KR102330801B1

KR102330801B1 - 터치 입력 장치

Info

Publication number: KR102330801B1
Application number: KR1020200048345A
Authority: KR
Inventors: 윤준보; 유재영
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-11-25
Also published as: KR20210086404A

Abstract

실시예에 따라 터치 압력을 검출하는 터치 입력 장치는 커버층; 상기 커버층 하부에 배치된 디스플레이 모듈; 상기 디스플레이 모듈 하부에 서로 이격되어 배치된 제1 및 제2 압력 전극; 상기 제1 및 제2 압력 전극 하부에 소정 간격 떨어져 배치되고, 금속 입자를 포함하는 탄성 재질의 절연 기판; 및 상기 절연 기판의 하면에 배치되고, 전기적으로 플로팅된 플로팅 전극;을 포함하고, 상기 터치 압력이 상기 커버층에 가해져 상기 절연 기판이 상기 제1 및 제2 압력 전극에 의해 눌려 압축되면, 상기 제1 및 제2 압력 전극 사이의 정전용량 변화량은 상기 절연 기판의 유전율의 증가에 의해 증가되되, 상기 제1 및 제2 압력 전극과 상기 플로팅 전극과 사이의 거리 감소에 따른 상기 제1 압력 전극과 상기 제2 압력 전극 사이의 전기장 세기 증가에 의해 더 증가된다.

Description

터치 입력 장치{TOUCH INPUT APPARATUS}

본 발명은 터치 입력 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 터치 압력이 터치 입력 장치에 가해질 때 압력 전극과 상기 플로팅 전극 사이의 거리 변화에 의해 증가하는 정전용량 값을 이용하여 터치 압력 검출의 민감도를 향상시키고자 하는, 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 조작 시 터치 스크린의 이용이 증가하고 있다.

터치 스크린은, 터치-감응 표면(touch-sensitive surface)을 구비한 투명한 패널일 수 있는 터치 입력 장치(touch sensor panel)을 포함하는 터치 입력 장치의 터치 표면을 구성할 수 있다. 이러한 터치 입력 장치는 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.

최근에는 터치 스크린 상의 터치에 따른 터치 위치 뿐 아니라 터치의 압력 크기를 검출할 수 있는 터치 입력 장치가 등장하고 있다.

압력을 검출하기 위한 터치 입력 장치는 터치 압력을 검출하기 위한 민감도 향상이라는 과제가 항상 남아있다.

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KR

10-2016-0015924

A

KR

10-2017-0123961

A

본 발명은 전술한 터치 압력을 검출하기 위한 민감도를 향상시키기 위해 도출된 것으로, 나노 사이즈의 금속 입자를 포함하는 절연 기판을 이용하여 가압에 따른 나노 사이즈의 금속 입자의 밀도 증가를 이용한 유전율 향상의 원리를 이용함과 동시에 플로팅 전극을 함께 이용하여 터치 압력 검출의 민감도를 보다 향상시키고자 하는 데에 그 목적이 있다.

실시예에 따라 터치 압력을 검출하는 터치 입력 장치는 커버층, 상기 커버층 하부에 배치된 디스플레이 모듈, 상기 디스플레이 모듈 하부에 배치된 압력 전극, 상기 압력 전극 하부에 배치되어 금속 입자를 포함하는 절연 기판 및 상기 절연 기판 하부에 배치된 플로팅 전극을 포함하고, 상기 터치 압력이 상기 터치 입력 장치에 가해질 때 상기 절연 기판의 상기 금속 입자에 의한 유전율 변화로 상기 압력 전극에 대한 정전용량 변화량이 획득되고, 상기 정전용량 변화량은 상기 압력 전극과 상기 플로팅 전극 사이의 거리 변화에 의해 증가할 수 있다.

상기 터치 입력 장치는 상기 플로팅 전극 하부에 배치된 프레임을 더 포함하고, 상기 정전용량 변화량은 상기 압력 전극과 상기 프레임 사이의 거리 변화에 의해 감소할 수 있다.

상기 압력 전극과 상기 절연 기판 사이에 에어갭이 존재할 수 있다.

상기 플로팅 전극은 상기 절연기판의 하면에 배치될 수 있다.

상기 절연 기판은 탄성 재질로 구현될 수 있다.

상기 절연 기판은 상면이 요철 형상으로 구현될 수 있다.

상기 터치 압력이 상기 터치 입력 장치에 가해질 때, 상기 커버층과 상기 디스플레이 모듈이 수직 하강하거나 휘어질 수 있다.

