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KR102480270B1 - 터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법 - Google Patents

터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법 Download PDF

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KR102480270B1
KR102480270B1 KR1020150176960A KR20150176960A KR102480270B1 KR 102480270 B1 KR102480270 B1 KR 102480270B1 KR 1020150176960 A KR1020150176960 A KR 1020150176960A KR 20150176960 A KR20150176960 A KR 20150176960A KR 102480270 B1 KR102480270 B1 KR 102480270B1
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Abstract

본 발명은 터치스크린 패널을 포함한 터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 터치센서 및 센서 신호선을 표시장치에 배치할 때 발생하는 표시장치의 화질열화를 방지하고, 터치센서 및 센서 신호선과 표시장치의 신호선이나 구성품과의 사이에서 발생하는 부유용량(Parasitic Capacitor)으로 인해, 검출되는 터치신호의 감도가 약화되는 문제를 해소할 수 있는 터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법에 관한 것이다.

Description

터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법{Display device integrated with touch screen and method for detecting touch}
본 발명은 터치스크린 패널을 포함한 터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 터치센서 및 센서 신호선을 표시장치에 배치할 때 발생하는 표시장치의 화질열화를 방지하고, 터치센서 및 센서 신호선과 표시장치의 구동 신호선이나 구성품과의 사이에서 발생하는 부유용량(Parasitic Capacitor)으로 인해, 검출되는 터치신호의 감도가 약화되는 문제를 해소할 수 있는 터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 터치스크린은 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 터치스크린이 사용되는 표시장치는 그 구조에 따라 터치스크린 부착형(add-on type) 표시장치, 터치스크린 상판형(on-cell type) 표시장치 및 터치스크린 내장형(in-cell type) 표시장치로 나눌 수 있다. 터치스크린 부착형 표시장치는 표시장치와 터치스크린을 개별적으로 제조한 후에, 표시장치의 상판에 터치스크린을 부착하는 방식으로서 두께가 두껍고, 표시장치의 밝기가 어두워져 시인성이 저하되는 문제가 있다. 터치스크린 상판형 표시장치는 표시장치의 상부 기판(LCD의 Color Filter 또는 OLED의 경우에는 봉지기판) 표면에 터치스크린을 구성하는 소자들을 직접 형성하는 방식으로서 부착형보다 두께를 줄일 수 있지만, 기존의 LCD 제조공정에서 제조가 불가하여 추가 설비투자가 필요하거나 기존 설비로 제조시 제조원가가 증가된다는 문제가 있다.
이에 반해, 터치스크린 내장형 표시장치는 LCD나 OLED등의 표시장치 제조공정에서 추가적인 설비 투자 없이 제조가 가능하므로 제조원가가 절감되고 고성능의 표시장치 제조설비를 사용할 수 있으므로 수율이 상승하여 더욱 제조원가가 절감된다는 장점이 있다.
한편, 종래 터치스크린 내장형 표시장치는 터치센서 및 센서 신호선이 표시장치의 구동신호선과 간섭을 일으켜 표시장치의 화질이상을 유발하며 터치센서 및 센서 신호선이 시인되는 문제점이 있으며 센서 신호선이 단선되는 경우 터치스크린의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 터치스크린이 LCD에 내장되어 설치되는 경우, LCD의 화소전극 또는 소스 신호선(Source Line) 또는 게이트 신호선(Gate Line)과 터치센서 또는 센서 신호선이 상하 또는 좌우로 대향(Overlap)할 시 물리적인 부유용량(Parasitic Capacitor)이 발생하며 부유용량의 크기가 상당히 크므로 부유용량에 의해 터치감도의 저하가 발생하거나 극단적인 경우에는 터치신호를 검출하지 못하는 경우가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1144723호(2012.05.03)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 터치센서 및 센서 신호선을 표시장치의 구동 신호선(소스 신호선 또는 게이트 신호선 등)과 상하간(또는 동일 선상이라고 정의함)에 위치하도록 형성하여 표시 장치에서 신호선이 관측되는 것을 방지하며 터치센서 및 센서 신호선이 표시장치에 미치는 영향을 없게 하여 표시장치의 오작동을 방지하는데 있다.
다른 목적은, 표시 장치 구동을 위한 공통전극을 터치센서로 활용하여, 터치 신호를 감지함과 동시에 표시장치에 일정한 공통전압을 유지하도록 하는데 있다.
또 다른 목적은 터치센서에 인가되는 구동신호와 동일하거나 규칙을 가진 구동신호가 인가되는 Guard Layer(가드 레이어 또는 G/L)를 설치하여 터치센서 및 센서 신호선과 표시장치의 구성요소들 사이에 발생하는 부유용량을 감소시켜 터치신호를 용이하게 획득함에 있다.
또 다른 목적은 가드 레이어에 TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번 전압을 인가하는 방법과 PMIC(Power Management IC)에서 TDI에 인가하는 AC 전압과 동일한 교번전압을 인가하는 방법을 각각 적용하여 터치 감도를 향상시키는데 있다.
또 다른 목적은 각각의 터치센서에 복수 개의 센서 신호선을 형성하여 임의의 센서 신호선이 단선 되더라도 다른 센서 신호선에 의한 터치신호 검출이 가능하도록 하여 제품의 수율을 향상시키는데 있다.
또 다른 목적은 표시장치의 화면이 표시되는 Active Area(A/A) 외의 영역에서 센서 신호선이 표시장치에 사용되는 소스 메탈이나 게이트 메탈과 병합하여 사용되어 센서 신호선의 저항을 감소시키는데 있다.
본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시장치는 터치입력수단과의 사이에서 터치커패시턴스(Ct)를 형성하는 터치센서, 상기 터치센서에 연결되며, 상기 터치입력수단의 터치 유무에 따라 상기 터치센서에서 검출되는 전압변화를 이용하여 터치여부를 검출하는 TDI(Touch Drive IC) 및 상기 터치센서와 상기 TDI를 연결하는 센서 신호선을 포함하되, 상기 터치센서와 상기 센서 신호선이 형성된 센서 레이어는 상기 표시장치의 TFT기판과 상기 TFT를 구성하는 게이트 신호선 및 소스 신호선 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 신체의 손가락 또는 이와 유사한 도전체와 같은 터치입력수단의 접근에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 발생하는 것을 감지하는 터치스크린 내장형 표시장치의 터치 검출 방법에 있어서, 가드 레이어에는 TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 신체의 손가락 또는 이와 유사한 도전체와 같은 터치입력수단의 접근에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 발생하는 것을 감지하는 터치스크린 내장형 표시장치의 터치 검출 방법에 있어서, PMIC에서 생성된 전원전압(Vc21)이나 다이나믹 그라운드(Vc22)가 가드 레이어에 접속되며, 상기 가드 레이어에는 TDI에 인가되는 AC 전압과 동일한 교번전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 신체의 손가락 또는 이와 유사한 도전체와 같은 터치입력수단의 접근에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 발생하는 것을 감지하는 터치스크린 내장형 표시장치의 터치 검출 방법에 있어서, TDI에 입력되는 AC 입력전압의 스윙에 기초하여 터치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 신체의 손가락 또는 이와 유사한 도전체와 같은 터치입력수단의 접근에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 발생하는 것을 감지하는 터치스크린 내장형 표시장치의 터치 검출 방법에 있어서, 공통전극이 센서 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 신체의 손가락 또는 이와 유사한 도전체와 같은 터치입력수단의 접근에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 발생하는 것을 감지하는 터치스크린 내장형 표시장치의 터치 검출 방법에 있어서, 하나의 터치센서가 인접한 터치센서와 면적을 공유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 신체의 손가락 또는 이와 유사한 도전체와 같은 터치입력수단의 접근에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 발생하는 것을 감지하는 터치스크린 내장형 표시장치에 있어서, 표시장치를 구동하는 LDI와 터치센서의 터치 신호를 검출하는 TDI가 통합 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시장치는 터치센서 및 센서 신호선을 표시장치의 소스 신호선 또는 게이트 신호선 등의 구동 신호선과 동일 선상에 위치하도록 형성하여 표시 장치에서 터치센서 및 센서 신호선이 관측되는 것을 방지하며 터치센서 및 센서 신호선이 표시장치에 미치는 영향을 제거하는 효과가 있다.
또한, 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, Guard Layer(가드 레이어 또는 G/L)를 설치하여 터치센서 및 센서 신호선과 표시장치의 구성요소들 사이에 발생하는 부유용량을 감소시켜 터치신호를 용이하게 획득하는 효과가 있다.
또한, 가드 레이어에 TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번 전압을 인가하는 방법과 PMIC(Power Management IC)에서 TDI에 인가하는 AC 전압과 동일한 교번전압을 인가하는 방법을 각각 적용하여 터치 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 표시장치의 Active Area(A/A) 외의 영역에서 센서 신호선이, 표시장치에 사용되는 소스 메탈(source metal)이나 게이트 메탈(gate metal)과 병합하여 사용되어 센서 신호선의 저항을 감소시킴으로서 획득되는 터치신호를 용이하게 검출하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 사용되는 3단자형 스위칭소자의 개념적인 묘사도이다.
도 2는 터치정전용량과 선간 정전용량이 형성되는 원리를 설명하는 그림이다.
도 3는 본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시 장치에 있어서, 터치검출수단의 기본적인 구조를 보인 회로도이다.
도 4는 도 3의 등가회로로 표시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 터치센서가 터치신호를 검출하기 위해 선간등가커패시터(Ceq)에 교번전압을 인가하는 실시예이다.
도 6은 LCD의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 TFT에 관한 상세 구조도이다.
도 8은 본 발명에 따른 터치스크린을 내장한 표시장치의 제1실시예에 관한 구조도이다.
도 9는 본 발명에 따른 터치스크린을 내장한 표시장치에 있어서, 터치 센서의 배치 및 터치IC의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 터치스크린 내장형 표시장치에서 터치센서의 구성에 관한 일실시예이다.
도 11은 본 발명에 따른 터치스크린을 내장한 표시장치의 제2실시예에 관한 구조도이다.
도 12는 G/L 사용에 관한 본 발명의 구동 신호 전달에 관한 도면이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시장치의 터치 검출 방법에 있어서, AC 입력전압을 적용한 개념을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 터치스크린 내장형 표시장치에서 표시장치 및 터치센서 및 G/L에 필요한 신호를 인가하는 방법에 관한 설명을 위한 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 터치스크린을 내장한 표시장치의 제3실시예에 관한 구조도이다.
도 18은 본 발명에 따른 터치스크린을 내장한 표시장치의 제4실시예에 관한 구조도이다.
도 19는 횡전계 모드의 LCD 구성요소중 TFT기판의 구성을 예시한 것이다.
도 20은 횡전계 모드에서의 Vcom 전극을 이용한 본 발명의 터치센서 내장형 표시장치의 실시예이다.
도 21은 공통전극으로서 터치센서의 역할을 병행 수행하는 본 발명의 터치스크린을 내장한 표시장치의 공통전극을 이용한 터치신호 검출방법에 관한 것이다.
도 22는 터치센서가 오브젝트의 상하 또는 좌우 움직임을 검출하지 못하는 경우를 나타내는 개념도이다.
도 23은 터치센서 면적공유에 관한 본 발명의 실시예로서 종방향으로 면적을 공유한 실시예이다.
도 24는 터치센서 면적공유에 관한 본 발명의 실시예로서 횡방향의 터치센서가 면적을 공유한 실시예이다.
도 25는 게이트 신호선이나 소스 신호선의 상면이나 하면에 터치센서가 위치하는 경우의 터치센서 상하 또는 좌우간 면적을 공유하는 본 발명의 실시예에 관한 도면이다.
도 26은 공통전극이 터치센서로 작용하는 경우의 터치센서 면적 공유에 대한 실시예이다.
도 27은 본 발명에 따른 LDI 및 TDI를 하나로 통합한 IC의 구조에 관한 것이다.
도 28 내지 도30은 본 발명에 있어서, 공통전극이 터치센서로 적용 시, 공통전극 및 센서 신호선의 배치 개념을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
우선, 본 발명은 터치스크린 내장형 표시 장치 및 터치 검출 방법에 관한 것으로서 센싱패드(터치 검출부에 접속된 패드)에 손가락 등의 접촉에 의한 정전용량이 부가될 때 터치IC 내부의 드라이빙 커패시터(Cdrv)에 구동전압을 인가하여 터치를 검출하거나, 터치를 검출중인 센싱패드(터치 검출부에 접속된 패드)와 인접한 난센싱패드(센싱 패드에 대응하는 패드로서, 터치 검출부에 접속되지 않은 패드) 사이에 형성된 센싱등가커패시터에 교번하는 구동전압을 인가할 때, 터치로 인한 정전용량의 크기 차이에 기인한 검출전압에 차이가 발생하는 현상을 이용하여 터치를 검출하는 방법 및 이를 가능하게 하는 표시장치 내에서의 터치구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 터치 검출 방법은 터치 미발생시 검출된 전압과, 터치 발생에 의해 터치 정전용량이 부가될 때 검출된 전압의 크기를 비교하고, 두 전압의 크기 차이로 터치를 검출하며, Guard Layer(가드 레이어 또는 G/L)로 인해 부유커패시턴스 등에 의한 영향이 최소화 되며, 보다 안정적으로 터치신호를 획득할 수 있다.
본 발명에서 언급되는 표시장치는 LCD류(a kind of LCD), PDP, AMOLED 또는 PMOLED 중 어느 하나이거나, 기타 사용자에게 임의 형태의 정지화상(예, JPG, TIF 등등) 또는 동영상(MPEG-2, MPEG-4 등) 화상을 표시하는 모든 수단을 포함한다.
본 발명에서의 터치 입력수단은 키보드, 마우스, 손가락, 터치펜, 스타일러스 펜 뿐만 아니라 터치센서에 의해 감지될 수 있는 전압 변화를 일으키는 임의 형태의 입력(예, 일정 형태를 갖는 도전체와 같은 오브젝트(object) 또는 전자기파등의 입력)을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 “동일 선상”은 상하 동일위치에 대향(Overlap)된다는 의미로 사용되며, 그 사이에 신호선등을 이루는 금속물질이나 절연체 등이 존재할 수 있다. 예를 들어 A 및 B가 동일선상에 있다고 할 때 A가 B의 상면에 있거나 B가 A의 상면에 있다는 의미이며 A와 B사이에 절연체나 메탈 등 다른 물질이 존재할 수 있다. A와 B가 동일선상에 있을 때 A의 폭(Width)과 B의 폭(Width)은 별도의 구분이 없는 한 한정되지 않으며 A와 B의 폭(width)의 상호비율도 별도 명기가 없는한 특정되지 않는다. 그러나 본 명세서에서는 일 실시예로 A의 폭과 B의 폭은 동일한 것으로 간주한다.
또한, 이하에서 설명되는 “~부”와 같은 구성들은, 특정기능을 수행하는 단위 기능 요소(Unit Function Element)들의 집합체로서, 예를 들면 어떤 신호의 증폭기는 단위 기능 요소이며 증폭기나 신호변환기들이 모인 집합체는 신호변환부로 명명할 수 있다. 또한, “~부”는 더 큰 구성요소 또는 “~부”에 포함되거나, 더 작은 구성요소들 및 “~부”들을 포함할 수 있다. 또한, “~부”는 자체적으로 연산기능이나 메모리 등에 저장된 명령어(command)등을 처리할 수 있는 독자적인 CPU(Central Processing Unit)를 포함할 수 있다.
이하의 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께나 영역을 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하였다. 층, 영역, 기판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 또는 “상면” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에(중간에 다른 부분이 없는 것)” 있는 경우 뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분(예, 매개층 또는 절연층(insulting layer)이 있는 경우를 포함한다.
또한, 본 명세서에 기재된 “신호(signal)”는 특별한 언급이 없는 한, 전압 또는 전류를 총칭한다.
또한, 본 명세서에서 “커패시턴스(capacitance)”는 물리적인 크기를 나타내며, “정전용량”과 동일한 의미로 사용된다. 한편, “커패시터 (capacitor)”는 물리적인 크기인 커패시턴스를 갖는 소자(Element)를 지칭한다. 본 발명에서 보상커패시터(Cbal)는 터치드라이브IC(Integrated Circuit) 내부에 설계 및 제조공정에 의해 만들어 지기도 하며, 인접한 두개의 센서 신호선 사이에서 자연적으로 생성되기도 한다. 본 명세서에서는 직접 만들어진 커패시터나 자연적으로 형성된 커패시터 모두를 구분하지 않고 “커패시터”로 명명한다.
본 명세서에서 커패시터의 기호로 사용된 부호인 C는 커패시터를 지칭하는 부호로 사용되며 또한 커패시터의 크기인 커패시턴스를 나타낸다. 예를 들어 C1은 커패시터를 지칭하는 부호이기도 하며 또한 그 커패시터의 크기인 커패시턴스가 C1임을 의미한다.
