KR20160083634A

KR20160083634A - 터치 스크린 장치

Info

Publication number: KR20160083634A
Application number: KR1020140196043A
Authority: KR
Inventors: 주수윤; 김성철; 배상혁; 한성수; 정도영
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2016-07-12
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: US20160188005A1; CN105739748A; KR102257980B1; CN105739748B; US11467679B2

Abstract

본 발명은 별도의 무선 통신 모듈을 마련하지 않으면서도 터치 펜의 버튼 조작 정보를 송출할 수 있도록 한 터치 스크린 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 터치 스크린 장치는 다수의 터치 전극을 갖는 터치 스크린, 상기 다수의 터치 전극에 터치 전극 구동 신호를 인가하는 터치 구동 회로, 및 상기 다수의 터치 전극에 인가된 터치 전극 구동 신호를 수신하고 수신된 터치 전극 구동 신호에 응답하여 펜 출력 신호를 상기 터치 스크린에 송출하는 터치 펜을 포함하고, 상기 터치 펜은 적어도 하나의 버튼을 포함하고, 사용자의 버튼 조작시 상기 펜 출력 신호를 가변할 수 있다.

Description

터치 스크린 장치{TOUCH SCREEN DEVICE}

본 발명은 터치 스크린 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 별도의 무선 통신 모듈을 마련하지 않으면서도 터치 펜의 버튼 조작 정보를 송출할 수 있도록 한 터치 스크린 장치에 관한 것이다.

디지털 데이터를 이용하여 영상을 표시하는 평판 표시 장치로는 액정을 이용한 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display; LCD), 불활성 가스의 방전을 이용한 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel; PDP), 유기 발광 다이오드를 이용한 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode; OLED) 표시 장치 등이 있다.

최근, 상기와 같은 평판 표시 장치에 터치 패널을 부가한 터치 스크린 장치가 양산되고 있으며, 그 예로서 스마트 폰, 스마트 북 등이 있다. 이러한 터치 스크린 장치는 손가락을 이용한 휴먼 터치뿐만 아니라 터치 펜을 이용하여 필기 또는 그림 그리기가 가능하도록 구성되고 있다. 터치 펜을 이용한 터치 입력은 휴먼 터치에 비해 더 세밀한 입력이 가능하여, 세밀한 그림 그리기 및 글씨 쓰기에 용이한 장점이 있다.

그런데, 종래의 터치 스크린 장치는 터치 펜을 인식하기 위해 터치 패널에 전극이나 센서들이 별도로 마련되어야 했다. 특히, 터치 패널을 표시 패널과 함께 일체형으로 형성하는 경우, 전극 및 센서를 추가함에 있어서 공정 및 비용적으로 부담이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 터치 스크린 장치는 사용자가 터치 펜에 마련된 버튼을 조작하여 터치 스크린을 제어하는 기능을 제공하고 있다. 그러나, 종래의 터치 펜은 버튼 조작 정보를 송출하기 위해 별도의 무선 통신 모듈을 구비해야 하였기 때문에, 구조가 복잡해지고 비용이 증가하였다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 터치 패널에 별도의 센서를 마련하지 않으면서도 터치 펜을 이용하여 터치 검출을 정확하게 할 수 있고, 별도의 무선 통신 모듈을 마련하지 않으면서도 터치 펜의 버튼 조작 정보를 송출할 수 있도록 한 터치 스크린 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

위에서 언급된 본 발명의 기술적 과제 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 터치 스크린 장치는 다수의 터치 전극을 갖는 터치 스크린, 상기 다수의 터치 전극에 터치 전극 구동 신호를 인가하는 터치 구동 회로, 및 상기 다수의 터치 전극에 인가된 터치 전극 구동 신호를 수신하고 수신된 터치 전극 구동 신호에 응답하여 펜 출력 신호를 상기 터치 스크린에 송출하는 터치 펜을 포함하고, 상기 터치 펜은 적어도 하나의 버튼을 포함하고, 사용자의 버튼 조작시 상기 펜 출력 신호를 가변할 수 있다.

상기 과제의 해결 수단에 의하면, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 터치 펜의 전도성 팁을 터치 스크린의 터치 전극 구동 신호를 수신하는 매개체로 이용한다. 그리고 전도성 팁을 터치 펜 내에 발생된 펜 출력 신호를 송출하는 매개체로 이용한다. 그리고 본 발명의 터치 펜은 펜 출력 신호를 수신된 터치 스크린의 터치 전극 구동 신호를 기반으로 동기화 하여 출력한다.

따라서, 본 발명은 터치 스크린의 구동 구간(Tx)에 정확히 펜 접촉 여부를 검출할 수 있어, 터치 검출의 정확성을 기할 수 있다. 따라서, 고감도 입력 펜의 구현이 가능하다. 또한, 터치 검출의 선형성을 유지할 수 있어, 터치 기능(touch performance)이 향상될 수 있다. 또한, 터치 펜의 구동을 위한 별도의 전극을 표시 패널 상에 추가하지 않더라도, 터치 센싱의 고감도를 유지할 수 있으며 구조 단순화가 가능해진다.

또한, 본 발명은 별도의 무선 통신 모듈을 마련하지 않으면서도 터치 펜의 버튼 조작 정보를 송출할 수 있어 구조가 간단하고 비용을 절감할 수 있다.

