KR20170015690A - 터치 센서 일체형 표시장치와 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기발광 표시장치를 사용하여 인셀 터치 센서 기술을 구현할 때 터치 성능을 높이기 위한 것으로, 터치 센싱이 이뤄지는 터치센서 구동 기간 동안 터치 센서들에 인가되는 터치 구동 신호와 같은 위상의 교류 신호를 픽셀들에 연결된 데이터 라인들 및 스캔 라인들뿐만 아니라, 픽셀들의 전원 단자들에도 공급하여 인셀 터치 센서들에 미치는 기생 용량의 영향을 최소화한다.

Description

터치 센서 일체형 표시장치와 그 구동방법{TOUCH SENSOR INTEGRATED TYPE DISPLAY DEVICE AND DRIVING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 픽셀 어레이 내에 터치 센서들이 내장된 표시장치에 관한 것이다.
유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전기, 전자 기기 등의 통신을 가능하게 하여 사용자가 기기를 쉽게 자신이 원하는 대로 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. 최근, 유저 인터페이스는 터치 UI, 음성 인식 UI, 3D UI 등으로 진화되고 있다.
터치 UI는 스마트 폰과 같은 휴대용 정보기기에 필수적으로 채택되고 있으며, 노트북 컴퓨터, 컴퓨터 모니터, 가전 제품 등에 확대 적용되고 있다. 최근, 터치 센서들을 표시패널의 픽셀 어레이에 내장하는 기술(이하, "인셀 터치 센서(In-cell touch sensor)"라 함)이 제안되고 있다. 인셀 터치 센서 기술은 표시패널의 두께 증가 없이 표시패널에 터치 센서들을 설치할 수 있다. 이러한 터치 센서들은 기생 용량을 통해 픽셀들에 연결된다. 픽셀들과 터치 센서들의 커플링(Coupling)으로 인한 상호 영향을 줄이기 위하여, 1 프레임 기간은 픽셀들을 구동하는 기간(이하, "디스플레이 구동 기간"이라 함)과 터치 센서들을 구동하는 기간(이하, "터치센서 구동 기간(Tt)"이라 함)으로 시분할될 수 있다.
인셀 터치 센서 기술은 표시패널의 픽셀들에 연결된 전극을 터치 센서들의 전극으로 활용한다. 예를 들어, 인셀 터치 센서 기술은 액정표시장치의 픽셀들에 공통 전압을 공급하기 위한 공통 전극을 분할하고, 분할된 공통 전극 패턴들을 터치 센서들의 전극으로 활용하는 방법이 있다.
이러한 인셀 터치 센서 기술은 유기발광 표시장치에는 적용되기 어렵다. 그 이유는 유기발광 표시장치에서는 내부 전극을 터치 센서들로 활용하기 위한 전극 패터닝 공정이 쉽지 않고, 또한, 유기발광 표시장치의 픽셀 구조가 액정표시장치의 그것에 비해 복잡하기 때문에, 인셀 터치 센서와 픽셀들 간의 커플링으로 인하여 기생 용량이 상대적으로 매우 크다. 기생 용량이 커지면, 터치 감도와 터치 인식의 정확도가 떨어진다.
따라서, 본 발명의 목적은 유기발광 표시장치를 사용하여 인셀 터치 센서 기술을 구현할 때 터치 성능을 높일 수 있도록 한 터치 센서 일체형 표시장치와 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 터치 센서 일체형 표시장치는 표시패널과, 터치 센서 구동부와, 데이터 구동부와, 게이트 구동부와, 전원 공급부를 포함한다. 표시패널은 OLED를 포함한 픽셀들과 터치 센서들이 구비되고, 화상 표시를 위한 디스플레이 구동 기간과 터치 센싱을 위한 터치센서 구동 기간(Tt)으로 시분할 구동된다. 터치 센서 구동부는 상기 터치센서 구동 기간 동안 터치 구동 신호를 상기 터치 센서들에 공급하여 상기 터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱한다. 데이터 구동부는 상기 디스플레이 구동 기간 동안 입력 영상의 데이터 전압을 상기 표시패널의 데이터 라인들에 공급하고, 상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 터치 구동 신호와 위상이 같은 교류 신호를 상기 데이터 라인들에 공급한다. 게이트 구동부는 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 데이터 전압에 동기되는 스캔 펄스를 상기 표시패널의 스캔 라인들에 공급하고, 상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 교류 신호를 상기 스캔 라인들에 공급한다. 그리고, 전원 공급부는 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 픽셀들의 전원 단자에 직류 전원을 공급하고, 상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 전원 단자에 상기 교류 신호를 공급한다.
상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 픽셀들의 OLED는 턴 오프 상태를 유지한다.
상기 게이트 구동부는 상기 터치센서 구동 기간 동안 오프 레벨의 에미션 펄스를 에미션 라인들에 동시에 공급하여 상기 픽셀들의 OLED에 인가되는 구동 전류를 차단한다.
상기 터치 센서들은 소정 단위로 패터닝된 상기 OLED의 캐소드전극으로 구현되고, 상기 터치 센서 구동부는 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 터치 센서들에 직류 전원 형태의 저전위 전원전압을 공급한다.