다른 실시예에 따라 터치 압력을 검출하는 터치 입력 장치는 커버층, 상기 커버층 하부에 배치된 디스플레이 모듈, 상기 디스플레이 모듈 하부에 배치된 플로팅 전극, 상기 플로팅 전극 하부에 배치되어 금속 입자를 포함하는 절연 기판 및 상기 절연기판 하부에 배치된 압력 전극을 포함하고, 상기 터치 압력이 상기 터치 입력 장치에 가해질 때, 상기 절연 기판의 상기 금속 입자에 의한 유전율 변화로 상기 압력 전극에 대한 정전용량 변화량이 획득되고, 상기 정전용량 변화량은 상기 압력 전극과 상기 플로팅 전극 사이의 거리 변화에 의해 증가할 수 있다.

상기 정전용량 변화량은 상기 압력 전극과 상기 디스플레이 모듈 사이의 거리 변화에 의해 감소할 수 있다.

상기 플로팅 전극은 상기 절연기판의 상면에 배치될 수 있다.

상기 절연 기판은 탄성 재질로 구현될 수 있다.

상기 절연 기판은 하면이 요철 형상으로 구현될 수 있다.

상기 금속 입자는 나노 사이즈를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 플로팅 전극에 의해 터치 압력 검출의 민감도가 보다 향상될 수 있게 된다.

도 1a 및 도 1d는 실시예에 따른 터치 입력 장치의 측면 구성을 나타낸다.
도 1b는 실시예에 따른 디스플레이 모듈의 내부 구성을 나타낸다.
도 1c는 실시예에 따른 절연 기판의 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 터치 입력 장치에 대한 가압이 이루어진 후 정전 용량 변화를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 3a는 플로팅 전극을 포함하지 않는 경우 터치 민감도 감소를 나타내는 그래프이고, 도 3b 및 도 3c는 플로팅 전극을 포함하지 않는 경우 터치 민감도 감소와 도 1a의 플로팅 전극을 포함하는 터치 입력 장치를 통해 압력을 인가하였을 경우의 터치 민감도의 향상을 비교하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치에 터치 압력이 가해진 경우, 향상된 삼투 효과(percolation effect)를 나타내기 위한 개략도이다.
도 5a는 다른 실시예에 따른 터치 입력 장치의 측면 구성을 나타낸다.
도 5b는 도 5a의 터치 입력 장치의 압력 감도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 5a의 터치 입력 장치의 압력 검출 원리를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 절연 기판의 일면이 격자 형태로 구현되어 돌출부와 오목부를 포함함으로서 터치 압력 감도 향상에 기여하는 효과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 절연 기판과 플로팅 전극으로 터치 입력 장치를 구성함으로써, 향상된 압력 감지 성능을 설명하기 위해 참조되는 도면이고, 도 9는 절연 기판과 플로팅 전극으로 터치 입력 장치에 대한 반복 압력에 따른 압력 감지 성능 변화를 실험을 통해 확인한 결과를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 10은 실시예에 따른 터치 입력 장치의 제조 공정 과정 중 일부를 나타낸다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1)를 설명한다.

본 발명에서는, 터치 입력 장치(1)에 대한 가압으로 도 2의 (b) 및 도 3과 같이 커버층(100) 및/또는 디스플레이 모듈(200)이 변형되면서 절연 기판(400)이 압축 변형될 수 있다.

즉, 절연 기판(400)이 압축되면, 절연 기판(400)의 유전율이 향상되고, 절연 기판(400)의 유전율 변화는 압력 전극(300)을 통해 검출되는 제1 정전용량 값(Cm)을 향상시키므로, 해당 변화량에 기초하여 민감도가 향상된 터치 압력을 검출할 수 있게 된다. 이의 자세한 원리는 후술한다.

한편, 도 2의 (a)와 같이 압력 전극(300)과 절연 기판(400) 사이에 소정의 갭이 있는 초기 상태에서 상기 터치 입력 장치(1)에 압력이 인가되면, 커버층(100) 및/또는 디스플레이 모듈(200)이 변형되어 도 2의 (b)와 같이 디스플레이 모듈(200) 하부에 배치된 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이의 거리가 변화(d1->d1')하게 되고 이로서 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이에서 제2 정전용량 값(Cs)이 검출되게 된다. 여기서, 제2 정전용량 값(Cs)은 제1 정전용량 값(Cm)과 반대 방향으로 작용하게 된다. 즉, 제1 정전용량 값(Cm)이 (+) 정전용량이라면 제2 정전용량 값(Cs)은 (-) 정전용량인 것으로 정의할 수 있다.

또 한편, 도 2의 (a)에서 도 2의 (b)로 변형되는 과정에서, 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리도 변화(d2->d2')하게 되고 이로서 압력 전극(300)에 제3 정전용량 값(Cf)이 추가적으로 발생하게 된다. 여기서 플로팅 전극(500)은 도 2의 (b)와 같이 압력 전극(300)의 정전용량 변화량(ΔC)이 커지도록 하는 일종의 전기적 연결 통로의 역할을 한다.

