KR101150624B1 - 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치는 회로에 전압 또는 전류를 공급하는 전원부, CTSP의 ITO 전극의 저항 R_p 및 전극 간의 정전용량 C_p을 직렬로 배치한 CTSP부, 상기 전원부와 연결되며 전기적 공진을 일으키는 LC 공진회로를 포함한 공진부, 상기 공진부와 연결되어 상기 공진부의 공진주파수를 변화시키는 공진주파수변경부, 상기 CTSP부와 공진주파수변경부 사이에서 동작되어 상기 CTSP부와 상기 공진주파수변경부를 연결하는 작동부를 포함하고, 상기 작동부의 동작에 의하여 상기 CTSP부와 공진부를 연결한 상태에서, 공진주파수의 변화에 따른 상기 CTSP부의 저항 R_p과 정전용량 C_p을 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 CTSP에 간단한 LC공진회로를 직렬연결하여 공진주파수 특성을 이용함으로써 용이하게 CTSP의 전기적 특성(R_p, C_p)을 검출할 수 있는 효과가 있다. 또한 LC 공진회로 정수와 공진주파수 관계식을 통하여 CTSP의 ITO 전극 간 실제 정전용량 값을 얻을 수 있으므로 불량분석에 용이하게 쓰일 수 있다.

Description

공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치{The Apparatus for Inspection of Electrical Characteristics of The Capacitive Touch Screen Panel Using Resonance Frequency Shift}

본 발명은 정전용량방식 터치스크린패널(capacitive touch screen panel : 이하 "CTSP"로 칭함)의 전기적 특성을 검사하는 장치에 관한 것으로서, LC 병렬 공진회로를 CTSP에 결합하고 공진주파수 변이를 이용함으로써 CTSP의 전기적 특성을 판별할 수 있는 검사장치에 관한 것이다.

일반적으로 휴대폰이나 키오스크 등의 디스플레이 화면위에 부착되어 손 터치에 의해 각종 버튼 또는 정보 입력용으로 사용되는 터치스크린패널에는 저항막방식과 정전용량방식이 있다. 이중 정전용량방식 터치스크린패널, CTSP는 일반적으로 맨 하단에 하부 접지용 필름과 그 위의 터치센서 역할을 하는 투명한 ITO 전극 패턴이 형성되어있는 센서전극 필름, 그리고 그 위에 ITO 전극에 접착제로 부착되는 유전체필름, 맨 위의 보호필름으로 구성되어 있다. 각 제조 회사별로 터치센서 전극인 ITO 전극 패턴의 모양은 그 성능과 전용 컨트롤러 칩의 구동 방식에 따라 달라지나 전체적인 기본구조는 상기와 같으며 특히 ITO 센서 전극들 간에 정전용량이 유지되는 방식은 각 사 공통 사항이다.

일반적으로 정전용량방식 터치스크린패널(CTSP)은 투명한 ITO 패턴으로 이루어진 가로 방향 전극들과 세로방향 전극들이 유전체를 사이에 두고 얇게 겹쳐서 사용되는데 이를 전기적 회로 관점에서 볼 때에는 ITO 전극의 정전용량(도 2의 C_p)의 과 저항(도 2의 R_p)이 직렬로 연결된 형태로 볼 수 있다.

