KR101182401B1

KR101182401B1 - 터치 스크린 및 터치 정보 파악 방법

Info

Publication number: KR101182401B1
Application number: KR1020100140383A
Authority: KR
Inventors: 박광범; 김건년; 서경학; 이강열; 김원효
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-09-12
Also published as: KR20120078168A

Abstract

본 발명은 일 예에 따르면, 하측에 위치한 상부 기판, 상기 상부 기판 상에 일정하게 교번으로 나란하게 배열되고 지그재그 굴곡 형태를 가지는 복수의 제1 투명전극과 복수의 제2 투명전극, 상기 제1 투명전극과 상기 제2 투명전극 상에 형성된 보호층, 상기 보호층 상에 형성된 하부 기판, 상기 보호층과 상기 하부 기판 사이에 형성된 탄성층, 상기 하부 기판 상에 상기 제1 및 제2 투명전극에 대향하여 형성되어 접지 전극 기능을 수행하는 하부 투명전극, 그리고 상기 탄성층의 가장자리에 형성된 댐을 포함하는 터치 스크린 및 터치 정보 파악 방법을 제공한다.

Description

터치 스크린 및 터치 정보 파악 방법{TOUCH SCREEN AND METHOD FOR GETTING TOUCH INFORMATION}

본 발명은 정전용량 터치 제어 디스플레이 패널에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 단일 전극층을 가진 터치 스크린 및 이 터치 스크린에서의 터치 정보(예; x 좌표와 y 좌표 또는, 누르는 힘)를 파악하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 기업 맞춤형 정보전자 패키지 핵심 기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: KI002184-2010-02, 과제명: 정보가전용 차세대 Input Device 기술개발].

일반적으로, 터치 스크린(touch scree)(터치 패드, 터치 패널을 총칭함)은 사용자가 누르는 지점의 x, y 좌표를 인식하기 위해 터치 스크린의 기판 상에 서로 직교하는 방향으로 어레이 전극을 각각 구성하고 있다. 이때 기판 상에 서로 직교하는 방향의 어레이 전극을 구성하기 위해서 서로 직교하는 전극들 간에 전기적으로 절연을 위한 절연층을 형성하여, 직교하는 어레이 전극 각각을 2개의 전극층으로 분리시킨다.

이렇게 구성된 종래의 터치 스크린은 직교하는 어레이 전극에 형성되는 자기 정전용량(self capacitance)와 상호 정전용량(mutual capacitance)를 측정함으로써 사용자가 누르는 지점의 x 좌표와 y 좌표를 인식한다.

그런데, 이러한 종래의 터치 스크린은 2개의 전극층으로 직교하는 어레이 전극을 형성하기 위하여 절연층이 추가로 형성되어야 하며, 서로 직교하는 전극을 위해 두 번의 전극 형성 공정을 필요로 한다. 또한 투명전극 소재를 이용한 어레이 전극층을 형성하는 경우에는 두 번의 전극층 형성 공정이 필요하다.

결국, 종래의 터치 스크린은 복잡한 제작 공정으로 인하여, 비용 및 시간의 낭비가 심한 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 전극들이 단일층에 형성된 터치 스크린을 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 단일 전극층으로 이루어진 터치 스크린에서 사용자의 터치 정보를 파악하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 일 특징에 따른 본 발명은 터치 스크린을 제공한다. 이 터치 스크린은 하측에 위치한 상부 기판, 상기 상부 기판 상에 일정하게 교번으로 나란하게 배열된 복수의 제1 투명전극과 복수의 제2 투명전극, 그리고 상기 제1 투명전극과 상기 제2 투명전극 상에 형성된 보호층을 포함하되, 상기 제1 투명전극 및 상기 제2 투명전극은 지그재그 굴곡 형태로 이루어진다.

이러한 터치 스크린은 상기 보호층 상에 형성된 하부 기판, 상기 보호층과 상기 하부 기판 사이에 형성된 탄성층, 상기 하부 기판 상에 상기 제1 및 제2 투명전극에 대향하여 형성되어 접지 전극 기능을 수행하는 하부 투명전극, 그리고 상기 탄성층의 가장자리에 형성된 댐을 더 포함하여, X축 좌표, Y축 좌표 및 터치 힘을 감지할 수 있게 한다.

상기에서 상부 기판은 사용자의 손가락 누름에 대응하여 변형되는 투명 플렉서블 소재로 이루어져 있으며, 상기 투명 플렉서블 소재는 유연성 있는 PET, 아크릴, 및 PC(폴리카보네이트) 중 하나인 것을 특징으로 한다.

