KR101076234B1 - 터치 스크린 입력장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터치 스크린 입력장치에 관한 것으로, 터치 스크린 입력장치에 있어서, 일측 방향의 센싱을 감지하는 것으로, 기판의 상부면으로 제 1전극패턴이 형성된 제 1전극층, 타측 방향의 센싱을 감지하는 것으로, 상기 제 1전극층 하부에 구비되고, 기판의 상부면으로 상기 제 1전극패턴과 이 제 1전극패턴이 형성되지 않은 면으로 중첩되며, 각각 소정간격 이격 형성된 제 2전극패턴을 가지는 제 2전극층 및 일측 방향을 감지하는 상기 제 1전극층과 타측방향을 감지하는 제 2전극층의 상기 제 1, 2전극패턴 중 정전용량을 측정하는 해당 전극을 제외한 나머지 전극패턴은 그라운드 상태로 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 센싱되는 전극을 제외한 나머지 전극은 그라운드 상태로 제어함으로써 해당 전극이 차폐막 작용을 하여 외부 노이즈 차단을 용이하게 달성할 수 있는 이점이 있다.
터치 스크린, 정전용량, 센서, 도전성, 그라운드, 차폐막

Description

터치 스크린 입력장치{Touch screen input device}
본 발명은 터치 스크린 입력장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전극패턴 구조를 개선하여 노이즈 절감과 동시에 원가절감을 실현할 수 있는 터치 스크린 입력장치에 관한 것이다.
일반적으로 터치 스크린(touch screen)은 손으로 접촉(touch)하면 그 위치를 입력받도록 하는 특수한 입력장치를 장착한 화면을 말한다. 즉, 키보드를 사용하지 않고 화면(스크린)에 나타난 문자나 특정 위치에 사람의 손 또는 물체가 닿으면, 그 위치를 파악하여 저장된 소프트웨어에 의해 특정 처리를 할 수 있도록 화면에서 직접 입력 자료를 받을 수 있게 한 화면을 말한다.
이러한 정전용량 방식의 터치 스크린은 도 1에 도시된 바와 같이 투명 재질의 창(윈도우 ; 10)과 인체의 접촉을 감지하는 터치 스크린(정전용량 센서 ; 20), 그리고 센서에 전기적 신호를 구동하여 센서로부터 발생되는 전기적 신호의 변화로부터 디스플레이 상에 입력되는 사용자의 터치 행위에 대한 좌표를 계산해내는 컨 트롤러 반도체(제어부 ; 30)와 디스플레이 장치(40)로 구성된다.
상기 터치 스크린 장치가 구비된 전자기기는 동시에 두 점(두 손가락) 이상의 사용자 입력을 감지할 수 있음으로 인해 단순한 한 점(한 손가락)의 터치 입력 외에도 동시에 여러 점 이상의 터치 입력이 가능하여, 사용자의 단순한 한 점의 터치입력 동작뿐만 아니라 그래픽유저인터페이스(GUI)를 통해 구현되는 다양한 형태의 다중 입력 명령체계의 입력장치로서의 적용에 유리한 장점이 있다.
상기 원도우(10)는 일반적으로 0.5mm에서부터 5mm정도 두께의 투명한 플라스틱 재질이나 투명한 유리 재질로 제작되며 정전용량 센서(20)와 디스플레이장치(40) 화면의 최 전면에 위치한다.
상기 정전용량 센서(20)는 원도우(10)의 하부에 위치하게 되며 투명 재질의 필름이나 유리 기판 위에 투명한 특성과 전기 전도성을 갖는 ITO(Indium Thin Oxide)나 폴리머 재질 또는 탄소나노튜브를 이용한 도전성 잉크 등을 도포하여 특정 모양으로 성형된 전극의 패턴을 성형하여 제작된다. 투명한 도전성 재질 중 현재의 기술로는 ITO 재질을 사용하는 것이 일반적이다.
상기 정전용량 센서의 구조는 도 2a와 같이 필름이나 유리 기판(22a, 23a)위에 성형된 각각의 도전성 투명 전극의 패턴을 서로 중첩되지 않는 형태로 제 1층(22b)과 제 2층(23b)에서 각각 제 1축과 제 2축 방향의 정전용량의 변화량을 감지할 수 있도록 배치하거나, 도 3a와 같이 하나의 기판(22a) 위에 한 층의 투명성 도전성 전극패턴층(22b)만을 이용하여 제 1축 방향과 제 2축 방향의 정전용량의 변화량을 감지할 수 있도록 기하학적 구조를 갖는 전극패턴을 배치하게 된다.
이러한 정전용량 센서 장치의 수직적 구조로 인하여 원도우 밖에서 접촉이 되는 정전용량성 매질(일반적으로 사람의 손, 제 1전극이라고 함 ; 25)과 각각의 센서 층에 성형된 투명한 도전성 전극 패턴 영역(전극, 제 2전극 ; 22b, 23b)층 사이에는 원도우 또는 원도우와 1층의 기판(22a)을 포함하는 부분을 간극(유전체/절연체)으로 하는 정전용량(capacitance) 성분이 발생하게 된다.
