KR102364099B1 - 능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템, 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 능동형 스타일러스 펜은 터치 스크린으로부터 수신되는 터치 스크린 구동신호에 동기되도록 펜 구동신호를 생성한 후 상기 터치 스크린에 출력하는 능동형 스타일러스 펜으로서, 상기 터치 스크린에 접촉할 때의 압력을 센싱하여 필압 정보를 생성하는 압력 센싱부와, 상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 상기 펜 구동신호를 변조하고, 그 변조된 신호를 상기 필압 정보가 반영된 펜 구동신호로 출력하는 신호 처리부를 포함한다.

Description

능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템, 및 그 구동방법{ACTIVE STYLUS PEN AND TOUCH SENSING SYSTEM AND DRIVING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 터치 센싱 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 능동형 스타일러스 펜을 통해 터치 입력이 가능한 터치 센싱 시스템과 그 구동방법에 관한 것이다.

유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)이 쉽게 자신이 원하는 대로 각종 전자 기기를 제어할 수 있게 한다. 이러한 유저 인터페이스의 대표적인 예로는 키패드, 키보드, 마우스, 온 스크린 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 있다. 터치 UI는 표시장치의 화면 상에 터치 스크린을 형성하는 방법으로 구현되고 있다. 이러한 터치 스크린은 정전 용량 방식으로 구현될 수 있다. 정전 용량 방식의 터치 센서를 갖는 터치 스크린은 손가락 또는 전도성 물질이 터치 센서에 접촉(또는 근접)될 때, 터치 스크린 구동신호의 입력에 따른 정전 용량(capacitance) 변화 즉, 터치 센서의 전하 변화량을 센싱하여 터치 입력을 감지한다.

정전 용량 방식의 터치 센서는 자기 용량(Self Capacitance) 센서 또는 상호 용량(Mutual Capacitance) 센서로 구현될 수 있다. 자기 용량 센서의 전극들 각각은 한 방향을 따라 형성된 센서 배선들과 1:1로 연결될 수 있다. 상호 용량 센서는 유전층을 사이에 두고 직교하는 센서 배선들의 교차부에 형성될 수 있다.

최근 스마트 폰, 및 스마트 북 등에는 손가락뿐만 아니라 스타일러스 펜(Stylus Pen)이 HID(Human Interface Device)로서 많이 사용되고 있다. 스타일러스 펜은 손가락에 비해 좀 더 세밀한 입력이 가능한 장점이 있다. 스타일러스 펜에는 수동형과 능동형이 있다. 수동형은 터치 스크린과의 접촉 지점에서 정전용량 변화가 적어 터치 위치 검출이 어렵다. 능동형은 자체적으로 펜 구동신호를 생성하여 터치 스크린과의 접촉 지점에 출력하기 때문에 수동형에 비해 터치 위치 검출이 용이하다.

최근 터치 스크린의 화면크기가 다양화 됨에 따라, 터치 센싱 시스템은 터치 입력에 대한 감지뿐만 아니라, 스타일러스 펜이 터치 스크린에 접촉될 때의 압력 신호 처리 등의 다양한 기능이 요구되고 있다. 그런데, 종래 능동형 스타일러스 펜은 대한민국 공개공보 제10-2014-0043299호에 개시된 것과 같이, 필압 정보를 터치모듈에 전송하기 위해 별도의 통신블록을 더 필요로 했기 때문에 제조 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 별도의 통신블록을 구비할 필요 없이 능동형 스타일러스 펜에서 터치 모듈로 필압 정보를 용이하게 전달할 수 있도록 한 능동형 스타일러스 펜과 그를 포함한 터치 센싱 시스템, 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 능동형 스타일러스 펜은 터치 스크린에 접촉할 때의 압력을 센싱하여 필압 정보를 생성하는 압력 센싱부와, 상기 터치 스크린으로부터 수신되는 터치 스크린 구동신호에 동기되도록 펜 구동신호를 생성하되, 상기 필압 정보의 신호 레벨이 상기 펜 구동신호에 반영되도록 상기 펜 구동신호를 가변하는 신호 처리부를 포함한다.

상기 신호 처리부는, 상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 상기 펜 구동신호의 펄스 진폭을 변조한다.

상기 신호 처리부는, 상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 1 터치센서 구동기간 동안 생성되는 상기 펜 구동신호의 펄스 개수를 변조한다.

상기 신호 처리부는, 상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 상기 펜 구동신호의 펄스 듀티를 변조한다.

상기 신호 처리부는, 상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 상기 펜 구동신호를 1 프레임 단위로 변조하여 상기 필압 정보가 반영된 디지털 펜 구동신호를 1 프레임에 1 비트씩 할당한다.

상기 신호 처리부는, 터치 입력 검출이 가능한 범위 내에서 상기 펜 구동신호의 펄스 진폭, 펄스 개수 및 펄스 듀티 중 어느 하나를 변조한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 센싱 시스템은 터치 스크린과, 상기 터치 스크린에 터치 스크린 구동신호를 인가하고 상기 터치 스크린의 정전 용량 변화를 센싱하는 터치 구동장치와, 펜 구동신호를 생성하여 상기 터치 스크린에 송신하는 능동형 스타일러스 펜을 구비한다. 여기서, 상기 능동형 스타일러스 펜은, 상기 터치 스크린에 접촉할 때의 압력을 센싱하여 필압 정보를 생성하는 압력 센싱부와, 상기 터치 스크린으로부터 수신되는 터치 스크린 구동신호에 동기되도록 상기 펜 구동신호를 생성하되, 상기 필압 정보의 신호 레벨이 상기 펜 구동신호에 반영되도록 상기 펜 구동신호를 가변하는 신호 처리부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 터치 센싱 시스템의 구동방법은 능동형 스타일러스 펜을 터치 스크린에 접촉시켜, 상기 능동형 스타일러스 펜에서 터치 스크린 구동신호를 수신하는 단계와, 상기 수신된 터치 스크린 구동신호에 동기되도록 상기 능동형 스타일러스 펜에서 펜 구동신호를 생성하여 상기 터치 스크린에 출력하는 단계와, 상기 터치 스크린 구동신호와 상기 펜 구동신호에 따른 상기 터치 스크린의 정전 용량 변화를 상기 터치 스크린에 연결된 터치 구동장치에서 센싱하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 능동형 스타일러스 펜에서 상기 펜 구동신호를 생성하여 상기 터치 스크린에 출력하는 단계는, 상기 터치 스크린에 접촉할 때의 압력을 센싱하여 필압 정보를 생성하는 단계와, 상기 필압 정보의 신호 레벨이 상기 펜 구동신호에 반영되도록 상기 펜 구동신호를 가변하는 단계를 포함한다.