또한, 본 명세서에서“신호(signal)를 인가(forcing)"한다는 의미는 어떤 상태를 유지하고 있던 신호의 레벨(Level)이 바뀐다는 의미이다. 예를 들어, 스위칭소자의 온/오프 제어단자에 신호를 인가한다는 의미는, 기존의 로우(Low) 레벨 전압(예, 대지전압(zero Volt) 또는 일정크기의 DC전압, AC전압)이 하이(Hi) 레벨(예, 로우 레벨 전압보다 더 큰 진폭값을 가지는 DC 전압 또는 AC전압)로 바뀐다는 의미이다.
또한 본 명세서에서 터치센서는 센싱 중인 센싱패드와 난센싱패드를 일컫는다. 센싱패드는 복수의 터치센서 중, 터치를 검출하기 위해 터치검출부에 접속된 터치센서이며, 난센싱패드는 터치검출을 수행하지 않으며 터치검출부에 접속되지도 않은 터치센서이다. 센싱패드는 터치 검출이 완료된 후에는 난센싱패드가 되며 사전에 정해진 순서(Sequence)에 따라 임의의 난센싱패드는 센싱패드로 전환 된다. 따라서 센싱패드와 난센싱패드는 고정되지 않으며 시간에 따라 변환될 수 있으며, 각 센싱패드와 난센싱 패드의 변환 순서는 사전에 정해진 순서에 의해 순차적으로 결정될 수 있다. 시분할방법(Time Sharing Technique)은 순서를 정하는 일 실시예이다.
또한 본 명세서에서 터치 또는 터치신호를 검출한다는 의미는 동일한 의미이며, 터치 신호 검출의 대표적인 일 실시예는 손가락과 같은 도전체가 터치센서에 접촉 또는 접근하지 않아서 터치정전용량이 형성되지 않았을 때 터치검출부에서 검출한 제 1 전압과, 손가락과 같은 도전체가 터치센서와 대향할 때 형성된 터치정전용량(Ct)에 의해 터치검출부에서 검출된 제 2 전압의 차이를 검출하는 것이다.
또한 본 명세서에서 터치드라이브IC(Touch Drive IC)는 터치IC 또는 TDI로 축약하여 사용한다.
또한 본 명세서에서 프리차지와 충전 그리고 프리차지전압과 충전전압은 동일한 의미로 사용된다.
또한 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 센싱패드는 센싱패드를 연결하는 센서 신호선을 포함하는 의미일 수 있고, 특별한 언급이 없는 한 난센싱패드는 난센싱패드를 연결하는 난센싱패드 신호선을 포함하는 의미일 수 있다.
또한 본 명세서에서 소스 신호선(Source Line) 및 게이트 신호선(Gate Line)을 신호선이라고 하며, 신호선은 게이트 신호선과 소스 신호선을 총칭하기도 하며 소스 신호선만 지칭하거나 게이트 신호선만 지칭하는 것일 수 있다.
또한 본 명세서에서 서브픽셀을 픽셀(화소)로 지칭할 수도 있다.
도 1은 본 발명에서 커패시터 충전수단의 한 예시로서 사용되는 스위칭 소자 중 3단자형 스위칭소자를 개념적으로 묘사한 것이다. 도 1을 참조하면, 3단자형 스위칭소자는 일반적으로 온/오프 제어단자(Cont), 입력단자(In), 출력단자(Out)의 3개 단자를 구비한다. 온/오프 제어단자(Cont)는 스위칭 소자의 턴 온 / 턴 오프를 제어하는 단자로서, 이 단자에 소정 크기의 전압이나 전류를 인가하면 입력단자(In)로 인가된 전압 또는 전류는 출력단자(Out)에 전압이나 전류형태로 출력된다.
본 발명의 구체적인 터치신호 검출방법의 실시예를 설명하기에 앞서, 도 2를 참조하여 터치정전용량과 선간 정전용량(Capacitance between lines)이 형성되는 원리에 대하여 간략하게 설명한다. 도 2의 예시에서, 터치센서(10)에 손가락(25) 또는 이와 유사한 도전성의 터치수단(예, 정전식 터치펜)이 접근했을 때 터치센서(10)와 손가락(25)이 "d"의 간격으로 이격되며, "A"라는 대향면적(또는 대향 접촉 면적)을 갖는다고 가정하자. 그러면, 도 22의 우측 등가회로 및 수학식 "C=(eA)/d"에서 보이듯이, 손가락(25)과 터치센서(10) 사이에는 커패시턴스 "C"가 형성된다. 본 명세서에서는 손가락(25)과 터치센서(10)사이에 형성된 커패시턴스를 터치정전용량 또는 터치커패시턴스(Ct)라고 한다.
또한 도 2의 예시에서 손가락(25)과 터치센서(10) 대신에 두 개의 평행한 센서 신호선이 “d"의 간격으로 이격되고 ‘A"라는 대향면적을 가질 때, 두 신호선 사이에도 도 2의 등가회로 및 수학식, C=(eA)/d에 도시된 선간커패시턴스 C가 형성된다. 만일 신호선이 ITO나 금속물질로 만들어 졌을 때 그 물질의 도포 두께 및 두 신호선의 대향길이를 곱한 값은 두 개의 평행한 신호선의 대향면적이 되며, 두 대향 신호선의 벌어진 정도는 이격 거리가 된다. 본 발명에서 두 신호선 사이에는 OCA(Optically Clear Adhesive)나 공기층이 형성되므로 도 2의 수학식, "C=(eA)/d"에서 유전율(e)은 OCA나 공기의 유전율(permittivity)이 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 터치스크린 내장형 터치장치의 터치검출수단의 기본적인 구조를 보인 회로도이다. 이를 참조하면, 본 발명에 따라 특화된 터치검출수단은, 충전수단(12), 터치센서(10), 센서 신호선(22), 부유용량커패시터(Cp) 및 터치검출부(14)로 구성된 기본적인 구조를 갖는다.
충전수단(12)은 터치검출부(14)에 접속된 모든 커패시터에 프리차지신호(또는 충전신호)인 Vpre를 공급하고, "Cont"로 명명된 "온/오프 제어단자"에 인가된 턴 오프(Turn Off) 신호에 턴 오프되어, 출력단(12-1)을 하이 임피던스로 만드는 TR(Transistor) 또는 FET 또는 MOSFET 또는 CMOS등의 스위칭소자이거나, 제어신호에 따라 신호를 공급하는 OP AMP(Operational amplifier) 등의 선형소자이다.
터치센서(10)는 터치검출부(14)에 연결되어 터치신호를 검출하는 센싱패드(Sensing Pad,10a)와, 터치검출부(14)에 연결되지 않으며 터치신호를 검출하지 않는 난센싱패드(Non Sensing Pad, 10b)로 이루어진다.
센싱패드(10a)와 난센싱패드(10b)는 고정되지 않으며, 동일한 터치센서(10)가 시분할방법(Time Sharing)으로 전환될 수 있다(센싱 패드가 일정시간 간격 후에는 난센싱 패드로 전환). 터치 검출을 위해 터치검출부(14)에 접속되면 센싱패드(10a)라고 하며 터치검출부(14)에 접속되지 않으면(또는 이격되면) 난센싱패드(10b)라고 한다. 따라서 하나의 터치센서(10)가 터치검출부(14)와 접속되었는지 여부에 따라 센싱패드나 난센싱패드로 구분된다.
도 3의 실시예에서 하나의 터치센서(10)가 순차적으로 센싱패드가 되며 나머지는 난센싱패드인 경우를 가정하였으며, “PC"로 표기된 터치센서(10)가 센싱패드(10a)로 동작하고 있고 나머지는 모두 난센싱패드(PA, PB, PD, PE, PF, PG, PH, PI, PJ)인 경우이다. "PC"로 표기된 센싱패드(10a)의 동작 이전 시점에는 "PB"로 표기된 터치센서가 센싱패드 역할을 수행했고, "PC"로 표기된 센싱패드의 동작 이후에는“PD"로 표기된 터치센서가 난센싱패드에서 센싱패드로 역할이 전환될 것이다. 이처럼 터치센서(10)의 센싱패드 및 난센싱패드로의 전환은 도 9의 타이밍제어부(33)의 제어에 의해 수행된다. 도 3은 하나의 센싱패드(10a)를 이용한 터치신호 검출 방법의 실시예이며, 복수의 터치센서가 동시에 센싱패드로 동작할 수 있다.
도 3에서 프리차지전압 Vpre가 센싱패드신호선(22a) 및 PC의 부호를 가지는 센싱패드(10a)에 인가되고, 센싱패드(10a)와 인접한 PB, PD, PF의 부호를 가지는 난센싱패드 및 이와 접속된 난센싱패드신호선(22b-B, 22b-D, 22b-F)이 Vpre와 소정의 전위차를 가지는 임의의 전압 Vlbl에 접속되면, 도 2에서 설명한 원리에 의해 센싱패드(10a)와 난센싱패드(22b) 사이에는 커패시턴스가 형성된다.
구체적으로 설명하면, 센싱패드신호선(22a) 및 센싱패드(10a)에는 소정의 전위를 가지는 Vpre가 인가되고, Vlbl에 접속된 난센싱패드신호선(22b-B)이 센싱패드신호선(22a)과 소정의 대향거리와 대향면적을 갖고 있으므로 도 2에서 설명한 원리에 의해 상호간에 C1이라는 커패시턴스를 가지는 선간정전용량(Capacitance between lines)이 형성되며, 동일한 원리로 센싱패드신호선(22a)과 난센싱패드신호선(22b-D) 사이에는 C2라는 선간정전용량이 형성되고, 센싱패드(PC, 10a)와 대향하는 난센싱패드신호선(22b-F) 사이에도 동일한 원리로 선간정전용량 C3이 형성된다.
기존에는 이러한 선간 정전용량은 기생커패시터(Cp)로 작용하여 터치 감도(touch sensitivity)를 저하시키는 노이즈로 작용한다. 그러나 본 발명에서는 선간커패시터를 역이용하여 터치신호 검출에 사용하므로 터치 검출부에서 검출된 전압을 구하는 수학식에서 Cp를 줄여서 터치 감도를 향상시키고, 줄어든 Cp인 선간정전용량이 터치 검출부에서 검출된 전압을 구하는 수학식의 분자에 위치하도록 하여 터치 감도를 향상시키는 복수의 감도향상 효과를 갖는다.
한편, C4와 같이 센싱패드신호선(22a)과 난센싱패드신호선(22b-A) 사이에 난센싱패드신호선(22b-B)이 있어도 선간 정전용량이 형성될 수 있다. 본 명세서에서 C1내지 C3과 같이 센싱패드신호선(22a)과 난센싱패드신호선 사이에 선간정전용량이 형성된 경우를 1차 선간정전용량이라고 하며 C4와 같이 센싱패드신호선(22a)과 난센싱패드신호선 사이에 하나 또는 복수의 난센싱패드신호선이 있는 상태에서 형성된 정전용량을 2차 선간정전용량이라고 정의한다.
따라서 센싱패드(10a) 및 센싱패드신호선(22a)에는 복수의 2차 선간정전용량이 형성될 수 있다. 2차 선간정전용량도 터치검출에 사용하면 터치 감도가 향상되므로 2차 선간정전용량을 형성하기 위한 모든 난센싱패드신호선을 1차 선간정전용량 형성에 사용된 Vlbl에 접속하는 것이 바람직하다. 2차 선간정전용량을 형성하기위한 난센싱패드신호선은 Vlbl과 다른 전위에 접속될 수도 있으나, 회로를 단순화하기 위하여 Vlbl을 공통으로 사용하는 것이 바람직하다.
회로의 단순화나 터치 감도가 기대치보다 너무 좋은 경우 터치감도를 약화시키기 위하여 2차 선간정전용량을 생성하는 난센싱패드신호선(도 3의 실시예에서 22b-A나 22b-E와 같은 신호선들)을 플로팅 또는 하이임피던스상태로 유지하는 것도 가능하며, 이로 인해 플로팅된 난센싱패드신호선과 센싱패드신호선 사이에는 2차 선간정전용량이 발생하지 않는다. TDI(Touch Drive IC)는 2차 선간정전용량을 생성하며 센싱패드신호선(22a)과 인접한 난센싱패드신호선(22b)을 소정의 전위로 접속할 지 플로팅 또는 하이임피던스 상태로 유지할 지를 결정하는 수단을 갖는다. 난센싱패드신호선(22b)에 접속되는 전압 Vlbl은 제로(0)V를 포함한 DC 전위 또는 AC 전압이다.
센싱패드(10a)에는 1차 선간정전용량(C1내지 C3)및 2차 선간정전용량이 공통 접속되어 있으므로, 이들 모두를 하나의 등가커패시터로 표시할 수 있으며 이를 선간등가커패시터(Ceq)라고 하면 도 3을 도 4와 같은 등가회로로 표시하는 것이 가능하다.
한편, 선간등가커패시터(Ceq)는 다음과 같은 특징을 갖는다.
1. 대향하는 센서 신호선(22a 및 22b)의 대향길이가 길수록 대향면적이 넓어지므로 선간등가커패시턴스(Ceq)는 더 커진다. 이로 인해 TDI에서 원거리에 있는 센싱패드(10a)일수록 선간등가커패시턴스(Ceq)는 더 크다.
2. 대향하는 센서 신호선(22a 및 22b)의 대향거리에 따라 선간등가커패시턴스(Ceq)의 크기를 조정하는 것이 가능하다. 대향거리는 대향하는 센서 신호선(22a 및 22b) 사이의 폭(Width)이므로 설계에 의해 선간등가커패시턴스(Ceq)의 크기를 변경하는 것이 가능하다.
도 4를 참조하면, 센싱패드(10a)와 인접한 난센싱패드(10b) 사이에 선간등가커패시터(Ceq)가 형성되며 난센싱패드(10b)는 임의의 전압(Vlbl)에 접속되어 있다.
난센싱패드(10b) 및 난센싱패드신호선(22b)은 도 3에서 1차 선간정전용량 및 2차 선간정전용량을 형성하는 복수의 난센싱패드 및 난센싱패드신호선을 하나의 등가 난센싱패드(10b) 및 등가 난센싱패드신호선(22b)으로 표시한 것이다. 도 3에서 센싱패드(10a)를 제외한 모든 난센싱패드신호선(22b)에는 소정의 전압 Vlbl에 연결되므로 도 4에서도 난센싱패드신호선(22b)에 전압 Vlbl이 연결되었다.
따라서 도 4에서는 비록 하나의 난센싱패드신호선(22b)에 Vlbl이 연결된 것처럼 표시되었으나 실제로는 1차 또는 2차 선간정전용량을 생성하는 복수의 난센싱패드신호선에 Vlbl이 연결된 것이다.
Vlbl은 프리차지전압 Vpre가 센싱패드에 인가될 때 난센싱패드신호선(22b)의 일측에 인가되는 전압으로서, 프리차지에 의해 선간등가정전용량(Ceq)를 형성하기 위한 전압이다. 터치신호를 검출하기 위해 난센싱패드신호선(22b)에는 교번하는 교번전압이 인가되며 Vlbl은 교번하는 전압의 로우전압 또는 하이전압을 포함한다.
충전수단(12)의 출력단(12-1) 및 출력단(12-1)과 접속된 모든 커패시터들은 터치검출부(14)와 접속된다. 버퍼(Buffer,14-1)는 터치검출부(14)를 구성하는 구성품의 하나로서 입력단이 하이 임피던스(Hi Impedance, 이하 Hi-z) 특성을 갖는다. 충전수단(12)의 출력단(12-1)이 Hi-z 상태로 터치검출부의 Hi-z 입력단에 연결되면 충전수단의 출력단(12-1)와 Buffer(14-1) 사이에 접속된 모든 커패시터들(Ceq, Ct, Cvcom, Cp)도 Hi-z 상태가 된다.
후술하겠지만, 센싱패드(10a)를 연결하는 센싱패드신호선(22a)의 길이에 따라 Ceq의 크기가 다르므로 충전시간도 센싱패드의 위치에 따라 달라지게 된다. 하나의 고정된 시간으로 충전시간을 결정할 시 충전시간이 가장 긴 시간으로 결정할 수 밖에 없으므로 터치검출시간이 느려진다는 단점이 있다. 따라서 TDI는 충전시간을 결정할 수 있는 수단을 갖는다. 충전시간은 충전수단(12)의 턴 온 시간으로 결정된다.
도 4의 실시예에서는 충전수단(12)의 출력단(12-1)이 Buffer(14-1)에 직접 접속되는 것을 예시하였으나, MOS(Metal Oxide Semiconductor)의 게이트(gate)나 TFT(Thin Film Transistor)의 게이트(gate)등 입력이 Hi-z 상태인 모든 소자가 버퍼(14-1)를 대체하여 사용되는 것이 가능하다. 충전수단(12)의 출력단(12-1)과 터치검출부(14)를 Hi-z 상태로 만드는 이유는, Hi-z상태에서 고립된 전하의 방전경로가 없으므로 도 4의 P점에 형성된 전압의 크기가 오래 유지되어 상대적으로 정확한 전압의 크기를 검출하는 것이 용이하기 때문이다.
Buffer(14-1)에서 출력된 신호는 증폭기(14-2)로 입력된다. 터치여부에 따라 도 4의 P점에서 검출되는 전압의 변화량이 작은 경우, 증폭기(14-2)를 사용하여 신호를 증폭하는 것이 바람직하다. 증폭기에는 DAC(14-3)이 사용될 수 있으며 DAC은 ref 전압(14-4)을 이용하여 생성된다.
