KR101959426B1 - 스트레인 게이지를 포함하는 터치 입력 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 터치 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치는, 디스플레이 모듈, 및 상기 디스플레이 모듈의 하부에 배치된 압력센서층을 포함하고, 상기 디스플레이 모듈과 상기 압력센서층의 사이에 접착층이 존재하여 상기 압력센서층을 상기 디스플레이 모듈에 접착시키고, 상기 압력센서층은 기판의 상면에 제1 스트레인 게이지가 형성되고 상기 기판의 하면에 제2 스트레인 게이지가 형성된 구조를 포함하고, 상기 디스플레이 모듈에 압력이 인가되면 상기 디스플레이 모듈이 휘어지고, 상기 디스플레이 모듈이 휘어짐에 따라 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지 각각의 전기적 특성이 변화하고, 상기 기판의 영률(Young's Modulus)은 상기 접착층의 영률보다 크다.

Description

스트레인 게이지를 포함하는 터치 입력 장치{TOUCH INPUT DEVICE INCLUDING STRAIN GAUGE}
본 발명은 스트레인 게이지가 형성된 압력센서층이 디스플레이 모듈의 하부에 배치된 터치 입력 장치에 관한 것으로, 구체적으로 터치 압력에 대한 검출 감도를 향상시킬 수 있는 터치 입력 장치에 관한 것이다.
컴퓨팅 시스템의 조작을 위해 다양한 종류의 입력 장치들이 이용되고 있다. 예컨대, 버튼(button), 키(key), 조이스틱(joystick) 및 터치 스크린과 같은 입력 장치가 이용되고 있다. 터치 스크린의 쉽고 간편한 조작으로 인해 컴퓨팅 시스템의 조작시 터치 스크린의 이용이 증가하고 있다.
터치 스크린은, 터치-감응 표면(touch-sensitive surface)을 구비한 투명한 패널일 수 있는 터치 센서 패널(touch sensor panel)을 포함하는 터치 입력 장치의 터치 표면을 구성할 수 있다. 이러한 터치 센서 패널은 디스플레이 스크린의 전면에 부착되어 터치-감응 표면이 디스플레이 스크린의 보이는 면을 덮을 수 있다. 사용자가 손가락 등으로 터치 스크린을 단순히 터치함으로써 사용자가 컴퓨팅 시스템을 조작할 수 있도록 한다. 일반적으로, 컴퓨팅 시스템은 터치 스크린 상의 터치 및 터치 위치를 인식하고 이러한 터치를 해석함으로써 이에 따라 연산을 수행할 수 있다.
이때, 디스플레이 모듈의 성능을 저하시키지 않으면서 터치 스크린 상의 터치에 따른 터치 위치뿐 아니라 터치의 힘 크기를 검출할 수 있는 터치 입력 장치에 대한 필요성이 야기되고 있다. 터치 힘의 크기를 검출하기 위한 센서로서 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서층을 이용할 수 있는데, 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도를 향상시킬 수 있는 터치 입력 장치에 대한 요구가 증가하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 터치 압력을 검출할 수 있는 스트레인 게이지가 포함된 압력센서층을 터치 입력 장치에 이용하는 경우에, 압력센서층의 기판의 영률과 접착층의 영률의 관계를 구체화하여 터치 입력 장치의 터치 압력 검출 강도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치는, 터치 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치로서, 디스플레이 모듈, 및 상기 디스플레이 모듈의 하부에 배치된 압력센서층을 포함하고, 상기 디스플레이 모듈과 상기 압력센서층의 사이에 접착층이 존재하여 상기 압력센서층을 상기 디스플레이 모듈에 접착시키고, 상기 압력센서층은 기판의 상면에 제1 스트레인 게이지가 형성되고 상기 기판의 하면에 제2 스트레인 게이지가 형성된 구조를 포함하고, 상기 디스플레이 모듈에 압력이 인가되면 상기 디스플레이 모듈이 휘어지고, 상기 디스플레이 모듈이 휘어짐에 따라 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지 각각의 전기적 특성이 변화하고, 상기 기판의 영률(Young's Modulus)은 상기 접착층의 영률보다 크다.
여기서, 상기 기판의 영률은 500GPa 보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 반대면에 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 스트레인 게이지는 상기 기판의 상면에 복수 개 형성되고, 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 하면에 복수 개 형성될 수 있다.
여기서, 상기 기판의 서로 대응하는 위치에 형성된 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치는, 터치 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치로서, 디스플레이 모듈, 상기 디스플레이 모듈의 하부에 배치되고, 기판과 상기 기판의 상면에 형성된 제1 스트레인 게이지와 상기 기판의 하면에 형성된 제2 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서층, 상기 디스플레이 모듈과 상기 압력센서층의 사이에 형성되어 상기 디스플레이 모듈과 상기 압력센서층을 접착시키는 제1 접착층, 상기 압력센서층 하부에 배치되는 기판보강용 물질층, 및 상기 압력센서층과 상기 기판보강용 물질층의 사이에 형성되어 상기 압력센서층과 상기 기판보강용 물질층을 접착시키는 제2 접착층을 포함하고, 상기 디스플레이 모듈에 압력이 인가되면 상기 디스플레이 모듈이 휘어지고, 상기 디스플레이 모듈이 휘어짐에 따라 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지 각각의 전기적 특성이 변화하고, 상기 기판의 영률(Young's Modulus)은 상기 제1 접착층의 영률 및 상기 제2 접착층의 영률보다 크다.
여기서, 상기 기판의 영률은 500GPa 보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제1 접착층과 상기 제2 접착층은 동일 물질로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 접착층의 영률은 상기 제2 접착층의 영률보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 반대면에 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 스트레인 게이지는 상기 기판의 상면에 복수 개 형성되고, 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 하면에 복수 개 형성될 수 있다.
여기서, 상기 기판의 서로 대응하는 위치에 형성된 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 구성에 따른 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서층을 이용하는 터치 입력 장치에 의하면, 터치 압력에 대한 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 압력센서층의 기판의 서로 반대면에 형성되는 스트레인 게이지 각각의 방향성 확보에 유리하다는 이점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에 포함되는 정전용량 방식의 터치 센서 및 이의 동작을 위한 구성의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에서 터치 위치, 터치 힘 및 디스플레이 동작을 제어하기 위한 제어 블록을 예시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에서 디스플레이 모듈의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4b 내지 도 4e는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에서 스트레인 게이지가 적용되는 예를 예시한다.
도 5a, 도 5d 내지 도 5f는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에 사용되는 터치 압력을 감지할 수 있는 예시적인 힘 센서의 평면도이다.
도 5b 및 도 5c는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에 적용될 수 있는 예시적인 스트레인 게이지를 도시한다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 터치 입력 장치를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 터치 입력 장치를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 터치 입력 장치를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 터치 입력 장치를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 입력 장치의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 11 내지 도 18은 본 발명에 따른 터치 입력 장치를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에 포함되는 전극의 형태를 예시하는 도면이다.
본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하기에 충분하도록 상세히 설명된다. 특정 실시예 이외의 다른 실시예는 서로 상이하지만 상호배타적일 필요는 없다. 아울러, 후술의 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대한 상세한 설명은, 그에 수반하는 도면들과 연관하여 읽히게 되며, 도면은 전체 발명의 설명에 대한 일부로 간주된다. 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도를 갖지 않는다.
구체적으로, "아래, 위, 수평, 수직, 상측, 하측, 상향, 하향, 상부, 하부" 등의 위치를 나타내는 용어나, 이들의 파생어(예를 들어, "수평으로, 아래쪽으로, 위쪽으로" 등)는, 설명되고 있는 도면과 관련 설명을 모두 참조하여 이해되어야 한다. 특히, 이러한 상대어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 장치가 특정 방향으로 구성되거나 동작해야 함을 요구하지는 않는다.
또한, "장착된, 부착된, 연결된, 이어진, 상호 연결된" 등의 구성 간의 상호 결합 관계를 나타내는 용어는, 별도의 언급이 없는 한, 개별 구성들이 직접적 혹은 간접적으로 부착 혹은 연결되거나 고정된 상태를 의미할 수 있고, 이는 이동 가능하게 부착, 연결, 고정된 상태뿐만 아니라, 이동 불가능한 상태까지 아우르는 용어로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 터치 입력 장치는, 스마트폰, 스마트워치, 태블릿 PC, 노트북, PDA(personal digital assistants), MP3 플레이어, 카메라, 캠코더, 전자사전 등과 같은 휴대 가능한 전자제품을 비롯해, 가정용 PC, TV, DVD, 냉장고, 에어컨, 전자레인지 등의 가정용 전자제품에 이용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 디스플레이 모듈을 포함하는 터치 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치는, 산업용 제어장치, 의료장치 등 디스플레이와 입력을 위한 장치를 필요로 하는 모든 제품에 제한 없이 이용될 수 있다.
이하에서, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 터치 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치에 대해 설명한다. 본 발명에서의 터치 입력 장치에서 터치 압력 검출을 위한 구동원리를 설명하기에 앞서 우선 터치 위치를 검출하는 구동원리에 대해 설명한다. 여기에서는 터치 위치 검출을 위한 정전용량 방식의 터치 센서(10)를 예시하나 임의의 방식으로 터치 위치를 검출할 수 있는 터치 센서(10)가 본 발명에서 적용될 수도 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치에 포함되는 정전용량 방식의 터치 센서(10) 및 이의 동작을 위한 구성의 개략도이다.