그리고 탄성층은 투명 소재로 이루어지며, 실리콘, 폴리우레탄, PDMS, 소재 성분과는 관계없이 러버(rubber) 및 겔(gel)중 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 및 제2 투명 전극, 그리고 상기 하부 전극은 ITO, CNT, 그라핀(Graphene) 및 투명 전도성 폴리머와 같은 투명 전극 재로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 특징에 따른 본 발명은 터치 스크린의 터치 정보 파악 방법을 제공한다. 이 터치 스크린의 터치 정보 파악 방법은 (a) 손가락 터치시에 상기 제1 투명전극들 및 제2 투명전극들과 상기 하부 투명전극 간의 정전용량을 수집하여 Y축 기준으로 정전용량 분포를 파악하는 단계, (b) 상기 정전용량 분포 중 설정 기준값 이상의 유효 정전용량 분포를 선정하는 단계, (c) 상기 유효 정전용량 분포로부터 터치 중심점의 Y 좌표를 산출하는 단계, (d) 상기 터치 중심점의 Y 좌표에 인접한 하나의 제1 투명전극과 하나의 제2 투명전극을 파악하는 단계, (e) 상기 파악한 하나의 제1 투명전극과 상기 하나의 제2 투명전극에 대해 상기 터치 중심점의 Y좌표의 치우친 정도를 계산하여 조정계수를 결정하는 단계, (f) 상기 하나의 제1 투명전극 및 상기 하나의 제2 투명전극에 인가되는 입력 교류신호의 충방전 특성에 의한 변수를 측정하여 터치 중심점 X 좌표를 산출하는 단계, (g) 상기 하나의 제1 투명전극 및 상기 하나의 제2 투명전극과 상기 하부 투명전극 간의 정전용량을 측정하고 측정한 정전용량을 터치 힘으로 변환하는 단계를 포함한다.

상기 (a) 단계의 정전용량은 자기 정전용량이고, 상기 (g) 단계의 정전용량은 상호 정전용량인 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 변수는 시상수 변화 또는 기준전압 도달 시간인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 투명전극 어레이 배열로 이루어진 단일 투명전극층 구조이기 때문에 투명전극 형성 공정이 단순화해짐으로써, 제조단가를 줄일 수 있다. 또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 지그재그 굴곡형 투명전극 형상을 이용하기 때문에 위치 정밀도 및 분해능을 높일 수 있다.

또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 단일 투명전극층 구조로 이루어지기 때문에 투명전극으로 형성하는 경우 투과도의 균일성을 용이하게 유지할 수 있기 때문에 균일한 투과도를 갖는 터치스크린의 구현이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 투명전극의 저항값이 클수록 유리한 측정 원리로 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전극의 두께를 보다 얇게 할 수 있어 투과도를 높일 수 있으며, CNT(Carbon Nano Tube)와 같은 높은 저항을 갖는 투명전극 소재를 용이하게 사용할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린의 투명 전극 배치를 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터치 스크린의 구성도을 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 X축 위치를 파악하는 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인접한 투명전극 시상수를 이용하여 X축 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 Y축 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 터치 스크린의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터치 스크린의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린의 3차원 터치 정보 파악 방법을 보인 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이제, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린 및 터치 정보 파악 방법을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린의 투명 전극 배치를 보인 도면으로서, (a)는 터치 스크린의 정면도이고, (b)는 투명전극의 확대도이다.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터치 스크린은 복수의 제1 투명전극(a1 내지 a8)과 복수의 제2 투명전극(b1 내지 b8)이 세로 방향으로 평행하게 배열되되, 제1 투명전극(A)과 제2 투명전극(B)이 이웃하도록 교번으로 배열된다. 그리고 제1 투명전극(A)과 제2 투명전극(B)은 교차되지 않는다.

각각의 제1 투명전극(a1 내지 a8) 및 제2 투명전극(b1 내지 b8)은 가로 방향을 길이 방향으로 하여 형성된다. 여기서 제1 투명전극(A)은 복수의 제1 투명전극(a1 내지 a8) 전체를 통칭할 때에 사용하고, 제2 투명전극(B)은 복수의 제2 투명전극(b1 내지 b8) 전체를 통칭할 때에 사용한다.

이때 신호 전극배선은 제1 투명전극(a1 내지 a8)의 좌측 끝단으로 입력 교류신호가 인가되게 하고, 제2 투명전극(b1 내지 b8)의 우측 끝단으로 입력 교류신호가 인가되게 한다. 이러한 신호 전극배선에 의해 터치스크린의 데드 스페이스(dead space)를 줄인다.

