KR101084366B1 - 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터치센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 패브리-패롯 구조를 이용하여 새로운 구조의 터치센서 방식을 구현하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 하는 터치센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 빛 투과성을 갖는 투명기판; 상기 투명 기판 정면에 적층되며, 상기 투명기판으로부터 입사된 빛 중 특정 파장 대역의 빛만을 투과하는 하는 제1 적층 구조물; 상기 제1 적층 구조물 정면에 적층되며, 상기 제1 적층 구조물로부터 입사된 특정 파장 대역의 빛을 감지 신호로 이용하여 터치를 검출하는 제2 적층 구조물; 및 상기 제2 적층 구조물 정면에 배치되는 보호성 투명물질층;을 구비한다.
본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 패브리-패롯 구조를 이용하여 감지 신호 발생 장치를 필요로 하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 터치 센서는 감지 신호 발생 장치가 필요없으므로 화면표시장치에서 입력되는 빛을 감지 신호로 사용함으로써, 터치 센서의 구조를 간단히 할 수 있으며, 그 결과 제작 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 화면표시장치의 제작 공정인 시모스(CMOS) 공정을 통해 제작할 수 있으므로 화면표시장치와 한 공정으로 제작하는 것은 물론, 화면표시장치 내에 터치 센서를 구비할 수 있어 터치 센서를 이용하는 화면표시장치의 제작 비용을 절감하는 효과를 가져온다.

Description

패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치센서{Touch sensor based on Fabry-perot structure}
본 발명은 터치센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 패브리-패롯 구조를 이용하여 새로운 구조의 터치센서 방식을 구현하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 하는 터치센서에 관한 것이다.
터치 센서(touch sensor)는 물체 표면의 접촉된 위치의 위치 정보를 입력받기 위한 장치이다. 터치 센서는 화면 표시 장치(display)의 정면에 배치되어, 사용자가 키보드, 마우스, 버튼 등과 같은 별도의 입력 장치를 사용하지 않고 화면을 접촉(touch)하는 것만으로도 정보를 입력하는 입력 장치의 역할을 수행하게 된다.
현재 터치 센서는 모든 디스플레이 분야에 널리 사용될 수 있으며, 사용이 편리하고 누구나 쉽게 이용할 수 있는 장점이 있으나, 터치 센서를 제작함에 있어서 대형 디스플레이 기기에 적합한 크기로 만들기에는 비용과 품질 면에서 아직 한계가 있어 주로 휴대용 전자기기에 사용되고 있다.
터치 센서는 터치를 감지하는 센서부 및 감지한 신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하는 검출부로 구비되며, 구조 및 동작 방법에 따라 저항막 방식, 정전용량 방식, 초음파 방식 및 적외선 방식 등이 있다.
먼저, 저항막 방식은 투명 전극이 위, 아래로 놓여 있는 구조로서 사용자가 센서부를 누르면 그 힘에 의해 투명 전극이 서로 맞닿게 되어 전기가 통하게 되고, 이를 제어부가 감지하는 방식이다. 하지만 저항막 방식은 사용자가 터치 센서를 소정의 압력을 갖고 눌러야 하고, 투명 전극이 서로 맞닿는 마찰에 의해 수명이 길지 못한 단점이 있다.
또한, 정전용량 방식은 센서부에 흐르는 기전력이 센서부에 접촉한 물체를 통해 밖으로 방출되는 것에 의해 변동이 생기면 이를 제어부가 감지하는 방식이다. 하지만 정전용량 방식은 전류를 흐르게 하는 도전성 물체를 사용하여 접촉해야 하는데, 현재 주로 사람의 손가락만을 이용하므로 그 사용 범위에 한계가 있으며, 광효율이 낮아 디스플레이의 휘도를 감소시키는 단점이 있다.
