KR20170057090A

KR20170057090A - 터치 스크린 일체형 표시 장치

Info

Publication number: KR20170057090A
Application number: KR1020150160748A
Authority: KR
Inventors: 이성호
Original assignee: 주식회사 지2터치
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-05-24
Also published as: US20170139515A1; CN106997253A; KR102412369B1; CN106997253B; US10019091B2

Abstract

본 발명은 터치 스크린 패널을 포함한 일체형 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치는 액정층을 사이에 두고 서로 대향하게 배치된 제1기판 및 제2기판을 포함하며, 상기 제1기판은 컬러필터 및 공통 전극이 형성되고, 상기 제2기판은 투명 기판의 하부에 터치 신호를 감지하는 센서패턴 및 센서 신호선이 형성되고, 상기 센서패턴 및 센서 신호선의 하부에는 표시장치를 구동하는 화소전극과 구동 신호선이 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

터치 스크린 일체형 표시 장치{Display device integrated with touch screen}

본 발명은 터치 스크린 패널을 포함한 일체형 표시 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 센서 신호선의 배치 구조를 개선하고, 표시 장치 내부의 부유 용량의 문제를 해소할 수 있는 터치 스크린 일체형 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 터치 스크린은 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 등과 같은 표시장치 위에 부가되거나 표시장치 내에 내장 설계되는 입력장치로서, 손가락이나 터치펜 등의 물체가 스크린에 접촉될 때 이를 입력신호로 인식하는 장치이다. 터치 입력장치는 근래 휴대폰(mobile phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 모바일 기기에 많이 장착되고 있으며, 그밖에도 네비게이션, 넷북, 노트북, DID(Digital Information Device), 터치입력 지원 운영체제를 사용하는 테스크탑 컴퓨터, IPTV(Internet Protocol TV), 최첨단 전투기, 탱크, 장갑차 등 전 산업분야에 걸쳐 이용되고 있다.

상술한 표시장치 등에 사용되는 터치스크린은 그 구조에 따라 터치스크린 부착형(add-on type) 표시장치, 터치스크린 상판형(on-cell type) 표시장치 및 터치스크린 일체형(in-cell type) 표시장치로 나눌 수 있다. 터치스크린 부착형 표시장치는 표시장치와 터치스크린을 개별적으로 제조한 후에, 표시장치의 상판에 터치스크린을 부착하는 방식이다. 터치 스크린 상판형 표시장치는 표시장치의 상부 유리 기판 표면에 터치 스크린을 구성하는 소자들을 직접 형성하는 방식이다. 터치스크린 일체형 표시장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 표시장치 내부에 터치스크린을 내장하여 표시장치의 박형화를 달성하고 내구성을 높일 수 있는 방식이다.

그러나 터치스크린 부착형 표시장치는 표시장치 위에 완성된 터치스크린이 올라가 장착되는 구조로 두께가 두껍고, 표시장치의 밝기가 어두워져 시인성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 터치스크린 상판형 표시장치는 표시장치의 상면에 별도의 터치스크린이 형성된 구조로서, 부착형 보다 두께를 줄일 수 있지만, 여전히 터치스크린을 구성하는 구동 전극과 센싱 전극 및 이들을 절연시키기 위한 절연층 때문에 전체 두께가 증가하고 공정수가 증가하여 제조가격이 증가하는 문제점이 있었다.

이에 반해, 터치스크린 일체형 표시장치는 내구성 향상과 박형화가 가능하다는 점에서 부착형과 상판형에 의해 발생하는 문제점들을 해결할 수 있는 장점이 있다.

종래 터치스크린 일체형 표시장치는 표시 장치 내에 센서 신호선 및 구동 신호선이 관찰자에게 시인되는 문제점이 종종 발생하며, 센서 신호선의 단선 시, 터치 스크린의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 터치스크린 일체형 표시장치는 전도성 물질로 형성된 터치센서층과 메탈 재질의 화소전극층 사이에 부유 용량(parasitic capacitance)이 상당히 커지는 문제점이 발생한다.

대한민국 등록특허공보 제10-1144723호(2012.05.03)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치의 목적은 단일층의 터치 스크린이 내장된 표시장치를 제공하는데 있다.

다른 목적은 센서패턴과 화소전극이 적층된 구조에서 센서 신호선을 화소 전극의 구동 신호선과 동일 선상에 위치하도록 형성하여 표시 장치에서 신호선이 관측되는 것을 방지하는데 있다.

또 다른 목적은 매트릭스 구조로 배치된 단일 센서 패턴에 복수 개의 센서 신호선을 형성하여 센서 신호선의 단선에 의한 터치 신호의 인식 오류를 방지하는데 있다.

또 다른 목적은 표시 장치에 차광영역에 배치된 센서 신호선을 메탈 배선으로 형성하여 배선저항을 감소시키는데 있다.

본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치는 액정층을 사이에 두고 서로 대향하게 배치된 제1기판 및 제2기판을 포함하며, 상기 제1기판은 컬러필터 및 공통 전극이 형성되고, 상기 제2기판은 투명 기판의 하부에 터치 신호를 감지하는 센서패턴 및 센서 신호선이 형성되고, 상기 센서패턴 및 센서 신호선의 하부에는 표시장치를 구동하는 화소전극과 구동 신호선이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치는 액정층을 사이에 두고 서로 대향하게 배치된 제1기판 및 제2기판을 포함하며, 상기 제1기판은 절연기판 상부에 표시장치를 구동하는 화소전극과 구동 신호선이 형성되고, 상기 제2기판은 투명 기판의 하부에 터치 신호를 감지하는 센서패턴 및 센서 신호선이 형성되고, 상기 센서패턴 및 센서 신호선의 하부에는 컬러필터 및 공통 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 센서 신호선과 상기 구동 신호선은 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 제1기판의 절연 기판 상부에 형성된 복수 개의 컬러필터 사이에는 블랙 매트릭스가 형성되고, 상기 구동 신호선은 블랙 매트릭스가 형성된 영역의 동일 선상에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 센서 신호선의 일측은 투명 도전성 물질로 형성된 투명 배선으로 형성되고, 타측은 금속 도전성 물질로 형성된 메탈 배선으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 제2기판은 상기 센서패턴 및 상기 센서 신호선이 형성된 터치센서층과 상기 화소전극 및 상기 구동 신호선이 형성된 화소전극층 사이에는 가드 영역(Guard area)이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 센서 패턴은 적어도 하나 이상의 열과 적어도 하나 이상의 행으로 배치된 매트릭스 구조로 형성되며, 각각의 센서 패턴은 적어도 두 개 이상의 센서 신호선으로 TDI(Touch Drive IC)에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, TDI는 상기 터치센서층과 상기 가드 영역에 동일한 구동 신호를 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, TDI는 상기 가드 영역에 전달하는 상기 구동 신호를 증폭하는 구동 신호 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 가드 영역은

복수 개의 영역으로 분할되며, 분할된 각 영역은 상기 터치센서층의 블록 구동 영역과 일치하여 선택적으로 구동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치는 표시 장치의 제조 공정 상에서 단일층의 터치 스크린을 형성함으로써, 터치 스크린 형성에 따른 표시 장치의 두께 증가를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 센서패턴과 화소전극이 적층된 구조에서 센서 신호선을 화소 전극의 구동 신호선과 동일 선상에 위치하도록 형성함으로써, 표시 장치에서 신호선이 관측되는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 매트릭스 구조로 배치된 단일 센서 패턴에 복수 개의 센서 신호선을 형성함으로써, 센서 신호선의 단선에 의한 터치 신호의 인식 오류를 방지할 수 있으며, 이를 통해 표시 장치의 터치 인식 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 표시 장치에 차광영역에 배치된 센서 신호선은 메탈 배선으로 형성함으로써, 배선저항을 감소시킬 수 있으며, 사용자에게 신호선이 시인되는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 터치스크린 일체형 표시 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치의 제1실시예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서 제1실시예의 제1기판의 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서 제1실시예의 제2기판의 구성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치의 제조 공정을 개념을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치의 제2실시예를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 제2실시예의 제1기판의 구성을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 제2실시예의 제2기판의 구성을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 제2실시예의 제1기판, 액정층, 제2기판의 결합 배치 구조를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 터치 정전용량(Ct) 및 공통전극커패시턴스(Cvcom)의 형성 개념을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 각 화소전극과 디스플레이 드라이브 IC(DDI-Display Drive IC)의 연결 상태를 나타내는 도면.
도 12는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 각 센서 신호선과 터치 드라이브 IC(TDI-Touch Drive IC)의 연결 상태를 나타내는 도면.
도 13은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 센서 신호선의 투명 배선 및 메탈 배선의 개념을 나타내는 도면.
도 14는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 가드 영역이 추가된 제3실시예를 나타내는 도면.
도 15는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, TDI의 구동 신호를 증폭하여 가드 영역에 전달하는 개념을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치에 있어서, 가드 영역의 분할 개념을 나타내는 도면.
도 17 내지 도 24는 본 발명에 따른 터치스크린 일체형 표시 장치의 드라이빙 백 현상을 이용한 터치 검출 내용을 나타내는 도면.

본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조한다.

도 2는 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치의 제1실시예를 나타내는 도면으로 크게 제1기판, 제2기판 및 액정층을 포함한다.

제1실시예의 제1기판은 도 3에 도시된 바와 같이, 절연기판(110)의 하부에 복수 개의 컬러필터(120)가 형성되고, 각 컬러필터(120) 사이에는 블랙 매트릭스(130)가 형성된다.

또한, 상기 컬러필터(120)와 블랙 매트릭스(130)의 하부에는 덮개막(140)이 형성되고, 상기 덮개막(140)의 하부에는 공통전극(150)이 형성된다.

또한 제2실시예의 상기 제2기판은 절연기판(160)의 상부에 센서 패턴(10)과 센서 신호선(22)이 동일한 레어어(layer)에 형성되어 터치센서층을 구성하고, 상기 터치센서층의 상부에 패시베이션층(170)이 형성되고, 상기 패시베이션층(170)의 상부에 표시장치를 구동하는 화소전극(180) 및 구동 신호선(190)을 형성한다.

이렇게 형성된 상기 제1기판과 제2기판은 도 5의 (a)와 같이 액정층(300)을 사이에 두고 서로 대향되게 배치되며, 이때 상기 제1기판은 상기 액정층(300)의 상측에 위치하고 상기 제2기판은 상기 액정층(300)의 하측에 위치한다. 도 5의 (b)와 같이, 상기 제1기판과 상기 제2기판을 결합 후에 상하 위치를 반전시키게 되면 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 제1실시예와 같은 형성되며, 이때 상기 제1기판은 상기 액정층(300)의 하측에 위치하며, 상기 제2기판은 상기 액정층(300)의 상측에 위치하게 되는 것이다.

