KR101308965B1 - 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치스크린 장치 - Google Patents

단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치스크린 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 패턴전극을 단일층(Single Layer)으로 구현할 수 있으면서 한 개 내지 수 개의 측정 채널만으로도 터치 좌표를 파악할 수 있어, 특히 10 인치 이상의 터치 스크린을 정전용량 방식으로 제작시 장치의 대형화에 따른 센싱 오작동 및 가격 증대 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 정전용량방식 터치 스크린 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치는 투명 기판과; 상기 투명 기판의 일면에 전기적으로 연속되게 이어지는 형태로 형성된 전극 패턴과; 상기 전극 패턴의 일측 종단에 연결되는 도전성의 제1 배선과; 상기 전극 패턴의 타측 종단에 연결되는 도전성의 제2 배선; 및 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통해 상기 전극 패턴의 양측 종단에 전압을 인가한 후 전하량을 측정하고, 상기 측정된 전하량을 이용하여 상기 전극 패턴 상의 터치된 위치를 산출하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치스크린 장치{Single Layer Capacitive Type Touch Screen Device}
본 발명은 정전용량방식 터치 스크린 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전용량 측정 채널을 최소화하여 회로 구현이 간단하고 터치 스크린 사이즈 증가에 따른 센싱 오작동을 방지할 수 있어 특히 10 인치 이상의 중대형 정전용량방식 터치 스크린의 구현에 적합한 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치에 관한 것이다.
터치스크린 장치는 입력이 매우 간단하고 편리하여, 휴대폰은 물론 PDA, 게임기, 네비게이션, POS, ATM기기 등 다양한 전자기기의 디스플레이 장치에 널리 사용되고 있다. 터치스크린 장치는 크게 저항막방식과 정전용량방식으로 나눌 수 있는데, 그 중 정전용량방식 터치스크린 장치는 단일층 구조(Single Layer)와 복층 구조(Double Layer)로 구별할 수 있다.
도 1은 종래 복층 구조의 전극패턴을 갖는 정전용량방식 터치스크린 장치의 개략도이다. 종래 복층 구조의 신호전극은 도 1과 같이 다이아몬드 형성으로 패터닝하거나 또는 바(Bar) 형태로 패터닝할 수 있으며 서로 수직한 두 신호전극들이 각각의 기판에서 분리 설치되어 있는 구조이다. 복층 구조는 미국특허 5,648,642에 기본 동작이 나와있듯이, 다수의 X,Y-신호전극에 손가락이 접촉했을 때, 걸어준 파형에 대하여 전하가 최대로 축적되는 X-신호전극과 Y-신호전극의 위치를 알아내어, 손가락의 접촉 위치를 결정한다.
도 2는 종래 단일층 구조의 전극패턴을 갖는 정전용량방식 터치스크린 장치의 개략도이다. 단일층 구조는 복층 구조에 비하여 투과율이 우수하고 공정 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 종래의 단일층 구조는 배선(3)이 인출되어 있는 X축 전극패턴(1)과 배선(4)이 인출되어 있는 Y축 전극패턴(2)이 서로 나란하게 여러 개 있는 구조로, 전극 2개가 한 쌍이 되어 위치에 따라 손가락과 접하는 면적비를 다르게 한다. 손가락이 접촉하는 정전용량을 재서, 면적비를 알아내고, 이로부터 위치를 결정할 수 있다. 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치는 미국특허 USP 6,297,811과 미국의공개특허 US 2007/0257894 에 기본 동작이 개시되어 있고, 한국공개특허 2009-0082965, 2009-0048970에도 기본 동작이 개시되어 있다. 종래 단일층 구조의 정전용량방식 터치스크린 장치는 고 해상도를 구현하기 위해서 전극 수가 많아져야 하고 이에 따른 회로부분이 복잡해져 공정 비용이 증가하는 단점이 있다.
한편, 종래 터치스크린 장치들은 정전용량 검출 방식으로 오실레이션 회로를 이용하는 것이 가장 일반적이다. 즉, 사람의 손가락을 정전패턴에 터치하면 정전용량(Capacitance)이 증가하여 오실레이션 주파수가 낮아지는데, 이 파형과 clock frequency를 비교하여 Capacitance 값을 검출하는 것이다. 또 다른 정전용량 검출 방식으로는 Delay에 의해서 Capacitance 값을 검출하는 방법이 공지되어 있다.
한편, 최근 터치스크린 시장에서는 높은 투과율과 터치 해상도를 보장할 수 있으면서 노트북 모니터, 일체형PC, 스마트TV 와 같이 중대형 디스플레이에도 적용이 가능한 터치스크린 장치에 대한 수요와 개발이 증가하고 있다.
그러나, 전술한 종래 정전용량 검출 방식으로 동작하는 터치스크린 장치는 10 인치 이하의 모바일 디스플레이 장치에는 큰 문제없이 정전터치스크린의 구현이 가능하나, 10 인치이상의 중대형 디스플레이 장치에 적용할 경우 디스플레이 사이즈 증가로 패턴 저항 및 Leakage Capacitace 값이 커지기 때문에 오실레이션 및 딜레이(Delay) 회로의 오동작을 유발하게 되는 한계가 있었다.
