KR20170040825A - 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ROIC의 구동 채널수와 그에 연결되는 라우팅 배선들의 개수를 줄이기 위한 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치에 관한 것이다.
본 발명은 입력 영상을 표시하는 유효 표시영역과, 상기 유효 표시영역 바깥의 비 표시영역을 포함한 표시패널과, Tx 전극라인들에 연결된 지문 센서들을 포함하는 터치 스크린과, 상기 Tx 전극라인들을 통해 상기 지문 센서들에 센서 구동신호를 인가하는 Tx 구동부를 포함하고, 상기 지문 센서들은 상기 유효 표시영역 내에 위치하고, 상기 Tx 구동부는 상기 비 표시영역에 내장된다.

Description

지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치{DISPLAY DEVICE FOR TOUCH SCREEN INCLUDING FINGERPRINT SENSOR}

본 발명은 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치에 관한 것이다.

컴퓨터 기술의 발달에 따라 노트북 컴퓨터, 태블릿 피시(tablet PC), 스마트폰(smart phone), 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant), 현금 자동 입출금기(Automated Teller Machine), 검색 안내 시스템 등과 같은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템(computer based system)이 개발되어 왔다. 이들 시스템에는 통상적으로 개인 사생활과 관련된 개인정보는 물론 영업정보나 영업기밀과 같이 비밀을 요하는 많은 데이터가 저장되어 있기 때문에, 이들 데이터를 보호하기 위해서는 보안을 강화해야 할 필요성이 있다.

이를 위해 종래부터 손가락의 지문을 이용하여 시스템의 등록이나 인증을 수행함으로써 보안성을 강화할 수 있는 지문센서가 알려져 있다.

지문센서는 인간의 손가락 지문을 감지하는 센서이다. 지문센서는 광학식 지문센서(optical fingerprint sensor)와 정전 용량식 지문센서(capacitive fingerprint sensor)로 크게 나누어지는데, 이중 정전 용량식 지문센서(capacitive fingerprint sensor)는 지문센서와 접촉되는 융선(ridge)과 골(valley) 사이에 대전되는 전기량의 차를 이용한 것이다.

종래의 정전 용량식 지문센서는 주로 반도체 방식으로 제작되어 면적당 제품 단가가 매우 비싸고, 또한 불투명하여 표시장치 위에 형성하는 데 제약이 있었다. 최근, 표시장치 위에 형성 가능한 지문센서 기술이 개발되고 있다. 이 기술은 반도체 방식에 비해 가격이 저렴하며, 사이즈의 확장성이 좋으며, 또한 투명하여 디스플레이 기술들과 연계하여 적용하기에 유리하다. 이 기술의 일 예로서, 도 1에는 상호 정전용량 방식의 지문센서 어레이가 도시되어 있다. 도 1의 지문센서 어레이에서 Tx 전극들(ETx)은 제1 라우팅 배선들(1)을 통해 Tx 구동부에 연결되며, Rx 전극들(ERx)은 제2 라우팅 배선들(2)을 통해 Rx 구동부에 연결된다. Tx 전극들(ETx)과 Rx 전극들(ERx)의 교차부들에는 센서 커패시터가 형성된다. Tx 구동부는 센서 구동신호를 Tx 전극들(ETx)에 공급하고, Rx 구동부는 센서 구동신호에 따른 센서 커패시터의 전하량 변화를 수신한다. 이 기술은 지문의 융선과 골에서 수신되는 전하량이 달라지는 것을 이용하여 사람의 지문의 형상을 인식한다. Tx 구동부와 Rx 구동부는 하나의 ROIC(Read-out IC) 내에 집적된다. ROIC 내에서 Tx 구동부는 제1 구동 채널들(1)을 통해 제1 라우팅 배선들(1)에 연결되고, Rx 구동부는 제2 구동 채널들(2)을 통해 제2 라우팅 배선들(2)에 연결된다.

이러한 종래 기술에서 지문센서 어레이가 차지하는 센서 면적을 확장시키면 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 센서 면적이 확장된다는 것은 지문센서의 개수가 증가된다는 것을 의미한다. 따라서, 표시장치에서 지문센서가 많아지면 그에 비례하여 라우팅 배선들도 증가하며, 그 결과 표시장치의 베젤(Bezel) 영역이 넓어져 협 베젤(Narrow Bezel) 설계가 불가능해진다.

둘째, 지문센서는 고밀도의 패턴 어레이를 갖는 센서로서, 좁은 면적에서 센서 면적이 조금만 증가해도 이에 따른 ROIC의 구동 채널수가 급격하게 증가하게 된다. 구동 채널수가 증가하면 ROIC의 크기도 증대될 수밖에 없는데, 이는 센서 면적의 확장에 큰 제약 요인이 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 ROIC의 구동 채널수와 그에 연결되는 라우팅 배선들의 개수를 줄여 지문센서 어레이의 센서 면적을 용이하게 확장할 수 있도록 한 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치는 입력 영상을 표시하는 유효 표시영역과, 상기 유효 표시영역 바깥의 비 표시영역을 포함한 표시패널과, Tx 전극라인들에 연결된 지문 센서들을 포함하는 터치 스크린과, 상기 Tx 전극라인들을 통해 상기 지문 센서들에 센서 구동신호를 인가하는 Tx 구동부를 포함하고, 상기 지문 센서들은 상기 유효 표시영역 내에 위치하고, 상기 Tx 구동부는 상기 비 표시영역에 내장되는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는다.