본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치의 제1실시예에서 상기 제1기판과 상기 제2기판이 적층 시, 상기 터치 센서(10)가 배치된 영역에는 복수개의 컬러필터(120)가 배치되며, 상기 구동 신호선(190)은 상기 블랙 매트릭스(130)가 형성된 영역과 동일 선상에 배치된다.

또한, 상기 센서 신호선(22)과 상기 구동 신호선(190)은 동일 선상에 위치한다.

다시 말해 상기 센서 신호선(22)과 상기 구동 신호선(190)을 상기 블랙 매트릭스(130)가 형성된 영역에 동일 선상으로 배치하여 신호선이 관찰자들에게 시인되는 것을 회피할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 제1실시예에서 상기 센서 패턴(10) 및 상기 센서 신호선(22)은 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 적어도 하나의 투명 도전성 물질로 형성된다.

도 6은 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치의 제2실시예로 제1기판, 제2기판 및 액정층을 포함한다.

제2실시예의 제1기판은 도 7에 도시된 바와 같이, 절연 기판의 상부에 패시베이션층(270')이 형성되고 상기 패시베이션층(270')의 상부에 화소전극(280) 및 구동신호선(290)을 형성한다.

또한, 제2실시예의 제2기판은 도 8에 도시된 바와 같이, 절연기판(210)의 하부에 센서 패턴(10)과 센서 신호선(22)이 동일한 레이어로 형성되어 터치센서층을 구성하고 상기 터치센서층의 하부에 패시베이션층(270)이 형성된다.

또한, 상기 패시베이션층(270)의 하부에는 복수 개의 컬러필터(220)가 형성되고 각 컬러필터(220) 사이에는 블랙 매트릭스(230)가 형성되며, 상기 컬러필터(220)와 블랙 매트릭스(230)의 하부에는 덮개막(240)이 형성되고, 상기 덮개막(240)의 하부에는 공통전극(250)이 형성된다.

이렇게 형성된 상기 제1기판과 제2기판은 도 9와 같이 액정층(300)을 사이에 두고 서로 대향되게 배치되며, 이때 상기 제1기판은 상기 액정층(300)의 하측에 위치하고 상기 제2기판은 상기 액정층(300)의 상측에 위치하며 상기 제1기판과 상기 제2기판이 결합 시, 앞서 설명한 도 6의 형태가 되는 것이다.

본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치의 제2실시예에서 상기 제1기판과 상기 제2기판이 적층 시, 상기 터치 센서(10)가 배치된 영역에는 복수개의 컬러필터(220)가 배치되며, 상기 구동 신호선(290)은 상기 블랙 매트릭스(230)가 형성된 영역과 동일 선상에 배치된다.

또한, 상기 센서 신호선(22)과 상기 구동 신호선(290)은 동일 선상에 위치한다.

다시 말해 상기 센서 신호선(22)과 상기 구동 신호선(290)을 상기 블랙 매트릭스(230)가 형성된 영역에 동일 선상으로 배치하여 신호선이 관찰자들에게 시인되는 것을 회피할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 제2실시예에서 상기 센서 패턴(10) 및 상기 센서 신호선(22)은 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 적어도 하나의 투명 도전성 물질로 형성된다.

도 10은 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치의 사용 상태를 나타내는 도면으로 손가락 또는 이와 유사한 도전체로 형성된 터치입력수단(8)이 표시장치에 접촉 또는 근접하게 되면 센서 패턴(10)과 터치입력수단(8) 사이에는 터치 정전용량(Ct)이 형성되고, 상기 센서 패턴(10)과 상기 공통전극층(150) 사이에는 공통전극 커패시턴스(Cvcom)가 형성된다.

또한 본 발명에 따른 상기 센서 패턴(10)은 적어도 하나 이상의 열과 적어도 하나 이상의 행으로 배치된 매트릭스 구조로 형성되며, 각각의 센서 패턴(10)은 적어도 두 개 이상의 센서 신호선(22)으로 TDI(Touch Drive IC)에 연결되는 것이 바람직하다.

즉, 두 개 이상의 센서 신호선(22)을 형성할 경우, 하나 센서 신호선(22)이 단선되더라도 나머지 센서 신호선(22)으로 터치 입력 신호의 전달이 가능하므로 터치 스크린의 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 11은 상기 구동 신호선(190, 290)과 DDI(디스플레이 드라이브 IC-Display Drive IC)의 연결 상태를 나타내는 도면이며, 도 12는 상기 센서 신호선(22)과 상기 TDI(터치 드라이브 IC-Touch Drive IC)의 연결 상태를 나타내는 도면으로 이를 통해 상기 센서 신호선(22)은 상기 구동 신호선(190, 290)의 배치 영역과 동일 선상에 배치되는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 표시 장치 내에서의 센서 신호선(22)의 은폐가 가능한 것이다.

이때, TDI(30)는 디스플레이 장치를 구동하는 디스플레이 드라이브 IC(DDI) 외부에 위치하고, 상기 DDI와 비동기하여 구동될 수 있다. 또한 다른 형태로 상기 TDI(30)는 DDI 내부에 위치하여 상기 DDI와 동기하여 구동될 수도 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 센서 신호선(22)은 도 13에 도시된 바와 같이, 일측은 투명 도전성 물질로 형성된 투명 배선(22-1)으로 형성되고, 타측은 금속 도전성 물질로 형성된 메탈 배선(22-2)으로 형성되며, 메탈배선(22-2)은 알루미늄과 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속, 은과 은 합금 등 은 계열의 금속, 구리와 구리 합금 등 구리 계열의 금속, 몰리브덴과 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열의 금속, 크롬, 티타늄, 탄탈륨 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 메탈배선(22-2)은 물리적 성질이 다른 두 개의 막, 즉 하부막(도시하지 않음)과 그 위의 상부막(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 상부막은 신호지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 낮은 비저항(Resistivity)의 금속, 예를 들면 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속으로 이루어진다. 이와는 달리 하부막은 ITO(Indium Tion Oxide) 및 IZO(Indium Zinc Oxide)와의 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴(Mo), 몰리브덴합금, 크롬(Cr) 등으로 이루어진다. 이종의 레이어에 형성된 상기 투명 배선(22-1)과 메탈 배선(22-2)은 콘택홀(22-3)에 의해 서로 접속된다.

도 13에 도시된 바와 같이, 액티브영역(A1)을 제외한 가시영역(A2)에서 신호선은 투명배선(22-1)으로 구성되는데 이는 가시영역에서 신호선이 관측자에 시인되는 것을 최대한 회피하기 위함이다. 또한, 차광영역(A3)에서 신호선들은 메탈 배선(22-2)으로 구성되며, 차광영역(A3)은 검정 잉크 등으로 은폐되는 영역으로서, 차광영역(A3)의 하면은 관측자에게 시인되지 않는다. 따라서, 가능한 신호선의 배선저항을 낮추기 위하여 차광영역(A3)에서는 메탈배선(22-2)이 이용된다. 그리고, 도시한 바와 같이 차광영역(A3)에서 메탈 배선(22-2)과 투명배선(22-2)이 콘택홀(22-3)에 의해 접속된다.

도 14는 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시 장치의 제3실시예를 나타내는 도면으로 상기 제1실시예의 구성이 동일하되, 제2기판은 상기 센서패턴(10) 및 상기 센서 신호선(22)이 형성된 터치센서층과 화소전극(180) 및 상기 구동 신호선(190)이 형성된 화소전극층 사이에는 가드 영역(500, Guard area)이 더 형성되는 것이 특징이다.

인 셀(in-cell) 구조의 표시 장치에 있어서, 상기 터치센서층과 상기 화소전극층이 접합 시, 부유 용량(parasitic capacitance)이 상당히 커지는 문제점이 있으며, 본 발명에 따른 터치 스크린 일체형 표시장치는 이러한 문제점을 극복하기 위한 수단으로 상기 가드 영역(500)을 추가로 형성였으며, 상기 가드 영역(500)을 형성 시, 상기 터치센서층 및 상기 가드 영역(500) 사이에 제1패시베이션층(191)이 더 형성되고, 상기 가드 영역(190) 및 상기 화소전극층 사이에 제2패시베이션층(192)이 더 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 TDI(30)는 상기 터치센서층과 상기 가드 영역(500)에 동일한 구동 신호를 전달하며, 본 발명의 구동 신호는 드라이빙 전압(Vdrv)이며, 상기 TDI(30)에서 상기 터치센서층에 드라이빙 전압(Vdrv)이 Low에서 High로 전달되거나 High에서 Low로 전달될 때, 상기 터치센서층과 상기 가드 영역에 각각 전달되는 상기 드라이빙 전압의 위상은 동일하거나 차이가 있다.

또한, 상기 드라이빙 전압(Vdrv) 이외에 상기 TDI(30)에서 생성되는 다른 신호가 인가될 수도 있다.

본 발명에 따른 상기 TDI(30)에서 가드 영역(500)을 하나의 신호로 구동할 수 있지만 상기 터치센서층과 상기 화소전극층 사이의 부유 용량이 크므로 상기 TDI의 구동 능력(driving capability)이 떨어질 수 있다.

따라서, 상기 TDI(30)는 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 가드 영역(500)에 전달하는 상기 구동 신호를 증폭하는 구동 신호 증폭부를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 구동 신호 증폭부는 buffer 또는 OP AMP로 구성되며 상기 구동 신호 증폭부는 복수 개로 형성하여 상기 가드 영역(500)의 상측과 하측에 각각 배치하거나 상하측의 좌우에 각각 배치하는 등 다양한 형태로 배치가 가능하다.

본 발명의 제3실시예에서 상기 가드 영역(500)은 상기 터치센서층을 블록 단위로 구동하는 경우 센싱하지 않는 영역의 가드 영역(500)은 구동하지 않아도 된다.

따라서 본 발명의 상기 가드 영역(500)은 도 16에 도시된 바와 같이, 복수 개의 영역(500-1 내지 500-4)으로 분할되며, 분할된 각 영역(500-1 내지 500-4)은 상기 터치센서층의 블록 구동 영역과 일치하여 선택적으로 구동되는 것이 바람직하며 분할된 각 영역에도 상기 구동 신호 증폭부를 배치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 TDI(30)는 상기 터치입력수단의 터치 유무에 따라 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 상기 터치커패시턴스(Ct)가 부가될 때 드라이빙 백(Driving Back)현상을 이용하여 터치신호를 검출한다.

또한, 본 발명의 TDI는 상기 센서패턴에 일측이 연결되고 타측으로는 터치 검출을 위한 드라이빙(Driving) 전압이 인가되는 드라이빙커패시터(Cdrv), 상기 디스플레이장치에서 발생하는 공통전압을 검출하는 공통전압 검출부, 상기 공통전압에 동기하여 드라이빙 전압(Vdrv)을 생성하는 드라이빙전압 생성부 및 상기 센서패턴에 연결되며, 상기 터치입력수단의 터치 유무에 따라 상기 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 상기 터치커패시턴스(Ct)가 부가될 때 드라이빙 백(Driving Back) 현상을 이용하여 터치신호를 검출하는 터치검출부를 포함한다.