정리하자면, 압력 전극(300)의 정전용량 변화량(ΔC)은 절연 기판(400)의 유전율 변화에 따른 압력 전극(300)의 제1 정전용량 값(Cm)과 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리 변화에 따른 제3 정전용량 값(Cf)의 합에서 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이의 거리 변화에 따른 제2 정전용량 값(Cs)을 차감하여 획득될 수 있다.

즉, 본 발명의 경우, 압력 전극(300)과 절연 기판(400) 사이에 에어갭이 존재하여 터치 입력 장치(1)에 압력을 인가하는 경우, 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이의 거리가 변화하여 이로 인한 제2 정전용량 값(Cs)이 발생함으로서 압력 전극(300)의 정전용량 변화량(ΔC)이 감소하게 되지만, 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리 변화로 인한 제3 정전용량 값(Cf)을 통해 이를 보상하게 되고, 이로서 터치 민감도가 향상될 수 있게 하는 데에 기술적 의의가 있다.

이러한 기술적 의의를 달성하기 위해 도 1a는 실시예에 따른 터치 입력 장치(1)의 측면 구성을 나타낸다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 실시예에 따른 터치 입력 장치(1)는 커버층(100), 디스플레이 모듈(200), 압력 전극(300), 절연 기판(400), 플로팅 전극(500), 접착 테이프(600), 절연층(700), 및 프레임(800)을 포함할 수 있다.

커버층(100)은 유리 또는 플라스틱 재질일 수 있다. 커버층(100)은 투명 또는 반투명의 재질일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 불투명한 재질일 수도 있다.

커버층(100)의 상면으로 객체에 의한 터치 압력이 가해진다. 객체가 커버층(100)의 상면에 터치 압력을 인가하면, 커버층(100)은 상기 압력에 의해 휘어질 수 있다. 또는, 다른 실시예에 따라 아래로 수직 하강할 수도 있다.

커버층(100)의 변형은 디스플레이 모듈(200)의 변형을 야기할 수 있다. 따라서 디스플레이 모듈(200)도 터치 압력에 의해 휘어지거나 아래로 수직 하강(또는 압축)할 수도 있다.

커버층(100) 및/또는 디스플레이 모듈(200)의 변형으로 절연 기판(400)도 아래로 수직 하강(또는 압축)할 수 있다.

다만, 도시하지 않았으나, 커버층(100)과 디스플레이 모듈(200) 사이 또는 디스플레이 모듈(200) 내에 터치 위치를 감지하는 터치 모듈이 배치될 수 있다.

디스플레이 모듈(200)은 커버층(100) 하부에 배치될 수 있다.

디스플레이 모듈(200)은 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 유기발광 표시장치(Organic Light Emitting Diode: OLED) 등으로 구현될 수 있다.

예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, LCD 패널은 최상위층에 배치된 편광층(271) 및 최하위층에 배치된 제2기판층(262)을 포함할 수 있다. 또한, LCD 패널인 디스플레이 모듈(200)은 액정 셀(liquid crystal cell)을 포함하는 액정층(250), 액정층(250)의 상부에 배치되는 제1기판층(261) 및 액정층(250)의 하부에 배치되는 제2기판층(262)을 포함할 수 있다. 이때, 제1기판층(261)은 컬러필터 글라스(color filter glass)일 수 있고, 제2기판층(262)은 TFT 글라스(TFT glass)일 수 있다. 또한, 실시예에 따라 제1기판층(261) 및 제2기판층(262) 중 적어도 하나는 플라스틱과 같은 벤딩(bending) 가능한 물질로 형성될 수 있다. 도 1b에서 제2기판층(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.

또 다른 예로, 도 1b에 도시한 바와 같이, OLED 패널은 최상위층에 배치되는 편광층(271)을 포함할 수 있다. 또한, OLED(Organic Light-Emitting Diode)를 포함하는 유기물층(250), 유기물층(250)의 상부에 배치되는 제1기판층(261) 및 유기물층(250) 하부에 배치되는 제2기판층(262)을 포함할 수 있다. 이때, 제2기판층(262)은 최하위층으로 배치될 수 있다. 제1기판층(261)은 인캡 글라스(Encapsulation glass)일 수 있고, 제2기판층(262)은 TFT 글라스(TFT glass)일 수 있다. 또한, 실시예에 따라 제1기판층(261) 및 제2기판층(262) 중 적어도 하나는 플라스틱과 같은 벤딩(bending) 가능한 물질로 형성될 수 있다. OLED 패널의 경우, 게이트 라인, 데이터 라인, 제1전원라인(ELVDD), 제2전원라인(ELVSS) 등의 디스플레이 모듈(200)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 모듈(200)로서, 발광층을 구성하는 유기물질이 빛의 색깔을 결정한다.