결국, 중대형 디스플레이에 터치스크린 장치를 구현하기 위해서는 중대형 디스플레이에 적합한 터치 지점 센싱 방법이 필요하고 더 나아가 단일층(Single Layer) 구조로 전극패턴을 형성할 수 있어 저가격으로 구현할 수 있는 기술이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 패턴전극을 단일층(Single Layer)으로 구현할 수 있으면서 더 나아가 적어도 십여 개 이상의 정전용량 측정 채널을 형성해야 했던 종래 정전용량 터치 스크린 장치과 달리 1 개 내지 수 개의 측정 채널만으로도 터치 좌표를 파악할 수 있어, 특히 10 인치 이상의 터치 스크린을 정전용량 방식으로 제작시 장치의 대형화에 따른 센싱 오작동 및 가격 증대 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치는 투명 기판과; 상기 투명 기판의 일면에 전기적으로 연속되게 이어지는 형태로 형성된 전극 패턴과; 상기 전극 패턴의 일측 종단에 연결되는 도전성의 제1 배선과; 상기 전극 패턴의 타측 종단에 연결되는 도전성의 제2 배선; 및 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통해 상기 전극 패턴의 양측 종단에 전압을 인가한 후 전하량을 측정하고, 상기 측정된 전하량을 이용하여 상기 전극 패턴 상의 터치된 위치를 산출하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치에 의하면, 터치 센싱 채널(즉, 종래의 경우 신호전극)을 1개 또는 2개로 최소화한 회로 구현이 가능하여 매우 간단한 회로 구성과 빠른 동작속도로 터치 지점을 측정할 수 있고, 전하량 측정 회로를 이용하여 터치 좌표를 산출하므로 대형 디스플레이에서 정전터치 패턴 길이가 늘어나서 큰 패턴저항 및 기생 캐패시턴스에 의한 캐패시턴스 센싱 오동작을 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 현저한 효과가 있다. 이에 더하여, 단일층(Single Layer) 구조의 전극패턴을 갖는 정전용량방식 터치스크린 장치로 구현할 수 있어 높은 투과율을 구현하고 공정 비용을 절감하여 저가격의 제품을 생산할 수 있는 탁월한 효과가 있다.
도 1은 종래 복층 구조의 전극패턴을 갖는 정전용량방식 터치스크린 장치의 개략도.
도 2는 종래 단일층 구조의 전극패턴을 갖는 정전용량방식 터치스크린 장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치의 동작원리를 설명하기 위한 회로 구성도.
도 5(a) 및 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치의 개략도.
도 6(a) 및 (b)는 본 발명에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치의 또 다른 동작원리를 설명하기 위한 회로 구성도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치의 개략도.
도 8은 도 7의 도전성 라인의 또 다른 연결 구조를 보여주는 도면.
본 발명은 정전용량 측정 채널을 최소화하여 회로 구현이 간단하고 터치 스크린 사이즈 증가에 따른 센싱 오작동을 방지할 수 있어 특히 10 인치 이상의 중대형 정전용량방식 터치 스크린을 구현할 수 있도록 하는 기술 특징을 개시한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치의 개략도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치는 터치 패널 및 컨트롤러(40)를 포함하고, 터치 패널에 형성된 전극 패턴(20)은 배선(30,31)을 통해 다수 개의 스위치 및 전원인가부(70)가 전기적으로 연결되어 있다.
먼저, 터치 패널은 기판(10), 전극 패턴(20), 제1 배선(30) 및 제2 배선(31)으로 구성된다. 기판(10)은 투명하고 얇은 재질로 형성되는데, 바람직하게는 광 투과율이 우수한 유리(Glass), 석영(quartz) 또는 아크릴 수지 등의 고강도 재료로 형성할 수 있고. 플렉서블 디스플레이에 적용할 경우 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyether sulfone), PI(polyimide), PMMA(PolyMethly MethaAcrylate) 등의 재질로 형성할 수 있다.
전극 패턴(20)은 기판(10)의 일면에 단일층(Single Layer) 구조로 형성되어 사용자의 접촉(터치)을 감지하는 센싱 영역으로서, 바람직하게는 광 투과율 및 전기 전도성이 우수한 ITO(indium-tin oxide), IZO(indium zinc oxide) 및 ZnO(zinc oxide) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용하여 균일한 두께로 증착한 후, 식각 공정 등을 통하여 패터닝함으로써 형성된다.
특히, 본 발명의 전극 패턴(20)은 양단에 소정의 전압이 인가된 후 전극 패턴 상의 접촉(터치) 위치에 따른 전하량 변화를 발생시키는 전도성 셀 역할을 하고, 접촉 수 및 접촉 위치의 정확한 판단을 위해 다양한 형상으로 패터닝될 수 있다.
제1 실시예의 터치 패널은 기판(10)의 일면에 전도성 물질로 연속되게 이어지도록 패터닝된 하나의 전극 패턴(20)만으로 구성하였다. 즉, 도 3과 같이 기판(10)에 형성된 전극 패턴(20)은 그 일측 종단부로부터 타측 종단부에 이르기까지 연속되게 이어져 전체가 전기적으로 도통되도록 형성된다.
그리고, 전극 패턴(20)의 일측 종단부에는 제1 배선(30)이 전기적으로 연결되고, 타측 종단부에는 제2 배선(31)이 전기적으로 연결되어 상기 하나의 전극 패턴(20) 양단에 전압을 인가할 수 있도록 구성된다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1 실시예의 전극 패턴(20)은 바(Bar) 형태로 형성된 다수의 로우(Row) 패턴(21)과 상호 이웃하는 로우 패턴을 연결하는 다수의 칼럼(Column) 패턴(22)이 연속적으로 이어지게 형성된다.
