KR20140129865A

KR20140129865A - 터치 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법

Info

Publication number: KR20140129865A
Application number: KR1020130048725A
Authority: KR
Inventors: 김하중
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-11-07
Also published as: KR102050444B1; US9477357B2; CN104133576A; JP5868383B2; JP2014219959A; CN104133576B; TW201441890A; DE102013114147A1; TWI510999B; DE102013114147B4; US20140320445A1

Abstract

본 발명은 배터리 없는 스타일러스 펜 및 손가락에 의한 터치가 구분되어 검출 가능하도록 하면서도 스타일러스 펜의 크기 및 그 제조 비용을 줄일 수 있도록 한 터치 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법에 관한 것으로, 서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널; 하나 또는 서로 직렬 연결된 복수의 1차 코일과 상기 1차 코일과 병렬 연결된 공진 캐패시터 및 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜; 상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부; 상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프; 및 상기 제 1 채널 및 제 2 채널과, 상기 안테나 루프와 연결된 터치 컨트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

터치 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법{TOUCH INPUT SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING TOUCH USING THE SAME}

본 발명은 터치 입력 시스템에 관한 것으로 특히, 배터리 없는 스타일러스 펜 및 손가락에 의한 터치가 구분되어 검출 가능하도록 하면서도 스타일러스 펜의 크기 및 그 제조 비용을 줄일 수 있도록 한 터치 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법에 관한 것이다.

최근 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 평판 표시장치(Flat Display Device)가 개발되고 있다.

평판 표시장치로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display device), 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel device), 전계방출 표시장치(Field Emission Display device: FED), 유기 발광 다이오드 표시장치(Organic Lignt Emitting Diode Display Device) 등을 들 수 있다.

최근에는 평판 표시장치에 사람의 손이나 별도의 입력 수단을 통해 터치 부위를 인식하고 이에 대응하여 별도의 정보를 전달할 수 있는 터치 패널을 부가하는 경우가 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 방지 등으로 나뉘며, 제조 방식의 편이성 및 검출력 등을 감안하여 최근 정전 용량 방식이 주목받고 있다.

최근 주로 고려되는 모바일 장치로서, 스마트 폰, 스마트 북 등은 HID(Human Interface Device)로써 손가락을 이용한 터치 입력뿐만 아니라 펜을 이용한 필기 또는 그림 그리기가 가능한 스타일러스 펜을 입력 장치로 점점 더 많이 적용하는 추세이다. 스타일러스 펜 입력은 손가락에 의한 입력에 비해 더 세밀한 입력이 가능하고, 세밀한 그림 그리기 및 글씨 쓰기 등의 기능을 지원하는 등의 장점을 가지고 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 일반적인 정전 용량 방식의 터치 스크린을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 정전 용량 방식의 터치 검출 회로를 나타낸 회로도이며, 도 2는 도 1의 회로도를 이용한 핑거 터치 여부에 따라 나뉘어지는 시간에 따른 전압 출력을 나타낸 그래프이다.

도 1과 같이, 일반적인 정전 용량 방식의 터치 검출 회로는, 서로 교차하는 제 1 전극(Tx)과 제 2 전극(Rx)과, 제 2 전극(Rx)의 출력을 (-) 입력 단자로, 기준 전압(Vref)을 (+) 입력 단자로 인가받는 증폭기(5) 및 상기 증폭기(5)의 출력 단자와 (-) 입력 단자 사이에 형성된 캐패시터(Cs)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 제 1 전극(Tx)은 일단에 구비된 패드를 통해 입력 전압(Vin)을 인가받고, 상기 제 2 전극(Rx)의 일단에 구비된 패드를 통해, 상기 증폭기(5)를 통해 출력된 출력 전압(Vout) 값을 센싱한다.

보통 2~3㎲의 정도의 구형파를 터치 구동 신호로 하여, 상기 제 1 전극(Tx)에, 입력 전압으로 인가되며, 이 때, 상기 제 1, 제 2 전극(Tx, Rx) 사이의 상호 정전용량의 변화량 Δ(mutual capacitance: ΔCm)의 값에 비례한 전압 값이 상기 출력 전압(Vout)으로 센싱되는 것이다.

도 2와 같이, 구형파가 입력 전압으로 인가되면, 시간이 경과함에 따라, 출력 전압(Vout)의 증가(핑거 미터치시)하는데, 핑거(손가락) 터치시에는 핑거와 전극과 접촉하여, 상호 정전용량의 변화량 ΔCm이 감소하게 되므로 출력전압(Vout)의 증가량이 감소하게 되어 이러한 감소량을 각각의 Tx 채널 및 Rx 채널의 교차점에서 구하고 이러한 데이터로부터 핑거 터치 부위의 좌표를 추출하게 된다.

그런데, 도 1의 터치 검출 회로를 핑거 터치 외에 스타일러스 펜 터치시 이용하게 되면, 상대적으로 스타일러스 펜의 팁의 센서 패널면의 접촉 면적이 작기 때문에, 전극 사이의 상호 정전 용량 Cm이 작아 스타일러스 펜에 의한 터치시의 상호 정전용량의 변화를 센싱하기 어려운 점이 있다. 이에 따라, 좌표 추출의 정확도가 떨어진다.

또한, 센싱을 위해 센서 패널에 구비되는 전극에 비해 스타일러스 펜의 팁이 작은 경우, 전극의 유무에 따라 좌표 왜곡 현상이 있으며, 이는 센싱 감도에 직접적으로 영향을 준다.

그리고, 핑거 터치와 스타일러스 펜 터치의 경우 동일 터치 검출 회로로 이용시 스타일러스 펜에 의한 입력시 전극에 접하는 손바닥에 의한 터치와 스타일러스 펜에 의한 터치를 구분하지 못하는 문제점이 있다. 즉, 도 1의 검출 회로의 경우, 스타일러스 펜 터치시 팜 리젝션(palm rejection)의 기능을 갖기 어렵다.

또한, 스타일러스 펜을 핑거 터치와는 다른 구동 방식, 예를 들어 전자기 방식의 구동 방식을 통해 터치 검출을 하는 방법도 소개되었으나, 이 경우, 별도의 정전용량 방식의 전극 외에도 별도의 전자기 구동에 의한 검출이 가능한 패널을 더 구비하여야 하므로, 이로 인한 구성 요소의 증가 및 공정 증가의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 배터리 없이 스타일러스 펜의 구현이 가능하며, 스타일러스 펜 및 손가락에 의한 터치가 구분되어 검출 가능하도록 하면서도 스타일러스 펜의 크기 및 그 제조 비용을 줄일 수 있도록 한 터치 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터치 입력 시스템은 서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널; 하나 또는 서로 직렬 연결된 복수의 1차 코일과 상기 1차 코일과 병렬 연결된 공진 캐패시터 및 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜; 상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부; 상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프; 및 상기 제 1 채널 및 제 2 채널과, 상기 안테나 루프와 연결된 터치 컨트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 1차 코일은 전도성 팁과 직렬 형태로 연결되어 상기 스타일러스 펜의 축 방향으로 위치하는 자기 코어에 감겨진 것을 특징으로 한다.

상기 스타일러스 펜은 상기 전도성 팁이 일부 돌출되는 홀을 갖는 스타일러스 몸체, 및 상기 스타일러스 몸체의 적어도 어느 한 외주면에 형성되되 고저항의 전도성 물질로 형성된 그립을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 스타일러스 펜의 직렬로 배치된 1차 코일의 일단은 상기 전도성 팁에 연결되고, 타단은 상기 스타일러스 몸체 또는 상기 고저항의 전도성 물질로 형성된 그립에 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 안테나 루프는 상기 스타일러스 펜의 상기 센서 패널면 터치시 상기 스타일러스 펜 내 1차 코일로부터 공진된 인덕턴스 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.