종래의 터치 검출수단이 손가락 등의 접촉에 의한 커패시턴스의 크기를 검출하는 방식인 것과 달리, 부가된 드라이빙 커패시터(Driving Capacitor)에 교번하는 구동전압을 인가할 때, 터치커패시턴스의 크기 차이에 의해 발생하는 드라이빙 백(Driving Back) 현상을 검출하는 방식이다. 본 발명에 따른 터치 검출 시스템은 터치 미발생시 드라이빙 커패시터 및 공통전극 커패시턴스 및 기생커패시턴스로 인해 발생하는 드라이빙 백 현상에 의한 전압과, 터치 발생에 의해 터치커패시턴스가 부가될 때 드라이빙 백 현상에 의해 발생하는 전압의 크기를 비교하고, 두 전압의 크기 차이를 추출(Extraction)함으로써, 외부의 노이즈나 기생커패시턴스 등에 의한 영향이 최소화되며, 보다 안정적으로 터치신호를 획득할 수 있다.

본 발명에서 언급되는 표시장치는 LCD, PDP, OLED 중 어느 하나이거나, 기타 화상을 표시하는 모든 수단을 의미한다.

위에 나열한 표시장치 중 LCD는 액정의 구동을 위해 공통전압(Vcom)을 필요로 한다. 일예로서, 휴대기기용 중소형 LCD에서는 소비전류를 감소시키기 위하여 공통전극의 공통전압이 하나 또는 복수의 게이트라인별로 교번하는 라인 인버전(Line inversion) 방식을 사용한다. 다른 예로서, 대형 LCD는 공통전극의 공통전압이 일정한 DC 레벨을 가지며 도트 인버전(Dot Inversion) 구동방식을 사용한다. 또 다른 예로서, 횡전계 모드 LCD의 경우, 공통전극은 LCD TFT 기판의 일부 영역에 형성되어 라인 인버전이나 도트 인버전 구동방식에 의해 화상이 표시된다. 이러한 횡전계모드 LCD의 경우, 백 그라운드(Back Ground)가 배면 ITO를 통해 외부로 노출된 칼라필터 전체에 공통으로 형성되며, ESD 차단을 위해 그라운드 신호와 접지시킨다.

본 발명에서는 위와 같이 공통전압(Vcom)이 인가되는 전극 이외에, 표시장치 내에서 공통으로 역할하는 모든 전극들을 “공통전극”이라 칭하기로 하며 표시장치의 공통전극에 인가되는 교번전압이나 DC 전압 또는 불특정 주파수로 교번하는 형태의 전압을 “공통전압”이라 칭하기로 한다.

또한, 본 명세서에서“신호(signal)를 인가(forcing)"한다는 의미는 이미 어떤 상태를 유지하고 있던 신호의 레벨(Level)이 바뀌거나, 플로팅(Floating) 상태에서 어떤 신호에 접속된다는 의미이다. 예를 들어, 스위칭소자의 온/오프 제어단자에 신호를 인가한다는 의미는, 기존의 로우(Low) 레벨 전압이 하이(Hi)레벨로 바뀐다는 의미로 사용되기도 하며, 아무런 신호도 없이 플로팅된 상태의 스위칭소자의 온/오프 제어단자에 스위칭소자를 턴 온 / 턴 오프를 하기 위한 어떤 전압을 인가한다는 의미로도 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에서 “드라이빙 백 (Driving back) 현상” 또는 “드라이빙 백 (Driving back)”은 동일한 의미로 사용되며 "D/B"로 축약하여 사용한다.

또한 본 발명에서 터치드라이브IC(Touch Drive IC)는 TDI로 축약하여 사용한다.

또한 본 발명에서, 터치가 발생하지 않은 경우에 D/B에 의한 전압을 검출하고 또한 터치가 발생했을 때 D/B에 의한 전압을 검출하여 두 전압의 상관관계(Relationship)을 이용하여 터치여부 및 터치수단의 접촉면적을 판단하므로, D/B 현상에 의한 전압을 검출한다는 의미와 터치신호를 검출한다는 의미는 동일하게 사용된다.

도 17은 본 발명에서 충전수단의 한 예시로서 사용되는 스위칭 소자 중 3단자형 스위칭소자를 개념적으로 묘사한 것이다. 도 17을 참조하면, 3단자형 스위칭소자는 통상 온/오프 제어단자(Cont), 입력단자(In), 출력단자(Out)의 3개 단자를 구비한다. 온/오프 제어단자는 스위칭소자의 온/오프를 제어하는 단자로서, 이 단자에 소정 크기의 전압이나 전류를 인가하면 입력단자로 인가된 전압 또는 전류는 출력단자에 전압이나 전류형태로 출력된다.

본 발명에서 충전수단으로 언급되는 3단자형 스위칭소자는 예를 들어, 릴레이(Relay), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 스위치 또는 PMOS 또는 NMOS, BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), TFT(Thin Film Transistor), OPAMP이며, 이들끼리의 동종간 또는 이종간의 결합에 의해 형성될 수도 있다.

릴레이는 3단자형 소자 외에 4단자형 소자도 사용될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 충전수단으로는, 입출력 단자의 개수에 상관없이 입출력을 온/오프할 수 있는 제어단자를 갖고 있으며 온/오프 제어단자에 의해 입출력이 온/오프되는 모든 소자가 사용될 수 있다.

한편, 3단자형 스위칭소자의 일예로서 CMOS 스위치는 PMOS와 NMOS의 상호 조합에 의해 형성되며, 입출력 단자는 상호 연결되어 있으나, 온/오프 제어단자는 개별적으로 존재하여 동일한 제어신호에 같이 연결되거나 개별적인 제어신호에 별도로 연결되어 온/오프 상태가 결정된다. 릴레이(Relay)는 제어단자에 전류를 인가하면 입력단자에 인가된 전압이나 전류가 손실 없이 출력되는 소자이며, BJT는 베이스(Base)의 문턱값(Threshold Value)(Threshold voltage)보다 높은 전압을 베이스에 인가한 상태에서 베이스단자에 전류를 흘리면, 일정량 증폭된 전류가 콜렉터(Collector)에서 에미터(Emitter)로 흐르는 소자이다. 또한 TFT는 LCD나 AMOLED등의 표시장치를 구성하는 화소부에 사용되는 스위칭소자로서 제어단자인 게이트(Gate)단자, 입력단자인 소스(Source)단자 및 출력단자인 드레인(Drain)단자로 구성되며, 게이트단자로 드레인단자에 인가된 전압보다 문턱값(Threshold Value) 이상되는 전압을 가하면, 도통되면서 게이트단자에 인가된 전압의 크기에 종속되는 전류가 입력단자에서 출력단자로 흐르는 소자이다.

본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하기에 앞서, 도 18을 참조하여 본 발명에서 터치입력을 검출하는 원리에 대하여 간략하게 설명한다. 도 18의 예시에서, 센서 패턴(10)에 손가락(25) 또는 이와 유사한 도전성의 터치수단이 접근했을 때 센서 패턴(10)와 손가락(25)이 "d"의 간격으로 이격되며, "A"라는 대향면적을 갖는다고 가정하자. 그러면, 도 18의 우측 등가회로 및 수식에서 보이듯이, 손가락(25)과 센서 패턴(10) 사이에는 커패시턴스 "C"가 형성된다. 커패시턴스 "C"를 가지는 센서 패턴(10)의 신호입력선에 전압이나 전류의 신호를 공급하고 커패시턴스 “C"의 크기를 가지는 커패시터에 전하량 "Q"의 크기를 갖는 전하가 축적될 때 커패시터는 V=Q/C라는 관계식으로 전하를 축적할 수 있다. 본 발명에서는 터치검출부와 접속된 센세패턴(10)에 커패시턴스 "C"의 크기와 상관관계를 가지는 드라이빙 백(Driving Back)이 발생할 때 이것을 이용하여 터치를 검출한다.

도 19는 본 발명에 따른 터치검출수단의 기본적인 구조를 보인 회로도이다. 이를 참조하면, 본 발명에 따라 특화된 터치검출수단은, 충전수단(12), 센서 패턴(10), 센서신호선(22), 드라이빙 커패시터(Cdrv), 공통전극커패시터(Cvcom) 및 터치검출부(14)로 구성된 기본적인 구조를 갖는다.

충전수단(12)은 센서 패턴(10)에 프리차지(Precharge) 신호를 공급하고, “Cont"로 명명된 "온/오프 제어단자"에 인가된 턴 오프(Turn Off) 신호에 턴 오프되어 출력단(12-1)을 하이 임피던스로 만든다.

프리차지(Precharge) 신호는 터치신호 검출 이전에 충전수단(12)의 출력단(12-1)에 연결된 모든 커패시터에 DC 전압을 인가하여 이들 커패시터들을 충전하는 전압이다. 따라서 충전수단(12)은 온/오프 제어단자에 공급되는 제어신호에 따라 스위칭동작을 수행하는 스위칭소자이거나, 제어신호에 따라 신호를 공급하는 OPAMP 등의 선형소자이다.

도 19의 실시예와 같이 충전수단(12)으로 3단자형 스위칭소자가 사용될 경우, 온/오프 제어단자에 공급되는 제어신호와 입력단자에 공급되는 신호를 이용하여, 필요한 시점에 적절한 충전전압을 센서 패턴(10), 드라이빙 커패시터(Cdrv), 공통전극 커패시터(Cvcom)등 충전수단(12)의 출력부(12-1)에 접속된 모든 커패시터에 공급할 수 있다. 충전 전압은 영 볼트(Zero Volt)를 포함한 DC 전압 및 구형파나 삼각파, 또는 싸인파(Sine Wave)와 같이 교번하는 AC 전압이 사용될 수 있다.

이러한 충전전압은, 본 발명의 터치검출 시스템이 집적된 터치 드라이브 IC(Touch Drive IC, 이하 TDI)에서 사용되는 전압과 연관성을 갖는다. 이러한 연관성을 도 20a 및 도 20b를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

TDI의 내압이 5V로서, 5V이상의 전압이 TDI에 공급될 시 TDI가 파손된다고 가정하면, TDI 내부에서 동작하는 회로의 동작전압은 5V를 초과하면 안 된다. 도 20a 내지 도 20b의 실시예와 같이 후술하게 될 D/B에 의한 전위차가 3V라고 가정하자. 이때 도 20a과 같이 D/B이 발생하기 이전에 충전수단(12)의 출력부(12-1)의 전압이 3V라고 하면 D/B에 의한 충전수단의 출력부(12-1)의 전압은 6V이며 이는 TDI의 내압인 5V를 초과하므로 TDI(30)는 파손영역에 놓이게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 도 20b와 같이 충전수단이 턴 온 된 상태에서 충전수단의 입력부에 1V를 인가하여 충전수단의 출력부에 접속된 모든 커패시터에 1V를 충전하게 되면, 전술한 드라이빙 백에 의한 3V의 전위차가 발생하더라도 출력부(12-1)의 전위는 4V이므로 TDI(30)는 안전영역에서 동작하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 TDI의 내압에 기초하여 드라이빙 백 발생시의 최대 전압의 크기를 조절하는 충전 전압을 제어하는 기능을 구비할 수 있다.

