KR20170025107A - 플렉서블 터치 스크린을 포함하는 터치 검출 장치 및 방법 - Google Patents

플렉서블 터치 스크린을 포함하는 터치 검출 장치 및 방법 Download PDF

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KR20170025107A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 터치 검출을 수행하며 플렉서블 터치 스크린을 포함하는 터치 검출 장치 및 이의 구동 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하며 터치 검출 대상이 되는 제1 센서패드; 상기 제1 센서패드의 출력단과 연결된 제1 입력단 및 기준 전압을 수신하는 제2 입력단을 가지며, 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하는 연산 증폭기; 상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량 양단의 전위를 제어하는 제1 스위치; 상기 충전을 위한 구간 동안은 오프 상태로 유지되며 상기 제1 센서패드의 출력단과 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 간의 연결을 스위칭하는 제2 스위치; 및 제1 센서패드의 출력단과 동일한 전위를 제2 센서패드에 공급하는 기생 정전용량 제거 회로를 포함하는, 터치 검출 장치가 제공된다.

Description

플렉서블 터치 스크린을 포함하는 터치 검출 장치 및 방법{TOUCH DETECTING APPARATUS COMPRISING FLEXIBLE TOUCH SCREEN AND METHOD}
본 발명은 플렉서블 터치 스크린을 포함하는 터치 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선형성이 보장되면서도 기생 정전용량에 대한 영향 또한 최소화된 터치 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 화면에 표시된 문자나 도형을 사람의 손가락이나 다른 접촉수단으로 접촉하여 사용자의 명령을 입력하는 장치로서, 영상 표시 장치 위에 부착되어 사용된다. 터치 스크린 패널은 사람의 손가락 등으로 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다. 상기 전기적 신호는 입력 신호로서 이용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 분해 평면도이다.
도 1을 참고하면, 터치 스크린 패널(10)은 투명 기판(12)과 투명 기판(12) 위에 차례로 형성된 제1 센서 패턴층(13), 제1 절연막층(14), 제2 센서 패턴층(15) 및 제2 절연막층(16)과 금속 배선(17)으로 이루어진다.
제1 센서 패턴층(13)은 투명 기판(12) 위에 횡방향을 따라 연결될 수 있으며, 행 단위로 금속 배선(17)과 연결된다.
제2 센서 패턴층(15)은 제1 절연막층(14) 위에 열방향을 따라 연결될 수 있으며, 제1 센서 패턴층(13)과 중첩되지 않도록 제1 센서 패턴층(13)과 교호로 배치된다. 또한, 제2 센서 패턴층(15)은 열 단위로 금속 배선(17)과 연결된다.
터치 스크린 패널(10)에 사람의 손가락이나 접촉 수단이 접촉되면 제1 및 제2 센서 패턴층(13, 15) 및 금속 배선(17)을 통하여 구동 회로 측으로 접촉 위치에 따른 정전용량의 변화가 전달된다. 그리고 이렇게 전달된 정전용량의 변화가 전기적 신호로 변환됨에 따라 접촉 위치가 파악된다.
그러나 이러한 터치 스크린 패널(10)은 각 센서 패턴층(13, 15)에 인듐-틴 옥사이드(ITO)와 같은 투명한 도전성 물질로 이루어진 패턴을 별도로 구비하여야 하고, 센서 패턴층(13, 15) 사이에 절연막층(14)을 구비하여야 하므로 두께가 증가한다.
또한, 터치에 의해 미세하게 발생하는 정전용량의 변화를 수차례 축적하여야 터치 검출이 가능하기 때문에 높은 주파수로 정전용량 변화를 감지하여야 한다. 그리고, 정전용량의 변화를 정해진 시간 내에 충분히 축적하기 위해서는 낮은 저항을 유지하기 위한 금속 배선을 필요로 하는데, 이러한 금속 배선은 터치 스크린의 테두리에 베젤을 두껍게 하고 추가의 마스크 공정을 발생시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 2에 도시되는 바와 같은 터치 검출 장치가 제안되었다.
도 2에 도시되는 터치 검출 장치는 터치 패널(20)과 구동 장치(30) 및 이 둘을 연결하는 회로 기판(40)을 포함한다.
