KR101047161B1 - 정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널 - Google Patents

정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널에 관한 것으로서, 특히 정전용량 방식의 힘센서가 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 각각 이루어진 제1 단위전극과 제2 단위전극을 포함하는 전극부 및 상기 제1/제2 단위전극의 각 탄성전극에 결합된 띠 형상의 소재패널을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 힘센서는 사용자가 소재패널 상의 임의의 지점을 터치하여 변형을 일으키면, 상기 변형지점과 상기 제1/제2 단위전극 사이의 거리 및 변형의 크기에 비례하여 상기 제1/제2 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 정전용량이 형성되기 때문에, 이로부터 사용자가 터치한 지점의 좌표 및 터치의 강도를 산출할 수 있다.
정전용량, 힘센서, 고정전극, 탄성전극, 절연체, 터치키, 터치패널

Description

정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널{Force sensor of capacitive sensing type and touch key and touch panel using the same}
본 발명은 정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널에 관한 것으로서, 특히 정전용량 방식의 힘센서가 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 각각 이루어진 제1 단위전극과 제2 단위전극을 포함하는 전극부 및 상기 제1/제2 단위전극의 각 탄성전극에 결합된 띠 형상의 소재패널을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
개인용 컴퓨터(PC), 개인 휴대용 정보단말기(PDA), 또는 그 밖의 개인전용 정보 처리 장치는 키보드, 마우스, 디지타이저 등의 다양한 입력 장치를 이용하여 텍스트 입력과 명령어 수행, 그리고 그래픽 처리 등을 수행한다. 이러한 입력 장치들은 정보처리장치의 용도와 사용환경이 다변화되고 사이즈가 상당히 작아짐에 따라 종래의 대표적인 입력 장치인 키보드와 마우스만으로 사용자의 요구를 총족시키 기에는 한계에 부딪치게 되었으며, 이를 극복하기 위해 보다 입력이 간단하고 오조작은 적으면서도 누구라도 직관적이고 쉽게 이해할 수 있고, 아울러 손으로 직접 문자입력을 할 수도 있는 새로운 입력장치가 꾸준히 개발되어 왔다.
현재에 이르러서는 이러한 입력 장치의 일반적 기능과 관련된 필요성을 충족시키는 수준을 넘어 고신뢰성, 새로운 기능의 제공, 내구성, 소비자의 감성을 충족시킬 수 있는 새로운 재료나 소재를 포함한 설계 및 가공과 관련된 제조기술 등과 같이 미세한 기술로 관심이 바뀌고 있다. 이러한 관련기술의 발전에 힘입어 종래 있었던 오작동과 내구성, 생산성 등의 문제를 해결한 터치키나 터치패널이 휴대용 단말기기의 입력장치로서 상용화되기에 이르렀으며, 터치패널은 입력의 직관성과 편리성은 물론 디자인의 미려함 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 어느덧 입력장치로서 하나의 주류를 형성하기에 이르렀다. 이에 따라 터치패널은 휴대용 단말기기에 주로 적용되었던 한계를 벗어나 근래에는 POS 단말기나 ATM 기기, 산업용 기기 등에 널리 적용되기에 이르렀고, 기술의 발전에 따라 대면적 화면에도 적용이 가능해지면서 텔레비젼이나 PC용 모니터에도 터치패널이 장착되는 사례가 증가하고 있다. 이러한 터치패널의 보편화 추세는 Microsoft사의 차세대 윈도우 버전인 윈도우즈 7이 터치패널 방식의 입력을 지원하는 사실로부터 알 수 있듯이 점점 더 가속화될 것임을 어렵지 않게 짐작할 수 있다.
이와 같은 터치패널에 의한 입력지점의 검출방식과 구조 및 성능 등에 대한 기본적인 내용에 대해서는 널리 알려져 있는데, 터치패널의 종류를 대별하면 저항막 방식(Resistive Sensing), 정전용량 방식(Capacitive Sensing), 초음파 입력 방식, 적외선 입력 방식 및 전자유도방식 등으로 나눌 수 있다.
이 중에서 저항막 방식은 박형, 소형, 경량 또는 저소비전력 등에서 다른 방식에 비해 유리한 설계 방식으로 알려져 있어 LCD(Liquid Crystal Display)와의 조합으로 전자수첩, PDA, 휴대용 PC 등의 입력기기로서 많이 보급되어 있는데, 투명전극(ITO)층이 코팅되어 있는 두 장의 기판을 도트 스페이서(Dot Spacer)를 사이에 두고 서로 마주보게 합착시키는 구조로 이루어지며, 손가락이나 펜 등으로 상부 기판을 눌렀을 때 상부 기판의 투명전극층과 하부 기판의 투명전극층이 상호 접촉되면서 발생되는 전기적 신호를 검출함으로써 압력이 가해진 위치를 결정하는 동작 원리를 갖는다. 이러한 저항막 방식은 응답속도와 경제성에 장점이 있는 반면에 내구성이 부족하고 파손의 위험이 크며, 투명전극층 전체를 전극으로 사용하기 때문에 전극 사이의 저항이 높아 전류소비가 크다는 단점을 갖는다.