상기 전원 단자는, 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 OLED에 연결되며 고전위 전원전압이 인가되는 제1 단자와, 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 OLED를 초기화하기 위한 기준 전압이 인가되는 제2 단자를 포함하고, 상기 교류 신호는 상기 터치센서 구동 기간 동안, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자에 공급된다.
상기 터치센서 구동 기간은 상기 입력 영상의 데이터 전압이 상기 표시패널에 기입되지 않는 수직 블랭크 기간을 포함한다.
상기 교류 신호는 상기 터치 구동 신호와 진폭이 동일하다.
또한, 본 발명에 따른 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법은 OLED를 포함한 픽셀들과 터치 센서들이 구비되고, 화상 표시를 위한 디스플레이 구동 기간과 터치 센싱을 위한 터치센서 구동 기간으로 시분할 구동되는 표시패널을 갖는 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법으로서, 상기 디스플레이 구동 기간 동안, 입력 영상의 데이터 전압을 상기 표시패널의 데이터 라인들에 공급하고, 상기 데이터 전압에 동기되는 스캔 펄스를 상기 표시패널의 스캔 라인들에 공급하며, 상기 픽셀들의 전원 단자에 직류 전원을 공급하는 단계와, 상기 터치센서 구동 기간 동안, 터치 구동 신호와 위상이 같은 교류 신호를 상기 데이터라인들, 상기 게이트라인들, 및 상기 픽셀들의 전원 단자에 공급하고, 상기 터치 구동 신호를 상기 터치 센서들에 공급하여 상기 터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 단계를 포함한다.
본 발명은 터치 센싱이 이뤄지는 터치센서 구동 기간 동안 터치 센서들에 인가되는 터치 구동 신호와 같은 위상의 교류 신호를 픽셀들에 연결된 데이터 라인들 및 스캔 라인들뿐만 아니라, 픽셀들의 전원 단자들에도 공급하여 인셀 터치 센서들에 미치는 기생 용량의 영향을 최소화한다. 이를 통해 본 발명은 유기발광 표시장치를 사용하여 인셀 터치 센서 기술을 구현할 때 터치 성능을 크게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치를 개략적으로 보여 주는 블록도.
도 2는 본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치에 구비된 일 픽셀을 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 자기 용량 타입의 터치 센서를 보여 주는 도면.
도 4는 디스플레이 구동 기간과 터치센서 구동 기간의 시분할 구동 방법을 보여 주는 파형도.
도 5는 시분할 구동에 따른 디스플레이 구동 기간과 터치센서 구동 기간에서 인셀 터치 센서, 데이터 라인, 게이트 라인 및 픽셀 전원 단자에 인가되는 신호들을 보여 주는 파형도.
도 6은 본 발명이 적용되는 일 픽셀의 구체적인 등가 회로도.
도 7은 도 6의 픽셀에 형성되는 기생 용량을 보여주는 도면.
도 8은 도 7의 기생 용량을 최소화하기 위해 도 6의 픽셀에 인가되는 신호들을 보여주는 파형도.
도 9a 및 도 9b는 터치센서 구동 기간 시작 직전과 터치센서 구동 기간 완료 직후의 OLED 구동 전류 차이에 대한 시뮬레이션 결과 도면들.
도 10은 본 발명이 적용되는 다른 픽셀의 구체적인 등가 회로도.
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 1 및 도 2는 본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치를 보여 주는 도면들이다. 도 3은 자기 용량 타입의 터치 센서를 보여 준다. 도 4는 디스플레이 구동 기간과 터치센서 구동 기간의 시분할 구동 방법을 보여 준다. 그리고, 도 5는 시분할 구동에 따른 디스플레이 구동 기간과 터치센서 구동 기간에서 인셀 터치 센서, 데이터 라인, 게이트 라인 및 픽셀 전원 단자에 인가되는 신호들을 보여 준다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치는 인셀 터치 센서들을 포함한다. 인셀 터치 센서들은 픽셀 어레이에 내장되어 터치 입력을 감지한다.
본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치는 인셀 터치 센서들이 내장된 픽셀 어레이를 포함한다. 이 터치 센서 일체형 표시장치는 디스플레이 구동 기간(Td)과 터치센서 구동 기간(Tt)으로 시분할 구동된다. 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 픽셀 어레이에 입력 영상의 데이터가 기입된다. 터치센서 구동 기간(Tt) 동안, 인셀 터치 센서들이 구동되어 터치 입력이 감지된다.