제1 투명전극(a1 내지 a8) 및 제2 투명전극(b1 내지 b8)의 형상을 도 1의 (b)를 참조로 보다 상세히 설명한다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 투명전극(A, B)은 동일한 형상을 하고 있다.

구체적으로, 하나의 투명전극(A 또는 B)은 막대 모양의 외형을 하고 있으며, 상부홈(h1)과 하부홈(h2)이 일정 간격(g)으로 형성되어 있다. 이에 따라 투명전극은 아래, 위 직각으로 꺾여져 길이방향으로 진행하는 형태로 이루어져 있다. 이하에서는 이러한 형태를 "지그재그 굴곡형"이라 한다.

상부홈(h1) 및 하부홈(h2)의 길이(h)는 각각 일정하고, 투명전극의 세로방향 폭(D)보다 작게 형성된다. 상부홈(h1) 및 하부홈(h2) 간의 길이(즉, 선폭; W) 또한 일정하다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터치 스크린의 구성도을 보인 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터치 스크린은 기판(10)과 제1 투명전극(A), 제2 투명전극(B)과 보호막(20)을 포함한다.

기판(10)은 전면에 사용자의 손가락이 터치된다. 기판(10)은 유리, 아크릴, 폴리카보네이트, PET, PC 등의 투명 플라스틱 재료의 투명기판이다.

제1 투명전극(A)은 기판(10)의 배면에 형성되며, 각각의 제1 투명전극(a1 내지 a8)은 일정 간격으로 배열된다. 제2 투명전극(B)은 기판(10)의 배면에 형성되며, 각각의 제1 투명전극(b1 내지 b8)은 제1 투명전극(a1 내지 a8) 사이에 위치하여 일정 간격으로 배열된다.

제1 투명전극 간의 간격과 제2 투명전극 간의 간격을 동일하게 하는 것이 이상적이나, 동일하지 않아도 무방하다.

제1 투명전극(A)과 제2 투명전극(B)은 ITO, CNT, 전도성 폴리머, 그라핀(Graphen) 등의 투명 전극 재료를 사용하여 구성되거나, 불투명 터치 스크린인 경우 투명전극 대신 알루미늄, 동 등과 같은 금속 재료를 사용하여 구성도 무방하다.

이때, 제1 투명전극(A)과 제2 투명전극(B)은 동일한 투명전극 또는 금속 재료 재료로 구성되고, 투명전극은 동일한 비저항(ρ)과 동일한 두께 및 길이를 가진다.

보호막(20)은 복수의 제1 투명전극(a1 내지 a8)과 복수의 제2 투명전극(b1 내지 b8) 상에 형성되며, 복수의 제1 투명전극(a1 내지 a8)과 복수의 제2 투명전극(b1 내지 b8)을 보호하고 또한, 기판(10)의 파손으로부터 보호한다.

여기서, 동일 선상에 구성된 제1 투명전극(A), 제2 투명전극(B) 및 보호막(20)은 단일 전극층을 형성한다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린의 보호막(20) 하부에 디스플레이 패널(30)이 배치되며, 이때의 디스플레이 패널(30)은 LCD, OLED 등의 평판 디스플레이 패널이다.

한편, 제1 투명전극(A)과 제2 투명전극(B)에는 손가락 터치에 따라 전극 상에 정전용량이 형성되도록 전원(예; 구형파)이 인가된다. 구체적으로, 제1 투명전극(A)의 일단에 제1 방향으로 전원이 인가되고, 제2 투명전극(b)의 일단에 제2 방향으로 전원이 인가되되, 제1 방향과 제2 방향은 서로 역방향이다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터치 스크린에서 사용자의 터치 위치를 파악하는 방법을 도 3 및 도 4를 참조로 하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 X축 위치를 파악하는 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인접한 투명전극 시상수를 이용하여 X축 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에서, (a)는 굴곡이 없는 단순 직사각형 투명전극이고, (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 지그재그 굴국형 투명전극이다.

사용자가 도 3의 (a) 및 (b)와 같이 손가락으로 디스플레이 패널(30)의 P1 지점을 눌렀다고 하자.

그러면 사용자의 손가락 끝과 투명전극(A 또는 B)의 P1 지점 간에는 일정한 자기 정전용량(self capacitance)(C)이 형성된다. 그리고 투명전극(A 또는 B)에는 라인 저항을 가지고 있으므로, 정전용량(C)이 형성된 투명전극(A 또는 B)의 P1 지점으로부터 전원이 인가되는 투명전극(A 또는 B)의 일측 끝단(P2)까지의 길이(L)에 비례하는 저항(R1)이 형성된다.