본 발명은 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 펄스 진폭 및/또는 펄스 개수 및/또는 펄스 듀티를 조정하는 방식으로 필압 정보를 펜 구동신호에 반영한다. 그리고, 본 발명은 필압 정보가 반영된 펜 구동신호에 따른 터치 로 데이터의 크기에 따라 터치 입력 위치 뿐만 아니라 필압까지 알아 낸다. 따라서, 본 발명은 압력 센싱을 위해 종래와 같은 별도의 통신 블록과 로직 블록을 구비할 필요가 없어 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 터치 센싱 시스템을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 시스템이 적용되는 표시장치를 보여주는 도면.
도 3은 상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여주는 도면.
도 4는 자기 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여주는 도면.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시에에 따른 터치 구동 장치를 보여 주는 도면들.
도 8은 1 프레임이 디스플레이 구동기간과, 터치센서 구동기간으로 시분할되는 것을 보여주는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 능동형 스타일러스 펜의 내부 구성을 보여주는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 능동형 스타일러스 펜의 동작 수순을 나타내는 도면.
도 11은 터치센서 구동기간 내에서 터치 스크린 구동신호와 펜 구동신호가 서로 동기되는 것을 보여주는 도면.
도 12는 도 9의 능동형 스타일러스 펜에서 수신 및 처리되는 신호의 파형을 보여주는 도면.
도 13은 도 9에 도시된 능동형 스타일러스 펜의 내부 구성을 보다 상세히 보여주는 도면.
도 14는 손가락 접촉시에 비해 스타일러스 펜 접촉시 터치 센싱 신호의 감도가 향상되는 것을 보여주는 도면.
도 15는 도 13의 압력 센싱부를 보다 상세히 보여주는 도면.
도 16은 터치 압력(필압) 변화에 따른 터치 로 데이터(Touch raw data)의 변화를 보여주는 도면.
도 17은 펜 구동신호필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 진폭을 변조하는 예를 보여주는 도면.
도 18은 터치 압력, 펜 구동신호의 진폭, 및 터치 로 데이터 간의 관계를 보여주는 도면.
도 19는 펜 구동신호필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 펄스 개수를 변조하는 예를 보여주는 도면.
도 20은 터치 압력, 펜 구동신호의 펄스 개수, 및 터치 로 데이터 간의 관계를 보여주는 도면.
도 21은 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 펄스 듀티를 변조하는 예를 보여주는 도면.
도 22는 터치 압력, 펜 구동신호의 펄스 듀티, 및 터치 로 데이터 간의 관계를 보여주는 도면.
도 23은 펜 구동신호의 전압 변화에 따른 터치 로 데이터 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과 도면.
도 24는 펜 구동신호가 필압 정보의 신호 레벨에 따라 1 프레임 단위로 변조되는 예를 보여주는 도면.
도 25a내지 도 25c는 펜 구동신호에 반영된 필압 정보에 따라 터치 스크린의 센싱값(터치 로 데이터)가 달라지는 예를 보여주는 도면들
도 26은 필압 정보를 펜 구동신호에 반영하여 출력하는 과정을 보여주는 도면.

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.

[터치 센싱 시스템]

도 1은 본 발명의 터치 센싱 시스템을 개략적으로 보여준다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 터치 센싱 시스템은 표시장치(10)와 능동형 스타일러스 펜(20)을 포함한다.

표시장치(10)는 디스플레이 기능과 터치 검출 기능을 수행한다. 표시장치(10)는 손가락 또는 능동형 스타일러스 펜(20)과 같은 전도성 물체의 접촉에 의한 터치 검출이 가능한 것으로, 그 내부에 일체형으로 정전 용량 방식의 터치 스크린을 구비하고 있다. 여기서, 터치 스크린은 디스플레이 구현을 위한 표시패널과 독립적인 형태로 구성될 수도 있고, 표시패널의 픽셀 어레이에 내장될 수 있다. 표시장치(10)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 도 2 내지 도 8을 참조로 후술한다.

능동형 스타일러스 펜(20)은 터치 스크린에서 수신되는 터치 스크린 구동신호를 기초로 펜 구동신호를 생성하여 터치 스크린과의 접촉 지점에 출력함으로써 터치 스크린 상에서 터치 위치 검출을 용이하게 한다. 능동형 스타일러스 펜(20)은 터치 스크린에 접촉할 때의 펜의 압력(필압)을 센싱하고, 필압 정보의 신호 레벨이 펜 구동신호에 반영되도록 펜 구동신호를 가변한다. 터치 센싱 시스템은 펜 구동신호에 따른 터치 로 데이터(Touch raw data)의 변화를 분석하여 능동형 스타일러스 펜(20)에 의한 터치 입력 위치와 터치 압력(필압)을 감지한다. 능동형 스타일러스 펜(20)의 구성 및 동작은 도 9 내지 도 26을 통해 후술한다.

[표시장치]

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 시스템이 적용되는 표시장치를 보여준다. 도 3은 상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여준다. 도 4는 자기 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여준다. 그리고, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시에에 따른 터치 구동 장치를 보여 준다.

도 2내지 도7을 참조하면, 본 발명의 표시장치(10)는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시소자(Organic Light Emitting Display, OLED), 전기영동 표시소자(Electrophoresis, EPD) 등의 평판 표시소자 기반으로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 표시장치가 액정표시소자로 구현되는 것을 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시소자에 한정되지 않는다.

표시장치(10)는 디스플레이 모듈과 터치 모듈로 이루어진다.

터치 모듈은 터치 스크린(TSP)과 터치 구동장치(18)를 포함한다.

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

상호 용량 센서(Cm)로 구현되는 터치 스크린(TSP)은, 도 3과 같이 Tx 전극라인들, Tx 전극라인들과 교차하는 Rx 전극라인들, 및 Tx 전극라인들과 Rx 전극라인들의 교차점들 마다 형성된 터치 센서들(Cm)을 포함할 수 있다. Tx 전극라인들은 터치 센서들(Cm) 각각에 터치 스크린 구동신호를 인가하여 터치 센서들에 전하를 공급하는 구동 신호 배선들이다. Rx 전극라인들은 터치 센서들(Cm)에 연결되어 터치 센서들의 전하를 터치 구동장치(18)로 공급하는 센서 배선들이다. 상호 용량 센싱 방법은 Tx 전극라인을 통해 Tx 전극에 구동 신호를 인가하여 터치 센서(Cm)에 전하를 공급하고, 터치 스크린 구동신호와 동기하여 Rx 전극과 Rx 전극라인을 통해 터치 센서(Cm)의 정전용량 변화를 센싱함으로써 터치 입력을 알 수 있다.

자기 용량 센서(Cs)로 구현되는 터치 스크린(TSP)은, 도 4와 같이 터치 전극(31)들 각각이 한 방향을 따라 형성된 센서 배선들(32)과 1:1로 연결될 수 있다. 자기 용량 센서(Cs)는 전극들(31) 각각에 형성된 정전 용량을 포함한다. 자기 용량 센싱 방법은 터치 스크린 구동신호가 센서 배선(32)을 통해 전극(31)에 인가되면 전하(Q)가 터치 센서(Cs)에 축적된다. 이때 손가락이나 전도성 물체가 전극(31)에 접촉되면 자기 용량 센서(Cs)에 추가로 기생 용량(Cf)이 연결되어 토탈 정전 용량값이 변한다. 손가락이 터치된 센서와 그렇지 않은 센서 간에 정전 용량값이 달라지면, 터치 센서들로부터 센싱되는 전하량이 달라지며, 이를 통해 터치 여부를 판단할 수 있다.

터치 스크린(TSP)은 표시패널(DIS)의 상부 편광판 상에 접합되거나, 표시패널(DIS)의 상부 편광판과 상부 기판 사이에 형성될 수 있다. 또한, 터치 스크린(TSP)의 터치 센서들(Cm 또는 Cs)은 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이에 내장될 수 있다.

터치 구동장치(18)는 터치 전후 터치 센서의 전하 변화량을 센싱하여 손가락(또는, 스타일러스 펜)과 같은 전도성 물질의 터치 여부와 그 위치를 판단한다.

본 발명의 터치 구동 장치(18)는 도 5 내지 도 7과 같은 형태의 IC(Integrate Circuit) 패키지로 구현될 수 있다.