위에서 언급된 본 발명의 효과 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 터치 스크린 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 터치 스크린 장치의 표시 패널과 이의 제어부를 나타낸 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 터치 스크린 장치 내 표시 패널의 시분할 구동을 나타낸 파형도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 터치 스크린 장치의 터치 스크린과 이의 터치 제어부를 상세히 나타낸 구성 블럭도이다.
도 5는 도 4a에 도시된 터치 스크린의 변형예이다.
도 6은 도 5의 터치 스크린의 터치 검출 전극에 공급되는 터치 전극 구동 신호의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 터치 펜의 내부 구조를 나타낸 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 터치 펜의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 터치 전극 구동 신호(Ts)와, 버튼 조작 여부와, 버튼 종류에 따른 펜 출력 신호(Ps)를 나타낸 구동 파형도이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 터치 전극 구동 신호(Ts)와, 버튼 조작 여부와, 버튼 종류에 따른 펜 출력 신호(Ps)를 나타낸 구동 파형도이다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 터치 전극 구동 신호(Ts)와, 버튼 조작 여부와, 버튼 종류에 따른 펜 출력 신호(Ps)를 나타낸 구동 파형도이다.

본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제 1", "제 2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. "적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제 1 항목, 제 2 항목 및 제 3 항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제 1 항목, 제 2 항목 또는 제 3 항목 각각 뿐만 아니라 제 1 항목, 제 2 항목 및 제 3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다. "상에"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성의 바로 상면에 형성되는 경우 뿐만 아니라 이들 구성들 사이에 제 3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명에 따른 터치 스크린 장치의 바람직한 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 터치 스크린 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 터치 스크린 장치는 표시 기능과 터치 검출 기능을 겸한 표시 패널(200)과, 특정 영역에 접촉에 의해 터치 검출 기능을 수행하는 터치 펜(100)을 포함한다.

상기 표시 패널(200)은 상기 터치 펜(100) 외에 손가락에 의한 터치 검출이 가능한 것으로, 내부에 일체형으로 정전 용량 방식의 터치 스크린을 구비하고 있다. 상기 터치 스크린은 유리 기판 상에 독립적인 구성의 터치 전극(또는 터치 배선)을 구비한 형태가 될 수 있다. 또한, 터치 스크린은 상기 표시 패널(200)에서 화면 표시를 위해 구비된 픽셀 어레이를 형성하는 것과 동일 공정에서 터치 검출 전극 및 이의 연결 배선을 구비하는 인 셀 방식으로 구현될 수 있다. 인 셀 방식의 경우, 지지 기판이 생략될 수 있어, 완성된 표시 패널(200)은 대략적으로 원래의 화면 표시 기능을 갖는 표시 패널의 두께 및 무게와 거의 동일한 두께 및 무게를 갖는다.

한편, 상기 표시 패널(200)은 액정 패널, 전계 방출 표시 패널, 플라즈마 디스플레이 패널, 유기 발광 다이오드 표시 패널, 전기 영동 표시 패널 등이 될 수 있으며, 이하의 실시 예에서는 액정 패널을 중심으로 설명한다. 상기 표시 패널(200)이 액정 패널로 구성될 경우, 터치 스크린을 이루는 전극들은 상기 액정 패널의 배선을 형성하는 공정에서 동시에 형성될 수 있다.

이러한 본 발명의 터치 펜과 관련하여서는 도 7 내지 도 10을 참조하여 구체적으로 후술한다.

도 2는 본 발명의 터치 스크린 장치의 표시 패널과 이의 제어부를 나타낸 블럭도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 터치 스크린 장치의 표시 패널(200)은 픽셀 어레이 구동 회로인 게이트 구동 회로(26, 20) 및 데이터 구동 회로(24)에 연결된다. 그리고 표시 패널(200)은 터치 스크린 구동 회로인 터치 구동 회로(300)에 연결된다. 픽셀 어레이 구동 회로와 터치 스크린 구동 회로는 모두 타이밍 컨트롤러(22)와 연결되며, 이들은 단일의 모듈(미도시) 내에 수납될 수 있다.

상기 표시 패널(200)이 액정 패널일 경우, 두 장의 기판들 사이에 형성된 액정층을 포함한다. 기판들은 유리 기판, 플라스틱 기판, 필름 기판 등으로 제작될 수 있다. 표시 패널(200)의 하부 기판에 형성된 픽셀 어레이는 데이터 라인들, 데이터 라인들과 교차하는 게이트 라인들, 매트릭스 형태로 배치된 픽셀들을 포함한다. 픽셀 어레이는 데이터 라인들과 게이트 라인들의 교차부들에 형성되는 다수의 TFT(Thin Film Transistor)들, 픽셀들에 데이터 전압을 충전시키기 위한 화소 전극들, 화소 전극들에 접속되어 픽셀 전압을 유지시키는 스토리지 커패시터(Storage Capacitor) 등을 더 포함한다.

표시 패널(200)의 픽셀들은 데이터 라인들(D1~Dm)과 게이트 라인들(G1~Gn)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성되어 매트릭스 형태로 배치된다. 픽셀들 각각의 액정셀은 화소 전극에 인가되는 데이터 전압과, 공통 전극에 인가되는 공통 전압의 전압차에 따라 입사광의 투과량을 조절한다. TFT들은 게이트 라인으로부터의 게이트 펄스에 응답하여 턴-온되어 데이터 라인(D1~Dm)으로부터의 전압을 액정셀의 화소 전극에 공급한다. 공통 전극은 하부 기판이나 상부 기판에 형성될 수 있다.

