KR19980087028A - 음향파 방식 터치 패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음향파 감쇠가 작고, 전송신호 강도가 높은 유리기판을 이용하여 대형의 음향파식 터치 패널을 개시하는 것으로, 기판은 약 0.25dB/cm 이하의 감쇠계수를 갖는 강화가 가능한 유리로 구성되어 있다. 상기 유리기판의 조성은, 주성분으로서 SiO2를 포함하며, Na2O, CaO 및 MgO의 총 함유량이 7∼20중량%이다. 유리기판은, ① Al2O3및 ZrO2를 실질적으로 포함하지 않거나, 또는 ② Al2O3및 ZrO2의 총 함유량이 3∼20중량%이다. 더욱이, 유리기판 중의 B2O3의 함유량은 0∼10중량%이며, TiO2, Y2O3, SnO2, PbO2및 In2O3의 총 함유량은 5중량% 이상이다. 이와 같은 유리기판을 사용하면, 대형의 강화된 음향파 방식의 터치패널을 가능하게 한다.

Description

음향파 방식 터치 패널
본 발명은 음향파 방식 터치 포지션 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판(substrate)내에서 음향파가 발생하여, 이 음향파가 전송신호로부터 어떤 범위의 특징적 시간지연을 가지고, 기판 안을 전파하며, 이 시간지연이 기판의 하나의 축을 따라 각각의 축방향 변위와 관련된 다른 경로길이를 나타내는 방식의 터치 패널에 관한 것이다. 기판으로의 접촉(터치)의 결과, 음향파에 혼란이 발생하기 때문에, 이를 검출하여, 기판으로의 접촉의 축방향 변위를 구한다. 이러한 종류의 터치 패널은, 컴퓨터 이미지 디스플레이와 관련된 컴퓨터 입력장치로서 사용된다.
관용적인 터치 패널은, 브라운관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 등의 표시 디바이스 또는 표시 유닛과 조합하여, 여러 가지 분야에서 이용할 수 있는 입력-출력 디바이스로서 이용되고 있다. 현재, 저항식, 용량식 및 음향파식 터치 패널이, 시중에 있는 터치 패널의 지배적인 타입이다. 음향파식 터치 패널은, 저항식 및 용량식 터치 패널에 비해, 매우 튼튼한 터치 표면 및 보다 큰 화상의 명료성을 가져온다.
저항식 및 용량식 터치 패널은, 기판상에 형성된 저항층을 포함한다. 강도, 광학적 투명도 및 저코스트를 위해, 소다 유리(소다석회유리)가 일반적으로 바람직한 기판 재료이다. 상기 저항층은, 터치 포지션에 관한 정보의 검출에 필수적이다. 또한, 종래의 저항식 터치 패널에는, 플라스틱제 커버 시트가 씌워져 있다. 많은 용도에서는, 유리기판에 부가된 이러한 구성부분은, 우발적이거나 또는 고의에 의한 손상을 받기 쉽다. 더욱이, 이러한 부가적 구성부분은, 광투과율이 저하되고, 주위의 광의 반사가 증가하는 결과, 표시 디바이스에 있어서의 데이터 및 이미지의 선명도(시인성)를 저하시킨다.
이에 대해, 종래의 음향파식 터치 패널은, 튼튼한 터치 표면 및 높은 표시화상품질을 보증하기 위해서, 유리하게 채용할 수 있다. 인풋 위치에 관한 좌표 데이터를 검출하는데 초음파가 사용되기 때문에, 소다석회 유리기판 상에 저항층을 형성할 필요가 없으며, 플라스틱 커버 시트도 필요없다. 소다석회 유리는 매우 투명하고, 초음파 주파수에서의 음향파의 전파를 지지한다. 소다석회 유리는, 관용적인 음향파식 터치 패널의 기판 재료이다. 마지막 사용자에게 있어서는, 이러한 음향파식 터치 패널은, 광학적 및 기계적으로 봤을 때, 기껏해야 한 조각의 창 유리이다.
대표적으로, 입사광의 4%가 각각의 유리표면에서 반사되어, 최대 광투과율은 약 92%가 된다. 주위 광의 반사는 화상의 선명도, 콘트라스트를 감소시킨다. 이러한 반사의 원인은, 공기와 유리기판 사이의 굴절율의 부정합이다. 광투과율의 저하는 화상의 밝기를 감소시킨다. 이들은, 액정 디스플레이 등의 휘도(밝기)가 상대적으로 낮은 표시 디바이스의 앞면에 터치 패널을 배치할 때에는, 중대한 영향이 될 수 있다. 반사를 감소시키고, 투과율을 높이기 위한 이미 알고 있는 방법은, 옵티컬 본딩 또는 반사방지 코팅이다. 이러한 방법은, 공기와 유리 사이의 굴절율의 부정합에 대처하는 것이다. 이러한 방법은, 기판 재료 자체의 고유한 투명성을 개선하지는 못한다.
소다석회 유리는, 완전하게 투명하지는 않다. 이는, 주로 철 이온 불순물에 의해 생기는 착색 중심 때문이다. 이러한 이온 불순물은, 광의 투과율을 감소시키고, 표시된 이미지의 색을 왜곡한다. 이것은, 예를 들어 음향파식과 저항식의 터치 패널 사이의 광학적인 상이점에 대해서는, 심각한 영향이 되지 않는다. 그러나, 일반적인 소다석회 유리에 대한 투과율의 개선은, 음향파식 터치 패널의 광학적 장점을 증진시키게 되어 유익할 것이다.
디스플레이 기술은 급속하게 발전하고 있다. 이 발전에는, 대형 디스플레이 제품의 도입 및 시장에서의 수용이 포함된다. 이것이 이번에는 보다 큰 터치 패널의 수요를 산출한다. 그러나, 어떠한 터치 패널기술도, 보다 대형으로 할 때에는, 문제에 부딪힌다. 저항식 및 용량식 터치 패널의 경우에는, 패널 치수의 증대와 함께, 저항층의 충분한 일양성을 유지하는 것이 더욱 더 곤란해진다. 음향파식 터치 패널의 경우에는, 보다 대형에의 도전은, 충분한 신호 진폭을 확보하는 셈이다.
음향파식 터치의 경우, 패널의 치수가 늘어남과 동시에, 음향파 신호가 감쇠한다. 이 신호 손실은, 초음파가 기판을 지나 전파될 때의 신호의 감쇠 때문에 발생한다. 그렇기 때문에, 대형 음향파식 터치 패널은, 입력 위치를 확정하는데 충분한 SN(신호 대 잡음)비를 부여할 수 없는 수가 있다. 그러므로, 음향파식 터치 패널은 SN비를 높이는 수단이 필요하게 된다. 신호의 진폭을 감소시키는 제품 증강을 요구하는 시장으로부터의 그 밖의 압력이 있는 까닭에, 그러한 것이 점점 더 맞아 떨어지는 것이다. 그러한 압력이라 함은: 보다 저코스트의 제어장치 일렉트로닉스; 반사 어레이의 면적 감소; 신호 흡수 시일이다.
상업적으로 성공하고 있는 음향파식 터치 패널 디자인의 음향파 경로 길이는 비교적 길기 때문에, 유리기판의 음향파 감쇠특성은 특히 중요하다. 긴 음향파 경로길이의 필요성을 이해하기 위해, 음향파식 터치 패널에 대해서, 첫 번째의 가장 간단한 개념을 살펴본다.
개념적으로는, 가장 간단한 음향파식 터치 포지션 센서는, 미국 특허 제 3,673,327호 명세서에 기재된 타입의 것이다. 이러한 터치 패널은, 평행한 음향파 빔 발생을 위해, 기판의 한쪽 가장자리부를 따라 배치된 일렬의 송파기를 포함한다. 대응하는 일렬의 수신기가, 기판의 다른 쪽 가장자리부를 따라 배치된다. 어느 점에서 패널에 닿게 됨으로써 음향파 빔의 하나의 감쇠가 초래된다. 대응하는 송파기/수신기 쌍을 고정·확인함으로써, 터치의 촤표가 구해진다. 미국 특허 제 3,673,327호 명세서에 개시되어 있는 음향파식 터치 패널은, 레일리(Rayleigh)파로서 알려져 있는 타입의 음향파를 사용하고 있다. 이러한 레일리파는, 터치 패널의 한쪽 가장자리로부터 다른쪽 가장자리까지만 전파되면 된다. 그러나, 이러한 타입의 음향파식 터치 패널은, 다수의 트랜스듀서(변환기)를, 그러한 연유로 관련된 케이블 도체 및 일렉트로닉스 채널(통신로)을 필요로 하는 것에 주의하기 바란다. 이 타입의 음향파식 센서는, 다수의 트랜스듀서를 설치하는 비용 때문에, 상용화된 것은 없다.
그런데, 상업적으로 성공하고 있는 음향파식 터치 패널을 생각해보자. 이 분야에서의 선구자적인 일련의 특허의 대표적인 것이, 아들러(Adler)의 재발행 미국 특허 제 33151호 명세서이다. 음향파 트랜스듀서는 버스트(연발)파를 발생하고, 이러한 파는 시트형상 기판 안에 결합(커플링)된다. 이러한 음향파는, 음향파 재방향지시 격자열(어레이)에 의해서, 시스템의 능동영역으로, 90°편향된다. 재방향지시 격자는, 트랜스듀서로부터의 음향파의 전파축에 대해 45°각도로 배향되어 있다. 이러한 격자는, 광학시스템에 있어서의 부분적으로 은 도금된 거울과 비슷하다. 능동영역을 통과한 음향파는, 이번에는 다른 격자열에 의해 출력 트랜스듀서를 향해 방향을 재지시 받는다. 터치 위치의 좌표는, 시간 영역에서의 수신 신호의 선택적 감쇠의 분석에 의해 결정되며, 각 특성 지연은, 표면으로의 터치의 좌표값에 대응한다. 격자열의 사용에 의해, 소요되는 트랜스듀서의 수가 크게 감소하고, 이렇게 해서 상업적으로 경합이 가능한 가격에서의 터치 패널의 제작이 가능해진다. 마이너스적인 면으로, 격자열의 이러한 요령 있는 채용이, 음향파가 기판을 통해서 투과하지 않으면 안되는 극대거리를 상당히 증대시키게 된다.
음향파식 터치 패널에 있어서의 신호 진폭이, 격자열에서의 산란의 과정에서의 저능률에 의해, 더욱 감소된다. 이러한 저능률은, 적절한 어레이 디자인에 의해 극소화될 수 있다. 격자 소자를 45° 각도로 배향하고, 그러한 간격을 음향파 파장의 정수배로 함으로써, 어레이로부터의 효율적인 코히어런트(coherent) 산란이 달성된다. 능동영역을 ［비추는］음향파 파워를 등화시킬 때, 음향파 에너지가 매우 효율적으로 활용된다. 이미 알고 있는 수법이, 신호 진폭이 지연 시간의 함수로서 지수함수적으로 감쇠되는 경향을 보정해준다. 미국 특허 제 4746914호 명세서의 제 11란 제 37-41행에 기재되어 있는 바와 같이, 신호 등화(equalization)는, 격자, 즉 반사 소자를 파장 간격에서 일정한 배치로 하고, 높이가 다른 반사 소자를 설치함으로써 달성할 수 있다. 이 대신에 다른 방법은, 격자 소자를 선택적으로 생략하여, 능동 영역에 걸친 거의 일정한 음향파 파워 밀도를 발생시키는 것이다. 이 경우, 격자의 간격은, 어레이 축을 따른 트랜스듀서로부터의 거리가 늘어남에 따라 감소한다. 이러한 기존의 방법을 적용함으로써, 음향파의 재방향지시 때의 불필요한 저능율이 회피된다. 그러나, 격자 어레이를 사용한 음향파의 두 번의 방향 재지시는, 불가피적으로 신호 손실을 초래한다. 이렇기 때문에, 음향파식 터치 패널 디자인에 있어서의 최소의 신호진폭 요구의 중요성이 늘어나게 된다.