상기 Tx 구동부는 상기 비 표시영역에 내장되어 상기 Tx 전극라인들에 각각 연결되는 다수의 TIP(Tx driver In Panel) 소자들을 포함한다.

상기 TIP 소자들은, 상기 터치 스크린의 제1 측에 위치하여 상기 Tx 전극라인들 중 기수 Tx 전극라인들에 연결되는 제1 TIP 소자들과, 상기 제1 측과 마주보는 상기 터치 스크린의 제2 측에 위치하여 상기 Tx 전극라인들 중 우수 Tx 전극라인들에 연결되는 제2 TIP 소자들을 포함하는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는다.

상기 TIP 소자들 각각은, Q 노드의 전위와 QB 노드의 전위를 서로 반대로 제어하는 노드 제어부(NC)와, 상기 Q 노드의 전위가 부스팅 레벨로 유지되는 구간 동안 제1 클럭 주파수를 갖는 메인 클럭을 제1 출력 노드에 출력하고, 상기 QB 노드의 전위가 온 레벨로 유지되는 구간 동안 상기 제1 출력 노드의 전위를 오프 레벨로 낮추어 캐리 신호를 생성하는 제1 출력부와, 상기 Q 노드의 전위가 부스팅 레벨로 유지되는 구간 동안 제2 클럭 주파수를 갖는 보조 클럭을 제2 출력 노드에 출력하고, 상기 QB 노드의 전위가 온 레벨로 유지되는 구간 동안 상기 제2 출력 노드의 전위를 오프 레벨로 낮추어 상기 센서 구동신호를 생성하는 제2 출력부를 포함하고, 상기 제2 클럭 주파수는 상기 제1 클럭 주파수보다 높다.

상기 제1 출력부는, 상기 Q 노드에 게이트가 접속되고 상기 메인 클럭의 입력단에 드레인이 접속되며 상기 제1 출력 노드에 소스가 접속된 제1 풀업 스위치와, 상기 QB 노드에 게이트가 접속되고 상기 제1 출력 노드에 드레인이 접속되며 상기 오프 레벨의 전원에 소스가 접속된 제1 풀다운 스위치와, 상기 제1 풀업 스위치의 게이트-소스 사이에 접속된 제1 커패시터를 포함한다. 그리고, 상기 제2 출력부(CBF)는, 상기 Q 노드에 게이트가 접속되고 상기 보조 클럭의 입력단에 드레인이 접속되며 상기 제2 출력 노드에 소스가 접속된 제2 풀업 스위치와, 상기 QB 노드에 게이트가 접속되고 상기 제2 출력 노드에 드레인이 접속되며 상기 오프 레벨의 전원에 소스가 접속된 제2 풀다운 스위치와, 상기 제2 풀업 스위치의 게이트-소스 사이에 접속된 제2 커패시터를 포함한다.

상기 TIP 소자들 중 일부는, 전단 TIP 소자들 중 어느 하나로부터 입력되는 제1 캐리 신호에 응답하여 동작이 셋 되고, 후단 TIP 소자들 중 어느 하나로부터 입력되는 제2 캐리 신호에 응답하여 동작이 리셋 된다.

본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치는 상기 센서 구동신호에 의한 상기 지문 센서들의 전하량 변화를 상기 Tx 전극라인들과 교차하는 Rx 전극라인들을 통해 읽어 내는 Rx 구동부를 더 포함하고, 상기 Rx 구동부는 상기 표시패널에 전기적으로 연결된 리드 아웃 집적회로 상에 집적된다.

본 발명은 Tx 구동부를 ROIC 내에 집적하지 않고 표시패널의 비 표시영역에 내장함으로써, ROIC의 구동 채널수와 그에 연결되는 라우팅 배선들의 개수를 절반 이상 줄일 수 있고, ROIC의 면적 증대, 및 베젤 영역 확장과 같은 제약 요인을 고려할 필요 없이 픽셀 어레이 내에 최대한 넓은 면적으로 지문 센서들을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면 사용자 UI(User Interface)/UX(User Experience) 성능이 크게 개선될 수 있다.

도 1은 종래 상호 정전용량 방식의 지문센서 어레이와 그에 연결된 ROIC를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치를 보여주는 블록도.
도 3은 도 2에 포함된 지문센서 일체형 터치 스크린과 터치 스크린 구동장치를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 표시장치에서 Tx 구동부가 표시패널의 비 표시영역에 내장되는 것을 보여주는 도면.
도 5는 도 4의 Tx 구동부를 구성하는 TIP 소자들의 연결 구성을 보여주는 도면.
도 6은 클럭들에 동기하여 TIP 소자들에서 생성되는 센서 구동신호들을 보여주는 파형도.
도 7은 일 센서 구동신호를 생성하는 TIP 소자의 회로 구성을 보여주는 도면.
도 8은 도 7에 도시된 TIP 소자의 동작을 설명하기 위한 파형도.
도 9는 Tx 구동부를 표시패널에 내장함으로써 얻어지는 본 발명의 효과를 종래 기술과 대비하여 보여주는 도면.

