KR200232919Y1 - 터치 패널의 압력 감지 구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 터치 패널에 관한 것으로 더 상세하게는 5선 저항막방식의 터치 패널의 상판에 가해지는 압력을 통해 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 등의 변화와 같은 다양한 요구특성을 수용하면서 신뢰성 있는 5선 저항막방식의 터치 패널을 제공 하는 것이다.

본 고안의 터치 패널은, 임의의 기판에 형성된 투명도전막 위에 4개의 X,Y축 전위보상전극과 신호 인가용 배선이 X,Y축상으로 배선된 하판과, 상기 하판에 대응되는 투명도전막이 있고 하판에 분포된 전위보상전극을 통해 위치 신호를 감지하기 위해 X,Y축을 따르는 위치 신호 감지용 배선을 구비하여 두기판 사이의 접촉저항에 대하여 폐회로와 개회로로 이루어지는 등가회로를 형성하는 상판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 고안은 5선 저항막방식의 터치 패널의 상판에 가해지는 압력을 통해 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 등의 표현과 같은 다양한 요구특성을 수용하면서 원래 5선 저항막방식 터치 패널의 특성 저하 없이 신뢰성 있는 5선 저항막방식의 터치 패널을 제공한다.

Description

터치 패널의 압력 감지 구조{Structure of Sensing the Pressure in Touch Screen}

본 고안은 터치 패널(Touch Panel)에 관한 것으로 더 상세하게는 5선 저항막방식의 터치 패널의 상판에 가해지는 압력을 통해 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 등의 표현과 같은 다양한 요구특성을 수용하면서 원래 5선 저항막방식 터치 패널의 특성 저하 없이 신뢰성 있는 5선 저항막방식의 터치 패널을 제공 하는 것이다.

개인용 컴퓨터, 휴대용 전송 장치 그 밖의 개인 전용 정보처리장치 등은 키보드, 마우스, 디지타이저(Digitizer) 등의 다양한 입력장치(Input Device)를 이용하여 텍스트 및 그래픽 처리 등을 수행한다.

이러한 입력장치들은 PC의 용도 확대에 따라 인터페이스로서의 입력장치로서 키보드 및 마우스만으로는 제품 대응이 어렵고 보다 간단하고 오조작은 적으면서 누구라도 입력할 수 있고 또 휴대하면서 손으로 문자입력도 가능한 필요성에 의해 발전했다. 현재는 이러한 입력장치의 일반적 기능과 관련된 필요성을 충족 시키는 수준을 넘어 고 신뢰성, 새로운 기능의 제공, 내구성, 재료나 물질을 포함한 설계 및 가공과 관련된 제조 기술 등과 같이 미세한 기술로 관심이 바뀌고 있다.

특히 간단하고, 오조작이 적으며, 휴대하면서 누구라도 입력이 가능하고, 다른 입력기기 없이 문자입력도 가능한 입력장치로서 터치 패널(Touch Panel)이 알려져 있으며, 그에 따른 검출방식, 구조 및 성능 등에 있어서는 자세히 알려져 있다.

간단히 살펴보면, 보통 스페이서에 의해 격리되고 눌림에 의해 서로 접촉될 수 있도록 배치된 두 개의 저항 성분의 시트를 합쳐놓아 구성되는 저항막식(Resistive) 터치 패널(스크린)외에 터치 패널을 방식에 따라 구분하면, 정전용량식(Capacitive ), 초음파식, 광(적외선)센서식, 전자유도식 등이 있으며, 각각의 방식에 따라 신호 증폭의 문제나 해상도 차이, 설계 및 가공 기술의 난이도 차이 등이 다르게 나타나는 특징이 있어 장점을 잘 살릴수 있게 구분하여 그 방식을 선택한다. 선택 기준은 광학적특성, 전기적특성, 기계적특성, 내환경특성, 입력특성등 외에 내구성과 경제성 등도 고려된다.

그중 저항막식은 LCD(Liquid Crystal Display)와의 조합으로 전자수첩, PDA,휴대용 PC등 입력 기기로서 많이 보급되고 있으며 박형, 소형, 경량 그리고 저소비전력 등에서 다른 방식에 유리한 설계 방식으로 알려져 있다. 저항막식의 검출방식은 메트릭스식과 아날로그식이 있고 기판 재료로서 0.1mm~0.2mm 두께의 필름기판, 0.2mm~2mm 두께의 글래스 기판 및 1mm~2mm 두께의 플라스틱 기판이 있으며 이러한 것들을 조합하여 상/하부 전극으로 구성한다. 그리고 그 전극의 배선에 따라 아날로그 검출방식에서는 4선식, 5선식, 8선식 등으로 다시 구분하고 있다.

본 고안과 관련하여 5선 저항막방식의 아날로그(Analog)형 터치 패널에서 지금까지 잘 알려지지 않았던 유저(User) 요구 특성과 기술적 곤란성(Trouble Shooting)을 중심으로 기본구조, 입력 위치 및 검출원리, 요구특성, 배선설계(Linearity),외관기준 등으로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 저항막방식 터치 패널(10)의 기본구조의 단면도를 나타낸다.

구조적으로는 상부에 놓이는 가동전극판이 되는 상판(20)과 하부에 놓이는 고정전극판이 되는 하판(30)을 투명도전막(22)이 마주보도록 75~200㎛정도의 두께의 접착제(40)에 의해 접합 시킨다. 상판(20)은 입력할 때 손가락이나 펜에 의해 눌리는 압력을 받아 하판(30)과 접촉한다.

상판(20)은 기재로서 신축성이 있는 PET 필름(21) 또는 얇은 글래스가 사용되고 있다. 박판 글래스를 사용하는 목적은 광학적으로 등방성을 갖기 때문에 그 위에 편광판을 붙여 표면반사를 줄이기 위한 것이지만 최근에는 광학 등방성을 갖는 플라스틱 필름을 사용한 것도 제품화되어 있다. 단 코스트면이나 가공이 어려운 점, 물리적 특성면에서 개선할 여지가 많다.