도 1a를 참조하면, 터치 센서(10)는 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn) 및 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)을 포함하며, 상기 터치 센서(10)의 동작을 위해 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)에 구동신호를 인가하는 구동부(12), 및 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)으로부터 터치 표면에 대한 터치에 따라 변화되는 정전용량 변화량에 대한 정보를 포함하는 감지신호를 수신하여 터치 및 터치 위치를 검출하는 감지부(11)를 포함할 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 터치 센서(10)는 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)을 포함할 수 있다. 도 1a에서는 터치 센서(10)의 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)이 직교 어레이를 구성하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)이 대각선, 동심원 및 3차원 랜덤 배열 등을 비롯한 임의의 수의 차원 및 이의 응용 배열을 갖도록 할 수 있다. 여기서, n 및 m은 양의 정수로서 서로 같거나 다른 값을 가질 수 있으며 실시예에 따라 크기가 달라질 수 있다.
복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 각각 서로 교차하도록 배열될 수 있다. 구동전극(TX)은 제1축 방향으로 연장된 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)을 포함하고 수신전극(RX)은 상기 제1축 방향과 교차하는 제2축 방향으로 연장된 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)을 포함할 수 있다.
도 19a 및 도 19b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서(10)에서 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 서로 동일한 층에 형성될 수 있다. 예컨대, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 후술하게 될 디스플레이 패널(200A)의 상면에 형성될 수 있다.
또한, 도 19c에 도시된 바와 같이, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 서로 다른 층에 형성될 수 있다. 예컨대, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm) 중 어느 하나는 디스플레이 패널(200A)의 상면에 형성되고, 나머지 하나는 후술하게될 글래스층(200B)의 하면에 형성되거나 디스플레이 패널(200A)의 내부에 형성될 수 있다.
복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극 (RX1 내지 RXm)은 투명 전도성 물질(예를 들면, 산화주석(SnO2) 및 산화인듐(In2O3) 등으로 이루어지는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ATO(Antimony Tin Oxide)) 등으로 형성될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시일 뿐이며 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)은 다른 투명 전도성 물질 또는 불투명 전도성 물질로 형성될 수도 있다. 예컨대, 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)은 은잉크(silver ink), 구리(copper), 은나노(nano silver) 및 탄소 나노튜브(CNT: Carbon Nanotube) 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)는 메탈 메쉬(metal mesh)로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 구동부(12)는 구동신호를 구동전극(TX1 내지 TXn)에 인가할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 구동신호는 제1 구동전극(TX1)부터 제n 구동전극(TXn)까지 순차적으로 한번에 하나의 구동전극에 대해서 인가될 수 있다. 이러한 구동신호의 인가는 재차 반복적으로 이루어질 수 있다. 이는 단지 예시일 뿐이며, 실시예에 따라 다수의 구동전극에 구동신호가 동시에 인가될 수도 있다.
감지부(11)는 수신전극(RX1 내지 RXm)을 통해 구동신호가 인가된 구동전극(TX1 내지 TXn)과 수신전극(RX1 내지 RXm) 사이에 생성된 정전용량(Cm: 101)에 관한 정보를 포함하는 감지신호를 수신함으로써 터치 여부 및 터치 위치를 검출할 수 있다. 예컨대, 감지신호는 구동전극(TX)에 인가된 구동신호가 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 사이에 생성된 정전용량(Cm: 101)에 의해 커플링된 신호일 수 있다. 이와 같이, 제1 구동전극(TX1)부터 제n 구동전극(TXn)까지 인가된 구동신호를 수신전극(RX1 내지 RXm)을 통해 감지하는 과정은 터치 센서(10)를 스캔(scan)한다고 지칭할 수 있다.
예를 들어, 감지부(11)는 각각의 수신전극(RX1 내지 RXm)과 스위치를 통해 연결된 수신기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 스위치는 해당 수신전극(RX)의 신호를 감지하는 시간구간에 온(on)되어서 수신전극(RX)으로부터 감지신호가 수신기에서 감지될 수 있도록 한다. 수신기는 증폭기(미도시) 및 증폭기의 부(-)입력단과 증폭기의 출력단 사이, 즉 궤환 경로에 결합된 궤환 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 증폭기의 정(+)입력단은 그라운드(ground)에 접속될 수 있다. 또한, 수신기는 궤환 캐패시터와 병렬로 연결되는 리셋 스위치를 더 포함할 수 있다. 리셋 스위치는 수신기에 의해 수행되는 전류에서 전압으로의 변환을 리셋할 수 있다. 증폭기의 부입력단은 해당 수신전극(RX)과 연결되어 정전용량(Cm: 101)에 대한 정보를 포함하는 전류 신호를 수신한 후 적분하여 전압으로 변환할 수 있다. 감지부(11)는 수신기를 통해 적분된 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 ADC(미도시: analog to digital converter)를 더 포함할 수 있다. 추후, 디지털 데이터는 프로세서(미도시)에 입력되어 터치 센서(10)에 대한 터치 정보를 획득하도록 처리될 수 있다. 감지부(11)는 수신기와 더불어, ADC 및 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(13)는 구동부(12)와 감지부(11)의 동작을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 제어부(13)는 구동제어신호를 생성한 후 구동부(12)에 전달하여 구동신호가 소정 시간에 미리 설정된 구동전극(TX)에 인가되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(13)는 감지제어신호를 생성한 후 감지부(11)에 전달하여 감지부(11)가 소정 시간에 미리 설정된 수신전극(RX)으로부터 감지신호를 입력받아 미리 설정된 기능을 수행하도록 할 수 있다.
도 1a에서 구동부(12) 및 감지부(11)는 터치 센서(10)에 대한 터치 여부 및 터치 위치를 검출할 수 있는 터치 검출 장치(미도시)를 구성할 수 있다. 터치 검출 장치는 제어부(13)를 더 포함할 수 있다. 터치 검출 장치는 터치 센서(10)를 포함하는 터치 입력 장치에서 터치 센싱 회로인 터치 센싱 IC(touch sensing Integrated Circuit) 상에 집적되어 구현될 수 있다. 터치 센서(10)에 포함된 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)은 예컨대 전도성 트레이스(conductive trace) 및/또는 회로 기판상에 인쇄된 전도성 패턴(conductive pattern)등을 통해서 터치 센싱 IC에 포함된 구동부(12) 및 감지부(11)에 연결될 수 있다. 터치 센싱 IC는 전도성 패턴이 인쇄된 회로 기판 상에 위치할 수 있다. 실시예에 따라 터치 센싱 IC는 터치 입력 장치의 작동을 위한 메인보드 상에 실장되어 있을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 구동전극(TX)과 수신전극(RX)의 교차 지점마다 소정 값의 정전용량(Cm)이 생성되며, 손가락과 같은 객체가 터치 센서(10)에 근접하는 경우 이러한 정전용량의 값이 변경될 수 있다. 도 1a에서 상기 정전용량은 상호 정전용량(Cm, mutual capacitance)을 나타낼 수 있다. 이러한 전기적 특성을 감지부(11)에서 감지하여 터치 센서(10)에 대한 터치 여부 및/또는 터치 위치를 감지할 수 있다. 예컨대, 제1 축과 제2 축으로 이루어진 2차원 평면으로 이루어진 터치 센서(10)의 표면에 대한 터치의 여부 및/또는 그 위치를 감지할 수 있다.
보다 구체적으로, 터치 센서(10)에 대한 터치가 일어날 때 구동신호가 인가된 구동전극(TX)을 검출함으로써 터치의 제2 축 방향의 위치를 검출할 수 있다. 이와 마찬가지로, 터치 센서(10)에 대한 터치시 수신전극(RX)을 통해 수신된 수신신호로부터 정전용량 변화를 검출함으로써 터치의 제1 축 방향의 위치를 검출할 수 있다.
위에서는 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 사이의 상호 정전용량 변화량에 기초하여, 터치 위치를 감지하는 터치 센서(10)의 동작 방식에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 도 1b와 같이, 자기 정전용량(self capacitance)의 변화량에 기초하여 터치 위치를 감지하는 것도 가능하다.
도 1b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 입력 장치에 포함되는 또 다른 정전용량 방식의 터치 센서(10) 및 이의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1b에 도시된 터치 센서(10)에는 복수의 터치 전극(30)이 구비된다. 복수의 터치 전극(30)은 도 19d에 도시된 바와 같이, 일정한 간격을 두고 격자 모양으로 배치될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
제어부(130)에 의해 생성된 구동제어신호는 구동부(12)에 전달되고, 구동부(12)는 구동제어신호에 기초하여, 소정 시간에 미리 설정된 터치 전극(30)에 구동신호를 인가한다. 또한, 제어부(13)에 의해 생성된 감지제어신호는 감지부(11)에 전달되고, 감지부(11)는 감지제어신호에 기초하여, 소정 시간에 미리 설정된 터치 전극(30)으로부터 감지신호를 입력받는다. 이때, 감지신호는 터치 전극(30)에 형성된 자기 정전용량 변화량에 대한 신호일 수 있다.
