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KR101365818B1 - 터치 센싱 장치와 그 구동 방법 - Google Patents

터치 센싱 장치와 그 구동 방법 Download PDF

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KR101365818B1
KR101365818B1 KR1020120078146A KR20120078146A KR101365818B1 KR 101365818 B1 KR101365818 B1 KR 101365818B1 KR 1020120078146 A KR1020120078146 A KR 1020120078146A KR 20120078146 A KR20120078146 A KR 20120078146A KR 101365818 B1 KR101365818 B1 KR 101365818B1
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touch
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gate
line
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김철세
김훈배
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 터치 센싱 장치와 그 구동 방법에 관한 것으로, 그 터치 센싱 장치는 Tx 라인들, 상기 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들, 및 상기 Tx 라인들과 상기 Rx 라인들 사이에 형성된 터치 센서들; 상기 Tx 라인들에 Tx 구동신호를 공급하여 상기 터치 센서들을 구동하고, 상기 Rx 라인들을 통해 상기 터치 센서들의 전기적 신호를 센싱하여 터치 원시 데이터를 발생하는 터치 스크린 구동회로; 상기 터치 원시 데이터를 분석하여 터치 입력 위치에 대한 좌표 정보를 터치 레포트 레이트의 주파수로 전송하는 터치 인식 프로세서를 포함한다. 상기 터치 레포트 레이트는 표시패널 내의 모든 픽셀들에 데이터가 업데이트되는 디스플레이 프레임 레이트 보다 빠르다.

Description

터치 센싱 장치와 그 구동 방법{TOUCH SENSING APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 터치 센싱 장치와 그 구동 방법에 관한 것이다.
유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전기, 전자 기기 등의 통신을 가능하게 하여 사용자가 기기를 쉽게 자신이 원하는 대로 쉽게 제어할 수 있게 한다. 유저 인터페이스의 대표적인 예로는 키패드, 키보드, 마우스, 온스크린 디스플레이(On Screen Display, OSD), 적외선 통신 혹은 고주파(RF) 통신 기능을 갖는 원격 제어기(Remote controller) 등이 있다. 유저 인터페이스 기술은 사용자 감성과 조작 편의성을 높이는 방향으로 발전을 거듭하고 있다. 최근, 유저 인터페이스는 터치 UI, 음성 인식 UI, 3D UI 등으로 진화되고 있다.
터치 UI는 휴대용 정보기기에 필수적으로 채택되고 있는 추세에 있으며, 나아가 가전 제품에도 확대 적용되고 있다. 정전 용량 방식의 터치 스크린은 기존의 저항막 방식에 비하여 내구성과 선명도가 높고, 멀티 터치 인식과 근접 터치 인식이 가능하여 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있는 장점이 있다.
이러한 정전 용량 방식의 터치 스크린에서 사용자가 느끼는 터치감을 높이기 위해서는 터치 레포트 레이트(touch report rate)를 높여야 한다. 이는 호스트 시스템에서 터치 레포트 레이트의 주파수로 터치 입력에 대한 좌표를 갱신(update)하기 때문이다. 따라서, 터치 입력에 대한 호스트 시스템의 응답 속도는 터치 레포트 레이트에 비례한다.
일반적으로, 터치 레포트 레이트는 디스플레이 프레임 레이트(display frame rate)와 동일하다. 여기서, 터치 레포트 레이트란 터치 스크린 내에 모든 터치 센서들을 센싱하여 얻어지는 좌표 데이터를 외부의 호스트 시스템으로 전송하는 주파수를 의미한다. 디스플레이 프레임 레이트는 표시패널 내의 모든 픽셀들에 새로운 데이터가 업데이트되는 주파수를 의미한다. 터치 레포트 레이트가 높을 수록 터치 입력의 좌표가 업데이트되는 속도가 빨라지므로 사용자가 느끼는 터치 감도를 높이고 터치 입력 궤적을 세밀하게 표현할 수 있다. 그런데, 종래 기술은 디스플레이 프레임 레이트와 같은 터치 레포트 레이트로 터치 입력을 인식하므로 터치 입력에 대한 고속 응답을 구현하기가 어렵다.
미국 특허 US 7,859,521 B2(2010. 12. 28)은 픽셀 어레이에 정전 용량 방식의 터치 센서들이 내장된 터치 스크린의 구동 방법을 개시하고 있다. 이 특허에 개시된 구동 방법은 약 16 msec의 1 프레임 기간을 시분할하여 12 msec를 디스플레이 기간으로 할당하고 나머지 4 msec를 터치 구동 기간으로 할당한다. 디스플레이 기간 동안 픽셀들에 데이터를 기입하고 터치 스크린은 구동하지 않는다. 반면에, 터치 구동 기간 동안, 픽셀들은 데이터를 유지하고 터치 센서들이 구동되어 터치 입력이 센싱된다. 이 방법은 1 프레임 당 1 회의 터치 레포트 데이터를 발생하므로 디스플레이 프레임 레이트와 같은 주파수의 터치 레포트 레이트로 터치 입력을 인식한다. 그 결과, 종래 기술은 터치 입력에 대한 응답이 늦으므로 빠르게 움직이는 라인 드로잉(Line drawing) 같은 경우에 연속적으로 인식되는 좌표점들 간의 거리가 멀어져 사용자가 그린 곡선 표현과 다른 형태의 라인으로 인식될 수 있다.