한편, 상기 저항막 방식 및 정전용량 방식의 단점을 보완하기 위해 적외선 방식 및 초음파 방식이 개발되었다. 상기 두 방식은 터치를 감지하기 위해 사용되는 매개체가 적외선인지, 초음파인지의 차이만 있을 뿐이며, 터치를 감지하는 작동원리는 동일하다.
적외선 또는 초음파 방식은 적외선 또는 초음파를 송출하는 송출부 및 이를 검출하는 검출부를 구비하고, 송출부 및 검출부를 터치센서의 양 끝단에 서로 대응되도록 매트릭스 형태로 배치하여, 적외선 또는 초음파의 투과성이 낮은 물체가 터치하였을 때 적외선 또는 초음파가 차단되면 이를 제어부가 감지하는 방식이다. 이와 관련하여, 한국공개특허 제10-2004-0021463호의 "적외선 방식을 이용한 터치 스크린의 수광센서 및 그의 초기 셋팅방법"은 적외선 방식을 이용한 터치 센서 및 터치 스크린의 초기 셋팅방법을 개시하고 있다. 하지만 적외선 또는 초음파 방식은 제작에 있어서 시모스(CMOS) 공정 기술을 사용할 수 없고, 제조 단가가 매우 비싸며, 멀티 터치 인식이 되지 않는다는 단점이 있다.
한편, 패브리-패롯 구조는 평행평면을 가지는 유리 2장을 수 mm의 간격으로 평행하게 놓고, 그 안쪽을 반투명이 되도록 칠하여 빛의 일부는 반사되고 일부는 투과되도록 한 장치이다. 여기에 평행광선이 입사되면 거듭되는 반사, 즉 다중반사를 통해 동일한 파장을 갖는 빛만을 투과시키게 된다.
이에 본 발명에서는 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 패브리-패롯 구조를 기반으로 하는 터치 센서를 제안하고자 한다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 패브리-패롯 구조를 이용함으로써, 별도의 감지 신호 발생 수단을 구비하지 않고 화면표시부로부터 입력되는 빛을 감지 신호로 사용하는 간단한 구조의 터치 센서를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 관한 것으로서, 입사된 빛 중 특정 파장 대역의 빛만을 투과하는 제1 적층 구조물; 및 상기 제1 적층 구조물 정면에 적층되며, 상기 제1 적층 구조물로부터 입사된 특정 파장 대역의 빛을 감지 신호로 이용하여 터치를 검출하는 제2 적층 구조물;을 구비한다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 상기 제1 적층구조물의 배면에 배치되며, 빛 투과성을 갖는 투명기판; 및 상기 제2 적층 구조물 정면에 배치되는 보호성 투명물질층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 제1 적층 구조물은 하부 금속층; 상기 하부 금속층 정면에 적층되는 유전체층; 및 상기 유전체층 정면에 적층되는 상부 금속층;을 구비하고, 하부 금속층을 통해 유전체층으로 입사된 빛이 유전체층에서 공진 현상을 일으키는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 상기 유전체층은 터치 센서의 외부로부터 인가되는 압력에 의해 두께가 변화되고, 유전체층의 두께 변화에 따라 유전체층을 투과하는 빛의 파장대역이 변화하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 상부 금속층 및 하부 금속층은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 산화물인 SiO2, CaO, MgO, CeO2, Y2O3 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 제2 적층 구조물은 전체적으로 육면체로 이루어지며, 육면체의 하나의 귀퉁이에 제1 식각홈이 형성되고, 상기 귀퉁이와 연결된 제1 및 제2 모서리를 따라 각각 제2 및 제3 식각홈이 형성되어 있으며, 제1, 제2 및 제3 식각홈은 서로 연결되어 있는 투명물질층; n형 반도체 및 p형 반도체로 이루어지고 상기 제1 식각홈에 배치되는 포토 다이오드; 도전성의 물질로 이루어지며, 상기 제2 식각홈에 배치되고, 일단은 포토 다이오드의 n형 반도체와 연결되고 타단은 제2 식각홈의 끝까지 연장되어 있는 제1 투명 전극; 및 도전성의 물질로 이루어지며, 상기 제3 식각홈에 배치되고 일단은 포토 다이오드의 p형 반도체와 연결되고, 타단은 제3 식각홈의 끝까지 연장되어 있는 제2 투명전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 제1 적층 구조물로부터 빛이 입사되면 전류를 발생시키고, 상기 제1 적층 구조물로부터 빛이 입사되지 않으면 전류를 발생시키지 않는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 상기 