여기서, (a)에 도시된 단순 직사각형 투명전극의 P1 지점에서부터 P2 지점까지의 길이(L1)에 비해, (b)에 도시된 지그재그 굴곡형 투명전극(A, B)의 P1 지점에서부터 P2까지의 (L2)는 훨씬 길다. 이러한 이유로, 본 발명의 실시 예에 따른 지그재그 굴곡형 투명전극(A, B)은 단순 직사각형 투명전극에 비해 훨씬 큰 저항(R2)을 갖는다.

물론, 선폭(W), 간격(g), 홈의 길이(h) 및 폭(D)를 조절하면, 단순 직사각형 투명전극보다 수십배에서 수백배 이상의 저항을 갖도록 할 수 있다.

이렇게 저항을 크게 한다는 것은 시상수 변화 크게하여 시상수 변화를 쉽게 감지할 수 있음을 의미하므로, 종래에 비해 성능이 우수한 터치 스크린을 제공할 수 있는 장점으로 작용한다.

한편, 단순 직사각형 투명전극을 이용하는 터치 스크린 및 본 발명의 실시 예에 따른 지그재그 굴곡형 투명전극을 이용하는 터치 스크린은 터치 위치를 인식하기 위하여 교류 신호를 이용한 충방전 특성의 변화를 측정하고 측정한 결과치를 이용한다.

RC 직렬회로에서 교류신호에 대한 충방전 특성인 시상수(time constant, t)이 결정되며, 이때 시상수(t)는 다음의 수학식 1로 결정되고, 교류신호의 충전과 방전의 시간지연을 반영한다. 시상수(t)가 크다는 것은 충전과 방전되는 시간이 길어진다는 것이고, 시상수(t)가 작다는 것은 충전과 방전 시간이 짧다는 것을 의미다.

수학식 1을 도 3에 적용하면, (a)와 (b)에서 손가락과 투명전극 사이의 정전용량(C)와 신호 입력단(P2)에서 터치 위치(P1)까지의 투명전극의 저항(R1, R2)는 RC 직렬회로를 형성한다. 이렇게 만들어진 RC 회로에 구형파의 교류전류가 인가되고, 손가락과 투명전극 사이에 일정한 정전용량(C)이 형성된다.

그리고 투명전극(A 또는 B)에는 라인 저항을 가지고 있으므로, 정전용량(C)이 형성된 투명전극(A 또는 B)의 P1 지점(즉, 손가락이 터치된 지점)으로부터 신호 입력단(P2)의 길이(L1, L2)에 비례하는 저항(R1, R2)이 형성된다.

그러므로 정전용량(C)과 저항(R1, R2)에 의해 투명전극(10)에 인가되는 신호에는 시간지연이 발생되며, 시간 지연에 따른 시상수(t1, t2)가 발생된다. 이때의 시상수 변화(t1, t2)는 다음의 수학식 2과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, R=ρ(비저항) X L1(또는 L2)이다.

수학식 2를 통해 보면, 시상수(t1, t2)는 저항값에 따라 그 값이 달라짐을 알 수 있으며, 저항값은 기판(10)을 누르는 지점과 전원이 인가되는 투명전극(A 또는 B)의 일측 끝단까지의 길이(L1, L2)에 의해 그 값이 결정됨을 알 수 있다.

즉, 충방전 특성의 차이는 터치 위치까지의 투명전극의 길이(L1, L2) 즉, 저항(R1, R2)의 크기에 의해 결정됨을 알 수 있다.

이상의 결과로부터 동일한 터치 위치(P1)까지의 길이(L1, L2)는 단순 직사각형 투명전극과 본 발명의 실시 예에 따른 지그재그 굴곡형 투명전극의 저항 크기에 의해 충방전 지연시간이 결정된다. 따라서 지그재그 굴곡형 투명전극이 보다 큰 저항을 갖기 때문에, 지그재그 굴곡형 투명전극에 의한 입력 교류신호의 충방전 지연시간이 더 크게 발생되어 신호 처리에 보다 유리하게 되며, 이에 따라 터치 위치 길이(L2)의 결정 정밀도를 높일 수 있다.

또한 터치 위치(P2)에서 동일한 거리 이동(ΔL)에 따른 저항변화(ΔR)에서도 지그재그 굴곡형 투명전극이 단순 직사각형 투명전극보다 큰 저항변화(ΔR)를 나타내기 때문에 입력 교류신호에 대한 충방전 지연시간이 보다 크게 변화를 나타낸다.