본 발명은 터치 레포트 레이트를 높일 수 있는 터치 센싱 장치와 그 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 터치 센싱 장치는 Tx 라인들, 상기 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들, 및 상기 Tx 라인들과 상기 Rx 라인들 사이에 형성된 터치 센서들; 상기 Tx 라인들에 Tx 구동신호를 공급하여 상기 터치 센서들을 구동하고, 상기 Rx 라인들을 통해 상기 터치 센서들의 전기적 신호를 센싱하여 터치 원시 데이터를 발생하는 터치 스크린 구동회로; 상기 터치 원시 데이터를 분석하여 터치 입력 위치에 대한 좌표 정보를 터치 레포트 레이트의 주파수로 전송하는 터치 인식 프로세서를 포함한다.
상기 터치 센싱 장치의 구동 방법은 상기 Tx 라인들에 Tx 구동신호를 공급하여 상기 터치 센서들을 구동하고, 상기 Rx 라인들을 통해 상기 터치 센서들의 전기적 신호를 센싱하여 터치 원시 데이터를 발생하는 단계; 및 모든 터치 센서들에 대한 터치 원시 데이터를 분석하여 터치 입력 위치에 대한 좌표 정보를 터치 레포트 레이트의 주파수로 전송하는 단계를 포함한다.
1 프레임 기간이 다수의 픽셀 기입 구간들과 다수의 단위 센싱 구간들로 시분할된다. 상기 픽셀 기입 구간들과 상기 단위 센싱 구간들은 교대로 배치된다.
상기 터치 레포트 레이트는 표시패널 내의 모든 픽셀들에 데이터가 업데이트되는 디스플레이 프레임 레이트 보다 빠르다.
본 발명은 1 프레임 기간을 다수의 픽셀 기입 구간들과 다수의 단위 센싱 구간들로 시분할하고 상기 픽셀 기입 구간들과 상기 단위 센싱 구간들이 교대로 배치하여 터치 레포트 레이트를 디스플레이 프레임 레이트보다 빠르게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치를 보여 주는 블록도이다.\
도 2는 액정셀의 등가 회로도이다.
도 3 내지 도 5는 터치 스크린과 표시패널의 다양한 실시예들을 보여 주는 도면들이다.
도 6은 도 5와 같은 인셀 타입의 터치 스크린에서 Tx 전극들과 Rx 전극들의 일부를 확대하여 보여 주는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 방법에서 게이트펄스와 Tx 구동신호를 보여 주는 파형도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 방법에서 데이터전압, 게이트펄스 및 Tx 구동신호를 보여 주는 파형도들이다.
도 10은 표시패널의 수직 해상도가 1280, Tx 라인 수가 32, Tx 라인 당 게이트라인 수(m)가 40, 그리고 디스플레이 프레임 레이트가 60Hz인 경우에, 픽셀 기입 구간 내에서 게이트펄스가 연속으로 공급되는 게이트라인들의 수(p)와 Tx 라인당 할당되는 단위 센싱 구간 개수에 따라 계산되는 터치 레토트 레이트를 보여 주는 도면이다.
도 11은 도 10과 같이 계산된 터치 레포트 레이트를 보여 주는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 표시장치는 표시패널(10), 디스플레이 구동회로, 터치 스크린(TSP), 터치 스크린 구동회로(60) 등을 포함한다.
본 발명의 표시장치는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시장치(Organic Light Emitting Display, OLED), 전기영동 표시소자(Electrophoresis, EPD) 등의 평판 표시소자 기반으로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 평판 표시소자의 일 예로서 표시장치를 액정표시소자 중심으로 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시소자에 한정되지 않는다는 것에 주의하여야 한다.
표시패널(10)은 두 장의 기판들 사이에 형성된 액정층을 포함한다. 표시패널(10)의 하부 기판에는 다수의 데이터라인들(11), 데이터라인들(11)과 교차되는 다수의 게이트라인들(12), 데이터라인들(11)과 게이트라인들(12)의 교차부들에 형성되는 다수의 TFT들(Thin Film Transistor), 액정셀들에 데이터전압을 충전시키기 위한 다수의 화소전극(1), 화소전극(1)에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함한다.
표시패널(10)의 픽셀 어레이는 데이터라인들(11)과 게이트라인들(12)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성된 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은 도 2와 같은 액정셀을 포함할 수 있다. 픽셀들 각각의 액정셀은 화소전극(1)에 인가되는 데이터전압과, 공통전극(2)에 인가되는 공통전압(Vcom)의 전압차에 따라 인가되는 전계에 의해 구동되어 입사광의 투과양을 조절한다. TFT들은 게이트라인(12)으로부터의 게이트펄스에 따라 턴-온되어 데이터라인(11)으로부터의 데이터 전압을 액정셀의 화소전극(1)에 공급한다.
표시패널(10)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등을 포함할 수 있다. 표시패널(10)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 블랙매트릭스와 컬러필터는 표시패널(10)의 하부 기판에 형성될 수 있다. 공통전극(2)은 표시패널(10)의 상부 기판이나 하부 기판에 형성될 수 있다.