터치 센서를 나노스케일의 한 단위로 하여 다수 개의 터치 센서들을 매트릭스 형태로 배열하여 터치 센서 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 패브리-패롯 구조를 이용하여 감지 신호 발생 장치를 필요로 하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 터치 센서는 감지 신호 발생 장치가 필요없으므로 화면표시장치에서 입력되는 빛을 감지 신호로 사용함으로써, 터치 센서의 구조를 간단히 할 수 있으며, 그 결과 제작 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 화면표시장치의 제작 공정인 시모스(CMOS) 공정을 통해 제작할 수 있으므로 화면표시장치와 한 공정으로 제작하는 것은 물론, 화면표시장치 내에 터치 센서를 구비할 수 있어 터치 센서를 이용하는 화면표시장치의 제작 비용을 절감하는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 제1 적층 구조물인 패브리-패롯 구조의 유전체층의 두께를 조절함으로써, 가시광선 파장 대역 뿐만 아니라 그 외의 파장 대역의 빛도 감지 신호로 사용할 수 있어 다양한 전자기기에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 터치 센서의 제1 적층 구조물을 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예에 따른 터치 센서에 있어서, 유전체층의 두께 변화에 따른 투과 스펙트럼을 예시적으로 도시한 시뮬레이션 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 유전체층의 두께가 1000nm일 때의 투과 스펙트럼을 도시한 시뮬레이션 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서의 제2 적층 구조물을 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 6은 일반적인 Si 포토다이오드의 파장에 따른 광전효과 반응을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 다수 개의 터치 센서들이 매트릭스 형태로 배열된 터치 센서 시스템을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에서 유전체층의 두께가 30nm인 경우의 투과 스펙트럼을 도시한 시뮬레이션 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서를 개략적으로 도시한 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서의 구조 및 동작 방법을 구체적으로 설명한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서(10)는 투명기판(100), 제1 적층 구조물(110), 제2 적층 구조물(120) 및 보호성 투명물질층(130)을 구비한다.
상기 투명기판(100)은 높은 빛 투과율을 갖는 재질로 이루어져, 입사되는 빛의 대부분을 투과한다. 상기 제1 적층 구조물(110)은 상기 투명기판(100) 정면에 적층되며, 패브리-패롯 구조로 이루어져 상기 투명기판으로부터 입사된 빛 중 특정 파장 대역의 빛만을 투과한다. 상기 제2 적층구조물(120)은 상기 제1 적층 구조물(110) 정면에 적층되며, 상기 제1 적층 구조물(110)로부터 입사된 특정 파장 대역의 빛을 감지 신호로 이용하여 터치를 검출한다. 상기 보호성 투명물질층(130)은 상기 제2 적층 구조물(120) 정면에 적층되며, 터치 센서를 보호한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치 센서는 나노스케일의 한 단위가 되며, 다수 개의 터치 센서들이 매트릭스 형태로 구성되어 터치의 위치를 검출하게 된다. 이하, 전술한 각 구성요소들의 구조에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치 센서(10)는 화면표시장치 외부의 정면에 배치되며, 상기 화면표시장치가 화면을 표시하기 위해 출력하는 빛(도1의 "(a)"의 대부분은 투명기판(100)을 통해 투과되어 제1 적층 구조물(110)로 입사된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 터치 센서의 제1 적층 구조물을 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 2를 참조하면, 상기 제1 적층 구조물(110)은 하부 금속층(112), 유전체층(114) 및 상부 금속층(116)으로 구비된다.