표시 패널(200)의 상부 기판에는 블랙 매트릭스, 컬러 필터 등을 포함할 수 있다. 표시 패널(200)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트 각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시 패널(200)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 스페이서가 형성된다.

이러한 표시 패널(200)은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 등 공지된 어떠한 액정 모드로도 구현될 수 있다.

한편, 표시 패널(200)의 배면에는 선택적으로 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시 패널(200)에 빛을 조사한다.

데이터 구동 회로(24)는 타이밍 컨트롤러(22)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터 전압을 발생한다. 데이터 구동 회로(24)는 타이밍 컨트롤러(22)의 제어 하에 데이터 전압을 데이터 라인들에 공급하고, 데이터 전압의 극성을 반전시킨다.

게이트 구동 회로(26, 30)는 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스(또는 스캔펄스)를 게이트 라인들에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시 패널(200)의 라인을 선택한다. 게이트 구동 회로(26, 30)는 레벨 쉬프터(Level shifter, 26)와, 쉬프트 레지스터(Shift register, 30)를 포함한다. 상기 쉬프트 레지스터(30)는 GIP(Gate in panel) 방식으로 표시 패널(200)의 기판에 직접 형성될 수 있다.

레벨 쉬프터(26)는 표시 패널(200)의 하부 기판에 전기적으로 연결된 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, 이하 "PCB"라 함)(20)에 형성될 수 있다. 레벨 쉬프터(26)는 타이밍 컨트롤러(22)의 제어 하에 게이트 하이 전압(VGH)과 게이트 로우 전압(VGL) 사이에서 스윙하는 클럭 신호들을 출력한다. 게이트 하이 전압(VGH)은 표시 패널(200)의 픽셀 어레이에 형성된 TFT의 문턱 전압 이상의 전압으로 설정된다. 게이트 로우 전압(VGL)은 표시 패널(200)의 픽셀 어레이에 형성된 TFT의 문턱 전압 보다 낮은 전압으로 설정된다. 이러한 레벨 쉬프터(26)는 타이밍 컨트롤러(22)로부터 입력되는 스타트 펄스(ST), 제1 클럭(GCLK), 제2 클럭(MCLK)에 응답하여 각각 게이트 하이 전압(VGH)과 게이트 로우 전압(VGL) 사이에서 스윙하는 스타트 펄스(VST)와 클럭 신호(CLK)를 출력한다. 레벨 쉬프터(26)로부터 출력된 클럭 신호들(CLK)은 순차적으로 위상이 쉬프트되어 표시 패널(200)에 형성된 쉬프트 레지스터(30)로 전송된다.

쉬프트 레지스터(30)는 레벨 쉬프터(26)로부터 입력되는 스타트펄스(VST)에 응답하여 동작하기 시작하고 클럭 신호들(CLK)에 응답하여 출력을 쉬프트하여 표시 패널(200)의 게이트 라인들에 게이트 펄스를 순차적으로 공급한다.

타이밍 컨트롤러(22)는 외부의 호스트 시스템으로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 데이터 구동 회로(24)의 IC(Integrated Circuit)들에 공급한다. 타이밍 컨트롤러(22)는 외부의 호스트 시스템으로부터 입력되는 수직 동기 신호(Vsync), 수평 동기 신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 클럭 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동 회로(24)와 게이트 구동 회로(26, 30)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들을 발생한다. 타이밍 컨트롤러(22) 또는 호스트 시스템은 픽셀 어레이 구동 회로와 터치 구동 회로(300)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 동기 신호(SYNC)를 발생한다.

터치 구동 회로(300)는 터치 전극(또는 배선)들에 터치 전극 구동 신호를 인가하고 터치 전후의 구동 신호 전압 변화나 구동 신호의 라이징 또는 폴링 에지 지연 시간을 카운트하여 정전 용량 변화를 센싱한다. 터치 구동 회로(300)는 터치 스크린의 정전 용량으로부터 수신된 센싱 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 터치 로우 데이터(Touch raw data)를 출력한다. 그리고 터치 구동 회로(300)는 미리 설정된 터치 인식 알고리즘을 실행하여 터치 로우 데이터를 분석하여 터치(또는 근접) 입력을 검출한다.

도 3은 본 발명의 터치 스크린 장치 내 표시 패널의 시분할 구동을 나타낸 파형도이다.

도 3과 같이, 표시 패널(200)과 터치 스크린은 시분할 구동될 수 있다. 즉, 1 프레임 기간은, 픽셀 어레이 구동 기간(T1)과, 터치 스크린 구동 기간(T2)으로 시분할될 수 있다.

"Vsync"는 타이밍 컨트롤러(22)에 입력되는 제 1 수직 동기 신호고, "SYNC"는 터치 구동 회로(300)에 입력되는 제 2 수직 동기 신호다. 타이밍 컨트롤러(22)는 1 프레임 기간에서 픽셀 어레이 구동 기간(T1)과 터치 스크린 구동 기간(T2)을 정의하기 위하여, 호스트 시스템으로부터 입력되는 제 1 수직 동기 신호(Vsync)를 변조하여 제2 수직 동기 신호(SYNC)를 발생할 수 있다. 또는, 호스트 시스템이 제 2 수직 동기 신호(SYNC)를 발생하고, 타이밍 컨트롤러(22)는 호스트 시스템으로부터 입력되는 제2 수직 동기 신호(SYNC)에 응답하여 픽셀 어레이 구동 기간(T1)과 터치 스크린 구동 기간(T2)을 제어할 수 있다. 즉, 1 프레임 기간을 픽셀 어레이 구동 기간과 터치 스크린 구동 기간으로 시분할하여 픽셀 어레이 구동 회로와 터치 구동 회로의 동작 타이밍을 제어하는 역할은 타이밍 컨트롤러와 호스트 시스템 중 어느 하나가 할 수 있다.