표시패널(10)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(10)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성된다.
표시패널(10)의 배면 아래에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(10)에 빛을 조사한다. 표시패널(10)은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(FRMnge Field Switching) 모드 등 공지된 어떠한 액정 모드로도 구현될 수 있다.
디스플레이 구동회로는 데이터 구동회로(20), 스캔 구동회로(30) 및 타이밍 콘트롤러(40)를 포함하여 입력 영상의 비디오 데이터전압을 표시패널(10)의 픽셀들에 기입한다. 데이터 구동회로(20)는 후술하는 픽셀 기입 구간 동안 타이밍 콘트롤러(40)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동회로(20)로부터 출력된 데이터전압은 데이터라인들(11)에 공급된다. 스캔 구동회로(30)는 후술하는 픽셀 기입 구간 동안 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(12)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(10)의 라인을 선택한다. 게이트펄스는 게이트 하이 전압(Gate high voltage, Vgh)과 게이트 로우 전압(Gate low voltage, Vgl) 사이에서 스윙한다.
데이터 구동회로(20)와 스캔 구동회로(30)는 타이밍 콘트롤러(40)의 제어 하에 제I(I는 양의 정수) 픽셀 기입 구간 동안 제I 픽셀 그룹의 픽셀들에 입력 영상의 데이터를 표시패널(10)의 기입한다. 이어서, 데이터 구동회로(20)와 스캔 구동회로(30)는 타이밍 콘트롤러(40)의 제어 하에 제I+1 픽셀 기입 구간 동안 소정의 단위 센싱 구간이 경과된 후에, 제I+1 픽셀 그룹의 픽셀들에 입력 영상의 데이터를 기입한다. 데이터 구동회로(20)와 스캔 구동회로(30)는 픽셀 그룹의 픽셀들에 입력 영상의 데이터를 기입할 때 1 라인씩 시프트되는 게이트펄스에 따라 표시패널(10)의 1 라인씩 순차적으로 픽셀들에 데이터를 기입할 수 있다. 픽셀 그룹들 각각은 단위 센싱 구간 전까지 픽셀 기입 구간 동안 게이트펄스가 연속으로 공급되는 p(p는 2 이상의 양의 정수) 개의 게이트라인들에 연결된 픽셀들을 포함한다. 따라서, 픽셀 그룹들 각각은 표시패널(10)에서 p 개의 라인들에 배치된 픽셀들을 포함한다.
데이터 구동회로(20)는 단위 센싱 구간 동안 데이터 전압을 출력하지 않고, 스캔 구동회로(30)는 단위 센싱 구간 동안 게이트라인들의 전압을 게이트 로우 전압(Vgl)으로 유지할 수 있다.
타이밍 콘트롤러(40)는 호스트 시스템(50)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호 등을 입력받아 데이터 구동회로(20)와 스캔 구동회로(30)의 동작 타이밍을 동기시킨다. 타이밍 콘트롤러(40)는 데이터 구동회로(20)와 스캔 구동회로(30)의 동작 타이밍을 터치 스크린 구동회로(60)와 동기시켜 단위 센싱 구간들에서 데이터 구동회로(20)와 스캔 구동회로(30)의 동작을 일시 정지시킨다. 또한, 타이밍 콘트롤러(40)는 단위 센싱 구간마다 터치 스크린 구동회로(60)가 구동되도록 상기 타이밍 신호를 이용하여 단위 센싱 구간의 타이밍을 지시하는 터치 동기신호(SYNC)를 발생하여 터치 스크린 구동회로(60)의 동작 타이밍을 제어한다. 데이터 구동회로(20), 스캔 구동회로(30) 및 터치 스크린 구동회로(60)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들의 펄스폭, 주기 등의 파형 정보는 메모리(41)에 저장된다. 타이밍 콘트롤러(40)는 메모리(41)의 파형 정보를 참조하여 데이터 구동회로(20), 스캔 구동회로(30) 및 터치 스크린 구동회로(60)의 타이밍 제어신호들을 발생한다.
타이밍 콘트롤러(40)는 메모리(41)에 입력 영상의 데이터를 저장하여 후술하는 단위 센싱 구간 동안 데이터 구동회로(20)에 데이터를 전송하지 않는다. 이어서, 타이밍 콘트롤러(40)는 그 단위 센싱 구간에 이어지는 픽셀 기입 구간 동안 메모리(41)에 저장된 데이터를 데이터 구동회로(20)로 전송한다.
터치 스크린(TSP)은 도 3과 같이 표시패널(10)의 상부 편광판(POL1) 상에 접합되거나, 도 4와 같이 상부 편광판(POL1)과 상부 기판(GLS1) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 터치 스크린(TSP)의 터치 센서들(Cts)은 도 5와 같이 표시패널(10) 내에서 픽셀 어레이와 함께 인셀(In-cell) 타입으로 하부 기판 상에 내장될 수 있다. 도 3 내지 도 5에서 "PIX"는 액정셀의 화소전극, "GLS2"는 하부 기판, "POL2"는 하부 편광판을 각각 의미한다.
