KR20140051541A - 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치 검출 장치에 관한 것으로, 센서 패드에 대응하는 터치 센싱 유닛을 구동시켜 발생하는 전압 변화의 차이에 기초하여 레벨 시프트 값을 출력하고, 레벨 시프트 값을 이용하여 터치 면적과 터치 좌표를 산출한다.

Description

디스플레이 장치{Display Device}

본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 3D 디스플레이 부품을 하나의 모듈로 일체형화 하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.

터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 화면에 표시된 문자나 도형을 사람의 손가락이나 다른 접촉수단으로 접촉하여 사용자의 명령을 입력하는 장치로서, 영상 표시 장치 위에 부착되어 사용된다. 터치 스크린 패널은 사람의 손가락 등으로 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다. 상기 전기적 신호는 입력 신호로서 이용된다.

도 1은 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 분해 평면도이다.

도 1을 참고하면, 터치 스크린 패널(1)은 투명 기판(2)과 투명 기판(2) 위에 차례로 형성된 제1 센서 패턴층(3), 제1 절연막층(4), 제2 센서 패턴층(5) 및 제2 절연막층(6)과 금속 배선(7)으로 이루어진다.

제1 센서 패턴층(3)은 투명 기판(2) 위에 횡방향을 따라 연결될 수 있으며, 예를 들어 복수의 다이아몬드 모양이 일렬로 연결된 규칙적인 패턴으로 형성될 수 있다. 이와 같은 제1 센서 패턴층(3)은 Y 좌표가 동일한 하나의 행에 위치하는 제1 센서 패턴층(3)끼리 서로 연결되도록 형성된 복수의 Y 패턴으로 이루어질 수 있으며, 행 단위로 금속 배선(7)과 연결된다.

제2 센서 패턴층(5)은 제1 절연막층(4) 위에 열방향을 따라 연결될 수 있으며, 예를 들어 제1 센서 패턴층(3)과 동일한 다이아몬드 모양으로 형성될 수 있다. 제2 센서 패턴층(5)은 X 좌표가 동일한 하나의 열에 위치하는 제2 센서 패턴층(5)끼리 서로 연결되며, 제1 센서 패턴층(3)과 중첩되지 않도록 제1 센서 패턴층(3)과 교호로 배치된다.　 또한 제2 센서 패턴층(5)은 열 단위로 금속 배선(7)과 연결된다.

제1 및 제2 센서 패턴층(3, 5)은 인듐-틴 옥사이드(ITO)와 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있고, 제1 절연막층(4)은 투명한 절연 물질로 이루어질 수 있다.

하나의 센서 패턴층(3, 5)은 각각 금속 배선(7)을 통해 구동회로와 전기적으로 연결된다.

터치 스크린 패널(1)에 사람의 손가락이나 접촉 수단이 접촉되면 제1 및 제2 센서 패턴층(3, 5) 및 금속 배선(7)을 통하여 구동 회로 측으로 접촉 위치에 따른 정전 용량의 변화가 전달된다.　 그리고 이렇게 전달된 정전 용량의 변화가 X 및 Y 입력 처리 회로 등에 의하여 전기적 신호로 변환됨에 따라 접촉 위치가 파악된다.

그러나 이러한 터치 스크린 패널(1)은 각 센서 패턴층(3, 5)에 ITO 패턴을 별도로 구비하여야 하고, 센서 패턴층(3, 5) 사이에 절연막층(4)을 구비하여야 하므로 두께가 증가한다.

또한 종래 기술은 터치에 의해 미세하게 발생하는 정전 용량의 변화를 수차례 축적하여야 터치 검출이 가능하기 때문에 높은 주파수로 정전 용량 변화를 감지하여야 하므로 이를 위해서 복잡한 연산 및 통계 처리 과정이 요구된다.

그리고 종래 기술은 정전 용량의 변화를 정해진 시간 내에 충분히 축적해야 하기 때문에 낮은 저항을 유지하기 위하여 금속 배선을 필요로 한다.　 이러한 금속 배선은 터치 스크린의 테두리에 베젤을 두껍게 하고 추가의 마스크 공정을 발생시킨다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 터치 스크린 패널이 단순한 구조를 가지면서도 정확한 터치 면적 및 터치 좌표를 검출할 수 있는 터치 검출 장치 및 터치 검출 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 3D 디스플레이 부품을 하나의 모듈로 일체형화하여 전체 제품의 두께를 줄이고 제조 공정을 단순화하는데 있다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 장치는, 고립되어 배치된 투명 소재의 복수의 센서 패드; 상기 복수의 센서 패드와 전기적으로 연결된 스위치와 구동 커패시터를 포함하고, 상기 스위치를 이용하여 상기 센서 패드를 충전 및 플로팅 시킨 후 상기 구동 커패시터에 인가된 교번 전압에 응답하는 전압 변화를 출력하는 구동부; 터치 전후의 상기 출력된 전압 변화의 차이에 기초하여 레벨 시프트 값을 출력하는 레벨 시프트 검출부; 및 상기 레벨 시프트 값을 이용하여 터치 면적을 산출하고, 상기 터치 면적을 이용하여 터치 좌표를 산출하는 터치 정보 처리부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치에 이용되는 집적 회로(IC)는, 고립되어 배치된 복수의 센서 패드에 전기적으로 연결된 스위치와 구동 커패시터를 포함하고, 상기 스위치를 이용하여 상기 센서 패드를 충전 및 플로팅 시킨 후 상기 구동 커패시터에 인가된 교번 전압에 응답하는 전압 변화를 출력하는 구동부; 터치 전후의 상기 출력된 전압 변화의 차이에 기초하여 레벨 시프트 값을 출력하는 레벨 시프트 검출부; 및 상기 레벨 시프트 값을 이용하여 터치 면적을 산출하고, 상기 터치 면적을 이용하여 터치 좌표를 산출하는 터치 정보 처리부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 방법은, 고립되어 배치된 투명 소재의 센서 패드에 대응하는 터치 센싱 유닛를 구동시키는 단계; 터치 전후에 상기 구동된 터치 센싱 유닛로부터 발생한 전압 변화의 차이에 기초하여 레벨 시프트 값을 출력하는 단계; 상기 레벨 시프트 값에 기초하여 터치 면적을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 터치 면적과 터치된 센서 패드의 위치 정보를 이용하여 터치 좌표를 산출하는 단계를 포함한다.

