KR20160047962A

KR20160047962A - 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법

Info

Publication number: KR20160047962A
Application number: KR1020150013719A
Authority: KR
Inventors: 김성철; 배상혁; 한성수; 정도영
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-05-03
Also published as: KR102279817B1

Abstract

본 발명은 위치 검출에 입력 수단으로 이용되는 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법에 관한 것으로, 본 발명의 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법은, 전도성 팁을 돌출시켜 구비한 입력 펜을 온(on)시키는 제 1 단계와, 상기 입력 펜의 전도성 팁을, 터치 스크린을 포함한 표시 패널 상에 접촉 또는 접근시키는 제 2 단계와, 상기 전도성 팁을 통해 상기 터치 스크린과 커플링되어, 접촉 또는 접근 부위에서 상기 터치 스크린의 구동신호를 수신하는 제 3 단계와, 상기 입력 펜 내부에서 상기 접촉 또는 접근 부위에서 수신되는 터치 스크린의 구동신호와 동기된 펜구동신호를 발생하는 제 4 단계 및 상기 펜구동신호를 상기 전도성 팁을 통해 상기 터치 스크린으로 전달하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법 {Input System and Method for Detecting Touch Using the Same}

본 발명은 입력 시스템에 관한 것으로, 특히 검출에 정확성을 향상시킨 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법에 관한 것이다.

최근 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비 전력화의 우수한 성능을 지닌 여러가지 다양한 평판 표시 장치 (Flat Display Device)가 개발되어 기존의 브라운관(CRT: Cathode Ray Tube)을 빠르게 대체하고 있다.

이 같은 평판 표시 장치의 구체적인 예로는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display: LCD), 플라즈마 표시 장치(Plasma Display Panel Device: PDP), 전계방출 표시 장치(Field Emission Display Device: FED), 전기발광 표시 장치 (Electro Luminescence Display Device: ELD) 등을 들 수 있는데, 이들은 공통적으로 화상을 구현하는 평판 표시 패널을 필수적인 구성요소로 하는 바, 평판 표시패널은 고유의 발광 또는 광학 이방성을 갖는 물질층을 사이에 두고 한쌍의 투명 절연기판을 대면 합착시킨 구성을 갖는다.

이와 같이 형성된 표시장치에 최근 사람의 손이나 별도의 입력 수단을 통해 터치 부위를 인식하고 이에 대응하여 별도의 정보를 전달할 수 있는 터치 패널을 부가하는 요구가 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 방식 등으로 나뉘며, 제조 방식의 편이성 및 센싱력 등을 감안하여 최근 정전 용량 방식이 주목받고 있다.

한편, 최근 주로 고려되는 모바일 장치로서, 스마트폰, 스마트 북 등을 HID(Human Interface Device)로서, 손가락을 이용한 터치 입력뿐만 아니라 펜을 이용한 필기 또는 그림 그리기가 가능한 스타일러스 펜을 입력장치로 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.

그런데, 상기 스타일러스 펜은 입력을 인식하기 위해 터치 패널용으로 구비된 전극 외에 별도의 센서 및 전극을 추가하여야 하며, 이로 인한 공정 및 비용 부담의 문제가 있다.

또한, 터치 패널이 표시 패널 상에 부착되는 방식의 경우, 전극 및 센서의 추가가 용이할 수 있으나, 터치 패널을 표시 패널 내부에 어레이와 함께 일체형으로 구비하는 경우, 전극 및 센서 추가가 공정적으로 어려운 점이 있고, 터치 패널의 구동이 표시 패널의 구동에 영향을 미치는 현상이 있을 수 있어, 이러한 전극 및 센서 추가는 용이하지 않은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 터치 스크린을 인셀형으로 표시 패널 내부에 내장시키며, 입력 펜을 위한 추가 전극의 구비없이 검출 정확성을 향상시킨 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입력 시스템은 복수개의 터치 검출용 전극을 포함한 터치 스크린을 갖는 표시 패널 및 전도성 팁과, 상기 전도성 팁과 연결되는 스위칭부와, 상기 스위칭부와 병렬 연결되며, 상기 전도성 팁으로부터 상기 터치 스크린의 구동신호를 수신하는 수신부 및 상기 전도성 팁으로 펜구동신호를 전달하는 구동부와, 상기 수신부로부터 인가받은 터치 스크린의 구동신호와 동기하도록 상기 펜구동신호의 타이밍을 보정하는 신호처리부 및 상기 전도성 팁의 일부를 노출시키며, 상기 스위칭부, 수신부 및 구동부, 신호 처리부를 내부에 갖는 하우징을 포함하여 이루어진다.

상기 전도성 팁은 상기 표시 패널 상에 접촉 또는 접근시 접촉 부위 또는 가장 인접한 터치 검출용 전극과 커플링되어 상기 터치 스크린의 구동신호를 수신한다.

또한, 상기 전도성 팁은 상기 터치 스크린의 구동신호의 수신 후 일정시간 경과 후, 상기 신호처리부에서 타이밍 보정된 상기 펜구동신호를 발생시켜, 상기 표시 패널에 전달한다.

상기 전도성 팁은 상기 터치 스크린의 구동신호 수신과, 상기 펜구동신호 전달 사이의 1 프레임 이상의 전환구간을 가질 수 있다.

상기 전도성 팁과 물리적으로 연결되며, 상기 전도성 팁에 인가된 압력 량을 센싱하여 상기 신호 처리부에 전달하는 압력 센서를 상기 하우징 내에 더 포함할 수 있다.

상기 신호 처리부는 펜 구동신호 생성 구간과 펜 센싱 구간을 구분하여, 상기 스위칭부를 제어할 수 있다.

상기 수신부는 상기 스위칭부를 통해 센싱된 신호를 증폭하는 증폭부 및 상기 증폭부에서 증폭된 신호와 임계값을 비교하여 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 출력하는 비교기를 더 포함할 수 있다.

상기 신호 처리부는 상기 비교기로부터 상기 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 인가받아 상기 터치 스크린의 구동신호에 타이밍 동기된 펜 구동신호를 출력할 수 있다.

상기 구동부는 상기 신호 처리부에서 인가되는 디지털 로직 레벨의 펜구동 신호를 아날로그 레벨의 구동 전압 신호로 출력하는 레벨 쉬프터를 구비할 수 있다.

상기 신호 처리부와 연결되며, 전원을 공급하는 전원 공급원을 상기 하우징 내에 더 포함할 수 있다.

상기 전원 공급원과 연결되어, 상기 하우징의 표면으로 돌출된 입출력 인터페이스를 더 포함할 수 있다.

또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법은 전도성 팁을 돌출시켜 구비한 입력 펜을 온(on)시키는 제 1 단계;와, 상기 입력 펜의 전도성 팁을, 터치 스크린을 포함한 표시 패널 상에 접촉 또는 접근시키는 제 2 단계;와, 상기 전도성 팁을 통해 상기 터치 스크린과 커플링되어, 접촉 또는 접근 부위에서 상기 터치 스크린의 구동신호를 수신하는 제 3 단계;와, 상기 입력 펜 내부에서 상기 접촉 또는 접근 부위에서 수신되는 터치 스크린의 구동신호와 동기된 펜구동신호를 발생하는 제 4 단계; 및 상기 펜구동신호를 상기 전도성 팁을 통해 상기 터치 스크린으로 전달하는 제 5 단계를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제 4 단계 후, 상기 전도성 팁은 시분할하여 제 3 단계와 제4 단계를 반복 할 수 있다.

또한, 상기 표시 패널은 1프레임당 일 이상의 교번된 표시 구간과 터치 구간으로 나누는 터치 인에이블 신호를 발생하며, 상기 터치 스크린은 터치 구간에 복수개의 상기 터치 스크린의 구동신호를 발생하며, 상기 입력 펜은 상기 터치 구간을 시분할하여, 터치 구간의 초기 일부는 상기 제 3 단계를 수행하고, 터치 구간의 나머지 구간은 상기 제 4 단계를 수행한다.

상기 제 3 단계는, 터치 스크린의 구동 신호를 수신하여 증폭하여 증폭 신호를 출력하는 단계 및 상기 증폭 신호와 임계값을 비교하여 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 터치 구간에서 상기 디지털 레벨의 펜 센싱 신호가 종료하고, 상기 터치 스크린의 구동신호의 일 클럭 이상을 딜레이한 후 상기 터치 스크린의 구동신호에 동기된 펜 구동신호를 출력할 수 있다.

