KR20150139013A

KR20150139013A - 센싱 시스템

Info

Publication number: KR20150139013A
Application number: KR1020140066348A
Authority: KR
Inventors: 김범진; 전재훈; 이상용
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-11
Also published as: KR102182979B1

Abstract

본 발명은 센싱 시스템에 관한 것으로, 터치 스크린의 라인들 각각에 연결된 상호 용량 센싱회로와 자기 센싱회로 중 하나 이상을 이용하여 터치 입력과 제스쳐를 감지하는 센서 구동회로; 및 상기 터치 스크린과 상기 센서 구동회로 사이에 배치되는 스위치 어레이를 포함한다. 상기 스위치 어레이는 상기 제스쳐를 감지하는 호버 센싱 모드에서 상기 로 라인들과 상기 컬럼 라인들 중 일부를 플로팅시키거나 저전위 전압원에 연결한다.

Description

센싱 시스템{SENSING SYSTEM}

본 발명은 센싱 시스템에 관한 것이다.

유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전기, 전자 기기 등의 통신을 가능하게 하여 사용자가 자신이 원하는 대로 기기를 쉽게 제어할 수 있게 한다. 유저 인터페이스의 대표적인 예로는 키패드, 키보드, 마우스, 온스크린 디스플레이(On Screen Display, OSD), 적외선 통신 혹은 고주파(RF) 통신 기능을 갖는 원격 제어기(Remote controller) 등이 있다. 유저 인터페이스 기술은 사용자 감성과 조작 편의성을 높이는 방향으로 발전을 거듭하고 있다. 유저 인터페이스는 터치 UI, 음성 인식 UI, 3D UI 등으로 진화되고 있고, 사용자의 제스쳐(gesture)를 센싱하는 제스쳐 UI도 소개되고 있다.

터치 UI는 터치 스크린을 직접 접촉하거나 터치 스크린과 근접하는 높이로 접근하는 객체(object)를 센싱하여 사용자가 원하는대로 전기, 전자 기기를 제어한다. 제스쳐 UI는 공간 상에서 사용자의 제스쳐나 개체의 움직임을 센싱하여 사용자가 원하는대로 전기, 전자 기기를 제어한다. 일반적으로 터치 UI는 저항막 방식이나 정전용량 방식의 터치 센서들을 포함한 터치 스크린을 이용하여 사용자나 객체의 터치 입력을 센싱한다. 제스쳐 UI는 사용자나 객체가 공간에서 움직일 때 발생되는 공간 입력을 센싱한다.

정전 용량 방식의 터치 센싱 시스템은 직접 접촉되거나 터치 센서와 근접한 손가락을 센싱할 수 있지만 터치 센서로부터 먼 공간에서 사용자나 객체의 움직임으로 행해지는 공간 입력을 센싱하기가 어렵다. 이 때문에 일반적으로 터치 UI와 제스쳐 UI는 별도의 시스템으로 구현되고 있다. 그런데 터치 UI와 제스쳐 UI를 별도의 시스템으로 구현하면 비용이 대폭 상승하고 하드웨어 복잡도가 증가한다.

정전 용량 방식의 터치 센싱 시스템에서, 센서 구동회로가 집적된 ROIC(Read-out Integrated Circuit)의 채널 수를 줄이기 위하여, ROIC와 센서 전극들 사이에 멀티플렉서들(multiplexer, MUX)를 배치하고, 멀티플렉서를 이용하여 ROIC의 출력을 시분할하여 센서 전극들에 공급할 수 있다. 이 경우에, 터치 센서들의 시분할 구동 방법은 센싱 타임(sensing time)이 감소되어 터치 인식 정확도와 터치 감도 저하를 초래한다.

본 발명은 터치 스크린을 통해 터치 입력과 터치 스크린 위에서 행해지는 제스쳐(gesture)를 센싱할 수 있는 센싱 시스템을 제공한다.

본 발명의 센싱 시스템은 서로 교차하는 로 라인들과 컬럼 라인들, 및 상기 로 라인들과 컬럼 라인들에 의해 형성된 센서들을 포함하는 터치 스크린; 상기 터치 스크린의 라인들 각각에 연결된 상호 용량 센싱회로와 자기 센싱회로 중 하나 이상을 이용하여 터치 입력과 제스쳐를 감지하는 센서 구동회로; 및 상기 터치 스크린과 상기 센서 구동회로 사이에 배치되는 스위치 어레이를 포함한다.

상기 스위치 어레이는 상기 제스쳐를 감지하는 호버 센싱 모드에서 상기 로 라인들과 상기 컬럼 라인들 중 일부를 플로팅시키거나 저전위 전압원에 연결한다.

본 발명은 상기 터치 스크린에서 교차하는 라인들을 통해 터치 입력을 센싱하고 평행한 라인들을 통해 공간 입력 또는 사용자의 제스쳐를 센싱한다. 본 발명은 터치 스크린을 이용하여 터치 입력 뿐 아니라 터치 스크린 위에서 행해지는 제스쳐의 변화를 센싱할 수 있다. 본 발명의 센싱 시스템은 터치 센싱 시스템과 호버 센싱 시스템을 분리하여 구성할 필요가 없으므로 하드웨어 복잡도를 줄이고 비용을 줄일 수 있다.

본 발명의 센싱 시스템은 터치 스크린의 라인들 각각에 센싱회로를 연결하여 센서들을 시분할 구동하지 않고 센서들을 동시에 구동할 수 있으므로 센싱 시간을 충분히 확보할 수 있다.

본 발명의 센싱 시스템은 터치 센서로부터 수신된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 공유한다. 따라서, 센서 구동회로의 채널들 각각에 상호 용량 센싱회로와 자기 용량 센싱회로가 연결되지만 그 센싱 회로들이 ADC를 공유함으로써 센서 구동회로의 저전력, 작은 회로 면적을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 센싱 방법을 보여 주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센싱 시스템을 보여 주는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 표시패널과 터치 스크린의 다양한 조합을 보여 주는 도면들이다.
도 6은 도 2에 도시된 센서 구동회로를 상세히 보여 주는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 터치 센싱 모드에서 상호 용량 센싱 방법으로 센서들을 구동하는 예를 보여 주는 도면들이다.
도 10은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계를 보여 주는 도면이다.
도 11은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 전계를 생성하기 위한 구동신호의 일 예를 보여 주는 파형도이다.
도 12는 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계의 높이를 보여 주는 도면이다.
도 13은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계의 다른 예를 보여 주는 도면이다.
도 14는 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계를 보여 주는 도면이다.
도 15는 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 전계를 생성하기 위한 구동신호의 일 예를 보여 주는 파형도이다.
도 16은 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계의 높이를 보여 주는 도면이다.
도 17은 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계의 다른 예를 보여 주는 도면이다.
도 18은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계의 또 다른 예를 보여 주는 도면이다.
도 19는 도 18에 도시된 전계의 높이를 보여 주는 도면이다.
도 20은 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계의 또 다른 예를 보여 주는 도면이다.
도 21은 도 20에 도시된 전계의 높이를 보여 주는 도면이다.
도 22는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서 구동회로를 보여 주는 도면이다.
도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서 구동회로를 보여 주는 도면이다.
도 24는 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 구동회로를 보여 주는 도면이다.
도 25 내지 도 27은 도 24에 도시된 센서 구동회로의 동작을 보여 주는 도면들이다.
도 28은 도 27에 도시된 상호 용량 센싱회로와 자기 용량 센싱회로의 등가 회로도이다.
도 29는 도 28에 도시된 자기 용량 센싱회로의 스위치 타이밍을 보여 주는 파형도이다.
도 30은 자기 용량 센싱회로의 등가 회로도이다.
도 31은 도 30에 도시된 자기 용량 센싱회로의 입출력 파형도이다.
도 32는 상호 용량 센싱회로의 등가 회로도이다.
도 33은 도 32에 도시된 상호 용량 센싱회로의 입출력 파형도이다.
도 34는 본 발명의 제4 실시예에 따른 센서 구동회로를 보여 주는 도면이다.
도 35 및 도 36은 도 34에 도시된 센서 구동회로의 동작을 보여 주는 회로도이다.
도 37 및 도 38은 자기 용량 센싱 방법에서 1 라인 이상의 간격을 두고 이격된 라인들이 센싱되는 예를 보여 주는 도면들이다.