상기 제1 적층 구조물(110)은 공진 현상을 갖는 금속으로 이루어진 하부 금속층(112) 및 상부 금속층(116)이 일정한 간격으로 평행을 이루어 배치되고, 상기 일정한 간격 사이에는 유전체층(114)이 배치되어, 공진 현상을 갖고 특정 파장 대역에 대해 필터의 기능을 하는 패브리-패롯 구조를 이룬다. 상기 하부 금속층(112) 및 상부 금속층(116)은 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 유전체층(114)은 산화물인 SiO2, CaO, MgO, CeO2 및 Y2O3 중 어느 하나로 이루어진다.
상기 제1 적층 구조물(110)은 상기 하부 금속층(112) 및 상부 금속층(116)의 간격, 즉 유전체(114)의 두께에 따라 공진 파장 대역이 달라지게 된다. 상기 제1 적층 구조물에서, 공진 파장은 다음과 같은 수학식 1에 의해 결정된다.
Figure 112010041515517-pat00001
여기서, FSRλ는 공진파장 간의 거리, λ0는 공진파장, n은 유전체층의 굴절률, d는 유전체층의 두께를 나타낸다. 수학식 1에 따르면, 유전체층의 굴절률이 일정하고, 공진파장 간의 거리가 일정한 경우 유전체층이 가지는 공진파장은 유전체층의 두께에 의하여 조절되어 질 수 있다.
한편, 수학식 1은 이상적인 패브리-패롯 구조의 광전달 특성을 기반으로 계산된 것으로서, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서를 실제 환경에 적용하기 위해서는 실제적인 유전체층의 두께와 분산특성을 고려해야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 터치 센서에서는 상기 제1 적층 구조물이 실제에 가까운 패브리-패롯 구조의 전달 특성을 갖도록 하기 위해, FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 기법을 도입한 시뮬레이션 툴을 이용하여 분석하였다.
도 3은 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예에 따른 터치 센서에 있어서, 유전체층의 두께 변화에 따른 투과 스펙트럼을 예시적으로 도시한 시뮬레이션 그래프이다. 도 3의 결과를 도출하기 위하여, 상부 금속층 및 하부 금속층은 25nm 두께의 은(Ag) 재질로 동일하게 구성하고, 유전체층은 SiO2 재질로 동일하게 구성하되 두께는 100nm, 130nm 및 160nm로 분리하여 시뮬레이션하였다.
도 3을 참조하면, 상기 유전체층의 두께에 따라 투과되는 빛의 파장, 즉 공진 파장이 변화함을 알 수 있다. 상기 유전체층의 두께가 100nm인 경우 공진 파장이 460nm인 청색 파장 대역의 빛을 투과하고, 두께가 130nm인 경우 공진 파장이 560nm인 녹색 파장 대역의 빛을 투과하며, 두께가 160nm인 경우 공진 파장이 640nm인 적색 파장 대역의 빛을 투과한다. 따라서, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 제1 적층 구조물의 유전체층의 두께를 변화시켜, 사용 환경에 맞는 공진 파장을 선택적으로 결정할 수 있다.
한편, 화면표시장치는 화면을 표시함에 있어 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛을 이용한다. 화면표시장치로부터 출사된 빛의 파장 대역이 변화하여 다른 색의 빛으로 표시되는 경우에는, 화면표시장치가 표시하려고 했던 화면을 왜곡시키는 결과를 초래할 수 있다. 그러므로 화면표시장치로부터 입사된 빛이 본 발명에 따른 터치 센서를 통과하여도 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛 그대로 표현되어야 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에 있어서, 유전체층의 두께가 1000nm일 때의 투과 스펙트럼을 도시한 시뮬레이션 그래프이다. 도 4를 참조하면, 시뮬레이션 결과 유전체층의 두께가 1000nm인 경우, 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛을 모두 투과시키는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서의 유전체층의 두께는 1000nm인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서의 제2 적층 구조물을 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 5를 참조하면, 상기 제2 적층 구조물(120)은 포토 다이오드(124), 제1 투명전극(126), 제2 투명전극(128) 및 투명물질층(129)으로 구비된다.
