KR101665148B1 - 복합 전극을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

터치 센서에 이용되는 성분을 제조하는 방법은 복수의 전기적으로 절연된 전도체를 위에 배치하고 있는 기판을 변형하는 단계를 포함한다. 전도체의 서브세트는 복합 전극을 형성하도록 전기적으로 결합된다. 이 성분은 맞춤 제작된 터치 센서에서 전극의 세트로 이용될 수 있다.

Description

복합 전극을 제조하는 방법{METHODS OF MAKING COMPOSITE ELECTRODES}
관련 출원과의 상호 참조
본 특허는 35 U.S.C. § 119(e)하에서, 2008년 8월 1일자로 출원되며, "전기장 투과성 전극으로 표제된 미국 예비 특허 출원 번호 61/085,693의 우선권을 청구하며, 이에 개시된 내용은 완전히 참고 문헌으로 결합되고 있다.
본 발명은 일반적으로 터치 감응 장치에 관한 것으로, 더욱 특히 터치의 발생이나 위치를 식별하기 위해 유저의 손가락 또는 다른 터치 도구와 터치 디바이스 간의 용량성 커플링에 의존하는 것에 관한 것이다.
터치 감응 장치는 기계적 버튼, 키패드, 키보드 및 포인팅 디바이스에 대한 필요성을 줄이거나 제거함으로써 사용자가 전자 시스템 및 디스플레이와 편리하게 상호 작용하도록 해준다. 예를 들어, 사용자는 아이콘에 의해 식별되는 위치에서 디스플레이 중인 터치 스크린을 간단히 터치함으로써 복잡한 일련의 명령어들을 실행할 수 있다.
예를 들어, 저항, 적외선, 정전용량, 표면 음향파, 전자기, 근접장 이미징 등을 포함하는 터치 감응 장치를 구현하기 위한 여러 유형의 기술들이 있다. 정전용량 터치 감응 장치는 다수의 응용에서 잘 작용하는 것으로 알려져 있다. 많은 터치 감응 장치에서, 입력은 센서 내의 전도성 물체가 사용자의 손가락과 같은 전도성 터치 도구에 용량성 커플링될 때 감지된다. 일반적으로, 두개의 전기 전도성 부재가 실재로 터치하지 않고 서로 근접하게 될 때 마다, 정전용량은 이들 사이에 형성되게 된다. 용량성 터치 감응 장치의 경우, 손가락과 같은 물체가 터치 감지 표면에 접근함에 따라, 미세한 정전용량이 물체와 이 물체에 가까이 근접한 감지 지점 사이에 형성된다. 감지 지점들 각각에서의 정전용량의 변경을 검출하고 감지 지점의 위치를 주지함으로써, 감지 회로는 터치 표면을 가로질러 이동하면서 복수 물체를 인식하고 이 물체의 특성을 판정할 수 있다.
터치를 용량성 측정하기 위해 이용되는 두 공지의 기술이 있다. 첫번째 것은 접지에 대한 정전용량을 측정하는 것으로, 이에 의해 신호가 전극에 인가된다. 전극에 근접한 터치는 신호 전류가 전극으로부터 손가락 같은 물체를 통해 전기적 접지로 흐르게 한다.
터치를 용량성 측정하는 데에 이용되는 두번째 기술은 상호 정전 용량에 의한 것이다. 상호 정전용량 터치 스크린은 신호를 전기장에 의해 수신기 전극에 용량성 커플링되는 구동 전극에 인가한다. 두 전극들 간의 신호 커플링은 근접한 물체에 의해 감소되고, 이는 용량성 커플링을 감소시킨다.
용량성 터치 감응 장치는 종종 매트릭스의 형태로 된 두 어레이의 길고 좁은 전극을 포함한다. 이 어레이들은 두 평행한 면 상에 놓이며 전극간 유전체에 의해 분리될 수 있다. 전극 저항, 전극간 (상호) 정전용량 및 접지에 대한 전극 정전용량과 같은, 센서 구성에 의해 영향을 받는 전기적 변수들은 성능을 고려하여 균형 맞추어져야 한다. 예를 들어, 전극들 간의 높은 수준의 기생 상호 정전용량은 터치로 인해 발생하는 상호 정전용량의 적은 변경의 측정과 상호 작용할 수 있다. 기생 상호 정전용량의 감소는 전극간 유전체 두께를 증가시켜 성취될 수 있지만, 이것은 터치 센서의 두께와 중량을 증가시키고, 또한 터치의 정전용량 변경 효과를 감소시킨다.
터치 센서를 설계할 때 수 많은 다른 성능 및 구성에 대한 고려 사항이 존재하고 있다. 예를 들면, 근처의 전기 성분으로부터 방출된 전자기 간섭으로부터 터치 신호를 보호하는 것이 바람직할 수 있다. 터칭 도구나 손가락과 저위 전극 간의 용량성 커플링은 상부 전극에 비해서 균등할 수 있다. 또한 전기 전도성 소자의 설계시 더 많은 유연성 및 주문 제작된 센서와 고유의 전극 형상을 갖는 터치 시스템에 대한 제작 프로세스의 개선 방법에 대한 요구가 존재하고 있다.
본 출원은 특히, 적당한 전자 장치로, 동일하거나 중복된 시간에 터치 감응 장치의 다른 부분에 적용된 단일의 터치나 복수의 터치를 검출할 수 있는 터치 감응 장치를 개시한다. 본 명세서에 따른 터치 감응 장치는 제2 세트의 전극으로부터의 신호에 의해 형성된 전기장을 투과하는 제1 세트의 복합 전극을 포함하여 전기장이 전극을 통과하여 터칭 물체 (예를 들어, 손가락)와 용량성 커플링하도록 한다. 제1 및 제2 세트의 전극은 서로 다른 면 상에 놓이며, 매트릭스형 터치 센서를 형성하도록 배열될 수 있다. 이런 장치는 터치 이벤트의 발생과 위치를 결정하기 위해서 두 세트의 전극 사이 또는 한 세트의 전극과 접지 간의 용량성 커플링을 측정한다.
복합 전극을 갖는 성분을 형성하는 방법이 개시된다. 이들 성분은 예를 들어, 터치 센서에 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 터치 센서에 이용되는 성분을 제조하는 방법이 개시되며, 이 방법은 복수의 전기적으로 이격된(isolated) 전도체를 그 위에 배치하고 있는 기판을, 복합 전극을 형성하기 위해 복수의 전도체의 서브세트를 전기적으로 결합하도록 변형하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 이것은 표준화된 스톡 재료가 특정 응용에 맞게 주문 제작될 수 있게 한다.
본 개시는 첨부 도면과 관련하여 다양한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 고려해서 더 완전하게 이해되며 평가될 수 있으며, 여기에서:
도 1은 터치 장치의 개략도이다.
도 2는 손가락이 터치 표면을 터치하고 있는 예시의 센서의 단면도로서, 상부 전극들 중 일부는 손가락에 용량성 커플링되며 전기장은 손가락과 상부 전극 간에 형성된다.
도 3은 손가락이 터치 표면을 터치하고 있는 예시의 센서의 단면도로서, 하위 전극 중 일부는 손가락에 용량성 커플링되고 전기장은 손가락과 하위 전극 간에 형성된다.
도 4는 복합 전극의 여러 실시예를 포함하는 터치 센서의 개략도이다.
도 4a는 브리징 (bridging) 전도체를 갖는 평행 전도체의 확장도를 나타낸다.
도 5a는 기판 상에 평행 전도체를 갖는 센서 기판의 세그먼트를 나타낸다.
도 5b는 복합 전극을 형성하도록 단부 전도체가 평행 전도체를 전기적으로 접속하고 있는 센서 기판의 세그먼트를 나타낸다.
도 5c는 복합 전극을 형성하도록 단부 전도체가 평행 전도체를 전기적으로 접속하고 있는 센서 기판의 세그먼트를 나타낸다.
