KR102293936B1 - 터치센서 모듈 - Google Patents

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KR102293936B1
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(주)파트론
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Abstract

본 발명은 터치센서 모듈에 관한 것으로서, 상기 터치센서 모듈은 사용자의 터치 여부에 따라 변하는 제1 전기적인 특성을 이용하는 제1 터치 감지부 및 상기 제1 터치 감지부 하부에 위치하고, 사용자의 터치 시 가해지는 가압 세기에 따라 변하는 제2 전기적인 특성을 이용하는 제2 터치 감지부를 포함한다.

Description

터치센서 모듈{TOUCH SENSOR MODULE}
본 발명은 터치센서 모듈에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 터치 상태와 가압 상태를 서로 다른 센서를 이용하여 판정하도록 하는 하이브리드형 터치센서 모듈(hybrid type touch sensor module)에 관한 것이다.
일반적으로 스마트폰(smart phone)이나 MP3 등과 같은 휴대용 전자 기기나 냉장고 등의 가전 기기에는 터치(touch) 동작을 이용하여 명령어의 입력이나 스위칭 동작을 실시하는 터치센서 패널(touch panel)이 부착되어 있다.
이러한 터치센서 모듈은 X축과 Y축의 좌표를 이용하여 터치 지점을 감지하는 2차원 터치 감지 방식뿐만 아니라 Z축 방향으로 인가되는 터치 강도를 추가로 감지하는 3차원 터치 감지 방식이 이용되고 있다.
이러한 3차원 터치 감지 방식을 위해, 종래에는 해당 지점에 인가되는 압력의 크기를 감지하거나 이미지를 터치의 강도를 감지하였으나 터치 강도 변화를 정확하게 감지하지 못하는 문제점이 존재한다.
대한민국 등록특허 제10-1777733호(등록일자: 2017년09월06일, 발명의 명칭: 이미지센서와 불투명 부재를 이용한 3D 터치 장치)
본 발명이 해결하려는 과제는 터치센서 모듈의 동작의 정확도를 향상시키기 위한 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 터치센서 모듈의 감도를 향상시키기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 터치센서 모듈은 사용자의 터치 여부에 따라 변하는 제1 전기적인 특성을 이용하는 제1 터치 감지부 및 상기 제1 터치 감지부 하부에 위치하고, 사용자의 터치 시 가해지는 가압 세기에 따라 변하는 제2 전기적인 특성을 이용하는 제2 터치 감지부를 포함한다.
제1 전기적인 특성은 커패시턴스이고, 제2 전기적인 특성은 리액턴스일 수 있다.
상기 제1 터치 감지부는 제1 기판 및 상기 제1 기판에 결합되고, 서로 이격되어 교대로 번갈아 위치하는 제1 전극과 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 빗 형태로 이루어질 수 있다.
상기 제2 터치 감지부는 제2 기판, 상기 제2 기판의 상부면 및 하부면 중 적어도 하나에 위치하는 코일, 상기 제2 기판의 위에 위치하는 상부막 및 상기 제2 기판과 상기 상부면 사이에 위치하는 간격재를 포함할 수 있다.
상기 상부막은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 터치 감지부는 상기 제2 기판의 일측에 일단이 끊김없이 연결되어 상기 제1 기판의 일측에 타단이 끊김없이 연결되어 있는 연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 연결부는 가요성 회로기판으로 이루어질 수 있다.
상기 특징에 따른 터치센서 모듈은 상기 제1 터치 감지부와 상기 제2 터치 감지부 사이에 위치하는 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 폴리이미드로 이루어질 수 있다.
이러한 본 발명의 특징에 따르면, 터치센서 패널의 터치 여부를 커패시턴스(capacitance)를 이용하고 터치 부위의 Z축 방향으로 가해지는 압력의 크기(즉, 가압 세기)은 인덕턴스(inductance)를 이용하면, 사용자의 터치 동작 상태를 정확히 판정하게 된다.
이로 인해, 해당 지점에 대한 사용자의 터치 목적을 좀 더 명확하게 판정하므로, 터치센서 모듈의 동작의 신뢰성이 향상된다.