도 5를 참조하면, 터치 구동 장치(18)는 드라이버 IC(DIC)와 터치 IC(TIC)를 포함한다.

드라이버 IC(DIC)는 터치 센서 채널부(100), Vcom 버퍼(110), 스위치 어레이(120), 타이밍 제어 신호 생성부(130), 멀티플렉서(Multiplexer, MUX)(140), 및 DTX 보상부(150)를 포함한다.

터치 센서 채널부(100)는 센서 배선들(또는 Rx 전극 라인들)을 통해 터치 센서들의 전극에 연결되고, 스위치 어레이(120)를 통해 Vcom 버퍼(110)와 멀티플렉서(140)에 연결된다. 멀티플렉서(140)는 센서 배선들을 터치 IC(TIC)에 연결한다. 1:3 멀티플렉서의 경우에, 멀티플렉서(140)는 터치 IC(TIC)의 한 개 채널을 세 개의 센서 배선들에 시분할 방식에 따라 순차 연결함으로써 터치 IC(TIC)의 채널 개수를 줄인다. 멀티플렉서(140)는 MUX 제어신호(MUX C1~C3)에 응답하여 터치 IC(TIC)의 채널과 연결될 센서 배선들을 순차적으로 선택한다. 멀티플렉서(140)는 터치 라인들(Touch line)을 통해 터치 IC(TIC)의 채널들에 연결된다.

Vcom 버퍼(110)는 픽셀의 공통 전압(Vcom)을 출력한다. 스위치 어레이(120)는 타이밍 제어 신호 생성부(130)의 제어 하에 디스플레이 구동 기간 동안 Vcom 버퍼(110)로부터의 공통 전압(Vcom)을 터치 센서 채널부(100)로 공급한다. 스위치 어레이(120)는 타이밍 제어 신호 생성부(130)의 제어 하에 터치센서 구동 기간 동안 센서 배선들을 터치 IC(TIC)에 연결한다.

타이밍 제어 신호 생성부(130)는 디스플레이 구동 회로와 터치 IC(TIC)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어 신호들을 발생한다. 디스플레이 구동 회로는 픽셀에 입력 영상의 데이터를 기입하기 위한 데이터 구동 회로(12)와 게이트 구동 회로(14)를 포함한다.

타이밍 제어 신호 생성부(130)는 도 2에 도시된 타이밍 콘트롤러(16) 내에 포함될 수 있다. 타이밍 제어 신호 생성부(130)는 디스플레이 구동 기간 동안 디스플레이 구동 회로를 구동 시키고 터치센서 구동 기간 동안 터치 IC(TIC)를 구동 시킨다.

타이밍 제어 신호 생성부(130)는 도 8과 같이 디스플레이 구동 기간(T1)과 터치센서 구동 기간(T2)을 정의하는 터치 인에이블 신호(TEN)를 생성하여 디스플레이 구동 회로와 터치 IC(TIC)를 동기시킨다. 디스플레이 구동 회로는 터치 인에이블 신호(TEN)의 제1 레벨 기간 동안 픽셀들에 데이터를 기입한다. 터치 IC(TIC)는 터치 인에이블 신호(TEN)의 제2 레벨에 응답하여 터치 센서들을 구동하여 터치 입력을 센싱한다. 터치 인에이블 신호(TEN)의 제1 레벨은 로우 레벨(Low level)일 수 있고, 제2 레벨은 하이 레벨(High level)일 수 있으나 그 반대로 설정될 수도 있다.

터치 IC(TIC)는 구동 전원부(미도시)에 연결되어 구동전원을 공급받는다. 터치 IC(TIC)는 터치 인에이블 신호(TEN)의 제2 레벨에 응답하여 터치 스크린 구동신호를 생성하여 터치 스크린(TSP)의 터치 센서들에 인가한다. 터치 스크린 구동신호는 구형파 형태의 펄스, 정현파, 삼각파 등 다양한 형태로 발생될 수 있으나, 구형파로 구현됨이 바람직하다. 터치 스크린 구동신호는 터치 IC(TIC)의 적분기에 전하가 N(N은 2 이상의 자연수)회 이상 누적될 수 있도록 터치 센서들 각각에 N회 인가될 수 있다.

입력 영상 데이터의 변화에 따라 터치 센서 신호에 노이즈가 커질 수 있다. DTX 보상부(150)는 입력 영상 데이터를 분석하여 입력 영상의 계조 변화에 따라 터치 로 데이터(Touch raw data)에서 노이즈 성분을 제거하여 터치 IC(TIC)로 전송한다. DTX는 Display and Touch crosstalk를 의미한다. DTX 보상부(150)와 관련된 내용은 본원 출원인에 의해 기출원된 특허 출원 제10-2012-0149028호(2012.12.19 출원)에 상세히 기재되어 있다. 터치 센서의 노이즈가 입력 영상의 데이터 변화에 따라 민감하게 변하지 않는 시스템의 경우에 DTX 보상부(150)는 필요 없으므로 생략될 수 있다. 도 5에서 DTX DATA는 DTX 보상부(150)의 출력 데이터이다.

터치 IC(TIC)는 타이밍 제어 신호 생성부(130)로부터의 터치 인에이블 신호(TEN)에 응답하여 터치센서 구동 기간(T2) 동안 멀티플렉서(140)를 구동시켜 멀티플렉서(140)와 센서 배선들을 통해 터치 센서의 전하를 수신한다. 도 5에서 MUX C1~C3는 멀티플렉서의 채널을 선택하는 신호이다.

터치 IC(TIC)는 터치 센서 신호로부터 터치 입력 전후의 전하 변화량을 검출하고 그 전화 변화량을 소정의 문턱값과 비교하여 문턱값 이상의 전하 변화량을 갖는 터치 센서들의 위치를 터치 입력 영역으로 판정한다. 터치 IC(TIC)는 터치 입력 각각에 대하여 좌표를 계산하여 터치 입력 좌표 정보를 포함한 터치 데이터(TDATA(XY))를 외부의 호스트 시스템으로 전송한다. 터치 IC(TIC)는 터치 센서의 전하를 증폭하는 증폭기, 터치 센서로부터 수신된 전하를 누적하는 적분기, 적분기의 전압을 디지털 데이터로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter), 및 연산 로직부를 포함한다. 연산 로직부는 ADC로부터 출력된 터치 로 데이터(Touch raw data)를 문턱값과 비교하여 그 비교 결과에 따라 터치 입력을 판정하고 좌표를 계산하는 터치 인식 알고리즘을 실행한다.

드라이버 IC(DIC)와 터치 IC(TIC)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 인터페이스를 통해 신호들을 송수신할 수 있다.

호스트 시스템(19)은 본 발명의 표시장치(10)가 적용 가능한 전자 기기의 시스템 본체를 의미한다. 호스트 시스템(19)은 폰 시스템(Phone system), TV(Television) 시스템, 셋톱박스, 네비게이션 시스템, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템 중 어느 하나일 수 있다. 호스트 시스템(19)은 드라이버 IC(DIC)에 입력 영상의 데이터(RGB)를 전송하고, 터치 IC(TIC)로부터 터치 입력 데이터(TDATA(XY))를 수신하여 터치 입력과 연계된 어플리케이션(application)을 실행한다.

도 6을 참조하면, 터치 구동 장치(18)는 드라이버 IC(DIC)와 MCU(Micro Controller Unit)를 포함한다.