본 발명의 센싱 시스템은 정전 용량 방식의 터치 스크린을 이용하여 터치 입력과 터치 스크린 위에서 행해지는 제스쳐를 센싱한다. 정전 용량 방식의 터치 스크린은 이하의 실시예와 같이 정전 용량(capacitance) 센서들로 구현될 수 있다. 센서는 자기 용량(Self capacitance) 타입 센서 또는 상호 용량(Mutual capacitance) 타입 센서로 나뉘어질 수 있다. 본 발명은 고객 또는 사용자의 요구에 따라 센서들을 자기 용량 타입 센서로 구동하거나 상호 용량 타입 센서로 구동한다.

상호 용량 센서는 두 전극들 사이에 형성된 상호 용량을 포함한다. 상호 용량 센싱 회로는 두 전극들 중 어느 하나(Tx)에 구동신호(또는 자극신호)를 인가하고 다른 전극(Rx)을 통해 상호 용량의 전하 변화량을 바탕으로 터치 입력과 제스쳐를 감지한다. 상호 용량에 도전체가 가까이 접근하면 상호 용량의 전하양이 감소되어 터치 입력이나 제스쳐가 감지될 수 있다.

자기 용량 센서는 센서 전극 각각에 형성되는 자기 용량을 포함한다. 자기 용량 센싱 회로는 센서 전극 각각에 전하를 공급하고 자기 용량의 전하 변화량을 바탕으로 터치 입력과 제스쳐를 감지한다. 자기 용량에 도전체가 가까이 접근하면, 센서의 용량에 그 도전체로 인한 용량이 병렬 연결되어 용량 값이 증가한다. 따라서, 자기 용량의 경우에 터치 입력이나 제스쳐가 감지될 때 센서의 용량 값이 증가한다.

본 발명의 표시장치는 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시장치(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시장치(Organic Light Emitting Display, OLED Display), 전기영동 표시소자(Electrophoresis, EPD) 등의 평판 표시장치로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 평판 표시장치의 일 예로서 액정표시소자를 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시장치에 한정되지 않는다는 것에 주의하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 센싱 시스템은 터치 센싱 모드에서 터치 스크린을 통해 터치 입력이 감지되면 터치 센싱 모드를 유지한다.(ST1 및 ST2) 반면에, 터치 센싱 모드에서 소정의 시간 동안 터치 입력이 감지되지 않으면 호버 센싱(hover sensing) 모드(ST3)로 전환하여 터치 스크린을 통해 제스쳐의 변화를 감지한다.

터치 센싱 모드(ST2)는 터치 스크린 상에서 사용자의 손가락이나 도전체가 접촉되거나 접근하는 터치 입력을 감지한다. 터치 센싱 모드에서 센서는 서로 교차하는 라인들 간에 형성되고, 그 센서에 낮은 높이로 전계가 인가된다.

소정의 대기 시간 이내에서 터치 입력이 감지되면, 터치 스크린은 터치 센싱 모드(ST2)로 동작할 수 있다. 반면에, 터치 입력이 소정의 대기 시간 이상 입력되지 않을 때 터치 스크린은 호버 센싱 모드(ST3)로 전환될 수 있다. 호버 센싱 모드(ST3)는 터치 스크린 위의 공간에서 행해지는 제스쳐의 변화를 감지한다.

터치 스크린이 인셀(In-cell) 타입으로 표시패널에 내장되는 경우에, 터치 스크린 구동 기간과 디스플레이 구동 기간이 시분할될 수 있다. 이 경우에, 터치 스크린은 터치 스크린 구동 기간 동안 터치 센싱 모드(ST2)로 동작하고, 디스플레이 구동 기간 동안 호버 센싱 모드(ST3)로 동작할 수 있다.

터치 센싱 모드와 호버 센싱 모드 각각은 상호 용량 센싱 모드와 자기 용량 센싱 모드로 나뉘어진다. 상호 용량 센싱 모드는 상호 용량 센서 구동 회로를 이용하여 터치 입력 또는 제스쳐를 감지한다. 자기 용량 센싱 모드는 자기 용량 센서 구동 회로를 이용하여 터치 입력 또는 제스쳐를 감지한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 센싱 시스템은 센서들(C)이 배열된 터치 스크린(TSP)과, 센서 구동회로(100), 및 스위치 어레이(102)를 포함한다.

터치 스크린(TSP)은 도 3과 같이 표시패널(DIS)의 상부 편광판(POL1) 상에 접합되거나, 도 4와 같이 표시패널(DIS)의 상부 편광판(POL1)과 상부 기판(GLS1) 사이에 형성될 수 있다. 터치 스크린(TSP)의 센서들(C)은 도 5와 같이 표시패널(DIS) 내에서 픽셀 어레이와 함께 인셀(In-cell) 타입으로 하부 기판에 내장될 수 있다. 도 3 내지 도 5에서 "PIX"는 액정셀의 화소전극, "GLS2"는 하부 기판, "POL2"는 하부 편광판을 각각 의미한다.

표시패널(DIS)은 두 장의 기판들 사이에 형성된 액정층을 포함한다. 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이는 데이터라인들(D1~Dm, m은 양의 정수)과 게이트라인들(G1~Gn, n은 양의 정수)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성된 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성된 TFT들(Thin Film Transistor), 데이터전압을 충전하는 화소전극, 화소전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함한다.

표시패널(DIS)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등이 형성된다. 표시패널(DIS)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 컬러필터는 표시패널(DIS)의 하부 기판에 형성될 수 있다. 공통전압이 공급되는 공통전극은 표시패널(DIS)의 상부 기판이나 하부 기판에 형성될 수 있다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성된다.

표시패널(DIS)의 배면 아래에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(DIS)에 빛을 조사한다. 표시패널(DIS)은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 등 공지된 어떠한 액정 모드로도 구현될 수 있다.

디스플레이 구동회로는 데이터 구동회로(12), 게이트 구동회로(14) 및 타이밍 콘트롤러(20)를 포함하여 입력 영상의 비디오 데이터전압을 표시패널(DIS)의 픽셀들에 기입한다. 데이터 구동회로(12)는 타이밍 콘트롤러(20)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동회로(12)로부터 출력된 데이터전압은 데이터라인들(D1~Dm)에 공급된다. 게이트 구동회로(14)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(DIS)의 픽셀들을 선택한다.

타이밍 콘트롤러(20)는 호스트 시스템(50)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동회로(12)와 게이트 구동회로(14)의 동작 타이밍을 동기시킨다. 데이터 구동회로(12)를 제어하기 위한 데이터 타이밍 제어신호는 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock, SSC), 극성제어신호(Polarity, POL), 소스 출력 인에이블신호(Source Output Enable, SOE) 등을 포함한다. 게이트 구동회로(14)를 제어하기 위한 게이트 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 게이트 출력 인에이블신호(Gate Output Enable, GOE) 등을 포함한다.