터치 스크린(TSP)은 Tx 라인들(13), Tx 라인들(13)과 교차하는 Rx 라인들(14), 및 Tx 라인들(13)과 Rx 라인들(14)의 교차부들에 형성된 터치 센서들(Cts)을 포함한다. 터치 센서들(Cts) 각각은 상호 용량(mutual capacitance)을 포함한다.
터치 스크린 구동회로(60)는 타이밍 콘트롤러(40)로부터 입력되는 터치 동기신호(SYNC)에 응답하여 단위 센싱 구간들 각각에서 터치 센서들(Cts)을 구동하여 터치 입력을 센싱한다. 그리고 터치 스크린 구동회로(60)는 단위 센싱 구간들 각각에서 Rx 라인들(14)에 소정의 Rx 기준 전압을 공급한다.
터치 스크린 구동회로(60)는 Tx 라인 마다 연속되는 다수의 단위 센싱 구간을 할당한다. 터치 스크린 구동회로(60)는 연속되는 단위 센싱 구간들 각각에서 Tx 구동신호에 동기하여 Rx 기준 전압으로부터 변하는 터치 센서들의 전압을 수신하여 그 터치 센서들의 전압 변화(또는 전기적 신호)를 센싱한다. 하나의 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압은 그 Tx 라인에 할당된 다수의 단위 센싱 구간 동안 센싱되어 터치 원시 데이터(Touch raw data)로 변환된다.
Tx 구동신호는 도 8 및 도 9와 같이 단위 센싱 구간마다 연속으로 동일 Tx 라인에 연속으로 인가된 후에 그 Tx 라인에 할당된 단위 센싱 구간들 이후에 다음 Tx 라인(13)에 같은 방법으로 Tx 라인들에 인가된다. 예컨대, 제I Tx 라인에 할당된 단위 센싱 구간들 각각에서 Tx 구동신호가 제I Tx 라인에 연속으로 인가된 후에, 제I+1 Tx 라인에 할당된 단위 센싱 구간들 각각에서 Tx 구동신호가 제I+1 Tx 라인에 인가된다. Tx 구동신호는 도 7과 같은 펄스 형태일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예컨대, Tx 구동신호는 펄스, 정현파, 삼각파 등 다양한 형태로 발생될 수 있다.
터치 스크린 구동회로(60)는 단위 센싱 구간 동안 Tx 구동신호들 각각에 동기하여 Rx 라인들(14)을 통해 터치 센서들(Cts)의 전압을 수신하여 그 터치 센서들(Cts)의 전압을 샘플링하고 샘플링한 전압을 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter, 이하 "ADC"라 함)를 이용하여 디지털 데이터로 변환하여 터치 원시 데이터를 출력한다. 터치 스크린 구동회로(60)는 Tx 라인들(13) 각각에 다수의 Tx 구동신호들을 연속으로 공급하고 그 Tx 구동신호마다 터치 센서들의 전압을 샘플링하여 적분기 내의 커패시터에 누적하면 터치 입력 전후의 전압차를 크게 할 수 있다. 터치 스크린 구동회로(60)는 터치 인식 프로세서(70)와 함께 하나의 IC(Integrated Circuit)으로 집적될 수 있다.
터치 스크린 구동회로(60)는 타이밍 콘트롤러(40)로부터 입력되는 터치 동기신호(SYNC)에 응답하여 픽셀 기입 구간마다 Tx 라인들(13)과 Rx 라인들(14)에 도 2에 도시된 공통전압(Vcom)을 공급한다. 따라서, Tx 라인들(13)과 Rx 라인들(14)은 픽셀 기입 구간 동안 픽셀 어레이의 공통전극(2) 역할을 한다.
터치 인식 프로세서(70)는 미리 설정된 터치 인식 알고리즘을 실행하여 터치 스크린 구동회로(60)로부터 수신한 터치 원시 데이터를 미리 설정된 문턱치와 비교한다. 터치 인식 알고리즘은 그 문턱치 이상의 터치 원시 데이터를 터치(또는 근접) 입력 위치의 터치 센서들로부터 입력된 데이터로 판단하고 터치(또는 근접) 입력 위치들 각각의 좌표를 계산한다. 그리고 터치 인식 프로세서(70)는 디스플레이 프레임 레이트 이상의 주파수를 갖는 터치 레포트 레이트로 터치 레포트 데이터(Touch report data)를 호스트 시스템(50)으로 전송한다. 터치 레포트 데이터는 터치 인식 프로세서(70)에 의해 터치 스크린 내의 모든 터치 센서들에 대한 좌표가 산출된 결과로 발생되며, 터치(또는 근접) 입력 위치들 각각의 좌표 정보를 포함한다. 터치 인식 프로세서(70)는 디스플레이 프레임 레이트 이상의 주파수를 갖는 터치 레포트 레이트로 터치(또는 근접) 입력의 좌표 데이터를 호스트 시스템(50)으로 전송한다.
호스트 시스템(50)은 네비게이션 시스템, 셋톱박스, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 방송 수신기, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 호스트 시스템(50)은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 표시패널(10)에 표시하기에 적합한 포맷으로 변환한다. 호스트 시스템(50)은 디지털 비디오 데이터와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(40)로 전송한다. 또한, 호스트 시스템(50)은 터치 인식 프로세서(70)로부터 입력되는 터치 레포트 데이터의 좌표값과 연계된 응용 프로그램을 실행한다.