도 21은 본 발명에 따른 터치검출부(14)의 구성에 관한 실시예이다. 도 21을 참조하면, 충전수단(12)의 출력부(12-1) 및 출력부(12-1)와 접속된 모든 커패시터들은 터치검출부(10)와 접속된다. 후술하게 될 D/B 현상은 충전수단(12)의 출력부(12-1)와 연결된 커패시터에서 발생하므로, D/B에 의해 발생한 전압은 터치검출부(14)의 Buffer(14-1)로 전달된다. Buffer(14-1) 입력단은 통상 하이 임피던스(High Impedance, 이하 Hi-z라 칭함)이므로, 충전수단의 출력부(12-1)가 Hi-z 상태가 되면 충전수단의 출력부(12-1)와 Buffer(14-1) 사이에 접속된 모든 커패시터들도 Hi-z 상태가 된다. 본 실시예에서는 충전수단의 출력부(12-1)가 Buffer(14-1)에 직접 접속되는 것을 예시하였으나, Buffer(14-1) 대신에 MOS의 gate나 TFT의 gate등 입력이 Hi-z 상태인 모든 소자의 단자에 접속될 수 있다. 충전수단의 출력부(12-1)와 터치검출부(14)를 Hi-z 상태로 만드는 이유는, 후술하게 될 D/B 현상이 Hi-z인 상태에서 검출해야 검출시간을 길게 할 수 있기 때문이다. 즉, Hi-z 상태에서는 고립된 전하의 방전경로가 없으므로 D/B에 의해 형성된 전압의 레벨이 최소한의 변형으로 오래 유지된다.

Buffer(14-1)에서 출력된 신호는 증폭기(14-2)로 입력된다. 증폭기(4-2)의 입력단이 Hi-z인 경우라면, 도 21의 P점(Point)은 증폭기(14-2)의 입력단에 바로 접속되어도 무방하다.

P점 신호의 크기(Level)가 낮아 증폭되어야 하는 경우, 다양한 증폭기를 사용하여 신호를 증폭할 수 있으나, 차동증폭기(Differential Amplifier)를 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, P점은 후술하게 될 프리차지전압(또는 충전전압)으로 충전되는데, 증폭과정에서 이러한 충전전압은 차동증폭기를 통해 제거되고, P점에서 D/B 현상에 의해 발생한 전압만을 증폭하는 것이 가능하기 때문이다.

차동증폭기를 사용할 때 충전전압 같은 DC offset을 제거하기 위해서는, 차동증폭기의 negative 단자에 DC 전압이 인가되어야 한다. 이러한 DC 전압을 인가하기 위하여 DAC(14-4)가 사용되거나 “Ref 전압”(14-5)이 사용되어야 하는데, Ref 전압은 기준전압(Voltage Reference)로서 일정 전위를 가진 DC 전압이며, 도 23에서 후술하게 될 전원부(47)에서 생성된다.

도 21에서는 하나의 센서 패턴(10)에 대응하여 하나의 ADC 만을 사용하는 것으로 도시하였으나, 도 21과 같은 터치 검출 회로가 복수개 사용되면 ADC도 복수개 사용할 수 있으며 ADC를 많이 사용할 수록 신호의 연산시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 21에 도시하지는 않았으나, 터치검출부(14)안에 표시된 여러 기능부 사이에는 필터(filter)가 사용될 수 있다. 예를 들어, Buffer(14-1)의 전단(Previous stage)에도 필터가 사용될 수 있으며, 증폭기(14-2)의 전단이나 증폭단(14-2)에서도 필터가 사용될 수 있다. 이러한 필터는 대역폭 로우패스 필터(Bandwidth Low Pass Filter)나 하이패스 필터(Bandwidth High Pass Filter) 또는 GCF(Grass Cut Filter), Ranking Filter, 쵸핑(Chopping)에 의한 평균필터(Average Filter)등 다양한 필터들이 사용될 수 있다.

센서 패턴(10)는 투명도전체나 메탈(Metal)로 형성된다. 센서 패턴(10)가 표시장치 위에 설치되어 투명도전체로 형성되는 경우, 투명도전체는 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 도전성 투명 물질 또는 이와 유사한 도전특성을 갖는 투명 물질로 형성된다. 만약, 센서 패턴(10)가 표시장치와 같이 사용되지 않는 터치 키보드, 냉장고나 모니터 등의 터치키로 응용될 경우 센서 패턴(10)는 메탈(metal) 등의 비투과 물질로 형성될 수도 있다.

센서 패턴(10)는 다양한 형태로 형상화(Patterning) 될 수 있다. 예컨대, 터치스크린패널(50)의 액티브영역에서 고립된 섬(island)들이 매트릭스 형태로 배열되는 도트 매트릭스 형태이거나, 선형의 패턴들이 터치스크린패널(50)을 종횡하도록 배열될 수 있다. 센서 패턴(10)의 형태에 대하여는 후술되는 실시예에서 상세하게 설명하기로 한다.

센서신호선(22)은 센서 패턴(10)에 손가락(25) 또는 이와 유사한 도전특성을 갖는 터치수단(예컨대, 터치펜 등과 같은)이 접근할 때 형성된 커패시터의 일극(Polarity)을 터치검출부(14)에 접속하는 신호선(Signal Line)으로서, 센서 패턴(10)와 마찬가지의 도전성 투명 물질로 형성될 수 있으며, 경우에 따라서는 메탈 등의 비투과 물질로 형성될 수도 있다. 센서신호선(22)의 구체적인 실시예도 후술되는 실시예에서 설명하기로 한다.

드라이빙 커패시터(Cdrv)는 본 발명에서 터치 검출을 위한 드라이빙전압을 인가하기 위한 구성으로서, 일단은 터치검출부(14)에 연결되며 타단으로는 드라이빙전압이 인가되며 드라이빙전압에 의한 D/B 현상이 발생하게 된다.

도 19에 도시한 바와 같이, 충전수단(12)의 출력부(12-1)는 터치검출부(14)에 접속된다. 그리고, 드라이빙 커패시터(Cdrv)의 일측은 충전수단(12)의 출력부(12-1)에 접속되며 드라이빙 커패시터(Cdrv)의 타단에는 검출신호가 인가된다. 검출신호는 서로 다른 복수개의 전위를 교번하는 전압으로서, 구형파, 사인파, 삼각파 등의 주기성 또는 비주기성 파형이며, 교번하는 드라이빙전압의 크기에 비례하는 D/B 전압이 터치검출부(14) 또는 센서 패턴(10)에서 유도되어 검출된다. 검출되는 D/B 전압은 터치검출부(14) 및 센서 패턴(10) 및 충전수단(12)의 출력부(12-1)의 교점에서 검출되므로, 본 명세서를 통틀어 센서 패턴(10)나 터치검출부(14) 또는 충전수단(12)의 출력부(12-1)에서 D/B 신호가 검출된다는 의미는 동일한 위치에서 D/B 신호가 검출된다는 의미이다.

도 19의 공통전극 커패시터(Cvcom)는 센서 패턴(10)가 표시장치의 공통전극과 대향할 때 형성되는 커패시턴스이며, 일측은 터치검출부(14)에 접속되고 타측에는 공통전압이 인가된다. 이때, 공통전압과 직접 접속되어 인가될 수도 있지만, 통상은 유리나 공기등의 매질을 통해 전자기적으로 유도되어 인가된다.

도 22는 스위칭소자의 일 실시예로 MOS나 TFT 또는 FET가 사용되고, 터치검출부(14)에 ADC(Analog to Digial Converter)가 사용된 경우이다. ADC는 검출된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 기능을 하며, 본 실시예에서 검출된 터치신호를 디지털로 변환하여 도 23의 신호처리부(35)나 CPU(40)에 전달하는 기능을 수행한다.

도 22에 보이는 바와 같이, 인체의 손가락(25)이 센서 패턴(10)에 일정 간격으로 접근하면, 손가락(25)과 센서 패턴(10) 사이에는 "Ct"라고 하는 터치커패시턴스(Ct)가 형성된다. Ct는 도 18의 관계식에 의해 설정되는 값으로서, 터치수단과 센서 패턴(10)의 간격, 대향면적 등을 조절하는 것에 의해 자유롭게 조정될 수 있다. 예컨대, 센서 패턴(10)의 면적을 크게 구성하면 도 18의 관계식에 따라 Ct 역시 크게 형성된다. 반대로, 센서 패턴(10)의 면적을 작게 구성하는 것으로서 Ct는 작게 형성된다. 일실시예로, Ct는 수 fF(femto F) 내지 수십 uF(micro F)으로 설계될 수 있다.

도 22의 Cp는 기생커패시터로서, Ct처럼 수식에 의해 형성되거나 Cdrv와 같이 제조가능한 커패시터 이외의 커패시터 값들의 총 합이며, 터치검출부(14)에 일측이 접속되고 임의의 그라운드에 타측이 접속된 커패시터로 모델링 할 수 있다. 따라서 그라운드가 서로 다른 복수개의 기생커패시터(Cp)가 형성될 수 있으나, 본 명세서에서는 하나의 그라운드만을 가정하여 이에 연결된 하나의 기생커패시터만을 표시하였다. 이러한 기생커패시터(Cp)는 센서신호선(22)과 표시장치 사이에 발생하는 기생커패시터, 또는 센서 패턴(10)가 도 23과 같이 도트 매트릭스 형태로 복수개 설치되어, 이들과 연결된 센서신호선(22)이 상호 평행하게 배선될 때 센서신호선(22) 사이에 발생하는 기생커패시터, TDI가 센서 패턴(10)와 연결될 때 연결부에서 발생하는 기생커패시터, 또는 TDI 내부에서 센서신호선과 연결된 회로부가 주변 회로들과의 간섭에 의해 발생하는 기생커패시터 등 다양한 형태의 기생커패시터가 있다. 후술하게 될 <수식1>이나 <수식2>에 따르면, 이러한 기생커패시터들은 수식의 분모에 삽입되어 D/B 신호를 낮추는 역할을 하므로, 가급적 기생커패시터는 없을수록 터치 검출에 유리하다.

다시 도 22를 참조하면, 충전수단(12)의 입력단자에는 프리차지전압(Pre charge Voltage)인 Vpre가 인가되고, 온/오프 제어단자(cont)에 인가되는 제어전압(Vg)에 의해 스위칭소자가 턴 온(Turn on)될 때 프리차지전압(Vpre)은 출력부(12-1)를 통해 출력된다. 따라서 충전수단(12)의 출력부(12-1)에 접속된 모든 커패시터들은 프리차지전압(Vpre)으로 충전된다.