한편, 정전용량 방식의 터치패널은 터치화면 센서를 구성하는 투명한 기판(Substrate)의 양면에 특수 전도성 금속(TAO; Tin Antimony Oxide) 물질을 코팅 처리하여 투명전극을 형성하고 여기에 일정량의 전류를 흐르게 하는데, 사용자가 터치패널의 표면을 터치하였을 때의 인체내 정전용량을 이용하여 전류의 양이 변경된 부분을 인식하고 그 크기를 계산하여 위치를 검출하는 원리를 갖는 것이다. 그런데 인체의 정전용량을 이용하기 때문에 인체와 터치패널 사이에 절연체가 개재된 경우, 즉 예를 든다면 펜을 들거나 장갑을 낀 손에 의해서는 동작이 어렵다는 단점 이 있다. 또한 외부환경의 영향을 쉽게 받기 때문에 구조 및 회로의 설계가 복잡하여 사용상 한계가 있고, 대형 크기의 디스플레이 패널 제품의 제작에는 상당한 어려움이 존재하며, 투명전극이 형성된 기판 표면의 긁힘 현상에 취약하다는 문제점을 내포하고 있다.
그리고 초음파 방식의 경우에는 압압효과를 응용한 압전소자가 사용되며, 터치패널 접촉시 발생되는 표면파를 수평 및 수직방향을 따라 교대로 발생시켜 각각의 입력점까지 거리를 파악하여 위치를 결정하게 되는데, 해상도와 광투과율이 높기는 하지만 센서의 오염과 액체에 취약하다는 단점이 있다.
아울러 적외선 방식은 발광소자와 수광소자가 패널 주위에 다수 배치하여 메트릭스를 만드는 구조로서, 사용자에 의해 광선을 차단하게 되면 그 차단된 부분의 출력이 저하되는 지점의 X,Y 좌표를 얻어 입력좌표를 판단하는 원리를 이용한다. 오버레이를 사용하지 않아 광투과율이 높으며 외부충격이나 긁힘에 대한 강한 내구성을 갖고 있으나, 부피가 크고 적외선을 이용한 모니터의 경우 부정확한 터치에 대해서는 식별성이 저하되고 응답속도 또한 느린 단점이 있다.
현재까지 위와 같은 다양한 방식의 터치패널이 개발되고 있으나, 각각의 방식에는 어느 정도의 단점이 존재한다.
즉 종래의 저항막 방식이나 정전용량 방식은 투명한 기판의 표면에 투명전극을 형성하고 있는데 기판의 표면에 형성된 투명전극은 광투과율을 저하시키는 요인으로 작용하고, 아울러 표면에 긁힘 등의 손상이 생기면 기능이 현저히 저하되는 단점이 있다. 또한 기판의 표면에 복잡한 모양을 가지는 투명전극을 형성하는 공정은 비용면에서도 불리하다.
그리고 초음파 방식이나 적외선 방식은 투명전극을 사용하지 않기 때문에 광투과율이 우수하고 표면의 손상에 강하다는 장점을 가지고는 있지만, 전기적 신호를 직접적으로 취득하여 입력좌표를 계산하는 대신에 표면파나 적외선을 매개로 하여 입력좌표를 판단하기 때문에 응답속도가 느릴 뿐만 아니라 그 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 투명한 기판의 표면에 투명전극을 형성하지 않으면서도 전기적 신호를 직접적으로 이용하는 구조를 가지기 때문에, 광투과율이 우수하고 기판 표면에 생긴 손상에 강건할 뿐만 아니라 응답속도 또한 빠른 새로운 정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 종래와 같이 인체의 정전용량을 이용하는 정전용량 방식이 아니라 사용자가 입력좌표에 가하는 압력을 정전용량의 변화로 변환하는 방식을 이용하기 때문에 사용자와 입력지점 사이에 절연체가 개재되어 있어도 동작이 가능한 새로운 정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널을 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.
본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서는 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 이루어진 제1 단위전극을 포함하는 전극부;와, 상기 제1 단위전극에 대향하도록 배치된 고정부; 및 상기 제1 단위전극의 탄성전극과 상기 고정부에 결합된 띠 형상의 소재패널;을 포함하여 이루어진다.
또한 본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서는 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 각각 이루어진 제1 단위전극과 제2 단위전극을 포함하는 전극부; 및 상기 제1/제2 단위전극의 각 탄성전극에 결합된 띠 형상의 소재패널;을 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.