이때 발생되는 정전용량 성분 중 센서의 제 1층과 제 2층, 즉 제 1축 또는 제 2축에 배치된 각각의 투명 도전성 패턴들과 신체 또는 다른 도전성 매질의 접촉으로 인하여 발생된 정전용량의 크기들을 센서 컨트롤러 반도체를 이용하여 각각 감지하고 이를 각각 센서의 제 1축과 제 2축의 2차원적인 공간에서의 정전용량의 분포를 계산하여 정보기기의 디스플레이 장치에 부합되는 2차원적인 위치를 좌표화하여 출력함으로써 전자기기는 사용자의 터치 행위의 발생 그 자체와 터치가 이루어진 행위의 2차원적 공간에서의 위치를 인지하게 된다.
위와 같은 구조와 동작 원리를 갖는 정전용량 방식의 터치 스크린 장치는 기존의 저항막 방식의 터치 스크린 장치에 비해 외부 충격이나, 긁힘 또는 오염으로부터 보다 더 긴 내구성을 갖고 있을 뿐만 아니라 사용자의 다양한 터치 입력 행위를 감지할 수 있고, 광학적 투과도가 우수하여 맑은 디스플레이 화면을 사용자에게 제공할 수 있는 장점이 있다.
종래의 정전용량 센서 장치는 일반적으로 다음과 같이 세 종류로 구성 되어 있다.
제 1 방식의 센서는 도 2a와 같이 총 2개의 도전성 패턴을 갖는 층의 구조로 제작되며, 제 1, 2층은 도 2b와 같이 제 1축과 2축 방향으로 서로 연결되어 배치된 마름모 형태의 투명 전극 패턴(22b, 23b)들이 최소의 간격을 두고 순차적으로 배치되어 각 방향의 정전용량 및 정전용량의 변화량을 감지하는 역할을 수행 한다.
제 1층의 투명 도전체 패턴과 제 2층의 투명 도전체 패턴의 배치 및 센싱 방향은 서로 직교 하며, 도 2a의 구조와 같이 수직 방향으로 배치되어 2차원적인 공간의 정전용량을 감지할 수 있도록 제작된다.
이때 상기 제 1층의 도전성 전극 패턴과 제 2층의 도전성 전극 패턴은 원도우에서 수직으로 내려다보았을 때에 각의 층의 마름모 형태의 전극들은 서로 마름모의 연결점을 제외한 부분이 겹치지 않도록 배치되어 원도우 표면에 접촉되는 신체의 접촉 동작으로 발생하는 정전용량을 두 개의 축의 방향에서 비교적 균일하게 감지할 수 있는 수직/수평적 구조를 갖는다.
그러나 후술할 제 3방식에 비해 디스플레이 장치(40)와 전자기기 자체, 그리고 원도우 전면으로부터 유입되는 정전기적 노이즈를 효과적으로 차단할 수 없는 단점이 있는 센서 구조이다. 그러므로 센서 패턴에 외부 정전기적인 노이즈의 유입을 차단할 수 있는 그라운드 보호층이 없는 관계로 외부 노이즈에 굉장히 취약하다.
두 번째 제 2 방식의 센서는 도 3a와 같이 단 1개의 투명 도전성 패턴(22b)을 갖는 단일 층의 구조로 제작되며, 한 개의 층만으로 제 1축과 제 2축의 방향의 정전용량 성분을 모두 감지 할 수 있도록 삼각형 및 사각형 등의 형태를 갖는 도전성 패턴의 조합이 일반적으로 사용 된다.
상기 제 1층에 배치된 투명 도전성 전극들의 패턴중 제 1축 방향의 정전용량의 변화성분 및 발생 위치는 사각형 모양의 투명 전극들 중에서 사용자의 신체의 접촉에 의해서 발생하는 정전용량이 분포하는 전극을 통해 감지할 수 있게 된다.
반면에 상기 제 1층에 배치된 투명 도전성 전극들의 패턴중 제 2축 방향의 정전용량의 변화성분 및 발생 위치는 서로 마주보고 있는 직각 삼각형 모양의 두 전극들에 대해 점유되는 인체 접촉면의 면적의 차이를 통해 감지된다.
일반적으로 도 3a의 응용에 있어서 상기와 같이 직각 삼각형 모양의 상부 전극 집단을 하나의 컨트롤러 제어선(27)과 연결하고 하부 전극 집단을 또 다른 하나의 제어선(27)에 연결하였을 경우에는 제 2축 방향에 대해서 한 점(한 손가락)에 의해 발생하는 인체 접촉면의 면적의 차이만 측정할 수 있게 되며, 다수의 사용자 신체의 접촉에는 정확한 위치를 감지하지 못하는 문제가 있어 복잡한 형태의 사용자의 다중 입력을 사용할 수 없는 단점이 발생하게 된다.
반면에 상기 직각 삼각형 모양의 상부 전극들과 하부 전극들을 모두 분리하여 각각 컨트롤러의 제어선에 연결하였을 경우에는 사용자의 다중 입력에 대한 감지가 가능하게는 되지만 제 2축 방향의 센싱 감도가 현격하게 저하되는 문제점을 갖고 있다.
또한 서로 마주보는 직각 삼각형과 인체의 접촉면과의 점유 면적의 차이를 이용하여 제 2축 방향의 실제 위치를 추정하는 일은 각각 삼각형의 면적이 아주 적은 꼭지점 부근, 즉 제 2축 방향의 양쪽 종단점 부근에서는 정확한 정전용량을 측정하는데 어려움이 많을 뿐만 아니라, 삼각형 모양의 투명성 전극중 제어선과 연결 되는 부분에서 꼭지점 부근까지의 종단 저항이 일반적으로 수 KΩ에서 수십 KΩ에 이를 경우가 있어 제어선과 연결된 부근에서 거리가 가장 멀리 떨어진 종단 부근에서 정전용량을 감지하게 될 경우에는 실제 형성된 정전용량 보다 매우 적은 값이 감지되어 실제 인체의 접촉으로 발생하는 정전용량의 값이 제어선과 연결된 부분과 종단쪽이 서로 비대칭적인 구조를 갖게 되는 문제가 있다.