도 5d는 복합 전극을 형성하도록 단부 전도체가 평행 전도체를 전기적으로 접속하고 있는 센서 기판의 세그먼트를 나타낸다.
도 5e는 복합 전극을 형성하도록 단부 전도체가 평행 전도체를 전기적으로 접속하고 있는 센서 기판의 세그먼트를 나타내고, 이 때 평행 전도체의 일부는 인터리브드된다.
도 5f는 복합 전극을 형성하도록 단부 전도체가 평행 네트워크 전도체를 전기적으로 접속하고 있는 센서 기판의 세그먼트를 나타낸다.
도 6은 평행 전도체의 어레이가 제2 어레이의 ITO 전극 위에 배열되어 있는 예시의 매트릭스 센서의 분해도를 나타낸다.
도 7a은 복합 전극을 갖는 예시의 매트릭스 센서의 단면도를 나타낸다.
도 7b는 도 7a에 나타낸 것과 비교하여 다른 구성을 갖는 예시의 매트릭스 센서의 단면도를 나타낸다.
도 8a는 복합 상위 전극을 갖는 터치 센서의 단면도를 나타낸다.
도 8b는 고체 상위 전극을 갖는 터치 센서의 단면도를 나타낸다.
도 9a는 손가락에 대한 복합 상부 전극의 용량성 커플링과 손가락에 대한 고체 상부 전극의 용량성 커플링을 비교한 그래프이다.
도 9b는 접지에 대한 정전용량 측정을 이용하여 하위 전극으로부터 손가락으로의 용량성 커플링을 상부 전극이 복합성 (즉, 전계 투과성)일 때와 상부 전극이 고체일 때를 비교한 그래프이다.
도 9c는 (상부 전극에서) 전도체간 간격과 손가락으로부터 상부 및 하부 전극들로의 커플링 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9d는 상부 기판 두께가 증가함에 따라 유리 및 폴리 (메틸 메타크릴레이트) (PMMA) 상부 기판에 대한 상부 및 하위 전극 간의 상호 정전용량의 변경을 나타내는 그래프이다.
도 9e는 상부 기판 두께가 증가함에 따라 유리 및 PMMA 상부 기판에 대한 상부와 하위 전극 간의 상호 정전용량의 퍼센트 변경을 나타내는 그래프이다.
도 10a는 두 복합 전극이 서로에 대해 직교로 배향된 이차원 전극 배열을 나타낸다.
도 10b는 복합 상위 전극이 고체 저부 전극에 대해 직교로 배향된 이차원 전극 배열을 나타낸다.
도 10c는 고체 상위 전극이 저부 고체 전극에 대해 직교로 배향된 이차원 전극 배열을 나타낸다.
도 11a는 상부 기판 두께가 변함에 따라 터치로 인한 상호 정전용량의 변경을 나타내는 그래프이다.
도 11b는 상부 기판 두께가 변함에 따라 터치로 인한 상호 정전용량의 퍼센트 변경을 나타내는 그래프이다.
예시된 실시예의 하기의 설명에서는, 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 실시예가 예시로서 나타나 있는 도시된 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 본 실시예가 이용될 수 있으며 구조적인 변경을 행할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도면 및 그래프들은 본 개시를 설명하고자 하는 것이며 축적은 없으며, 일부 도면에서 치수는 설명의 목적으로 과장되어 나타내었다.
본 발명은 이하 본 발명의 실시예가 나타나 있는 첨부한 도면을 참조하여 이하 더욱 자세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있으며 여기에 개시된 실시예에만 제한되는 것으로 생각되어서는 안되고, 그보다 이들 실시예들은 이 기재된 내용이 충분하며 완전하게 되고, 본 기술 분야의 당업자에게 본 발명의 범주를 충분히 전달하도록 제공되는 것이다. 유사한 부호는 전체적으로 유사한 소자를 가리킨다.
다음 설명에서, 다음 정의들은 이 명세서 내에서 이용되는 용어를 명확하게 한다.
접지 (Gnd)는 접지의 전압에 있거나, 국부 공통 전압일 수 있는 공통 전기적 기준점을 말한다.
상호 정전용량 (Cm)은 터치 센서의 두 전극 간의 정전용량이다.
접지에 대한 정전용량은 센서 전극과 접지 간의 정전용량이다.
기생 용량은 터치의 존재가 없는 정전용량의 레벨이다.
터치 센서는 물체의 검출 및/또는 위치를 위해 전도체와의 용량식 접촉을 이루도록 형상된 하나 이상의 전극을 포함한다.
인쇄 회로 기판 (PCB)은 기판 상에 패턴화된 회로를 말한다. 여기에서 이용되는 바와 같이, PCB는 유리섬유 강화 플라스틱으로 만들어진 강성 PCB, 또는 플렉스프린트 (flexprint)로 보통 언급되는 가요성 PCB, 또는 본 기술에서 알려진 다른 유형의 PCB를 말한다.
PMMA는 폴리 (메틸 메타크릴레이트), 즉 메틸 메타크릴레이트의 합성 폴리머인 열가소성 투명 플라스틱을 말한다. PMMA는 또한 보통 아크릴 유리를 말한다.
도 1은 예시적인 터치 장치(110)를 나타낸다. 장치(110)는 제어기(114)에 접속된 터치 패널(112)을 포함하고, 이 제어기는 터치 패널(112)에 근접하여 발생하는 터치 및 가능하게는 근접 터치를 감지하기 위한 전자 회로를 포함한다. 터치 패널(112)은 행 전극(116a-e) 및 열 전극(118a-e)의 5x5 매트릭스를 갖는 것으로 나타나 있지만, 다른 개수의 전극, 매트릭스 크기 및 전극 형상이 또한 이용될 수 있다. 터치 패널(112)은 유저가 터치 패널(112)을 통해, 컴퓨터, 핸드-헬드 디바이스, 이동 전화, 또는 그 외 주변 장치의 픽실레이트 디스플레이 (pixilated display)와 같은 물체를 볼 수 있도록 실질적으로 투명할 수 있다. 경계(120)는 터치 패널(112)의 시청 영역 및 또한 바람직하게는 이용된다면 이런 디스플레이의 시청 영역을 나타낸다. 일 실시예에서, 전극(116a-e, 118a-e)은 시청 영역(120) 위에, 사시적인 평면도로 볼 때 공간적으로 분배되어 있다.
설명의 목적으로, 도 1에서의 전극은 넓고 돌출형으로 나타나 있지만, 실재로 이들은 비교적 좁고 사용자의 눈에 띄지 않을 수도 있다. 각 전극은 가변 폭, 예를 들어, 전극간 프린지 필드(fringe field)를 증가시키고 이에 의해 전극 대 전극의 용량성 커플링에 대한 터치의 영향을 증가시키기 위해서 매트릭스의 노드에 근접하는 다이아몬드 또는 그 외 형상의 패드의 형태의 증가된 폭을 갖도록 설계될 수 있다. 본 명세서의 예시의 실시예에서, 하나 이상의 전극은 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 전극 (또는 전도체)의 어레이, 예를 들어, 박형 와이어나 마이크로와이어, 인쇄된 전도성 트레이스 (traces)나 전도체의 네트워크로 만들어질 수 있다. 여기에서 더욱 설명되는 바와 같이, 복수의 전도체로 이루어지는 전극은 복합 전극으로 언급된다.
예시의 실시예에서 전극은 산화 인듐 주석 (ITO), 와이어, 마이크로와이어 또는 다른 적합한 전기 전도성 재료로 구성될 수 있다. 전도체를 형성하는 와이어 또는 마이크로와이어는 예를 들어, 구리, 은, 금으로 만들어질 수 있다.
행 전극(116a-e)은 각 행과 열 사이에 어떠한 물리적인 접점도 만들어지지 않도록 열 전극(118a-e)과는 다른 면에 있을 수 있다 (예를 들어, 행 전극(116a-e)은 열 전극(118a-e) 아래에 있을 수 있다). 전극의 매트릭스는 통상적으로 커버 유리, 플라스틱 필름 등 (도 1에 도시되지 않음) 아래에 놓이므로, 전극은 유저의 손가락이나 그 외 터치 관련 도구와의 직접적인 물리적 접촉으로부터 보호된다. 이러한 유리, 필름 등의 노출 표면은 터치 패널(112)의 터치 표면으로 언급될 수 있다.
