KR101343241B1 - 터치패널 - Google Patents

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KR101343241B1
KR101343241B1 KR1020120068100A KR20120068100A KR101343241B1 KR 101343241 B1 KR101343241 B1 KR 101343241B1 KR 1020120068100 A KR1020120068100 A KR 1020120068100A KR 20120068100 A KR20120068100 A KR 20120068100A KR 101343241 B1 KR101343241 B1 KR 101343241B1
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mesh conductor
conductor line
electrode
touch panel
line
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김현
빅토르 유로프
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 터치패널에 관한 것으로, 본 발명에 따른 터치패널은 메쉬 도체라인을 포함하고, 메쉬 도체라인의 피치는 pm=2×pd(fm=fd/2, pm≤260μm)으로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 한다(pm: 메쉬 도체라인의 피치, pd: 디스플레이의 화소 피치, fm: 메쉬 도체라인의 주파수(1/pm), fd: 디스플레이의 화소 주파수(1/pd)).

Description

터치패널{Touch Panel}
본 발명은 터치패널에 관한 것이다.
디지털 기술을 이용하는 컴퓨터가 발달함에 따라 컴퓨터의 보조 장치들도 함께 개발되고 있으며, 개인용 컴퓨터, 휴대용 전송장치, 그 밖의 개인 전용 정보처리장치 등은 키보드, 마우스와 같은 다양한 입력장치(Input Device)를 이용하여 텍스트 및 그래픽 처리를 수행한다.
하지만, 정보화 사회의 급속한 진행에 따라 컴퓨터의 용도가 점점 확대되는 추세에 있는 바, 현재 입력장치 역할을 담당하는 키보드 및 마우스만으로는 효율적인 제품의 구동이 어려운 문제점이 있다. 따라서, 간단하고 오조작이 적을 뿐 아니라, 누구라도 쉽게 정보입력이 가능한 기기의 필요성이 높아지고 있다.
또한, 입력장치에 관한 기술은 일반적 기능을 충족시키는 수준을 넘어서 고 신뢰성, 내구성, 혁신성, 설계 및 가공 관련기술 등으로 관심이 바뀌고 있으며, 이러한 목적을 달성하기 위해서 텍스트, 그래픽 등의 정보 입력이 가능한 입력장치로서 터치패널(Touch Panel)이 개발되었다.
이러한 터치패널은 전자수첩, 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), El(Electroluminescence) 등의 평판 디스플레이 장치 및 CRT(Cathode Ray Tube)와 같은 화상표시장치의 표시면에 설치되어, 사용자가 화상표시장치를 보면서 원하는 정보를 선택하도록 하는데 이용되는 도구이다.
한편, 터치패널의 종류는 저항막방식(Resistive Type), 정전용량방식(Capacitive Type), 전기자기장방식(Electro-Magnetic Type), 소오방식(SAW Type, Surface Acoustic Wave Type) 및 인프라레드방식(Infrared Type)으로 구분된다. 이러한 다양한 방식의 터치패널은 신호 증폭의 문제, 해상도의 차이, 설계 및 가공 기술의 난이도, 광학적 특성, 전기적 특성, 기계적 특성, 내환경 특성, 입력 특성, 내구성 및 경제성을 고려하여 전자제품에 채용되는데, 현재 가장 광범위한 분야에서 사용하는 방식은 저항막방식 터치패널과 정전용량방식 터치패널이다.
이러한 터치패널은 통상 도체라인을 ITO(Indium Tin Oxide, 인듐-주석 산화물)로 형성한다. 하지만, ITO의 경우, 전기전도도는 우수하나 원료인 인듐(Indium)은 희토류 금속으로 고가이며, 향후 10년 내에 고갈이 예상되어 수급이 원활하지 못하다는 단점이 있다.
이와 같은 이유로, 하기 특허문헌에 개시된 바와 같이, 금속을 이용하여 도체라인을 형성하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 금속으로 도체라인을 형성하면, ITO에 비해 전기전도도가 훨씬 우수하며, 수급이 원활하다는 장점이 있다. 하지만, 종래기술의 경우 금속으로 도체라인을 형성할 때, 사용자의 눈에 도체라인이 인지되는 시인성 문제, 디스플레이 패턴과 도체라인이 사이의 간섭으로 인하여 발생하는 모아레(Moir) 문제 등이 존재하여 실용화가 어려운 실정이다.
KR 2010-0091497 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 도체라인의 설계에 있어서 시행 착오를 대폭 줄여서 개발 기간의 단축 및 개발의 효율성을 높일 뿐만 아니라, 최적의 설계 파라미터(parameter)들을 이용하여 더욱 높은 품질을 구현할 수 있는 터치패널을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 터치패널은 메쉬 도체라인을 포함하고, 상기 메쉬 도체라인의 피치는 pm=2×pd(fm=fd/2, pm≤260μm)으로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 한다(pm: 메쉬 도체라인의 피치, pd: 디스플레이의 화소 피치, fm: 메쉬 도체라인의 주파수(1/pm), fd: 디스플레이의 화소 주파수(1/pd)).