상기 포토 다이오드(124)는 n형 반도체(122) 및 p형 반도체(123)로 구비되며, n형 반도체(122) 및 p형 반도체(123)가 특정 패턴으로 형성되어 선형으로 접촉하게 된다.
상기 포토 다이오드(124)는 제1 적층 구조물(110)로부터 빛이 입사되는 경우 반도체의 광전 효과로 인해서 전류를 발생시키게 된다. 또한, 상기 제1 적층 구조물(110)로부터 빛이 입사되지 않는 경우에는 전류를 발생시키지 않는다. 도 6은 일반적인 Si 포토다이오드의 파장에 따른 광전효과 반응을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, Si 포토다이오드는 가시광 대역의 빛에서 광전효과를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 화면표시장치 정면에 배치되어 화면표시장치의 가시광 파장 대역의 빛을 감지 신호로 사용하는 포토 다이오드 층은 Si 포토다이오드로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 투명전극(126)의 일단은 상기 n형 반도체의 측면에 접촉되고, 타단은 투명물질층의 측면을 따라 연장되어 투명 물질층의 끝단까지 연결되고, 전류가 흐를 수 있는 도전선의 역할을 한다.
상기 제2 투명전극(128)의 일단은 상기 p형 반도체(123)의 측면에 접촉되고, 타단은 투명물질층의 측면을 따라 연장되어 투명 물질층의 끝단까지 연결되고, 전류가 흐를 수 있는 도전선의 역할을 한다.
상기 제1 투명전극(126) 및 제2 투명전극(128)은 빛 투과성을 가지면서 도전성을 갖는 물질로 이루어지며, 일반적으로 ITO(Indium Tin Oxide), SnO2(Tin Oxide), ATO(Antimony-doped Tin Oxide), 산화인듐(Indium Oxide), 산화아연(Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), 산화카드뮴(Cadmium Oxide) 및 인 도핑-산화 주석(phosphorus-doped tin oxide) 등을 사용할 수 있다. 상기 제1 투명전극(126) 및 제2 투명전극(128)은 매트릭스 형태로 구성되는 각 터치 센서들을 연결하여, 하나의 터치 센서 시스템으로서 동작할 수 있도록 한다.
한편, 상기 제2 적층 구조물(120)에서 상기 포토 다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명전극을 제외한 나머지 부분은 투명물질층(129)으로 구성된다. 특히, 상기 투명물질 층(129)은 이중 높이를 갖는 구조가 되도록 식각된다. 상기 이중 높이 구조 중 낮은 높이층은 전체적으로 육면체로 이루어지는 제2 적층 구조물(120)의 하나의 귀퉁이에 제1 식각홈이 형성되고, 상기 귀퉁이와 연결된 제1 및 제2 모서리를 따라 각각 제2 및 제3 식각홈이 형성하여 상기 제1, 제2 및 제3 식각홈을 서로 연결되어 형성된다. 상기 제1, 제2 및 제3 식각홈에는 각각 포토다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명전극이 배치되며, 상기 제1 및 제2 투명 전극의 일단은 각각 n형 및 p형 반도체와 연결되고, 타단은 제2 및 제3 식각홈의 끝까지 연장된다. 다음, 상기 투명물질층의 나머지 부분은 포토다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명 전극의 상부 표면과 동일한 높이로 형성된다.
즉, 본 발명에 따른 터치 센서의 전체적인 매트릭스 형태로 투명물질 층(129)만을 고려하였을 경우, 격자 무늬로 식각홈이 파여 있는 형태를 형성하며, 상기 홈에 포토다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명전극이 배치되는 것이다.