임의의 열 및 행 전극 간의 용량성 커플링은 주로 전극들이 가장 근접하게 되는 영역에서의 전극들의 기하학의 함수가 된다. 이러한 영역이 전극 매트릭스의 "노드" 에 대응하고, 이들 중 일부를 도 1에서 나타내었다. 예를 들어, 행 전극(116a)과 열 전극(118d) 간의 용량성 커플링은 주로 노드(122)에서 발생하고, 행 전극(116d)와 열 전극(118e) 간의 용량성 커플링은 노드(124)에서 주로 발생한다. 도 1의 5x5 매트릭스는 이러한 노드를 25개 갖고, 이들 중 어느 것이나 각 행 전극(116a-e)을 제어기에 개별적으로 결합하는 제어선(126) 중 하나를 적당히 선택하고, 각 열 전극(118a-e)를 제어기에 개별적으로 결합하는 제어선(128) 중 하나를 적당히 선택하는 것으로 제어기(114)에 의해 어드레스 지정될 수 있다.
터치 위치(131)에서 나타낸 바와 같이, 사용자의 손가락(130)이나 그 외 터치 도구가 장치(110)의 터치 표면과 접촉하거나 근접 접촉하게 될 때, 손가락은 전극 매트릭스에 용량성 커플링하게 된다. 손가락(130)은 매트릭스로부터, 특히 터치 위치에 가장 근접하게 놓인 이들 전극들로부터 전하를 끌어내고, 이를 행할 때 도 2 및 도 3에서 더욱 상세히 나타내는 바와 같이, 가장 근접한 노드(들)에 대응하는 전극 간에 커플링 정전용량을 변경시킨다. 예를 들어, 터치 위치(131)에서의 터치는 전극(116c 및 118b)에 대응하는 노드에 가장 근접하다. 이런 커플링 정전용량의 변경은 제어기(114)에 의해 검출될 수 있으며 116a/118b 노드에서 또는 그 근방에서의 터치로 해석될 수 있다. 제어기는 매트릭스의 모든 노드 중에서, 만약 있다면 정전용량의 변경을 빠르게 검출하도록 형상될 수 있으며, 보간법으로 노드 간에 있는 터치 위치를 정확하게 결정하기 위해서 인접하는 노드의 정전용량 변경의 크기를 분석할 수 있다. 더욱, 제어기(114)는 동시에, 또는 중복되는 시간에, 터치 장치의 여러 부분에 적용된 다수의 개별적 터치를 검출하도록 설계될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 또 다른 손가락(132)이 손가락(130)의 터치와 동시에 터치 위치(133)에서 장치(110)의 터치 표면을 터치하거나, 각 터치가 적어도 일시적으로 중복하게 되면, 제어기는 이들 두 터치의 위치(131, 133)을 검출할 수 있고 이 위치들을 터치 출력(114a)에 제공할 수 있다. 제어기(114)에 의해 검출될 수 있는 개별의 동시적인 또는 일시적으로 중복하는 터치의 수는 반드시 2로 제한되는 것은 아니고, 예를 들어 전극 매트릭스의 크기에 따라 3, 4, 또는 그 이상일 수 있다. 미국 특허 출원 번호 No. 61/182,366, "고속 멀티 터치 장치 및 이를 위한 제어기 " 는 다수의 동시적인 터치의 위치를 식별하기 위해서 터치 감응 장치에서 이용될 수 있는 예시의 구동 체계를 기재하고 있다.
제어기(114)는 전극 매트릭스의 노드들 중 일부나 모두에서의 커플링 정전용량을 신속히 결정하는 것을 가능하게 하는 각종 회로 모듈 및 구성 성분을 이용할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 바람직하게 적어도 하나의 신호 발생기나 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛은 구동 전극으로도 언급되는, 한 세트의 전극에 구동 신호를 전달한다. 도 1의 실시예에서, 행 전극(116a-e)은 구동 전극으로 이용된다 (대신에 열 전극(118a-e)을 구동하는 것이 가능하긴 하지만). 제어기(114)에 의해 구동 전극에 인가되는 구동 신호는 예를 들어, 첫번째에서 마지막 구동 전극 까지 스캐닝되는 순서로, 한번에 하나의 구동 전극에 전달될 수 있다. 이런 각각의 전극이 구동되면서, 제어기는 수신 전극 (열 전극(118a-e))으로 언급되는 다른 세트의 전극을 모니터한다. 제어기(114)는 수신 전극 모두에 결합된 하나 이상의 감지 유닛을 포함할 수 있다. 각 구동 전극에 전달된 각 구동 신호에 대해서, 감지 유닛(들)은 복수의 수신 전극들 각각에 대한 응답 신호를 형성한다. 각 신호의 변경은 터치나 근접 터치 이벤트를 나타낼 수 있다.
도 2는 손가락(231)이 터치 표면(239)을 터치하고 있는 센서(210)의 단면도를 나타낸다. 상위 전극 어레이(212)는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), PMMA, 유리, 실리카 또는 이들의 조합 (예를 들어, 유리에 코팅된 실리카), PET 하드 코팅 (hard coat) 재료 또는 그 외 적합한 재료로 만들어질 수 있는, 상부 기판(238)에 의해 터치 표면(239)로부터 간격 D1 이격되어 있다. 불투명한 용량성 터치 패드의 경우에, 상부 기판(238)은 컴퓨터 보드를 만드는 데에 이용되는 섬유 유리 강화 플라스틱(FRP), 또는 어떠한 다른 적합한 재료일 수 있다. 도 2에 나타낸 센서 구성에서, 상위 전극 어레이(212)는 하위 기판(213)에 의해 하위 전극 어레이(214)로부터 거리 D2 이격되어 있다. 하위 기판(213)은 상부 기판(238)에 이용될 수 있는 재료들 중 어느 것이나, 어떠한 다른 적합한 재료로도 만들어질 수 있다. 하나의 부재만이 나타나 있는, 하위 전극 어레이(214)의 전극들은 예를 들어, 셋 이상의 전극들이 터칭 손가락(231)과 측정 가능한 용량성 접점을 이룰 수 있도록 서로 일정 거리 떨어져 이격될 수 있다. 예를 들어, 하위 전극 어레이(214)는 5-6 밀리미터의 중심 대 중심 간격 또는 어떠한 다른 바람직한 간격도 가질 수 있다. 하위 전극 어레이(214)에서의 전극들의 폭은 이들 사이에 최소한의 비전도성 공간 상태가 되게 하도록 일부 실시예에서는 요구에 의해 주로 제한되게 된다. 하위 전극 어레이(214)에서의 전극들은 손가락과의 용량성 커플링을 최대화하기 위해서 가능한 한 넓을 수 있다. 예를 들어, 하위 기판(213)의 표면 영역의 90% 또는 그 이상, 95% 또는 그 이상, 또는 98% 또는 그 이상이 하위 전극 어레이(214)에 의해 커버될 수 있다.
상위 전극들은 상위 전극 어레이(212)의 전극들 사이에서 하위 전극 어레이(214)의 전극들로부터, 터칭 (또는 근접한) 손가락으로의 전기장 커플링을 가능하게 하도록 이격되어 있다. 상위 전극의 폭 (도 2에서의 W)은 중심 대 중심 간격 S의 예를 들어, 50% 또는 그 이하일 수 있다. 상위 전극 어레이(212)의 전극이 ITO로 만들어질 때, 이들의 최소한의 폭은 전극 저항으로 제한되는 경우가 있다. 그러나, 상위 전극 어레이(212)의 전극은 박막 와이어, 마이크로와이어, 상호 접속된 마이크로 전도체의 네트워크, 인쇄된 마이크로 전도체 또는 어떠한 다른 형상 및 본 명세서에 따른 어떠한 재료로 만들어진 복합 전극일 수 있다.