상업적으로 입수할 수 있는 음향파식 터치 패널제품의 일렉트로닉스는, 브레너(Brenner) 등의 미국 특허 제 4644100호 명세서에 제시되어 있는 기본개념에 근거하고 있다. 이 특허는, 재발행 미국 특허 제 33151호 명세서에 따른 시스템의 개량에 관한 것으로서, 여기에서는 수신 신호와 기억된 기준신호 프로파일을 비교함으로서, 수신 신호의 섭동(perturbation; 혼란)을 구한다. 시간지연 및 신호섭동의 쌍방을 분석함으로써, 음향파를 이용한 터치 감수시스템은 터치의 위치 및 규모(magnitude)의 쌍방에 감응한다. 터치 시스템의 적절한 조작을 위해서는, 음향파 흡수성의 터치에 따른 신호의 섭동과 일렉트로닉스 시스템의 노이즈에 따른 신호의 변동이 애매하게 되는 것을 피하는데 충분할 만큼 커다란 SN비가 필요하게 된다. 일렉트로닉스 시스템의 노이즈는, 회로 구성 부분으로부터의 기본적인 노이즈에 의한 것이 있는가 하면, 전자 간섭에 의한 것도 있다. 근래, 시장은 가벼운 터치로부터의 빠른 터치 응답을 더욱 더 기대하고 있으나, 이것에는 보다 낮은 터치 섭동 스레솔드값이 요구되고, 그로 인해 보다 높은 SN비가 점점 더 요구되고 있다.
이러한 아들러 타입의 음향파식 터치 패널은, 또한 상기 각 특허 및 미국 특허 제 4642423호 명세서, 제 4644100호 명세서, 제 4545870호 명세서, 제 4700176호 명세서, 제 4746914호 명세서 및 제 4791416호 명세서에서 찾아볼 수 있다. 검출되는 각각의 좌표축에 대해, 음향파는, 예를 들어 유리기판 중에서, 압전소자를 포함하는 트랜스듀서에 의해 발생된다. 즉, 전송되는 파의 패킷이 전송 반사 어레이의 축을 따라 분산되며, 기판을 가로질러 다른 반사 격자에 의해 재결합되어 축방향으로 전파하는 파가 되며, 초기의 전송파에 대해, 역평행의 방향으로, 수신 트랜스듀서를 향하게 된다. 웨이브 패킷은, 기판을 가로지르는 경로에 따라서, 시간의 경과와 함께 분산된다. 수신된 파형은, 전기신호로 변환되어 처리된다. 전기신호의 섭동의 시간지연이, 파가 산란된 성분이 나아간 거리에 대응한다. 이렇게 해서, 이 시스템에 의하면, 축 당 2개의 트랜스듀서가 필요할 뿐이다. 전형적으로는, X 및 Y 좌표를 측정한다; 이 측정은, 총 4개의 트랜스듀서를 사용하는 것만으로 실시할 수 있다.
트랜스듀서의 수를 더욱 감소시켜서, 상기 음향파식 터치 패널 시스템의 편향이 가능하다. 음향파는, 전송 반사 격자의 축에 평행한 기판의 가장자리 근처에서, 또는 그 가장자리에서, 180。반사되어, 기판을 지나 반사 어레이로 반송되고, 트랜스듀서로의 경로를 다시 거친다. 이 경우, 트랜스듀서는, 적당한 시간을 두고 정기적으로 송파기 및 수신기 양방으로 동작하도록 구성된다. 터치의 양 좌표를 결정할 수 있도록, 직각의 축에 대해, 제 2 트랜스듀서, 반사 어레이 및 반사 가장자리가 형성된다. 또 다른 시스템은, 단일 트랜스듀서를 준비하고, 이것이 2축으로의 터치를 검출하기 위한 파를 발생하며, 양축으로부터의 파를 수신하기도 한다. 트랜스듀서의 수를 줄이면, 주어진 터치 패널 치수에 대한 대응 음향파 경로 길이가 증대된다. 이것이, 기판 재료내에서의 음향파 감쇠에 따른 신호 손실을 증대시킨다.
음향파식 터치 패널을 작동시키는 터치는, 장갑을 끼거나, 또는 끼지 않은 손가락 또는 표면을 누르는 첨필(尖筆)에 의한 것이어도 상관없다. 임의로, 유리기판 표면에 씌워진 커버 시트를 통해서, 손가락 또는 첨필을 간접적으로 작동시켜도 된다.
초음파는, 유리기판 중에서 몇 가지 모드를 취할 수 있다. 레일리파라고 불리우는 모드가, 음향파식 터치 패널에게 있어서 특히 관심이 기대된다. 레일리파는, 본질적으로, 충분한 유한 두께의 균질한 비압전 매체로 이루어진 시트의 단일한 표면에 구속된다. 레일리파는, 수학적으로, 반유한 매체에 대해, 이 모드에 관한 파동 함수를 계산하였다. 유한 두께의 매체의 한 표면 근처를 안내하는 이같은 파는, 보다 정확하게는, 의(疑)레일리파라고 불리우는데, 이러한 파는 일반적으로는 레일리파라고 불리며, 본 명세서에서도 그와 같이 부른다. 터치 패널의 설계 및 제작상의 실경험은, 레일리파장의 약 4배 이상이, 레일리파를 순조롭게 전파하기에 충분한 기판 두께인 것을 나타내고 있다.
다른 파 모드가, 음향파식 터치 패널에서의 사용을 위해 검토되고 있다. 미국 특허 제 5260521호 명세서, 제 5234148호 명세서, 제 5177327호 명세서, 제 5162618호 명세서 및 제 5072427호 명세서는, 아들러 타입의 음향파식 터치 패널에 있어서의 수평 편파 횡파(horizontal polarised shear waves) 및 램 파(lamb wave)의 사용을 개시하고 있다. 미국 특허 제 5591945호 명세서는, 음향파식 터치 패널에서의 음향모드의 선택에 관한 또 다른 선택사항을 개시하고 있다. 그러나, 레일리파는, 음향파식 터치 패널에 있어서도 가장 일반적으로 사용되고 있는 음향 모드였으며, 앞으로도 그러하리라고 생각된다. 이는, 터치에 대해 레일리파가 상대적으로 높은 감수성을 지닌 것 및 균질의 매체의 단순한 표면에 의해 전파될 수 있음에 기인한다.
상업적 터치 패널의 경우, 초음파의 진동수는 5MHz 정도이다. 레일리파를 채용하고 있는 음향파식 터치 패널의 경우, 오늘날까지의 상업적 제품에서의 소다석회 유리기판의 두께는, 2mm∼12mm의 범위내에 있다. 최저차의 수평 편파 횡파를 채용한 음향파식 터치 패널 제품은, 현재, 1mm 두께의 소다석회 유리로 제작되고 있다.
상업적으로 존속가능한 것이 증명된 타입의 음향파식 터치 패널은, 트랜스듀서 및 전자 채널의 수를 줄이기 위해, 또는 터치 위치를 시간에 따라 신뢰가 가능하도록 정확하게 아날로그 측정할 수 있도록, 반사 어레이를 잘 활용하고 있다. 이것이 음향파식 터치 패널의 상업화에 필수임이 증명되어 있다. 그러나, 결과로서의 상대적으로 긴 음향파 경로길이가, 2회의 음향파 산란으로부터의 손실과 함께, 작은 수신신호 진폭으로 이끈다. 이와 같은 작은 신호 직폭에서는, 초음파를 유리기판의 안에서 전송하는 타입의 터치 센서에 있어서의 신뢰할 수 있을 정도의 신호 처리에 충분한 SN비를 보증하는 것은 곤란하다.
음향파식 터치 패널을 기술하는데 많은 용어가 사용되어져 왔다. 즉, ［음향파 센서］, ［음향파식 터치 스크린］, ［초음파 터치 패널］ 등이다. 본 명세서에서는, 특히 사전에 언급하지 않은 이상, 이러한 용어는 모두 동의어로서, 초음파에 의해 터치를 감지하는 것이며, 트랜스듀서의 수를 감소시킬 수 있도록 하기 위해 반사 격자 어레이를 사용하고 있을 때의 투명한 터치 센서를 표현하는 것이라고 생각한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 유리기판의 음향파 감쇠가 낮고, 전송 신호의 만족할 만한 강도를 보증하는 음향파식 터치 패널을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전자간섭에 관해, 종래의 터치 포지션(접촉 위치) 센서보다 더욱 신뢰할 수 있고, 보다 튼튼한 음향파식 터치 패널을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 저코스트 제어장치에 의해, 약 10볼트 이하의 피크 대 피크(peak-to-peak)전압의 전송 버스트 진폭에서, 높은 신뢰성으로 동작할 수 있는 음향파식 터치 채널을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 신호변환 효율이 낮은 기계적으로 컴팩트한 트랜스듀서를 포함하는 음향파식 터치 패널을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상당한 음향파 신호의 흡수를 야기하는 시일의 사용을 가능하게 하는 음향파식 터치 패널을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 치수가 증대한 음향파식 터치 패널을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 사용자에게 있어서, 조잡하게 취급해도 신뢰할 수 있고, 튼튼한 터치 표면을 가지는 터치 패널을 제공하는 데 있다.
본 발명은 다른 목적은, 열적으로 강화 또는 화학적으로 경화시킬 수 있고, 그로 인해 대형 강화 터치 패널을 가능하게 하는, 강화 가능하고, 저음향 손실의 터치 패널용 기판을 제공하는 데 있다.
본 발명의 하나의 목적은, 레일리파를 채용한 음향파식 터치 패널에 있어서 SN비를 증대시키는 데 있다.
본 발명의 또 하나의 목적은, 높은 광 투과 및 표시 디바이스에 의한 데이터의 명료한 디스플레이를 보증하는 터치 패널을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 음향파식 터치 패널의 일실시의 형태를 나타내는 개념적 평면도이다.
도 2는 실시예 1에 있어서의 수신 신호의 포락선을 나타내는 파형도이다. 도 3은 기판 중에서의 음향파의 감쇠를 측정하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 소다석회 유리기판 및 붕규산 유리기판에 대해서, 도 3에 도시하는 방법에 의해 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 CRT 디스플레이 모니터에 탑재된 하나의 터치 패널의 단면도이다.
도 6은 투사 이미지를 받기 위해 채용한 터치 패널의 단면도이다.
도 7은 바깥측의 유리층이 터치 패널 기판으로서 기능하는 안전 유리 적층체의 단면도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 유리기판 3a, 3b: 송신 수단
4a, 4b, 5a, 5b: 반사 어레이
6a, 6b: 수신 수단 100, 122: 터치 패널
102: 브라운관 151: 내층 유리
152a: 터치 표면 152: 바깥층 유리
153: 접착제
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구한 결과, 초음파 전파 매체로서 특정한 유리기판 또는 베이스를 사용하면, 초음파의 감쇠를 현저히 억제할 수 있고, 신호가 수신, 검지될 때까지 신호의 높은 강도를 유지하면서, 전송될 수 있음을 발견하기에 이르렀다. 본 발명은, 상기 식견에 의거한 것이다.