터치 패널(20)은 기판(21) 위에 형성되며 다각형의 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 센서 패드(22) 및 센서 패드(22)에 연결되어 있는 복수의 신호 배선(23)을 포함한다.
각 신호 배선(23)은 한쪽 끝이 센서 패드(22)에 연결되어 있으며 다른 쪽 끝은 기판(21)의 아래 가장자리까지 뻗어 있다. 센서 패드(22)와 신호 배선(23)은 커버 유리(50)에 패터닝 될 수 있다.
구동 장치(30)는 복수의 센서 패드(22)를 순차적으로 하나씩 선택하여 해당 센서 패드(22)의 정전용량을 측정하고, 이를 통해 터치 발생 여부를 검출해낸다.
도 3은 도 2의 터치 검출 장치에 터치가 발생한 경우 터치 검출을 하는 동작을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 3을 참조하면, 터치가 발생할 경우 터치 발생 도구(예를 들면, 손가락)와 센서 패드(22) 사이에는 터치 정전용량(Ct)이 형성되고, 센서 패드(22)와 공통전극 사이에서는 공통 전압 정전용량(Cvcom)이 형성된다. 또한, 센서패드(22)에는 미지의 기생 정전용량(Cp)이 형성되며, 센서패드(22)와 교번전압(Vdrv) 공급 경로 사이에는 구동 정전용량(Cdrv)이 형성된다.
터치 검출 장치의 터치 여부 검출 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 충전 신호(Vb)에 의해 센서패드(22)가 충전된다. 그 후, 트랜지스터에 의해 충전 신호(Vb)의 공급이 차단되면, 터치 정전용량(Ct), 기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv) 및 공통 전압 정전용량(Cvcom)에 충전된 전하는 고립된다. 이러한 전하 고립 상태를 플로팅(Floating) 상태라 한다. 이때, 교번전압(Vdrv)이 인가되면 센서패드(22)의 출력 전압(Vo)은 교번전압(Vdrv)에 따라 그 레벨이 달라지게 된다. 이 때의 출력 전압(Vo) 레벨 상승과 강하는 연결된 정전 용량에 따라 상이한 값을 갖게 되는데, 이렇게 연결된 정전용량에 따라 전압 레벨의 상승 값 또는 하강 값이 바뀌는 현상을 "킥백(kick-back)"이라 부르기도 한다.
터치 검출 장치에 터치가 발생할 시 센서패드(22)의 출력 전압(Vo)의 전압 변동(ΔVo)은 다음과 같은 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서 VdrvH와 VdrvL은 각각 교번전압(Vdrv)의 하이 레벨 전압 및 로우 레벨 전압이다.
수학식 1에서 터치 정전용량(Ct)이 분모에 위치하므로 터치 전후의 출력 전압 변동(ΔVo)(레벨 시프트)과 터치 정전용량(Ct)은 선형 관계가 되지 않는다.
터치 전후의 레벨 시프트(△Vo)는 터치 정전용량(Ct)과 관련되는 터치 면적에 상응하기 때문에 레벨 시프트(△Vo)와 터치 정전용량(Ct) 사이의 선형성을 확보한다면 보다 용이하게 터치 좌표를 구할 수가 있다.
따라서, 터치 전후의 레벨 시프트와 터치 정전용량 사이의 선형성을 확보할 수 있는 기술이 요구된다.
또한, 상기 수학식 1에서도 알 수 있는 바와 같이 기생 정전용량(Cp)이 크면 클수록 레벨 시프트(△Vo)는 작아진다. 즉, 회로에 존재하는 기생 정전용량(Cp)이 터치 검출의 정확도에 악영향을 미치게 된다.
따라서, 터치 검출 장치에 존재하는 기생 정전용량에 따른 영향을 감소시킬 수 있는 기술이 필요하다.
또한, 최근 들어 플렉서블(Flexible)한 영상표시장치가 개발되고 있는 추세이며, 이 경우 상기 플렉서블 영상표시장치에 적용되는 터치 스크린 패널 역시 플렉서블한 특성이 요구된다.