인셀 터치 센서들은 정전 용량(capacitance) 타입의 터치 센서로 구현될 수 있다. OLED의 캐소드전극(CAT)은 인셀 터치 센서들(C1~C4)로 분할된다. 본원 출원인은 터치 센서들(C1~C4)을 형성하기 위해 캐소드전극(CAT)을 패터닝하는 기술을 대한민국 출원번호 제10-2015-0076286호(2015/05/29)를 통해 제안한 바 있다. 이 선출원 발명은 메쉬(mesh) 형태로 형성된 격벽을 통해 캐소드전극을 패터닝함으로써 공정을 간소화함과 아울러 공정의 신뢰성을 높인다. 선출원 발명은 뱅크 홀과 콘택홀을 통해 터치 센서들을 센서 라인들에 연결한다. 선출원 발명은 보조 전극을 매개로 한 콘택홀 공정을 통해 센서 라인과 터치 센서를 서로 연결공정의 신뢰성을 높인다. 선출원 발명은 격벽의 단면을 역 테이퍼(inversed taper) 형태로 형성하여 캐소드전극을 효과적으로 패터닝한다. 아울러, 선출원 발명은 역 테이퍼 형태를 갖는 격벽의 일측 또는 양측 변을 뱅크 홀 내에 위치시켜 언더 컷(Undercut) 구조를 형성함으로써, 뱅크 홀 영역 내에서 터치 센서에 연결될 보조 전극의 노출 영역을 확장하여 연결의 신뢰성을 높인다.
인셀 터치 센서의 정전 용량은 자기 용량(self capacitance)을 갖는다. 자기 정전 용량 타입의 인셀 터치 센서들(C1~C4) 각각은 선출원 발명에서 제안한 공정에 따라 센서 라인들(L1~L4)에 연결될 수 있다. 인셀 터치 센서들(C1~C4)은 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 OLED의 캐소드전극(CAT) 역할을 한다.
인셀 터치 센서들(C1~C4)에는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 직류 신호인 저전위 전원 전압(VSS)이 공급되고, 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 교류 신호인 터치 센서 구동 신호(Tdrv)가 공급된다. 인셀 터치 센서들(C1~C4) 각각은 다수의 픽셀들과 연결될 수 있다.
본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치는 유기발광 표시장치(Organic Light Emitting Display, OLED)로 구현된다.
유기발광 표시장치에서, 표시패널(100)의 픽셀 어레이는 데이터 라인들(S1~Sm, m은 양의 정수)과 게이트 라인들(G1~Gn, n은 양의 정수)에 의해 정의된 픽셀들(P), OLED의 캐소드전극으로부터 분할된 인셀 터치 센서들(C1~C4), 및 인셀 터치 센서들(C1~C4)에 연결된 센서 배선들(L1~L4)을 포함한다. OLED의 캐소드전극은 투명 전도성 재료 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다.
표시패널(100)의 픽셀 어레이에서, 게이트 라인들(G1~Gn) 각각은 스캔 라인과 에미션 라인을 포함할 수 있다. 픽셀들(P) 각각은 OLED와 셀 구동부(PDC)를 구비한다. 셀 구동부(PDC)는 도 2와 같이 OLED에 흐르는 구동 전류의 크기를 제어하는 구동 TFT(DT)와, OLED로 구동 전류가 유입되는 것을 제어하는 에미션 TFT(ET)를 포함한다. 구동 TFT(DT)의 게이트-소스 간의 전압에 따라 OLED에 인가되는 구동 전류가 결정된다. OLED의 발광량은 구동 TFT로부터 공급되는 구동 전류의 크기에 비례한다. 에미션 TFT(ET)는 고전위 전원전압(VDD)의 입력단과 저전위 전원전압(VSS)의 입력단 사이에 접속되어 에미션 라인으로부터의 에미션 펄스에 따라 온/오프 스위칭됨으로써, OLED로 구동 전류가 유입되는 것을 제어한다. 에미션 TFT(ET)는 고전위 전원전압(VDD)의 입력단과 구동 TFT(DT)의 드레인전극 사이에 접속되거나(도 10 참조) 또는, 구동 TFT(DT)의 소스전극과 OLED의 애노드전극(AND) 사이에 접속(도 6 참조)될 수 있다.
한편, 셀 구동부(PDC)는 구동 TFT(DT)의 게이트-소스 간의 전압을 프로그래밍하기 위한 스위칭 TFT(미도시)와, 프로그래밍된 전압을 일정 기간 동안 유지시키기 위한 적어도 하나 이상의 스토리지 커패시터를 더 포함할 수 있다. 스위칭 TFT는 스캔 신호에 따라 턴 온 됨으로써, 데이터라인으로부터의 데이터 전압을 스토리지 커패시터의 일측 전극에 충전한다.
픽셀(P)을 구성하는 TFT들은 P 타입으로 구현되거나 또는, N 타입으로 구현되거나 또는, P 타입과 N 타입이 혼용된 하이브리드 타입으로 구현될 수 있다. 또한, 픽셀(P)을 구성하는 TFT들의 반도체층은, 아몰포스 실리콘 또는, 폴리 실리콘 또는, 산화물을 포함할 수 있으며, 이들 중 오프 커런트(Off Current) 특성이 가장 양호한 산화물로 구현됨이 바람직하다.
본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치는 픽셀들(P)에 입력 영상의 데이터 신호를 기입하는 디스플레이 구동부(102, 104, 106, 112)와, 터치 센서들을 구동하는 터치 센서 구동부(110)를 더 포함한다.
터치 센서 일체형 표시장치의 구동 기간은 도 4 및 도 5와 같이 디스플레이 구동 기간(Td)과 터치센서 구동 기간(Tt)으로 시분할된다. 터치센서 구동 기간(Tt)은 입력 영상의 데이터 전압이 표시패널(100)에 기입되지 않는 수직 블랭크 기간(VBT)을 포함하여 이루어질 수 있다.