상기 터치 센싱 유닛 구동 단계는, 상기 센서 패드와 전기적으로 연결된 스위치를 이용하여 상기 센서 패드를 충전 및 플로팅 시키고, 상기 센서 패드와 전기적으로 연결된 구동 커패시터에 교번 전압을 인가하여 발생된 전압 변화를 출력하는 단계를 포함하고, 상기 레벨 시프트 값 출력 단계는, 터치 전후에 상기 출력된 전압 변화의 차이를 레벨 시프트 값으로서 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 장치에 의하면 터치 패널의 구조가 단순하면서도 터치 면적 및 터치 좌표를 정확하게 검출할 수 있다.

본 발명은 3D 디스플레이 부품을 하나의 모듈로 일체형화하여 전체 제품의 두께를 줄이고 제조 공정을 단순화하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 터치 스크린 패널의 분해 평면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 장치의 분해 평면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출부를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출부의 예시적인 파형도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 정보 처리부의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 패드에 관한 정보가 저장된 메모리의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 방법을 도시한 흐름도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 그리고 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 시스템을 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 장치의 분해 평면도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 장치는 터치 패널(100)과 구동 장치(200) 및 이 둘을 연결하는 회로 기판(20)을 포함한다.

터치 패널(100)은 기판(15) 위에 형성되어 있는 복수의 센서 패드(110) 및 센서 패드(110)에 연결되어 있는 복수의 신호 배선(120)을 포함한다. 기판(15)은 투명한 소재의 유리 또는 플라스틱 필름 등으로 만들어질 수 있다.

예를 들어 복수의 센서 패드(110)는 사각형 또는 마름모꼴일 수 있으나 이와 다른 형태일 수도 있으며, 균일한 형태의 다각형 형태일 수도 있다. 센서 패드(110)는 인접한 다각형의 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.

각 신호 배선(120)은 한 쪽 끝이 센서 패드(110)에 연결되어 있으며 다른 쪽 끝은 기판(15)의 아래 가장자리까지 뻗어 있다. 신호 배선(120)의 선폭은 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 수준으로 상당히 좁게 형성될 수 있다.

센서 패드(110)와 신호 배선(120)은 ITO(indium-tin-oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), IZO(indium-zinc-oxide), CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.

센서 패드(110)와 신호 배선(120)은, 예를 들어 ITO 막을 기판(15) 위에 스퍼터링(sputtering) 등의 방법으로 적층한 다음 포토리소그래피 (photolithography) 등의 에칭 방법을 사용하여 패터닝함으로써 동시에 형성할 수 있다. 기판(15)은 투명 필름이 이용될 수 있다.

한편, 커버 유리(10)에 센서 패드(110)와 신호 배선(120)이 직접 패터닝 될 수 있다. 이 경우 커버 유리(10), 센서 패드(110), 신호 배선(120)이 일체형으로 구현되기 때문에 기판(15)은 생략될 수 있다.

터치 패널(100)을 구동하기 위한 구동 장치(200)는 인쇄 회로 기판이나 가요성 회로 필름과 같은 회로 기판(20) 위에 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않으며 기판(15) 또는 커버 유리(10)의 일부에 직접 실장될 수도 있다. 구동 장치(200)는 터치 검출부(210), 터치 정보 처리부(220), 메모리(230) 및 제어부(240) 등을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 직접회로(IC) 칩으로 구현될 수 있으며, 터치 검출부(210), 터치 정보 처리부(220), 메모리(230), 제어부(240)는 각각 분리되거나, 둘 이상의 구성 요소들이 통합되어 구현될 수 있다.