따라서, 터치 전후의 레벨 시프트와 터치 정전용량 사이의 선형성을 확보하고, 터치 검출 장치에 존재하는 기생 정전용량에 따른 영향을 감소시키면서도 동시에 플렉서블 특성을 터치 검출 장치에 부여할 수 있는 기술에 대한 개발이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 레벨 시프트값과 터치 정전용량 간의 선형성이 보장되면서도 기생 정전용량의 영향이 최소화된 터치 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하며 터치 검출 대상이 되는 제1 센서패드; 상기 제1 센서패드의 출력단과 연결된 제1 입력단 및 기준 전압을 수신하는 제2 입력단을 가지며, 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하는 연산 증폭기; 상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량 양단의 전위를 제어하는 제1 스위치; 상기 충전을 위한 구간 동안은 오프 상태로 유지되며 상기 제1 센서패드의 출력단과 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 간의 연결을 스위칭하는 제2 스위치; 및 제1 센서패드의 출력단과 동일한 전위를 제2 센서패드에 공급하는 기생 정전용량 제거 회로를 포함하는, 터치 검출 장치가 제공된다.
상기 기생 정전용량 제거 회로는, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 온/오프와 동기화되어 상기 제1 센서패드의 출력단 전위와 동일한 전위를 상기 제2 센서패드에 공급한다.
상기 기생 정전용량 제거 회로는, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 상태일 때 그라운드 전위와 상기 기준 전압을 각각 상기 제2 센서패드에 공급한다.
상기 기생 정전용량 제거 회로는, 신호원으로부터 상기 제1 센서패드의 출력단 전위와 동일한 신호를 입력받아 상기 제2 센서패드에 공급하는 피드백 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 제1 센서패드와 연결된 기생 정전용량 또는 상기 터치 정전용량 중 적어도 일부를 충전시키는 기생 정전용량 보상 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 기생 정전용량 보상 회로가 공급하는 전하량은 상기 기생 정전용량에 충전되는 전하량과 동일한 양일 수 있다.
상기 기생 정전용량 보상 회로는, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때 일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에는 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 제1 센서패드와 일단에 기준 전압이 공급되는 구동 정전용량을 초기화시키는 단계; 상기 기준 전압을 통해 상기 터치 정전용량을 충전시키는 단계; 및 상기 구동 정전용량의 타단 전압 변동분을 기초로 터치 여부를 검출하는 단계를 포함하는 단계를 포함하고, 상기 초기화 단계 및 충전 단계는 상기 제1 센서패드의 출력단 전위와 동일한 전위를 제2 센서패드에 공급하는 단계를 각각 포함하는, 터치 검출 방법이 제공된다.
상기 초기화 단계는, 그라운드 전위를 상기 제2 센서패드에 공급하는 단계를 포함하고, 상기 충전 단계는, 상기 기준 전압을 상기 제2 센서패드에 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 충전 단계는, 기생 정전용량 보상 회로를 통해 상기 제1 센서패드와 연결된 기생 정전용량을 충전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기생 정전용량 보상 회로는, 일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 통해 충전을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 터치 검출의 기초가 되는 레벨 시프트값과 터치 정전용량이 선형성을 갖게 되기 때문에 선형 관계의 출력값을 쉽게 구할 수 있다는 이점을 얻을 수 있는 한편, 센서패드 간 관계에 의해 발생하는 기생 정전용량을 최소화함으로써, 기생 정전용량이 터치 검출에 주는 영향을 방지할 수 있다.
도 1은 통상적인 터치 스크린 패널의 분해 평면도이다.
도 2는 통상적인 터치 검출 장치의 분해 평면도이다.
도 3은 도 2의 터치 검출 장치에 터치가 발생한 경우 터치 검출을 하는 동작을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 그리고 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 시스템을 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 터치 검출 장치(400)는 센서패드(410), 터치 정전용량(Ct), 기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv), 연산 증폭기(OP-amp), 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다.
센서패드(410)는 터치 입력 검출을 위해 기판 상에 패터닝된 전극으로서 터치 입력 도구와의 사이에서 터치 정전용량(Ct)을 형성한다. 센서패드(410)는 각각 독립 상태의 다각형으로 복수 개가 형성될 수 있으며, 투명 도전체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 센서패드(410)는 ITO(indium-tin-oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), IZO(indium-zinc-oxide), CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv)은 센서패드(410) 및 이와 연결된 신호배선(미도시됨) 당 하나씩 그룹을 이룰 수 있다. 센서패드(410), 신호배선, 기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv)을 합하여 "터치 센싱 유닛(touch sensing unit)"라 한다. 이 터치 센싱 유닛은 각각의 구성요소가 멀티플렉서에 의해 전기적으로 연결된 경우를 포함하는 개념이다.