디스플레이 구동부(102, 104, 106, 112), 및 터치 센서 구동부(110)는 동기 신호(Tsync)에 응답하여 서로 동기된다. 동기 신호(Tsync)의 제1 로직 레벨(logic level)은 디스플레이 구동 기간(Td)을 정의하고, 제2 로직 레벨은 터치센서 구동 기간(Tt)을 정의한다. 제1 로직 레벨은 하이 로직 레벨(high logic level)이고, 제2 로직 레벨은 로우 로직 레벨(low logic level)일 수 있으나 그 반대로 설정될 수도 있다. 도 5에서, CAT는 인셀 터치 센서들에 인가되는 신호 파형이다.
디스플레이 구동부(102, 104, 106, 112)는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안, 픽셀들(P)에 입력 영상의 데이터를 기입한다. 픽셀들(P)은 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 픽셀 TFT가 오프 상태이기 때문에 디스플레이 구동 기간(Td)에 충전하였던 데이터 전압을 터치센서 구동 기간(Tt)에도 유지(hold)한다. 디스플레이 구동부(102, 104, 106)는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 터치 센서들과 픽셀들(P)에 연결된 신호 라인들(S1~Sm, G1~Gn) 사이의 기생 용량을 최소화하기 위하여 터치 구동 신호(Tdrv)와 같은 위상의 교류 신호(Vac)를 신호 라인들(S1~Sm, G1~Gn)에 공급한다.
이러한 디스플레이 구동부(102, 104, 106, 112)는 데이터 구동부(102), 게이트 구동부(104), 전원 공급부(112) 및 타이밍 콘트롤러(106)를 포함한다.
데이터 구동부(102)는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 타이밍 콘트롤러(106)로부터 수신되는 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동부(102)로부터 출력된 데이터전압은 데이터 라인들(S1~Sm)에 공급된다.
데이터 구동부(102)는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 인셀 터치 센서들(C1~C4)에 인가되는 터치 구동 신호(Tdrv)와 같은 위상의 교류 신호(Vac)를 데이터 라인들(S1~Sm)에 인가하여 인셀 터치 센서(C1~C4)와 데이터 라인(S1~Sm) 사이의 기생 용량을 최소화한다. 이는 기생 용량의 양단 전압이 동시에 변하고 그 전압 차이가 작을수록 기생 용량에 충전되는 전하량이 작아지기 때문이다.
게이트 구동부(104)는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안, 데이터전압에 동기되는 스캔 펄스를 스캔 라인들에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(100)의 라인을 선택한다. 스캔 펄스는 온 레벨 전압과 오프 레벨 전압 사이에서 스윙한다. 스캔 펄스는 스캔 라인들을 통해 픽셀 TFT들의 게이트에 인가된다. N 타입 스위칭 TFT에 인가되는 온 레벨 전압은 게이트 하이 전압이고, 오프 레벨 전압은 게이트 로우 전압이다. 반대로 P 타입 스위칭 TFT에 인가되는 온 레벨 전압은 게이트 로우 전압이고, 오프 레벨 전압은 게이트 하이 전압이다. 게이트 하이 전압(VGL)은 픽셀 TFT의 문턱 전압 보다 높은 전압으로 설정되고, 게이트 로우 전압(VGL)은 픽셀 TFT의 문턱 전압 보다 낮은 전압으로 설정될 수 있다.
게이트 구동부(104)는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 터치 센서들에 인가되는 터치 구동 신호(Tdrv)와 같은 위상의 교류 신호(Vac)를 스캔 라인들에 인가하여 터치 센서와 스캔 라인 사이의 기생 용량을 최소화한다. 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 스캔 라인들에 인가되는 교류 신호(Vac)의 전압은 픽셀들에 기입된 데이터가 변하지 않도록 스위칭 TFT의 문턱 전압 보다 낮아야 한다.
한편, 게이트 구동부(104)는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 오프 레벨의 에미션 펄스를 에미션 라인들에 동시에 공급하여 픽셀들(P)의 OLED에 인가되는 구동 전류를 차단함으로써, 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 픽셀들(P)의 OLED를 턴 오프시킨다.
전원 공급부(112)는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안, 전원 공급라인들을 통해 픽셀들(P)의 전원 단자에 직류 전원을 공급한다. 여기서, 전원 단자는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 OLED에 연결되며 고전위 전원전압(VDD)이 인가되는 제1 단자와, 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 OLED를 초기화하기 위한 기준 전압(VREF)이 인가되는 제2 단자를 포함한다.
전원 공급부(112)는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안, 터치 센서들에 인가되는 터치 구동 신호(Tdrv)와 같은 위상의 교류 신호(Vac)를 전원 공급라인을 통해 상기 전원 단자에 인가하여 터치 센서와 전원 공급라인 사이의 기생 용량을 최소화한다.
타이밍 콘트롤러(106)는 호스트 시스템(108)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동부(102)와 게이트 구동부(104)의 동작 타이밍을 동기시킨다. 스캔 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 게이트 출력 인에이블신호(Gate Output Enable, GOE) 등을 포함한다. 데이터 타이밍 제어신호는 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock, SSC), 극성제어신호(Polarity, POL), 소스 출력 인에이블신호(Source Output Enable, SOE) 등을 포함한다.