다수의 로우 패턴(21)은 기판(10)의 종방향을 따라 상호 일정 간격으로 이격 배열되는데, 상기 다수의 로우 패턴 중 최상단에 위치한 로우 패턴(이하, 제1 로우 패턴;21a)의 좌측 단부에는 제1 배선(30)이 연결되고 우측 단부에는 칼럼 패턴(22a)의 상단부가 연결되게 형성된다. 그리고, 상기 칼럼 패턴(22a)의 하단부는 상기 제1 로우 패턴(21a)의 하측에 이웃하고 있는 제2 로우 패턴(21b)의 우측 단부와 연결되게 형성된다. 그리고, 상기 제2 로우 패턴(21b) 및 그 하측에 이웃하고 있는 제3 로우 패턴(21c)은 또 다른 하나의 칼럼 패턴(22b)을 통해 그 좌측 단부를 상호 연결하게 된다.
상기와 같이 제1, 제2..제n 로우 패턴(21a,b,c,d)을 그 좌/우측 단부에서 제1, 제2, 제n 칼럼 패턴(22a,b,c)이 각각 연결해나감으로써 'ㄷ' 자형 패턴과 역'ㄷ' 자형 패턴이 교호로 반복되며 이어지는 지그재그 구조의 전극 패턴(20)을 형성하게 된다.
한편, 상기에서는 칼럼 패턴(22)을 전도성 물질(ITO 등)로 패터닝 형성하여 복수의 로우 패턴(21)이 전기적으로 연속되게 이어지도록 구성하였으나, 칼럼 패턴(22)은 전도성 물질의 패터닝 형태가 아닌 리드선과 같이 도전성 와이어 형태로 형성하여 로우 패턴들(21)을 전기적으로 연결시키도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
종래 터치 패널의 경우 하나의 연속상의 전극 패턴에는 하나의 배선(신호전극)만이 구비되어 있는 반면, 본 발명의 터치 패널의 하나의 연속상의 전극 패턴 (20)에 두 개의 배선이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는데, 제1 배선(30) 및 제2 배선(31)이 이에 해당한다.
제1 배선(30)은 은(Ag)을 포함한 금속 재질로 형성되고 전극 패턴(20)의 일측 종단부(즉, 최상단에 위치한 로우 패턴의 일단부)로부터 인출되어 기판(10)의 일측 변을 따라 와이어 형태로 연장되게 형성된다.
제2 배선(31)은 은(Ag)을 포함한 금속 재질로 형성되고 전극 패턴(20)의 타측 종단부(즉, 최하단에 위치한 로우 패턴의 일단부)로부터 인출되어 기판(10)의 일측 변을 따라 와이어 형태로 연장되게 형성된다.
이처럼 본 발명의 전극 패턴(20)은 연속상의 시작점과 끝점에 모두 배선(즉, 제1 및 제2 배선) 구비됨으로써 전극 패턴(20)의 양단에 전압을 인가할 수 있도록 구성되는데, 구체적으로 제1 배선(즉, 전극 패턴의 시작점)에는 제1 전압이 인가되고 제2 배선(즉, 전극 패턴의 끝점)에는 제1 전압보다 낮은 전압(이하, '제2 전압' 이라 함)이 인가된다. 예컨데, 제1 배선(30)은 전원인가부(70)와 연결시키고 제2 배선(31)은 접지시킨다면 제1 전압은 상기 전원인가부(70)의 출력전압이고, 제2 전압은 접지전압이 된다.
한편, 제1 배선(30)과 전원인가부(70) 사이에는 제1 스위치(도4;91)가 연결되어 있고, 제2 배선(31)과 접지 사이에는 제2 스위치(도4;92)가 연결되어 있으며, 제1 스위치(91)와 제2 스위치(92)의 온(On)/오프(Off) 동작은 컨트롤러(40)에 의해 제어된다.
전술한 제1 실시예와 같은 구성에 의할 경우, 도 4와 같은 회로 구성과 아래 수학식 1에 의해 터치된 지점의 좌표를 측정할 수 있게 된다.
[수학식 1]
Q = C·V
여기서, Q: 전극패턴의 터치지점에서 측정된 전하량, C: 정전용량, V: 전극패턴의 터치지점의 전압
도 4는 본 발명에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치의 동작원리를 설명하기 위한 회로 구성도이다. 참고로, 도 4는 설명의 편의를 위해 도 3 실시예의 전극패턴 형태(지그재그 형태의 연속상)를 바(Bar) 형태의 연속상으로 간략히 도시하였다. 한편, 전극 패턴(20) 아래에 도시된 그래프 중 가로축은 전극 패턴(20)의 일측 종단부(좌측단 '0.0') 에서 타측 종단부(우측단 '1.0')까지의 거리를 비율로 나타낸 것이고, 세로축은 전극 패턴(20) 상의 위치에 따른 전압을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 제1 실시예의 전극 패턴(20)의 우측단에는 제1 전압을 인가하기 위한 제1 배선(30)이 연결되어 있고, 좌측단에는 제2 전압을 인가하기 위한 제2 배선(31)이 연결되어 있다. 그리고, 제1 배선(30)과 전원인가부(70) 사이에는 제1 스위치(91)가 연결되어 있고, 제2 배선(31)에는 제2 스위치(92)가 연결되어 있다.