이때, 감지부(11)가 감지한 감지신호에 의하여, 터치 센서(10)에 대한 터치 여부 및/또는 터치 위치가 검출된다. 예컨대, 터치 전극(30)의 좌표를 미리 알고 있기 때문에, 터치 센서(10)의 표면에 대한 객체의 터치의 여부 및/또는 그 위치를 감지할 수 있게 된다.
이상에서는, 편의상 구동부(12)와 감지부(11)가 별개의 블록으로 나뉘어 동작하는 것으로 설명되었지만, 터치 전극(30)에 구동신호를 인가하고, 터치 전극(30)으로부터 감지신호를 입력받는 동작을 하나의 구동 및 감지부에서 수행하는 것도 가능하다.
이상에서 터치 센서(10)로서 정전용량 방식의 터치 센서 패널이 상세하게 설명되었으나, 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 터치 여부 및 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서(10)는 전술한 방법 이외의 표면 정전용량 방식, 프로젝티드(projected) 정전용량 방식, 저항막 방식, 표면 탄성파 방식(SAW: surface acoustic wave), 적외선(infrared) 방식, 광학적 이미징 방식(optical imaging), 분산 신호 방식(dispersive signal technology) 및 음성 펄스 인식(acoustic pulse recognition) 방식 등 임의의 터치 센싱 방식을 이용하여 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에서 터치 위치, 터치 힘 및 디스플레이 동작을 제어하기 위한 제어 블록을 예시한다.
디스플레이 기능 및 터치 위치 검출에 더하여 터치 힘(터치 압력)을 검출할 수 있도록 구성된 터치 입력 장치(1000)에서 제어 블록은 전술한 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서 제어기(1100), 디스플레이 패널을 구동하기 위한 디스플레이 제어기(1200) 및 힘을 검출하기 위한 힘 센서 제어기(1300)를 포함하여 구성될 수 있다. 디스플레이 제어기(1200)는 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 메인보드(main board) 상의 중앙 처리 유닛인 CPU(central processing unit) 또는 AP(application processor) 등으로부터 입력을 받아 디스플레이 패널(200A)에 원하는 내용을 디스플레이 하도록 하는 제어회로를 포함할 수 있다. 이러한 제어회로는 디스플레이 패널 제어 IC, 그래픽 제어 IC(graphic controller IC) 및 기타 디스플레이 패널(200A) 작동에 필요한 회로를 포함할 수 있다.
힘 센서를 통해 힘을 검출하기 위한 힘 센서 제어기(1300)는 터치 센서 제어기(1100)의 구성과 유사하게 구성되어 터치 센서 제어기(1100)와 유사하게 동작할 수 있다.
실시예에 따라, 터치 센서 제어기(1100), 디스플레이 제어기(1200) 및 힘 센서 제어기(1300)는 서로 다른 구성요소로서 터치 입력 장치(1000)에 포함될 수 있다. 예컨대, 터치 센서 제어기(1100), 디스플레이 제어기(1200) 및 힘 센서 제어기(1300)는 각각 서로 다른 칩(chip)으로 구성될 수 있다. 이때, 터치 입력 장치(1000)의 프로세서(1500)는 터치 센서 제어기(1100), 디스플레이 제어기(1200) 및 힘 센서 제어기(1300)에 대한 호스트(host) 프로세서로서 기능할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 셀폰(cell phone), PDA(Personal Data Assistant), 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet Personal Computer), MP3 플레이어, 노트북(notebook) 등과 같은 디스플레이 화면 및/또는 터치 스크린을 포함하는 전자 장치를 포함할 수 있다.
이와 같은 터치 입력 장치(1000)를 얇고(slim) 경량(light weight)으로 제작하기 위해, 전술한 바와 같이 별개로 구성되는 터치 센서 제어기(1100), 디스플레이 제어기(1200) 및 힘 센서 제어기(1300)가 실시예에 따라 하나 이상의 구성으로 통합될 수 있다. 이에 더하여 프로세서(1500)에 이들 각각의 제어기가 통합되는 것도 가능하다. 이와 더불어, 실시예에 따라 디스플레이 패널(200A)에 터치 센서(10) 및/또는 힘 센서가 통합될 수 있다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서(10)가 디스플레이 패널(200A) 외부 또는 내부에 위치할 수 있다. 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)의 디스플레이 패널(200A)은 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 유기발광 표시장치(Organic Light Emitting Diode: OLED) 등에 포함된 디스플레이 패널일 수 있다. 이에 따라, 사용자는 디스플레이 패널에 표시된 화면을 시각적으로 확인하면서 터치 표면에 터치를 수행하여 입력 행위를 수행할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 따른 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 모듈(200)의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
먼저, 도 3a를 참조하여, LCD 패널을 이용하는 디스플레이 패널(200A)을 포함하는 디스플레이 모듈(200)의 구성을 설명하기로 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 디스플레이 모듈(200)은 LCD 패널인 디스플레이 패널(200A), 디스플레이 패널(200A) 상부에 배치되는 제1 편광층(271) 및 디스플레이 패널(200A) 하부에 배치되는 제2 편광층(272)을 포함할 수 있다. 또한, LCD 패널인 디스플레이 패널(200A)은 액정 셀(liquid crystal cell)을 포함하는 액정층(250), 액정층(250)의 상부에 배치되는 제1 기판층(261) 및 액정층(250) 하부에 배치되는 제2 기판층(262)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 기판층(261)은 컬러필터 글라스(color filter glass)일 수 있고, 제2 기판층(262)은 TFT 글라스(TFT glass)일 수 있다. 또한, 실시예에 따라 제1 기판층(261) 및 제2 기판층(262) 중 적어도 하나는 플라스틱과 같은 벤딩(bending) 가능한 물질로 형성될 수 있다. 도 3a에서 제2 기판층(262)은, 데이터 라인(data line), 게이트 라인(gate line), TFT, 공통 전극(Vcom: common electrode) 및 픽셀 전극(pixel electrode) 등을 포함하는 다양한 층으로 이루어질 수 있다. 이들 전기적 구성요소들은, 제어된 전기장을 생성하여 액정층(250)에 위치한 액정들을 배향시키도록 작동할 수 있다.
다음으로, 도 3b를 참조하여, OLED 패널을 이용하는 디스플레이 패널(200A)을 포함하는 디스플레이 모듈(200)의 구성을 설명하기로 한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 디스플레이 모듈(200)은 OLED 패널인 디스플레이 패널(200A), 디스플레이 패널(200A) 상부에 배치되는 제1 편광층(282)을 포함할 수 있다. 또한, OLED 패널인 디스플레이 패널(200A)은 OLED(Organic Light-Emitting Diode)를 포함하는 유기물층(280), 유기물층(280)의 상부에 배치되는 제1 기판층(281) 및 유기물층(280) 하부에 배치되는 제2 기판층(283)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 기판층(281)은 인캡 글라스(Encapsulation glass)일 수 있고, 제2 기판층(283)은 TFT 글라스(TFT glass)일 수 있다. 또한, 실시예에 따라 제1 기판층(281) 및 제2 기판층(283) 중 적어도 하나는 플라스틱과 같은 벤딩(bending) 가능한 물질로 형성될 수 있다.
도 3b에 도시된 OLED 패널의 경우, 게이트 라인, 데이터 라인, 제1 전원라인(ELVDD), 제2 전원라인(ELVSS) 등의 디스플레이 패널(200A)의 구동에 사용되는 전극을 포함할 수 있다. OLED(Organic Light-Emitting Diode) 패널은 형광 또는 인광 유기물 박막에 전류를 흘리면 전자와 정공이 유기물층에서 결합하면서 빛이 발생하는 원리를 이용한 자체 발광형 디스플레이 패널로서, 발광층을 구성하는 유기물질이 빛의 색깔을 결정한다.
구체적으로, OLED는 유리나 플라스틱 위에 유기물을 도포해 전기를 흘리면, 유기물이 광을 발산하는 원리를 이용한다. 즉, 유기물의 양극과 음극에 각각 정공과 전자를 주입하여 발광층에 재결합시키면 에너지가 높은 상태인 여기자(excitation)를 형성하고, 여기자가 에너지가 낮은 상태로 떨어지면서 에너지가 방출되어 특정한 파장의 빛이 생성되는 원리를 이용하는 것이다. 이때, 발광층의 유기물에 따라 빛의 색깔이 달라진다.
OLED는 픽셀 매트릭스를 구성하고 있는 픽셀의 동작특성에 따라 라인 구동 방식의 PM-OLED(Passive-matrix Organic Light-Emitting Diode)와 개별 구동 방식의 AM-OLED(Active-matrix Organic Light-Emitting Diode)가 존재한다. 양자 모두 백라이트를 필요로 하지 않기 때문에 디스플레이 모듈을 매우 얇게 구현할 수 있고, 각도에 따라 명암비가 일정하고, 온도에 따른 색 재현성이 좋다는 장점을 갖는다. 또한, 미구동 픽셀은 전력을 소모하지 않는다는 점에서 매우 경제적이다.