입력 위치 검출 원리는 도 2를 참고로 알 수 있다. 도 2는 동작원리이다.

상판(20)과 하판(30)을 도트 스페이서(50) 사이에 끼워 100~300㎛의 간격으로 대향시켜, 커넥터 테일(Connector Tail)에 의해 입력신호를 추출하는 구조로 되어 있다. 동작은 손가락이나 펜(B)이 입력점A를 누르면 상판(20)과 하판(30)이 접촉된다. 하판(30)의 전극(70)간에 전압 Vx를 인가하면 양전극(70)간의 저항면에 전위 구배가 발생한다. 이 전압을 상판(20)의 전극(80)에서 읽어 컨트롤러를 통해 X축의 입력위치를 계산하여 구한다.

그 다음 상판(20)의 전극(80)간에 전압 Vy를 인가하고, 하판(30)의 전극(70)에서 전압을 읽어 Y축의 위치를 계산하여 입력점A를 디스플레이상에 표시한다. 이것을 고속으로 반복하는 것에 의해 연속적으로 입력위치를 디스플레이상에 표시하고, 문자나 선을 그리는 것이 가능하다.

요구특성은, 터치 패널 탑재 제품의 다용도화에 의하여 유저로부터 요청되는 특성이다. 이것을 충족 시키기 위해서는 터치 패널의 일부 개선을 통해 수용하지만 모두 수용하기는 어렵고 또 저항막 방식의 터치 패널만으로 대응하는 것은 불가능하며, 다양한 요구특성에 적합한 터치 패널의 구성, 검출방식 가운데 최적의 것을 선택할 필요가 생긴다.

요구특성 기준으로 저항막 방식의 터치 패널은 가격, 생산성, 문자 필기 등이 우선되고 있는 민생용도에 적합하다. 내구성, 광학특성, 절연성 등이 중요시되고 있는 산업기기 용도에는 탄성파 방식이 적합한 것과 마찬가지로 그 특성은 모두 유저의 선택과 관련된다.

한편, 디스플레이로서 LCD를 사용하는 케이스가 많지만 LCD도 여러 가지 타입이 있어 제품 용도에 따라 사용이 구분되어 있다. LCD를 분류하기 위해서는 여러 가지 방법이 고려되어 진다. 예를 들어 단색(Monochrome)과 컬러(Color)의 분류, 투과형과 반사형의 분류, 또 구조면으로부터 STN,TFT형으로 분류하는 것이 가능하다. 특히 TFT의 고정세화와 반사형LCD의 컬러화(Color Yield)의 향상은 LCD에 탑재되는 터치 패널의 요구수요를 증가 시켰다.

일반적으로 가시영역 최외주선으로부터 터치 패널의 외주까지의 길이를 비엑티브영역이라고 부른다. 제품의 소형화, 화면의 유효 면적비의 향상이 요구되어지고 있으나, LCD의 비엑티브영역이 크게 축소되어, 그것에 수반하여 LCD외형 길이보다 크지 않은 어셈블리 구조의 제약으로부터, 터치 패널도 비엑티브영역을 줄이는 것이 당연한 상황으로 되었으나, 전극의 선형성정도(Linearity), 절연쉴드성(Shield)의 저하 문제가 있고, 전자파 및 정전기의 침입이 용이하여 노이즈가 발생하기 쉬운 문제를 안고 있다.

저항막 방식의 터치 패널은 이와 같이 가격, 생산성, 문자 필기 등이 우선되고 있는 민생용도에 적합한 방식이지만 LCD 등에 조화되어 기대하는 성능을 내고 또 다양한 요구수요(요구특성)를 충족시킬 수 있는가의 과제가 남아있다.

특히 저항막방식에서 아날로그 검출 방식으로 적용되는 전극의 배선을 4선식, 5선식, 8선식 등으로 변형한 것은 이러한 다양한 요구특성들을 충족 시키기 위한 기술들로 볼 수 있다.

4선식은 제조는 간단하지만 도전막 손상의 데미지가 크게 나타나고, 5선식은4선식에 비해 제조는 어렵지만 막질의 균등성이나 데미지에 관계없이 정상적인 작동이 가능하며, 8선식은 4,5선식에 비해 제조는 어렵지만 온도나 습도에 대한 내환경성이 우수한 것과 같이 특정 선식의 채택 자체는 다른 선식에 비해 절대적 우위를 갖지 않는다.

그러면, 본 고안과 관련하여 5선 저항막방식의 터치 패널의 구조 및 동작 그리고 앞서 밝힌 유저의 요구특성을 고려한 종래의 5선 저항막방식의 터치 패널을 4선 저항막방식과 비교하여 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 5선 저항막방식이고 검출방식으로 아날로그 방식을 적용한 터치 패널이다.

5선 저항막방식이고 검출방식으로 아날로그 방식을 적용한 종래의 터치 패널(이하 '터치 패널')은 도 3 내지 도 5와 같다.

5선 저항막방식의 터치 패널(100)은, 전체적으로는 하판(101)에 투명도전막(108)과 4개의 위치 신호 감지용 배선(102)을 외부 시스템 커넥터와 연결하고 또 투명도전막(108) 위에는 X,Y축 전위보상전극(103)(104)을 형성하였다. 상판(105)은 투명도전막(108)과 하판(101)에 분포된 위치 신호를 감지하는 1개의 신호 감지용 배선(106)을 설치하여 외부 시스템 커넥터와 연결 하였다. 특히 X,Y축 위치 신호 인가 기능을 겸하는 전위보상전극 설계를 위하여 하판과 상판에 각각 X,Y축 전위보상전극을 2개씩 배열하는 4선 저항막 방식과는 달리 하판(101)의 네 변을 따라 도 4 및 도 5와 같이 X,Y축 전위보상전극(Sheet Resistance)을 설계하고, 상판(105)에는 위치 신호 감지용 배선(106) 1개를 두는 형태이다.