상기 제 4 단계는, 상기 전도성 팁을 통해 수신되는 신호를 일정 시간 신호 처리하여, 펜구동신호의 타이밍을 초기화하여 이루어질 수도 있다.

상기 전도성 팁과 커플링된 상기 터치 스크린의 터치 검출용 전극의 정전용량 변화를 센싱하여 위치를 검출하는 제 6 단계를 더 포함할 수 있다.

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

입력 펜의 구동을 위한 별도의 전극을 표시 패널 상에 추가하지 않더라도, 입력 펜의 전도성 팁을 표시 패널 내 터치 스크린의 구동신호를 수신하는 매개체로 이용하고, 더불어, 입력 펜 내에 발생된 펜구동신호를 전달하는 매개체로 이용함으로써, 터치 센싱의 고 감도를 유지하는 상태에서도 구조 단순화가 가능하다.

입력 펜은 펜구동신호를 독립적으로 발생시키는 것이 아니라 터치 스크린의 구동신호에 수신하여 이를 근거하여 펜구동신호(Ps)를 발생하여, 터치 스크린의 구동 구간(Tx)에 정확히 펜 접촉 여부를 검출할 수 있어, 터치 검출의 정확성을 기할 수 있다. 따라서, 고감도 입력 펜의 구현이 가능하다.

또한, 터치 검출의 선형성을 유지할 수 있어, 터치 기능(touch performance)이 향상될 수 있다.

상기 입력 펜에 구비된 전도성 펜과 터치 스크린과의 커플링에 의해 센싱 캐패시터 형성으로, 입력 펜 내의 신호 보정이 가능한 것으로, 입력 펜의 구동을 위한 표시 패널의 전자기적 센서 형성이 요구되지 않아, 구조상 단순화한 터치 스크린의 구현이 가능하며, 특히, 인셀 타입 구조에 유용하다.

그러나, 본 발명의 입력 시스템은 인셀 타입의 터치 스크린 구조에 한하지 않고, 터치 스크린의 전극 구조를 정전 용량 방식의 갖는다면 모두 적용 가능할 것이다. 또한, 검출 방식으로 자기 용량 방식(Self Capacitance Type) 외에 상호 용량 검출(Mutual Capacitance Type)에도 적용 가능하다.

또한, 본 발명의 입력 시스템에 있어서, 전도성 팁은 펜 센싱과 펜 구동신호(S_Rx)의 전달의 역할을 번갈아 가도록 하게 하고, 센싱시 수신되는 신호를 바탕으로 터치 스크린에서 동작하는 주파수에 동시된 펜 구동신호를 발생하여 터치 검출에 이용하는 것으로, 터치 스크린에서 동작하는 펄스와 스타일러스 펜에서 구동하는 펜 구동 신호와의 신호를 동기화시켜 터치 신호의 크기를 향상시킬 수 있다.

또한, 인셀 터치 스크린과 이에 연동하는 구동되는 입력 펜을 갖는 입력 시스템에 있어서, 핑거 터치 대비 더 좋은 터치 감도를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 입력 시스템을 나타낸 개략도
도 2는 본 발명의 입력 시스템의 표시 패널과 이의 제어부를 나타낸 블럭도
도 3은 본 발명의 입력 시스템의 표시 패널의 시분할 구동을 나타낸 파형도
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 입력 시스템의 터치 스크린과 이의 터치 제어부를 상세히 나타낸 블럭도
도 5는 도 4a의 변형예
도 6은 도 5의 터치 스크린의 터치 검출 전극에 공급되는 구동 신호의 파형도
도 7은 본 발명의 입력 펜의 제 1 실시예에 따른 내부 구조를 나타낸 블럭도
도 8은 도 7의 입력 펜의 동작을 나타낸 순서도
도 9는 도 7의 터치 스크린의 구동 신호 및 펜구동신호의 관계를 나타낸 파형도
도 10은 도 7의 입력 펜의 구성별 파형도
도 11은 도 7의 입력 펜의 전도성 팁의 동작을 시간별로 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 입력 펜의 제 2 실시예에 따른 내부 구조를 나타낸 블럭도
도 13은 도 12의 터치 스크린 및 입력 펜 내부 구성의 타이밍도
도 14는 도 12의 입력 펜의 수신부측 각 구성들에서 실제 출력을 나타낸 파형도
도 15는 본 발명의 입력 펜 적용시 핑거 대비 입력 펜 접촉시 센싱된 터치 감지 신호의 감도를 나타낸 파형도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 입력 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 1과 같이, 본 발명의 입력 시스템은 표시 기능과 터치 검출 기능을 겸한 표시 패널(200)과, 특정 영역에 접촉에 의해 터치 검출 기능을 수행하는 입력 펜(100)을 포함한다.

그리고, 상기 표시 패널(200)은 상기 입력 펜(100) 외에 손가락에 의한 터치 검출이 가능한 것으로, 내부에 일체형으로 정전 용량 방식의 터치 스크린을 구비하고 있다. 여기서, 상기 터치 스크린은 유리 기판 상에 독립적인 구성의 터치 전극을 구비한 형태가 아니라, 상기 표시 패널(200)의 화면 표시를 위해 구비된 픽셀 어레이와 동일 공정에서 터치 검출 전극 및 이의 연결 배선을 구비하는 것으로, 지지 기판이 생략될 수 있어, 완성된 표시 패널(200)은 대략적으로 원래의 화면 표시 기능을 갖는 표시 패널의 두께 및 무게와 거의 동일한 두께 및 무게를 갖는다.

경우에 따라, 터치 스크린은 상기 표시 패널(200) 상부에 온셀(on cell) 형으로 구비하는 경우도 상정할 수 있을 것이다. 이 경우, 터치 스크린은 표시 패널의 상부 기판 배면측에 부착될 수 있으며, 상기 터치 스크린을 이루는 터치 검출용 전극 상부를 편광판이나 보호필름이 덮을 수 있다.

한편, 상기 표시 패널(200)은 액정 패널, 전계 방출 표시 패널, 플라즈마 디스플레이 패널, 유기 발과 다이오드 표시 패널, 전기 영동 표시 패널 등이 될 수 있으며, 이하의 실시예에서는 그 일례로서, 액정 패널을 중심으로 설명한다. 그러나, 상기 표시 패널(200)의 형태는 액정 패널에 한하지 않으며, 언급된 다른 다양한 평판 표시 패널로 변경 적용 가능하다.

예를 들어, 상기 표시 패널(200)을 액정 패널의 형태로 구현시, 터치 스크린을 이루는 전극은 상기 액정 패널의 배선을 형성하는 공정에서 동시에 형성할 수 있다.

도 2는 본 발명의 입력 시스템의 표시 패널과 이의 제어부를 나타낸 블럭도이다.

도 2와 같이, 본 발명의 입력 시스템의 표시 패널(200)은, 픽셀 어레이 구동회로로 게이트 구동 회로(26, 20) 및 데이터 구동 회로(24)와, 터치 스크린 구동용의 터치 센싱 회로(300)와 연결되며, 이들은 모두 타이밍 컨트롤러(22)와 연결되며, 이들은 단일의 모듈(미도시) 내에 수납된다.

상기 표시패널(200)이 액정 패널일 경우, 두 장의 기판들 사이에 형성된 액정층을 포함한다. 기판들은 유리 기판, 플라스틱 기판, 필름 기판 등으로 제작될 수 있다. 표시패널(200)의 하부 기판에 형성된 픽셀 어레이는 데이터라인들, 데이터라인들과 교차하는 게이트라인들, 매트릭스 형태로 배치된 픽셀들을 포함한다. 픽셀 어레이는 데이터라인들과 게이트라인들의 교차부들에 형성되는 다수의 TFT들, 픽셀들에 데이터전압을 충전시키기 위한 화소전극들, 화소전극들에 접속되어 픽셀 전압을 유지시키는 스토리지 커패시터(Storage Capacitor) 등을 더 포함한다.