동작 면에서 PM-OLED는 높은 전류로 스캐닝 시간(scanning time) 동안만 발광을 하고, AM-OLED는 낮은 전류로 프레임 시간(frame time)동안 계속 발광 상태를 유지한다. 따라서, AM-OLED는 PM-OLED에 비해서 해상도가 좋고, 대면적 디스플레이 패널 구동이 유리하며, 전력 소모가 적다는 장점이 있다. 또한, 박막 트랜지스터(TFT)를 내장하여 각 소자를 개별적으로 제어할 수 있기 때문에 정교한 화면을 구현하기 쉽다.
또한, 유기물층(280)은 HIL(Hole Injection Layer, 정공주입층), HTL(Hole Transfer Layer, 정공수송층), EIL(Electron Injection Layer, 전자주입층), ETL(Electron Transfer Layer, 전자수송층), EML(Emission Material Layer, 발광층)을 포함할 수 있다.
각 층에 대해 간략히 설명하면, HIL은 정공을 주입시키며, CuPc 등의 물질을 이용한다. HTL은 주입된 정공을 이동시키는 기능을 하고, 주로, 정공의 이동성(hole mobility)이 좋은 물질을 이용한다. HTL은 아릴라민(arylamine), TPD 등이 이용될 수 있다. EIL과 ETL은 전자의 주입과 수송을 위한 층이며, 주입된 전자와 정공은 EML에서 결합되어 발광한다. EML은 발광되는 색을 표현하는 소재로서, 유기물의 수명을 결정하는 호스트(host)와 색감과 효율을 결정하는 불순물(dopant)로 구성된다. 이는, OLED 패널에 포함되는 유기물층(280)의 기본적인 구성을 설명한 것일 뿐, 본 발명은 유기물층(280)의 층구조나 소재 등에 한정되지 않는다.
유기물층(280)은 애노드(Anode)(미도시)와 캐소드(Cathode)(미도시) 사이에 삽입되며, TFT가 온(On) 상태가 되면, 구동 전류가 애노드에 인가되어 정공이 주입되고 캐소드에는 전자가 주입되어, 유기물층(280)으로 정공과 전자가 이동하여 빛을 발산한다.
당해 기술분야의 당업자에게는, LCD 패널 또는 OLED 패널이 디스플레이 기능을 수행하기 위해 다른 구성을 더 포함할 수 있으며 변형이 가능함이 자명할 것이다.
본 발명에 따른 터치 입력 장치(1000)의 디스플레이 모듈(200)은 디스플레이 패널(200A) 및 디스플레이 패널(200A)를 구동하기 위한 구성을 포함할 수 있다. 구체적으로, 디스플레이 패널(200A)이 LCD 패널인 경우, 디스플레이 모듈(200)은 제2 편광층(272) 하부에 배치되는 백라이트 유닛(미도시: backlight unit)을 포함하여 구성될 수 있고, LCD패널의 작동을 위한 디스플레이 패널 제어 IC, 그래픽 제어 IC 및 기타 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서(10)는 디스플레이 모듈(200) 외부 또는 내부에 위치할 수 있다.
터치 입력 장치(1000)에서 터치 센서(10)가 디스플레이 모듈(200)의 외부에 배치되는 경우, 디스플레이 모듈(200) 상부에는 터치 센서 패널이 배치될 수 있고, 터치 센서(10)가 터치 센서 패널에 포함될 수 있다. 터치 입력 장치(1000)에 대한 터치 표면은 터치 센서 패널의 표면일 수 있다.
터치 입력 장치(1000)에서 터치 센서(10)가 디스플레이 모듈(200)의 내부에 배치되는 경우, 터치 센서(10)가 디스플레이 패널(200A) 외부에 위치하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 터치 센서(10)가 제1 기판층(261,281)의 상면에 형성될 수 있다. 이때, 터치 입력 장치(1000)에 대한 터치 표면은 디스플레이 모듈(200)의 외면으로서 도 3a 및 도 3b에서 상부면 또는 하부면이 될 수 있다.
터치 입력 장치(1000)에서 터치 센서(10)가 디스플레이 모듈(200)의 내부에 배치되는 경우, 실시예에 따라 터치 센서(10) 중 적어도 일부는 디스플레이 패널(200A) 내에 위치하도록 구성되고 터치 센서(10) 중 적어도 나머지 일부는 디스플레이 패널(200A) 외부에 위치하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 터치 센서(10)를 구성하는 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 중 어느 하나의 전극은 디스플레이 패널(200A) 외부에 위치하도록 구성될 수 있으며, 나머지 전극은 디스플레이 패널(200A) 내부에 위치하도록 구성될 수도 있다. 구체적으로, 터치 센서(10)를 구성하는 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 중 어느 하나의 전극은 제1 기판층(261,281) 상면에 형성될 수 있으며, 나머지 전극은 제1 기판층(261,281) 하면 또는 제2 기판층(262,283) 상면에 형성될 수 있다.
터치 입력 장치(1000)에서 터치 센서(10)가 디스플레이 모듈(200)의 내부에 배치되는 경우, 터치 센서(10)가 디스플레이 패널(200A) 내부에 위치하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 터치 센서(10)가 제1 기판층(261,281)의 하면 또는 제2 기판층(262,283)의 상면에 형성될 수 있다.
디스플레이 패널(200A) 내부에 터치 센서(10)가 배치되는 경우, 터치 센서 동작을 위한 전극이 추가로 배치될 수도 있으나, 디스플레이 패널(200A) 내부에 위치하는 다양한 구성 및/또는 전극이 터치 센싱을 위한 터치 센서(10)로 이용될 수도 있다. 구체적으로, 디스플레이 패널(200A)이 LCD 패널인 경우, 터치 센서(10)에 포함되는 전극 중 적어도 어느 하나는 데이터 라인(data line), 게이트 라인(gate line), TFT, 공통 전극(Vcom: common electrode) 및 픽셀 전극(pixel electrode) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 디스플레이 패널(200A)이 OLED 패널인 경우, 터치 센서(10)에 포함되는 전극 중 적어도 어느 하나는 데이터 라인(data line), 게이트 라인(gate line), 제1 전원라인(ELVDD) 및 제2 전원라인(ELVSS) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이 때, 터치 센서(10)는 도 1a에서 설명된 구동전극 및 수신전극으로 동작하여 구동전극 및 수신전극 사이의 상호정전용량에 따라 터치 위치를 검출할 수 있다. 또한, 터치 센서(10)는 도 1b에서 설명된 단일 전극(30)으로 동작하여 단일 전극(30) 각각의 자기정전용량에 따라 터치 위치를 검출할 수 있다. 이 때, 터치 센서(10)에 포함되는 전극이 디스플레이 패널(200A)의 구동에 사용되는 전극일 경우, 제1 시간구간에 디스플레이 패널(200A)을 구동하고, 제1 시간구간과 다른 제2 시간구간에 터치 위치를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 압력센서층(450)은 디스플레이 모듈(200)의 하부에 접착층(300)에 의해 접착될 수 있다. 도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에서 스트레인 게이지가 적용되는 예를 예시한다.
본 발명에 따른 터치 입력 장치(1000)에서는 디스플레이 모듈(200)의 하부에 압력센서층(450)이 배치되되, 압력센서층(450)은 기판(400)과 기판(400)의 상면에 형성된 제1 스트레인 게이지(451)와 기판(400)의 하면에 형성된 제2 스트레인 게이지(452)를 포함할 수 있다. 이때, 접착층(300)은 디스플레이 모듈(200)과 압력센서층(450)의 사이에 형성되어 압력센서층(450)을 디스플레이 모듈(200)의 하부에 접착시킬 수 있다.
제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)는 예를 들어, 그래핀을 포함한 혼합물 등의 잉크성분으로 구성될 수 있다. 기판(400)의 상면에 제1 스트레인 게이지(451)를 잉크성분으로 증착하거나, 기판(400)의 하면에 제2 스트레인 게이지(452)를 잉크성분으로 증착하는 방법은 프린트 방법, 잉크젯(Inkjet) 방법 등을 이용할 수 있다. 여기에서, 잉크성분의 영률(Young's Modulus)은 클수록 유리하다.
이러한 압력센서층(450)이 적용된 본 발명에 따른 터치 입력 장치(1000)에서, 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서가 형성된 커버층(100)과 디스플레이 패널(200A)을 포함하는 디스플레이 모듈(200) 사이가 OCA(Optically Clear Adhesive)와 같은 접착제로 라미네이션되어 있을 수 있다. 이에 따라 터치 센서의 터치 표면을 통해 확인할 수 있는 디스플레이 모듈(200)의 디스플레이 색상 선명도, 시인성 및 빛 투과성이 향상될 수 있다.
도 4b 및 이하의 일부 도면에서 디스플레이 패널(200A)이 커버층(100)에 직접 라미네이션되어 부착된 것으로 도시되나, 이는 단지 설명의 편의를 위한 것이며 제1 편광층(271,282)이 디스플레이 패널(200A)의 상부에 위치한 디스플레이 모듈(200)이 커버층(100)에 라미네이션되어 부착될 수 있으며, LCD 패널이 디스플레이 패널(200A)인 경우, 제2 편광층(272) 및 백라이트 유닛이 더 추가로 형성될 수 있다.