압력 전극(300)은 디스플레이 모듈(200) 하부에 배치되고, 절연 기판(400)은 압력 전극(300) 하부에 배치될 수 있다.

압력 전극(300)은 동일층에 배치된 구동 전극(301) 및 수신 전극(302)을 포함할 수 있다.

압력 전극(300)은 절연 기판(400)의 돌출부(401) 및 오목부(402)와 서로 대향하는 위치에 배치될 수 있다.

터치 입력 장치(1)에 터치 압력이 인가되면 절연 기판(400)이 압축되어 구동 전극(301) 및 수신 전극(302) 사이의 상호 정전용량이 검출될 수 있다.

절연 기판(400)은 나노 파티클(nano particle)을 포함할 수 있다. 즉, 나노 사이즈의 금속 입자로 구성될 수 있다. 절연 기판(400)은 베이스기판 상에 소정의 나노 파티클과 인캡슐레이션(encapsulation) 물질로 구성된 나노복합혼합물을 침투시켜 제조될 수 있다. 인캡슐레이션(encapsulation) 물질은 PUA(Polyurethane Acrylate)일 수 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되지는 않는다. 나노 파티클은 절연 기판(400)의 유전율을 향상시키기 위한 은(Ag)등의 금속 물질일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

절연 기판(400)은 탄성 재질로 구현될 수 있다. 이로서, 절연 기판(400)은 터치 압력에 따라 플렉서블하게 변형될 수 있다. 또한, 탄성 재질로 구현되어 절연 기판(400)이 압축(수직 하강) 및 복원력이 우수해질 수 있다.

커버층(100)에 압력이 가해지면 절연 기판(400)이 압축되기 때문에, 절연 기판(400) 내부의 단위면적당 나노 파티클의 수가 증가된다. 이는 절연 기판(400)의 유전율을 증가시키게 되고, 유전율이 증가되면 구동 전극(301)과 수신 전극(302) 사이의 정전용량 변화량이 증가된다.

절연 기판(400)의 탄성력은 이러한 터치 압력을 감지하는 민감도를 더욱 향상시키게 된다.

절연 기판(400)은 돌출부와 오목부를 포함하는 요철 구조로 형성될 수 있다.

돌출부의 폭이 나노미터 단위이고, 오목부의 폭이 나노미터 단위일 수 있다.

도 1c와 같이 각 돌출부(401)와 각 오목부(402)는 동일 평면 상에서 동일 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

커버층(100)에 압력이 가해지는 경우, 돌출부(401)의 모서리 부분에서 응력(stress)이 증가할 수 있다. 돌출부(401)의 돌기 형상은 응력 집중 구조를 형성하며, 상기 응력 집중 구조를 통해 절연 기판(400)에서의 빛의 반사를 감소시켜 투과도를 향상시킬 수 있다.

플로팅 전극(500)은 절연 기판(400) 하부에 배치될 수 있다.

플로팅 전극(500)은 전압을 인가받지 않고 플로팅되어, 압력 전극(300)을 통해 검출되는 정전용량 변화량(ΔC)이 커지도록 하는 전기적 연결 통로가 된다. 즉, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 절연 기판(400)의 압축으로 동일층에 배치된 제1 압력 전극(301)과 제2 압력 전극(302) 사이의 제1 정전용량 값(Cm)이 검출될 때, 플로팅 전극(500)이 제1 압력 전극(301)과 제2 압력 전극(302) 사이의 전기적 연결 통로가 되어 제1 압력 전극(301)과 제2 압력 전극(302) 사이의 전기장의 세기가 보다 커지도록 할 수 있게 되는 것이다.

다시 말해, 터치 입력 장치(1)에 대한 가압으로 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리가 변화하고, 이로 인하여 발생하는 압력 전극(300)의 제3 정전용량 값(Cf)은 제1 압력 전극(301)과 제2 압력 전극(302) 사이의 제1 정전용량 값(Cm)에 합해져 정전용량 변화량(ΔC)이 커지도록 할 수 있다.

플로팅 전극(500)은 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이에 배치될 수 있다.

특히, 플로팅 전극(500)은 절연 기판(400)의 하면에 배치될 수 있다. 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리가 가까울수록 압력 전극(300)을 통해 검출되는 정전용량 값(Cf)이 커지게 되므로 플로팅 전극(500)을 절연 기판(400)의 하면에 배치하여 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리가 최대한 가까워지도록 하기 위함이다.

접착 테이프(600)는 플로팅 전극(500)을 제1 절연층(710)에 접착시키기 위한 제1 접착 테이프(610), 제1 절연층(710)과 제2 절연층(720)을 접착시키기 위한 제2 접착 테이프(620), 및 제2 절연층(720)을 프레임(800)에 접착시키기 위한 제3 접착 테이프(630)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1a의 접착 테이프(600)와 절연층(700) 의 층 구조는 하나의 실시예에 불과하며, 각 접착 테이프(610 내지 630)와 각 절연층(710 및 720)의 개수와 층 구조는 다양하게 구현될 수 있다.