구체적으로는, 하판(101)에 설계되는 전위보상전극(103)(104)은 도 4와 같이 하부 기판(109)상에 투명도전막(108)을 형성하고 그 투명도전막(108) 위에는 전위보상전극(103)(104)을 하부기판(109)의 네변을 따라 각각 형성한다. 이때 위치 단자 a~d로 구분되는 신호 인가용 배선(104)을 설치하기 위하여 영역 △LA, △LB만큼 투명도전막(108)을 제거하거나 투명도전막(108) 위에 절연막을 형성한다.

또한, 4선 저항막 방식과는 달리 하판(101)에 X,Y축 위치 신호 인가 기능을 동시에 만족 시켜야 하므로 도 4 및 도 5와 같이 전위보상전극(103)(104)을 분리하여 투명도전막(108) 위에 형성시킨다. 따라서 전위보상전극(103)(104)사이의 저항성분은 투명도전막(108)의 전위보상전극(103)(104)과 그 보상전극사이의 틈(Gap)과 인접하는 전극면의 길이의 비에 의해 대부분 결정된다. 이는 전위보상전극(103)(104) 사이의 저항치를 조절하기 위한 설계로서 저항치가 너무 낮을 경우 판넬 전체 저항치가 낮아져 구동회로의 구성 및 소비전력에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 적당한 값으로 설계한다.

특히 X축 좌표를 인식하기 위한 위치 신호 인가용 전위보상전극(103) 설계는 도 4와 같이, A,D단자에 VH를 인가하고 B,C단자에 접지 또는 VL를 하였을 때, 등전위 분포가 X축 방향에 수직하게 분포할 수 있도록 Y축 방향의 보상전극 사이 저항치를 선정하여 설계한다. 또한 Y축 좌표를 인식하기 위치 신호 인가용 전위보상전극(104) 설계는 도 5와 같이 A,B단자에 VH를 인가하고 C,D단자에 접지 또는 VL를 하였을 때, 등전위 분포가 Y축 방향에 수직하게 분포할 수 있도록 X축 방향의 보상전극 사이 저항치를 선정하여 설계한다.

이에 대하여 상판(105)은 도 3과 같이, 상판(105)에 위치 신호 감지용 배선(106) 1개를 두는 형태이다. 위치 신호 감지용 배선(106) 단자에서는 하판(101)에 분포되어 있는 위치 신호만을 감지하는 기능을 가지므로, 전위 형태의 신호를 감지하기 위해 특별히 저저항막 메탈로 배선할 필요는 없다.

상판(105)의 기판(Substrate)은 보통 플렉시블한 재질의 기판을 이용하며 투명도전막(108)은 전위보상전극(Sheet Resistance)값에 관계없이 사용할 수 있으나, 대략 1000Ω/□(면저항)이하의 것이 좋다.

5선 저항막방식의 터치 패널은 이러한 상하판(101)(105)을 합쳐놓은 형태이며 이를 위한 상판(105)과 하판(101)의 합착은 도 2와 같다. 즉 X,Y축 전위보상전극(70)(80)을 상판(20)과 하판(30)에 각각 X,Y축으로 2개씩 배열하고 그 사이에 도트 스페이스(50)를 충진 시킨 뒤 투명도전막(22)이 마주보도록 합착하는 도 2의 4선 저항막방식의 터치 패널의 합착(접합) 구조와 동일하게 5선 저항막방식의 터치 패널도 상판(105)과 하판(101)의 투명도전막(108)이 마주보도록 합착한 형태이다.

엑티브영역에는 도트 스페이서(110)를 도 3과 같이 일정 간격으로 설치하여 두 기판(101)(105)상의 투명도전막(108) 사이의 절연을 도모하고, 엑티브영역을 제외한 영역은 마찬가지로 절연성분의 점착 또는 접착 성분의 물질을 이용하여 두 기판을 합착 시켜 상하판(101)(105) 사이를 절연한다.

이렇게 상하판(101)(105)을 합쳐서 제작된 5선 저항막방식의 터치 패널 동작은 대략 3단계로 접촉과 X,Y축 좌표에 대한 인식을 실행한다.

1단계는 접촉인식이다. 터치 패널(100)을 손가락 또는 펜으로 눌렀을 경우펜이 터치 패널상에 닿았음을 인식하는 단계로서, 상하판(101)(105) 사이에 전압을 걸어 전류의 있고 없음에 의해 인식을 결정한다.

2단계는 X축 좌표인식이다. 접촉인식에서 인식된 내용에 따라 하판(101)의 투명도전막(108)상에 Y축 방향에 평행한 평등 전계가 분포되고, 손가락 또는 펜에 의해 눌려진 임의의 P점에서의 전위가 접촉저항을 통해 상판(105)에 전달되고, 이는 다시 상판(105)의 P'와 위치 신호 감지용 배선(106) 사이의 투명도전막(108)상을 통하여 위치 신호 감지용 배선(106) 단자에 전달되어 X축 좌표를 인식하게 된다.(도 3 및도 4 참조)

3단계는 Y축 좌표인식이다. X축 좌표인식에 이어서 하판(101)의 투명도전막(108)상에 X축 방향에 평행한 평등전계가 분포되고, 손가락 또는 임의의 P점에서의 전위가 접촉저항을 통해 상판(105)에 전달되어 Y축 좌표를 인식한다.(도 3 및 도 5 참조)

여기서, 접촉 인식 실행은 손가락 또는 펜이 터치 패널상에 닿았음이 인식되지 않은 경우 일정 간격을 두고 계속해서 실행된다.