한편 상기 전극부는 고정전극과 탄성전극 사이에 개재된 절연체를 더 포함할 수도 있다.
여기에서 상기 소재패널은 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 특히 상기 소재패널은 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르에테르케톤(Polyether Ether Keton), 폴리이미드(Polyimid)를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
아울러 상기 소재패널의 수직방향 변형율은 신장율보다 큰 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 정전용량 방식의 터치키는 상기와 같은 구성을 가진 힘센서; 및 상기 힘센서의 제1 단위전극 또는 제1/제2 단위전극 각각의 고정전극과 탄성전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 정전 용량을 감지하는 구동회로;를 포함하여 이루어진다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 정전용량 방식의 터치키는 연산부를 더 포함하는데, 제1 단위전극 하나만이 있는 힘센서의 경우에 상기 힘센서의 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면, 상기 연산부는 상기 변형지점과 상기 제1 단위전극 사이의 거리에 비례하여 상기 제1 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량에 사전에 설정된 비례상수를 곱하여 상기 변형지점을 산출한다.
이때 상기 연산부는 상기 제1 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 정전용량이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별하는 것도 가능하다.
한편, 제1/제2 단위전극을 가진 힘센서의 경우에 상기 힘센서의 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면, 상기 연산부는 상기 변형지점과 상기 제1/제2 단위전극 사이의 거리에 비례하여 상기 제1/제2 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 간의 비율로부터 상기 변형지점을 산출한다.
이때 아울러 상기 연산부는 상기 제1/제2 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 각 정전용량의 합이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별할 수도 있다.
한편 본 발명에 따른 정전용량 방식의 터치패널은 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 각각 이루어진 다수의 제1 단위전극들과 제2 단위전극들을 포함하고, 상기 제1 단위전극들과 제2 단위전극들은 각각 일렬을 이루도록 배치되되 상기 제1 단위전극들이 이루는 열의 일단과 제2 단위전극들이 이루는 열의 일단이 수직을 이루도록 배치된 전극부;와, 상기 제1/제2 단위전극들의 각 탄성전극에 결합된 장방형의 소재패널; 및 상기 제1/제2 단위전극들의 각 고정전극과 탄성전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 정전용량을 감지하는 구동회로;를 포함하여 이루어진다.
여기에서 상기 전극부의 고정전극과 탄성전극 사이에 개재된 절연체를 더 포함할 수 있다.
또한 위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 정전용량 방식의 터치패널은 상기 제1 단위전극들과 평행하게 대향하는 제3 단위전극들과 상기 제2 단위전극들과 평행하게 대향하는 제4 단위전극들을 더 포함하고, 상기 제3/제4 전극부의 각 탄성전극에 상기 소재패널이 결합될 수 있다.
여기에서 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 터치패널은 연산부를 더 포함하고, 상기 연산부는 상기 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하였을 때 상기 다수의 제1 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제1 단위전극의 위치에 대응하는 X-좌표와, 상기 다수의 제2 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제2 단위전극의 위치에 대응하는 Y-좌표로부터 상기 변형지점의 좌표를 산출할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 터치패널은 연산부를 더 포함하고, 상기 연산부는 상기 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하였을 때, 상기 다수의 제1/제3 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제1/제3 단위전극의 위치에 각각 대응하는 두 개의 X-좌표와, 상기 다수의 제2/제4 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제2/제4 단위전극의 위치에 각각 대응하는 두 개의 Y-좌표를 결정하고, 상기 두 개의 X-좌표와 두 개의 Y-좌표들의 조합으로 이루어지는 네 개의 좌표의 중심을 상기 변형지점의 좌표로 산출할 수도 있다.
또한 상기 실시예들에 있어서, 상기 연산부는 상기 다수의 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 각 정전용량의 합이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널은 투명한 기판의 표면에 투명전극을 형성하지 않고 기판의 외곽에 전극부를 배치하였기 때문에, 광투과율이 우수하고 기판 표면에 생긴 손상에 강건할 뿐만 아니라 전기적 신호를 직접적으로 이용하여 응답속도 또한 빠르다는 장점을 가진다.
또한 본 발명은 종래와 같이 인체의 정전용량의 영향으로 전극 사이에 형성된 정전용량의 변화를 감지하는 방식이 아니라, 사용자가 입력지점에 가하는 압력에 의하여 탄성변형하는 기판의 거동을 정전용량의 변화로 변환하는 방식을 이용하기 때문에 사용자와 입력지점 사이에 절연체가 개재되어 있어도 그 동작이 가능하다는 장점을 가진다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서 및 이를 이용한 터치키와 터치패널에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 당업자에게 이미 널리 알려진 공지의 기술에 관한 내용이나, 또는 본 발명의 다양한 실시예를 설명할 때 중복되는 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서(100)의 구조를 보여주는 정면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 힘센서(100)는 크게 전극부(110)와 띠 형상의 소재패널(130)로 구성된다.