또한, 투명전극을 형성하는 ITO재질의 농도 분포가 일정하지 않아 국소적으로 면저항(Ω /squre)값이 비 균일하게 분포하는 경우가 많아 ITO 재질의 투명 전극이 제 2축 방향의 위치 값 결정은 매우 어렵다.
따라서 이러한 방식의 정전용량 방식의 터치 스크린 장치를 적용한 전자기기는 제조 완료 후 검사 단계에서 출하 전에 반드시 상기 오차에 대한 보정을 위하여 실제 측정된 면적의 값과 실제 디스플레이 장치간의 제 2축간 오차를 보정하는 절차를 수행하여야 하는 경우가 많아 적용이 어려운 경우가 발생하게 된다.
또한, 한쪽 축에 대한 감도는 우수하나 나머지 한 방향에 대한 감도는 저하되거나, 감도는 우수하나 나머지 한 방향에 대한 해상도가 저하되고, 외부 노이즈가 많은 시스템에서는 그라운드 층을 하나 더 사용해야 하는 단점이 있고, 대형 사이즈의 응용에는 불리 할 뿐만 아니라, 패턴의 양쪽에서 측정을 할 경우에 발생되는 정전용량의 값이 실제 화면상의 좌표와 1:1 대응이 되지 않아 정밀한 좌표 계산에는 어렵고, 생산 출하시에 칼리브레이션(calibration)과정을 통해 실제 감지되는 좌표와 디스플레이 장치간의 오차에 대한 교정을 진행해야 되는 문제점이 있다.
세 번째 제 3 방식의 센서는 상기 도 4a와 같이 제 1방식인 도 2a의 제 2층 기판(23a) 밑에 세 번째 층인 도전성 투명 그라운드 보호층(ground shield ; 24a, 24b)을 적용하는 방식이다.
그라운드 보호층은 도 4a의 3층 기판(24a)위에 투명 전극층(24b)을 도 4b와 같이 넓은 모양으로 기판의 거의 전 면에 넓게 도포하는 구조로 되어 있다.
제 1방식에 비해 디스플레이 장치(40)와 전자기기 자체, 그리고 원도우 전면으로부터 유입되는 정전기적 노이즈를 효과적으로 차단할 수 있는 장점이 있는 반면에 고가의 투명 전도성의 층이 하나 더 사용이 됨으로 센서 제작에 비용적인 면이나 제작 공정적인 면에서 다소 불리한 방식의 센서 구조이다.
이와 같은 다양한 종래 터치 스크린 입력장치에 있어서, 제 1 방식의 경우 고가의 투명 도전막 층의 숫자를 제 3 방식에 비해서 한 층 줄일 수는 있는 장점이 있다.
그러나 제 1방식은 제 3층의 구조와 같은 노이즈 차폐막(shield)층이 없는 관계로 정전용량을 감지하는 센서 층(22b, 23b)이 외부 노이즈 환경에 그대로 노출이 되게 되며 인체의 접촉에 의한 정전용량의 변화를 감지하는 동안 외부로부터 유입되는 정전기적인 노이즈를 차단하는 기능을 수행하지 못하는 단점이 있다.
일반적으로 제 1층과 제 2층의 투명 도전성 패턴은 일종의 안테나 역할을 수행하게 되어 외부 노이즈가 쉽게 유입될 수 있으며, 제 1층과 제 2층의 도전막의 패턴중에 보다 긴 길이의 패턴과 보다 높은 저항을 같는 패턴 구조일수록 더 많은 노이즈가 유입되는 것이 실험적으로 검증되었다.
일반적으로 외부에서 발생되어 유입되는 노이즈는 정전용량 센서 하단과 밀 접해 있는 디스플레이 장치를 포함하는 전자기기 시스템 자체의 노이즈, 그리고 원도우 밖으로부터 유입되는 인버터 스탠드, 전동 모터의 노이즈(이를 통칭하여 AC, DC, 또는 R/F 노이즈라 부른다), 그리고 노이즈 환경에 놓인 인체로부터 유기되는 정전용량 성분 외의 신호 성분 노이즈를 통칭한다.
따라서 상기 제 1방식의 센서를 이용한 응용에서는 외부에서 유입되는 노이즈의 영향을 배제하기 위하여 정전용량 측정을 반복적으로 진행 하여 산술적 평균을 찾는 방식 또는 노이즈 제거 회로나 소프트위에 등을 컨트롤러에 추가하여 노이즈로 인한 문제를 해결하고자 하지만 원천적으로 유입되는 노이즈 문제를 해결하기에는 어려움이 있다.
제 2방식의 경우 정전용량을 측정하기 위한 센서의 층(22b)이 단지 한 층으로 구성되어 있어 센서의 제작비용이 가장 낮아 유리한 장점이 있다. 그러나 상기 제 3방식과 같이 노이즈 차폐막(shield ; 24b) 층이 없는 관계로 제 1방식과 같은 노이즈 문제를 해결하는데 어려움이 있는 것과 함께 추가적으로 다음의 문제점이 존재해 왔다.