일반적인 5선 저항막방식의 터치 패널은 상기와 같은 1~3단계를 거치면서 터치 패널의 상판(105)에 작용되는 압력을 X,Y축 좌표 인식에 따라 이를 디스플레이 한다. 따라서 5선 저항막방식의 터치 패널(100)은 4선 저항막방식과 같이 터치면의 투명도전막 일부 손상에 의한 동작 불능과 같은 문제를 일으키지 않으며, 상판(105)의 일부에 손상이 가더라도 이를 충분히 보상하여 디스프레이할 수 있는 특징을 갖게 되며, 이는 5선 저항막방식의 중요한 요구특성이 된다.

따라서, 5선 저항막방식의 터치 패널(100)은 예를 들면 4선,8선 저항막방식 터치 패널에서 얻을 수 없는 중요한 요구특성의 하나를 충족시킬 수 있는 조건을 갖추고 있으나, 또 다른 요구특성을 수용할 수 있는 상판(105)의 압력 센싱을 통한 디스플레이 구현 방식을 적용하는 기술이 알려져 있다.

5선 저항막방식의 압력 감지 기술의 예는 미국특허 US4933660에 소개되어 있는 바, 이 기술의 가장 두드러지는 특징은, 상판(105)의 접촉저항을 읽어내거나 또는 감지(센싱)하기 위해 상판(105)에 붙는 신호 감지용 배선(106) 단자를 1개가 아니고 2개로 하는 것으로 한쪽 신호 감지용 배선(106a) 단자 에서 먼저 저항을 측정하고 반대쪽에서 신호 감지용 배선(106b) 단자에서 다시 저항을 측정하는데 있는 것으로 전압을 걸어서 흐르는 전류의 변화량을 저항값으로 측정하는 것이다. 그러나, 이 기술은 측정할 때 변위에 따라 전류의 값이 변하여 저항값도 변하는 문제가 있다. 자세한 이유를 도 6 내지 도 8을 참고로 설명하면 밑의 내용과 같다.

도 6 내지 도 8은 압력 센싱과 관련되는 부분이다. 도 6은 5선 저항막방식의 터치 패널(100)과 그 압력 감지 부분의 도식적 구조이다. 도 7은 상판(105)에 가해진 압력과 접촉저항과의 관계이다. 도 8은 상판에 가해진 압력과 위치와의 관계를 나타낸다.

먼저 터치 패널 상판의 압력 감지을 위해 상판(105)은 도 6과 같이 2개의 신호 감지용 배선(106a)(106b) 단자를 갖는다. 그 배선(106a)(106b)들은 중심점을 대칭으로 양 끝으로 떨어져 있으며 임의의 변의 중심에 신호 감지용 배선(106a)(106b) 단자를 형성한 것으로 도 6에서는 플렉시블한 기판(Substrate)은생략되었다.

압력 센싱 방식은 도 6의 스위치 및 시스널프로세서 블록(111)을 통해 제어되는 스위치(112)(113)를 교번으로 On/Off시키면서 상하판(101)(105) 접촉점을 통해 흐르는 전류량으로부터 접촉저항치를 구한다. 이때 도 7의 그래프와 같은 압력과 접촉 저항과의 관계를 통하여 압력을 계산한다. 114는 압력이 증가함에 따라 접촉저항이 작아짐을 나타내고, 115는 압력이 증가함에 따라 접촉점을 통해 흐르는 전류량이 증가함을 나타낸다. 그러나, 압력과 접촉위치와의 관계는 측정포인트로부터 멀어질수록 압력 신호는 작아지는 특성을 갖게된다. 따라서 아주 일반적인 5선 저항막방식 터치 패널에서 보여주는 X,Y축 인식단계(2,3단계)와 동일한 방법으로 X,Y좌표를 구한 후, 도 8과 같은 압력과 접촉위치와의 관계를 이용하여 측정된 접촉 저항의 크기를 보정하여 실제 가해진 압력을 계산을 통하여 구한다.

압력과 위치와의 관계를 그래프로 나타내면 도 8과 같다. 신호 감지용 배선(106a) 단자에 전류를 인가하는 스위치(112)가 작동할 때 116기울기로 나타나고, 다른 신호 감지용 배선(106b)단자에 전류를 인가하는 또 다른 스위치(113)가 작동할 때는 117기울기로 나타나며, X축 디멘션(Dimension) 변화에 따른 압력 변화는 118로 나타난다.

따라서, 5선 저항막방식의 터치 패널(100)에서 양단 전압을 걸고 그 흐르는 전류의 변화량을 저항값으로 측정하는 압력 감지 방식의 적용을 이론적으로 보면 터치 패널에 가해지는 압력을 선의 굵기로 나타내 낼 수 있으며, 3차원적의 표현도 가능하고, 터치 패널상에서의 원근 표현이나 색의 개조, 깊이 등의 변화 등과같은 처리도 구현시켜 다양한 요구특성을 수용할 수 있을 것으로 보인다.

그러나, 상기와 같은 터치 패널면에서의 압력 감지 구조 및 방식은 압력과 위치와의 관계를 나타낸 도 8의 그래프로로 부터 확인 되듯이, X축 디멘션 변화에 따른 압력의 크기는 반드시 변하므로 이에 상당하는 유무형의 보정 매개체가 추가되어야만 한다. 이는 그 만큼 새로운 보정구조나 연산과정을 동반하므로 상대적으로 설계나 구현에 부담이 되며 또 희망대로 보정이 이루어질 수 있는지에 대한 확신도 얻을 수 없는 것이다.

또한 상기와 같은 압력 감지 구조 및 방식에서 구현하고자 하는 X축 디멘션 변화에 대해 압력변화가 도 7의 그래프와 같이 일정한 결과로 나타나지 않으며 실제로는 측정할 때 마다 저항이 변하여 리니어(Linear)한 결과를 구조적으로 추출하기 어렵다. 희망대로 리니어한 변화를 얻기 위해서는 적어도 4선 저항막 방식의 상판과 같이 마주보는 전위보상전극이 필요하다. 전위보상전극의 추가 적용은 소형,박형,저단가 등을 목표로 하는 최적화 설계에 배치된다.