또한 터치검출부(14)에서 검출되고 증폭된 신호는 후술할 도 9의 신호처리부(35)로 전달되기 위해 ADC 변환부(14-5)를 거칠 수 있다. 이러한 ADC 변환부(14-5)는 하나 또는 복수 개가 사용될 수 있으며, 복수 개를 사용하면 보다 빠른 신호처리가 가능하다.
본 발명의 터치센서를 내장한 표시장치에서 터치센서의 구조에 대해서는 전술한 바와 같으며 터치센서를 연결하는 센서 신호선(22)은 터치센서(10)에 손가락(25)과 같은 터치수단이 접근할 때 형성된 터치정전용량의 일극(Polarity)을 터치검출부(14)에 접속하는 신호선(Signal Line)으로서, 터치센서(10)와 동일한 마스크(mask)로 형성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 센서 신호선(22)은 저항의 크기를 Rt로 표시하였으며, 난센싱패드(10b)의 저항의 크기를 Rnt로 명기하였다.
이러한 저항 성분들은 터치신호 검출 시 신호의 지연을 발생시키는 요인으로 작용하므로 크기가 작을수록 좋다. 따라서 TDI에서 원거리에 배치된 터치센서(10)와 연결된 센서 신호선(22)은 저항을 낮추기 위해 연결 개수를 많게 하는 것이 바람직하다.
다시 도 4를 참조하면, 인체의 손가락(25)이 터치센서(10)에 일정 간격으로 접근하면, 손가락(25)과 터치센서(10) 사이에는 "Ct"라고 하는 터치정전용량(Ct)이 형성된다. Ct는 도 2의 관계식, C=(eA)/d, 에 의해 설정되는 값으로서, 손가락(25)과 같은 터치수단과 터치센서(10)의 간격, 대향면적 등을 조절하는 것에 의해 조정될 수 있다. 예컨대, 터치센서(10)의 면적을 넓게 하면, 도 2의 관계식에 따라 Ct 역시 커진다. 반대로, 터치센서(10)의 면적을 작게 구성하는 것으로서 Ct는 작아진다. 일실시예로, Ct는 수 fF(femto Farada) 내지 수십 uF(micro Farad)으로 설계될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 충전수단(12)의 입력단(도 3의 12-2)에는 프리차지전압(Pre charge Voltage)인 Vpre가 인가되고, 온/오프 제어단자(cont)에 인가되는 제어전압(Vg)에 의해 충전수단(12)인 스위칭소자가 턴 온(Turn on)될 때 프리차지전압(Vpre)은 출력단(12-1)을 통해 출력된다. 따라서 충전수단(12)의 출력단(12-1)에 접속된 모든 커패시터들은 프리차지전압(Vpre)으로 충전된다.
도 4의 P점을 충전한 이후 충전수단(12)의 제어전압(Vg)을 하이에서 로우로 하강시켜 충전수단(12)을 턴 오프 시키면, 터치검출부인 P점은 Hi-z가 되어 P점의 전하는 터치커패시터(Ct), 선간등가커패시터(Ceq), 기생 커패시터(Cp)에 고립된다. 일 실시예로서, 선간등가커패시터(Ceq)에 교번하는 전압을 인가하면, P점에서 검출되는 전압의 크기는 선간등가커패시터(Ceq)에 인가된 교번하는 전압의 크기에 비례하고 P점에 접속된 커패시턴스들과 상관관계를 갖는다.
도 5는 본 발명의 터치센서가 터치신호를 검출하기 위해 선간등가커패시터(Ceq)에 교번전압을 인가하는 실시예이다.
도 5를 참조하면, 충전수단(12)의 출력단(12-1)에는 터치센서(10)와 손가락(25)과 같은 도전체 사이에 형성된 터치커패시턴스(Ct) 및 Ceq, Cvcom 및 Cp가 접속되어 있다. 따라서 충전수단(12)을 턴 온 시킨 상태에서 충전수단(12)의 입력단(12-2)에 프리차지 신호(Vpre)를 인가하면 Ceq, Ct, 및 Cp가 프라차지 레벨(Vpre)로 충전되어 터치검출부(14) 입력단의 전위는 프리차지 레벨(Vpre)이 된다. 이후, 만약 충전수단(12)을 턴 오프 시키면 3개의 커패시터에 충전된 신호는 별도로 방전시키지 않는 한 프리차지 신호 레벨(Vpre)을 유지하게 된다.
충전된 신호를 안정적으로 고립시키기 위해서, 충전수단(12)의 출력단(12-1)과 터치검출부(14)의 입력단은 Hi-z 상태이다.
터치검출부(14)는 센싱패드(10a)의 전압(또는 P점의 전압)을 검출한다. 터치검출부(14)는 터치 미발생시(즉, Ct가 형성되지 않았을 때) P점의 전압을 검출하고, 터치 발생 시(즉, Ct가 형성되었을 때) P점의 전압을 검출하여 검출된 두 전압의 크기 차이를 이용하여 터치신호를 획득한다. 도 5의 실시예에서 센싱패드(10a)와 P점인 터치검출부 입력단에는 센싱신호선저항(Rt)이 있으나 일정시점 후 Rt 양단의 신호의 크기는 동일하므로 Rt의 영향은 무시하였다. 따라서 본 명세서에서 센싱패드(10a)에서 검출된 전압과 P점에서 검출된 전압은 동일한 의미를 갖는다.
본 발명에서 도 5의 P점이 충전전압(Vpre)으로 충전될 때 난센싱패드(10b)와 연결된 난센싱패드신호선(22b)의 일측에는 소정의 전압 Vl이나 Vh가 접속된다. Vl은 본 발명의 교번하는 전압의 로우(Low) 전압이며 Vh는 본 발명의 교번하는 전압의 하이(Hi) 전압이며 교번하는 전압은 Vh와 Vl을 교번한다. Vh나 Vl은 앞에서 설명한 Vlbl와 동일한 역할, 즉 선간등가커패시터(Ceq)를 형성하는 역할을 한다.
충전전압(Vpre)이 인가되고 소정의 시간이 지난 후 터치신호를 검출하기 위하여 난센싱패드신호선(22b)에는 교번전압이 인가된다. 교번전압의 절대크기는 Vh-Vl이며 하이전압(Vh)에서 로우전압(Vl)으로 또는 로우전압(Vl)에서 하이전압(Vh)으로 전위를 변경할 수 있다. 교번전압은 구형파나 삼각파 또는 사인파 또는 톱니파등의 다양한 형태의 전압이며, 본 발명의 TDI(Touch Drive IC)는 교번전압의 크기나 주파수를 가변하는 것이 가능하다.
터치검출부(14)는 교번전압이 로우전압(Vl)에서 하이전압(Vh)로 상승하는 상승에지(rising edge) 또는 상승구간(rising time)나 하이전압(Vh)에서 로우전압(Vl)으로 하강하는 하강에지(falling edge) 또는 하강구간(falling time)에 동기하여 전압을 검출한다. TDI는 상기 상승 또는 하강 에지에 동기하여 전압을 검출할 때, 에지(edge)부터 소정의 시간만큼 지연된 후 전압을 검출하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 센싱패드신호선(22a)의 저항성분인 Rt나 난센싱패드의 저항성분인 Rnt에 의해 검출전압이 안정화되기까지는 어느 정도의 시간(예, 수십 ns(nano second) 또는 수십 us(micro second))이 필요하기 때문이다.
또한, 교번전압의 상승에지(edge) 또는 하강에지에서 발생하는 전자파로 인해 본 발명의 정전식 터치검출 수단과 결합된 기기에 영향을 미칠 수 있으므로 본 발명의 TDI는 교번전압의 상승에지나 하강에지의 기울기를 조정하는 수단을 더 포함할 수 있다. TDI내부의 기울기를 조정하는 수단의 일 실시예로 레지스터(Register)가 사용될 수 있다. 복수 개의 레지스터에는 상승에지나 하강에지의 시간이 매핑(mapping)되어 있으며 복수 개의 레지스터중 하나를 선택하면 도 9의 교번전압생성부(42)는 교번전압의 상승에지나 하강에지의 기울기를 조정한다.
도 5의 P점이 충전전압 Vpre로 충전될 때, 난센싱패드신호선(22b)에 인가된 전압이 Vh 또는 Vl이라고 가정하면, 선간등가커패시터(Ceq)는 Vpre와 Vh의 차이 또는 Vpre와 Vl의 차이를 가지는 전압으로 충전된다. 예를 들어 Ceq가 Vpre로 충전될 때 난센싱패드신호선(22b)에 연결된 최초전압이 하이전압(Vh)이면 교번하는 전압은 하이(Vh)에서 로우(Vl)로 교번하며 교번전압의 극성은 Negative(-) 이다. 또한 Ceq가 Vpre로 충전될 때 난센싱패드신호선(22b)에 연결된 최초전압이 로우전압(Vl)이면 교번하는 전압은 로우(Vl)에서 하이(Vh)로 교번하며 극성은 Positive(+)이다.
후술할 [수학식 1]이나 [수학식 2]에서 Ct의 크기인 커패시턴스는 터치의 유무에 따라서 또는, 터치수단과 터치센싱패드(10a)의 대향거리나 대향면적에 따라서 달라지며, [수학식 1]이나 [수학식 2]에서 터치가 검출되지 않았을 때의 Ct값은 없다. 본 발명은 터치가 없을 때 즉, Ct가 없을 때의 검출전압을 기준으로 터치가 발생했을 때 즉, Ct가 생성되었을 때의 전압값 차이를 검출하여 터치 여부 또는 터치면적을 검출하므로 고정값인 비터치상태에서의 전압값을 기억장치(메모리, 도 9의 28)에 저장하는 것이 바람직하다.
이와 같이 모든 터치센서(10)의 난터치시 터치검출부(14)에서 검출된 전압을 메모리에 저장하여, 해당 터치센서(10)가 센싱패드로 동작할 때 터치검출부에서 검출된 전압과의 차이를 검출하면 손쉽게 터치여부 및 터치면적을 검출하는 것이 가능하다.
한편, Vh와 Vl은 TDI 내부의 전원부(도 9의 47)에서 생성되며 Vh와 Vl의 교번은 TDI 내부의 교번전압생성부(도 9의 42)에서 생성된다.
Ceq 미 사용 및 G/L에 교번전압 인가 시 검출되는 신호
Figure 112015121579825-pat00001
Ceq 사용 및 G/L에 교번전압 인가 시 검출되는 신호
Figure 112015121579825-pat00002
AC 입력전원에 동기하여 검출되는 센싱 전압
Figure 112015121579825-pat00003
[수학식 1]이나 [수학식 2]의 Ct는 다음의 [수학식 4]로부터 얻을 수 있다.
Figure 112015121579825-pat00004
[수학식 4]에서
Figure 112015121579825-pat00005
는 터치센서(10)와 손가락(25) 사이의 매질로부터 얻을 수 있으며 복수의 매질이 사용되면 이들의 복합유전율로 구할 수 있다.
Figure 112015121579825-pat00006
는 센싱패드(10a)와 손가락(25)의 대향면적에 해당한다. 만약 손가락(25)이 어떤 센싱패드(10a)를 모두 덮고 있다면
Figure 112015121579825-pat00007
는 터치센서(10)의 면적에 해당한다. 만약 손가락(25)이 터치센서(10)의 일부를 덮고 있다면
Figure 112015121579825-pat00008
는 센싱패드(10a)의 면적에서 손가락(25)과 대향하지 않은 면적만큼 줄어들 것이다. 또한,
Figure 112015121579825-pat00009
는 센싱패드(10a)와 손가락(25)간 거리이므로, 터치스크린패널(50) 상면에 올려진 보호층(24)의 두께에 해당할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 터치센서(10) 및 센서 신호선(22)은 표시장치의 내부에 배치되므로 표시장치의 구조에 대한 상세한 고찰이 필요하다. 표시장치에 대하여 본 명세서에서는 LCD를 근간으로 설명하였으나, AMOLED도 TFT 기판은 LCD와 유사하므로 본 명세서에서 설명한 기술사상은 AMOLED에 동일하게 적용된다. 또한 PMOLED나 PDP등 모든 표시장치에는 신호선 및 화소라는 개념이 포함되므로 본 명세서가 신호선 및 화소를 근간으로 내장형 터치를 배치하는 개념이므로 본 발명의 기술사상은 모든 표시장치에 적용된다.
도 6은 LCD의 구조를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, LCD는 칼라필터 기판(Color Filter substrate, 100)과 TFT 기판(TFT substrate, 200)이 실런트(Sealant, 미 도시)에 의해 부착되어 형성된다. LCD기판은 Red/Green/Blue의 3개 서브픽셀(Sub pixel)이 하나의 픽셀을 형성하여 화소의 기본단위로 작용하며 이를 도트(Dot)라고도 한다. 각각의 서브픽셀에는 ITO등의 투명전극으로 형성된 화소전극(pixel electrode)이 TFT(Thin Film Transistor, 220)의 드레인(Drain)에 접속되며 TFT의 소스(Source)에는 소스메탈(Source Metal)로 형성된 소스 신호선(source line, 250)이 접속된다. 또한, TFT의 게이트에는 게이트메탈로 형성된 게이트 신호선(Gate line, 240)이 접속된다.
칼라필터(110)는 TFT기판(210)의 서브픽셀과 동일선상에 Red(R), Green(G), Blue(B)가 형성되고 R/G/B사이에는 TFT의 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)을 차폐하기 위한 BM(Black Matrix, 130)이 형성된다.
도 7은 도 6의 TFT에 관한 상세 구조도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 유리나 플라스틱 등의 TFT 기판(210)의 상면에는 구리나 알루미늄 또는 몰리브데늄 또는 크롬 등의 금속성분으로 구성된 게이트 메탈층(gate metal layer)이 게이트신호선(Gate Line, 240)을 형성한다. 게이트 신호선의 상측(Upper layer)에는 구리나 알루미늄 또는 몰리브데늄 또는 크롬 등의 금속성분으로 구성된 소스 메탈층(Source metal layer)에 의해 TFT의 소스(source) 전극(270) 및 드레인(Drain) 전극(260)이 형성된다. 또한 TFT의 소스전극(270)에는 동일한 소스 메탈층으로 동일한 층(same layer)에 소스 신호선(Source line, 250)을 형성하고, 상기 소스 신호선(240)은 화소전극(230)에 화상신호를 전달한다.
TFT(220)의 드레인은 화소전극과 접속되어 Clc 및 Cst를 형성하고 화소전극(230)의 전위와 공통전극(120) 사이의 전위차에 의해 액정(미 도시)이 반응하여 화질을 형성하게 된다. TFT(220)의 동작원리 및 상세 구조 원리는 당업자에게 자명한 지식이므로 본 발명과 무관한 사항은 설명을 하지 않았으나 당업자에게 자명한 기술 사항은 본 명세서의 모든 기술사항에 반영된다.
이러한 TFT(220)의 구조는 TN을 예로 하여 설명한 것이나, IPS 또는 FFS등의 횡전계 모드를 사용하는 LCD의 경우에 도 1의 공통전극(120)은 TFT 기판(210)과 동일층에 있을 뿐 상기에 설명한 LCD의 동작원리는 동일하게 적용된다.
본 발명의 터치스크린 내장형 표시장치의 터치스크린은 기본적으로 표시장치의 동작과 연동되지 않는다. 즉, LCD의 구동 메커니즘과 비동기(async)로 동작한다. 만일 본 발명의 터치스크린과 표시장치의 신호가 상호 연관성을 가지는 경우 표시장치의 구동주파수가 60Hz 정도이므로 통상 100Hz 이상의 구동 조건을 필요로 하는 터치의 동작 주파수를 맞추기가 쉽지 않다. 또한 정전기 또는 노이즈 등이 터치센서로 유입되면 터치(touch)를 복수 회 센싱하고 이를 다양한 필터를 사용하여 노이즈를 제거하는 기법을 사용하는 경우, LCD에 동기되면 LCD 주파수에 종속되어 한정된 시간 내에 복수 회 터치 검출이 불가한 경우도 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 터치스크린은 표시장치에 내장은 되었으나 표시장치의 구동메커니즘과는 별개로 동작한다. 어떠한 경우에는 표시장치의 구동신호 메커니즘에 동기하여 터치신호를 검출하는 것이 유리할 때가 있다. 예를 들어 그라운드를 동기 시키거나 LCD의 특정신호를 변형하여 터치검출감도를 향상시키는 경우이다. 따라서 본 발명의 터치스크린은 표시장치의 신호(예를 들어, DE 또는 Hsync 또는 Vsync)에 동기된 모드 및 비동기 모드 모두를 지원한다.
도 8은 터치스크린을 내장한 표시장치에서 터치스크린 내장에 관한 제1실시예로, 본 발명은 컬러필터(110) 및 공통전극(120)이 형성된 제1기판(100)과 화소전극(230)과 구동 신호선이 형성된 제2기판(200)이 서로 대향하게 배치된 표시 장치에 있어서, 상기 구동 신호선의 하측에 터치 신호를 감지하는 터치센서(10) 및 센서 신호선(22)을 포함한 센서 레이어가 형성된다.
