KR101594174B1 - 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린 - Google Patents

Abstract

본 발명의 터치스크린(1)은, 윈도우(10); 윈도우(10)의 아래에 적층된 표시모듈(20); 표시모듈(20)의 상부, 하부 또는 내부에 설치되고, 윈도우(10)에 작용한 터치위치에 대응하는 제1 입력신호를 생성하는 정전용량식 위치센서(30); 표시모듈(20)의 아래에 적층되고, 윈도우(10)에 가해진 터치압력에 의한 표시모듈(20)의 상하변위에 연동하여 상하변위되는 제1 전극(41) 및 제1 전극(41)의 아래에 일정거리(d) 이격되어 고정설치된 제2 전극(42)을 포함하고, 표시모듈(20)의 상하변위에 연동하여 발생하는 제1 전극(41)의 상하변위에 의존하는 상하 전극(41, 42) 사이의 거리변화에 따른 정전용량변화로부터 제2 입력신호를 생성하는 정전용량식 압력센서(40); 표시모듈(20)/위치센서(30)/압력센서(40)가 장착되는 장착실(51), 장착실(51)의 둘레에 형성되어 윈도우(10)의 테두리(11)를 받쳐주는 단부(52), 및 장착실(51)의 내부에 형성되어 제2 전극(42)이 그 위에 고정되는 기면(53)을 포함하는 하우징(50); 및 하우징(50)의 단부(52)와 윈도우(10)의 테두리(11) 사이에 적용하여, 윈도우(10)를 하우징(50)에 접합하고, 윈도우(10)와 표시모듈(20)이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하변위하는 것을 허용함으로써, 표시모듈(20)의 상하변위에 연동하는 제1 전극(41)의 상하변위에 따른 상하 전극(41, 42) 사이의 거리가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 탄성고정수단(60); 을 포함한다.

Description

표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린{Tri-axis Sensing Type Capacitive Touch Screen with Display Device}

본 발명은 터치스크린에 관한 것이며, 보다 상세하게는 표시장치와 유기적으로 결합하여 형성되어 있고, 터치위치를 검출하는 '정전용량식 위치센서'와 터치압력을 검출하는 '정전용량식 압력센서'를 모두 구비함으로써 이들 양자의 검출센서에서 검출한 터치위치와 터치압력에 대한 입력신호를 조합하여 최종 입력신호를 생성하는, 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린에 관한 것이다.

입력장치의 하나인 터치스크린은, 내비게이션, 산업용 단말기, 노트북 컴퓨터, 금융 자동화기기, 게임기 등의 각종 모니터로부터, 휴대전화기, 엠피쓰리, PDA, PMP, PSP, 휴대용 게임기, DMB 수신기 등 각종 휴대용 단말기는 물론, 냉장고, 전자레인지, 세탁기와 같은 각종 가전제품에 이르기까지 다양한 전기전자장치의 입력장치로 널리 사용되고 있다.

터치스크린은 그 구조와 동작원리에 따라 저항막 방식과 정전용량 방식 등 여러 가지 방식이 개발되어 있고, 최근 스마트폰의 경우 정전용량 방식이 널리 적용되고 있다.

정전용량식 터치스크린으로는, 손가락과 같은 도체를 접촉(근접시킬)할 때 발생하는 정전용량을 검출하여 손가락이 어떤 위치의 전극에 접촉(일정거리 내로 근접) 되었는지 그 위치를 판별하여 해당 위치에 대응하는 입력신호를 발생시키는 '정전용량식 위치센서'를 구비한 터치스크린과, 손가락의 터치압력의 크기에 따라 다르게 발생하는 정전용량변화의 크기로부터 터치압력과 위치에 대응하는 입력신호로 생성하는 '정전용량식 압력센서'를 구비한 터치스크린으로 대별할 수 있으며, 스마트폰의 터치스크린에는 주로 '정전용량식 위치센서'가 적용되고 있으며, '정전용량식 위치센서'와 '정전용량식 압력센서'를 복합적으로 적용한 터치스크린도 제안되어 있다.

정전용량식 압력센서 방식의 터치스크린(입력장치)에 관한 종래기술로서는, 대한민국 특허 제10-0661000호의 '입력장치'와 대한민국 특허 제10-0943989호의 '정전용량식 터치스크린' 등이 있다.

정전용량식 터치스크린에 관한 종래기술의 다른 예로는, 대한민국 특허 제10-1097869호의 '정전용량식 하이브리드 터치스크린'이 제안되어 있으며, 본 하이브리드 터치스크린은 2축이 아닌 3축을 인식하는 터치스크린으로서, 도체(예, 손가락)의 터치위치(평면좌표의 X-Y축)를 검출하여 제1 입력신호를 생성하는 정전용량식 위치센서(위치검출-터치스크린모듈)와, 정전용량식 위치센서의 하측에 위치하고 정전용량식 위치센서에의 터치로부터 전달된 터치압력(Z 축)을 검출하여 제2 입력신호를 생성하는 정전용량식 압력센서(압력검출-터치스크린모듈)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기한 3축 인식 정전용량식 터치스크린은, 정전용량식 위치센서로부터의 터치위치에 관한 제1 입력신호(X-Y축)와 정전용량식 압력센서로부터의 터치압력에 관한 제2 입력신호(Z 축)를 조합하여, 목적하는 최종 입력신호를 생성하는 터치스크린이며, 본 '869의 터치스크린에 의하면, 위치만을 검출하여 입력신호를 생성하였던 종래 정전용량식 위치센서가 가지는 입력내용 단순성을 개선하여, 예를 들어 동일 터치위치에서의 서로 다른 터치압력에 대해 서로 다른 입력신호도 형성할 수 있게 되어 입력내용의 다양성을 개선할 수 있다.