도 2에서, 긴 점선의 전기장 라인(232)은 상위 전극 어레이(212)의 전극이 전기 신호로 활성화될 때 상위 전극 어레이(212)의 전극과 손가락(231) 간의 전기장 (E-필드) 커플링을 나타낸다. 이 커플링은 상위 전극 어레이(212)를 포함하는 복합 전극의 공간을 통해 발생한다. 짧은 점선의 전기장 라인(234)은 상위 전극 어레이(212)의 전극과 하위 전극 어레이(214)의 전극 간의 전기장 커플링을 나타낸다. 짧은 점선의 전기장 라인(234) 중 일부는 상위 전극 어레이(212)의 전극의 저부 면에서 하위 전극 어레이(214)의 전극으로 커플링한다. 다른 짧은 점선의 전기장 라인(234) (특히 손가락(231)과 근접하지 않은 것)은 상위 전극 어레이(212)의 전극의 상부 표면으로부터 상향으로 커플링하여, 하위 전극 어레이(214)의 전극과 만나도록 하향으로 구부러진 프린지 필드를 나타낸다. 손가락(231) 바로 아래에서, 어레이(212)의 전극의 상부 표면으로부터의 전기장 라인은 손가락(231)에 커플링되고 (으로 당겨지고), 따라서 이들 중 적은 것이 하위 전극 어레이(214)의 전극에 커플링된다.
상위 전극 어레이(212)의 전극이 전기 신호로 활성화될 때, 손가락(231)은 비교적 낮은 임피던스 본체 대 접지 정전용량 (예를 들어, 400 pf)으로 접지에 접속되고 하위 전극 어레이(214)의 전극은 기생 정전용량 (예를 들어, 100 pf)으로 접지에 접속된다. 이들 둘 다는 손가락(231)을 어레이(212) 또는 어레이(214)의 전극들 중 어느 것에나 커플링하는 정전용량 보다 상당히 더 낮은 임피던스를 가지는데, 이는 예시의 형상에서 예를 들어, 1 pf 내지 5 pf의 범위에 있을 수 있다. 이들 정전용량 값은 상위 전극 어레이(212) 및 하위 전극 어레이(214)의 형상과 함께, 거리 D1, D2, 기판에 이용되는 재료, 및 상위 전극 어레이(212) 및 하위 전극 어레이(214)로부터 도 2에 도시하지 않은 접지된 표면 까지의 거리에 따라 달라진다. 유사하게, 하위 전극 어레이(214)의 전극을 전기 신호로 활성화시키게 되면 하위 전극 어레이(214)의 전극으로부터 상위 전극 어레이(212)의 전극을 통해, 손가락(231)으로 전기장을 형성하게 된다.
이하 도 3을 참조하면, 긴 점선의 전기장 라인(233)은 하위 전극 어레이(214)의 전극과 상위 전극 어레이(222)의 손가락(231) 전극 간의 전기장 커플링을 나타낸다. 도 3은, 도 3에서 상위 전극 어레이(222)의 전극이 도 2에서와 같이 복합 전극이 아니고, 대신에 전형적인 고체 전극인 점을 제외하고는 도 2와 유사하다. 전기장 라인(233)은 하위 어레이(214)의 전극으로부터 상위 전극 어레이(212)의 전극 간의 공간을 통해 손가락(231)에 우세적으로 커플링된다. 짧은 점선의 전기장 라인(235)은 하위 전극 어레이(214)와 상위 전극 어레이(222)의 전극들 간의 커플링을 나타낸다. 짧은 점선(235)의 일부는 하위 전극 어레이(214)의 전극의 상부 표면으로부터 상위 전극 어레이(222)의 전극의 저부 표면으로 커플링된다. 다른 프린지 짧은 점선의 전기장 라인(235) (특히 손가락(231)에 근접하지 않는 것)은 하위 전극 어레이(214)의 전극의 상부 표면으로부터 상향으로 결합하고, 상위 전극 어레이(222)의 전극의 상부 표면과 만나도록 하향으로 구부러진다. 긴 점선의 전기장 라인(233)은 어레이(214)의 전극의 상부 표면이 직접 손가락(231)에 커플링된 것을 나타내고, 따라서 더 적은 긴 점선의 전기장 라인(233)은 구부러져 상위 전극 어레이(222)의 전극의 상부에 커플링된다.
상위 전극 어레이(222)의 전극이 고체일 때, 이들은 하위 전극(214)으로부터의 전기장을 차단하므로 손가락(231)에 커플링되는 E 필드(233)는 상위 전극(222)들 간의 공간에서 주로 형성된다는 점에 유의해라. 그러나, 상위 전극이 도 2의 복합 전극(212)과 같이, 투과성이면, 이들은 전기장이 전극 구조물 간의 공간을 통과할 수 있게 한다.
상위 전극 어레이 (전극 어레이(212 또는 222)) 및/또는 하위 전극 어레이(214)의 전극은 나타낸 바와 같이, 반드시 동시에 활성화될 필요는 없지만, 상위 전극 어레이 및 하위 전극 어레이(214)로부터의 전극의 전기장은 설명을 위해 나타내었다.
도 4는 각각 폭 W를 갖는 세 개의 상위 복합 전극(342, 343, 및 344)를 포함하는 예시의 터치 센서(340)를 나타낸다. 복합 전극(342, 343, 344)의 각각은 (도 4a에서 확장도 V1로 나타내고 때로는 복합 전극의 컨텍스트에서 전도체간으로 언급되는) 평행 전도체(355)를 포함한다. 복합 전극(342, 343 및 344)은 각 복합 전극 내에서 전도체간 공간과 폭이 동일할 수 있는 공간 만큼 이격되어 있다. 전도체의 균일한 간격 띄우기는 센서에 걸쳐 광학적 균일성의 결과를 가져오고, 따라서 전도체는 눈에 덜 인지 가능하다. 전도체(355)는 예를 들어, 단부 전도체(351 및 352)에 의해 하나 또는 두 단부에서, 또는 선택적으로 중간 위치 (도 4a의 전도체 브리지(359))에서 복합 전극을 형성하도록 전기적으로 접속된다.
전도체(355)는 10 미크론 이하, 5 미크론 이하의 단면 치수를 가질 수 있으며, 일부 실시예에서는 3 미크론 이하일 수 있다. 이런 직경을 갖는 전도체(355)는 대각선이 1 미터 이하로 측정되는 것과 같이 투명 터치 표면을 갖는 소형 디스플레이 상에서 최소한으로 보일 수 있도록 적당한 광학적 성능을 낼 수 있다. 더 큰 전도체의 단면은 가능하게 더 큰 픽셀을 갖는 대형 디스플레이에서 이용될 수 있다. 전도체는 인발 와이어, 마이크로와이어, 마이크로 접점 인쇄, 마이크로 캡슐화될 수 있거나, 다른 적당한 방법에 의해 제조될 수 있다. 마이크로 접점 인쇄된 전도체는 약 2 미크론 폭에 100-200 나노미터의 두께일 수 있으며, 은, 금 또는 유사한 금속으로 제조될 수 있다. 마이크로 캡슐화된 전도체(355)는 약 3 미크론 x 3 미크론의 단면 치수를 가질 수 있으며, 구리 또는 유사한 금속으로 제조될 수 있다. 대안적으로, 마이크로 전도체는 예를 들어, 약 10 미크론의 단면 치수를 가질 수 있는, 구리 또는 유사한 금속의 인발 와이어로 만들어질 수 있다. 마이크로 전도체 및 이들을 제조하는 방법은 이 출원에서 나중에 설명된다.