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 메쉬 도체라인의 선폭은 1μm 내지 5μm인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 메쉬 도체라인의 틸트 각도는 30°또는 60°인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 다른 면에 형성되고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인은 서로 반주기만큼 어긋나게 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 동일 면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 터치패널은 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형 또는 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이를 단위 전극 패턴의 길이로 정의하고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인이 서로 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이를 단위 메쉬 도체라인의 길이로 정의하며, 인접한 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인을 수직으로 연결한 길이를 단위 메쉬 도체라인의 피치로 정의할 때, 상기 단위 전극 패턴의 길이는 L=2×Lm=2×pm/sin(2θm)으로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 한다(L: 단위 전극 패턴의 길이, Lm: 단위 메쉬 도체라인의 길이, pm: 단위 메쉬 도체라인의 피치, θm: 메쉬 도체라인의 틸트 각도).
본 발명의 제3 실시예에 따른 터치패널은 메쉬 도체라인을 포함하고, 터치패널의 투과율이 89% 이상을 만족하도록, 상기 메쉬 도체라인의 선폭 및 상기 메쉬 도체라인의 피치가 Tm=T×(1-W/pm)2≥89%, 1μm≤W≤5μm, pm≤260μm로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 한다(Tm: 터치패널의 투과율, T: 메쉬 도체라인이 없는 경우의 터치패널의 투과율, W: 메쉬 도체라인의 선폭, pm: 메쉬 도체라인의 피치).
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 메쉬 도체라인의 틸트 각도는 30°또는 60°인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 다른 면에 형성되고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인은 서로 반주기만큼 어긋나게 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 동일 면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 터치패널은 메쉬 도체라인을 포함하고, 상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 저항을 단위 전극 패턴의 단위 저항으로 정의하고, 상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이를 단위 전극 패턴의 길이로 정의할 때, 상기 단위 전극 패턴의 단위 저항이 50Ω 이하를 만족하도록, 상기 메쉬 도체라인을 형성하는 도체의 전도율, 상기 메쉬 도체라인의 두께 및 상기 메쉬 도체라인의 선폭이 Rum=L/(σ×A), A=t×W로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 한다(Rum: 단위 전극 패턴의 단위 저항, L: 단위 전극 패턴의 길이, σ: 메쉬 도체라인을 형성하는 도체의 전도율, t: 메쉬 도체라인의 두께, W: 메쉬 도체라인의 선폭).
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 메쉬 도체라인의 틸트 각도는 30°또는 60°인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 다른 면에 형성되고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인은 서로 반주기만큼 어긋나게 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 터치패널에 있어서, 상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 동일 면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 디스플레이의 픽셀 배열 구조가 주어지는 경우, 메쉬 도체라인의 시인성, 모아레 시인성, 투과율 및 단자 저항 측면에서 최적화된 메쉬 도체라인의 설계 파라미터(parameter)들을 쉽게 도출할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 메쉬 도체라인을 채용한 터치패널 제작시 시행 착오를 줄이는 것이 가능하며, 개발 기간의 단축 및 개발의 효율성을 제고할 수 있다. 예를 들어, 샘플 제작을 시도해야 할 메쉬 도체라인의 선폭이 5가지, 메쉬 도체라인의 피치가 10가지, 메쉬 도체라인의 두께가 2가지라고 한다면, 총 100번의 샘플 제작을 시도한 후에야 최적의 조건을 찾는 것이 가능하다. 반면, 본 발명에서 제안한 셀계 기법을 이용하여 메쉬 도체라인의 피치를 하나로 줄인다면, 샘플 제작 시도 회수를 10가지로 대폭 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 메쉬 도체라인을 채용한 터치패널을 양산화하는데 걸림돌이 되는 메쉬 도체라인의 시인성 및 모아레 시인성을 최소로 감소시킨 최적의 터치패널을 제공함으로써, 고객의 품질 만족도를 높을 수 있고, 메쉬 도체라인을 채용한 터치패널이 향후 더욱 많이 사용될 수 있다.