일반적으로 터치스크린은 소정의 내용을 디스플레이 하는 표시장치(예, LCD)와 함께 상하 적층하여 사용하는 바, 터치스크린과 표시장치들이 통합된 장치들이 널리 제안되어 있고, 이런 통합장치로서는 대한민국 등록특허 제10-0493921호의 '평판 디스플레이와 일체화된 터치패널', 대한민국 특허 제10-0894250호의 '정전용량식 입력/표시 장치', 대한민국 특허 제10-1131314호의 '터치스크린 일체형 액정 디스플레이 장치, 및 대한민국 특허 제10-1067164호의 '터치스크린 일체형 표시장치', 대한민국 특허 제10-1072334호의 '힘 기반 터치 패널 및 힘 기반 터치스크린을 구비한 디스플레이 장치', 대한민국 특허 제10-0477605호의 '터치패널 일체형 액정표시장치' 등이 있다.

터치스크린과 표시장치들이 통합된 장치들 중에는, 그 두께의 감소 등을 목적으로, 예를 들어 터치스크린을 표시장치에 내장하거나 또는 표시장치의 전극을 터치스크린의 전극으로 겸용하는, 예를 들어 ON-CELL 및 IN-CELL 방식 등의 터치스크린 내장형 표시장치들이 제안되었고, 그 예로서는 대한민국 특허 제10-1230196호의 '터치스크린 패널 내장형 액정표시장치', 대한민국 특허 제10-1009672호의 '터치 패널 내장형 액정 표시 장치', 대한민국 특허 제10-1260665호의 '터치스크린 내장형 액정 표시 장치' 및 대한민국 공개특허 제10-2013-0033641호의 '터치센서 내장형 표시장치' 등이 있다.

앞서 언급한 대한민국 특허 제10-0661000호의 '입력장치' 등으로부터 알 수 있고 도4에 도시된 바와 같은 터치스크린에 적용되는 종래 정전용량식 압력센서(100)는, 일정 거리(d)를 두고 상하로 적층된 하부 전극(110)과 상부 전극(120) 사이에 탄성의 실리콘고무 또는 스프링 등으로 형성된 탄성스페이서(130: 또는 탄성층)를 매개한 구성을 기본으로 한다. 여기에서 윈도우(140)는 상부 전극(120)의 상측에는 하측의 전극 등을 보호하기 위한 것이고, 기판(150)은 하부 전극(120)의 하측에는 하부 전극(120)을 고정하기 위한 기면을 제공한다.

이런 종래의 정전용량식 압력센서(100)는, 하부 전극(110)과 상부 전극(120) 사이의 일정 거리(d)를 복원 가능하게 탄성적으로 가변시키는 탄성스페이서(130: 탄성층)의 적용이 필수적이다. 즉, 탄성스페이서(130)는, 터치압력이 가해지지 않은 상태에서는 하부 전극(110)과 상부 전극(120)을 상기 거리(d)로 유지하고, 터치압력이 가해지면 상하 전극(110, 120) 사이의 거리(d)를 가변(단축)하여 상하 전국 사이의 정전용량을 가변(증가)시킴으로써 해당 정전용량변화에 대응하여 입력신호가 생성하며, 터치압력이 사라지면 상하 전극 사이의 거리(d)를 원래의 거리로 복원시킨다. 따라서 종래의 정전용량식 압력센서(100)는 탄성스페이서(130)의 성능이 센서의 성능을 결정하는 주요 요인이 된다.

그러나 상하 전극(110, 120) 사이에 탄성스페이서(130) 만을 단독으로 적용하여 상하 전극 사이 거리(d)의 복원력을 제공하는 종래 정전용량식 압력센서 방식의 터치스크린은, 다음과 같은 문제점을 내포한다.

첫째, 정전용량식 압력센서로 인해 표시장치의 표시내용 선명도가 저하되지 않도록, 정전용량식 압력센서를 표시장치의 아래에 적층하고 표시장치의 상측에 적층된 윈도우에 가해진 터치압력이 표시장치를 경유하여 정전용량식 압력센서에 전달되도록 하고자 할 경우, 상하 전극 사이에 매개된 탄성스페이서(130)의 소재가 되는 탄성고무나 스프링이 가지는 탄성특성으로 인하여, 터치압력의 변화에 따른 상하 전극 사이의 거리(d)의 변화반응이 지연될 수 있고, 결과적으로 터치스크린의 반응도가 저하될 수 있으며, 터치압력이 사라진 이후에 탄성스페이서(130)의 반응지연으로 상하 전극의 원위치 복귀가 불완전하거나 지연됨으로써, 특히 연속 터치(연속적인 입력)를 가할 경우에, 오작동이 발생할 수 있다.

