KR101494712B1 - 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서 - Google Patents

Abstract

도전율이 높고, 제조단가가 낮으며, 기판과의 밀착력도 향상되고, 투명성의 한계에 구애받지 않는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서를 제시한다. 그 센서는 디스플레이의 구동원리를 구현하는 구동층의 후면에 배치되며, 진폭 및 주파수를 가진 전계 입력신호를 공급받아 터치수단에 흡수된 전계 변화를 출력신호로 방출하는 복수개의 도전라인 및 출력신호를 증폭하는 증폭기와 출력신호를 이용하여 터치수단에 의해 터치된 좌표를 추출하는 제어기를 포함한다.

Description

전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서{Electric field touch sensor using change of back side electric field}

본 발명은 전계 터치센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센서의 투명도에 구애받지 않고, 터치에 의해 변화되는 전계를 감지하여 터치된 좌표를 정밀하고 효율적으로 추출할 수 있는 후면 전계 터치센서에 관한 것이다.

터치에 의해 좌표를 추출하는 터치센서 또는 터치패드 등(이하, 터치패널이라고 함)은 그 편리함으로 인하여, 휴대폰, 네비게이션, 태블릿 PC, 스마트 TV, 게임기, 키오스크, ATM 등에 다양하게 활용되고 있다. 이러한 터치패널은 구현 원리와 동작 방법에 따라, 저항막 방식, 정전용량 방식, 광학 방식, 적외선 방식, 초음파 방식 등으로 구분되며, 저항막 방식과 정전용량 방식이 주로 사용되고 있다. 그런데, 저항막 방식은 광 투과율이 낮고 내구성이 떨어지고, 정전용량 방식은 대형화가 어렵고, 오염 등으로 인해 시간이 지남에 따라 성능의 열화가 심하며, 도체 펜 등으로 입력되지 않는 등의 문제점이 있다.

이에 따라, 오염에 강하고, 광 투과율이 높으며, 응답속도가 빠르며, 내구성이 좋고, 멀티 터치가 가능하며, 대형 크기로 구현할 수 있고, 시간이 지남에도 안정적인 특성을 나타내며, 다양한 형태의 터치도 감지할 수 있는 능력 등과 같이, 종래의 터치패널의 단점을 극복할 수 있는 새로운 방식의 터치패널이 요구되고 있다. 본 출원인은 종래의 터치패널의 문제점을 해결하기 위하여, 국내출원번호 제10-2013-0089915호에 의해 전계변화를 이용한 전계 터치센서를 제시한 바 있다.

그런데, 앞에서 제시한 전계 터치센서를 이용한 터치패널을 비롯하여, 거의 모든 터치패널은 전극물질이 가시광선 영역에서 투명하다는 조건을 만족하여야 한다. 이로 인하여, 터치패널의 투명한 전극물질로서 ITO를 적용하고 있다. ITO는 가시영역에서 투명하지만 금속결합을 하고 있는 도체인 은, 구리 등에 비해 전기전도도가 떨어진다. 또한, ITO는 구부림에 약하고, 희소금속인 인듐을 사용하고 있어서 상대적으로 고가이며, 고온에서 스퍼터링에 의해 제조되기 때문에 제조단가가 높고, 고온에 약한 기판과의 밀착력이 떨어지는 등과 같이 많은 미흡한 점을 내포하고 있다.

최근에는 ITO를 대체하기 위하여, 다양한 시도들이 있어 왔다. 예를 들어, 탄소 나노튜브, 은 나노 와이어 등과 같은 나노공학을 활용하거나, 선폭을 대폭 줄인 금속 메시(mesh) 방식의 전극이 제안되었다. 하지만, 나노공학을 활용하는 것은 아직 터치패널에 적용할 정도의 신뢰도를 확보하지 못하고 있다. 또한, 금속 메시 방식의 전극은 ITO보다 광투과율이 낮고, 가까이에서 보거나 옆에서 보면 전극패턴이 희미하게 보이기 때문에 터치패널에 적용하기 어렵다. 보다 근본적으로는, 터치패널에 사용되는 전극의 투명성의 한계를 극복하는 해결책이 제시되지 않고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 도전율이 높고, 제조단가가 낮으며, 기판과의 밀착력도 향상되고, 투명성의 한계에 구애받지 않는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서는 디스플레이의 구동원리를 구현하는 구동층의 후면에 배치되는 전계 터치센서에 있어서, 상기 전계 터치센서는 설정된 진폭 및 주파수를 가진 전계 입력신호를 공급하는 신호발생기 및 상기 전계 입력신호를 전달받아 터치수단에 흡수된 전계 변화를 출력신호로 방출하는 복수개의 도전라인을 포함한다. 또한, 상기 출력신호를 증폭하는 증폭기 및 상기 증폭된 출력신호를 이용하여, 상기 터치수단에 의해 터치된 좌표를 추출하는 제어기를 포함한다.