터치 검출부(210)는 센서 패드(110) 및 신호 배선(120)과 연결된 복수의 스위치와 복수의 커패시터를 포함할 수 있으며, 제어부(240)로부터 신호를 받아 터치 검출을 위한 회로들을 구동하고, 터치 검출 결과에 대응하는 전압을 출력한다. 또한 터치 검출부(210)는 증폭기 및 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있으며, 센서 패드(110)의 전압 변화의 차이를 변환, 증폭 또는 디지털화하여 메모리(230)에 기억시킬 수 있다.

터치 정보 처리부(220)는 메모리(230)에 기억된 디지털 전압을 처리하여 터치 여부, 터치 면적 및 터치 좌표 등의 필요한 정보를 생성한다.

제어부(240)는 터치 검출부(210) 및 터치 정보 처리부(220)를 제어하며, 마이크로 컨트롤 유닛(micro control unit, MCU)을 포함할 수 있으며, 펌 웨어를 통해 정해진 신호 처리를 수행할 수 있다.

메모리(240)는 터치 검출부(210)로부터 검출된 전압 변화의 차이에 기초한 디지털 전압과 터치 검출, 면적 산출, 터치 좌표 산출에 이용되는 미리 정해진 데이터 또는 실시간 수신되는 데이터를 기억한다.

도 4 및 도 5를 참고하여 터치 패널 및 터치 검출부의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출부를 예시한 회로도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출부의 예시적인 파형도이다.

도 4를 참고하면, 터치 검출부(210)는 신호 배선(120)을 통하여 센서 패드(110)에 연결되어 있으며, 스위칭 동작을 하는 트랜지스터(211), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv), 공통 전압 커패시터(Cvcom) 및 레벨 시프트 검출부(212)를 포함한다.

트랜지스터(211), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv), 공통 전압 커패시터(Cvcom) 및 레벨 시프트 검출부(212)는 센서 패드(110) 및 신호 배선(120) 당 하나씩 그룹을 이룰 수 있으며, 앞으로 센서 패드(110), 신호 배선(120), 트랜지스터(211), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv) 및 공통 전압 커패시터(Cvcom)를 합하여 "터치 센싱 유닛(touch sensing unit)"라 한다. 이 터치 센싱 유닛은 각각의 구성요소가 멀티플렉서에 의해 전기적으로 연결된 경우를 포함하는 개념이다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 터치가 발생하지 않았을 경우의 전기적 특성 또는 데이터 값을 "비터치 기준값 (non-touch reference value)" 이라고 칭한다.

이하 편의상 커패시터와 그 정전용량의 도면 부호는 동일하게 사용한다.

트랜지스터(211)는 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)로서, 게이트(gate)에는 제어 신호(Vg)가 인가되고, 소스(source)에는 충전 신호(Vb)가 인가될 수 있으며 드레인(drain)은 신호 배선(120)에 연결될 수 있다. 물론 소스가 신호 배선(120)에 연결되고 드레인에 충전 신호(Vb)가 인가될 수도 있다. 제어 신호(Vg)와 충전 신호(Vb)는 제어부(240)에 의해 제어될 수 있으며, 트랜지스터(211) 대신 스위칭 동작을 할 수 있는 다른 소자가 사용될 수도 있다.

기생 정전용량(Cp)은 센서 패드(110)에 부수되는 정전용량을 의미하는 것으로 센서 패드(110), 신호 배선(120) 등에 의해 형성되는 일종의 기생 용량이다. 기생 정전용량(Cp)은 터치 검출부(210), 터치 패널, 영상 표시 장치에 의해 발생하는 임의의 기생 용량을 포함할 수 있다.

공통 전압 정전용량(Cvcom)은 터치 패널(100)이LCD와 같은 표시 장치(도시하지 않음) 위에 장착될 때 표시 장치의 공통 전극(도시하지 않음)과 터치 패널(100) 사이에 형성되는 정전용량이다. 공통 전극에는 구형파 등의 공통 전압(Vcom)이 표시 장치에 의하여 인가된다. 한편 공통 전압 정전용량(Cvcom)도 일종의 기생 용량으로서 기생정전용량(Cp)에 포함될 수 있으며, 이하 공통 전압 정전용량(CVcom)에 대한 별도로 언급이 없으면 공통 전압 정전용량(Cvcom)은 기생정전용량(Cp)에 포함되는 것으로 하여 설명한다.

구동 정전용량(Cdrv)은 센서 패드(110)별 소정 주파수로 교번하는 교번 전압(Vdrv)을 공급하는 경로에 형성되는 정전용량이다. 구동 커패시터(Cdrv)에 인가되는 교번 전압(Vdrv)은 바람직하게는 구형파 신호이다. 교번 전압(Vdrv)은 듀티비(duty ratio)가 동일한 클럭 신호일 수도 있으나 듀티비가 상이할 수도 있다. 교번 전압(Vdrv)은 별도의 교번 전압 생성 수단에 의하여 제공될 수도 있으나, 공통 전압(Vcom)을 이용할 수도 있다.

한편 도 4에서 터치 정전용량(Ct)은 사용자가 센서 패드(110)를 터치할 경우에 센서 패드(110)와 사용자의 손가락 등의 터치 입력 도구 사이에 형성되는 정전용량을 나타낸 것이다.