도 1은 사람의 눈의 패턴 구별 능력인 대비 민감도(contrast sensitivity)를 평가하기 위한 테스트 차트,
도 2a는 cycles/degree 단위의 공간 주파수에 대해서 대비 민감도(contrast sensitivity)를 도시한 그래프,
도 2b는 linepair/mm 단위의 공간 주파수에 대해서 대비 민감도(contrast sensitivity)를 도시한 그래프,
도 3a 내지 도 3b는 실제 휴대폰에 채용된 3.8인치(inch) 크기의 LCD 디스플레이의 픽셀 배열 구조를 도시한 도면,
도 3c는 메쉬 도체라인을 도시한 도면,
도 4는 공간 주파수에 대한 모아레 현상을 도시한 그래프,
도 5는 공간 주파수에 대한 고주파를 갖는 모아레 현상을 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 도체라인을 채용한 터치패널의 단면도,
도 7은 터치패널의 좌측 하단부의 센싱 전극 2개, 드라이빙 전극 2개를 도시한 평면도,
도 8은 도 7에 도시된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 확대한 확대도,
도 9 내지 도 10은 메쉬 도체라인이 채용된 터치패널의 투과율을 도시한 그래프,
도 11a는 터치패널의 드라이빙 전극을 도시한 평면도,
도 11b는 터치패널의 센싱 전극을 도시한 평면도,
도 12a는 메쉬 도체라인의 피치에 대해서 드라이빙 전극의 단자 저항의 변화를 도시한 그래프, 및
도 12b는 메쉬 도체라인의 피치에 대해서 센싱 전극의 단자 저항의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 사람의 눈의 패턴 구별 능력인 대비 민감도(contrast sensitivity)를 평가하기 위한 테스트 차트이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 오른쪽 방향으로 갈수록 패턴의 공간 주파수는 높아진다(즉, 패턴의 피치(pitch)가 짧아진다). 또한, 아래 방향으로 갈수록 대비(contrast)가 높아짐을 확인할 수 있으며 또한 패턴 구별 능력도 좋아짐을 확인할 수 있다. 가장 중요한 사항은 도 1에서 공간 주파수의 중간 지점 근처에서는 낮은 대비(contrast)의 패턴들도 구별되는 것이다. 즉, 공간 주파수의 중간 지점에서는 상대적으로 대비 민감도(contrast sensitivity)가 높아진다. 해당 공간 주파수에서 대비 민감도(contrast sensitivity)는 패턴을 구별할 수 있는 최소의 대비(contrast) 값의 역수로 정의된다. 높은 공간 주파수에서는 심지어 높은 대비(contrast) 값을 갖는 패턴들 조차도 구별하기 힘들어짐을 확인할 수 있다. 즉, 이러한 높은 공간 주파수에는 대비 민감도(contrast sensitivity)가 낮아짐을 확인할 수 있다.
사람의 눈이 특정 패턴을 구별하는 방식은 눈의 수정체 렌즈의 광학 성능 및 응답 특성, 시신경의 필터 특성 등이 복합적으로 작용해서 두뇌에서 최종적으로 특정 패턴들을 인지하게 된다. 이러한 사람의 인지 능력은 패턴의 대비(contrast)와 밀접한 관계가 있으며, CSF(contrast sensitivity function)로서 사진 기술이나 디스플레이 기술 종사자들이 수십년 동안 각종 실험을 통해서 통계적인 데이터를 축적했으며, 이러한 데이터로부터 도 2와 같은 CSF 곡선을 얻게 되었다. 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 사람의 눈이 특정 패턴을 구별하는 능력은 해당 패턴의 공간 주파수에 상당히 의존적임을 확인할 수 있다. 도 2a는 cycles/degree 단위의 공간 주파수에 대해서 대비 민감도(contrast sensitivity)를 도시한 그래프이고, 도 2b는 linepair/mm 단위의 공간 주파수에 대해서 대비 민감도(contrast sensitivity)를 도시한 그래프이다. 여기서, 도 2a는 사용자의 관찰 거리와 무관하게 단위 각도 당 패턴의 개수 형태로서 표시한 결과이고, 도 2b는 이를 단위 길이당 패턴의 개수 형태로 변환한 결과이다. 이때, 테스트 패턴은 도 1과 같이 해당 주파수에서 정현파 패턴(sinusoidal pattern)을 가정하였다. 도 2a로부터 사람의 눈은 8cycle/degree의 패턴들을 가장 잘 구별함을 확인할 수 있으며, 이러한 피크(peak) 대비 민감도(contrast sensitivity) 위치는 사용자의 관찰 거리에 따라서 변경됨을 도 2b로부터 확인할 수 있다. 즉, 관찰거리가 가까워지면 상대적으로 높은 공간 주파수의 패턴까지도 잘 구별할 수 있다. 