전도체(355) 간의 간격의 치수 G1 (도 4a)는 50 미크론과 4 밀리미터 사이일 수 있다. 일 실시예에서, G1은 0.5 밀리미터와 1 밀리미터 사이일 수 있다. 전도체 간의 공간은 복합전극(342 및 343)의 전체 길이 L에 달할 수 있거나 있거나, 공간은 전극(342)에서 나타낸 바와 같이 또는 여기에서 참고 문헌으로 결합된 미국 특허 출원 No.12/393,194 "가변 시트 저항을 갖는 터치 스크린 센서"에서 설명된 바와 같이 정규 또는 임의의 간격으로 커넥터 브리지(359)를 이용하여 단축될 수 있다. 최적의 전기적 성능을 위해서, 상위 복합 전극(342 및 343)의 전도체 브리지(359)가 최소화되고 따라서 간격이 존재하게 된다 (따라서 전기장이 복합 전극을 통해서 상승하는 것을 가능하게 한다). 많은 응용에서, 긴 치수의 간격은 바람직하게는 긴 치수의 복합 전극(342, 343, 및 344)과 동일한 방향으로 되어 있지만, 긴 치수의 복합 전극(342, 343, 및 344)과 직교하는 긴 치수를 갖도록 공간을 배열하는 것이 또한 가능하다. 이들 원리는 평행선으로 또는 원형, 육각형 또는 사각형 전도체 네트워크를 포함하는 다른 형상으로 패턴화된 전도체의 네트워크를 포함하는 전극에 적용된다.
전극(358a, 358b, 및 358c)은 세 다른 유형의 하위 전극이다. 도 4의 도시된 실시예에서, 이들은 복합 전극(342, 343 및 344)을 포함하는 평면 아래 개별의 평행 면 상에 있는다. 전극(358a)의 전도체는 정전용량 속성과 일부 차폐 속성을 제공하는, 상호 연결된 육각형의 등방성 네트워크로 배열되지만, 전극(358b) (복합 전극)과 같은 평행 전도체의 전극과 비교할 때, 투명 터치 표면 상에서 약간 눈에 보일 수 있다. 전극(358c)은 예시의 실시예에서 약 600 ohms/square 또는 그 이하의 저항력으로, 투명 ITO의 막으로 만들어진다. 전극(358c)은 일반적으로 1MHz 이하의 주파수에서 양호한 광학적 속성과 양호한 차폐 속성을 갖는다. 복합 전극(342, 343, 및 344)과 전극(358b)의 상호 교차부에서, 전도체는 교차 지점에서만 중복하게 되고, 유전체 재료가 상호 교차부 사이의 갭을 채운다. 이것은 전극(358b)과 복합 전극(342, 343, 및 344) 간의 상호 용량성 커플링을 최소화한다. 전극(358a)은 고밀도의 전도체 및 전극(358a)의 전도체 패턴에서의 수평 전도체 소자의 존재로 인해, 전극(358b) 보다 더 큰 상호 용량성 커플링을 갖는다. 전극(358c)은 전극(358a 또는 358b) 보다 더 큰 상호 용량성 커플링을 갖는다.
전극(358a 및 358b)은 또한 전도체간 간격 (예를 들어, G1)이 기판 두께에 비하여 넓다면, 상위 (투과성) 복합 전극에 이용하기에 적합할 수 있고, 따라서 전기장은 아래 전극으로부터 투과하게 된다. 평행 전도체를 포함하는 참조 부호 343, 344, 및 358b와 같은 복합 전극들은 또한 여기에서 참고 문헌으로 결합된, 미국 특허 출원 공개 No. 2007/0074914 A1 "터치 감지를 위해 인터리브드된 전극"에서 기재된 바와 같이, 인터리브드된 전극 형상에 이용하기에 매우 적합하다.
복합 전극(342, 343, 344 및 358b)의 임피던스 (저항성 및 용량성 둘다)는 이등방성이다. 이 경우, 저항력 (ohms/square)은 통상 전도체 배향의 방향에서 가장 낮다. 복합 전극(342, 343, 344 및 358b)에 의해 형성된 (특히 치수 G1의 거리 범위 내에서의) 근접장 전계는 이등방성이 되고, 따라서 평행 면에 근접하여 위치된 이 유형의 두 전극들 사이의 평방 미터 당 정전용량 (C/M)은 전극의 상대 각도에 따라 다르고, 평행 전극은 최대 정전용량을 직교 전극은 최소의 상호 정전용량을 산출한다. 전도성 플레이트 전극(358c)과 달리, 복합 전극(342, 343, 344, 358a, 및 358b)은 각 전극 내에서 네트워크의 전도체의 간격에 따라 어느 정도 전기장에 투과된다.
투과성 상위 복합 전극(342, 343, 344)에서의 전도체는, 일 실시예에서 마이크로와이어로 언급될 수 있으며 여기에서 둘 다 참고 문헌으로 언급되고 있는, 미국 특허 번호 5,512,131 "표면 상에 마이크로스탬프된 패턴의 형성 및 유도체 용품" 및 7,160,583 "패턴화된 토포그래피를 이용한 마이크로제작법 및 자체 조립된 모노레이어"에서 기재된 바와 같이 마이크로 접점 인쇄법으로 제조될 수 있다. 상위 복합 전극(342, 343, 344)은 유리, PET 또는 어떠한 다른 적합한 재료로도 만들어질 수 있는 상부 기판 (도시 생략) 상에 마이크로 접점 인쇄될 수 있다. 대안적으로, 복합 전극(342, 343, 344)은 마이크로 접점 인쇄법에 의해 하위 기판(도시 생략)에 적용될 수 있다. 하위 전극(358a-c)은 마이크로 접점 인쇄 (상술됨)에 의해 하위 기판(도시 생략)에 적용될 수 있거나, 마이크로 캡슐화된 전도체는 예를 들어, 여기에서 참고 문헌으로 언급된, 미국 특허 출원 No.61/076731 "마이크로구조를 형성하는 방법"에서 기재된 바와 같이 적용될 수 있거나, ITO 박막이 이용될 수 있다. 대안적으로, 플렉스 프린트 상 또는 섬유 강화된 플라스틱 (즉, PCB 재료) 상의 구리 전도체가 이용될 수 있다.
E-필드 커플링은, 본 기술 분야에서 알려진 상호 정전용량 측정 방법 및 회로를 이용하여, 복합 상위 전극 어레이의 각 전도체와 하위 전극 어레이의 각 전극 간의 정전용량을 나타내는 신호를 측정하는 것으로 측정될 수 있다. 도 1-4에서 나타낸 것과 같은 매트릭스 터치 센서의 경우, 노드에서의 상위 전극과 하위 전극 간의 상호 정전용량은 먼저 터치가 적용되기 전에 측정될 수 있으며, 터치 없음과 연관된 정전용량의 수준이 각 상호 교차부에 대해 기록될 수 있다. 모든 노드의 정전용량은 반복적으로 측정되고, 터치가 발생할 때, 터치 없음 상태와 하나 이상의 상호교차부의 근접 터치 상태 간의 정전용량의 차이가 연산된다. 터치다운은 일반적으로 소정의 임계값을 초과하는 정전용량 변경으로 식별된다. 프리터치 (호버(hover))는 다른 임계값으로 또한 식별될 수 있다.
복합 전극 제조
도 5a는 기판(580) 상에 평행한 전도체(550-568)를 갖는 센서 성분(540)의 세그먼트를 나타낸다. 일 실시예에서, 전도체(550-568)의 각각은 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이 단일의 전도체, 또는 복수의 평행 전도체 또는 전도체의 네트워크를 포함한다. 전도체(550-568)는 서로 전기적으로 분리되어 있다. 기판(580)은 경성 유리 또는 PMMA 시트, PET의 롤, 또는 어떠한 다른 적합한 재료도 포함할 수 있다. 선택적인 접점 패드(579)는 예를 들어, 전도체(550-568)와 전기적 점점을 이루는 것이 어려울 때, 용이하게 이용 가능한 전도성 잉크를 경우에 따라 이용하여 기판(540) 상의 각 전도체에 부가될 수 있다.