도 5를 참고하면, 충전 신호(Vb)와 제어 신호(Vg)가 각각 트랜지스터(211)의 소스와 게이트에 인가되어 있다.

먼저, 센서 패드(110)에 터치 입력 도구가 터치되지 않은 경우(non-touch)에 대하여 살펴본다. 충전 신호(Vb)가 예를 들면 5V로 상승한 후에, 트랜지스터(211)의 게이트에 인가되는 제어 신호(Vg)가 저전압(VL)에서 고전압(VH)으로 올라가면 트랜지스터(211)가 턴온되면서 충전 구간(T1)이 시작된다. 이에 따라 센서 패드(110)는 5V의 충전 신호(Vb)로 충전되며, 출력 전압(Vo)은 충전 전압(Vb)이 된다. 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv) 및 공통 전압 커패시터(Cvcom)에도 충전 전압(Vb)에 의하여 전하가 충전된다. 충전 구간(T1)에서는 트랜지스터(211)가 턴온되므로 교번 전압(Vdrv)은 출력 전압(Vo)에 영향을 미치지 않는다.

다음, 제어 신호(Vg)가 고전압(VH)에서 저전압(VL)으로 내려가면서 센싱 구간(T2)이 시작되면 트랜지스터(211)가 턴 오프되고, 터치 커패시터(Ct), 기생 커패시터(Cp), 구동 커패시터(Cdrv) 및 공통 전압 커패시터(Cvcom)가 충전된 상태로 고립된다. 이 때, 충전된 전하를 안정적으로 고립시키기 위하여 레벨 시프트 검출부(212)의 입력단은 하이 임피던스를 가질 수 있다.

이와 같이 센서 패드(110) 등에 충전된 전하가 고립되어 있는 상태를 플로팅(floating) 상태라 한다. 이때, 구동 커패시터(Cdrv)에 인가된 교번 전압(Vdrv)이, 예를 들면 0V에서 5V로, 상승하면 센서 패드(110)의 출력 전압(Vo)은 전압 레벨이 순간적으로 상승되고, 다시 5V에서 0V로 하강하면 출력 전압(Vo)의 레벨은 순간적으로 강하된다. 이 때의 전압 레벨의 상승과 강하는 연결된 정전 용량에 따라 상이한 값을 갖게 된다. 이렇게 연결된 정전 용량에 따라 전압 레벨의 상승 값 또는 하강 값이 바뀌는 현상은 "kick-back"이라고 불리기도 한다.

센서 패드(110)에 터치가 없는 경우, 즉 센서 패드(110)에 연결된 커패시터가 구동 커패시터(Cdrv)와 기생 커패시터(Cp)밖에 없는 경우에는 이들 커패시터(Cdrv, Cp)에 의한 출력 전압(Vo)의 전압 변동(ΔVo1)은 다음 [수학식 1]과 같다.

여기서 VdrvH와 VdrvL은 각각 교번 전압(Vdrv)의 하이 레벨 전압 및 로우 레벨 전압이다. [수학식 1]의 ΔVo1는 터치가 발생하지 않은 센서 패드(110)의 전기적 특성에 대응하므로, 앞서 설명한 "비터치 기준값"으로 설정될 수 있다.

다음으로 센서 패드(110)에 터치 입력 도구가 터치된 경우에 대하여 살펴본다. 터치 발생 시에는 센서 패드(110)와 터치 입력 도구 사이에 터치 커패시터(Ct)가 형성되며, 이에 따라 센서 패드(110)에 연결된 커패시터는 구동 커패시터(Cdrv)와 기생 커패시터(Cp) 외에도 터치 커패시터(Ct)가 더해진다. 앞서 설명한 방식과 마찬가지로 충전 구간(T3)을 거쳐 센싱 구간(T4)에서 이들 세 커패시터(Cdrv, Cp, Ct)에 의한 센서 패드(110)의 전압 변동(ΔVo2)은 다음 [수학식 2]와 같아진다.

[수학식 1]과 [수학식 2]를 비교하면, [수학식 2]의 분모 항목에 터치 정전용량(Ct)이 추가된 것이므로, 결국, 터치가 있는 경우의 전압 변동(ΔVo2)은 터치가 없는 경우의 전압 변동(ΔVo1)에 비하여 작고, 그 차이는 터치 용량(Ct)에 따라 달라진다. 이와 같이 터치 전후의 전압 변동(ΔVo)의 차이(ΔVo1 - ΔVo2)를 "레벨 시프트"라고 칭한다. 본 명세서에서는 "레벨 시프트"는 전압 변동 (ΔVo1)차이의 디지털 값을 의미하는 경우도 있다.

커패시터의 정전용량(C)은 C=ε*A／d 로서, 전극의 면적(A)에 비례하고 전극 사이의 거리(d)에 반비례한다(ε은 유전 상수). 따라서, 터치 면적이 커질수록 터치 정전용량(Ct)이 커진다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(211)가 턴 오프 되는 센싱 구간(T2, T4)에서 구동 커패시터(Cdrv)에 인가되는 교번 전압(Vdrv)의 변동이 발생하면, 출력 전압(Vo)의 전압 변화가 발생한다. 이와 같은 관계를 이용하여, 터치 전후의 출력 전압(Vo)의 전압 변동(ΔVo)의 차이(ΔVo1- ΔVo2)를 이용하여 터치 여부 및 터치 면적을 산출할 수 있다.