호스트 시스템(50)은 텔레비젼 시스템, 셋톱박스, 네비게이션 시스템, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 호스트 시스템(50)은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 표시패널(DIS)에 표시하기에 적합한 포맷으로 변환한다. 호스트 시스템(50)은 디지털 비디오 데이터와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(20)로 전송한다. 호스트 시스템(50)은 센서 구동회로(100)로부터 입력된 터치/제스쳐 위치의 좌표 정보(XY)와 연계된 응용 프로그램을 실행한다.

터치 스크린(TSP)은 횡방향(또는 x축 방향)을 따라 형성된 로 라인들(52)과, 종방향(또는 y축 방향)을 따라 형성된 컬럼 라인들(54)을 포함한다. 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54)은 서로 직교한다.

센서들(C)은 터치 센싱 모드에서 서로 교차하는 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54)의 교차부에 형성된다. 반면에, 센서들(C)은 호버 센싱 모드에서 서로 평행한 로 라인들(52) 또는 컬럼 라인들(54) 사이에서 형성된다.

터치 센싱 모드에서, 센서들(C)은 자기 용량 센서로 구동되거나 상호 용량 센서로 구동된다. 자기 용량 센서의 경우에, 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54) 각각에 구동신호(또는 자극신호)가 인가된다. 상호 용량 센서의 경우에, 로 라인들(52)에는 구동신호(또는 자극신호)가 인가되는 Tx 라인들로 동작하고, 컬럼 라인들(54)은 구동신호에 동기하여 센서들(C)로부터 전하를 수신하는 Rx 라인들로 동작한다. 구동신호는 구형파, 정현파, 삼각파 등 다양한 형태로 발생될 수 있다.

호버 센싱 모드에서, 로 라인들(52) 중 일부에는 구동신호가 인가되는 Tx 라인들로 동작하고, 나머지 로 라인들(52)은 구동신호에 동기하여 센서(C)로부터 전하를 수신하는 Rx 라인들로 동작한다. 호버 센싱 모드에서, 컬럼 라인들(54) 중 일부에는 구동신호가 인가되는 Tx 라인들로 동작하고, 나머지 컬럼 라인들(54)은 구동신호에 동기하여 센서(C)로부터 전하를 수신하는 Rx 라인들로 동작할 수도 있다.

센서 구동회로(100)는 상호 용량 센싱 회로와 자기 용량 센싱 회로를 포함하여 터치 센싱 모드와 호버 센싱 모드 각각에서 센서들(C)을 상호 용량 센서로 구동하거나 자기 용량 센서로 구동할 수 있다. 센서 구동회로(100)와 스위치 어레이(108)는 하나의 ROIC(Read-out Integrated Circuit)로 집적될 수 있다.

센서 구동회로(100)는 도 7 및 도 8과 같이 터치 센싱 모드에서 로 라인들(52)에 구동신호를 인가하고, 그 구동신호에 동기하여 컬럼 라인들(54)을 통해 센서들로부터 전하를 수신한다. 센서 구동회로(100)는 호버 센싱 모드에서 로 라인들(52) 중 일부에 구동신호를 인가하고, 그 구동신호에 동기하여 나머지 로 라인들(52)을 통해 센서들로부터 전하를 수신한다. 그리고 센서 구동회로(100)는 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들(54) 중 일부에 구동신호를 인가하고, 그 구동신호에 동기하여 나머지 컬럼 라인들(54)을 통해 센서들로부터 전하를 수신한다.

센서 구동회로(100)는 타이밍 콘트롤러(20)나 호스트 시스템(30)에 의해 제어되어 터치 입력 모드와 호버 센싱 모드 각각에서 상호 용량 센싱 방법 또는 자기 용량 센싱 방법으로 구동될 수 있다. 또한, 센서 구동회로(100)는 레지스터(register)에 설정된 값에 따라 그 동작 모드가 선택될 수 있다. 레지스터는 센서 구동회로(100)에 내장될 수 있다. 레지스터 값이 '00'이면 터치 센싱 모드에서 상호 용량 센싱 모드가 선택될 수 있고, 레지스터 값이 '01'이면 터치 센싱 모드에서 자기 용량 센싱 모드가 선택될 수 있다. 그리고 레지스터 값이 '11'이면 호버 센싱 모드에서 상호 용량 센싱 모드가 선택될 수 있고, 레지스터 값이 '10'이면 호버 센싱 모드에서 자기 용량 센싱 모드가 선택될 수 있다. 센서 구동회로(100)는 도 1과 같이 터치 센싱 모드와 호버 센싱 모드로 동작하고 또한, 터치 센싱 모드와 호버 센싱 모드 각각에서 상호 용량 센싱 모드와 자기 용량 센싱 모드로 동작할 수 있다.

센서 구동회로(100)는 미리 설정된 좌표 계산 알고리즘을 실행하는 알고리즘 실행부(도 6, 40)를 이용하여 센서의 용량 변화량을 분석하여 터치 입력 또는 제스쳐 입력 위치의 좌표를 계산한다.

스위치 어레이(102)는 터치 센싱 모드와 호버 센싱 모드 각각에서 센서 구동회로(100)와 터치 스크린의 라인들(52, 54) 사이의 신호 전송 경로를 스위칭한다. 스위치 어레이(102)는 호버 센싱 모드에서 터치 스크린의 일부 라인들을 저전위 전압원(Vss)에 연결하거나 플로팅(flating)시킬 수 있다. 플로팅은 터치 스크린의 라인과 센서 구동회로(100)의 채널 사이의 전류 패스가 차단되어 센서 구동회로(100)의 채널이 하이 임피던스 상태인 것을 의미한다.

도 6은 센서 구동회로(100)를 상세히 보여 주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 센서 구동회로(100)는 구동신호 발생부(32), 센싱부(34), 알고리즘 실행부(40), 및 타이밍 발생부(36)를 포함한다.

센서 구동회로(100)의 채널들 각각은 스위치 어레이(102)와 패드(PAD)를 통해 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54)에 1:1로 연결된다.

터치 센싱 모드와 호버 센싱 모드로 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54)을 구동하기 위하여, 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54) 각각은 구동 신호가 연결되는 Tx 채널, 전하가 수신되는 Rx 채널, 저전위 전압원(Vss)이 연결되는 그라운드 라인 또는 플로팅 라인으로 동작하여야 한다. 이를 위하여, 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54) 각각에는 구동신호 발생부(32)와 센싱부(34)가 연결된다. 따라서, 센서 구동회로(100)의 채널들 각각은 구동신호 발생부(32)와 센싱부(34)를 포함한다. 자기 용량 센싱회로는 센서에 전하를 직접 공급하고, 그 센서의 용량 변화를 바탕으로 센서의 용량 변화를 감지한다. 따라서, 자기 용량 센싱 회로의 경우에 구동신호 발생부(32)가 생략될 수 있다.

터치 스크린(TSP)의 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54) 각각에는 스위치 어레이(102)가 연결된다. 스위치 어레이(102)에는 구동신호 발생부(32)와 센싱부(34)이 연결된다. 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54) 각각은 센싱부(34)에 연결되기 때문에 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54)은 시분할 구동되지 않고 동시에 동작할 수 있다. 따라서, 멀티플렉서를 통해 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54)이 시분할 구동되는 경우에 비하여, 센서들(C)이 동시에 구동될 수 있으므로 센서들(C) 각각의 센싱 시간이 충분히 확보될 수 있다.

구동신호 발생부(32)는 상호 용량 센서들을 구동할 때 Tx 전극들로 이용되는 로 라인들(52)에 구동신호를 공급한다.