또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법은 서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널; 하나 또는 서로 직렬 연결된 복수의 1차 코일과 상기 1차 코일과 병렬 연결된 공진 캐패시터 및 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜; 상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부; 상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프를 갖는 입력 시스템의 터치 검출 방법에 있어서, 프레임별 핑거 터치 센싱과 스타일러스 펜 터치 센싱을 시분할하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 스타일러스 펜 터치 센싱은 상기 복수개의 제 1 및 제 2 채널들에 순차적으로 신호를 인가하고, 각 채널별 안테나 루프의 양단에 수신된 전압 차에 의해 터치 검출을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 터치 검출은 상기 전도성 팁과 상기 센서 패널 사이의 센싱 캐패시터와 상기 1차 코일간 전기적 연결이 형성되고, 상기 1차 코일과 공진 캐패시터의 공진 회로가 형성되어, 상기 1차 코일의 인덕턴스에 의해 상기 안테나 루프로 전자기 공진된 유도 기전력이 수신되어 이루어지는 것을 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 스타일러스 펜은 상기 전도성 팁이 일부 돌출되는 홀을 갖는 스타일러스와 상기 스타일러스의 적어도 어느 한 외주면에 형성되되 고저항의 전도성 물질로 형성된 그립을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 안테나 루프는 상기 스타일러스 펜의 상기 센서 패널면 터치시 상기 스타일러스 펜 내 직렬로 배치된 적어도 하나의 1차 코일로부터 공진된 인덕턴스 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 터치 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기본 구성으로 핑거 터치에 대해 정전용량 방식의 터치 검출을 하는 구조를 이용하며, 스타일러스 펜의 터치 검출시는 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널 외곽의 안테나 루프를 통한 공진에 의한 터치 검출이 가능하다. 즉, 정전 용량 방식으로 터치 검출에 한계가 있는 스타일러스 펜 터치 검출을, 별도의 패널을 구성하지 않고, 센서 패널 외곽 구성과 스타일러스 펜 내부 회로를 변경하여 접촉 면적이나 전극 패턴의 형상에 영향을 받지 않고 가능하게 한다.

둘째, 스타일러스 펜 내부 공진 회로의 공진 코일을 간소화시켜 공진 코일에 따른 자기 결합 계수를 감소시킴으로써 스타일러스 펜을 더욱더 얇고 작게 제조하고 그에 따른 제조 비용 또한 줄일 수 있다.

셋째, 핑거 터치와 스타일러스 펜 터치에 대해 별도의 다른 패널을 둔 구성에 비하여 터치 입력 시스템의 제작 비용을 절감할 수 있고, 공정의 간소화가 가능하다. 또한, 터치 입력 시스템으로서 얇은 센서 패널의 구현이 가능하다.

넷째, 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널의 안테나 루프간 공진 작용으로 터치 검출이 가능하여, 스타일러스 펜 내부에 배터리를 장착할 필요가 없게 되므로, 별도의 전원이 요구되는 액티브 스타일러스 펜 대비 제작 비용이 감소된다. 또한, 가볍고 크기가 작은 스타일러스 펜 구현이 가능하다.

다섯째, 스타일러스 펜 터치와 핑거 터치를 다른 구동 방식에 의해 서로 구분하여 센싱할 수 있어, 스타일러스 펜 터치의 경우에 팜 리젝션(palm rejection)이 용이해지며, 결과적으로 터치 감도의 정확성이 향상된다.

여섯째, 정전 용량 방식에서 이용하는 서로 교차된 전극간 상호 정전 용량의 변화량(ΔCm)이 아닌 스타일러스 펜과 하나의 전극 사이에서 발생된 센싱 정전 용량(Csx)을 터치 검출에 이용할 수 있어, 종전과 대비하여 보다 값이 큰 센싱 정전 용량을 스타일러스 펜 터치 검출에 이용할 수 있다. 따라서, 감도의 향상이 기대된다.

일곱째, 센서 패널 내 전극들에 인가하는 구동 신호에 동기하여 스타일러스 펜 내부 공진 회로의 주파수 신호가 정해지므로, 별도로 필압 또는 특수 버튼의 눌림 여부 적용이 용이하다.

여덟째, 스타일러스 펜에 의한 터치 검출에 이용되는 안테나 루프를 서로 교차하는 전극이 형성된 액티브 영역에서 이격하여 감도가 떨어지는 에지 영역보다 바깥쪽에 안테나 루프를 위치시킴으로써, 스타일러스 펜의 감도를 영역에 관계없이 동등하게 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 정전 용량 방식의 터치 검출 회로를 나타낸 회로도
도 2는 도 1의 회로도를 이용한 핑거 터치 여부에 따라 나뉘어지는 시간에 따른 전압 출력을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 터치 입력 시스템의 액티브 영역 내 구조를 나타낸 평면도
도 4는 도 3의 터치 입력 시스템에 있어서, 스타일러스 펜과 Tx 채널간 캐패시턴스(Csx)와, 스타일러스 펜의 유무에 따른 Tx 채널과 Rx 채널간 캐패시턴스 변화(ΔCm)을 도 3의 X 좌표에 따라 나타낸 그래프
도 5a 내지 도 5c는 액티브 영역내 정전 용량 방식의 Tx 채널 및 Rx 채널 구비시 터치 전 상태, 핑거 터치 상태 및 스타일러스 펜 터치 상태의 전하량 변화를 나타낸 도면
도 6은 본 발명에 따른 터치 입력 시스템을 나타낸 회로도
도 7a는 도 6의 스타일러스 펜에 대응되는 부분을 나타낸 회로도
도 7b는 도 7a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 도면
도 8a는 도 6의 스타일러스 펜에 대응되는 부분을 나타낸 다른 회로도
도 8b는 도 8a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 도면
도 9는 도 7a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 다른 도면
도 10은 도 9에 도시된 전도성 그립의 재질에 따른 전도성 특성을 나타낸 그래프
도 11은 도 8a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 다른 도면
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 터치 입력 시스템의 접지 방법을 각각 다른 실시예로 나타낸 도면
도 13은 본 발명의 터치 입력 시스템의 터치 센서 패널을 나타낸 평면도
도 14는 본 발명의 터치 입력 시스템의 프레임 구동 방법을 나타낸 도면
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법에 있어서, 터치 센서 패널 및 스타일러스 펜의 각 구성별 검출 파형을 나타낸 파형도
도 16a은 본 발명의 터치 입력 시스템의 신호 강도의 실험 부위를 나타낸 도면
도 16b는 도 16a의 X축 이동에 따라 나타낸 정전 용량 Csx 변화를 나타낸 시뮬레이션도
도 17a는 본 발명의 터치 입력 시스템의 터치 센서 패널과 이에 구비된 안테나 루프를 나타낸 도면
도 17b는 도 17a의 X축을 따라 스타일러스 펜을 이동시 나타나는 상호 인덕턴스를 나타낸 그래프
도 18a는 본 발명의 터치 입력 시스템의 스타일러스 펜의 A ~C 지점의 위치 상태를 나타낸 도면
도 18b는 도 18a의 스타일러스 펜의 A~C 각 위치에서의 검출된 신호 파형을 나타낸 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 터치 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 터치 입력 시스템은 기본 구성으로 핑거 터치에 대해 정전용량 방식의 터치 검출을 하는 구조를 이용하며, 스타일러스 펜의 터치 검출시는 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널 외곽의 안테나 루프를 통한 공진에 의한 터치 검출이 가능하다. 즉, 정전 용량 방식으로 터치 검출에 한계가 있는 스타일러스 펜 터치 검출을, 별도의 패널을 구성하지 않고, 센서 패널 외곽 구성과 스타일러스 펜 내부 회로를 변경하여 접촉 면적이나 전극 패턴의 형상에 영향을 받지 않고 가능하게 한다.

이하, 액티브 영역 내 구성된 정전 용량 방식의 전극 구성과 이를 이용하여 스타일러스 펜 터치시 현상을 살펴본다.

도 3은 본 발명의 터치 입력 시스템의 액티브 영역 내 구조를 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 3의 터치 입력 시스템에 있어서, 스타일러스 펜과 Tx 채널간 캐패시턴스(Csx)와, 스타일러스 펜의 유무에 따른 Tx 채널과 Rx 채널간 캐패시턴스 변화(ΔCm)을 도 3의 X 좌표에 따라 나타낸 그래프이다.

도 3과 같이, 각각 Tx 채널 및 Rx 채널을 바 형상으로 구현하는 경우, 이들 전극은 서로 교차하는 방향으로 배치된다. 임의로 도 3의 영역 중 스타일러스 펜 이동에 따라 정전용량 변화를 도 4를 참조로 살펴본다.

도 4의 그래프에 나타낸 정전용량 값은, Tx 채널과 Rx 채널의 중점을 원점으로 하여, 이를 기준으로 일축을 X축으로 그와 교차하는 축을 Y축으로 정의하여, 스타일러스 펜의 위치에 따라, 정전용량의 변화를 검출한다. 도면 상에 세로 축이 X축 (Rx의 방향), 가로 축이 Y축으로 도시되어 있으며, 실험은 Y 축은 좌표 값을 0점으로 하고, X축의 값만 변경하여 진행하였다.