본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시소자(Organic Light Emitting Display, OLED), 전기영동 표시소자(Electrophoresis, EPD) 등의 평판 표시소자 기반으로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 평판 표시소자의 일 예로서 표시장치를 액정표시소자 중심으로 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시소자에 한정되지 않는다.

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 2는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치를 보여준다. 도 3은 도 2에 포함된 지문센서 일체형 터치 스크린과 터치 스크린 구동장치를 보여준다. 그리고, 도 4는 본 발명의 표시장치에서 Tx 구동부가 표시패널의 비 표시영역에 내장되는 것을 보여준다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치는 표시패널(DIS), 디스플레이 구동회로(12,14), 타이밍 콘트롤러(20), 터치 스크린(TSP), 터치 스크린 구동회로(32,34), 터치 콘트롤러(30) 등을 포함한다.

표시패널(DIS)은 두 장의 기판들 사이에 액정층이 형성된다. 표시패널(DIS)의 하부 기판에는 다수의 데이터라인들(D1~Dm, m은 자연수), 이 데이터라인들(D1~Dm)과 교차되는 다수의 게이트라인들(또는 스캔라인들)(G1~Gn, n은 자연수), 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성되는 다수의 TFT들(Thin Film Transistor), 액정셀들에 데이터전압을 충전시키기 위한 다수의 화소전극, 화소전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor) 등을 포함한다.

표시패널(DIS)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 투과양을 조절한다. TFT들은 게이트라인(G1~Gn)으로부터의 게이트펄스에 응답하여 턴-온되어 데이터라인(D1~Dm)으로부터의 전압을 액정셀의 화소전극에 공급한다.

표시패널(DIS)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등을 포함할 수 있다. 표시패널(DIS)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 블랙매트릭스와 컬러필터는 표시패널(DIS)의 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 배면에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(DireCa type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(DIS)에 빛을 조사한다. 표시패널(DIS)은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(VeRaical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 등 공지된 어떠한 액정 모드로도 구현될 수 있다.

표시패널(DIS)은 입력 영상을 표시하는 유효 표시영역(도 4의 AA)과, 유효 표시영역(AA) 바깥의 비 표시영역(도 4의 BA)을 포함한다. 비 표시영역(BA)은 표시장치의 케이스 부재에 의해 덮히는 부분이다. 케이스 부재는 비 표시영역(BA)을 감싸면서 픽셀 어레이가 배치된 유효 표시영역(AA)을 외부에 노출한다.

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

타이밍 콘트롤러(20)는 외부의 호스트 시스템으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동부(12)와 스캔 구동부(14)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 스캔 타이밍 제어신호와 데이터 타이밍 제어신호를 발생한다. 스캔 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate StaRa 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.

터치 스크린(TSP)은 정전 용량(capacitance)을 갖는 다수의 센서들을 포함한다. 정전 용량은 자기 정전 용량(Self Capacitance)과 상호 정전 용량(Mutual Capacitance)으로 나뉘어질 수 있다. 자기 정전 용량은 한 방향으로 형성된 단층의 도체 배선을 따라 형성될 수 있고, 상호 정전 용량은 직교하는 두 도체 배선들 사이에 형성될 수 있다.

상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린(TSP)은, 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되는 Tx 전극라인들(또는 Tx 채널들)(T1~Tj, j는 n 보다 작은 양의 정수), 제2 방향을 따라 나란히 배열되어 Tx 전극라인들(T1~Tj)과 교차하는 Rx 전극라인들(또는 Rx 채널들)(R1~Ri, i는 m 보다 작은 양의 정수), 및 Tx 전극라인들(T1~Tj)과 Rx 전극라인들(R1~Ri)의 교차점들 마다 형성된 상호 용량 센서들(TSCAP)을 포함할 수 있다. 각 상호 용량 센서(TSCAP)는 Tx 전극라인(T1~Tj)에 접속된 Tx 전극(ETx), Rx 전극라인(R1~Ri)에 접속된 Rx 전극(ERx), 및 Tx 전극(ETx)과 Rx 전극(ERx) 사이에 위치하는 절연층을 포함한다. Tx 전극라인들(T1~Tj)은 센서들(TSCAP) 각각에 센서 구동신호를 인가하여 센서들(TSCAP)에 전하를 공급하는 구동 신호 배선들이다. Rx 전극라인들(R1~Ri)은 센서들(TSCAP)에 연결되어 센서들(TSCAP)의 전하를 터치 스크린 구동회로에 공급하는 센서 배선들이다. 상호 용량 센싱 방법은 Tx 전극라인(T1~Tj)을 통해 상호 용량 센서(TSCAP)의 Tx 전극(ETx)에 센서 구동신호를 인가하여 상호 용량 센서(TSCAP)에 전하를 공급하고, 센서 구동 신호와 동기하여 상호 용량 센서(TSCAP)의 용량 변화를 Rx 전극(ERx)과 Rx 전극라인(R1~Ri)을 통해 센싱하면 터치 또는 지문 입력을 센싱할 수 있다.

터치 스크린(TSP)에는 터치 센서와 지문 센서가 일체화된다. 터치 센서와 지문 센서는 동일한 전극 패턴을 공유할 수 있다. 따라서, 상호 용량 센서(TSCAP)는, 터치 센싱 모드에서 터치 센서 역할을 하고, 지문 센싱 모드에서 지문 센서 역할을 할 수 있다.