한쪽 방향의 감도와 해상도는 좋으나 다른 방향의 해상도와 감도는 현저하게 떨어지는 관계로 정밀한 위치에 대한 포인팅의 어려움이 있어 풀터치 스크린의 주요 기능인 필기체 인식 및 다중입력 동작을 진행하기에는 어려운 점이 많다
또한 완제품에 기기에 탑재될 경우 반드시 감도가 낮은 축 방향에 대해서는 매번 출하시에 터치로 인하여 발생한 정전용량 센서의 출력 좌표값과 디스플레이 장치의 실제 좌표간의 오차에 대한 교정값을 세팅하여야 하는 문제가 있어 왔다.
이로 인하여 터치 스크린의 주요 기능인 필기체 인식 및 다중입력 동작을 수행하기에 어려운 것이 일반적이다.
또한 제 3방식은 제 1방식의 구조에 추가적으로 고가의 도전막 층을 한 층을 더 사용하여 결국 세 층이나 사용해야 함으로 센서 제작에 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 센서 제작에 필요한 작업량이 한 층이나 두 층을 사용하는 센서에 비해 현저하게 많은 관계로 생산성이 낮게 된다.
3개의 도전성 층으로 구성되어 있어 제조 원가가 높고, 3개의 층의 구성으로 인해 디스플레이장치의 화면 밝기가 저하 되며, 늘어난 작업 공정으로 인해 전반적인 생산수율(양품의 비율)이 감소하게 된다. 따라서 제 3방식은 도전막 층(이하 ITO층)의 숫자를 줄여 원가를 절감하고 생산 수율을 높일 필요가 있다.
그리하여 기존의 터치 스크린 입력장치 방식의 장점을 그대로 가지며, 여러 가지 단점을 보완한 기술개발이 필요한 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 생산 비용의 문제 및 외부에서 유입되는 정전기적인 노이즈 제거에 관한 문제 또는 선형성 및 감도의 부족 등을 문제점을 해소한 터치 스크린 입력장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
따라서 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치는 제 2전극층의 전극패턴의 구조와, 제 1전극층과 제 2전극층의 도전성 전극을 제어하는 제어부의 제어방식을 변경하여 정전용량 감지 기능을 개선할 수 있으며, 유입되는 외부 노이즈를 제거할 수 있는 수단으로 동시에 적용되는 터치 스크린 입력장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 제 1전극층과 제 2전극층에 형성된 제 1, 2전극패턴이 센싱하고 있지 않을 때에는 그라운드 차폐막으로서 최대화의 효과를 낼 수 있는 제 1, 2 전극패턴의 구조를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 터치 스크린 입력장치에 있어서, 일측 방향의 센싱을 감지하는 것으로, 기판의 상부면으로 제 1전극패턴이 형성된 제 1전극층, 타측 방향의 센싱을 감지하는 것으로, 상기 제 1전극층 하부에 구비되고, 기판의 상부면으로 상기 제 1전극패턴과 이 제 1전극패턴이 형성되지 않은 면으로 중첩되며, 각각 소정간격 이격 형성된 제 2전극패턴을 가지는 제 2전극층 및 일측 방향을 감지하는 상기 제 1전극층과 타측방향을 감지하는 제 2전극층의 상기 제 1, 2전극패턴 중 정전용량을 측정하는 해당 전극을 제외한 나머지 전극패턴은 그라운드 상태로 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1전극패턴은 마름모(또는 다이아몬드) 형상을 가지는 전극패턴이 제 1축방향으로 연결되도록 배열 형성되며, 상기 제 2전극패턴은 상기 제 1전극패턴과 직교하도록 막대형상을 가지고 형성되며 각각의 제 2전극패턴은 소정간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1전극패턴은, 그 면적이 터치 스크린 전체 면적의 1/2를 초과하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1전극패턴간의 이격면적과 제 2전극패턴간의 이격면적은 중첩되지 않을 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 센싱중인 전극을 제외한 나머지 전극은 그라운드 전압 또는 특정전압을 인가하여 상기 제 1전극층과 제 2전극층을 차폐막으로 적용시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 제 1전극층과 제 2전극층에 형성된 정전용량 센싱을 위한 제 1, 2전극패턴에 전기적 신호를 순차적으로 인가하여 정전용량의 값을 측정함에 있어서 각각의 전극패턴들 중에서 센싱을 진행하는 전극 외에 나머지 모든 전극들은 그라운드 전압 또는 특정 전압을 인가하여 센싱하는 전 극 외에는 나머지 모든 전극의 면적을 모두 외부에서 인가되는 정전기적 노이즈로부터 정전용량을 감지하는 전극을 보호하는 정전기적 차폐막(Shield)으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
즉, 제 1전극층의 전극패턴이 센싱을 진행할 때 제 1전극층 중 센싱을 진행하지 않는 나머지 전극패턴은 센싱 전극의 측면 방향으로 유입되는 정전기적 노이즈를 차폐하는 역할을 수행하며, 막대모양의 형상을 가지는 제 2전극층은 센서의 감지 면적으로 그라운드 전압이 인가된 노이즈 차폐층의 역할을 수행하게 됨으로 제 2전극의 밑면에 위치하는 디스플레이 장치(LCD 또는 OLED 등)로부터 유기되는 하부 방향의 정전기적 노이즈를 효과적으로 차단하는 기능을 수행하게 된다. 또한 센싱을 진행하는 제 1전극층은 그라운드 전압이 인가된 제 2전극층과 거의 모든 면적이 근접해 중첩되어 있음으로 인해 발생하는 기생 정전용량으로 인해 상부로부터 유입되는 노이즈를 감쇄시켜주는 기능을 수행하는 형태의 구조가 된다.