도 4b 내지 도 4e를 참조한 설명에서, 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)로서 터치 센서가 형성된 커버층(100)이 도 4a에 도시된, 디스플레이 모듈(200) 상에 접착제로 라미네이션되어 부착된 것을 예시하나, 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 터치 센서(10)가 도 4a에 도시된 디스플레이 모듈(200) 내부에 배치되는 경우도 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4b 내지 도 4e에서 터치 센서가 형성된 커버층(100)이 디스플레이 패널(200A)를 포함하는 디스플레이 모듈(200)을 덮는 것이 도시되나, 터치 센서(10)는 디스플레이 모듈(200) 내부에 위치하고 디스플레이 모듈(200)이 유리와 같은 커버층(100)으로 덮인 터치 입력 장치(1000)가 본 발명의 실시예로 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 셀폰(cell phone), PDA(Personal Data Assistant), 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet Personal Computer), MP3 플레이어, 노트북(notebook) 등과 같은 터치 스크린을 포함하는 전자 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 프레임기판(330A)은, 예컨대 터치 입력 장치(1000)의 최외곽 기구인 하우징(320)과 함께 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 회로기판 및/또는 배터리가 위치할 수 있는 실장공간(310) 등을 감싸는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 회로기판에는 메인보드(main board)로서 중앙 처리 유닛인 CPU(central processing unit) 또는 AP(application processor) 등이 실장되어 있을 수 있다. 프레임기판(330A)을 통해 디스플레이 모듈(200)과 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 회로기판 및/또는 배터리가 분리되고, 디스플레이 모듈(200)에서 발생하는 전기적 노이즈 및 회로기판에서 발행하는 노이즈가 차단될 수 있다.
터치 입력 장치(1000)에서 터치 센서(10) 또는 커버층(100)이 디스플레이 모듈(200), 프레임기판(330A), 및 실장공간(310)보다 넓게 형성될 수 있으며, 이에 따라 하우징(320)이 터치 센서(10)와 함께 디스플레이 모듈(200), 프레임기판(330A) 및 회로기판을 감싸도록, 하우징(320)이 형성될 수 있다.
이하에서, 터치 센서(10)에 포함된 전극과 구분이 명확하도록, 터치 압력을 검출하기 위한 압력센서를 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)로 지칭한다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 터치 센서(10)를 통해 터치 위치를 검출하고, 디스플레이 모듈(200)의 하부에 접착된 압력센서층(450)으로부터 터치 압력을 검출할 수 있다. 이때, 터치 센서(10)는 디스플레이 모듈(200)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 에어갭(airgap)으로 이루어진 스페이서층(420)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 스페이서층(420)은 실시예에 따라 충격흡수물질로 이루어질 수 있다. 스페이서층(420)은 실시예에 따라 유전 물질(dielectric material)로 채워질 수 있다.
이때, 압력센서층(450)은 디스플레이 모듈(200)의 전면이 아닌 후면에 배치되므로 투명 물질뿐 아니라 불투명 물질로 구성되는 것도 가능하다. 디스플레이 모듈(200) 내에 포함된 디스플레이 패널(200A)이 LCD 패널인 경우, 백라이트 유닛으로부터 빛이 투과되어야 하므로, 압력센서층(450)은 ITO와 같은 투명한 물질로 구성될 수 있다.
이때, 스페이서층(420)을 유지하기 위해서 프레임기판(330A) 상부의 테두리를 따라 소정 높이를 갖는 프레임(330B)이 형성될 수 있다. 이때, 프레임(330B)은 접착 테이프(미도시)로 커버층(100)에 접착될 수 있다. 도 4c에서 프레임(330B)은 프레임기판(330A)의 모든 테두리(예컨대, 4각형의 4면)에 형성된 것이 도시되나, 프레임(330B)은 프레임기판(330A)의 테두리 중 적어도 일부(예컨대, 4각형의 3면)에만 형성될 수도 있다. 실시예에 따라, 프레임(330B)은 프레임기판(330A)의 상부면에 프레임기판(330A)과 일체형으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 프레임(330B)은 탄성이 없는 물질로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 커버층(100)을 통하여 디스플레이 모듈(200)에 힘이 인가되는 경우 커버층(100)과 함께 디스플레이 모듈(200)이 휘어질 수 있으므로 프레임(330B)이 힘에 따라 형체의 변형이 없더라도 터치 압력의 크기를 검출할 수 있다.
도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지를 포함하는 터치 입력 장치의 단면도이다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압력센서층(450)은 디스플레이 모듈(200)의 하부에 접착될 수 있다.
도 4e는 도 4d에 도시된 터치 입력 장치(1000)에 압력이 인가된 경우의 단면도이다. 프레임기판(330A)의 상부면은 노이즈 차폐를 위해 그라운드(ground) 전위를 가질 수 있다. 객체(500)를 통해 커버층(100)의 표면에 힘을 인가하는 경우 커버층(100) 및 디스플레이 모듈(200)은 휘어지거나 눌릴 수 있다. 디스플레이 모듈(200)이 휘어짐에 따라, 디스플레이 모듈(200)의 하부에 접착된 압력센서층(450)이 변형되고, 그에 따라 압력센서층(450)에 포함된 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)의 저항값이 변할 수 있다. 이러한 저항값의 변화로부터 터치 압력의 크기를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서, 디스플레이 모듈(200)은 압력을 인가하는 터치에 따라 휘어지거나 눌릴 수 있다. 디스플레이 모듈(200)은 터치에 따라 변형을 나타내도록 휘어지거나 눌릴 수 있다. 실시예에 따라 디스플레이 모듈(200)이 휘어지거나 눌릴 때 가장 큰 변형을 나타내는 위치는 상기 터치 위치와 일치하지 않을 수 있으나, 디스플레이 모듈(200)은 적어도 상기 터치 위치에서 휘어짐을 나타낼 수 있다. 예컨대, 터치 위치가 디스플레이 모듈(200)의 테두리 및 가장자리 등에 근접하는 경우 디스플레이 모듈(200)이 휘어지거나 눌리는 정도가 가장 큰 위치는 터치 위치와 다를 수 있으나, 디스플레이 모듈(200)은 적어도 상기 터치 위치에서 휘어짐 또는 눌림을 나타낼 수 있다.
도5a, 도5d 내지 도5f는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에 사용되는 터치 압력을 감지할 수 있는 예시적인 힘 센서의 평면도이다. 이 경우, 힘 센서는 스트레인 게이지(strain gauge)일 수 있다. 스트레인 게이지는 스트레인 양에 비례하여 전기 저항이 달라지는 장치로, 일반적으로 금속 결합된 스트레인 게이지가 사용될 수 있다.
스트레인 게이지에 사용될 수 있는 재료로는, 투명 물질로, 전도성 고분자(PEDOT: polyethyleneioxythiophene), ITO(indium tin oxide), ATO(Antimony tin oxide), 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotubes), 그래핀(graphene), 산화갈륨아연(gallium zinc oxide), 인듐갈륨아연산화물(IGZO: indium gallium zinc oxide), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 산화갈륨(Ga2O3), and 산화카드뮴(CdO), 기타 도핑된 금속 산화물, 압전 저항 소자(piezoresistive element), 압전 저항 반도체 물질(piezoresistive semiconductor materials), 압전 저항 금속 물질(piezoresistive metal material), 은 나노 와이어(silver nanowire), 백금 나노 와이어(platinum nanowire), 니켈 나노 와이어(nickel nanowire), 기타 금속 나노 와이어(metallic nanowires) 등이 사용될 수 있다. 불투명 물질로는, 은잉크(silver ink), 구리(copper), 은나노(nano silver), 탄소 나노튜브(CNT: carbon nanotube), 콘스탄탄 합금(Constantan alloy), 카르마 합금(Karma alloys), 도핑된 다결정질 실리콘(polycrystalline silicon), 도핑된 비결정질 실리콘(amorphous silicon), 도핑된 단결정 실리콘(single crystal silicon), 도핑된 기타 반도체 물질(semiconductor material) 등이 사용될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 금속 스트레인 게이지는 격자형 방식으로 정렬된 금속 호일로 구성될 수 있다. 격자형 방식은 평행 방향으로 변형되기 쉬운 금속 와이어 또는 호일의 변형량을 극대화시킬 수 있다. 이 때, 도 5a에 도시된 제1 스트레인 게이지(451)의 수직방향 격자 단면은 전단 변형률(shear strain)과 포아송 변형률(Poisson Strain)의 효과를 감소시키기 위해 최소화될 수 있다. 이하에서는 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)의 형상이 실질적으로 동일할 수 있기 때문에, 제1 스트레인 게이지(451)에 대해 설명하기로 하며 이에 관해서 제2 스트레인 게이지(452)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5a의 예에서, 제1 스트레인 게이지(451)는 휴지(at rest) 상태에 있는 동안, 즉, 스트레인되지 않거나 다르게 변형되지 않은 동안 접촉하지는 않지만 서로 가까이 배치된 트레이스(traces)를 포함할 수 있다. 스트레인 게이지는 스트레인 또는 힘의 부재시 1.8KΩ ±0.1%와 같은 공칭 저항(nominal resistance)을 가질 수 있다. 스트레인 게이지의 기본 파라미터로 변형률에 대한 민감도가 게이지 계수(GF)로 표현될 수 있다. 이 때, 게이지 계수는 길이의 변화(변형률)에 대한 전기 저항 변화의 비율로 정의될 수 있고, 다음과 같이 스트레인ε의 함수로서 표현할 수 있다.