기생 정전용량(Cp)은 센서패드(410)에 부수되는 정전용량을 의미하는 것으로 센서패드(410) 또는 신호배선 등에 의해 형성되는 일종의 기생 용량이다. 기생 정전용량(Cp)은 터치 검출 장치(400)가 LCD 등의 표시 장치 위에 장착될 때 표시 장치의 공통 전극과의 사이에서 형성되는 정전용량을 포함하는 개념일 수 있다.
구동 정전용량(Cdrv)은 센서패드(410)에 소정 주파수로 교번하는 구동전압(Vdrv)을 공급하는 경로에 형성되는 정전용량이다. 구동 커패시터(Cdrv)에 인가되는 구동전압(Vdrv)은 바람직하게는 구형파 신호이다. 구동전압(Vdrv)은 듀티비(duty ratio)가 동일한 클럭 신호일 수도 있으나 듀티비가 상이할 수도 있다.
연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단은 센서패드(410)의 출력과 연결되고 제2 입력단에는 기준 전압(Vref)이 인가된다. 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단과 출력단 사이에는 구동 정전용량(Cdrv)이 연결되며, 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위는 제1 스위치(SW1)에 의해 제어된다. 한편, 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단과 센서패드(410) 출력단 사이에는 제2 스위치(SW2)가 연결된다. 또한, 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단은 레벨 시프트 검출부와 연결된다. 레벨 시프트 검출부는 아날로그-디지털 변환기(ADC) 등을 포함할 수 있고, 연산 증폭기(OP-amp) 출력단에서의 전압 변동분에 기초하여 터치 여부를 검출해낸다.
도 4에 도시되는 터치 검출 장치(400)에 있어서는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 교번하여 온/오프 된다.
제1 스위치(SW1)가 온 되면, 터치 정전용량(Ct)은 그라운드 전위로 연결되며, 기생 정전용량(Cp) 양단 또한 그라운드 전위와 연결된다. 이 때, 센서패드(410)가 초기화된다. 또한, 구동 정전용량(Cdrv)도 초기화된다. 도 4에서는 구동 정전용량(Cdrv) 양단 사이에 제1 스위치(SW1)가 연결되어, 제1 스위치(SW1)가 온 상태가 되면, 구동 정전용량(Cdrv) 양단 전압이 0V가 되는 것으로 예시하였으나, 구동 정전용량(Cdrv)은 소정의 충전전압과 연결되어, 제1 스위치(SW1)가 온 될 시 초기 전압이 충전될 수도 있다. 이하에서는, 도 4에 도시된 예를 들어 설명한다.
도 4에서, 제1 스위치(SW1)가 온 되는 동안에는 터치 정전용량(Ct), 기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv)에 아무런 전하도 충전되지 않게 된다. 한편, 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량(Cdrv)의 양단 전위는 모두 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단에 입력되는 기준 전압(Vref)과 같아진다.
제1 스위치(SW1)가 오프 되고, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환되면, 제2 스위치(SW2)의 양단 전위차가 기준 전압(Vref)과 같아진다. 정상 상태에 도달하면, 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)이 모두 기준 전압(Vref)으로 충전된 상태가 된다. 또한, 연산 증폭기(OP-amp)는 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)에 충전된 전하와 동일한 양의 전하가 구동 정전용량(Cdrv)에 충전되도록 한다.
터치 정전용량(Ct) 및 기생 정전용량(Cp)에 충전된 전하의 합(Q1)은 다음과 같다. 여기서, Q=CV의 수식을 활용한다.
Figure pat00002
한편, 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위차(Vdrv)는 다음과 같아진다. 여기서, Q2는 제2 스위치(SW2)가 온 된 후 정상 상태에 도달하였을 때 구동 정전용량(Cdrv)에 충전된 전하량이다.
Figure pat00003
전술한 바와 같이, 연산 증폭기(OP-amp)에 의해 Q1과 Q2는 동일해지므로, 수학식 2와 수학식 3을 이용하면, 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위차(Vdrv)는 다음과 같이 전개된다.