이러한 목적, 및 그 밖의 목적은, 본 발명에 따르면, 음향파(초음파)전파 매체로서 유리기판을 가지며, 터치 위치의 좌표 데이터를 검출하기 위한 터치 패널(특히, 터치 패널용 유리기판)을 제공함으로써 달성된다. 상기 유리기판은, 주성분으로서의 SiO2와 추가성분을 포함하며, 5.53MHz의 레일리파에 대해, 기판 표면에서, 레일리파의 전파를 지지하기에 충분한 두께를 갖는 시험대상 유리샘플에 대향하는 한 쌍의 0.5 인치폭 웨지 트랜스듀서를 장착하고, 신호에 대해 진폭 대 거리의 플롯의 기울기에 따라 측정했을 때, 감쇠 계수가 약 0.25dB/cm 이하이다.
본 발명은, 예기치 못한 실험 결과의 성과였지만, 이하의 개념적 이론 구성은, 발명의 본질을 밝히는데 도움이 되는 것이다.
유리는 기본적으로 이산화규소(SiO2)이며, 거기에는 그렇지 않으면 결정성 석영을 형성하리라고 보는 Si-O-Si 공유결합으로 이루어진 규칙적 격자의 생성을 방해하기에 충분한 양의 다른 화합물이 첨가되어 있다. 예를 들면, Na2O의 첨가 결과, 2개의 규소 원자간의 공유결합으로 이루어진 Si-O-Si결합이 치환되고, 이 공유결합이 절단되며, Si-O-/O-Si 플러스 2개의 Na+이온이 된다. 마찬가지로 CaO 또는 MgO의 첨가 결과, 공유결합이 절단되어, Si-O-/O-Si 플러스 1개의 Ca2+또는 Mg2+이온이 된다. 이와 같이 해서, 충분한 양의 ［소다］ 또는 ［석영］의 첨가에 의해, 결정성 석영보다 오히려 무정형의 유리가 된다.
결정성 재료로부터 무정형 재료로의 전이는, 감쇠는 늘어나는 결과가 된다. 예를 들면, 로예(Royer)와 디엘센(Dieulesaint)의 음향학 교과서(Ondes elastiques dan les solides-고체 중의 탄성파) 제 1 권 페이지 XV(출판: 매슨(Masson))로부터의 1절의 하기의 선택을 참조하기 바란다:
비교적 높은 주파수(예를 들어, 신호 처리의 경우, ＞100MHz)의 파를 필요로 하는 용도로 사용하는 고체는, 결정이다. 기계적 진동이 전파되는 재료가 보다 규정되어 있으므로 그러한 진동의 감쇠가 보다 적기 때문이다.
이는, 석영 등의 결정성 재료보다 오히려 무정형 재료인 유리를 사용하는 것은, 필연적으로 음향파 손실을 증대시키는 결과가 되는 것을 의미하고 있다.
본 발명자들은, 예기치 못하게도, 모두 무정형 유리상태로의 전이를 야기하는데 충분한 여러 가지의 화합물을 이산화 규소에 첨가할 때, 음향파 감쇠에 대한 그들의 영향이 크게 차이나는 것을 발견하였다. 몇 가지의 유리 조성은, 소다석회 유리 중에서 보여지는 더욱 더 유의적(有意的)으로 감소한 음향파 손실로 이끌었다. 더욱이, 어느 패턴이 관찰되고 있다.
첨가물이, Si-O-Si 공유결합을 약한 이온 결합으로 치환하면, 음향파 감쇠는 상대적으로 보다 크고, 첨가물이 Si-O-Si 공유결합을 대체공유결합, 강한 이온결합 또는 입체적으로 구속된 이온결합으로 치환하면, 음향파 감쇠는 상대적으로 작다. B2O의 첨가는, B-O-Si결합으로 이끌고, 공유결합 네트워크의 파괴, Si-O-/O-Si와 같은 파괴에는 이르지 않는다. 이것은 대체 공유결합 성립의 일례이다.
3이상의 높은 전하상태의 플러스 이온, 예를 들면 Al3+및 Zr4+로 이끄는 첨가물은, 강한 이온결합을 초래한다. 공유결합쇄의 말단의 산소이온 Si-O-는, 높은 전하상태의 이온과 강한 이온결합을 형성할 것이다. 이러한 높은 전하상태의 이온과의 이온결합은, 정전 결합력이 관여하는 이온의 전하에 비례함으로써 강한 것이다. 강한 이온결합은, Si-O-Si 공유결합이 파괴되었을 때 발생한다.
X2O3또는 XO2형의 첨가물의 경우에는, 원소 X가 대체 공유결합 X-O-Si를 생성하는 것이나, 또는 원소 X가 높은 전하상태의 이온 X3+또는 X4+를 형성할지의 여부는, 분명하지 않은 경우도 있다. 어떠한 경우에도, 결과는 마찬가지이다. 분자의 결합의 네크워크는, X2O 또는 XO형의 첨가물과 비교하여 강해진다. 이것은, 네트워크를 벌써 질서가 있는 것이라고는 하지 않겠지만, 음향파 감쇠를 감소시키는 것이 실험적으로 관찰된다.
K2O 및 BaO는, Na2O나 CaO 및 MgO와 같은 X2O 및 XO형이지만, 상당하는 이온 반경은 크게 차이난다. K+의 이온 반경은 1.33옹스트롬이며, Ba2+의 이온 반경은 1.35옹스트롬이다. 대조적으로, Na+, Ca2+및 Mg2+의 이온 반경은, 각각 0.95옹스트롬, 0.99옹스트롬 및 0.65옹스트롬이다. 이러한 이온은 전부, 공유 네트워크의 말단에 있는 마이너스의 산소원자의 음 부하에 가까이 끌어당겨진다. 그러나, 예를 들어 Na+, Ca2+및 Mg2+이온과 비교하여, 예를 들어 K+및 Ba2+이온은 치수가 크기 때문에, 절단된 공유결합 Si-O/O-Si의 영역에 있어서의 공간충전에 의한 입체 효과를 가져온다. 본 발명자들은, 그 관찰 및 발견을, 부분적으로는, 이온 반경이 약 1옹스트롬을 넘을 때, 이러한 입체효과가 음향파 감쇠의 억제를 초래하는 것으로 해석하고 있다.
입체 효과는, X2O형의 첨가물로부터의 단일 부하, 큰 반경의 이온인 경우에, 특히 두드러진다. 이것은, 절단된 공유결합 Si-O-/O-Si마다 2개의 X+이온이 있기 때문이다. K+가 X+의 가장 중요한 예이다. 유리 중에서의 K+이온의 입체 효과는 이미 알려진 바이며, 유리의 화학적 경화의 기초를 이루는 것이다.
반경이 더욱 큰 이중전하이온, 예를 들어 Ba2+및 Sr2+는, 보다 작은 이중전하이온 Mg2+및 Ca2+보다, 더욱 강한 입체효과를 가지겠지만, 쌍으로 된 K+등의 커다란 단일전하이온보다, 입체효과는 약할 것이다. Ba2+및 Sr2+는, 그러한 음향학적 효과는 보다 중간적이다.
상기 개념적 프레임은, 이하에 특정하는 본 발명의 해석에 이바지하는 것이다.
음향파(초음파) 전파매체로서의 상기 유리기판의 사용은, 음향파(초음파)의 감쇠를 억제하여, 높은, 만족할 만한 신호강도의 수신을 보증한다.
본 발명의 터치 패널은, 가시광 영역에 있어서 소다석회 유리보다 높은 광투과율을 가지고 있으며, 터치 위치에 관한 좌표 데이터의 검출에 사용하는 음향파(초음파) 전파매체로서의 유리기판에 의해 제공된다.
상기 목적은, 본 발명에 따르면, 또한 음향파를 전파할 수 있는 기판과, 상기 음향파를 기판 중에 도입하기 위한 수단을 포함하는 터치 패널로서, 화학적 또는 열적으로 강화가능하거나 또는 강화된 유리, 바람직하게는 통상의 소다석회유리보다 음향파 흡수가 실질적으로 적은 유리투명재료로 제작된 기판을 가지고 있으며, 상기 음향파식 터치 포지션(접촉 위치)센서를 제공함으로써 달성된다.
［강화가능한 유리］라고 함은, 열강화가 가능하거나, 또는 실질적으로 화학적으로 경화시킬 수 있는 유리를 의미한다.
열강화는, 유리를 빨갛게 달궈질 때까지 가열하고, 다음에 급속하게 냉각하여, 그에 의해 유리의 양면을, 매우 급속하게 냉각함으로써, 매우 높은 압축하에 놓을 때에 일어난다. 충분히 강화된 유리의 경우, 유리는 약 15000psi가 될 수 있다. 유리를 예를 들어, 약 10000psi까지 부분적으로 강화하는 것도 가능하다. 유리의 내부 부분은 보다 천천히 냉각해, 장력하에 있으며, 양 표면에 의해 그것들에 평행하게 잡아당겨진다. 유리는, 그것이 충분히 큰 열팽창계수, 즉 강화전에 약 6×10-6/K 이상의 열팽창계수를 가질 때에만, 열강화가능하다.
유리의 화학적 강화는, 유리표면에 존재하는 낮은 알칼리 금속이온의 약간이 높은 알칼리 금속이온으로 치환됨으로써, 예를 들어 리튬 및/ 또는 나트륨이온이 칼륨이온에 의해 치환됨으로써 발생한다. 화학적 경화 프로세스는, 미국 특허 3954487호 명세서에 일반적으로 개시되어 있으며, 이것을 인용하여 본 명세서도 도입한다. 여기에서, 우리들에게 있어서 관심을 가지게 하는 것은, ［실질적으로］, 즉 강도가 적어도 약 50% 증가할 때까지, 바람직하게는 적어도 약 100% 강도가 증대할 때까지, 화학적 경화할 수 있는 유리이다.
전혀 예기치 못한, 레일리파를 채용한 음향파식 터치 패널의 기판으로서 강화가능한 특정한 유리를 사용할 때, 기판으로서 소다석회유리를 사용한 균등한 음향파식 터치 패널과 비교하여, SN비가 10∼30dB 증가하는 것이 발견되었다.
톤 기준으로 보면, 세계에서 제조되고 있는 유리의 대부분이 소다석회유리이다. 예를 들어, ［창유리］용 유리는, 소다석회유리이다. 차의 창 및 거울은 소다석회유리로 제작되어 있다. 소다석회유리는, 가장 저렴한 유리재료이기 때문에, 투명한 기판재료로서는 당연히 선택되는 것이다. 따라서, 본 발명을 별도로 해서, 오늘날까지 기존의 아들러 타입 음향파식 터치 패널은, 전부 소다석회유리로 형성된 유리기판을 기초로 해 왔다.
붕규산 유리 및 바륨 함유 유리가, 소다석회유리보다 음향 파손이 훨씬 적다는 발견이, 1996년 8월 1일에 공개된 PCT국제출원 No.WO96/23292의 기초가 되어 있다. 붕규산 유리는, 원래, 다우코닝사에 의해 개발되어, 코닝사에 의해 ［파이렉스］의 상품명으로 시판되었다. 이 유리는, 소다석회유리보다 약간 고가이지만, 주로 열팽창계수가 작고, 큰 온도구배에 견디며, 주름이 잡히지 않기 때문에, 커다란 시장을 발견해 나갔다. 현재로서는, 쇼트(Schott)유리사도, 붕규산 유리를, ［템팍스］ 및 ［보로 플로우트］의 상품명으로 시판되고 있다.