표시 패널(200)의 픽셀들은 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성되어 매트릭스 형태로 배치된다. 픽셀들 각각의 액정셀은 화소전극에 인가되는 데이터전압과, 공통전극에 인가되는 공통전압의 전압차에 따라 인가되는 전계에 의해 구동되어 입사광의 투과량을 조절한다. TFT들(Thin Film Transistor)은 게이트라인으로부터의 게이트펄스에 응답하여 턴-온되어 데이터라인(D1~Dm)으로부터의 전압을 액정셀의 화소전극에 공급한다. 공통전극은 하부 기판이나 상부 기판에 형성될 수 있다.

표시 패널(200)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등을 포함할 수 있다. 표시 패널(200)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시 패널(200)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 스페이서가 형성된다.

이러한 표시 패널(200)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.

한편, 표시 패널(200)의 배면에는 선택적으로 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시 패널(200)에 빛을 조사한다.

픽셀 어레이 구동회로는 데이터 구동회로(24)와 게이트 구동회로(26, 30)를 이용하여 입력 영상 데이터를 표시패널(200)의 픽셀들에 기입한다.

데이터 구동회로(24)는 타이밍 컨트롤러(22)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 발생한다. 데이터 구동회로(24)는 타이밍 컨트롤러(22)의 제어 하에 데이터전압을 데이터라인들에 공급하고, 데이터전압의 극성을 반전시킨다.

게이트 구동회로(26, 30)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시 패널(200)의 라인을 선택한다. 게이트 구동회로는 레벨 시프터(Level shifter, 26)와, 쉬프트 레지스터(Shift register, 30)를 포함한다. GIP(Gate in panel) 공정으로, 상기 쉬프트 레지스터(30)는 표시 패널(200)의 기판에 직접 형성될 수 있다.

레벨 시프터(26)는 표시 패널(200)의 하부 기판에 전기적으로 연결된 인쇄회로보드(Printed Circuit Board, 이하 "PCB"라 함)(20)에 형성될 수 있다. 레벨 시프터(26)는 타이밍 컨트롤러(22)의 제어 하에 게이트 하이 전압(VGH)과 게이트 로우 전압(VGL) 사이에서 스윙하는 클럭신호들을 출력한다. 게이트 하이 전압(VGH)은 표시 패널(200)의 픽셀 어레이에 형성된 TFT의 문턱 전압 이상의 전압으로 설정된다. 게이트 로우 전압(VGL)은 표시 패널(200)의 픽셀 어레이에 형성된 TFT의 문턱 전압 보다 낮은 전압으로 설정된다. 이러한 레벨 시프터(26)는 타이밍 컨트롤러(22)로부터 입력되는 스타트 펄스(ST), 제1 클럭(GCLK), 제2 클럭(MCLK)에 응답하여 각각 게이트 하이 전압(VGH)과 게이트 로우 전압(VGL) 사이에서 스윙하는 스타트 펄스(VST)와 클럭신호(CLK)를 출력한다. 레벨 시프터(26)로부터 출력된 클럭신호들(CLK)은 순차적으로 위상이 쉬프트되어 표시 패널(200)에 형성된 쉬프트 레지스터(30)로 전송된다.

쉬프트 레지스터(30)는 픽셀 어레이의 게이트 라인들과 연결되도록 픽셀 어레이가 형성되는 표시 패널(200)의 하부 기판 가장자리에 형성된다. 쉬프트 레지스터(30)는 종속적으로 접속된 다수의 스테이지들을 포함한다.

쉬프트 레지스터(30)는 레벨 시프터(26)로부터 입력되는 스타트펄스(VST)에 응답하여 동작하기 시작하고 클럭신호들(CLK)에 응답하여 출력을 쉬프트하여 표시 패널(200)의 게이트라인들에 게이트펄스를 순차적으로 공급한다.

타이밍 컨트롤러(22)는 외부의 호스트 시스템으로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 데이터 구동회로(24)의 IC(Integrated Circuit)들에 공급한다. 타이밍 컨트롤러(22)는 외부의 호스트 시스템으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 클럭 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동회로(24)와 게이트 구동회로(26, 30)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들을 발생한다. 타이밍 컨트롤러(22) 또는 호스트 시스템은 픽셀 어레이 구동회로와 터치 센싱 회로(300)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 동기신호(SYNC)를 발생한다.

터치 센싱 회로(300)는 터치 스크린의 배선들에 구동 신호를 인가하고 터치 전후의 구동 신호 전압 변화나 구동 신호의 라이징 또는 폴링 에지 지연 시간을 카운트하여 정전 용량 변화를 센싱한다. 터치 센싱 회로(300)는 터치 스크린의 정전 용량으로부터 수신된 센싱 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 터치 원시 데이터(Touch raw data)를 출력한다. 그리고 터치 센싱 회로(300)는 미리 설정된 터치 인식 알고리즘을 실행하여 터치 원시 데이터를 분석하여 터치(또는 근접) 입력을 검출한다.

한편, 터치 스크린의 배선 형상은 이하에서 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 입력 시스템 내 표시 패널의 시분할 구동을 나타낸 파형도이다.

도 3과 같이, 표시 패널(200)과 터치 스크린(TSP)은 시분할 구동될 수 있다. 즉, 1 프레임 기간은, 픽셀 어레이 구동기간(T1)과, 터치 스크린 구동기간(T2)으로 시분할될 수 있다.

"Vsync"는 타이밍 컨트롤러(22)에 입력되는 제 1 수직 동기신호이고, "SYNC"는 터치 센싱 회로(300)에 입력되는 제 2 수직 동기신호이다. 타이밍 컨트롤러(22)는 1 프레임 기간에서 픽셀 어레이 구동기간(T1)과 터치 스크린 구동기간(T2)을 정의하기 위하여, 호스트 시스템으로부터 입력되는 제 1 수직 동기신호(Vsync)를 변조하여 제2 수직 동기신호(SYNC)를 발생하거나, 혹은 호스트 시스템이 제 2 수직 동기신호(SYNC)를 발생하고, 타이밍 컨트롤러(22)는 호스트 시스템으로부터 입력되는 제2 수직 동기신호(SYNC)에 응답하여 픽셀 어레이 구동기간(T1)과 터치 스크린 구동기간(T2)을 제어할 수 있다. 즉, 1 프레임 기간을 픽셀 어레이 구동기간과 터치 스크린 구동기간으로 시분할하여 픽셀 어레이 구동회로와 터치 센싱회로의 동작 타이밍을 제어하는 컨트롤러는 타이밍 컨트롤러와 호스트 시스템 중 어느 하나일 수 있다.

예를 들어, 60Hz 주파수로 표시 패널이 구동된다고 할 때, 상기 시분할 방식을 적용시, 1/60초가 1프레임 구간이 되며, 상기 1프레임의 구간을 다시 픽셀 어레이 구동기간(T1)과 터치 스크린 구동 기간(T2)로 나누게 되는 것이다. 이와 같이, 시분할로 픽셀 어레이 구동과 터치 스크린 구동을 나누는 이유는, 동일 시점에 픽셀 어레이와 터치 스크린을 구동할 경우, 서로 간의 구동 간섭이 심해 표시 화면이 고르지 못하거나, 터치 검출의 정확성이 떨어지기 때문에, 이를 방지하기 위함이다.

픽셀 어레이 구동기간(T1) 동안, 데이터 구동회로(24)는 타이밍 컨트롤러(22)의 제어 하에 데이터전압을 데이터라인들에 공급하고, 게이트 구동회로(26, 30)는 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스를 게이트라인들에 순차적으로 공급한다. 터치 센싱 회로(300)는 픽셀 어레이 구동기간(T1) 동안, 터치 스크린의 배선들에 구동신호를 공급하지 않는다.

또한, 터치 스크린 구동기간(T2) 동안, 픽셀 어레이 구동회로는 구동되지 않고 터치 센싱 회로(300)가 구동된다. 따라서, 터치 센싱 회로(300)는 터치 스크린 구동기간(T2) 동안, 터치 스크린의 배선들에 구동신호를 공급하여 터치(또는 근접) 입력 위치를 센싱한다.

이하에서는, 본 발명의 입력 시스템으로 이용되는 터치 스크린을 인셀 타입의 구조이며, 자기 용량 방식의 검출에 따른 예로 구현한 예를 살펴본다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 입력 시스템의 터치 스크린과 이의 터치 제어부를 상세히 나타낸 블럭도이다.