Figure pat00004
Figure pat00005
제2 스위치(SW2)가 온 되기 전, 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위차는 0V이고, 구동 정전용량(Cdrv)과 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단이 입력된 노드의 전위는 기준 전압(Vref)으로 유지되므로, 터치 전후 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압의 변화량(ΔVo)은 제2 스위치(SW2)가 온 된 후의 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전압(Vdrv)과 같아진다.
구동 정전용량(Cdrv), 기준 전압(Vref)은 일정한 값을 가지므로, 연산 증폭기(OP-amp) 출력단 전압의 변동분(△Vo)은 터치 정전용량(Ct)에 비례하게 된다. 이에 따라, 터치 전후의 연산 증폭기(OP-amp) 출력단 전압 레벨 차이, 즉, 레벨 시프트(△Vo) 또한 터치 정전용량(Ct)에 비례하는 관계가 성립될 수 있다. 또한, 레벨 시프트(△Vo)를 입력으로 하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 출력값 역시 터치 정전용량(Ct)에 선형적으로 비례하게 되어 선형성을 확보할 수 있다.
그러나, 상기 수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이, 레벨 시프트(△Vo) 값은 검출을 위해 파악되어야 하는 터치 정전용량(Ct) 뿐만 아니라 기생 정전용량(Cp)에 의해서도 영향을 받게 된다. 이는 결국 터치 검출의 정확성을 떨어뜨리게 된다.
본 발명에서는 레벨 시프트(△Vo) 값과 터치 정전용량(Ct) 간의 선형성이 확보되면서도 기생 정전용량(Cp)의 영향을 최소화하는 회로가 제안된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시하는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 도 4를 참조하여 설명한 회로도에 기생 정전용량 제거 회로(500)가 더 포함된다.
터치 검출 장치에 존재하는 기생 정전용량은 다양한 원인에 의해 형성된다. 센서패드(410-1, 410-2)와 신호배선 간의 관계에 의해 형성되기도 하고, 센서패드(410-1, 410-2) 간 관계에 의해 형성되기도 한다. 예를 들어, 제1 센서패드(410-1)가 현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드라면, 이웃하는 제2 센서패드(410-2)와의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량(Cpt)이 존재할 수 있다. 또한, 제2 센서패드(410-2)와 다른 회로 구성 간 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량(Cp0) 또한 제1 센서패드(410-1)에 대한 터치 여부 검출 시에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기생 정전용량 제거 회로(500)는 현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)와 다른 센서패드(410-2) 간 전위를 동일하게 맞춰주는 동작을 통해, 센서패드(410-1, 410-2) 간 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량(Cpt)을 최소화시키는 역할을 한다.
이를 위해 기생 정전용량 제거 회로(500)는 현재 터치 여부 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)의 출력단 전압과 동일한 전압을 다른 센서패드(410-2)에 공급한다.
전술한 바와 같이, 터치 검출 장치의 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW1)는 교번하여 온/오프 되는데, 제1 스위치(SW1)가 온 상태일 때에는 현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)의 출력이 그라운드와 연결된다. 따라서, 센서패드(410-1)의 출력단(N1) 전위는 그라운드 전압(GND)과 같아진다.
한편, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때에는 현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)의 출력이 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단과 연결된다. 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단에는 기준 전압(Vref)이 공급되고 있으므로, 센서패드(410-1)의 출력단(N1) 전위 또한 기준 전압(Vref)과 같아진다.
따라서, 제1 스위치(SW1)가 온 상태일 때에는 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1) 이외의 다른 센서패드(410-2)에 그라운드 전위(GND)를 공급해주고, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때에는 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1) 이외의 다른 센서패드(410-2)에 기준 전압(Vref)을 공급해준다면, 인접하는 센서패드 간 전위차는 0으로 유지될 수 있다.
사이에 유전 물질을 두고 2개의 도체가 존재한다면, 해당 구조에 충전되는 전하량(Q)은 Q=CV와 같은 수식으로 표현될 수 있다. 여기서, C는 해당 구조의 정전용량 값이며, V는 양 도체 사이의 전위차이다.
상기 수식에서, 양 도체의 전위차(V)를 0에 가깝도록 수렴시키면, 도체간 전위 차에 의해 끌려지는 전하량(Q)도 0에 가깝게 수렴시킬 수 있다. 정전용량(C)은 전하의 충전 능력에 비례하는 것이므로, 충전되는 전하량(Q)이 0에 가깝게 된다면, 도체 간 관계에 의해 형성되는 정전용량(C)도 0에 가깝게 수렴한다는 의미가 된다.