또한, 제 2전극층의 전극이 센싱을 진행할 때 제 2층의 전극 중 센싱을 진행하지 않는 나머지 제 2전극층은 측면에서 유입되는 노이즈 성분을 차단하게 되며, 제 2전극층의 전극패턴으로 하부 디스플레이 장치 또는 전자기기 자체로부터 유입되는 노이즈의 경우 제 2전극패턴은 기존의 전극패턴 구조(다이어몬드, 마름모형)과 다른 직사각형의 패턴구조로 인하여 종단저항이 약 1/10정도 작은 관계로 정전용량 측정을 위해 인가되는 전기적 신호의 종단 강도가 증가되어 신호대 잡음이 비율이 10배 정도 높아진 상태임으로 현저하게 작은 노이즈만 유입되어 높은 작동성을 갖는다.
또한, 제 2전극층의 전극패턴의 면적 중 약 1/2정도가 상부 제 1층의 전극 패턴과 매우 근접해 겹쳐 있음으로 그라운드 전압으로 차폐막화 된 제 1전극층과 제 2전극층의 정전용량 감지 전극패턴간의 기생 정전용량 또한 외부로부터 유입되는 노이즈를 감쇄 시켜 주는 역할을 함께 수행한다.
따라서, 그라운드 보호층(ground shield layer)을 별도로 두지 않아도 외부에서 유입되는 정전기적 노이즈를 효과적으로 차폐 할 수 있게 됨으로써 정정용량 터치 센서의 감도 향상 및 제조상에 원가절감, 작업의 단순화로 인한 생산성 향상 및 최종 검사 시 양품의 수율을 높일 수 있게 된다.
따라서 본 발명은 생산 비용 절감과 정전기적 노이즈 차폐가 가능하며 선형성 및 감도가 우수하고, 다중 입력이 가능한 정전용량 방식의 터치 스크린 입력장치를 제공하는 우수한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치를 나타낸 단면도, 도 6은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 1전극층을 나타낸 평면도, 도 7은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 2전극층을 나타낸 평면도, 도 8은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 1, 2전극층의 결합된 상태를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 정전용량 측정 상태를 나타 낸 단면도, 도 10은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 1전극패턴에 의해 제 2축방향 센싱을 진행할 때의 전극의 상태를 나타낸 상태도, 도 11은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 2전극패턴에 의해 제 1축방향 센싱 상태를 나타낸 상태도, 도 12는 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 정전용량 검출방식을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치는 제 1전극패턴(110)이 형성된 제 1전극층(100)과, 상기 제 1전극층 하부에 구비되며, 상기 제 1전극패턴과 제 1전극패턴을 제외한 면으로 중첩되도록 구비되고, 소정간격 각각 이격된 제 2전극패턴(210)을 가지는 제 2전극층(200) 및 상기 제 1전극층과 제 2전극층에서 센싱하는 전극을 제외한 나머지 전극은 그라운드 상태로 제어하는 제어부(300)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
다음의 설명에 앞서 본 발명에 따른 일실시예로 제 1전극층은 2축방향에 대한 센싱을 담당하며, 제 2전극층은 제1축방향에 대한 센싱을 담당하는 구조로 설명한다.
제 1전극층(100)은 제 1축의 방향으로 연결되어 배치된 마름모(또는 다이어몬드) 형태의 제 1전극패턴(투명 전극 패턴 ; 110)들이 제 2축 방향으로 최소의 간격을 두고 배열되는 구조를 가지며, 상기 제 1전극층(100)은 제 2축 방향의 정전용량의 변화를 감지하는 역할을 수행 한다. 기판에 패터닝된 상기 제 1전극패턴(110)은 정전용량을 감지하기 위한 외부 반도체에 연결되기 위해 센싱채널(130)에 모여 진다. 또한, 상기 제 1전극패턴의 제 2축방향으로는 전극패턴간에 소정간격으로 이격된다.
제 2전극층(200)은 제 1축 방향의 정전용량에 대한 변화를 센싱하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 주요 기술적 요지로 막대형상을 갖는 제 2전극패턴(210)이 제 1축방향으로 배열되며, 상기 제 2전극패턴(210)간에 소정간격(230)이 이격되어 배열된다.
이때 상기 소정간격(230)은 상기 제 1, 2전극패턴(110, 210)이 제 2축과 제 1축 방향으로 놓이게 될 때 전극과 전극간의 구분을 위해 띄어 두는 이격 거리로서 제 2전극패턴(210) 형성 시 허용하는 최소의 거리를 의미한다.
상기 제 2전극패턴(210)에 대해 좀 더 상세히 설명하면, 제 1전극패턴(110)과 직교하는 방향으로 긴 막대형상을 갖는 제 2전극패턴이 배열을 형성하며, 정전용량을 감지해야 하는 제 2전극층(200)의 패턴 면적 중에 전극의 배치 및 구분을 위해 공간을 두어야 하는 최소의 간격(230)을 제외하고는 전 면적을 포함하는 형태의 전극을 순차적으로 형성된다. 이것은 후술하겠지만, 최소의 간격을 제외한 전면적으로 전극을 형성시킴으로써 차폐막역할을 수행한다.