도 6은 도 5와 같은 인셀 타입의 터치 스크린에서 Tx 전극들과 Rx 전극들의 일부를 확대하여 보여 주는 평면도이다.
도 6을 참조하면, 인셀 타입의 터치 스크린(TSP)은 서로 직교하는 Tx 라인들(T1, T2) 및 Rx 라인들(R1, R2)을 포함한다. Tx 라인들(T1, T2)과 Rx 라인들(R1, R2) 사이 마다 정전 용량으로 표현되는 터치 센서들(Cts)이 형성된다.
Tx 라인들(T1, T2) 각각은 링크 패턴들(L11~L22)을 통해 표시패널(10)의 횡 방향(x축 방향)을 따라 연결된 투명 Tx 채널 전극들(T11~T13, T21~T23)을 포함한다. 제1 Tx 라인(T1)은 링크 패턴들(L11, L12)을 경유하여 횡 방향을 따라 연결된 투명 Tx 채널 전극(T11~T13)을 포함한다. 제2 Tx 라인(T2)은 링크 패턴들(L21, L22)을 경유하여 횡 방향을 따라 연결된 투명 Tx 채널 전극(T21~T23)을 포함한다. 투명 Tx 채널 전극(T11~T23) 각각의 크기는 픽셀들의 크기 보다 크고, m 개(m은 2 이상의 양의 정수)의 게이트라인들(12)과, 그 게이트라인들(12)에 연결된 픽셀들과 중첩된다. 따라서, Tx 라인들 각각은 m 개의 게이트라인들(12)과 중첩된다. 투명 Tx 채널 전극(T11~T23) 각각은 절연층을 사이에 두고 화소전극들(1)과 중첩된다. 투명 Tx 채널 전극(T11~T23) 각각은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 도전 물질로 형성될 수 있다. 링크 패턴(L11~L22)은 Rx 라인(R1, R2)을 가로 질러 횡 방향(또는 수평 방향)으로 이웃하는 투명 Tx 채널 전극(T11~T23)을 전기적으로 연결한다. 링크 패턴(L11~L22)은 절연층을 사이에 두고 Rx 라인(R1, R2)과 중첩될 수 있다. 링크 패턴(L11~L22)은 전기 전도율이 높은 금속 예를 들어, 알루미늄(Al) 계 금속, 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 구리(Cu), 은(Ag) 등의 금속으로 형성되거나, 투명 도전 물질로 형성될 수 있다. 도 6에서 "D1~D3"은 데이터라인들(11)이고, "G1~G3"은 게이트라인들(12)이다.
Rx 라인들(R1, R2)은 Tx 라인들과 직교되도록 표시패널(10)의 종 방향(y축 방향)을 따라 형성된다. Rx 라인들(R1, R2)은 ITO와 같은 투명 도전 물질로 형성될 수 있다. Rx 라인들(R1, R2) 각각은 도시하지 않은 다수의 픽셀들과 중첩될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 방법에서 게이트펄스(GP)와 Tx 구동신호(TP)를 보여 주는 파형도이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 방법에서 데이터전압, 게이트펄스 및 Tx 구동신호를 보여 주는 파형도들이다. 도 8 및 도 9에서, 도면 부호 "D1, D2"는 정극성(+)/부극성(-) 데이터전압이 공급되는 데이터라인들이고, "G1~G8"은 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(GP)가 공급되는 게이트라인들이다. 그리고, "T1, T2"는 터치 스크린에서 Tx 구동신호(TP)가 공급되는 Tx 라인들이다.
일반적인 액정표시소자는 1 프레임 기간 동안 모든 픽셀들에 데이터를 기입하기 위하여, 도 7의 (a)와 같이 게이트라인들에 게이트펄스(GP)를 1 프레임 기간 동안 순차적으로 공급된다. 수직 해상도가 1280인 FHD 해상도를 가지는 액정표시소자를 60Hz의 디스플레이 프레임 레이트로 구동하면, 표시패널(10)의 1 라인에 배치된 픽셀들에 데이터를 기입하는데 필요한 1 수평기간(t1)은 13μsec이다. 도 7의 (a)에 도시된 게이트펄스(GP)의 1 주기는 1 수평기간(t1)이다.
이에 비하여, 본 발명은 1 프레임 기간을 다수의 픽셀 기입 구간들(Td1, Td2)과 다수의 단위 센싱 구간들(Ts1, Ts2)로 시분할한다. 픽셀 기입 구간들(Td1, Td2)과 다수의 단위 센싱 구간들(Ts1, Ts2)은 교대로 배치된다. 예를 들어, 제I 픽셀 기입 구간, 제I 단위 센싱 구간, 제I+1 픽셀 기입 구간, 제I+1 단위 센싱 구간, 제I+2 픽셀 기입 구간, 제I+2 단위 센싱 구간 순으로 픽셀 기입 구간들(Td1, Td2)과 다수의 단위 센싱 구간들(Ts1, Ts2)이 교대로 배치된다.