간단한 실험에 있어서, 붕규산 유리는, 레일리파 흡수성이, 소다석회유리의 약 1/2인 것이 증명되었다. 도 3은, 유리 중에서의 레일리파의 감쇠를 측정하는데 사용한 측정방법을 도시하고 있다. 송신 트랜스듀서(2) 및 수신 트랜스듀서(4)의 쌍을 유리에 올려놓고, 그들의 간격을 2인치, 4인치 및 6인치로 변화시켰다. 소다석회유리의 두 시료 및 붕규산 유리의 두 시료에 대해, 각 간격에서 측정을 행했다. 이 경우, 붕규산 유리는, 쇼트사 제품의 템팍스 유리시트를 이용했다. 결과는, 도 4에 그래프로서 도시되어 있다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 소다석회유리 중에서의 감쇠는, 붕규산 유리에 대해 측정된 감쇠의 거의 2배였다. 소다석회유리는, 1.44dB/인치(0.57dB/cm)의 감쇠를 나타내고, 붕규산 유리는 0.74dB/인치(0.3dB/cm)의 감쇠를 나타냈다.
본 발명의 유리기판에는, 상기 붕규산 유리보다 음향파의 감쇠가 작은 유리(즉, 상기 측정방법에 있어서, 감쇠계수가 약 0.25dB/cm 이하의 유리)로 구성된 기판 또는 베이스가 포함된다. 유리기판의 조성은, 주성분으로서 SiO2를 포함하며, Na2O, CaO 및 MgO의 총 함유량이 7∼20중량%이다. 또한, 유리기판에는 Al2O3및 ZrO2를 실질적으로 포함하지 않은 유리기판, Al2O3및 ZrO2의 총 함유량이 3∼20중량%인 유리기판도 포함된다. 더욱이, 유리기판중의 B2O3의 함유량은 0∼10중량%(예를 들어, 0∼1중량%) 정도이어도 되고, BaO의 함유량은 0∼10중량%(예를 들어, 1∼10중량%, 바람직하게는 1∼8중량%) 정도이어도 좋다.
상기 조성의 유리는, 붕규산 유리보다 낮은 음향파 손실이라는 특성을 나타낸다. 이와 같은 유리의 일례는, 쇼트사 제품의 ［B-270］유리이며, 이 유리는 다음의 개략적인 조성을 갖는다고 보고되고 있다(산화물 기준의 중량%): SiO2:69.5; Na2O:8.1; K2O:8.3; CaO:7.1; BaO:2.1; ZnO:4.2; TiO2:0.5; Sb2O3:0.5. 또 다른 예로는, 아사히가라스 가부시키가이샤 제품, 상품명 ［PD-200］ 등이 포함된다.
본 발명의 음향파식 터치 패널에서의 저손실 유리의 사용은, 이렇게 해서, SN비의 증대에 의거하는 나머지 신호［공급］을 초래한다. 이 증대된 공급은, 적어도 표면적으로는 기판 재료의 선택과는 무관하게 생각되는 많은 목적의 달성을 가능케한다. 이것들을 이하에 열거한다.
(1) 증대된 SN비는, 터치 패널에 관련된 일렉트로닉스 제어장치의 코스트의 저감을 가능하게 한다. 특히, 터치 패널의 송신 트랜스듀서에 신호음 버스트를 보내는 제어장치의 버스트 회로를, 버스트 진폭의 예를 들어 트랜지스터 트랜지스터 논리(TTL)전압레벨까지 저감시킴으로써, 단순화할 수 있고, 출력단계에서의 보다 낮은 코스트의 회로를 사용할 수 있게 한다. 버스트 진폭의 저감에는, 제어장치로부터의 EMI방출을 감소시키는 이점도 있다.
(2) 재발행 미국 특허 제 33151호에 개시되어 있는 타입의 음향파식 터치 패널은, 트랜스듀서 및 전자채널의 수를 극소화하기 위해, 또한 터치 위치의 시간에 따른 신뢰할 수 있는 정확한 아날로그 측정을 하기 위해, 반사 어레이를 사용하고 있다. 그러나, 그 결과로서의 상대적으로 긴 음향파 경로길이가, 2회의 음향파 산란에 의한 손실과 함께, 수신신호 진폭을 작게 하고, 터치 패널의 전체적인 치수를 한정한다. 본 발명의 유리 사용에 의해 얻어지는 SN비의 상승은, 이 타입의 터치 패널의 전체적인 치수를 늘릴 수 있게 한다. 예를 들어, 장방형의 터치 패널이 적어도 21인치의 대각선 치수를 가질 수 있다.
(3) 터치 패널의 민감한 부분과 인접 물체 사이의 접촉을 허용할 필요가 종종 있다. 반사 어레이 및 트랜스듀서를 보호하고, 둘러싸듯이 터치 패널 CRT의 하우징 또는 홈 가장자리가 음향파식 터치 패널과 접촉되는 경우가 있다. 이러한 접촉은, 터치 패널 기판과 인접 물체 사이의, 물이 새지 않게 하는 탄성 시일, 예를 들어 RTV용 시일에 의해 행할 수 있다. 이러한 시일은, 음향파 에너지를 흡수하기 때문에, 시일 적용에 앞서, SN비를 높일 것이 매우 요망되게 된다.
(4) 많은 용도의 경우, 터치 패널의 터치/디스플레이시스템으로의 적절한 기계적 적합의 확보에는, 음향파 신호의 진폭을 희생한 기계적 디자인을 최적화하는 것이 포함된다. 기계적으로 컴팩트한 트랜스듀서는, 최적 음향파 성능보다 이하에서 설계할 수 있다. 기계적 제약에 적응하기 위해, 반사 어레이는, 신호 성능에 있어서 최적인, 보다 좁게 설계되는 수가 있다. 기판 재료중에서의 감쇠에 따른 신호의 손실이 적을수록, 설계 기사는, 신호 진폭을 희생한 기계적 적합을 개선하기 위한 보다 많은 융통성을 가지게 된다.
내구성, 스크래치 저항성(scratch resistance) 및 공학적 투명성을 위해, 소다석회유리는, 음향파식 터치 패널용으로 선택된 재료이다. 상기와 같이, 특정한 유리는, 이러한 기계적 및 광학적 이점을 가져옴과 동시에, SN비를 높인다.
음향파식 터치 패널에 있어서 가장 중요한 음향파 모드는, 레일리파이다. 소다석회유리를 사용했을 때와 마찬가지로, 램파나 횡파 등의 다른 음향파 모드는, 본 발명의 유리기판 안을 전파시킬 수도 있다. 절단된, 구속되지 않는 Si-O-/O-Si결합의 수를 극소화하는 조성의 유리에 있어서, 어느 패턴의 음향파 감쇠의 감소가 관측된다. 이 일반적 패턴이 음향파 모드에 존재하지 않는다고 생각하기에 충분한 이유가 있다.
레일리파에 있어서의 에너지는, 가로 및 세로의 쌍방의 응력, 변형 및 운동의 형태를 취하며, 그로 인해 레일리파는, 이러한 형태의 에너지에 대응하는 감쇠 기구를 받는다. 횡파는, 전단 변형(shearing strain), 응력 및 운동의 형태의 에너지만을 가지며, 그렇기 때문에 횡파의 경우의 감쇠기구는, 레일리파의 감쇠가구의 부분집합이다. 전단 에너지만을 포함하는 굴곡파를 제외하고, 램파는, 가로 및 세로의 쌍방의 형태의 에너지를 가지며, 따라서 비율은 서로 다르지만, 레일리파와 같은 감쇠기구를 공유한다. 감쇠기구의 공유를 위해, 본 발명의 유리는, 모든 음향파 모드에 대해, 소다석회유리에 비해 감쇠가 감소하고 있다.
본 발명에 있어서, 음향파(초음파 등) 전파매체는, 특정한 유리제 기판 또는 베이스로 구성되어 있다. 상기 유리기판으로 구성된 터치 타입의 패널은, 터치 위치의 좌표 데이터를 검출하는데 유용하다.
음향파의 전파 매체로서의 본 발명의 유리기판은, 주성분으로서의 SiO2와 추가성분을 포함하고 있으며, 감쇠계수가 약 0.25dB/cm 이하(예를 들면, 0.1∼0.23dB/cm 정도), 바람직하게는 0.22dB/cm 이하(예를 들면,0.1∼0.21dB/cm 정도)이다.
본 발명의 터치 패널용 유리기판의 제 1 특징은, 유리가, SiO2를 주성분으로 하며, 추가 성분으로서의 Na2O, CaO 및 MgO(이하, 이러한 세 종류의 화합물을 제 1 성분이라고 총칭함)의 총 함유량이 낮은 점에 있다.
SiO2의 함유량은, 상기 추가 성분의 나머지 양으로, 예를 들어 약 45∼90중량%, 바람직하게는 약 50∼85중량%(예를 들어, 55∼85중량%)이다.
제 1 성분의 함유량이 증가함에 따라, 한편에서는 음향파(초음파 등)의 감쇠비가 늘어나고, 다른쪽에서는 수신신호의 강도가 감소한다. 이것은, 유리중에 포함되어 있는 제 1 성분이 SiO2공유결합 네트워크 중의 Si-O-Si 공유결합을 절단하는데, 이러한 절단된 결합을, 대체 공유결합, 강한 이온결합 또는 입체적으로 구속된 이온결합에 의해 치환하지 않기 때문이라고 추정된다. 그렇기 때문에, 제 1 성분의 총 함유량은, 낮게 유지되어야 한다. 관용적인 보통 유리인 소다석회유리보다 제 1 성분의 총 함유량이 낮은 유리기판이 특히 바람직하다. 즉, 제 1 성분의 총 함유량은, 상기 감쇠 계수를 나타내는 범위에서 선택할 수 있고, 예를 들어 1∼20중량%, 바람직하게는 7∼20중량%, 더욱 바람직하게는 10∼20중량%(예를 들어, 11∼20중량%) 정도이다.
절단되고, 또한 구속이 불충분한 Si-O-Si공유결합을 회피하는 성분의 함유량이 증가하면, 보다 낮은 초음파 감쇠를 초래한다. 감쇠의 증가 및 수신신호 강도의 저하는, Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, Y2O3, SnO2, PbO2, In2O3및 K2O(이하, 이러한 성분을 간단히 제 2 성분이라고 총칭함)의 총 함유량이 높은 유리기판을 사용함으로써 방지할 수 있다. 제 2 성분이, 소다석회유리에 비해 높은 총 함유량으로 존재할 것, 즉 제 2 성분의 총 함유량이 5중량% 이상, 예를 들어 5∼30중량%(약 5∼20중량%)인 것이 바람직하다. 바람직한 유리기판은 제 2 성분을 총계에서 약 7∼30중량%(예를 들어 7∼20중량%), 바람직하게는 10∼30중량%, 더욱 바람직하게는 15∼30중량% 정도 함유하고 있다.
제 1 성분의 함유량 및 제 2 성분의 함유량이 상기 범위에 있는 한, 유리기판은, 각각 제 1 성분 또는 제 2 성분 전부를 포함하고 있을 필요는 없다. 구체적으로 말하면, 유리기판은, 제 1성분(Na2O, CaO, MgO) 중의 적어도 하나의 화합물을 포함하고 있으면 되고, 모든 화합물도 함유하고 있지 않아도 되며, 제 2 성분(Al2O3, ZrO2, TiO2등) 중의 적어도 하나의 화합물을 포함하고 있으면 된다.
상기 제 2 성분에 관한 것으로, 유리기판은, (1) Al2O3및 ZrO2를 실질적으로 포함하지 않거나(예를 들어, 0∼1중량% 정도의 함유량), 또는 (2) Al2O3및 ZrO2의 총 함유량이 3∼20중량%(예를 들어, 4∼20중량%), 바람직하게는 5∼18중량%(예를 들어, 5∼15중량%) 정도이다.