접착 테이프(600)는 DAT(DAT: Double Adhesive Tape, 양면 접착 테이프)를 예로 들 수 있고, 절연층(700)은 PET(polyethylene terephthalate)를 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

프레임(800)은 제3 접착 테이프(630) 하부에 배치될 수 있다.

프레임(800)은 절연 기판(400)의 하부에 배치될 수 있다.

도 1d에 도시한 바와 같이, 프레임(800)은 터치 입력 장치(1)의 최외곽 기구인 커버(C)와 함께 터치 입력 장치(1)의 작동을 위한 회로기판 및/또는 배터리가 위치할 수 있는 실장공간(R) 등을 감싸는 하우징(housing)의 기능을 수행할 수 있다. 이때, 터치 입력 장치(1)의 작동을 위한 회로기판에는 메인보드(main board)로서 중앙 처리 유닛인 CPU(central processing unit) 또는 AP(application processor) 등이 실장되어 있을 수 있다.

프레임(800)을 통해 디스플레이 모듈(200)과 터치 입력 장치(1)의 작동을 위한 회로기판 및/또는 배터리가 분리되고, 디스플레이 모듈(200)에서 발생하는 전기적 노이즈가 차단될 수 있다.

프레임(800)은 그라운드층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프레임(800)의 상면은 노이즈 차폐를 위해 그라운드 전위를 가질 수 있다.

터치 입력 장치(1)에 압력이 인가되면, 압력 전극(300)과 그라운드 전위를 가지는 프레임(800) 사이의 거리가 변화하고, 이로 인하여 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이의 정전용량이 변화할 수 있다.

도 3a는 플로팅 전극(500)을 포함하지 않는 경우 터치 민감도 감소를 나타내는 그래프이고, 도 3b 및 도 3c는 플로팅 전극(500)을 포함하지 않는 경우 터치 민감도 감소와 도 1a의 플로팅 전극(500)을 포함하는 터치 입력 장치(1)를 통해 압력을 인가하였을 경우의 터치 민감도의 향상을 비교하기 위한 그래프이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 터치 입력 장치를 통해 인가하는 압력의 크기가 증가함에 따라 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이의 거리가 가까워지고, 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이의 제2 정전용량 값(Cs)으로 정전용량 변화량(Δ)이 점차 감소하게 됨을 알 수 있다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 압력의 크기를 증가시켜 압력 전극(300)과 절연 기판(400) 사이의 에어갭(G)이 감소함에 따라 플로팅 전극(500)을 포함하는 터치 입력 장치(1)에서는 정전용량 변화량이 증가하는 반면, 플로팅 전극(500)을 포함하지 않는 경우 상대적으로 정전용량 변화량이 감소하게 되는 것을 알 수 있다.

도 3c에 도시한 바와 같이, 절연 기판(400)을 이용해 검출되는 압력 전극(300)의 제1 정전 용량 값(Cm)과 플로팅 전극(500)에 의한 압력 전극(300)의 제3 정전용량 값(Cf)이 합해져, 압력 전극(300)과 프레임(800) 사이의 거리 변화에 따른 제2 정전용량 값(Cs)으로 감소하게 되는 정전용량 변화량(Δ)이 시간이 경과함에 따라 증가하게 되는 것을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1)에 터치 압력이 가해진 경우, 향상된 삼투 효과(percolation effect)를 나타내기 위한 개략도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 커버층(100)에 객체에 의한 터치 압력이 인가된 이후에는 디스플레이 모듈(200)이 눌려지게 되므로 이에 따라 절연 기판(400)도 변형되게 된다. 이 때, 절연 기판(400)은 탄성 재질로 제조될 수 있으므로 비탄성 재질로 구성된 일반 기판에 비해 상대적으로 용이하게 변형될 수 있다. 변형된 절연 기판(400)에 따르면, 절연 기판(400) 내부의 단위 면적당 나노 파티클의 수가 증가된다. 이는 절연 기판(400)의 유전율을 증가시키게 되고, 유전율이 증가되면 다수의 압력 전극(300) 중 서로 인접한 구동 전극(301)과 수신 전극(302) 사이의 정전용량이 증가하게 된다.

도 5a는 다른 실시예에 따른 터치 입력 장치(1)의 측면 구성을 나타낸다.

도 5a에 대해서는 도 1a에서 전술한 실시예가 동일/유사하게 적용될 수 있다.