다시 도 4를 참고하면, 레벨 시프트 검출부(212)는 플로팅 상태에서 교번 전압(Vdrv)에 의해 발생하는 레벨 시프트를 검출한다. 구체적으로, 레벨 시프트 검출부(212)는 터치 미발생 시의 센서 패드(110)에서의 출력 전압(Vo)의 변동분(ΔVo1) 및 터치 발생시 센서 패드(110)에서의 출력 전압(Vo)의 변동분(ΔVo2)을 측정하여 레벨 시프트가 발생하였는지를 검출할 수 있다. 즉, 센서 패드(110)의 전위는 인가된 교번 전압(Vdrv)에 의해 상승 또는 하강하게 되는데, 터치가 발생한 경우의 전압 레벨 변동은 터치가 발생하지 않은 경우의 전압 레벨 변동보다 작은 값을 가진다. 따라서, 레벨 시프트 검출부(212)는 플로팅 상태에서 교번 전압(Vdrv)의 상승 직후의 출력 전압(Vo) 레벨을 비교함으로써 레벨 시프트를 검출한다. 이 때 레벨 시프트값이 0이 아닌 경우에는 터치가 발생한 것이므로 터치 신호로서 레벨 시프트 값을 이용할 수 있다. 한편, 플로팅 상태에서 교번 전압(Vdrv) 하강이 먼저 발생하는 경우에는 하강 직후의 출력 전압(Vo) 레벨을 비교함으로써 레벨 시프트를 검출할 수도 있다.

그러면 레벨 시프트 검출부(212)에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부의 블록도이다.

도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부(212)는 증폭부(2121), 버퍼부(2122), 기준값 제공부(2123), 아날로그-디지털 변환부(ADC)(2124), 레벨 시프트 출력부(2125) 및 보정부(2126)를 포함한다. 레벨 시프트 검출부(212)는 필요에 따라 이들 중 적어도 하나의 요소를 생략할 수 있으며, 이 외에도 주파수 전압 변환기(Voltage to Frequency Converter, VFC), 플립플롭(Flip-Flop), 래치(Latch), 트랜지스터(Transistor), 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor), 비교기 등 중 적어도 하나를 더 조합하여 구성될 수 있다.

증폭부(2121)는 터치 센싱 유닛의 출력 전압(Vo)을 증폭한다. 증폭부(2121)는 단일 입력 증폭기 또는 차동 증폭기일 수 있다. 만약 차동 증폭기인 경우, 차동 증폭기의 두 입력은 터치 센싱 유닛의 출력 전압(Vo)과 터치 기준 소자의 기준 전압(Vr)일 수 있으며, 증폭부(2121)는 두 전압(Vo, Vr)의 차를 증폭하여 출력할 수 있다.

버퍼부(2122)는 출력 전압(Vo)을 버퍼링하며, 증폭부(2121)의 증폭 동작을 수행할 수도 있다.

여기에서 앞서 언급한 것처럼 터치 센싱 유닛은 도 4에 도시한 센서 패드(110), 신호 배선(120), 트랜지스터(212), 구동 커패시터(Cdrv) 및 기생 커패시터(Cp)를 포함하고, 터치가 있는 경우에는 터치 커패시터(Ct)를 더 포함한다.

터치 센싱 유닛의 출력 전압(Vo)과 비터치 기준값에 대응하는 기준 전압(Vr)의 전압 차이(ΔV = Vr - Vo)는 교번 전압(Vdrv)이 상승 또는 하강 할 때의 전압 차이를 의미하고, 이 전압 차이(ΔV)는 레벨 시프트의 아날로그 값과 같고, 다음 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.

여기서 ΔVr=Vr-Vb, ΔVo=Vo-Vb이다.

터치 정전용량(Ct)이 0일 때, 즉 비터치 시 전압 차이(ΔV)는 0이고, 터치 정전용량(Ct)이 증가할수록 전압 차이(ΔV)도 증가한다. 터치 정전용량(Ct)은 터치 면적(A)에 비례하고 터치 수단과 센서 패드(110) 사이의 거리(d)에 반비례하므로, 즉 Ct=ε*A／d 이므로, 거리(d)가 일정한 경우 터치 면적(A)과 터치 정전용량(Ct)은 선형 비례 관계이다. 따라서 전압 차이(ΔV)가 클수록 터치 면적(A)도 큰 것으로 이해할 수 있다.

한편, 기준값 제공부(2123)는 증폭부(2121)에 기준 전압(Vr)을 제공할 수 있다. 기준값 제공부(2123)는 센서 패드(110)별로 기준 전압(Vr)의 디지털 값을 메모리(230)에 저장해 두고 이를 독출한 후 디지털-아날로그 변환을 거쳐 아날로그 기준 전압(Vr)을 차동 증폭기에 제공할 수 있다. 증폭부(2121)가 단일 입력 증폭기인 경우에는, 기준값 제공부(2123)는 감산 회로를 포함할 수 있으며, 기준 전압(Vr)에서 증폭부(2121)의 출력값을 감산한 값을 출력할 수 있다. 또는 기준값 제공부(2123)는 기준 전압(Vr)을 직접 아날로그-디지털 변환부(2124)에 제공할 수도 있다.