드라이버 IC(DIC)는 터치 센서 채널부(100), Vcom 버퍼(110), 스위치 어레이(120), 제1 타이밍 제어 신호 생성부(130), 멀티플렉서(140), DTX 보상부(150), 센싱부(160), 제2 타이밍 제어 신호 생성부(170) 및 메모리(180)를 포함한다. 이 실시예는 전술한 도 5의 실시예와 비교할 때, 센싱부(160)와 제2 타이밍 제어 생성부(170)가 드라이버 IC(DIC) 내에 집적된 것에서 차이가 있다. 제1 타이밍 제어 생성부(130)는 도 5의 그것과 실질적으로 동일하다. 따라서, 제1 타이밍 제어 생성부(130)는 디스플레이 구동 회로와 터치 IC(TIC)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어 신호들을 발생한다.

센싱부(160)는 터치 센서의 전하를 증폭하는 증폭기, 터치 센서로부터 수신된 전하를 누적하는 적분기, 및 적분기의 전압을 디지털 데이터로 변환하는 ADC를 포함한다. ADC 로부터 출력된 터치 로 데이터(Touch raw data, TDATA)는 MCU로 전송된다. 제2 타이밍 제어 생성부(170)는 멀티플렉서(140), 센싱부(160)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어 신호, 클럭 등을 생성한다. 드라이버 IC(DIC) 내에서 DTX 보상부(150)는 생략될 수 있다. 메모리(180)는 제2 타이밍 제어 생성부(170)의 제어 하에 터치 로 데이터(TDATA)를 일시 저장한다.

드라이버 IC(DIC)와 MCU는 SPI(Serial Peripheral Interface) 인터페이스를 통해 신호들을 송수신할 수 있다. MCU는 터치 로 데이터(TDATA)를 문턱값과 비교하여 그 비교 결과에 따라 터치 입력을 판정하고 좌표를 계산하는 터치 인식 알고리즘을 실행한다.

도 7을 참조하면, 터치 구동 장치(18)는 드라이버 IC(DIC)와 메모리(Memory, MEM)를 포함한다.

드라이버 IC(DIC)는 터치 센서 채널부(100), Vcom 버퍼(110), 스위치 어레이(120), 제1 타이밍 제어 신호 생성부(130), 멀티플렉서(140), DTX 보상부(150), 센싱부(160), 제2 타이밍 제어 신호 생성부(170), 메모리(180), 및 MCU(190)를 포함한다. 이 실시예는 전술한 도 6의 실시예와 비교할 때, MCU(190)가 드라이버 IC(DIC) 내에 집적된 것에서 차이가 있다. MCU(18)는 터치 로 데이터(TDATA)를 문턱값과 비교하여 그 비교 결과에 따라 터치 입력을 판정하고 좌표를 계산하는 터치 인식 알고리즘을 실행한다.

메모리(MEM)는 디스플레이 구동 회로와 센싱부(160)의 동작에 필요한 타이밍 정보에 관한 레지스터(register) 설정값을 저장한다. 레지스터 설정값은 표시장치의 전원이 켜지면 메모리(MEM)로부터 제1 타이밍 제어 신호 생성부(16)와 제2 타이밍 제어 신호 생성부(170)로 로딩(Loading)된다. 제1 타이밍 제어 신호 생성부(16)와 제2 타이밍 제어 신호 생성부(170)는 메모리로부터 읽어 들인 레지스터 설정값을 바탕으로 디스플레이 구동 회로와 센싱부(160)를 제어하기 위한 타이밍 제어 신호들을 발생한다. 구동 장치의 구조적 변경 없이 메모리(MEM)의 레지스터 설정값을 변경하여 모델 변경에 대응할 수 있다.

디스플레이 모듈은 표시패널(DIS), 디스플레이 구동회로(12,14,16), 호스트 시스템(19)을 포함할 수 있다.

표시패널(DIS)은 두 장의 기판들 사이에 형성된 액정층을 포함한다. 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이는 데이터라인들(D1~Dm, m은 양의 정수)과 게이트라인들(G1~Gn, n은 양의 정수)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성된 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성된 TFT들(Thin Film Transistor), 데이터전압을 충전하는 픽셀전극, 픽셀전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함할 수 있다.

표시패널(DIS)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등이 형성될 수 있다. 표시패널(DIS)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 블랙매트릭스와 컬러필터는 표시패널(DIS)의 하부 기판에 형성될 수 있다. 공통전압이 공급되는 공통전극은 표시패널(DIS)의 상부 기판이나 하부 기판에 형성될 수 있다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성된다.

표시패널(DIS)의 배면 아래에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(DIS)에 빛을 조사한다. 표시패널(DIS)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.

디스플레이 구동회로는 데이터 구동회로(12), 게이트 구동회로(14) 및 타이밍 콘트롤러(16)를 포함하여 입력 영상의 비디오 데이터를 표시패널(DIS)의 픽셀들에 기입한다. 데이터 구동회로(12)는 타이밍 콘트롤러(16)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동회로(12)로부터 출력된 데이터전압은 데이터라인들(D1~Dm)에 공급된다. 게이트 구동회로(14)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(DIS)의 픽셀라인을 선택한다. 게이트 구동 회로(14)는 픽셀들과 함께 표시패널(DIS)의 기판 상에 함께 배치될 수 있다.

타이밍 콘트롤러(16)는 호스트 시스템(19)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동회로(12)와 게이트 구동회로(14)의 동작 타이밍을 동기시킨다. 스캔 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 게이트 출력 인에이블신호(Gate Output Enable, GOE) 등을 포함한다. 데이터 타이밍 제어신호는 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock, SSC), 극성제어신호(Polarity, POL), 소스 출력 인에이블신호(Source Output Enable, SOE) 등을 포함한다.

호스트 시스템(19)은 디지털 비디오 데이터(RGB)와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(16)로 전송하며, 터치 구동장치(18)로부터 입력되는 터치 좌표 정보(XY)와 연계된 응용 프로그램을 실행할 수 있다.

한편, 도 8의 터치 인에이블신호(TEN)는 호스트 시스템(19)에서 생성될 수도 있다. 디스플레이 구동기간(T1) 동안, 데이터 구동회로(12)는 타이밍 콘트롤러(16)의 제어 하에 데이터전압을 데이터라인들(D1~Dm)에 공급하고, 게이트 구동회로(14)는 타이밍 콘트롤러(16)의 제어 하에 데이터전압에 동기되는 게이트 펄스를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급한다. 한편, 디스플레이 구동기간(T1) 동안, 터치 구동장치(18)는 동작을 중지한다.

터치센서 구동기간(T2) 동안, 터치 구동장치(18)는 터치 스크린(TSP)의 터치 센서들에 터치 스크린 구동신호를 인가한다. 한편, 터치센서 구동기간(T2) 동안, 디스플레이 구동회로(12,14,16)는 픽셀들에 연결된 신호 라인들(D1~Dm,G1~Gn)과 터치 센서들 사이의 기생 용량을 최소화하기 위하여 터치 스크린 구동신호와 같은 진폭 및 같은 위상의 교류 신호를 신호라인들(D1~Dm,G1~Gn)에 공급할 수 있다. 이 경우 터치 센싱신호에 혼입되는 디스플레이 노이즈는 획기적으로 줄어들어 터치 센싱의 정확성이 증가된다.

[ 스타일러스 펜]

도 9는 본 발명에 따른 능동형 스타일러스 펜(20)의 내부 구성을 보여준다.