여기서, ΔCm은 스타일러스 펜 유무에 따른 Tx 채널과 Rx 채널간 상호 정전용량의 차이를 나타내는 것이고, Csx는 스타일러스와 Tx 채널간의 정전용량의 분포를 나타낸 것이다. ΔCm 값에 비해 Csx 값의 크기가 상대적으로 전 영역에서 더 큰 것을 알 수 있으며, Csx 값이 X축의 값이 0 점에 가까워질수록 변화하는 정도 역시 더 큰 것을 알 수 있다. 또한, ΔCm의 값 중 0점에서는 오히려 인접 영역보다 값이 저하함을 알 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜에 의한 터치를 검출하기 위해 데이터로서 ΔCm 보다는 Csx 를 이용하는 것이 감도(sensitivity) 및 위치 분해능 측면에서 유리함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 터치 입력 시스템에 있어서, 스타일러스 펜의 위치를 측정하지만, 감도가 더 좋은 Csx를 위한 검출 방법을 이용한다.

도 5a 내지 도 5c는 터치 전 상태, 핑거 터치 상태 및 스타일러스 펜 터치 상태의 전하량 변화를 나타낸 도면이다.

공통적으로 도시된 도면들은 Tx 채널(10), Rx 채널(20)을 기판(1) 상에 교차 구성한 바를 단면상으로 도시한 것으로, 상기 Tx 채널(10) 과 Rx 채널(20) 사이의 층간 및 Rx 채널(20)의 상부 및 주변에 절연체(25)가 형성된다. 상기 절연체(25) 중 Rx 채널(20) 상부 및 주변에 형성된 절연체는 도시된 바와 같이, 형성될 수도 있고, 혹은 생략되거나 상기 기판(1)이 디스플레이 상에 배치시 포함되는 에어 갭(air gap)일 수 있다.

도 5a와 같이, 터치가 되지 않았을 때는, Tx 채널의 구동 전압 Vd에 의해 Tx 채널과 Rx 채널간의 상호 정전용량 Cm에 비례하는 전하 (Q=Cm x Vd)가 유기된다.

도 5b와 같이, 핑거 터치가 있었을 때, Rx채널에 유기되던 일부의 전하가 핑거(손가락)에 의해 유기되기 때문에, Rx 채널에 유기되는 전하량은 감소하게 된다. 이는 손가락에 의해 Tx와 Rx간 상호 정전용량이 Cm에서 Cm'로 감소하며, 전하 Q'=Cm'x Vd가 감소한 것으로 볼 수 있다. ΔCm=Cm-Cm'로 정의할 수 있으며 이는 터치 감도(touch sensitivity)를 나타내는 지표로 사용할 수 있다.

도 5c와 같이, 스타일러스 펜의 터치시에도 상술한 정전용량 방식으로 검출하게 되면(각각 Tx 채널에 구동 전압 Vd 인가, Rx 채널에 유기되는 전하량 검출), 핑거에 비해 스타일러스 펜이 직접 센서 패널과 접하는 팁 부위의 면적이 작기 때문에, 스타일러스 펜 터치시 핑거 터치보다 터치 감도 (ΔCm)가 작아지게 되고 따라서 좌표 추출의 정확도가 감소하게 된다.

즉, 내부 소자의 구비 없이, 도전체 성질의 입력 도구로서 패시브 방식의 펜을 이용한 정정용량 방식의 검출은 손가락에 비해 접촉 면적인 작은 스타일러스 펜의 팁으로 인해 터치 감도 및 좌표 추출의 정확도가 감소하는 등의 문제를 갖고 있다.

이러한 패시브 방식의 스타일러스 펜은 팁 사이즈가 작기 때문에 좌표 추출의 정확도가 감소하는 문제 및 핑거 터치와 스타일러스 입력을 동일한 정전용량 방식으로 구현시 발생하는 팜 리젝션(palm rejection) 등의 문제를 갖고 있다. 또한, Tx 및 Rx 채널이 디스플레이 구동 신호와 캐패시티브 커플링되며, 터치 센싱 신호에 디스플레이 노이즈가 영향을 미치는 문제가 있다. 그리고, 패시브 스타일러스 펜의 경우는 스타일러스 펜에서 센서 측으로 자체적으로 별도의 신호를 송신할 수 없기 때문에, 필압 감지 또는 특수 버튼 기능 등을 구현하기 어려운 문제점도 있다.

본 발명의 터치 입력 시스템은, 핑거 터치를 위해 센서 패널의 정전 용량 방식 구조를 이용하되, 스타일러스 펜 터치 검출에 위해, 스타일러스 펜을 배터리 없이 액티브 방식으로 구현하고, 상기 스타일러스 펜과 동기되어 구동되는 안테나 루프를 센서 패널 외곽에 구비한 터치 입력 시스템과 이를 이용하여 터치 검출하는 방법에 대해 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 터치 입력 시스템을 나타낸 회로도이다. 그리고, 도 7a는 도 6의 스타일러스 펜에 대응되는 부분을 나타낸 회로도이며, 도 7b는 도 7a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 도면이다.

도 6과 같이, 본 발명의 터치 입력 시스템은 크게 스타일러스 펜(100), 터치 센서(200) 및 안테나(400)를 포함한 센서 패널, 터치 컨트롤러(300), 스타일러스 접지부(500)로 나뉜다.

상기 터치 센서(200)는 서로 교차하는 복수개의 제 1 채널(Tx) 및 제 2 채널(Rx)을 갖고 상기 센서 패널의 중앙에 해당하는 액티브 영역에 위치한다. 그리고, 상기 센서 패널의 액티브 영역 외곽에 안테나(400)로서, 상기 액티브 영역의 외곽을 둘러싸는 형상이며, 양단 사이가 약간 이격된 형태의 루프(loop) 상으로 상기 안테나 루프(410)가 형성된다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 스타일러스 펜(100) 내부에는 하나의 1차 코일(L1, 120) 및 1차 코일(L1, 120)과 병렬 연결된 공진 캐패시터(C1)(110), 그리고 1차 코일(L1, 120)과 연결된 전도성 팁(Conductive tip)(101)이 구비된다.

스타일러스 펜(100) 내에 병렬 연결된 1차 코일(L1)(120)과 공진 캐패시터(C1)의 일 측에는 스타일러스 팁(101)이 연결되어 있고, 다른 쪽 끝은 스타일러스의 비전도성 물질로 이루어진 스타일러스 몸체에 연결되어 접지된다. 경우에 따라, 사용자가 접지부(500)를 구성시 사람의 몸에 해당하는 접지부 캐패시터(Ch)와 연결된다. 즉, 스타일러스 펜(100)은 스타일러스 접지부(500)와도 연결되어 있어 스타일러스 펜 내부 회로를 안정화한다.

안테나 루프(400)는 스타일러스 펜(100)이 센서 패널을 접할 때, 회로적으로 2차 코일(L2)(410)의 기능을 한다. 다시 말해, 센서 패널 외곽에 형성된 2차 코일(L2)인 안테나 루프와 제 1 채널(Tx) 및 제 2 채널(Rx)은 각각 터치 컨트롤러(300)와 연결되어, 신호 제어를 받는다.

결과적으로, 안테나 루프(410)는 스타일러스 펜(100)의 센서 패널면 터치시 스타일러스 펜(100) 내 1차 코일(L1)의 인덕턴스 신호를 안테나 루프(410)(L2)와 1차 코일(L1)간 상호 인덕턴스(M12) 유도로 수신하게 된다. 여기서, 안테나 루프(410)는 센서 패널의 외곽을 둘러싸도록 형성되며, 양단에 각각 패드가 구비되어 터치 컨트롤러(300)에 연결된다.

터치 컨트롤러(300)는 안테나 루프(410)와 연결되어, 안테나 루프(410) 양단에 수신된 전압 차를 증폭하는 증폭기(310)와, 증폭기(310)와 연결되어 노이즈를 제거하는 필터부(AFE)(320)와, 필터부(320)와 연결되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 컨버터(ADC)(330)와, 컨버터와 연결되어 디지털 신호를 수집하여 좌표를 추출하는 신호 처리부(DSP)(340) 및 센서 패널 내 각 채널에 인가하는 신호를 발생하는 구동 신호 발생부(Drive signal Generator)(305)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 센서 패널(200)에 스타일러스 펜(100)이 터치할 때, 1차 코일(L1)(120) 및 공진 캐패시터(C1)(110)가 일종의 공진 회로로서 폐회로를 이룬다.