다만, 도 5a의 경우, 도 6을 함께 참조하면, 압력 전극(300)과 절연 기판(400) 사이에 에어갭이 존재하여 터치 입력 장치(1)에 압력을 인가하는 경우, 압력 전극(300)과 디스플레이 모듈(200) 사이의 거리가 변화하여 이로 인한 제2 정전용량 값(Cs)이 발생함으로서 압력 전극(300)의 정전용량 변화량(ΔC)이 감소하게 되지만, 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리 변화로 인한 제3 정전용량 값(Cf)을 통해 이를 보상하게 되고, 이로서 터치 민감도가 향상될 수 있게 하는 데에 기술적 의의가 있다.

정리하자면, 압력 전극(300)의 정전용량 변화량(ΔC)은 절연 기판(400)의 유전율 변화에 따른 압력 전극(300)의 제1 정전용량 값(Cm)과 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리 변화에 따른 제3 정전용량 값(Cf)의 합에서 압력 전극(300)과 디스플레이 모듈(200) 사이의 거리 변화에 따른 제2 정전용량 값(Cs)을 차감하여 획득될 수 있다.

도 5a에 도시한 바와 같이, 다른 실시예에 따른 터치 입력 장치(1)는 커버층(100), 디스플레이 모듈(200), 압력 전극(300), 절연 기판(400), 플로팅 전극(500), 접착 테이프(600), 절연층(700), 프레임(800), 및 탄성폼(900)을 포함할 수 있다.

커버층(100) 및 디스플레이 모듈(200)에 대해서는 도 1a에서 전술한 실시예가 동일/유사하게 적용될 수 있다.

다만, 도 5a의 실시예에 따르면, 디스플레이 모듈(200)은 그라운드층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 모듈(200)의 하부면 또는 내부 전극은 노이즈 차폐를 위해 그라운드 전위를 가질 수 있다.

터치 입력 장치(1)에 압력이 인가되면, 압력 전극(300)과 그라운드 전위를 가지는 디스플레이 모듈(200) 사이의 거리가 변화하고, 이로 인하여 압력 전극(300)과 디스플레이 모듈(200) 사이의 정전용량이 변화할 수 있다.

탄성폼(900)은 디스플레이 모듈(200) 하부에 배치될 수 있으나 이는 일 실시예에 불과하다.

탄성폼(900)은 커버층(100)의 표면으로 입력되는 객체의 압력에 의해 영향을 받아 물리적인 상태가 변형되고, 커버층(100)의 표면으로 입력되는 객체의 압력이 사라지면 원상태로 복원되는 성질을 갖는다.

탄성폼(900)은 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리프로필렌 및 아크릴 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

접착 테이프(600)는 탄성폼(900)을 제1 절연층(710)에 접착시키기 위한 제1 접착 테이프(610), 제1 절연층(710)과 플로팅 전극(500)을 접착시키기 위한 제2 접착 테이프(620), 및 제2 절연층(720)을 프레임(800)에 접착시키기 위한 제3 접착 테이프(630)를 포함할 수 있다. 다만, 도 5a의 접착 테이프(600)와 절연층(700) 의 층 구조는 하나의 실시예에 불과하며, 각 접착 테이프(610 내지 630)와 각 절연층(710 및 720)의 개수와 층 구조는 다양하게 구현될 수 있다.

플로팅 전극(500)은 디스플레이 모듈(200) 하부에 배치될 수 있다.

도 5a에 도시한 바와 같이, 플로팅 전극(500)과 디스플레이 모듈(200) 사이에 탄성폼(900)과 제1 접착 테이프(610), 제2 접착 테이프(620), 및 제1 절연층(710)이 배치될 수 있다. 즉, 플로팅 전극(500)은 디스플레이 모듈(200) 하부에 배치된 탄성폼(900)에 대해 제1 접착 테이프(610) 및/또는 제2 접착 테이프(620)를 통해 부착될 수 있다.

플로팅 전극(500)은 압력 전극(300)과 디스플레이 모듈(200) 사이에 배치될 수 있다.

특히, 플로팅 전극(500)은 절연 기판(400)의 상면에 배치될 수 있다. 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리가 가까울수록 압력 전극(300)을 통해 검출되는 정전용량 값(Cf)이 커지게 되므로 플로팅 전극(500)을 절연 기판(400)의 상면에 배치하여 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리가 최대한 가까워지도록 하기 위함이다.

또한, 절연 기판(400)의 두께를 얇게 구현할수록 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리가 가까워지므로 정전용량 값(Cf)이 커지게 된다. 이는 도 5b의 그래프를 통해서도 확인될 수 있다.

절연 기판(400)은 플로팅 전극(500) 하부에 배치될 수 있다.

플로팅 전극(500) 하면에 절연 기판(400)이 배치될 수 있다.