예를 들어, 60Hz 주파수로 표시 패널이 구동된다고 할 때, 1/60초가 1프레임 구간이 되며, 상기 1프레임의 구간을 다시 픽셀 어레이 구동 기간(T1)과 터치 스크린 구동 기간(T2)로 나누게 되는 것이다. 이와 같이, 시분할로 픽셀 어레이 구동과 터치 스크린 구동을 나누는 이유는, 동일 시점에 픽셀 어레이와 터치 스크린을 구동할 경우, 서로 간의 구동 간섭이 심해 표시 화면이 고르지 못하거나, 터치 검출의 정확성이 떨어지기 때문이다.

픽셀 어레이 구동 기간(T1) 동안, 데이터 구동 회로(24)는 타이밍 컨트롤러(22)의 제어 하에 데이터 전압을 데이터 라인들에 공급하고, 게이트 구동 회로(26, 30)는 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스를 게이트 라인들에 순차적으로 공급한다. 터치 구동 회로(300)는 픽셀 어레이 구동 기간(T1) 동안, 터치 전극들에 터치 전극 구동 신호를 공급하지 않는다.

또한, 터치 스크린 구동 기간(T2) 동안, 픽셀 어레이 구동 회로는 구동되지 않고 터치 구동 회로(300)가 구동된다. 따라서, 터치 구동 회로(300)는 터치 스크린 구동 기간(T2) 동안, 터치 전극들에 터치 전극 구동 신호를 공급하여 터치(또는 근접) 입력 위치를 센싱한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 터치 스크린 장치의 터치 스크린과 이의 터치 제어부를 상세히 나타낸 구성 블럭도이다.

도 4a와 같이, 본 발명의 터치 스크린 장치의 터치 스크린은 인셀(In-Cell) 타입으로, 입력 도구의 위치를 검출하는 터치 전극(COM1~COMn)을 표시 패널(200) 내부에 구비한다.

예를 들어, 상기 표시 패널(200)이 픽셀 어레이를 하부 기판에, 컬러 필터 어레이를 상부 기판에 구비한 액정 패널이라면, 상기 터치 전극은 픽셀 어레이와 하부 기판과 형성될 수도 있고, 혹은 컬러 필터 어레이 상부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 터치 전극은 하부 기판 또는 상부 기판에 형성되는 공통 전극을 패터닝하여 이용할 수 있다. 만일 상기 터치 전극(COM1~COMn)이 공통 전극을 패터닝하여 형성되었다면, 상기 터치 전극은 픽셀 어레이 구동시 공통 전극으로 기능하도록 공통 전압이 균일하게 인가된다.

상기 터치 전극들(COM1~COMn)은 센싱 라인들(S1~Sn)과 1:1 연결되며, 상기 센싱 라인들(S1~Sn)은 상기 터치 구동 회로(300)와 연결된다.

상기 터치 구동 회로(300)는 도 4b와 같이, 내부에, 수신 앰프(30), 아날로그 디지털 변환 회로(32), 검파부(34), 기억부(36) 및 위치 산출부(38)로 이루어지는 수신계 회로군을 구비한다.

그리고, 상기 수신계 회로군은 외부 호스트와 연결된 중앙 영산 처리 장치(CPU)(40)와 연결된다. 또한, 상기 중앙 영산 처리 장치(40)는 터치를 총괄 제어하는 제어부(42)와 연결되고, 상기 제어부(42)는 구동 신호 생성부(46)와 연결되어, 발진기(44)에서 생성된 터치 전극 구동 신호(Ts)가 센싱 라인(S1~Sn)을 통해 각각의 터치 전극(COM1~COMn)으로 공급된다.

도시된 도면상의 터치 스크린은 일종의 자기 용량(self capacitance) 방식으로, 터치 전극(COM1~COMn)이 구동 신호 인가와 수신 신호 검출에 함께 이용된다.

상기 터치 전극(COM1~COMn) 각각의 크기는 픽셀들보다 크며, 예를 들어, 복수개의 픽셀들을 중첩하는 크기로 형성된다. 그리고, 상기 터치 전극(COM1~COMn)은 투명 도전 물질로 형성하여, 픽셀 어레이 구동의 표시 구간에서 개구율을 저하시키지 않게 한다.

한편, 도시하지 않은 공통 전압원은 픽셀 어레이 구동 기간(T1) 동안 센싱 라인들(S1~Sn)을 통해 터치 전극(COM1~COMn)에 공통전압(Vcom)을 공급한다. 따라서, 터치 전극(COM1~COMn)은 픽셀 어레이 구동 기간(T1)동안 공통 전극으로 동작한다. 그리고, 상기 터치 전극을 선택하는 선택 회로(50)를 구비하고, 상기 선택 회로(50)는 터치 구동 회로(300)와 연결된다.