호스트 시스템(108)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(108)은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 입력 영상의 디지털 비디오 데이터를 표시패널(100)의 해상도에 적합한 포맷으로 변환한다. 호스트 시스템(108)은 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(106)로 전송한다. 또한, 호스트 시스템(108)은 터치 센서 구동부(110)로부터 입력되는 터치 입력의 좌표 정보(XY)와 연계된 응용 프로그램을 실행한다.
타이밍 콘트롤러(106) 또는 호스트 시스템(108)은 디스플레이 구동부(102, 104, 106, 112)와 터치 센서 구동부(110)를 동기시키기 위한 동기 신호(Tsync)를 생성할 수 있다.
터치 센서 구동부(110)는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 인셀 터치 센서들(C1~C4)에 터치 구동 신호(Tdrv)를 공급한다. 인셀 터치 센서에 손가락과 같은 도전체가 가까워지면 정전 용량의 전하량이 변한다. 터치 센서 구동부(110)는 인셀 터치 센서의 전하 변화량을 측정하여 터치 위치와 터치 면적을 감지한다. 터치 센서 구동부(110)는 터치 입력들 각각의 좌표 정보(XY)를 계산하여 호스트 시스템(108)으로 전송한다.
터치 센서 구동부(110)는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안, 인셀 터치 센서들(C1~C4)에 저전위 전원 전압(VSS)을 공급하여, 인셀 터치 센서들(C1~C4)을 OLED의 캐소드전극(CAT)으로 동작시킨다.
데이터 구동부(102)와 터치 센서 구동부(110)는 하나의 드라이브 IC 내에 집적될 수 있다. 이 드라이브 IC는 COG(Chip on glass) 공정으로 표시패널(100)의 기판 상에 접착될 수 있다.
이러한 본 발명의 터치 센서 일체형 표시장치는 본원 출원인에 의해 기 출원된 내부 전극 패터닝 방법을 채용함으로써 캐소드 전극을 분할하여 인셀 터치 센서들로 활용한다. 본 발명은 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 터치 센서들에 인가되는 터치 구동 신호(Tdrv)와 같은 위상의 교류 신호(Vac)를 픽셀들에 연결된 데이터 라인들 및 스캔 라인들뿐만 아니라, 픽셀들의 전원 단자들에도 공급하여 인셀 터치 센서들에 미치는 기생 용량의 영향을 최소화한다. 통상 유기발광 표시장치는 복잡한 픽셀 구조로 인해 기생 용량의 크고, 그에 따라 인셀 터치 센서에 미치는 기생 용량의 영향이 큰데, 상기한 바와 같은 방법으로 기생 용량의 영향을 줄이면 터치 감도와 터치 인식의 정확도가 향상된다. 본 발명에서는 기생 용량의 영향을 더욱 줄이기 위해 터치 구동 신호(Tdrv)와 교류 신호(Vac)를 위상뿐만 아니라 진폭까지 서로 동일하게 하는 방안을 제안한다. 기생 용량의 양단 전압이 동시에 변하고 그 전압 차이가 없을 때 기생 용량에 충전되는 전하량은 제로가 된다. 표시패널에 물리적으로 기생 용량이 존재하더라도 상기한 바와 같은 방법으로 기생 용량에 전하량이 충전되지 못하게 하면, 인셀 터치 센서의 터치 성능은 기생 용량에 영향받지 않게 된다.
이하에서는 P타입 TFT들로 구현되는 일 픽셀과 N타입 TFT들로 구현되는 다른 픽셀을 대상으로 하여, 전술한 디스플레이 구동 기간(Td)과 터치센서 구동 기간(Tt)에서의 동작을 살펴본다. 이러한 픽셀 구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예시 구성에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 구체적 픽셀 구성에 한정되지 않음에 주의하여야 한다.
도 6은 본 발명이 적용되는 일 픽셀의 구체적인 등가 회로도이다. 도 7은 도 6의 픽셀에 형성되는 기생 용량을 보여준다. 도 8은 도 7의 기생 용량을 최소화하기 위해 도 6의 픽셀에 인가되는 신호들을 보여준다. 그리고, 도 9a 및 도 9b는 터치센서 구동 기간 시작 직전과 터치센서 구동 기간 완료 직후의 OLED 구동 전류 차이에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 픽셀(P)은 OLED, 구동 TFT(DT), 에미션 TFT(ET), 제1 내지 제4 스위치 TFT(ST1~ST4), 스토리지 커패시터(Cst)를 포함한다. 이 픽셀(P)은 P 타입의 6개의 박막 트랜지스터와 1개의 커패시터를 포함한 6T1C 회로 구조로 이루어진다.