도 6을 참조하면, 커버층(100)에 압력이 가해지면 절연 기판(400)이 압축되기 때문에, 절연 기판(400) 내부의 단위면적당 나노 파티클의 수가 증가된다. 이는 절연 기판(400)의 유전율을 증가시키게 되고, 유전율이 증가되면 구동 전극(301)과 수신 전극(302) 사이의 정전용량 변화량이 증가된다.

절연 기판(400)은 돌출부(401)와 오목부(402)를 포함하는 요철 구조로 형성될 수 있다.

압력 전극(300)은 절연 기판(400) 하부에 배치될 수 있다.

제2 절연층(720)은 압력 전극(300)과 제3 접착 테이프(630) 사이에 배치될 수 있다.

프레임(800)은 압력 전극(300)의 하부에 배치될 수 있다.

프레임(800)은 제3 접착 테이프(630) 하부에 배치될 수 있다.

제3 접착 테이프(630)를 통해 압력 전극(300)은 제2 절연층(720)과 함께 프레임(800)에 부착될 수 있다.

도 1e에 도시한 바와 같이, 프레임(800)은 터치 입력 장치(1)의 최외곽 기구인 커버(C)와 함께 터치 입력 장치(1)의 작동을 위한 회로기판 및/또는 배터리가 위치할 수 있는 실장공간(R) 등을 감싸는 하우징(housing)의 기능을 수행할 수 있다. 이때, 터치 입력 장치(1)의 작동을 위한 회로기판에는 메인보드(main board)로서 중앙 처리 유닛인 CPU(central processing unit) 또는 AP(application processor) 등이 실장되어 있을 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 절연 기판(400)의 일면이 격자 형태로 구현되어 돌출부(401)과 오목부(402)를 포함함으로서 터치 압력 감도 향상에 기여하는 효과를 나타내는 그래프이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 절연 기판(400)에 대해 외부에서 압력이 인가 되었을 경우, 돌출부(401)에 응력의 집중이 발생하게 된다. 돌출부(401)의 폭이 좁고 돌출부(401) 사이의 간격이 넓을수록 응력 집중 현상이 증가하며, 집중된 응력은 돌출부(401)의 내부에 포함된 금속 나노 파티클의 밀도 증가를 향상시켜 정전용량 변화량이 증가하게 된다.

특히, 본 발명에 따르면, 플로팅 전극(500)을 추가함으로써, 압력에 따른 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리 변화까지도 발생 시킴으로써 정전용량 변화량이 증가하게 되었다. 이는, 도 7의 (b)를 통한 그래프 결과를 통해서도 확인할 수 있다.

도 8은 절연 기판(400)과 플로팅 전극(500)으로 터치 입력 장치(1)를 구성함으로써, 향상된 압력 감지 성능을 설명하기 위해 참조되는 도면이고, 도 9는 절연 기판(400)과 플로팅 전극(500)으로 터치 입력 장치(1)에 대한 반복 압력에 따른 압력 감지 성능 변화를 실험을 통해 확인한 결과를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

도 8의 (a)의 그래프와 같이 절연 기판(400)을 사용함으로써 압력에 따른 정전용량 변화량이 대략 6배 이상 향상이 되었으며, 추가적으로 플로팅 전극(500)을 배치시킴으로써 압력에 따른 압력 전극(300)과 플로팅 전극(500) 사이의 거리 변화로 인해 정전용량 변화량이 10배 이상 향상됨을 실험을 통해 확인 할 수 있었다. 또한, 100 kPa 압력까지 증가시키며 압력에 따른 정전용량 변화를 확인하였을 때, 본 발명의 실시예에 따라 구현된 터치 입력 장치(1)의 경우 성공적으로 정전용량 변화량을 통해 압력의 크기를 구분할 수 있음을 도 8의 (b)와 같이 실험을 통해 확인하였다. 마지막으로 제안하는 터치 입력 장치(1)를 100 kPa 압력으로 10,000회 반복 압력을 인가 하더라도 도 9의 (a)와 같이 기저 정전용량과 압력에 따른 정전 용량 증가가 그대로 유지되었으며, 도 9의 (b)와 같이 절연 기판(400)도 큰 변화없이 형상을 유지하여 반복 압력 후에도 어떠한 압력 감지 성능 변화 없이 신뢰적으로 감지가 가능함을 실험적으로 확인하였다. 따라서 최종적으로 본 발명에 다른 절연 기판(400)과 플로팅 전극(500)을 이용함으로써 높은 감지 신뢰성을 유지하며 높은 민감도까지도 구현이 가능함을 이론적/실험적으로 검증하였다.

도 10은 실시예에 따른 터치 입력 장치(1)의 제조 공정 과정 중 일부를 나타낸다.