도 4a의 구조에 따른 터치 스크린은, 입력 도구의 위치를 검출하는 터치 검출용 전극(COM1, COM2, ..., COMn)을 표시 패널(200) 내부에 구비한다.

예를 들어, 상기 표시 패널(200)이 픽셀 어레이를 하부기판에, 컬러 필터 어레이를 상부기판에 구비한 액정 패널이라면, 상기 터치 검출용 전극은 픽셀 어레이와 하부기판과 형성될 수도 있고, 혹은 컬러 필터 어레이 상부에 형성될 수 있으며, 경우에 따라 하부 기판 또는 상부 기판에 형성되는 공통 전극을 패터닝하여 이용할 수 있다. 만일 상기 터치 검출용 전극(COM1, COM2, ..., COMn)이 공통 전극을 패터닝하여 형성되었다면, 상기 터치 검출용 전극은 픽셀 어레이 구동에서는 공통 전극으로 기능하여야 하므로, 공통 전압 신호가 균일하게 인가된다.

상기 터치 검출용 전극들(COM1~COMn)은 센싱 라인들(S1~Sn)과 1:1 연결되며, 상기 센싱 라인들(S1~Sn)은 상기 터치 센싱 회로(300)와 연결된다.

상기 터치 센싱 회로(300)는 도 4b와 같이, 내부에, 수신 앰프(30), 아날로그 디지털 변환 회로(32), 검파부(34), 기억부(36) 및 위치 산출부(38)로 이루어지는 수신계 회로군을 구비한다.

그리고, 상기 수신계 회로군은 외부 호스트와 연결된 중앙 영산 처리 장치(CPU)(40)와 연결된다. 또한, 상기 중앙 영산 처리 장치(40)는 터치를 총괄 제어하는 제어부(42)와 연결되고, 상기 제어부(42)는 구동신호 생성부(46)와 연결되어, 발진기(44)에서 생성된 터치 구동 신호(Ts)가 센싱 라인(S1~Sn)을 통해 각각의 터치 검출용 전극(COM1, COM2, ....COMN-1, COMN)으로 공급된다.

여기서, 상기 터치 센싱 회로(300) 내부에 수신계 회로군과 터치 구동 회로(46)를 구비한 이유는, 터치 스크린 자체에 손가락과 같은 비전원 구동의 입력 수단이 접근하거나 터치하였을 경우에도 이의 터치 검출을 가능하게 하기 위함이다.

도시된 도면상의 터치 스크린은 일종의 자기 용량(self capacitance) 방식으로, 터치 검출용 전극(COM1~COMn)이 구동 신호 인가와 수신 신호 검출에 함께 이용된다.

상기 터치 검출용 전극(COM1~COMn) 각각의 크기는 픽셀들보다 크며, 예를 들어, 복수개의 픽셀들을 중첩하는 크기로 형성된다. 그리고, 투명 도전 물질로 형성하여, 픽셀 어레이 구동의 표시 구간에서 개구율을 저하시키지 않게 한다.

한편, 도시하지 않은 공통 전압원은 픽셀 어레이 구동기간(T1) 동안 센싱 라인들(S1~Sn)을 통해 터치 검출용 전극(COM1~COMn)에 공통전압(Vcom)을 공급한다. 따라서, 터치 검출용 전극(COM1~COMn)은 픽셀 어레이 구동 기간(T1)동안 공통전극으로 동작한다. 그리고, 상기 터치 검출용 전극을 선택하는 선택 회로(50)를 구비하고, 상기 선택 회로(50)는 터치 센싱 회로(300)와 연결된다.

터치 센싱 회로(300)는 픽셀 어레이 구동기간(T1) 동안 디스에이블(disable)되고, 터치 스크린 구동기간(T2) 동안 인에이블되어 터치 스크린 구동기간(T2)에만 터치 구동신호를 센싱 라인들(S1~Sn)에 동시에 공급한다.

도 5는 도 4a의 변형예이며, 도 6은 도 5의 터치 스크린의 터치 검출 전극에 공급되는 구동 신호의 파형도이다.

한편, 자기 용량 방식의 터치 스크린(TSP)에서는, 도 5와 같이, 터치 센싱 회로(300)로부터 신호 인가 배선 수를 줄이기 위하여 터치 검출용 전극(COM1~COMn)의 신호 입력단에 멀티플렉서(302)를 더 구비하여, 시분할로 센싱 라인(S1~Sn)에 신호를 인가할 수도 있다. 상기 멀티플렉서(302)는 단일 또는 복수개 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 멀티플렉서(302)가 1:k (k는 2이상 n보다 작은 자연수) 멀티플렉서일 때, 상기 멀티플렉서(302)는 터치 센싱 회로(300)와의 사이에 n/k개의 입출력 핀(P1~Pn/k)을 통해 연결되며, 이 경우, 도 6과 같이, 상기 n개의 터치 검출용 전극(COM1~COMn)은 k개로 그룹핑되어, 그룹핑된 각 그룹 내의 k개의 각 터치 검출용 전극은 동일하게 시분할된 터치 스크린의 구동 신호(Ts)를 인가받는다. 즉, 제 1 그룹의 터치 검출용 전극들(COM₁~COM_k)에 동일한 위상의 터치 구동 신호(Ts)가 인가되며, 제 2 그룹의 터치 검출용 전극들(COM_k ₊₁ ~COM_2k)에는 일정 시간 폭 쉬프트된 터치 구동 신호가 인가되는 식으로 하여, 최종 제 n/k 터치 검출용 전극들(COM_(m-1)k+1~COM_n) (여기서, k x m =n)까지 n/k 개의 쉬프트된 터치 구동 신호(Ts)가 인가된다.

한편, 상술한 입력 시스템의 터치 스크린의 검출 방식은 자기 용량 방식으로 되어 있으나, 비단 이에 한하지는 않는다. 필요에 따라 서로 교차하는 전극 사이의 정전 용량 변화로 터치 여부를 검출하는 상호 용량 검출(Mutual Capacitance Type)에도 적용 가능하다. 그리고, 상호 용량 검출 방식의 터치 스크린은, 구동 신호 인가 전극과 검출 신호 전극이 서로 교차로 배치되며, 표시 패널 내부 어레이 함께 구비될 수도 있고, 혹은 표시 패널 외측에 별도로 구비될 수도 있다. 즉, 본 발명의 입력 시스템의 터치 스크린의 구조는 인셀 타입(In-cell Type)과 온셀 타입(On-Cell Type)에 모두 적용 가능하며, 정전 용량 방식이라면 그 구체적인 방식은 자기 용량 검출 방식과 상호 용량 검출 방식 중 어느 방식에도 적용 가능하다.

이하, 터치 스크린과 동기화가 이루어지는 입력 펜의 구조 및 동작에 대해 구체적으로 살펴본다.

* 제 1 실시예*

도 7은 본 발명의 입력 펜의 제 1 실시예에 따른 내부 구조를 나타낸 블럭도이다.

본 발명의 입력 도구로 이용되는 입력 펜은 도 7과 같이, 하우징(180)과, 상기 하우징(180)의 일측 외부로 돌출된 전도성 팁(110)과, 하우징(180) 내부에 상기 전도성 팁(110)과 연결되는 스위칭부(120)와, 상기 스위칭부(120)와 병렬적으로 연결된 수신부(130) 및 구동부(140)와, 수신부(130)로부터 수신 신호를 받아 신호 처리하여 동기화를 수행하는 신호처리부(150)와, 상기 신호 처리부(150)와 연결되어, 전원을 공급하는 전원 공급원(160) 및 외부로의 입출력 인터페이스(170)의 구성을 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 전도성 팁(110)은 금속 등과 같은 도전성 재료로 이루어지며, 시분할되어 수신 전극 및 송신 전극의 역할을 한다. 상기 전도성 팁(110)은 표시 패널(200) 상에 접촉 또는 접근시 중첩 또는 가장 인접한 터치 스크린에 구비된 터치 검출용 전극(COMx)과 커플링(coupling)되어 해당 터치 검출용 전극으로부터 수신된 신호를 받거나 혹은 입력 펜 내부에서 나오는 구동 신호를 터치 스크린 측에 전달한다.