상기 전극부(110)는 고정전극(114)과, 상기 고정전극(114)과 이격되게 설치된 탄성전극(116)과, 상기 고정전극(114)과 탄성전극(116) 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재(120)로 이루어진 제1 단위전극(112) 및 상기 제1 단위전극(112)과 동일한 구성을 가지며 제1 단위전극(112)과 마주보도록 배치된 제2 단위전극(112')으로 구성된다. 그리고 상기 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이의 공간이 절연층의 역할을 하게 된다. 여기에서 고정전극(114)은 결합부재(120)에 고정되어 움직이지 않는 전극을 의미하고, 탄성전극(116)은 외력의 변화에 따라 결합부재(120) 상에서 외팔보 운동, 다시 말하면 결합부재(120)에 고정된 일단을 중심으로 하여 그 타단이 구부러졌다 펴졌다 하는 반복운동을 할 수 있는 전극을 의미한다.
그리고 상기 띠 형상의 소재패널(130)은 상기 전극부(110)의 제1/제2 단위전극(112,112')의 각 탄성전극(116)에 결합되어 있다.
한편 상기 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 적절한 절연체(118)를 개재시킴으로써 유전율을 조정하는 것 역시 가능하다. 그렇지만 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 공간을 만들어 진공층이나 공기층과 같은 절연층을 형성하는 것이나 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 절연체(118)를 개재시키는 것 모두 그 기본적인 원리는 동일한 것이기 때문에, 이하에서 절연체(118)가 포함된 구성을 기본으로 하여 본 발명을 설명하더라도 상기 절연체(118) 대신 빈 공간이 형성된 실시예가 배제되는 것이 아님을 유의하여야 한다.
위와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 힘센서(100)의 작동원리는 도 2a 및 도 2b에 나타나 있다. 상기 힘센서(100)의 단위전극들(112,112')은 기본적으로 고정전극(114)과 탄성전극(116) 및 그 사이에 개재된 절연체(118)로 구성되어 있는데, 상기 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 전압이 인가되면 정전용량(Capacitance)이 발생하게 된다. 이러한 정전용량은 각 전극(114,116)의 표면적과 전극 사이의 거리 및 절연체(118)의 유전율에 의하여 결정되는데, 이들의 관계는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112009022708822-pat00001
................(1)
따라서 도 2a에 개략적으로 도시된 것처럼, 소재패널(130)의 상면 어느 지점에 압력이 가해져 소재패널(130)이 하측으로 눌려지면, 이에 따라 상기 소재패널(130)에 결합된 탄성전극(116)들은 절연체(118)로부터 벌어지게 되고, 이에 따라 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 거리의 변화가 일어나며, 이는 결과적으로 정전용량의 변화를 불러오게 된다.
도 2b는 도 2a에 개략적으로 묘사된 소재패널(130)과 전극부(110)의 변형을 기하학적으로 모델링한 도면이다. 도 2b에서 θA와 θB는 소재패널(130)의 변형지점 을 기준으로 하여 각각 제1/제2 단위전극(112,112')의 탄성전극(116)에 연결된 소재패널(130)이 수평면과 이루는 각도를 표시한다. 그리고 L은 제1/제2 단위전극(112,112'), 보다 정확하게는 각 단위전극(112,112')에 구비된 탄성전극(116)의 안쪽 사이의 거리 또는 소재패널(130)의 길이를, X는 제1 단위전극(112)의 탄성전극(116)으로부터 변형지점까지의 거리를, 그리고 ℓ은 탄성전극(116)의 높이를 나타낸다.
탄성전극(116)의 높이(ℓ)에 비하여 소재패널(130)의 길이(L)가 상대적으로 매우 큰 값을 가진다면, 제1/제2 단위전극(112,112')의 탄성전극(116)이 변형이 일어나기 이전의 초기 위치로부터 벌어진 거리인 dA, dB는 각각 다음과 같이 근사화될 수 있다.
Figure 112009022708822-pat00002
............(2)
Figure 112009022708822-pat00003
.....(3)
위 (2)식과 (3)식을 각각 (1)식과 결합하면, 제1 단위전극(112)의 정전용량 CA와 제2 단위전극(112')의 정전용량 CB는 제1 단위전극(112)의 탄성전극(116)으로부터 변형지점까지의 거리(X) 및 소재패널(130)의 길이(L)와 다음과 같은 비례관계를 가짐이 도출된다.
