KR20060135622A - 도전성 폴리머를 내장하는 저항성 터치 스크린 - Google Patents

도전성 폴리머를 내장하는 저항성 터치 스크린 Download PDF

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KR20060135622A
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resistive
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conductive polymer
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resistive touch
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KR1020067006714A
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엘리사 엠. 크로스
로버트 에스. 모쉬레프자데
버나드 오. 게그한
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

도전성 폴리머들은 저항성 터치 스크린 내의 신호 전달 층으로서 사용될 수 있다. 도전성 폴리머의 사용은 층의 전기적 연속성 및 내구성을 유지하면서, 인듐 주석 산화물을 사용하여 종래 얻어진 것보다 높은 시트 저항을 가능하게 할 수 있다. 높은 시트 저항은 또한 양호한 광 투과율뿐만 아니라, 감소된 오차 및 감소된 전력 소모를 초래할 수 있다. 시트 저항은 원하는 데이터 샘플링 속도에 의해 상한에서 제한될 수 있다. 또한 개시된 것은 탑시트 및 하부 기판 상에 도전성 폴리머를 이용하고, 종래의 전자부품의 사용으로 동작될 수 있는 저항성 터치 스크린이다.
도전성 폴리머, 시트 저항, 데이터 샘플링 속도, 투과율, 탑시트, 제어기

Description

도전성 폴리머를 내장하는 저항성 터치 스크린{RESISTIVE TOUCH SCREEN INCORPORATING CONDUCTIVE POLYMER}
본 발명은 일반적으로 터치 스크린에 관한 것으로, 특히 터치 스크린을 형성하기 위해 표시 장치와 함께 사용되는 터치 센서에 관한 것이다.
전형적인 저항성 터치 스크린(resistive touch screen)은 스페이서(spacer)에 의해 분리된 2개의 투명 도전층을 포함하고, 이 투명 도전층은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide: TCO)로 형성되는데, 일반적으로는 ITO(indium tin oxide), 때로는 TAO(tin antinomy oxide), TO(tin oxide) 또는 ZnO(zinc odixe)로 형성된다. 종래, 저항성 터치 스크린은 약 250 내지 600 ohms/square의 표면 저항률 또는 시트(sheet) 저항을 갖는 대향하는 ITO 층들을 포함한다. ITO 층들, 및 그 밖의 TCO들은 일반적으로 진공 증착된다. 더 높은 표면 저항률을 갖는 ITO 층의 제조는 매우 얇은 층의 증착을 필요로 한다. ITO 층이 얇아짐에 따라, 저항 균일성, 막의 불연속성 및 막의 내구성으로 인한 문제가 발생할 수 있다. 결과적으로, 터치 스크린 제조자는 전형적으로 균일성, 내구성 및 신뢰성의 이유로 더 두껍고 비교적 낮은 저항 ITO 층을 사용한다.
TAO 및 ZnO와 같은 그 밖의 TCO는 ITO보다 다소 높은 시트 저항을 갖는다. 그러나, 이들 산화물은 더 비싸고, 동일한 시트 저항에 대해 ITO만큼 광학적으로 효과적이지 않다. 예를 들어, TAO는 동일한 시트 저항에 대해 ITO보다 낮은 투과율(transmission)을 갖는다. 또한, TAO 및 ZnO는 저항성 터치 스크린 구성에서 유연한 탑시트(flexible topsheet)로서 자주 사용되는 PET(polyethylene terephthalate)의 시트 상에서 널리 이용할 수 있는 정도는 아니다.
LCD와 같은 전자 표시장치는 또한 ITO 층을 사용하지만, 전형적으로 10 내지 100 ohms/square의 시트 저항을 갖는 층을 포함한다. LCD용의 ITO 층을 만드는 동일한 회사들은 흔히 터치 스크린에서 사용된 ITO 층을 제조한다. 그러나, 이들 회사는 터치 스크린에 최적한 낮은 저항 ITO 층을 사용하기 위해, 그들의 처리 능력을 주로 LCD 장치를 위해 개발했다.