현재 일반적으로 터치 스크린용으로 사용되는 ITO재질의 저항값은 약 300 Ω/sq수준임으로 휴대폰에서 많이 사용되는 약 3인치 정도의 디스플레이용 터치 스크린에서 상기 제 2전극층과 같은 막대형상의 전극패턴을 적용할 경우 도전성 전극의 양 끝간의 종단 저항값은 약 1.5KΩ ~ 4KΩ에 이르게 된다. 따라서 종래 구조에 따라 종단 저항의 증가에 의한 감지 능력의 저하가 현저히 감소하게 되어 우수한 센 싱 감도를 갖는 전극 패턴이 가지게 된다.
또한, 터치 스크린 제어부(300 ; 반도체)에서 정전용량 측정을 위해 인가하는 전기적 신호가 전달되는 종단까지 잘 전달될 수 있게 됨으로써 정전용량의 감지를 위한 전기적 구동 신호대비 외부에서 유입되는 정전기적 노이즈, 즉 신호대 노이즈 비율(Signal to Noise Ratio, SNR)이 증가되어 상대적으로 노이즈에 대한 강한 내성을 가지게 된다.
이와 같이 구성되는 상기 제 1전극층과 제 2전극층이 도 8에 나타낸 바와 같이 겹쳐 결합되면 제 1전극패턴과 제 2전극패턴이 직교하게 배치되어 2차원적인 공간의 정전용량을 감지할 수 있도록 준비된다. 이때 상기 제 2전극패턴은 제 1전극패턴과 중첩되면서도 제 1전극패턴이 형성되지 않는 면적까지 제 1전극층과 중첩된다.
이때 상기 제 1전극패턴과 제 2전극패턴을 윈도우(400)에서 수직하게 내려보면 제 1전극층의 마름모 형태 전극들이 제 2전극층의 막대모양 전극들과 매트릭스 형태를 이루어 겹쳐지도록 배치되며, 제 2전극패턴 면적에 비해 약 50%정도의 면적을 차지하도록 구성된다. 또한, 제 1전극패턴간에 이격된 면적과 제 2전극패턴간에 이격된 면적은 제 1, 2전극층을 겹쳤을 때 겹쳐지지 않는다.
따라서 제 1전극층에서는 제 1전극패턴의 방향에 따라 정전용량의 변화를 측정하게 되며, 제 2전극층에서는 상기 제 1전극패턴과 겹치지 않는 부분의 제 2전극패턴에서 제 1전극패턴과 직교하는 방향의 정전용량 변화를 측정하게 되는 것이다.
윈도우(400) 표면에 신체의 접촉 동작으로 발생하는 정전용량을 측정할 때 제 1전극패턴(110)들은 제 2전극패턴과 무관하게 해당 전극이 차지하는 면적만큼의 정전용량을 측정 할 수 있게 되며, 상기 제 2전극패턴(210)은 제 1전극패턴과 겹쳐지는 부분을 제외한 면적에서 정전용량을 측정 할 수 있다. 따라서 제 1, 2전극패턴은 비교적 균일하게 정전용량을 감지할 수 있는 수직 구조를 갖는다.
따라서 본 발명은 제 2 전극층(200)의 구조가 종래 방식과 상이함에도 불구하고 종래의 방식과 동등한 수준의 또는 제 2전극패턴의 경우 감소된 도전성 패턴의 종단 저항값으로 인해 정전용량 감지가 개선된 성능을 발휘한다.
또한 상기 제 1전극층(100)의 정전용량 측정 감도를 제 2전극층(200)과 유사하게 구현하기 위해서는 마름모(또는 다이어몬드) 형상의 전극패턴 크기를 고정하고 연결점의 두께를 넓혀야 함으로 경우에 따라 상기 제 1전극층(100)의 전극패턴 면적의 합을 감지해야 하는 디스플레이 면적의 1/2를 초과하여 전극 패턴이 형성될 수 있다. 다만, 너무 많은 면적에 전극 패턴을 형성할 경우 제 2전극층이 제 1전극층 위의 터치 스크린 영역인 윈도우(400)에 노출되는 면적이 감소하여 제 2전극층의 정전용량 감지 능력이 저하되는 것에 주의하여야 한다.
한편, 본 발명에서는 2축방향을 감지하는 제 1전극층과 1축방향을 감지하는 제 2전극층에 대하여 패턴의 방향과 구조에 대하여 설명하였으나, 이것은 일실시예일 뿐 마름모 형태의 제 1전극패턴과 막대형상의 제 2전극패턴의 방향을 바꿔 해당 센싱 방향을 변경하는 것은 당업자로부터 용이하게 실시할 수 있는 것에 불과하다.
다음으로 제 1전극패턴의 저항값과 정전용량 감지 능력에 대하여 설명한다.
일반적으로 ITO재질의 저항값은 현재 수십 Ω/sq에서 수천 Ω/sq정도의 면저항값을 갖는다. 현재 터치 스크린용으로 사용되는 ITO재질의 저항값은 약 300 Ω/sq수준임으로 휴대폰에서 많이 사용되는 약 3인치 정도의 디스플레이용 터치 스크린 입력장치에서 제 1전극패턴과 같은 다이어몬드 형태의 전극을 적용할 경우 도전성 전극의 양 끝간의 종단 저항값은 다이어몬드 패턴의 크기와 그 연결점의 두께에 따라서 약 10KΩ ~ 40KΩ에 이르게 된다.