즉, 상기 센서 레이어가 TFT기판(210)과 TFT(220)를 구성하는 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250) 사이에 설치되는 경우로 최초 증착된 센서 레이어는 도전성 물질로 형성되며, 크롬/구리/알루미늄/몰리브데늄 등의 금속성분이거나 ITO/CNT/메탈메쉬 등의 투명 도전물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 센서 레이어에는 도 9와 같이 고립된 복수개의 영역이 종과 횡방향으로 규칙적으로 배열된 터치센서(10)가 패터닝되어 배치되며 터치센서(10)와 TDI(30)을 연결하는 센서 신호선(22)도 같이 배치된다.
또한, 본 발명에 따른 상기 터치센서(10)는 상기 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 폭보다 넓게 배치되며, 도 9와 같이 고립된 복수 개의 영역이 종과 횡방향으로 규칙적으로 배열된 매트릭스 구조로 패터닝될 수 있으며, 상기 터치센서(10)와 TDI(30)을 연결하는 센서 신호선(22)도 같이 배치된다.
본 발명의 실시예에서 상기 터치센서(10)는 종방향으로 5개의 컬럼(Col) 및 횡방향으로 6개의 로우(Row)가 표시되었으나 이는 일실시예일 뿐 실제 사용 시에는 종방향과 횡방향으로 수십 개 또는 수백 개의 터치센서(10)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 터치센서(10)의 상면에는 절연체(passivation)가 증착되어 설치되는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 상기 터치센서(10)는 LCD의 신호선인 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 하측에만 위치하고 화소전극(230)과는 상하 중첩되지 않는 위치에 배치된다.
이는 상기 터치센서(10)의 터치검출을 위해 상승 또는 하강하는 전압을 인가하게 되는데 이때 화소전극(230)과 터치센서(10)와의 결합에 의해 커패시터에 의해 액정에 인가되는 전압에 왜곡이 발생하고 이로 인해 화질의 열화가 발생하는 문제를 방지하기 위함이다.
그러나 이러한 구조는 액정을 사용하지 않는 AMOLED(Active Matrix Organic Light-Emitting Diode)나 PMOLED(Passive Matrix Organic Light-Emitting Diode)에 사용하기에는 적합하다.
본 발명의 제1실시예에서는 터치센서(10)가 TFT 기판(210)과 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250) 사이에 위치하며, 이때 상기 터치센서(10)의 폭은 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 폭 보다 넓게 배치되는 것이 바람직하며, 나아가 액정에 영향을 미치지 않는 범위에서 최대한 넓게 배치되는 것이 바람직한데 상기 터치센서(10)의 센싱 면적을 넓게 형성함으로써, 터치 감도를 향상시킬 수 있기 때문이다.
또한 상기 터치센서(10)는 상기 화소전극(230)과 상하간 교차하지 않는 범위 내에서 화소전극(230)의 테두리에도 배치될 수 있다. 또한 터치센서(10)는 스토리지 커패시터(Cst)를 형성하는 메탈의 하측에도 배치될 수 있다. 스토리지 커패시터(Cst)를 형성하는 메탈은 통상 게이트 신호선(240)으로 형성되며 게이트 신호선(240)은 항상 DC가 인가되므로 그 아래에 있는 센서 신호선(22)의 구동신호에 대해 영향을 받지 않는다.
또한, 본 발명의 제1실시예에서 상기 터치센서(10)의 위치는 서브픽셀(sub pixel)을 단위(unit)로 하여 배치된다. 즉, 서브픽셀을 구성하는 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250) 하측의 어디에도 위치할 수 있으며, 터치센서(10)의 구획을 위해 어떤 서브픽셀의 하측에는 터치센서(10) 또는 센서 신호선(22)이 설치되지 않는다.
본 발명에 따른 상기 센서 신호선(22)은 투명 도전물질인 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 CNT(Carbon Nano Tube) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide), ZTO(zinc tin oxide), 나노와이어, 실버나노와이어 등이 사용된다. 만일 비 투과성의 금속물질이 사용되면 빛에 의해 번쩍거림 현상이 발생하거나 LCD의 개구율을 축소시키는 부작용을 초래하기 때문이다.
본 발명에 있어서, 상기 터치센서(10)가 LCD의 신호선인 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 하측에 위치할 때 하측(lower side)은 도 3과 같이 TFT 기판(210)이 하측에 배치될 때 기준으로 적합한 표현이다. 만일 도 3의 TFT 기판이 180도 뒤집혀 상측에 위치하고 TFT(220) 및 터치센서 layer가 TFT 기판(210)의 아래에 위치한다면, 터치센서(10)는 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)보다 상측(Upper side)에 있다고 한다. 본 명세서에서는 TFT 기판(210)이 하측에 있을 때를 기준으로 상하를 정의한다. 따라서 TFT기판(210)이 뒤집혀서 TFT 기판(210)이 상측으로 이동하여 상하가 바뀌어도 TFT 기판이 하측에 있을 때를 기준으로 절대적인 상하의 방향을 결정한다.
도 10은 본 발명의 터치스크린 내장형 표시장치에서 터치센서(10)의 구성에 관한 일실시예로 횡방향으로 34구획 및 종방향으로 42구획이 되었으며 서브픽셀이 가로방향으로 34개 및 세로방향으로 42개이다. 이를 LCD의 해상도로 환산하면 11(H) x 42(V)로서 HD급이 1280(H) x 800(V)임을 감안하면 상당히 작은 크기의 표시장치이다. (실시예에서, H방향으로는 1개의 서브픽셀이 남음) 본 실시예에서는 크기에 무관하게 일실시예로 11 x 42의 표시장치를 설정하였으며 실제로는 더 다양한 해상도를 갖는 표시장치가 사용된다.
도 10은 11x42의 표시장치에 상기 게이트 신호선(240)과 소스 신호선(250)만을 표시하였고, 여기에 도 3에서 정의한 본 발명의 터치센서(10)가 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 하측에 표시된 것을 그린 것이다. 굵은 선으로 표시된 것은 터치센서(10) 및 센서 신호선(22)으로서 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 하측에 있는 것을 표시한 것이다.
이러한 상기 터치센서(10)는 도 9와 같이 매트릭스 구조로 형성되면 메쉬 구조가 없는 구조로 형성될 수도 있지만 도 10과 같이 메쉬 구조로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예로 상기 터치센서(10)는 매트릭스 구조로 형성되면 메쉬 구조와 난 메쉬(non mesh)가 복합적으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 터치센서(10)의 일부분은 메쉬가 없으며 일부분은 메쉬가 있는 구조로 형성될 수 있는 것이다.
또한, 상기 터치센서(10)는 도 10에 도시된 바와 같이, TDI로 근접할수록 면적이 작아지며, 메쉬(Mesh)구조로 형성된다. 상기 터치센서(10)를 메쉬 구조로 형성하면 공정불량으로 부분적으로 단선이 발생하여도 오작동할 확률이 많이 줄어든다.
본 발명에 있어서, 상기 센서 신호선(22)은 하나 또는 복수 개로 형성되며, 본 발명의 실시예에서는 좌측 하단의 터치센서(10)나 우측 상단의 터치센서(10)를 참조하면, 센서 신호선(22)은 두 갈래로 형성하였다. 이러한 두 갈래의 센서 신호선(22)은 터치센서(10)가 설치된 액티브 에리어(Active Area)에서도 상호 접합될 수 있으며 TDI가 설치된 LCD의 BM 영역 즉, Non A/A에서 상호 접합될 수도 있다. 이는 공정에서 센서 신호선(22)에 단선이 발생해도 다른 센서 신호선(22)을 이용할 수 있으므로 제품의 수율을 향상시키는 기법으로 사용된다. 이와 같이 하나의 터치센서(10)에 복수 개의 센서 신호선(22)을 사용하면 공정불량으로 인한 단선이 발생해도 터치 검출에 문제가 생기는 확률을 줄이는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 있어서, 상기 터치센서(10)에는 TDI(30)에서 생성된 교번하는 구동전압 또는 PMIC에서 생성된 AC교번전압이 인가되며, 터치검출부(14)는 AC교번전압의 상승 또는 하강 에지에 동기하여 터치신호를 검출한다.
다시 도 8을 참조하면, 센서 신호선(10)과, 게이트신호선(240) 또는 소스 신호선(250) 간에는 절연체가 존재하며, 절연체를 매질로 하여 센서 신호선(22)과 구동 신호선(게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)) 사이에는 기생 커패시터(Parasitic Capacitor)가 형성된다.(이하 터치센서(10)와 게이트 신호선(240) 사이에 생기는 기생정전용량을 Cg라고 하며 터치센서(10)와 소스 신호선(250) 사이에 생기는 기생정전용량을 Cs라고 하고 Cg와 Cs를 합한 등가 기생정전용량을 Cgs라고 한다. Cgs는 하나의 터치센서가 게이트 신호선(240)과 소스 신호선(250) 사이에서 형성되는 모든 기생정전용량이다). 절연체는 수십 옹스트롱(10-10) 또는 수 마이크로 미터(um)로서 도 22의 수식을 참조하면, 기생커패시터(Cg 또는 Cs 또는 Cgs)의 크기는 터치로 인해 검출되는 터치정전용량(Ct)의 백배 또는 그 이상의 크기를 갖는 큰 값이다. 이러한 기생정전용량(Cg/Cs/Cgs)의 일측에 연결된 신호선 즉, 소스 신호선(250)의 아날로그 전압의 변동이나 게이트 신호선(240)의 게이트 온오프전압의 변동에 의해 기생정전용량(Cg/Cs/Cgs)의 타측에 연결된 터치센서는 영향을 받게 되어 터치신호를 검출하는 것이 불가능하다. 따라서 터치센서(10)가 소스 신호선(250)이나 게이트 신호선(240)의 영향을 받지 않도록 하는 방안이 필요하다.
도 11은 본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시장치의 제2실시예를 나타내는 도면으로 터치스크린과 신호선 사이의 신호간섭을 방지하는 가드 레이어(Guard Layer 또는 G/L, 295)가 더 포함된다.
상기 가드 레이어(295)는 G/L(295)은 최하측의 터치센서와, TFT를 구성하는 구동 신호선(게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)) 사이에 형성되며, 도 10과 같이 터치센서(10)와 일대일 중첩된다.(A/A를 제외한 TDI나 LDI 본딩부에서는 그러지 아니하다). 상기 가드 레이어(295)에는 센싱패드(10a) 또는 난센싱패드(10b)에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가된다. 또는 교번하는 AC전압이 인가된다.
이러한 본 발명에 따른 상기 G/L(295)은 소스 신호선(250)이나 게이트 신호선(240)의 하측에만 설치되는 것이 아니라 표시장치의 전 영역에 설치될 수 있다. 그러나 이러한 방법은 G/L(295)에 인가되는 전압에 의해 표시장치의 화소영역에 영향을 미치므로 화질의 열화를 가져올 수 있다.
본 발명의 제2실시예에서 상기 터치센서(10)의 상면에는 제1절연체(285) 가 설치되었으며, 이러한 제1절연체(285)는 터치센서(10) 및 G/L(295)을 전기적으로 절연시키는 물질이다. 상기 제1 절연체(285)는 도 11에 도시된 바와 같이, 터치센서(10) 및 G/L(295) 사이에만 형성될 수 있다. 그러나 이는 별도의 마스크를 필요로 하므로 바람직한 방법은 아니다. 또한 제1 절연체(285)는 표시장치의 Active Area 전 영역에 도포됨이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제2실시예에서 상기 G/L(295)의 상면에는 TFT의 게이트 신호선(240)등 표시장치의 구성요소와 절연하기 위한 제2절연체(286)가 설치되었다. 이러한 제2절연체(286)도 도 10과 같이 부분 패터닝 가능하나 별도의 마스크를 필요로 하므로 바람직하지 않으며 표시장치의 A/A 전면 도포함이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1절연체(285)와 제2절연체(286)는 동일한 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 도 11을 참조하면, 센서 신호선(22)과 G/L(295)은 표시장치의 일측에서 신호를 인가하기 위한 패드가 오픈되며, 상기 패드를 통해 FPC나 COF등의 연성회로기판이 본딩된다. 이때 센서 신호선 본딩부(297)의 패드나 G/L(295)에 신호를 전달하기 위한 패드를 노출시키기 위하여 제1절연체(285) 및 제2절연체(286)를 에칭하여 패드를 오픈(open)하게 되는데, 제1절연체(285) 및 제2절연체(286)가 동일한 물질이면 한 장의 마스크로 쉽게 패터닝이 가능하다.
본 발명에 따른 제2실시예에서 G/L(295)에 구동 신호를 인가하는 방법은 1) TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번 전압을 인가하는 방법과 2) PMIC(Power Management IC)에서 TDI에 인가하는 AC 전압과 동일한 교번전압을 인가하는 방법을 포함한다.
1) TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번 전압을 인가하는 방법
도 11을 참조하면 G/L(295)과 게이트 신호선(240)간에 기생정전용량이 형성되며(미도시) 소스 신호선(250)이나 스토리지 전극(Cst 전극)과 G/L(295) 사이에도 기생정전용량이 형성된다.(미도시). G/L(295)에 변동하지 않는 DC 전압(GND 포함)이 인가되면, 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)의 신호 변동 및 Cg나 Cs를 통한 신호전달이 발생하여도 G/L(295)이 막아주므로 터치센서(10)는 디스플레이 구동 신호선의 영향을 받지 않게 된다. 이와 같이 본 발명은 G/L(295)에 DC 전압을 인가한다. 인가되는 DC 전압은 도 11의 G/L 본딩부(296)를 통해서 전달된다.
검출되는 터치센서의 감도를 향상시키기 위해 G/L(295)에는 교번전압이 인가될 수 있는데, 인가되는 교번 전압은 도 4의 Vlbl이다.
Vlbl은 터치 센서의 구조에 따라 몇 가지 인가하는 방법이 있으며 그 방법은 다음과 같다.
* 도 4의 Ceq를 사용하지 않고 TDI 내부의 Cdrv 사용시
도 4의 실시예와 같이 난센싱패드(10b)에 Vlbl을 인가하지 않고 (도시되지 않은) Cdrv(TDI 내부에 존재하며 일측은 도 4의 P점에 접속되고 타측에는 교번하는 구동전압이 인가된다)에 교번 전압을 인가하고 교번전압의 상승 또는 하강 에지(edge)에 동기하여 터치신호를 검출할 시 G/L(295)에는 프리차지 전압과 교번하는 전압을 인가한다. 후술하겠지만, 프리차지 전압은 교번하는 구동전압보다 선행하여 인가되므로, 프리차지 전압을 도 4의 P점에 인가할 때 도 11의 G/L(295)에 프리차지 전압과 동일전압을 인가하면 G/L(295)와 센싱패드의 전위차가 없으므로 G/L(295)과 센싱패드 사이에 발생하는 기생정전용량은 소멸된다. 이로 인해 프리차지를 더 빨리 할 수 있는 효과가 있다.
프리차지 이후 Cdrv의 일측에는 교번하는 구동전압(일 실시예로 Vlbl임)이 인가되고 교번전압의 상승 또는 하강 에지에 동기하여 터치신호를 검출하는데, 이때 G/L에도 Cdrv의 인가되는 동일한 교번전압을 인가한다.
도 11을 참조하면, G/L(295)과 터치센서 사이에는 미도시된 기생정전용량이 생성되며 이를 Cgl이라고 정의한다. G/L(295)에 Cdrv에 인가되는 동일한 교번 전압을 인가하면 아래의 수식과 같이 Cgl이 터치신호 검출수식의 분자에 포함되어 터치감도를 향상시키는데 유리하다.
[수학식 2] Ceq 미 사용 및 G/L에 교번전압 인가 시 검출되는 신호
Figure 112015121579825-pat00010
여기에서 Vpre는 도 4의 실시예에서 설명한 바와 같이 터치센서에 인가되는 프리차지 전압이고 Cdrv는 TDI내부의 커패시터로서 일측이 도 4의 P점에 연결되고 타측에는 교번 구동전압이 인가되는 커패시터이고 Cgl은 G/L와 터치센서 사이에 형성된 기생정전용량이고 Cp는 P점에 접속된 여러 가지 기생정전용량으로서 센싱패드와 난센싱패드 사이에 형성된 기생정전용량도 그중의 하나이다. Vdrv는 교번하는 구동전압으로서 도 4의 Vlbl과도 동일한 전압일 수 있다. 터치드라이브 IC (TDI)는 [수학식 2]에서 Ct가 없을 때의 값과 터치가 발생하여 Ct가 발생했을 때의 D/B의 크기차이를 검출하여 터치여부를 판단한다.
* 도 4의 Ceq를 사용하는 경우
도 4와 같이 Ceq 및 난센싱패드(10b)에 교번 구동전압(Vlbl)을 인가하고 동일한 교번전압을 G/L(295)에 인가 시 난센싱패드(10b)와 G/L(295) 사이에 생기는 기생정전용량(미도시)의 양단에는 동일한 Vlbl이 인가되므로 난센싱패드(10b)와 G/L(295) 사이의 기생용량은 터치검출에 영향을 미치지 못하므로 이는 터치검출의 감도를 향상시키는 효과가 있다. 따라서 본 발명은 난센싱패드(10b)에 Ceq에 인가되는 동일한 교번전압을 인가한다.