20 ohms/square의 시트 저항을 갖는 ITO 막은 약 500 nm 두께이다. 350 내지 400 ohms/square의 시트 저항을 갖는 ITO 막은 단지 약 30 내지 35 nm 두께이다. 증착된 ITO의 균일성, 내구성 및 물리적 연속성은 일반적으로 막이 얇게 코팅됨에 따라 저하된다. 예를 들어, ITO는 내구성, 균일성 또는 물리적 연속성이 없어질 만큼 얇게 되어야 하기 때문에 약 1000 내지 2000 ohms/square의 저항률 범위에서는 일반적으로 코팅되지 않는다.
저항성 터치 스크린의 도전층에 최적한 시트 저항을 위한 연구가 더욱 필요하다. 최적한 범위 내에서 광학 및 도전 특성을 갖는 개선된 도전층이 필요하다.
본 발명은 터치 입력의 영향 하에 하부 기판 쪽으로 이동가능한 탑 시트를 포함하는 저항성 터치 스크린을 제공하는데, 탑 시트는 하부 기판 상에 배치된 제2 도전성 폴리머 층에 대면하는 제1 도전성 폴리머 층을 포함하고, 터치 스크린은 로컬 접촉의 위치를 결정하기 위해 제1 및 제2 도전성 폴리머 층이 로컬 접촉을 할 때 발생된 신호를 사용하는 제어기 전자부품에 전자 결합을 하도록 구성된다.
다른 실시양상에서, 본 발명은 2개의 대면하는 저항층들 중의 최소한 하나가 도전성 폴리머 층인 저항성 터치 스크린을 제공한다. 제어기 전자부품은 저항층에 전자적으로 결합되고, 제어기 전자부품은 터치 위치를 결정하기 위해 제1 및 제2 저항층이 터치 하에 국부 접촉을 할 때 발생된 신호를 사용하도록 구성된다. 터치 스크린은 제어기 전자부품이 약 3 내지 5 볼트에서 동작될 때 장치가 고장나기 전에 동일한 위치에서 100,000번 이상의 터치 입력을 허용한다.
또 다른 실시양상에서, 본 발명은 저항성 터치 스크린을 제조하는 방법을 제공하는데, 이 방법은 터치 센서를 위한 원하는 최소 샘플링 속도를 선택하는 단계, 저항층을 위한 터치 센서 구성 및 크기를 선택하는 단계, 선택된 크기가 주어지면 저항층의 RC 상수를 결정하는 단계, 결정된 RC 상수에 기초하여 저항층을 위한 최대 시트 저항을 결정하는 단계, 및 최대 시트 저항을 초과하지 않는 시트 저항을 제공하는 두께로 저항층을 형성하기 위해 기판 상에 도전성 폴리머 재료를 코팅하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 다음에 오는 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백해질 것이다. 본 명세서의 원리의 상기 요약은 본 명세서의 각각의 예시된 실시예 또는 모든 구현을 설명하고자 하는 것은 아니다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예에 관한 다음의 상세한 설명을 고려하면 더욱 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 4선(4-wire) 저항성 터치 스크린의 분해 개략도.
도 2는 4선 저항성 터치 스크린의 탑시트의 개략도.
도 3은 저항성 터치 스크린의 개략 회로도.
도 4는 4선 저항성 터치 스크린의 기판의 개략도.
도 5는 상이한 시작 시트 저항을 갖는 저항층을 갖고 있는 5선 저항성 터치 스크린에 대한 시트 저항의 증가에 따른 상대 오차를 도시한 차트.
도 6은 여러 크기를 갖는 터치 스크린에 대한 최대 샘플링 속도 대 시트 저항을 도시한 차트.
도 7은 저항층의 시트 저항의 함수로서 도전성 폴리머 저항층에 대한 내부 투과율을 도시한 차트.