이것은 거리 이동(ΔL)이 짧아도 지그재그 굴곡형 투명전극이 보다 큰 저항변화(ΔR)를 갖기 때문에 입력 교류신호의 충방전 시간지연이 보다 크게 발생하여 터치위치 이동 분해능을 높일 수 있는 장점을 가지게 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인접한 투명전극 시상수를 이용하여 X축 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 하나의 지그재그 굴곡형 제1 투명전극(a1)과, 제1 투명전극(a1)에 이웃하는 하나의 지그재그 굴곡형 제2 투명전극(b1)을 예로 한 경우이다.

실제로, 손가락이 기판(10)을 터치하는 경우에 하나의 투명전극만을 터치하지 않고 적어도 1개 이상의 전극라인을 터치하게 된다. 이 경우에 터치 위치에 대응한 X축의 위치는 인접한(이웃한) 투명전극의 시상수를 이용하여 결정한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 사용자가 점선으로 표시된 부분을 터치기판(10)을 누른다. 이때 두 개의 투명전극(a1, b1)은 동일한 저항분포를 갖고 있으며, 터치 스크린(즉, 기판)에 터치하는 손가락과 두 개의 전극들(a1, b1) 사이에는 동일한 정전용량(C)이 형성된다.

손가락 터치 중심점의 X축 성분은 제1 투명전극(A)의 경우 X1이 되고, 제2 투명전극(B)은 X2가 되며, 제1 및 제2 투명전극(A, B)의 길이는 L이며, L은 다음의 수학식 3과 같이 표현된다.

이러한 상태에서, 제1 투명전극(a1)에서, 신호 입력단에서 X1 거리만큼 저항(R1)이 만들어지고, 이에 따른 구형파의 시상수(t1)는 R1 x C(정전용량)로 산출된다.

그리고 제2 투명전극(b1)에서, 신호 입력단에서 X2 거리만큼 저항(R2)이 만들어지고, 이에 따른 구형파의 시상수(t2)는 R2 x C(정전용량)로 산출된다.

제1 및 제2 투명전극(A, B)이 균일한 비저항(ρ) 분포를 갖고 있다면, 저항 R1과 저항 R2는 다음의 수학식 4와 같이 표현된다.

그러므로 제1 및 제2 투명전극(a1, b1)에서 수학식 1 내지 4를 투명전극의 길이 즉, X축의 위치(X1, X2)를 다음의 수학식 5와 수학식 6으로 표현할 수 있다.

따라서 수학식 5와 수학식 6에 따르면, 손가락 터치 중심부에 위치하는 이웃하는 투명전극(A, B)에서의 교류신호 충방전 시상수 변화(t1, t2)를 측정하는 것으로, 터치 스크린을 터치하는 손가락의 X축 좌표(X1, X2)를 계산할 수 있게 된다.

또한 시상수 이외에 교류신호 충방전 지연시간에 따른 교류전압이 특정 기준전압까지 도달하는 시간(Δt1, Δt2)을 측정하여 수학식 5와 수학식 6을 다음의 수학식 7과 수학식 8과 같이 변형 가능하다.

다음으로, 도 5를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린에서 지그재그 굴곡형 투명전극에서의 Y축 위치를 결정하는 방법을 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 Y축 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 터치스크린을 손가락으로 터치하면 손가락과 제1 투명전극(A) 및 제2 투명전극(B) 사이에 정전용량 분포가 형성된다. 이러한 정전용량 분포를 제1 투명전극(A)에 대해서 배열하면 도 5의 (a)와 같이 나타내어지고, 정전용량 분포를 제2 투명전극(B)에 대해서 배열하면 도 5의 (b)와 같이 나타내어진다.

이러한 정전용량 분포는 실제로 입력 교류신호 충방전에 의한 시상수(t) 또는 기준전압까지 도달 시간(Δt)의 크기 분포로 나타낼 수 있다. 도5의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 손가락 터치 영역 중심점에서 정전용량이 최대가 되고, 점차 정전용량 분포가 작게 측정된다.

도 5와 같이 측정된 정전용량 분포로부터 터치 민감도 및 외부 노이즈 에러(error) 등을 고려하여 기준값(Ct)을 설정하고, 기준값(Ct) 이상의 값을 갖는 주요 정전용량을 유효값으로 결정하고, 유효값의 정정용량 분포를 이용하여 유추된 무게 중심점 또는 유추된 정전용량 최대지점를 계산함으로써 터치스크린에 손가락 터치 중심점의 Y1과 Y2 좌표를 결정한다.

보다 정확한 터치 중심점 Y좌표는 다음의 수학식과 같이 계산하여 결정한다.