이와 같이 상기 투명물질층(129)에 식각홈을 구성하여 전체적으로 이중 높이 구조로 형성하는 목적은 상기 투명물질층(129) 위에 상기 포토다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명전극을 배치함으로써 제2 적층 구조물(120) 하단에 위치한 제1 적층 구조물(110)의 상부 금속층(116)과 포토 다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명전극이 도전되는 것을 막기 위함이다. 또한, 상기 투명물질 층(129)을 상기 포토다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명전극과 동일한 높이까지 형성함으로써, 상기 포토다이오드, 제1 투명전극 및 제2 투명전극의 돌출된 패턴이 외부 접촉으로부터 손상되는 것을 막기 위함이다.
상기 투명물질층(129)는 높은 빛 투과율을 갖는 물질로 형성되어 제1 적층 구조물로부터 입사되는 빛의 대부분을 투과시킨다. 따라서, 포토 다이오드(124)를 제외한 나머지 영역이 투명물질 내지 투명전극으로 형성되는 제2 적층 구조물(120)은 제1 적층 구조물(110)로부터 입사된 빛을 거의 손실 없이 투과시키게 된다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 제2 적층 구조물(120) 정면에 배치되며, 터치 센서를 보호하는 보호성 투명물질층(130)을 구비한다. 상기 보호성 투명물질층(130)은 높은 빛 투과율을 갖는 물질로 이루어지며, 투명 필름으로 구성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서의 구조를 구체적으로 설명하였다. 이하, 전술한 구성을 갖는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서의 동작 원리를 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 다수 개의 터치 센서들이 매트릭스 형태로 배열된 터치 센서 시스템을 도시한 사시도이다. 도 7을 참조하면, 상기 터치 센서 시스템는 나노스케일로 형성된 다수 개의 터치 센서들이 매트릭스 형태로 배열되므로, 터치가 발생했을 시 터치가 이루어지는 위치의 터치 센서가 동작하여 정확한 위치를 감지할 수 있게 된다. 본 발명에 따른 터치 센서 시스템의 동작 원리는 다음과 같다.
먼저, 터치 센서 시스템을 터치하지 않은 경우에 대한 동작 원리를 설명한다.
화면표시장치로부터 입사된 빛은 투명기판을 투과하고 제1 적층 구조물로 입사한다. 상기 제1 적층 구조물은 패브리-패롯 구조로 되어 있으며, 유전체층의 두께에 따라 투과하는 빛의 파장이 달라진다. 일반적인 화면표시장치의 경우 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛을 출사하므로, 상기 화면표시장치에 사용되는 본 발명에 따른 터치 센서는 유전체층의 두께를 1000nm로 하여 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛을 투과시키게 된다. 다음, 가시광 파장 대역인 투과된 빛은 제2 적층 구조물로 입사하는데, 대부분의 빛은 투명물질층 및 투명전극으로 투과하게 되므로 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 화면표시장치로부터 입사되는 빛에 대하여 높은 투과율을 갖게 된다.
한편, 상기 제2 적층 구조물 중 포토다이오드로 빛이 입사되면, 포토다이오드는 감지된 빛에 의해 광전효과가 일어나 전류를 발생하게 된다. 특히, 상기 일반적인 화면표시장치의 가시광 대역인 빛을 감지 신호로 사용하기 위해서 포토다이오드는 Si 포토 다이오드로 구성된다.
상기 터치 센서에서 상기 포토 다이오드로부터 발생된 전류가 제1 투명전극 및 제2 투명전극을 통해 흐르게 된다. 한편, 매트릭스 형태의 터치 센서 시스템에 어떤 터치도 하지 않을 경우 매트릭스 형태를 구성하는 모든 단위의 터치 센서는 투과된 가시광 대역의 빛을 감지하여 전류를 발생시켜 흐르게 하므로, 터치 센서가 유기적으로 연결된 터치 센서 시스템의 끝단에서 전류를 감지할 수 있게 된다. 따라서, 터치 센서 시스템은 터치가 일어나지 않는 동안 항상 전류를 감지하게 된다.