본 발명은 여러가지 변경 및 대안적인 형태로 수정가능한데, 그 특정예가 도면에 예시적으로 도시되었으며, 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 설명된 특정 실시예에 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 알기 바란다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위에 속하는 모든 변경, 등가물 및 대안을 망라하는 것이다.
본 발명은 저항성 또는 정전용량 방식 기술을 사용하고 도전층을 내장하는 다수의 터치 스크린에 응용가능하다. 본 발명은 이것에 제한되지 않는데, 본 발명의 여러 실시양상의 이해는 아래 제공되는 예들의 설명을 통해 얻을 수 있을 것이다.
저항성 및 정전용량 방식 터치 스크린은 단부 또는 경계부에 단자를 갖는, 저항 재료 영역과 같은 저항 또는 임피던스 소자를 포함한다. 종래, 저항 소자는 투명한 도전성 산화물(TCO)로 제조된다. 대략 100 내지 600 ohms/square의 시트 저항을 갖는 ITO는 전형적으로 저항성 터치 스크린 상에서 사용되고, 대략 1000 내지 3000 ohms/square의 시트 저항을 갖는 TAO는 흔히 정전용량 방식 터치 스크린 상에서 사용된다. 본 발명은 더 높은 시트 저항을 사용함으로써 시트 저항이 최적화되어, 터치 센서가 원하는 응답 속도를 달성하면서 감소된 오차, 낮은 전력 소모 및 양호한 광학적 특성을 갖게 할 수 있다는 것을 증명한다. 한 실시예에서, 본 발명은 저항 소자가 터치 센서의 원하는 광학 특성 및 응답 시간의 검사에 의해 결정될 수 있는 최적 범위의 시트 저항을 갖는 저항성 터치 스크린을 제공한다. 이 최적 저항은 여기에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 도전성 폴리머의 사용에 의해 달성될 수 있다.
더 높은 시트 저항은 터치 스크린에서 몇가지 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 높은 시트 저항은 낮은 전력 소모, 다양한 소스로부터의 오차 감소, 및 터치 스크린 장치를 통한 더 높은 광 투과율을 초래할 수 있다. 이들 장점의 각각은 여기에서 더욱 상세하게 설명된다.
지금까지, 터치 스크린에서 더 높은 시트 저항을 사용하는 장점은 완전히 조 사되지 않았다. 터치 스크린의 저항 소자로서 TCO를 사용할 때, 달성가능한 시트 저항의 범위는 매우 얇은, 따라서 더 높은 저항률의 TCO 층을 형성할 때의 어려움으로 인해 비교적 제한된다. 이와 같이, 성능 개선은 두께 균일성 및 내구성의 바람직한 범위 내에서 실제로 만들어질 수 있는 것보다 훨씬 더 얇은 TCO 층의 형성을 필요로 한 TCO 층을 사용하여 시트 저항 레벨을 달성하고자 시도할 때 기대되지 않았을 것이다. 본 발명가는 터치 스크린의 저항 소자를 형성하기 위해 도전성 폴리머를 사용함으로써, 더 높은 시트 저항이 더욱 용이하게 얻어질 수 있다는 것을 알아냈다.
도전성 폴리머는 터치 스크린에서 종래에 사용된 것보다 더 높은 시트 저항률을 여전히 얻으면서 적당한 균일성을 허용하는 두께로 코팅될 수 있다. 또한, 도전성 폴리머 층의 시트 저항은 막 또는 층으로서 코팅될 때 비교적 높은 시트 저항을 나타내는 적합한 도전성 폴리머를 선택하거나, 도전성 폴리머 층의 두께를 감소시키거나, (예를 들어, 비활성 접합 재료를 추가함으로써) 도전성 폴리머 재료를 다시 조제하거나, 그렇지 않으면 (예를 들어, 화학 또는 방사 처리를 사용함으로써) 층 형성 전 또는 후에 도전성 폴리머 재료의 전자 특성을 변경함으로써, 또는 이들의 임의의 적합한 조합에 의해 더욱 조정될 수 있다. 흔히, 더 높은 시트 저항 도전성 폴리머 층은 원하는 특성을 유지하거나 증대시키면서 비용면에서 효과적인 코팅 공정을 사용하여 달성될 수 있다.