예를 들어, 상기 표시 패널(200)은 가장 상부측에 편광판이나 혹은 보호막이 위치하여, 내부의 터치 스크린을 이루는 터치 검출용 전극과 전도성 팁(110)과의 사이에 편광판 혹은 보호막이 개재되어 있기 때문에, 이는 절연층으로 기능하여 상기 전도성 팁(110)과 상기 터치 검출용 전극과의 사이에 센싱 캐패시터(Csen)가 발생되며, 상기 전도성 팁(110)이 상기 표시 패널(200)을 접촉 또는 시 해당 부위의 터치 검출용 전극 상에서 일정한 센싱 캐패시터(Csen) 값의 변화를 터치 센싱 회로에서 읽어들여 터치 위치 검출이 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 전도성 팁(110)의 표시 패널(200)을 접촉시 보다 바람직하게는 터치 검출용 전극에 인가된 구동신호의 검출이 용이하지만, 이에 한하지 않고, 표시 패널(200) 상에 일정 거리 이내로 상기 전도성 팁(110)이 접근하는 경우에도 구동 신호의 검출이 가능하다. 이는, 입력 펜이 표시 패널(200) 상부에 접하지 않고, 호버링(hovering)하는 경우에도 입력 펜의 펜구동과 터치 패널의 구동간의 동기화를 꾀함을 의미하며, 또한, 동기화를 통해 터치 인식이 이루어짐을 뜻한다.

그리고, 상기 스위칭부(120)는 상기 입력 펜(100)이 표시 패널(200)을 접촉시 상기 전도성 팁(110)과 직접적으로 전기적으로 연결되어, 상기 전도성 팁(110)이 수신 전극으로 기능할지 송신 전극으로 기능할지를 결정한다.

상기 수신부(130)는 상기 전도성 팁에서 수신되는 신호의 진폭이 약하기 때문에, 증폭기를 더 구비하여 수신된 신호를 증폭한다. 여기서, 상기 전도성 팁(110)에서 수신하는 신호는 접촉 부위에 대응된 터치 검출용 전극에 인가된 터치 스크린의 구동 신호(Ts)에 상당하다.

초기 상태에서, 상기 입력 펜이 온(on) 동작 후, 상기 입력 펜이 표시 패널(200)을 접촉 또는 접근할 때는 상기 전도성 팁(110)이 상기 스위칭부(120)를 통해 상기 수신부(130)로 바로 연결되며, 수신부(130)는 수신된 터치 스크린의 구동 신호(Ts)를 내부에 구비된 증폭기를 통해 증폭시켜 이를 신호 처리부(150)에서 이용하게 한다.

또한, 신호 처리부(150)에서는 수신부(130)를 통해 들어온 증폭된 신호를 1프레임 이상 분석하여, 터치 스크린의 구동 신호(Ts)에 동기하는 타이밍의 신호를 발생시켜 상기 구동부(140)로 전달한다.

그리고, 상기 구동부(140)는 레벨 쉬프터를 구비하여, 상기 터치 스크린의 구동 신호(Ts)의 타이밍에 동기하며, 설정된 하이 전압과 로우 전압 사이의 스윙하는 입력 펜의 구동 신호(Ps)를 발생시키고, 이를 스위칭부(120)를 통해 상기 전도성 팁(110)에 전달한다.

한편, 상기 하우징(180) 내에는 전원 공급원(160) 및 입출력 인터페이스(170)를 구비하여, 외부에서 상기 입출력 인터페이스(170)를 통해 입력 펜(100)의 온(on) 구동을 제어하며, 상기 입출력 인터페이스(170)는 하우징 (180) 내부의 전원 공급원(160)과 연결되어, 수신부(130), 구동부(140) 및 신호처리부(150)에 필요한 전원을 공급한다.

여기서, 상기 입출력 인터페이스(170)는 누름 동작에 의해 상기 전원 공급원(160)와 전기적 연결이 가능한 것으로, 사용자가 누름 동작으로 입력 펜의 동작이 제어될 수 있다.

도 8은 도 7의 입력 펜의 동작을 나타낸 순서도이다.

먼저, 입출력 인터페이스(170) 및 전원 공급원(160)을 통해 입력 펜(100) 내에 전원을 공급한다(10S).

전도성 팁(110)이 표시 패널(200)의 소정 부위를 접촉한다 (20S).

상기 전도성 팁(110)은 표시 패널의 초기 접촉 시점에, 바로 표시 패널 내 터치 검출용 전극과 커플링되어, 터치 스크린의 터치 검출용 전극으로부터 수신되는 터치 스크린의 구동 신호를 센싱하여 수신부(120)로 전달한다 (30S).

상기 수신부(120)는 증폭기를 구비하여, 수신된 신호를 증폭시킨 후, 신호처리부(150)로 전달하고, 상기 신호처리부(150)는 터치 검출용 전극으로부터 나온 신호와 동기된 타이밍을 찾는다(40S). 또한, 상기 신호처리부(150)는 내부적으로 비교기를 구비하여 정해진 문턱 값과 들어온 증폭 신호를 비교하여 문턱 값과 비교하여 들어온 증폭 신호가 임계값 이하이거나 이상일 때를 선별하여, 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 출력할 수도 있다.

한편, 상기 신호처리부(150)에서 상기 수신부(120)로부터 인가된 신호를 분석하여, 수신된 신호와 입력 펜에서 발생하는 펜구동신호(Ps)간 동기된 타이밍을 찾는 데, 이 과정은 예를 들어, 1프레임 이상의 구간에서 수행한다.

이러한 신호 보정에 1 프레임 이상의 구간을 두는 이유는 수신된 상기 터치 스크린측의 구동신호(Ts)와 펜구동신호(Ps)간 위상차를 충분히 보정하기 위함이다.

실제 1프레임은 터치에 모두 이용되지 않고, 픽셀 어레이 구동 기간(T1)과 터치 스크린 구동 기간(T2)으로 나뉘어, 터치 스크린 구동 기간(T2)에서만 터치 스크린으로부터 구동신호가 수신될 것이며, 신호처리부(150)의 신호 보정은, 1프레임 이상의 구간 내에서 터치 스크린의 터치 구동 신호를 충분히 수신한 후, 이의 동기 타이밍을 결정한다.

여기서, 상기 터치 스크린의 구동신호(Ts)와 펜구동신호(Ps) 사이의 위상 에러가 디폴트(default) 값보다 클 경우에는, 별도의 보정(calibration) 알고리즘을 더 진행할 수도 있다.

이어, 상기 신호 처리부(150)에서 나온 타이밍 정보에 맞추어 상기 구동부(140)에서 설정된 소정의 하이 전압과 로우 전압 사이의 신호로 스윙하여 구동신호를 발생한다 (50S).

이어, 상기 구동신호는 스위칭부(120)를 통해 상기 전도성 팁(110)을 구동 전극으로 전환시켜 전도성 팁을 통해 터치 스크린으로 펜구동 신호(Ps)를 공급한다 (60S).

여기서, 최초 입력 펜의 온 동작에 이어, 입력 펜의 터치 스크린 접촉 후, 터치 스크린의 구동 신호(Ts)의 수신 구간(Rx)과 펜구동신호(Ps)을 터치 스크린측으로 전달하는 송신 구간(Tx) 사이에는 소정 기간의 전환구간이 구비되며, 이는 상기 신호처리부(150)의 신호 보정에 이용된다.

이후 진행되는 프레임에서는 터치 스크린의 구동신호(Ts)에 동기화된 펜구동 신호(Ps)를 전도성 팁을 통해 전달하는 과정(Tx)과 전도성 팁을 이용하여 터치 스크린의 구동 신호를 수신하는 과정(Rx)을 반복적으로 시분할하여 진행한다. 최초 펜구동 신호(Ps)를 터치 스크린의 구동신호(Ts)와 동기화한 이후에는, 다음 프레임들에서 펜 구동의 수신 구간(Rx)과 송신 구간(Tx) 사이의 전환부를 생략하고, 터치 센싱 구간 내에 수신 구간과 송신구간을 시분할하여 구동이 이루어질 수도 있다.