따라서 상기 제어부(300)로부터 정전용량 측정을 위한 전기적 신호가 제 1전극층의 센싱 전극 패턴으로 인가될 경우 제 1전극패턴(110)의 저항값과 인체의 접촉으로부터 발생한 정전용량의 조합으로 도 9에 도시된 바와 같이 R0*N(R0은 상징화된 저항값, N은 상징화된 정수)과 C1+C0 또는 C2+C0과 같은 구조를 갖는 일종의 저역통과 필터(R-C구조의 Low pass filter)와 같은 구조가 발생하게 된다.
C1과 C2는 정전용량 감지를 위한 전극 패턴과 원도우(400) 사이에 발생하는 정전용량의 상징화한 값이며, C0은 상기 원도우와 인체를 통한 가상 접지면 사이에 발생하는 정전용량을 상징화한 값이다. 이러한 저역통과 필터의 구조는 정전용량 감지를 위한 도전성 패턴의 저항값의 증가로부터 발생하는 인자로 센서의 정전용량 성분을 측정하기 위해 충전/방전을 위해 컨트롤러로부터 인가되는 전기적 신호의 폭을 감쇄시키게 되며, 감쇄된 전기적 신호는 인체의 접촉으로부터 발생한 정전용량의 변화에 대한 측정 감도를 저하시키는 원인이 된다.
도 9의 510d는 정전용량 측정을 위해서 터치 스크린 제어부(300)로부터 인가 되는 전기적 신호선(510d)의 전압과 시간에 대한 파형이며 전압의 진폭은 V0의 수준을 갖는다.
590은 정전용량 측정을 위해서 상기 제어부로부터 인가되는 전기적 신호의 파형이 가상의 저항 R0을 거쳐 사용자의 터치입력을 받는 제 1 지점(590)에서 측정된 전기적 신호의 파형이며 R0-C1-C2성분으로 구성되는 저역 통과 필터 성분에 의해서 감쇄된 신호 전압의 진폭은 V1의 수준을 갖는다.
591은 상기 제어부(300)로부터 인가되는 전기적 신호의 파형이 가상의 저항R0+R0+R0+R0+R0+R0을 거쳐 사용자의 터치입력을 받는 제 2지점(591)에서 측정된 전기적 신호의 파형이며, (R0+R0+R0+R0+R0+R0)-C2-C0성분으로 구성되는 저역통과 필터 성분에 의해서 감쇄된 신호 전압의 진폭은 V2의 전압 수준을 갖는다.
이렇게 최초 정전용량 터치 스크린 제어부의 감지 전압의 진폭(V0)과 도전성 전극의 제 1지점에서 측정된 전압의 진폭(V1), 그리고 제 2지점에서 측정된 전압의 진폭(V2)은 다음과 같은 [수식 1]상관 관계를 갖으며,
V0 > V1 > V2
터치센서의 정전용량 감지를 위한 전극패턴은 그 저항값이 증가할수록 감소된 센싱신호전압의 진폭으로 인하여 상대적인 정전용량의 측정 능력은 감소됨을 알 수 있다. 따라서 해당 전극의 종단 저항값을 줄이기 위해서는 가능하면 본 발명의 제 2전극층(200)에 적용되는 제 2전극패턴(210)에서와 같이 가능하면 폭이 넓은 형태의 패턴을 형성하여 면저항(Ω/sq) 값을 낮춰 주어야 한다. 이런 폭이 넓은 도전 패턴으로 인해 감소된 종단 저항값은 저역통과 필터의 시 상수를 변경시켜 줌으로써 전기적 신호의 폭의 감쇄 현상이 줄어들게 되어 종래의 방식에 비해 정전용량 감지능력에 큰 도움을 주게 된다.
또한 상기 제 2전극패턴(210)의 구조로 인해 감소된 저항값과 늘어난 전극 면적으로 전극 그 자체의 성능이 향상되어 인체의 접촉으로 인해 발생되는 정전용량의 값 또한 기존 보다 크게 형성됨으로 제어부의 입장에서는 많은 유리한 점으로 작용할 수 있다.
정전용량은 제 1전극과 제 2전극, 그리고 그 사이의 유전체의 유전율과 두 전극과의 거리, 그리고 마주보는 두 전극의 면적으로 결정된다. 이때 제 1전극은 인체의 손으로 가정하고, 제 1전극층, 또는 제 2전극층의 전극패턴들을 제 2전극이라고 가정 할 경우, 동일 조건에서 제 2전극의 저항값이 작을수록 보다 이상적인(정전용량의 값이 큰) 제 2전극으로 동작을 하게 된다. 또한 저항값이 작을수록 제어장치에서 전달되는 센싱을 위한 전기적 신호의 강도가 커지게 되어 노이즈에도 강하게 됩니다. 따라서 터치 스크린에서 인체와의 정전용량 값이 커지고, 외부 노이즈가 감소한다면 보다 높은 성능의 구현이 가능하여 유리한 점으로 작용할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 구성되는 터치 스크린 입력장치의 정전용량을 감지하기 위한 제어부(반도체 ; 300)는 제 1전극패턴과 제 2전극패턴을 각각 도 12와 같이 순차적으로 구동하도록 설계되며, 정전용량 측정을 위해 전기적 신호를 구동하는 전극패턴(S1, S2 각각의 경우) 외의 나머지 전극패턴들은 모두 그라운드 준위 또는 특정 전압을 해당 전극에 인가함으로써(본 예시에는 그라운드 준위를 인가하였다), 정전용량을 감지하는 전극 패턴 외의 나머지 패턴들을 이용하여 정전용량을 감지하는 전극 패턴에 대하여 사용자의 터치로 인한 정전용량은 측정할 수 있으면서 외부 노이즈의 진입을 차단하는 도전성 차폐막(shield)을 형성하도록 하는 것을 본 발명의 또 다른 주요 기술적 요지에 해당된다.