터치 스크린(TSP)의 상호 용량 센서들(TSCAP)은 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장될 수 있다. 따라서, 지문 센서들(또는 터치 센서들)은 표시패널(DIS)의 유효 표시영역(AA) 내에 위치할 수 있다.

지문센서 일체형 터치 스크린(TSP)을 구현하기 위해, Tx 전극라인들(T1~Tj)과 Rx 전극라인들(R1~Ri)이 미세 패턴, 즉 고밀도 전극 패턴으로 형성된다. 따라서, 터치 스크린(TSP)의 전체 영역에 대해 지문 인식이 가능해지는 잇점이 있다. Tx 전극라인들(T1~Tj)과 Rx 전극라인들(R1~Ri)이 고밀도 전극 패턴으로 형성되기 때문에, 지문 센서들은 지문의 융선과 골 사이에 여러 개가 위치할 수 있도록 미세하게 구현됨으로써 정확한 지문 센싱이 가능해진다.

터치 센싱시에는 지문 센싱시에 비해 높은 해상력이 필요 없으므로, 터치 센싱 모드에서 상호 용량 센서들(TSCAP)은 블록 단위로 동시에 구동될 수 있다. 지문 센싱 모드에서는, 센싱 시간, 소비전력 및 터치 리포트 레이트를 줄이기 위해 터치 입력 여부를 간단히 블록 단위로 1차 센싱하고, 터치가 인식된 특정 영역에 대해서만 자세하게 2차 센싱할 수 있다. 다시 말해, 지문 센싱 모드에서는 1차 센싱 기간(블록 센싱 기간) 동안 블록 단위로 지문 입력 유무를 검출한 후 지문 입력이 검출될 때 2차 센싱 기간(파셜 센싱 기간)으로 이행하여 지문 입력이 발생된 블록에 한하여 상호 용량 센서(TSCAP) 단위로 지문 입력을 센싱할 수 있다.

터치 스크린 구동회로는 Tx 구동부(32)와, Rx 구동부(34)를 포함한다. 터치 스크린 구동회로는 Tx 채널들(T1~Tj)에 센서 구동신호를 공급하고 Rx 채널들(R1~Ri)을 통해 상호 용량 센서(TSCAP)의 전하를 센싱하여 디지털 데이터로 변환한다.

Tx 구동부(32)는 터치 콘트롤러(30)의 제어하에 Tx 채널을 설정하고, 설정된 Tx 채널들(T1~Tj)에 센서 구동신호를 공급한다. 센서 구동신호는 센싱 감도가 향상되도록 다중 펄스 형태로 공급될 수 있다.

Rx 구동부(34)는 터치 콘트롤러(30)의 제어하에 상호 용량 센서(TSCAP)의 전압을 수신할 Rx 채널을 설정하고, 설정된 Rx 채널들(R1~Ri)을 통해 상호 용량 센서(TSCAP)의 전압을 수신한다. Rx 구동부(34)는 수신된 전압을 디지털 센싱 데이터로 변환하여 터치 콘트롤러(30)로 전송한다.

터치 콘트롤러(30)는 I2C 버스, SPI(serial peripheral interface), 시스템 버스(System bus) 등의 인터페이스를 통해 Tx 구동부(32)와 Rx 구동부(34)에 연결된다. 터치 콘트롤러(30)는 셋업 신호를 Tx 구동부(32)와 Rx 구동부(34)에 공급하여 센서 구동신호가 출력될 Tx 채널을 설정하고 상호 용량 센서(TSCAP)의 전압이 읽혀질 Rx 채널을 선택한다. 터치 콘트롤러(30)는 Rx 샘플링 클럭을 Rx 구동부(34)에 내장된 적분기들에 공급하여 적분기들의 동작을 제어함으로써, 상호 용량 센서(TSCAP)의 전압 샘플링 타이밍을 제어할 수 있다.

또한, 터치 콘트롤러(30)는 ADC 클럭을 Rx 구동부(34)에 내장된 아날로그-디지털 변환기(Analog to Digital conveRaer, 이하 "ADC"라 함)에 공급하여 ADC의 동작 타이밍을 제어할 수 있다.

터치 콘트롤러(30)는 Rx 구동부(34)로부터 입력되는 디지털 센싱 데이터들을 미리 설정된 터치/지문 인식 알고리즘으로 분석하여 터치 좌표 데이터 또는 지문 인식 데이터를 출력한다. 터치 콘트롤러(30)로부터 출력된 터치 좌표 또는 지문 인식 데이터는 외부의 호스트 시스템으로 전송된다. 터치 콘트롤러(30)는 MCU(Micro Controller Unit, MCU)로 구현될 수 있다.

호스트 시스템은 외부 비디오 소스 기기 예를 들면, 네비게이션 시스템, 셋톱박스, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 방송 수신기, 폰 시스템(Phone system) 등에 접속되어 그 외부 비디오 소스 기기로부터 영상 데이터를 입력받을 수 있다. 호스트 시스템은 스케일러(scaler)를 포함한 SoC(System on chip)을 포함하여 외부 비디오 소스 기기로부터의 영상 데이터를 표시패널(DIS)에 표시하기에 적합한 포맷으로 변환한다. 또한, 호스트 시스템은 터치 콘트롤러(30)로부터 입력되는 터치 좌표 또는 지문 인식 데이터와 연계된 응용 프로그램을 실행한다.