Figure 112009022708822-pat00004
................................(4)
Figure 112009022708822-pat00005
.............................(5)
즉 제1/제2 단위전극(112,112') 각각의 정전용량(CA,CB)은 각 단위전극(112,112')에서 변형지점까지의 거리에 비례하게 되고, 이는 변형지점에 가해지는 압력의 세기에 비례하여 각 단위전극(112,112')에서의 정전용량 값이 변하게 된다는 것을 의미한다. 이렇기 때문에 도 1 내지 도 2에 도시된 전극부(110)와 소재패널(130)의 구성을 힘센서(Force Sensor)라 부를 수 있는 것이다.
여기에서 각 단위전극(112,112')에서의 정전용량(CA,CB)을 합한 총정전용량(CA+CB)은 소재패널(130)의 길이(L)의 길이에 비례하므로 결국 총정전용량에 대한 각 단위전극(112,112')에서의 정전용량의 비는 소재패널(130)의 길이(L)에 대한 각 탄성전극(116)으로부터 변형지점까지의 거리(X, L-X)의 비로 나타난다. 따라서 힘센서(100)에서 소재패널(130)의 길이(L)는 일정한 값으로 주어진 값이기 때문에, 이러한 정전용량의 비에 따라 변형지점까지의 거리(X, L-X)를 구할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 힘센서(100)의 변형례(100')를 보여준다. 상기 변형례(100')는 제2 단위전극(112') 대신 전극구조를 가지지 않는 고정부(122)에 소재패널(130)의 일단을 고정하는 것을 특징으로 한다. 상기 고정부(122)는 고정전극(114)과 같이 움직이지 않거나 또는 탄성전극(116)처럼 구부러질 수도 있다.
이러한 힘센서(100)의 변형례(100')는 기본적으로 그 구동원리는 유사하다. 즉 제1 단위전극(112)의 고정전극(114)와 탄성전극(116) 사이에 형성되는 정전용량은 상기 (4)식과 같이 변형지점까지의 거리에 비례하기 때문에 이러한 비례관계로부터 변형지점을 구하는 것이 가능하다. 다만 이러한 변형례(100')는 하나의 단위전극(제1 단위전극)만 있기 때문에 제1 단위전극(112)에 형성되는 정전용량의 값으로부터 직접적으로 변형지점의 위치를 결정할 수는 없다. 따라서 본 변형례(100')에서는 제1 단위전극(112)의 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 형성된 정전용량에 사전에 설정된 비례상수를 곱함으로써 상기 변형지점을 산출하게 된다. 상기 비례상수는 실험 또는 조정과정을 통하여 정해지는 상수이다.
한편 위와 같은 동작원리를 가진 본 발명의 힘센서(100,100')에 포함된 소재패널(130)은 다음과 같은 물성을 가지는 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.
가장 먼저 고려할 물성은 소재패널(130)의 탄성률과 신장률이다. 소재패널(130)의 탄성률은 높을 수록 좋다고 할 수 있는데, 이는 힘센서(100,100')에 작용하는 외력에 대한 민감도를 높일 수 있기 때문이다. 다시 말하면 탄성률이 높다는 것은 작은 힘이 작용하였을 때에도 소재패널이 변형이 쉽게 일어나게 됨을 의미하기 때문이다. 더욱 바람직하게는 반복적인 탄성변형이 일어나도 잔유응력이 거의 남아 있지 않은 소재로 소재패널(130)이 만들어지는 것이 좋다. 그리고 소재패널(130)의 신장률은 작을 수록 유리한데, 적어도 소재패널(130)이 수직방향으로 탄성변형되는 수 mm 범위 내에서의 신장률은 가능한 한 영(zero)에 가까운 것이 바람직하다. 이는 소재패널(130)이 탄성변형될 때 그 길이가 신장되면, 소재패널(130)의 탄성변형에 의해 야기되는 각 탄성전극(116)의 휘어짐이 소재패널(130)의 신장에 영향을 받아 줄어들기 때문이다. 결국 본 발명의 소재패널(130)의 수직방향 변형율은 신장율에 비하여 큰 것이 바람직하다고 할 수 있다.
그리고 상기 소재패널(130)은 가능한 한 넓은 온도범위에서 위와 같은 물성을 유지하는 것이 좋은데, 본 발명의 힘센서(100,100')가 적용될 정전용량 방식의 터치키(200) 및 터치패널(300)의 사용환경을 볼 때 -10∼90℃의 온도범위에서 상기 물성이 최소한 유지되는 것이 바람직하다.
또한 상기 힘센서(100,100')가 터치키(200) 및 터치패널(300)에 적용되는 경우를 고려하면, 상기 소재패널(130)은 투명한 재질로 이루어질 수도 있어야 한다. 설명되지 않은 도면부호 140은 LCD와 같은 디스플레이 장치를 나타낸다.