유리기판은 반드시 B2O3를 함유할 필요는 없으며, B2O3를 포함하는 경우, 그 함유량은 0∼10중량%(예를 들어, 0∼7중량%), 바람직하게는 1∼5중량%(예를 들어, 1.5∼4중량%) 정도이며, 1중량% 미만(실질적으로 포함하지 않음)이어도 좋다.
유리는 BaO를 함유할 필요는 없으며, BaO를 함유하는 경우, 그 함유량은 1중량% 이상(1∼8중량%) 정도이다.
유리기판은, 여러 가지의 성분, 예를 들어, 산화물(예컨대, ZnO, BeO, LiO2, TeO2, V2O5, P2O5), 융제, 청징제, 착색제, 탈색제, 그 밖의 성분 등을 추가로 함유하고 있어도 된다.
이와 같은 조성의 유리는, 상기 쇼트사 제품, 상품명［B270］, 아사히가라스 가부시키가이샤 제품, 상품명 ［PD-200］(조성, SiO258중량%, R2O37중량비, RO 22중량%, R2O 10중량%, 그 밖의 성분 3중량%) 등으로 해서 입수할 수 있다.
본 발명의 터치 패널의 유리기판은, 터치에 의해 데이터를 입력하는데 유용하며, 표시 디바이스상에 배치되어, 표시 디바이스에 의해 표시된 데이터는 터치 패널을 통해서 볼 수 있다. 그렇기 때문에, 터치 패널을 구성하는 유리기판은, 가시광 영역(파장 약 400∼700nm)에 있어서 뛰어난 광투과율을 갖는 것이 바람직하다. 잡음 방지의 견지에서, 가시광 영역에 있어서 높은 투과율을 나타내는 유리기판은, 소다석회유리보다 커다란 수신신호의 세기를 갖는 것이 바람직하다. 높은 투과율을 갖는 유리기판은, SiO2를 주성분으로 하고, 제 1 성분 및 제 2 성분을 함유하는 유리 또는 기타 유리(예를 들어, 비산화물 유리)로 구성해도 된다.
광학적으로 요구가 엄격한 용도에 있어서, 음향파식 터치 패널을 표시 디바이스에 광학적으로 결합함으로써, 터치 패널 이면(裏面) 및 디스플레이 전면(前面)에 의한 반사손실 및 투과 손실을 배제할 수 있다.
음향파식 터치 패널로부터의 산란성의 반사를 회피하기 위해, 실리카 또는 화학적 에칭을 이용한 불균일 코팅 등의 논 글래어(non-glare)(눈부심 방지)처리를 적용할 수도 있다. 대신에(지문이 문제가 되지 않으면), 반사방지 코팅을 가해도 상관없다. 쌍방의 경우 모두, 표면 처리는 음향파의 파장과 비교하여 매우 표면적인 것으로, 유리기판은 여전히 패널의 관련 음향학적 성질을 결정 또는 지배한다.
표시 디바이스상에 배치된 본 발명의 터치 패널은, 액정 표시 디바이스, 플라즈마 표시패널 디바이스 등과 조합해서 사용할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 터치 패널의 구성의 일례를 도시하는 개념적 평면도이다.
도시된 터치 패널은, 그 표면에 형성된 X축 및 Y축의 방향에 대칭적인 터치가 가능한 표시영역(화상표시영역)(2)을 갖는 전파매체로서 유리기판(1)을 포함한다. 기판 안을 전파하는 음향파는, 표면에의 터치에 의해 측정할 수 있도록 감쇠되어야 할 표면에 있어서, 충분한 출력 밀도를 갖는다.
송신수단(3a, 3b)은, 유리기판(1)의 X축 및 Y축 방향으로, 음향파를 송신한다. 이러한 송신수단은, 전기음향 변환기, 예를 들어, 세라믹 압전소자를 포함하며, 어쩌면 웨지 트랜스듀서의 플라스틱 웨지 등의 모드변환소자 또한 포함한다. 이러한 변환수단은, 송신 반사 격자어레이(4a, 4b)를 향해서 음향파 빔을 지향하도록, 유리기판(1)의 소정의 위치에 배치되어 있다.
송신수단으로부터의 X축 및 Y축 방향의 음향파는, Y축방향의 양 가장자리부에 형성된 제 1 반사어레이(제 1 반사수단)(4a, 4b) 및 X축방향의 양 가장자리부에 형성된 제 2 반사어레이(제 2 반사수단)(5a, 5b)로 이루어진 반사수단에 의해 방향을 재지시받아, X축 및 Y축의 방향으로, 표시영역(2)의 전체면(활성영역)에 걸쳐 전파되고, 그러한 음향파는 수신수단에 의해 수신되도록, X축 및 Y축방향으로 방향을 재지시받아, 즉 수렴된다.
수신수단(6a, 6b)은, 송신수단과 같은 부재로 구성되어 있다. 송신수단과 수신수단과의 구별은, 주로, 일렉트로닉스에의 결합에 의해 정해진다. 아이템(6a, 6b)이 여기회로소자에 접속되고, 3a 및 3b가 수신회로소자에 접속되면, 6a, 6b는 송신수단으로서, 3a, 3b는 수신수단으로서 작동할 것이다.
신호 케이블(7a 및 7b)는, 송신소자에 접속되어 있으며, 신호 케이블(8a 및 8b)은, 수신 소자에 접속되어 있다.
이 디바이스에 있어서, 20∼30사이클의 신호음 버스트 등의 여기신호가 케이블(7a)(또는 7b)을 통해서 송신 수단(3a)(또는 3b)으로 간헐적으로 보내질 때, 초음파는 반사어레이(4a)(또는 5a)에 의해 반사되고, 유리기판(1)의 표면을 지나 전파되며, 반사어레이(4b)(또는 5b)에 의해 반사되어, 수신 수단(6a)(또는 6b)에 의해 수신된다. 총 음향파 지연은, 1밀리세컨드까지이며, 그렇기 때문에, X 및 Y좌표 측정 서브시스템을 순차적으로 여기하기 위한 시간은, 사람의 응답시간내에 있다. 수신된 신호는, 신호 케이블(8a)(또는 8b)을 통해서, 신호처리 제어장치로 보내지고, 그래서 제어장치는 수신신호를 확인하여, 그 세기를 검출한다.
도 1의 터치 패널은, 전형적인 예로서, 표시 디바이스의 앞에 놓여지고, 표시 디바이스 및 필시 사운드 시스템 등의 다른 출력 디바이스를 제어하는 동일한 호스트 컴퓨터에 대한 컴퓨터 주변장치로서 작용하도록 의도되고 있다. 전형적으로는, 터치가 검출되었을 때에는, 호스트 컴퓨터의 적용 소프트웨어가 사용자인 인간에게 피드백을 준다. 이 피드백은, 많은 형태를 취할 수 있다. 그 예는, 표시화상 중에서의 아이콘의 강조표시, 스피커로부터의 귀에 들려오는 클릭음 또는 벨음, 또는 단순히 원하는 터치 컨트롤기능의 동작이다. 당연한 일이지만, 이 원하는 동작은 모두 터치를 정확히 검출하는 음향파식 터치 패널 시스템에 의존하고 있으며, 그 정확한 검출은 충분한 SN비의 유지에 의존한다.
음향파는, 터치 패널의 유리기판을 통해서 전파할 때, 강도를 잃는다. 이 물질적 효과, 즉 기판에 의한 음향파 에너지의 감쇠는, 음향파식 터치패널을 위한 신호 진폭을 결정할 때의 중요한 인자이다. 본 발명의 터치 패널에 있어서는, 선택된 유리기판의 사용이, 초음파의 감쇠를 저감시키고, 충분한 강도의 수신 신호의 검출을 보증한다. 그 결과, 터치 포지션을 신뢰성과 정밀도를 가지고 검출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 압전 송신 트랜스듀서 및 수신 트랜스듀서를 거리를 다르게 해서 장착하고, 음향파 감쇠를 측정하는 방법에 있어서, 붕규산 유리(쇼트 글래스사 제품, 상품명 ［템팍스］)의 경우의 평균감쇠율은 0.74dB/인치(약 0.3dB/cm)이며, 소다석회유리에서의 평균감쇠율은 1.44dB/인치(0.57dB/cm)이다.
한편, 본 발명의 유리기판 중에서, 상기 쇼트사 제품, 상품명［B270］에서는, 평균 감쇠율 0.56∼0.61dB/인치(0.22∼0.24dB/cm), 아사히 가라스 가부시키가이샤 제품, 상품명［PD-200］에서는, 평균 감쇠율 0.53dB/인치(0.21dB/cm)이다. 따라서, 본 발명의 유리기판을 사용하면, 소다석회유리에 비해 평균감쇠율을 약 60∼70%나 저감시킬 수 있고, 붕규산 유리에 비해 평균 감쇠율을 약 20∼40%나 저감시킬 수 있다.
따라서, 소다석회유리 및 붕규산 유리보다 음향파 흡수가 실질적으로 적은 투명재료를 기판으로서 사용하면, 수신 트랜스듀서에 의해 수신가능한 신호를 실질적으로 증대시킬 수 있고, 붕규산 유리에 비해 상기 ［B-270］, ［PD-200］의 데이터는, 최대 음향파 행로 길이 20∼40인치인 경우, 약 3∼11B의 추가의 신호를 의미한다. 현재의 상업적 제품보다 대형의 터치 패널인 경우에는, 신호 이득이 더욱 크다.
음향파 감쇠는, 진동수의 증가 함수이다. 상기 양적 측정 및 계산은, 5.53MHz의 시험 주파수에서 실시하였다. 제품을 보다 높은 동작 주파수를 위해 설계하면, 음향파 감쇠는 보다 크고, 음향파 손실이 적은 유리의 사용으로부터의 이득도 더욱 클 것이다. 제품을 보다 낮은 주파수를 위해 설계하면, 반대의 것을 말할 수 있을 것이다. 양적인 숫자는 변화하겠지만, 저음향파 손실 유리기판의 질적 이점은 변하지 않는다. 5.53MHz에서의 음향파 감쇠의 시험 측정은, 넓은 범위, 예를 들어, 3∼10MHz의 범위의 어딘가의 동작 주파수의 제품에 사용하기 위한 저음향파 손실 유리기판을 측정하는데 적절하다.
명시적으로 말하면, ［저음향파 손실 유리］는 다음과 같이 정의할 수 있다: 시험대상 유리 위에 대향하는 한 쌍의 0.5인치 폭 웨지 트랜스듀서를 장착하여, 신호의 진폭 대 거리 플롯의 기울기에 의해 측정한 5.53MHz 레일리파의 음향파 손실이 약 0.25dB/cm 이하의 유리.
본 발명의 유리를 사용하여 조립한 터치 패널로부터의 데이터는, 현저한 신호진폭의 증가를 나타내고 있다. 이것은, 본 발명의 유리기판이 동시에 마찬가지의 음향학상의 이점을 제공함을 증명하는 것이다.
용도에 따라서는, 강화 유리기판을 사용하는 것이 바람직하다. 붕규산 유리는 열팽창계수가 낮기 때문에, 열강화가 불가능하다. 칼륨 이온으로 치환할 수 있는 나트륨 이온의 함유율이 낮거나 또는 나트륨 이온조차 함유하고 있지 않기 때문에, 보통의 붕규산 유리는, 매우 한정된 정도까지 화학적으로 경화할 수 있을 뿐이다. 강화 유리기판을 필요로 하는 용도에는, 강화가능한 저음향파 손실 유리를 사용하는 것이 바람직하다. 음향파식 터치 패널용 기판재료로서 상기 특정한 유리를 선택함으로써, 이것이 가능해짐이 발견되었다.