더욱이, 터치 여부와 함께 가압 세기가 정확히 판정하므로, 가압 세기의 크기에 따라 터치 제어 상태를 세분화할 수 있으므로, 하나의 터치센서 모듈이 복수 개의 터치 버튼으로 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센서 모듈의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 터치센서 모듈에서, 제1 터치 감지부와 제2 터치 감지부가 서로 연결되어 있을 때 제1 터치 감지부가 제2 터치 감지부 위에 위치하기 전의 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센서 모듈의 제1 터치 감지부의 한 예를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센서 모듈에서 코일에 교류 전류가 인가될 때, 코일에 발생하는 자기장에 따라 터치 대상물에 형성되는 와전류를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 터치센서 모듈이 터치될 때, 상부막과 코일 간의 간격 변화에 따른 코일의 자기장 변화 및 커버 와전류의 세기 변화를 개념적으로 도시한 도면이다.
본 발명을 설명하는데 있어서, 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센서 모듈에 대해서 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 터치센서 모듈(100)은 맨 상부에서부터 케이스(case)(10), 케이스(10)의 하부에 위치하는 제1 터치 감지부(201), 제1 터치 감지부(201)의 하부에 위치하는 보호층(30), 그리고 보호층(30)의 하부에 위치하는 제2 터치 감지부(202)를 구비한다.
케이스(10)는 터치센서 모듈(100)을 보호하기 위한 외부 하우징으로서, 사용자의 터치 동작이 이루어지는 부분이다.
이러한 케이스(10)는 투명한 유리나 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다.
제1 터치 감지부(201)는 케이스(10)의 터치 여부를 판정하기 위한 것이고, 제2 터치 감지부(202)는 제1 터치 감지부(201)에 의해 판정된 터치 지점에서 행해지는 가압의 세기를 판정하기 위한 것이다.
이러한 본 예의 제1 터치 감지부(201)와 제2 터치 감지부(202)는 터치 상태에 따라 변하는 서로 다른 전기적인 특성인 제1 및 제2 전기적인 특성을 각각 이용하여 각각 터치 여부와 가압 세기를 판정할 수 있다.
즉, 제1 터치 감지부(201)는 케이스(10)의 해당 부위에 따른 터치 여부에 따라 변하는 커패시턴스(즉, 제1 전기적인 특성)를 이용하고, 제2 터치 감지부(202)는 터치된 부분에 가해지는 가압 세기에 따라 달리지는 간격 변화에 따라 변하는 인덕턴스(즉, 제2 전기적인 특성)를 이용한다.
이러한 제1 및 제2 터치 감지부(201, 202)에 대한 구조에 대해서는 다음에 상세한 기재한다.
보호층(30)은 제1 터치 감지부(201)와 제2 터치 감지부(202)의 전기적인 간섭을 방지하기 위한 것으로서, 내열성과 전기 절연성의 특징을 갖는 재료[예, 폴리이미드(polyimide)]로 이루어질 수 있다.
다음, 도 1 및 도 5를 참고하여, 제1 및 제2 터치 감지부(201 202)에 대하여 설명한다.
이미 기술한 것처럼, 제1 터치 감지부(201)는 커패시턴스를 이용하는 것으로서, 도 3에 도시한 것처럼, 기판(예, 제1 기판)(211)과 기판(211)의 해당 면(예, 상부면)에 배치되어 있는 제1 및 제2 전극(212, 213)을 구비한다.
기판(211)은 가요성 회로기판과 같은 절연 물질로 이루어져 있다.
기판(211)의 해당 면(예, 상부면) 위에 서로 이격되게 배열되어 있는 제1 전극(212)과 제2 전극(213)은 단위 면적당 일정한 저항을 갖는 도전성 물질로 이루어지고 정해진 형태의 패턴을 갖고 있다.
도 3에 도시한 것처럼, 제1 전극(212)과 제2 전극(213)은 빗 형태(comb type)를 갖고 있고, 정해진 방향을 따라 제1 전극(212)과 제2 전극(213)이 서로 교대로 위치한다.
이때, 제1 전극(212)과 제2 전극(213)은 동일면에 서로 이격되게 배열되어 있지만, 이에 한정되지 않은다.
제1 전극(212)과 제2 전극(213) 중 하나는 구동 신호가 인가되는 구동 전극으로 기능하고, 나머지 하나는 터치 여부에 따른 정정 용량의 크기를 감지하기 위한 감지 전극으로 가능할 수 있다.
이러한 제1 전극(212)과 제2 전극(213)은 금속이나 ITO(indium thin oxide)나 CNT(carbon nano tube) 등으로 이루어져 있다.
