KR101072334B1 - 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 힘 기반 터치 패널은 다수의 전극 패턴이 형성된 사각형의 전극 패턴판과, 상기 다수의 전극 패턴과 함께 각각의 정전 용량을 형성하기 위해 상기 전극 패턴판과 일정한 간격으로 이격되어 마주보고 형성된 공통 전극과, 사용자에 의해 힘이 가해지는 누름 판과, 상기 누름 판의 외부에 형성된 프레임과, 및 상기 누름 판과 상기 프레임 사이에 위치되어 상기 누름 판을 전단 변형 또는 굽힘 변형을 이용하여 복원시키는 탄성체를 포함함으로써, 정전 용량들의 변화량으로부터 가해지는 힘의 터치 위치 및 터치 압력을 정확하게 산출할 수 있어 다양한 형태의 입력을 실행할 수 있다.

Description

힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치{FORCE-BASED TOUCH PANEL AND DISPLAY APPARATUS HAVING FORCE-BASED TOUCH SCREEN}

본 발명은 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치에 관한 것으로, 특히 정전 용량들의 변화량으로부터 가해지는 힘의 터치 위치 및 터치 압력을 산출할 수 있는 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치에 관한 것이다.

터치 패널은 정보를 입력함에 있어 간단하고 직관적인 인터페이스를 제공할 수 있어 다양한 전자 분야에서 사용되고 있다. 특히 터치 패널의 한 종류인 투명한 터치 스크린은 모바일폰(Mobile Phone), 개인 휴대 정보 단말기(PDA) 등의 디스플레이 장치에서 널리 사용되고 있다.

이러한 터치 패널에는 손가락 또는 수동 물체에 의한 터치 위치를 감지하기 위해, 저항식(resistive), 정전용량식(capacitive) 및 음향식(acoustic) 등의 다양한 방식들이 이용되고 있다.

저항식 터치 패널들은 2개의 도전성 플레이트를 포함하며, 손가락 또는 수동 물체가 2개의 도전성 플레이트를 함께 누름으로써 터치 위치가 감지되지만, 투명도가 낮고 내구성이 약하다는 단점이 있다. 또한, 정전용량식 터치 패널들은 접지에 대한 수동 물체의 정전용량을 측정하거나 양단 정전용량의 변화량을 측정함으로써 터치 위치가 감지되지만, 도체에만 반응하는 단점이 있다. 또한, 음향식 터치 패널들은 터치 패널 표면을 따라 음을 방출하고 이 음과 수동 물체의 상호 반응을 측정하여 터치 위치를 감지하지만, 제조 원가고 높고 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다. 즉, 이들 터치 패널들은 공정이 복잡하고, 또한 고가이며, 무엇보다도 터치 위치만이 측정된다.

이러한 문제점을 개선한 힘 센싱 터치 패드가 한국공개특허 1998-042097호에 기재되어 있다. 그러나 키 버튼 대신에 이용된 이 힘 센싱 터치 패드는, 터치 감도가 250gf 이상에 적합한 것으로, 50gf 정도의 터치 감도를 측정하여 정확한 터치 위치를 검출하여야 하는 터치 스크린으로는 적합하지 않았으며, 무엇보다도 터치 압력을 입력 정보로서 활용할 수 없었다. 또한, 이 힘 센싱 터치 패드는 유리와 같은 취성을 갖는 재질을 이용하여 구현할 수 없다는 문제점이 있었다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 정전 용량들의 변화량으로부터 가해지는 힘의 터치 위치 및 터치 압력을 정확하게 산출할 수 있는 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 힘이 가해지는 경우 두 전극들 사이의 간격의 변화를 이용하여 힘의 터치 위치 및 터치 압력을 정확하게 산출할 수 있는 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 더욱 선명한 디스플레이 장치의 화상을 사용자에게 제공하고, 제조 비용을 절감할 수 있는 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 힘 기반 터치 패널은 다수의 전극 패턴이 형성된 사각형의 전극 패턴판과, 상기 다수의 전극 패턴과 함께 각각의 정전 용량을 형성하기 위해 상기 전극 패턴판과 일정한 간격으로 이격되어 마주보고 형성된 공통 전극과, 사용자에 의해 힘이 가해지는 누름 판과, 상기 누름 판의 외부에 형성된 프레임과, 및 상기 누름 판과 상기 프레임 사이에 위치하여 상기 누름 판을 전단 변형 또는 굽힘 변형을 이용하여 복원시키는 탄성체를 포함하 고, 상기 누름 판에 가해진 터치 위치 및 터치 압력을 산출하기 위하여 상기 공통 전극과 상기 다수의 전극 패턴의 각각의 정전 용량을 측정하는 것을 제공한다.