터치 구동 회로(300)는 픽셀 어레이 구동 기간(T1) 동안 디스에이블(disable)되고, 터치 스크린 구동 기간(T2) 동안 인에이블되어 터치 스크린 구동 기간(T2)에만 터치 전극 구동 신호를 센싱 라인들(S1~Sn)에 동시에 공급한다.

도 5는 도 4a에 도시된 터치 스크린의 변형예이며, 도 6은 도 5의 터치 스크린의 터치 검출 전극에 공급되는 터치 전극 구동 신호의 파형도이다.

한편, 자기 용량 방식의 터치 스크린(TSP)에서는, 도 5와 같이, 터치 구동 회로(300)로부터 신호 인가 배선 수를 줄이기 위하여 터치 전극(COM1~COMn)의 신호 입력단에 멀티플렉서(302)를 더 구비하여, 시분할로 센싱 라인(S1~Sn)에 신호를 인가할 수도 있다. 상기 멀티플렉서(302)는 단일 또는 복수개 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 멀티플렉서(302)가 1:k (k는 2이상 n보다 작은 자연수) 멀티플렉서일 때, 상기 멀티플렉서(302)는 터치 구동 회로(300)와의 사이에 n/k개의 신호 인가 배선을 통해 연결될 수 있다. 이 경우, 도 6과 같이, 상기 n개의 터치 전극(COM1~COMn)은 k개로 그룹핑되어, k개의 터치 전극은 동일하게 k개 시분할된 터치 전극 구동 신호(Ts)를 인가받는다.

도 7은 본 발명의 터치 펜의 내부 구조를 나타낸 블럭도이다.

본 발명의 터치 입력 장치로 이용되는 터치 펜은 도 7과 같이, 하우징(180)과, 상기 하우징(180)의 일측 외부로 돌출된 전도성 팁(110)과, 하우징(180) 내부에 상기 전도성 팁(110)과 연결되는 스위칭부(120)와, 상기 스위칭부(120)와 병렬적으로 연결된 수신부(130) 및 구동부(140)와, 수신부(130)로부터 수신 신호를 받아 신호 처리하여 동기화를 수행하는 신호 처리부(150)와, 상기 신호 처리부(150)와 연결되어, 전원을 공급하는 전원 공급원(160) 및 외부로의 입출력 인터페이스(170)를 포함하여 구성된다.

상기 전도성 팁(110)은 금속 등과 같은 도전성 재료로 이루어지며, 시분할되어 수신 전극 및 송신 전극의 역할을 한다. 상기 전도성 팁(110)은 표시 패널(200) 상에 접촉시 중첩 또는 가장 인접한 터치 스크린에 구비된 터치 전극(COMx)과 커플링(coupling)되어 해당 터치 전극으로부터 수신된 터치 전극 구동 신호를 받거나 혹은 터치 펜 내부에서 나오는 펜 출력 신호를 터치 스크린 측에 송출한다.

예를 들어, 상기 표시 패널(200)은 가장 상부측에 편광판이나 혹은 보호막이 위치한다. 이러한 편광판 또는 보호막은 절연층으로 기능하여 상기 전도성 팁(110)과 상기 터치 전극과의 사이에 센싱 정전 용량(Csen)을 형성한다. 상기 전도성 팁(110)은 상기 표시 패널(200)을 접촉시 해당 부위의 터치 전극 상에서 일정하던 센싱 정전 용량(Csen) 값을 변화시키고, 터치 구동 회로는 센싱 정전 용량(Csen) 값의 변화를 읽어들여 터치 위치 검출이 가능해 진다.

상기 스위칭부(120)는 상기 터치 펜(100)이 표시 패널(200)을 접촉시 상기 전도성 팁(110)과 직접적으로 전기적으로 연결되어, 상기 전도성 팁(110)이 수신 전극으로 기능할지 송신 전극으로 기능할지를 결정한다.

상기 수신부(130)는 상기 전도성 팁(110)을 통해 수신된 신호를 증폭 및 가공한다. 여기서, 상기 전도성 팁(110)에서 수신하는 신호는 터치 펜이 접촉된 영역에 마련된 터치 전극에 인가되는 터치 전극 구동 신호(Ts)에 해당된다.

초기 상태에서, 상기 터치 펜이 온(on) 동작 후, 상기 터치 펜이 표시 패널(200)을 접촉할 때는 상기 전도성 팁(110)이 상기 스위칭부(120)를 통해 상기 수신부(130)로 바로 연결된다. 그러면, 수신부(130)는 수신된 터치 전극 구동 신호(Ts)를 내부에 구비된 증폭기를 통해 증폭시켜 신호 처리부(150)에 공급한다.

신호 처리부(150)는 수신부(130)를 통해 제공된 신호를 분석하여, 터치 전극 구동 신호(Ts)에 동기하는 동기화 신호를 발생시켜 상기 구동부(140)에 공급한다.

상기 구동부(140)는 레벨 쉬프터를 구비한다. 이러한 구동부(140)는 상기 터치 전극 구동 신호(Ts)의 타이밍에 동기하며, 설정된 하이 전압과 로우 전압 사이의 스윙하는 펜 출력 신호(Ps)를 생성한다. 그리고 구동부(140)는 생성된 펜 출력 신호(Ps)를 스위칭부(120)를 통해 상기 전도성 팁(110)에 공급한다.