도 9를 참조하면, 능동형 스타일러스 펜(20)은 하우징(280)과, 하우징(280)의 일측 외부로 돌출된 전도성 팁(210)과, 하우징(280) 내부에서 전도성 팁(210)과 연결되는 스위칭부(220)와, 스위칭부(220)를 통해 전도성 팁(210)으로부터 입력되는 터치 스크린 구동신호를 수신하는 수신부(230)와, 수신부(230)로부터의 터치 스크린 구동신호에 기초하여 그에 동기되며 필압 정보를 포함한 디지털 펜 구동신호를 생성하는 신호처리부(250)와, 신호처리부(250)에서 생성된 디지털 펜 구동신호를 아날로그 레벨로 레벨 쉬프팅한 후 스위칭부(220)를 통해 전도성 팁(210)에 공급하는 구동부(240)와, 동작에 필요한 구동전원을 생성하는 전원 공급부(260)와, 입출력 인터페이스(270)를 포함하여 이루어진다.

전도성 팁(210)은 금속 등과 같은 도전성 재료로 이루어지며, 수신 전극 및 송신 전극의 역할을 한다. 전도성 팁(210)이 표시 장치(10)의 터치 스크린(TSP) 상에 접촉(Contact)될 때, 그 접촉 지점에서 전도성 팁(210)은 터치 스크린(TSP)과 커플링된다. 전도성 팁(210)은 접촉 지점에서 터치 스크린(TSP)으로부터 터치 스크린 구동신호를 수신한 후, 그에 동기되도록 능동형 스타일러스 펜(20)의 내부에서 생성된 펜 구동신호를 터치 스크린(TSP)의 상기 접촉 지점에 송신한다.

스위칭부(220)는 전도성 팁(210)이 표시 장치(10)의 터치 스크린(TSP) 상에 접촉(Contact)될 때, 제1 시간 동안 전도성 팁(210)과 수신부(230)를 전기적으로 연결한 후, 제2 시간 동안 전도성 팁(210)과 구동부(240)를 전기적으로 연결함으로써, 터치 스크린 구동신호의 수신 타이밍과 펜 구동신호의 송신 타이밍을 시간적으로 분리한다. 전도성 팁(210)이 수신 전극과 송신 전극 역할을 겸하기 때문에 능동형 스타일러스 펜(20)의 구조가 간소해지는 장점이 있다.

수신부(230)는 적어도 하나 이상의 증폭기를 포함하여 스위칭부(220)를 통해 전도성 팁(210)으로부터 입력되는 터치 스크린 구동신호를 증폭할 수 있다. 수신부(230)는 비교기를 포함하여 증폭된 신호를 미리 설정된 기준전압과 비교하고, 그 결과를 신호처리부(250)에 출력한다.

신호처리부(250)는 수신부(230)로부터 입력되는 비교기 출력신호를 1프레임 이상 분석하여 터치 스크린 구동신호에 동기되는 펜 구동신호를 생성한 후, 전도성 팁(210)에 연결된 압력 센싱부(미도시)로부터 입력되는 필압 정보를 기초로 펜 구동신호를 변조한 다음, 그 펜 구동신호를 구동부(240)에 출력한다.

구동부(240)는 레벨 쉬프터를 포함하여 디지털 레벨의 펜 구동신호를 아날로그 레벨로 쉬프팅한다. 구동부(240)는 레벨 쉬프팅 된 펜 구동신호를 스위칭부(220)를 통해 전도성 팁(210)에 출력한다.

입출력 인터페이스(270)는 사용자의 버튼 누름 동작에 따라 전원 공급부(260)에 연결되어, 수신부(230), 구동부(240) 및 신호처리부(250)에 필요한 전원을 공급할 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 능동형 스타일러스 펜(20)의 동작 수순을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 입출력 인터페이스(270)와 전원 공급부(260)를 통해 전원이 인가된 상태에서, 전도성 팁(210)이 터치 스크린(TSP)의 소정 지점에 접촉 된다(S1,S2).

터치센서 구동기간 동안 터치 스크린(TSP)의 각 터치 센서에는 터치 스크린 구동신호가 공급되고 있다. 터치센서 구동기간 동안, 전도성 팁(210)은 접촉 지점에서 터치 스크린(TSP)과 커플링되어, 터치 스크린(TSP)으로부터 수신되는 터치 스크린 구동신호를 센싱하고, 센싱된 신호를 수신부(220)에 전달한다. 수신부(220)는 내부의 증폭기를 통해 터치 스크린 구동신호를 증폭하고, 내부 비교기에서 이 증폭된 신호를 기준전압과 비교하여 그 결과를 신호처리부(250)에 출력한다(S3).

신호처리부(250)는 수신부(230)로부터 입력되는 비교기 출력신호를 분석하여 터치 스크린 구동신호에 동기되는 타이밍을 결정한 후, 이 동기 타이밍에 맞춰 펜 구동신호를 생성한다(S4,S5). 그리고, 신호처리부(250)는 압력 센싱부로부터 입력되는 필압 정보에 맞게 펜 구동신호의 펄스 진폭 및/또는 펄스 개수 및/또는 펄스 듀티 등을 변조한 다음, 필압 정보가 반영된 펜 구동신호를 구동부(240)에 출력한다(S6,S7).

구동부(240)는 레벨 쉬프터를 통해 펜 구동신호의 전압 레벨을 쉬프팅 한 후, 레벨 쉬프팅 된 펜 구동신호를 스위칭부(220)를 통해 전도성 팁(210)에 출력한다. 전도성 팁(210)은 펜 구동신호를 터치 스크린의 접촉 지점에 인가한다.

펜 구동신호는 필압 정보의 신호 레벨에 따라 그 펄스 진폭 및/또는 펄스 개수 및/또는 펄스 듀티가 조정된다. 펜 구동신호의 펄스 진폭 및/또는 펄스 개수 및/또는 및 펄스 듀티가 변하면 터치 지점으로부터 센싱되는 센싱값(터치 로 데이터)의 크기가 변한다. 터치 구동장치(18)는 터치 로 데이터의 크기를 분석하여 터치 위치뿐만 아니라 터치 압력(필압)까지 알아낼 수 있다.

도 11은 터치센서 구동기간 내에서 터치 스크린 구동신호와 펜 구동신호가 서로 동기되는 것을 보여준다. 도 12는 도 9의 능동형 스타일러스 펜에서 수신 및 처리되는 신호의 파형을 보여준다.

도 11및 도 12를 참조하면, 능동형 스타일러스 펜(20)의 온 동작에 이어, 능동형 스타일러스 펜(20)이 터치 스크린(TSP)에 접촉된 후, 터치 스크린 구동신호(Ts)의 수신 구간(Ra)과 펜 구동신호(Ps)의 송신 구간(Ta) 사이에는 적어도 1 프레임 이상의 신호전환구간이 마련되어 동작의 안정성이 확보된다. 신호처리부(250)는 이 신호전환구간을 이용하여 터치 스크린 구동신호(Ts)와 펜 구동신호(Ps) 간의 동기 타이밍을 결정하고 그에 맞춰 필압 정보가 반영되는 펜 구동신호(Ps)를 생성한다.

이후 진행되는 프레임에서는 터치 스크린 구동신호(Ts)에 동기화된 펜 구동신호(Ps)를 전도성 팁(210)을 통해 터치 스크린(TSP)에 송신하는 과정(Ta)과, 전도성 팁(210)을 통해 터치 스크린 구동신호(Ts)를 수신하는 과정(Ra)이 반복적으로 번갈아 진행된다.