상기와 같은 구성에서 제1 스위치(91)와 제2 스위치(92)를 각각 온(On)시키고 제1 배선(30)을 통해 제1 전압을 인가하면, 전극 패턴(20)은 좌측단에서 우측단으로 점차적인 전압 강하가 발생된다. 예를 들어 전극 패턴의 우측단에 인가되는 제1 전압이 5V이고 전극 패턴의 좌측단에 인가되는 제2 전압이 0V(접지)일 경우, 기판(10)에 형성된 전극 패턴(20)에는 우측단(1.0)에서 좌측단(0.0)으로 갈수록 5V에서 0V가 균등하게 전압 강하가 일어나면서 전압이 인가되어 도 4의 그래프의 기울기와 같이 나타나게 된다.
사용자가 접촉한 전극 패턴(20) 상의 지점(터치 좌표)은 상기와 같이 전극 패턴 양측 종단부에 전압을 인가한 후 제1 스위치(91)와 제2 스위치(92)를 오프 (Off)시켜 플로팅(Floating) 상태로 만든 후 전하량을 측정하여 터치 좌표를 파악할 수 있다.
예컨데, 사용자가 전극 패턴(20) 상의 T1 지점을 터치하였다고 가정하면 이 때 측정된 전하량은 수학식 1에 의해 터치된 지점(T1)의 전압과 비례 관계에 있음을 알 수 있고, 이를 이용하여 터치 좌표를 파악할 수 있게 되는 것이다.
즉, 사용자가 현재 T2 지점을 터치하였다면 이 때 측정된 전하량은 T1 지점을 터치하였을 때의 전하량보다 더 낮은 값으로 측정될 것이다. 이는 상기 T2 위치에 해당하는 전극 패턴 지점에는 전압 강하로 인해 T1 위치에 해당하는 전극 패턴 지점의 전압(Va)보다 낮은 전압(Vb)이 인가된 상태에 있기 때문이다.
결국, 현재 측정된 전하량을 통해 이 때의 전압의 크기를 유추할 수 있고, 이렇게 산출된 전압 크기(즉, 도 4 그래프의 세로축 상의 전압)를 통해 전극 패턴 상의 어느 지점(즉, 도 4 그래프의 가로축 상의 거리)이 터치되었는지를 파악할 수 있으며, 특히 제1 실시예의 전극 패턴(20)은 복수의 로우 패턴(21)이 연속되게 이어지며 기판(10)의 종방향(즉, Y축)을 따라 이격 배열되어 있는 바, 연속상으로 형성된 전극 패턴 상의 특정 터치 지점을 알면 해당 지점의 X 좌표는 물론 Y 좌표도 함께 산출할 수 있게 되는 것이다.
일반적으로, 정전용량방식 터치스크린 장치는 사용자가 터치하는 면(즉, 유리 등의 기판(10)) 반대편에 ITO전극이 패터닝되어 있다. 이는 만약 사용자가 터치하는 면에 전기가 통하는 ITO가 있으면 사용자의 안전과 회로보호를 위해서 전기적인 절연을 위한 투명 절연 및 보호용 필름이 필요하기 때문이다. 유리의 패터닝 ITO가 터치 면 반대쪽에 있기 때문에 터치스크린 장치의 터치 면(즉, 유리 등의 기판) 두께가 두꺼울수록 터치 시 인식되는 캐패시턴스 값이 작아진다. 특히 터치 면을 두꺼운 강화유리등을 사용할 경우 캐패시턴스 값이 작아져서 터치 인식이 어려운 문제가 발생한다.
그런데, 본 발명에서는 전하량을 이용하기 때문에 수학식1(Q = CV)에서 전압을 올려주면 Q값 즉 전하량 값이 증가한다. 즉, 터치 면(즉, 유리 등의 기판)의 두께가 두꺼워지면 이에 비례한 구동전압을 올려주면 동일한 전하량 값을 얻을 수 있기 때문에 두꺼운 유리로 이루어진 터치 면으로 구성하더라도 정확한 터치 인식을 보장할 수 있는 강점이 있다.
한편, 상기에서는 전하량 측정 기능 및 측정된 전하량을 기반으로 터치 좌표를 산출하는 기능은 제1 및 제2 배선(30,31)을 통해 전극 패턴(20)과 전기적으로 연결된 컨트롤러(40)를 통해 이루어지도록 설명 및 도시하였으나, 제1 배선(30)과 연결되어 전극 패턴(20) 상의 터치 지점의 전하량을 측정하는 전하량 측정부(80)를 별도로 형성하고, 상기 전하량 측정부(80)가 측정한 전하량 정보를 상기 컨트롤러(40)로 전송하여 이를 입력받은 컨트롤러(40)가 터치 좌표를 계산하도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
여기서 컨트롤러(40)의 전하량 측정 기능(또는 전하량 측정부)은 전하량 측정시 일반적으로 사용하는 연산증폭기(OP AMP)와 커패시터(Capacitor)로 형성된 전하 전달 회로(Charge Transfer Circuit)로 구성할 수 있다.
전술한 바와 같은 제1 실시예의 정전용량방식 터치 스크린 장치는 기판(10) 위에 하나의 전극 패턴(20)을 연속상으로 형성하고, 상기 연속상의 전극패턴(20)의 양측 종단에 전압을 인가한 후 전하량을 측정함으로써 전압 정보를 획득할 수 있고, 이렇게 획득된 전압 정보를 기반으로 전극 패턴 상의 어느 지점이 터치되었는지를 산출할 수 있게 된다.