쇼트 글래스사 제품의 상품명［B270］ 등의 상기 예시한 유리가, 시트형태이고, 용이하고, 경제적인 구입이 가능하며, 임의적으로 열강화 또는 화학적으로 경화가능한 저음향파 손실 유리의 일례이다. 이와 같은 유리기판의 사용에 의해서 야기되는 추가의 신호진폭은, 그대로는 SN비의 현저한 손실로 이끄는 수많은 제품의 개선을 가능케 한다. 이러한 제품 개선의 몇 가지를 논한다.
트랜스듀서, 예를 들어, 부재(3a, 3b, 6a 및 6b)의 설계시, 설계자는, 신호진폭과 표시 디바이스 하우징 내부로의 터치 패널의 기계적 적합 사이의 타협에 종종 직면한다. 경우에 따라서는, 설계자는, 트랜스듀서의 폭을 예를 들어 0.5인치 내지 0.25인치로 줄임으로써, 기계적 간섭을 회피할 수 있다. 폭을 줄인 트랜스듀서는, 더 좁은 트랜스듀서로부터의 음향파 빔의 각도의 증대 때문에도, 신호 손실의 원인이 된다. 다른 경우에는, 설계자는 예를 들어 웨지 트랜스듀서를 장착해야 하는 유리기판의 가장자리에 경사면을 포함시킬 수 있다. 경사각이 충분히 가파르고, 웨지각, 예를 들어 33。보다 이상이면, 웨지 트랜스듀서는, 터치면의 하방으로 알맞게 들어갈 것이다. 그러나, 터치면과 이러한 급격한 경사면과의 교차는, 음향파의 불연속성의 원인이 되며, 현저한 신호 손실을 가져온다. 이 경우 및 다른 경우에, 저음향파 손실 기판에 의해, 설계자가 트랜스듀서의 효율을 저하시키는 것을 허용하면, 기계적으로 보다 적합한 터치 패널이 가능해진다.
터치면과 표시 디바이스의 하우징 사이에 시일이 필요한 때에는, 설계자는, 일렉트로닉스와 기계적 설계 사이의 다른 타협에 직면한다. 예를 들어, 도 5 참조. 이것은, 터치 패널(100)의 브라운관(CRT)(102)의 페이스 플레이트로의 장착방법을 도시하고 있다. 터치 패널(100)과 CRT(102)가, CRT하우징(104)내에 구속된다. 터치 패널(100)은, 스페이서/접착제 시스템(106)에 의해 적당한 곳에 지지되는데, 이러한 시스템의 쌍방은 CRT 페이스 플레이트의 만곡된 형상(프로필)에 따르고 있다. 부분적으로 터치 패널(100) 및 CRT 하우징(104)에 의해 규정되어 있는 둘레는, 하우징(104)과 터치 패널(100) 사이의 간극에, 또는 그 근처에 배치된 주변의 탄성 시일(108)에 의해 완성된다. 시일(108)은 터치 패널(100)의 예민한 표면과 접촉하고 있으며, 음향파 에너지를 흡수한다. 본 발명에 의해 발생한 신호 공급의 증가 때문에, 시일(108)은, SN비를 판정할 수 없는 레벨까지 저하시키지 않고, 적어도 6dB, 나아가서는 12dB까지의 음향파 에너지 손실을 야기할 수 있다.
설계자는, 일렉트로닉스의 설계시에, 또 다른 타협에 직면한다. 음향파식 터치 패널과 함께 사용되는 현재의 제어장치제품은, 수십개의 피크 대 피크(peak-to-peak) 볼트 자체의 여기신호를 발생한다. 이 비교적 큰 여기전압은, 전자회로소자의 비용을 늘리고, 더욱 허용할 수 없는 레벨의 EMI방출의 발생에 기여한다고 하는 부작용을 가질 가능성이 있다. 여기전압을 예를 들어 15dB만큼 저감시킴으로써, 많은 것을 얻을 수 있다. 그러나, 여기전압의 15dB의 저하는, 수신 신호에서의 상당하는 15dB의 손실이라는 결과가 될 것이다. 본 발명의 유리기판을 사용함으로써, 이러한 여기전압의 저하를 가능하게 하기에 충분한 신호가 제공된다.
저음향파 손실 유리기판에 의해 가능하게 되는 가장 극적인 제품 개량은, 필시, 극대 센서 크기의 현저한 증대일 것이다. 최근, 엘로(Elo)·터치·시스템즈사는, 음향파식 터치 패널 제품을 도입하였다. 이것들은, 대각선 치수 21인치의 대형 터치 패널이다.
엘로사는, 당초, 21인치의 소다석회 유리제품을 기획하였으나, 신호 진폭을 신뢰할 수 있는 품질 성능을 보증하기에 불충분했다. 소다석회유리 터치패널의 치수 증대에 대한 신호의 민감도는, 다음의 계산으로부터 알 수 있다. 표준적인 비디오 디스플레이 종횡비가 3:4라고 가정할 때, 대각선 치수의 1인치의 증가는, 극대 음향파 경로길이(극대 음향파 경로길이=정수＋X어레이 길이의 2배＋X어레이간의 내부 간격)를 2.2인치 증대시킨다. 감쇠가 1.5dB/인치인 경우, 부가된 대각선 1인치 당, 기판중에서의 흡수가 3.3dB 증가한다. 대각선에 3인치를 부가하면, 신호가 10dB만큼 저하된다. 그렇기 때문에, 보다 대형의 소다석회유리제 음향파식 터치패널은, 급속하게 점점 더 곤란해진다. 엘로·터치·시스템즈사가, 1996년 11월의 라스베가스에서의 콤덱스 견본시장에 있어서, 라미네이트된 역투사 스크린을 가지며, 투사 디스플레이에 의해 비춰진 기능하는 31인치 대각선 터치패널에 의해 증명한 바와 같이, 본 발명의 유리기판을 이용하면, 훨씬 큰 사이즈가 가능하다. 본 예는, 투사 이미지의 구성으로의 대형 터치 패널의 사용을 예증하는 것이다(도 6 참조). 투사기(118) 및 렌즈(120)가, 리얼 타임의 비디오 영사를 역투사 스크린(110)에 투사한다. 이 스크린은, 음향파식 터치패널(122)의 기판의 이면에 라미네이트되어 있어도 좋다. 즉, 음향파식 터치패널의 유리기판은, 역투사 스크린 재료에 라미네이트되어 있어도 된다. 또한, 부호 112는 하우징, 부호 114는 실링재이다.
AV(시청각)용도로 이용해야 하는 매우 커다란 터치 패널로의 시장의 관심이 늘고 있다. 빈번한 접촉을 포함하는 용도에서의 대형 유리조각의 사용은, 안전 및 강도에 대한 염려를 증가시킬 가능성이 있다. 이 신흥 시장 니치가 성숙함에 따라, 매우 대형의 음향파식 터치패널의 강화판이 요구될 가능성이 있다.
붕규산 유리는 강화될 수 없다. 붕규산 유리의 열팽창계수는 작다. 예를 들어, 쇼트사의 ［보로 플로우트］유리에 대한 데이터 시트는, 3.25×10-6/K의 열팽창계수를 나타내고 있다. 이것이 붕규산 유리, 예를 들어 ［파이렉스］를 열 쇼크에 의해 파괴하는 것을 곤란하게 하고 있다. 그것은, 가열된 유리의 급속 냉각에 의해 강화유리의 응력 패턴을 만들어 내는 것 또한 곤란하게 하고 있다.
붕규산 유리는 강화될 수 없으나, 본 발명에서 사용하는 유리는 강화가능하며, 동시에 저음향파 손실이다. 즉, 음향파가 전파가능한 기판과, 상기 음향파를 기판 안에 도입하기 위한 수단을 포함하는 터치 패널에 있어서, 상기 기판은 감쇠계수가 약 0.25dB/cm 이하이며, 또한 화학적 또는 열적으로 강화가능한 유리로 형성되어 있다. 유리기판은, 통상 열강화된다. 이와 같은 유리는, 입수가능하며, 이와 같은 유리를 사용하면, 음향파식 터치 패널의 치수를 크게 할 수 있다.
열강화가능한 유리의 열팽창계수는, 강화전에 있어서, 통상 약 6×10-6/K 이상, 바람직하게는 약 6×10-6/K∼약 12×10-6/K, 더욱 바람직하게는 약 7×10-6/K∼약 10×10-6/K, 특히 약 8×10-6/K∼약 10×10-6/K 정도이다.
이와 같은 유리가 강화될 수 있다는 사실은, 유리의 열팽창계수의 결과로서 해석할 수 있다. 상기 ［B270］의 기술 데이터 시트는, 9.5×10-6/K의 열팽창계수(20℃∼300℃)를 기재하고 있으며, ［PD200］의 열팽창계수는 8.3×10-6/K 정도이다. 이러한 값들은, 소다석회유리의 값과 비슷하며, 열팽창계수가 3.25×10-6/K인 ［보로 플로우트］ 등의 붕규산 유리와는 전혀 판이하다.
강화유리기판의 사용에는, 반사 어레이 재료와 유리를 어닐링하지 않은 경화 프로세스의 사용이 필요하다. 예를 들면, 폴리머 베이스의 저온 경화 반사재료를 사용할 수 있다. 폴리머 재료는, 보다 관용적인 반사재료인 유리플릿보다 더욱 급속하게 음향파 파워를 감쇠시키므로, 저음향파손실 기판의 필요성이 증대한다.
반사어레이 재료로서는, 유리 플릿, 유리의 어닐링 온도보다 낮은 온도에서 경화가능한 반사잉크를 사용할 수 있다. 열팽창계수 8.8×10-6/K를 갖는 ［ESL4022C］유리 플릿은, 소다석회유리의 전형적인 열팽창계수에 필적하는 값을 갖고 있기 때문에, 자주 사용된다. 예를 들어, 상품명 ［스타파이어］ 소다석회유리는, 특정된 9.0×10-6/K의 열팽창계수를 가지고 있다.
유리기판은, 복수의 유리층으로 구성된 안전 유리로서 이용해도 된다. 이 경우, 적층체의 내층 및 바깥층은, 통상, 근사하거나 또는 실질적으로 같은 열팽창계수를 가지고 있다. 예를 들어, 유리기판을 내층 및 바깥층을 구성하는 2매의 유리 시트의 적층체로 구성하고, 상기 특성의 유리에 의해 바깥층에 0.25dB/cm 이하의 감쇠계수를 부여해도 좋다. 안전유리 구성의 일부로서, 즉 2장의 유리시트의 적층체(내층 유리(151)와, 터치 표면(152a)을 지닌 바깥층 유리(152)가 접착제(153)를 통해서 적층된 적층체)로서 대형 터치 패널을 구성하는 것도 가능하다(도 7 참조). 안전유리(적층 유리)에 있어서, 임의적으로 유리시트의 한쪽 또는 양쪽을, 열강화 또는 화학적 강화(경화)시킬 수 있다. 예를 들어, 5.53MHz에서 동작하는 레일리파 음파식 터치패널을 위한 기판을, 강화한 저음향손실 유리의 층(두께 3mm)로 하고, 이 유리층을 제 2 강화시킨 저음향손실 유리층(두께 3mm)에 라미네이트해도 된다. 즉, 안전유리 적층체에 있어서, 바깥층(터치면을 형성하는 면)이 저감쇠계수의 유리로 구성되어 있는 한, 내층 및 바깥층이 모두 강화유리이어도 되고, 바깥층은 6×10-6/K 이상의 열팽창계수를 가지는 유리로 구성해도 된다.