이로 인해 P점에서 검출되는 터치신호는 아래 수학식과 같다.
[수학식 3]Ceq 사용 및 G/L에 교번전압 인가 시 검출되는 신호
Figure 112015121579825-pat00011
여기에서 Vpre는 도 4의 실시예에서 설명한 바와 같이 터치센서에 인가되는 프리차지 전압이고 Ceq는 센싱패드와 난센싱패드 사이에 형성된 등가 기생정전용량으로서 일측이 도 4의 P점에 연결되고 타측에는 교번 구동전압인 Vlbl이 인가되는 커패시터이고, Cgl은 G/L와 터치센서 사이에 형성된 기생정전용량이고, Cp는 P점에 접속된 여러 가지 기생정전용량으로서 도 4의 스위칭소자의 게이트와 드레인 간에 형성된 기생정전용량도 그중의 하나이다. 터치드라이브 IC (TDI)는 [수학식 3]에서 Ct가 없을 때의 값과, 터치로 인해 Ct가 발생했을 때의 D/B의 크기차이를 검출하여 터치여부를 판단한다.
TDI내부의 Vlbl이나 Vdrv등 교번하는 구동전압이 G/L(295)에 인가되기 위해서는 TDI에 교번하는 구동전압을 출력하는 전용 출력pin을 필요로 한다.
이와 같이 본 발명은 G/L(295)을 설치하고 DC 전압이나 교번하는 구동전압을 인가하면 표시장치의 구동신호와는 무관하게 예측가능한 수학식으로 터치신호를 검출하는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 G/L(295)과 게이트 신호선(240) 또는 소스 신호선(250) 사이에 형성된 기생정전용량의 크기는 상당히 크므로 이를 교번전압으로 구동하기 위해서는 구동소자인 capacitor의 구동능력이 상당히 커야 한다. TDI(30)에서 G/L(295)을 구동하기 위해서는 TDI(30)에 내장된 전용의 출력단은 상당한 capacitor 구동능력을 보유하여야 하며 이는 TDI(30)의 size 증가로 연결되어 원가를 상승시키는 요인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 제2실시예는 TDI(30)가 아닌 전용 버퍼나 OPAMP를 사용하여 G/L(295)을 구동한다. 도 12를 참조하면, TDI의 전용pin에서 발원된 교번전압은 Buffer나 OPAMP를 통하여 G/L(295)에 접속된다. G/L(295)의 접속은 도 11의 G/L 본딩부(296)를 통해 이루어진다. Buffer나 OPAMP는 TDI(30)의 외부에 위치하며, 큰 용량의 커패시턴스를 구동하기 위한 구동능력을 갖고 있다.
본 발명에 따른 버퍼(Buffer)나 연산증폭기(OPAMP)는 TDI(30)로부터 받은 교번전압을 그대로 출력하는 전기소자로서 구동능력이 큰 장점이 있다. 상기 G/L(295)은 면적이 넓고 저항이 크므로 하나의 Buffer나 OPAMP로는 구동능력이 모자랄 수 있으므로 복수 개의 Buffer나 OPAMP가 사용될 수 있다. 복수 개의 Buffer나 OPAMP는 상기 G/L(295)의 코너부분이나 중앙부분 또는 왼쪽부분이나 오른쪽부분에 적절하게 배치하여 G/L(295)의 위치별로 교번전압의 크기가 다르지 않도록 설치하는 것이 바람직하다.
2) PMIC(Power Management IC)에서 TDI에 인가하는 AC 전압과 동일한 교번전압을 인가하는 방법
본 발명에서 사용되는 TCON이나 LDI나 TDI에는 IC 동작을 위한 입력전원이 요구된다. 통상 3V나 3.3V이며 이를 Vc로 정의하며 크기는 일실시예로 3V로 한정한다.
본 명세서 AC 입력전원은 전위차가 3V이고 대지전위를 기준으로 하이에서 로우로 또는 로우에서 하이로 스윙하는 전원으로 정의한다. 도 13은 본 명세서에서 사용된 AC 전원을 정의하기 위한 도면이다. 도 13을 참조하면 전원관리 IC인 PMIC(Power Management IC)에는 3V의 Vc1이 인가되며 Vc1은 대지 그라운드 즉, 절대 그라운드를 기준으로 3V인 전압이다. PMIC는 Vc2를 만들어 내는 IC로서 일측인 Vc21은 Vc22보다 크며 Vc21과 Vc22의 전위차는 일 실시예로 3V이다. 예를 들어 Vc21이 10V이면 Vc22는 7V이다.
이러한 관계가 도 14의 파형에 도시되어 있다. Vc21과 Vc22는 동위상으로 일정한 크기를 유지한 채 하이에서 로우로 또는 로우에서 하이로 스윙한다. 본 명세서에서는 이러한 전압을 AC 입력전압이라고 정의한다.
도 14의 Vc22는 스윙하는 전압이지만 그라운드로 작용하며 이를 다이나믹 그라운드(Dynamic Ground)로 명명한다. 다이나믹 그라운드는 그 크기가 변하지만 이를 기반으로 하는 AC입력전압의 전위차를 항상 일정하게 유지한다.
도 13의 PMIC의 출력전압은 다양하게 출력된다. 이는 Vc21과 Vc22가 Vc2라는 임의의 값(여기서는 3V)을 유지하기만 하면 된다. 예를 들어 Vc21이 20V면 Vc22는 17V이다. 또한 Vc21이 8V이면 Vc22는 5V이다.
AC 입력전압은 통상 두 개의 상태를 스윙한다. 이때 낮은 전압을 Low 전압(또는 로우 전압)이라하고 높은 전압을 High 전압(하이 전압 또는 Hi전압)이라고 한다. AC 입력전압은 로우전압에서 하이전압으로 또는 하이전압에서 로우전압으로 스윙한다. 스윙하는 상태는 두 개보다 많은 세 개 또는 그 이상의 복수 개가 가능하다. PMIC는 TDI나 TCON에서 출력되는 제어신호(미도시)에 동기하여 상기 복수개의 여러 상태의 전압을 바꿔가며 스윙하는 것이 가능하다. 후술하겠지만, TDI는 TDI에 인가되는 AC 입력전압의 스윙에 기초하여 터치를 검출하다.
도 13은 AC 입력전압이 본 발명 터치스크린을 내장한 표시장치에 사용되는 TCON 및 LDI(LCD Drive IC) 및 TDI에 인가되는 회로의 일실시예이다. 도 13을 참조하면 PMIC에서 형성된 Vc2는 TCON 및 LDI 및 TDI로 인가되며 그 크기는 일 실시예로 3V이다. Vc22는 그라운드 역할을 하는 다이나믹 그라운드이다. 일실시예로 Vc21은 10V이고 Vc22는 7V인 2개의 상태를 하이에서 로우로 또는 로우에서 하이로 스윙하는 AC 입력전압이다.
도 13에서 L/S는 Level Shifter로서 도시되지 않은 시스템에서 그래픽카드나 CPU의 비디오 신호를 TCON이나 LDI로 전달해 주는 회로소자이다. 그라운드가 2개인 경우의 신호를 전달하기 위해 Level Shift를 사용하기 위해서는 당업자의 관점에서 두 개의 그라운드가 필요하며 본 실시예에서는 절대그라운드와 Vc22가 사용되어 진다. 어떤 실시예에서 TCON이 LDI로 비디오 신호를 주는 경우도 있으므로 이 경우에는 L/S가 Tcon과 LDI사이에 존재할 것이며 TCON에는 Vc1이 절대그라운드와 같이 인가될 것이다.
다시 도 13을 참조하면, 도 13의 LDI에는 gate off전압인 -20V정도의 전압과 gate on 전압인 12V의 전압 그리고 공통전압인 5V등 당업자로서는 당연한 많은 전압이 LDI내부의 전원단에서 생성된다. LDI의 그라운드가 다이나믹 그라운드(Vc22)이므로 이렇게 LDI 내부에서 생성된 많은 전압은 다이나믹 그라운드를 기준으로 전위가 형성될 것이다. 예를 들어 공통전압이 5V라는 의미는 다이나믹 그라운드인 Vc22의 크기가 7V인 경우 공통전압은 12V가 될 것이고 Vc22가 3V인 경우에는 8V가 될 것이다.
이러한 관점은 본 발명의 TDI 및 G/L에도 적용된다. TDI에는 Vlbl이나 Vpre나 ADC 또는 DAC을 규정하는 다양한 reference전압이 생성되는데 TDI의 그라운드도 다이나믹 그라운드인 Vc22가 인가되고 있으므로 대지 그라운드를 기준으로 하는 Vlbl의 절대크기가 8V인 경우에 Vc22가 7V이면 Vlbl의 Vc22에 대한 상대크기는 15V가 된다. 또한 Vc22가 7V에서 3V로 스윙할 때 Vlbl도 16V에서 11V로 스윙하게 된다.
이러한 AC 입력전압이 도 15와 같이 LDI, TDI, TCON, G/L에 인가될 때 이는 도 8의 실시예를 참조하면, 이들에 인가되는 다이나믹 그라운드인 Vc22가 스윙하고 있으므로 소스 신호선이나 게이트 신호선도 Vc22에 동기되어 스윙하고 있으나 도 14의 파형처럼 신호의 크기는 일정하게 유지되고 있음을 이해할 수 있다. 또한 터치센서도 Vc22에 동기하여 스윙하고 있다.
터치센서에 Vpre를 인가한 후 일정전압을 유지한 채, Vc2를 로우에서 하이 또는 하이에서 로우로 스윙할 시, 도 8의 구동 신호선과 터치센서 사이에 발생하는 기생용량은 터치검출에 영향을 미치지 않는다.
도 4의 Vlbl이 동작하지 않을 때 AC 입력전원이 스윙하는 전압의 크기를 Vc2라고 하면 AC 입력전압의 스윙에 동기하여 터치패드에서는 터치신호가 검출되며 이는 [수학식 4]로 표시된다.
[수학식 4] AC 입력전원에 동기하여 검출되는 센싱 전압
Figure 112015121579825-pat00012
여기에서 Vc2는 LDI와 TDI에 동시에 인가되는 다이나믹 그라운드인 Vc22를 기준으로 LDI 및 TDI가 스윙하는 전압의 크기이며, Cgs는 터치센서 및 신호선 사이에 형성되는 기생정전용량의 등가 기생용 정전용량이며, Ct는 손가락같은 오브젝트에 의해 터치센서(10)에서 검출되는 터치정전용량이고 Cp는 센싱패드인 10a에 부가되는 기생정전용량이다.
[수학식 4]에서 Cgs가 없으므로 비교적 작은 값의 Cp에 대해 상당히 큰 터치감도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그러나 이러한 AC 입력전원에 동기한 터치검출방식은 PMIC나 Level Shiter등을 필요로 하는 단점이 있다.
만일 AC 입력전압에 동기하여 터치신호를 검출할 때, 도 4의 Vlbl의 상승에지나 하강에지가 개입하여 터치를 검출할 때에는 Vlbl의 에지신호를 먼저 구동하고 이후에 AC 전원을 스윙하는 것이 바람직하다. 이때의 시차는 약 0.1us부터 30us이내이다.
본 발명의 제2실시예에 있어서, 상기 터치센서(10)에는 TDI(30)에서 생성된 교번하는 구동전압 또는 PMIC에서 생성된 AC교번전압이 인가되며, 터치검출부(14)는 AC교번전압의 상승 또는 하강 에지에 동기하여 터치신호를 검출한다.
또한, 상기 터치검출부(14)에서 터치신호 검출 시 동기한 AC교번전압과 동일한 전압이 G/L에 인가된다.
도 9를 참조하면, 도 9는 본 발명의 터치스크린패널의 일 실시예로 하단에는 TDI(Touch Drive IC)(30)의 구성이 도시되어 있다. TDI(30)는 구동부(31)와, 터치검출부(14)와, 타이밍 제어부(33)와, 신호처리부(35)와, 메모리부(28)와, 교번전압생성부(42)와 전원부(47)와 통신부(46)를 포함하며, 그 밖에 CPU(40)를 더 포함할 수 있다. CPU(40)는 연산 기능을 가진 마이크로 프로세서이며 TDI(30)의 외부에 위치할 수도 있다.
구동부(31)에는 충전수단(12)이 있으며, 복수 개의 터치센서(10)중 센싱패드와 난센싱패드를 선택하여 터치검출부(14)에 접속하는 기능을 포함한다. 또한 충전수단(12)을 이용한 충전동작 중에, 난센싱패드신호선(22b)의 일측을 Vh나 Vl로 접속하는 기능을 포함한다.
타이밍제어부(33)는 TDI(30)에서 필요한 서로 다른 복수개의 클럭(Clock)을 생성하는 역할을 한다. 예를 들어 CPU(40)을 동작시키기 위해서는 클럭이 필요하며, ADC를 동작시키거나 구동부(31)의 멀티플렉서(multiplexer)를 순차적으로 동작시키기 위해서도 클럭이 필요하다. 이처럼 각 기능별로 필요한 클럭은 여러 개의 종류가 있으며 타이밍제어부(33)는 이러한 복수개의 다양한 클럭을 생성하여 공급할 수 있다.
신호처리부(35)는 터치검출부(14)에서 생성된 ADC 값을 CPU(40)로 전달하거나, 통신부(46)를 제어하여 ADC 값을 I2C(Inter Integrated Circuit)나 SPI(Serial Peripheral Interface Bus)신호선을 통해 TDI(30) 외부로 전송하거나, 터치검출부(35)나 구동부등 TDI(30) 내부의 모든 기능별 요소에서 필요로 하는 신호를 생성하여 공급한다. 기능별 요소(functional element) 또는 기능별 블록(functional block)은 도 9에 표시된 각 기능을 수행하는 컴포넌트를 지칭하는 것이다. 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 수용하거나 및/또는 필요한 연산을 시행하기도 한다. 예를 들어 신호처리부(35)는 터치검출부(14)에서 생성된 ADC 값을 참조하여 터치센서(10)와 접촉수단의 터치로 인한 터치면적을 연산할 수도 있으며, 더 나아가 ADC 값이나 연산된 면적값을 이용하여 터치좌표를 연산할 수도 있다.
메모리부(28)는 플래시 메모리(Flash memory)나 E2PROM 또는 SRAM 또는 DRAM으로 구성되어 있다. Flash memory나 E2PROM에는 TDI(30)의 구동에 필요한 여러 레지스터값 또는 CPU(40)을 동작시키는데 필요한 프로그램이 저장된다.
CPU(40)는 신호처리부(35)와 수행하는 기능이 많이 중첩될 수 있다. 따라서 CPU(40)는 TDI(30)에 포함하지 않거나 TDI(30) 외부에 위치할 수 있다. CPU(40)와 신호처리부(35)의 중첩 수행이 예상되는 구간에서는 임의의 하나는 일시적으로 사용되지 않을 수 있다.
CPU(40)는 신호처리부(35)가 하는 대부분의 역할을 할 수 있으며, 터치좌표를 추출하거나 줌(zoom), 회전(rotation), 이동(move)등의 제스쳐(gesture)를 시행하거나 여러 가지 기능(Function)을 수행한다. 또한, 터치입력의 면적을 연산하여 주밍 (zooming)신호를 생성하거나, 터치입력의 강도(strength)를 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 통신선(communication line)을 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 시행될 수 있다.
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.
교번전압생성부(42)는 선간등가커패시터(Ceq)에 인가되는 교번전압을 생성한다. 교번전압의 하이전압(Vh) 및 로우전압(Vl)은 전원부(47)에서 생성되며 교번전압생성부(42)는 이들을 조합하여 교번전압을 생성하여 구동부(31)에서 교번전압을 사용가능하게 한다. 또한 교번전압생성부(42)는 교번전압의 상승에지 또는 하강에지의 기울기를 조정하는 수단을 갖는다.
도 9와 같은 실시예에서 터치신호를 검출하는 센싱패드는 하나 또는 복수개로 이루어지며, 복수개로 이루어지는 것이 센싱시간을 줄일 수 있으므로 바람직하다. 센싱패드는 6개의 Row(Row1 내지 Row5)와 5개의 column(Col1 내지 Col5)으로 이루어진 30개의 터치센서(10) 중 랜덤(Random)하게 선택가능하며, Column별(Column-by-Column)로 선택하거나 Row별(Row-by-Row)로 선택하는 것이 가능하다. 본 발명에서의 일 실시예로서, Row와 Column의 좌표는 TDI의 위치를 기준으로 설정된 것이다. 따라서 터치 검출 센서의 Row와 Column의 좌표는 고정된 것이 아니라 TDI의 배치 위치(setting position)에 따라 상대적으로 변화할 수 있는 값이다.