다음, 터치 센서 시스템을 터치하는 경우에 대한 동작 원리를 설명한다. 이때, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에서의 터치(touch)란 사용자가 터치 센서를 소정의 힘을 갖고 누르는 것을 의미한다.
화면표시장치로부터 입사된 빛은 투명 기판을 투과하고 제1 적층 구조물로 입사한다. 앞서 설명한 것과 마찬가지로 상기 제1 적층 구조물은 패브리-패롯 구조로 되어 있으며, 유전체층의 두께에 따라 투과하는 빛의 파장이 달라진다. 상기 터치 센서 시스템을 터치하는 경우, 사용자가 터치 센서를 누르는 소정의 힘에 의해 유전체층이 눌리고, 두께는 얇아지게 된다. 특히, 유전체층이 30nm 이하로 줄어들게 되면, 상기 제1 적층 구조물이 투과시킬 수 있는 빛의 파장 대역이 크게 변하여 가시광 파장 대역의 빛을 거의 투과시키지 못한다. 도 8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서에서 유전체층의 두께가 30nm인 경우의 투과 스펙트럼을 도시한 시뮬레이션 그래프이다. 도 4와 도 8을 비교하여 참조하면, 유전체층의 두께가 1000nm에서 30nm 이하로 눌리는 경우 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛이 투과되지 않음을 알 수 있다.
일반적인 화면표시장치의 경우 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛을 출사하므로, 터치 센서를 터치하는 경우 상기 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 빛은 제1 적층 구조물을 통해 투과하지 못하므로 제2 적층 구조물로 입사되는 빛은 없게 된다. 따라서, 가시광 파장 대역의 빛을 감지하여 전류를 발생시키던 제2 적층 구조물의 포토다이오드는 전류를 발생시키지 못하게 되므로 터치하는 동안 상기 터치 센서를 통해 흐르는 전류는 사라지게 된다.
터치 센서 시스템은 매트릭스 형태로 유기적으로 연결된 터치 센서들을 통해 끝단에서 전류의 변화를 감지하게 되고, 전류의 변화가 발생한 위치 정보를 확인하여 터치를 인식하게 된다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 터치 센서를 누르는 힘에 의해 터치를 인식하는 방법이 저항막 방식과 비슷하나, 화면표시장치로부터 입사되는 빛을 감지 신호로 사용하므로 구조가 간단하고, 화면표시장치로부터 입사된 빛의 대부분을 투과시켜 높은 빛 투과율을 갖는다는 특징이 있다.
제2 실시예
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서의 구조 및 동작 방법을 구체적으로 설명한다. 제2 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 제1 실시예에 따른 터치 센서와 유사한 구조를 가지며, 다만 화면표시장치와 한 공정에 이루어져 화면표시장치 내부에 배치되기 위해서 제1 실시예의 구성 요소 중 투명기판 및 보호성 투명물질을 구비하지 않는다는 점에서 차이가 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서(90)를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서(90)는 제1 적층 구조물(910) 및 제2 적층 구조물(920)을 구비한다. 상기 제1 적층 구조물(910) 및 제2 적층 구조물(920)의 구조 및 동작 방법은 제1 실시예의 그것과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
제2 실시예에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서(90)는 일반적인 반도체 공정인 시모스(CMOS) 공정을 통해 제작할 수 있다. 한편, 일반적인 화면표시장치의 경우 시모스(CMOS) 공정을 통해 제작되므로, 화면표시장치를 제작하는 과정에 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서를 추가할 수 있게 된다. 즉, 터치 센서를 사용하는 화면표시장치를 제작하는 경우, 몇 가지의 공정을 추가함으로써, 간단히 터치 센서를 구비하게 되고, 외부에 터치 센서를 구비하는 것보다 제작 비용을 줄일 수 있는 효과를 갖게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서는 화면을 표시하는 장치를 사용하는 모든 분야에 널리 적용될 수 있다. 특히, 화면표시장치를 사용하는 휴대용 전자기기의 경우 점점 소형화가 되어가고 있으며, 소형화를 하지 않는 전자기기의 경우에도 화면표시장치를 확대하기 위해 입력 장치를 축소시키고 있다. 따라서, 터치 센서를 입력 장치로 이용하는 것은 일반화되고 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서가 널리 이용될 수 있다.