터치 콘트롤러(30)와 Rx 구동부(34)는 하나의 리드 아웃 집적회로(Read-out IC, ROIC,)(40) 내에 집적될 수 있다.

한편, ROIC(40)의 구동 채널수와 그에 연결되는 라우팅 배선들의 개수를 줄이기 위해, 본 발명은 Tx 구동부(32)를 ROIC(40) 내에 집적하지 않고 도 4와 같이 표시패널(DIS)의 비 표시영역(BA)에 내장한다. 이렇게 Tx 구동부(32)가 표시패널(DIS)의 비 표시영역(BA)에 내장되면, ROIC(40)의 구동 채널수와 그에 연결되는 라우팅 배선들의 개수가 절반 이상 줄어드는 효과가 있다. 본 발명에 의하면 ROIC(40)의 면적 증대, 및 베젤 영역(BA) 확장과 같은 제약 요인을 고려할 필요 없이 픽셀 어레이 내에 최대한 넓은 면적으로 상호 용량 센서들(TSCAP)을 형성할 수 있어 사용자 UI(User Interface)/UX(User Experience) 성능을 개선할 수 있다.

Tx 구동부(32)는 비 표시영역(BA)에 내장되어 Tx 전극라인들(T1~Tj)에 각각 연결되는 다수의 TIP(Tx driver In Panel) 소자들을 포함한다. TIP 소자들은, 도 4와 같이 터치 스크린(TSP)의 제1 측에 위치하여 Tx 전극라인들(T1~Tj) 중 기수 Tx 전극라인들에 연결되는 제1 TIP 소자들(TIPO)과, 제1 측과 마주보는 터치 스크린(TSP)의 제2 측에 위치하여 Tx 전극라인들(T1~Tj) 중 우수 Tx 전극라인들에 연결되는 제2 TIP 소자들(TIPE)을 포함한다. 이렇게 TIP 소자들을 터치 스크린(TSP)의 양측에 나누어 배치하면, TIP 소자들이 내장되는 비 표시영역(BA)의 면적을 균등하게 줄이는 데 더욱 효과적이다.

도 5는 도 4의 Tx 구동부(32)를 구성하는 TIP 소자들의 연결 구성을 보여준다. 그리고, 도 6은 클럭들에 동기하여 TIP 소자들에서 생성되는 센서 구동신호들을 보여주는 파형도이다. 도 5에 도시된 TIP 소자들(TIP1~TIPj)은 도 4의 제1 TIP 소자들(TIPO)과 제2 TIP 소자들(TIPE) 중 어느 하나일 수 있다.

도 5를 참조하면, Tx 구동부(32)는 종속적으로 접속된 다수의 TIP 소자들(TIP1~TIPj)을 포함한다. TIP 소자들(TIP1~TIPj)은 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)과 제2 출력부들(BF1~BFj)을 포함한다.

쉬프트 레지스터들(SR1~SRj) 각각은 노드 제어부와 제1 출력부를 포함하여 캐리 신호(CAR1~CARj)를 출력한다. 캐리 신호(CAR1~CARj)는 순차적으로 위상이 쉬프트된다. 캐리 신호(CAR1~CARj) 각각은 후단 TIP 소자들 중 어느 하나에 셋 신호 입력될 수 있고, 그와 동시에 전단 TIP 소자들 중 어느 하나에 리셋 신호로 입력될 수 있다. 여기서, " 전단 TIP 소자들 "이란, 기준이 되는 TIP 소자의 상부에 위치하여 기준 TIP 소자에서 출력되는 기준 캐리 신호에 비해 위상이 앞선 캐리 신호들을 생성하는 TIP 소자들을 의미한다. 그리고, "후단 TIP 소자들"이란, 기준이 되는 TIP 소자의 하부에 위치하여 기준 TIP 소자에서 출력되는 기준 캐리 신호에 비해 위상이 뒤진 캐리 신호들을 생성하는 TIP 소자들을 의미한다.

각 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)은 매 프레임마다 스타트단자에 인가되는 셋 신호 따라 동작이 시작된다. 최상단 쉬프트 레지스터(SR1)에는 타이밍 콘트롤러로부터 별도의 스타트 펄스(VST)가 셋 신호로 인가될 수 있다. 그리고, 최상단 쉬프트 레지스터(SR1)를 제외한 나머지 쉬프트 레지스터들(SR2~SRj) 각각에는 전단 쉬프트 레지스터의 캐리 신호가 셋 신호로 인가될 수 있다.

각 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)은 매 프레임마다 리셋단자에 인가되는 리셋 신호에 따라 동작이 리셋된다. 최하단 쉬프트 레지스터(SRj)에는 타이밍 콘트롤러로부터 별도의 리셋 펄스(VRST)가 리셋 신호로 인가될 수 있다. 그리고, 최하단 쉬프트 레지스터(SRj)를 제외한 나머지 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj-1) 각각에는 후단 쉬프트 레지스터의 캐리 신호가 리셋 신호로 인가될 수 있다.

