외부로부터 제공되는 제1 제어신호에 응답하여, 상기 제1 기준전압과 터치센서에 의한 감지전압을 비교한 제1 비교신호와 상기 제2 기준전압과 상기 감지전압을 비교한 제2 비교신호를 출력하는 전압비교부;
    외부로부터 제공되는 제2 제어신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2 비교신호들을 근거로 하나의 충방전 제어신호를 출력하는 제어부;
    터치센서들 양단과 연결되고, 외부로부터 제공되는 제3 제어신호에 응답하여, 감지신호를 상기 터치센서에 전송하는 경로와 상기 터치센서를 경유하여 상기 터치센서의 정전용량 변화량을 감지하는 감지신호를 수신하는 경로를 설정하도록 설계된 복합스위치;
    상기 충방전 제어신호에 응답하여, 상기 복합스위치에 의해 선택된 터치센서를 상기 제1 기준전압에서 상기 제2 기준전압까지 충전하거나, 상기 제2 기준전압부터 상기 제1 기준전압으로 방전시키는 충방전회로부; 및
    외부로부터 제공되는 제4 제어신호 및 상기 제3 제어신호에 응답하여, 상기 충방전회로부에 의해 이루어지는 충전 및 방전시간과 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고, 상기 측정에 따른 출력신호를 출력하는 타이머부를 포함하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합스위치는,
    상기 충방전회로부, 상기 터치센서들 각각의 일단, 상기 전압비교부에 연결되어, 상기 제3 제어신호에 응답하여, 상기 터치센서를 종단하는 감지신호를 제1 경로로 제어하는 제1 스위치; 및
    상기 충방전회로부, 상기 터치센서들 각각의 타단, 상기 전압비교부에 연결되어, 상기 제3 제어신호에 응답하여, 상기 터치센서를 종단하는 감지신호를 제2 경로로 제어하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제3 제어신호가 제1 레벨을 갖는다면, 상기 제1 스위치는 상기 충방전회로부와 상기 터치센서의 일단을 연결하고 상기 제2 스위치는 상기 터치센서의 타단 및 상기 전압비교부를 연결하고,
    상기 제3 제어신호가 제2 레벨을 갖는다면, 상기 제2 스위치는 상기 충방전회로부와 상기 터치센서의 타단을 연결하고 상기 제1 스위치는 상기 터치센서의 일단 및 상기 전압비교부를 연결하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충방전회로부는,
    상기 터치센서를 충전하기 위한 충전전류를 출력하는 충전부;
    상기 터치센서를 방전하기 위한 방전전류를 제공받는 방전부; 및
    상기 충전전류에 상응하는 전하가 상기 터치센서에 충전되도록 외부로부터 제공되는 충방전 제어신호에 따라 턴오프되고, 상기 제어신호에 따라 턴온되어 상기 터치센서에 충전된 전하가 상기 방전부에 제공되도록 상기 터치센서와 상기 방전부간의 전기적 경로를 설정하는 충방전 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 충방전 스위치에 의한 방전전류는 상기 충방전 스위치에 의한 충전전류의 두배인 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  6. 제3항에 있어서, 상기 충전부는 제1 PMOS 및 제2 PMOS를 포함하되, 상기 제1 PMOS는 전원전압 노드에 연결된 소스, 공통 연결된 게이트와 드레인을 갖고, 상기 제2 PMOS는 전원전압 노드에 연결된 소스, 상기 제1 PMOS의 게이트에 연결된 게이트를 가지며,
    상기 방전부는 가변정전류원, 제1 NMOS, 제2 NMOS 및 제3 NMOS를 포함하되, 상기 가변정전류원은 전원전압 노드에 연결된 일단을 갖고, 상기 제1 NMOS는 상기 가변정전류원에 공통 연결된 소스 및 게이트, 접지단자에 연결된 드레인을 갖고, 상기 제2 NMOS는 상기 제1 PMOS의 드레인에 연결된 소스, 상기 제1 NMOS의 게이트에 연결된 게이트 및 접지단자에 연결된 드레인을 갖고, 상기 제3 NMOS는 상기 충방전 스위치에 연결된 소스, 상기 제1 및 제2 NMOS의 게이트에 연결된 게이트 및 접지단자에 연결된 드레인을 갖는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 PMOS들과 상기 제1 내지 제3 NMOS들 각각의 채널 길이는 동일할 때,
    상기 제1 PMOS의 채널 폭과 상기 제2 PMOS들의 채널 폭은 서로 동일하고,
    상기 제1 NMOS의 채널 폭과 상기 제2 NMOS의 채널 폭은 서로 동일하며,
    상기 제3 NMOS의 채널 폭은 상기 제1 NMOS의 채널 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기준전압발생부는,
    일단이 전원전압 단자에 연결되고 타단을 통해 상기 제1 기준전압을 출력하는 제1 저항;
    일단이 상기 제1 저항의 타단에 연결되고 타단을 통해 상기 제2 기준전압을 출력하는 제2 저항; 및