수십년간에 걸친 인지과학(psychophysics)의 통계적 연구 결과로부터 도출된 도 2로부터 CSF 값이 30% 미만이면 보통의 시력을 가진 사람의 눈으로는 이러한 패턴을 눈으로 구별하는 것이 어려워진다고 할 수 있다. 도 2b로부터 CSF 값이 30% 미만이 되는 공간 주파수는 40cm의 거리에서 대략 2.9lp/mm이고, 30cm의 거리에서 대략 3.8lp/mm이고, 20cm의 거리에서 대략 5.7lp/mm임을 확인할 수 있다. 즉, 거리가 가까워질수록 눈으로 구별이 어려워지는 패턴의 공간 주파수는 점점 높아짐을 확인할 수 있다. 현재, 시인성을 육안으로 판별하는 거리는 대략 30cm 내지 40cm 거리로, 일반적인 휴대폰 등의 휴대기기의 사용 거리로 가정한 값이다. 따라서, 터치패널의 설계시 30cm 거리에서 메쉬 도체라인들이 사용자의 눈에 인지되지 않아야 한다. 30cm 거리에서 메쉬 도체라인들이 사용자의 눈에 인지되지 않기 위해서는 도 2b로부터 3.8lp/mm 이상의 공간 주파수를 갖도록 메쉬 도체라인을 형성해야 함을 확인할 수 있다. 여기서, 3.8lp/mm는 263μm 피치에 해당하므로, 약 260μm 이하로 메쉬 도체라인의 피치를 형성하는 것이 요구된다고 할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 실제 휴대폰에 채용된 3.8인치(inch) 크기의 LCD 디스플레이의 픽셀 배열 구조를 도시한 도면이다. LCD 디스플레이의 픽셀 배열 구조는 R/G/B 픽셀이 수평 방향으로 주기적 배열 행태를 나타냄을 확인할 수 있다. 도 3c는 메쉬 도체라인을 도시한 도면이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 디스플레이 픽셀 하나의 피치는 34.5μm 이고, R/G/B 화소의 피치(pd)는 103.5μm 이다. 또한, 도 3c에 도시된 바와 같이, 메쉬 도체라인의 피치는 pm으로 정의될 수 있다. 도 3a 내지 도 3b에 도시된 디스플레이의 주기적 배열 구조로부터 발생한 패턴은 도 3c에 도시된 메시 도체라인들의 주기적 배열 구조로부터 발생한 패턴과 쉽게 간섭을 일으킬 수 있다. 이러한 간섭의 결과, 모아레 현상이 발생하며, 이는 사용자의 눈에 쉽게 인지된다. 따라서, 이러한 모아레 현상을 억제 또는 회피할 필요성이 있다. 도 4는 공간 주파수에 대한 모아레 현상을 도시한 그래프이다. 디스플레이의 화소 주파수를 fd(1/pd)로, 메쉬 도체라인의 주파수를 fm(=1/pm)으로 정의할 때, 메쉬 도체라인이 사용자의 눈에 보이는 메쉬 도체라인의 시인성은 공간 주파수가 높아질수록 낮아짐을 확인할 수 있다(즉, 공간 주파수가 높아질수록 메쉬 도체라인을 눈으로 구별하기 어려워진다). 반면, 모아레 시인성은 상대적으로 복잡함을 확인할 수 있다. 가장 이상적인 방법은 디스플레이의 화소 주파수(fd)와 동일하게 메쉬 도체라인의 주파수(fm)를 형성하는 것이지만, 이러한 방법은 실제 제작 측면에서 유리하지 않다. 도 4에 도시된 바와 같이, 디스플레이 화소 주파수(fd)의 좌우에서 모아레 시인성이 가파르게 증가하여, 메쉬 도체라인의 제작 공차를 작게 만드므로, 실제 적용이 어려운 것이다. 반면, 디스플레이의 화소 주파수(fd)보다 낮은 쪽에서 모아레 시인성이 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 도 4에서 모아레 시인성과 메쉬 도체라인의 시인성이 교차하는 지점이 최적의 메쉬 도체라인의 주파수(fm)라고 간주할 수 있다. 도 4는 기본 주파수를 갖는 모아레 시인성을 도시하고 있지만, 실제로는 기본 주파수 이외에 고주파를 갖는 모아레 시인성들이 다수 존재할 수 있다. 도 5는 공간 주파수에 대한 고주파를 갖는 모아레 현상을 도시한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기본 주파수의 절반인 메쉬 도체라인의 주파수(fm=fd/2)에서 모아레 시인성이 사라짐을 확인할 수 있다. 또한, fm=2fd의 높은 메쉬 도체라인의 주파수에서 모아레 시인성이 사라짐을 확인할 수 있지만, 메쉬 도체라인의 주파수 공차가 상대적으로 작아짐을 확인할 수 있다. 즉, fm=2fd의 좌우에서 모아레 시인성이 급격히 증가함을 확인할 수 있는 것이다. 따라서, fm=fd/2의 낮은 주파수에서 모아레 시인성이 최적으로 낮아진다고 할 수 있다.
도 3b의 3.8인치(inch) 크기의 LCD 디스플레이 상에 탑재되는 터치패널의 경우, 최적 메쉬 도체라인의 주파수는 fm=fd/2=(1/103.5μm)/2=4.8lp/mm이다. 여기서, 4.8lp/mm는 207μm피치에 해당하므로, 207μm의 메쉬 도체라인의 피치에서 모아레 시인성이 최적으로 낮아진다고 간주할 수 있다.