상기 누름 판과 상기 프레임은 상기 탄성체를 위치시키기 위한 V홈을 각각 구비할 수 있다.

상기 탄성체는 단면적이 원형의 형상으로 복수개로 이루어질 수 있다.

상기 탄성체는 상기 누름 판과 상기 프레임 사이에 사출 성형 또는 정량 토출기를 이용한 삽입으로 접착될 수 있다.

상기 다수의 전극 패턴은 중심선의 상하 또는 좌우가 대칭 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 누름 판은 투명으로 이루어질 수 있다.

상기 다수의 전극 패턴의 배선들에 연결된 멀티플렉서를 더 포함할 수 있다.

상기 멀티플렉서의 출력단자에 공급전압을 공급하기 위한 제1 스위치와, 상기 제1 스위치의 개방 또는 닫힘을 제어하기 스위칭 신호를 생성하는 주파수 발생기를 더 포함할 수 있다.

상기 주파수 발생기의 제어에 의해 충전된 전극 패턴으로부터 입력된 충전 전압과 소정의 기준 전압을 비교하여 디지털 값을 출력하는 비교기와 충전 전압을 방전하기 위한 방전 저항을 구비한 시그마-델타 변조기와, 상기 비교기의 디지털 값으로부터 노이즈 성분을 제거하여 카운팅 값을 출력하는 비트스트림 필터와, 및 상기 카운팅 값으로부터 정전용량의 산출하는 정전용량 산출부를 더 포함할 수 있다.

상기 정전용량은 다음의 식으로 산출될 수 있다.

여기서 Ns는 디지털화된 카운팅 값, Nmax는 최대 카운팅 값, Vdd는 공급전압, Vref는 비교기에 공급되는 기준 전압, fs는 주파수 발생기의 스위칭 신호의 주파수 값, Rb는 시그마-델타 변조기의 방전 저항값이다.

본 발명에 따른 힘 기반 터치 스크린 구비한 디스플레이 장치는 화상을 표시하기 위한 평판 디스플레이 소자와, 상기 평판 디스플레이 소자를 상부에서 고정하는 고정부를 구비한 본체와, 상기 본체의 고정부 상에 형성된 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판의 상에 형성되고 다수의 전극 패턴이 구비된 사각형의 전극 패턴판과, 상기 다수의 전극 패턴과 함께 각각의 정전 용량을 형성하기 위해 상기 전극 패턴판과 일정한 간격으로 이격되어 마주보고 형성된 공통 전극과, 사용자에 의해 힘이 가해지는 투명 판과, 상기 투명 판을 전단 변형 또는 굽힘 변형을 이용하여 복원시키는 탄성체를 구비한 터치 스크린과, 및 상기 공통 전극과 상기 다수의 전극 패턴으로부터 측정된 각각의 정전 용량을 이용하여 상기 투명 판에 가해진 터치 위치 및 터치 압력을 산출하고 상기 터치 위치 및 터치 압력에 따라 상기 평판 디스플레이 소자에 다른 화상을 출력하는 제어부를 제공함으로써 상술한 목적을 달성할 수 있다.

상기 공통 전극은 금속 프레임으로 이루어지며, 상기 금속 프레임은 하부로 연장된 돌출부를 더 구비하고, 상기 탄성체는 상기 투명 판을 복원시키기 위해 상기 금속 프레임의 돌출부와 상기 인쇄회로기판에 사이에 위치될 수 있다.

상기 투명 판의 외부에 형성된 프레임을 더 포함하고, 상기 탄성체는 상기 투명 판과 상기 프레임 사이에 위치될 수 있다.

상술한 구성들에 의해, 본 발명은 정전 용량들의 변화량으로부터 가해지는 힘의 터치 위치 및 터치 압력을 정확하게 산출할 수 있어 다양한 형태의 입력을 실행할 수 있다.