한편, 상기 터치 스크린으로 펜구동 신호가 구동된 후에는, 상기 전도성 팁(110)과 커플링된 상기 터치 스크린의 터치 검출용 전극(COMn) 사이의 정전용량 변화를 센싱하여, 터치 스크린은 터치 센싱 회로(300)와 연결되어, 터치 센싱 알고리즘을 통해 터치 위치를 검출한다.

도 9는 도 7의 터치 스크린의 구동 신호 및 펜구동신호의 관계를 나타낸 파형도이며, 도 10은 도 7의 입력 펜의 구성별 파형도이다.

도 10과 같이, 입력 펜의 전도성 팁은 최초 전원 공급원의 온(on) 동작에 의해 수신 전극으로 기능하여, 터치 검출용 전극으로부터 신호를 수신(Rx)하며, 일정 시간의 전환구간을 거쳐, 상기 송신부로부터 펜구동신호를 인가받아, 그 자신이 송신 전극으로 전환하여 펜구동신호를 전달한다 (Tx).

여기서, 상기 전환구간에, 입력 펜 내의 수신부는 전도성 팁으로 수신되는 신호(터치 스크린의 구동신호)의 파형을 그대로 검출하며, 소정의 처리를 위해 증폭기를 거쳐 일정 진폭을 갖는 수신 신호를 형성한다.

그리고, 신호처리부는, 수신부를 통해 들어온 수신 신호(터치 스크린의 구동신호)를 바탕으로 상기 수신 신호에 동기하는 타이밍을 발생시킨다.

그리고, 송신부는 상기 설정된 로우 전압과 하이 전압 사이에서 스윙하며, 상기 신호처리부에서 분석된 신호의 타이밍으로 펜구동신호를 발생시킨다.

한편, 도 9와 같이, 펜구동신호(Ps)를 터치 스크린의 구동신호(Ts)에 동기시킨 후에는, 이후 프레임들에서 각각 터치 센싱 구간(T2) 내에서 터치 스크린의 구동신호(Ts) 발생에 상당하는 구간에서만 펜구동신호(Ps)가 발생할 수 있다.

또한, 도 10에 도시된 바에 따르면, 송신 구간(Tx)과 수신 구간(Rx)의 시간 폭이 대등하게 도시되어 있지만, 실질적으로 수신 구간(Rx)의 시간은 터치 반응 속도와 관계되어 있으므로, 작을수록 좋고, 상대적으로 송신 구간(Tx)의 시간 폭이 더 크다.

도 11은 도 7의 입력 펜의 전도성 팁의 동작을 시간별로 나타낸 도면이다.

도 11과 같이, 전도성 팁은 입력 펜이 스위칭온 되고 터치 스크린을 갖는 표시 패널 상에 접촉되었을 때, 입력 펜 내에서 펜구동신호를 발생하지 않고, 대기하며, 전도성 팁은 상기 대기 시간동안 수신만을 행한다. 여기서, 수신된 신호는 터치 스크린의 구동신호(Ts)에 상당하다.

그리고, 신호 수신이 종료된 후, 일정 시간 펜 구동신호 발생의 초기화를 행하는데, 이는 앞서 말한 전도성 팁이 수신 전극에서 송신 전극으로 전환되는 전환구간을 의미하며, 이는 1 프레임 이상이 될 수 있고, 이 기간동안 펜 내의 신호처리부는 입력된 수신신호를 분석하여 수신신호에 동기되는 펜구동신호(Ps)을 발생한다.

따라서, 터치 스크린측에서 터치 여부를 검출시 입력 펜이 접촉하거나 접근한 부위에 대응한 터치 검출 전극에서 정전용량 변화가 터치 스크린의 구동신호(Ts) 인가에 상당하여 일어나, 해당 센싱 시점에서 입력 펜 접촉 (또는 접근)에 따른 정전용량 변화가 동기화되어 일어나, 정확하게 터치 위치를 검출할 수 있다.

* 제 2 실시예 *

하기 제 2 실시예는 도 7의 입력 펜의 구동 신호 생성/수신부(1000)의 구성을 구체화한 것으로, 입력 펜의 구동 신호 발생과, 센싱을 보다 상세히 나타낸 것이다.

도 12는 본 발명의 입력 펜의 제 2 실시예에 따른 내부 구조를 나타낸 블럭도이다.

도 12는 도 7의 입력 펜의 구동 신호 생성/수신부(1000)의 구성을 나타낸 것으로, 이들 입력 펜의 구동 신호 생성/수신부(1000)는 하우징(180) 내에 포함될 수 있으며, 제 2 실시예는 또한 도 7과 같이, 상기 하우징(180) 내에 신호 처리부(345)와 연결되는 전원을 공급하는 전원 공급원(160) 및 외부로의 입출력 인터페이스(170)의 구성을 더 포함할 수 있음은 자명하다.

도 12와 같이, 제 2 실시예에 따른 입력 펜의 구동 신호 생성/수신부(1000)는 크게, 터치 스크린(도 1의 200 참조)과 직접 접하거나 터치 스크린 상을 호버링(hovering)하여, 입력 펜의 전도성 팁에서 신호를 수신 및 내부 발생된 펜 구동 신호를 전달하는 입출력단(305)과, 입력 펜 내부에서 펜 센싱 신호(S_Rx)에 관한 처리를 하는 수신부(330) 및 펜 구동신호(S_Tx) 생성에 관한 처리를 하는 구동부(340)를 포함한다.

여기서, 펜 센싱 신호(S_Rx)는 상기 터치 스크린으로부터 접촉 또는 가장 인접한 터치 전극과 커플링되어 터치 스크린에서 발생하는 구동신호를 이용한 것이며, 수신부(330)에서 수신된 아날로그 레벨의 신호를 바탕으로 증폭의 과정과 이의 디지털 신호로의 전환을 통해 펜 센싱에 이용하는 것이다. 즉, 입력 펜 내부에서는 별도로 펜 센싱 신호를 발생하지 않고, 상기 터치 스크린과 커플링되어 수신되는 신호를 펜 센싱에 이용하는 것이다.

또한, 상기 입출력단(305)은 물리적인 전도성 팁(310)과, 상기 전도성 팁(310)과 각각 연결된 스위칭부(320) 및 압력 센서(315)를 포함한다. 상기 압력 센서(315)는 선택적으로 구비될 수 있으나, 구비시 펜 구동 신호를 검출된 압력 레벨에 따라 발생시킬 수 있는 이점이 있어, 터치 이벤트 발생시 입력 펜의 감도를 향상시킬 수 있다.

또한, 스위칭부(320)와 압력 센서(315)는 각각 상기 전도성 팁(310)과 전기적 및 물리적 연결을 갖는다.

상기 수신부(330)는 수신버퍼(331), 증폭부(333) 및 비교기(335)를 포함하며, 상기 비교기(335)는 신호처리부(345)에 연결된다. 도면상 상기 신호처리부(345)가 구동부(340)에 포함되지만, 상기 신호처리부(345)는 터치 스크린(200)의 터치 구동신호 동기화 및 내부 펜 구동 신호 발생에 관련하여 신호를 처리하는 것으로, 수신부(330) 및 구동부(340) 모두를 제어하고, 또한, 스위칭부(320)에 온(on) 신호 전달을 제어한다.

상기 수신버퍼(331)는 상기 스위칭부(320)에서 수신부(330) 선택에 따라, 상기 전도성 팁(310)을 통해 터치 스크린(200)으로부터 수신되는 신호를 인가받아 증폭부(333)로 전달한다. 경우에 따라, 상기 수신버퍼(331)를 생략하여, 직접 스위칭부(320)를 증폭부(333)에 연결시킬 수 있다.

상기 증폭부(333)는 복수단을 구비하여 수신된 센싱 신호의 증대 폭을 늘려 감도를 향상시킬 수 있다.

그리고, 상기 비교기(335)는 증폭부(333)를 통해 출력되는 센싱 신호와 임계 값을 비교하여 임계값 이상 또는 이하에 대해 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 출력한다.

또한, 구동부(340)는 상기 비교기(335)로부터 출력된 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 인가받아 펜 구동 신호를 발생하는 신호처리부(340)와, 신호처리부(340)에서 출력되는 디지털 레벨의 펜 구동 신호를 아날로그 레벨의 펜 구동신호로 전환하는 레벨 쉬프터(343) 및 상기 레벨 쉬프터(343)로부터 스위칭부(320)로 신호를 전달하는 송신 버퍼(341)를 포함한다. 여기서, 상기 송신 버퍼(341)는 생략될 수 있으며, 이 경우, 상기 레벨 쉬프터(343)는 스위칭부(320)와 직접 연결될 수 있다.