아날로그-디지털 변환부(2124)는 버퍼부(2122) 또는 증폭부(2121)의 아날로그 출력값을 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 아날로그-디지털 변환부(2124)는 버퍼부(2122)의 출력 전압을 4개의 구간으로 나누고 각 구간에 대하여 크기 순서대로 2비트의 디지털 값을 부여할 수 있다. 그러나 디지털 값을 2비트로 한다는 것은 하나의 예일 뿐 3비트, 4비트, 8비트, 10비트 등 다른 비트 수도 가능하다.

레벨 시프트 출력부(2125)는 아날로그-디지털 변환부(2124)로부터 수신한 디지털 값에 기초하여 터치 전후의 전압 차이(ΔV)에 해당하는 레벨 시프트 값을 출력한다. 아날로그-디지털 변환부(2124)가 직접 레벨 시프트 값을 출력하는 경우에는 아날로그-디지털 변환부(2124)가 레벨 시프트 출력부(2125)와 동일한 기능을 수행한다.

한편, [수학식 3]에서 터치 정전용량(Ct) 값이 분모에 위치하므로 터치 전후의 전압 차이(ΔV)인 레벨 시프트 값은 터치 정전용량(Ct) 값이 상승함에 따라 상승하지만 완전한 선형성을 갖지 않는다. 보정부(2126)는 터치 센싱 유닛의 비선형성을 보정하여 터치에 따른 면적과 출력값이 선형적인 관계가 될 수 있도록 아날로그-디지털 변환부(2124)의 출력값 또는 레벨 시프트 출력부(2125)의 출력값을 보정한다.

일 예로서, 보정부(2126)는 레벨 시프트 값과 터치 정전용량(Ct) 값이 일대일로 대응하는 테이블을 포함할 수 있으며, 레벨 시프트 값에 대응하는 터치 정전용량(Ct) 값을 추출하여 내보낼 수 있다.

다른 예로서, 보정부(2126)는 레벨 시프트 값을 구간별로 나누고 각 구간에서 선형 함수를 생성하고 각각의 전압 차이(ΔV)에 대해 상기 생성된 선형 함수의 출력 값을 매칭시킬 수도 있다.

또 다른 방법으로는, 각각의 전압 차이(ΔV)의 출력에 미리 정해진 가중치를 부여하여 보정함으로써, 전압 차이(ΔV)와 터치 면적(A) 사이에 선형성을 부여할 수 있다.

한편, 전압 차이(ΔV)와 터치 면적(A)의 관계가 완벽한 선형 비례가 아니더라도 기울기가 충분히 완만하여 면적 산출에 충분한 정확도를 제공하는 경우, 실질적으로 선형 비례하는 것으로 취급하고, 특별한 보정 처리 없이 전압 차이(ΔV)를 터치 면적(A) 산출에 이용할 수 있다. 이 경우 보정부(2126)는 레벨 시프트 검출부(212)에서 생략될 수 있다.

레벨 시프트 값 또는 그 보정값은 메모리(230)에 저장된다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부(212)에 의하면 터치 전후의 레벨 시프트와 터치 면적(A)은 선형 비례 관계에 있으므로, 이러한 선형 비례 관계를 이용하면 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 장치는 매우 정확한 터치 면적과 터치 좌표를 검출할 수 있다.

그러면 도 7내지 도 9를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 장치가 터치 면적 및 터치 좌표를 검출하는 동작에 대하여 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 정보 처리부의 블록도이고, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 패드에 관한 정보가 저장된 메모리의 구조를 설명하기 위한 개략도이며, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 터치 검출 방법을 도시한 흐름도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 터치 정보 처리부(220)는 터치가 발생한 센서 패드를 검출하는 터치 센서 패드 검출부(221), 터치가 발생한 터치 패드의 면적을 산출하는 터치 면적 산출부(222), 그리고 산출된 터치 면적을 이용하여 터치 좌표를 산출하는 터치 좌표 산출부(223)를 포함한다. 터치 정보 처리부(220)는 소프트웨어나 펌 웨어 형태로 구현되어 MCU와 연계되어 동작될 수 있다.

도 8에 도시한 메모리(230)는 예를 들어 센서 패드(110)에 대응하는 주소를 가지는 복수의 메모리 소자를 포함할 수 있으며, 각 메모리 소자는 레벨 시프트 검출부(212)를 통하여 증폭, 디지털화 및 보정된 레벨 시프트 값(ΔVD)을 기억할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 메모리(230)에 기억되어 있는 레벨 시프트 값(ΔVD)은 센서 패드(110)를 점유하는 터치 면적과 선형 비례한다. 따라서, 이러한 레벨 시프트 값(ΔVD)을 터치된 디지털 면적 값과 동일하게 취급할 수 있다. 레벨 시프트 값(ΔVD)은 예를 들어 2bit로 디지털화되었을 때, 00, 01, 10, 11의 4개의 값을 가질 수 있다. 여기서, 00은 터치가 되지 않은 것을 의미하며, 11은 센서 패드(110) 전체가 터치되어 덮인 것을 의미한다. 전술한 바와 같이, 레벨 시프트 값(ΔVD)의 크기는 하나의 센서 패드(110)에 대한 터치 면적의 크기와 대응한다.