한편, 도 12에는 터치 스크린 구동신호(Ts)의 수신 구간(Ra)과 펜 구동신호(Ps)의 송신 구간(Ta)이 대등하게 도시되어 있지만, 실질적으로는 수신 구간(Ra)의 시간 폭은 터치 반응 속도와 관계되어 있으므로 작을수록 좋고, 상대적으로 송신 구간(Ta)의 시간 폭이 더 크다.

도 13은 도 9에 도시된 능동형 스타일러스 펜(20)의 내부 구성을 보다 상세히 보여준다.

도 13을 참조하면, 능동형 스타일러스 펜(20)의 입출력단(205)은 전도성 팁(210)과, 스위칭부(220) 이외에 압력 센싱부(215)를 더 구비한다. 압력 센싱부(215)는 터치 스크린(TSP) 상에 능동형 스타일러스 펜(20)이 눌려지는 필압을 센싱하여 신호 처리부(250)에 전송한다.

능동형 스타일러스 펜(20)의 수신부(230)는 수신버퍼(231), 증폭기(233), 및 비교기(235)를 포함한다. 수신버퍼(231)는 스위칭부(220)를 통해 전달되는 터치 스크린 구동신호(Ts)를 수신하여 증폭기(233)에 인가한다. 증폭기(233)는 적어도 2단으로 구성되어 아날로그 레벨의 터치 스크린 구동신호(Ts)를 증폭하여 수신 신호의 감도를 높인다. 비교기(235)는 증폭기(233)에서 증폭된 신호를 내부의 기준전압과 비교하여, 기준전압 이상 또는, 기준전압 이하에 대해 디지털 레벨의 비교기 출력신호(COM)를 생성한다. 여기서, 비교기(235)는 증폭기(233)가 반전 증폭기로 구현되는 경우에는 기준전압 이상의 신호를 비교기 출력신호(COM)로 이용하고, 증폭기(233)가 비 반전 증폭기로 구현되는 경우에는 기준전압 이하의 신호를 비교기 출력신호(COM)로 이용할 수 있다.

능동형 스타일러스 펜(20)의 신호 처리부(250)에서는 전술한 바와 같이 비교기 출력신호(COM)를 기초로 터치 스크린 구동신호(Ts)에 동기되는 타이밍을 결정한 후, 이 동기 타이밍에 맞춰 디지털 레벨의 펜 구동신호를 생성한다. 그리고, 신호 처리부(250)는 압력 센싱부(215)로부터 입력되는 필압 정보를 기초로 상기 펜 구동신호를 변조하여 필압 정보가 반영된 펜 구동신호(Ps)를 출력한다. 기존에는 스타일러스 펜에 구비된 별도의 통신 블록을 이용하여 필압 정보를 스타일러스 펜에서 터치 모듈로 전송하였고, 터치 모듈에서는 별도의 로직 블록을 이용하여 압력 크기를 감지하였다. 이에 반해, 본 발명에서는 압력 센싱을 위해 종래와 같은 별도의 통신 블록과 로직 블록이 불필요하다. 본 발명에서는 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호(Ps)의 펄스 진폭 및/또는 펄스 개수 및/또는 펄스 듀티를 조정하는 방식으로 필압 정보를 펜 구동신호(Ps)에 인코딩(encoding)하고, 펜 구동신호(Ps)에 따른 터치 로 데이터의 크기 변화를 감지하고, 그에 따라 터치 입력 위치 뿐만 아니라 터치 압력까지 디코딩(decoding)한다.

능동형 스타일러스 펜(20)의 구동부(240)는 레벨 쉬프터(243)과 송신 버퍼(241)를 포함하여 신호 처리부(250)로부터 입력된 디지털 레벨의 펜 구동신호(Ps)를 아날로그 레벨로 변환하여 스위칭부(220)에 출력한다. 그러면, 스위칭부(220)는 이 펜 구동신호(Ps)를 전도성 팁(210)으로 전달한다.

도 14는 손가락 접촉시에 비해 능동형 스타일러스 펜 접촉시 터치 센싱 신호의 감도가 향상되는 것을 보여주는 시뮬레이션 결과이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 출원인은 능동형 스타일러스 펜으로 터치 스크린을 접촉할 때와, 손가락으로 터치 스크린을 접촉할 때 각각의 터치 센싱 신호의 세기를 실험을 통해 측정하였다. 실험 결과, 손가락 대비 스타일러스 펜을 터치 스크린에 접촉할 때의 센싱 신호의 세기가 크며, 터치 스크린과 전도성 팁간의 커플링된 캐패시턴스의 값이 클수록(즉, 펜 구동신호(Ps)의 펄스 진폭 클수록, 및/또는, 펜 구동신호(Ps)의 펄스 개수가 많을수록, 및/또는 펜 구동신호(Ps)의 펄스 듀티가 클수록) 센싱 신호(터치 로 데이터)의 세기가 더 커짐을 알 수 있었다.

[ 필압 센싱 방안]

도 15는 도 13의 압력 센싱부(215)를 보다 상세히 보여준다. 도 16은 터치 압력(필압) 변화에 따른 터치 로 데이터(Touch raw data)의 변화를 보여준다. 도 17은 펜 구동신호를 생성하기 위해, 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 진폭을 변조하는 예를 보여주고, 도 18은 터치 압력, 펜 구동신호의 진폭, 및 터치 로 데이터 간의 관계를 보여준다. 도 19는 펜 구동신호필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 펄스 개수를 변조하는 예를 보여주고, 도 20은 터치 압력, 펜 구동신호의 펄스 개수, 및 터치 로 데이터 간의 관계를 보여준다. 그리고, 도 21은 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 펄스 듀티를 변조하는 예를 보여주고, 도 22는 터치 압력, 펜 구동신호의 펄스 듀티, 및 터치 로 데이터 간의 관계를 보여준다.

압력 센싱부(215)는 도 15와 같이, 가변저항부(215A), 전압변환부(215B), 및 ADC(215C)를 포함할 수 있다. 가변저항부(215A)는 압력 크기가 변할 때 그 저항값이 바뀐다. 전압변환부(215B)는 가변저항부(215A)의 저항값에 대응되는 출력 전압을 생성한다. ADC(215C)는 압력 크기에 대응되는 전압을 디지털 신호로 변환하여 필압 정보를 신호 처리부(250)에 출력한다. 가변저항부(215A)는 가변 커패시터로 대체될 수 있으며, 그 경우 전압변환부(215B)는 RC 딜레이 소자로 대체될 수 있다. 또한, ADC(215C)는 비교기로 대체될 수 있다.

신호 처리부(250)는 도 17과 같이 필압 정보의 신호 레벨에 따라 터치 스크린 구동신호(Ts)에 동기되는 펜 구동신호의 펄스 진폭을 변조하여 필압 정보가 반영된펜 구동신호(Ps)를 생성할 수 있다. 이때, 신호 처리부(250)는 터치 입력 검출이 가능한 범위 내에서 펜 구동신호(Ps)의 펄스 진폭을 가변하여 필압 정보를 나타낼 수 있다. 다시 말해, 펜 구동신호(Ps)의 펄스 진폭(PAM2)은, 도 18의 (A)와 같이 필압 정보가 입력되지 않을 때 터치 스크린 구동신호(Ts)의 펄스 진폭(PAM1)과 같을 수 있으며, 필압 정보의 신호 레벨이 비례하여 터치 스크린 구동신호(Ts)의 펄스 진폭(PAM1)에 비해 점점 더 커질 수 있다. 펜 구동신호(Ps)의 펄스 진폭(PAM2)이 커질수록 터치 스크린에서 센싱되는 터치 센싱 신호(터치 로 데이터)의 크기는 커질 수 있으며, 터치 구동장치는 도 18의 (B)와 같이 터치 로 데이터의 크기를 비교하여 터치 압력(필압)을 판정할 수 있다. 다시 말해, 터치 구동장치는 도 16과 같이 터치 로 데이터의 크기가 증가될수록 필압이 증가되고 있다고 판단할 수 있다.