구동 신호 발생부(305)에서 각 채널로 인가하는 신호는 폐회로 내 공진 주파수(f=1/[2π*(L2*C2)^0.5])와 동일한 주파수로 구형파(square wave) 또는 정현파(sine wave)를 인가할 수 있다. 각 채널로 인가하는 신호는 일종의 교류 전압으로서, 각 코일에서는 인가된 신호와 유사한 파형 또는 시간 경과에 따라 파형이 커지는 형태의 신호 형상(signal shape)을 갖는다.

한편, 스타일러스 접지부(500)는 스타일러스 펜(100)과 접하는 사용자 또는 스타일러스 펜(100)과 센서 패널(201)과의 사이에 연결된 와이어일 수 있다. 설명하지 않은 Ch는 스타일러스 펜(100)과 사용자가 접할 때, 사용자가 유전체로 기능하여, 스타일러스 펜(100)과 접지단자 사이에서, 접지부 정전용량(Ch)이 발생된 상태임을 나타내고 있다.

스타일러스 펜(100) 내부의 1차 코일(L2)(120)과 공진 캐패시터(C1)(110)는 센서 패널의 교차된 제 1, 제 2 채널(Tx/Rx)에 의해 구성된 터치 센서(200)로부터 캐패시티브 커플링되어 형성된 센싱 캐패시터(Csx)(250)을 통해 입력되는 신호의 주파수와 전자기 공진이 발생하도록 적절한 값을 갖도록 구성된다. 여기서, 공진 주파수는 f=1/[2π*(L2*C2)^0.5])의 조건을 갖는다. 그리고, 센싱 캐패시터(Csx)(250)은 물리적으로 회로 구성을 갖는 소자가 아니라, 스타일러스 펜(100)의 전도성 팁이 센서 패널(201)을 접할 때, 접하는 부위에서 정전용량 커플링되어 발생되는 가상의 소자이다.

스타일러스 펜(100)에서 전자기 공진시 발생한 자기장 신호는 1차 코일(L1)(120)과 센서 패널(201)에 형성된 안테나 루프(L2)(410)와의 제 1 상호 인덕턴스(M12)에 의해 안테나 코일에 해당하는 2차 코일(L2)(410)에 유도 기전력을 발생한다. 이러한 유도 기전력은, 안테나 루프(410) 양단간의 전압 차이를 증폭할 수 있는 증폭기(310)를 통해 증폭하고, 노이즈 제거 등을 위한 필터 등으로 이루어진 필터부(AFE:Anaolog Front End)(320)를 거친 후 컨버터(ADC:Analog to Digital Converter)(330)에서 디지털 신호로 변환된 뒤 상기 신호 처리부(DSP: Digital Signal Processor)(340)에서 적절한 알고리즘을 통하여 좌표를 추출한 후 호스트 시스템에 좌표 데이터 등을 전송하게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 스타일러스 펜(100)의 1차 코일(L1)(120)이 직접적으로 안테나 루프(L2)(410)와의 상호 인덕턴스(M12)에 의해 안테나 코일에 해당하는 2차 코일(L2)(410)에 유도 기전력을 발생시키게 되므로, 1차 코일(L1)(120)과 안테나 루프(L2)(410) 간의 자기 결합 계수를 줄이거나 감안하지 않을 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜(100)의 크기를 줄여 더욱 얇게 형성할 수 있으며 그에 따른 제조 비용 또한 줄일 수 있게 된다.

도 7b의 스타일러스 펜 구조를 참조하면, 스타일러스 펜(100) 내부의 1차 코일(L1)(120)은 스타일러스 펜(100)의 축 방향으로 위치하는 자기 코어(magnetic core)(135)에 감겨져 있다. 스타일러스 펜(100)의 축 방향은 펜의 길이 방향에 해당하며, X, Y, Z 좌표계의 Z축에 상당한다.

스타일러스 펜(100)의 스타일러스 몸체(150)는 1차 코일(L1)(120)과 공진 캐패시터(C1)(110) 및 자기 코어(135)를 내부에 포함하며, 전도성 팁(101)이 일부 돌출되는 홀을 가질 수 있다. 여기서, 전도성 팁(101)은 스타일러스 몸체(150)로부터 절연되어 있으며, 이를 위해 홀 주위에 전도성 팁(101)을 둘러싸는 형태의 절연 완충부를 더 구비할 수 있다. 그리고, 스타일러스 몸체(150)는 상술한 스타일러스 접지부(500)와 연결된 것이 바람직하다. 이에, 1차 코일(L1)(120)의 일단은 전도성 팁(101)에, 타 단은 스타일러스 몸체(150)의 그라운드 단자(125)에 연결된다.

이와 같이 구성된 스타일러스 펜(100)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

1차 코일(L1)(120)의 일단은 전도성 팁(101)을 통해 센서 패널의 터치 센서와 정전용량 커플링되어 센싱 캐패시터(Csx)(250)를 형성한다. 따라서, 터치 센서 각 채널로부터의 입력 신호가 Csx를 통해 1차 코일(L1)(120) 및 공진 캐패시터(C1)(110)로 이루어진 공진 회로를 구동한다.

터치 센서(200)의 각 채널(Tx, Rx)로 구동 신호 발생부(305)로부터 입력되는 신호, 및 1차 코일(L2)(120)과 공진 캐패시터(C1)(110)로 이루어진 공진 회로의 전자기 공진 주파수가 동일하도록 회로 구성을 하며, 이 경우 전자기 공진에 의해 신호 강도가 시간에 따라 증가한다. 이때, 1차 코일(L1)(120)의 타단은 스타일러스 펜의 스타일러스 몸체(150)에 접촉한 손 및 사람의 몸으로 이루어진 접지부 캐패시터(Ch)를 통하여 접지되어 있다.

스타일러스 펜(100)이 센서 패널면 터치시 상술한 바와 같이, 센싱 캐패시터(Csx)(250)의 생성과 스타일러스의 몸체부를 통한 접지가 가능하다. 그리고, 스타일러스 펜(100) 내 전도성 팁을 통해 센싱 캐패시터(Csx)(250)로 인가된 신호가 1차 코일(L1)로 전달된다. 1차 코일(L1) 및 공진 캐패시터(C1)는 폐회로 상태로 공진되어, 시간이 경과함에 따라 신호의 크기가 커진다. 또한, 공진 회로 내 1차 코일(L1)의 자기장 신호는 제 1 상호 인덕턴스(M12)에 의해 안테나 루프(410)로 유도된다. 이러한 안테나 루프에서의 센싱은 매 채널별로 진행한다.

도 8a는 도 6의 스타일러스 펜에 대응되는 부분을 나타낸 다른 회로도이며, 도 8b는 도 8a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 도면이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 스타일러스 펜(100) 내부에는 직렬로 연결된 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b) 및 직렬 연결된 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)과는 병렬로 연결된 공진 캐패시터(C2)(110), 그리고 1차 코일(L1B, 120b)과 연결된 전도성 팁(Conductive tip)(101)이 구비된다.

스타일러스 펜(100) 내에 직렬로 연결된 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b) 및 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)과는 병렬 연결된 공진 캐패시터(C2)(110)의 일 측에는 스타일러스 팁(101)이 연결되어 있고, 다른 쪽 끝은 스타일러스의 비전도성 물질로 이루어진 스타일러스 몸체(150)에 연결되어 접지된다. 경우에 따라, 사용자가 접지부(500)를 구성시 사람의 몸에 해당하는 접지부 캐패시터(Ch)와 연결된다. 즉, 스타일러스 펜(100)은 스타일러스 접지부(500)와도 연결되어 있어 스타일러스 펜 내부 회로를 안정화한다.

안테나 루프(410)는 스타일러스 펜(100)의 센서 패널면 터치시 스타일러스 펜(100) 내 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)의 인덕턴스 신호를 안테나 루프(410)(L2)와 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)간 상호 인덕턴스(M12) 유도로 수신하게 된다. 도 6으로 설명한 바와 같이, 안테나 루프(410)는 센서 패널의 외곽을 둘러싸도록 형성되며, 양단에 각각 패드가 구비되어 터치 컨트롤러(300)에 연결된다.