각 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)에는 순차적으로 위상이 지연되는 i(i는 양의 짝수) 상 메인 클럭들 중 어느 하나가 입력될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 메인 클럭들은 서로 반대 위상을 갖는 2상 클럭들로 설명되나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 도 6과 같이 2상 메인 클럭들(CLK1,CLK2)에 동기하여 캐리 신호(CAR1~CARj)가 순차적으로 쉬프트된다. 2상 메인 클럭들(CLK1,CLK2)은 게이트 하이 전압(VGH)과 게이트 로우 전압(VSS) 사이에서 스윙한다.

각 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)에는 게이트 하이 전압(VGH)과 게이트 로우 전압(VSS)이 공급된다.

제2 출력부들(BF1~BFj)은 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)에 일대일로 연결되며, 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)에서 캐리 신호(CAR1~CARj)가 출력되는 타이밍에 동기하여 센서 구동신호(Td1~Tdj)를 출력한다. 제2 출력부들(BF1~BFj)은 보조 클럭(TCLK)이 입력받고, 쉬프트 레지스터들(SR1~SRj)에서 캐리 신호(CAR1~CARj)가 출력되는 타이밍에 맞춰 보조 클럭(TCLK)의 일부를 센서 구동신호(Td1~Tdj)로 출력한다. 본 발명에서, 보조 클럭(TCLK)의 클럭 주파수는 메인 클럭들(CLK1,CLK2)의 클럭 주파수에 높다. 이렇게 보조 클럭(TCLK)의 클럭 주파수를 높이는 이유는 각 센서 구동신호(Td1~Tdj)를 다중 펄스 형태로 생성하여 센싱 감도를 높이기 위함이다. 도 6과 같이 다중 펄스 형태를 갖는 센서 구동신호(Td1~Tdj)는 순차적으로 위상이 쉬프트되면서 출력된다.

도 7은 일 센서 구동신호(Tda)를 생성하는 TIP 소자의 회로 구성을 보여준다. 그리고, 도 8은 도 7에 도시된 TIP 소자의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, TIP 소자는, 노드 제어부(NC)와 제1 출력부(CBF)를 포함한 쉬프트 레지스터(Sra) 및, 제2 출력부(BFa)를 구비한다. 캐리 신호(CARa)를 출력하는 제1 출력부(CBF)와 센서 구동신호(Tda)를 출력하는 제2 출력부(BFa)는 노드 제어부(NC)에 공통으로 연결된다. 제1 출력부(CBF)에서 캐리 신호(CARa)가 출력되는 타이밍에 동기하여 제2 출력부(BFa)에서 센서 구동신호(Tda)가 출력된다.

노드 제어부(NC)는 셋 신호인 전단 캐리신호(CARa-1)와 리셋 신호인 후단 캐리신호(CARa+1)에 응답하여 Q 노드의 전위와 QB 노드의 전위를 서로 반대로 제어한다. Q 노드의 전위가 게이트 하이전압(VGH)의 온 레벨로 충전될 때 QB 노드의 전위는 게이트 로우전압(VSS)의 오프 레벨로 방전되며, 반대로 Q 노드의 전위가 게이트 로우전압(VSS)의 오프 레벨로 방전될 때 QB 노드의 전위는 게이트 하이전압(VGH)의 온 레벨로 충전된다.

노드 제어부(NC)는 다수의 스위치들(T1~T8)을 포함한다.

스위치 T1은 전단 캐리신호(CARa-1)의 입력단에 연결된 게이트, 게이트 하이전압(VGH)의 입력단에 연결된 드레인, 및 Q 노드에 연결된 소스를 구비한다. 스위치 T2는 전단 캐리신호(CARa-1)의 입력단에 연결된 게이트, QB 노드에 연결된 드레인, 및 게이트 로우전압(VSS)의 입력단에 연결된 소스를 구비한다. 스위치 T3은 Q 노드에 연결된 게이트, 제1 노드(N1)에 연결된 드레인, 및 게이트 로우전압(VSS)의 입력단에 연결된 소스를 구비한다. 스위치 T4는 Q 노드에 연결된 게이트, QB 노드에 연결된 드레인, 및 게이트 로우전압(VSS)의 입력단에 연결된 소스를 구비한다. 스위치 T5는 메인 클럭(CLK1)의 입력단에 공통 연결된 게이트와 드레인, 및 제1 노드에 연결된 소스를 구비한다. 스위치 T6은 후단 캐리신호(CARa+1)의 입력단에 연결된 게이트, Q 노드에 연결된 드레인, 및 게이트 로우전압(VSS)의 입력단에 연결된 소스를 구비한다. 스위치 T7은 제1 노드(N1)에 연결된 게이트, 메인 클럭(CLK1)의 입력단에 연결된 드레인, 및 QB 노드에 연결된 소스를 구비한다. 그리고, 스위치 T8은 QB 노드에 연결된 게이트, Q 노드에 연결된 드레인, 및 게이트 로우전압(VSS)의 입력단에 연결된 소스를 구비한다.

제1 출력부(CBF)는 Q 노드의 전위가 부스팅 레벨(BST)로 유지되는 구간(B) 동안 제1 클럭 주파수를 갖는 메인 클럭(CLK1 또는 CLK2)을 제1 출력 노드(No1)에 출력하고, QB 노드의 전위가 온 레벨(VGH)로 유지되는 구간 동안 제1 출력 노드(No1)의 전위를 오프 레벨(VSS)로 낮추어 캐리 신호(CARa)를 생성한다.