만일 ITO의 면저항이 매우 낮아서 ITO 전극의 길이방향 저항이 1KΩ 미만일 경우에는 저항 R_p 는 CTSP의 전기적 특성에서 무시되고 오로지 정전용량값 C_p 만이 CTSP의 전기적 특성을 좌우한다고 볼 수 있으나 일반적으로 스마트폰 등에 사용되는 CTSP의 ITO 전극의 면저항이 200 ~ 500Ω/sq 정도이고 길이 방향 저항은 수십 kΩ에 해당된다. 따라서 CTSP의 전기적 특성은 R_p 와 C_p 들의 직렬연결로 대변되며 이를 두 가지 전기적 특성 값을 측정하는 일은 CTSP의 특성검사 및 기능 검사에서 매우 중요하다. 하지만 실제 상황에서는 ITO 전극들이 보호 필름의 하단에 배치되어 숨겨져 있으므로 이 ITO 전극들의 저항값(R_p) 및 정전용량값(C_p)을 분리해서 측정하기가 대단히 어려운 형편이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 공진주파수의 변화에 따른 CTSP의 ITO 저항 R_p과 정전용량 C_p을 동시에 측정하도록 기능하는 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치는 공진회로를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 검사장치에 있어서, 회로에 전압 또는 전류를 공급하는 전원부; CTSP의 ITO 전극의 저항 R_p 및 전극 간의 정전용량 C_p을 직렬로 배치한 CTSP부; 상기 전원부와 연결되며 전기적 공진을 일으키는 LC 공진회로를 포함한 공진부; 상기 공진부와 연결되어 상기 공진부의 공진주파수를 변화시키는 공진주파수변경부; 상기 CTSP부와 공진주파수변경부 사이에서 동작되어 상기 CTSP부와 상기 공진주파수변경부를 연결하는 작동부;를 포함하고, 상기 작동부의 동작에 의하여 상기 CTSP부와 공진부를 연결한 상태에서, 공진주파수의 변화에 따른 상기 CTSP부의 저항 R_p과 정전용량 C_p을 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 공진주파수의 변화는 상기 CTSP부의 저항 R_p에 변화 가능한 저항 r을 직렬로 연결하여 r의 변화에 따라 유도되는 것이 좋다.

또한, 상기 공진주파수변경부는 스위치가 ON 되도록 작동되어 상기 공진부에 별도의 캐패시터를 추가로 병렬연결하여 상기 공진주파수를 변경시켜 상기 CTSP부의 정전용량 C_p를 측정하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 CTSP부의 저항 R_p를 고정하고, 공진주파수의 변화에 따른 상기 CTSP부의 정전용량 C_p를 측정하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 검사장치에 의하면 기존의 CTSP에 간단한 LC공진회로를 직렬연결하여 공진주파수 특성을 이용함으로써 용이하게 CTSP의 전기적 특성(R_p, C_p)을 검출할 수 있는 효과가 있다. 또한 LC 공진회로 정수와 공진주파수 관계식을 통하여 CTSP의 ITO 전극 간 실제 정전용량 값을 얻을 수 있으므로 불량분석에 용이하게 쓰일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회로 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LC 공진회로를 CTSP 에 연결한 형태의 일 회로도, 및
도 3은 도 2의 회로도에서 저항 r의 변화에 따른 공진주파수의 변화 계산 그래프이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서를 위해서, 도면에서의 동일한 참조번호들은 달리 지시하지 않는 한 동일한 구성부분을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회로 블록도이고 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LC 공진회로를 CTSP 에 연결한 형태의 일 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전원전력을 발생하여 공급하는 전원부(100), CTSP의 ITO 전극의 저항 R_p 및 전극 간의 정전용량 C_p을 직렬로 배치한 CTSP부(500), 전원부(100)와 연결되며 전기적 공진을 일으키는 LC 공진회로를 포함한 공진부(200), 공진부(200)와 연결되어 공진부(200)의 공진주파수를 변화시키는 공진주파수변경부(300), CTSP부(500)와 공진주파수변경부(300) 사이에서 동작되어 CTSP부(500)와 공진주파수변경부(300)를 연결하는 작동부(400)를 포함한다.

발명에 따른 검사장치는 작동부(400)의 SW1의 동작에 의하여 CTSP부(500)와 공진부(200)를 연결한 상태에서, 공진주파수의 변화에 따른 CTSP부(500)의 저항 R_p과 정전용량 C_p을 동시에 측정하도록 기능한다. 여기서 공진주파수의 변화는 ITO 전극의 저항 R_p에 변화 가능한 저항 r을 직렬로 연결하여 r의 변화에 따라 유도될 수 있다

또한 공진주파수변경부(300)는 별도의 스위치(SW2)를 ON 하여 공진부(200)에 별도의 캐패시터(C₁)를 추가로 병렬연결하여 공진주파수를 변경시켜 CTSP부(500)의 정전용량 C_p를 측정할 수 있고, 이때 CTSP부(500)의 저항 R_p를 고정하고, 공진주파수의 변화에 따른 CTSP부(500)의 정전용량 C_p를 측정할 수 있다.