한편, 상기 하우징(180) 내에는 전원 공급원(160) 및 입출력 인터페이스(170)가 구비된다. 이러한 터치 펜은 상기 입출력 인터페이스(170)를 통해 터치 펜(100)의 온(on) 구동을 제어한다. 상기 입출력 인터페이스(170)는 하우징 (180) 내부의 전원 공급원(160)과 연결되어, 수신부(130), 구동부(140) 및 신호 처리부(150)에 필요한 전원을 공급한다.

여기서, 상기 입출력 인터페이스(170)는 누름 동작에 의해 상기 전원 공급원(160)와 전기적 연결이 가능한 것으로, 사용자가 누름 동작으로 터치 펜의 동작이 제어될 수 있다.

도 8은 본 발명의 터치 펜의 동작을 나타낸 순서도이다.

먼저, 입출력 인터페이스(170) 및 전원 공급원(160)을 통해 터치 펜(100) 내에 전원을 공급한다(10S).

이어서, 전도성 팁(110)이 표시 패널(200)의 소정 부위를 접촉한다 (20S).

상기 전도성 팁(110)은 표시 패널의 초기 접촉 시점에, 바로 표시 패널 내 터치 전극과 커플링되어, 터치 스크린의 터치 전극으로부터 수신되는 터치 전극 구동 신호를 센싱하여 수신부(120)로 전달한다 (30S).

상기 수신부(120)는 수신된 신호를 증폭시킨 후, 신호 처리부(150)로 전달하고, 상기 신호 처리부(150)는 터치 전극으로부터 나온 신호와 동기된 타이밍을 찾는다(40S). 이때, 상기 신호 처리부(150)는 내부적으로 비교기를 구비하여 정해진 문턱 값과 들어온 증폭 신호를 비교하여 문턱 값과 비교하여 증폭 신호가 작을 때, 터치 여부를 검출할 수도 있다.

한편, 상기 신호 처리부(150)는 상기 수신부(120)로부터 제공된 신호를 분석하여, 수신된 터치 전극 구동 신호와 송출될 펜 출력 신호(Ps)간의 동기된 타이밍을 설정한다. 그리고 설정된 결과에 따라 동기화 신호를 생성하여 구동부(140)에 공급한다. 동기화 신호를 생성하는 과정은 예를 들어, 1프레임 이상의 구간에서 수행할 수 있다.

이러한 신호 보정에 1 프레임 이상의 구간을 두는 이유는 수신된 상기 터치 스크린측의 터치 전극 구동 신호(Ts)와 펜 출력 신호(Ps)간 위상차를 충분히 보정하기 위함이다.

실제 1프레임은 터치에 모두 이용되지 않고, 픽셀 어레이 구동 기간(T1)과 터치 스크린 구동 기간(T2)으로 나뉘어, 터치 스크린 구동 기간(T2)에서만 터치 스크린으로부터 터치 전극 구동 신호가 수신될 것이다. 따라서, 신호 처리부(150)의 신호 보정은, 1프레임 이상의 구간 내에서 터치 전극 구동 신호를 충분히 수신한 후, 펜 출력 신호(Ps)의 동기 타이밍을 결정할 수 있다.

상기 터치 전극 구동 신호(Ts)와 펜 출력 신호(Ps) 사이의 위상 에러가 디폴트(default) 값보다 클 경우에는, 별도의 보정(calibration) 알고리즘을 더 진행할 수도 있다.

이어서, 구동부(140)는 상기 신호 처리부(150)로부터 제공된 동기화 신호에 따라 상기 구동부(140)에서 주파수와 진폭이 미리 설정되어 있는 펜 출력 신호(Ps)를 동기시킨다 (50S).

이어서, 구동부(140)는 생성된 펜 출력 신호(Ps)를 스위칭부(120)를 통해 상기 전도성 팁(110)으로 공급한다 (60S).

한편, 최초 터치 펜의 온 동작에 이어, 터치 펜의 터치 스크린 접촉 후, 터치 전극 구동 신호(Ts)의 수신 구간(Rx)과 펜 출력 신호(Ps)을 터치 스크린측으로 전달하는 송신 구간(Tx) 사이에는 소정 기간의 전환 기간이 마련될 수 있다. 상기 전환 기간은 상기 신호 처리부(150)가 신호를 보정하는 기간이다.

이후 진행되는 프레임에서는 터치 전극 구동 신호(Ts)에 동기화된 펜 출력 신호(Ps)를 전도성 팁을 통해 전달하는 과정(Tx)과 전도성 팁을 이용하여 터치 스크린의 구동 신호를 수신하는 과정(Rx)을 반복적으로 시분할하여 진행한다. 최초 펜 출력 신호(Ps)를 터치 전극 구동 신호(Ts)와 동기화한 이후에는, 다음 프레임들에서 펜 구동의 수신 구간(Rx)과 송신 구간(Tx) 사이의 전환 기간을 생략하고, 터치 센싱 구간 내에 수신 구간과 송신 구간을 시분할하여 구동이 이루어질 수도 있다.

한편, 본 발명의 터치 펜은 적어도 하나의 버튼을 포함할 수 있으며, 사용자의 버튼 조작시 펜 출력 신호를 가변함으로써 사용자의 버튼 조작 정보를 터치 스크린으로 송출한다. 따라서, 본 발명은 터치 펜과 터치 스크린에 별도의 무선 통신 모듈을 마련하지 않으면서도 터치 펜의 버튼 조작 정보를 송신 및 수신할 수 있다.