만일 Column별로 선택하는 경우의 실시예에 있어서, Col1에 포함된 6개의 터치센서(10)가 동시에 최초의 센싱패드로 결정되면, Col1에 포함된 6개의 터치센서(10)가 모두 센싱패드로 동작한다. (이때 Col2 내지 Col5는 난센싱패드로 동작한다). 그러나 이러한 경우에는 전술한 선간등가커패시터(Ceq)가 형성되지 않거나 형성되어도 커패시턴스의 크기가 작으므로 터치검출감도가 작아진다는 문제가 있다. 따라서 Column별 센싱보다 Row별로 센싱하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 Row별로 센싱하면 바로 옆에 인접한 센싱패드 신호선(22)이 없으므로 신호의 간섭에 의한 오동작의 문제가 없기 때문이다.
Row1이 센싱패드로 선택되어 Row1에 포함된 5개의 터치센서(10)가 센싱패드로 동작하는 동안 Row2 내지 Row6에 포함된 모든 터치센서(10)는 난센싱패드로 동작한다. Row1이 센싱패드로서의 기능을 완료하면 순차적으로 Row2가 센싱패드가 되고 Row1 및 Row3 내지 Row6은 난센싱패드로 동작하는 등의 동작이 순차적으로 반복된다. Row1에는 5개의 터치센서(10)가 센싱패드로 동작하므로 TDI에는 5개의 구동부(31)가 존재하는 것이 바람직하며, 이로 인해 5개의 센싱패드를 동시에 구동하여 터치검출시간을 줄일 수 있다.
한편, 앞서 설명한 선간센싱등가커패시터(Ceq)의 두 가지 특성 중 첫 번째 특성을 참조하면, Row1이 센싱패드로 동작할 때의 센싱등가커패시턴스(Ceq)는 Row6이 센싱패드로 동작할 때의 센싱등가커패시턴스(Ceq)보다 크다. 왜냐하면 Row1에 위치한 터치센서(10)에 연결된 센서 신호선(22)의 길이가 Row6에 위치한 터치센서(10)와 연결된 센서 신호선(22)의 길이보다 길기 때문이다. 이와 같이 TDI에서 원거리(Long Distance) 일수록 센싱패드에 형성된 센싱등가커패시턴스(Ceq)의 크기가 크므로 균일한 터치신호 검출을 위해 서로 다른 센싱등가커패시턴스(Ceq)의 크기를 보상해주는 것이 바람직하다. 센싱등가커패시턴스(Ceq)의 크기를 보상해준다는 의미는, [수학식 1]이나 [수학식 2]의 센싱등가커패시턴스(Ceq)에 보상커패시터를 더하여 동일한 터치정전용량(Ct)에 대하여 센싱패드의 위치가 달라도 동일한 전압이 검출될 수 있도록 하는 것이다.
본 발명은 위치별로 서로 다른 센싱등가커패시턴스(Ceq)의 크기에 기초하여 위치별로 동일한 터치감도를 유지하도록 센싱등가커패시턴스(Ceq)의 서로 다른 크기를 보상하는 수단을 갖는다.
도 16은 본 발명의 터치스크린 내장형 표시장치에서 표시장치, 터치센서(10) 및 G/L(295)에 필요한 신호를 인가하는 방법에 관한 설명을 위한 도면으로, X부는 화상이 표시되거나 본 발명의 상기 터치센서(10)가 설치된 영역이며 본 명세서에서는 표시 영역(Active Area) 또는 A/A로 명기하였다. 도 16의 검정색 패드(310)는 표시장치를 위한 신호가 연결되는 패드이며 LDI로부터 전달된 신호가 연결된다. 또한 노란색 패드(320)는 TDI나 Buffer등으로부터 전달받은 신호로서 상기 G/L(295)에 연결된다. 또한 녹색 패드(330)는 터치센서(10)와 연결되는 패드이다.
도 16은 본 발명의 신호선들의 연결에 관한 일 실시예로, LDI에서 전달된 표시장치의 신호선은 실선으로 표시하였고, 상기 터치센서로 전달되는 신호는 점선으로 표시하였고 G/L로 전달되는 신호는 이중실선으로 표시하였다. 각 신호선은 서로 다른 레이어에 위치하므로 쇼트(short)가 발생하지 않는다.
또한 본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시 장치에서 LDI와 TDI(30)와 G/L(295)에 신호를 전달하기 위한 패드에는 각각 서로 다른 기판, 예를 들어 FPC나 COF같은 연성회로 기판이 부착될 수 있으나 비용절감을 위하여 하나의 연성회로 기판이 부착될 수 있다.
더불어 도시하지는 않았으나 패드가 아니라 COG type의 LDI 및 COG type의 TDI가 표시장치의 일측에 부착될 수 있다. 도 16을 참조하면 패드가 위치한 영역에 LDI 및 TDI가 COG 형태로 부착될 수 있다. 이로 인해 표시장치가 외부에서 전달받을 신호의 양(Quantity)을 대폭 감소시킬 수 있으며, 나아가 연성회로 기판의 크기를 줄이고, 원가를 절감할 수 있다.
COG type의 IC가 사용되는 경우, 상기 G/L(295)로 전달되는 신호는 COG type의 TDI(30)에서 발원되어 전달되거나 COG type의 TDI(30)에서 발원하여 그 하측에 부착된 연성회로 기판을 통해 외부의 Buffer를 거쳐 다시 연성회로 기판을 통해 연결되고 이후에 G/L(295)에 접속될 수 있다. 또는 교번하는 AC전압의 출력 중 하나가 연결될 수 있다.
도 8, 도 10, 도 11을 예로 들어 설명한, 터치센서(10)가 신호선의 하측에 위치하는 경우의 제1실시예 및 제2실시예에 있어서, 사람의 손이 도 6의 칼라필터 상부에 터치하게 되는 경우 터치센서(10)는 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)에 가려 터치 신호를 검출하는 것이 불가능하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 본 발명은 TFT 기판(210)이 상측으로 향하고 칼라 필터 기판(100)이 하측으로 향하도록 방향을 바꾸어 표시장치를 설정한다. 이로 인해, 터치센서(10)가 최상부로 향하게 되고 그 상면에는 아무런 저항물질이 없으므로 손가락 등의 오브젝트의 터치를 검출하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 터치스크린 내장형 표시장치는 터치스크린이 TFT 및 TFT를 구성하는 소스 신호선(250) 및 게이트 신호선(240)의 상면에 위치하도록 하는 것이 특징이다. 터치스크린이 소스 신호선(250) 및 게이트 신호선(240)의 하측에 위치하면 LCD를 180도 뒤집어야 하는데 뒤집는 것이 불가능하거나 또는 Vcom이 도 5의 컬러필터 기판에 존재하지 않는 횡전계 모드인 IPS나 FFS 모드의 LCD의 경우에는 터치센서를 신호선의 상면에 실장하는 것이 가능하다.
이와 같이 터치센서를 신호선의 상면에 실장하는 기술사상을 설명하기에 앞서 본 발명의 터치센서를 내장할 횡전계 모드인 IPS나 FFS 모드는 TN 구조와는 상이하므로 이러한 횡전계 모드의 LCD의 구조에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 19는 횡전계 모드의 LCD 구성요소 중 TFT기판의 구성을 예시한 것으로서, 이러한 횡전계 모드의 LCD는 앞서 언급한 TN 모드의 LCD의 실시예와 달리 공통전극(120)이 컬러필터의 전면에 산개(scatter)해 있지 않고 컬러필터가 아닌 TFT기판의 일부 면적에만 형성되어 있다.
도 19에 도시된 바와 같이 TFT기판의 상면에는 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)이 종횡으로 배치되고, 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)에 의해 구획된 영역은 화소를 형성한다. 화소 내에는 화상신호를 스위칭하는 TFT(220)가 설치된다. TFT(220)의 게이트 전극(265)은 게이트 신호선(240)에 접속되어 주사신호를 인가받고, 소스 전극(270)과 드레인 전극(260)은 각각 소스 신호선(250)과 화소전극 신호선(235)에 접속된다. 그리고 TFT(220)의 반도체층(257)이 화상신호를 액정층에 인가하기 위해 소스 전극(270)과 드레인 전극(260) 사이에 채널을 형성한다. 화소 내에는 도시한 바와 같이 화소전극 신호선(235)과 평행하게 공통전극 신호선(125)이 형성된다.
이와 같은 구성을 갖는 LCD는 TFT(220)가 작동하여 화소전극 신호선(235)에 화상신호를 인가하면, 공통전극 신호선(125)과 화소전극 신호선(235) 사이에 실질적으로 평행한 횡전계가 발생하고 액정분자는 평면상에서 움직이게 된다.
도 19에서 공통전극 신호선(125)은 화소전극 신호선(235)보다 하측에 있는 것으로 도시되었으나, 공통전극 신호선(125)은 절연체를 사이에 두고 화소전극 신호선(235)의 상면에 위치할 수도 있다.
도 20은 횡전계 모드에서의 공통전극을 이용한 본 발명의 터치센서 내장형 표시장치의 실시예이다. 도 20을 참조하면, 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)로 구획된 8개의 화소가 있으며 4개 화소의 공통전극 신호선(125)이 모여서 실선으로 구획된 하나의 공통전극(120)을 형성한다. 도 20의 실선은 공통전극라인(125)이 하나의 공통전극(120)에 모여 있음을 나타내는 가상의 구획으로서 실제로는 빗금쳐진 공통전극 신호선(125)만이 존재한다.
4개의 공통전극 신호선(125)은 하측 공통전극(120)의 좌측과 같이 서로 다른 화소전극(230)의 공통전극 신호선(125)끼리 합체되거나 또는 그 사이의 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)의 상면이나 하면에서 합체되고 전기적으로 연결되어 상호 하나의 공통전극(120)을 형성할 수 있다.
이와 같이 복수의 공통전극신호선(246)이 합체된 공통전극(120)은 본 발명의 터치센서로 동작할 수 있으며 센서 신호선(22)은 공통전극(120)을 TDI(30)로 접속시킨다.
공통전극(120)은 도 28과 같이 화소부에 위치하는 일반적인 경우 외에도 손가락 등의 오브젝트와의 접촉면적을 넓게 하기 위하여 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)의 상면 또는 하면에도 설치된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 공통전극(120)이 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)의 상면 또는 하면에 설치될 경우, 상기 공통전극(120)과 구동 신호선(소스 신호선 및 게이트 신호선) 사이에 기생 커패시터(Parasitic Capacitor)가 발생하게 되므로 상기 구동신호선(소스 신호선 및 게이트 신호선)과 중첩되는 공통전극의 대향면적을 줄이는 것이 바람직하다.
그 방안으로 도 29와 같이, 상기 공통전극(120)과 상기 구동 신호선(소스 신호선 및 게이트 신호선) 간의 대향 면적을 줄이기 위해 상기 공통전극(120)의 일부 영역 즉, 상기 구동 신호선과 상기 공통전극이 중첩되는 영역에 적어도 하나 이상의 슬릿(121, 홈이 파인 부분)을 형성할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 슬릿(121)에 공통전극이 형성되지 않는다. 이러한 공통전극(120)의 슬릿(121)을 통해 도 28과 같이, 구동 신호선(소스 신호선 및 게이트 신호선)과의 대향 면적을 줄이고 이를 통해 기생 커패시터의 발생을 줄일 수 있는 것이다. 이때 각 공통전극(120)을 연결하는 연결부(122)의 크기는 한정되지 않고 상기 슬릿(121)의 크기에 따라 설계 변경이 가능하다.
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센서 신호선(22)은 도 20의 A와 B를 참고하면, 소스 신호선(250)의 측면에 설치되었으나 실제로는 소스 신호선(250)의 상면이나 하면에서 신호선과 대향하여 눈에 보이지 않도록 회피하여 배치되며 터치센서(10)로 동작하는 공통전극(120)을 TDI(30)에 접속시킨다.
도 20에서는 하나의 공통전극(120)에 4개의 공통전극 신호선(125)이 배치되었으나 실제로는 수십 개 또는 수백 개의 복수의 공통전극 신호선(125)이 하나의 공통전극(120)을 형성한다.
표시장치에는 상당히 많은 화소가 있다. 예를 들면 HD급 표시장치의 화소는 1280 x 720개이므로 본 발명의 공통전극(120)은 횡전계 모드의 LCD에 상당히 많이 설치되어야 한다. 도 20은 횡전계 모드에서 공통전극(120)이 배치되는 형상을 보여준다. 도 20을 참조하면, 횡전계 모드의 공통전극(120)은 가로와 세로방향으로 복수 개 설치되며 각 공통전극(120)마다 하나의 센서 신호선(22)으로 연결되어 TDI(30)로 연결된다.
이러한 공통전극(120)은 화소를 구성하는 일부분이므로 ITO와 같은 투명전극으로 구성되어야 한다. 상기 센서 신호선(22)은 상기 공통전극(120)과 동일한 재질로 형성될 수 있으며, 일정 영역에서 분리되며 적어도 하나 이상의 신호선이 하나의 터치센서(10)와 TDI(30)를 연결할 수 있다. 또한 상기 센서 신호선(22)은 터치센서(10)로 동작하는 상기 공통전극(120)과 상기 TDI(30)를 연결 할 시, 상기 센서 신호선(22)은 상기 터치센서(10) 에 포함된 화소영역을 제외한 화소 영역과 대향하여 형성되며 이때, 적어도 하나 이상의 서브 픽셀 영역과 대향(상하 또는 좌우)하거나 하나의 서브 픽셀의 일부 영역과 대향하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 30의 (a)와 같이, R(Red), G(Green), B(Blue)의 서브 픽셀이 하나의 화소를 구성한 경우, 하나의 터치센서(10)로 동작하는 공통전극(120)에 3개의 센서 신호선(22)을 연결하여 각각 R(Red), G(Green), B(Blue) 서브 픽셀과 대향(상하 또는 좌우)하여 형성할 수 있으며, 이때 각각의 센서 신호선(22)은 R, G, B 서브 픽셀의 경계선 사이에 대향하여 형성되거나, R, G, B 서브 픽셀의 경계선과 대향하여 형성될 수 있다.
또한, 도 30의 (b)와 같이 하나의 열에서 최상부에 위치한 제1터치센서(10-1)와 연결되는 제1센서 신호선(22-1)의 경우 B 서브 픽셀이 배치된 라인과 G 서브 픽셀이 배치된 라인 사이 영역과 대향하여 형성되거나, B 서브 픽셀과 G 서브 픽셀 사이의 경계 라인의 일부영역과 대향하여 형성된다. 그리고, 상기 제1터치센서(10-1)의 하부에 위치한 제2터치센서(10-2)와 연결되는 제2센서 신호선(22-2)의 경우, G 서브 픽셀이 배치된 라인과 R 서브 픽셀이 배치된 라인 사이 영역과 대향하여 형성되거나 G 서브 픽셀과 R 서브 픽셀 사이의 경계 라인 영역과 대향하여 형성된다. 그리고, 상기 제2터치센서(10-2)의 하부에 위치한 제3터치센서(10-3)와 연결되는 제3센서 신호선(22-3)의 경우, R 서브 픽셀이 배치된 라인과 좌측 화소의 B 서브 픽셀이 배치된 라인 사이 영역과 대향하여 형성되거나 R 서브 픽셀과 좌측 화소의 B 서브 픽셀 사이의 경계 라인 영역과 대향하여 형성되는 것이다.
하지만 이러한 예시에 한정되지 않고 상기 센서 신호선(22)의 폭은 서브 픽셀의 상부 영역에서 다양하게 형성할 수 있다. 이처럼 본 발명에 따른 상기 센서 신호선(22)은 터치센서(10)로 형성된 공통전극(120) 영역 이외에 화소 영역과 대향하여 형성되면 센서 신호선(22)의 폭이 충분히 확보됨에 따라 센서 신호선(22)의 저항값을 낮출 수 있으며, 표시 장치의 구동 시, 상기 터치센서(10)의 이외에 영역에도 공통 전압을 안정적으로 인가할 수 있는 것이다. 또한, 상기 센서 신호선(22)이 상기 공통전극(120)과 동일한 재질로 형성될 경우, 하나의 마스크로 터치센서(10) 및 센서 신호선(22)을 형성할 수 있으므로 표시 장치의 제조 비용을 절감할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 터치센서(10)로 동작하는 공통전극(120)은 사각 형태로 표시하였으나 이에 한정되지 않고 삼각형, 오각형 등 다양한 형상으로 구현이 가능하며, 상기 터치센서(10) 또는 센서 신호선(22)으로 동작하는 공통전극의 테두리는 시인성 개선을 위해 소정 각도의 지그재그 형상으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 터치센서(10) 또는 센서 신호선(22)으로 동작하는 공통전극은 꺽쇠(>) 모양의 패턴 또는 다양한 형태의 미세패턴이 형성될 수 있다.
또 다른 실시예로 공통전극(120)과 연결된 센서 신호선(22)은 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상측이나 하측으로 설치될 경우, 굳이 투명전극일 이유는 없다. 만일 공통전극(120)과 연결된 센서 신호선(22)이 구리나 알루미늄 등 메탈로 형성되면 투명전극보다 저항이 낮아지므로 터치신호를 포착하는데 더 유리하다.