또 상판(105)의 투명도전막(108)의 막질의 균등성(Uniformity)도 제조 및 사용조건에서 일정하게 유지 되어야 한다. 이는 그 만큼 정밀한 막질을 압력 감지에 의하여 얻고자 하는 결과에 대하여 하나의 구동 조건으로 하는 것이므로, 5선 저헝막방식의 가장 큰 특성중 하나인 터치 패널의 막질 손상에 대한 내환경성을 잃게 되는 것과 같기 때문에 5선 저항막방식의 터치 패널이 갖는 일반적인 성능을 잃기 쉽다.

마찬가지로 투명도전막의 균등성 특성이 외부 충격 또는 제조 공정중 발생하는 스크레치 현상들에 의해 손상을 입었을 경우 선형성(Linearity)의 특성에 영향을 미친다.

결과적으로 이러한 요인들은 투명도전막의 균등성 정도를 광범위하게 허용하여 5선 저항막방식으로 된 터치 패널의 장점은 살리지 못하고 신뢰성만 저하시켜 요구특성에 상반되는 결과로 나타날 문제점이 있는 것이다.

따라서 본 고안의 목적은 5선 저항막방식의 터치 패널의 상판에 가해지는 터치 압력을 통해 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 등의 변화와 같은 다양한 요구특성을 수용하면서 신뢰성 있는 5선 저항막방식의 터치 패널을 제공 하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 5선 저항막방식의 터치 패널에서 양단 전압을 걸고 그 흐르는 전류의 변화량을 저항값으로 측정하여 원하는 결과를 얻는 압력 감지 방식의 적용에 있어서, 5선 저항막 방식의 장점은 그대로 유지시키면서 원하는 요구특성 결과만을 추출할 수 있게 하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 5선 저항막방식 터치 패널에 압력 센싱 구조 및 방식을 적용하는데 있어서 X축 디멘션 변화에 따른 압력의 크기를 보정 매개체 없이 구현하여 설계적 부담을 줄이는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 고안의 특징은,

임의의 기판에 투명도전막을 형성하고 그 투명도전막 위에는 4개의 X,Y축 전위보상전극이 적정 저항치로 조절되어 네 변을 따라 설치되고 신호인가용 배선이있는 하판과,

상기 하판에 대응되는 투명도전막이 있고 하판에 분포된 전위보상전극을 통해 위치 신호를 감지하는 위치 신호 감지용 배선이 형성된 상판과,

상기 상판과 하판의 투명도전막이 마주보도록 두 기판을 합착할 때 두 기판상의 투명도전막 사이를 절연하기 위해 두 기판의 엑티브영역을 중심으로 투명도전막 사이에 설치된 도트 스페이서로 이루어지는 5선 저항막방식의 터치 패널에 있어서,

상기 5선 저항막방식의 터치 패널은,

임의의 기판에 형성된 투명도전막 위에 4개의 X,Y축 전위보상전극과 신호 인가용 배선이 X,Y축상으로 배선된 하판과,

상기 하판에 대응되는 투명도전막이 있고 하판에 분포된 전위보상전극을 통해 위치 신호를 감지하기 위해 X,Y축을 따르는 위치 신호 감지용 배선을 구비하여 두기판 사이의 접촉저항에 대하여 폐회로와 개회로로 이루어지는 등가회로를 구성하는 상판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 터치 패널의 단면 구조를 나타낸 도면

도 2는 도 1의 작동을 설명하기 위한 것으로

(a)는 입력에서 나타나는 상판의 변위

(b)는 터치 패널의 전극 배치

(c)는 접촉저항 회로

도 3은 일반적인 5선 저항막방식의 터치 패널의 수직 구조

도 4는 도 3의 하판 구조 표면의 예를 보인 도면

도 5는 도 3의 하판 구조 표면의 다른 예를 보인 도면

도 6은 종래 5선 저항막식 터치 패널의 압력 감지 구조 및 그 수직 구조

도 7은 터치 패널의 압력 감지에 관하여 압력과 접촉저항과의 관계를 나타낸 그래프

도 8은 터치 패널의 압력 감지에 관하여 압력과 위치와의 관계를 나타낸 그래프

도 9는 본 고안의 실시예를 나타낸 상판의 평면도

도 10은 본 고안의 다른 실시예에 따른 상판의 평면도

도 11은 본 고안의 실시예에 따른 터치 패널의 수직 구조

도 12는 본 고안에 따른 접촉 저항 측정을 도식적으로 나타낸 도면

도 13은 본 고안에 따른 접촉 저항 측정용 등가회로, 또는 도 12의 모델링한 등가회로

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

200:터치 패널 201:하판

202:신호인가용배선 203:전위보상전극(X)

204:전위보상전극(Y) 205:상판

206(206a,206b):신호(압력)감지용배선 208:투명도전막

209:기판 210:도트스페이서

이렇게 5선 저항막방식의 터치 패널을 구성하면, 5선 저항막방식의 터치 패널에 압력 감지 기능을 추가 하여, 상판에 가해지는 압력을 통해 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 등의 변화와 같은 요구특성을 수용하는데 있어서 나타나는 기술적 제약들, 즉 압력과 위치와의 관계에 따라 반드시 나타나는 X축 디멘션 변화에 대하여 압력의 크기 변화를 보정하는 다른 매개체 없이 바로 실행이가능하고 또 상판 투명도전막의 막질의 균등성도 일반적인 5선 저항막방식의 터치 패널 제조 및 사용조건과 대등하게 유지 시킬 수 있어 5선 저항막방식 터치 패널의 특성 저하 없이 원하는 요구특성 만을 충족시킬 수 있게 된다.