Figure 112017086443805-pat00001
여기서 △R은 스트레인 게이지 저항의 변화량이고, R은 비변형(undeformed) 스트레인 게이지의 저항이고, GF는 게이지 계수이다.
이 때, 저항의 작은 변화를 측정하기 위해, 스트레인 게이지는 대부분의 경우 전압 구동 소스가 있는 브리지 설정에서 사용된다. 도 5b 및 도 5c는 본 발명에 따른 터치 입력 장치에 적용될 수 있는 예시적인 스트레인 게이지를 도시한다. 도 5b의 예에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지는 네 개의 다른 저항(R1, R2, R3, R4로 도시됨)을 갖는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)(3000)에 포함되어, 가해진 힘을 나타내는 (다른 저항기들에 대한) 게이지의 저항 변화를 감지할 수 있다. 브리지(3000)는 힘 센서 인터페이스(미도시)에 결합되어, 터치 제어기(미도시)로부터 구동 신호(전압 VEX)를 수신하여 스트레인 게이지를 구동하고, 처리를 위해 가해진 힘을 나타내는 감지 신호(전압 VO)를 터치 제어기로 송신할 수 있다. 이 때, 브리지(3000)의 출력 전압(VO)은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112017086443805-pat00002
상기 등식에서 R1/R2 = R4/R3인 경우, 출력 전압(VO)은 0이 된다. 이 조건하에서 브리지(3000)는 균형을 이룬 상태이다. 이 때, 브리지(3000)에 포함된 저항 중 어느 하나의 저항값이 변경되면 0이 아닌 출력 전압(VO)이 출력된다.
이때, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 스트레인 게이지(451)가 RG이고, RG가 변화하는 경우, 제1 스트레인 게이지(451)의 저항의 변화는 브리지에 불균형을 가져오며 0이 아닌 출력 전압(VO)을 생성한다. 제1 스트레인 게이지(451)의 공칭 저항이 RG일 때, 변형으로 유도된 저항의 변화 △R은 상기 게이지 계수 등식을 통해 ΔR = RG×GF×ε로 표현할 수 있다. 이때, R1 = R2이고 R3 = RG라고 가정할 때 상기 브리지 등식을 VO/VEX 의 스트레인ε에 대한 함수로 다시 쓰면, 다음과 같다.
Figure 112017086443805-pat00003
비록 도 5c의 브리지가 단지 하나의 제1 스트레인 게이지(451)만 포함하지만, 도 5b의 브리지에 포함된 R1, R2, R3, R4로 도시된 위치에 네 개의 스트레인 게이지까지 사용될 수 있고, 이 경우 게이지들의 저항 변화는 가해진 힘을 감지하는데 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
도 4d 및 도 4e에 도시된 바와 같이, 압력센서층(450)이 접착된 디스플레이 모듈(200)에 터치 압력이 가해지면, 디스플레이 모듈(200)은 휘어지고, 디스플레이 모듈(200)이 휘어짐에 따라 기판(400)의 상면에 형성된 제1 스트레인 게이지(451)의 저항은 감소하고, 기판(400)의 하면에 형성된 제2 스트레인 게이지(452)의 저항은 증가하게 된다. 가해지는 터치 압력이 증가함에 따라, 제1 스트레인 게이지(451)의 저항과 제2 스트레인 게이지(452)의 저항은 그에 대응하여 변화(즉, 저항이 감소하거나 증가)할 수 있다. 따라서, 힘 센서 제어기(1300)가 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)의 저항값의 변화량을 검출하면, 그러한 저항값의 변화량은 디스플레이 모듈(200)에 가해진 터치 압력으로 해석될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 브리지(3000)는 힘 센서 제어기(1300)와 통합될 수 있고, 이 경우 저항(R1, R2, R3) 중 적어도 하나 이상은 힘 센서 제어기(1300) 내의 저항으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 저항(R2, R3)은 힘 센서 제어기(1300) 내의 저항들로 대체되고, 제1 스트레인 게이지(451) 및 저항(R1)으로 브리지(3000)를 형성할 수 있다. 이로써 브리지(3000)가 차지하는 공간이 줄어들 수 있다.
도 5a에 도시된 제1 스트레인 게이지(451)의 트레이스는 수평방향으로 정렬되어 있으므로, 수평방향의 변형에 대하여 트레이스의 길이 변화가 크므로 수평방향의 변형에 대한 감도는 높으나, 수직방향의 변형에 대하여는 트레이스의 길이 변화가 상대적으로 작으므로, 수직방향의 변형에 대한 감도는 낮다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 스트레인 게이지(451)가 복수의 세부 영역을 포함하고, 각각의 세부영역에 포함된 트레이스의 정렬 방향을 다르게 구성할 수 있다. 이렇게 정렬 방향이 다른 트레이스들을 포함하는 제1 스트레인 게이지(451)를 구성함으로써, 변형 방향에 대한 제1 스트레인 게이지(451)의 감도 차이를 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 터치 입력 장치(1000)는 디스플레이 모듈(200) 하부에 도 5a 및 도 5d에 도시된 바와 같이 하나의 제1 스트레인 게이지(451)를 형성하여 단일 채널로 구성된 힘 센서를 구비할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 터치 입력 장치(1000)는 디스플레이 모듈(200) 하부에 도 5e에 도시된 바와 같이 복수의 제1 스트레인 게이지(451)를 형성하여 복수 채널로 구성된 힘 센서를 구비할 수도 있다. 이러한 복수 채널로 구성된 힘 센서를 이용하여 복수의 터치에 대한 복수의 힘 각각의 크기를 동시에 센싱할 수도 있다.
온도 증가는 가해진 터치 압력이 없어도 디스플레이 모듈(200)을 팽창시키고, 그 결과 디스플레이 모듈(200)의 하부에 형성된 압력센서층(450)이 늘어날 수 있기 때문에, 온도 변화는 압력센서층(450)에 악영향을 미칠 수 있다. 그 결과, 압력센서층(450)에 포함된 제1 스트레인 게이지(451)의 저항이 증가하고 제1 스트레인 게이지(451)에 가해진 터치 압력으로 잘못 해석될 수 있다.
온도 변화를 보상하기 위해, 도 5c에 도시된 브리지(3000)의 저항(R1, R2, R3) 중 적어도 하나 이상이 서미스터(thermistor)로 대체될 수 있다. 서미스터의 온도에 의한 저항 변화는 디스플레이 모듈(200)의 열 팽창으로 인한 제1 스트레인 게이지(451)의 온도에 의한 저항 변화에 대응할 수 있고, 그럼으로써 온도에 의한 출력 전압(VO)의 변화를 줄여줄 수 있다.
또한, 두 개의 게이지를 사용하여 온도 변화의 영향을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 도 5f에 도시된 바와 같이, 수평방향으로의 변형이 일어날 때, 제1 스트레인 게이지(451)의 트레이스는 변형 방향과 평행한 수평방향으로 정렬될 수 있고, 더미 게이지(461)의 트레이스는 변형 방향과 직교하는 수직방향으로 정렬될 수 있다. 이때, 변형은 제1 스트레인 게이지(451)에 영향을 미치고 더미 게이지(461)에는 영향을 거의 미치지 않으나, 온도는 제1 스트레인 게이지(451) 및 더미 게이지(461) 모두에 같은 영향을 미친다. 따라서, 온도 변화가 두 게이지에 동일하게 적용되므로, 두 게이지의 공칭 저항 RG의 비율은 변하지 않는다. 이때, 이러한 두 게이지가 휘트스톤 브리지의 출력 노드를 공유하는 경우, 즉, 두 게이지가 도 5b의 R1과 R2인 경우, 혹은 R3와 R4인 경우, 브리지(3000)의 출력 전압(VO) 또한 변하지 않으므로, 온도 변화의 영향을 최소화할 수 있다.
이하에서는, 도 4a 및 도 6a 내지 도 6f를 참조하여, 본 발명의 기술적 사상 및 이에 관한 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 디스플레이 모듈(200)과 디스플레이 모듈(200)의 하부에 배치된 압력센서층(450)을 포함하며, 디스플레이 모듈(200)과 압력센서층(450)의 사이에 접착층(300)이 존재하여 압력센서층(450)을 디스플레이 모듈(200)에 접착시킬 수 있다.