일실시예로 Vpre가 3V이며 Vg가 0V(Zero Volt)에서 10V로 변화될 때 스위칭소자가 턴 온이 된다고 한다면, 스위칭소자의 턴 온 이후 드라이빙 커패시터(Cdrv), 터치커패시터(Ct), 기생커패시터(Cp)가 접속된 터치검출부(14)의 전위는 3V이다. P점을 충전한 이후 스위칭소자의 제어전압(Vg)을 10V에서 0V로 하강시켜 스위칭소자를 턴 오프 시키면 터치검출부인 P점은 Hi-z가 되어 P점의 전하는 고립되며, 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 교번하는 드라이빙전압을 인가하면, P점에서 검출되는 전압의 크기는 드라이빙전압의 크기에 비례하고 P점에 접속된 커패시터들의 크기와 상관관계를 가지는 드라이빙 백(Driving back) 현상이 발생한다.

*이때, Cdrv, Cp 및 Cvcom을 고정된 값이라고 가정하고, 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 인가되는 드라이빙전압의 크기도 일정하다고 가정하면, P점에서 D/B 현상에 의해 검출되는 전압의 크기는 터치커패시터(Ct)에 종속된다. 따라서, 터치검출부(14)에서 검출되는 전압은 터치커패시터(Ct)의 크기에 따라 변화되므로 이러한 드라이빙 백(Driving Back) 현상에 의한 드라이빙전압의 차이를 검출하면, 터치의 유무 및 센서 패턴(10)와 터치수단(25)의 대향면적(또는 터치면적)을 연산하는 것이 가능하며, 터치지점을 찾는 것도 가능하게 된다.

다시 도 22를 참조하면, 충전수단(12)의 출력부(12-1)에는 센서 패턴(10)와 손가락(25)과 같은 도전체 사이에 형성된 터치커패시턴스(Ct) 및 Cdrv, Cvcom, 및 Cp가 연결된다. 따라서 충전수단(12)을 턴 온 시킨 상태에서 입력부(12-2)에 임의의 전압이나 전류 등의 프리차지 신호를 인가하면 Cdrv, Ct, Cvcom, 및 Cp가 프라차지 레벨로 충전되어 터치검출부(14) 입력단의 전위는 프리차지 레벨이 된다. 이후, 만약 충전수단(12)을 턴 오프 시키면 4개의 커패시터에 충전된 신호는 별도로 방전시키지 않는 한 프리차지(또는 충전) 신호 레벨을 유지하게 된다.

충전된 신호를 안정적으로 고립시키기 위해서, 충전수단(12)의 출력부(12-1)와 터치검출부(14)의 입력단은 Hi-z 상태이며, 바람직하게는 적어도 210Kohm 이상의 임피던스를 갖는다. 만약 4개의 커패시터에 충전된 신호를 방전시키면서 터치입력을 관찰하거나, 다른 수단으로 충전된 신호를 고립시키거나, 방전 개시 시점에서 신속하게 신호를 관찰한다면, 터치검출부(14)의 입력단이 반드시 Hi-z이어야 하는 것은 아니다.

터치검출부(14)는 센서 패턴(10)에서의 신호 레벨이 변동되는지 여부를 검출한다. 바람직하게는, 터치검출부(14)는 터치 미발생시(즉, Ct가 형성되지 않을 때의) D/B 현상에 의해 검출된 전압의 크기에 대비하여, 터치 발생시(즉, Ct가 형성될 때의) D/B 현상에 의해 검출된 전압의 크기 차이를 검출하여 터치신호를 획득한다. 터치검출부(14)는 다양한 소자 또는 회로구성을 가질 수 있다. 후술되는 실시예에서는 터치검출부(14)로서 스위칭소자 및 증폭기가 사용되는 예를 설명하겠으나, 터치검출부(14)의 구성은 그러한 실시예에 국한되지 않는다.

터치 미발생시 드라이빙 커패시터(Cdrv) 및 Cdrv의 일측에 인가되는 드라이빙전압에 의한 버퍼(14-1) 출력은 다음의 <수식1>에 의해 결정된다.

<수식1>

터치 발생시 터치검출부(14)에는 터치커패시턴스(Ct)가 병렬로 부가되므로, 터치검출부(14) 입력단에서 드라이빙 백(Driving Back)에 의해 검출된 전압은 다음의 <수식2>에 의해 결정된다.

<수식2>

위 <수식1> 및 <수식2>에서, △Vsensor는 터치검출부(14)의 입력단에서 D/B에 의해 발생한 전압이며, Vpre는 프리차지 전압이며, Vh는 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 인가되는 드라이빙전압의 하이 레벨 전압이며, Vl은 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 인가되는 드라이빙전압의 로우 레벨 전압이며, Vcom은 공통전극커패시턴스이며, Cp는 기생커패시턴스이며, Ct는 터치커패시턴스이다.

도 23은 본 발명의 터치스크린패널의 일 실시예를 보인 구성도이다. 도 23은 도 21이나 도 22와 같은 터치 검출수단을 적용한 실시예로서, 센서 패턴(10)가 도트 매트릭스 형태로 배열된 예를 보인 것이다.

도 23의 하단에는 TDI(30)의 구성이 도시되어 있다. TDI(30)는 구동부(31)와, 터치검출부(14)와, 타이밍 제어부(33)와, 신호처리부(35)와, 메모리부(28)와, 공통전압 검출부(15)와 전원부(47)와 통신부(46)로 구성되며, 그 밖에 CPU(40)를 더 구비할 수 있다. CPU(40)는 연산기능를 가진 마이크로 프로세서이며 TDI(30)의 외부에 위치할 수도 있다.

터치스크린패널(50)에는 센서 패턴(10) 및 센서신호선(22)이 패터닝되어 형성된다. 센서 패턴(10)는 투명도전체인 ITO나 IZO 또는 CNT(Carbon Nano Tube)등으로 만들어 지며 사각형, 원형, 삼각형, Star형 또는 플렉탈 구성 등 형상에 제한이 없다. 센서 패턴(10)와 센서신호선(22)은 동일한 소자로 형성되며 센서 패턴(10)가 ITO로 형성되면 센서신호선(22)도 ITO로 형성된다. 이러한 방법은 한장의 마스크로 센서 패턴(10) 및 센서신호선(22)을 패터닝할 수 있게 하고, 한장의 마스크에 의해 하나의 layer (Single Layer)로 본 발명의 터치스크린패널(50)을 제조할 수 있게 한다.

Single layer를 사용하는 본 발명의 터치스크린패널(50)은, 센서 패턴(10)나 센서신호선(22)의 상측이나 하측으로 또 다른 센서 패턴(10)나 센서신호선(22)이 지나가지 않으므로, 터치스크린패널(50)의 두께를 감소시키며 투과율을 향상시키고 수율향상에 의해 원가를 절감하는 효과가 있다.

다시 도 23을 참조하면, 구동부(31)에는 도 22의 실시예와 같이 충전수단(12) 및 드라이빙 커패시터(Cdrv)가 포함된다. 또한 공통전압검출회로가 존재한다. <수식1>이나 <수식2>를 참조하면 Cdrv의 크기에 의해 검출전압의 크기에 차이가 발생하므로 TDI 내부에는 Cdrv의 크기를 변경할 수 있는 수단을 구비해야 한다. Cdrv가 클수록 검출전압의 크기가 커지며 이는 검출감도가 좋은 것을 의미한다. 그러나 Cdrv가 너무 커지면 TDI의 부피가 증가하게 되고 이는 TDI의 가격상승을 유발하는 요인이 되므로 적절한 크기로 설계되어야 한다. Cdrv의 크기를 조절하기 위해 TDI 내부에는 이를 위한 레지스터가 설치된다. 레지스터는 복수개의 어드레스(Address)를 가지며 각 어드레스에는 서로 다른 Cdrv 값이 mapping 되어 있다. 선택된 레지스터의 값에 해당되는 Cdrv가 터치검출부(14)에 포함된 터치신호 검출회로에 연결된다.

도 23의 실시예에서 센서 패턴(10)는 5(가로) x 7(세로)인 35개로 구성되어 있으며 표시장치의 A/A의 상명에 위치할 때 A/A를 35개의 터치영역으로 나눈다. 이는 단지 일 실시예이며, 실제 터치스크린패널(50)에는 100개 이상의 센서 패턴(10)가 설치될 수 있다. TDI(30)의 구동부(31)에 이처럼 많은 센서 패턴(10)에 일대일로 대응되는 도 22와 같은 검출회로부(14)가 존재하게 되면 TDI의 면적이 넓어져서 가격 상승 요인이 된다. 따라서 구동부에는 소량의 검출회로부(14)를 설치하고, 시분할 방법으로 센서 패턴(10)를 멀티플렉싱하여 터치신호를 검출할 수 있다.

예를 들어, 구동부(31)에는 도 22에 표시된 검출회로부(14)가 하나 설치된다. 충전수단(12)과 검출회로부(14) 및 이와 접속된 커패시터들로 연결된 터치신호 검출회로에는 순차적으로 센서 패턴(10)가 하나씩 멀티플렉싱되어 접속된다. 즉, 터치신호 검출회로부는 하나지만 센서 패턴(10)는 35개이므로, 35개의 입력을 가지면서 35개의 입력 그 중에 하나를 선택하여 검출회로에 연결하는 멀티플렉서가 설계되어야 한다.

또 다른 실시예로, 구동부(31)에는 복수개의 터치신호 검출회로부(14)가 설치된다. 단, 복수개의 터치신호 검출회로부(14)는 센서 패턴(10)의 개수보다는 적은 수가 설치되며, 도 23이 실시예에서는 5개나 7개가 설치된다. 5개가 설치된 경우에는 가로방향으로 설치된 5개의 센서 패턴(10)에 일대일로 대응하여 동시에 5개의 센서 패턴(10)의 터치신호검출이 가능하므로, 7회의 스캔으로 35개의 모든 센서 패턴(10)의 터치신호 검출이 가능하다. 또한 7개의 검출회로부(14)가 사용되면, 세로방향으로 구획된 7개의 센서 패턴(10)를 1회의 스캔에 대해 터치신호 검출이 가능하므로 세로방향으로 5회의 스캔으로 35개 센서 패턴(10)의 신호검출이 가능하게 된다.