10, 90 : 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서
100 : 투명 기판
110, 910 : 제1 적층 구조물
112 : 상부 금속층
114 : 유전체층
116 : 하부 금속층
120, 920 : 제2 적층 구조물
122 : n형 반도체
123 : p형 반도체
124 : 포토 다이오드
126 : 제1 투명전극
128 : 제2 투명전극
129 : 투명물질층
130 : 보호성 투명물질층

Claims (9)

  1. 입사된 빛 중 특정 파장 대역의 빛만을 투과하는 제1 적층 구조물; 및
    상기 제1 적층 구조물 정면에 적층되며, 상기 제1 적층 구조물로부터 입사된 특정 파장 대역의 빛을 감지 신호로 이용하여 터치를 검출하는 제2 적층 구조물;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 적층구조물의 배면에 배치되며, 빛 투과성을 갖는 투명기판; 및
    상기 제2 적층 구조물 정면에 배치되는 보호성 투명물질층;
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서
  3. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 적층 구조물은
    하부 금속층;
    상기 하부 금속층 정면에 적층되는 유전체층; 및
    상기 유전체층 정면에 적층되는 상부 금속층;
    을 구비하고, 하부 금속층을 통해 유전체층으로 입사된 빛이 유전체층에서 공진 현상을 일으키는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 유전체층은 터치 센서의 외부로부터 인가되는 압력에 의해 두께가 변화되고, 유전체층의 두께 변화에 따라 유전체층을 투과하는 빛의 파장대역이 변화하는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
  5. 제 3항에 있어서, 상부 금속층 및 하부 금속층은
    금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
  6. 제 3항에 있어서, 유전체층은
    산화물인 SiO2, CaO, MgO, CeO2, Y2O3 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
  7. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 적층 구조물은
    전체적으로 육면체로 이루어지며, 육면체의 하나의 귀퉁이에 제1 식각홈이 형성되고, 상기 귀퉁이와 연결된 제1 및 제2 모서리를 따라 각각 제2 및 제3 식각홈이 형성되어 있으며, 제1, 제2 및 제3 식각홈은 서로 연결되어 있는 투명물질층;
    n형 반도체 및 p형 반도체로 이루어지고 상기 제1 식각홈에 배치되는 포토 다이오드;
    도전성의 물질로 이루어지며, 상기 제2 식각홈에 배치되고, 일단은 포토 다이오드의 n형 반도체와 연결되고 타단은 제2 식각홈의 끝까지 연장되어 있는 제1 투명 전극; 및
    도전성의 물질로 이루어지며, 상기 제3 식각홈에 배치되고 일단은 포토 다이오드의 p형 반도체와 연결되고, 타단은 제3 식각홈의 끝까지 연장되어 있는 제2 투명전극;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 포토 다이오드는
    제1 적층 구조물로부터 빛이 입사되면 전류를 발생시키고, 상기 제1 적층 구조물로부터 빛이 입사되지 않으면 전류를 발생시키지 않는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
  9. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 센서를 나노스케일의 한 단위로 하여 다수 개의 터치 센서들을 매트릭스 형태로 배열하여 터치 센서 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 패브리-패롯 구조를 기반으로 한 터치 센서.
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