KR101550184B1 - 터치 성능이 향상된 ftir 스크린 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 FTIR 터치스크린에서 터치 인식이 잘 되고, 고열원(태양광이나 불꽃 또는 손 등)의 영향을 받지 않으며, 스크린에 이물질이 묻었어도 오동작하지 않게 하는 기술적 방법을 제안한다.

Description

터치 성능이 향상된 FTIR 스크린 구조 {A structure of FTIR screen with improved touch function}
본 발명은 터치 성능이 향상된 FTIR(Frustrated Total Internal Reflection) 스크린 구조에 관한 것이다.
널리 쓰이는 터치스크린(감압식 저항 방식, 정전용량 방식과 카메라 방식) 중에서 멀티 터치가 가능한 방식은 정전용량 방식과 카메라 방식이며[1-3], 특히 FTIR 현상을 이용하는 카메라식은 대형 스크린을 제작할 수 있어서 수요가 아주 많다[2]. 그러나 여러 저작권이나 상품으로 출시된 FTIR 스크린의 경우, 스크린(예, 투명한 아크릴판)에서 손가락 터치를 인식하는 과학적 메카니즘이 FTIR 현상이라고 알려져 있으며, 실제로 FTIR 스크린 위에 묻은 커피 방울 등의 이물질에도 오동작하거나 온도가 높은 적외선 열원도 터치로 인식하는 단점이 있다.
그러나 터치 인식의 참된 이유가 FTIR 현상[6]이 아닌 땀이나 손기름에 의한 일반투과(Ordinary Transmission : OT) 현상이기 때문에[7], 본 발명은 땀이나 손기름의 역할을 대신하는 재질을 사용하여 터치 성능을 높이고, 이물질이나 고온의 열원에도 오동작하지 않는 FTIR 스크린을 제안하고자 한다.
[1] 모리슨 제랄드, 출원번호(10-2009-7027251) 전반사 장애에 기초한 터치스크린(2008.07.23); 제퍼슨 와이, 공개특허공보(10-2009-0060283) 좌절형 전반사를 통한 멀티 터치 검출 디스플레이(2009.6.11)
[2] 디스플레이 뱅크 편집실, 미래형 터치스크린 기술분석과 시장전망(Display bank 사, 2010. 4); 신명철, 이호민, 전반사 장애를 이용한 멀티 터치 회의 테이블, 산업과학기술논문집 26권, (2012) p151-160 [3] Interaction for Touch or No Touch: Next User I/F (Tangible UI) Internet blog information site, 2007.12.19 [4] Jefferson Y Han, Low cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection, (ACM New York, 2005) [5] J. Giddings, Multi-touch keyboard and mouse (Kickstarter, 2011.11.25) [6] S. Zhu, A. W. Yu, D. Hawley, and R. Roy, Am. J. Phys. 54, 601 (1986) [7] W.H. Han, J.H. Han, J.H. Kim, H.S. Jung and M.H. Lee, J. Adhes. and Interf. 13, p.73~83 (2012)
제1도는 FTIR 터치스크린을 적용한 컨퍼런스 테이블의 개념도이다. Jefferson Han이 2006 TED(Technology entertainment design)에서 FTIR 터치스크린을 소개한 이래[4], 이 방식으로 개발된 대표적 사례는 마이크로소프트사의 Surface와 KALUS 사의 SMART 등과 같은 컨퍼런스 테이블 등이 있다. 이들은 투명체(예, 아크릴판(acylate)) 내에서 형성되는 적외선(Infrared : IR) 전반사의 광원인 IR LED(100), 투명체인 아크릴판(200), 이 아크릴판(200)에 접촉한 손가락에 의해 난반사(Diffuse reflection)된 IR 광(110)을 촬영하는 IR 카메라(300), 컴퓨터(400) 영상을 스크린에 조사하는 빔프로젝터(Beam projector)(500)와 반사경(600) 및 IR 광의 난반사 위치를 좌표로 바꾸는 터치 라이브러리(Touch library)(700)로 구성된다.