센서 패턴(10)는 터치신호를 검출하기 위해 사용되기도 하나 공통전압을 검출하기 위해 사용되기도 한다. 예를 들어 도 23에서 가로방향으로 6번째 라인의 첫번째 센서 패턴(사선처리)는, 첫번째 라인부터 5번째 라인까지 포함된 센서 패턴(10)에서 터치신호가 검출되고 있을 시, 아직 자신은 터치를 검출할 순번이 아니므로 공통전압 검출회로부에 접속되어 공통전압을 검출하게 된다. 만일 5번째 라인까지 터치 검출이 완료되어 자신이 터치를 검출할 순번이 되면, 공통전압 검출을 위한 센서 패턴(10)는 이미 터치검출이 완료된 센서 패턴(10)나 아직 터치검출이 시행되지 않고 있는 센서 패턴(10)가 사용된다. 신호처리부(35)는 구동부의 MUX를 제어하여 센서 패턴(10)가 도 22로 대별되는 터치검출회로에 접속될 지 아니면 공통전압 검출회로에 접속될지를 결정하고, 필요한 제어신호를 구동부(31)로 전송한다. 구동부(31)는 신호처리부(35)로 부터 전송받은 신호에 따라 센서 패턴(10)를 터치검출회로부나 공통전압 검출회로부로 접속한다. 이때, 공통전압 검출회로부는 하나 또는 복수개 사용되며 복수개의 공통전압 검출회로부에는 서로 다른 복수개의 센서 패턴(10)가 접속되어 공통전압을 검출하기 위해 사용된다.

센서 패턴(10)로부터 발원하여 TDI(30)에 접속되는 센서신호선(22)은 가급적 저항을 낮추는게 바람직하다. 이를 위해, 도 23에 도시한 바와 같이, 센서 패턴(10)의 5시방향 모서리에 센서신호선(22)을 연결하여 센서 패턴(10)와 TDI의 접속경로가 최단거리가 되게 할 수 있다. 센서 패턴(10)의 5시방향은 센서 패턴(10)와 TDI의 경로가 최소화되는 경로이며, 도 23과 동일한 센서 패턴(10)의 구성에서 TDI(30)가 상측에 위치하면 센서신호선(22)은 센서 패턴(10)의 11시나 2시방향에 위치한 모서리부 근처에서 발원하여 TDI(30)와 연결될 것이다.

또한, 센서 패턴(10)가 TDI(30)와 멀리 떨어질수록 센서신호선(22)에 의한 저항이나 센서신호선(22)에서 검출되는 기생 커패시턴스는 커지므로, 거리가 멀수록 센서신호선(22)의 선폭을 넓게 하여 저항의 크기를 줄이고 센서신호선(22)과 센서신호선(22) 사이의 공간은 넓게 하여 Cp를 줄일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 패턴(10)와 TDI(30)와의 거리에 기초하여 센서 신호선(22)의 폭을 상이하게 설정하여, 터치 패드(10)의 위치에 따른 터치 검출의 열화를 방지할 수 있다.

터치검출부(14)는 전술한 바와 같이 D/B에 의한 전압을 검출하고 이를 증폭하며 ADC변환부(14-5, 또는 ADC로 명명)로 출력한다. 터치검출부(14)에 포함된 ADC(14-5)는 하나가 사용되기도 하며 복수개가 사용되기도 한다. 많은 ADC(14-5)가 사용될수록 검출된 아날로그양의 신호를 디지털로 환산하는 시간이 단축된다는 장점이 있다. 그러나 ADC(14-5)가 많아질수록 소비전류가 증가하고 TDI(30)의 면적이 증가하여 원가가 상승되는 요인이 되므로, set로의 report time을 고려하여 적절한 개수가 선택되어야 한다. 터치검출부(14) 내부에는 DAC(14-3)도 포함되어 있다. DAC(14-3)는 후술하게될 차동증폭기의 구성에서 차동증폭기에 인가되는 기준신호로 사용되며 각 센서 패턴(10)에서 검출된 전압을 보정(Calibration)하는 역할을 한다.

타이밍제어부(33)는 TDI에서 필요한 서로다른 복수개의 클럭(Clock)을 생성하는 역할을 한다. 예를 들어 CPU(40)을 동작시키기 위해서는 클럭이 필요하며, ADC를 동작시키거나 구동부(31)의 멀티플렉서를 순차적으로 동작시키기 위해서도 클럭이 필요하다. 이처럼 각 기능별로 필요한 클럭은 여러개의 종류가 있으며 타이밍제어부(33)는 이러한 복수개의 다양한 클럭을 생성하여 공급한다.

공통전압검출부(15)는 앞에서 설명하였으므로 상세한 설명을 생략한다.

신호처리부(35)는 터치검출부(14)에서 생성된 ADC 값을 CPU(40)로 전달하거나, 통신부(46)를 제어하여 ADC 값을 I2C나 SPI 신호선을 통해 TDI(30) 외부로 전송하거나, 터치검출부(35)나 구동부등 TDI(30) 내부의 모든 기능별 요소에서 필요로 하는 신호를 생성하여 공급한다. 기능별요소 또는 기능별 block은 도 23에 표시된 각 기능을 일컫는 말이다. 예컨대, 현재 TDI 내부에는 기능별 블럭이 9개 포함되어 있으며 CPU(40)은 그중의 하나이다. 신호처리부(35)는 터치검출부(14)에서 생성된 ADC 값을 메모리부(28)에 수납하기도 하며 필요한 연산을 시행하기도 한다. 예를 들어 신호처리부(35)는 터치검출부(14)에서 생성된 ADC 값을 참조하여 센서 패턴(10)와 접촉수단의 터치로 인한 터치면적을 연산할 수도 있으며, 또한 ADC 값이나 연산된 면적값을 이용하여 터치좌표를 연산할 수도 있다.

메모리부(28)에는 Flash memory나 E2PROM 또는 SRAM 또는 DRAM으로 구성되어 있다. Flash memory나 E2PROM에는 factory cal.의 결과값이나 레지스터값 또는 CPU(40)을 동작시키는데 필요한 프로그램이 저장된다. 만일 도 23에서 5x7로 구성된 센서 패턴(10)들의 집합을 프레임(frame)이라고 정의하면, 하나의 frame에 포함된 센서 패턴(10)들의 검출전압 값이 포함된 메모리를 frame memory라고 할 수 있다. 프레임을 여러 번 센싱해서 이들의 평균이나 필터를 써서 터치 신호를 검출하려고 하면 복수개의 frame memory가 필요하게 된다. 만일 10bit나 12bit 또는 14bit의 ADC를 사용하여 터치신호를 검출할 시, ADC의 분해능이 높아질수록 frame memory의 size가 증가하므로 처음 검출되어 첫번째 frame memory에 저장된 데이터를 기준으로 하여 증분(처음 값과 두번째 값과의 차이)만 저장하면 메모리 size를 줄이는데 도움이 될 것이다.

한편, 메모리부(28)에는 라인(Line) 메모리도 필요할 수 있다. 예컨대, 도 23의 실시예에서 가로방향으로 구획된 5개의 센서 패턴(10) 또는 세로방향의 7개의 센서 패턴(10)를 동시에 검출하는 경우 5개나 7개의 터치신호를 저장할 수 있는 line memory가 필요하다. 만일 라인을 복수회 스캔하여 검출된 터치데이터를 이용하여 평균을 취하거나 필터를 사용하려 할 시 복수개의 라인 메모리가 필요하게 된다. 이러한 라인 메모리는 프레임 메모리보다 용량이 작으므로 프레임 메모리를 사용하는 것보다 라인 메모리를 사용하는 것이 메모리 크기를 줄이는데 더 효율적이다.

CPU(40)는 신호처리부(35)와 기능이 많이 겹친다. 따라서 CPU(40)는 TDI(30)에 포함되지 않거나 TDI(30) 외부에 위치할 수 있다. CPU(40)와 신호처리부(35)가 동시에 사용되면 하나는 사용되지 않을 수 있다.

CPU는 신호처리부(35)가 하는 대부분의 역할을 할 수 있으며, 터치좌표를 추출하거나 줌(zoom), 회전(rotation), 이동(move)등의 제스쳐를 시행하거나 여러가지 기능(Function)을 수행한다. 기능(function)은 “palm rejection”이나 스마트 그립(Smart grip)등이 있을 수 있다. 또한, 터치입력의 면적을 연산하여 주밍 신호를 생성하거나, 터치입력의 강도를 산출하거나, 키패드 같은 GUI 객체가 동시에 터치된 경우 사용자가 원하는(예를 들어, 면적이 많이 검출된) GUI 객체만을 유효한 입력으로 인식하는 등 다양한 형태로 데이터를 가공하여 TDI(30) 내부에서 사용하거나 통신선을 이용하여 외부로 전송할 수 있다.

CPU(40)를 통제하기 위한 프로그램은 메모리부(28)에 설치되며 수정사항이 발생할 시 새로운 프로그램으로 대체가능하다. 새로운 프로그램은 통신부(46)에 포함된 통신버스, 예를 들어 I2C나 SPI나 USB 등의 serial 통신이나 CPU Interface(이하 I/F)등의 parallel 통신을 이용하여 시행된다. CPU(40)는 라인 메모리나 프레임 메모리에 저장된 복수의 신호검출값들을 호출하여 평균을 구하거나 필터를 사용하여 안정된 값을 추출한다. 메모리에 저장된 값은 ADC 값이나 면적값이다.

통신부(46)는 TDI(30)외부로 필요한 정보를 출력하거나 TDI(30)외부에서 제공하는 정보를 TDI 내부로 입력하는 기능을 수행한다. 통신부에는 I2C나 SPI등의 serial 통신이나 CPU Interface등의 Parallel I/F가 사용된다.

도 21내지 도 22에 도시한 바와 같이, P점의 전압은 터치검출부(14)의 ADC 변환부(14-3)에서 ADC값으로 변환되며, ADC로 변환되기 이전에 증폭기(14-2)에서 증폭되는 것이 바람직하다.

증폭기로는 반전증폭기, 비반전증폭기, 차동증폭기, Instrument 증폭기 등 다양한 형태의 모든 증폭기가 사용될 수 있다. <수식1>과 <수식2>를 참조하면, 터치신호를 검출한다는 의미는 수식의 분모에 Ct가 추가 되었을 때의 <수식2>의 결과와 Ct가 없는 상태에서 계산된 <수식1>의 결과와의 차이를 검출한다는 의미이다. 예를 들어, <수식1>은 항상 일정한 값이며 이 값을 4V라고 가정하자. <수식2>에는 분모에 Ct가 포함되었으므로 4V보다 클 수는 없으며 항상 4V와 같거나 4V보다 낮다. 이러한 Ct의 차이에 의해 <수식1>과 <수식2>에서 발행하는 미소한 차이를 검출하는 데는 차동증폭기가 사용될 수 있다.

도 23을 참조하면, 센서신호선(22)의 좌우에는 다른 센서신호선(22)이 있거나 센서 패턴(10)가 존재한다. 이러한 구조에서 센서신호선(22) 사이나 센서신호선(22)과 센서 패턴(10) 사이에는 도 18의 수식에 의한 커패시턴스가 형성이 되며, 수식에 의하면, 상호 대향하는 거리가 길수록 커패시턴스는 더 커진다. 또한 센서신호선(22)과 센서 패턴(10)가 상호 인접한 경우에는 센서신호선(22)에 인접한 센서 패턴(10)가 많을수록 커패시턴스는 더 커진다. 또한 센서신호선(22)이 TDI(30)와 접속되는 부위에서도 커패시턴스가 발생하며 이는 접속에 사용된 재료 및 공정조건 및 접속 면적 등에 따라 가변적이다. 또한 TDI(30) 내부에서도 센서신호선(22)은, 레이아웃(Layout) 과정에서 상하좌우에 배치되어 있는 신호선들과의 간섭에 의해 커패시턴스가 발생한다. 이러한 모든 커패시턴스들은 터치스크린패널(50) 제조 및 TDI(30) 제조과정에서 불가피,하게 발생하는 기생 커패시터들로서 <수식1>이나 <수식2>에서는 Cp로 묘사되어 있다.