위와 같은 다양한 요구사항을 수용할 수 있는 소재패널(130)의 재료로는 엔지니어링 플라스틱을 우선적으로 고려할 수 있으며, 구체적으로는 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르에테르케톤(Polyether Ether Keton), 폴리이미드(Polyimid) 재질의 재료를 적용할 수 있을 것이다.
한편 위와 같은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서(100)의 작동원리를 이용하면, 상기 힘센서(100)에 구동회로(210)와 연산부(220)를 더 포함시킴으로써 정전용량 방식의 터치키(200)를 구성할 수 있다.
즉 위와 같은 구성을 갖는 정전용량 방식의 힘센서(100) 및 상기 힘센 서(100)의 제1/제2 단위전극(112,112') 각각의 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 전압을 인가하고, 상기 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 형성된 정전용량을 감지하는 구동회로(210)를 더 포함하면 정전용량 방식의 터치키(200)가 구성될 수 있다.
아울러 상기 터치키(200)는 소재패널(130) 상의 임의의 지점에 외력이 작용한 위치, 즉 사용자가 터치한 위치를 결정하기 위한 연산을 처리하는 연산부(220)를 더 포함하게 되는데, 상기 연산부(200)는 힘센서(100)의 소재패널(130) 상의 임의의 지점에 변형이 발생하였을 때 상기 변형지점과 상기 제1/제2 단위전극(112,112') 사이의 거리에 비례하여 상기 제1/제2 단위전극(112,112')의 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 형성되는 정전용량 간의 비율로부터 상기 변형지점을 산출하게 된다. 연산부(220)가 처리하는 기본적인 연산식은 상기 식(4)와 (5)에 표현된 바와 같다.
그리고 전술한 본 발명에 따른 힘센서(100)의 변형례(100')의 경우 그 기본적인 구성은 거의 동일하나, 전극부(110)에 하나의 단위전극, 즉 제1 단위전극(112)만이 있다는 점에서 상기 연산부(220)의 계산방식이 달라진다. 즉 상기 연산부(220)는 상기 힘센서(100')의 소재패널(130) 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면 상기 변형지점과 상기 제1 단위전극(112) 사이의 거리에 비례하여 상기 제1 단위전극(112)의 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 정전용량이 형성되고, 상기 정전용량에 사전에 설정된 비례상수를 곱함으로써 상기 변형지점을 산출하게 된다.
또한 본 발명에 따른 정전용량 방식의 터치키(200,200')는 사용자가 터치한 강도를 구별할 수도 있다. 즉 상기 연산부(220)는 제1/제2 단위전극(112,112')의 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 형성된 각 정전용량의 합 또는 제1 단위전극(112)의 고정전극(114)과 탄성전극(116) 사이에 형성된 정전용량이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별하도록 구성될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 터치키(200,200')에 적용된 힘센서(100,100')가 소재패널(130)의 변형지점에 가해지는 압력의 세기에 비례하여 각 단위전극(112,112')에서의 정전용량 값이 변하는 특성을 가지고 있기 때문에 기능하다. 사용자의 터치 강도를 구별할 수 있게 되면 어플리케이션상 많은 장점을 가지는데, 이를테면 터치강도의 강약에 따라 서로 다른 명령을 수행하도록 구성하는 것이 가능해진다.
그리고 본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서(100,100')의 구조를 기본으로 하여 2차원의 터치패널을 구성하는 것도 가능하다. 이러한 정전용량 방식의 터치패널(300)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 고정전극(314)과, 상기 고정전극(314)과 이격되게 설치된 탄성전극(316)과, 상기 고정전극(314) 및 탄성전극(316) 사이에 개재된 절연체(318)와, 상기 고정전극(314)과 탄성전극(316) 및 절연체(318) 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재(320)로 각각 이루어진 다수의 제1 단위전극(312)들과 제2 단위전극(312')들을 포함하고, 상기 제1 단위전극(312)들과 제2 단위전극(312')들은 각각 일렬을 이루도록 배치되되 상기 제1 단위전극(312)들이 이루는 열의 일단과 제2 단위전극(312')들이 이루는 열의 일단이 수직을 이루도록 배치된 전극부(310) 및 상기 제1/제2 단위전극(312,312')들의 각 탄성전극(316)에 결합된 장방형의 소재패널(330)을 포함한다. 또한 상기 제1/제2 단위전극(312,312')들의 각 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 전압을 인가하고, 상기 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성된 정전용량을 감지하는 구동회로(340) 역시 포함된다. 물론 제1/제2 단위전극(312,312')들이 연결되지 않은 소재패널(330)의 나머지 두 개의 모서리는 소재패널(330)이 일정한 장력을 가지도록 고정되어 있다.