둘째, 정전용량식 압력센서에 대해 적정 수준의 성능을 유지하기 위해서는, 탄성스페이서(130: 예, 탄성의 실리콘고무 또는 스프링)의 탄성특성을 매우 정밀하게 설정하여야 한다.

셋째, 사용기간의 누적에 따른 반복적인 신축으로 탄성스페이서(130)의 탄성특성이 변성될 수 있고, 이로 인하여 터치스크린의 입력 작동에 오작동이 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은, 터치스크린과 표시모듈(표시장치, 표시패널. 디스플레이장치, 디스플레이패널)을 일체형으로 형성하고, 터치스크린으로서 X-Y축 평면좌표의 터치위치를 검출하는 '정전용량식 위치센서'와 터치에 의해 가해진 Z축의 터치압력을 검출하는 '정전용량식 압력센서'를 혼성 적용하고, 윈도우 아래에 표시모듈을 적층하고, '정전용량식 위치센서'를 표시모듈의 상부 또는 하부 또는 내부에 설치하며, '정전용량식 압력센서'를 표시모듈의 하부에 적층한, 표시모듈 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, '정전용량식 압력센서'를 구성하는 상하 전극 사이 거리의 원위치 복원력을, 기본적으로는 윈도우를 하우징의 둘레에 고정하는 탄성고정수단의 복원력 있는 탄성적 상하변위에 의해 제공하고, 선택적으로 상하 전극 사이에 매개한 탄성스페이서의 복원력 있는 탄성적 상하변위 및/또는 탄성을 가진 윈도우의 복원력 있는 탄성적 상하변위에 의해 추가로 제공함으로써, '정전용량식 압력센서'의 상하 전극 사이 거리의 원위치 복원이 보다 정밀하고 신속하고 확실하게 실현되도록 하여, 결과적으로 표시모듈 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린에 적용된 '정전용량식 압력센서'의 성능(정교성, 반응속도, 수명 등)을 향상시키고자 하는 것이다.

본 발명에 따라, 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린이 제공된다.

본 발명에 따른 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린은, 터치와 압력이 작용하는 윈도우; 상기 윈도우의 아래에 적층되는 표시모듈; 상기 표시모듈의 상부 또는 하부 또는 내부에 설치되고, 상기 윈도우에 작용한 터치위치를 검출하여 해당 터치위치에 대응하는 제1 입력신호를 생성하는 정전용량식 위치센서; 상기 표시모듈의 아래에 적층되고, 상기 윈도우에 가해진 터치압력에 의한 상기 표시모듈의 상하 변위에 연동하여 상하 변위되는 제1 전극 및 상기 제1 전극의 아래에 일정 거리 이격되어 고정 설치된 제2 전극을 포함하고, 상기 윈도우에 가해진 터치압력에 의한 상기 표시모듈의 상하 변위에 연동하여 발생하는 상기 제1 전극의 상하 변위에 의존하는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 거리 변화에 따른 정전용량변화로부터 제2 입력신호를 생성하는 정전용량식 압력센서; 상기 표시모듈, 상기 위치센서 및 상기 압력센서가 장착되는 장착실, 상기 장착실의 둘레에 형성되어 상기 윈도우의 테두리를 받쳐주는 단부, 및 상기 장착실의 내부에 형성되어 상기 제2 전극이 그 위에 고정되는 기면을 포함하는 하우징; 및 상기 하우징의 단부와 상기 윈도우의 테두리 사이에 적용하여, 상기 윈도우를 상기 하우징에 접합함과 아울러, 상기 윈도우에 대한 터치압력에 의존하여 상기 윈도우와 상기 표시모듈이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 상기 표시모듈의 상하 변위에 연동하는 상기 제1 전극의 상하 변위에 따른 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 거리가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 탄성고정수단; 을 포함한다.

본 발명에 따른 터치스크린은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 매개되어, 상기 윈도우에 대한 터치압력에 의존하여 상기 윈도우와 상기 표시모듈이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 상기 표시모듈의 상하 변위에 연동하는 상기 제1 전극의 상하 변위에 따른 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 거리가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 탄성스페이서를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 터치스크린은, 상기 윈도우는 그 자체가 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하여, 가해진 터치압력에 의존하여 상기 표시모듈이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 상기 표시모듈의 상하 변위에 연동하는 상기 제1 전극의 상하 변위에 따른 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 거리가 원위치 복원 가능하게 변화되게 할 수 있다.