또한, 본 발명은 힘이 가해지는 경우에 탄성체에 전단력이 발생하면 두 전극들 사이의 간격의 변화가 크게 발생하고, 이를 이용하여 힘의 터치 위치 및 터치 압력을 정확하게 산출할 수 있으며, 작은 힘의 변화에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 전극들이 테두리에 형성됨으로써 디스플레이 장치의 화상을 선명하게 사용자에게 제공할 수 있으며, 구조가 간단해짐에 따라 제조 비용을 절감할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치 스크린을 구비한 디스플레이 장치를 첨부한 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 힘 기반 터치 패널의 개략적인 분해 사시 도이고, 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1의 가장자리의 일부분을 도시한 부분 단면도들이고, 도 3은 도 1의 공통 전극 및 전극 패턴으로부터 정전 용량을 측정하는 원리를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 터치 패널(100)은 베이스 판(110), 전극 패턴판(120), 공통 전극(130), 누름 판(140), 테두리 프레임(150) 및 탄성체(160)를 포함한다.

베이스 판(110)은 터치 패널(100)을 유지하기 위해 하부에 형성된 판으로, 인쇄회로기판 또는 평면 디스플레이 소자 등으로 형성될 수 있다.

전극 패턴판(120)는 사각형의 링 모양으로 형상된 시트로, 전극 패턴판(120)에는 일정한 간격으로 이격되어 마주보고 있는 공통 전극(130)과 함께 쌍을 이루어 정전 용량형 압력 센서로 동작할 다수의 전극 패턴(122)이 형성되어 있다. 이 다수의 전극 패턴(122)은 구리, 은 또는 금 등의 도전 재료로 박막 형성될 수 있으며, 은나노 입자를 인쇄하여 형성할 수도 있으며, 또한 인쇄회로기판(PCB)의 형태로 이루어질 수 있다. 한편, 이 다수의 전극 패턴(122)은 중심선의 상하 또는 좌우가 대칭 형태로 형성된 것이 바람직하다.

공통 전극(130)은 다수의 전극 패턴(122)과 함께 각각의 정전 용량을 형성하기 위해 전극 패턴판(120)과 일정한 간격으로 이격되어 마주보고 형성된다. 이 공통 전극(130)은 구리, 은 또는 금 등의 금속으로 형성될 수 있으며, 또한, 누름 판(140)의 하면에 ITO(Indium Tin Oxide) 증착에 의해 형성될 수 있으며, ITO 필름 자체를 이용할 수도 있으며, 또한 도전성 페이스트(paste) 및 은나노 입자를 도포 하여 형성시킬 수도 있다.

누름 판(140)은 사용자가 원하는 정보를 입력하기 위해 손가락 또는 수동 물체로 힘을 가하는 판으로, 폴리카보네이트, 아크릴 수지, 유리 또는 금속판(metal plate) 등으로 이루어질 수 있다. 터치 패널(100)의 하나인 터치 패드의 경우에는 누름 판(140)을 투명하게 설계할 필요가 없으나, 터치 스크린의 경우에는 누름 판(140)을 투명한 창으로 설계하여야 한다.

테두리 프레임(150)은 누름 판(140)의 외부에 형성된다. 즉, 테두리 프레임(150)은 베이스 판(110) 상에 형성되어 누름 판(140)을 일정한 높이로 유지한다.

탄성체(160)는 누름 판(140)과 테두리 프레임(150) 사이에 위치한다. 이에 의해, 누름 판(140)이 힘을 받으면 누름 판(140)과 테두리 프레임(150) 사이의 탄성체(160)에 전단(shear) 혹은 굽힘(bending) 변형이 발생한다.