여기서 특정 전압이란 노이즈 성분이 없는 어떠한 전압을 인가한 차폐막을 형성하더라도 외부 노이즈에 대한 차폐 역할은 충분히 수행할 수 있다. 따라서 0V(그라운드 전압) ~ VDD(전체 공급전압)의 범위에서 어떠한 수준의 전압이라도 안정적으로 공급된다면 외부 노이즈를 차폐할 수 있게 된다.
본 발명에서 적용되는 제어부는 본 출원인이 출원한 대한민국 특허출원 제 2007-0095453호를 이용함으로 정전용량 측정을 위해 인가하는 전기 신호의 전류량을 증가시켜도 충전과 방전의 횟수(cycle)만 증가할 뿐 동일 시간 동안의 측정 결과로는 정전용량의 측정 감도가 저하되지 않는 특징을 갖는다. 물론 여기에 한정하는 것은 아니며 이외에 여러 측정방식을 통해 제어할 수도 있다.
따라서 제 1전극층(100)과 제 2전극층(200)의 전극 패턴에 인가하는 신호의 전류값을 증가시킴으로써 각각의 전극 패턴에 유입되는 외부 노이즈에 대해서 우수한 신호대 잡음비율을 유지할 수 있으면서도 인체의 접촉에 의해 발생한 정전용량의 변화를 감지하는데 높은 감도를 유지할 수 있도록 제어한다.
이와 같은 본 발명은 센싱 작용이 일어나지 않는 전극 패턴을 그라운드 전압을 인가함에 따라 차폐막으로 작용하여 기생 정전용량이나 외부로부터의 노이즈를 감쇄시켜줌으로써 별도의 차폐막을 구비하지 않아도 되며, 이에 따라 터치 센싱 감도를 향상시킬 수 있고, 더불어 생산성 향상과 양품의 수율을 높일 수 있는 이점이 있다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.
오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 터치 스크린 입력장치의 개략적인 상태도,
도 2a는 종래기술에 따른 일예로 터치 스크린 입력장치 구조를 나타낸 단면도,
도 2b는 도 2a에 따른 종래기술을 상세히 나타낸 평면도,
도 3a는 종래기술에 따른 다른 실시예로 터치 스크린 입력장치 구조를 나타낸 단면도,
도 3b는 도 3a에 따른 종래기술을 상세히 나타낸 평면도,
도 4a는 종래기술에 따른 다른 실시예로 터치 스크린 입력장치 구조를 나타낸 단면도,
도 4b는 도 4a에 따른 종래기술을 상세히 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 1전극층을 나타낸 평면도,
도 7은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 2전극층을 나타낸 평면도,
도 8은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 1, 2전극층의 결합된 상태를 나타낸 평면도,
도 9는 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 정전용량 측정 상태를 나타낸 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 1전극층에 의해 제 2축방향 센싱을 진행할때의 전극의 상태를 나타낸 상태도,
도 11은 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 제 2전극층에 의해 제 1축방향 센싱 상태를 나타낸 상태도,
도 12는 본 발명에 따른 터치 스크린 입력장치의 정전용량 검출방식을 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 제 1전극층 110 : 제 1전극패턴
130 : 센싱채널 200 : 제 2전극층
210 : 제 2전극패턴 230 : 간격
240 : 센싱채널 300 : 제어부(IC)
400 : 원도우

Claims (5)

  1. 터치 스크린 입력장치에 있어서,
    일측 방향의 센싱을 감지하는 것으로, 기판의 상부면으로 제 1전극패턴이 형성된 제 1전극층;
    타측 방향의 센싱을 감지하는 것으로, 상기 제 1전극층 하부에 구비되고, 기판의 상부면으로 상기 제 1전극패턴과 이 제 1전극패턴이 형성되지 않은 면으로 중첩되며, 각각 소정간격 이격 형성되어 상기 제 1전극패턴과 직교하도록 막대형상의 제 2전극패턴을 가지는 제 2전극층; 및
    일측 방향을 감지하는 상기 제 1전극층과 타측방향을 감지하는 제 2전극층의 상기 제 1, 2전극패턴 중 정전용량을 측정하는 해당 전극패턴을 제외한 나머지 전극패턴은 그라운드 상태로 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는, 센싱중인 전극패턴을 제외한 나머지 전극은 그라운드 전압 또는 특정전압을 인가하여 상기 제 1전극층과 제 2전극층을 차폐막으로 적용시켜 별도의 보호층을 적용하지 않는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 입력장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극패턴은 마름모(또는 다이아몬드) 형상을 가지는 전극패턴이 일측방향으로 연결되도록 배열 형성되며,
    상기 제 2전극패턴은 상기 제 1전극패턴과 직교하도록 막대형상을 가지고 형성되며, 각각의 제 2전극패턴은 소정간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 입력장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1전극패턴은,
    그 면적이 터치 스크린 전체 면적의 1/2를 초과하여 형성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린 입력장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극패턴간의 이격면적과 제 2전극패턴간의 이격면적은 중첩되지 않을 것을 특징으로 하는 터치 스크린 입력장치.
  5. 삭제
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