이러한 센서 신호선(22)은 별도의 전용 마스크로 패터닝되어 제작될 수도 있으며 TFT를 제조하는 과정에서 소스 메탈이나 게이트 메탈 또는 이외의 메탈마스크를 공용 사용하여 제조하면 마스크수를 줄여 제조원가를 절감하는 것이 가능하다.도 20의 공통전극(120) 및 공통전극 라인(125)이 소스 신호선(250)이나 게이트 신호선(240)과 대향하여 설치될 때, 소스 신호선(250)이나 게이트 신호선(240)에 인가되는 화소신호용 전압이나 게이트 온 오프 전압에 의해 영향을 받아 터치 검출 시 노이즈로 작용한다. 이를 회피하기 위해서는 두 가지 방법이 제안되어진다.
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제 1 방법은, LCD가 구동하지 않는 휴지(Poach)기간을 사용하여 터치를 검출하는 방법이다. 휴지기간은 Line 동기신호(Hsync)의 휴지기(Poach) 및 frame 동기신호(Vsync)의 휴지기(Poach)가 있으며, 휴지기에는 LCD의 화상을 구성하기 위한 신호 전압의 변동이 없으므로 TDI는 LDI나 TCON으로부터 프레임 동기신호나 라인 동기신호 또는 DE(Data Enable)나 Poach에 관련된 정보를 부여받아 휴지기를 이용하여 터치신호를 검출 할 수 있다.
제 2 방법은, 게이트 신호선(240) 또는 소스 신호선(250)과 공통전극(120) 사이에 G/L(미도시)을 설치하는 방법이다. 여기에 사용되는 G/L도 전술한 G/L과 동일한 기술 사상이 사용된다. 본 발명에 있어서, 공통전극을 터치센서로 이용하는 표시 장치에 있어서, G/L에 구동 신호를 인가하는 방법은 전술한 G/L의 내용과 동일하게 1) TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번 전압을 인가하는 방법과 2) PMIC(Power Management IC)에서 TDI에 인가하는 AC 전압과 동일한 교번전압을 인가하는 방법을 포함한다.
도 21은 공통전극으로서 터치센서의 역할을 병행 수행하는 본 발명의 터치스크린을 내장한 표시장치의 공통전극을 이용한 터치신호 검출방법에 관한 것이다. 도 9와 같이 메트릭스 구조로 형성된 본 발명의 터치센서 구조에 있어서 터치신호 검출을 수행하는 터치센서와 터치신호 검출을 수행하지 않는 터치센서가 있으며 터치신호 검출을 수행하는 터치센서를 센싱패드(SP)라고 하고 터치신호를 검출하지 않는 터치센서를 난센싱패드(NSP)라고 한다. 도 21을 참조하면, 터치신호 검출부에 접속된 터치센서는 SP이고 터치신호 검출부에 접속되지 않은 터치센서는 NSP이다. 도 21에서 SP는 하나만을 예로 들었으나 복수의 터치신호 검출부를 통해 복수의 많은 터치센서가 센싱패드(SP)로 동작할 수 있으며 이로인해 터치신호를 검출하는 시간을 줄이는 것이 가능하다.
도 9를 참조하면, Row1이나 Row2와 같이 하나의 횡방향에 속한 모든 터치센서가 SP로서 동작할 수 있다. 또는 Col1이나 Col2같이 하나의 종방향에 속한 모든 터치센서가 SP로서 동작할 수 있다. 그러나 종방향의 터치센서를 이용하여 동시에 터치신호 검출 시, 신호선과 신호선사이의 기생정전용량으로 인해 SP 상호간 영향을 받아 검출신호의 오류가 발생할 수 있다.
그러나 후술하겠지만, 도 9와 같은 구조에서도 AC 입력전원을 사용하면 신호선과 신호선 사이의 기생정전용량으로 인한 간섭은 소멸되어 터치신호 검출이 가능해진다.
또한 AC 입력전원만을 사용하여 터치신호를 검출하며 TDI 내부에서 터치검출에 필요한 교번전압을 사용하지 않으면 도 9의 모든 터치센서에서 터치검출이 가능한 센싱패드(SP)로 사용하는 것도 가능하다. 이러한 경우 많은 터치신호 검출부 및 ADC 와 DAC가 필요하여 TDI의 부피는 증가할 수 있으나 빠른 시간 내에 터치신호를 검출 할 수 있다는 장점이 있다.
다시 도 9 및 도 19를 참조하면, 하나의 종방향이나 하나의 횡방향에 포함된 터치센서(10)를 이용하여 터치신호 검출 시 터치신호 검출부(14)의 개수가 많아져서 TDI의 부피가 증가하는 경우 이를 나누어서 터치신호를 검출하는 것도 가능하다. 예를 들어 Row1방향의 5개의 터치센서를 이용하여 터치신호를 검출 할 경우, 짝수 번째 터치센서 즉, (Row1,Col2) 및 (Row1, Col4)의 터치센서를 먼저 센싱패드로 이용하여 터치신호를 검출하고, 이후에 홀수 번째 터치센서(Row1,Col1) (Row1,Col3) (Row1,Col5)에서 터치신호를 검출하는 것이다. 만일 터치센서의 개수가 많은 경우라면 이를 세 번이나 네 번씩 나누어서 하는 방법도 가능하다.
이러한 방법의 장점은 적은수의 터치 검출부(14)로도 많은 수의 터치센서(10)를 운용하여 터치신호를 검출함으로써 TDI의 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
예를 들어 Row1에 설치된 터치센서의 개수가 30개인 경우 15개의 터치신호 검출부를 이용하고 짝수 및 홀수의 터치센서를 시차구분하여 터치검출부에 연결하면 15개의 터치신호 검출부로 30개의 터치센서에서 터치 신호를 검출하는 것이 가능하다.
짝수 및 홀수로 구성된 터치센서를 구분하여 터치신호 검출부에 접속하는 것을 예로 하였으나 터치센서를 좌측(left) 및 우측(right)으로 나누어 시분할(time sharing)하여 터치신호 검출부에 접속하는 것도 가능하다.
이와 같이 본 발명은 터치센서를 복수개로 분할하고 시분할 방법으로 터치신호 검출부를 공용하는 것이 가능하다. 이때 짝수나 홀수로 구획하는 것이 가능하며 또는 왼쪽과 오른쪽으로 구분하는 것이 가능하다. 그 외에도 n개씩 복수개로 임의의 규칙을 정하여 구획하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 공통전극을 이용한 터치신호의 검출방법에 있어서, 공통전극의 목적은 본질적으로 표시장치의 공통전극의 역할을 하는 것이며 LCD 횡전계 모드에서의 공통전극의 역할이나 OLED, 특히 AMOLED의 캐소드(Cathode)의 역할 등이 그것이다.
따라서 공통전극에는 항상 공통전압이 인가되어야 하며 공통전압이 흔들리는 구동방법을 적용하면 안된다. 이러한 구동방법은 후술하겠으나, 우선 공통전극에 일정한 공통전극을 인가하는 방법은 다음과 같다.
도 21을 참조하면, 공통전극에는 SP와 NSP가 공존한다. 공통전극에 변하지 않는 공통전압을 인가하는 방법은, 우선 NSP에 대하여 0V 또는 그라운드를 포함한 일정한 크기의 DC전압인 공통전압(Vcom)을 인가하며, SP에서 터치신호를 검출시에도 공통전극(Vcom)의 변동이 없도록 하는 것이다. 이를 위해 SP에서 터치신호 검출시 NSP와 접속된 공통전극(Vcom)은 일정한 전압을 유지한다.
또한, 모든 NSP에 동일한 크기의 공통전압을 인가할 수 있지만 개별, 그룹별, 위치별로 차등적으로 공통전압을 공급할 수 있다.
또한 SP에도 공통전극(Vcom)으로 프리차지를 하는 것이다. 비록 SP에서 터치가검출되면 SP에는 약간의 전위 변동이 발생하고 이로 인해 SP에 인가되었던 공통전극(Vcom)에 약간의 변동이 발생하여 화질의 이상이 발생하지만 화면 위에는 손가락 등 오브젝트가 접촉된 상태이므로 화면의 화질이상은 시인되지 않을 것이다.
이와 같이 본 발명은 NSP로 동작하는 공통전극에는 표시장치가 필요로 하는 공통전압을 상시 인가하며 SP로 동작하는 공통전극에는 표시장치가 필요로 하는 공통전압을 프리차지 전압으로 이용하여 표시장치를 정상 구동하는 것이 가능하다.
또한 상기 NSP에 인가되는 공통전압 및 SP에 프리차지 되는 공통전압은 동일한 전압이다. 또는 SP에 인가되는 공통전압은 NSP에 인가되는 공통전압보다 더 크거나 더 낮을 수 있다. 왜냐하면, 공통전압으로 온오프 스위칭소자를 통하여 SP로 공통전압이 전달될 스위칭소자의 턴온저항(Turn on resistance)이나 SP에 접속된 기생정전용량으로 인해 빠른 시간 안에 프리차지를 하려하면 충전시간 부족으로 충전이 미달되는 경우가 발생할 수 있다.
공통전압은 그라운드를 포함한 양의 전압이나 음의 전압이 인가될 수 있으므로 양의 전압 일때는 목표값보다 더 높은 공통전압을 인가해주는 것이 좋고 음의 값일 때는 목표값보다 더 낮은 공통전압을 인가해주는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 공통전극에 공통전압을 인가 시, 공통전압의 크기를 가변하는 수단이 포함되며, 공통전압의 가변 수단은 TDI 내부 또는 외부에 구현이 가능하다. 공통전압의 가변 수단이 TDI 내부에 구현되는 경우, TDI 내부의 DAC 또는 내부저항의 조합으로 공통전압을 생성하고, 생성된 공통전압은 레지스터를 통해 크기를 조정할 수 있다. 도시하지는 않았으나 복수의 레지스터에는 공통전압의 크기별로 일대일 매칭되어 있으며 레지스터를 선택함에 따라 서로 다른 공통전압을 선택하는 것이 가능하다. 예를 들어 3bit으로 구성된 레지스터 블록에는 8개의 서로 다른 공통전압이 매핑(mapping)돌 수 있으며 그중에 LSB인 00h를 선택하면 공통전압의 크기는 -1.5V이고 01h는 -1.6V이고 마지막 07h의 크기는 -22V가 되는 식이다. 또한, 공통전압의 가변 수단이 외부에 구현되는 경우, 외부에서 공통전극에 직접적으로 전압을 인가하거나 외부 가변저항에 의해 공통전압의 크기를 가변하여 인가할 수 있으며, 이 경우, 상기 TDI에는 외부에서 생성된 공통전압의 인가를 선택할 수 있는 수단이 더 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 LDI와 TDI가 하나의 IC로 합쳐졌을 때 TDI와 LDI가 필요로 하는 전원부는 공용의 전원부에서 생성되며, 이때 TDI가 공통전압을 생성하며 공통전압의 크기를 조정한다는 의미는 TDI와 LDI가 통합된 하나의 IC가 이를 수행한다는 의미와도 동일하다.
또한 이러한 공통전압은 AC 입력전원을 생성하는 별도의 PMIC(Power Management IC)에서 생성되며 PMIC는 공통전압의 크기를 변경하는 수단을 갖는다. PMIC는 LDI나 TDI의 제어신호에 동기하여 AC 전압을 교번하는 수단을 갖는다. 예를 들어 TDI에서 나오는 제어신호가 Low이면 PMIC는 AC전압인 Vc21을 대지전위를 기준으로, Hi인 10V에서 3V로 교번할 수 있으며 PMIC에서 나오는 제어신호가 하이(Hi)이면 Vc21은 3V에서 10V로 교번(Swing)할 수 있다. 물론 Vc22는 Vc21과 동기하여 항상 일정한 DC 전압을 유지 할 것이다.
본 발명의 공통전극을 터치센서로 활용한 터치센서 내장형 표시장치의 터치검출방법에 있어서 SP나 NSP에 접속된 공통전극은 변화가 있으면 안되므로 후술하게 될 방법같이, NSP에 교번하는 구동전압을 이용한 터치신호 검출법이나 SP와 접속된 TDI 내부의 Cdrv에 교번하는 구동전압을 인가하여 터치신호를 검출하는 방법을 사용할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 공통전극을 이용한 터치신호 검출법에, 전술한 AC 입력전원을 사용한 터치신호 검출방법을 사용한다.
후술하는 바와 같이 TDI와 LDI는 하나의 IC로 통합되어 제조하는 것이 가능하다. 이러한 경우에는 도 12에 도시한 바와 같이 TDI 및 LDI에 AC 전원이 각각 인가되는 것이 아니라 하나의 통합 IC에 AC 입력전원이 인가될 것이다.
도 21을 참조하면, 도 21은 TDI의 일부 기능 블록을 도시한 것으로서 보다 상세한 것은 도 9에 표시되어 있다. 본 발명의 공통전극을 이용한 터치검출방법은 표시장치안에 터치가 내장된 것이므로 TDI와 LDI는 공통의 그라운드를 사용해야 TDI의 터치센서인 공통전극에 인가되는 공통전압이 표시장치의 공통전극으로서 동작하는 것이 가능하다.
따라서 TDI 및 LDI 또는 이 둘이 하나로 병합된 공통의 IC에는 그라운드를 공통으로하는 AC입력전원이 인가되고 있으며 AC 입력전원의 그라운드는 Vc22이다. TDI나 LDI의 그라운드인 Vc22를 기준으로 Vcom이 -2.2V라고 가정하는 경우, 절대전위인 대지전위(Earth ground)를 기준으로 Vc22가 10V이면 대지전위를 기준으로 Vcom은 7.8V가 될 것이다.
도 9 및 도 21을 참조하면 TDI의 그라운드는 Vc22 이므로 SP로 동작하는 공통전극이자 터치센서가 표시장치에 위치하면 그 하측이나 상측의 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)과의 사이에 기생정전용량이 발생하거나 터치센서(10)와 구동 신호선 사이에 G/L(295)이 있는 경우 터치센서(10)와 G/L(295)사이에도 기생정전용량이 발생한다. 이때 기생정전용량은 Cvcom으로 모델링되며 신호선과 대향하고 있으면 VVcc는 신호선의 전위가 되고 G/L와 대향하고 있으면 G/L의 전위가 VVcc가 될 것이다. 또한 NSP와 SP사이에도 기생용량이 발생하며 이를 Cp로 표현하였으며 NSP의 전위가 Vcom이므로 Cp의 그라운드는 Vcom이 될 것이다.
이러한 구조에서 AC 입력전압이 교번할 때 교번전압의 상승에지나 하강에지에 동기하여 터치신호를 검출하는 것이 가능하며 이때 검출되는 신호는 다음의 수식과 같다.
Figure 112015121579825-pat00013
여기에서 Ct는 SP와 손가락 사이에 발생하는 터치정전용량이며 Vswing은 Vc22를 그라운드로 가지는 AC 입력전압이 대지전위를 기준으로 교번하는 교번전압의 크기이다. Vpre는 SP에 충전되는 전압으로서 Vcom이다. 또한 Vpre이후의 플러스나 마이너스 극성은 교번전압의 상승 또는 하강과 연동되어 있으며 교번전압이 하강할 때의 극성은 마이너스이고 교번전압이 상승할 때의 극성은 플러스이다. 이러한 규칙은 본 명세서를 통틀어 모두 적용된다.
TDI는 상기 [수학식 5]에서 Ct가 없을 때를 기준으로 Ct가 부가되었을 때 전압의 크기변화를 산출하여 Ct의 크기를 산출하며 이로 인해 터치유무 및 터치된 면적을 계산하는 것이 가능하다.
교번하는 AC 입력전압의 상승에지 또는 하강에지에 동기하여 터치신호 검출시 상승에지나 하강에지 후 터치신호가 안정화 될 때 까지는 어느 정도의 시간이 필요하다. 이러한 시간은 TDI에 포함된 설정수단, 예를 들어 TDI내부의 레지스터의 세팅에 의하여 지연검출시간을 조정하는 것이 가능하다.
도 17은 본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시 장치의 제3실시예로 터치센서(10)가 상기 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)의 상면에 위치하며, 상기 터치센서(10)는 도 10과 같이 메쉬 구조이다. 이러한 구조의 실시예에서 상기 터치센서(10)는 도 6의 공통전극(120)이 없는 IPS 등의 횡전계 모드에서 사용가능하며 또는 컬러필터(110)의 RGB 사이의 BM(130)영역에 존재하는 Vcom을 에칭으로 제거하여 사용가능하다. 그러나 공통전극(120)의 상호 연결을 위하여 중간 중간마다의 연결점은 남겨두어야 할 것이다. 상기 터치센서(10)는 상기 도 20의 공통전극(120)으로 이루어진다.
상기 터치센서(10)는 상기 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상측에 설치되며, 상기 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 폭보다 넓게 배치된다. 또한 상기 터치센서(10)는 도 10과 같은 메쉬 구조로 형성되거나 도 9와 같이 매트릭스 구조로 형성된다. 또한 상기 터치센서(10)가 도 9와 같이 매트릭스 구조로 형성되면 메쉬 구조가 없는 구조로 형성될 수도 있지만 메쉬 구조로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예로 상기 터치센서(10)는 매트릭스 구조로 형성되면 메쉬 구조와 난 메쉬(non mesh)가 복합적으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 터치센서(10)의 일부분은 메쉬가 없으며 일부분은 메쉬가 있는 구조로 형성될 수도 있다. 또한 상기 터치센서(10)가 매트릭스 구조로 형성될 경우 TDI(30)와의 거리가 가까울수록 면적을 작게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 터치센서(10)는 상기 화소전극(230)과 인접한 위치에 배치되되, 상기 화소전극(230)과 상하 중첩되지 않도록 배치되도록 하고, 서브 픽셀 단위로 설치되는 것이 바람직하다.