상기 스위칭부(320)는 각각 수신부(330)의 수신 버퍼(331)와 송신부(340)의 송신 버퍼(341)와 연결되어 스위칭부(320)의 선택에 따라 전도성 팁(310)으로부터 수신버퍼(331)로 센싱된 신호를 전달하거나 송신 버퍼(341)로부터 전달되는 펜구동 신호를 전도성 팁(310)으로 전달된다. 그리고, 상기 스위칭부(320)는 신호의 수신 및 송신과 관련하여 상기 신호 처리부(340)에서 제어되어 동작을 한다.

여기서, 상기 비교기(335)에서 출력되는 신호는, 증폭기에서 증폭된 아날로그 신호 중 임계값 이상 또는 이하의 신호를 디지털 레벨의 신호로 변환한 펜 센싱 신호이다. 이 경우, 임계값 이상의 신호를 이용할지, 임계값 이하의 신호를 이용할지는 증폭기의 반전 여부에 관계된 것으로, 예를 들어, 상기 증폭기가 반전 증폭기일 때, 임계값 이하의 신호를 이용하며, 그렇지 않을 때는 임계값 이상의 신호를 이용한다.

상기 신호처리부(345)에 입출력되는 펜 센싱신호(S_Rx) 및 펜 구동신호(S_Tx)는 디지털 레벨이며, 출력되는 펜 구동 신호(S_Tx)는 레벨 쉬프트(343)에서 디지털 레벨 신호를 아날로그 레벨 신호로 변환한다.

한편, 상기 제 2 실시예의 입력 펜의 전도성 팁(310)도, 제 1 실시예와 같이, 금속 등과 같은 도전성 재료로 이루어지며, 시분할되어 수신 전극 및 송신 전극의 역할을 한다. 상기 전도성 팁(310)은 표시 패널(200) 상에 접촉 또는 접근시 중첩 또는 가장 인접한 터치 스크린에 구비된 터치 검출용 전극(COMx)과 커플링(coupling)되어 해당 터치 검출용 전극으로부터 수신된 신호를 받거나 혹은 입력 펜 내부에서 나오는 구동 신호를 터치 스크린 측에 전달한다.

예를 들어, 상기 표시 패널(도 1의 200 참조)은 가장 상부측에 편광판이나 혹은 보호막이 위치하여, 내부의 터치 스크린을 이루는 터치 검출용 전극과 전도성 팁(310)과의 사이에 편광판 혹은 보호막이 개재되어 있기 때문에, 이는 절연층으로 기능하여 상기 전도성 팁(310)과 상기 터치 검출용 전극과의 사이에 센싱 캐패시터(Csen)가 발생되며, 상기 전도성 팁(310)이 상기 표시 패널(200)을 접촉 또는 시 해당 부위의 터치 검출용 전극 상에서 일정한 센싱 캐패시터(Csen) 값의 변화를 터치 센싱 회로에서 읽어들여 터치 위치 검출이 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 전도성 팁(310)의 표시 패널(200)을 접촉시 보다 바람직하게는 터치 검출용 전극에 인가된 구동신호의 검출이 용이하지만, 이에 한하지 않고, 표시 패널(200) 상에 일정 거리 이내로 상기 전도성 팁(310)이 접근하는 경우에도 구동 신호의 검출이 가능하다. 이는, 입력 펜이 표시 패널(200) 상부에 접하지 않고, 호버링(hovering)하는 경우에도 입력 펜의 펜구동과 터치 패널의 구동간의 동기화를 꾀함을 의미하며, 또한, 동기화를 통해 터치 인식이 이루어짐을 뜻한다.

이하, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 터치 검출 방법을 타이밍도를 통해 구체적으로 살펴본다.

도 13은 도 12의 터치 스크린 및 입력 펜 내부 구성의 타이밍도이다.

도 13과 같이, 터치 스크린을 포함한 표시 패널(200)은 각 프레임을 1프레임당 일 이상의 교번된 표시 구간(D)과 터치 구간(T)으로 나누는 터치 인에이블 신호(Touch enable)를 발생한다. 상기 터치 인에이블 신호의 로우 레벨에 터치 구간(T)이며, 터치 인에이블 신호의 하이 레벨에 표시 구간(D)이다. 여기서, 일 프레임 내에서 표시 구간(D)과 터치 구간(T)은 도시된 바와 같이, 수십개 이상으로 구분될 수 있으며, 경우에 따라, 앞서 도 3에서 표현한 바와 같이, 일 프레임 전체로 하나의 표시 구간(D)과 터치 구간(T)으로 이분할 수도 있다.

그리고, 상기 터치 스크린은 터치 구간(T)에 복수개의 상기 터치 스크린의 구동신호(Ts)를 발생한다.

또한, 상기 입력 펜은 상기 터치 구간을 다시 시분할하여, 수신부에서 터치 구간의 초기 일부는 펜 센싱을 하고, 송신부에서 펜 구동 신호(S_Tx)를 출력한다.

여기서, 상기 터치 스크린의 구동 신호(Ts)를 입력 펜에서 센싱하여 펜 센싱에 이용하는 것으로, 상기 터치 스크린의 구동 신호(Ts)의 하이 레벨 구간 내에서 수신부의 증폭기 및 비교기의 출력이 발생한다.

또한, 입력 펜에서 펜 센싱과 펜 구동 신호의 구분은 스위칭부(320)의 제어를 통해 이루어지는 것으로, 스위칭부(320)의 제어 신호는 신호처리부(345)에서 발생하며, 스위칭부(320)의 제어 신호(Switch Ctrl)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 바뀌며, 펜 센싱에서 펜 구동으로 전환되며, 이 전환 구간에서 터치 스크린의 구동신호(Ts)의 일 클럭 이상의 딜레이가 있다. 그리고, 펜 구동신호는 상기 딜레이 후 발생된 터치 스크린의 구동 신호의 폴링 에지 또는 라이징 에지에 동기하여, 터치 스크린의 구동 신호의 클럭과 동기되어 발생한다. 여기서, 상기 터치 스크린의 구동 신호와 펜 구동신호(S_Tx)가 서로 반전 형상은 가진 것(즉, 터치 스크린의 구동 신호의 폴링 에지에 동기하여 펜 구동 신호가 발생됨)을 나타내고 있으며, 또한 터치 스크린의 구동 신호(Ts)의 펜 구동 신호가 동일 클럭을 갖고 있다. 동일 클럭을 유지하는 것을 전제로 하여, 상기 터치 스크린의 구동신호(Ts)와 펜 구동 신호(S_Tx)는 서로 반전 혹은 동일한 위상을 가질 수 있다.

상기 전환 구간에서의 딜레이는 터치 스크린의 구동신호(Ts)의 1~2클럭 내인 것이 바람직하다.

프레임별로 구비되는 터치 구간(T)마다, 상기 펜 센싱과 펜 구동신호 발생을 반복되며, 펜 센싱 신호는 펜 구동 신호 발생의 타이밍 동기 신호를 설정하기 위해 요구되는 것으로, 실제 입력 펜과 터치 스크린을 구비한 표시 패널간의 커플링을 위해 펜 구동신호 발생 구간을 상대적으로 펜 센싱 구간보다 길게 확보하는 것이 바람직할 것이다.

이하, 제 2 실시예에 따른 입력 시스템을 구현하여 실제 펜 센싱에서 관찰되는 구성별 신호를 나타낸 파형도를 살펴본다.

도시된 예에서, 증폭기는 2단의 반전 증폭기를 이용하였다.

도 14는 도 12의 입력 펜의 수신부측 각 구성들에서 실제 출력을 나타낸 파형도이다.

도 14와 같이, 터치 스크린에서 발생하는 터치 스크린의 구동 신호는 일정 주기의 파형을 나타내나, 전도성 팁을 통해 실제 수신 버퍼로 들어오는 신호는 커플링된 신호이며, 초기 동기화되지 않은 그 값이 작고, 증폭기의 로드(Load)가 반대로 인가되어 시간이 경과되며, 수신 버퍼에서 검출되는 신호의 변형이 발생한다.