OLED의 애노드전극(AND)은 제4 노드(N4)에 접속되고, 캐소드전극(CAT)은 제1 스위치(SW1)를 통해 저전위 전원전압(VSS)의 입력단에 접속됨과 동시에 제2 스위치(SW2)를 통해 터치 센서 구동 신호(Tdrv)의 입력단에 접속된다. 구동 TFT(DT)의 게이트전극은 제1 노드(N1)에 접속되고, 소스전극은 고전위 전원전압(VDD)의 입력단에 접속되며, 드레인전극은 제3 노드(N3)에 접속된다. 에미션 TFT(ET)의 게이트전극은 에미션 펄스(EM)가 공급되는 에미션라인에 접속되고, 소스전극은 제3 노드(N3)에 접속되며, 드레인전극은 제4 노드(N4)에 접속된다. 제1 스위치 TFT(ST1)의 게이트전극은 스캔라인에 접속되고, 소스전극은 데이터라인에 접속되며, 드레인전극은 제2 노드(N2)에 접속된다. 제2 스위치 TFT(ST2)의 게이트전극은 스캔 펄스(SCAN)가 공급되는 스캔라인에 접속되고, 소스전극은 제1 노드(N1)에 접속되며, 드레인전극은 제3 노드(N3)에 접속된다. 제3 스위치 TFT(ST3)의 게이트전극은 에미션 펄스(EM)가 공급되는 에미션라인에 접속되고, 소스전극은 기준전압(VREF)의 입력단에 접속되며, 드레인전극은 제2 노드(N2)에 접속된다. 제4 스위치 TFT(ST4)의 게이트전극은 스캔 펄스(SCAN)가 공급되는 스캔라인에 접속되고, 소스전극은 기준전압(VREF)의 입력단에 접속되며, 드레인전극은 제4 노드(N4)에 접속된다. 그리고, 스토리지 커패시터(Cst)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 접속된다.
디스플레이 구동 기간(Td) 동안 픽셀(P)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 이 픽셀 구조는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 구동 TFT(DT)의 문턱전압을 보상할 수 있다.
디스플레이 구동 기간(Td)은 픽셀(P)의 일부 노드를 초기화하기 위한 초기화 기간, 구동 TFT(DT)의 문턱전압을 샘플링하는 샘플링 기간, OLED를 발광시키는 에미션 기간으로 구성된다.
스캔 펄스(SCAN)는 초기화 기간 및 샘플링 기간 내에서 온 레벨로 입력된 후, 에미션 기간에서 오프 레벨로 입력된다. 에미션 펄스(EM)는 초기화 기간 및 에미션 기간에서는 온 레벨로 입력되고, 샘플링 기간에서는 오프 레벨로 입력된다.
초기화 기간 동안, 제3 스위치 TFT(ST3)와 에미션 TFT(ET)는 온 레벨의 에미션 펄스(EM)에 응답하여 턴 온 되고, 제1, 제2 및 제4 스위치 TFT(ST1,ST2,ST4)는 온 레벨의 스캔 펄스(SCAN)에 응답하여 턴 온 된다. 따라서, 초기화 기간 동안 제1 내지 제4 노드(N1~N4)의 전압은 기준 전압(VREF)으로 초기화된다.
샘플링 기간 동안 제1, 제2 및 제4 스위치 TFT(ST1,ST2,ST4)는 온 레벨의 스캔 펄스(SCAN)에 응답하여 턴 온 상태를 유지하는 데 반해, 제3 스위치 TFT(ST3)와 에미션 TFT(ET)는 오프 레벨의 에미션 펄스(EM)에 응답하여 턴 오프 된다. 샘플링 기간 동안 데이터전압(VDATA)은 데이터라인과 제1 스위치 TFT(ST1)을 통해 제2 노드(N2)에 인가된다. 샘플링 기간 동안, 제1 및 제3 노드(N1,N3)의 전위는 "VDD-Vth"가 된다. Vth는 구동 TFT(DT)의 문턱전압을 지시한다.
에미션 기간 동안 제1, 제2 및 제4 스위치 TFT(ST1,ST2,ST4)는 오프 레벨의 스캔 펄스(SCAN)에 응답하여 턴 오프되고, 제3 스위치 TFT(ST3)와 에미션 TFT(ET)는 온 레벨의 에미션 펄스(EM)에 응답하여 턴 온 된다. 에미션 기간 동안 제2 노드(N2)에는 기준전압(VREF)가 인가되며, 제2 노드(N2)의 전위 변화분(VREF-VDATA)은 제1 노드(N1)에 반영된다. 에미션 기간 동안 제1 노드(N1)의 전위는 "(VDD-Vth)+(VREF-VDATA)"로 프로그래밍 된다. 따라서, 에미션 기간 동안, 구동 TFT(DT)의 게이트-소스 간의 전압(Vgs)은 "VDATA-VREF+Vth"으로 프로그래밍된다. 구동전류(Ioled) 관계식은 k/2(Vgs-Vth)2인데, 상기 프로그래밍 된 Vgs에는 Vth가 포함되어 있으므로, 구동전류(Ioled) 관계식에서 Vth 성분은 소거된다. 따라서, 문턱전압(Vth) 변화가 구동 전류(Ioled)에 미치는 영향이 제거된다.
한편, 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 OLED의 캐소드전극(CAT)에는 제1 스위치(SW1)를 통해 저전위 전원전압(VSS)가 공급된다. 제1 스위치(SW1)는 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 온 레벨의 제1 제어신호(VMUX)에 의해 턴 온 된다. 제1 제어신호(VMUX)는 동기 신호(Tsync)와 반대 위상을 가질 수 있다.