스타일러스 펜(100) 내부의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)과 공진 캐패시터(C1)(110)는 센서 패널의 센싱 캐패시터(Csx)(250)을 통해 입력되는 신호의 주파수와 전자기 공진이 발생하도록 적절한 값을 갖도록 구성된다. 다시 말해, 스타일러스 펜(100)의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)과 공진 캐패시터(C1)(110)는 센서 패널의 교차된 제 1, 제 2 채널(Tx/Rx)에 의해 구성된 터치 센서(200)로부터 캐패시티브 커플링되어 형성된 센싱 캐패시터(Csx)(250)을 통해 입력되는 신호의 주파수와 전자기 공진이 발생하도록 적절한 값을 갖도록 구성된다. 여기서, 공진 주파수는 f=1/[2π*(L2*C2)^0.5]) 의 조건을 갖는다. 그리고, 센싱 캐패시터(Csx)(250)은 물리적으로 회로 구성을 갖는 소자가 아니라, 스타일러스 펜(100)의 전도성 팁이 센서 패널(201)을 접할 때, 접하는 부위에서 정전용량 커플링되어 발생되는 가상의 소자이다.

스타일러스 펜(100)에서 전자기 공진시 발생한 자기장 신호는 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)과 센서 패널(201)에 형성된 안테나 루프(L2)(410)와의 제 1 상호 인덕턴스(M12)에 의해 안테나 코일에 해당하는 2차 코일(L2)(410)에 유도 기전력을 발생한다. 이러한 유도 기전력은, 안테나 루프(410) 양단간의 전압 차이를 증폭할 수 있는 증폭기(310)를 통해 증폭하고, 노이즈 제거 등을 위한 필터 등으로 이루어진 필터부(AFE:Anaolog Front End)(320)를 거친 후 컨버터(ADC:Analog to Digital Converter)(330)에서 디지털 신호로 변환된 뒤 상기 신호 처리부(DSP: Digital Signal Processor)(340)에서 적절한 알고리즘을 통하여 좌표를 추출한 후 호스트 시스템에 좌표 데이터 등을 전송하게 된다.

상술한 바와 같이, 스타일러스 펜(100)의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)은 직접적으로 안테나 루프(L2)(410)와의 상호 인덕턴스(M12)에 의해 안테나 코일에 해당하는 2차 코일(L2)(410)에 유도 기전력을 발생시키게 되므로, 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)과 안테나 루프(L2)(410) 간의 자기 결합 계수를 줄이거나 감안하지 않을 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜(100)의 크기를 줄여 더욱 얇게 형성할 수 있으며 그에 따른 제조 비용 또한 줄일 수 있게 된다.

도 8b의 스타일러스 펜(100)은 도 7b의 스타일러스 펜(100)과 비교할 때, 복수개의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)이 자기 코어(magnetic core)(135)의 서로 다른 영역에 직렬 구조로 감겨있는 점에서만 상이하고, 나머지는 동일 구성을 취하므로, 동일 부위에 대한 설명을 생략한다. 여기서, 자기 코어(135)와 전도성 팁(101)의 사이, 또는 복수개로 이루어진 자기 코어(135)의 사이에는 스프링(130)이 더 구성될 수도 있다. 이 스프링(130)은 전도성 팁(101)이 센서 패널면에 어느 정도 눌려졌을 때 좁혀짐으로써, 이때만 전자기 공진이 발생하여 스타일러스 펜의 입력 감지 및 필압 감지가 가능하도록 할 수 있다. 또한, 스타일러스 펜이 센서 패널에 가깝더라도 어느 정도 눌려지지 않으면 동작하지 않아 오동작을 방지하는 스위치 기능을 하기도 한다. 전자기 공진시 발생한 자기장 신호는 센서 패널의 외곽에 위치하는 안테나 루프(410)로 전달되어, 일종의 2차 코일(L2)(410)로 기능하여, 그 양단에 전압 차를 터치 컨트롤러(300)에 의해 감지한다.

이러한, 8b의 스타일러스 펜(100)은 복수개의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)간 간섭이 없어, 둘 간의 기생 정전 용량(parasitic capacitive capacitance)을 줄일 수 있는 이점이 있다. 경우에 따라, 기생 정전 용량이 무시할 정도라면 기생 정전 용량에 의해 터치 감도의 정확성이 떨어지는 수준이라는 도 8b의 스타일러스 펜(100)을 선택할 수 있을 것이다.

도 9는 도 7a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 다른 도면이다. 그리고, 도 10은 도 9에 도시된 전도성 그립의 재질에 따른 전도성 특성을 나타낸 그래프이다.

도 9의 스타일러스 펜 구조를 참조하면, 스타일러스 펜(100) 내부의 1차 코일(L1)(120)은 스타일러스 펜(100)의 축 방향으로 위치하는 자기 코어(magnetic core)(135)에 감겨져 있다. 여기서, 1차 코일(L1)(120)의 일단은 전도성 팁(101)에 연결되며, 타 단은 스타일러스 몸체(150)의 전도성 그립(117)에 연결된다.

전도성 그립(117)은 사용자가 손으로 잡는 손잡이 부분에 형성되어 접지로서의 기능을 한다. 이러한 전도성 그립(117)은 도 10을 참조한 고저항의 전도성 물질(예를 들며, 전도성 플라스틱 및 전도성 그라파이트)로 이루어질 수 있다. 고저항의 전도성 물질로 전도성 그립(117)을 형성하면 자기장 신호의 투과도를 금속성 물징 대비 크게 높일 수 있어 자기장 신호의 감쇄를 줄이고 안테나(400)에서도 수신 가능하도록 할 수 있게 된다. 이때, 전도성 팁(101) 또한 고저항의 전도성 물질로 형성하여 자기장이 투과가 용이해지도록 할 수도 있다.

도 9의 스타일러스 펜 구조는 1차 코일(L1)(120)의 타 단이 고저항의 전도성 물질로 형성된 전도성 그립(117)에 연결됨에 그 기술 특징이 있으며, 스타일러스 몸체(150)와 스타일러스 접지부(500)의 연결 구조 및 스타일러스 펜(100)의 동작은 도 7b의 스타일러스 펜 구조와 동일하다. 따라서, 도 9에 따른 스타일러스 펜 구조 및 동작 설명은 도 7b에 따른 상세한 설명으로 대신하기로 한다.

도 11은 도 8a의 스타일러스 펜을 구조적으로 나타낸 다른 도면이다.

도 11의 스타일러스 펜 구조를 참조하면, 스타일러스 펜(100) 내부에는 직렬로 연결된 복수의 1차 코일(L1A,L1B)(120a,120b)은 스타일러스 펜(100)의 축 방향으로 위치하는 자기 코어(magnetic core)(135)에 감겨져 있다. 여기서, 1차 코일(L1)(120)의 일단은 전도성 팁(101)에 연결되며, 타 단은 스타일러스 몸체(150)의 전도성 그립(117)에 연결된다.

상술한 바와 같이, 전도성 그립(117)은 사용자가 손으로 잡는 손잡이 부분에 형성되어 접지로서의 기능을 한다. 이러한 전도성 그립(117)은 도 10을 참조한 고저항의 전도성 물질(예를 들며, 전도성 플라스틱 및 전도성 그라파이트)로 이루어질 수 있다. 고저항의 전도성 물질로 전도성 그립(117)을 형성하면 자기장 신호의 투과도를 금속성 물징 대비 크게 높일 수 있어 자기장 신호의 감쇄를 줄이고 안테나(400)에서도 수신 가능하도록 할 수 있게 된다. 이때, 전도성 팁(101) 또한 고저항의 전도성 물질로 형성하여 자기장이 투과가 용이해지도록 할 수도 있다.

도 11의 스타일러스 펜 구조는 1차 코일(L1)(120)의 타 단이 고저항의 전도성 물질로 형성된 전도성 그립(117)에 연결됨에 그 기술 특징이 있으며, 스타일러스 몸체(150)와 스타일러스 접지부(500)의 연결 구조 및 스타일러스 펜(100)의 동작은 도 8b의 스타일러스 펜 구조와 동일하다. 따라서, 도 11에 따른 스타일러스 펜 구조 및 동작 설명은 도 8b에 따른 상세한 설명으로 대신하기로 한다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 입력 시스템의 접지 방법을 각각 다른 실시예로 나타낸 도면이다.