본 발명의 센서에 있어서, 상기 전계 변화는 전압의 변화로 읽혀지고, 상기 터치는 상기 구동층의 전면에서 일어난다. 또한, 상기 구동층과 상기 전계 터치센서 사이에는 기능층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 센서에 있어서, 상기 도전라인은 필름 형태이고, 불투명한 패드에 형성될 수 있다. 이때, 상기 패드는 고분자 필름 또는 나노 세라믹 필름일 수 있다. 또한, 상기 도전라인은 불투명 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 불투명 도전성 재료는 금속, 금속화합물 또는 카본 중에 선택된 어느 하나일 수 있고, 인듐을 포함하지 않을 수 있다. 한편, 상기 도전라인은 도전성 잉크층, 접착 박막, 도금층 및 증착층 중의 어느 하나일 수 있으며, 각이 있는 꺾임이나 곡면의 구부러짐에도 손상되지 않을 수 있다. 나아가, 상기 도전라인은 상기 구동층 또는 상기 기능층에 형성될 수 있다.

본 발명의 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서에 의하면, 터치에 의해 변화되는 전계의 변화를 감지하는 전계 터치선서를 디스플레이 구동층의 후면에 설치함으로써, ITO에 비해 도전율이 높고, 제조단가가 낮으며, 기판과의 밀착력도 향상되고, 투명성의 한계에 구애받지 않는다. 또한, 투명성에 구애받지 않으므로, 전계 터치센서를 이루는 패드와 도전라인의 재질을 자유롭게 선택하여, 디스플레이의 성능을 향상시킬 수 있다. 나아가, 종래의 전극물질인 ITO를 대체하여, 도전율을 높이고 가격을 크게 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전계 변화에 의한 후면 전계 터치센서가 디스플레이에 적용된 하나의 예를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 후면 전계 터치센서가 디스플레이에 적용된 다른 예를 개념적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 의한 일차원 좌표를 추출하기 위한 후면 전계 터치센서를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 의한 출력신호를 해석하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 4의 전계 터치센서가 동작하는 과정의 사례를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명에 의한 이차원 좌표를 추출하기 위한 후면 전계 터치센서의 하나의 예를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 이차원 좌표를 추출하기 위한 후면 전계 터치센서의 다른 예를 개략적으로 보여주는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 터치에 의해 변화되는 전계의 변화를 감지하는 전계 터치선서를 디스플레이 구동층의 후면에 설치함으로써, ITO에 비해 전기전도도가 높고, 제조단가가 낮으며, 기판과의 밀착력도 향상되고, 투명성의 한계에 구애받지 않는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서를 제시한다. 본 발명의 전계 터치센서는 본 출원인의 선행 출원인 국내출원번호 제10-2013-0089915호에 근거한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 전계 터치센서 터치패널에 사용될 수 있으며, 이때 터치패널은 패드와 결합된 터치센서, 터치패드, 터치스크린 등으로 불릴 수 있다. 한편, 본 발명의 전계 터치센서는 터치패널 이외에도 근접 센서, 마우스를 대신하는 입력 장치 등에 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예의 전계 터치센서는 특히, 오염에 강하고, 광 투과율이 높으며, 응답속도가 빠르며, 내구성이 좋고, 멀티 터치가 가능하며, 대형 크기로 구현할 수 있다. 또한, 시간이 지남에도 안정적으로 터치 여부를 확인할 수 있으며, 다양한 형태의 터치를 감지할 수 있는 능력 등과 같이 터치패널에 필요한 특성을 만족하므로, 이하에서는 터치패널을 중심으로 설명하기로 한다. 본 발명의 터치패널이 적용될 수 있는 제품의 예로서, 휴대폰, 태블릿 PC, 스마트 TV, 네비게이션, ATM, 키오스크, 전자칠판, 게임기 등이 있다.

본 발명의 전계 터치센서는 터치되는 공간적인 위치를 좌표로 검출하는 것이다. 상기 좌표는 일차원 좌표, 이차원 좌표 및 삼차원 좌표에 모두 적용될 수 있다. 이하에서는 일차원 좌표와 이차원 좌표를 중심으로 설명하겠지만, 실질적으로 삼차원 좌표 역시 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 전계 터치센서는 터치패널에서 요구되는 모든 조건을 만족할 수도 있으나, 경우에 따라 전계 터치센서가 적용되는 환경에 따라 일부 조건은 만족하지 않을 수도 있다. 예컨대, 전계 터치센서를 삼차원 좌표 검출에 적용한다면, 높은 광 투과율은 필요하지 않을 수도 있다.