기판 상에 개별의 전도체를 제조하는 여러 방법들은 미국 특허 출원 번호 12/393,185 ("터치 스크린 센서"); 12/393,197 ("저 시인성 전도체를 갖는 터치 스크린 센서); 12/393,194 ("가변 시트 저항을 갖는 터치 스크린 센서"); 12/393,201 ("기판 상에 전도체를 패턴화하는 방법"); 및 61/076,736 ("패턴화된 기판을 형성하는 방법")에서 부가하여 기재되었으며, 이들 각각은 참조로 여기에서 언급되고 있다. 여기에서 참고 문헌으로 언급되고 있는, 미국 특허 No. 6,137,427, "복수의 입력 근접 검출기 및 터치패드 시스템"은 박막 구리와이어를 포함하는 전도체의 제조에 대해 더욱 상세 사항을 제공한다.
일 실시예에서, 본 명세서에 따라 터치 센서를 제조하는 방법의 처음 단계는 평행 전도체(550-568)가 고정된 거리만큼 이격되어 있는 기판(580)을 먼저 제작하는 것이다. 기판(580)은 제작되는 최대형 터치 센서의 길이와 폭에 충분히 맞을 만큼 큰 치수를 갖거나, 그 외 다른 적합한 치수를 가질 수 있다.
전도체(550-568)를 갖는 기판(580)이 제작된 후에, 선택된 전도체(550-568)는 도 5b-5f에서 나타낸 바와 같이 복합 전극을 형성하기 위해서 함께 전기적으로 결합될 수 있다. 전도체(550-568)는 기판(540) 상에 전도체 재료를 코팅하거나 인쇄함으로써, 또는 어떠한 다른 적합한 방법으로도 접속될 수 있다. 예를 들어, 센서 기판(541)(도 5b)의 형상과 관련하여, 단부 전도체(570)는 각각 여섯개의 전도체로 이루어지는, 세 개의 복합 전극을 형성하기 위해서 전도체(550-568) 및 기판(580) 상에 인쇄될 수 있다. 도 5c 및 5d에서 나타낸 바와 같이, 다른 개수의 전극(550-568)이 단부 전도체(572)에 의해 접속될 수 있다. 어떤 원하는 개수의 전극이 다양한 형상의 투과성 복합 전극을 형성하도록 단부 전도체에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 이 때 단부 전도체는 상호 연결부(573a 및 b)를 통해 커넥터에 또는 전자 장치 (도시 생략)에 바로 전기적으로 접속될 수 있다. 대안적으로, 단부 전도체(570 및 572)는, 여기에서 참조 문헌으로 언급되고 있는, 미국 특허 출원 공개 No.2007/0030254 A1 "터치 센서와 직접 장착된 전자 장치 성분의 통합"에서 기재된 바와 같이, 전도체(550-568) 위에 놓이며 전도성 잉크로 전도체(550-568)에 전기적으로 접속되는, PC 보드 또는 플렉스 프린트 회로에 배치될 수 있다. 도 5e는 인터리브드된 전극 패턴을 갖는 센서 성분(544)의 형상을 나타낸다. 도 5f에서의 센서 기판(545)의 형상은 전도체(550-558)를 갖는 기판(580)을 포함하는 센서 성분(545)의 일 예를 나타내고, 여기에서 각 전도체는 벌집형 와이어의 네트워크로 이루어진다. 전도체(550-558)는 복합 전극을 형성하기 위해 단부 전도체(575)에 의해 전기적으로 커플링된다. 복합 전극에 전기적으로 결합된 상호 접속부(573e)는 전극을 다른 전기 성분에 접속한다.
센서가 둘 이상의 층의 전극을 갖게 되면, 두 층은 동일한 기판(580) 또는 다른 기판으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 센서는 (하위 복합 전극(342, 343 및 344)에 관련하여 도 4에서 나타낸 바와 같이) 전극의 상위 층을 저부 층으로 박층화하여 만들어질 수 있다. 대안적으로, 한 세트의 전극은 여기에서 기재된 프로세스로 만들어질 수 있으며, 다른 층의 전극은 다른 프로세스로, 또는 패턴화된 ITO 또는 어떠한 다른 원하는 재료 등의 다른 재료를 이용하여 만들어질 수 있다.
일단 형성되면, 센서 성분 (예를 들어, 도 5b-5f에 나타낸 541, 542, 543, 544 및 545)은 크기 맞춤 절단될 수 있고, 상위 및 하위 전극 층은 함께 박층화될 수 있다. 박층화는 절단보다 앞서거나, 그 반대일 수 있다.
본 개시에 따라 만들어진 센서는 센서 제작시에 여러 형태, 크기 및 형상으로 맞춤 제작될 수 있다. 예를 들어, 도 5a에서의 센서 성분(540)은 전극들이 1 밀리미터 또는 어떤 다른 적합한 거리 이격되어 있는 기판(580) (예를 들어, PET)을 포함할 수 있다. 따라서 센서 성분(540)은 도 5b-5f에서 나타낸 바와 같이 센서 성분(541, 542, 543, 544 또는 545) 중 어느 것, 또는 원하는 데로 다른 형상을 이루도록 형상될 수 있다. 도 5b의 센서 성분(541)은 5 밀리미터 폭의 전극을 가지고, 도 5c의 센서 성분(542)는 8 밀리미터 폭의 전극을 갖는다. 센서 성분(543)은, 1 밀리미터 폭의 모서리 전극(575)이 센서의 모서리 근방의 위치 보간을 개선하는 데에 이용되는 모서리에서는 제외하고, 5 밀리미터 폭의 전극을 갖는다. "모서리 바아" 전극의 다른 실시예는 여기에서 참고 문헌으로 언급되고 있는, 미국 특허 출원 공개 No.2008/0252608A1 "전극 어레이를 갖는 터치 센서"에서 기재되어 있다. 센서 성분(544) (도 5e)은 또한 에지 전극(575) 및, 각각 인접한 전극의 외부 전극과 인터리브드된 두 개의 1 밀리미터 폭의 외부 전극에 접속되는 5 밀리미터 폭의 주 전극들을 갖는다. 상술된 전극 간격 및 폭 각각은 본 명세서에 따라 증가되거나 감소될 수 있다.
도 6은 복수의 ITO 전극(608) 위에 배열된 복수의 평행 전도체(605)를 갖는 예시의 매트릭스 센서(600)의 분해도를 나타낸다. 평행 전도체(605) 및 ITO 전극(608)은 설명된 실시예에서 서로 직교하지만, 이들은 원하는 각도에 있을 수 있다. 도 6에서, 상위 평행 전도체(605)는 기판(606) 상에 배치된 36개의 개별적인 (전기적으로 결합되지 않은) 전도체를 포함한다. 이들 개별적인 전도체의 그룹 (이 예에서는 각각 6개의 전도체)은 복합 전도체를 형성하도록 기판(620) (예를 들어, 인쇄 회로 기판)의 일부인 단부 전도체(621)에 의해 전기적으로 커플링된다. ITO 전극(608)은 유리, PET, 또는 다른 적합한 재료일 수 있는 기판(610) 상에 코팅된다. ITO 전극(608)에서 기판(625) 상의 단부 전도체(626)로의 전기 접속부는 (6:1 비율을 갖는 전도체(605)의 그룹화와 비교하여) 1대 1 비율을 갖는다 . 단부 전도체(626)와 ITO 전극(608) 간 및 단부 전도체(621)와 전도체(605) 간의 전기 접속부는 참조로 여기에서 이미 언급한 바 있는, 미국 특허 출원 번호 11/377,976 "터치 센서와 직접 장착된 전자 장치 성분의 통합"에서 기재된 방법, 또는 다른 적합한 방법, 예를 들어, 은 기반 열 경화된 전도성 잉크에 의해 만들어질 수 있다.