따라서, 2개의 센서패드(410-1, 410-2) 간 전위차를 항상 0에 가깝게 되도록 제어한다면, 2개의 센서패드(410-1, 410-2) 간 관계에 의해 발생할 수 있는 기생 정전용량(Cpt) 또한 최소화될 수 있다.
기생 정전용량 제거 회로(500)는 현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1) 이외의 센서패드(410-2)에 그라운드 전위(GND) 및 기준 전압(Vref)을 교번하여 공급함으로써, 센서패드(410-1, 410-2)의 출력단 전위를 동전위로 제어한다.
이러한 기생 정전용량 제거 회로(500)는 제1 입력단이 출력과 연결된 피드백 증폭기(OP-amp_fb)를 포함할 수 있다. 피드백 증폭기(OP-amp_fb)의 제2 입력단에는 그라운드 전위(GND)와 기준 전압(Vref)을 교번하여 공급하는 신호원(SS)이 연결될 수 있다.
신호원(SS)은 로우(low) 신호가 그라운드 전위(GND)이고 하이(hing) 신호가 기준 전압(Vref)과 동일한 클록 신호일 수 있다. 신호원(SS)이 클록 신호일 때 그 주파수는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 스위칭 주파수와 동일하여야 하며, 제1 스위치(SW1)가 온 상태일 때에는 로우 신호, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때에는 하이 신호가 출력되도록 동기화되어야 한다.
또한, 다른 예로 신호원(SS)은 기준 전압(Vref) 공급원과 스위치(미도시됨)로 구현될 수도 있다. 피드백 증폭기(OP-amp_fb)의 제2 입력단에 기준 전압(Vref)을 공급하되, 스위치를 통해 일정 간격으로 그 공급을 차단할 수 있다. 제1 스위치(SW1)가 온 될 때에는 기준 전압(Vref)의 공급을 차단하고, 제2 스위치(SW2)가 온 될 때에는 기준 전압(Vref)의 공급을 허용함으로써 신호원(SS)의 기능을 할 수 있다. 이 경우 피드백 증폭기(OP-amp_fb)의 제2 입력단과 기준 전압(Vref)을 연결 또는 차단시키는 스위치는 제2 스위치(SW2)와 동기화되어 온/오프 될 수 있다.
한편, 도 5에는 기생 정전용량 제거 회로(500)에 피드백 증폭기(OP-amp_fb)가 포함되는 것으로 예시되었으나, 피드백 증폭기(OP-amp-fb)는 제2 입력단에 공급되는 신호의 변형을 최소화하고 안정도를 향상시키기 위한 소자이므로, 피드백 증폭기(OP-amp_fb)는 생략되고, 신호원(SS)이 직접적으로 센서패드(410-2)의 출력과 연결될 수도 있음은 물론이다.
도 5에 도시한 실시예에 따르면, 센서패드(410-1, 410-2) 간 관계에 따른 기생 정전용량(Cpt)은 이상적인 경우에 모두 제거되며, 이 외의 다른 기생 정전용량(Cp0)만이 남게된다.
이렇게 다른 원인에 의해 생기는 기생 정전용량(Cp0)의 영향도 최소화시키는 회로가 도 6을 통해 제안된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시하는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 도 5를 참조하여 설명한 회로도에 기생 정전용량 보상 회로(600)가 추가되었다는 것을 알 수 있다.
일 실시예에 따른 기생 정전용량 보상 회로(600)는 피드백 정전용량(Cfb)을 포함하며, 피드백 정전용량(Cfb) 양단의 전위차는 제1 스위치(SW1)에 의해 제어된다. 피드백 정전용량(Cfb)의 일단은 제2 스위치(SW2)에 의해 센서패드(410) 출력과 연결 또는 차단되며, 타단에는 피드백 전압(Vfb)이 인가된다.