메쉬 도체라인을 채용한 터치패널에서 고려해야 할 사항은 상술한 메쉬 도체라인의 시인성 및 모아레 시인성 이외에 터치패널 투과율과 전극 단자 저항이다. 터치패널의 투과율 및 전극 단자 저항은 메쉬 도체라인의 선폭 및 피치와 밀접한 관계가 있다.
터치패널의 내부에 메쉬 도체라인의 피치가 작을수록(밀도가 높을수록), 전체 터치패널의 투과율은 나빠지는(낮아지는) 반면, 전극 단자 저항은 더욱 우수해진다(전극 단자 저항이 낮아진다). 따라서, 터치패널 설계시 메쉬 도체라인의 시인성 및 모아레 시인성 이외에 이러한 터치패널의 투과율 및 전극 단자 저항을 함께 고려해서 최적의 메쉬 도체라인의 선폭 및 피치를 결정해야 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 도체라인을 채용한 터치패널의 단면도이다. 도 6에 도시되진 않았지만, 투명기판(140)의 양면에 각각 센싱(sensing) 전극과 드라이빙(driving) 전극이 존재한다. 도 6의 터치패널의 경우, 전극의 두께는 수 μm미만일 수 있으며, 커버(110, 윈도우 글라스)의 두께는 500μm 내지 700μm 수준일 수 있으며, 제1,2 접착층(120, 130, OCA)의 두께는 50μm 수준일 수 있다. 또한, 투명기판(140, PET 필름)의 두께는 100μm 수준일 수 있고, AR(Anti-Reflection) 필름(150)의 두께는 50μm 수준일 수 있다. 다만, 상술한 윈도우 글라스, OCA, PET 필름등 소재의 한정과 각 구성요소 두께의 수치한정은 예시적인 것으로 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다. 한편, FPCB Assy(160)에는 터치패널을 구동하고, 터치패널로부터 터치 입력을 받아 처리한 후 터치 좌표 및 터치 세기 값 등을 호스트로 출력하기 위한 터치 구동 IC(Integrated Circuit)가 실장될 수 있다.
투명기판(140)의 양면에 전극을 형성하는 기술 가운데 최근에 활발히 개발되고 있는 것이 은염(silver halide) 사진 기술이다. 은염 사진 기술이 각광 받는 이유는 기존의 ITO 대비 전극의 면저항을 낮추는 것이 가능하고, PET 필름 기판으로 Roll to Roll 공정을 통해서 대량 생산이 가능하여 터치패널의 가격 경쟁력을 높일 수 있을 뿐만 아니라, ITO 대비 은염과 같은 금속 전극을 이용하면 휨 특성이 더욱 우수해서 향후 시장에 출시될 플렉시블(flexible) 디스플레이에 적용이 유리한 장점이 존재하기 때문이다.
은염 사진 기술은 전통적인 아날로그 필름 사진 기술에서 이용하였던 기술과 유사한 노광 공정 및 현상 공정을 이용하여 전극(Ag metal)을 투명기판(140, PET 필름) 상에 형성하는 것이다. 메쉬 형태의 전극을 형성하기 위해서는 사전에 마스크(mask) 제작이 필요하다. 사전에 제작된 마스크를 투명기판(140, PET 필름) 상에 고정한 후, 양면 노광 공정 및 현상 공정을 통해서 메쉬 도체라인들을 투명기판(PET 필름) 상에 형성한다. 도 7은 터치패널의 좌측 하단부의 센싱 전극 2개, 드라이빙 전극 2개를 도시한 평면도이다. 은염 사진 기술을 통해서 형성된 메쉬 도체라인들은 도 7에 도시된 바와 같다. 투명기판(PET 필름)의 일면에 형성된 센싱 전극(210)의 경우, 폭이 1.2mm 수준으로 상대적으로 좁은 편이고, 전극 간격이 3.5mm 수준으로 넓은 편이다. 반면에, 투명기판(PET 필름)의 타면에 형성된 드라이빙 전극(220)의 경우, 폭이 4mm 수준으로 상대적으로 넓은 편이고, 전극 간격이 0.5mm 수준으로 좁은 편이다. 3.8인치(inch) WVGA(Wide VGA) 해상도의 LCD 디스플레이는 가로 폭이 50mm 수준이고, 세로 높이는 84mm 수준이다. 따라서, 상기 전극 폭과 간격을 3.8인치(inch) WVGA(Wide VGA) 해상도의 LCD 디스플레이에 적용하는 경우, 센싱 전극(210)은 가로 폭 방향으로 11개가 존재하며, 드라이빙 전극(220)은 세로 높이 방향으로 18개가 존재할 수 있다. 다만, 전극의 폭과 간격 및 디스플레이의 종류 등은 예시적인 것으로, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 전극과 전극 사이에는 더미(dummy) 메쉬 도체라인(230)들이 삽입되어 메쉬 도체라인의 시인성을 추가적으로 개선할 수 있다.