계산된 터치 중심점 Y 좌표가 중심점 Y 좌표에 인접한 두 개의 투명전극 즉, 제1 투명전극(a2)과 제2 투명전극(b2) 중 한 쪽에 치우치면 정전용량 C가 동일하지 않게 된다. 이때 제1 투명전극(a2)에 정전용량 C1이 형성되고, 제2 투명전극(b2)에 정전용량 C2가 형성되어, 두 전극에는 상이한 정전용량이 분포한다. 따라서 터치 중심점 X축 위치를 결정하는 수학식 5 및 수학식 6은 다음의 수학식 10과 수학식 11과 같이 수정될 수 있다.

수학식 10 및 11에서 C3= (C1/C2)로 나타내지며, 터치 중심점 Y좌표가 투명전극 a와 b사이에서 어느 한쪽으로 치우쳐진 정도를 계산하여 조정계수(C3)를 만들어 X좌표 계산에 보정에 사용한다.

그리고 수학식 7 및 8 또한 다음의 수학식 12와 수학식 13과 같이 수정할 수 있다.

이하에서는 도 6 및 도 7을 참조로 하여 본 발명의 제2 및 제3 실시 예에 따른 터치 스크린을 설명한다.

도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 터치 스크린의 구성도이고, 도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터치 스크린의 구성도이다.

도 6과 도 7에 도시된 본 발명의 제2 및 제3 실시 예에 따른 터치 스크린은 손가락 터치 위치(X좌표 및 Y 좌표)와 더불어, 터치 힘까지 측정할 수 있게 구성되어 있다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 및 제3 실시 예에 따른 터치 스크린은 투명 플렉서블(flexible) 기판(11) 상에 제1 투명전극(A), 제2 투명전극(B)과 보호막(20)으로 이루어진 단일 전극층이 형성된다. 그리고 단일 전극층의 하부에 탄성층(40)이 형성되고, 탄성층(40) 상에 하부 기판(70)이 배치된다. 이때 하부 기판(70) 상에는 단일 전극층에 대향되도록 하부 투명전극(50)이 형성된다. 여기서 하부 투명전극(50)은 접지 전극면으로서 기능을 한다. 그리고 탄성층(40)의 가장지리에는 댐(60)이 형성된다.

투명 플렉서블 기판(11)은 사용자의 손가락 누름에 대응하여 변형되도록 투명 플렉서블 소재로 이루어져 있으며, 투명 플렉서블 소재로는 유연성 있는 PET, 아크릴, 및 PC(폴리카보네이트) 등을 사용하고, 투명전극은 ITO, CNT, 그라핀(graphene) 및 투명 전도성 폴리머와 같은 투명 전극 재료를 이용한다.

제1 투명전극(A), 제2 투명전극(B)은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터치스크린과 동일하므로, 설명은 생략한다. 보호막(20)은 제1 및 제2 투명전극(A, B)를 보호하면서, 하부 투명전극(50)과 투명전극(A, B)이 접촉되어 통전되는 것을 막기 위해 형성된다.

하부 기판(70)은 PET, 아크릴, 폴리카보네이트 및 유리 재료를 사용하여 구성할 수 있으며, 하부 투명전극(50)은 ITO, CNT, 그라핀 및 투명 전도성 폴리머와 같은 투명 전극 재로로 구성된다.

여기서, 하부 투명전극(50)은 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 단일 투명전극면으로 형성된다. 또한 하부 투명전극(50)은 도 7에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 투명전극(A, B) 각각에 대향되도록 단순 직사각형 투명전극 또는 지그재그 굴곡형 투명전극 어레이로 형성된다.

단순 직사각형 투명전극 어레이란 도 3의 (a)에 도시된 막대형 투명전극이 도 1의 (a)와 같이 배열 구조로 이루어진 형태를 말한다.

단일 전극층과 하부 투명전극 층 사이에 형성된 탄성층(40)은 투명 소재로 이루어지며, 사용자의 터치와 함게 일정한 힘으로 누를 때 신축성있게 눌려질 수 있게 한다. 또한 탄성층(40)은 손가락을 터치스크린에서 띠었을 때에 투명 플렉서블 기판(11)이 초기 위치로 신속히 복원될 수 있도록 한다. 이러한 탄성층(40)을 위해 소재로는 실리콘, 폴리우레탄, PDMS, 러버(rubber) 등의 신축성 재료를 사용한다.

댐(dam)(60)은 탄성층(40) 가장자리에 형성되며, 터치 스크린을 반복적으로 누를 때 탄성층(40)이 외부로 밀려나가는 것을 방지한다. 댐(60)은 손가락으로 터치 스크린의 가장자리를 누를 때 가장자리 부분도 신축성 있게 눌려질 수 있도록 하기 위해 신축성 있는 실리콘, 폴리 우레탄, PDMS, 러버 등의 소재를 사용하여 구성된다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 제2 및 제3 실시 예에 따른 터치 스크린에서 터치 동작에 대응한 반응을 설명한다.