한편, 신호 처리부(250)는 펜 구동신호(Ps)의 펄스 진폭(PAM2)을 조정하기 위해, 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호(Ps)의 하이 레벨 전압(HLV)을 변조할 수 있다.

신호 처리부(250)는 도 19와 같이 필압 정보의 신호 레벨에 따라 터치 스크린 구동신호(Ts)에 동기되어 1 터치센서 구동기간(T2) 동안 출력되는 펜 구동신호의 펄스 개수를 변조하여 필압 정보가 반영된 펜 구동신호(Ps)를 생성할 수 있다. 이때, 신호 처리부(250)는 터치 입력 검출이 가능한 범위 내에서 펜 구동신호(Ps)의 펄스 개수를 가변하여 필압 정보를 나타낼 수 있다. 1 터치센서 구동기간(T2) 동안 펜 구동신호(Ps)의 펄스 개수(j)는 터치 스크린 구동신호(Ts)의 펄스 개수(k) 이내에서, 도 20의 (A)와 같이 필압 정보의 신호 레벨이 비례하여 점점 증가될 수 있다. 펜 구동신호(Ps)의 개수가 증가할수록 터치 스크린에서 센싱되는 터치 센싱 신호(터치 로 데이터)의 크기는 커질 수 있으며, 터치 구동장치는 도 20의 (B)와 같이 터치 로 데이터의 크기를 비교하여 터치 압력(필압)을 판정할 수 있다. 다시 말해, 터치 구동장치는 도 16과 같이 터치 로 데이터의 크기가 증가될수록 필압이 증가되고 있다고 판단할 수 있다.

신호 처리부(250)는 도 21과 같이 필압 정보의 신호 레벨에 따라 터치 스크린 구동신호(Ts)에 동기되는 펜 구동신호의 펄스 듀티를 변조하여 필압 정보가 반영된 펜 구동신호(Ps)를 생성할 수 있다. 이때, 신호 처리부(250)는 터치 입력 검출이 가능한 범위 내에서 펜 구동신호(Ps)의 펄스 듀티를 가변하여 필압 정보를 나타낼 수 있다.

다시 말해, 펜 구동신호(Ps)의 펄스 듀티(PD2)은, 도 22의 (A)와 같이 필압 정보가 입력되지 않을 때 터치 스크린 구동신호(Ts)의 펄스 듀티(PD1)과 같을 수 있으며, 필압 정보의 신호 레벨이 비례하여 터치 스크린 구동신호(Ts)의 펄스 듀티(PD1)에 비해 점점 더 커질 수 있다. 펜 구동신호(Ps)의 펄스 듀티(PD2)가 커질수록 터치 스크린에서 센싱되는 터치 센싱 신호(터치 로 데이터)의 크기는 커질 수 있으며, 터치 구동장치는 도 22의 (B)와 같이 터치 로 데이터의 크기를 비교하여 터치 압력(필압)을 판정할 수 있다. 다시 말해, 터치 구동장치는 도 16과 같이 터치 로 데이터의 크기가 증가될수록 필압이 증가되고 있다고 판단할 수 있다.

한편, 신호 처리부(250)는 필압 정보의 신호 레벨에 따라 터치 스크린 구동신호(Ts)에 동기되는 펜 구동신호의 펄스 진폭, 펄스 개수 및 펄스 듀티를 적어도 2개 이상 동시에 변조하여 필압 정보가 반영된 펜 구동신호(Ps)를 생성할 수도 있다.

도 23은 펜 구동신호(Ps)의 하이 레벨 전압 변화에 따른 터치 로 데이터 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

도 23의 실험결과에서 명확히 알 수 있듯이, 필압 변화에 따라 펜 구동신호(Ps)의 하이 레벨 전압(HLV)을 Ps_High1에서 Ps_High2로 변화시키면, 터치 로 데이터의 크기가 대략 360에서 600으로 증가되게 된다. 이와 마찬가지로, 필압 변화에 따라 펜 구동신호(Ps)의 펄스 개수 및/또는 펄스 듀티를 가변시키면, 터치 로 데이터의 크기가 그에 비례하여 변한다. 터치 구동장치는 이러한 터치 로 데이터의 변화량을 기초로 하여 압력 레벨을 감지할 수 있다.

도 24는 펜 구동신호(Ps)가 필압 정보의 신호 레벨에 따라 1 프레임 단위로 변조되는 예를 보여준다. 도 25a내지 도 25c는 펜 구동신호(Ps)에 반영된 필압 정보에 따라 터치 스크린의 센싱값(터치 로 데이터)가 달라지는 예를 보여준다. 그리고, 도 26은 신호 처리부(250)에서 필압 정보를 펜 구동신호에 반영하여 출력하는 과정을 보여준다.

도 24 내지 도 26을 참조하면, 압력 센싱부(215)는 필압을 센싱하고, 센싱된 필압을 2진값으로 변환하여 디지털 레벨의 필압 정보를 생성한다(S1,S2). 신호 처리부(250)는 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호(Ps)를 1 프레임 단위로 변조하여 필압 정보가 반영된 디지털 펜 구동신호(Ps)를 1 프레임에 1 비트씩 할당하여 소정 비트의 펜 구동신호(Ps)를 생성할 수 있다(S3,S4). 예를 들어, 신호 처리부(250)는 도 24와 같이 펜 구동신호(Ps1)의 펄스 진폭(A1, A2)을 서로 다르게 하여 디지털 정보인 "0"과 "1"을 표현하거나, 또는 펜 구동신호(Ps2)의 펄스 개수(3개,k개)를 서로 다르게 하여 디지털 정보인 "0"과 "1"을 표현하거나, 또는 펜 구동신호(Ps3)의 펄스 듀티(D1, D2)를 서로 다르게 하여 디지털 정보인 "0"과 "1"을 표현할 수 있다. 필압 정보의 신호 레벨을 표현하기 위한 펜 구동신호(Ps)의 논리값은 1 프레임 단위로 제어될 수 있다. 이 경우, 256개의 압력 레벨들은 8개의 프레임들을 통해 구현되는 8 비트의 펜 구동신호(Ps)에 의해 표현 가능하다. 이러한 소정 비트의 디지털 펜 구동신호(Ps)는 구동부(240)를 통해 아날로그 레벨로 증폭된 후 터치 스크린에 출력된다(S5,S6). 도 25a및 도 25b와 같이 논리값 "1"로 표현되는 펜 구동신호(Ps)에 따른 터치 센싱값(터치 로 데이터)은 논리값 "0"으로 표현되는 펜 구동신호(Ps)에 따른 터치 센싱값에 비해 크다. 표시 장치(10)의 터치 구동장치(18)는 펜 구동신호(Ps)에 따른 터치 센싱값의 크기를 기초로 8비트의 필압 정보를 감지하고, 그에 따라 펜의 필압을 판단할 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이, m 비트의 필압 정보를 펜 구동신호(Ps)에 싣기 위해서는 m개의 프레임들이 필요하다. 신호 처리부(250)는 필압 정보를 m 비트 단위로 구분하기 위해, 도 24와 같이 m개의 프레임들 사이마다 스타트 프레임을 할당할 수 있다. 스타트 프레임에는 필압 정보 구분을 위한 스타트용 펜 구동신호가 할당된다. 스타트용 펜 구동신호는 플래그(Flag) 신호로 이용되며, "1"또는 "0"으로 표현되는 펜 구동신호(Ps)와 펄스 진폭 및/또는 펄스 개수 및/또는 펄스 듀티가 다르다. 구체적으로, 스타트용 펜 구동신호의 펄스 진폭은 "0"으로 표현되는 펜 구동신호(Ps)의 펄스 진폭보다 작으며, 스타트용 펜 구동신호의 펄스 개수는 "0"으로 표현되는 펜 구동신호(Ps)의 펄스 개수보다 작으며, 스타트용 펜 구동신호의 펄스 듀티는 "0"으로 표현되는 펜 구동신호(Ps)의 펄스 듀티보다 작을 수 있다. 이렇게 별도의 스타트 프레임을 통해 필압 정보를 소정 비트씩 구분하면, 터치 스크린의 부하가 크더라도 필압 정보를 정확히 표시장치(10)의 터치 구동장치(18)에 전달하는 것이 가능해진다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 필압 정보의 신호 레벨에 따라 펜 구동신호의 펄스 진폭 및/또는 펄스 개수 및/또는 펄스 듀티를 조정하는 방식으로 필압 정보를 펜 구동신호에 반영하고, 필압 정보가 반영된 펜 구동신호에 따른 터치 로 데이터의 크기 변화를 감지한 후, 그에 따라 터치 입력 위치 뿐만 아니라 터치 압력까지 알아 낸다. 따라서, 본 발명은 압력 센싱을 위해 종래와 같은 별도의 통신 블록과 로직 블록을 구비할 필요가 없어 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10: 표시장치 18: 터치 구동장치
20: 스타일러스 펜 215 : 압력 센싱부
210: 전도성 팁 220: 스위칭부
230: 수신부 231: 수신버퍼
233: 증폭기 235: 비교기
240: 구동부 241: 송신버퍼
243: 레벨 쉬프터 250: 신호 처리부