제1 스위치(SW1)가 온 되고 제2 스위치(SW2)가 오프 상태인 경우에는, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 터치 정전용량(Ct) 양단의 전위차가 0V가 된다. 또한, 센서패드(410-1)의 출력과 연결된 노드(N1)의 전위가 0V가 되기 때문에, 센서패드(410-1)와 연결된 기생 정전용량(이하, 'Cp'로 표기함)의 양단 전위차 또한 0V가 된다. 따라서, 터치 정전용량(Ct) 및 센서패드(410-1)와 연결된 기생 정전용량(Cp)에는 전하가 충전되지 않게 된다. 또한, 구동 정전용량(Cdrv) 양단위 전위차 및 피드백 정전용량(Cfb) 양단의 전위차도 0V가 되어, 모든 정전용량에 전하가 충전되지 않게 된다. 이 때, 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위는 모두 기준 전압(Vref)과 같아지고, 피드백 정전용량(Cfb)의 양단 전위는 모두 피드백 전압(Vfb)과 같아진다.
제1 스위치(SW1)가 오프되고 제2 스위치(SW2)가 온 상태가 되면, 센서패드(410-1) 출력과 제2 스위치(SW2)가 연결되는 노드(N1)의 전위가 기준 전압(Vref)과 동일해진다. 이에 따라, 터치 정전용량(Ct) 및 센서패드(410-1)와 연결된 기생 정전용량(Cp)이 모두 기준 전압(Vref)에 의해 충전되고, 충전되는 전하량의 합(Q1)은 수학식 2와 같아진다.
한편, 피드백 전압(Vfb)이 기준 전압(Vref)보다 크다면, 피드백 정전용량(Cfb) 양단 간에는 전위차가 발생하게 된다. 구체적으로, 피드백 정전용량(Cfb)의 양단 중 센서패드(410-1)의 출력과 연결되는 일단의 전위가 피드백 전압(Vfb)이 인가되는 타단보다 낮은 전위가 되며, 이에 따라 피드백 정전용량(Cfb)은 터치 검출 장치에 전하를 공급하는 역할을 하게 된다.
터치 정전용량(Ct) 및 센서패드(410-1)와 연결된 기생 정전용량(Cp)에 충전된 전하량의 합(Q1)은 구동 정전용량(Cdrv) 및 피드백 정전용량(Cfb)이 공급하는 전하량의 합(Q2)과 같아지므로 다음과 같은 수학식이 전개될 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
여기서, 피드백 전압(Vfb)을 기준 전압(Vref)의 2배인 것으로 가정하고, 이를 대입하면, 다음과 같아진다.
Figure pat00009
한편, 전술한 바와 같이, 터치 전후 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압의 변화량, 레벨 시프트(ΔVo) 값은 제2 스위치(SW2)가 온 된 후의 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전압(Vdrv)과 같은 값이기 때문에, 수학식 6에서 Vdrv를 ΔVo로 치환하면 다음과 같아진다.
Figure pat00010
상기 수식에서 피드백 정전용량(Cfb)을 기생 정전용량(Cp)과 동일한 값으로 조절할 수 있다면, 터치 전후의 레벨 시프트(ΔVo) 값은 기생 정전용량(Cp)에 무관한 값이 될 수 있다.
즉, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때 기생 정전용량 보상 회로(600)로부터 일정량의 전하량이 공급되는데, 피드백 정전용량(Cfb)의 크기를 적절히 조절한다면, 기생 정전용량 보상 회로(600)가 터치 정전용량(Ct) 외의 다른 모든 기생 정전용량(Cp), 구체적으로는 기생 정전용량 제거 회로(500)에 의해 제거되지 않은 기생 정전용량(Cp)을 충전시키는 역할을 하게 된다. 따라서, 구동 정전용량(Cdrv)에 의한 충전이 터치 정전용량(Ct)만을 충전시키게 되므로, 터치 전후의 레벨 시프트(ΔVo) 값은 잔류하는 기생 정전용량(Cp)과 무관하며 터치 정전용량(Ct)에만 관계있는 값이 된다.
한편, 피드백 정전용량(Cfb)의 크기를 최적화하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 터치 정전용량(Ct)을 '0'이라 가정할 경우, 센서패드(410-1)와 연결되는 기생 정전용량(Cp)이 완전히 제거된다면, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 번갈아 온/오프 되는 과정을 거쳤을 때, 연산 증폭기(OP-amp) 출력단 전압은 기준 전압(Vref)이 되어야 한다. 왜냐하면, 이상적인 경우 터치 검출 장치에 충전된 전하량의 변화가 없어야 하며, 이 때 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위차는 언제나 '0'이어야 하기 때문이다.