손가락으로 터치스크린을 일정한 힘으로 터치하게 되면, 투명 플렉시블 기판(11)은 아래쪽으로 변형이 일어나며 탄성층이 함께 눌려 제1 및 제2 투명전극(A, B)(이하 "상부 투명전극"이라 한다)과 하부 투명전극의 간격이 좁아지게 된다.

이때의 간격 변화에 다른 상부 투명전극과 하부 투명 전극사이에 상호 정전용량(mutual capacitance)(C)은 다음의 수학식 14와 같이 상부 투명전극과 하부전극이 교차하는 면적(A)과 투명전극 사이의 거리(d)의 변수로 나타내어진다.

상기 수학식 14에서 ε₀는 진공 유전율, ε_r는 탄성체 비유전율 이다.

수학식 14에서 터치스크린을 위에서 손가락으로 누를 때 투명전극의 면적의 변화는 거의 없으며, 상부 투명전극과 하부 투명전극 사이 거리(d) 작아지게 때문에 투명전극 사이의 정전용량은 증가하게 된다. 따라서 상부 및 하부 투명전극 사이의 상호 정전용량 크기는 터치 힘에 비례하며, 그에 따라 상부 및 하부 투명전극 사이의 정전용량 크기 변화를 측정하는 것으로, 터치할 때 터치 위치뿐만 아니라 터치 힘을 함께 측정할 수 있다.

이하에서는 도 8을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린에서의 터치 정보 파악 방법을 설명한다.

설명에 앞서, 도 8을 참조로 한 설명은 본 발명의 제2 및 제3 실시 예에 따른 터치 스크린에 대한 것이다. 그러나 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터치 스크린에 대한 터치 정보 파악 방법은 당업자라면 전술한 설명 및 이하의 설명으로부터 용이하게 예측할 수 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 터치 스크린의 3차원 터치 정보 파악 방법을 보인 순서도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 사용자가 터치스크린에 손가락을 터치하면 손가락이 터치한 부분의 투명전극과 하부 투명전극 간에 정전용량이 발생하고, 이렇게 발생된 각 투명전극에 대응한 정전용량을 수집하여 정전용량 분포를 결정한다(S801).

이러한 정전용량 분포에서 설정 기준값 이상인 정전용량을 유효 정전용량으로 하는 유효 정전용량의 분포를 선정한다(S802). 그리고 이렇게 결정된 유효 정전용량 분포로부터 수학식 9를 이용하여 터치 중심점의 Y 좌표를 결정한다(S803).

그런 다음, 결정된 터치 중심점 Y좌표와 가장 인접한 두 개의 투명전극 즉, 제1 투명전극(A)과 제2 투명전극(B)를 파악하고(S804), 파악한 제1 및 제2 투명전극(A, B) 사이에 터치 중심점 Y좌표가 어느 투명전극 쪽으로 치우친 정도를 계산하여 조정계수 C3를 결정한다(S805).

만약, Y 좌표가 제1 및 제2 투명전극(A, B) 사이의 중앙에 위치하면 조정계수(C3)은 1이 된다. 조정된 계수(C3)를 이용하여 인접한 제1 및 제2 투명전극(A, B)로부터 입력 교류신호의 충방전 특성에 의한 시상수(t1, t2) 또는 기준전압 도달 시간(Δt1, Δt2)을 측정하여 수학식 10 및 11 또는 수학식 12 및 13에 대응시켜 터치 중심점 X 좌표를 결정한다(S806).

여기서, 수학식 10 및 11 또는, 수학식 12 및 13을 이용하면, X1, X2 좌표를 얻게 되는데, X1 좌표와 X2 좌표 중 하나를 중심점 X 좌표로 이용한다. 터치 중심점 X 좌표는 X좌표 원점 위치에 따라 X1 좌표 또는 X2 좌표를 터치 중심점 X좌표로 사용한다.

터치 중심점 X, Y 좌표가 결정되면, 하부 투명전극과 인접한 두 개의 투명전극(A, B) 사이의 상호 정전용량(mutual capacitance)의 변화를 측정하고, 측정된 상호 정전용량을 설정된 변환값에 따라 터치 힘으로 변환함으로써 터치 중심점의 터치 힘을 함께 인식할 수 있다(S807).