도 12a는, 앞서 설명한 스타일러스 펜(100)의 스타일러스 몸체(150) 및 사람의 몸을 통한 접지를 나타낸다.

도 12a와 같이, 사람(사용자)에 의한 접지인 경우, 센서 패널(201)이 장착된 디스플레이 장치(2000) 및 사람의 몸은 각각 지상과 Cb1 및 Cb2 의 정전용량을 통해 커플링되어 있다. 만약 디스플레이 장치(2000)를 사람이 다른 한 손으로 잡고 있다면 Cb2는 다른 한 손과 몸을 통해 더 강하게 커플링되고 따라서, AC 신호가 전달될 수 있는 폐회로를 형성하게 된다.

한편, 여기서, 디스플레이 장치(2000)는 센서 패널(201)이 장착된 표시 패널을 의미한다. 표시 패널의 예로는, 액정 표시 패널, 유기 발광 표시 패널, 플라즈마 표시 패널, 양자점 표시 패널, 전기영동 표시 패널 등을 들 수 있을 것이다. 여기서, 패널들은 필요에 따라 광원 등을 포함할 수 있으며, 광원 포함시에는 별도의 케이스 유닛을 더 포함할 수도 있다.

그리고, 상기 센서 패널(201)은 디스플레이 장치(2000) 상에 부착될 수도 있으며, 혹은 디스플레이 장치의 패널 면 상에 어레이 공정에서 함께 형성될 수도 있고, 혹은 패널 내부에 형성될 수도 있을 것이다.

또한, 와이어리스 스타일러스 펜(wireless stylus pen)을 구현할 경우에도 도 9a와 같은 구성을 통해 사람의 몸을 통한 접지를 구현한다.

도 12b는 스타일러스 펜(100)의 접지를 와이어(170)를 통해 센서 패널(201)이 부착된 디스플레이 장치(2000)의 터치 컨트롤러측에 직접 연결하는 와이어드 스타일러스 펜(wired stylus pen)을 나타낸 것으로, 이 경우, 스타일러스 펜(100)과 센서 패널(201)은 상기 와이어(170)를 통해 서로 물리적 연결 관계를 갖는다.

도 13은 본 발명의 터치 입력 시스템의 터치 센서 패널을 나타낸 평면도이다.

도 13과 같이, 본 발명의 터치 입력 시스템의 센서 패널(201)은 크게 액티브 영역과 그 외곽 영역으로 나뉜다.

복수개의 제 1 채널(Tx)(210) 및 제 2 채널(Rx)(220)은 각각 바 형상을 갖는 것으로, 제 1 채널(Tx)(210)과 제 2 채널(Rx)(220) 채널이 서로 교차하여 액티브 영역에 배치된다. 도시된 형태는 바(bar) 형상의 채널로, 경우에 따라 상기 바 형상은 정전용량 방식의 다른 형태의 패턴으로 변경될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 다이아몬드 패턴이나 다른 형태의 다각형 형태일 수 있다. 어느 경우에나, 본 발명의 터치 입력 시스템에 있어서는, 스타일러스 펜 터치의 정확성을 위해 중심에서 상하 좌우 어디에서도 대칭성을 갖는 형태로 형성되는 것이 요구된다.

또한, 스타일러스 펜(100) 내 공진 회로로부터 발생하는 전자기 신호를 수신하기 위해 상기 센서 패널(201)의 외곽 영역에 안테나 루프를 형성한다. 안테나 루프(410)는 실제로 스타일러스 입력이 이루어지고 좌표 추출이 이루어지는 액티브 터치 영역보다 가능하면 크게 형성한다. 이는 스타일러스 펜(100)을 이용한 터치 검출에 있어서, 센서 패널(201) 가장자리 부분에서, 채널의 비대칭성으로 인해 좌표 추출의 정확도가 떨어지는 에지 이펙트(edge effect)를 해소하고자 함이다.

한편, 상기 안테나 루프(410)는 인덕터스 유도가 가능한 일종의 3차 코일인데, 별도의 물리적 형상을 갖는 자기 코어는 구비하지 않는다. 여기서, 상기 안테나 루프(410)는 상기 안테나 루프(410)와 스타일러스 펜 사이의 에어 코어(air core)를 매개로 하여 동작하는 코일일 수 있다.

상기 제 1 채널(Tx)(210) 및 제 2 채널(Rx)(220)은 디스플레이 장치에서 광 투과를 위해 투명 전극으로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 핑거 터치 구간에 상기 제 1 채널(Tx)(210)은 구동 신호 인가용으로, 제 2 채널(Rx)(220)은 검출 신호 수신용으로 이용되며, 각각 센서 패널(201)의 일측 가장자리에 구비된 패드(230)와 라우팅 배선(225)을 통해 전기적으로 연결된다.

그리고, 상기 안테나 루프(410)의 양단 또한, 상기 센서 패널(201)의 일측 가장자리에 구비된 패드(230)와 나란히 형성된 루프 패드(240)이 형성되며, 둘 사이의 전압 차를 터치 컨트롤러에 의해 검출할 수 있게 한다.

한편, 상기 안테나 루프(410)는 상기 라우팅 배선(225)과 동일 공정에서 함께 형성할 수도 있다. 혹은 상기 안테나 루프(410)의 전자기 유도 특성을 향상시키기 위해, 상기 센서 패널(100)에 상기 안테나 루프(410)와 콘택하는 쉬트 형태의 자기 성분 코어(planar magnetic core)를 더 구비할 수도 있다.

도 14는 본 발명의 터치 입력 시스템의 프레임 구동 방법을 나타낸 도면이다.

도 14와 같이, 본 발명의 터치 입력 시스템은 1프레임을, 스타일러스 터치 검출용과, 핑거 터치 검출용으로 나누어 시분할 구동한다. 그리고, 스타일러스 터치 검출용과 핑거 터치 검출용은 서로 교번하여 이루어지게 한다.

예를 들어, 1프레임이 5~10ms에 해당할 때, 프레임 레이트(frame rate)는 100~200Hz에 해당한다. 이 경우, 1프레임을 스타일러스 터치 검출용과 핑거 터치 검출용으로 이분할 때, 각각의 할당 구간은 2.5ms 내지 5ms 에 해당한다. 이는 스타일러스 터치 검출용과 핑거 터치 검출용을 이분할 때이고, 경우에 따라, 어느 한쪽의 시간을 1 프레임 내에서 더 길게 조절하는 것도 가능할 것이다.

한편, 스타일러스 터치 검출시, 도 13과 같이, 제 1 채널(Tx) 및 제 2 채널(Rx)의 수를 각각 m개 및 n개라고 하면, 제 1 채널의 m개 채널 Tx(1)~Tx(m)과 제 2 채널의 n개 채널 Rx(1)~Rx(n)을 순차적으로 구동하고 센싱한다.

즉, 총 'm+n' 채널을 상기 스타일러스 터치 검출용 구간 내에 순차적으로 구동하게 된다. 따라서, 예를 들어, 'm+n'=50이라고 가정하면, 하나의 채널을 구동하는데 가능한 시간은 2.5ms~5ms을 50으로 나눈 50㎲~100㎲이 된다.

그리고, 핑거 터치 검출시는, 제 1 채널(Tx)에 대해 순차적으로 구동 신호를 인가하고, 제 2 채널(Rx)에서 검출 신호를 센싱하여, 터치에 따른 변화를 검출하여 터치 위치를 검출하는 것이다. 상대적으로 핑거 터치 검출시는 구동 신호는 제 1 채널(Tx)에 대해서만 인가되므로, 스타일러스 터치 검출시의 각 채널의 신호 인가 시간(2.5ms 내지 5ms/(m+n) 보다 핑거 터치 검출시의 각 제 1 채널(Tx)의 구동 신호 인가 시간(2.5ms~5ms/m)이 길 수 있다.

이 경우, 각각의 채널을 구동하는 신호 파형과 센싱 파형은 후술하는 바와 같이, 스타일러스 입력과 핑거 터치를 시간 분할하여 교번 구동하는 것이다.

이어, 상기 스타일러스 펜 터치 검출에서 각 채널의 구동 및 센싱 방법을 살펴본다.

도 15a 및 도 15b는 본 발명의 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법에 있어서, 터치 센서 패널 및 스타일러스 펜의 각 구성별 검출 파형을 나타낸 파형도이다.