따라서, 전극 패턴(20)에 인가되는 전압을 최대한 높은 해상도로 분해할수록 해당 정전용량방식 터치 스크린 장치는 더 높은 터치 해상도를 구현할 수 있게 되는데, 도 5는 이처럼 높은 터치 해상도 구현에 적합한 전극 패턴 구조를 보여준다.
도 5(a) 및 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치의 개략도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치는 제1 실시예의 전극 패턴과 배선을 다수개로 형성한 것이다.
먼저 도 5(a)의 경우 전기적으로 분리된 2 개의 전극 패턴으로 형성하였다. 즉, 하나의 전극 패턴(이하, '제1 전극 패턴(23)' 이라 함)은 기판(10) 일면의 상측에 패턴 형성하고, 다른 하나의 전극 패턴(이하, '제2 전극 패턴(24)' 이라 함)은 기판(10) 일면의 하측에 패턴 형성하였다.
제1 전극 패턴(23)은 제1 로우 패턴(23a)과 제1' 로우 패턴(23b)이 상호 평행하게 이격 배열되고, 제1 및 제1' 로우 패턴의 각 우측 단부는 제1 칼럼패턴(23c)의 상단부와 하단부에 각각 연결됨으로써 전체적으로 연속되게 이어진 역'ㄷ' 자 형태로 형성된다.
그리고, 제1 전극 패턴(23)의 제1 로우 패턴(23a)의 좌측 단부는 제1 배선(32)이 연결되고 제1' 로우 패턴(23b)의 좌측 단부는 제1' 배선(33)이 인출되어, 제1 전극 패턴(23)은 제1 및 제1' 배선(32,33)을 통해 양단에 전압이 인가된 후 전술한 도 4의 동작원리를 통해 제1 전극 패턴 상의 터치 지점을 측정할 수 있게 된다.
제2 전극 패턴(24)은 제2 로우 패턴(24a)과 제2' 로우 패턴(24b)이 상호 평행하게 이격 배열되고, 제2 및 제2' 로우 패턴의 각 좌측 단부는 제2 칼럼패턴 (24c)의 상단부와 하단부에 각각 연결됨으로써 전체적으로 연속되게 이어진 'ㄷ' 자 형태로 형성된다.
그리고, 제2 전극 패턴(24)의 제2 로우 패턴(24a)의 우측 단부는 제2 배선(34)이 연결되고 제2' 로우 패턴(24b)의 우측 단부는 제2' 배선(35)이 인출되어, 제2 전극 패턴(24)은 제2 및 제2' 배선(34,35)을 통해 양단에 전압이 인가된 후 전술한 도 4의 동작원리를 통해 제2 전극 패턴 상의 터치 지점을 측정할 수 있게 된다.
다음으로 도 5(b)의 경우 상호 전기적으로 분리된 4 개의 전극 패턴 (27a,b,c,d)으로 형성하였다. 즉, 제1 전극패턴(27a), 제2 전극패턴(27b), 제3 전극패턴(27c) 및 제4 전극패턴(27d)을 기판(10) 상에 각각 패턴 형성하고, 각 전극 패턴은 그 일측 종단부와 타측 종단부에 전압 인가 및 전하량 측정을 위한 배선(36a/37a, 36b/37b, 36c/37c, 36d/37d)이 각각 인출되게 형성하였다. 도 5(b)의 실시예에 도시된 전극 패턴 구조 및 동작원리는 기본적으로 도 5(a)와 동일하고 그 갯수만 상이하게 형성한 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5(b)와 같이 전극 패턴을 4 개(27a,b,c,d)로 형성할 경우 전극 패턴이 2 개로 구성된 도 5(a) 실시예의 터치 스크린 장치보다 측정 채널 개수가 증가하여 회로부가 복잡해질 수는 있으나 반면 더 높은 터치 해상도를 구현할 수 있는데, 이는 도 5(b)의 실시예는 도 5(a)의 실시예 보다 전극 패턴이 더 많은 수로 세분화되어 있어 전극 패턴에 인가되는 전압을 더 높은 해상도로 분해할 수 있기 때문이다.
또한, 도 5 (a) 및 (b)와 같이 복수의 전극 패턴으로 구성할 경우, 제1 실시예보다 높은 터치 해상도를 구현할 수 있음은 물론 각각 분리 구성된 다수의 전극 패턴이 독립적으로 동시에 터치 지점을 센싱할 수 있으므로 멀티터치 기능도 구현할 수 있는 장점이 있다.
한편, 전술한 동작원리에 의해 터치 좌표를 측정할 경우, 터치 조작시 정전펜과 같이 전하량이 일정한 도전볼 등을 사용하면 터치 캘리브레이션(Calibration)을 통한 좌표 교정 후 정확한 터치 좌표의 측정이 가능하지만 정전펜이 아닌 사람의 손가락을 사용하여 터치 조작을 하게 되면 사람 또는 주변환경에 따라 전하량의 차이로 오동작이 발생할 수도 있다.
도 6(a) 및 (b)는 본 발명에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치의 또 다른 동작원리를 설명하기 위한 회로 구성도이다. 참고로, 도 6은 설명의 편의를 위해 도 3 실시예의 전극패턴 형태(지그재그 형태의 연속상)를 바(Bar) 형태의 연속상으로 간략히 도시하였다. 한편, 전극 패턴에 아래에 도시된 그래프 중 가로축은 전극 패턴의 일측 종단부에서 타측 종단부까지의 거리를 비율로 나타낸 것이고, 세로축은 전극 패턴 상의 위치에 따른 전압을 나타낸다.