상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 하나의 전극은 단일전극으로 형성하고, 나머지 하나의 전극은 다수전극으로 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 표시모듈 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린은, 상기 '정전용량식 압력센서'를 구성하는 상기 상하 전극 사이 거리의 원위치 복원력이, 기본적으로는 상기 윈도우를 상기 하우징의 둘레에 고정하는 상기 탄성고정수단의 복원력 있는 탄성적 상하변위에 의해 제공되는 한편, 선택적으로 상기 상하 전극 사이에 매개한 상기 탄성스페이서의 복원력 있는 탄성적 상하변위 및/또는 탄성을 가진 윈도우의 복원력 있는 탄성적 상하변위에 의해 추가로 제공됨으로써, 상기 '정전용량식 압력센서'의 상기 상하 전극 사이 거리의 원위치 복원이 보다 정밀하고 신속하고 확실하게 실현되며, 결국 본 발명의 터치스크린에 적용된 상기 '정전용량식 압력센서'의 정교성, 반응속도 및 수명 등의 성능이 향상되는 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린을 구비한 표시모듈의 개략 단면도,
도2는 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린의 개략 분해 사시도,
도3은 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린의 개략 작동도,
도4는 종래 정전용량식 압력센서의 개략도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린을 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린(1)은, 기본적으로 윈도우(10), 표시모듈(20: 표시장치, 표시패널, 디스플레이장치, 디스플레이패널), 정전용량식 위치센서(30), 정전용량식 압력센서(40), 하우징(50) 및 탄성고정수단(60)을 포함하며, 상기 정전용량식 위치센서(30)와 상기 정전용량식 압력센서(40)가 혼성하여 전체적으로 정전용량식 터치스크린을 형성한다.

상기 윈도우(10)는, 스마트폰과 같은 장치(이하, '스마트폰'으로 통칭함)에 있어서 표시모듈(20) 등을 보호하기 위해 그 상면에 적층되는 투명한 얇은 판상의 고강도의 부재이다.

본 발명의 정전용량식 터치스크린(1)에서, 정전용량식 위치센서(30)에서의 정전용량의 생성은, 윈도우(10)에 손가락과 같은 도체를 터치하는 것, 즉 정전용량식 위치센서(30)에 도체를 일정거리 내로 접근시키는 것에 의해 실현된다.

윈도우(10)는, 도1 내지 도3에 예시된 바와 같이, 그 외곽 테두리 부분이 아래에 위치하는 스마트폰의 하우징(50)에 접합되고 지지됨으로써, 스마트폰의 하우징(50)에 설치되며, 이에 대해서는 후술한다.

상기 표시모듈(20)은, 스마트폰 등에 널리 적용되어 스마트폰의 사용에 관련된 각종 내용을 표시하는 LCD와 같은 패널 형상의 디스플레이장치로서, 본 발명의 특징에 따라 표시모듈(20)은 윈도우(10)의 하측에 적층 및 접합되어 윈도우(10)의 상하 변위에 연동하여 상하 변위한다.

윈도우(10)의 상하 변위에 연동하여 표시모듈(20)이 상하 변위할 수 있다면, 임의의 다른 목적을 위해 윈도우(10)와 표시모듈(20) 사이에 다른 층이 매개되는 것은 배제되지 아니한다.

표시모듈(20)은 스마트폰의 하우징(50) 내에 장착되지만, 물리적으로 윈도우(10)에만 구속되고 하우징(50)에는 구속되지 아니하여, 윈도우(10)가 상하로 변위하면 이에 연동하여 표시모듈(20)도 상하 변위한다. 따라서 표시모듈(20)의 둘레에 위치하는 스마트폰의 하우징(50)은 표시모듈(20)의 상하 이동을 방해하지 않으면서 안내할 수 있도록 설계된다.

표시모듈(20)의 자체에 관한 구성 및 작용은, 본 발명과 직접적인 관련이 없고, 해당 분야의 기술을 본 발명에 맞게 적용할 수 있으므로, 이에 관한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명의 정전용량식 터치스크린(1)은, 터치위치(X-Y축)와 터치압력(Z축)을 인식할 수 있는 3축 인식 정전용량식 터치스크린으로서, 정전용량식 위치센서(30)와 정전용량식 압력센서(40)를 포함한다. 정전용량식 위치센서(30)는 윈도우(10)에 가해진 터치위치를 검출하여 해당 터치위치에 대응하는 제1 입력신호를 생성하고, 정전용량식 압력센서(40)는 윈도우(10)에 가해진 터치압력을 검출하여 해당 터치압력에 대응하는 제2 입력신호를 생성한다.

정전용량식 위치센서(30)는, 표시모듈(20)의 상부, 하부 또는 내부에 설치할 수 있다. 즉, 정전용량식 위치센서(30)는, 표시모듈(20)과는 독립적으로 형성하여 표시모듈(20)의 상부 또는 하부에 적층 및 접합하거나, 표시모듈(20)의 내부에 내장할 수 있다.

즉, 정전용량식 위치센서(30)는, 윈도우(10)의 하측에 위치하면서 윈도우(10)와 이에 연동하는 표시모듈(20)의 상하 변위를 방해하지 아니하고, 후술하는 정전용량식 압력센서(40)의 제1 전극(41)이 윈도우(10)의 상하 변위에 상하 연동하는 것을 방해하지 않는다면, GG, G2, ON-CELL 및 IN-CELL 등을 포함한 다양한 구성으로 구축할 수 있다.

터치압력에 의한 윈도우(10) 및 표시모듈(20)의 상하 변위에 영향을 미치지 않는다면, 표시모듈(20)과 정전용량식 위치센서(30) 사이에 임의의 다른 목적을 위해 다른 층이 매개되는 것은 배제되지 아니한다.