도 8에는 M11 내지 M54의 메모리 소자가 도시되어 있으며, 설명의 편의상 4X5 형태로 배치된 센서 패드와 동일한 위치에 각각 배치되어 있다고 가정한다. 터치가 없거나 거의 없는 센서 패드에 대응하는 메모리 소자(M13, M14, M23, M24, M31, M32, M33, M41, M42, M43, M51, M52, M53, M54)에는 00이 기억되고, 터치가 발생된 센서 패드에 대응하는 메모리 소자(M11, M12, M21, M22, M34, M44)에는 접촉 면적에 따른 디지털 값이 기억되어 있을 것이다.

터치 정보 처리부(220)는 메모리(230)로부터 이러한 센서 패드 각각에 터치된 디지털 면적값들을 읽어 와서 접촉 면적과 접촉 위치를 판단할 수 있다. 예를 들어, 00이 아닌 센서 패드의 전체 터치 면적의 무게 중심을 터치 좌표로 산출할 수 있다.

또한, 터치 정보 처리부(220)는 00이 아닌 센서 패드들을 복수개의 그룹으로 그룹핑하는 경우에는 멀티 터치의 면적 및 좌표도 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 터치는 M11, M12, M21, M22에 걸쳐 발생하였으며, 제2 터치는 M34, M44에 걸쳐 발생한 것으로 검출할 수 있다.

도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 터치 검출 방법은 먼저, 터치 검출 장치가 장착되는 표시 장치의 공통 전압(Vcom) 주기를 검출한다(S100). 터치 검출 장치는 공통 전압(Vcom) 주기 검출을 위한 별도의 회로를 포함할 수 있으나, 이와 달리 공통 전압(Vcom)의 주기 및 상승(또는 하강) 에지 시점과 같은 공통 전압(Vcom)에 대한 정보를 표시 장치로부터 제공받을 수도 있다.

터치 검출 장치는 공통 전압(Vcom)의 상승 에지 및 하강 에지를 회피하여 고전압(또는 저전압)인 상태에서 교번 전압(Vdrv)의 상승 에지와 하강 에지가 발생되도록 교번 전압(Vdrv)의 타이밍을 제어한다. 이와 같이 함으로써 교번 전압(Vdrv)에 의한 레벨 시프트가 공통 전압(Vcom)에 의하여 왜곡되지 않도록 할 수 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 공통 전압(Vcom)은 터치 검출을 위한 교번 전압(Vdrv)으로 이용될 수 있으며, 이 경우 공통 전압(Vcom)의 상승 에지 및 하강 에지가 제어 신호(Vg)가 턴 오프(VL) 상태에 발생하도록 제어 신호(Vg)의 타이밍이 제어 될 수 있다. 터치 검출 장치는 충전 신호(Vb)가 상승된 상태에서 제어 신호(Vg)를 저전압(VL)에서 고전압(VH)으로 상승시켜 트랜지스터(211)를 턴온하여 센서 패드(110)를 충전 신호(Vb)로 충전한다(S110).

그러고 터치 검출 장치는 각각의 터치 센싱 유닛에 대하여 제어 신호(Vg)를 고전압(VH)에서 저전압(VL)으로 하강시켜 센서 패드(110)를 플로팅 상태로 만든다. 그 후 공통 전압(Vcom) 또는 교번 전압(Vdrv)을 저전압(VdrvL)에서 고전압(VdrvH)으로 상승시키고 센서 패드(110)의 출력 전압(Vo)을 측정함에 의해 각각의 센서 패드(110)를 미리 정해진 순서로 스캔한다(S120). 한편, 반대로 공통 전압(Vcom) 또는 교번 전압(Vdrv)을 고전압(VdrvH)에서 고전압(VdrvL)으로 하강시키고 센서 패드(110)의 출력 전압(Vo)을 측정함에 의해 스캔을 수행할 수도 있다.

터치 검출 장치는 출력 전압(Vo)을 증폭하고 출력 전압의 변동분(ΔVo)을 아날로그-디지털 변환함으로써 레벨 시프트 값(ΔVD)을 검출한다(S130). 레벨 시프트 값(ΔVD)은 터치 전후의 전압 변동분(ΔVo)의 차이에 대응하는 값이다. 검출된 레벨 시프트 값(ΔVD)은 각각의 센서 패드에 대응되어 메모리(230)에 기록된다.

레벨 시프트 값(ΔVD)이 0인지 판단하여(S140) 0인 경우는 단계(S110) 내지 단계(S130)를 반복한다(S140). 즉, 레벨 시프트 값(ΔVD)이 0이면 센서 패드는 터치가 발생되지 않은 것이므로 터치가 발생될 때까지 레벨 시프트 값(ΔVD)을 검출한다.