한편, 본 발명의 전계 터치센서의 가장 큰 특징은 종래의 터치패널에서 요구되는 투명성의 한계 극복 및 디스플레이 상부에 적용하는 터치패널의 생산/조립 불량률을 크게 낮출 수 있다는 것이다. 설명의 편의를 위하여, 상기 투명성에 대하여 보다 구체적으로 정의하도록 하겠다. 현재, 터치패널의 투명전극은 ITO가 주로 사용되고 있다. 본 발명에서는 상기 ITO보다 광 투과도가 떨어지면, 불투명하다고 말할 수 있다. 즉, ITO와 광 투과도가 동일하거나 크면 투명 재료, ITO보다 광 투과도가 낮으면 불투명 재료로 구분될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전계 변화에 의한 후면 전계 터치센서가 디스플레이에 적용된 하나의 예를 개념적으로 나타내는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 후면 전계 터치센서가 디스플레이에 적용된 다른 예를 개념적으로 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 전계 터치센서(100)가 부착되는 디스플레이는 구동층(200)에 투명판(300)이 부착되어 있거나(도 1), 전계 터치센서(100)와 구동층(200) 사이에 구동층(200)에 부가적인 기능을 부여하는 기능층(400)이 더 구비될 수 있다. 전계 터치센서(100)는 다양한 형태의 디스플레이 구동방식에 적용될 수 있다. 즉, 알려진 바와 같이, 디스플레이는 LCD, LED, OLED, 양자점 LED, PDP, FED 등이 있으며, 구동방식에 따라 이를 구현되는 원리는 각각 다르다. 다시 말해, 상기 디스플레이들은 각각의 원리에 맞추어 동작하는 구동층(200)을 가진다. 예를 들어, LCD 디스플레이의 구동층은 액정, 상기 액정을 변화시키는 전극, 편광판 등을 구비하고, OLED 디스플레이의 구동층은 전극, 전하수송층 등을 가진다. 이와 같이, 각각의 디스플레이의 구동원리를 직접 구현하는 층을 구동층(200)이라고 한다.

구동층(200)은 전극 사이에 각각의 디스플레이에 부합하는 구조들이 배치된 것으로 볼 수도 있다. 상기 구조는, 예를 들어, LCD는 액정, OLED는 전하수송층, FED는 전계발생 팁(tip), PDP는 형광층, LED는 PN접합 반도체, 양자점 LED는 양자점 발광체 등이다. 기능층(400)은 구동층(200)에 추가적인 기능을 부여하는 것으로, LCD의 경우 백라이트 유닛이라고 할 수 있다. 이와 같은 구동층(200)은 본 발명의 범주 내에서 적절하게 해석될 수 있으며, 다른 부가적인 기능을 부여하는 구조가 있다고 하더라도 본 발명의 범주 내에 포함된다고 볼 수 있다.

본 발명의 전계 터치센서(100)는 구동층(200)의 후면에 위치한다. 구체적으로, 구동층(200)은 사용자의 육안으로 확인할 수 있는 유리와 같은 투명판(300)의 반대방향에 위치한다. 즉, 구동층(200)을 기준으로, 투명판(300)을 전면(front side)이라고 하면, 전계 터치센서(100)가 배치하는 곳은 후면(back side)이라고 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 전계 터치센서(100)는 구동층(200)에 가려져서 사용자의 육안으로는 보이지 않게 된다. 또한, 상기 후면은 도 1과 같이 구동층(200)과 직접 접촉할 수도 있고, 도 2와 같이 기능층(400)을 사이에 두고 구동층(200)과 공간적으로 떨어져 있을 수도 있다. 다시 말해, 본 발명의 전계 터치센서(100)는 구동층(200)의 반대면의 기능층(400)에 부착될 수 있다.

본 발명의 전계 터치센서(100)는 허용되는 범위 내에서는 터치수단이 직접 접촉하지 않아도 좌표를 추출할 수 있는 특징을 활용한 것이다. 여기서 허용되는 범위란 본 발명의 전계 터치센서(100)가 전계의 변화를 인식할 수 있는 공간적인 거리를 말한다. 예를 들어, 장갑을 낀 손가락으로 투명판(300)을 터치하여도, 장갑 안에 있는 손가락에 전계 흡수가 일어난다. 다시 말해, 비록 전계 터치센서(100)가 구동층(200)으로 인하여, 손가락과 직접 접촉되지 않더라도, 전계흡수가 일어난다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서(100)를 설명하기 위한 블록도이다. 이때, 본 발명의 전계 터치센서(100)가 적용되는 디스플레이는 도 1의 경우를 사례로 채택하였다. 즉, 도 1의 구동층(200)에 본 발명의 전계 터치센서(100)를 이루는 패드(30)가 부착된 상태를 표현하였다. 하지만, 본 발명의 범주 내에서 디스플레이 구동층의 후면에 배치되는 전계 터치센서는 모두 이에 적용된다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 전계 터치센서(100)는 투명판(300)이 접합되어 있는 구동층(200)에 부착되고, 입력라인[L(I)] 및 출력라인[L(O)]가 패터닝된 패드(30)를 구비한다. 또한, 패드(30)의 외부에 위치하며, 패드(30)에 전계 입력신호를 공급하기 위한 신호발생기(10)를 포함한다. 신호발생기(10)의 입력신호는 입력라인[L(I)], 상기 출력신호는 출력라인[L(O)]에 의해 전달된다. 패드(30)에는, 입력라인[L(I)] 및 출력라인[L(O)]와 각각 연결된 도전라인[A(1)~A(n), B(1)~B(n)]이 균일한 간격으로 배치된 격자 구조를 이루고 있다. 이때, 사용자의 터치는 상기 허용범위 내에서 투명판(300)에서 이루어진다.