도1에 도시된 구체예는, 정전용량식 위치센서(30)가 표시모듈(20)의 상측 부분에 내장된 경우를 개략적으로 도시한 것이다. 정전용량식 위치센서(30)가 표시모듈(20)의 상부에 위치할 경우 정전용량식 위치센서(30)의 전극들을 투명전극으로 적용함으로써 정전용량식 위치센서(30)가 그 하부에 위치하는 표시모듈(20)의 선명도가 저하되는 것을 최소화할 수 있다.

널리 알려진 바와 같이, 정전용량식 위치센서(30)는, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)으로 상층의 X축 전극들과 하층의 Y축 전극들을 상하 매트릭스 배열로 절연되게 코팅하여 형성할 수 있다. 물론 정전용량식 위치센서(30)의 전극은 상하층이 아닌 단일층의 전극으로 형성할 수도 있다.

정전용량식 위치센서(30)의 자체에 관한 구성도, 본 발명과 직접적인 관련이 없고, 종래의 기술을 본 발명에 맞게 적용할 수 있으므로, 이에 관한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 터치스크린(1)에서 터치압력(Z축)을 검출하는 정전용량식 압력센서(40)는, 표시모듈(20)의 아래에 적층되고, 제1 전극(41)과 제2 전극(42)을 포함한다.

제1 전극(41)은 널리 알려진 정전용량식 압력센서를 구성하는 것에 필요한 일측(상측) 전극이고, 제2 전극(42)은 널리 알려진 정전용량식 압력센서를 구성하는 것에 필요한 타측(하측) 전극이며, 상하의 전극(41, 42)도 예를 들어 ITO의 코팅, 동(구리), 및 은 등 전도성물질로 형성할 수 있다.

제1 전극(41)은, 예를 들어 표시모듈(20)의 저면에 직접 적층 및 접합되고, 윈도우(10)에 가해진 터치압력에 의한 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하여 상하 변위되는 전극이다.

제1 전극(41)은 표시모듈(20)의 저면에 바로 적층되는 것이 기본이지만, 임의의 다른 목적을 위해 표시모듈(20)과 제1 전극(41) 사이에 다른 층이 매개되는 것도 가능하다.

상기 제2 전극(42)은 제1 전극(41)의 아래에 일정 거리(d) 이격되어 고정 설치된다. 도시된 구체예에서 제2 전극(42)은 하우징(50)의 내측 기면(53) 위에 적층 및 접합된다.

이와 같은 정전용량식 압력센서(40)에 의하면, 윈도우(10)에 가해진 터치압력에 의해 표시모듈(20)이 상하 변위할 때, 이에 연동하여 제1 전극(41)이 상하 변위하고, 결국 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 거리(d)에 변화가 발생하며, 이런 상하 전극 사이의 거리(d)의 변화에 따른 정전용량변화로부터 상기 제2 입력신호를 생성하게 된다.

즉, 도3에 도시된 바와 같이, 윈도우(10)에의 터치로 인하여 터치압력(P)이 가해져 제1 전극(41)의 위치가 아래로 변위하면, 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 거리(d)가 가변하고(줄어들고), 이런 거리의 변화에 따라 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이에서는 C=μA/d의 공식(여기에서 C는 정전용량, μ는 유전율, A는 면적, d는 전극 사이의 거리임)에 해당하는 정전용량변화가 발생하며, 이때의 정전용량 변화량은 터치압력의 크기에 비례하는 두 전극 사이의 거리(d) 변화의 크기에 따라 달라짐으로, 정전용량식 압력센서(40)는 가해진 압력의 크기를 식별하여 서로 다른 입력신호를 생성할 수 있게 된다.

정전용량식 압력센서(40)의 제1 전극(41)과 제2 전극(42)의 구체적인 배치위치와 배치개수 및 패턴은, 윈도우(10)에 가해진 터치압력에 따른 정전용량변화로부터 제2 입력신호를 생성할 수 있다면 특히 제한되지 아니하며, 도시된 구체예의 경우, 제1 전극(41)으로는 표시모듈(20)의 저면 전체를 덮는 '단일전극'을 적용하고, 제2 전극(42)으로는 예를 들어 표시모듈(20)의 전체면에 균등 간격으로 다수(예, 9개, 6개 등)를 배치한 '다수전극'을 적용한 예이다. 도시하지 않았지만 제1 전극(41)에 '다수전극'을 적용하고 제2 전극(42)에 '단일전극'을 적용할 수도 있다.

도2에서 제1 전극(41)과 제2 전극(42)이 상하로 중첩되어 있는 지점(도2에 도시된 구체예의 경우 제2 전극이 위치하는 9개의 지점)들이 제1 전극(41)의 상하 변위에 따른 정전용량변화를 일으키는 '센싱포인트'가 되고, 이들 센싱포인트에서 측정되는 정전용량변화량들의 조합으로부터 가해진 터치압력의 크기를 검출한다.