도 3에 도시한 것처럼, 빗 형태의 패턴으로 제1 전극(212)과 제2 전극(213)이 배치된 상태에서 구동 전극[예, 제1 전극(212)]으로 구동 전압이 인가되면, 서로 인접하게 대응하고 있는 구동 전극(212)과 감지 전극[예, 제2 전극(213)] 사이에는 전기장이 발생한다. 이때, 전기장은 구동 전극(212)에서 출력되어 감지 전극(213) 쪽으로 발생한다.
이런 상태에서, 서로 대응되는 구동 전극(212)과 감지 전극(213) 사이에 손가락이 인가되면 구동 전극(212)에서 출력되는 전기장의 일부가 손가락에 의해 차단되어, 구동 전극(212)과 감지 전극(213) 사이의 상호 커패시터가 변하게 된다.
따라서, 도시되지 않은 제어부는 감지 전극(213)에 의해 감지되는 커패시턴스의 크기를 이용하여 해당 위치에서의 손가락 터치 여부를 판정하게 된다.
제2 터치 감지부(202)는 터치 위치에서 가해지는 압력에 따른 코일과 코일 위에 위치하고 금속 등의 도전체 사이의 간격 변화에 따라 변하는 인덕턴스를 이용하여 터치 지점에 발생하는 압력(즉, 가압 세기)를 감지하는 인덕턴스 포스 센서(inductive force sensor)의 원리를 이용한다.
즉, 코일에 교류 전류가 인가되면 코일 주변에 자기장이 형성되며, 이때, 코일과 이격하여 도전체(예, 금속막)가 위치하면 코일에 인가되는 전류 방향과 대칭되게 유도 전류가 생성된다.
이때, 유도 전류는 자기장의 세기 변화에 대응하여 가변되며, 공진 주파수의 발진에 따라 해당 부위에 인가되는 힘의 세기가 감지된다.
따라서, 제2 터치 감지부(202)는, 도 2에 도시한 것처럼, 기판(예, 제2 기판)(2211)과 기판(2211)의 상부면과 하부면에 위치하는 적어도 하나의 감지용 코일(2212)로 이루어진 코일층(221), 보호층(30)과 코일층(221) 사이에 위치하는 상부막(222), 그리고 코일층(221)과 상부막(222) 사이에 위치하는 간격재(223)을 구비한다.
기판(2211)은 가요성 회로기판과 같은 절연 물질로 이루어져 있다.
코일(2212)이 위치하는 기판(2211)의 상부면과 하부면에는 에폭시(epoxy) 등을 이용하여 몰딩 처리가 이루어져 코일(2212)은 몰딩부 속에 위치하지만, 이러한 몰딩 처리는 생략될 수 있다.
기판(2211)의 상부면과 하부면에 위치하고 있는 적어도 하나의 코일(2212)은, 도 2에 도시한 것처럼, 사각형과 같은 다양한 형태의 다각형 형태나 나선형과 같은 원형 형태나 타원형 형태로 배치되어 있고, 외부로부터 교류 전류를 인가받는다.
코일(2212)은 서로 연결되어 있는 입력단과 출력단을 갖고 있고 금속과 같은 도전 물질로 이루어져 있는 하나의 긴 선(line)일 수 있고, 코일(2212)의 개수가 복수 개인 경우, 복수 개의 코일(2212)은 서로 이격되어 있다.
상부막(222)은 사용자의 터치 동작이 이루어진 터치 지점에 가해지는 압력에 따라 그 하부에 위치하고 있는 코일(2212)과의 간격이 변하는 것으로서, 압력의 크기에 따라 휨 현상이 발생하는 탄성력을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
이러한 상부막(222)은 전도성이 높은 물질로 이루어질 수 있고, 이 경우, 상부막(222)은 알루미늄(Al)이나 구리(Cu)와 같은 금속으로 이루어진 판 형태로 이루어질 수 있다.
간격재(223)은 코일층(221)과 그 위에 위치한 상부막(222) 사이의 위치하여 코일층(221)과 상부막(222) 사이의 이격 거리를 제어한다. 따라서, 코일층(221)과 상부막(222)은 간격재(223)의 길이(즉, 두께)만큼 이격되어 있다.