패드(30)는 절연성 재질로서, 필름 형태가 바람직하며, 고분자 필름 또는 필름 형태의 플렉서블 기판이 더욱 좋다. 본 발명의 실시예에 의한 패드(30)는 구동층(200)의 후면에 배치되기 때문에, 가시광선 영역에서의 투명성을 요구하지 않는다. 즉, 종래의 터치패널은 투명한 기판을 요구하였으나, 본 발명의 패드(30)는 투명하지 않은 재료를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 패드(30)는 투명성에 구애받지 않으므로, 도전라인에 대하여 부착력이 좋은 재질을 자유롭게 선택할 수 있다. 따라서 본 발명의 패드(30)는 도전라인에 부착력이 우수한 재질을 투명성과 관계없이 자유롭게 선정할 수 있다.

나아가, 패드(30)는 각각의 디스플레이에서 발생하는 열적 및 기계적으로 안정한 재질을 사용할 수 있다. 즉, 패드(30)는 투명성과 무관하므로, 상기 조건에 맞게 적절한 재질을 선정할 수 있다. 예컨대, 플렉서블한 디스플레이를 위하여 고분자 필름을 패드(30)에 사용한다면, 열적 및 기계적인 안정성이 높은 폴리이미드 필름을 사용할 수 있다. 플렉서블한 특성을 요구하지 않는다면, 패드(30)를 나노 세라믹 필름으로 할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 패드(30)는 종래의 디스플레이보다 열적 및 기계적인 특성이 우수한 소재를 다양하게 활용할 수 있다.

본 발명의 도전라인[A(1)~A(n)] 및 도전라인[B(1)~B(n)]은 도전성이 있는 전극으로, ITO, 산화주석, 산화인듐, 금, 은, 크롬, 구리, 알루미늄, 카본 등과 같은 도전물질 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 패턴을 패드(30)에 피복한 것이다. 본 발명의 도전라인은 투명성을 요구하지 않기 때문에, 투명 재료인 ITO, 산화주석, 산화인듐을 굳이 배제할 필요는 없으나, 불투명한 재료인 금, 은, 알루미늄, 구리 및 그들의 화합물(고용체 포함), 카본 등을 적용할 수 있다. 바람직하게는 상기 도전라인은 도전율(conductivity)이 높은 금속 및 금속화합물 또는 카본이 좋다.

본 발명의 도전라인은 기존의 전극재료인 ITO를 사용하지 않아도 된다. ITO를 사용하지 않고 금속 및 금속화합물 또는 카본(이하, 편의상 불투명 도전성 재료라고 함)을 사용한다면, 다음과 같은 여러 가지 장점이 있다. 첫째, 본 발명에 적용되는 불투명 재료는 도전율이 ITO보다 훨씬 크므로, 도전라인인 전극의 단면적을 줄일 수 있다. 전극의 단면적을 줄이면, 보다 집적도가 높은 도전라인을 형성할 수 있다. 본 발명의 도전라인의 폭은 터치패널의 크기에 따라 수㎚~수백㎛, 예컨대 5nm~200㎛으로 선택의 폭이 다양하다. 둘째, 스퍼터링 이외에도 다양한 제조방법을 적용할 수 있다. 그 예로써, 불투명 재료를 도전성 잉크의 형태로 분사하여 잉크층을 형성하거나 금속성 재료의 접착 박막, 도금층 및 증착층을 에칭하여 제조할 수 있다. 여기서, 접착 박막이란 접착제에 의해 패드(30)에 접착되는 박막을 말하고, 증착층은 물리적 및 화학적 증착에 의한 것을 통칭하는 것이다. 이에 따라, ITO에 비해 그 제조단가를 크게 낮출 수 있다.