센싱부(34)는 상호 용량 센싱회로와 자기 용량 센싱회로 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상호 용량 센싱회로는 센싱부(34)로부터 센서들에 인가되는 구동신호에 동기하여 센서들의 용량 변화량을 디지털 값으로 변환한다. 자기 용량 센싱회로는 센서들에 전하를 공급하고 그 센서들의 용량 변화량을 감지하여 디지털 값으로 변환한다. 상호 용량 센싱회로와 자기 용량 센싱회로는 터치 센서로부터 수신된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기(Analog to digital converter, 이하 "ADC"라 함)를 공유한다. 따라서, 센서 구동회로(100)의 채널들 각각에 상호 용량 센싱회로와 자기 용량 센싱회로가 연결되지만 그 센싱 회로들이 ADC를 공유함으로써 센서 구동회로의 저전력, 작은 회로 면적을 구현할 수 있다.

타이밍 발생부(36)는 구동신호 발생부(32), 센싱부(34), 및 스위치 어레이(108)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 신호들을 발생한다. 타이밍 발생부(36)는 타이밍 콘트롤러(20)로부터 동기신호를 입력 받아 타이밍 콘트롤러(20)와 동기될 수 있다.

알고리즘 실행부(40)는 미리 설정된 좌표 계산 알고리즘을 실행하여 센싱부(34)로부터 수신된 디지털 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교한다. 좌표 계산 알고리즘으로는 공지된 어떠한 알고리즘도 가능하다. 좌표 계산 알고리즘은 문턱값 이상의 디지털 데이터를 검출한다. 문턱값 이상의 디지털 데이터는 터치 입력 또는 제스쳐가 감지된 센서들로부터 얻어진 터치 데이터로 판단된다. 알고리즘 실행부(40)는 터치 입력과 제스쳐 감지 위치의 좌표를 계산한다. 알고리즘 실행부(40)는 좌표 정보(XY)를 호스트 시스템(50)으로 전송한다.

도 7 내지 도 9는 터치 센싱 모드에서 상호 용량 센싱 방법으로 센서들을 구동하는 예를 보여 주는 도면들이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 터치 센싱 모드에서 구동신호(ES)는 터치 스크린(TSP)의 로 라인들(52)에 공급되어 센서들(C)에 전하를 공급한다. 구동신호에 동기하여 센서들(C)로부터의 전하가 컬럼 라인들(54)을 통해 수신된다.

터치 센싱 모드에서 상호 용량을 이용한 센서(C)는 로 라인들(52)과 컬럼 라인들(54) 사이에 형성된다. 전계(E)는 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 사이에 낮은 높이로 생성된다. 손가락이나 도전체가 터치 스크린(TSP)에 근접하거나 터치되면, 그 손가락이나 도전체에 의해 전계(E)의 적어도 일부가 차단되어 센서(C)의 전하량이 감소된다. 따라서, 터치 센싱 모드에서 터치 입력 전후의 전하 변화량을 바탕으로 터치 입력이 센싱될 수 있다.

터치 센싱 모드에서, 횡방향(x축 방향)으로 구동신호가 인가되고 종방향(y축 방향)을 따라 센서(C)의 전하량이 수신되므로 터치 입력 위치는 2차원 좌표값이 얻어질 수 있다.

이에 비하여, 호버 센싱 모드는 센서들(C)의 전극 간 간격을 넓혀 센서들(C)에 인가되는 전계를 높게 한다. 이를 위하여, 호버 센싱 모드는 어느 한 방향으로 센서(C)에 구동신호를 인가하고 전하를 수신한 다음, 다른 방향으로 센서(C)에 구동신호를 인가하고 전하를 수신한다. 예를 들어, 호버 센싱 모드는 도 10 내지 도 17과 같이 횡방향(x축 방향)을 따라 제스쳐를 감지한 후에 종방향(y축)을 따라 제스쳐를 감지하거나 그 반대의 순서로 제스쳐를 감지할 수 있다.

도 10은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계를 보여 주는 도면이다. 도 11은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 전계를 생성하기 위한 구동신호의 일 예를 보여 주는 파형도이다. 도 12는 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계의 높이를 보여 주는 도면이다. 도 13은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계의 다른 예를 보여 주는 도면이다.

도 10 내지 도 13을 참조하면, 호버 센싱 모드에서 구동신호는 터치 스크린(TSP)의 기수 번째 로 라인들(52)에 공급되어 센서들(C)에 전하를 공급한다. 우수 번째 로 라인들(52)을 통해 구동신호에 동기하여 센서들(C)로부터의 전하가 수신된다. 이와 동시에, 스위치 어레이(102)는 호버 센싱 모드에서 도 10과 같이 컬럼 라인들(54)을 저전위 전압원(Vss)에 연결하거나 플로팅시킨다.

도 11에서, Tx1 및 Tx3는 구동신호가 인가되는 센서 구동회로(100)의 Tx 채널들이다. Tx 채널들은 스위치 어레이(102)를 통해 기수 번째 로 라인들에 연결된다. Rx1 및 Rx2는 센서(C)의 전하가 수신되는 Rx 채널들이다. Rx 채널들은 스위치 어레이(102)를 통해 우수 번째 로 라인들에 연결된다. 우수 번째 로 라인들은 터치 센싱 모드에서 Tx 채널들(Tx2, Tx4)에 연결된다.

호버 센싱 모드에서 센서들(C)은 기수 번째 로 라인(52)과 우수 번째 로 라인(52) 사이에 형성된다. 따라서, 호버 센싱 모드에서 전계(E)는 이웃한 로 라인들(52) 사이에 생성된다.

로 라인들(52)은 교차되지 않고 평행하다. 이웃한 로 라인들(52) 간의 간격은 서로 교차하는 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 간의 간격에 비하여 크다. 이 때문에 호버 센싱 모드에서 전계(E)는 도 12와 같이 터치 스크린(TSP)의 위쪽 공간으로 높게 형성되어 그 높이가 터치 센싱 모드에 비하여 높아진다.

호버 센싱 모드에서, 터치 스크린(TSP)으로부터 높게 전계가 형성되기 때문에 터치 스크린(TSP) 위의 공간에서 손가락이나 도전체가 움직이면, 그 움직임을 따라 센서(C)의 전하량이 변화된다. 따라서, 호버 센싱 모드에서 제스쳐 감지 전후의 전하 변화량을 바탕으로 제스쳐가 감지될 수 있다.

저전위 전압원(Vss)의 전압 레벨에 따라 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 사이의 전계 세기가 이웃한 로 라인들(52) 간의 전계 세기 이상으로 커질 수 있다. 호버 센싱 모드에서 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 사이의 전계 세기가 커지면 전계 높이가 낮아진다. 따라서, 호버 센싱 모드에서 이웃한 로 라인들(52) 간의 전계 세기는 이웃한 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 간의 전계 세기 보다 커져야 한다. 이를 위하여, 우수 번째 로 라인들(52)의 전위는 저전위 전압(Vss)의 전위 보다 낮게 설정될 수 있다.

도 14는 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계를 보여 주는 도면이다. 도 15는 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 전계를 생성하기 위한 구동신호의 일 예를 보여 주는 파형도이다. 도 16은 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계의 높이를 보여 주는 도면이다. 도 17은 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계의 다른 예를 보여 주는 도면이다.

도 14 내지 도 17을 참조하면, 호버 센싱 모드에서 구동신호는 터치 스크린(TSP)의 기수 번째 컬럼 라인들(54)에 공급되어 센서들(C)에 전하를 공급한다. 우수 번째 컬럼 라인들(54)을 통해 구동신호에 동기하여 센서들(C)로부터의 전하가 수신된다. 이와 동시에, 스위치 어레이(102)는 도 14와 같이 로 라인들(52)에 저전위 전압원(Vss)을 연결하거나 도 17과 같이 로 라인들(52)을 플로팅시킨다.