도 6(a) 및 (b)에 따른 동작원리는 도 4에서 설명한 동작원리와 기본적으로 동일하므로 이하에서는 그 차이점만을 설명하기로 한다.
도 4의 동작원리의 경우 전극 패턴(20)의 양단에 전압을 한번만 인가한 후 전하량을 측정하여 터치 좌표를 검출하도록 구성되었으나, 도 6의 동작원리는 해당 전극 패턴(20)의 양단에 전압을 인가하여 전하량을 측정한 후, 동일한 전극 패턴(20)에 다시 전압을 교차하여 입력하여 전하량을 한번 더 측정하고 이렇게 측정된 두 개의 전하량 값을 기반으로 아래 수학식 2를 이용하여 터치 좌표를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
[수학식 2]
QA/QB = P1/P2, P1= L-P2
따라서, QA/QB = (L-P2)/P2 = L/P2 - 1
그러므로, P2 = L/(QA/QB + 1)
여기서, QA: 제1 전극패턴의 양단에 전압을 인가하여 측정된 전하량, QB: 제1 전극패턴의 양단에 전압을 교차 인가하여 측정된 전하량, P1: 터치에 대해 측정된 전하량(QA )로부터 산출된 터치지점, P2: 동일한 터치에 대해 측정된 전하량(QB )로부터 산출된 터치지점
사용자가 전극 패턴(20) 상의 T3 지점을 터치하였다고 가정하자. 이 때 도 6의 동작원리로 구성된 본 발명의 정전용량방식 터치 스크린 장치는 먼저 도 6(a)와 같이 전극 패턴(20)의 좌측단에 연결된 제1 배선(30)을 통해 제1 전압을 인가하고, 우측단에 연결된 제2 배선(31)을 통해 제2 전압을 인가하여 도 4에서 설명한 동작원리에 따라 해당 터치 지점의 전하량(이하, '제1 전하량' 이라 함)을 측정한다.
제1 전하량 측정이 완료되면, 동일한 터치 지점(T3)에 대해 또 한번 전하량을 측정하게 되는데, 이 때는 도 6(b)와 같이 전극 패턴(20)의 우측단에 연결된 제2 배선(31)을 통해 제3 전압을 인가하고, 좌측단에 연결된 제1 배선(30)을 통해 제4 전압을 인가하여 도 4에서 설명한 동작원리에 따라 해당 터치 지점의 전하량(이하, '제2 전하량' 이라 함)을 측정한다.
한편, 도 6(a) 및 (b)에서 상기의 제1 전압, 제2 전압, 제3 전압 및 제4 전압은 다음과 같이 관계로 구성하는 것이 바람직하다. 즉, "(1) 제1 전압 〉제2 전압, (2) 제3 전압 〉제4 전압, (3) 제1 전압 = 제3 전압, (4) 제2 전압 = 제4 전압" 참고로, 도 6(a) 및 (b)의 실시예의 제2 전압과 제4 전압은 0V 접지로 구성하였다.
상기와 같이 전극 패턴(20) 상의 특정 터치 지점에 대한 제1 전하량과 제2 전하량의 측정이 완료되면, 수학식 2와 같이 상기 측정된 제1 전하량과 상기 제2 전하량 값만을 이용하여 전극 패턴 상의 어느 지점(즉, 도 6의 경우 P2)이 터치되었는지를 파악할 수 있게 되고, 특히 본 발명의 전극 패턴(20)은 다수의 로우 패턴 (21)이 연속되게 이어지며 기판(10)의 종방향(즉, Y축)을 따라 이격 배열되어 있는 바, 연속상으로 형성된 전극 패턴 상의 특정 터치 지점을 알면 해당 지점의 X 좌표 위치는 물론 Y 좌표 위치도 함께 산출할 수 있게 되는 것이다.
또한, 전극 패턴(20) 양단에 전압을 교차하여 인가하기 위해 제1 배선(30)과 제2 배선(31)에는 각각 스위치(93,94,95,96)가 연결되게 구성하고, 상기 스위치의 온(On)/오프(Off) 동작은 컨트롤러(40)에 의해 제어되도록 구성함으로써 상술한 전극 패턴 양단의 전압 교차를 통한 제1 전하량 및 제2 전하량의 측정을 달성할 수 있다.
그리고, 제1/제2 전하량 측정 기능 및 측정된 전하량을 기반으로 터치 좌표를 산출하는 기능은 제1, 및 제2 배선을 통해 전극 패턴과 전기적으로 연결된 컨트롤러(40)를 통해 모두 실현되도록 구성하거나, 또는 제1 배선 및 제2 배선과 연결되어 전극 패턴 상의 터치 지점의 전하량을 측정하는 전하량 측정부(80)를 별도로 형성하고, 상기 전하량 측정부(80)가 측정한 전하량 정보를 상기 컨트롤러(40)로 전송하여 이를 입력받은 컨트롤러(40)가 터치 좌표를 계산하도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
여기서, 컨트롤러(40)의 전하량 측정 기능(또는 전하량 측정부)은 전하량 측정시 일반적으로 사용하는 연산증폭기(OP AMP)와 커패시터(Capacitor)로 형성된 전하 전달 회로(Charge Transfer Circuit)로 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치의 개략도이다. 제3 실시예에 따른 정전용량방식 터치 스크린 장치는 전극 패턴(50,51)을 바(Bar) 형태로 패턴 형성하고, 상기 바 형태의 전극 패턴(50,51)은 다수 개가 기판(10)의 종방향을 따라 상호 일정 간격으로 이격 배열되고, 각각의 전극 패턴은 배선(64,65)을 통해 전기적으로 연결되어 양측 종단에 전압을 인가함으로써 터치 지점의 전하량을 측정할 수 있도록 구성된다.