셋째, ITO는 구부러짐에 취약하나, 상기 불투명 재료는 상대적으로 패드(30)에 강하게 부착될 수 있고, 연성이 우수하다. 이에 따라, 패드(30)가 각이 있는 꺾임이나 곡면 구부러짐에도 유연하게 대처할 수 있다. 즉, 본 발명의 터치패널(100)은 꺾임이나 곡면을 가진 디스플레이에도 용이하게 적용할 수 있다. 넷째, ITO는 희소금속인 인듐을 사용하여야 하나, 상기 불투명 재료는 상대적으로 풍부하게 얻을 수 있다. 이에 따라, 재료의 선정에 크게 제약되지 않으며, 가격 면에서도 ITO에 비해 월등한 경쟁력을 가질 수 있다.

다섯째, 도전라인의 단면적이 큰 대형 터치패널에도 무리 없이 적용할 수 있다. ITO는 자체의 도전율의 한계 및 가격으로 인하여, 대형 터치패널에는 적합하지 않다. 이에 반해, 상기 불투명 재료는 ITO에 비해 도전성이 우수하고 가격이 저렴하여, 대형 터치패널에 충분하게 적용할 수 있다. 종래의 대형 터치패널의 경우, 전극의 단면적을 크게 면, 전극 자체의 가격 및 이를 터치 패널에 구현하는 비용이 증가하고, 광 투과율이 떨어진다. 하지만, 본 발명의 전계 터치센서는, 도전라인이 후면에 배치되므로 광 투과율의 저하가 근본적으로 문제가 되지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 전계 터치센서(100)에 의한 터치패널은 불투명 도전성 재료에 의해 ITO를 대체할 수 있다.

또한, 전계 터치센서(100)는 상기 터치에 의해 감지된 출력신호를 감지하고 해석하는 신호처리부(20)를 포함한다. 신호처리부(20)는 상기 출력신호를 증폭하는 증폭기(22), 증폭된 출력신호를 온/오프 하는 신호 스위치(24) 및 출력신호를 해석하고 처리하는 제어기(26)를 포함하여 이루어진다. 증폭기(22)는 통상의 고 이득(high gain) 증폭기를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 출력신호를 제어기(26)에서 충분하게 처리될 수 있을 정도로 증폭한다. 증폭기(22)는 이러한 진폭 변화를 해석하기 위하여 증폭하는 것으로, 본 발명의 실시예에서는 3배~5배로 증폭시켰다.

스위치(24)는 제어기(26)에서 터치된 위치의 좌표를 추출을 제어하기 위하여, 온/오프에 의해 시간을 할당한다. 이와 같이, 증폭된 출력신호가 제어기(26)에 전달되면, 제어기(26)는 패드(30)에서 터치된 위치를 좌표로 확인하게 된다. 이와 같이, 본 발명의 전계 터치센서에서 상기 출력신호는 전계 변화로써, 상기 입력신호의 진폭 변화에 의해 읽혀진다.

본 발명의 전계 터치센서에 있어서, 각각 입력라인[L(I)]와 출력라인[L(O)]에 연결된 도전라인[A(1)~A(n), B(1)~B(n)]은 실질적으로 각각 전계를 송신하는 송신선로(Tx) 및 전계를 수신하는 수신 선로(Rx)의 역할을 한다. 이에 따라, 입력라인[L(I)]와 출력라인[L(O)]는 각각 신호발생기(10) 및 신호처리부(20)의 입장에서 정의한 것이다. 예를 들어, 도전라인 A(1), B(1)는 신호발생기(10)에서 보면 입력라인[L(I)]와 연결된 것이고, 신호처리부(20)에서 보면 출력라인[L(O)]와 연결된 것이 된다. 이에 대해서는 추후에 상세하게 설명할 것이다.

한편, 여태까지 본 발명의 입력라인, 출력라인 및 도전라인은 패드(30)에 형성된다고 하였으나, 경우에 따라 구동층(200)에 직접 형성할 수도 있다. 이렇게 되면, 상기 입력라인, 출력라인 및 도전라인이 형성된 패드(30)를 구동층(200)에 부착하는 과정이 생략된다. 이때, 구동층(200)에는 앞에서 설명한 패드(30)의 역할을 하는 부분이 존재할 수 있다. 동일하게, 입력라인, 출력라인 및 도전라인은 기능층(400)에 직접 형성할 수도 있다. 하지만, 구동층(200) 및 기능층(400)에 직접 형성한다고 해도, 구동층(200) 및 기능층(400)의 본 발명의 패드(30)의 역할을 하는 부분이 있으므로, 실질적으로는 패드(30)에 형성된 것과 마찬가지라고 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 일차원 좌표를 추출하기 위한 후면 전계 터치센서(100a)를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 5는 도 4에 의한 출력신호를 해석하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6은 도 4의 전계 터치센서(100a)가 동작하는 과정의 사례를 나타내는 블록도이다. 이때, 일차원 좌표를 추출하기 위한 전계 터치센서는 일차원 전계 터치센서라고 한다. 한편, 도면에서는 입력라인, 출력라인 및 도전라인은 개념적으로 표현한 것이다. 따라서 실제 터치패널의 입력라인, 출력라인 및 도전라인은 본 발명의 범주 내에서 다른 방식으로 구현될 수 있다.