앞서 설명한 본 발명의 터치키(200)와 비교할 때, 상기 터치패널(300)은 제1 단위전극(312)들과 제2 단위전극(312')들이 일렬을 이루도록 다수개 구비된다는 것과, 상기 제1 단위전극(312)들과 제2 단위전극(312')들이 장방형 소재패널(330)의 서로 인접한 두 모서리에 일렬로 배치된다는 것을 제외하고는 그 구성이 거의 동일하다.
만일 상기 소재패널(330) 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면, 상기 다수의 제1 단위전극(312)들의 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성되는 정전용량들은 상기 변형지점의 거리에 비례하는 값들을 가지게 된다. 이는 변형지점과 가까울수록 탄성전극(316)의 정전용량이 작다는 것을 의미하므로, 다수의 제1 단위전극(312)들의 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값 을 갖는 제1 단위전극(312)의 위치를 변형지점의 X-좌표로 선택할 수 있다. 마찬가지의 원리로 상기 다수의 제2 단위전극(312')들의 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제2 단위전극(312')의 위치를 변형지점의 Y-좌표로 선택할 수 있다. 이와 같은 변형지점의 2차원상의 좌표 산출은 연산부(350)를 통하여 이루어지며, 이 역시 본 발명의 터치키(200)의 경우와 흡사하다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이, 소재패널(330) 상의 변형지점을 보다 정교하게 산출하기 위해서, 본 발명의 터치패널(300)은 상기 제1 단위전극(312)들과 평행하게 대향하는 제3 단위전극(360)들과 상기 제2 단위전극(312')들과 평행하게 대향하는 제4 단위전극(360')들을 더 포함하고, 상기 제3/제4 전극부(360,360')의 각 탄성전극(316)에 상기 소재패널(330)이 결합되도록 구성할 수 있다.
이와 같이 단위전극들(312,312'360,360')을 배치하면, 상기 소재패널(330) 상의 임의의 지점에 변형이 발생하였을 때 상기 다수의 제1/제3 단위전극(312,360)들의 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제1/제3 단위전극(312,360)의 위치에 각각 대응하는 두 개의 X-좌표와, 상기 다수의 제2/제4 단위전극(312',360')들의 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제2/제4 단위전극(312',360')의 위치에 각각 대응하는 두 개의 Y-좌표를 얻을 수 있다. 따라서 상기 두 개의 X-좌표와 두 개의 Y-좌표들을 조합하면 총 네 개의 좌표가 나오게 된다. 따라서 상기 네 개의 좌표의 중심을 상기 변형지점의 좌표로 산출한다면 변형지점의 좌표를 보다 정확하게 계산할 수 있다. 물론 두 개의 X-좌표와 두 개의 Y-좌표는 각각 서로 동일한 경우가 발생할 수 있으며, 가능한 모든 경우를 생각하면 네 개의 좌표는 점, 직선 및 사각형의 도형으로 나타날 수 있다. 그렇지만 이 모든 경우에도 그 중점을 계산하는 것은 가능하며, 점으로 나타난 경우에는 별도의 추가 연산이 필요 없음은 당연하다.
여기에서 제1∼제4 단위전극(312,312',360,360')들의 개수를 증가시키면 해상도가 증가하여, 사용자가 터치한 지점을 보다 정확하게 검출할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 정전용량 방식의 터치패널(300) 역시 사용자가 터치한 강도를 구별할 수도 있다. 즉 상기 연산부(350)는 상기 제1/제2 단위전극(312,312')의 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성된 각 정전용량의 합, 또는 제1∼제4 단위전극(312,312',360,360')의 고정전극(314)과 탄성전극(316) 사이에 형성된 각 정전용량의 합이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별하도록 구성될 수 있다. 이는 단위전극의 개수에만 차이가 있을 뿐 전술한 터치키(200)의 경우와 기본적으로 동일하다.
그리고 본 발명에 따른 정전용량 방식의 터치패널(300)에 구비된 소재패널(330)의 물성 내지는 특성은 전술한 본 발명의 터치키(200)의 경우와 동일하고, 따라서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상 본 발명의 기술적 구성이 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 하며, 본 명세서에 예시된 실시예에 한정되어서는 아니될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서에 대한 개략도.
도 2a는 도 1의 힘센서가 적용된 정전용량 방식의 터치키에 대한 개략도.
도 2b는 도 2a의 터치키의 작동방식을 설명하기 위하여 모델링된 도면.