이어, 수신 버퍼는 2단의 반전 증폭기를 거치며, 반전된 신호로 값을 키우게 된다.

이어, 비교기에서는 다시 반전 증폭기의 최종 출력을 임계값과 비교하여, 임계값 이하의 값을 반전하여 디지털 레벨의 펜 센싱 신호로 하여 출력한다.

이를 통해 본 발명의 입력 시스템은, 입력 펜 내부에 펜 센싱 신호를 생성하지 않고, 터치 스크린의 구동신호를 이용하여 펜 센싱 신호를 발생하여, 이를 펜 센싱에 이용할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 도시된 파형도는 상기 입력 펜을 완전히 터치 스크린에 접하지 않은 상태에서 시뮬레이션한 것으로, 실제 터치가 이루어질 경우, 터치 시점에서 수신 버퍼, 2단 증폭기 및 비교기의 출력은 변화가 나타나며, 이를 터치 스크린의 구동신호에 동기화된 펜 구동신호의 발생시 터치 스크린과 연결된 제어부에서 판단하여, 터치에 따른 이벤트를 발생시킬 수 있다.

도 15는 본 발명의 입력 펜 적용시 핑거 대비 입력 펜 접촉시 센싱된 터치 감지 신호의 감도를 나타낸 파형도이다.

도 15와 같이, 본 발명의 입력 시스템을 이용하여 프레임별로 입력 펜으로 터치 스크린을 접촉시와의 손가락으로 입력 펜을 접촉시의 센싱된 신호의 세기를 측정한 것으로, 손가락 대비 입력 펜을 터치 스크린에 접촉시 센싱된 신호의 세기가 크며, 터치 스크린과 전도성 팁간의 커플링된 캐패시턴스의 값이 클수록 그 세기가 더 커짐을 알 수 있어, 본 발명의 입력 펜을 포함한 입력 시스템을 이용시에도 터치 검출에 적합한 수준의 신호 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.

본 발명의 입력 시스템에 있어서, 전도성 팁은 펜 센싱과 펜 구동신호(S_Rx)의 전달의 역할을 번갈아 가도록 하게 하고, 센싱시 수신되는 신호를 바탕으로 터치 스크린에서 동작하는 주파수에 동시된 펜 구동신호를 발생하여 터치 검출에 이용하는 것으로, 터치 스크린에서 동작하는 펄스와 스타일러스 펜에서 구동하는 펜 구동 신호와의 신호를 동기화시켜 터치 신호의 크기를 향상시킬 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: 입력 펜 110: 전도성 팁
120: 스위칭부 130: 수신부
140: 구동부 150: 신호처리부
160: 전원 공급원 170: 입출력 인터페이스
180: 하우징 200: 표시 패널
300: 터치 센싱 회로 305: 입출력단
310: 전도성 팁 315: 압력 센서
320: 스위칭부 330: 수신부
331: 수신 버퍼 333: 증폭기
335: 비교기 340: 구동부
341: 송신버퍼 343: 레벨 쉬프터
345: 신호처리부

Claims

복수개의 터치 검출용 전극을 포함한 터치 스크린을 갖는 표시 패널; 및
전도성 팁과, 상기 전도성 팁과 연결되는 스위칭부와, 상기 스위칭부와 병렬 연결되며, 상기 전도성 팁으로부터 상기 터치 스크린의 구동신호를 수신하는 수신부 및 상기 전도성 팁으로 펜구동신호를 전달하는 구동부와, 상기 수신부로부터 인가받은 터치 스크린의 구동신호와 동기하도록 상기 펜구동신호의 타이밍을 보정하는 신호처리부 및 상기 전도성 팁의 일부를 노출시키며, 상기 스위칭부, 수신부 및 구동부, 신호 처리부를 내부에 갖는 하우징을 포함하여 이루어진 입력 펜을 포함하여 이루어진 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 전도성 팁은 상기 표시 패널 상에 접촉 또는 접근시 접촉 부위 또는 가장 인접한 터치 검출용 전극과 커플링되어 상기 터치 스크린의 구동신호를 수신하는 입력 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 전도성 팁은 상기 터치 스크린의 구동신호의 수신 후 일정시간 경과 후, 상기 신호처리부에서 타이밍 보정된 상기 펜구동신호를 발생시켜, 상기 표시 패널에 전달하는 입력 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 전도성 팁은 상기 터치 스크린의 구동신호 수신과, 상기 펜구동신호 전달 사이의 1 프레임 이상의 전환구간을 갖는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 전도성 팁과 물리적으로 연결되며, 상기 전도성 팁에 인가된 압력 량을 센싱하여 상기 신호 처리부에 전달하는 압력 센서를 상기 하우징 내에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 신호 처리부는 펜 구동신호 생성 구간과 펜 센싱 구간을 구분하여, 상기 스위칭부를 제어하는 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 수신부는 상기 스위칭부를 통해 센싱된 신호를 증폭하는 증폭부 및 상기 증폭부에서 증폭된 신호와 임계값을 비교하여 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 출력하는 비교기를 더 포함하는 입력 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 비교기로부터 상기 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 인가받아 상기 터치 스크린의 구동신호에 타이밍 동기된 펜 구동신호를 출력하는 입력 시스템.
제 8항에 있어서,
상기 구동부는 상기 신호 처리부에서 인가되는 디지털 로직 레벨의 펜구동 신호를 아날로그 레벨의 구동 전압 신호로 출력하는 레벨 쉬프터를 구비한 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 신호 처리부와 연결되며, 전원을 공급하는 전원 공급원을 상기 하우징 내에 더 포함한 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 전원 공급원과 연결되어, 상기 하우징의 표면으로 돌출된 입출력 인터페이스를 더 포함한 입력 시스템.
전도성 팁을 돌출시켜 구비한 입력 펜을 온(on)시키는 제 1 단계;
상기 입력 펜의 전도성 팁을, 터치 스크린을 포함한 표시 패널 상에 접촉 또는 접근시키는 제 2 단계;
상기 전도성 팁을 통해 상기 터치 스크린과 커플링되어, 접촉 또는 접근 부위에서 상기 터치 스크린의 구동신호를 수신하는 제 3 단계;
상기 입력 펜 내부에서 상기 접촉 또는 접근 부위에서 수신되는 터치 스크린의 구동신호와 동기된 펜구동신호를 발생하는 제 4 단계; 및
상기 펜구동신호를 상기 전도성 팁을 통해 상기 터치 스크린으로 전달하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 12항에 있어서,
상기 제 4 단계 후, 상기 전도성 팁은 시분할하여 제 3 단계와 제4 단계를 반복하는 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 13항에 있어서,
상기 표시 패널은 1프레임당 일 이상의 교번된 표시 구간과 터치 구간으로 나누는 터치 인에이블 신호를 발생하며,
상기 터치 스크린은 터치 구간에 복수개의 상기 터치 스크린의 구동신호를 발생하며,
상기 입력 펜은 상기 터치 구간을 시분할하여, 터치 구간의 초기 일부는 상기 제 3 단계를 수행하고, 터치 구간의 나머지 구간은 상기 제 4 단계를 수행하는 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 14항에 있어서,
상기 제 3 단계는, 터치 스크린의 구동 신호를 수신하여 증폭하여 증폭 신호를 출력하는 단계 및 상기 증폭 신호와 임계값을 비교하여 디지털 레벨의 펜 센싱 신호를 출력하는 단계를 포함하는 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 15항에 있어서,
상기 터치 구간에서 상기 디지털 레벨의 펜 센싱 신호가 종료하고, 상기 터치 스크린의 구동신호의 일 클럭 이상을 딜레이한 후 상기 터치 스크린의 구동신호에 동기된 펜 구동신호를 출력하는 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 12항에 있어서,
상기 제 4 단계는, 상기 전도성 팁을 통해 수신되는 신호를 일정 시간 신호 처리하여, 펜구동신호의 타이밍을 초기화하여 이루어지는 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.
제 12항에 있어서,
상기 전도성 팁과 커플링된 상기 터치 스크린의 터치 검출용 전극의 정전용량 변화를 센싱하여 위치를 검출하는 제 6 단계를 더 포함하는 입력 시스템을 이용한 터치 검출 방법.