도 15에서, Tx1 및 Tx2는 구동신호가 인가되는 센서 구동회로(100)의 Tx 채널들이다. Tx 채널들(Tx1, Tx2)은 스위치 어레이(102)를 통해 기수 번째 컬럼 라인들에 연결된다. Rx2 및 Rx4는 센서(C)의 전하가 수신되는 센서 구동회로(100)의 Rx 채널들이다. Rx 채널들은 스위치 어레이(102)를 통해 우수 번째 컬럼 라인들에 연결된다. 기수 번째 컬럼 라인들은 터치 센싱 모드에서 Rx 채널들(Rx1, Rx3)에 연결된다.

호버 센싱 모드에서 센서들(C)은 기수 번째 컬럼 라인(54)과 우수 번째 컬럼 라인(54) 사이에 형성된다. 따라서, 호버 센싱 모드에서 전계(E)는 이웃한 컬럼 라인들(54) 사이에서 생성된다.

컬럼 라인들(54)은 교차되지 않고 평행하다. 이웃한 컬럼 라인들(54) 간의 간격은 서로 교차하는 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 간의 간격에 비하여 크다. 이 때문에 호버 센싱 모드에서 전계(E)는 도 16과 같이 터치 스크린(TSP)의 위쪽 공간으로 높게 형성되어 그 높이가 터치 센싱 모드에 비하여 높아진다.

저전위 전압원(Vss)의 전압 레벨에 따라 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 사이의 전계 세기가 이웃한 컬럼 라인들(54) 간의 전계 세기 이상으로 커질 수 있다. 호버 센싱 모드에서 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 사이의 전계 세기가 커지면 전계 높이가 낮아진다. 따라서, 호버 센싱 모드에서 이웃한 컬럼 라인들(54) 간의 전계 세기는 이웃한 로 라인(52)과 컬럼 라인(54) 간의 전계 세기 보다 커져야 한다. 이를 위하여, 우수 번째 컬럼 라인들(54)의 전위는 저전위 전압(Vss)의 전위 보다 낮게 설정될 수 있다.

호버 센싱 모드에서 발생되는 구동신호의 전압을 터치 센싱 모드에 비하여 더 높게 설정할 수 있다. 이렇게 호버 센싱 모드에서 구동신호 전압을 높게 설정하면, 평행한 라인들 간에 생성되는 전계의 세기와 높이를 충분히 크게 할 수 있다.

호버 센싱 모드에서, 도 18 내지 도 21과 같이 Tx 채널과 Rx 채널 간의 N(N은 2 이상의 양의 정수) 라인 이상의 간격으로 더 넓게 제어하여 전계(E)의 높이를 더 높게 생성할 수 있다. 여기서, N 라인은 로 라인들(52) 또는 컬럼 라인들(54)의 N 피치(pitch)를 의미한다. 도 18 내지 도 21은 Tx 채널과 Rx 채널 간의 간격이 3 라인 간격으로 이격된 예이지만, 이에 한정되지 않는다.

도 18은 호버 센싱 모드에서 로 라인들 간에 형성되는 전계의 또 다른 예를 보여 주는 도면이다. 도 19는 도 18에 도시된 전계의 높이를 보여 주는 도면이다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 호버 센싱 모드에서 터치 스크린(TSP)의 제n(n은 양의 정수) 로 라인(52)은 구동신호가 인가되는 Tx 채널(Tx1)에 연결되고, 제n+3 로 라인(52)은 Rx 채널(Rx1)에 연결된다. 나머지 로 라인들(52)과 모든 컬럼 라인들(54)은 저전위 전압원(Vss)에 연결되거나 플로팅된다. 한편, 제n+3 로 라인(52)은 터치 센싱 모드에서 Tx 채널(Tx4)에 연결된다.

제n 로 라인(52)과 제n+3 로 라인(52) 간의 간격이 크기 때문에 호버 센싱 모드에서 전계(E)는 도 19와 같이 터치 스크린(TSP)의 위쪽 공간으로 높게 형성된다. 따라서, 터치 스크린(TSP) 위의 공간에서 손가락이나 도전체가 움직이면, 그 움직임을 따라 센서(C)의 전하량이 변화되므로 제스쳐가 감지될 수 있다.

도 20은 호버 센싱 모드에서 컬럼 라인들 간에 형성되는 전계의 또 다른 예를 보여 주는 도면이다. 도 21은 도 20에 도시된 전계의 높이를 보여 주는 도면이다.

도 20 및 도 21을 참조하면, 호버 센싱 모드에서 터치 스크린(TSP)의 제n 컬럼 라인(54)은 구동신호가 인가되는 Tx 채널(Tx1)에 연결되고, 제n+3 컬럼 라인(54)은 Rx 채널(Rx4)에 연결된다. 나머지 컬럼 라인들(54)과 모든 로 라인들(52)은 저전위 전압원(Vss)에 연결되거나 플로팅된다. 한편, 제n 컬럼 라인(54)은 터치 센싱 모드에서 Rx 채널(Rx1)에 연결된다.

제n 컬럼 라인(54)과 제n+3 컬럼 라인(54) 간의 간격이 크기 때문에 호버 센싱 모드에서 전계(E)는 도 21과 같이 터치 스크린(TSP)의 위쪽 공간으로 높게 형성된다. 따라서, 터치 스크린(TSP) 위의 공간에서 손가락이나 도전체가 움직이면, 그 움직임을 따라 센서(C)의 전하량이 변화되므로 제스쳐가 감지될 수 있다.

자기 용량은 터치 스크린의 라인들(52, 54) 각각을 따라 형성된다. 자기 용량에 도전체(손가락)가 가까워질수록 센서의 용량값이 증가하기 때문에 그 용량값을 측정하면 터치 스크린 상에서 도전체의 높이를 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 터치 센싱 시스템은 자기 용량 센싱 모드로 동작하는 경우에 센서의 전극간 간격을 가변하지 않고 자기 용량의 용량 변화를 바탕으로 터치 입력과 제스쳐를 감지한다.

센서 구동회로(100)는 자기 용량 센싱 회로를 이용하여 터치 입력과 제스쳐를 감지할 때 도 37 및 도 38과 같이 1 라인 이상의 간격을 두고 이격된 라인들의 센서들(C)의 용량 변화를 감지할 수 있다. 이러한 자기 용량 센싱 방법에서 로 라인들을 스캐닝 한 후에 컬럼 라인들을 스캔할 수 있고, 그 반대의 스캔 방법도 가능하다. 이 방법은 슬립 모드(Sleep mode) 또는 대기 모드에서 소비 전력을 줄일 수 있다. 정밀한 센싱이 요구될 때 센서 구동회로(100)는 자기 용량 센싱 회로를 이용하여 매 라인마다 센서들(C)의 용량 변화를 감지할 수 있다.

센서 구동회로(100)는 도 22 내지 도 24와 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 22는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서 구동회로(100)를 보여 주는 도면이다.

도 22를 참조하면, 센서 구동회로(100)는 터치 스크린의 라인들(52, 54) 각각에 연결되는 상호 용량 센서 구동회로로 구현될 수 있다.

상호 용량 센서 구동회로는 구동신호 발생부(32)와 센싱부(34)를 포함한다.