도 3은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 힘센서의 변형례에 대한 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 정전용량 방식의 터치패널의 일실시예에 대한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 정전용량 방식의 터치패널의 또 다른 실시예에 대한 개략도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
100,100': 힘센서 200,200': 터치키
300: 터치패널 110,310: 전극부
112,312: 제1 단위전극 112',312': 제2 단위전극
114,314: 고정전극 116,316: 탄성전극
118,318: 절연체 120,320: 결합부재
130,330: 소재패널 200: 터치키
210,340: 구동회로 220,350: 연산부

Claims (25)

  1. 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 이루어진 제1 단위전극을 포함하는 전극부;
    상기 제1 단위전극에 대향하도록 배치된 고정부; 및
    상기 제1 단위전극의 탄성전극과 상기 고정부에 결합된 띠 형상의 소재패널;
    을 포함하는 정전용량 방식의 힘센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극부는 고정전극과 탄성전극 사이에 개재된 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 소재패널은 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 소재패널은 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르에테르케톤(Polyether Ether Keton), 폴리이미드(Polyimid)를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 소재패널의 수직방향 변형율은 신장율보다 큰 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  6. 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 각각 이루어진 제1 단위전극과 제2 단위전극을 포함하는 전극부; 및
    상기 제1/제2 단위전극의 각 탄성전극에 결합된 띠 형상의 소재패널;
    을 포함하는 정전용량 방식의 힘센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전극부는 고정전극과 탄성전극 사이에 개재된 절연체를 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 소재패널은 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 소재패널은 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르에테르케톤(Polyether Ether Keton), 폴리이미드(Polyimid)를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 소재패널의 수직방향 변형율은 신장율보다 큰 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 힘센서.
  11. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 정전용량 방식의 힘센서; 및
    상기 힘센서의 상기 제1 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 정전용량을 감지하는 구동회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치키.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 힘센서의 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면, 상기 변형지점과 상기 제1 단위전극 사이의 거리에 비례하여 상기 제1 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량에 사전에 설정된 비례상수를 곱하여 상기 변형지점을 산출하는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치키.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 연산부는 상기 제1 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 정전용량이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치키.
  14. 청구항 6 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 정전용량 방식의 힘센서; 및
    상기 힘센서의 제1/제2 단위전극 각각의 고정전극과 탄성전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 정전용량을 감지하는 구동회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치키.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 힘센서의 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면, 상기 변형지점과 상기 제1/제2 단위전극 사이의 거리에 비례하여 상기 제1/제2 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 간의 비율로부터 상기 변형지점을 산출하는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치키.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 연산부는 상기 제1/제2 단위전극의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 각 정전용량의 합이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치키.
  17. 고정전극과, 상기 고정전극과 이격되게 설치된 탄성전극 및 상기 고정전극과 탄성전극 각각의 일단들이 고정된 절연성의 결합부재로 각각 이루어진 다수의 제1 단위전극들과 제2 단위전극들을 포함하고, 상기 제1 단위전극들과 제2 단위전극들은 각각 일렬을 이루도록 배치되되 상기 제1 단위전극들이 이루는 열의 일단과 제2 단위전극들이 이루는 열의 일단이 수직을 이루도록 배치된 전극부;
    상기 제1/제2 단위전극들의 각 탄성전극에 결합된 장방형의 소재패널; 및
    상기 제1/제2 단위전극들의 각 고정전극과 탄성전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 정전용량을 감지하는 구동회로;
    를 포함하는 정전용량 방식의 터치패널.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 전극부의 고정전극과 탄성전극 사이에 개재된 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 단위전극들과 평행하게 대향하는 제3 단위전극들과 상기 제2 단위전극들과 평행하게 대향하는 제4 단위전극들을 더 포함하고, 상기 제3/제4 전극부 의 각 탄성전극에 상기 소재패널이 결합되는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면, 상기 다수의 제1 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제1 단위전극의 위치에 대응하는 X-좌표와, 상기 다수의 제2 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제2 단위전극의 위치에 대응하는 Y-좌표로부터 상기 변형지점의 좌표를 산출하는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 소재패널 상의 임의의 지점에 변형이 발생하면, 상기 다수의 제1/제3 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제1/제3 단위전극의 위치에 각각 대응하는 두 개의 X-좌표와, 상기 다수의 제2/제4 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성되는 정전용량 중 최소값을 갖는 제2/제4 단위전극의 위치에 각각 대응하는 두 개의 Y-좌표를 결정하고, 상기 두 개의 X-좌표와 두 개의 Y-좌표들의 조합으로 이루어지는 네 개의 좌표의 중심을 상기 변 형지점의 좌표로 산출하는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
  22. 청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,
    상기 연산부는 상기 다수의 단위전극들의 고정전극과 탄성전극 사이에 형성된 각 정전용량의 합이 사전에 설정된 다수의 범위 중 어디에 대응하는지 판단하고, 이에 따라 상기 변형지점에 가해진 외력의 세기를 구별하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
  23. 청구항 17에 있어서,
    상기 소재패널은 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
  24. 청구항 17에 있어서,
    상기 소재패널은 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르에테르케톤(Polyether Ether Keton), 폴리이미드(Polyimid)를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
  25. 청구항 17에 있어서,
    상기 소재패널의 수직방향 변형율은 신장율보다 큰 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 터치패널.
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