도 1의 가장자리의 일부분을 형성한 누름 판, 테두리 프레임 및 탄성체를 도시한 부분 단면도들이 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시되어 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 누름 판(140)과 테두리 프레임(150)에는 탄성체(160)를 위치시키기 위한 V홈이 각각 구비되어 있다. 또한, 누름 판(140)과 테두리 프레임(150)의 V홈에는 단면적이 원형의 형상인 원형 탄성체(161)가 구비되어 있다. 이 원형 탄성체(161)는 실리콘에 다른 재료를 일정한 비율로 배합하여 성형한 것으로, 2개 이상으로 이루어질 수 있다. 또한, 이 원형 탄성체(161)는 스프링 상수를 작게 하기 위해 요철 모양을 더 구비할 수 있다. 이 원형 탄성체(161)는 가공이 쉬우며, 종방향뿐만 아니라 횡방향으로도 힘을 받아 전단력이 발생하므로 힘 의 강도에 민감하게 반응할 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 누름 판(140)과 테두리 프레임(150)에는 홈 탄성체(162)를 위치시키기 위한 홈이 각각 구비되어 있다. 또한, 누름 판(140)과 테두리 프레임(150)의 홈에는 홈과 동일한 홈 탄성체(162)가 구비되어 있다. 이 홈 탄성체(162)는 실리콘에 다른 재료를 일정한 비율로 배합하여 성형한 것으로, 2개 이상으로 이루어질 수 있다. 또한, 이 홈 탄성체(162)는 스프링 상수를 작게 하기 위해 요철 모양을 더 구비할 수 있다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 누름 판(140)과 테두리 프레임(150)에 접착 탄성체(163)가 사출 성형이나 정량 토출기를 이용한 삽입으로 접착되어 있다. 이 사출 탄성체(163)는 실리콘에 다른 재료를 일정한 비율로 배합하여 성형한 것으로, 2개 이상으로 이루어질 수 있다. 또한, 베이스 판(110)과 프레임(150) 사이에는 인쇄회로기판(170)이 구비되어 있다.

이하에서는 탄성체가 공통 전극(130)과 전극 패턴(122) 사이에 삽입된 압축 방향의 변형에 의한 것보다 도 2a, 도 2b 및 도 2c의 전단에 의해 발생하는 변형 또는 굽힘에 의해 발생하는 변형(전단의 범위를 넘어 생기는 변형을 말함)이 본 발명의 터치 패널에 적용되는 바람직한 이유를 살펴본다.

도 2a 및 도 2c에서 알 수 있듯이, 공통 전극(130)과 전극 패턴판(120)의 전극 패턴(122) 사이의 간격은 수백 마이크로미터 정도의 미소한 간격이다.

그런데 이 좁은 간격에 탄성체가 삽입되어 있는 경우 힘의 크기 변화에 따른 탄성 변형은 매우 적은 영역에서 일어나게 되므로, 정보를 얻기 위해 요구되어지는 최소 변형량을 얻기 위해서는 누르는 힘의 증가가 요구되어진다. 한편, 과다한 하중이 인가되면 결국 소성 변형을 일으키게 되어 힘이 제거되었을 때 초기의 위치로 복원되는데 많은 시간이 소요될 수밖에 없다. 이러한 문제로 인하여 미소한 간격에 탄성체를 삽입하여 탄성 변형 영역에서 변형량을 이용할 경우 적은 변형량을 사용할 수밖에 없으며 이는 결국 감도 저하를 야기하게 된다. 한편, 큰 변형량을 얻기 위해서는 공통 전극(130)과 전극 패턴판(120)의 전극 패턴(122) 사이의 간격을 크게 하여야 하지만, 이 경우 터치 패널의 두께가 두꺼워지게 된다.

그러나 도 2a 및 도 2c에서 알 수 있듯이, 전단 변형 혹은 굽힘 변형을 이용하면, 탄성 변형 영역에서 큰 변형이 가능하게 된다. 즉, 적은 힘으로 큰 변형을 얻을 수 있어 감도를 높일 수 있고 또한 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있어, 센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서 좁은 간격에서는 탄성체의 전단 변형 혹은 굽힘 변형을 이용하는 것이 바람직하다.

도 1의 공통 전극 및 다수의 전극 패턴으로부터 정전 용량의 변화를 측정하는 원리가 도 3에 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 터치 패널(100)은 공통 전극 및 다수의 전극 패턴(122)으로부터 정전 용량의 변화를 측정하기 위하여, 멀티플렉서(310), 제1 스위치 SW1(322), 제2 스위치 SW2(324), 주파수 발생기(330), 시그마-델타 변조기(340), 비트스트림 필터(350) 및 정전용량 산출부(360)를 구비한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 공통 전극(130)에는 접지 전압이 연결되며, 다수의 전극 패턴(122)에는 정전 용량을 측정하기 위한 배선이 각각 연결된다. 그리고 각각의 배선들은 멀티플렉서(310)에 연결되고, 멀티플렉서(310)의 출력단에는 제1 스위치 SW1(322)와 제2 스위치 SW2(324)가 연결된다. 그리고 제1 스위치 SW1(322)와 제 2스위치 SW2(324)의 접점은 주파수 발생기(330)에 의해 닫히거나 열린다.