이를 위해, 터치 펜의 신호 처리부(150)는 사용자의 버튼 조작에 따라 펜 출력 신호를 가변하기 위한 펜 출력 가변 신호를 출력한다. 그러면, 터치 펜의 구동부(140)는 펜 출력 가변 신호에 응답하여 펜 출력 신호(Ps)를 가변한다.

이하, 신호 처리부(150)의 제어하에 구동부(140)에서 가변되는 펜 출력 신호(Ps)를 실시 예별로 나누어 구체적으로 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 터치 전극 구동 신호(Ts)와, 버튼 조작 여부와, 버튼 종류에 따른 펜 출력 신호(Ps)를 나타낸 구동 파형도이다. 도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 터치 전극 구동 신호(Ts)와, 버튼 조작 여부와, 버튼 종류에 따른 펜 출력 신호(Ps)를 나타낸 구동 파형도이다. 도 11은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 터치 전극 구동 신호(Ts)와, 버튼 조작 여부와, 버튼 종류에 따른 펜 출력 신호(Ps)를 나타낸 구동 파형도이다.

도 9를 참조하면, 제 1 실시 예에 따른 터치 펜의 신호 처리부(150)는 사용자의 버튼 조작시 펜 출력 신호(Ps)의 위상을 특정 주기마다 반전시키도록 구동부(150)를 제어한다.

구체적으로, 펜 출력 신호(Ps)는 사용자의 버튼 조작이 없는 노말 상태에서 터치 전극 구동 신호(Ts)와 동일한 복수개의 펄스로 이루어진 펜 출력 신호(Ps)를 출력한다. 만약, 사용자가 터치 펜에 구비된 버튼을 조작한 경우, 신호 처리부(150)는 사용자의 버튼 조작을 감지하여 펜 출력 신호(Ps)의 위상을 특정 주기마다 반전시킨다. 이 경우, 펜 출력 신호(Ps)의 위상 가변 주기는 1 프레임 기간을 제 1 및 제 2 서브 프레임으로 나누었을 때, 적어도 하나의 서브 프레임 단위로 가변될 수 있다.

한편, 터치 펜에 구비된 버튼의 개수가 여러개일 경우, 펜 출력 신호(Ps)의 위상 가변 주기는 버튼의 종류에 따라 가변될 수 있다. 또한, 터치 펜에 구비된 버튼의 개수가 1개일지라도, 미리 규약된 버튼 조작법에 따른 서로 다른 명령을 송출할 수 있을 것이다. 따라서, 펜 출력 신호(Ps)의 위상 가변 주기는 미리 규약된 버튼 조작에 따라서도 가변될 수 있다.

예를 들어, 터치 펜에 마련된 버튼의 개수는 4개가 될 수 있다. 그러면, 펜 출력 신호(Ps)의 위상은 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 4 버튼이 각각 조작된 경우에 가변될 수 있다. 그러면, 터치 스크린은 펜 출력 신호(Ps)의 위상이 가변됨을 감지하여 사용자의 버튼 조작 정보를 인식할 수 있게 된다.

도 10을 참조하면, 제 2 실시 예에 따른 터치 펜의 신호 처리부(150)는 사용자의 버튼 조작시 펜 출력 신호(Ps)의 진폭을 가변시키도록 구동부(150)를 제어한다.

구체적으로, 펜 출력 신호(Ps)는 사용자의 버튼 조작이 없는 노말 상태에서 터치 전극 구동 신호(Ts)와 동일한 복수개의 펄스로 이루어진 펜 출력 신호(Ps)를 출력한다. 만약, 사용자가 터치 펜에 구비된 버튼을 조작한 경우, 신호 처리부(150)는 사용자의 버튼 조작을 감지하여 펜 출력 신호(Ps)의 진폭을 가변한다.

한편, 터치 펜에 구비된 버튼의 개수가 여러개일 경우, 펜 출력 신호(Ps)의 위상 가변 주기는 버튼의 종류에 따라 가변될 수 있다. 또한, 터치 펜에 구비된 버튼의 개수가 1개일지라도, 미리 규약된 버튼 조작법에 따른 서로 다른 명령을 송출할 수 있을 것이다. 따라서, 펜 출력 신호(Ps)의 진폭은 미리 규약된 버튼 조작에 따라서도 가변될 수 있다.

예를 들어, 터치 펜에 마련된 버튼의 개수는 4개가 될 수 있다. 그러면, 펜 출력 신호(Ps)의 진폭은 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 4 버튼이 각각 조작된 경우에 가변될 수 있다. 그러면, 터치 스크린은 펜 출력 신호(Ps)의 진폭이 가변됨을 감지하여 사용자의 버튼 조작 정보를 인식할 수 있게 된다.

도 11을 참조하면, 제 3 실시 예에 따른 터치 펜의 신호 처리부(150)는 사용자의 버튼 조작시 펜 출력 신호(Ps)를 구성하는 펄스의 개수를 가변시키도록 구동부(150)를 제어한다.

구체적으로, 펜 출력 신호(Ps)는 사용자의 버튼 조작이 없는 노말 상태에서 터치 전극 구동 신호(Ts)와 동일한 복수개의 펄스로 이루어진 펜 출력 신호(Ps)를 출력한다. 만약, 사용자가 터치 펜에 구비된 버튼을 조작한 경우, 신호 처리부(150)는 사용자의 버튼 조작을 감지하여 펜 출력 신호(Ps)를 구성하는 펄스의 개수를 가변한다. 즉, 상기 신호 처리부는 버튼 조작이 없는 노멀 구동시 터치 전극 구동 신호와 동일한 펄스의 개수, 예를 들어 N개의 펄스로 이루어진 펜 출력 신호를 출력하도록 구동부를 제어한다. 그리고 상기 신호 처리부는 버튼 조작시, N개와 다른 M개의 펄스로 이루어진 펜 출력 신호를 출력하도록 구동부를 제어한다.