도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 투명 기판(10)의 일면에는 바(Bar) 형태의 다수의 제1 전극 패턴(50)과, 바(Bar) 형태의 다수의 제2 전극 패턴(51)이 패턴 형성되어 있고, 상기 제1 전극 패턴(50) 및 제2 전극 패턴(51)은 상호 절연 가능한 최소한의 간격을 두고 이격되며 번갈아가며 배열된 구조로 구성된다.
제1 및 제2 전극 패턴은 ITO(indium-tin oxide), IZO(indium zinc oxide) 및 ZnO(zinc oxide) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용하여 균일한 두께로 증착한 후, 식각 공정 등을 통하여 패터닝함으로써 형성된다.
상기 다수의 제1 전극 패턴(50a,b,c,d) 중, 기판(10)의 최상단에 위치한 제1 전극 패턴(50a)의 일측단(도 7의 경우 좌측단)에는 제1 배선(60)이 인출되어 기판(10)의 일측 변을 따라 와이어 형태로 연장된 후 컨트롤러(40)와 연결되어 있고, 기판(10)의 최하단에 위치한 제1 전극 패턴(50d)의 일측단(도 7의 경우 좌측단)에는 제1' 배선(61)이 인출되어 기판(10)의 일측 변을 따라 와이어 형태로 연장된 후 컨트롤러(40)와 연결되어 있다.
그리고, 상기 다수의 제2 전극 패턴(51a,b,c,d) 중, 기판(10)의 최상단에 위치한 제2 전극 패턴(51a)의 일측단(도 7의 경우 좌측단)에는 제2 배선(62)이 인출되어 기판(10)의 일측 변을 따라 와이어 형태로 연장된 후 컨트롤러(40)와 연결되어 있고, 기판(10)의 최하단에 위치한 제2 전극 패턴(51d)의 일측단(도 7의 경우 좌측단)에는 제2' 배선(63)이 인출되어 기판(10)의 일측 변을 따라 와이어 형태로 연장된 후 컨트롤러(40)와 연결되어 있다.
한편, 다수의 제1 전극 패턴(50a,b,c,d)은 전체가 전기적으로 상호 연결되어 있고, 다수의 제2 전극 패턴(51a,b,c,d)은 전체가 전기적으로 상호 연결되어 있으며, 제1 전극 패턴과 제2 전극 패턴은 상호 절연되어 있다.
도 7의 제3 실시예는 각각의 제1 전극 패턴의 그 좌측단(또는 우측단)에 연결된 도전성 라인(64)을 통해 기판(10)의 종방향을 따라 차례로 배열된 다수의 제1 전극 패턴(50a,b,c,d)을 순차로 연결해나감으로써 다수의 제1 전극 패턴 전체가 전기적으로 연속되게 이어지도록 구성하였다.
제2 전극 패턴 역시 제1 전극 패턴과 마찬가지로 그 좌측단(또는 우측단)에 연결된 도전성 라인(65)을 통해 기판(10)의 종방향을 따라 차례로 배열된 다수의 제2 전극 패턴(51a,b,c,d)을 순차로 연결해나감으로써 다수의 제2 전극 패턴 전체가 전기적으로 연속되게 이어지도록 구성하였다. 도전성 라인(64,65)은 바람직하게는 은(Ag)을 포함한 금속 재질의 리드선 내지 메탈 와이어 형태로 형성할 수 있다.
상기와 같은 제3 실시예의 전극 패턴 구조에 의할 경우, 도 4 또는 도 6에서 설명한 동작원리를 동일하게 적용하여 터치 지점을 검출할 수 있게 된다.
도 4의 동작원리를 따른다면, 전기적으로 연속되게 이어진 복수의 제1 전극 패턴(50a,b,c,d)의 양측 최종단에 상기 제1 배선(60)과 상기 제1' 배선(61)을 통해 각각 전압을 인가하고, 전기적으로 연속되게 어진 복수의 제2 전극 패턴 (51a,b,c,d)의 양측 최종단에 상기 제2 배선(62)과 상기 제2' 배선(63)을 통해 상기 각각 전압을 인가한 후 각각의 전하량을 측정하고, 상기 측정된 전하량을 기반으로 상기 제1 전극패턴 및(또는) 제2 전극패턴 상의 터치된 위치를 산출할 수 있다.
도 6의 동작원리를 따른다면, 앞서 설명한 바와 같이 제1 전극 패턴(또는 제2 전극 패턴)의 양측 최종단에 전압을 교차하여 한번 더 인가함으로써 제1 전극 패턴 상의 동일한 터치 지점에 대해 두 개의 전하량 값을 획득하여 수학식 2에 따라 터치 좌표를 산출할 수 있다.