그러나 이러한 FTIR 스크린을 제작하더라도 (1) 터치가 잘 인식되지 않고, (2) 적외선을 이용하므로 고열원(태양광이나 손 등)의 영향을 쉽게 받으며, (3) 스크린에 손때 또는 커피 방울이 묻어도 오동작하는 단점이 있다.
본 발명은 상기 3가지 단점을 극복할 수 있는 방법을 제안한다.
상기 3개 과제에 대한 해결 수단은 다음과 같다.
첫째, FTIR 터치스크린의 터치인식 성능을 높이려면, 터치인식 원리에 대한 정확한 이해를 토대로 터치인식 성능을 향상시킬 수 있는 수단을 찾는 것이다.
둘째, FTIR 터치스크린의 주변 열원이 강하면, 이를 터치신호로 인식하기 때문에 그 영향을 줄이려면, 주변의 원천으로부터 방출되는 적외선을 차단할 수단이 필요하다.
셋째, 커피 방울과 같은 이물질이 스크린에 묻으면, 이를 터치신호로 인식하기 때문에 이물질이 스크린에 직접 닿지 않게 하는 수단도 필요하다.
본 발명을 적용하여 FTIR 터치 스크린를 제작하면, (1) 터치에 더욱 민감하게 할 수 있고, (2) 커피 방울과 같은 이물질에 의한 오동작을 없앨 수 있으며, (3) FTIR 터치스크린에 미치는 주변 열원의 영향을 제거할 수 있기 때문에 컨퍼런스 테이블과 같은 FTIR 터치 방식을 채택한 스크린을 더 효과적으로 활용할 수 있을 것이다.
도1. FTIR 터치스크린 방식을 적용한 컨퍼런스 테이블의 개념도
도2. FTIR 투과율의 d/λ 의존성 (θ1=56.6°에서)
도3. OT 투과율의 d/λ 의존성 (θ1=56.6°에서)
도4. 손가락과 아크릴판(acrylate) 간의 접촉 상태 모사도
도5a 마른 종이와 아크릴판(acrylate) 간의 접촉 실험 사진
도5b 젖은 종이와 아크릴판(acrylate) 간의 접촉 실험 사진
도5c 땀이 난 손가락 및 마른 손가락(점선)과 아크릴판 간의 접촉 실험 사진
도6. 아크릴판에 접촉한 손가락의 적외선 영상(아크릴판을 통하여 촬영)[3] (a) 전체 손의 윤곽이 촬영된 사진 (b) 손가락 끝만 인식된 사진
도7. 터치 성능이 향상된 FTIR 스크린 구조
본 발명의 아이디어 도출을 위한 과학적 분석 내용은 다음과 같다.
3층 박막(매질1(n1)-매질2(n2)-매질3(n3), n1 = n2 ≠n3)을 예로 들자. 두 매질(매질1(n1), 매질2(n2))의 경계면에서 전반사 조건을 만족할 때, 매질1에서 입사광 에너지와 반사광 에너지는 보존되지만, 매질2에 제3의 매질3(n3)이 근접해 있다면(매질2의 두께 = d), 매질3으로 입사에너지의 일부가 투과되어 때문에 매질1에서 반사광 에너지가 입사광 에너지보다 작아지는데, 이 것이 양자 터널링의 일종인 FTIR 이다[6].
n1 = n3 = n0 > n2 = 1인 상황에서, 입사각 θ1 > 임계각(전반사)으로 빛이 입사하면 매질1에서 전반사가 일어나며, d가 입사광의 파장(λ)보다 작으면 FTIR 현상이 일어나 매질1로부터 매질2를 투과해 매질3까지 에너지의 일부가 전달된다. 이때, FTIR 현상에 의한 투과율 TFTIR 의 수직성분(TFTIR )과 수평성분(TFTIR )은 각각 다음과 같다[6]. 즉,
Figure 112013043632006-pat00001
(1a)
이고, 여기서
Figure 112013043632006-pat00002
(1b)
Figure 112013043632006-pat00003
(1c)
(1c)식에서
Figure 112013043632006-pat00004
인 경우, 빛이 매질1에서 매질2로 진행할 때 전반사가 일어나면 d는 허수가 된다. 또한,
Figure 112013043632006-pat00005
(2a)
이며, 여기서
Figure 112013043632006-pat00006
(2b)
이다.