이하 본 고안의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 고안에 따른 터치 패널 상판의 평면도 이다. 도 10은 본 고안의 다른 실시예에 따른 터치 패널 상판의 평면도이다. 도 11은 본 고안의 실시예에 따른 5선 저항막방식의 터치 패널의 수직 구조를 나타낸다. 도 12는 본 고안에 따른 5선 저항막방식 터치 패널의 접촉 저항 측정을 도식화한 것이다. 도 13은 도 12의 접촉 저항 측정에 관하여 이를 모델링한 등가회로를 나타낸다.

도 9와 도 10과 같은 배선 패턴으로 나타나는 본 고안은 5선 저항막방식의 터치 패널(200)에 적용되지만 4선, 8선식에도 제한적으로 적용될 수 있다. 특히 a~d단자로 이루어지는 위치 신호 인가용 배선(202)을 설계하여 신호를 입력하고 또 전위보상전극(203)(204)들을 통해 X,Y축상으로 위치 신호를 분포시키는 하판(201)에 대하여 상판(205)에는 하판(201)에 분포된 위치 신호 감지용 배선(206)을 설치하여 5선 저항막방식의 터치 패널(200)의 기능이 일반적인 기능과는 별도로 일정한 요구특성을 나타내도록 한 것이다.

이는 앞서 밝힌 대로 5선 저항막방식의 터치 패널을 통한 직접 디스플레이 기능과 함께 상판에 가해지는 압력을 감지하여 이를 통해 디스플레이상의 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 등의 변화를 추출해내는 감응식 터치 패널의 형태이다.

따라서, 5선 저항막방식의 터치 패널을 이루는 일반적인 구조 부분은 대부분 본 고안의 기본 구조로 적용되어 있는데 도 9 내지 도 11과 같이 임의의 기판(209)에 투명도전막(208)을 형성하고 그 투명도전막(208) 위에는 4개의 X,Y축 전위보상전극(203)(204)들이 적정 저항치로 조절되어 네 변을 따라 설치되고 a~d단자로 이루어지는 신호 인가용 배선(202)이 있는 하판(201), 하판(201)에 대응되는 투명도전막(208)이 있고 하판(201)에 분포된 전위보상전극(203)(204)을 통해 위치 신호를 감지하는 위치 e,f단자로 이루어지는 신호 감지용 배선(206)이 형성된 상판(205), 상판(205)과 하판(201)의 투명도전막(208)이 마주보도록 두 기판을 합착할 때 두 기판상의 투명도전막(208) 사이를 절연하기 위해 두 기판의 엑티브영역을 중심으로 투명도전막 사이에 설치된 도트 스페이서(210)와 같은 것이다.

상판(205)과 하판(201)의 구조 및 배선 그리고 합착에 대한 기술은 5선 저항막방식의 터치 패널에서 일반화 되어 있다.

미국특허 US4933660호의 기술은 5선 저항막방식의 터치 패널의 기본 구조에 포함되는 상판을 통해 압력을 감지하고 그 압력에 따라 디스플레이상의 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 등의 변화와 같이 일반적인 5선 저항막방식의 터치 패널에서 표현되지 못했던 특수한 디스플레이를 유도해 내기 위해 제시 되었다. 그 방법은 상판을 통해 압력을 감지 하고 읽어내는 것이었으나 측정할 때 마다 저항값이 변하여 기대하는 결과를 얻지 못하는 구조이고, 이를 위해서는 인위적인 보정 매개체나 투명도전막의 막질의 균등성 등을 조건으로 한 것이었다. 이러한 구조나 방법들은 오히려 5선 저항막방식의 일반적인 특성을 저하시켜 큰 이득을기대하기 어렵다. 앞서 밝힌 대로 모든 터치 패널은 요구특성에 따라 적용되어 그 특성을 잃어버리면 가치가 없어진다. 5선 저항막방식의 특성은 막질의 균등성 저하에 대하여 민감하지 않은 내환경성에 있다. 내환경성이 적은 5선 저항막방식의 터치 패널이라면 굳이 비싼 5선 저항막방식을 쓸 필요가 없으며 4선 저항막방식과 구별되지 않는다.

따라서 본 고안의 구성은 미국특허 US4933660호와 같이 단순히 압력을 감지하는 것에 그치지 않고, 5선 저항막방식의 터치 패널의 일반적인 특성을 존속 시키면서 상판의 압력을 감지하여 그 압력에 따라 다양한 디스플레이를 구현하는 것으로 목표로 설계되었다.

도 11과 같이 하판(201)에는 일반적인 5선 저항막방식의 터치 패널에서 보여주는 것과 동일하게 4개의 위치 신호 인가용 배선(202)이 설계되지만 상판(205)에는 하판(201)에 분포된 위치 신호를 감지하는 1개의 배선(206a) 외에 압력 감지용 배선(206b) 1개를 추가한 신호 감지용 배선(206)을 설치했다.

상판(205)에 설치하는 두 개의 신호/압력 감지용 배선(206a)(206b)은 상판(205)의 중심점을 축으로 대칭 방향으로 하여 그 배선을 투명도전막(208)상에 연결하는 것으로 끝난다.

그 예로서, 도 9 또는 10과 같이 할 수 있다.

도 9는 중심점을 대칭으로 모서리에 점접촉과 비슷한 형태로 형성한 예이다.

따라서, 상판(205)의 신호 감지용 배선(206)은 모두 투명도전막(208)상에 중심점을 축으로 대칭 방향에 배선을 형성한 특징을 나타낸다.

도 10은 평행한 전극을 양방향 대칭으로 투명도전막(208)상에 형성한 예이다.

하판(201)과 상판(205) 그리고 도트 스페이서(210)를 사이에 넣는 합착 공정이나 방법은 일반적인 5선 저항막방식의 터치 패널의 제조 공정으로부터 충분히 응용된다. 전극을 배열하는 형식의 배선은 어려운 공정이 아니며 상판 공정의 단순한 부가만으로 쉽게 얻어진다.

본 고안에 따른 5선 저항막방식의 터치 패널(200)은 5선 저항막방식의 특성 저하 없이 다양한 표현이 구현되며, 이를 상판의 배선설계 그리고 상판 배선에 의한 감지 방법 등을 중심으로 살펴보면 다음과 같다.