따라서, 피드백 정전용량(Cfb) 값을 변화시키면서 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압 또는 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 출력단 전압을 확인한다면, 최적의 피드백 정전용량(Cfb) 값을 택할 수 있게 된다. 다른 소자의 파라미터, 예를 들면, 구동 정전용량(Cdrv) 값과 상관없이 피드백 정전용량(Cfb) 값만을 변화시키면서 최적의 값을 찾을 수 있으므로, 간단한 회로 교정 또는 최적화가 가능해진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기생 정전용량 제거 회로(500)에 의해 센서패드(410-1, 410-2) 간 관계에 따라 형성되는 기생 정전용량(Cpt)이 최소화되며, 기생 정전용량 보상 회로(600)에 의해 다른 원인에 따라 형성되는 기생 정전용량(Cp)에 따른 영향 또한 최소화될 수 있다.
따라서, 터치 검출에 있어서 기생 정전용량에 따른 영향이 효율적으로 제거될 수 있고, 터치 전후의 레벨 시프트 값은 터치 정전용량과의 관계에서만 선형성을 갖게 되어, 정확한 터치 여부 검출이 가능해진다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
500: 기생 정전용량 제거 회로
600: 기생 정전용량 보상 회로

Claims (11)

  1. 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하며 터치 검출 대상이 되는 제1 센서패드;
    상기 제1 센서패드의 출력단과 연결된 제1 입력단 및 기준 전압을 수신하는 제2 입력단을 가지며, 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하는 연산 증폭기;
    상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량 양단의 전위를 제어하는 제1 스위치;
    상기 충전을 위한 구간 동안은 오프 상태로 유지되며 상기 제1 센서패드의 출력단과 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 간의 연결을 스위칭하는 제2 스위치; 및
    제1 센서패드의 출력단과 동일한 전위를 제2 센서패드에 공급하는 기생 정전용량 제거 회로를 포함하는, 터치 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 제거 회로는,
    상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 온/오프와 동기화되어 상기 제1 센서패드의 출력단 전위와 동일한 전위를 상기 제2 센서패드에 공급하는, 터치 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 제거 회로는,
    상기 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 상태일 때 그라운드 전위와 상기 기준 전압을 각각 상기 제2 센서패드에 공급하는, 터치 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 제거 회로는,
    신호원으로부터 상기 제1 센서패드의 출력단 전위와 동일한 신호를 입력받아 상기 제2 센서패드에 공급하는 피드백 연산 증폭기를 포함하는, 터치 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 제1 센서패드와 연결된 기생 정전용량 또는 상기 터치 정전용량 중 적어도 일부를 충전시키는 기생 정전용량 보상 회로를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 기생 정전용량 보상 회로가 공급하는 전하량은 상기 기생 정전용량에 충전되는 전하량과 동일한 양인, 터치 검출 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 보상 회로는,
    상기 제2 스위치가 온 상태일 때 일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에는 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 포함하는, 터치 검출 장치.
  8. 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 제1 센서패드와 일단에 기준 전압이 공급되는 구동 정전용량을 초기화시키는 단계;
    상기 기준 전압을 통해 상기 터치 정전용량을 충전시키는 단계; 및
    상기 구동 정전용량의 타단 전압 변동분을 기초로 터치 여부를 검출하는 단계를 포함하는 단계를 포함하고,
    상기 초기화 단계 및 충전 단계는 상기 제1 센서패드의 출력단 전위와 동일한 전위를 제2 센서패드에 공급하는 단계를 각각 포함하는, 터치 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초기화 단계는, 그라운드 전위를 상기 제2 센서패드에 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 충전 단계는, 상기 기준 전압을 상기 제2 센서패드에 공급하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 충전 단계는,
    기생 정전용량 보상 회로를 통해 상기 제1 센서패드와 연결된 기생 정전용량을 충전시키는 단계를 더 포함하는, 터치 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 보상 회로는,
    일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 통해 충전을 수행하는, 터치 검출 방법.
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KR102441160B1 (ko) * 2021-10-06 2022-09-07 주식회사 지2터치 라인저항이 큰 패널에서의 센싱 방법 및 장치

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