제2도는 n1 = n3 = 1.49, n2 = 1, θ1=56.6 이고 λ=0.6328μm일 때, TFTIR 과 TFTIR 을 d/λ의 함수로 그린 것인데, 모두 d/λ에 따라 감소하며 d/λ> 1이면 투과율은 거의 0 이다.
그러나, n1 = n3 = n0 ~ n2 이면, 매질2에서 전반사(TIR)가 일어나지 않고, 매질1로부터 매질2를 투과해 매질3까지 대부분의 에너지가 전달되는 일반투과(OT) 현상이 일어난다. 이때, 일반투과(OT)에 의한 투과율 TOT의 수직성분(TOT )과 수평성분(TOT )은 각각 다음과 같다. 즉,
Figure 112013043632006-pat00007
(3a)
Figure 112013043632006-pat00008
(3b)
이다[7]. 제3도는 n1 = n3 = 1.49, n2 = 1.33, θ1=56.6이고 λ=0.6328μm일 때, TOT 과 TOT 을 d/λ의 함수로 그린 것인데, 두 개의 의존도는 달라도 모두 d/λ에 따라 진동한다. 일반투과(OT) 현상은 FTIR 현상과 달리 대부분의 에너지가 투과한다.
제1도에 보인 것처럼, 손가락을 스크린에 접촉할 때 손가락의 상태에 따라서 FTIR 현상 또는 일반투과(OT) 현상이 나타날 수 있다. 즉, 손가락에 땀이나 손기름이 없는 경우에는 FTIR 현상이 나타날 수 있고, 땀이나 손기름이 있는 경우에는 일반투과(OT) 현상이 나타난다.
그러나 실제로 손가락에 땀이나 손기름이 전혀 없더라도, 손가락 지문의 요철상태(제4도) 때문에 FTIR 현상이 매우 약하며, 매질1에서 전반사(TIR) 현상이 훨씬 지배적으로 나타나게 되어 터치신호는 아예 인식되지 않는다. 이는 손가락 지문의 요철 때문에 손가락 면과 아크릴 면 사이에 평균 간격이 적외선 1개 파장보다 크기 때문이다.
일반적으로 손가락에 땀이 있어서, FTIR 현상이 아닌 일반투과(OT) 현상이 일어나 터치신호로 인식할 수 있는 것이다. 제5도는 상기의 이론적 설명을 뒷받침하는 실험결과이다.
제5a도는 마른 종이를 아크릴판(acylate)에 접촉한 사진인데, 아크릴판에 형성된 전반사(흰색)에 가려 종이의 글씨가 보이지 않지만, 제5b도처럼 젖은 종이를 아크릴판에 접촉하면, 전반사 현상이 깨지기 때문에 종이의 글씨를 볼 수 있다.
또, 제5c도는 아크릴판에 접촉한 손가락 사진이다. 땀이 난 손가락의 경우 아크릴판 내의 전반사 현상이 깨져 지문을 선명하게 볼 수 있지만, 땀이나 손기름을 깨끗이 닦고 완전히 말린 손가락(점선 내부)의 지문은 보이지 않는다.
상기 과학적 분석과 실험사실로부터 본 발명에서 해결해야 할 3개 과제 중 첫째와 둘째 과제해결수단(터치성능을 향상시키는 수단과 커피 방울과 같은 이물질에 의한 오동작을 줄이는 수단)을 얻을 수 있다.