도 11은 본 고안에 따른 5선 저항막방식의 터치 패널(200)의 수직 구조이고, 도 12는 본 고안에 따른 저항 측정의 개념적 그림이며, 도 13은 도 12를 등가모델링으로 표현한 것이다.

본 고안은 주변회로 소자를 제외한 임의의 가변저항만을 측정하기 위해서는 도 13과 같은 등가회로 형성에 의한 4단자망 측정법을 이용하여 측정을 실행한다.

도 12의 P,P'단자 사이의 저항치(터치 패널상의 접촉저항,RPATH1~RPATH4)를 정확하게 측정하기 위해서는 e,b단자에 전류원을 인가하고 f,d단자에 걸리는 전압을 측정한다. 이때 RPATH1,RPATH2에는 전류가 흐르고, RPATH3,RPATH4에는 전류가 흐르지 않으므로 f,d단자에 걸리는 전압은 바로 P',P단자에 걸리는 전압과 동일하다고 볼 수 있다. 따라서 Rc에 흐르는 전류 Ic와 f,d단자의 전압치를 이용하여 바로 Rc값을 구할 수 있게 된다.

Rc값은, Rc=V/Ic로부터 구한다.

마찬가지로 도 13의 등가회로의 개념을 도 12의 접촉 저항 측정 개념에 그대로 적용할 수 있으므로 위와 같은 접촉저항 Rc를 계산할 수 있다.

여기서, 접촉저항 Rc는 누르는 압력에 반비례하여 감소하므로 접촉저항의 크기를 이용하여 압력의 크기를 구하고 이를 소프트웨어적으로 충분히 차별화 시킬 수 있다.

본 고안에 따르는 구동 단계를 예를들어 설명하면 다음과 같이 나타낸다.

1단계는 터치 패널을 손가락 또는 펜으로 눌렀을 경우, 손가락이나 펜이 터치 패널상에 접촉되었다는 것과 동시에 접촉저항을 측정하는 단계이다.

도 11 또는 도 12와 같이 전류원을 e,b단자에 인가하고 P',P사이의 전압을 f,d에서 읽어들여 두 값으로부터 상하판 사이의 접촉저항을 구하여 일정 저항값 이하로 떨어졌을 경우, 펜이 터치 패널(스크린)상에 접촉되었다는 것으로 인식한다. 이때 저항값 크기를 미리 정해둔 기준치에 따라 압력의 크기를 판별한다.

2단계는 1단계에서 터치 패널(스크린)에서 손가락 또는 펜에 의해 눌려졌음을 인식했을 경우 하판(201)의 투명도전막(208)상에 Y축 방향에 평행한 평등 전계가 분포되고, 손가락 또는 펜에 의해 눌려진 임의의 점P 에서의 전위가 접촉저항을 통해 상판(205)에 전달되고 이는 다시 상판(205)의 P'와 위치 신호 감지용 배선(206) 사이의 투명도전막(208)상을 통하여 위치 신호 감지용 배선(206) 단자에 전달되어 X축 좌표를 인식하게 된다.

3단계는 2단계에 이어서 하판(201)의 투명도전막(208)상에 X축 방향에 평행한 평등 전계가 분포되고, 손가락 또는 펜에 의해 눌려진 임의의 점P 에서의 전위가 접촉저항을 통해 상판(205)에 전달되어 Y축 좌표를 인식하게 된다.

여기서, 1단계 실행시 접촉 저항치로부터 손가락 또는 펜이 터치 패널(스크린)상에 닿았음이 인식되지 않은 경우 일정 시간과 간격을 두고 1단계를 계속해서 실행한다.

이렇게 상하판(201)(205)을 합쳐서 제작된 본 고안의 5선 저항막방식의 터치 패널 동작은 대략 3단계로 접촉과 X,Y축 좌표에 대한 인식을 실행하는데, 접촉인식에 해당하는 1단계에서는 전류원을 e,b단자에 인가하고 P',P사이의 전압을 f,d에 읽어들여 두 값으로부터 상하판 사이의 접촉저항을 구하여 일정 저항값 이하로 떨어졌을 경우, 펜이 터치 스크린상에 접촉되었다는 것으로 인식한다. 이때 저항값 크기를 미리 정해둔 기준치에 따라 압력의 크기를 판별할 수 있게 된다.

따라서, 본 고안은 터치 패널을 손가락 또는 펜으로 눌렀을 경우 펜이 터치 패널상에 닿았음을 인식하여 상하판 사이에 전압을 걸어 준 뒤 전류의 있고 없음에 의해 인식을 결정하고, 바로 X,Y축좌표 인식단계(2.3단계)를 실행하는 일반적인 5선 저항막방식과는 상이한 구동특성을 갖게 된다.

상판(205)에 설치하는 두 개의 신호 감지용 배선(206)은 상판(205)의 중심점을 축으로 대칭 방향으로 하여 그 배선을 투명도전막(208)상에 연결하는 형태로서, 도 9 또는 도 10과 같이 할 수 있다.

도 9는 상판(205)의 중심축을 대칭으로 모서리부에서 투명도전막(208)과 접촉시킨 신호 감지용 배선(206)의 배선도로서, 단자e 를 X축 방향 전극으로 패터닝한 경우이며, 단자e,f를 하판(201)의 단자 a,b,c,d와 대응되는 위치에 배열한 경우이다. 각 단자들 a~f은 외부 시스템 커넥터가 접촉되는 단자이다.

이 경우 전류원을 e,b단자에 인가하고 P',P사이의 전압을 f,d에 읽어들여 두 값으로부터 상하판 사이의 접촉저항을 구하여 저항값에 따라 일정한 압력이 터치 패널(스크린)상에 접촉되었다는 것으로 인식할 수 있으며, 작용되는 저항값 크기를 미리 정해둔 기준치에 따라 압력의 크기를 판별하거나 구별할 수 있도록 해준다.