상기와 같은 제3 실시예의 전극 패턴 구조에 의하면, 정전터치 면적이 너무 작아서 패터닝된 영역이 아닌 곳에 터치가 된 경우 또는 터치 면적이 너무 큰 경우 발생할 수 있는 좌표인식의 오작동을 최소화할 수 있고, 또한 ITO 패터닝이 전체적으로 2 개 타입으로 나뉘어 연결되어 있어서 두 가지 패턴(즉, 제1 전극 패턴 및 제2 전극 패턴)을 이용해서 터치좌표를 측정하기 때문에 높은 터치 해상도와 정확도를 보장할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 7에서 제1 및 제2 전극 패턴이 형성된 기판(10)의 베젤(Bezel)부분에서 도전성 라인(64,65)간의 교차 부분이 중첩(Overlap)되는 문제는 도 8과 같이 도전성 라인 내지 제1/제2 배선의 단부에 연결 패드(90)를 형성하고, 연성인쇄회로기판(FPCB, 미도시)을 이용해서 상호 연결 가능하다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 기판 20: 전극 패턴
21: 로우 패턴 22: 칼럼 패턴
23,50: 제1 전극 패턴 24,51: 제2 전극 패턴
30,60: 제1 배선 31,62: 제2 배선
40: 컨트롤러 61: 제1' 배선
63: 제2' 배선 64,65: 도전성 라인
70: 전원인가부 80: 전하량 측정부
91: 제1 스위치 92: 제2 스위치

Claims (10)

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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 정전용량 방식의 터치 스크린 장치로서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판의 일면에 전기적으로 연속되게 이어지는 형태로 형성된 전극 패턴;
    상기 전극 패턴의 일측 종단에 연결되는 도전성의 제1 배선;
    상기 전극 패턴의 타측 종단에 연결되는 도전성의 제2 배선; 및
    상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통해 상기 전극 패턴의 양측 종단에 전압을 인가한 후 전하량을 측정하고, 상기 측정된 전하량을 이용하여 상기 전극 패턴 상의 터치된 위치를 산출하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 전극 패턴은,
    상호 평행하게 이격 배열된 복수의 로우(Row) 패턴; 및 상호 이웃하는 상기 로우(Row) 패턴들을 그 단부에서 연결하는 칼럼(Column) 패턴에 의해 전기적으로 연속되게 이어지는 구조로 형성되고,
    하나의 상기 전극 패턴을 형성하는 상기 다수의 로우 패턴 중, 최상단에 위치한 로우 패턴의 또 다른 단부는 상기 제1 배선이 연결되고, 최하단에 위치한 로우 패턴의 또 다른 단부는 상기 제2 배선이 연결된 것을 특징으로 하는 정전용량방식 터치 스크린 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 상호 전기적으로 분리된 다수 개로 구비되고,
    상기 다수의 전극 패턴 각각은 최상단에 위치한 로우 패턴과 최하단에 위치한 로우 패턴에 상기 제1 배선과 제2 배선이 각각 인출되어 있는 것을 특징으로 하는 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 칼럼 패턴은 전도성 물질로 패턴닝 형성된 것이거나, 또는 도전성 와이어로 형성된 것을 특징으로 하는 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치.
  8. 정전용량 방식의 터치 스크린 장치로서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판의 일면에 상호 이격되며 교호로 배열된 투명한 전도성 물질의 다수의 제1 전극 패턴과 제2 전극 패턴;
    상기 다수의 제1 전극 패턴 중, 최상단에 위치한 제1 전극 패턴에 연결되는 도전성의 제1 배선과 최하단에 위치한 제1 전극 패턴에 연결되는 도전성의 제1' 배선;
    상기 다수의 제2 전극 패턴 중, 최상단에 위치한 제2 전극 패턴에 연결되는 도전성의 제2 배선과 최하단에 위치한 제2 전극 패턴에 연결되는 도전성의 제2' 배선;
    상기 제1 배선과 상기 제1' 배선을 통해 상기 제1 전극 패턴에 전압을 인가하여 전하량을 측정하고, 상기 제2 배선과 상기 제2' 배선을 통해 상기 제2 전극 패턴에 전압을 인가하여 터치된 지점의 전하량을 측정하며, 상기 측정된 적어도 하나의 전하량을 이용하여 상기 제1 전극 패턴 및(또는) 제2 전극 패턴 상의 터치된 위치를 산출하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 다수의 제1 전극 패턴은 전체가 전기적으로 상호 연결되어 있고, 상기 다수의 제2 전극 패턴은 전체가 전기적으로 상호 연결되어 있으며, 상기 제1 전극 패턴과 상기 제2 전극 패턴은 상호 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 다수의 제1 전극 패턴은 상기 최상단에 위치한 제1 전극 패턴으로부터 상기 최하단에 위치한 제1 전극 패턴에 이르기까지 각 제1 전극 패턴들의 적어도 일단부에 연결된 도전성 라인을 통해 순차적으로 연결되어 전체가 전기적으로 도통되고,
    상기 다수의 제2 전극 패턴은 상기 최상단에 위치한 제2 전극 패턴으로부터 상기 최하단에 위치한 제2 전극 패턴에 이르기까지 각 제2 전극 패턴들의 적어도 일단부에 연결된 도전성 라인을 통해 순차적으로 연결되어 전체가 전기적으로 도통되게 형성된 것을 특징으로 하는 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치 스크린 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 연산증폭기(OP AMP)와 커패시터(Capacitor)를 포함하는 전하 전달 회로(Charge Transfer Circuit)를 통해 상기 전하량을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량방식 터치 스크린 장치.
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KR20090009147A (ko) * 2007-07-19 2009-01-22 (주)멜파스 복수의 막대형 투명 전극을 구비한 터치스크린 장치
KR20110087754A (ko) * 2010-01-27 2011-08-03 세심광전자기술(주) 위치의 정밀도가 높은 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치

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