첫째 과제해결수단은 터치성능을 향상시키는 수단으로서, 땀과 유사한 효과를 주는 재료를 이용하는 것이고, 둘째 과제해결수단은 이물질을 스크린에 직접 닿지 않게 하여 아크릴판 내에 전반사가 유지되도록 띄워 놓는 것이다.
셋째 과제해결수단(FTIR 터치스크린에 미치는 주변 열원의 영향 제거 수단)은 스크린 외부의 적외선을 차단하는 막을 입히는 것이다. 제6도는 아크릴판에 접촉한 손가락의 적외선 영상을 아크릴판을 통해서 촬영한 것인데, 제6도 (a)는 손의 전체 모양도 알아볼 수 있다. 이 것은 손으로부터 방출되는 적외선에 의한 영상이며, (b)는 손가락 끝(밝은 부분)만 나타난 영상으로서 손으로부터 방출되는 적외선을 차단한 결과이다.
상기 분석을 토대로 도출한 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 다음과 같다.
본 발명은 일반적인 컨퍼런스 테이블(제1도)에 쓰이는 것으로서, IR LED(100) 광원과, IR의 전반사가 형성되는 아크릴판(200)으로 구성된 통상의 FTIR 터치스크린에서, 상기 아크릴판(200)에 근접하게 설치하여 터치인식 효과를 높이는 터치인식 향상수단과, 상기 터치인식 향상수단에 근접하여 스크린 주변 열원의 영향을 차단하는 주변 열원영향 축소수단을 더 포함하되, 상기 터치인식 성능향상 수단은 아크릴판(200) 위에 구비되어(제7도) 아크릴판(200) 에 근접시켜 형성된 전반사(TIR)를 깰 수 있는 재료로서, 손가락 또는 도구로 눌러 아크릴판(200)에 접촉시킬 경우, 상기 터치인식 성능향상 수단을 통해 일반투과(OT)를 일으킬 수 있도록 투명하고 연한 매체(210)이어야 하고, 상기 주변 열원영향 축소수단은 적외선 차단용 필름(230)으로서 상기 터치인식 성능향상 수단의 바로 위쪽에 형성하며(제7도), 상기 터치인식 성능향상 수단과 유사한 소정의 연성을 갖고, 가시광에 투명한 재료로 만든 것을 특징으로 한다. 또 이물질로부터 상기 터치인식 향상수단과 주변 열원영향 축소수단을 보호하기 위해 상기 주변 열원영향 축소수단의 외부에 형성되는 보호수단으로 구성한다(제7도).
삭제
상기 투명하고 연한 매체(210)의 굴절율은 일반투과(OT)를 일으킬 수 있도록 아크릴판(200)의 굴절율과 20% 범위 내에서 유사하고, 누르면 눌려질 수 있게 소정의 연성을 가지되, 선택적으로 아크릴판(200)에 밀착성을 좋게 하기 위해 소정의 젖음성(wettable)을 갖는 매체로 형성한다.
삭제
상기 적외선 차단용 필름(230)은 상기 아크릴판(200) 내에 조사하는 적외선의 파장에 대하여 80% 이상의 적외선 차단율 또는 반사율을 가지고, 소정의 연성을 가지며, 가시광에 투명한 재료로 만든다.
상기 투명하고 연한 매체(210)를 아크릴판(200)으로부터 띄워 놓기 위해 이격수단(220)을 형성하되, 이 이격수단(220)은 상기 투명하고 연한 매체(210) 면에 소정의 간격으로 설치하며(제7도), 상기 이격수단(220)를 설치했을 때 투명하고 연한 매체(210)와 아크릴판(200) 사이의 간격은 최소한 아크릴판(200) 내에 조사하는 적외선 파장보다 길게 설치한다.
또한, 상기 이격수단(220)은 가시광과 적외선에 대해 투명한 재료로 형성하며, 아크릴판(200)과 접촉하는 이격수단(220)의 표면 거칠기는 아크릴판(200)내에 조사되는 적외선 파장보다 크게 하여 FTIR 현상이 나타나지 않도록 한다.