더 높은 시트 저항 소자는 또한 터치 스크린의 선형화에 관한 이점을 제공할 수 있다. 저항성 및 정전용량 방식 터치 스크린은 저항층 양단에 전계를 인가함으 로써 동작된다. 정전용량 방식의 5선식 센서는 전계 분포를 돕기 위해 저항층 테두리 주변에 분포된 도전성 소자를 갖는다. 전계가 더욱 균일하게 분포될 수록, 터치 스크린이 더욱 정확해진다. 이것은 선형화로서 공지되어 있다. 선형화 패턴의 도전성 소자는 저항 소자보다 더욱 도전성이 있고, 양호하게는 훨씬 더 도전성이 있다. 이와 같이, 더 높은 시트 저항을 갖는 저항 소자를 제공하면 더욱 광범위한 선형화 패턴 및 재료를 이용할 수 있게 되어, 제조를 더욱 용이하게 할 수 있다. 또한, 더 높은 시트 저항은 더 좁은 선형화 패턴을 사용할 수 있게 할 수 있다.
상술된 바와 같이, 더 높은 시트 저항을 갖는 저항 소자의 사용은 증가된 정확도, 개선된 광학적 특성, 및 저항 소자에 인가된 전계 선형화시의 더 큰 용이성을 포함하여 몇가지 이점을 가질 수 있다. 그러나, 어떤 점에서, 시트 저항의 증가는 응답 시간의 현저한 증가를 초래할 수 있을 것이다. 이것은 시트 저항의 바람직한 범위에 상한(upper boundary) 표시를 해두는데, 이 상한은 사용된 터치 스크린의 유형, 터치 스크린의 크기, 및 터치 스크린이 사용된 특정 애플리케이션에 따라 다를 수 있다. 시트 저항의 상한 결정에 관련된 문제는 지금까지는 본 분야에서 조사되지 않았다. 최적 시트 저항은 증가된 시트 저항의 장점을 실현할 만큼 충분히 높지만 상한보다는 낮은(상한 이상에서는 응답 시간이 너무 길어짐) 임의의 시트 저항으로서 간주될 수 있다.
더 높은 시트 저항을 사용할 수 있다는 이점 이외에, 터치 스크린 내의 저항 소자로서 TCO 층을 대신하는 도전성 폴리머는 TCO와 함께 종래 사용된 것과 동일한 시트 저항에서도 개선된 광학 특성을 제공할 수 있다. 도전성 폴리머는 일반적으로 TCO보다 낮은 굴절률을 갖는데, 이것은 감소된 계면 반사로 인해 더 높은 콘트라스트 비뿐만 아니라 터치 스크린을 통과하는 양호한 광 투과율을 초래할 수 있다. TCO의 사용은 황색화 표시 현상(yellowish display appearance)을 종종 초래하는데, 이것은 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 더 높은 투과율을 갖는 도전성 폴리머를 사용하여 개선될 수 있다. 도전성 폴리머의 사용은 또한, 제조, 취급 및 사용 중에 상당히 부서지기 쉽고 균열이 생겨 쉽게 떨어져나갈 수 있는 TCO의 사용시보다 더 증대된 내구성을 제공할 수 있다.
본 발명의 몇가지 이점은 저항성 터치 스크린 내의 도전성 폴리머의 사용과 관련하여 설명될 수 있다. 저항성 터치 스크린은 대체로 단단한 하부 기판 상에 배치된 하부 저항층, 및 상부 저항층이 터치 입력의 위치에서 하부 저항층과 로컬 접촉을 할 수 있도록 터치 입력의 영향 하에 구부러질 수 있을 만큼 충분히 유연한 상부 기판 상에 배치된 상부 저항층을 포함한다.