매트릭스 센서(600)에서의 전기 접속부는 또한 전도체(605) 또는 전극(608)에 대한 접촉을 제공하기 위해서 매트릭스 센서의 층들을 통과하는 관통 구멍을 제공함으로써 만들어질 수 있다. 전극(608) 또는 전도체(605)의 일부의 노출로, 땜납, 전도성 페이스트, 커넥터, 또는 커플링 부재와 같은 전도성 재료로 관통 구멍을 채워서 전기 접속부가 만들어질 수 있고, 이에 의해 전도체(605) 또는 전극(608)은 접속 부재에 대한 전기 접속부와 커플링하게 된다. 전극(608) 또는 전도체(605)는 다른 전자 장치 성분이나 디바이스 또는 손가락 터치의 위치를 결정하는 데에 이용되는 제어기에 전기적으로 결합될 수 있다.
도 7a는 "7a"로 나타낸 센서(600)의 일부의 비분해 단면도를 나타낸다. 하위 기판(610)은 접착제 (도시 생략)로 상부 기판(602)에 박층화되거나 다른 적합한 방법으로 접착될 수 있다. 전기 접속부(729)는 센서의 여러 구성 성분을 호스트 프로세서 (도시 생략)에 접속한다.
도 7b는 도 7a에서 나타낸 것과 비교하여 센서(600)의 대안적 구성을 나타낸다. 특히, 상위 기판은 제거되고 하위 기판(720)은 반전되어 그 상부 표면이 터치 표면이 된다. 감압성 접착체의 시트일 수 있는 유전체 스페이서(722) (PSA)가 기판(606 및 610) 사이에서 박층화된다.
터치 센서 단면 시뮬레이션
예시의 터치 센서의 단면에서의 접지에 대한 정전용량의 변경은 펜실베니아주, 피츠버그에 소재한 앤소프트사로부터의 상표명 "맥스웰 소프트웨어" 버전 3.1.04로 상용된 시뮬레이터 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이트되었다. 도 8a 및 8b는 이 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이트된 두 터치 센서 디자인의 단면을 나타낸다. 도 8a는 본 명세서에 따른 투과성 복합 상부 전극을 포함하고, 도 8b는 종래의 고체 상부 전극을 갖는 터치 센서의 단면을 나타낸다. 도 8a 및 8b의 두 도면에서, 손가락(831) (손가락(831)은 이 예에서 식염수 층으로 시뮬레이트됨)이 상위 기판(811)과 접촉하게 되어, 하위 전극(804)에 용량성 커플링된다. 도 8a에서, 복합 전도체의 단면은 균일하게 이격된 전도체(802)를 갖는 것으로 나타나 있다. 도 8b에서는, 고체 전극(822)의 단면이 나타나 있다.
도 8a 및 8b에 대응하는 센서에 관한 모든 테스트에 대해서는, 그렇지 않다고 주지되지 않는 한 다음의 변수가 이용된다.
Figure 112011013744881-pct00001
접지에 대한 정전용량 측정
도 9a 및 9b는 각각 상위 및 하위 전극과 손가락(831) 간의 시뮬레이트된 전기장 커플링 (정전용량)을 나타낸다. x축은 상위 전극(811)의 두께를 미크론으로 나타낸다. 두께 범위는 롤드(rolled) PET에 대해 공통의 두께인 50 내지 400 미크론, 및 PMMA 경성 기판을 시뮬레이트할 수 있는 0.4 밀리미터를 포함한다. 도 9a는 상위 전극 상에 시뮬레이트된 1V 신호를 갖고, 하위 전극은 접지 (0 볼트)에 있다. 도 9b는 하위 전극 상에 시뮬레이트된 1V 신호를 갖고, 상위 전극은 접지에 있다.
언급된 바와 같이, 도 8b의 상위 전극(822)은 폭이 550 미크론이며, 전극은 시뮬레이트된 영역의 절반을 커버하고, 치수는 일부가 시뮬레이션을 쉽게 하도록 선택된다. 그러나, 50% 커버 비율이 접지에 대한 정전용량을 측정하는 데에 이용되는 현재 ITO 전극에 일반적인 것이다. 상호 정전용량 터치 시스템에 대한 상위 전극은 센서 영역의 1%, 2%, 5%, 10% 또는 20% 정도로 적게 커버할 수 있으며, 통상적인 상위 ITO 복합 전극의 폭은 1 밀리미터 내지 4 밀리미터의 범위에 있다.
도 9a는 상위 전극(802)에서 손가락(831)으로의 용량성 커플링이 넓은 전극(822)에서 손가락(831)으로의 커플링보다 작으며 둘 모두에 대한 정전용량은 기판 두께가 증가함에 따라 감소한다는 것을 나타낸다. 상호 정전용량 방법을 이용할 때, 기생 정전용량이 낮을수록 보통 터치로 인한 정전용량의 퍼센티지 변경을 더 크게 하는 결과를 가져온다.
도 9b는 하위 전극(804)에서 손가락(831)으로의 용량성 커플링을 상위 전극이 복합일 때 (도 8a)와 고체일 때 (도 8b) 비교한 것이다. 상위 전극(802 및 822)은 그 시뮬레이션 동안 0 볼트이므로, 상위 전극은 하위 전극(804)로부터 손가락(831)으로 커플링하는 E-필드의 일부를 차폐한다. 투과성 상위 전극은 고체 전극(822)과 비교하면 하위 전극(804)과 손가락(831) 사이에 E-필드를 덜 차폐하므로, 하부 전극(804)로부터 손가락(831)로의 커플링을 개선할 수 있다.
도 9c는 (상위 전극에서의) 전도체간 간격과 상위 및 하위 전극(104)로부터의 커플링 간의 관계를 나타낸다. 이 모델은 도 8a에 나타낸 센서에 기초한 것으로, D3= D4 = 100 미크론이고 A10 = 1100 미크론이다. W10은 상위 전극 전도체의 수가 변함에 따라 변경되게 된다. 도 9c는 이 예에 대해서, 상위 전극에 대한 터칭 도구의 용량성 커플링은 이 시뮬레이션에 이용되는 전도체에 대해서, 복합 전극을 포함하는 상위 전극 전도체가 약 170 미크론 떨어져 균등하게 이격될 때 하위 전극에 대한 커플링과 동일한 것을 나타낸다. 일반적으로, 복합 전극을 포함하는 전도체 간의 간격은 전극으로부터 터치 표면 까지의 거리의 2배 이하일 수 있다. 최적의 전도체 간격은 또한 센서 기판의 유전 상수에 따라 달라지게 된다.
상호 정전용량 측정
도 9d는 도 8a 및 8b와 관련하여 나타낸 것과 대응하는 시뮬레이트된 센서의 상위 및 하위 전극 간의 시뮬레이트된 전기장 커플링 (상호 정전용량)의 결과를 나타낸다. 상부 전극(811)은 PMMA 및 유리로 시뮬레이트된다. 유리는 때로 그 내구성 때문에 바람직하고, 또한 유리의 유전율은 PMMA의 것 보다 일반적으로 더 크다. 50-100 미크론 범위의 유리는 독일 마인츠에 소재한 쇼트 글래스 (Schott Glass)사로부터 상용 가능하다 (예를 들어, 쇼트 AF45 제로 알칼리 박막 유리 및 쇼트 0211 박막 유리). 도 9d는 손가락(831)의 존재로 인한 상위 및 하위 전극 전도체 간의 상호 정전용량의 변경을 나타낸다. 상호 정전용량은 E-필드의 일부가 상부 전극 전도체로부터 손가락으로 전환한 것에 의해, 손가락(831)이 존재할 때 감소되게 된다. 상위 전극의 마이크로 전도체들 간에 200 미크론의 간격이 주어지고, 터치 표면 거리의 범위가 테스트될 때, 전도체로 만들어진 전극의 터치 동안의 상호 정전용량의 변경은 고체 전극 보다 현저히 더 크다 (더 큰 음의 경사도).