상기 보호수단(240)은 이물질로부터 상기 투명하고 연한 매체(210)과 적외선 차단용 필름(230)을 보호하기 위해 상기 적외선 차단용 필름(230)의 외부에 형성하는 것으로서(제7도), 상기 투명하고 연한 매체(210)와 유사한 소정의 연성을 가지며, 손톱 긁힘과 같은 외부자극에도 견디는 소정의 내성을 갖는 재료로 만든다.
100 IR LED
200 아크릴판
210 투명하고 연한 매체, 220 이격수단
230 적외선 차단용 필름, 240 보호수단
250 양면 접착제
300 IR 카메라, 400 컴퓨터, 500 빔프로젝터
600 반사경, 700 터치라이브러리

Claims (8)

  1. IR LED(100) 광원과, IR의 전반사가 형성되는 아크릴판(200)으로 구성된 통상의 FTIR 터치스크린에서,
    상기 아크릴판(200)에 근접하게 설치하여 터치인식 효과를 높이는 터치인식 향상수단과,
    상기 터치인식 향상수단에 근접하여 스크린 주변 열원의 영향을 차단하는 주변 열원영향 축소수단을 더 포함하되,
    상기 터치인식 성능향상 수단은 아크릴판(200) 위에 구비되어 아크릴판(200) 에 근접시켜 형성된 전반사(TIR)를 깰 수 있는 재료로서, 손가락 또는 도구로 눌러 아크릴판(200)에 접촉시킬 경우, 상기 터치인식 성능향상 수단을 통해 일반투과(OT)를 일으킬 수 있도록 투명하고 연한 매체(210)이어야 하고,
    상기 주변 열원영향 축소수단은 적외선 차단용 필름(230)으로서 상기 터치인식 성능향상 수단의 바로 위쪽에 형성하며, 상기 터치인식 성능향상 수단과 유사한 소정의 연성을 갖고, 가시광에 투명한 재료로 만든 것을 특징으로 하는 터치 성능이 향상된 FTIR 스크린 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에서. 상기 투명하고 연한 매체(210)의 굴절율은 일반투과(OT)를 일으킬 수 있도록 아크릴판(200)의 굴절율과 20% 범위 내에서 유사하고, 누르면 눌려질 수 있게 소정의 연성을 가지되, 선택적으로 아크릴판(200)에 밀착성이 좋게 하기 위해 소정의 젖음성(wettable)을 갖는 재료로 만든 것을 특징으로 하는 터치 성능이 향상된 FTIR 스크린 구조
  4. 삭제
  5. 제1항에서 상기 적외선 차단용 필름(230)은 상기 아크릴판(200) 내에 조사하는 적외선의 파장에 대하여 80% 이상의 적외선 차단율 또는 반사율을 가지고, 소정의 연성을 가지며, 가시광에 투명한 재료로 형성하는 것을 특징으로 하는 터치 성능이 향상된 FTIR 스크린 구조
  6. 제1항에서, 상기 투명하고 연한 매체(210)를 아크릴판(200)으로부터 띄워 놓기 위해 상기 투명하고 연한 매체(210)와 아크릴판(200) 사이에 이격수단(220)을 설치하되,
    상기 이격수단(220)을 설치했을 때 투명하고 연한 매체(210)와 아크릴판(200) 사이의 간격은 최소한 아크릴판(200)에 조사하는 적외선 파장보다 길게 설치하고,
    상기 이격수단(220)은 가시광과 적외선에 대해 투명한 재료로 만들며, 아크릴판(200)과 접촉하는 상기 이격수단(220)의 표면 거칠기는 아크릴판(200) 내에 조사되는 적외선 파장보다 크게 하여 FTIR 현상이 나타나지 않게 한 것을 특징으로 하는 터치 성능이 향상된 FTIR 스크린 구조.
  7. 삭제
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