결국, 본 발명의 실시 예에 따르면 S803 과정을 통해 Y 좌표를 파악하고, S806 과정을 통해 X 좌표를 파악하며, 더불어 S807 과정을 통해 터치 힘을 파악할 수 있게 됨으로써, 터치 스크린의 터치에 따른 3차원 정보를 파악할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

a1 내지 a8, A : 제1 투명전극 b1 내지 b8, B : 제2 투명전극
10, 11 : 기판 20 : 보호막
30 : 디스플레이 패널 40 : 탄성층
50 : 하부 투명전극 60 : 댐
70 : 하부 기판

Claims

삭제
상부에 위치한 상부 기판,
상기 상부 기판 상에 일정하게 교번으로 나란하게 배열된 복수의 제1 투명전극과 복수의 제2 투명전극,
상기 제1 투명전극과 상기 제2 투명전극 상에 형성된 보호층,
상기 보호층 상에 형성된 하부 기판,
상기 보호층과 상기 하부 기판 사이에 형성된 탄성층,
상기 하부 기판 상에 상기 제1 및 제2 투명전극에 대향하여 형성되어 접지 전극 기능을 수행하는 하부 투명전극, 그리고
상기 탄성층의 가장자리에 형성된 댐을 포함하며,
상기 제1 투명전극 및 상기 제2 투명전극은 지그재그 굴곡 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
제2항에 있어서,
상기 상부 기판은 사용자의 손가락 누름에 대응하여 변형되는 투명 플렉서블 소재로 이루어져 있으며, 상기 투명 플렉서블 소재는 유연성 있는 PET, 아크릴, 및 PC(폴리카보네이트) 필름 중 하나인 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
제2항에 있어서,
상기 탄성층은 투명 소재로 이루어지며, 실리콘, 폴리우레탄, PDMS, 러버(rubber) 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 투명 전극, 그리고 상기 하부 전극은 ITO, CNT, 그라핀 및 투명 전도성 폴리머와 같은 투명 전극 재로로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
제2항에 있어서,
상기 댐은 신축성 있는 실리콘, 폴리우레탄, PDMS, 러버(rubber) 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
제2항에 있어서,
불투명 터치 스크린인 경우 상기 제1 및 제2 투명전극은 알루미늄(Al), 동(Cu) 등과 같은 금속 재료 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
하측에 위치한 상부 기판, 상기 상부 기판 상에 일정하게 교번으로 나란하게 배열되고 지그재그 굴곡 형태를 가지는 복수의 제1 투명전극과 복수의 제2 투명전극, 그리고 상기 제1 투명전극과 상기 제2 투명전극 상에 형성된 보호층, 상기 보호층 상에 형성된 하부 기판, 상기 보호층과 상기 하부 기판 사이에 형성된 탄성층, 상기 하부 기판 상에 상기 제1 및 제2 투명전극에 대향하여 형성되어 접지 전극 기능을 수행하는 하부 투명전극, 및 상기 탄성층의 가장자리에 형성된 댐을 더 포함하는 터치 스크린에서의 터치 정보 파악 방법에 있어서,
(a) 손가락 터치시에 상기 제1 투명전극들 및 제2 투명전극들과 상기 하부 투명전극 간의 정전용량을 수집하여 Y축 기준으로 정전용량 분포를 파악하는 단계,
(b) 상기 정전용량 분포 중 설정 기준값 이상의 유효 정전용량 분포를 선정하는 단계,
(c) 상기 유효 정전용량 분포로부터 터치 중심점의 Y 좌표를 산출하는 단계,
(d) 상기 터치 중심점의 Y 좌표에 인접한 하나의 제1 투명전극과 하나의 제2 투명전극을 파악하는 단계,
(e) 상기 파악한 하나의 제1 투명전극과 상기 하나의 제2 투명전극에 대해 상기 터치 중심점의 Y좌표의 치우친 정도를 계산하여 조정계수를 결정하는 단계,
(f) 상기 하나의 제1 투명전극 및 상기 하나의 제2 투명전극에 인가되는 입력 교류신호의 충방전 특성에 의한 변수를 측정하여 터치 중심점 X 좌표를 산출하는 단계,
(g) 상기 하나의 제1 투명전극 및 상기 하나의 제2 투명전극과 상기 하부 투명전극 간의 정전용량을 측정하고 측정한 정전용량을 터치 힘으로 변환하는 단계를 포함하는 터치 스크린의 터치 정보 파악 방법.
제8항에 있어서,
상기 (a) 단계의 정전용량은 자기 정전용량이고, 상기 (g) 단계의 정전용량은 상호 정전용량인 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 터치 정보 파악 방법.
제8항에 있어서,
상기 변수는 시상수 변화 또는 기준전압 도달 시간인 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 터치 정보 파악 방법.