더불어 상기 터치센서(10)에 연결된 상기 센서 신호선(22)은 하나 또는 복수 개로 형성되며 상기 센서 신호선(22)이 복수 개로 형성될 경우, 표시 영역(A/A-Active Area)에서 접합(contact)되거나 TDI(30)가 배치된 비표시 영역(non-A/A)에서 접합된다.
또한, 상기 센서 신호선(22)은 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상측에 설치되며, ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 나노와이어, 실버나노와이어 중 적어도 하나의 투명 도전성 물질로 형성된 투명배선 및 금속 물질로 형성된 메탈배선을 포함하고, 상기 표시 장치의 표시 영역(A/A)에는 상기 투명배선이 형성되고 비표시 영역(non A/A)에는 투명배선 또는 메탈배선이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 또는 상기 센서 신호선(22)은 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상측이 아닌 표시장치의 화소영역등 표시장치의 어디에서 설치될 수 있다.
이와 같이 상기 게이트 신호선(240)이나 소스 신호선(250)의 상면에 터치센서(10)가 위치하는 경우 컬러필터(110)와 TFT 기판(210)이 결합될 시 컬러필터(110)의 BM(130)이 터치센서(10)를 시각적으로 가로막고 있기 때문에 터치센서(10)로 메탈을 사용하여도 메탈의 번쩍거림이 발생하지 않으므로 구리나 알루미늄 등의 메탈을 사용하는 것이 가능하며 이로 인해 저항이 감소되어 더 빨리 터치신호를 검출하는 것이 가능하여 소비전류를 줄이는 등의 이점이 있다.
도 17의 터치센서의 상면에는 필요에 따라 보호막이 추가될 수 있다.
본 발명의 제3실시예에 있어서, 상기 터치센서(10)에는 TDI(30)에서 생성된 교번하는 구동전압 또는 PMIC에서 생성된 AC교번전압이 인가되며, 터치검출부(14)는 AC교번전압의 상승 또는 하강 에지에 동기하여 터치신호를 검출한다.
이러한 제3실시예에서도 구조에서도 상기 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 전압변화에 의해 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상면에 있는 터치센서(10)가 오작동하는 문제가 있으며 이를 해결하기 위해 G/L(295)이 더 포함된 제4실시예를 제안한다.
도 18은 본 발명에 따른 터치스크린 내장형 표시 장치의 제4실시예를 나타내는 도면으로 표시장치의 A/A의 임의의 영역이나 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상면에 상기 터치센서(10)가 있을 때 터치센서(10)와 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250) 사이에 G/L(295)이 설치되어 있다. 도 18은 터치센서(10)가 게이트 신호선(24) 및 소스신호선(250)의 상면에 설치된 것을 실시예로 하였으나 터치센서(10)는 표시장치의 게이트신호선(240) 및 소스신호선(25)등 표시장치의 구동신호선의 상면이 아닌 어디에도 위치할 수 있다. 또한 이러한 표시장치는 LCD뿐만이 아니라 AMOLED 또는 PMOLED 모두를 포함한다.
도 18을 참고하면, 터치센서(10)가 표시장치를 구성하는 TFT의 상면에 있으며 터치센서(10)의 하측에는 제1 절연체(285)가 있고 제1 절연체 하측에는 G/L(295)이 위치하고 있다. 상기 제1절연체(285)는 상기 표시 장치의 표시 영역(A/A) 전체에 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.
G/L(295) 또는 터치센서(10)는 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상면 또는 표시장치의 A/A의 임의의 영역에 위치하여 도 5와 같이 메쉬 구조로 구성되거나 도 4에 도시된 바와 같이, 난 메쉬(non mesh)구조로 형성되며, 상기 G/L(295)에는 DC나 교번하는 구동전압이 인가된다.
이러한 본 발명의 모든 특징들은 터치센서(10)가 신호선의 하측에 존재할 때인 상기 제1실시예 및 제2실시예와 동일하게 게이트 신호선(240) 및 소스 신호선(250)의 상측에 존재할 때도 동일하게 적용된다.
도 18의 최상면에 터치센서(10)가 형성된 후 제2절연체(286)가 도포되지 않았으며 이는 비용절감 효과를 갖는다. 그러나 필요에 따라서 터치센서(10)의 상면에 제2 절연체(286)가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 제4실시예에서 G/L(295)에 구동 신호를 인가하는 방법은 상기 제2실시예에서 적용된 내용과 동일하게 1) TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번 전압을 인가하는 방법과 2) PMIC(Power Management IC)에서 TDI에 인가하는 AC 전압과 동일한 교번전압을 인가하는 방법을 포함한다.
또한, 상기 제2실시예와 동일하게 G/L(295)에 전달되는 상기 TDI의 구동 신호를 증폭하는 버퍼(Buffer) 또는 연산증폭기(OPAMP-Operation Amplifier)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
더불어 본 발명의 제4실시예에 있어서, 상기 터치센서(10)에는 TDI(30)에서 생성된 교번하는 구동전압 또는 PMIC에서 생성된 AC교번전압이 인가되며, 터치검출부(14)는 AC교번전압의 상승 또는 하강 에지에 동기하여 터치신호를 검출한다.
또한, 상기 터치검출부(14)에서 터치신호 검출 시 동기된 AC교번전압과 동일한 전압이 G/L에 인가된다.
본 발명에 따른 제1실시예 내지 제4실시예에 적용되는 터치센서(10)는 도 10과 같은 메쉬 구조로 형성되거나 도 9와 같이 매트릭스 구조로 형성된다. 또한 상기 터치센서(10)가 도 9와 같이 매트릭스 구조로 형성되면 메쉬 구조가 없는 구조로 형성될 수도 있지만 메쉬 구조로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예로 상기 터치센서(10)는 매트릭스 구조로 형성되면 메쉬 구조와 난 메쉬(non mesh)가 복합적으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 터치센서(10)의 일부분은 메쉬가 없으며 일부분은 메쉬가 있는 구조로 형성될 수도 있다. 또한 상기 터치센서(10)가 매트릭스 구조로 형성될 경우 TDI(30)와의 거리가 가까울수록 면적을 작게 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 터치센서의 크기가 손가락이나 또는 펜같은 오브젝트의 크기보다 크면 정확하게 터치위치를 검출하는 것이 불가능하다. 도 22를 참조하면, 손가락이나 펜같은 오브젝트가 상하 또는 좌우로 움직이는 경우 하나의 터치센서(10) 안에서 움직이면 터치좌표를 산출하는 것이 불가능하게 된다. 터치좌표를 산출하기 위해서는 적어도 두 개 이상의 터치센서의 면적변화가 발생해야 한다.
이러한 문제를 해결하는 방법은 두 개의 터치센서를 서로 교차시켜 종방향이나 횡방향으로 터치센서 면적을 공유(sharing)하는 것이다. 도 23은 터치센서 면적공유에 관한 본 발명의 실시예로서 종방향으로 면적을 공유한 실시예이다. 도 23에는 사각형으로 구성된 본래의 4개의 터치센서(10)가 있으며 각각의 터치 센서(10)는 인접한 터치센서(10)의 중심부까지 즉, 길이방향으로 50%씩 공유하였다. 예를 들어 2번 센서는 원형 패턴의 삼각형으로 변화되었으며 1번과 3번의 터치센서에 50% 길이만큼 즉, 터치센서의 중앙부 길이만큼 자신의 영역을 확장하여 1번 센서와 3번 센서 간 면적을 공유하였다.
이로 인해 도 22에서 하나의 터치센서에서 상하로 이동해도 하나의 터치센서에서만 움직이므로 면적의 변화가 발생하지 않아서 터치좌표 산출이 불가능했던 상황이, 2개의 터치센서에서 면적의 변화가 발생하여 터치검출이 가능한 상황으로 변화되었다.
도 23의 (a)는 상하간 접촉 시 접촉면적이 하나인 경우로서 아주 작은 오브젝트의 상하간 변위를 검출하지 못하는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 23의 (b)와 같이 상하간 위치한 터치센서의 접촉면적을 여러개로(실시예에서는 3개) 즉, 상하간 대향하는 꼭지점의 개수를 늘려주면 상호 면적공유가 더 촘촘하게 발생하여 면적이 작은 오브젝트의 변화도 쉽게 검출하는 장점이 있다.
이때 상호 대향하는 꼭지점의 개수는 반드시 1.5개 또는 2.5개 또는 3.5개와 같이 half 꼭지점이 포함되어야 오브젝트간 대향하는 접촉 면적이 동일해져서 터치센서 사이에 발생하는 기생정전용량이 센서마다 동일해지는 효과가 있다. 꼭지점이 half라는 개념은, 도 23의 (b) 도면을 참고하면, 지그재그로 면적 공유한 상단 터치센서의 우측의 삼각형 면적은 그 옆의 삼각형 면적에 비해 50%밖에 안되고 하측 센서의 좌측 삼각형의 면적도 그 옆의 삼각형 절반밖에 되지 않는다는 관점에서 half 꼭지점이라는 개념을 사용하였다.
또한 하나의 센서는 마주한 상측과 하측으로 동시에 면적을 공유하며 면적공유의 길이는 최소 0%(면적공유 하지 않음)부터 최대 50% 까지이다.
도 24는 횡방향의 터치센서가 면적을 공유한 실시예이다. 종방향의 실시예와 같이 횡방향으로 좌측 및 우측의 센서와 면적을 공유하며, 0~50%의 길이만큼 면적을 공유한다. 대향하는 꼭지점은 2.5개나 3.5개와 같이 half를 포함하는 것이 바람직하다. 도시하지는 않았으나 상하로 배치되는 신호선도 같이 지그재그(zigzag)형태가 된다.
도 25는 게이트 신호선이나 소스 신호선의 상면이나 하면에 터치센서가 위치하는 경우의 터치센서 상하 또는 좌우간 면적을 공유하는 본 발명의 실시예에 관한 도면이다. 도 25를 참조하면, 상측의 터치센서와 하측의 터치센서가 상호 면적을 공유하였으며 면적 공유 시 그 사이의 간격이 도시되어 있다. 도 25의 격자는 표시장치의 화소를 표시한 것이며 종방향의 실선은 게이트 신호선(240)이며 횡방향의 실선은 소스 신호선(250)이다.
이와 같이 터치센서가 신호선의 상면이나 하면에 존재할 때, 터치센서는 화소를 단위로 계단모양으로 상호 면적을 공유한다. 이는 횡방향으로 배치된 센서의 면적공유나 종방향으로 배치된 센서의 면적공유에서도 동일하게 적용된다.
센서와 센서 사이의 간격은 적어도 하나의 화소 이상이다. 만일 공통전극과 터치센서를 공유하는 본 발명의 실시예에서 화소를 단위로 터치센서 역할을 하는 공통전극이 도 23나 도 24같이 면적공유를 하면, 공통전극이 인가되지 않는 화소가 발생하게 되며 이 화소는 화질불량을 유발하게 된다.
도 26은 공통전극이 터치센서로 작용하는 경우의 터치센서 면적 공유에 대한 실시예이다. 도 26을 참조하면, 종방향의 소스 신호선(250)과 횡방향의 게이트 신호선(240)이 있으며 구동 신호선을 경계로 면적공유가 발생한다. 즉, 공통전극이 터치센서로 작용하는 경우 개별 화소에 공통전극이 인가되지 않는 상황을 방지하기 위하여 소스 신호선(250)이나 게이트 신호선(240)을 경계로 서로 다른 터치센서(10c, 10d)가 분리한다.
또는 LCD 제조과정에서 설비의 공정능력이 좋을 때에는 신호선의 상면 또는 하면에서 서로 다른 터치센서가 분리될 수 있다.
본 발명의 터치스크린이 포함된 표시장치에는 LCD 구동IC(LDI) 및 Touch 구동 IC(TDI)가 사용되어야 한다. LDI및 TDI가 도 12와 같이 분리되어 별도로 사용되는 경우도 있으나 이러한 경우에는 제조공정이 추가되어 원가가 상승된다는 문제점이 있다. 또한 도 16에서 표시장치의 일측에 IC를 배치할 시 공간이 늘어난다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명을 두 개의 IC를 하나의 IC로 통합하는 방안을 제시한다.
도 27은 본 발명에 따른 LDI 및 TDI를 하나로 통합한 IC의 구조에 관한 것이다. 도 27을 참조하면, 영역1 및 영역3는 TDI로서 도 9의 구성요소들이 나누어져 분배되어 있거나 영역1 및 영역3 각각에 포함되기도 한다. 또는, 영역2는 TDI로서 도 9의 TDI 구성요소가 영역2에 모두 포함되어 있다.
그리고 영역2는 LDI 영역이다. LDI는 통합IC의 중심부에 위치하거나, 영역 1 또는 영역3의 위치에 배치될 수 있다.
이와 같이 하나의 IC에 TDI와 LDI가 통합되면 TDI나 LDI에서 생성된 전원을 공유할 수 있는 장점이 있고 이로 인해 LDI가 갖고 있던 전원과 TDI가 갖고 있던 전원중 하나를 삭제할 수 있기 때문에 IC의 면적이 작아지므로 가격이 절감된다는 장점이 있다.
이때 TDI와 LDI 사이에는 신호의 교류가 없으므로 IC 내부적으로 TDI와 LDI가 신호적으로 연결될 필요는 없으나 필요할 시 IC 내부에서 TDI와 LDI가 필요한 신호를 서로 공유할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 터치센서 10a : 센싱패드(Sensing Pad)
10b : 난센싱패드(Non Sensing Pad) 12 : 충전수단
10c : 상측 터치센서 10d : 하측 터치센서
12-1 : 충전수단의 출력단 12-2 : 충전수단의 입력단
14 : 터치신호 검출부 22 : 센서신호선 22a : 센싱패드 센서신호선 22b : 난센싱패드 센서신호선
25 : 손가락 26 : 교번하는 터치수단
28 : 메모리부 30 : Touch Drive IC(TDI)
31 : 구동부 33 : 타이밍 제어부 35 : 신호처리부 40 : CPU
42 : 교번전압생성부 46 : 통신부
47 : 전원부 50 : 터치스크린패널
100 : 제1 기판 110 : 컬러필터
120 : 공통전극 125 : 공통전극 신호선
130 : BM 200 : 제2 기판
210 : TFT 기판 220 : TFT
230 : 화소전극 231 : 화소
235 : 화소전극 신호선 240 : 게이트 신호선 250 : 소스 신호선 260 : 드레인 전극 265 : 게이트 전극 270 : 소스 전극 275 : 반도체측 280 : 보호층 285 : 절연체, 제1 절연체 286 : 제2 절연체
290 : Cst 295 : 가드 레이어 296 : 가드 레이어 본딩부 297 : 센서신호선 본딩부
300 : A/A(Active Area) 310 : 검정색 패드
320 : 노란색 패드 330 : 녹색패드

Claims (7)

  1. 신체의 손가락 또는 이와 유사한 도전체와 같은 터치입력수단의 접근에 의해 터치커패시턴스(Ct)가 발생하는 것을 감지하는 터치스크린 내장형 표시장치에 있어서,
    상기 터치입력수단과의 사이에서 터치커패시턴스(Ct)를 형성하는 터치센서;
    상기 터치센서에 연결되며, 상기 터치입력수단의 터치 유무에 따라 상기 터치센서에서 검출되는 전압변화를 이용하여 터치여부를 검출하는 TDI(Touch Drive IC) 및
    상기 터치센서와 상기 TDI를 연결하는 센서 신호선을 포함하되,
    상기 터치센서와 상기 센서 신호선이 형성된 센서 레이어는 상기 표시장치의 TFT기판과 상기 TFT를 구성하는 게이트 신호선 및 소스 신호선 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 내장형 표시장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 터치센서와 상기 TFT의 소스 신호선 사이에는 가드 레이어가 위치하며, 상기 가드 레이어에는 상기 TDI에서 출력되는 DC 전압 또는 교번전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 내장형 표시장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    PMIC(Power Management IC)에서 생성된 전원전압(Vc21)이나 다이나믹 그라운드(Vc22)가 상기 가드 레이어에 접속되며, 상기 가드 레이어에는 상기 TDI에서 출력되는 AC 전압과 동일한 교번전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 내장형 표시장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 TDI에서 출력되는 AC 전압의 스윙에 기초하여 터치를 검출하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 내장형 표시장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 표시장치의 공통전극이 상기 터치 센서 역할을 하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 내장형 표시장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    하나의 터치센서가 인접한 터치센서와 면적을 공유하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 내장형 표시장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 표시장치를 구동하는 LDI(LCD Drive IC)와 상기 터치센서의 터치 신호를 검출하는 TDI가 통합 형성되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 내장형 표시장치.
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