상기 전원부(100)는 일반적인 독립전원을 의미하고, 이와 같은 일반적인 의미에서의 독립전원은 변압기 등을 이용하여 부하측에서 필요로 하는 전압으로 승압 또는 강압되어 부하에 전달된다. 상기 전원부(100)로서의 독립전원은 교류전원 및 직류전원이 모두 해당될 수 있다. 교류전원은 교류전압전원 및 교류전류전원을 모두 포함하고, 상기 직류전원은 직류전압전원 및 직류전류전원을 모두 포함한다. 상기 독립전원이 직류전원일 경우에는 이를 인버터를 통하여 교류로 변환시킬 수 있다.

본 발명에서는 도 2에서 표시한 스위치(SW1)를 갖는 작동부(400)와 일반적인 LC 병렬공진회로(공진부와 동일, 200) 및 CTSP부(500) 간의 결합으로 구성된 "변형 LC 병렬공진회로"를 수학적으로 해석하여 CTSP부(500)의 전기적 특성을 구성하는 ITO 전극의 정전용량값(C_p)과 저항값(R_p)을 동시에 측정하는 방법을 고안하였다.

본 발명의 원리는 다음과 같다. 일반적인 LC 병렬회로의 공진주파수(f₀)는 임피던스(Z)가 무한대(∞)가 되는 지점의 주파수로 결정되는데, 다음과 같이 유도된다. 참고로, 공진주파수(f₀)란 L과 C로 조합되는 회로에서 그 회로의 고유주파수와 전원의 주파수가 일치하여 공진현상을 일으켜 전류 또는 전압이 최대가 될 때의 주파수를 의미하고, RLC 회로에서의 공진주파수(f₀)는 하기식으로 유도된다.

---> (식 1)

여기서 식 1과 같이 기본 LC_ref 병렬 회로인 LC 병렬공진회로(200)에 CTSP부(500)의 ITO 전극의 저항(R_p)와 정전용량(C_p)가 연결되도록 작동부(400)의 SW1을 닫으면 이 회로는 기본 LC_ref 병렬 회로에서 변형되어 LC_ref 병렬회로와 ITO 전극의 저항(R_p), 정전용량(C_p)의 직렬회로 간의 병렬회로인 변형 LC 공진회로로 볼 수 있으며 이때 각각의 임피던스 Z₁과 Z₂는 다음의 식 2와 같이 주어진다.

---> (식 2)

이 회로의 총 임피던스 Z는 아래 식 3에서 구할 수 있다.

->(식 3)

상기의 총 임피던스 Z에서 공진주파수는 임피던스(Z)의 허수부가 0이 되는 조건에서 결정되므로 다음 식 4를 만족하는 주파수가 공진주파수이다.

--->(식 4)

여기서 C_refC_pLR_p≠0 의 경우 양의 실근을 구하면 다음 식 5와 같다.

->(식 5)

여기서 저항 R_p=0 인 경우는 기본 공진이 되며 저항 R_p-->∞ 인 경우에는

로 수렴함을 알 수 있다.

상기 해만으로는 주어진 CTSP부(500)에서 저항 R_p와 정전용량 C_p를 동시에 구할 수 없다. 하지만, 저항 R_p에 알려진 저항값을 가진 저항(r)을 직렬로 연결하여 저항(r)의 변화에 따른 공진주파수의 변화 데이터를 측정하고 이를 아래 식 6에 피팅(fitting)하면 저항 R_p와 정전용량 C_p를 동시에 구할 수 있다.

-->(식 6)

도 3은 저항 r의 변화에 따른 공진주파수의 변화 계산 그래프를 나타낸 것이다. 도 3의 그래프는 L=R_ref=R_p=C_p=1 일 때, 0.001<r<10 범위에서 공진주파수의 변화 계산 그래프를 나타낸 것으로서, 특정 r의 범위에서는 r이 증가할 때 공진주파수가 선형적으로 증가함을 알 수 있다(0.01<r<5).