먼저, 주파수 발생기(330)는 주기가 변하는 주파수를 발생시키면서 이에 동기시켜 제1 스위치 SW1(322)을 닫는다. 제1 스위치 SW1(322)가 닫히면, 멀티플렉서(310)에 의해 선택된 정전 용량의 측정을 원하는 다수의 전극 패턴(122)의 어느 하나에 공급전압 Vdd가 공급되어 전하가 충전된다. 소정의 시간이 경과하면 주파수 발생기(330)는 제1 스위치 SW1(322)를 열어 충전을 중단하고 제2 스위치 SW2(324)를 닫는다.

시그마-델타 변조기(340)는 주파수 발생기(330)의 제어에 따라 제2 스위치 SW2(324)가 닫히면 충전된 전극 패턴으로부터 충전 전압과 소정의 기준 전압 Vref를 비교하는 비교기(342)와 이 충전 전압을 방전하기 위한 방전 저항 Rb(344)를 구비한다.

그리고 시그마-델타 변조기(340)는 비교기(342)의 비교 결과를 디지털 값으로 출력하고 비트스트림 필터(350)는 이 디지털 값을 입력받아 노이즈 성분을 제거하고 결과적으로 측정하고자 하는 정전용량 Cs의 값에 비례하는 카운팅 값을 출력한다. 정전용량 산출부(360)는 이 카운팅 값을 입력받아 연산에 이용하여 정전용량 Cs를 산출한다.

이를 수학적으로 표현하면 (식 1)과 같이 표현될 수 있다.

(식 1)

여기서 Ns는 디지털화된 카운팅 값, Nmax는 최대 카운팅 값, Vdd는 회로에 공급해 주는 전압, Vref는 시그마-델타 변조기(340)에서 이용되는 기준 전압, fs는 주파수 발생기(330)의 스위칭 신호의 주파수 값, Rb는 시그마-델타 변조기(340)의 방전 저항값이다.

이하에서는 도 3에 도시된 다수의 전극 패턴(122)에서 출력된 전압의 이해를 돕기 위해, 도 4a 내지 도 4c를 통하여 설명한다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 직사각형의 베이스 판(10)과 직사각형의 누름 판(20)의 주변에는 연속적으로 다수의 스프링(30)이 배치되어 있다. 이에 의해, 직사각형의 누름 판(20)의 소정 위치에 힘 F가 가해지면, 누름 판(20)의 주변에 연속적으로 배치된 다수의 스프링(30)에도 힘 F이 전달되어 변형이 발생한다. 이 경우 힘 F의 크기 및 위치에 따라 다수의 스프링(30)의 각각에 다른 힘이 전달되므로, 다수의 스프링(30)의 각각의 변형량은 전달된 힘의 크기에 비례하게 된다.

즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 직사각형의 누름 판(20)의 소정 위치에 가해진 힘 F(N)에 따라 다수의 스프링(30)의 각각이 변형되고, 이에 의해 다수의 스프링(30)의 각각에, 즉 경계선(x,y) 위치에, 반력 p(x,y)(N/m)이 발생한다.

따라서 일정 거리 s(m)에서의 반력 R는 (식 2)와 같이 표현될 수 있다.

(식 2)

도 4c에 도시된 바와 같이, 폭 Wx 및 Wy의 크기를 갖는 평판에서 위치(x',y')에 힘 F이 가해진 경우에 대하여 경계선을 따라 작용된 반력과의 관계는 다음의 식들로 간단하게 표현될 수 있다.

(식 3)

(식 4)

그리고 x방향에 대한 모멘트의 합은 (식 5)과 같이 표현될 수 있다.

(식 5)

그리고 y방향에 대한 모멘트의 합은 (식 6)과 같이 표현될 수 있다.

(식 6)

위의 (식 3)으로부터 경계선을 따라 작용한 반력의 합은 직사각형의 누름 판(20)에 가해진 힘 F와 같으며, 만일 경계선을 따라 힘의 분포 p(x,y)을 알 수 있다면, (식 5) 및 (식 6)으로부터 힘이 가해진 위치(x',y')를 계산할 수 있다.

즉, 힘의 위치(x',y')는 다음의 식들로 표현된다.