    일단이 상기 제2 저항의 타단에 연결되고 타단이 접지단자에 연결된 제3 저항을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 저항들 각각은 가변저항인 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전압비교부는,
    상기 제1 기준전압과 상기 충방전회로부에서 제공되는 피드백 전압을 비교하는 제1 전압비교기; 및
    상기 제2 기준전압과 상기 충방전회로부에서 제공되는 피드백 전압을 비교하는 제2 전압비교기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전압비교기들 각각은 히스테리시스 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  10. 제1항에 있어서, 상기 먹스부에 의해 미선택된 터치센서에는 특정 전압이 강제로 인가되는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  11. 제10항에 있어서, 상기 특정 전압은 접지레벨의 전압인 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  12. 제1항에 있어서, 상기 충방전회로부는
    외부로부터 제공되는 충방전 제어신호에 따라 온/오프되는 충방전스위치;
    전원전압에 대응하는 제1 바이어스 전류를 공급하는 제1 커런트미러;
    상기 제1 바이어스 전류에 미러링되어 제2 바이어스 전류를 공급하는 제2 커런트미러;
    상기 제2 바이어스 전류를 근거로 방전제어신호를 출력하는 방전제어부;
    터치센서에 전기적으로 연결되고, 상기 방전제어신호에 응답하여 상기 터치센서의 전하를 방전하는 방전부;
    상기 충방전스위치가 오프되면, 상기 제1 바이어스 전류를 상응하는 전류를 미러링하는 제3 커런트미러;
    상기 제3 커런트미러의 미러링에 의해 충전제어신호를 출력하는 충전제어부; 및
    상기 터치센서에 전기적으로 연결되고, 상기 충전제어신호에 응답하여 상기 터치센서에 전하를 충전하는 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 커런트미러들, 상기 충전제어부 및 상기 충전부는 PMOS로 구성되고, 상기 충방전스위치, 상기 제3 커런트미러, 상기 방전제어부 및 상기 방전부는 NMOS로 구성된 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  14. 제12항에 있어서, 상기 방전부는 직렬 연결된 두 개의 NMOS들을 포함하고,
    상기 충전부는 직렬연결된 두 개의 PMOS들과, 직렬연결되고 상기 두 개의 PMOS들과 병렬 연결된 두 개의 PMOS들을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
  15. 터치센서들; 및
    상기 터치센서들 각각의 양단에 연결되어 상기 터치센서의 정전용량 변화를 감지하여 터치위치를 감지하는 정전용량 측정회로를 포함하되, 상기 정전용량 측정회로는,
    외부로부터 제공되는 제1 제어신호에 응답하여, 상기 제1 기준전압과 터치센서에 의한 감지전압을 비교한 제1 비교신호와 상기 제2 기준전압과 상기 감지전압을 비교한 제2 비교신호를 출력하는 전압비교부;
    외부로부터 제공되는 제2 제어신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2 비교신호들을 근거로 하나의 충방전 제어신호를 출력하는 제어부;
    상기 터치센서들 양단과 연결되고, 외부로부터 제공되는 제3 제어신호에 응답하여, 감지신호를 상기 터치센서에 전송하는 경로와 상기 터치센서를 경유하여 상기 터치센서의 정전용량 변화량을 감지하는 감지신호를 수신하는 경로를 설정하도록 설계된 복합스위치;
    상기 충방전 제어신호에 응답하여, 상기 복합스위치에 의해 선택된 터치센서를 상기 제1 기준전압에서 상기 제2 기준전압까지 충전하거나, 상기 제2 기준전압부터 상기 제1 기준전압으로 방전시키는 충방전회로부; 및
    외부로부터 제공되는 제4 제어신호 및 상기 제3 제어신호에 응답하여, 상기 충방전회로부에 의해 이루어지는 충전 및 방전시간과 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고, 상기 측정에 따른 출력신호를 출력하는 타이머부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 터치패널.
  16. 제15항에 있어서, 상기 정전용량 측정회로와 상기 터치센서들은 일대다 연결된 것을 특징으로 하는 정전용량식 터치패널.
KR1020120022923A 2012-03-06 2012-03-06 터치센서의 정전용량 측정회로 및 이를 갖는 정전용량식 터치패널 KR101343821B1 (ko)

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