구동신호 발생부(32)는 레벨 시프터(Level shifter, LS)(114)와 Tx 버퍼(TXB, 112)를 포함한다. 레벨 시프터(114)는 타이밍 발생부(36)로부터 입력된 디지털 신호 전압을 시프트(shift)하여 그 스윙폭을 구동신호의 스윙폭 만큼 크게 조절한다. 구동 신호는 Tx 버퍼(112)를 통해 스위치 어레이(102)의 제2 스위치(S2)에 공급된다.

센싱부(34)는 저역 통과 필터(Low Pass Filter, 이하 "LPF"라 함)(122), 상호 용량 센싱회로(이하, "MSU"라 함)(126), 및 ADC부(130)를 포함한다. LPF(122)는 수신된 센서 신호의 고주파 노이즈를 제거하여 MSU(126)에 공급한다. MSU(126)는 LPF(122)로부터 수신된 센서 신호를 증폭한다. ADC부(130)는 MSU(126)로부터의 아날로그 신호를 샘플링하고, 샘플링된 전압을 디지털 데이터로 변환하여 알고리즘 실행부(40)로 전송한다. MSU(126)는 도 33 및 도 34와 같이 전하 증폭기(Charge Amplifier)를 포함한다. ADC부(130)는 도 33 및 도 34와 같이 샘플 & 홀더(sample and holder, 이하, "SHA"라 함)와 ADC를 포함한다.

스위치 어레이(102)는 터치 스크린의 라인들(52, 54) 각각에 연결되는 제1 내지 제3 스위치들(S1, S2, S3)을 포함한다. 제1 스위치(S1)는 센서 신호를 센싱부(34)의 LPF(122)에 공급한다. 제2 스위치(S2)는 구동신호 발생부(32)로부터의 구동 신호를 터치 스크린의 라인(52, 54)에 공급한다.

호버 센싱 모드에서 상기 제1 내지 제3 스위치들(S1, S2, S3)이 모두 턴-오프되거나 제3 스위치(S3)만 턴-온된다. 호버 센싱 모드에서 도 13 및 도 17과 같이 플로팅되는 라인(52, 54)과 연결된 제1 내지 제3 스위치들(S1, S2, S3)은 모두 턴-오프(turn-off)된다. 호버 센싱 모드에서 저전위 전압원(Vss)이 인가되는 라인(52, 54)의 경우에, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 턴-오프되고 제3 스위치(S3)는 턴-온된다. 따라서, 제3 스위치(S3)는 호버 센싱 모드에서 도 10, 도 14, 도 18 및 도 20과 같이 저전위 전압원을 터치 스크린의 일부 라인들에 연결한다.

도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서 구동회로를 보여 주는 도면이다.

도 23을 참조하면, 센서 구동회로(100)는 터치 스크린의 라인들(52, 54) 각각에 연결되는 자기 용량 센서 구동회로로 구현될 수 있다.

자기 용량 센서 구동회로는 센싱부(34)를 포함한다. 센싱부(34)는 LPF(122), 자기 용량 센싱회로(이하, "SSU"라 함)(128), 및 ADC부(130)를 포함한다. LPF(122)는 SSU(128)로부터의 전하를 스위치 어레이(102)를 통해 센서(C)에 공급하고, 센서(C)로부터 수신된 센서 신호의 고주파 노이즈를 제거하여 SSU(128)에 공급한다. SSU(128)는 센서(C)에 공급될 전하를 생성한다. ADC부(130)는 SSU(128)로부터 수신된 아날로그 센서 신호를 샘플링하고, 샘플링된 전압을 디지털 데이터로 변환하여 알고리즘 실행부(40)로 전송한다. SSU(128)는 도 31 및 도 32와 같이 차지 펌프(Charge pump)를 포함한다. 샘플 & 홀더(sample and holder, SHA)와 ADC를 포함한다.

스위치 어레이(102)는 터치 스크린의 라인들(52, 54) 각각에 연결되는 제1 및 제4 스위치들(S1, S4)을 포함한다. 제1 스위치(S1)는 SSU(128)로부터의 전하를 센서(C)에 공급하고, 센서 신호를 센싱부(34)에 공급한다.

호버 센싱 모드에서 도 13 및 도 17과 같이 플로팅되는 라인(52, 54)과 연결된 제1 및 제4 스위치들(S1, S4)은 턴-오프된다. 호버 센싱 모드에서 저전위 전압원(Vss)이 인가되는 라인(52, 54)의 경우에, 제1 스위치(S1)는 턴-오프되는 반면,제4 스위치(S4)는 턴-온된다.

도 24는 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 구동회로를 보여 주는 도면이다. 도 25 내지 도 27은 도 24에 도시된 센서 구동회로의 동작을 보여 주는 도면들이다.

도 24 내지 도 27을 참조하면, 센서 구동회로(100)는 터치 스크린의 라인들(52, 54) 각각에 연결되는 상호 용량 센서 구동회로 및 자기 용량 센서 구동회로를 포함한다. 이 센서 구동회로(100)는 기존의 상호 용량 센서 타입의 센서 구동 회로, 기존의 자기 용량 센서 타입의 센서 구동회로와 호환되어 기존의 터치 스크린에 연결되어 그 터치 스크린을 구동할 수 있다. 센서 구동회로(100)는 터치 센싱 모드와 호버 센싱 모드 각각에서 상호 용량 센서 구동회로 또는 자기 용량 센서 구동회로로 동작할 수 있다. 센서 구동회로(100)는 상호 용량 센서 구동회로와 자기 용량 센서 구동회로를 함께 이용할 수도 있다.

센서 구동회로(100)는 구동신호 발생부(32)와 센싱부(34)를 포함한다.

구동신호 발생부(32)는 레벨 시프터(114)와 Tx 버퍼(TXB, 112)를 포함한다. 구동신호 발생부(32)는 상호 용량 센싱 모드에서 동작되고, 자기 용량 센싱 모드에서 대기한다. 레벨 시프터(114)는 타이밍 발생부(36)로부터 입력된 디지털 신호 전압을 시프트하여 그 스윙폭을 구동신호의 스윙폭 만큼 크게 조절한다. 구동 신호는 Tx 버퍼(112)를 통해 제2 스위치(S2)에 공급된다.

센싱부(34)는 LPF(122), 제1 멀티플렉서(이하 "MUX"라 함)(123), MSU(126), SSU(128), 제2 MUX(129), 및 ADC부(130)를 포함한다. 제1 및 제2 MUX(123, 129)는 타이밍 발생부(36)의 제어 하에 센서 신호의 전송 경로 상에서 MSU(126)와 SSU(128) 중 하나 이상을 선택한다.

제1 MUX(126)는 도 25 내지 도 27과 같이 MSU(126)와 SSU(128) 중 하나 이상을 선택한다. 제2 MUX(129)는 도 25 내지 도 27과 같이 MSU(126)와 SSU(128) 중 어느 하나를 선택한다. 제1 및 제2 MUX(126, 128)에 의해 선택되는 센서 신호 전송 경로는 동작 모드를 정의한 레지스터 값에 따라 제어된다.

MSU(126)는 LPF(122)로부터 수신된 센서 신호를 증폭한 후에 샘플링하고, 샘플링된 전압을 디지털 데이터로 변환한다. MSU(126)는 도 33 및 도 34와 같이 전하 증폭기(Pre-Amp)를 포함한다. SSU(128)는 센서(C)에 공급될 전하를 생성한다. SSU(128)는 도 31 및 도 32와 같은 차지 펌프를 포함한다. ADC부(130)는 MSU(126) 또는 SSU(128)로부터 수신된 아날로그 센서 신호를 샘플링하고, 샘플링된 전압을 디지털 데이터로 변환하여 알고리즘 실행부(40)로 전송한다. ADC부(130)는 도 33 및 도 34와 같이 샘플 & 홀더와 ADC를 포함한다.