4선 저항성 터치 스크린에서, 하부 저항층은 전계가 층 양단에 인가될 수 있도록 2개의 대향하는 에지 상의 전극을 포함한다. 상부 저항층은 전계가 하부층 방향에 직교하는 방향으로의 층 양단에 인가될 수 있도록 그외 다른 2개의 대향하는 에지 상의 전극을 포함한다. 저항층들 사이에 접촉이 이루어질 때, 하부층 상에 발생된 신호는 한 축(예를 들어, x축)을 따르는 터치 위치를 결정하기 위해 사용되고, 상부층 상에 발생된 신호는 직교 축(예를 들어, y축)을 따르는 터치 위치를 결정하기 위해 사용된다. 상부 층이 터치 입력 하에 구부러지기 때문에, 상부 저항층은 TCO와 같은 부서지기 쉬운 재료로 구성될 때 균열이 생기거나 떨어져 나가는 경향을 갖는다. 이것은 시간이 지남에 따라 정확도 및 기능에 손실을 가져올 수 있다. 이와 같이, 산업계는 상부층이 신호 발생층이라기보다는 단지 전압 감지층이고, 2개의 터치 좌표가 하부층 상에 발생된 신호에 의해 결정되는 5선 저항성 구성을 개발했다. 5선 구성은 일반적으로 더욱 복잡하므로, 제조하기가 더욱 어렵고 값이 비쌀 수 있다. 저항층 소자로서의 도전성 폴리머의 사용은 4선 터치 스크린이 만들어져서, 상부 저항층의 균열로 인한 시간에 따른 정확도 및 기능의 손실에 대한 것과 같은 걱정없이 사용될 수 있게 한다.
5선 저항성 터치 스크린에서, 하부의 신호-전달 저항층은 흔히 단단한 기판 상에 배치된다. 그렇다고 하더라도, 도전성 폴리머가 유연한 탑 시트의 저항층으로서 사용되든 사용되지 않든, 하부 저항층으로서 도전성 폴리머를 사용하는 것이 유익할 수 있다. 도전성 폴리머는 동일한 시트 저항을 갖는 TCO 층보다 더 높은 투과율을 제공할 수 있다. 도전성 폴리머는 더 높은 시트 저항층을 사용할 수 있게 할 수 있으므로, 낮은 전력 소모, 감소된 오차, 더 높은 투과율, 및 더욱 용이한 선형화 및/또는 더 좁은 테두리 선형화 패턴을 포함할 수 있는 터치 스크린 내의 균일하고 높은 시트 저항층의 이점을 제공할 수 있다.
도전성 폴리머는 터치 스크린에서의 사용에 대해 본 분야에 개시되어 있지만, 시트 저항의 최적화에 관한 설명이 없이, 특히 내구성의 증가에 대해 설명되어 있다. 예를 들어, 도전성 폴리머는 미합중국 특허 제6,469,267호에 설명된 바와 같이, ITO의 사용에 의해 나타난 것보다 기계적 특성을 개선시키기 위해 5선 저항 성 터치 스크린의 유연한 탑 시트의 도전층으로서 사용될 수 있다. 그러나, 그러한 장점을 시간이 지남에 따라 유지시키기 위해서는, 그러한 터치 스크린의 전기 회로의 여기(excitation)가 신중하게 제어되었다. 이것은 하부 기판 상에 배치된 종래의 TCO 도전층에 대해 네가티브 바이어스 상태의 도전성 폴리머 층의 유지를 포함했다. 그러한 바이어싱은 종래 이용가능한 제어기 전자부품과 호환될 수 없어서, 특별한 전자부품의 설계를 필요로 한다.
본 발명에서, 도전성 폴리머는 저항성 터치 스크린의 각 기판 상에서의 신호 전달층으로서 사용될 수 있고, 종래의 제어기 전자부품과 호환가능하다. 도전 폴리머가 2개의 도전층으로서 사용될 때, 장치의 전압 및 바이어스에 관한 제한은 불필요하다. 이것은 전자부품 개발시의 설계 제한에 대한 요구를 없앨 수 있고, 거꾸로 기존의 제어기와 호환가능한 새로운 기술의 터치 스크린의 제조를 가능하게 할 수 있다.