(식 7)

(식 8)

한편, 다수의 스프링(30)의 각각의 반력은 힘 F가 가해지는 직사각형의 누름 판(20)과 직사각형의 베이스 판(10) 사이의 간격을 측정함으로써 다수의 스프링(30)의 각각에 발생한 힘을 측정할 수 있다.

즉, 경계선의 위치(x,y)에서의 반력 p(x,y)는 간격에 비례하므로 간격의 측정으로 반력 p(x,y)를 산출할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 직사각형의 누름 판(20)과 직사각형의 베이스 판(10) 사이의 간격을 측정하기 위해 두 전극 사이에 작용하는 정전 용량을 측정한다. 두 전극 사이의 정전 용량 C은 (식 9)과 표현될 수 있다.

C = εA/d (식 9)

여기서 ε는 두 전극 사이의 유전체의 상대 유전율이며, A는 전극의 마주보는 면적이고, d는 두 전극 사이의 간격이다.

(식 9)에서 알 수 있듯이, 두 전극 사이의 정전 용량 C는 두 전극 사이의 유전체의 유전율, 마주보는 전극 면적, 및 두 전극 사이의 간격에 의해 정해진다. 만일 직사각형 누름 판(20)에 힘 F가 가해지면 힘의 크기에 비례하여 두 전극 사이의 간격 d가 변한다. 따라서 두 전극 사이의 간격 d의 변화로 힘 F을 산출할 수 있다.

즉, 다수의 전극 패턴으로부터 발생하는 정전 용량의 변화량을 통해 두 전극 사이의 간격 d의 변화량을 산출하여, 평균값을 구함으로 힘 F에 대한 정보를 얻을 수 있고, 평균값으로부터의 편차를 통해 터치 위치에 대한 정보를 얻을 수 있다.

그리고 이들 터치 패널에 대한 하나 또는 복수의 지점에 발생한 접촉으로부터 다양한 기능을 입력시키는 사용자 입력 방법에 대한 기술적 사상이 한국특허출원 2009-0003635호에 기재되어 있다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시된 힘 기반 터치 패널은 디스플레이 장치에 터치 스크린으로 이용된다. 즉, 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시된 힘 기반 터치 패널은 모바일폰, PDP 및 내비게이션 장치 등의 디스플레이 장치에서 적용되어 화상 메뉴 등과 연계되어 입력 장치로 이용된다.

다만, 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시된 힘 기반 터치 패널은 테두리 프레임(150)에 해당하는 여분의 공간이 요구되므로 모바일폰과 같은 좁은 공간의 터치 스크린으로는 적합하지 않을 수 있다. 따라서 모바일폰과 같은 좁은 공간의 터치 스크린으로 바람직한 형태를 도 5에 도시한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 힘 기반 터치 스크린 구비한 디스플레이 장치의 개략적인 단면도이고, 도 6a는 도 5의 가장 자리의 일부분을 도시한 부분 단면도이고, 도 6b는 밑에서 본 가장 자리의 일부분을 도시한 부분 단면도이다.

디스플레이 장치(500)는 평판 디스플레이 소자(510), 본체(520), 터치 스크린(530) 및 메인 회로(550)를 포함한다.

평판 디스플레이 소자(FPD)(510)는 화상을 표시하기 위한 소자로, 현재 LCD가 주류를 이루고 있다.

본체(520)는 평판 디스플레이 소자(510)를 상부에서 고정하고, 디스플레이 장치(500)의 내부를 보호한다.

터치 스크린(530)은 도 6a에 도시된 바와 같이, 디스플레이 소자(510)를 상부에서 고정하는 본체(520)의 고정부(522) 상에 형성된 인쇄회로기판(532)과, 상기 인쇄회로기판의 상에 형성되고 다수의 전극 패턴이 구비된 사각형의 전극 패턴판(534)와, 다수의 전극 패턴과 함께 각각의 정전 용량을 형성하기 위해 전극 패턴판(534)과 일정한 간격으로 이격되어 마주보고 형성된 공통 전극(536)과, 사용자에 의해 힘이 가해지는 투명 판(538)과, 투명 판(538)을 복원시키는 탄성체(540)를 구비한다.

한편, 공통 전극(536)은 금속 프레임으로 이루어지며, 금속 프레임(536)은 하부로 연장된 돌출부(537)를 더 구비한다. 그리고 탄성체(540)는 투명 판(538)을 복원시키기 위해 금속 프레임(536)의 돌출부(537)와 인쇄회로기판(532)에 사이에 위치되며, 다수의 빈 공간(541)을 구비한다.