도 4에 의하면, 일차원 후면 전계 터치센서(100a)는, 도면에서와 같이, 가로 방향의 복수개의 도전라인[A(1)~A(n)]이 균일한 간격만큼 이격되어 배치된 패드(32)를 포함한다. 이때, 패드(32)는 도 3에서 설명한 패드(30)와 작용 및 역할을 동일하나, 단지 구별하기 위하여 참조부호를 변경하였다. 또한, 패드(32) 상에서 보면, 도전라인[A(1)~A(n)]은 세로 방향의 하나의 도전라인[B(1)]과 서로 교차한다. 도전라인[A(1)~A(n)]은 패드(32) 외부의 입력라인[L(IA)]에 의해 신호발생기(10)의 입력신호를 받아들이며, 출력신호는 도전라인[A(1)~A(n)]을 거쳐 출력라인[L(OA)]을 통하여 신호처리부(20)로 향하게 된다. 도전라인[B(1)]은 패드(32) 외부의 입력라인[L(IB)]에 의해 입력신호를 받아들이며, 출력신호는 도전라인[B(1)]을 거쳐 출력라인[L(OB)]을 통하여 신호처리부(20)로 향하게 된다.

도전라인[A(1)~A(n)]은 신호발생기(10)의 측면에서 보면 입력라인[L(IA)]과 연결되고, 신호처리부(20)에서 보면 출력라인[L(OA)]과 연결된다. 이를 전계의 관점에서 해석하면, 입력라인[L(IA)]과 연결될 때는 송신 선로(Tx)이며, 출력라인[L(OA)]과 연결될 때는 수신 선로(Rx)가 된다. 도전라인[B(1)] 역시 도전라인[A(1)~A(n)]과 동일한 기능과 역할을 수행하게 된다. 이러한, 기능의 변화는 제어기(26)에서 판별하고 제어한다.

한편, 본 발명의 일차원 후면 전계 터치센서(100a)는 터치수단에 전계 터치센서(100a)에 직접 터치가 없어도 좌표 추출이 가능하므로, 본 발명의 터치패널의 수명은 터치된 회수에 관계없다. 게다가, 정전용량방식은 강화유리 혹은 강화플라스틱 표면이 시간이 지남에 따라 오염 등의 이유로 성능저하를 일으킨다. 전계 터치센서(100a)에 의한 터치패널은 구동층(200) 후면에 매립되므로, 전계 터치센서(100a)에 오염이 발생되지 않는다. 이에 따라, 본 발명의 전계 터치센서(100a)에 의한 터치패널은 종래의 터치패널보다 수명을 크게 연장할 수 있다.

도 5에 의하면, 신호발생기(10)는 소정의 진폭을 가진 사인파 혹은 구형파를 발생시켜 패드(32)에 입력한다. 사인파 혹은 구형파 중에서 구형파가 바람직하다. 물론 신호처리에 무리가 없으면 다른 형태의 펄스파를 이용할 수도 있다. 심지어, 펄스파에 펄스파들을 구별할 수 있는 정보를 부가할 수도 있다. 진폭은 전압으로 표현되는 것이 바람직하며, 도면의 신호발생기(10)에 발생하는 진폭은 V_in-V₀이다. 펄스파의 주파수는 사용되는 터치패널의 종류나 크기 등에 달라질 수 있으나, 1MHz~50MHz가 좋다. 진폭은 터치패널의 도전라인의 폭과 간격, 입력신호의 주파수 등을 고려하여 다르게 설정될 수 있으나, 통상적으로 2V~5V가 바람직하다.

도시된 바와 같이, 패드(32)의 a 영역에 터치수단으로 간접적인 터치가 일어났다고 가정하면, 상기 터치수단에 전계 흡수가 일어난다. 여기서, 간접적인 터치란 앞에서 설명한 허용범위 내에서 투명판(300) 근처를 터치하는 것을 말한다. 이에 따라, 주변의 도전라인 A(2), A(3) 및 B(1)에는 전압 변화가 발생한다. 다시 말해, 도전라인 A(2), A(3) 및 B(1)는 전계 흡수의 영향으로, 각각 V_out[A(2)], V_out[A(3)], V_out[B(1)]의 출력신호로 나타낸다. 한편, 전계 흡수에 의한 좌표 추출을 위하여 참조전압 V_ref은 사전에 설정되어 있다. V_out[A(2)], V_out[A(3)], V_out[B(1)]이 V_ref보다 크거나 작으면, 제어기(26)는 a 영역이 터치되었다고 판단한다. 예를 들어, 신호발생기의 신호진폭이 3V이고 제어기의 V_ref를 2.5V로 하였다면, 좌표추출을 위한 전계 변화 즉, 제어기로 입력되는 수신신호의 전압은 V_ref 2.5V보다 0.01V 차이(크거나 작거나)가 나야 한다.