이러한 간격재(223)는 자신의 하부면과 상부면에 도포된 접착제 등을 통해 이들과 각각 접하는 코일층(221) 및 상부막(222)의 해당 부분(예를 들어, 가장자리부)에 안정적으로 위치할 수 있다.
이러한 구조를 갖는 제2 터치 감지부(202)는, 이미 기술한 것처럼, 코일(2212)과 상부막(222) 간의 이격 거리 변화에 따른 유도 전류의 크기 변화를 이용하는 인덕턴스 포스 센서의 동작 개념을 이용한 것이다.
예를 들어 해당 코일(2212)에 교류 전류가 인가되면, 도 4에 도시한 것처럼, 코일(2212) 주변에 자기장(M1)이 형성되고, 이 자기장(M1)의 영향에 의해 코일(2212)과 이격되게 위치하고 있는 상부막(222)에는 코일(2212)에 인가되는 전류 방향과 대칭되게 유도 전류(I1)가 생성된다.
이때, 유도 전류는 자기장의 세기 변화에 따라 가변되며, 공진 주파수의 발진에 따라 터치센서 모듈(100)에 인가되는 힘의 세기가 감지된다.
따라서, 도 5에 도시한 것처럼, 사용자의 동작에 의해 케이스(10)의 상부를 사용자가 누르게 되면, 인가되는 압력에 의해 케이스(10) 하부에 위치하는 상부막(222)으로 압력이 전달되어 사용자의 누름 동작에 따른 물리적인 힘에 비례하게 상부막(222)의 해당 지점은 코일(2212) 쪽으로 휘게 된다.
따라서, 상부막(222)과 해당 코일(2212) 간의 거리 감소에 따라 상부막(222)의 해당 지점에서의 유도 전류(I1)의 크기는 증가하고, 증가하는 유도 전류(I1)의 영향에 의해 해당 지점의 코일(2212)에서 발생하는 자기장(M1)이 감소한다(도 5 참조).
이러한 자기장(M1)의 감소는 코일(2212)의 실효 인덕턴스를 감소시키게 된다.
이처럼, 상부막(222)의 휨 정도에 따른 상부막(222)과 코일(2212)간의 거리 변화에 의해 코일(2212)의 인덕턴스 크기가 변하므로, 이러한 인덕턴스의 크기를 제어부가 감지하면 케이스(10)의 터치 지점에 가해지는 힘의 정도 즉, Z축 방향(즉, 터치센서 모듈(100)의 두께 방향)으로의 변화를 감지하게 된다.
본 예에서, 코일(2212)은 기판(2211)의 상부면과 하부면에 위치하지만, 이에 한정되지 않고 기판(2211)의 어느 한 면(예를 들어, 상부면)에만 위치할 수 있다.
이와 같이, 제어부는 제1 터치 감지부(201)에서 인가되는 신호를 이용하여 케이스(10)의 터치 여부를 감지하고, 제2 터치 감지부(202)에서 인가되는 신호를 이용하여 제1 터치 감지부(201)에 의해 감지된 터치 지점에서의 가압 세기를 판정하게 된다.
이로 인해, 제어부는 해당 지점에서의 터치 여부와 해당 지점에서 가해지는 압력의 크기를 정확하게 판정하게 되므로, 제어부는 해당 지점에서 행해지는 사용자의 터치 동작 상태를 명확히 판정하게 되므로 사용자의 터치 동작에 맞는 적절한 동작의 제어를 실행하게 된다.
예를 들어, 터치 동작을 이용한 버튼 스위치의 상승 조작이나 하강 조작의 터치 동작을 판정하기 위해서는 터치 여부와 가압 세기를 모두 판정해야 하므로 제1 터치 감지부(201)와 제2 터치 감지부(202)의 출력 신호를 모두 이용한다.
어느 한 지점을 터치한 상태에서 힘을 가해 화면의 위치를 원하는 방향으로 이동시키는 터치 동작(예, 네비게이션 터치 동작)을 판정하기 위해서는 제1 터치 감지부(201)나 제2 터치 감지부(202)의 출력 신호를 이용할 수 있다.
해당 지점을 터치한 상태에서 손가락을 상하좌우 중 하나로 동작시켜 화면 넘기와 같은 터치 동작을 판정하기 위해서는 제1 터치 감지부의 출력 신호를 이용할 수 있다.