도 6에 도시된 터치패널은 센싱 전극(210)과 드라이빙 전극(220)이 서로 다른 면에 존재하지만, 평면도인 도 7에 도시된 바와 같이, 시인성 측면에서는 센싱 전극(210)과 드라이빙 전극(220)이 마치 동일한 면상에 존재하는 것으로 가정할 수 있다. 이때, 센싱 전극용 메쉬 도체라인들과 드라이빙 전극용 메쉬 도체라인들은 서로 반주기 만큼 어긋나게 배열된다. 이러한 구성은 메쉬 도체라인의 시인성을 개선하기 위한 것이다. 터치패널의 다른 실시예에서는 실제로 동일 면에 센싱 전극(210)과 드라이빙 전극(220)이 존재할 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 확대한 확대도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 메쉬 도체라인의 선폭을 W, 단위 전극 패턴의 길이를 L, 패턴의 틸트(tilt) 각도를 θm, 단위 메쉬 도체라인의 길이를 Lm, 단위 메쉬 도체라인의 피치를 pm으로 정의하면, 하기 식 1이 성립한다.
<식 1>
pm=Lm×sin(2θm), Lm=L/2
참고로, 단위 전극 패턴의 길이(L)란 센싱 전극(210)의 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형 또는 드라이빙 전극(220)의 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이이고, 단위 메쉬 도체라인의 길이(Lm)란 센싱 전극(210)의 메쉬 도체라인과 드라이빙 전극(220)의 메쉬 도체라인이 서로 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이이다. 또한, 단위 메쉬 도체라인의 피치란 인접한 센싱 전극(210)의 메쉬 도체라인과 드라이빙 전극(220)의 메쉬 도체라인을 수직으로 연결한 길이이다.
메쉬 도체라인이 채용된 터치패널의 투과율(Tm)은 메쉬 도체라인이 없을 때의 투과율(T) 및 메쉬 도체라인의 선폭(W), 단위 메쉬 도체라인의 피치(pm)로부터 하기 식 2가 성립한다.
<식 2>
Tm=T×(1-W/pm)2
상기 식 2로부터 투과율(Tm)은 메쉬 도체라인이 없을 때의 투과율(T) 및 단위 메쉬 도체라인의 피치(pm)에 비례하고, 메쉬 도체라인의 선폭(W)에 반비례함을 확인할 수 있다.
도 9 내지 도 10은 메쉬 도체라인이 채용된 터치패널의 투과율을 도시한 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 메쉬 도체라인의 피치(pm)에 대해서 피치(pm)가 짧을수록(메쉬 도체라인의 밀도가 높을수록), 투과율이 감소함을 확인할 수 있다. 이는 메쉬 도체라인을 형성하는 도체 재료가 일반적으로 빛을 통과시키지 못하는 불투명 금속 재료이기 때문이다. 도 9에서 메쉬 도체라인의 선폭(W)은 5μm로 가정하고, 메쉬 도체라인의 틸트 각도(θm)는 30°로 가정하며(메쉬 도체라인의 틸트 각도(θm)는 30°(또는 60°) 근처에서 다른 각도에 비해서 상대적으로 모아레 개선에 유리하다고 알려져 있음), 도 6에 도시된 터치패널에서 메쉬 도체라인이 존재하지 않을 때의 투과율을 93.4% 수준으로 가정했다.
일반적으로, 터치패널에서 요구되는 투과율은 89% 이상이다. 도 9로부터 89%의 투과율을 구현하려면, 메쉬 도체라인의 선폭(W)이 5μm일 때 메쉬 도체라인의 대략 205μm 이상임을 확인할 수 있다. 메쉬 도체라인의 선폭(W)을 3μm로 줄이는 것이 가능한 경우, 도 10으로부터 메쉬 도체라인의 피치가 125μm에서 대략 89%의 투과율을 구현할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 메쉬 도체라인의 선폭을 5μm에서 3μm으로 40% 줄이면 피치를 205μm에서 125μm로 40% 정도 줄일 수 있다. 하지만, 도 5에서 확인한 바와 같이, 메쉬 도체라인의 주파수(fm)가 디스플레이의 화소 주파수(fd)에 가까우면 모아레 시인성이 나빠짐을 알 수 있다. 메쉬 도체라인의 피치가 205μm인 경우, 디스플레이의 화소 주파수(fd)의 절반에 해당하는 피치인 207μm 근처로 이 부분에서 모아레 시인성이 국소 최소점(local minimum)에 근접하게 된다. 반면, 메쉬 도체라인의 피치(pm)가 125μm인 경우, 메쉬 도체라인의 시인성은 우수하지만, 디스플레이 화소 주파수(fm)에 근접하여 모아레 시인성은 오히려 나빠지게 된다. 따라서, 메쉬 도체라인의 선폭(W)이 3μm, 메쉬 도체라인의 피치(pm)가 125μm보다는, 메쉬 도체라인의 선폭(W)이 5μm, 메쉬 도체라인의 피치(pm)가 205μm가 더욱 유리함을 확인할 수 있다.