도 10은 상판(205)의 X축과 나란한 방향으로 평행한 두 전극을 패터닝한 신호 감지용 배선(206)의 배선도로서, 단자 e,f를 하판(201)의 단자 a,b,c,d와 대응되는 위치에 배열한 경우이다. 각 단자들 a~f은 외부 시스템 커넥터가 접촉되는 단자이다.

이 경우도 마찬가지로 전류원을 e,b단자에 인가하고 P',P사이의 전압을 f,d에 읽어들여 두 값으로부터 상하판 사이의 접촉저항을 구하여 저항값에 따라 일정한 압력이 터치 패널(스크린)상에 접촉되었다는 것으로 인식할 수 있으며, 작용되는 저항값 크기를 미리 정해둔 기준치에 따라 압력의 크기를 판별하거나 구별할 수 있도록 해준다.

한편, 도 9 또는 도 10과 같은 상판(205)의 신호 감지용 배선(206) 설계에 따르면, 접촉 저항 측정에 있어서 도 13 같은 일정한 등가회로를 형성함으로서, 다음과 같이 5선 저항막방식의 터치 패널의 압력 감지 특성과 장점을 얻게 된다.

특성은 외부에서 터치 패널을 누를 때, 압력의 변화를 감지하기 위하여 상판(205)과 하판(201) 사이에 발생하는 접촉저항치의 변화를 측정하고, 상판(205)과 하판(201) 접촉부위에 발생하는 접촉저항치는 접촉저항 양단에 걸리는 전압치와 흐르는 전류량으로부터 계산하는 것으로 나타난다.

그 특성에 따라 상판의 신호 감지용 배선에 의해 상하판 사이의 접촉저항을 구하고 그 저항값에 따라 미리 정해둔 압력의 크기를 판별할 수 있다. 따라서 디멘션 변화에 압력의 크기가 변하지 않으므로 이를 보정하는 처리과정을 필요로 하지 않는다.

마찬가지로 이유로 디멘션 변화에 따른 보정을 위하여 따로 전위보상전극과 같은 매개체를 필요로 하지 않으며, 또 저항값 측정에 있어서 상판 투명도전막의 막질의 균등성을 측정 조건으로 하고 있지 않으므로 막질의 균등성을 필요로 하지 않는다.

이와 같이 본 고안은 외부에서 터치 패널을 누를 때, 압력의 변화를 감지하기 위하여 상판과 하판 사이에 발생하는 접촉저항치의 변화를 측정하고, 상판과 하판 접촉부위에 발생하는 접촉저항치는 접촉저항 양단에 걸리는 전압치와 흐르는 전류량으로부터 계산함으로서, X축 디멘션 변화에 따른 압력의 크기 변화에 대한 유무형의 보정 매개체 없이 바로 압력을 감지할 수 있는 효과가 있다.

또한 상판 구조 개선만으로 X축 디멘션 변화에 따른 압력의 크기의 변화를 보상할 수 있으므로 별도의 전위보상전극 없이 리니어한 변화를 추출할 수 있고 이를 통해 소형,박형,저단가 등을 목표로 하는 5선 저항막방식의 터치 패널 최적화 설계에 반영할 수 있는 효과가 있다.

또한 상판 투명도전막의 막질의 균등성 정도에 대하여 제조 및 사용조건에서 그 정도가 광범위하게 허용될 수 있으므로 5선 저항막방식의 터치 패널의 장점은 그대로 유지시키고, 상판에 가해지는 압력에 응답하여 선의 굵기, 3차원적 표현, 원근, 색의 개조, 깊이 표현 등과 같은 다양한 요구특성을 신뢰성 있게 수용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 임의의 기판에 투명도전막을 형성하고 그 투명도전막 위에는 4개의 X,Y축 전위보상전극이 적정 저항치로 조절되어 네 변을 따라 설치되고 신호인가용 배선이 있는 하판과,

   상기 하판에 대응되는 투명도전막이 있고 하판에 분포된 전위보상전극을 통해 위치 신호를 감지하는 위치 신호 감지용 배선이 형성된 상판과,

   상기 상판과 하판의 투명도전막이 마주보도록 두 기판을 합착할 때 두 기판상의 투명도전막 사이를 절연하기 위해 두 기판의 엑티브영역을 중심으로 투명도전막 사이에 설치된 도트 스페이서로 이루어지는 5선 저항막방식의 터치 패널에 있어서,

   상기 터치 패널의 압력 감지 구조는,

   임의의 기판에 형성된 투명도전막 위에 4개의 X,Y축 전위보상전극과 신호 인가용 배선이 X,Y축상으로 배선된 하판과,

   상기 하판에 대응되는 투명도전막이 있고 하판에 분포된 전위보상전극을 통해 위치 신호를 감지하기 위해 적어도 X,Y축을 따르는 위치 신호 감지용 배선을 구비하여 두기판 사이의 접촉저항에 대하여 폐회로와 개회로로 이루어지는 등가회로를 구성하는 상판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터치 패널의 압력 감지 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상판은 하판에 분포된 위치 신호를 감지하는 배선과 압력 감지용 배선을 각각 구비하여 신호 감지용 배선을 구성한 것을 특징으로 하는 터치 패널의 압력 감지 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상판에 설치하는 두 개의 배선은 상판의 중심점을 축으로 대칭 방향으로 그 배선을 투명도전막상에 연결하는 것을 특징으로 하는 터치 패널의 압력 감지 구조.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 상판상의 신호 감지용 배선은 X(Y)축으로 평행한 두 전극을 투명도전막상에 형성한 것을 특징으로 하는 터치 패널의 압력 감지 구조.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 상판상의 신호 감지용 배선은 한쪽 X축과 나란한 방향의 전극만을 투명도전막상에 패터닝한 것을 특징으로 하는 터치 패널의 압력 감지 구조.