압력센서층(450)은 기판(400)의 상면에 제1 스트레인 게이지(451)가 형성되고, 기판(400)의 하면에 제2 스트레인 게이지(452)가 형성된 구조를 포함할 수 있다. 이때, 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)는 기판(400)의 반대면에 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있으며, 실시예에 따라 제1 스트레인 게이지(451)는 기판(400)의 상면에 복수 개 형성되고, 제2 스트레인 게이지(452)는 기판(400)의 하면에 복수 개 형성될 수 있다. 또한, 기판(400)에서 서로 대응하는 위치에 형성된 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)는 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 모듈(200)에 압력이 인가되면 디스플레이 모듈(200)이 휘어지며, 이러한 디스플레이 모듈(200)의 휘어짐에 따라 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452) 각각의 전기적 특성(예를 들어, 저항값)이 변화하고, 이때, 기판(400)의 영률(Young's Modulus)은 접착층(300)의 영률보다 크고, 500GPa 보다 작을 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 사상은 시뮬레이션 결과에 따라 증명되는 결과이며, 기판(400)의 영률이 접착층(300)의 영률 이하인 경우에는 터치 압력을 검출하는 감도가 현저히 낮으며, 기판(400)의 영률이 접착층(300)의 영률보다 크면 터치 압력을 검출하는 감도가 증가하다가 500GPa 이상에서는 터치 압력을 검출하는 감도가 점차적으로 감소하게 된다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 디스플레이 모듈(200)에 포함된 글래스층(200B)의 영률을 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 여기에서는, 기판(400)이 PET 임을 전제하고, 접착층(300)의 영률이 기판(400)의 영률의 1/10,000인 경우를 전제한다. 그래프의 x축은 기판(400)의 영률 대비 글래스층(200B)의 영률의 비율을 나타낸다. 예를 들어, E+1은 10배, E+2는 100배, E-1은 1/10배, E-2는 1/100배를 의미한다. 실선의 경우는 기판(400)의 두께가 25㎛ 인 경우이고, 점선의 경우는 기판(400)의 두께가 200㎛ 인 경우의 시뮬레이션 결과이다. top으로 표기된 부분은 제1 스트레인 게이지(451)에 대한 시뮬레이션 결과이고, bot로 표기된 부분은 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과이다. 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과를 하나로 통합해서 분석하면, 글래스층(200B)의 영률이 기판(400)의 영률의 100배 이상이 아니라면, 터치 압력의 검출 감도에 영향을 미치지 않는다. 즉, E+2 이전에는 저항 변화량이 거의 일정함을 알 수 있다. 또한, 여기에서 알 수 있는 점은, 기판(400)의 두께가 두꺼울수록 저항 변화량의 절대값이 크고, 이는 터치 압력의 검출 감도가 큰 것을 의미한다.
도 6d 내지 도 6f를 참조하면, 디스플레이 모듈(200)에 포함된 글래스층(200B)의 영률을 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 여기에서도, 기판(400)이 PET 임을 전제하고, 접착층(300)의 영률이 기판(400)의 영률의 1/100인 경우를 전제한다(도 6a 내지 도 6c에서의 시뮬레이션과 차이점). 그래프의 x축은 기판(400)의 영률 대비 글래스층(200B)의 영률의 비율을 나타낸다. 예를 들어, E+1은 10배, E+2는 100배, E-1은 1/10배, E-2는 1/100배를 의미한다. 실선의 경우는 기판(400)의 두께가 25㎛ 인 경우이고, 점선의 경우는 기판(400)의 두께가 200㎛ 인 경우의 시뮬레이션 결과이다. top으로 표기된 부분은 제1 스트레인 게이지(451)에 대한 시뮬레이션 결과이고, bot로 표기된 부분은 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과이다. 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과를 하나로 통합해서 분석하면, 기판(400)의 두께가 두꺼울수록 저항 변화량의 절대값이 크고, 이는 터치 압력의 검출 감도가 큰 것을 의미한다. 또한, 글래스층(200B)의 영률이 기판(400)의 영률에 대비하여 낮은 영률을 가져야만(즉, E-3으로 갈수록 (+)방향과 (-)방향으로의 방향성이 뚜렷하게 드러남) 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)는 방향성 확보가 가능함을 알 수 있다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 압력센서층(450)에 포함된 기판(400)의 영률을 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 여기에서는, 글래스층(200B)의 영률이 PET의 영률의 10배임을 전제하고, 접착층(300)의 영률이 PET의 1/100인 경우를 전제한다. 그래프의 x축은 PET의 영률 대비 기판(400)의 영률의 비율을 나타낸다. 예를 들어, E+1은 10배, E+2는 100배, E-1은 1/10배, E-2는 1/100배를 의미한다. 실선의 경우는 기판(400)의 두께가 25㎛ 인 경우이고, 점선의 경우는 기판(400)의 두께가 200㎛ 인 경우의 시뮬레이션 결과이다. top으로 표기된 부분은 제1 스트레인 게이지(451)에 대한 시뮬레이션 결과이고, bot로 표기된 부분은 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과이다. 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과를 하나로 통합해서 분석하면, E+2 이후에 Z 변위가 감소하는 것으로 나타나므로(도 7d 참조) 기판(400)이 지나치게 단단한 경우(예를 들어, 기판(400)의 영률이 PET 대비 100배 이상)에는 터치 압력의 검출 감도가 나쁘고, 기판(400)이 너무 단단해서 눌리지 않는 것으로 분석할 수 있다. 그러므로, 기판(400)이 지나치게 단단한 것은 터치 압력의 검출 감도에 악영향을 미친다.
도 7e를 참조하면, 압력센서층(450)에 포함된 기판(400)의 영률을 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 여기에서는, 글래스층(200B)의 영률이 PET의 영률의 10배임을 전제하고, 접착층(300)의 영률이 PET의 1/10인 경우를 전제한다(도 7a 내지 도 7d에서의 시뮬레이션과 차이점). 그래프의 x축은 PET의 영률 대비 기판(400)의 영률의 비율을 나타낸다. 예를 들어, E+1은 10배, E+2는 100배, E-1은 1/10배, E-2는 1/100배를 의미한다. 도 7e의 시뮬레이션 결과는 기판(400)의 두께가 25㎛ 인 경우에 대해 나타나 있다. top으로 표기된 부분은 제1 스트레인 게이지(451)에 대한 시뮬레이션 결과이고, bot로 표기된 부분은 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과이다. 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과를 하나로 통합해서 분석하면, 기판(400)의 영률이 PET의 영률의 1/10 이하 즉, 접착층(300)의 영률 이하인 경우에는, 터치 압력에 대한 검출 감도가 거의 0에 수렴하는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 7e를 참조하면, 기판(400)의 영률이 접착층(300)의 영률보다 커야 터치 압력에 대한 검출 감도가 존재하는 것을 알 수 있다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 접착층(300)의 영률을 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 여기에서는, 글래스층(200B)의 영률이 PET의 영률의 10배임을 전제하고, 기판(400)은 PET인 경우를 전제한다. 그래프의 x축은 PET의 영률 대비 접착층(300)의 영률의 비율을 나타낸다. 예를 들어, E+1은 10배, E+2는 100배, E-1은 1/10배, E-2는 1/100배를 의미한다. 실선의 경우는 기판(400)의 두께가 25㎛ 인 경우이고, 점선의 경우는 기판(400)의 두께가 200㎛ 인 경우의 시뮬레이션 결과이다. top으로 표기된 부분은 제1 스트레인 게이지(451)에 대한 시뮬레이션 결과이고, bot로 표기된 부분은 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과이다. 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)에 대한 시뮬레이션 결과를 하나로 통합해서 분석하면, 기판(400)의 두께가 두꺼울수록 저항 변화량의 절대값이 크고, 이는 터치 압력의 검출 감도가 큰 것을 의미한다. 접착층(300)의 영률이 작아져서 E-3인 경우보다 접착층(300)의 영률이 작은 경우에 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)의 방향성 변화가 나타남을 알 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 접착층(300)의 두께를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 도 9a에서는 접착층(300)의 영률이 PET의 1/10인 경우에 접착층(300)의 두께를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있고, 도 9b에서는 접착층(300)의 영률이 PET의 1/100인 경우에 접착층(300)의 두께를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있고, 도 9c에서는 접착층(300)의 영률이 PET의 1/10,000인 경우에 접착층(300)의 두께를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 접착층(300)의 두께에 관계없이 터치 압력 검출 감도는 실질적으로 동일함을 알 수 있다. 이러한 결과를 분석하면, 접착층(300)의 경우에는 두께보다는 영률에 영향을 많이 받는다고 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 입력 장치의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 디스플레이 모듈(200)과 디스플레이 모듈(200)의 하부에 배치된 압력센서층(450)을 포함하며, 디스플레이 모듈(200)과 압력센서층(450)의 사이에 제1 접착층(300)이 존재하여 압력센서층(450)을 디스플레이 모듈(200)에 접착시킬 수 있다.
그리고, 압력센서층(450) 하부에는 기판보강용 물질층(500)이 배치되며, 압력센서층(450)과 기판보강용 물질층(500) 사이에는 제2 접착층(301)이 존재하여 압력센서층(450)과 기판보강용 물질층(500)을 접착시킬 수 있다. 기판보강용 물질층(500)은 예를 들어, 스테인리스강(SUS), 고무(rubber) 등의 물질로 형성될 수 있다.