안전유리 기판의 표면에 부하 또는 충격이 작용했을 경우, 아래쪽의 유리층만이 강화되어 있을 뿐이라도, 강도가 현저하게 부가된다. 안전유리기판이 부하의 작용으로 휘어질 때, 위쪽의 유리층은 압축하에 있고, 아래쪽의 유리층은 장력하에 있다. 유리는, 압축상태에서는, 잡아당기는 상태보다 훨씬 강하다. 잡아당겨질 때의 유리층을 강화하는 것이 매우 중요하다. 미강화 적층유리를 이용한 플롯 타입의 터치패널은, 상방 터치면으로의 무거운 충격에 의해 파괴되었다. 깨진 것은, 바닥층의 유리였다. 그러나, 바닥층의 유리에 균열이 명료하게 인정되었음에도 불구하고, 위쪽의 유리층은, 깨지지 않고, 게다가 터치패널 플롯타입은 기능하였다. 이러한 것은, 아래쪽 유리가 강화되어야 하는 보다 중요한 층임을 실험적으로 증명하는 것이다. 따라서, 안전유리에 있어서, 내층은 강화유리로 구성하는 것이 유효하며, 감쇠계수가 큰 강화 소다유리도 사용할 수 있다.
안전유리기판을, 아래층의 강화 소다석회유리(예를 들어, 두께 3mm 또는 그 이상)와, 이 아래층에 결합된 윗층의 강화될 수 없는 붕규산 유리(예를 들어, 두께 3mm)로 구성하면, 동작 온도 범위가 충분히 넓은 용도에는, 실제적인 설계가 아니다. 붕규산 유리와 소다석회 유리는 열팽창계수가 매우 차이나고, 온도 변화에 따라, 서모스탯의 바이메탈과 같이, 기판이 휘어져 접힐 것이다.
벤딩효과가 실험적으로 관찰되었다. 붕규산 유리 샘플을 미강화 소다석회유리 샘플에 접합시켰다. 양 샘플의 기명 치수(nominal size)는, 6인치×9인치였다. 이 적층물을 오븐에 넣었다. 온도가 30℃ 변화한 결과, 이 작은 적층 샘플의 매우 명백한 벤딩이 발생했다.
그러나, 예를 들면, 강화가능한 저음향파손실 유리(예를 들면, 두께 3mm의 미강화 유리)와 강화 소다석회유리의 적층체의 경우에는, 온도변화에 의한 벤딩은 거의 문제가 되지 않는다. 강화가능한 저음향파손실 유리를 실제로는 강화하고 있지 않아도, 표준적 소다석회유리와 같은 열팽창계수를, 저음향파손실 유리가 갖는다는 것의 이점에 주목하기 바란다.
표준적 소다석회유리와 비슷한 열팽창계수(예를 들어, 6×10-6/K∼12×10-6/K의 열팽창계수)를 가지는 미강화 저음향파손실 유리에는, 또 다른 이점이 있다. 현재 거의 시판되는 터치패널 제품의 반사 어레이 재료로서 사용되고 있는 보통의 유리플릿과, 붕규산 유리기판간의 접합은, 유리플릿과 소다석회유리기판의 접합보다 낮다. 이것은, 플릿과 붕규산 유리 사이의 열팽창계수의 부조화(mismatch) 때문이다. 붕규산 유리의 열팽창계수에 의해 적합한 플릿조성이 존재하지만, 경화온도가 500℃보다 높다. 붕규산 유리에 비해, 본 발명의 저음향파손실 유리의 이점은, 저소결온도인 표준적 유리플릿제품에 잘 어울리는 열팽창계수이다.
본 발명에 있어서, 유리기판은, 여러 가지 음향파, 예를 들면 레일리파뿐만 아니라, 수평편파 횡파(horizontally polarized shear waves), 고차의 수평편파 횡파(higher order horizontally polarized shear waves), 영차의 수평편파 횡파(zeroth order horizontally polarized shear waves), 또는 러브파(Love waves)를 전파하는데 적합하다.
미국특허 제 5591945호 명세서에 기재되어 있는 바와 같이, 레일리파가 반사 어레이를 따라 전파되고, 센서(이하, 레일리-횡-레일리 센서(Rayleigh-shear-Rayleigh sensor)라고 부름)의 활동 영역(또는 활성영역)에 있어서, 수평편파 횡파가 터치를 감지하는, 음향파식 터치패널을 설계하는 것이 가능하다. 이와 같은 센서는, 센서가 실리콘 고무로 시일되어 있어도, 터치를 감지할 수 있다(RTV). 이와 같은, 센서는, 활동영역이 물로 덮혀져 있어도 터치를 감지할 수 있다.
저음향파손실 유리를 이용하여, 대형의 레일리-횡-레일리센서를 제작할 수 있다.
동작 주파수가 5.53MHz의 경우, 레일리-횡-레일리 센서의 파동역학은, 유리 두께가 약 3mm로 제한한다. 더욱이, 레일리-횡-레일리 센서는, 유리의 표면 및 바닥면의 양쪽에서 터치를 감수할 수 있는 성질이기 때문에, 그것을 표준적인 안전유리 접착제를 이용하여, 안전유리기판의 부분적으로 적층할 수 없다(점성감쇠가 거의 없는 실리콘 고무 등의 접착제가 요구된다). 레일리-횡-레일리 터치패널의 이들의 파동 역학적 요구 때문에, 본 발명의 강화된 저음향파손실 유리가 대형 레일리-횡-레일리 터치패널을 위해 특히 흥미로운 것이 된다.
본 발명에서는, 음향파식 터치패널에 있어서, 유리기판의 음향파 감쇠를 저감시킬 수 있고, 전송 신호의 높은 강도를 보증할 수 있다. 그렇기 때문에, 전자간섭에 관해서, 신뢰성이 높고, 내구성이 높은 음향파식 터치패널을 제공할 수 있음과 동시에, 저코스트 제어장치에 의해, 약 10볼트 이하의 피크-피크전압의 전송 버스트 진폭을 이용해도, 높은 신뢰성으로 동작할 수 있고, 신호변환효율이 낮은 기계적으로 컴팩트한 트랜스듀서도 사용할 수 있다. 또한, 음향파 신호의 흡수를 발생하는 시일도 사용할 수 있으며, 터치패널 치수를 증대시킬 수 있다. 더욱이, 적층유리로서 이용하는 경우에는, 조잡하게 취급해도 신뢰할 수 있고, 터치 표면이 튼튼하다. 또한, 열적으로 또는 화학적으로 강화시킬 수 있으며, 대형 강화 터치패널이 가능해진다.
(실시예)
이하에, 실시예에 근거하여 본 발명을 보다 상세히 설명하겠는데, 본 발명은 이러한 실시예에 의해 한정되지 않는다.
비교예 1
평탄한 소다석회 유리기판(센트럴 글래스사 제품: 488mm(폭)×403mm(길이)×3.3mm(두께))을 사용하여, 도 3에 도시하는 초음파식 터치패널을 제작하였다. 이 음향파식 터치 패널 중에서, 레일리파를 여기하여, 전파시켰다. 제어장치(터치 패널·시스템즈사 제품, 5810E100)를 이용하여, 터치 패널의 성능을 관측하였다. 소다석회 유리의 조성은, SiO2(71중량%), Na2O(13중량%), K2O(1중량%), CaO(11중량%), MgO(2중량%) 및 Al2O3(2중량%)였다. 제 1 성분(Na2O, CaO, MgO)의 총 함유량은 26중량%이며, 제 2 성분(Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, Y2O3, SnO2, PbO2, In2O3, K2O)의 총 함유량은 3중량%였다.
가시광 영역에서의 유리기판의 광투과율은 91%이다(스가시켄소우치샤 제품, 헤이즈 컴퓨터 HGM-2D를 사용). 이 측정의 절대적 교정에는 약간의 불확실함이 있다. 그러나, 이 측정은, 다른 유리와의 비교에는 충분히 도움이 될 것이다(유리의 앞면 및 이면의 쌍방에서의 반사가 4%이기 때문에, 92% 투과가 이론상의 상한이다. 반사는, 공기와 유리 사이의 굴절율의 부적합에 의해 야기된다. 유리의 굴절율은, 전형적으로는, 약 n=1.5이기 때문에, 단일면에서의 반사, (n-1/n+1)2은 약 4%가 된다).
또한, 상기 방법에 의해 감쇠계수를 측정한 결과, 0.57dB/cm였다.
하기의 방법에 따라서, 음향파의 전파 속도를 측정하였다.
음향파의 전파속도는, 반사 어레이의 소자간의 피치 또는 간격을 바꿔서, 수신신호의 진폭이 가장 클 때 관측함으로써 구했다. 상기 피치 또는 간격이, 고정된 동작 주파수에 상당하는 음의 파장의 정수배와 같아질 때, 제일 강해진다. 일련의 샘플을 제작하여, 반사 어레이의 피치를 조금씩 변화시켰다. 극대 수신 진폭을 부여하는 피치로부터 파장을 구해, 파장과 주파수(5.53MHz)의 곱으로부터 속도를 계산하였다.
시판되는 레일리파 터치 패널 제품의 경우와 마찬가지로, 음향파 신호를 웨지 트랜스듀서를 갖는 유리면으로 송신하고, 이 면으로부터 수신하였다. 웨지 트랜스듀서는, 플라스틱 웨지에 접합시킨 세라믹제 압전소자로 구성되어 있으며, 이 웨지는 유리면에 접합되어 있다. 이 웨지는, 압전소자로부터의 압력모드의 음향파를 유리기판상의 레일리파에 결합(커플)한다. 송신 트랜스듀서는, 50V 진폭의 5.53MHz 톤 버스트에 의해 여기되었다.
이와 같이 해서, 소다석회유리 기판의 전파속도를 측정하였더니, 125000인치/초였다.
전파속도 125000인치/초로 설계한 터치패널의 수신신호의 강도를 수신 트랜스듀서에서 측정하였다. 터치패널의 X축 및 Y축 서브 시스템의 쌍방에 대해 측정을 행하였다. 측정된 강도는, 각각 1.41mV 및 1.69mV였다.
비교예 2
비교예 1의 소다유리 대신에, 평탄한 붕규산 유리기판(쇼트사 제품, 상품명［템팍스］; 488mm(폭)×403mm(길이)×3.3mm(두께))을 사용했다. 이 유리기판은, SiO2(81중량%), Na2O(3중량%), K2O(1중량%), B2O3(13중량%) 및 Al2O3(2중량%)로 이루어지며, 제 1 성분(Na2O, CaO, MgO)의 총 함유량은 3중량%, 제 2 성분(Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, Y2O3, SnO2, PbO2, In2O3, K2O)의 총 함유량은 16중량%였다.
비교예 1의 방법에 의해, 가시광 영역에서의 유리기판의 광투과율을 측정하였더니 93.0%였다. 또한, 가장자리에서 보았을 때, 이 유리는, 보통의 소다유리의 암녹색보다 오히려 엷은 황녹색을 가지고 있다.
더욱이, 상기 방법에 의해 측정하였더니, 감쇠계수는 0.30dB/cm, 전파 속도는 122288인치/초였다.
전파속도 122288인치/초를 가지도록 설계한 터치 패널에 대해, 비교예 1의 방법을 이용하여, X축 및 Y축 쌍방에 대하여, 수신신호의 강도를 측정하였다. X축(도 1의 수평축)에서의 강도는 6.66V, Y축(도 1의 연직축)에서의 강도는 8.39V였다. 이것은, 수신신호 진폭에 있어서의 12데시빌 이상의 이득이다.