도 10에 도시한 바와 같이, 절연층(700)에 대한 표면 처리를 거친 후, 절연층(700)의 표면 상에 전도성 물질을 코팅한 후 고온에서 가열하여 플로팅 전극(500)을 준비한다.((a) 내지 (d)) 이와 별도로, 격자 형태의 베이스 기판에 나노 파티클과 인캡슐레이션 물질(예>PUA)을 침투시켜 절연 기판(400)을 제조할 수 있다. (e) 그리고, 절연 기판(400) 상에 (d) 에서 제조된 플로팅 전극(500)이 상면에 배치된 절연층(700)을 배치한 후 자외선을 투과시켜 베이스 기판으로부터 절연 기판(400)을 분리시킨다.((f), (g))

디스플레이 모듈(200) 하부에 배치될 FPCB 기판 하부에 압력 센서(300)를 배치하고, 압력 센서(300) 하부에 절연 기판(400)을 배치하여 터치 입력 장치(1)를 제조할 수 있다.((h))

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.

Claims

터치 압력을 검출하는 터치 입력 장치에 있어서,
커버층;
상기 커버층 하부에 배치된 디스플레이 모듈;
상기 디스플레이 모듈 하부에 서로 이격되어 배치된 제1 및 제2 압력 전극;
상기 제1 및 제2 압력 전극 하부에 소정 간격 떨어져 배치되고, 금속 입자를 포함하는 탄성 재질의 절연 기판; 및
상기 절연 기판의 하면에 배치되고, 전기적으로 플로팅된 플로팅 전극;을 포함하고,
상기 터치 압력이 상기 커버층에 가해져 상기 절연 기판이 상기 제1 및 제2 압력 전극에 의해 눌려 압축되면, 상기 제1 및 제2 압력 전극 사이의 정전용량 변화량은 상기 절연 기판의 유전율의 증가에 의해 증가되되, 상기 제1 및 제2 압력 전극과 상기 플로팅 전극과 사이의 거리 감소에 따른 상기 제1 압력 전극과 상기 제2 압력 전극 사이의 전기장 세기 증가에 의해 더 증가되는,
터치 입력 장치.
제 1항에 있어서,
상기 플로팅 전극 하부에 배치된 프레임; 및
상기 플로팅 전극과 상기 프레임 사이에 배치된 절연층;을 더 포함하고,
상기 정전용량 변화량은 상기 제1 및 제2 압력 전극과 상기 프레임 사이의 거리 감소에 의해 감소하는,
터치 입력 장치.
제 1항에 있어서,
상기 압력 전극과 상기 절연 기판 사이에 에어갭이 존재하는,
터치 입력 장치.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 절연 기판은 상면이 요철 형상으로 구현된,
터치 입력 장치.
제 1항에 있어서,
상기 터치 압력이 상기 터치 입력 장치에 가해질 때, 상기 커버층과 상기 디스플레이 모듈이 수직 하강하거나 휘어지는,
터치 입력 장치.
터치 압력을 검출하는 터치 입력 장치에 있어서,
커버층;
상기 커버층 하부에 배치된 디스플레이 모듈;
상기 디스플레이 모듈 하부에 배치되고, 전기적으로 플로팅된 플로팅 전극;
상기 플로팅 전극의 하면에 배치되고, 금속 입자를 포함하는 탄성 재질의 절연 기판; 및
상기 절연 기판 하부에 소정 간격 떨어져 배치된 제1 및 제2 압력 전극;을 포함하고,
상기 터치 압력이 상기 커버층에 가해져 상기 절연 기판이 상기 제1 및 제2 압력 전극에 의해 눌려 압축되면, 상기 제1 및 제2 압력 전극 사이의 정전용량 변화량은 상기 절연 기판의 유전율의 증가에 의해 증가되되, 상기 제1 및 제2 압력 전극과 상기 플로팅 전극과 사이의 거리 감소에 따른 상기 제1 압력 전극과 상기 제2 압력 전극 사이의 전기장 세기 증가에 의해 더 증가되는,
터치 입력 장치.
제 8항에 있어서,
상기 정전용량 변화량은 상기 제1 및 제2 압력 전극과 상기 디스플레이 모듈 사이의 거리 감소에 의해 감소하는,
터치 입력 장치.
제 8항에 있어서,
상기 압력 전극과 상기 절연기판 사이에 에어갭이 존재하는,
터치 입력 장치.
삭제
삭제
제 8항에 있어서,
상기 절연기판은 하면이 요철 형상으로 구현된,
터치 입력 장치.
제 8항에 있어서,
상기 터치 압력이 상기 터치 입력 장치에 가해질 때, 상기 커버층과 상기 디스플레이 모듈이 수직 하강하거나 휘어지는,
터치 입력 장치.
제 1항 또는 제 8항에 있어서,
상기 금속 입자는 나노 사이즈를 가지는,
터치 입력 장치.