Claims (18)

1. 정전 용량을 갖는 복수의 터치 센서 및 복수의 센서 배선을 포함하는 터치 스크린;
   상기 터치 스크린에 터치 스크린 구동신호를 인가하고 상기 터치 스크린의 정전 용량 변화를 센싱하는 터치 구동장치; 및
   펜 구동신호를 생성하여 상기 터치 스크린에 송신하는 능동형 스타일러스 펜을 구비하고,
   상기 능동형 스타일러스 펜은,
   상기 터치 스크린에 접촉할 때의 압력을 센싱하여 필압 정보를 생성하는 압력 센싱부; 및
   상기 터치 스크린으로부터 수신되는 터치 스크린 구동신호에 동기되도록 상기 펜 구동신호를 생성하되, 상기 필압 정보의 신호 레벨이 상기 펜 구동신호에 반영되도록 상기 펜 구동신호를 가변하는 신호 처리부를 포함하고,
   상기 터치 구동장치는
   상기 복수의 센서 배선을 통해 상기 복수의 터치 센서들의 전극과 연결되는 터치 센서 채널부;
   공통 전압을 출력하는 공통 전압 버퍼;
   멀티플렉서;
   상기 터치 센서 채널부 및 상기 공통 전압 버퍼 및 상기 멀티플렉서와 연결되어, 디스플레이 구동 기간 동안 상기 터치 센서 채널부를 상기 공통 전압 버퍼에 연결하고, 터치 센서 구동 기간 동안 상기 터치 센서 채널부를 상기 멀티플렉서에 연결하는 스위치 어레이;
   상기 터치 센서의 전하를 증폭하는 증폭기, 상기 터치 센서로부터 수신된 전하를 누적하는 적분기, 및 상기 적분기의 전압을 디지털 데이터로 변환하는 ADC를 포함하는 센싱부;
   상기 디스플레이 구동 기간을 나타내는 제1 레벨, 및 상기 터치 센서 구동 기간을 나타내는 제2 레벨을 갖는 터치 인에이블 신호를 생성하는 제1 타이밍 제어 신호 생성부;
   상기 멀티플렉서 및 상기 센싱부의 동작 타이밍을 제어하기 위한 하나 이상의 타이밍 제어 신호 및 클록 신호를 생성하는 제2 타이밍 제어 신호 생성부;
   상기 디지털 데이터에서 노이즈를 제거하는 DTX 보상부;
   상기 DTX 보상부에 연결되고, 상기 제2 타이밍 제어 신호 생성부에서 생성된 적어도 하나의 타이밍 신호에 기초하여 상기 디지털 데이터에서 노이즈가 제거된 디지털 데이터를 저장하는 제1 메모리; 및
   상기 제1 메모리에 의해 저장된 디지털 데이터를 수신하고, 상기 디지털 데이터를 문턱값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 터치 입력을 판정하도록 구성된 마이크로 컨트롤러 유닛; 을 포함하는 터치 센싱 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 처리부는,
   상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 상기 펜 구동신호의 펄스 진폭을 변조하는 터치 센싱 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 처리부는,
   상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 1 터치센서 구동기간 동안 생성되는 상기 펜 구동신호의 펄스 개수를 변조하는 터치 센싱 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 처리부는,
   상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 상기 펜 구동신호의 펄스 듀티를 변조하는 터치 센싱 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 처리부는,
   상기 필압 정보의 신호 레벨에 따라 상기 펜 구동신호를 1 프레임 단위로 변조하여 상기 필압 정보가 반영된 디지털 펜 구동신호를 1 프레임에 1 비트씩 할당하는 터치 센싱 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 신호 처리부는,
   터치 입력 검출이 가능한 범위 내에서 상기 펜 구동신호의 펄스 진폭, 펄스 개수 및 펄스 듀티 중 어느 하나를 변조하는 터치 센싱 시스템.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 터치 센서 채널부, 상기 공통 전압 버퍼, 상기 멀티플렉서, 상기 스위치 어레이, 상기 센싱부, 상기 제1 타이밍 제어 신호 생성부, 상기 제2 타이밍 제어 신호 생성부, 상기 DTX 보상부, 및 상기 제1 메모리는 상기 터치 구동장치의 드라이버 IC에 집적되고,
   상기 마이크로 컨트롤러 유닛은 상기 드라이버 IC와 별개의 집적 회로인, 터치 센싱 시스템.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 터치 센서 채널부, 상기 공통 전압 버퍼, 상기 멀티플렉서, 상기 스위치 어레이, 상기 센싱부, 상기 제1 타이밍 제어 신호 생성부, 상기 제2 타이밍 제어 신호 생성부, 상기 DTX 보상부, 상기 제1 메모리, 및 상기 마이크로 컨트롤러 유닛은 상기 터치 구동장치의 상기 드라이버 IC에 직접 된, 터치 센싱 시스템.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 터치 구동장치는
   상기 센싱부의 동작에 필요한 타이밍 정보와 관련된 레지스터 설정값을 저장하며, 상기 드라이버 IC의 외부에 있는 제2 메모리; 를 더 포함하고,
   상기 레지스터 설정값은 상기 제1 타이밍 제어 신호 생성부 및 상기 제2 타이밍 제어 신호 생성부로 로딩되는, 터치 센싱 시스템.
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