이러한 기생 커패시터(Cp)는 센서신호선(22)이나 공정조건 또는 TDI(30) 내부의 layout 등에 의해 달라지므로, 결과적으로 도 23의 각각의 센서 패턴(10)에는 서로 다른 크기의 기생 커패시터가 존재한다고 모델링을 할 수 있다. 이러한 모델링에 의하면 <수식1>이나 <수식2> 또는 <수식7>이나 <수식8>로 묘사되는 검출전압은 각 센서 패턴(10)마다 서로 다르므로, 출력되는 Vout은 각 센서 패턴(10)마다 서로 다르다.

터치 면적이나 터치 좌표를 연산하기 위해서는 많은 값들이 메모리부(28)에 저장된다. 예를 들어, 임의의 센서 패턴의 터치면적이나 터치좌표를 연산하기 위해 그 센서 패턴에서 <수식1>에 따라 검출된, 즉, 비터치(non touch)시의 전압은 ADC 변환부(14-3)에서 디지털로 변환되어 메모리에 저장되며, 충전전압인 Vpre도 메모리에 저장되며, Vdrv 및 Cdrv 값도 메모리에 저장된다. 왜냐하면, Vpre나 Vdrv 또는 Cdrv는 각 센서 패턴마다 서로 다른 크기로 인가될 수 있기 때문이다. 만일 어떤 센서 패턴(10)에서는 Cp가 너무 커서 터치감도가 떨어지는 경우, <수식1>이나 <수식2>에 의하면, Vdrv를 크게 하거나 Cdrv를 크게 해서 D/B에 의해 검출된 전압을 크게 하여 감도를 향상시킬 수 있다.

이러한 메모리에 기입된 값들을 보정하지 않고 실시간으로 사용하면 터치검출 시 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 비터치시 검출된 전압은 <수식1>의 이론에 따라 실제로 검출된 값이다. 증폭기(14-2)에서 출력된 아날로그 전압은 ADC 변환부(14-3)에 디지털값으로 변환되고, <수식2>에 따라 터치 시 검출된 ADC 값과의 차(Difference)를 검출하여 터치면적이나 터치좌표가 추출 된다. 이때 <수식1>에 따른 비터치시의 전압이 메모리에 저장되었고, 이 값을 이용하여 실시간으로 검출된 <수식2>에 따른 전압과 차이를 검출한다고 할 때, 실시간으로 검출된 신호는 환경에 따른 변화를 모두 반영하고 있으나 메모리에 저장된 값은 fac. cal에 의해 공장 출하 시 저장된 값으로서 환경요인에 의한 변화된 특성을 반영하지 못하므로 검출오류가 발생할 수 있다. 따라서, 메모리에 저장된 값들도 RTC를 통해 변화된 특성을 반영하여 재 저장되어야 한다.

이를 위해, 보정된 값들을 저장하는 메모리부(28)의 memory 영역은 두개로 분리되는 것이 바람직하다. 만일 fac. cal이나 RTC외에 또 다른 보정이 필요한 경우에는 메모리 영역은 더 많이 분리되어야 한다.

우선, fac. cal과 RTC만을 고려할 시, 두개로 분리된 메모리 영역의 일측에는 fac. cal에서 검출되거나 연산된 값들이 저장되며, 메모리 영역의 또 다른 일측에는 RTC과정에서 검출되거나 연산과정에서 추출된 값들이 저장된다. 터치 검출과정에서 fac. cal data를 사용할 것인지 RTC data를 사용할 것인지를 결정하는 것이 필요할 수도 있다. 왜냐하면, 노이즈가 많은 환경에서는 RTC를 통해 메모리에 저장된 data들은 노이즈 영향을 받은 값들일 확률이 많으므로 검출오차를 줄이기 위해 RTC data를 사용하는 것이 fac. cal을 통해 입수된 data를 사용하는 것보다 더 심각한 검출오류를 유발할 수 있기 때문이다. 이러한 노이즈의 크기를 CPU(40)나 신호처리부(35)가 검출할 수 있는 수단을 확보하고 있으면, 노이즈의 크기에 따라 fac. cal data를 사용할 지 RTC data를 사용할 지 결정하는 것이 가능하게 된다.

CPU(40)나 신호처리부(35)는 ADC 변환부(14-3)의 값을 이용하여 노이즈의 크기를 검출하는 것이 가능하다. 단일의 센서 패턴(10)나 종방향이나 횡방향의 그룹에 포함된 센서 패턴(10)들을 순차적으로 스캔하여 터치신호를 검출하는 경우, 통상은 한번만 D/B에 의한 전압을 검출하지 않고 복수회 검출하여 필터링(filtering)을 하여 원하는 데이터를 추출하게 된다. 이러한 기법은, 검출된 전압에 포함되어 있을 노이즈를 제거하고 좀 더 안정된 신호를 추출하기 위함이다. 만일, 임의의 센서 패턴(10)에 대해 100회를 스캔하고, 매 스캔시마다 검출된 값을 메모리에 저장하면, 100회 동안 검출된 신호의 대역폭(signal band)가 형성될 것이다. 예컨대, 대역폭은 2V~4V가 형성될 수도 있고 1V~5V가 형성될 수도 있다. 이 두가지 대역폭의 경우, 중심값은 동일하게 3V이지만 첫번째 대역폭은 2V(4V-2V)이며 두번째 대역폭은 4V(5V-1V)이다. 따라서 4V의 대역폭을 발생하는 터치 신호의 경우, 2V의 대역폭보다 노이즈가 더 크다고 예상할 수 있다. 이러한 기법을 이용하여, TDI(30)는 ADC 변환부(14-3)의 출력을 이용하여 노이즈의 크기를 확인할 수 있으므로, TDI(30)는 노이즈의 크기에 따라 메모리에 저장된 fac. cal data를 사용할지 RTC data를 사용할 지 결정할 수 있다. 노이즈의 크기에 따라 메모리 data를 달리 취하는 것은 하나의 실시예이며, TDI(30)는 주어진 여러 조건에서 어떤 data를 사용할 지 결정할 수 있다. 이러한 결정수단은 TDI(30) 내부의 프로그램에 의해서 시행되기도 하며 레지스터에 의해 시행될 수도 있다.

RTC는 터치가 안된 상태에서 실시되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 사용자가 본 발명의 터치스크린패널(50)이 사용된 휴대폰을 이용하여 통화나 기타 작업을 할 시, 통화나 기타 작업이 완료된 후 터치 입력이 없을 때 RTC가 시행되어야 한다. 보정의 기본 사상은, 터치가 안 되었을 때 ADC 값이 목표값이 되는 DAC를 찾고 찾은 값을 메모리에 저장하고 해당되는 센서 패턴(10)의 터치 신호 검출 시 DAC 값을 호출하여 사용하는 것이다. 따라서 터치가 되었을 때 보정을 하게 되면, 터치검출오류가 발생하게 된다.

RTC를 시행하기 위해서는 RTC를 진행 시점에서 터치가 되었는지 안 되었는지를 구별하는 것이 중요하므로 터치여부 판단을 먼저 시행하는 것이 중요하다.

다음은 터치여부를 판단하는 일 실시예이다. RTC를 최초 시행하는 시점에서는 fac. cal data를 사용해야 한다. fac. cal data를 사용하여 검출된 ADC 값은, 10bit의 분해능인 경우 0~1023 code사이에 존재한다. CPU(40)나 신호처리부(35)는 ADC 값을 이용하여 터치면적을 연산할 수 있으며, 면적도 ADC와 마찬가지로 일정 범위내에 존재하게 된다. 따라서 추출된 ADC 값이나 연산된 면적은 센서 패턴(10)와 손가락(25)같은 터치수단과의 접촉면적에 따라 반응하여, 선형적 또는 비선형적으로 증가하거나 감소하게 된다.(본 명세서에서는 접촉면적이 넓어짐에 따라서 선형적으로 증가한다고 가정한다.) ADC값이나 면적이 터치면적에 비례하여 0~1023 code사이에서 선형적으로 증가하기 때문에 터치가 안 되었을 때의 ADC 값은 전술한 “목표값”이 되고 터치가 발생하여 접촉면적이 넓어질수록 ADC 값이나 면적값은 증가하게 된다. 이러한 상황에서 문턱값(Threshold Value)을 설정함으로써 터치여부를 판단하는 것이 가능하다. 만일 ADC 값이나 면적이 300이 넘었을 때 터치가 되었다고 판단하기로 하면 문턱값은 300으로 결정된다. 따라서 ADC 값이나 면적이 300 이상으로 검출되면 터치라고 판단할 수 있다. 터치 여부를 판단할 때 하나의 센서 패턴(10)에 대한 ADC나 면적값을 고려하기 보다도 복수개의 인접한 넓은 면적에 분포된 센서 패턴(10) 그룹을 참조하는 것이 더 편리하다. 손가락(25)같은 터치수단이 복수의 센서 패턴(10)에 접촉되면 가우시안 커브(Gaussian Curve)가 형성된다. TDI(30)는 정상적인 가우시안 커브가 검출되면 터치라고 판단하고, 가우시안 커브가 검출되지 않으면 비터치(Not Touch) 상태라고 판단할 수 있다. 만일 문턱값이 300 이하라도 가우시안 커브가 검출되어 미약한 터치가 발생하였다고 판단되면 RTC를 실시하지 않을 수도 있다.

RTC는 fac. cal과 동일한 과정으로 진행된다. 미리 입력된 목표값을 출력하기 위한 DAC(cal) 값을 추출하고 추출된 값을 메모리에 저장하며, 이는 각 센서 패턴(10)마다 고유의 값을 갖는다. 해당 센서 패턴(10)의 터치검출 순번이 되면 그 센서 패턴(10)에 해당하는 DAC 출력값이 증폭기에 연결된다.

TDI(30)는 fac. cal data를 사용하여 터치를 검출할지 RTC data를 사용하여 터치를 검출할지 결정하는 수단을 갖는다. 통상은 레지스터로 설정되며 메모리나 프로그램에 위치할 수도 있다. 레지스터로 설정되는 경우, 해당 bit가 하이 또는 로우로 설정됨에 따라서 RTC 또는 fac. cal data를 취한다. 해당 bit의 변경은 TDI(30) 내부에서 판단하여 자동으로 변경할 수도 있으며 사용자가 변경하는 것도 가능하다.