센싱부(34)는 MSU(126)와 SSU(128) 중 하나 이상을 선택하여 센서 신호를 처리하되, 하나의 LPF(122)와 하나의 ADC부(130)를 공유한다. 따라서, 센싱부(34)는 상호 용량 센서 회로와 자기 용량 센서 회로를 포함하지만 저전력, 작은 면적의 회로로 구현될 수 있다.

호버 센싱 모드에서 도 13 및 도 17과 같이 플로팅되는 라인(52, 54)과 연결된 제1 내지 제3 스위치들(S1, S2, S3)은 모두 턴-오프된다. 호버 센싱 모드에서 저전위 전압원(Vss)이 인가되는 라인(52, 54)의 경우에, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 턴-오프되고 제3 스위치(S3)는 턴-온된다.

도 25는 센서 구동 회로(100)의 상호 용량 센싱 모드 동작을 보여 주는 도면이다. 상호 용량 센싱 모드에서, 제1 및 제2 MUX(MUX1, MUX2)는 MSU(126)를 선택한다. 그 결과, 센서 신호 전송 패스는 LPF(122), 제1 MUX(MUX1), MSU(126), 제2 MUX(MUX2) 및 ADC(130)을 따라 형성된다. MSU(126)는 전하 증폭기를 이용하여 센서 신호를 증폭한다. 전하 증폭기는 연산 증폭기(OPamp)와, 연산 증폭기(OPamp)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 연결된 커패시터(Cfb)를 포함한다.

도 26은 센서 구동 회로(100)의 자기 용량 센싱 모드 동작을 보여 주는 도면이다. 자기 용량 센싱 모드에서, 제1 및 제2 MUX(MUX1, MUX2)는 SSU(128)를 선택한다. 그 결과, 센서 신호 전송 패스는 LPF(122), 제1 MUX(MUX1), SSU(128), 제2 MUX(MUX2) 및 ADC(130)을 따라 형성된다.

센서 용량이 ADC의 전압 범위를 초과할 정도로 크면 ADC의 출력값의 포화(saturation)로 인하여, 센서 신호 전압이 다르지만 같은 디지털 값으로 변환된다. 이 경우에, 센서 용량의 변화가 정확하게 감지될 수 없다.

도 27 내지 도 29는 상호 용량 센싱 모드의 다른 예를 보여 주는 도면들이다. 이 상호 용량 센싱 모드는 MSU(126)와 SSU(128)를 함께 이용한다. MSU(126)와 SSU(128)를 함께 이용하여 센서 신호를 처리하면, 센서(C)의 용량이 클 때 센서의 용량 변화를 더 정확하게 감지할 수 있는 이점이 있다.

도 27 내지 도 29를 참조하면, 제1 MUX(MUX1)는 타이밍 발생부(36)의 제어 하에 MSU(126)과 SSU(128)를 함께 선택하여 LPF(122)로부터의 센서 신호를 MSU(126)과 SSU(128)로 동시에 전송한다. 제2 MUX(MUX2)는 MSU(126)를 선택하여 MSU(126)에 의해 증폭된 센서 신호를 ADC부(130)로 공급한다.

MSU(126)와 SSU(128)가 조합되면, 도 28과 같은 등가 회로로 표현될 수 있다. MSU(126)는 전하 증폭기를 포함한다. 전하 증폭기는 연산 증폭기(OPamp)와, 연산 증폭기(OPamp)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 연결된 커패시터(Cfb)를 포함한다. 연산 증폭기(OPamp)의 비반전 입력 단자(+)에는 소정의 기준 전압(Vref)이 공급된다. SSU(128)는 차지 펌프를 포함한다. 차지 펌프는 고전위 전압원(Vdd)과 저전위 전압원(Vss) 사이에 연결된 정전류원(140), 제1 스위치(SW1), 및 제2 스위치(SW2)를 포함한다. 제1 및 제2 스위치들(SW1, SW2) 사이의 노드는 연산 증폭기(OPamp)의 반전 입력 단자(-)에 연결된다. 타이밍 발생기(36)는 스위치들(SW1, SW2)의 온/오프 타이밍(On/Off timing)을 제어한다.

센서(C)의 용량이 큰 경우에, 작은 ADC의 출력 범위를 고려하여 센서 신호 전압(Vtx)의 스윙폭을 낮게 조정할 필요가 있다. SSU(128)는 센서 신호의 라이징 타이밍(rising timing)에서 센서 신호 전압을 낮추고, 센서 신호의 폴링 타이밍(falling timing)에서 센서 신호 전압을 높인다. 이를 위해, 제2 스위치(SW2)는 센서 신호 전압(Vtx)의 라이징 에지(rising edge)에 동기하여 턴-온됨으로써 센서 신호 전압(Vtx)을 방전시켜 그 센서 신호의 하이 전압(high voltgage)을 낮춘다. 제2 스위치(SW2)는 센서 신호 전압(Vtx)의 폴링 에지(falling edge)에 동기하여 턴-온됨으로써 센서 신호 전압을 상승시켜 센서 신호의 로우 전압(low voltage)을 높인다. 이렇게 SSU(128)에 의해 전압이 조정된 센서 신호는 MSU(126)에 의해 증폭되어 ADC부(130)에 입력된다. 따라서, 센서 구동회로(100)는 SSU(128)와 MSU(126)의 조합을 이용하여 센서 신호 전압이 ADC의 전압 범위 보다 크더라도 ADC에서 센서의 용량 변화를 정밀하게 측정할 수 있다.

도 30 및 도 31은 SSU(128)와 그 입출력 파형을 보여 주는 도면들이다. 도 31에 도시된 타이밍 신호들은 타이밍 발생부(36)에 의해 생성된다.

도 30 및 도 31을 참조하면, 차지 펌프는 정전류원(140), 제1 스위치(SW1), 및 제2 스위치(SW2)를 포함한다, 제1 및 제2 스위치들(SW1, SW2) 사이의 노드는 SHA(131)의 입력측에 연결된다. 제2 스위치(SW2)는 CP_RST에 응답하여 턴-온됨으로써 센서(C)를 방전시켜 센서 노드(CP_OUT)의 전압을 리셋(reset)시킨다. 제2 스위치(SW2)는 CP_ON에 응답하여 턴-온됨으로써 센서(C)에 정전류원(140)으로부터의 전하를 센서 노드(CP_OUT)에 공급하여 센서 신호 전압을 충전시킨다. SHA(131)는 SHA_IN 에 응답하여 초기화되고 당은 SHA_IN이 입력되기 전까지 센서 신호를 샘플링하고 그 전압을 유지(hold)한다. ADC(132)는 ADC_CLK에 응답하여 SHA(131)의 출력 전압(SHA_OUT)을 디지털 데이터(D0, D1)로 변환하여 알고리즘 실행부(40)로 출력한다.

도 32 및 도 33은 MSU(126)와 그 입출력 파형을 보여 주는 도면들이다. 도 33에 도시된 타이밍 신호들은 타이밍 발생부(36)에 의해 생성된다.

도 32 및 도 33을 참조하면, MSU(126)는 전하 증폭기(Pre-amp)를 포함한다. 전하 증폭기(Pre-amp)는 도 28과 같이 연산 증폭기(OPamp)와, 연산 증폭기(OPamp)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 연결된 커패시터(Cfb)를 포함한다. 연산 증폭기(OPamp)의 비반전 입력 단자(+)에는 소정의 기준 전압(Vref)이 공급된다. 전하 증폭기(Pre-amp)의 출력은 SHA에 입력된다. ADC부(130)는 도 30에서 전술한 바와 같다.