도전성 폴리머는 또한 유연한 기판을 이용하는 정전용량 방식 터치 스크린 내의 종래의 TCO 도전층 상에 배치된 보충 코팅으로서의 사용에 대해 설명되어 있다. 그러한 경우에, 도전성 폴리머는 비교적 부서지기 쉬운 TCO 층이 제조, 취급 또는 사용 도중에 장치의 구부러짐으로 인해 균열이 생기면 장치의 성능 유지를 도울 수 있다. 그러한 경우에, TCO 층의 전자적 특성은 여전히 터치 신호의 전달에 의존하므로, 시트 저항 달성가능성에 관한 것과 동일한 제한을 갖는다.
4선 저항성 터치 센서는 일반적인 것으로, 본 발명의 여러 실시양상을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같이, 도 1 내지 4는 저항성 터치 센서를 도시한 것으로, 공통 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 이러한 구성 유형에 있어서의 가능한 오차의 소스는 또한 이들 오차를 최소화하는 새로운 기술과 함께 설명될 것이다. 그러나, 본 분야에 숙련된 기술자라면, 설명된 여러가지 개념은 5선, 8선 및 7선 구성과 같은 임의의 다른 저항성 터치 센서 구성에 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
저항성 터치 센서는 샌드위치처럼 구성되는데, 터치는 처리된 플라스틱 또는 유리의 하위 기판층에 대한 상부 유연층의 압착에 의해 기록된다. 2개의 층은 샌드위치의 안쪽에서 저항성 재료로 코팅되고, 스페이서 도트(dot)는 보통 상부 시트와 기판층 사이에 배치된다. 손가락 또는 스타일러스에 의해 터치된 때, 상부 시트는 변형되어, 하부층 또는 기판과 접촉한다. 전압 경도(gradient)가 기판 양단에 인가되면, 상부 시트는 전압 신호로부터 터치 위치의 한 좌표를 결정하기 위한 전압 프로브로서 작용한다. 4선 구성에서, 기판은 이때 직교 방향으로의 상부 시트 상의 전압 경도로부터 다른 위치 좌표를 결정하기 위한 프로브로서 사용된다. 5선과 같은 다른 저항성 기술은 전압 감지층으로서 유연한 상부 시트를 이용하고, 2개의 터치 입력 좌표는 하부 기판의 도전층 상에 발생된 신호를 사용하여 얻어진다.
4개의 추가 감지선은 센서 저항의 변화에 의해 야기된 오차를 줄이기 위해 4선 저항성 센서에 때때로 추가된다. 이것은 저항성 터치 스크린의 8선형으로서 공지되어 있으며, 이 구현예는 온도 변화, 습도 또는 노화로 인한 케이블 및 상호접속부 양단의 전압 변화에 의해 야기된 오차의 보상을 가능하게 한다. 2개의 추가 접속은 2개의 전극 각각으로의 케이블을 통해 이루어지므로, "배선"의 수를 4에서 8로 두배로 늘린다. 이와 마찬가지로, 7선 저항성 터치 센서는 전압을 모니터하기 위해 기판의 대향하는 코너로 각각 이어지는 2개의 추가 배선을 추가한다는 점에서 5선 저항성 설계의 변형이다. 이들 2개의 추가 참조선은 제어기에 피드백을 제공하여, 노화 또는 온도 변동과 같은 환경적 또는 물리적 변화에 의해 야기된 전압 변화를 상쇄시킬 수 있다. 이와 같이, 8선 및 7선 센서는 각각, 시트 저항의 변화를 보상하기 위해 사용될 수 있는 추가 피드백을 제공하는 4선 및 5선 센서의 유사 센서이다. 이것은 환경 변화에 민감해질 수 있는 저항층 재료를 이용하는 센서에 특히 적합할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 도전성 폴리머는 노화, 높은 온도 또는 높은 습도로 인해 시트 저항의 변화를 나타낼 수 있다.