한편, 터치 펜에 구비된 버튼의 개수가 여러개일 경우, 펜 출력 신호(Ps)의 위상 가변 주기는 버튼의 종류에 따라 가변될 수 있다. 또한, 터치 펜에 구비된 버튼의 개수가 1개일지라도, 미리 규약된 버튼 조작법에 따른 서로 다른 명령을 송출할 수 있을 것이다. 따라서, 펜 출력 신호(Ps)를 구성하는 펄스의 개수는 미리 규약된 버튼 조작에 따라서도 가변될 수 있다.

예를 들어, 터치 펜에 마련된 버튼의 개수는 4개가 될 수 있다. 그러면, 펜 출력 신호(Ps)를 구성하는 펄스의 개수는 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 4 버튼이 각각 조작된 경우에 가변될 수 있다. 그러면, 터치 스크린은 펜 출력 신호(Ps)를 구성하는 펄스의 개수가 가변됨을 감지하여 사용자의 버튼 조작 정보를 인식할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 터치 펜의 전도성 팁을 터치 스크린의 터치 전극 구동 신호를 수신하는 매개체로 이용한다. 그리고 전도성 팁을 터치 펜 내에 발생된 펜 출력 신호를 송출하는 매개체로 이용한다. 그리고 본 발명의 터치 펜은 펜 출력 신호를 수신된 터치 스크린의 터치 전극 구동 신호를 기반으로 동기화 하여 출력한다.

전술한 본 발명의 터치 펜은 출원인이 제안한 바 있는 정전 용량 방식의 터치 스크린 장치에 적용하기 위해 도출된 것이다. 예를 들어, 본 발명은 출원인이 제안한 대한민국 공개특허 10-2014-0105216호, 대한민국 공개특허 10-2014-0085995호, 대한민국 공개특허 10-2014-0083214호 등에서 개시되어 있는 인셀 터치 방식의 터치 스크린 장치에 액티브 방식의 터치 펜을 적용하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 터치 펜은 전술한 바와 같은 문헌에 개시된 터치 스크린 장치에 적용이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 전도성 팁 120: 스위칭부
130: 수신부 140: 구동부
150: 신호 처리부 160: 전원 공급원
170: 입출력 인터페이스

Claims

다수의 터치 전극을 갖는 터치 스크린;
상기 다수의 터치 전극에 터치 전극 구동 신호를 인가하는 터치 구동 회로; 및
상기 다수의 터치 전극에 인가된 터치 전극 구동 신호를 수신하고 수신된 터치 전극 구동 신호에 응답하여 펜 출력 신호를 상기 터치 스크린에 송출하는 터치 펜을 포함하고,
상기 터치 펜은 적어도 하나의 버튼을 포함하고, 사용자의 버튼 조작시 상기 펜 출력 신호를 가변하는, 터치 스크린 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 터치 펜은
하우징의 일측으로 일부가 돌출된 전도성 팁;
상기 전도성 팁에 연결되는 스위칭부;
상기 스위칭부를 통해 수신된 상기 터치 전극 구동 신호를 증폭 및 가공하여 출력하는 수신부;
상기 수신부로부터 제공된 신호를 분석하여 동기화 신호를 출력하고, 사용자의 버튼 조작에 따라 상기 펜 출력 신호를 가변하기 위한 펜 출력 가변 신호를 출력하는 신호 처리부; 및
상기 동기화 신호에 응답하여 상기 터치 전극 구동 신호와 동기되는 상기 펜 출력 신호를 상기 스위칭부에 공급하고, 상기 펜 출력 가변 신호에 응답하여 상기 펜 출력 신호를 가변하는 구동부를 포함하는, 터치 스크린 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 신호 처리부는
사용자의 버튼 조작시 상기 펜 출력 신호의 위상을 특정 주기마다 반전시키도록 상기 구동부를 제어하는, 터치 스크린 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 신호 처리부는
상기 버튼의 종류 또는 미리 규약된 버튼 조작에 따라 상기 특정 주기를 가변하도록 상기 구동부를 제어하는, 터치 스크린 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 신호 처리부는
사용자의 버튼 조작시 상기 펜 출력 신호의 진폭을 가변시키도록 상기 구동부를 제어하는, 터치 스크린 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 신호 처리부는
상기 버튼의 종류 또는 미리 규약된 버튼 조작에 따라 상기 진폭을 가변하도록 상기 구동부를 제어하는, 터치 스크린 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 구동부는 노멀 구동시 상기 N개의 펄스로 이루어진 상기 펜 출력 신호를 생성하고,
상기 신호 처리부는 사용자의 버튼 조작시 상기 펜 출력 신호를 구성하는 펄스의 개수를 가변시키도록 상기 구동부를 제어하는, 터치 스크린 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 신호 처리부는
상기 버튼의 종류 또는 미리 규약된 버튼 조작에 따라 상기 N개와 다른 M개의 펄스로 이루어진 펜 출력 신호를 생성하도록 상기 구동부를 제어하는, 터치 스크린 장치.