제1 출력부(CBF)는, Q 노드에 게이트가 접속되고 메인 클럭(CLK1)의 입력단에 드레인이 접속되며 제1 출력 노드(No1)에 소스가 접속된 제1 풀업 스위치(Tu1)와, QB 노드에 게이트가 접속되고 제1 출력 노드(No1)에 드레인이 접속되며 오프 레벨(VSS)의 전원, 즉 게이트 로우 전압(VSS)의 입력단에 소스가 접속된 제1 풀다운 스위치(Td1)와, 제1 풀업 스위치(Tu1)의 게이트-소스 사이에 접속된 제1 커패시터(C1)를 포함한다.

제2 출력부(BFa)는 Q 노드의 전위가 부스팅 레벨(BST)로 유지되는 구간(B) 동안 제2 클럭 주파수를 갖는 보조 클럭(TCLK)을 제2 출력 노드(No2)에 출력하고, QB 노드의 전위가 온 레벨(VGH)로 유지되는 구간 동안 제2 출력 노드(No2)의 전위를 오프 레벨(VSS)로 낮추어 센서 구동신호(Tda)를 생성한다. 여기서, 제2 클럭 주파수는 상기 제1 클럭 주파수보다 K(K는 2 이상의 양의 정수)배 이상 높다.

제2 출력부(CBF)는, Q 노드에 게이트가 접속되고 보조 클럭(TCLK)의 입력단에 드레인이 접속되며 제2 출력 노드(No2)에 소스가 접속된 제2 풀업 스위치(Tu2)와, QB 노드에 게이트가 접속되고 제2 출력 노드(No2)에 드레인이 접속되며 오프 레벨(VSS)의 전원, 즉 게이트 로우 전압(VSS)의 입력단에 소스가 접속된 제2 풀다운 스위치(Td2)와, 제2 풀업 스위치(Tu2)의 게이트-소스 사이에 접속된 제2 커패시터(C2)를 포함한다.

이러한 TIP 소자에서 캐리 신호(CARa)와 센서 구동신호(Tda)가 출력되는 동작을 설명하면 다음과 같다.

A 구간 동안, 전단 캐리신호(CARa-1)에 따라 스위치 T1가 턴 온 되어 Q 노드를 게이트 하이 전압(VGH)의 온 레벨로 충전하고, 전단 캐리신호(CARa-1)에 따라 스위치 T2가 턴 온 되어 QB 노드를 게이트 로우 전압(VSS)의 오프 레벨로 방전한다. A 구간 동안, 온 레벨(VGH)의 Q 노드 전위에 따라 스위치 T3가 턴 온 되어 제1 노드(N1)를 오프 레벨(VSS)로 방전하고, 온 레벨(VGH)의 Q 노드 전위에 따라 스위치 T4가 턴 온 되어 QB 노드를 오프 레벨(VSS)로 방전한다.

B 구간 동안, 메인 클럭(CLK1)이 게이트 하이 전압(VGH) 레벨로 입력되면 제1 및 제2 커패시터(C1,C2)의 커플링 효과에 의해 Q 노드의 전위는 온 레벨(VGH)에서 그보다 높은 부스팅 레벨(BST)로 상승한다. 그에 따라 제1 풀업 스위치(Tu1)는 턴 온 되어 메인 클럭(CLK1)을 제1 출력 노드(No1)에 출력하여 캐리 신호(CARa)를 생성하고, 제2 풀업 스위치(Tu2)는 턴 온 되어 보조 클럭(TCLK)을 제2 출력 노드(No2)에 출력하여 센서 구동 신호(Tda)를 생성한다.

C 구간 동안, 후단 캐리신호(CARa+1)에 따라 스위치 T6가 턴 온 되어 Q 노드를 게이트 로우 전압(VSS)의 오프 레벨로 방전시킨다. 따라서, Q 노드에 게이트가 접속된 스우치 T3와 스위치 T4는 턴 오프 된다. QB 노드는 전위는 A 및 B 구간에 이어 C 구간에서도 오프 레벨(VSS)의 방전 상태를 유지한다. 따라서, A,B,C 구간에서 QB 노드에 게이트가 접속된 스위치들(Td1,Td2,T8)은 턴 오프 된다.

D 구간 동안, 메인 클럭(CLK1)이 게이트 하이 전압(VGH) 레벨로 입력되면 스위치 T5 및 스위치 T7이 턴 온 되어 QB 노드를 게이트 하이 전압(VGH)의 온 레벨로 충전시킨다. D 구간 동안, QB 노드의 전위에 따라 스위치 T8가 턴 온 되어 Q 노드를 게이트 로우 전압(VSS)의 오프 레벨로 방전시킨다. 따라서, D 구간 동안 Q 노드에 게이트가 접속된 스우치 T3와 스위치 T4는 턴 오프 상태를 유지하고, 그 결과, QB 노드의 전위는 계속해서 온 레벨(VGH) 상태를 유지한다.

도 9는 Tx 구동부를 표시패널에 내장함으로써 얻어지는 본 발명의 효과를 종래 기술과 대비하여 보여준다.