상황에 따라, a 영역의 터치에 의해, V_out[A(2)], V_out[A(3)], V_out[B(1)] 모두가 반드시 V_ref보다 크거나 작은 것이 아니고, 적어도 하나의 도전라인의 출력이 V_ref보다 크거나 작을 수 있다. 경우에 따라, 출력신호는 증폭과 더불어 제어기(26)에서 좌표를 추출하는 데 용이하도록 보정을 할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제어기(26)에 소정의 보정회로를 삽입하여, 출력신호를 보정할 수 있다. 본 발명에 사용되는 터치수단은 전계 흡수가 일어나는 것으로, 사람의 손가락이나 도체로 이루어진 펜과 같은 것이다.

본 발명의 전계터치센서는 단지 전계 흡수만을 판단하므로, 도전라인의 응답속도와 좌표를 추출하는 시간이 빠르다. 상기 a 영역과 다른 영역을 동시에 터치하여도, 이를 인식하는 멀티(multi) 터치를 손쉽게 구현할 수 있다. 또한, 터치수단의 압력에 의해 좌표를 추출하는 것이 아니고, 전계 흡수를 이용하기 때문에, 도전라인의 손상이 거의 없어서 내구성도 우수하다. 한편, 출력신호는 1㎶/m을 기준(0dB)으로 데시벨(dB)로 표시할 수도 있다.

도 6에 의하면, 도전라인[A(1)~A(n)]은 신호발생기(10)에서 발생한 신호에 의해 전계 흡수가 일어난다. 이때, 도전라인[A(1)~A(n)]은 n개의 채널을 가진다. 아날로그 스위치는 상기 n개의 채널의 정보인 전압값의 전송을 단속하는 역할을 한다. 스위치 과정을 거친 전압값은 마이콤의 ADC 포트로 순차적으로 보내진다. 마이콤에서는 n개의 채널의 각 채널을 시간에 따라 제어한다. 이와 같은 마이크로 스위치는 도 3의 스위치(24)에 해당한다.

마이콤은 내부의 주파수는 1MHz 이상인 것이 바람직하다. 또한, 전계 터치센서(100a)의 터치 여부를 상기 전압값을 최소한 3번 이상 체크하여 전압의 평균값을 산출하는 것이 좋다. 이는 감지 에러를 방지하기 위함이다. 상기 전압의 평균값으로, 도 5에서와 같이 V_ref와 비교하여 터치 여부를 판단한다. 터치 여부가 확인되면, MPU(Main Processor Unit)는 터치된 좌표가 산출된다. 상기 마이콤과 상기 MPU(Main Processor Unit)는 도 2의 제어기(26)에 해당한다.

한편, 신호발생기(10)의 입력신호는 시분할 방식 또는 코드분할 방식으로 입력될 수 있다. 이와 같이, 시분할 방식 또는 코드분할 방식으로 입력하면, 별도의 제어연산기(도시되지 않음)에 의해 터치된 좌표를 파악할 수 있다. 상기 제어연산기는 앞에서 설명한 스위치, 마이콤 및 상기 MPU(Main Processor Unit)의 역할을 담담하게 된다. 이를 위해, 입력신호의 변조 및 출력신호의 복조를 하기 위한 수단을 더 구비할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 이차원 좌표를 추출하기 위한 전계 터치센서의 하나의 예를 개략적으로 보여주는 도면이다. 이때, 이차원 좌표를 추출하기 위한 전계 터치센서의 하나의 예는 이차원 제1 전계 터치센서(100b)라고 한다. 상기 제1 전계 터치센서(100b)는 설명의 편의를 위하여 가로 및 세로 방향 각각 8개의 도전라인으로 한정하였다. 즉, 세로 방향의 도전라인이 확대되었다는 점을 제외하고 도 4의 일차원 전계 터치센서(100a)와 동일하다. 이에 따라, 일차원 전계 터치센서(100a)와 동일한 참조부호는 동일한 기능 및 역할을 하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7에 따르면, 이차원 제1 전계 터치센서(100b)의 가로 방향 도전라인[A(1)~A(8)]은 L(IA)에 의해 펄스파가 입력되고, L(OA)에 의해 출력신호가 방출된다. 세로 방향 도전라인[B(1)~B(8)]은 L(IB)에 의해 펄스파가 입력되고, L(OB)에 의해 출력신호가 신호처리부(20)에 전달된다. 만일, 터치수단에 의해 패드(34)의 b 영역이 간접적으로 터치되었다면, 주변의 도전라인 A(3), A(4), B(4) 및 B(5)에 전계 흡수가 일어난다. 이때, 패드(34)는 도 3에서 설명한 패드(30)와 작용 및 역할을 동일하나, 단지 구별하기 위하여 참조부호를 변경하였다. 여기서, 간접적인 터치란 앞에서 설명한 허용범위 내에서 투명판(300) 근처를 터치하는 것을 말한다. 이러한 전계 흡수는 도 4에서 설명한 바와 같은 방식으로 제어기(26)에서 터치된 좌표를 추출하게 된다.