이와 같이, 사용자의 다양한 터치 동작 상태에 따라 제1 및 제2 터치 감지부(201, 202) 중 적어도 하나를 이용하여 사용자의 정확한 터치 동작 상태를 판단하므로, 사용자의 터치 동작 상태에 따른 정확한 판정동작이 이루어져 판정된 터치 동작 상태에 대응하는 터치 동작이 이루어지게 된다.
이로 인해, 터치센서 모듈(100)의 동작의 정확도가 향상되어 사용자의 만족도가 증가하게 된다.
본 예에서, 도 2에 도시한 것처럼, 제1 터치 감지부(201)의 기판(211)과 제2 터치 감지부(202)의 기판(2211)의 각 일측은 연결부(50)를 이용하여 서로 연결되어 있다.
이때, 연결부(50)는 끊김없이 대응하는 해당 기판(211, 2211)에 연결되어 있다. 따라서, 이런 경우, 동일한 하나의 절연판(예, 가요성 회로기판)을 원하는 형태로 제단하여 기판(211), 기판(211)의 일측에 일단에 연결된 연결부(50), 그리고 연결부(50)의 타단에 일측이 연결되어 있는 기판(2211)이 동시에 형성된다. 이로 인해, 결국, 기판(211, 2211)과 연결부(50)를 서로 연결되어 있는 동일한 절연판으로 이루어진다.
이와 같이, 기판(211, 2211)과 연결부(50)가 형성되면, 연결부(50)를 중심으로 하여, 제1 터치 감지부(201)의 기판(211)이 180도 접히게 회전되어 제2 터치 감지부(202)의 기판(2112) 위로 제1 터치 감지부(201)가 위치하게 된다.
이때, 제2 터치 감지부(202)의 기판(2211)의 상부와 하부에는 코일(2212)과 간격재(223)가 이미 위치할 수 있고, 180도 회전하는 제1 터치 감지부(201)의 기판(211)에도 제1 및 제2 전극(212, 213), 보호층(30) 및 상부막(222)이 이미 위치할 수 있다. 하지만, 다른 예에서, 제1 및 제2 전극(212, 213)은 기판(211)의 회전 동작이 이루어진 후 기판(211)의 해당 위치에 위치할 수 있다.
이와 같이, 하나의 절연판을 이용하여 제1 및 제2 터치 감지부(201, 202)의 기판(211, 2211)이 형성될 경우, 제1 및 제2 터치 감지부(201, 202)의 기판(211, 2211)이 동시에 제조되므로 제조 공정이 간소화되고 제조 시간이 줄어든다.
하지만, 대안적인 예에서 제1 및 제2 터치 감지부(201, 202)의 기판(211, 2211)은 연결되지 않는 서로 분리된 별개의 구성요소로 이루어질 수 있고, 이 경우, 제1 및 제2 터치 감지부(201, 202)의 기판(211, 2211)은 각각 별개로 제조된다.
이상, 본 발명의 터치센서 모듈의 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 터치센서 모듈 201: 제1 터치 감지부
202: 제2 터치 감지부 30: 보호층
221: 코일층 2211: 기판
2212: 코일 222: 상부막
223: 간격재 50: 연결부

Claims (10)

  1. 제1 기판 및 상기 제1 기판에 서로 이격되어 결합되어 교대로 번갈아 위치하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하고, 사용자의 터치 여부에 따라 변하는 커패시턴스 특성을 이용하는 제1 터치 감지부; 및
    상기 제1 터치 감지부 하부에 위치하며, 제2 기판, 상기 제2 기판의 상부면 및 하부면 중 적어도 하나에 위치하는 코일, 상기 제2 기판의 위에 위치하는 상부막, 상기 제2 기판과 상기 상부면 사이에 위치하는 간격재, 및 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 동일한 하나의 절연판으로 형성되어 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 끊김없이 연결되어 있는 연결부를 포함하고, 사용자의 터치 시 가해지는 가압 세기에 따라 변하는 리액턴스 특성을 이용하는 제2 터치 감지부
    를 포함하는 터치센서 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 빗 형태로 이루어져 있는 터치센서 모듈.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 상부막은 금속으로 이루어져 있는 터치센서 모듈.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 연결부는 동일한 하나의 가요성 회로기판으로 이루어져 있는 터치센서 모듈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 터치 감지부와 상기 제2 터치 감지부 사이에 위치하는 보호층
    을 더 포함하는 터치센서 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 보호층은 폴리이미드로 이루어져 있는 터치센서 모듈.
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