도 15a 및 도 15b와 같이, 본 발명의 터치 입력 시스템의 두개의 인접한 제 1 채널들(Tx(n) 및 Tx(n+1))에 대해 구동 및 센싱 과정을 살펴본다.

도시된 바는 Tx(n), Tx(n+1)의 채널의 구동 과정을 나타내지만, 이러한 과정은 같은 방식으로 Tx(1)~Tx(m), Rx(1)~Rx(n)의 순으로 순차적으로 신호를 인가하고, 각 채널별 안테나 루프(410)의 양단에 수신된 전압 차에 의해 터치 검출을 수행하여 이루어질 수 있다.

터치 검출은 전도성 팁(101)과 센서 패널(201) 사이의 센싱 캐패시터(Csx)와 1차 코일(L1)간 전기적 연결이 형성되고, 1차 코일(L1)과 공진 캐패시터(C2)의 공진 회로가 형성되어, 1차 코일(L1)과, 안테나 루프간 인덕턴스(M12)에 의해 안테나 루프(410)로 전자기 공진된 유도 기전력이 수신되어 이루어진다.

이와 같이, 스타일러스 펜(100)의 1차 코일(L1)(120)이 직접적으로 안테나 루프(L2)(410)와의 상호 인덕턴스(M12)에 의해 안테나 코일에 해당하는 2차 코일(L2)(410)에 유도 기전력을 발생시키게 되므로, 1차 코일(L1)(120)과 안테나 루프(L2)(410) 간의 자기 결합 계수를 줄이거나 감안하지 않을 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜(100)의 크기를 줄여 더욱 얇게 형성할 수 있으며 그에 따른 제조 비용 또한 줄일 수 있게 된다.

한편, 복수개의 제 1 및 제 2 채널(Tx(1)~Tx(m), Rx(1)~Rx(n))로 인가하는 신호는 도 15a와 같이, 공진 회로 내 공진 주파수와 동일한 주파수인 구형파 또는 정현파일 수 있다.

스타일러스 펜은, 센서 패널면에 스타일러스 펜을 터치시 사용자에 의해 스타일러스 펜의 접지가 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 접지시 사용자는 비도전성 몸체를 직접 콘택하거나 혹은 비도전성 몸체를 상기 센서 패널과 와이어를 통해 연결시켜 이루어진다.

도 15a와 같이, Tx(n) 채널을 구동할 경우, 터치 컨트롤러로부터 일정 주파수의 구형파 또는 정현파로 Tx(n) 채널에 T1 시간 인가한다. 그리고, T2 시간동안 Tx(n) 채널에 신호를 인가하지 않고, 회로 및 안테나 루프에서 수신된 신호만 센싱할 수 있다.

즉, Tx(n) 채널에 구형파 또는 정현파 신호가 인가되면, 이 시간 동안 스타일러스 펜의 1차 코일(L1)은 Tx 채널과 전도성 팁 사이에 정전용량 커플링에 의해 생성된 센싱 캐패시터(Csx)가 형성되며, 센서 패널면에 스타일러스 펜을 터치시 센싱 캐패시터(Csx)와 전도성 팁간 전기적 연결이 형성된다. 여기서, 1차 코일(L1)은 T1 시간 내 시간이 경과할 수록 파형이 커지는데, 이는 폐회로의 공진 회로내 직렬 연결된 공진 캐패시터(C1)와 공진 주파수를 통해 전자기 공진을 일으키며 시간에 따라 진폭이 증가하기 때문이다.

또한, 스타일러스 펜이 센서 패널을 터치시 1차 코일(L1)은 센서 패널 내 안테나 루프와 상호 인덕턴스 (M12)를 통해 커플링되어 있으므로, 안테나 루프는 스타일러스 펜의 공진에 의해 발생하는 전자기 신호를 센싱할 수 있다.

안테나 루프에서는 안테나 루프의 양단에 수신된 전압 차를 검출하는 단계와, 전압 차를 증폭하는 단계와, 증폭된 전압 차의 노이즈를 제거하는 단계와, 노이즈가 제거된 증폭된 전압 차를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계 및 디지털 신호를 메모리에 저장하는 단계를 통해 해당 채널에 대응되는 안테나 루프의 양단의 전압 차에 대한 신호 강도 디지털 데이터를 저장한다.

이어, 도 15b와 같이, Tx(n+1) 채널을 상술한 동일한 방법으로 T3 구간 및 T4 구간에, 구동 신호 인가 및 센싱(터치 검출)하고 신호의 크기에 비례하는 디지털 데이터를 메모리에 저장한다.

이러한 과정을 통해 한 프레임의 각 채널에 대한 신호 강도 디지털 데이터가 모두 모이면 터치 컨트롤러의 신호 처리부를 통해 스타일러스 펜이 위치한 곳의 좌표를 추출한다.

한편, 스타일러스 펜의 신호 인가 구간은 도시된 바와 같이, T1 만 인가하여 이어 센싱 구간을 충분히 별도로 마련할 수도 있고, 혹은 T1+T2 구간에서 신호 인가와 센싱을 동시에 진행할 수도 있다. 각각의 장단이 있는데, 만일 신호 수신 구간이 T1+T2일 경우에는, 신호를 수신하는 시간이 길어짐으로써 측정된 신호의 정밀도 증가를 기대할 수 있다. 그러나, T1 시간 동안에 Tx 또는 Rx 채널이 구동되며 이들 채널로 이루어진 기생 루프가 자기장 신호를 유발할 수 있어, 이들은 안테나 루프에 노이즈 성분이 되며, 이러한 노이즈는 스타일러스 펜 내부의 공진 회로에서 발생되는 신호와 함께 안테나 루프측으로 수신될 수 있다.

따라서, 기생 루프에 의한 자기장 간섭이 정확한 터치 검출이 힘들 경우에는, T2 구간에서만 스타일러스 펜의 공진 신호 검출에 의한 터치 검출을 수행할 수 있다. 이 경우에는, T1 시간 동안 공진 신호를 수신하지 않으므로, 신호 수신시간 감소 및 데이터 정밀도가 감소할 수 있으나, 자기장 노이즈가 안테나 루프에 영향을 미치지 않는 이점이 있다.

한편, 본 발명의 터치 입력 시스템을 이용하여 시뮬레이션을 통해 스타일러스 펜 터치 검출이 가능한지를 검증해본다.

도 16a는 본 발명의 터치 입력 시스템의 신호 강도의 실험 부위를 나타낸 도면이며, 도 16b는 도 16a의 X축 이동에 따라 나타낸 정전 용량 Csx 변화를 나타낸 시뮬레이션도이다.

도 16a와 같이, 스타일러스 펜(100)의 위치가 Y축 0점에 위치하고, X축의 좌표만 변화할 때, Tx(n) 및 Tx(n+1) 채널과 스타일러스 펜의 전도성 팁간의 센싱 캐패시터의 캐패시턴스 값(Csx)을 도 16b에서 시뮬레이션하여 나타내었다.

센싱 캐패시터의 캐패시턴스 값(Csx)은 Tx 채널의 가운데에서 최대값이 되며, 가운데에서 멀어질수록 작아짐을 알 수 있다.

한편, Tx(n)과 Tx(n+1)의 중간 위치에 있을 때에는, Tx(n)에 대한 센싱 캐패시턴스 값 Csx(n)과 Tx(n+1)에 대한 센싱 캐패시턴스 값 Csx(n+1) 값이 동일해진다. 즉, Csx(n)=Csx(n+1)이 된다.

만일, Tx(n)보다 Tx(n+1) 쪽으로 스타일러스 펜이 더 가까워지면, Tx(n)과의 커플링된 센싱 캐패시턴스 값 Csx(n) 보다 Tx(n+1)과 커플링된 센싱 캐패시턴스 값 Csx(n+1)이 더 커짐을 알 수 있다. 즉, Csx(n)<Csx(n+1)이 된다. 따라서, 각각의 Tx 채널에 대해 이러한 커플링된 센싱 캐패시턴스 값에 비례하는 신호를 발생하고 이를 센싱함으로써 스타일러스 펜의 위치를 추출하는 데 필요한 신호 강도로 표현되는 아날로그 데이터를 얻을 수 있다.