메쉬 도체라인을 채용한 터치패널에서 전극의 단자 저항은 메쉬 도체라인의 선폭 및 피치와 밀접한 관련성이 있다. 도 11a는 터치패널의 드라이빙 전극을 도시한 평면도이고, 도 11b는 터치패널의 센싱전극을 도시한 평면도이다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, Rum은 단위 전극 패턴의 단위 저항을 나타낸다. 여기서, 단위 전극 패턴의 단위 저항은 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 저항이다. 이러한 단위 전극 패턴의 단위 저항은 메쉬 도체라인을 형성하는 도체의 전도율이 σ일 때, 하기 식 3이 성립한다.
<식 3>
Rum=L/(σ×A), A=t×W
여기서, L은 도 8에 도시된 바와 같은 단위 전극 패턴의 길이를, W는 메쉬 도체라인의 선폭을, t는 메쉬 도체라인의 두께를 나타낸다.
전체 전극의 단자 저항은 드라이빙 전극 및 센싱 전극에 대해서 하기 식 4와 같이 표현되어 진다.
<식 4>
Rtotal _ drv=(Rum/Nv)×Nh, Rtotal _ sen=(Rum/Nh)×Nv
여기서, 드라이빙 전극의 단자 저항(Rtotal _ drv)의 경우, Nv는 전극 폭 내에서 수직 방향으로 단위 전극 패턴들의 개수를, Nh는 전극 길이 내에서 수평 방향으로 단위 전극 패턴들의 개수를 각각 나타낸다. 센싱 전극의 단자 저항(Rtotal _ sen)의 경우, Nh는 전극 폭 내에서 수평 방향으로 단위 전극 패턴들의 개수를, Nv는 전극 길이 내에서 수직 방향으로 단위 전극 패턴들의 개수를 각각 나타낸다. 전극의 폭 방향으로는 저항의 병렬 연결을 가정하고, 전극의 길이 방향으로는 저항의 직렬 연결을 가정한다.
도 12a는 메쉬 도체라인의 피치에 대해서 드라이빙 전극의 단자 저항의 변화를 도시한 그래프이고, 도 12b는 메쉬 도체라인의 피치에 대해서 센싱 전극의 단자 저항의 변화를 도시한 그래프이다. 도 12a 내지 도 12b는 메쉬 도체라인의 선폭(W)은 5μm로, 메쉬 도체라인의 두께(t)는 1μm로, 틸트 각도(θm)는 30°로 각각 가정하였다. 또한, 은염 재료의 전도율(σ)은 2×106S/m로 가정하였다. 순수 은(Ag)의 전도율은 62.9×106S/m로 알려져 있으나, 현재 터치패널에 고려되는 은염의 경우 보통 순수 은의 전도율 대비 약 1/10 이상 감소하는 것으로 알려져 있다. 그 이유는 은염의 경우 은(Ag) 원소들이 뭉친 실버 그래인(silver grain)이 인접한 그래인(grain)들과 접촉해서 전극을 형성하도록 연결되기 때문이다. 메쉬 도체라인의 피치가 207μm(디스플레이의 화소 피치의 두배)일 때, 드라이빙 전극의 단자 저항은 대략 360Ω, 센싱 전극의 단자 저항은 대략 8.82kΩ으로 계산된다. 이와 같이, 센싱 전극의 단자 저항이 10kΩ 이하가 되려면(메쉬 도체라인의 피치가 260μm 이하에서), 단위 전극 패턴의 단위 저항(Rum)은 50Ω 이하인 것이 바람직하다.
도 12a 내지 도 12b로부터 메쉬 도체라인의 피치가 짧을수록(밀도가 높을수록) 단자 저항은 감소함을 확인할 수 있다. 하지만, 밀도가 높아지면 투과율이 감소(도 9 내지 도 10 참조)할 뿐만 아니라 디스플레이의 화소 피치 근처로 메쉬 도체라인의 피치가 감소하는 경우에는 모아레 시인성 특성도 나빠진다(도 4 내지 도 5 참조). 따라서, 모아레 시인성을 최소화하는 피치(pm=2×pd) 근처에서 최적의 메쉬 도체라인의 피치를 선택해야 한다.