도 24는 센서 패턴(10)가 Back ground로 사용되는 본 발명의 실시예이다. 도 24을 참조하면, 터치검출회로에는 센서 패턴(10)가 절환부(16)에 접속되었으며 이로 인해 센서 패턴(10)는 세가지의 상태를 갖게 된다. 첫번째 상태는, 센서 패턴(10)가 절환부에 접속되지 않은 floating 상태이며, 두번째 상태는 센서 패턴(10)가 절환부에 접속되어 절환부의 일측인 그라운드 전위에 접속되는 경우이며, 세번째 상태는 센서 패턴(10)가 절환부의 일측과 접속된 터치검출부(14)에 접속되는 경우이다.

또한, 터치를 검출중인 센서 패턴(10)도 일정시간동안은 Vpre에 의한 충전전압이 인가되고 있으므로 충전수단(12)에 의한 방전경로가 형성되어 ESD등의 noise를 터치스크린패널(50)의 외부로 방전시킬수 있으므로 back ground 역할을 수행하는 것이 가능하다. 따라서, 터치를 검출중인 센서 패턴(10a)나 터치를 검출하지 않는 센서 패턴(10b) 모두가 back ground 역할을 수행할 수 있다.

도 24의 실시예에서, 만일 터치신호를 검출중인 센서 패턴(10a)의 신호검출 동작이 완료되면 완료된 센서 패턴(10a)는 절환부의 동작에 의해 그라운드로 접속된다. 이후에는 정해진 순번에 따른 센서 패턴(10)가 그라운드와의 접속을 해제하고 터치신호검출부(14)에 새로이 접속되어 터치신호를 검출하게 된다. 도 24와 같은 검출회로가 복수개 사용되면, 도 19과 같이 종과 횡으로 센서 패턴(10)가 형성된 경우에, 종방향의 센서 패턴(10)나 횡방향의 센서 패턴(10)들을 순차적으로 스캔하며 터치를 검출하고 완료된 후 그라운드에 접속하면 되므로 개별 센서 패턴(10)를 스캔하는 것보다 더 빨리 터치신호를 검출하는 것이 가능하다.

이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 터치 스크린 일체형 표시 장치로 구현할 수 있다.

10 : 센서 패턴
22 : 센서 신호선
30 : TDI
110, 210, 160, 260 : 절연기판
120, 220 : 컬러필터
130, 230 : 블랙 매트릭스
140, 240 : 덮개막
150, 250 : 공통전극
170, 270, 270＇ : 패시베이션층
180, 280 : 화소전극
190, 290 : 구동 신호선
300 : 액정층
400 : DDI
500 : 가드 영역

Claims

액정층을 사이에 두고 서로 대향하게 배치된 제1기판 및 제2기판을 포함하는 디스플레이 장치에 있어서,
상기 제1기판은 컬러필터 및 공통 전극이 형성되고,
상기 제2기판은 투명 기판의 하부에 터치 신호를 감지하는 센서패턴 및 센서 신호선이 형성되고, 상기 센서패턴 및 센서 신호선의 하부에는 표시장치를 구동하는 화소전극과 구동 신호선이 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서 신호선과 상기 구동 신호선은 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1기판의 절연 기판 상부에 형성된 복수 개의 컬러필터 사이에는 블랙 매트릭스가 형성되고,
상기 구동 신호선은 블랙 매트릭스가 형성된 영역의 동일 선상에 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서 패턴과 상기 센서 신호선은 동일 레이어(layer)에 위치하며,
ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 적어도 하나의 투명 도전성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서 신호선의 일측은 투명 도전성 물질로 형성된 투명 배선으로 형성되고, 타측은 금속 도전성 물질로 형성된 메탈 배선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제5항에 있어서,
상기 투명 배선과 메탈 배선은 콘택홀에 의해 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제5항에 있어서,
상기 메탈 배선은
터치 스크린 패널의 에지부에 형성된 차광영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2기판은
상기 센서패턴 및 상기 센서 신호선이 형성된 터치센서층과 상기 화소전극 및 상기 구동 신호선이 형성된 화소전극층 사이에는 가드 영역(Guard area)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제8항에 있어서,
상기 터치센서층 및 상기 가드 영역 사이에 제1패시베이션층이 더 형성되고,
상기 가드 영역 및 상기 화소전극층 사이에 제2패시베이션층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서 패턴은
적어도 하나 이상의 열과 적어도 하나 이상의 행으로 배치된 매트릭스 구조로 형성되며,
각각의 센서 패턴은 적어도 두 개 이상의 센서 신호선으로 TDI(Touch Drive IC)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제8항에 있어서,
상기 센서 패턴은
적어도 하나 이상의 열과 적어도 하나 이상의 행으로 배치된 매트릭스 구조로 형성되며,
각각의 센서 패턴은 적어도 두 개 이상의 센서 신호선으로 TDI(Touch Drive IC)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
액정층을 사이에 두고 서로 대향하게 배치된 제1기판 및 제2기판을 포함하는 디스플레이 장치에 있어서,
상기 제1기판은 절연기판 상부에 표시장치를 구동하는 화소전극과 구동 신호선이 형성되고,
상기 제2기판은 투명 기판의 하부에 터치 신호를 감지하는 센서패턴 및 센서 신호선이 형성되고, 상기 센서패턴 및 센서 신호선의 하부에는 컬러필터 및 공통 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제12항에 있어서,
상기 센서 신호선은 상기 구동 신호선이 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제12항에 있어서,
상기 제2기판의 상기 컬러필터 사이에는 블랙 매트릭스가 형성되고,
상기 구동 신호선은 블랙 매트릭스가 형성된 영역의 동일 선상에 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제12항에 있어서,
상기 센서 패턴과 상기 센서 신호선은 동일 레이어(layer)에 위치하고,
ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 적어도 하나의 투명 도전성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제12항에 있어서,
상기 센서 신호선은
일측은 투명 도전성 물질로 형성된 투명 배선으로 형성되고, 타측은 금속 도전성 물질로 형성된 메탈 배선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제16항에 있어서,
상기 투명 배선과 메탈 배선은 콘택홀에 의해 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제17항에 있어서,
상기 메탈 배선은
터치 스크린 패널의 에지부에 형성된 차광영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제12항에 있어서,
상기 제2기판은
상기 센서패턴 및 상기 센서 신호선이 형성된 터치센서층과 컬러필터가 형성된 컬러필터층 사이에는 가드 영역이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제19항에 있어서,
상기 터치센서층 및 상기 가드 영역 사이에 제1패시베이션층이 형성되고,
상기 가드 영역 및 상기 화소전극층 사이에 제2패시베이션층이 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제12항에 있어서,
상기 센서 패턴은
적어도 하나 이상의 열과 적어도 하나 이상의 행으로 배치된 매트릭스 구조로 형성되며,
각각의 센서 패턴은 적어도 두 개 이상의 센서 신호선으로 TDI(Touch Drive IC)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제19항에 있어서,
상기 센서 패턴은
적어도 하나 이상의 열과 적어도 하나 이상의 행으로 배치된 매트릭스 구조로 형성되며,
각각의 센서 패턴은 적어도 두 개 이상의 센서 신호선으로 TDI(Touch Drive IC)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제11항 또는 제21항에 있어서,
상기 센서패턴은 터치입력수단과의 사이에서 터치커패시턴스(Ct)를 형성하고,
상기 TDI(Touch Drive IC)는 상기 터치입력수단의 터치 유무에 따라 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 상기 터치커패시턴스(Ct)가 부가될 때 드라이빙 백(Driving Back)현상을 이용하여 터치신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 TDI는
상기 센서 패턴에 프리차지 신호를 공급하는 충전수단;
상기 센서패턴에 일측이 연결되고 타측으로는 터치 검출을 위한 드라이빙(Driving) 전압이 인가되는 드라이빙커패시터(Cdrv);
상기 디스플레이장치에서 발생하는 공통전압을 검출하는 공통전압 검출부;
상기 공통전압에 동기하여 드라이빙 전압(Vdrv)을 생성하는 드라이빙전압 생성부; 및
상기 센서패턴에 연결되며, 상기 터치입력수단의 터치 유무에 따라 상기 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 상기 터치커패시턴스(Ct)가 부가될 때 드라이빙 백(Driving Back) 현상을 이용하여 터치신호를 검출하는 터치검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제24항에 있어서,
상기 센서패턴에 프리차지 전압을 인가하는 충전수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 드라이빙전압 생성부는,
상기 공통전압 또는 충전시간에 동기하여 상기 드라이빙 커패시터(Cdrv)의 일측에 드라이빙전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 드라이빙전압 생성부는,
상기 공통전압의 상승부(Rising edge) 또는 하강부(Falling edge)에 동기하여 상기 드라이빙 전압을 드라이빙 커패시터의 일측에 인가하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 터치검출부는
상기 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 인가되는 구동전압의 상승구간(rising time) 및 하강구간(falling time) 중 적어도 어느 하나 이상에서 센서패턴에서의 드라이빙 백 현상을 검출하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 터치검출부는
터치 미발생 시 터치검출부에서 검출된 전압의 크기에 대비하여, 터치 발생에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 부가될 때 터치검출부에서 검출된 전압의 크기의 차이를 유발하는 드라이빙 백을 검출하여 터치신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제29항에 있어서,
상기 터치 미발생 시 터치검출부에서 검출된 전압은 [수학식 1]로 산출되고, 상기 터치커패시턴스(Ct)가 부가될 때 터치검출부에서 검출된 전압은 [수학식 2]로 산출되며, 상기 드라이빙 백은 상기 [수학식 1]과 [수학식 2]의 차이로 산출되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
[수학식 1]

[수학식 2]
제23항에 있어서,
상기 TDI는 디스플레이 장치를 구동하는 디스플레이 드라이브 IC(DDI) 외부에 위치하고, 상기 DDI와 비동기하여 구동되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 일체형 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 TDI는 DDI 내부에 위치하여 상기 DDI와 동기하여 구동되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 일체형 표시 장치.
제11항 또는 제22항에 있어서,
상기 TDI는 상기 터치센서층과 상기 가드 영역에 동일한 구동 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 일체형 표시 장치.
제33항에 있어서,
상기 구동 신호는 드라이빙 전압(Vdrv)이며, 상기 터치센서층과 상기 가드 영역에 각각 전달되는 상기 드라이빙 전압의 위상은 동일하거나 차이가 있는 것을 특징으로 하는 터치스크린 일체형 표시 장치.
제33항에 있어서,
상기 TDI는 상기 가드 영역에 전달하는 상기 구동 신호를 증폭하는 구동 신호 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 일체형 표시 장치.
제33항에 있어서,
상기 구동 신호 증폭부는 하나 또는 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 일체형 표시 장치.
제33항에 있어서,
상기 가드 영역은
복수 개의 영역으로 분할되며, 분할된 각 영역은 상기 터치센서층의 블록 구동 영역과 일치하여 선택적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 일체형 표시 장치.