［템팍스］ 및 ［보로 플로우트］의 열팽창계수는 약 3.3×10-6/K이며, 열강화 또는 화학강화가 불가능하다.
비교예 3
PPG제의 ［스타파이어］유리는, 실시예 1의 ［B270］유리와 마찬가지로, 색 의존성이 극소한 고투과성 유리를 원하는 시장의 요구를 충족시키는 ［백색］유리이다. 이 의미에서, ［스타파이어］유리와 ［B270］유리는 광학적 균등물이다.
흥미롭게도, 그것들은, 음향학적 균등물이 아니다. ［스타파이어］유리는, 실시예 1의 ［B270］유리와 같이 저음향파손실의 이익을 초래하지 않는다. 측정 오차의 범위내에서, ［스타파이어］유리는, 보통의 소다석회유리와 같은 음향파 감쇠를 가지고 있는 것이 관측된다.
［스타파이어］유리의 조성은, SiO2(73중량%), Na2O(15중량%), CaO(10중량%), 불명확(2중량%)였다. 제 1 성분(Na2O, CaO, MgO)의 총 함유량은 적어도 25중량%이고, 제 2 성분(Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, Y2O3, SnO2, PbO2, In2O3, K2O)의 총 함유량은 기껏해야 2중량%이다.
실시예1
비교예 1에서 사용한 소다석회유리 대신에, 평탄한 유리기판(쇼트사 제품, 상품명［B270］ 또는 데사구사, 상품명［수퍼 와이트］; 488mm(폭)×403mm(길이)×3.3mm(두께))을 사용했다. 이 유리기판의 조성은, SiO2(69중량%), Na2O(8중량%), K2O(8중량%), CaO(7중량%), BaO(2중량%), ZnO(4중량%), TiO2(1중량%), Sb2O3(1중량%)였다. 제 1 성분(Na2O, CaO, MgO)의 총 함유량은 15중량%, 제 2 성분(Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, Y2O3, SnO2, PbO2, In2O3, K2O)의 총 함유량은 9중량%였다.
비교예 1의 방법에 의해, 가시광 영역에서의 유리기판의 광투과율을 측정하였더니 92.8%였다. 이 측정값은, 실시예 1의 소다석회유리의 경우보다 1% 높다. 가장자리에서 보면, 소다석회유리의 짙은 녹색과는 달리, 옅은 황녹색으로 보인다.
더욱이, 상기 방법에 의해 측정하였더니,감쇠계수는 0.24dB/cm, 전파 속도는 121609인치/초의 레일리파 전파속도를 가지고 있었다.
121609인치/초의 레일리파 전파속도를 지닌 터치 패널의 수신신호 강도를, 비교예 1의 방법을 이용하여, X축 및 Y축에 대해 측정하였다. 수신신호의 강도는, X축에 있어서, 7.69mV, Y축에 있어서 7.50mV였다. 이것은, 표준적 소다석회유리에 대하여, 12데시빌 이상의 수신신호 진폭의 증대였다.
제어장치에 접속한 터치 패널을 이용하여 터치를 검출하였다. 수신 신호의 명백한 하강으로부터, 터치 포지션을 정확하게 정할 수 있었다. 즉, 터치 포지션의 좌표를 검출하기 위해, 터치 패널을 제어장치에 접속하였다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 패널에 닿았을 때의 수신신호는, 수신 신호의 강도(D)에 있어서의 현저한 저하(Dt)를 나타내고, 이렇게 해서, 터치 포지션의 명료한 인식을 가능하게 하였다. 원하는 터치 패널기능이 충분히 초래된다.
상기 유리의 열팽창계수는, 약 9.5×10-6/K이며, 열강화 또는 화학적 경화가 가능한 유리이다. 또한, ［B270］유리의 연화점(107.6포이즈)는 708℃이다.
실시예 2
실시예 1의 유리 대신에, 유리기판［아사히가라스 가부시키가이샤제품, 상품명［PD-200］］을 사용했다.
비교예 1의 방법에 의해 측정하였더니, 가시광 영역에서의 광투과율은 91.1%이고, 감쇠계수는 0.21dB/cm, 전파속도는 118,518인치/초의 레일리파 전파속도를 가지고 있었다.
118,518인치/초의 레일리파 전파속도를 가지는 터치패널의 수신신호 강도를 비교예 1의 방법을 이용하여, X축 및 Y축에 대하여 측정하였다. 수신신호 강도는, X축에 있어서 15mV, Y축에 있어서 17mV였다. 이것은, 표준적 소다석회 유리에 대하여, 12데시빌 이상의 수신신호 진폭의 증대였다.
제어장치에 접속한 터치 패널을 이용하여 터치를 검출하였다. 수신신호의 명백한 하강으로부터, 터치 포지션을 정확하게 정할 수 있었다.
상기 유리의 열팽창계수는, 약 8.3×10-6/K이며, 열강화 또는 화학적 경화가능한 유리이다. 또한, 유리의 연화점(107.6포이즈)은 830℃이다.
실시예 및 비교예의 결과를 표에 나타낸다.
투과율 감쇠율 전파속도 열팽창율 연화점 밀도
소다석회유리 91 0.57 125,000 8.5-9.0 720-735 2.49
붕규산 유리 92 0.30 122,288 3.3 820 2.3
［B270］ 92 0.24 120,000 9.5 708 2.56
［PD-200］ 91 0.21 118,518 8.3 830 2.77
상기 실시예에 있어서, 실시예의 터치패널 기판은, 비교예의 터치패널 기판과 비교하여, 음향파 감쇠를 보다 유효하게 방지할 수 있고, SN비를 증대시킬 수 있다. 더욱이, 열적 또는 화학적으로 강화시킬 수 있다.

Claims (29)

  1. 음향파의 전파 매체로서의 유리기판을 구비하고, 접촉위치에 관한 좌표 데이터를 검지하기 위한 터치 패널로서, 상기 유리기판이, 주성분으로서의 SiO2와 추가 성분을 포함하고, 5.53MHz의 레일리파(Rayleigh wave)에 대해, 기판 표면에서, 레일리파의 전파를 지지하기에 충분한 두께를 지닌 시험 대상 유리샘플에 대향하는 한 쌍의 0.5 인치 폭 웨지 트랜스듀서를 장착하고, 신호에 대해서 진폭 대 거리의 플롯의 기울기에 따라 측정했을 때, 감쇠계수가 약 0.25dB/cm 이하인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  2. 음향파의 전파 매체로서의 유리기판을 구비하고, 접촉위치에 관한 좌표 데이터를 검지하기 위한 터치 패널로서, 상기 유리기판의 조성이, 주성분으로서 SiO2를 포함하고, Na2O, CaO 및 MaO의 총 함유량이 7∼20중량%인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  3. 제 2 항에 있어서, 유리기판 중의, Na2O, CaO 및 MgO의 총 함유량이 11∼20중량%인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  4. 제 2 항에 있어서, 유리기판 중의, Al2O3및 ZrO2를 실질적으로 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  5. 제 2 항에 있어서, 유리기판이, Al2O3및 ZrO2의 총 함유량이 3∼20중량%인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  6. 제 2 항에 있어서, 유리기판 중의 B2O3의 함유량이 0∼10중량%인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  7. 제 2 항에 있어서, 유리기판 중의 B2O3의 함유량이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  8. 제 2 항에 있어서, 유리 기판이 적어도 1.0∼8.0중량%인 BaO를 함유하는 유리인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  9. 제 2 항에 있어서, 유리 기판이, Na2O, CaO 및 MgO를 총 함유량에서 7∼20중량%, Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, Y2O3, SnO2, PbO2, In2O3및 K2O를 총 함유량 5∼30중량%로 함유하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  10. 제 2 항에 있어서, 유리 기판이, Na2O, CaO 및 MgO를 총 함유량에서 7∼20중량%, Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, Y2O3, SnO2, PbO2, In2O3및 K2O를 총 함유량 15∼30중량%로 함유하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 음향파를 전파할 수 있는 기판과, 상기 음향파를 기판중에 도입하기 위한 수단을 포함하는 터치 패널로서, 기판이 화학적 또는 열적으로 강화가능한 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  12. 제 11 항에 있어서, 유리가 강화전에, 약 6×10-6/K 이상의 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  13. 제 11 항에 있어서, 유리기판이 열강화되어 있고, 강화전에, 약 6×10-6/K∼약 12×10-6/K 의 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  14. 제 11 항에 있어서, 유리기판이 열강화되어 있고, 강화전에, 약 8×10-6/K∼약 10×10 -6/K 의 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  15. 제 2 항 또는 제 11 항에 있어서, 감쇠계수가 약 0.25dB/cm 이하인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  16. 제 2 항 또는 제 11 항에 있어서, 유리기판이 열강화되어 있고, 약 0.25dB/cm 이하의 감쇠계수를 갖는 것을 특징으로 하느 터치 패널.
  17. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 11 항에 있어서, 음향파가 레일리파인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  18. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 11 항에 있어서, 유리기판이, 수평편파 횡파, 고차의 수평편파 횡파, 영차의 수평편파 횡파, 또는 러브파를 전파하기에 적합한 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  19. 제 1 항, 제 2 항, 또는 제 11 항에 있어서, 터치 센서가, 적어도 1개의 터치 표면을 가지며, 음향파를 전파할 수 있는 기판;
    이 기판에 있어서, 상기 터치 표면에 평행한 제 1 축을 따라 음향파를 발생시키기 위한 트랜스듀서; 및
    상기 제 1 축을 따라서 배치되고, 또한 소정 길이를 갖는 제 1 반사 어레이로서, 이 어레이의 상기 길이를 따라서, 제 1 반사파를 반사하기 때문에 반사 어레이이며, 상기 제 1 반사파는, 상기 기판에 있어서, 상기 제 1 축과는 다른 제 2 축을 따라서 방향 지시됨과 동시에, 상기 표면에 평행한 성분을 가지고 있으며,
    상기 기판으로의 근접이, 상기 제 1 반사파가 갖는 파워에 혼란을 발생시키는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  20. 제 19 항에 있어서, 반사 재료로서 유리 플릿이 존재하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  21. 제 19 항에 있어서, 반사재료로서, 유리의 어닐링 온도보다 낮은 온도에서 경화시킨 반사 잉크가 존재하는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  22. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 유리기판이, 내층 및 바깥층을 구성하는 유리 시트의 적층체이며, 바깥층이 0.25dB/cm 이하의 감쇠계수를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  23. 제 22 항에 있어서, 내층이 강화유리인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  24. 제 22 항에 있어서, 안전 유리 적층체에 있어서, 내층 및 바깥층이 모두 강화유리인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  25. 제 22 항에 있어서, 바깥층이 6×10-6/K 이상의 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  26. 제 22 항에 있어서, 내층이 강화 소다석회인 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  27. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 유리기판의 표면에, 눈부심 방지(non-glare) 코딩을 갖는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  28. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 유리기판이, 편평하거나 또는 만곡된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 터치 패널.
  29. 접촉 위치에 관한 좌표 데이터를 감지하기 위한 음향파식 터치 패널을 구성하기 위한 유리기판으로서, 주성분으로서의 SiO2와 추가 성분을 포함하며, 5.53MHz의 레일리파에 대해, 기판표면에서, 레일리파의 전파를 지지하기에 충분한 두께를 갖는 시험대상 유리샘플에 대향하는 한 쌍의 0.5인치 폭 웨지 트랜스듀서를 장착하며, 신호에 대해서 진폭 대 거리의 플롯의 기울기에 따라 측정했을 때, 감쇠계수가 약 0.25dB/cm 이하인 것을 특징으로 하는 유리기판.
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