도 17a는 본 발명의 터치 입력 시스템의 터치 센서 패널과 이에 구비된 안테나 루프를 나타낸 도면이며, 도 17b는 도 17a의 X축을 따라 스타일러스 펜을 이동시 나타나는 상호 인덕턴스를 나타낸 그래프이다.

도 17a와 같이, 센서 패널(201)의 중심을 0점으로 하고, 가로축을 X축, 세로축을 Y축으로 정하고, 스타일러스 펜(100)을 상기 X축을 따라 움직일 경우, 스타일러스 펜에서 자기장 신호를 발생하는 1차 코일(L1)과 센서 패널(201)에서 자기장 신호를 수신하는 안테나 루프(410)(L2) 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)(M12)을 시뮬레이션하면, 도 17b와 같이, 안테나 루프의 중앙 부위(즉, 액티브 영역)에서는 0.5A.U 내지 1.5A.U. 의 범위에서 완만히 변화하나, 가장자리에 인접하며, 상호 인덕턴스(M12)의 값이 갑자기 역전하여 떨어짐을 알 수 있다. 이를 에지 이펙트라 한다. 이 경우, 실제 제 1, 제 2 채널이 배치되는 액티브 영역은 도 17b의 상호 인덕턴스가 0점에서 거리가 멀어질수록 크게 되는 영역에 오도록 하여, 에지 이펙트를 배제하는 영역에 액티브 영역을 설계하는 것이 바람직하다.

도 18a는 본 발명의 터치 입력 시스템의 스타일러스 펜의 A ~C 지점의 위치 상태를 나타낸 도면이며, 도 18b는 도 15a의 스타일러스 펜의 A~C 각 위치에서의 검출된 신호 파형을 나타낸 도면이다.

도 18a와 같이, X축(도면 상의 세로 방향)을 따라 각각 A, B, C 지점에 스타일러스 펜을 위치시켰을 때, Tx(n) 채널에 구동 신호가 인가할 때, 실제 안테나 루프에서 센싱되는 신호 파형을 도 15b와 같이 나타내었다.

센싱되는 신호의 파형은 구동신호가 인가되는 Tx(n) 채널의 가운데인 A 지점에 있었을 때, 가장 강하고, 인접 채널 Tx(n-1)과의 경계 영역 B 지점에서 중간 크기를 갖고, 또한, 인접 채널 Tx(n-1)의 가운데에 있을 때인 C 지점에서 가장 약하게 센싱됨을 알 수 있다. 이는 실제 구동 신호가 인가되는 채널에 가까울수록 센싱된 파형이 큼을 의미하고, 구동 신호에 인가되는 채널에서 멀어질수록 파형이 줄어듦을 의미하여, 실제 터치 지점에서, 파형이 가장 큼을 예상할 수 있다.

이러한 각 채널에 대한 아날로그 신호 형태의 신호 강도는 터치 컨트롤러의 ADC 컨버터를 통해 디지털 데이터로 변환되고, 이후 신호 처리부에서 적절한 알고리즘을 적용하여 스타일러스 펜 터치의 좌표 추출에 이용된다.

즉, 가장 큰 파형이 나타난 채널을 검출하여, 이를 통해 실제 스타일러스 펜 터치 검출이 가능한 것이다.

본 발명의 터치 입력 시스템 및 이를 적용한 터치 검출 방법은 다음의 이점이 있다.

즉, 핑거 터치와 스타일러스 펜 터치에 대해 별도의 다른 패널을 둔 구성 대비 터치 입력 시스템의 제작 비용 절감이 가능하며, 공정의 간소화가 가능하다. 또한, 터치 입력 시스템으로서 얇은 센서 패널의 구현이 가능하다.

그리고, 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널의 안테나 루프간 공진 작용으로 터치 검출이 가능하여, 스타일러스 펜 내 배터리를 요구되지 않아, 별도의 전원이 요구되는 액티브 스타일러스 펜 대비 제작 비용이 감소된다. 또한, 가볍고 크기가 작은 스타일러스 펜 구현이 가능하다.

또한, 스타일러스 펜 터치와 핑거 터치를 다른 구동 방식에 의해 서로 구분하여 센싱할 수 있어, 스타일러스 펜 터치시 팜 리젝션이 용이하며, 이에 의한 터치 감도의 정확성이 향상된다.

그리고, 정전 용량 방식에서 이용하는 서로 교차된 전극간 상호 정전 용량(ΔCm)이 아닌 스타일러스 펜과 하나의 전극 사이에서 발생된 센싱 정전 용량(Csx)를 터치 검출에 이용하는 것으로, 보다 값이 큰 센싱 정전 용량을 스타일러스 펜 터치 검출에 이용하는 것으로, 감도 향상이 기대된다.

한편, 센서 패널 내 전극들(채널들)에 인가하는 구동 신호에 동기하여 스타일러스 펜 내부 공진 회로의 주파수 신호가 정해지므로, 별도로 필압 또는 특수 버튼의 눌림 여부 적용도 용이할 수 있다.

또한, 스타일러스 펜에 의한 터치 검출에 이용되는 안테나 루프를 서로 교차하는 전극이 형성된 액티브 영역에서 이격하여 감도가 떨어지는 에지 영역보다 바깥쪽에 안테나 루프를 위치시킴으로써, 스타일러스 펜의 감도를 영역에 관계없이 동등하게 유지할 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100: 스타일러스 펜 101: 전도성 팁
103: 절연막 110: 공진 캐패시터
120: 1차 코일 200: 터치 센서
201: 센서 패널 250: 센싱 캐패시터
300: 터치 컨트롤러 305: 구동 신호 발생부
310: 증폭기 320: 필터부
330: 컨버터 340: 신호 처리부
400: 안테나 410: 안테나 루프
2000: 디스플레이

Claims

서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널;
하나 또는 서로 직렬 연결된 복수의 1차 코일과 상기 1차 코일과 병렬 연결된 공진 캐패시터 및 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜;
상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부;
상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프; 및
상기 제 1 채널 및 제 2 채널과, 상기 안테나 루프와 연결된 터치 컨트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 1차 코일은 전도성 팁과 직렬 형태로 연결되어 상기 스타일러스 펜의 축 방향으로 위치하는 자기 코어에 감겨진 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 스타일러스 펜은
상기 전도성 팁이 일부 돌출되는 홀을 갖는 스타일러스 몸체, 및
상기 스타일러스 몸체의 적어도 어느 한 외주면에 형성되되 고저항의 전도성 물질로 형성된 그립을 구비한 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 스타일러스 펜의 직렬로 배치된 상기 1차 코일의 일단은 상기 전도성 팁에 연결되고, 타단은 상기 스타일러스 몸체 또는 상기 고저항의 전도성 물질로 형성된 그립에 연결된 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 안테나 루프는 상기 스타일러스 펜의 상기 센서 패널면 터치시 상기 스타일러스 펜 내 1차 코일로부터 공진된 인덕턴스 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템.
서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널; 하나 또는 서로 직렬 연결된 복수의 1차 코일과 상기 1차 코일과 병렬 연결된 공진 캐패시터 및 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜; 상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부; 상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프를 갖는 입력 시스템의 터치 검출 방법에 있어서,
프레임별 핑거 터치 센싱과 스타일러스 펜 터치 센싱을 시분할하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 6항에 있어서,
상기 스타일러스 펜 터치 센싱은,
상기 복수개의 제 1 및 제 2 채널들에 순차적으로 신호를 인가하고,
각 채널별 안테나 루프의 양단에 수신된 전압 차에 의해 터치 검출을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 7항에 있어서,
상기 터치 검출은,
상기 전도성 팁과 상기 센서 패널 사이의 센싱 캐패시터와 상기 적어도 하나의 1차 코일간 전기적 연결이 형성되고,
상기 1차 코일과 공진 캐패시터의 공진 회로가 형성되어,
상기 1차 코일의 인덕턴스에 의해 상기 안테나 루프로 전자기 공진된 유도 기전력이 수신되어 이루어지는 것을 이루어지는 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 스타일러스 펜은
상기 전도성 팁이 일부 돌출되는 홀을 갖는 스타일러스 몸체와, 상기 스타일러스 몸체의 적어도 어느 한 외주면에 형성되되 고저항의 전도성 물질로 형성된 그립을 구비한 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 안테나 루프는 상기 스타일러스 펜의 상기 센서 패널면 터치시 상기 스타일러스 펜 내 직렬로 배치된 1차 코일로부터 공진된 인덕턴스 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 터치 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.