그리고 평판 디스플레이 소자(510)의 밑에 메인 회로(550)가 구비되며, 이 메인 회로(550)에는 마이크로컴퓨터 등으로 이루어진 제어부(552)가 구비된다.

이 제어부(552)는 공통 전극(536)과 다수의 전극 패턴으로부터 측정된 각각의 정전 용량을 이용하여 투명 판(538)에 가해진 터치 위치 및 터치 압력을 산출하고, 터치 위치 및 터치 압력에 따라 평판 디스플레이 소자(510)에 다른 화상을 출력한다.

본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포 함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 힘 기반 터치 패널의 개략적인 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 공통 전극 및 전극 패턴으로부터 정전 용량을 측정하는 원리를 도시한 도면이다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 1의 가장자리의 일부분을 도시한 부분 단면도들이다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 누름 판에 가해지는 힘과 두 전극 사이의 간격을 설명하기 위한 도면들이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 기반 터치 스크린 구비한 디스플레이 장치의 개략적인 단면도이다.

도 6a는 도 5의 가장 자리의 일부분을 도시한 부분 단면도이고, 도 6b는 밑에서 본 가장 자리의 일부분을 도시한 부분 단면도이다.

Claims (14)

1. 다수의 전극 패턴이 형성된 사각형의 전극 패턴판;

   상기 다수의 전극 패턴과 함께 각각의 정전 용량을 형성하기 위해 상기 전극 패턴판과 일정한 간격으로 이격되어 마주보고 형성된 공통 전극;

   사용자에 의해 힘이 가해지는 누름 판;

   상기 누름 판의 외부에 형성된 프레임;

   상기 누름 판과 상기 프레임 사이에 위치하여 상기 누름 판을 전단 변형 또는 굽힘 변형을 이용하여 복원시키는 탄성체;

   상기 다수의 전극 패턴의 배선들에 연결된 멀티플렉서;

   상기 멀티플렉서의 출력단자에 공급전압을 공급하기 위한 제1 스위치;

   상기 제1 스위치의 개방 또는 닫힘을 제어하기 스위칭 신호를 생성하는 주파수 발생기;

   상기 주파수 발생기의 제어에 의해 충전된 전극 패턴으로부터 입력된 충전 전압과 소정의 기준 전압을 비교하여 디지털 값을 출력하는 비교기와 충전 전압을 방전하기 위한 방전 저항을 구비한 시그마-델타 변조기;

   상기 비교기의 디지털 값으로부터 노이즈 성분을 제거하여 카운팅 값을 출력하는 비트스트림 필터; 및

   상기 카운팅 값으로부터 정전용량의 산출하는 정전용량 산출부를 포함하며,

   상기 누름 판에 가해진 터치 위치 및 터치 압력을 산출하기 위하여 상기 공통 전극과 상기 다수의 전극 패턴의 각각의 정전 용량을 측정하는 것을 특징으로 하는 힘 기반 터치 패널.
2. 제1항에 있어서,

   상기 누름 판과 상기 프레임은 상기 탄성체를 위치시키기 위한 V홈을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 힘 기반 터치 패널.
3. 제2항에 있어서,

   상기 탄성체는 단면적이 원형의 형상으로 복수개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 기반 터치 패널.
4. 제1항에 있어서,

   상기 탄성체는 상기 누름 판과 상기 프레임 사이에 사출 성형 또는 정량 토출기를 이용한 삽입으로 접착되는 것을 특징으로 하는 힘 기반 터치 패널.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 다수의 전극 패턴은 중심선의 상하 또는 좌우가 대칭 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 힘 기반 터치 패널.
6. 제5항에 있어서,

   상기 누름 판은 투명으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 기반 터치 패널.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,

    상기 정전용량은 다음의 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 힘 기반 터치 패널.

    

    여기서 Ns는 디지털화된 카운팅 값, Nmax는 최대 카운팅 값, Vdd는 공급전압, Vref는 비교기에 공급되는 기준 전압, fs는 주파수 발생기의 스위칭 신호의 주파수 값, Rb는 시그마-델타 변조기의 방전 저항값이다.
11. 삭제
12. 삭제
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