압력센서층(450)은 기판(400)의 상면에 제1 스트레인 게이지(451)가 형성되고, 기판(400)의 하면에 제2 스트레인 게이지(452)가 형성된 구조를 포함할 수 있다. 이때, 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)는 기판(400)의 반대면에 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있으며, 실시예에 따라 제1 스트레인 게이지(451)는 기판(400)의 상면에 복수 개 형성되고, 제2 스트레인 게이지(452)는 기판(400)의 하면에 복수 개 형성될 수 있다. 또한, 기판(400)에서 서로 대응하는 위치에 형성된 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452)는 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 접착층(300)과 제2 접착층(301)은 동일 물질로 형성될 수 있으나, 제1 접착층(300)의 영률은 제2 접착층(301)의 영률보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 모듈(200)에 압력이 인가되면 디스플레이 모듈(200)이 휘어지며, 이러한 디스플레이 모듈(200)의 휘어짐에 따라 제1 스트레인 게이지(451)와 제2 스트레인 게이지(452) 각각의 전기적 특성(예를 들어, 저항값)이 변화하고, 이때, 기판(400)의 영률(Young's Modulus)은 접착층(300)의 영률보다 크고, 500GPa 보다 작을 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 사상은 시뮬레이션 결과에 따라 증명되는 결과이며, 기판(400)의 영률이 접착층(300)의 영률 이하인 경우에는 터치 압력을 검출하는 감도가 현저히 낮으며, 기판(400)의 영률이 접착층(300)의 영률보다 크면 터치 압력을 검출하는 감도가 증가하다가 500GPa 이상에서는 터치 압력을 검출하는 감도가 점차적으로 감소하게 된다.
도 11을 참조하면, 기판보강용 물질층(500)의 두께를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 그래프의 x축은 기판보강용 물질층(500)의 두께를 나타낸다. 도 11을 참조하여 분석하면, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 변하여도 터치 압력의 검출 감도에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1 접착층(300)과 제2 접착층(301)은 동일 물질로 형성되어 있음을 전제하고, 제1 접착층(300)과 제2 접착층(301)의 영률을 함께 변화시키면서 시뮬레이션한 결과가 나타나 있다. 그래프의 x축은 PET의 영률 대비 제1 접착층(300) 또는 제2 접착층(301)의 영률의 비율을 나타낸다. 예를 들어, E+1은 10배, E+2는 100배, E-1은 1/10배, E-2는 1/100배를 의미한다. 도 12를 참조하여 분석하면, 기판보강용 물질층(500)을 부착하는 면의 접착층(즉, 제2 접착층(301))의 영률은 터치 압력의 검출 감도에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
이하에서는, 제1 접착층(300)과 제2 접착층(301)의 영률이 서로 다르다는 전제하에 시뮬레이션한 결과에 대해 설명한다.
도 13을 참조하면, Case 1 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 125.0107 이다.
Case 2 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/100 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 121.2163 이다.
Case 3 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 118.9174 이다.
Case 4 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/100 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 135.4304 이다.
도 13을 참조하여 분석하면, 제1 접착층(300)의 영률이 제2 접착층(301)의 영률보다 작은 경우에 터치 압력에 대한 검출 감도나 방향성 확보면에서 유리함을 알 수 있다.
도 14를 참조하면, Case 1 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 118.92 이다.
Case 2 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/100 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 135.43 이다.
Case 3 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/1,000 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 132.82 이다.
Case 4 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 121.98 이다.
도 14를 참조하여 분석하면, 제1 접착층(300)의 영률이 제2 접착층(301)의 영률보다 작은 경우(바람직하게는, 제1 접착층(300)의 영률이 제2 접착층(301)의 영률보다 1/100 정도)에 터치 압력에 대한 검출 감도나 방향성 확보면에서 유리함을 알 수 있다.
도 15 및 도 16은 제1 접착층과 제2 접착층 사이의 영률의 비율을 고정한 경우에 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15를 참조하면, Case 1 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/100 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 121.2163 이다.
Case 2 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/1,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/100 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 135.5150 이다.
Case 3 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/1,000 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 132.8164이다.
도 16을 참조하면, Case 1 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/1,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 120.1588 이다.
Case 2 의 경우는 제1 접착층(300)의 영률이 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률이 PET의 영률의 1/100 인 경우이다. 이때, 터치 압력에 대한 검출 감도는 135.4304 이다.
도 15 및 도 16을 참조하여 분석하면, 터치 압력에 대한 검출 감도는 제2 접착층(301)의 영률에 영향을 더 많이 받음을 알 수 있다.
도 17 및 도 18은 기판보강용 물질층의 두께를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17을 참조하면, 제1 접착층(300)의 영률은 PET의 영률의 1/100 이고, 제2 접착층(301)의 영률은 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 기판보강용 물질층(500)의 두께를 변화시키는 경우, 즉, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 50㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 131.03 이고, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 80㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 125.27 이고, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 100㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 121.22 이고, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 150㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 112.48 이다.
도 18을 참조하면, 제1 접착층(300)의 영률은 PET의 영률의 1/10,000 이고, 제2 접착층(301)의 영률은 PET의 영률의 1/10 인 경우이다. 이때, 기판보강용 물질층(500)의 두께를 변화시키는 경우, 즉, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 50㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 127.24 이고, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 80㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 121.87 이고, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 100㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 118.92 이고, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 150㎛ 인 경우에는 터치 압력에 대한 검출 감도는 108.98 이다.
도 17 및 도 18을 참조하여 분석하면, 기판보강용 물질층(500)의 두께가 두꺼울수록 터치 압력에 대한 검출 감도는 감소하고 Z 변위가 감소함을 알 수 있다(즉, 50㎛/150㎛에서의 Z 변위 차이는 10㎛). 제1 접착층(300)과 제2 접착층(301)의 영률을 서로 다르게 이용하는 경우, 방향성 확보 가능 여부는 경우에 따라 달라지게 된다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 커버층
200: 디스플레이 모듈
200A: 디스플레이 패널
200B: 글래스층
300: 접착층
450: 압력센서층
451: 제1 스트레인 게이지
452: 제2 스트레인 게이지

Claims (12)

  1. 터치 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치로서,
    디스플레이 모듈; 및
    상기 디스플레이 모듈의 하부에 배치된 압력센서층;을 포함하고,
    상기 디스플레이 모듈과 상기 압력센서층의 사이에 접착층이 존재하여 상기 압력센서층을 상기 디스플레이 모듈에 접착시키고,
    상기 압력센서층은 기판의 상면에 제1 스트레인 게이지가 형성되고 상기 기판의 하면에 제2 스트레인 게이지가 형성된 구조를 포함하고,
    상기 디스플레이 모듈에 압력이 인가되면 상기 디스플레이 모듈이 휘어지고,
    상기 디스플레이 모듈이 휘어짐에 따라 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지 각각의 전기적 특성이 변화하여 상기 터치 압력을 검출하고,
    상기 기판의 영률(Young's Modulus)은 상기 접착층의 영률보다 크게 하여 상기 터치 압력을 검출하는 감도를 향상시키는, 터치 입력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 영률은 500GPa 보다 작은, 터치 입력 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 반대면에 서로 대응하는 위치에 형성된, 터치 입력 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 스트레인 게이지는 상기 기판의 상면에 복수 개 형성되고, 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 하면에 복수 개 형성된, 터치 입력 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 기판의 서로 대응하는 위치에 형성된 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 전기적으로 연결된, 터치 입력 장치.
  6. 터치 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치로서,
    디스플레이 모듈;
    상기 디스플레이 모듈의 하부에 배치되고, 기판과 상기 기판의 상면에 형성된 제1 스트레인 게이지와 상기 기판의 하면에 형성된 제2 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서층;
    상기 디스플레이 모듈과 상기 압력센서층의 사이에 형성되어 상기 디스플레이 모듈과 상기 압력센서층을 접착시키는 제1 접착층;
    상기 압력센서층 하부에 배치되는 기판보강용 물질층; 및
    상기 압력센서층과 상기 기판보강용 물질층의 사이에 형성되어 상기 압력센서층과 상기 기판보강용 물질층을 접착시키는 제2 접착층;을 포함하고,
    상기 디스플레이 모듈에 압력이 인가되면 상기 디스플레이 모듈이 휘어지고,
    상기 디스플레이 모듈이 휘어짐에 따라 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지 각각의 전기적 특성이 변화하여 상기 터치 압력을 검출하고,
    상기 기판의 영률(Young's Modulus)은 상기 제1 접착층의 영률 및 상기 제2 접착층의 영률보다 크게 하여 상기 터치 압력을 검출하는 감도를 향상시키는, 터치 입력 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판의 영률은 500GPa 보다 작은, 터치 입력 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 접착층과 상기 제2 접착층은 동일 물질로 형성된, 터치 입력 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 접착층의 영률은 상기 제2 접착층의 영률보다 작은, 터치 입력 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 반대면에 서로 대응하는 위치에 형성된, 터치 입력 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스트레인 게이지는 상기 기판의 상면에 복수 개 형성되고, 상기 제2 스트레인 게이지는 상기 기판의 하면에 복수 개 형성된, 터치 입력 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기판의 서로 대응하는 위치에 형성된 상기 제1 스트레인 게이지와 상기 제2 스트레인 게이지는 전기적으로 연결된, 터치 입력 장치.
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