도 9d는 또한 상부 기판이 더 얇을 때 전도체로 만들어진 상위 전극이 상호 정전용량 터치 측정을 더욱 개선할 수 있음을 나타낸다. 상호 정전용량은 전도체들 간의 분리 및 상부 기판 재료의 유전율에 관한 것이다. 얇은 상부 기판으로, (사이 간격이 작은) 더 많은 도체가 가장 잘 실행하게 되지만, 전도체 간에 간격이 더 넓을 수록 더 두꺼운 상부 기판으로 (터치로 인한 퍼센트 변경 면에서) 개선된 성능이 결과되게 된다. 시뮬레이트된 200 미크론의 상부 기판 두께는 200 미크론 이하의 치수 D4 (도 8a 및 8b)로 최상의 결과를 제공하고, D4가 약 300 미크론까지 양호한 성능을 제공한다. 상부 전극과 터치 표면 간의 두께 D4는 상부 전극의 전도체들 간의 간격의 두배 이하일 수 있다.
부가하여, 터치 없음 상태에서 도 8a의 센서의 상위 및 하위 전극 간의 상호 정전용량의 기저 레벨은 기판(811)이 PMMA로 제조될 때 200 pf이고 기판(811)이 유리로 제조될 때 240 pf이다. 이것은 도 8b의 센서 보다 상당히 낮은 것으로, 이는 기판(811)이 PMMA로 제조될 때 약 350 pf이고 유리로 제조될 때 370 pf인 전극간 정전용량을 갖는다.
도 9e는 도 8a 및 8b의 센서의 상위 및 하위 전극 간의 정전용량의 퍼센트 변경을 터치 있음 대 터치 없음으로 나타낸 것이다. 고 정전용량 변경과 저 기저 레벨 (기생) 정전용량이 조합되면 많은 마이크로 전도체로 이루어진 복합 전극과의 터치로 상당히 큰 신호 변경을 만들어 낸다.
이차원 터치 센서 시뮬레이션
도 10a, 10b 및 10c는 (도 9a-e의 단면 모델 보다는) 이차원 전극 모델의 상호 정전용량 시뮬레이션에 이용되는 센서의 개략도를 나타낸다. 동일한 시뮬레이션 소프트웨어가 이용된다 도 10a, 10b 및 10c는 각각 전극 배열(170, 171, 및 172)을 나타내고, 각각 서로에 직교하여 배열된 두 개의 전극 (및 센서 배열(170 및 171의 경우에, 적어도 하나는 복합 전극)을 포함하고 상위 전극은 수직으로 배향되고 하위 전극은 수평으로 배향된다. 복합 전극(161 및 162)은 네개의 평행하게 이격된 0.18 밀리미터의 평행 전도성 와이어로 각각 이루어지고, 총 복합 전극 폭은 6 밀리미터이다. 전극(165 및 166)은 0.18 밀리미터 두께의 전도성 시트이다. 전도성 와이어, 전도성 시트 및 터칭 도구는 시뮬레이션을 용이하게 하기 위해 이상적인 전도체로 근사화된다. 나타낸 바와 같이, 터칭 도구가 점선 사각형(163)으로 나타낸 영역의 상부 유전 (오버레이)층을 터치하게 된다.
센서(170 및 171)의 단면도는 각각, 저부에 하위 전극(162 또는 165), 상위 전극과 하위 전극 간에 0.23 밀리미터 두께의 PET (약 비유전율 = 3)의 유전체, 및 상위 전극(161) 위에 0.23 밀리미터 두께의 PET (비유전율 = 3)로 제조된 상부 유전체 오버레이층을 갖는 도 8a 및 8b와 관련하여 나타낸 것과 유사하다. 일부 시뮬레이션에서, 부가의 유리 유전체 (비유전율 = 6, 두께 = 1 밀리미터 또는 2밀리미터)가 유전체 오버레이에 부가된다.
저부 상의 하위 전극(165), 0.23 밀리미터 두께 PET (비유전율 = 3)의 상위 전극과 하위 전극 간의 유전체, 상위 전극(166) 위에 0.23 밀리미터 두께의 PET (비유전율 = 3)를 함유하는 유전체 오버레이를 갖는 도 10c의 단면도는, 도 8b에 나타낸 것과 유사하다. 일부 시뮬레이션에서, 부가의 유리 유전체 (비유전율 = 6, 두께 = 1 밀리미터 또는 2 밀리미터)가 유전체 오버레이에 부가된다.
도 11a는 세개의 곡선을 나타내는 그래프이다. 각 곡선에서의 데이터 지점은 유전체 오버레이와 접점하는 터칭 도구 있음 대 터칭 도구 없음으로 상호 정전용량의 차이 (ΔCm)를 나타낸다. 곡선은 오버레이의 여러 두께로 인한 ΔCm의 변동에 대응하는 데이터 지점을 연결한 것이다. 상부 유전체의 시뮬레이트된 두께는:
· PET 0.23;
· PET 0.23 밀리미터 더하기 유리 1 밀리미터;
· PET 0.23 밀리미터 더하기 유리 2 밀리미터
도 11a와 관련하여 나타낸 곡선은 터치로 인한 상호 정전용량 변경이 두꺼운 유전체 오버레이를 갖는 센서 형상(172) (도 10c - 고체 상위 및 하위 전극)에 대해 가장 큰 것을 나타낸다. 고체 전극 위에 투과성 상위 전극을 갖는 센서 형상(171) (도 10b)은 오버레이 두께가 비교적 얇을 때 (0.25 밀리미터 이하) 더 큰 상호 정전용량 변경을 갖게 되고, 이는 도 9e에 나타낸 더 얇은 오버레이에 대한 데이터에 따른 것이다. 센서 형상(170) (도 10a - 투과성 상위 및 하위 전극)은 터치로 인해 최저의 상호 정전용량 변경을 갖게 된다.
도 11b는 센서 형상(170) (도 10a)이 두 전극들 간에 매우 낮은 (약 0.12 pf) 정적 레벨의 기생 상호 정전용량으로 인해, 상호 정전용량의 최고 퍼센티지의 변경을 갖는 것을 나타내는 그래프이다. 센서 형상(172) (도 10c)은 전극(165 및 166)의 상호 교차부에서 가장 근접하는 두 커패시터 플레이트에 의해 야기된 큰 기생 상호 정전용량 (약 2.5pf)으로 인해, 최저의 퍼센트 변경을 갖는다. 센서 형상(171) (도 10b)의 복합 전극은 기생 정전용량을 약 0.75 pf로 최소화시켜, 오버레이 두께에 따라서, 터치로 인한 상호 정전용량의 8% 내지 32% 변경이 결과되게 한다.
근접 검출 (손가락이 전극간 상호 정전용량을 감소시키게 되는 거리)은 (도 8a, 거리 D4에 관련하여 설명되는 바와 같이) 복합 전극 내에서의 전도체의 분리에 비례한다. 이것은 손가락이 매우 가까이 있거나, 터치 표면과 접촉할 때 까지 터치가 검출되지 않는 것을 확실히 하는 것을 돕는 데에 이용될 수 있다.
본 특허 출원은 터치 센서에 근접하는 손가락의 검출 및 위치에 관한 것이다. 본 발명은 손가락 검출에 제한되는 것은 아니다. 대부분 전기 전도성 재료로 만들어지는 도구는 여기에서 개시된 장치와 방법을 이용하여 검출될 수 있다. 터치에 이용되는 손가락(들)이나 전도성 물체(들)은 그렇지 않다고 언급하지 않은 한 정전용량 및/또는 저항 (통상 수백에서 수천 피코패러드)에 의해 접지에 접속되어 있다.

Claims (13)

  1. 터치 센서를 제조하는 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계;
    롤-투-롤(roll-to-roll) 프로세스를 이용하여, 기판 상에 복수의 전기적으로 이격된 전도체를 인쇄하는 단계;
    상기 복수의 전도체의 서브세트가 전기적으로 결합되어 인터리브드된 복합 전극을 형성하도록 기판을 변형하는 단계를 포함하고,
    전도체는 균일하게 이격되고 평행한 금속 또는 금속 합금 마이크로와이어인,터치 센서 제조 방법.
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