레벨 시프트 값(ΔVD)이 0이 아니면, 레벨 시프트 값(ΔVD)이 0이 아닌 인접 센서 패드로 이루어진 센서 패드 그룹을 추출해낸다(S150). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 패드(110)는 각각 고립된 매트릭스 형태로 구현되기 때문에 멀티 터치 감지 기능을 제공한다. 따라서, 멀티 터치가 발생했을 경우, 각각의 터치 면적과 좌표를 산출하기 위하여 터치가 발생한 센서 패드들을 그룹핑한다.

이어 터치된 센서 패드 그룹의 레벨 시프트 값(ΔVD)을 기초로 하여, 터치 영역의 면적을 산출한다(S160). 전술한 바와 같이, 레벨 시프트 값(ΔVD)과 터치 면적은 상호 비례하기 때문에 센서 패드 그룹 내의 레벨 시프트 값(ΔVD)을 합산함으로써 터치 면적을 산출할 수 있다.

다음, 산출된 터치 영역의 면적으로부터 터치 영역의 좌표를 산출한다(S170). 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 패널(100)은 센서 패드(110)가 크기가 균일한 다각형의 형태를 가지며, 촘촘하게 매트릭스 형태로 배치된다. 따라서, 센서 패드(110) 각각은 미리 정해진 면적과 주소를 가진 상태에서 표시 장치를 덮게 되므로 센서 패드(110)의 점유 면적은 영상 표시 장치의 좌표와 매칭될 수 있다.

단계(S170)에서 산출된 터치 면적으로부터 각각의 센서 패드(110)에 대해 터치 점유 면적에 관한 정보가 산출되면, 센서 패드 매트릭스상에서 터치된 센서 패드 그룹의 X축과 Y축의 터치 면적 분포를 구할 수 있다. 상기 면적 분포에 기초하여 X축 및 Y축의 면적 중심점을 구하면 터치된 센서 패드의 그룹의 터치 면적의 중심점에 대응하는 터치 좌표를 산출할 수 있다. 이러한 터치 패널(100)의 구조와 상기 산출된 터치 면적을 이용하여 터치 좌표를 매우 정확하게 산출할 수 있다.

이러한 단계[(S110) 내지 (S170)]를 반복함으로써 지속적으로 터치 여부, 터치 면적 및 터치 좌표를 검출할 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 도 10 은 종래 3D 기반의 디스플레이 구조도 및 이를 상세화한 단면도이다.

도10은 종래 구조도로서, LCD층 상단에 차례로 3D LCD이 적층된다.

이에 따른 3D LCD층을 보다 상세히 살펴보면, 하단에 기판(310)이 구성되고, 기판(310) 상단에는 순차적으로 하부전극(320), 액정층(330), 상부전극(340), 글라스(350), 편광판(360)이 적층된다.

하지만, 이러한 종래 구조는 전체 모듈이 두꺼워지고, 제조공정이 늘어나며, 수율이 떨어지는 문제점이 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 3D LCD 구조도를 상세화한 단면도이다.

본 발명 실시예에 따른 3D LCD층은 하단에 기판(310)이 구성되고, 기판(310) 상단에는 순차적으로 하부전극(320), 액정층(330), 상부전극(340), 글라스(350), 터치스크린 전극(355), 편광판(360)이 적층된다. 이는 종래 3D LCD층에 터치스크린을 표면에 일체화하여 3D화면에서도 터치를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명은 별도의 터치스크린 구성을 하지 않아 전체 모듈 두께감소 및 비용이 절감되는 효과가 있다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D LCD 구조도를 상세화한 단면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 3D LCD층은 하단에 기판(310)이 구성되고, 기판(310) 상단에는 순차적으로 하부전극(320), 액정층(330), 상부전극(340), 절연층(345), 터치스크린 전극(355), 글라스(350), 편광판(360)이 적층된다.

여기서, 절연층(345)은 상부전극(340)과 터치스크린 전극(355)의 단락을 방지하는 역할을 한다.

이러한 본 발명은 터치스크린을 내재화하여 3D화면에서 터치를 구현할 수 있다.

한편, 상기 터치스크린 전극은 전술한 도4 및 도5의 터치 구동원리를 채용할 수 있다.

전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 개시의 보호 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 커버 유리, 15: 기판,
20: 회로 기판, 100: 터치 패널,
110: 센서 패드, 120: 신호 배선,
200: 구동 장치, 210: 터치 검출부,
212: 트랜지스터, 212: 레벨 시프트 검출부,
2121: 증폭부, 2122: 버퍼부,
2123: 기준값 제공부, 2124: 아날로그-디지털 변환부,
2125: 레벨 시프트 출력부, 2126: 보정부
220: 터치 정보 처리부, 221: 터치 센서 패드 검출부,
222: 터치 면적 산출부, 223: 터치 좌표 산출부,
230: 메모리, 240: 제어부
310: 기판 320: 하부전극
330: 액정층 340: 상부전극
345: 절연층 350: 글라스
355: 터치스크린 전극 360: 편광판

Claims (1)

1. 디스플레이 장치.

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