본 발명의 터치스크린(1)을 구축함에 있어서, 본 발명의 터치스크린(1)이 정상적으로 작동되는 범위 내라면, 정전용량식 압력센서(40)의 제1 전극(41)을 별도로 형성하지 아니하고, 표시모듈(20)에 적용된 전극이나 정전용량식 위치센서(30)에 적용된 전극을 제1 전극(41)으로 겸용하여 사용할 수 있다. 이와 같이 제1 전극(41)을 별도로 형성하지 않고 이미 존재하는 다른 전극을 겸용하여 사용하면, 본 발명의 터치스크린(1)의 두께를 줄일 수 있고, 결과적으로 본 발명이 적용되는 최종 전기전자제품의 사이즈를 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 정전용량식 터치스크린(1)에 의하면, 손가락과 같은 도체로 윈도우(10)의 소정 위치를 터치하면서 압력을 가하면, 정전용량식 위치센서(30)는 해당 터치위치에 따른 제1 입력신호를 생성함과 아울러, 정전용량식 압력센서(40)는 해당 터치압력에 따른 제2 입력신호를 생성하고, 생성된 제1 입력신호와 제2 입력신호의 조합에 의해 해당 터치위치와 터치압력에 대응하는 목적하는 최종 입력신호를 생성한다.

정전용량식 위치센서(30)에 의해 생성되는 제1 입력신호는 수십 가지에 이르는 상대적으로 많은 수의 입력신호이고, 정전용량식 압력센서(40)에 의해 생성되는 제2 입력신호는 터치압력의 크기가 예를 들어 2단계(일정 기준치 이하의 압력과 기준치를 초과하는 압력) 또는 3단계(일정 구간의 압력, 일정 구간 미만의 압력 및 일정 구간의 초과 압력) 등인 상대적으로 작은 수의 입력신호인 것이 일반적이다.

따라서 본 발명의 정전용량식 터치스크린(1)에 의하면, 목적하는 최종 입력신호의 특성에 의존하여, 터치위치만이 필요한 경우에는 제1 입력신호 만을 목적하는 최종 입력신호로 사용할 수 있고, 터치압력만이 필요한 경우에는 제2 입력신호 만을 목적하는 최종 입력신호로 사용할 수 있으며, 터치위치와 터치압력 모두 필요한 경우에는 제1 입력신호와 제2 입력신호를 조합하여(즉, 터치위치와 터치압력을 조합하여) 목적하는 최종 입력신호를 생성할 수 있으므로, 이런 여러 가지 조합의 입력신호를 활용할 수 있도록 관련 소프트웨어를 구축하면, 필요에 맞게 여러 가지 다양한 입력신호를 적절히 생성할 수 있다.

본 발명의 정전용량식 터치스크린(1)을 예를 들어 스마트폰의 키패드로 활용하여 한글을 입력할 경우, 하나의 키에 대응하는 화면위치를 약한 압력으로 누르면 "ㄱ"이 입력되고, 동일한 화면위치를 중간 압력으로 누르면 "ㅋ"이 입력되며, 동일한 화면위치를 강한 압력으로 누르면 "ㄲ"이 입력되도록 할 수도 있다.

다른 예를 들어, 스마트폰에 탑재한 게임 어플리케이션을 상정하면, 본 발명의 터치스크린(1)을 적용하면, 동일한 위치의 터치에 대해 약한 압력으로 누르면 약한 펀치로 가격하는 것이 입력되고, 강한 압력으로 누르면 강한 펀치로 가격하는 것이 입력되도록 할 수도 있다.

또 다른 예를 들어, 방수기능을 가진 스마트폰을 상정하면, 정전용량식 위치센서(30)는 터치위치를 검출하는 것이므로 물에 젖어 있는 상태에서는 물의 작용에 의해 오작동을 일으키기 쉬움으로, 물이 있는 환경에서 스마트폰 내장 카메라로 사진을 촬영할 경우, 셔터 등을 누르는 등의 입력신호를 정전용량식 위치센서(30)가 아닌 정전용량식 압력센서(40)가 실행하도록 하면 오작동 없이 작동할 수 있는 이점도 있다.

상기 하우징(50)은 예를 들어 스마트폰의 케이싱과 같이, 본 발명에 따른 터치스크린(1)과 함께 스마트폰의 다른 구성요소들을 장착하기 위한 케이싱 부재이다.

본 발명에 적용되는 하우징(50)은, 장착실(51), 단부(52) 및 기면(53)을 포함한다.

상기 장착실(51)은, 표시모듈(20), 정전용량식 위치센서(30) 및 정전용량식 압력센서(40)가 삽입 및 장착되는 공간이며, 예를 들어 스마트폰 케이스의 내부공간의 일부이다.

상기 단부(52)는 윈도우(10)의 테두리(11)를 받쳐주기 위해 장착실(51)의 상측 둘레에 형성된 단차진 부분으로서, 단부(52)는 그 위에 올려진 윈도우(10)의 테두리(11)를 받쳐준다.

상기 기면(53)은 장착실(51)의 내부에 형성되고, 그 위에 적층되는 제2 전극(42)을 받쳐주며, 예를 들어 장착실(51)의 저면이다.

상하 변위되는 제1 전극(41)과의 사이에 원위치 복원 가능한 거리(d)를 유지할 수 있도록 제2 전극(42)을 고정할 수 있다면, 제2 전극(42)과 기면(53) 사이에 다른 목적을 위해 다른 층을 매개하는 것이 배제되지 아니한다.

상기 탄성고정수단(60)은, 하우징(50)의 단부(52)와 윈도우(10)의 테두리(11) 사이에 적용함으로써, 윈도우(10)를 하우징(50)에 탄성적으로 접합함과 아울러, 윈도우(10)에 대한 터치압력에 의존하여 윈도우(10)와 표시모듈(20)이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하는 제1 전극(41)의 상하 변위에 따른 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 수단이다.