이하에서는, 이차원 1차 전계 터치센서(100b)로 터치된 좌표를 추출하는 과정을 구체적으로 살펴보기로 한다. 이때, 가로 및 세로 방향의 도전라인의 개수는 n개라고 한다. 먼저, 패드(34)의 크기에 맞추어 가로 및 세로 방향의 길이 및 이에 따른 전체 면적으로 결정한다. 그후, 도전라인[A(1)~A(n)] 및 도전라인[B(1)~B(n)]을 격자 구조로 배치한다. 상기 도전라인들로 만들어진 좌표 값을 제어기(26)에 입력한다. 이어서, 도전라인[A(1)~A(n)] 및 도전라인[B(1)~B(n)]에 일정 대역의 주파수와 진폭을 가진 펄스파를 발신한다. 패드(34)에 간접적인 터치가 발생하면, 제어기(26)를 이용하여, 앞에서 설명한 방식으로 터치된 좌표를 추출한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 의한 이차원 좌표를 추출하기 위한 전계 터치센서의 다른 예를 개략적으로 보여주는 도면이다. 이때, 이차원 좌표를 추출하기 위한 전계 터치센서의 다른 예는 이차원 제2 전계 터치센서(100c)라고 한다. 상기 제2 전계 터치센서(100c)는 도전라인의 형상을 제외하고 이차원 제1 전계 터치센서(100b)와 동일하므로, 동일한 참조부호에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 8에 따르면, 도전라인[A(1)~A(8)] 및 도전라인[B(1)~B(8)]의 어느 하나 또는 모두에, 전계 흡수의 감도를 높이기 위하여 도전라인의 형상을 바꿀 수 있다. 즉, 가로 및 세로 방향의 도전라인이 서로 만나는 교차점 사이의 도전라인을 마름모 또는 육각형과 같은 다각형, 원, 타원 등의 모양으로 그 형상을 변형시킬 수 있다. 도면에서는 도전라인[A(1)~A(8)]은 마름모, 도전라인[B(1)~B(8)]은 원 모양으로 형상을 변형한 것을 예로 들었다. 한편, 도전라인[A(1)~A(8)] 및 도전라인[B(1)~B(8)]을 같은 모양 또는 서로 다른 모양으로 변경할 수도 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10; 신호발생기 20; 신호처리부
22; 증폭기 24; 스위치
26; 제어기 30, 32, 34; 패드
100; 전계 터치센서 200; 구동층
300; 투명판 400; 기능층

Claims (11)

1. 디스플레이의 구동원리를 구현하는 구동층의 후면에 배치되는 전계 터치센서에 있어서,
   상기 전계 터치센서는,
   설정된 진폭 및 주파수를 가진 사인파(sine wave) 또는 구형파의 펄스파로 이루어진 전계 입력신호를 공급하는 신호발생기;
   상기 전계 입력신호를 전달받아 터치수단에 흡수된 전계 변화를 출력신호로 방출하고, 균일한 간격으로 배치되어 격자구조를 이루는 복수개의 도전라인;
   상기 출력신호를 증폭하는 증폭기; 및
   상기 증폭된 출력신호를 이용하여, 상기 터치수단에 의해 터치된 좌표를 추출하는 제어기를 포함하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 전계 변화는 전압의 변화로 읽혀지는 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 터치는 상기 구동층의 전면에서 일어나는 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 구동층과 상기 전계 터치센서 사이에는 기능층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 도전라인은 필름 형태이고, 불투명한 패드에 형성된 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 패드는 고분자 필름 또는 나노 세라믹 필름인 것을 특징으로 하는 전계변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 도전라인은 불투명 도전성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
8. 제7항에 있어서, 상기 불투명 도전성 재료는 금속, 금속화합물 또는 카본 중에 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
9. 제1항에 있어서, 상기 도전라인은 도전성 잉크층, 접착 박막, 도금층 및 증착층 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
10. 제1항에 있어서, 상기 도전라인은 각이 있는 꺾임이나 곡면의 구부러짐에도 손상되지 않는 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.
11. 제1항 또는 제4항의 어느 한 항에 있어서, 상기 도전라인은 상기 구동층 또는 상기 기능층에 형성되는 것을 특징으로 하는 전계 변화를 이용한 후면 전계 터치센서.

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