다음으로, 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 픽셀(P)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
터치센서 구동 기간(Tt) 동안 OLED의 캐소드전극(CAT)에는 제2 스위치(SW2)를 통해 터치 센서 구동 신호(Tdrv)가 공급되며, 캐소드전극(CAT)이 터치 센서로 동작된다. 제2 스위치(SW2)는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안 온 레벨의 제2 제어신호(VMUXB)에 의해 턴 온 된다. 제2 제어신호(VMUXB)는 동기 신호(Tsync)와 동일 위상을 가질 수 있다.
터치 센서(CAT)에 손가락 등의 전도성 물체가 접촉되면 접촉 커패시턴스(Cf)에 의해 터치 센서(CAT)의 정전 용량이 변하고, 그 변화량을 기반으로 터치를 감지한다. 그런데, 터치 센서(CAT)는 픽셀들(P)의 신호라인들 및 전원단자들과 오버랩되게 형성되므로, 오버랩 되는 부분에서 커플링으로 인한 기생 용량이 많이 생겨난다. 기생 용량에는, 터치 센서(CAT)와 기준전압(VREF) 입력단 간의 제1 기생 용량(C1), 터치 센서(CAT)와 데이터 라인 간의 제2 기생 용량(C2), 터치 센서(CAT)와 스캔 라인 간의 제3 기생 용량(C3), 터치 센서(CAT)와 에미션 라인 간의 제4 기생 용량(C4), 및 터치 센서(CAT)와 고전위 전원전압(VDD) 입력단 간의 제5 기생 용량(C5)이 있다. 이러한 기생 용량은 터치 센서(CAT)에 영향을 미쳐 터치에 따른 정전 용량 변화량을 작게 하여 터치 성능을 떨어뜨린다. 즉, 기생 용량의 영향이 크면 터치 감도 및 터치 인식의 정확도가 떨어진다.
이에, 터치센서 구동 기간(Tt) 동안, 기준전압(VREF)의 입력단, 데이터 라인, 스캔 라인, 에미션 라인, 및 고전위 전원전압(VDD)의 입력단에는 터치 센서(CAT)와의 기생 용량을 최소화하기 위한 교류 신호(Vac)가 인가된다. 이 교류 신호(Vac)는 터치 구동 신호(Tdrv)와 동일 위상 및 동일 진폭(VTX)을 가지는 것이 바람직하다.
터치센서 구동 기간(Tt) 동안, OLED의 캐소드전극(CAT)에는 교류 신호인 터치 구동 신호(Tdrv)가 인가되므로 OLED의 발광 동작이 불안정해 질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 터치센서 구동 기간(Tt) 동안, 에미션 펄스(EM)를 오프 레벨로 생성하여 픽셀들(P)의 에미션 TFT(ET)를 턴 오프 시킴으로써 불안정한 발광을 미연에 방지한다.
터치센서 구동 기간(Tt) 동안에서의 비 발광으로 인해, 터치센서 구동 기간(Tt)을 사이에 두고 이웃한 디스플레이 구동 기간들(Td)에서 휘도 편차가 생길 수 있다. 그런데, 이러한 휘도 편차는 터치센서 구동 기간(Tt)이 매우 짧기 때문에 크지 않으며, 더욱이 누설 전류 특성이 좋은 산화물 TFT로 픽셀 회로를 구성하는 경우에는 무시할 수 있다. 시뮬레이션 결과, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 터치센서 구동 기간 시작 직전과 터치센서 구동 기간 완료 직후의 OLED 구동 전류 차이는 데이터전압 및 문턱전압 보상 효과 별로 미미한 수준임을 알 수 있었다.
도 10은 본 발명이 적용되는 다른 픽셀의 구체적인 등가 회로도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 픽셀(P)은 OLED, 구동 TFT(DT), 에미션 TFT(ET), 제1 및 제2 스위치 TFT(ST1,ST2), 제1 및 제2 스토리지 커패시터(Cst1,Cst2)를 포함한다. 이 픽셀(P)은 N 타입의 4개의 박막 트랜지스터와 2개의 커패시터를 포함한 4T2C 회로 구조로서, 디스플레이 구동 기간(Td) 동안 구동 TFT(DT)의 문턱전압을 보상할 수 있다.
디스플레이 구동 기간(Td) 동안 이 픽셀(P)의 구체적인 보상 동작은 본원 출원인에 의해 기출원된 대한민국 특허출원 제10-2014-0192641(2014/12/29)에 자세히 기술되어 있다.
이 픽셀(P)에서도, 터치센서 구동 기간(Tt) 동안, 기준전압(VREF)의 입력단, 데이터 라인, 제1 및 제2 스캔 라인, 에미션 라인, 및 고전위 전원전압(VDD)의 입력단에는 터치 센서(CAT)와의 기생 용량을 최소화하기 위한 교류 신호(Vac)가 인가된다. 이 교류 신호(Vac)는 터치 구동 신호(Tdrv)와 동일 위상 및 동일 진폭(VTX)을 가지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 터치 센싱이 이뤄지는 터치센서 구동 기간 동안 터치 센서들에 인가되는 터치 구동 신호와 같은 위상의 교류 신호를 픽셀들에 연결된 데이터 라인들 및 스캔 라인들뿐만 아니라, 픽셀들의 전원 단자들에도 공급하여 인셀 터치 센서들에 미치는 기생 용량의 영향을 최소화한다. 이를 통해 본 발명은 유기발광 표시장치를 사용하여 인셀 터치 센서 기술을 구현할 때 터치 성능을 크게 높일 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.