모아레 현상을 최소화하는 메쉬 도체라인의 피치가 결정되면, 투과율을 높이고, 메쉬 도체라인의 시인성을 개선하기 위해서 메쉬 도체라인의 선폭을 감소시키는 것이 필요할 수도 있다. 하지만, 메쉬 도체라인의 선폭을 감소시키면, 식 2와 같이 투과율이 좋아지는(높아지는) 반면, 식 3과 같이 단자 저항이 나빠진다(높아진다). 따라서, 낮는 선폭에서도 동일한 단자 저항을 동일하게 유지하려면 전극을 형성하는 실버 그래인(silver grain)의 밀도를 높이는 것이 필수적으로 요구된다. 또한, 현재까지는 은염 사진 기술에서 노광 및 현상 장비로 달성 가능한 최소 선폭에 일정 정도 한계가 있는 것이 사실이다. 현재 구현 가능한 메쉬 도체라인의 선폭은 1μm 내지 5μm 수준이다.
한편, 본 발명에서는 은염 사진 기술을 이용한 터치패널에서 최적의 메쉬 도체라인을 도출하는 방법을 제안했으나, 이는 예시적인 것으로 본 발명의 권리범위가 은염 사진 기술에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 구리 도금(Cu plating) 방식이나 금속 증착(sputtering) 방식을 이용한 터치패널에서 최적의 메쉬 도체라인을 도출하는 경우도 본 발명의 이론이 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
110: 커버 120: 제1 접착층
130: 제2 접착층 140: 투명기판
150: AR(Anti-Reflection) 필름 160: FPCB Assy
210: 센싱 전극 220: 드라이빙 전극
230: 더미 메쉬 도체라인

Claims (17)

  1. 메쉬 도체라인;
    을 포함하고,
    상기 메쉬 도체라인의 피치는 pm=2×pd(fm=fd/2, pm≤260μm)으로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 터치패널.
    (pm: 메쉬 도체라인의 피치, pd: 디스플레이의 화소 피치, fm: 메쉬 도체라인의 주파수(1/pm), fd: 디스플레이의 화소 주파수(1/pd))
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메쉬 도체라인의 선폭은 1μm 내지 5μm인 것을 특징으로 하는 터치패널.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 메쉬 도체라인의 틸트 각도는 30°또는 60°인 것을 특징으로 하는 터치패널.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 다른 면에 형성되고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인은 서로 반주기만큼 어긋나게 배열되는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 동일 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  7. 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하고,
    상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형 또는 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이를 단위 전극 패턴의 길이로 정의하고,
    상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인이 서로 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이를 단위 메쉬 도체라인의 길이로 정의하며,
    인접한 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인을 수직으로 연결한 길이를 단위 메쉬 도체라인의 피치로 정의할 때,
    상기 단위 전극 패턴의 길이는 L=2×Lm=2×pm/sin(2θm)으로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 터치패널.
    (L: 단위 전극 패턴의 길이, Lm: 단위 메쉬 도체라인의 길이, pm: 단위 메쉬 도체라인의 피치, θm: 메쉬 도체라인의 틸트 각도)
  8. 메쉬 도체라인;
    을 포함하고,
    터치패널의 투과율이 89% 이상을 만족하도록, 상기 메쉬 도체라인의 선폭 및 상기 메쉬 도체라인의 피치가 Tm=T×(1-W/pm)2≥89%, 1μm≤W≤5μm, pm≤260μm로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 터치패널.
    (Tm: 터치패널의 투과율, T: 메쉬 도체라인이 없는 경우의 터치패널의 투과율, W: 메쉬 도체라인의 선폭, pm: 메쉬 도체라인의 피치)
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 메쉬 도체라인의 틸트 각도는 30°또는 60°인 것을 특징으로 하는 터치패널.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 다른 면에 형성되고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인은 서로 반주기만큼 어긋나게 배열되는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 동일 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  13. 메쉬 도체라인;
    을 포함하고,
    상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 저항을 단위 전극 패턴의 단위 저항으로 정의하고,
    상기 메쉬 도체라인이 교차하면서 형성된 다각형의 한변의 길이를 단위 전극 패턴의 길이로 정의할 때,
    상기 단위 전극 패턴의 단위 저항이 50Ω 이하를 만족하도록, 상기 메쉬 도체라인을 형성하는 도체의 전도율, 상기 메쉬 도체라인의 두께 및 상기 메쉬 도체라인의 선폭이 Rum=L/(σ×A), A=t×W로부터 선택되는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 터치패널.
    (Rum: 단위 전극 패턴의 단위 저항, L: 단위 전극 패턴의 길이, σ: 메쉬 도체라인을 형성하는 도체의 전도율, t: 메쉬 도체라인의 두께, W: 메쉬 도체라인의 선폭)
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 메쉬 도체라인의 틸트 각도는 30°또는 60°인 것을 특징으로 하는 터치패널.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 메쉬 도체라인으로 구성된 센싱 전극과 드라이빙 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 다른 면에 형성되고, 상기 센싱 전극의 상기 메쉬 도체라인과 상기 드라이빙 전극의 상기 메쉬 도체라인은 서로 반주기만큼 어긋나게 배열되는 것을 특징으로 하는 터치패널.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 센싱 전극과 상기 드라이빙 전극은 서로 동일 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 터치패널.
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