픽셀 기입 구간들(Td1, Td2)은 표시패널(10)의 픽셀들에 데이터가 기입되는 시간이다. 픽셀 기입 구간들(Td1, Td2) 각각에서, 입력 영상의 데이터전압은 데이터라인들(11)에 공급되고, 그 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(GP)는 도 8 및 도 9와 같이 p 개의 게이트라인들(12)에 연속으로 공급된다. 제I 픽셀 기입 구간에는 제I 픽셀 그룹의 픽셀들에 입력 영상의 데이터가 기입된다. 제I+1 픽셀 기입 구간에는 제I+1 픽셀 그룹의 픽셀들에 입력 영상의 데이터가 기입된다. 픽셀 기입 구간들(Td1, Td2)각각에서, Tx 라인들(13)과 Rx 라인들(14)은 도 2에 도시된 공통전극(2)으로 동작할 수 있다. 이를 위하여, Tx 라인들(13)과 Rx 라인들(14)에는 픽셀 기입 구간들(Td1, Td2)에서 도 2와 같은 공통전압(Vcom)이 공급된다.
단위 센싱 구간들(Ts1, Ts2)은 터치 센서들이 구동되는 시간이다. Tx 라인 당 연속된 다수의 단위 센싱 구간들이 할당된다. 하나의 Tx 라인에 연결된 터치 센서들은 그 Tx 라인에 할당된 단위 센싱 구간 동안 인가되는 다수의 Tx 구동 신호들에 의해 구동된다.
수직 해상도가 1280인 FHD 해상도를 가지며 터치 센서들이 도 5와 같이 인셀 타입으로 내장된 액정표시소자를 60Hz의 디스플레이 프레임 레이트로 구동하는 경우에, 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 방법에 대하여 도 7의 (b) 및 (c)의 예를 들어 설명하기로 한다. 이 액정표시소자에서, 32 개의 Tx 라인들이 표시패널(10)에 내장된 것을 가정한다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 방법은 단위 센싱 구간을 확보하기 위하여 도 7의 (b) 및 (c)와 같이 게이트펄스(GP)의 1 주기를 1 수평기간 (t1) 보다 빠르게 제어한다. 게이트펄스(GP)의 1 주기를 6.5μsec로 좁히면, 4 개의 게이트라인들에 게이트펄스(GP)가 순차적으로 기입되어 4 개의 라인 데이터가 4 라인의 픽셀들에 기입하는데 필요한 하나의 픽셀 기입 구간은 26μsec이다. 이에 비하여, 도 7의 (a)와 같은 일반적인 경우에, 4 라인 데이터를 4 라인의 픽셀들에 기입하는데 필요한 4 수평기간은 4×13μsec = 52μsec 이다. 따라서, 4 라인의 픽셀들에 기입하는데 필요한 하나의 픽셀 기입 구간이 26μsec로 줄어들면, 단위 센싱 구간은 26μsec로 확보된다.
표시패널(10)의 수직 해상도가 1280이고 하나의 픽셀 기입 구간(Td1, Td2)에 4 개의 게이트라인들에 게이트펄스(GP)가 연속으로 공급될 때, 1 프레임기간 동안, 1280/4 = 320 개의 단위 센싱 구간들(Ts1, Ts2)이 확보된다. 이 경우에, 도 7의 (b)와 같이 Tx 라인마다 연속된 10 개의 단위 센싱 구간들을 할당하여 터치 센서들의 전압을 센싱한다면, 1 프레임 기간 동안 32 개의 Tx 라인들에 연결된 터치 센서들에 대한 터치(또는 근접) 입력 좌표값이 산출될 수 있다. 그 결과, 도 7의 (b) 및 도 8과 같은 경우에 터치 레포트 레이트는 1 프레임 기간에 터치 레포트 데이터(TR)가 1회 발생되므로 디스플레이 프레임 레이트와 같은 60Hz이다. Tx 구동신호는 단위 센싱 구간마다 1 회 이상 Tx 라인들에 인가된다.
이에 비하여, 도 7의 (c)와 같이 Tx 라인마다 Tx 구동신호를 5 개의 단위 센싱 구간들을 할당하여 터치 센서들의 전압을 센싱한다면, 1 프레임 기간 동안 32 개의 Tx 라인들에 연결된 터치 센서들에 대한 터치(또는 근접) 입력 좌표값이 산출될 수 있다. 그 결과, 도 7의 (c) 및 도 9와 같은 경우에 32 개의 Tx 라인들에 대한 터치 레포트 레이트는 1 프레임 기간에 터치 레포트 데이터(TR)가 2회 발생될 수 있으므로 디스플레이 프레임 레이트 보다 높은 120Hz이다. Tx 구동신호(TP)는 단위 센싱 구간마다 1 회 이상 Tx 라인들에 인가된다. 단위 센싱 구간 내에서 공급되는 Tx 구동신호(TP)의 개수가 많아지면 Rx 구동회로(34) 내의 적분기에 누적되는 전압이 커져 커져 터치(또는 근접) 전후의 변화량이 더 커지므로 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, S/N)를 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 방법은 하나의 픽셀 기입 구간 내에서 게이트펄스가 연속으로 공급되는 게이트라인들의 개수를 'p'라 하고, Tx 라인들 각각에 중첩되는 게이트라인들의 개수(Tx 라인 당 게이트 라인 수)를 'm'이라 할 때, 도 10 내지 도 11에서 알 수 있는 바와 같이 'p'를 'm' 보다 작게 선택하여 디스플레이 프레임 레이트보다 빠르게 제어할 수 있다.