탄성고정수단(60)으로서는, 예를 들어 적어도 상하 방향으로 신축성을 가지는, 탄성의 실리콘 접착제나 탄성의 양면접착테이프 등을 적용할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 접착제 등의 탄성고정수단(60)을 단부(52)의 전체 둘레에 도포하고, 그 위에 윈도우(10)를 적층하여, 윈도우(10)의 테두리(11)를 하우징(50)의 단부(52)에 접합하면, 윈도우(10)가 하우징(50)에서 이탈되지 않게 탄성적으로 결합할 수 있다.

탄성고정수단(60)은, 반드시 하우징의 단부(52)와 윈도우의 테두리(11)의 전체에 걸쳐 적용할 필요는 없지만, 실리콘 접착제 등의 탄성고장수단(60)을 단부(52)와 테두리(11)의 전체에 걸쳐 적용하면, 윈도우(10)와 하우징(50) 사이의 틈새를 통해 물이나 이물 등이 하우징(50) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 적용하는 탄성고정수단(60)은, 윈도우(10)를 하우징(50)에 상하 변위 불가능하게 고정적으로 유지하는 것이 아니라, 위에서 아래로 누르는 터치압력이 윈도우(10)에 가해질 때에는 그 터치압력의 세기에 비례하여 윈도우(10)가 아래로 변위되게 허용하는 한편, 윈도우(10)에의 터치압력이 사라지면 탄성고정수단(60)의 탄성력에 의해 윈도우(10)가 원위치로 복원되게 하며, 결과적으로 윈도우(10)에 가해지는 터치압력에 의존하여 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화된다.

즉, 본 발명에 따른 터치스크린(1)에 있어서, 정전용량식 압력센서(40)를 구성하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 거리(d)가 터치압력에 의존하여 원위치 복원성 있게 가변하는 것은, 기본적으로 하우징과 윈도우 사이의 탄성고정수단(60)에 의해 제공된다.

본 발명의 정전용량식 터치스크린(1)에서, 상하 이격된 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 탄성적 거리 변화는, 기본적으로 탄성고정수단(60)의 작용으로 실현됨으로, 제1 전극(41)과 제2 전극(42)의 사이 공간은, 도4의 종래기술에서와 같은 탄성스페이서를 매개할 필요는 없으며, 예를 들어 공기만이 충전된 빈 공간으로 유지하거나, 공기만이 충전된 빈 공간으로 유지하되 실리콘을 충전하거나 테이프를 부착할 수도 있다.

이때 제1 전극(41)과 제2 전극(42)의 사이 공간의 공기, 실리콘 및 테이프 등은, 유전체로서 작용하는 한편, 터치압력에 의해 아래로 변위된 제1 전극(41)을 원위치로 복원시키는 탄성을 제공하는 작용을 하는 것이 아니라, 제1 전극(41)이 아래로 변위되는 것을 의미 있는 저항 없이 수용하면서 단지 제1 전극(41)의 아래로의 이동에 대해 완충작용을 할 뿐이다.

본 발명에 따른 터치스크린(1)에 있어서, 정전용량식 압력센서(40)의 정교함은, 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 원위치 복원 가능한 거리(d)의 변화의 정교함에 의존하는 바, 탄성고정수단(60)의 이런 작용을 보완하기 위해, 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 공간에는 탄성스페이서(43)를 추가로 매개시킬 수도 있다.

본 발명에 적용되는 탄성스페이서(43)는, 앞서 배경기술에서 설명한 탄성스페이서(130)에 대응하는 탄성체로서, 탄성고정수단(60)에 협력하여, 윈도우(10)에 대한 터치압력에 의존하여 윈도우(10)와 표시모듈(20)이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하는 제1 전극(41)의 상하 변위에 따른 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 작용을 한다.

탄성스페이서(43)의 배치는 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화되도록 하는 것에 조력할 수 있다면 특히 제한되지 아니하며, 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 중 하나의 전극은 단일전극을 적용하고, 나머지 하나의 전극은 다수전극을 적용하는 구체예의 경우, 탄성스페이서(43)를 단일전극의 전면에 걸쳐 적층할 수도 있고, 다수전극의 각 전극에 대해서만 적층할 수도 있다.

탄성스페이서(43)로서는 탄성실리콘과 같은 탄성합성수지 뿐만 아니라, 기계적 스프링을 적용할 수도 있다.

본 발명에 따른 터치스크린(1)에 있어서, 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 원위치 복원 가능한 거리(d)의 변화의 정교함을 더욱 보강하기 위해, 상기 윈도우(10) 자체를 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하도록 형성할 수 있다.

본 구체예에 적용되는 윈도우(10)는, 위로부터 아래로 터치압력이 가해지면, 윈도우(10)가 가지는 자체의 본질적인 고유탄성특성에 따라, 하우징(50)에 의해 지지되지 않은 영역이 아래로 볼록하게 휨으로써 윈도우(10)의 적어도 일부분의 위치가 아래로 변위하게 되고, 가해졌던 터치압력이 소멸하면 윈도우(10)는 자체의 탄성에 의해 원위치로 평평하게 복원한다.