도 34 내지 도 36은 본 발명의 제4 실시예에 따른 센서 구동회로(100)와 그 동작을 보여 주는 도면들이다. 도 34에서 제3 스위치(S3)는 생략되어 있다. 이 실시예는 MSU(126)와 SSU(128)를 통합할 때 회로 구성을 간소화할 수 있는 방법을 제시한다.

도 34 내지 도 36을 참조하면, LPF(122)는 저항(Rlpf)과 제1 커패시터(Clpf)를 포함한다.

저항(Rlpf)은 제1 스위치(S1)와 센싱회로(SU) 사이에 연결되어 센서 신호가 수신된다. 제1 커패시터(Clpf)는 저항(Rlpf)과 가변 전압원(Vss/Vin) 사이에 연결된다.

가변 전압원(Vss/Vin)은 상호 용량 센싱 모드에서 저전위 전압원을 제1 커패시터(Clpf)에 연결하여 저전위 전압(Vss)을 제1 커패시터(Clpf)공급한다. 상호 용량 센싱 모드에서, 구동 신호(ES)는 구동신호 발생부(32)의 Tx 채널을 통해 센서(C)에 공급되고, 센서 신호는 LPF(122)를 통해 센싱회로(SU)에 공급된다. 센싱회로(SU)는 센서 신호를 증폭하여 ADC부(130)에 공급한다.

가변 전압원(Vss/Vin)은 자기 용량 센싱 모드에서 저전위 전압(Vss) 보다 높은 전압(Vin)을 제1 커패시터(Clpf)에 공급한다. 이 전압(Vin)으로 인하여, 센서(C)에 구동 신호(ES)가 공급되어 센서(C)에 전하가 충전된다. 센싱회로(SU)는 센서 신호를 증폭하여 ADC부(130)에 공급한다.

센싱 회로(SU)는 LPF(122)의 출력단과 연산 증폭기(OPamp)의 반전 입력 단자(-) 사이에 연결된 제2 커패시터(Cs)를 포함한다. 제2 커패시터(Cs)는 제1 커패시터(Clpf)와 연산 증폭기(OPamp) 사이에 연결된다. 제2 커패시터(Cs)는 자기 용량 센싱 방법으로 센서들(C)의 용량 변화를 센싱하기 위하여 추가된다. 자기 용량 센싱 방법에서 제2 커패시터(Cs)가 있어야만, 센싱회로(SU)의 출력 전압(Vout)은 아래의 수학식 1과 같이 센서(C)의 용량에 따라 변하여 센서의 용량 변화를 알 수 있게 한다. 반면에, 자기 용량 센싱 방법에서 제2 커패시터(Cs)가 없으면, 센싱회로(SU)의 출력 전압(Vout)은 수학식 2와 같이 센서(C)의 용량과 무관하여 센서(C)의 용량 변화를 알 수 없다. 상호 용량 센싱 방법은 제2 커패시터(Cs)가 있거나 없어도 센서(C)의 용량 변화를 감지할 수 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.

DIS : 표시패널 TSP : 터치 스크린
12 : 데이터 구동회로 14 : 스캔 구동회로
20 : 타이밍 콘트롤러 32 : 구동신호 발생부
34 : 센싱부 36 : 타이밍 발생부
40 : 알고리즘 실행부 100 : 센서 구동회로
102 : 스위치 어레이 MSU : 상호 용량 센싱회로
SSU : 자기 용량 센싱회로

Claims

서로 교차하는 로 라인들과 컬럼 라인들, 및 상기 로 라인들과 컬럼 라인들에 의해 형성된 센서들을 포함하는 터치 스크린;
상기 터치 스크린의 라인들 각각에 연결된 상호 용량 센싱회로와 자기 센싱회로 중 하나 이상을 이용하여 터치 입력과 제스쳐를 감지하는 센서 구동회로; 및
상기 터치 스크린과 상기 센서 구동회로 사이에 배치되는 스위치 어레이를 포함하고,
상기 스위치 어레이는 상기 제스쳐를 감지하는 호버 센싱 모드에서 상기 로 라인들과 상기 컬럼 라인들 중 일부를 플로팅시키거나 저전위 전압원에 연결하는 센싱 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 구동회로는,
구동 신호를 발생하는 구동 신호 발생부;
상기 센서로부터 센서 신호를 수신하여 디지털 데이터로 변환하는 센싱부;
상기 센싱부의 출력을 분석하여 상기 센서의 용량 변화를 측정하여 상기 터치 입력과 상기 제스쳐를 감지하는 알고리즘 실행부; 및
상기 구동 신호 발생부, 상기 센싱부 및 상기 스위치 어레이의 동작 타이밍을 제어하는 타이밍 발생부를 포함하는 센싱 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 스위치 어레이는,
상기 터치 스크린의 라인과 상기 센싱부 사이의 신호 전송 패스를 스위칭하는 제1 스위치;
상기 터치 스크린의 라인과 상기 구동 신호 발생부 사이의 신호 전송 패스를 스위칭하는 제2 스위치;
상기 터치 스크린의 라인과 저전위 전압원 사이에 연결된 제3 스위치를 포함하고,
상기 호버 센싱 모드에서 상기 제1 내지 제3 스위치들이 모두 턴-오프되거나 상기 제3 스위치만 턴-온되는 센싱 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 센싱부는,
상기 제1 스위치에 연결된 저역 통과 필터;
상기 저역 통과 필터의 출력을 수신하는 센싱회로; 및
상기 센싱회로의 출력을 상기 디지털 데이터로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 센싱 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 센싱부는,
상기 제1 스위치에 연결된 저역 통과 필터;
상기 저역 통과 필터의 출력을 수신하는 상호 용량 센싱회로와 자기 센싱회로를 가지는 센싱회로;
상기 저역 통과 필터와 상기 센싱 회로 사이에 배치되는 제1 멀티플렉서;
상기 센싱회로의 출력을 상기 디지털 데이터로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 및
상기 센싱회로와 상기 아날로그-디지털 변환기 사이에 배치되는 제2 멀티플렉서를 포함하고,
상기 제1 멀티플렉서는 상기 상호 용량 센싱회로와 상기 자기 센싱회로 중 하나 이상을 선택하고,
상기 제2 멀티플렉서는 상기 상호 용량 센싱회로와 상기 자기 센싱회로 중 어느 하나를 선택하는 센싱 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 멀티플렉서는 상기 상호 용량 센싱회로와 상기 자기 센싱회로를 선택하고,
상기 제2 멀티플렉서는 상기 상호 용량 센싱회로에 의해 증폭된 센서 신호를 상기 아날로그-디지털 변환기에 공급하고,
상기 자기 센싱회로는 상기 센서 신호의 라이징 타이밍에서 상기 센서 신호를 낮추고, 상기 센서 신호의 폴링 타이밍에서 상기 센서 신호를 높이는 센싱 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 저역 통과 필터는,
상기 센서 신호가 수신되는 저항; 및
상기 저항과 가변 전압원 사이에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
상기 센싱 회로는,
연산 증폭기를 가지는 전하 증폭기; 및
상기 제1 커패시터와 상기 연산 증폭기의 비반전 입력 단자 사이에 연결된 제2 커패시터를 포함하고,
상기 가변 전압원은,
상기 상호 용량 센싱 회로를 이용하여 상기 터치 입력과 상기 제스쳐를 감지할 때 저전위 전압을 제1 커패시터에 공급하고,
상기 자기 용량 센싱 회로를 이용하여 상기 터치 입력과 상기 제스쳐를 감지할 때 상기 저전위 전압 보다 높은 전압을 제1 커패시터에 공급하는 센싱 시스템.