도 10 및 도 11은 표시패널의 수직 해상도가 1280, Tx 라인 수가 32, Tx 라인 당 게이트라인 수(m)가 40, 그리고 디스플레이 프레임 레이트가 60Hz인 경우에, 픽셀 기입 구간 내에서 게이트펄스가 연속으로 공급되는 게이트라인들의 수(p)와 Tx 라인당 할당되는 단위 센싱 구간 개수에 따라 계산되는 터치 레포트 레이트를 보여 주는 도면들이다. Tx 라인 당 게이트 라인 수(m)는 Tx 라인들 각각에 중첩되는 게이트라인들의 개수를 의미한다. Tx 라인당 할당되는 단위 센싱 구간 개수는 하나의 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압을 센싱하기 위하여 할당되는 단위 센싱 구간들의 개수이다. 예를 들어, 도 7의 (b)에서, Tx 라인당 할당되는 단위 센싱 구간 개수는 10이다. 도 7의 (c)에서, Tx 라인당 할당되는 단위 센싱 구간 개수는 5이다.
도 10 및 도 11에서, 본 발명은 p = m = 40 일 때 제1 픽셀 기입 구간(Td1) 동안 제1 게이트라인부터 제40 게이트 라인 순으로 그 게이트라인들에 게이트펄스(GP)를 순차적으로 인가하여 40 라인 데이터를 표시 패널의 제1 내지 제40 라인의 픽셀들에 데이터전압을 공급한다. 이어서, 본 발명은 제1 단위 센싱 구간(Ts1) 동안 제1 Tx 라인에 Tx 구동신호들(TP)을 공급하여 제1 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압을 센싱한 다음, 제2 픽셀 기입 구간(Td2) 동안 제41 게이트라인부터 제80 게이트 라인 순으로 그 게이트라인들에 게이트펄스(GP)를 순차적으로 인가하여 40 라인 데이터를 표시 패널의 제41 내지 제80 라인의 픽셀들에 데이터전압을 공급한다. 이어서, 본 발명은 제2 단위 센싱 구간(Ts2) 동안 제2 Tx 라인에 Tx 구동신호들(TP)을 공급하여 제2 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압을 센싱한다. 본 발명은 이와 같은 동작을 반복하여 마지막 픽셀 기입 구간 동안 제1241 게이트라인부터 제1280 게이트 라인 순으로 그 게이트라인들에 게이트펄스(GP)를 순차적으로 인가하여 40 라인 데이터를 표시 패널의 제1241 내지 제1280 라인의 픽셀들에 데이터전압을 공급한다. 마지막으로, 본 발명은 마지막 단위 센싱 구간 동안 제32 Tx 라인에 구동신호들(TP)을 공급하여 제32 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압을 센싱한 다음, 터치(또는 근접) 입력의 좌표 정보를 포함한 터치 레포트 데이터를 호스트 시스템(50)으로 전송한다. 따라서, p = m인 경우에 Tx 라인 당 할당되는 단위 센싱 구간의 개수를 1로 선택하면 터치 레포트 레이트는 디스플레이 프레임 레이트와 같은 60Hz이다.
p = m = 40에서 Tx 라인 당 단위 센싱 구간의 개수를 2로 선택하면, 제1 픽셀 기입 구간(Td1) 동안 표시 패널의 제1 내지 제40 라인의 픽셀들에 데이터전압을 공급된 후에, 제1 단위 센싱 구간(Ts1) 동안 제1 Tx 라인에 연결된 터치 센서들이 센싱된다. 이어서, 제2 픽셀 기입 구간(Td2) 동안 표시 패널의 제41 내지 제80 라인의 픽셀들에 데이터전압이 공급된 후에, 제2 단위 센싱 구간(Ts2) 동안 제1 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압이 다시 센싱된다. 따라서, p = m = 40에서 Tx 라인 당 센싱 횟수를 2회로 높이면, 터치 레포트 레이트는 30Hz로 낮아진다.
도 10의 표에서 최좌측의 제1 열에 계산된 터치 레포트 레이트를 살펴 보면, p = 20이고 Tx 라인 당 단위 센싱 구간의 개수가 1이면, 본 발명은 제1 픽셀 기입 구간(Td1) 동안 제1 게이트라인부터 제20 게이트 라인 순으로 그 게이트라인들에 게이트펄스(GP)를 순차적으로 인가하여 20 라인 데이터를 표시 패널의 제1 내지 제20 라인의 픽셀들에 데이터전압을 공급한다. 이어서, 본 발명은 제1 단위 센싱 구간(Ts1) 동안 제1 Tx 라인에 Tx 구동신호들(TP)을 공급하여 제1 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압을 센싱한 다음, 제2 픽셀 기입 구간(Td2) 동안 제21 게이트라인부터 제40 게이트 라인 순으로 그 게이트라인들에 게이트펄스(GP)를 순차적으로 인가하여 20 라인 데이터를 표시 패널의 제21 내지 제40 라인의 픽셀들에 데이터전압을 공급한다. 이어서, 본 발명은 제2 단위 센싱 구간(Ts2) 동안 제2 Tx 라인에 Tx 구동신호들(TP)을 공급하여 제2 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압을 센싱한다. 본 발명은 이와 같은 동작을 반복하여 표시패널의 수직 해상도의 절반인 제640 게이트라인에 게이트펄스를 인가하여 표시패널의 제640 라인의 픽셀들에 데이터전압을 공급한 후에 마지막 Tx 라인인 제32 Tx 라인에 연결된 터치 센서들의 전압을 센싱한 다음, 터치(또는 근접) 입력의 좌표 정보를 포함한 터치 레포트 데이터를 호스트 시스템(50)으로 전송한다. 따라서, p = 20인 경우에 Tx 라인 당 단위 센싱 구간의 개수를 1로 선택하면 터치 레포트 레이트는 120Hz로 높아진다.