100 : 표시패널 102 : 데이터 구동부
104 : 게이트 구동부 106 : 타이밍 콘트롤러
110 : 터치 센서 구동부 112 : 전원 공급부

Claims (14)

  1. OLED를 포함한 픽셀들과 터치 센서들이 구비되고, 화상 표시를 위한 디스플레이 구동 기간과 터치 센싱을 위한 터치센서 구동 기간(Tt)으로 시분할 구동되는 표시패널;
    상기 터치센서 구동 기간 동안 터치 구동 신호를 상기 터치 센서들에 공급하여 상기 터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 터치 센서 구동부;
    상기 디스플레이 구동 기간 동안 입력 영상의 데이터 전압을 상기 표시패널의 데이터 라인들에 공급하고, 상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 터치 구동 신호와 위상이 같은 교류 신호를 상기 데이터 라인들에 공급하는 데이터 구동부;
    상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 데이터 전압에 동기되는 스캔 펄스를 상기 표시패널의 스캔 라인들에 공급하고, 상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 교류 신호를 상기 스캔 라인들에 공급하는 게이트 구동부; 및
    상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 픽셀들의 전원 단자에 직류 전원을 공급하고, 상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 전원 단자에 상기 교류 신호를 공급하는 전원 공급부를 포함한 터치 센서 일체형 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 픽셀들의 OLED는 턴 오프 상태를 유지하는 터치 센서 일체형 표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 게이트 구동부는 상기 터치센서 구동 기간 동안 오프 레벨의 에미션 펄스를 에미션 라인들에 동시에 공급하여 상기 픽셀들의 OLED에 인가되는 구동 전류를 차단하는 터치 센서 일체형 표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치 센서들은 소정 단위로 패터닝된 상기 OLED의 캐소드전극으로 구현되고,
    상기 터치 센서 구동부는 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 터치 센서들에 직류 전원 형태의 저전위 전원전압을 공급하는 터치 센서 일체형 표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 단자는, 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 OLED에 연결되며 고전위 전원전압이 인가되는 제1 단자와, 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 OLED를 초기화하기 위한 기준 전압이 인가되는 제2 단자를 포함하고,
    상기 교류 신호는 상기 터치센서 구동 기간 동안, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자에 공급되는 터치 센서 일체형 표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치센서 구동 기간은 상기 입력 영상의 데이터 전압이 상기 표시패널에 기입되지 않는 수직 블랭크 기간을 포함하는 터치 센서 일체형 표시장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류 신호는 상기 터치 구동 신호와 진폭이 동일한 터치 센서 일체형 표시장치.
  8. OLED를 포함한 픽셀들과 터치 센서들이 구비되고, 화상 표시를 위한 디스플레이 구동 기간과 터치 센싱을 위한 터치센서 구동 기간으로 시분할 구동되는 표시패널을 갖는 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법에 있어서,
    상기 디스플레이 구동 기간 동안, 입력 영상의 데이터 전압을 상기 표시패널의 데이터 라인들에 공급하고, 상기 데이터 전압에 동기되는 스캔 펄스를 상기 표시패널의 스캔 라인들에 공급하며, 상기 픽셀들의 전원 단자에 직류 전원을 공급하는 단계; 및
    상기 터치센서 구동 기간 동안, 터치 구동 신호와 위상이 같은 교류 신호를 상기 데이터라인들, 상기 게이트라인들, 및 상기 픽셀들의 전원 단자에 공급하고, 상기 터치 구동 신호를 상기 터치 센서들에 공급하여 상기 터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 단계를 포함한 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 터치센서 구동 기간 동안 상기 픽셀들의 OLED는 턴 오프 상태를 유지하는 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 터치센서 구동 기간 동안 오프 레벨의 에미션 펄스를 에미션 라인들에 동시에 공급하여 상기 픽셀들의 OLED에 인가되는 구동 전류를 차단하는 단계를 더 포함하는 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 터치 센서들은 소정 단위로 패터닝된 상기 OLED의 캐소드전극으로 구현되고,
    상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 터치 센서들에 직류 전원 형태의 저전위 전원전압을 공급하는 단계를 더 포함한 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 전원 단자는, 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 OLED에 연결되며 고전위 전원전압이 인가되는 제1 단자와, 상기 디스플레이 구동 기간 동안 상기 OLED를 초기화하기 위한 기준 전압이 인가되는 제2 단자를 포함하고,
    상기 교류 신호는 상기 터치센서 구동 기간 동안, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자에 공급되는 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 터치센서 구동 기간은 상기 입력 영상의 데이터 전압이 상기 표시패널에 기입되지 않는 수직 블랭크 기간을 포함하는 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 교류 신호는 상기 터치 구동 신호와 진폭이 동일한 터치 센서 일체형 표시장치의 구동방법.
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