이런 탄성적 변위의 윈도우(10)는, 가해진 터치압력에 의존하여 표시모듈(20)이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하도록 하여, 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하는 제1 전극(41)의 상하 변위에 따른 제1 전극(41)과 제2 전극(42) 사이의 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 것을 더욱 보강한다.

본 발명에 적용되는 윈도우(10)의 소재로는, 현재 스마트폰 등에 널리 사용되고 있는 상표명 '고릴라글라스'와 같은 투명한 '강화유리'가 바람직하며, 강화유리가 아니라도 전술한 복원성 있는 탄성적 변위를 제공할 수 있는 고유탄성특성을 가진 투명한 소재라면 투명한 '플라스틱 패널' 등 다른 소재를 적용할 수도 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 터치스크린(1)은, 탄성고정수단(60)의 복원력 있는 탄성적 상하변위를 기본으로 하고, 여기에 상하 전극(41. 42) 사이에 매개한 탄성스페이서(43)의 복원력 있는 탄성적 상하변위 및/또는 탄성을 가진 윈도우(10)의 복원력 있는 탄성적 상하변위를 선택적으로 복합하여 작용하는 것이며, 이로써 정전용량식 압력센서(40)를 구성하는 상하 전극(41, 42) 사이의 거리(d)가, 매우 신속하고 확실하고 정밀하게 원위치 복원 가능하게 변화되기 때문에, 정전용량식 압력센서(40)에 대해 정교성과 반응속도 및 수명을 개선하고 오작동을 감소시키며, 결과적으로 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린의 성능을 향상시킨다.

1: 본 발명의 터치스크린 10: 윈도우
11: 윈도우의 테두리 20: 표시모듈
30: 정전용량식 위치센서 40: 정전용량식 압력센서
41: 제1 전극 42: 제2 전극
43: 탄성스페이서 50: 하우징
51: 장착실 52: 단부
53: 기면 60: 탄성고정수단

Claims (4)

1. 터치와 압력이 작용하는 윈도우(10);
   상기 윈도우(10)의 아래에 적층되는 표시모듈(20);
   상기 표시모듈(20)의 상부 또는 하부 또는 내부에 설치되고, 상기 윈도우(10)에 작용한 터치위치를 검출하여 해당 터치위치에 대응하는 제1 입력신호를 생성하는 정전용량식 위치센서(30);
   상기 표시모듈(20)의 아래에 적층되고, 상기 윈도우(10)에 가해진 터치압력에 의한 상기 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하여 상하 변위되는 제1 전극(41) 및 상기 제1 전극(41)의 아래에 일정 거리(d) 이격되어 고정 설치된 제2 전극(42)을 포함하고, 상기 윈도우(10)에 가해진 터치압력에 의한 상기 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하여 발생하는 상기 제1 전극(41)의 상하 변위에 의존하는 상기 제1 전극(41)과 상기 제2 전극(42) 사이의 상기 거리(d) 변화에 따른 정전용량변화로부터 제2 입력신호를 생성하는 정전용량식 압력센서(40);
   상기 표시모듈(20), 상기 위치센서(30) 및 상기 압력센서(40)가 장착되는 장착실(51), 상기 장착실(51)의 둘레에 형성되어 상기 윈도우(10)의 테두리(11)를 받쳐주는 단부(52), 및 상기 장착실(51)의 내부에 형성되어 상기 제2 전극(42)이 그 위에 고정되는 기면(53)을 포함하는 하우징(50); 및
   상기 하우징(50)의 단부(52)와 상기 윈도우(10)의 테두리(11) 사이에 적용하여, 상기 윈도우(10)를 상기 하우징(50)에 접합함과 아울러, 상기 윈도우(10)에 대한 터치압력에 의존하여 상기 윈도우(10)와 상기 표시모듈(20)이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 상기 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하는 상기 제1 전극(41)의 상하 변위에 따른 상기 제1 전극(41)과 상기 제2 전극(42) 사이의 상기 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 탄성고정수단(60);
   을 포함하는 것을 특징으로 하는, 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전극(41)과 상기 제2 전극(42)의 사이에 매개되어, 상기 윈도우(10)에 대한 터치압력에 의존하여 상기 윈도우(10)와 상기 표시모듈(20)이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 상기 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하는 상기 제1 전극(41)의 상하 변위에 따른 상기 제1 전극(41)과 상기 제2 전극(42) 사이의 상기 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 탄성스페이서(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 윈도우(10)는 그 자체가 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하여, 가해진 터치압력에 의존하여 상기 표시모듈(20)이 원위치로 복원성 있게 탄성적으로 상하 변위하는 것을 허용함으로써, 상기 표시모듈(20)의 상하 변위에 연동하는 상기 제1 전극(41)의 상하 변위에 따른 상기 제1 전극(41)과 상기 제2 전극(42) 사이의 상기 거리(d)가 원위치 복원 가능하게 변화되게 하는 것을 특징으로 하는, 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 전극(41)과 상기 제2 전극(42) 중 하나의 전극은 단일전극이고, 나머지 하나의 전극은 다수전극인 것을 특징으로 하는, 표시장치 일체형 3축 인식 정전용량식 터치스크린.

Images