도 10 및 도 11과 같은 터치 레포트 데이터는 터치 레포트 레이트를 "Ft", 디스플레이 프레임 레이트를 "Fd", Tx 라인 당 단위 센싱 구간의 개수를 Ns라 할 때 아래의 수학식 1로 계산된다.
Figure 112012057330083-pat00001
전술한 실시예에서 설명된 구동 방법은 인셀 타입의 터치 스크린에만 적용되는 것이 아니라 도 3 내지 도 5와 같은 다양한 구조의 터치 스크린에 적용될 수 있다는 것에 주의하여야 한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10 : 표시패널 TSP : 터치 스크린
20 : 데이터 구동회로 30 : 스캔 구동회로
40 : 타이밍 콘트롤러 50 : 호스트 시스템
60 : 터치 스크린 구동회로 70 : 터치 인식 프로세서

Claims (6)

  1. Tx 라인들, 상기 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들, 및 상기 Tx 라인들과 상기 Rx 라인들 사이에 형성된 터치 센서들;
    상기 Tx 라인들에 Tx 구동신호를 공급하여 상기 터치 센서들을 구동하고, 상기 Rx 라인들을 통해 상기 터치 센서들의 전기적 신호를 센싱하여 터치 원시 데이터를 발생하는 터치 스크린 구동회로;
    상기 터치 원시 데이터를 분석하여 터치 입력 위치에 대한 좌표 정보를 터치 레포트 레이트의 주파수로 전송하는 터치 인식 프로세서를 포함하고,
    1 프레임 기간이 다수의 픽셀 기입 구간들과 다수의 단위 센싱 구간들로 시분할되고 상기 픽셀 기입 구간들과 상기 단위 센싱 구간들이 교대로 배치되며,
    상기 터치 레포트 레이트는 표시패널 내의 모든 픽셀들에 데이터가 업데이트되는 디스플레이 프레임 레이트 보다 빠른 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나의 Tx 라인에 연결된 터치 센서들은 연속되는 다수의 단위 센싱 구간들 각각에서 구동되는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Tx 라인들 각각은 표시패널에 형성된 m(m은 2 이상의 양의 정수) 개의 게이트라인들과 중첩되고,
    상기 픽셀 기입 구간들 내에서 게이트펄스가 연속으로 공급되는 상기 게이트라인들의 개수를 p(p는 2 이상의 양의 정수)라 할 때,
    상기 p는 상기 m 보다 작은 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
  4. Tx 라인들, 상기 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들, 및 상기 Tx 라인들과 상기 Rx 라인들 사이에 형성된 터치 센서들을 포함하는 터치 센싱 장치의 구동 방법에 있어서,
    상기 Tx 라인들에 Tx 구동신호를 공급하여 상기 터치 센서들을 구동하고, 상기 Rx 라인들을 통해 상기 터치 센서들의 전기적 신호를 센싱하여 터치 원시 데이터를 발생하는 단계; 및
    모든 터치 센서들에 대한 터치 원시 데이터를 분석하여 터치 입력 위치에 대한 좌표 정보를 터치 레포트 레이트의 주파수로 전송하는 단계를 포함하고,
    1 프레임 기간이 다수의 픽셀 기입 구간들과 다수의 단위 센싱 구간들로 시분할되고 상기 픽셀 기입 구간들과 상기 단위 센싱 구간들이 교대로 배치되며,
    상기 터치 레포트 레이트는 표시패널 내의 모든 픽셀들에 데이터가 업데이트되는 디스플레이 프레임 레이트 보다 빠른 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치의 구동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    하나의 Tx 라인에 연결된 터치 센서들은 연속되는 다수의 단위 센싱 구간들 각각에서 구동되는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치의 구동 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 Tx 라인들 각각은 표시패널에 형성된 m(m은 2 이상의 양의 정수) 개의 게이트라인들과 중첩되고,
    상기 픽셀 기입 구간들 내에서 게이트펄스가 연속으로 공급되는 상기 게이트라인들의 개수를 p(p는 2 이상의 양의 정수)라 할 때,
    상기 p는 상기 m 보다 작은 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치의 구동 방법.
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WO2007146780A2 (en) 2006-06-09 2007-12-21 Apple Inc. Touch screen liquid crystal display
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