도 9를 참조하면, 종래 기술에서는 Tx 구동부를 ROIC에 집적함으로써 ROIC의 패드부 폭(A1)이 넓어졌고, 그에 따라 표시장치의 베젤 영역이 넓어질 수 밖에 없었다. 이에 반해, 본 발명에서는 Tx 구동부를 ROIC 내에 집적하지 않고 표시패널의 비 표시영역에 내장함으로써, ROIC의 패드부 폭(A2)과 베젤 영역을 종래 대비 줄이고 표시장치의 외곽부 형상을 종래 점선으로 표기된 부분에까지 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 Tx 구동부를 ROIC 내에 집적하지 않고 표시패널의 비 표시영역에 내장함으로써, ROIC의 구동 채널수와 그에 연결되는 라우팅 배선들의 개수를 절반 이상 줄일 수 있고, ROIC의 면적 증대, 및 베젤 영역 확장과 같은 제약 요인을 고려할 필요 없이 픽셀 어레이 내에 최대한 넓은 면적으로 지문 센서들을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면 사용자 UI(User Interface)/UX(User Experience) 성능이 크게 개선될 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 구동부 14 : 스캔 구동부
20 : 타이밍 콘트롤러 30 : 터치 콘트롤러
32 : Tx 구동부 34 : Rx 구동부
40 : ROIC

Claims (7)

1. 입력 영상을 표시하는 유효 표시영역과, 상기 유효 표시영역 바깥의 비 표시영역을 포함한 표시패널;
   Tx 전극라인들에 연결된 지문 센서들을 포함하는 터치 스크린; 및
   상기 Tx 전극라인들을 통해 상기 지문 센서들에 센서 구동신호를 인가하는 Tx 구동부를 포함하고,
   상기 지문 센서들은 상기 유효 표시영역 내에 위치하고, 상기 Tx 구동부는 상기 비 표시영역에 내장되는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 Tx 구동부는 상기 비 표시영역에 내장되어 상기 Tx 전극라인들에 각각 연결되는 다수의 TIP(Tx driver In Panel) 소자들을 포함하는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 TIP 소자들은,
   상기 터치 스크린의 제1 측에 위치하여 상기 Tx 전극라인들 중 기수 Tx 전극라인들에 연결되는 제1 TIP 소자들과,
   상기 제1 측과 마주보는 상기 터치 스크린의 제2 측에 위치하여 상기 Tx 전극라인들 중 우수 Tx 전극라인들에 연결되는 제2 TIP 소자들을 포함하는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 TIP 소자들 각각은,
   Q 노드의 전위와 QB 노드의 전위를 서로 반대로 제어하는 노드 제어부;
   상기 Q 노드의 전위가 부스팅 레벨로 유지되는 구간 동안 제1 클럭 주파수를 갖는 메인 클럭을 제1 출력 노드에 출력하고, 상기 QB 노드의 전위가 온 레벨로 유지되는 구간 동안 상기 제1 출력 노드의 전위를 오프 레벨로 낮추어 캐리 신호를 생성하는 제1 출력부; 및
   상기 Q 노드의 전위가 부스팅 레벨로 유지되는 구간 동안 제2 클럭 주파수를 갖는 보조 클럭을 제2 출력 노드에 출력하고, 상기 QB 노드의 전위가 온 레벨로 유지되는 구간 동안 상기 제2 출력 노드의 전위를 오프 레벨로 낮추어 상기 센서 구동신호를 생성하는 제2 출력부를 포함하고,
   상기 제2 클럭 주파수는 상기 제1 클럭 주파수보다 높은 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 출력부는, 상기 Q 노드에 게이트가 접속되고 상기 메인 클럭의 입력단에 드레인이 접속되며 상기 제1 출력 노드에 소스가 접속된 제1 풀업 스위치와, 상기 QB 노드에 게이트가 접속되고 상기 제1 출력 노드에 드레인이 접속되며 상기 오프 레벨의 전원에 소스가 접속된 제1 풀다운 스위치와, 상기 제1 풀업 스위치의 게이트-소스 사이에 접속된 제1 커패시터를 포함하고,
   상기 제2 출력부는, 상기 Q 노드에 게이트가 접속되고 상기 보조 클럭의 입력단에 드레인이 접속되며 상기 제2 출력 노드에 소스가 접속된 제2 풀업 스위치와, 상기 QB 노드에 게이트가 접속되고 상기 제2 출력 노드에 드레인이 접속되며 상기 오프 레벨의 전원에 소스가 접속된 제2 풀다운 스위치와, 상기 제2 풀업 스위치의 게이트-소스 사이에 접속된 제2 커패시터를 포함하는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 TIP 소자들 중 일부는,
   전단 TIP 소자들 중 어느 하나로부터 입력되는 제1 캐리 신호에 응답하여 동작이 셋 되고, 후단 TIP 소자들 중 어느 하나로부터 입력되는 제2 캐리 신호에 응답하여 동작이 리셋 되는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서 구동신호에 의한 상기 지문 센서들의 전하량 변화를 상기 Tx 전극라인들과 교차하는 Rx 전극라인들을 통해 읽어 내는 Rx 구동부를 더 포함하고,
   상기 Rx 구동부는 상기 표시패널에 전기적으로 연결된 리드 아웃 집적회로 내에 집적되는 지문센서 일체형 터치 스크린을 갖는 표시장치.

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