도 1에서 저항 R_p와 정전용량 C_p로 이루어진 직렬 RC 회로의 시상수(Time Constant)를 τ_p라고 하고, L과 정전용량 C_p로만 이루어진 병렬 공진 회로의 공진주파수를 W_p라고 하면, 다음 식 7과 같은 관계가 형성된다.

-->(식 7)

삭제

이제 원래의 공진조건 방정식은 식 8과 같고 그 해는 하기 식 9와 같다.

--->(식 8)

-->(식 9)

한편, 공진조건 방정식을 W_p에 대해서 풀면, 하기 식 10과 같다.

--->(식 10)

상기 식 10에서 W_p와 τ_p를 구하기 위해서 W₀를 변화시키고, 이에 따라서 변하는 W를 측정한다. 이를 위하여 상기 공진주파수변경부(300)의 스위치(SW2)를 ON 하여 공진부(200)에 별도의 캐패시터인 C₁을 추가로 병렬연결하여 공진주파수를 변경시킬 수 있다. 즉, 도 2의 SW2를 닫아서 C₁을 공진회로에 병렬 연결하여 W₀를 변화시키고 이때 측정을 통하여 (W₀, W)값을 두 개 이상 구하면 미지수 2개에 방정식 2개이므로 W_p와 τ_p를 구할 수 있고 최종적으로 하기 식 11에서 저항 R_p와 정전용량 C_p를 구할 수 있다.

--->(식 11)

상기 식 11에서 저항 R_p는 CTSP부(500) 상의 하나의 정전용량(Electrostatic Capacity)에 대해서 변하지 않는 값이므로 이 값을 고정하고 터치환경(손가락의 위치 등의 변경)이 변화함에 따라서 변화하는 W를 통하여 각 순간의 정전용량 C_p를 정확히 측정할 수 있다. 이러한 방법으로 CTSP부(500)의 단순한 불량 유무를 넘어서 제작된 CTSP부(500)의 전체적인 성질을 특성화하는 장비를 구축할 수 있다.

본 발명에 따른 검사장치에 의하면 기존의 CTSP에 간단한 LC공진회로를 직렬연결하여 공진주파수 특성을 이용함으로써 용이하게 CTSP의 ITO 전극의 전기적 특성(저항 R_p, 정전용량 C_p)을 검출할 수 있는 효과가 있다. 또한 LC 공진회로 정수와 공진주파수 관계식을 통하여 CTSP의 ITO 전극 간 실제 정전용량 값을 얻을 수 있으므로 불량분석에 용이하게 쓰일 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 전원부 200 : 공진부
300 : 공진주파수변경부 400 : 작동부
500 : CTSP부

Claims (4)

1. 공진회로를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 검사장치에 있어서,
   회로에 전압 또는 전류를 공급하는 전원부;
   CTSP의 ITO 전극의 저항 R_p 및 전극 간의 정전용량 C_p을 직렬로 배치한 CTSP부;
   상기 전원부와 연결되며 전기적 공진을 일으키는 LC 공진회로를 포함한 공진부;
   상기 공진부와 연결되어 상기 공진부의 공진주파수를 변화시키는 공진주파수변경부;
   상기 CTSP부와 공진주파수변경부 사이에서 동작되어 상기 CTSP부와 상기 공진주파수변경부를 연결하는 작동부;를 포함하고,
   상기 작동부의 동작에 의하여 상기 CTSP부와 공진부를 연결한 상태에서, 공진주파수의 변화에 따른 상기 CTSP부의 저항 R_p과 정전용량 C_p을 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공진주파수의 변화는 상기 CTSP부의 저항 R_p에 변화 가능한 저항 r을 직렬로 연결하여 r의 변화에 따라 유도되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 공진주파수변경부는 스위치가 ON 되도록 작동되어 상기 공진부에 별도의 캐패시터를 추가로 병렬연결하여 상기 공진주파수를 변경시켜 상기 CTSP부의 정전용량 C_p를 측정하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 CTSP부의 저항 R_p를 고정하고, 공진주파수의 변화에 따른 상기 CTSP부의 정전용량 C_p를 측정하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 변이를 이용한 정전용량방식 터치스크린패널의 전기적 특성 검사장치.
   
   

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