도 1은 테두리 영역 내에 있는 절연 스페이서 층(34)에 의해 분리된 하부 기판(32)과 탑 시트(50)를 포함하는 4선 저항성 터치 스크린(30)의 분해도이다. 하부 기판(32)은 하부 기판(32)의 저항성 표면(42)과 탑 시트(50)의 저항성 표면(52) 사이에 정상 간격을 유지하기 위해 투명한 스페이서 도트(36)를 포함한다.
도 2는 4선 저항성 터치 스크린의 탑 시트(50)의 도면이다. 탑 시트(50)는 수직 전압 경도를 발생시키고, 터치 센서 상의 터치의 수직 위치를 측정한다. 하부 기판(32)(도 1 참조, 도 2에 도시되지 않음)은 수평 전압 경도를 발생시키고, 터치의 수평 위치를 측정하기 위해 사용된다. 탑 시트(50)는 탑 시트(50)의 직사각형 부분 상의 저항성 표면(52)을 포함한다. 이 실시예에서 저항성 표면(52)이 직사각형 모양으로 되었지만, 정사각형 또는 다른 모양과 같은 많은 다른 모양이 저항성 표면(52)으로 제공될 수 있다.
케이블(54)은 전기 신호를 상부 시트(50)에 전달한다. 케이블(54)은 상부 시트 상의 제1 상호접속부(58) 및 제2 상호접속부(60)에 전기적으로 접속된다. 상호접속부(58, 60)는 각각 제1 전극(64) 및 제2 전극(66)에 차례로 접속된다. 전극(64, 66)은 각각 저항성 표면(52)의 상부 및 하부에 접속된다. 상호접속부(58, 60)는 저항성 표면(52)으로부터 전기적으로 절연된다.
제1 전극(64)은 탑 시트(50)의 상단에 위치한다. 제1 전극(64)은 상호접속부(58) 근처에 있는 제1 단부(76) 및 상호접속부(58)로부터 떨어져 있는 제2 단부(78)를 포함한다. 케이블 및 상호접속부(58)는 참조 전압 VREF를 제1 전극(64)에 인가한다. 제2 전극(66)은 상부 시트(50)의 하단에 위치한다. 제2 전극(66)은 상호접속부(60) 근처에 있는 제1 단부(86) 및 상호접속부(60)로부터 떨어져 있는 제2 단부(88)를 포함한다. 접지 전압 VGND는 제2 전극에 인가된다. 그러므로, 수직 전압 경도는 저항성 표면(52) 양단에 형성되고, 이상적으로 상단에서의 참조 전압에서부터 하단에서의 접지 전압까지의 범위에 걸쳐 있다.
탑 시트(50)와 유사하게, 도 1에 도시된 하부 기판(32)은 케이블(54)로의 접속부, 및 전압 경도를 제1 및 제2 전극(44, 46)에 각각 인가하는 제1 및 제2 상호접속부(38, 40)를 포함한다. 하부 기판의 제1 및 제2 전극(44, 46)은 탑 시트(50)의 제1 및 제2 전극(64, 66)에 직교하는 쪽에 위치한다.
도 3은 도 2의 상부 시트(50)를 포함하는 4선 터치 스크린(100)의 간략한 개 략도를 도시한 것이다. 터치 스크린(100)의 구성요소는 탑 시트(50), 케이블(54), 기판(32), 전극 구동 스위치(104) 및 터치 다운 검출 회로(106)를 포함한다. 전극 구동 스위치(104)는 수직 측정을 위한 탑 시트(50) 또는 수평 측정을 위한 기판(32)에 참조 전압을 접속시키기 위해 사용되는 관련 저항 RT1 내지 RT4를 갖는 구동 트랜지스터 TD1 내지 TD4를 포함한다. 구동 트랜지스터(104)로부터, 전류는 관련된 케이블 저항 RC1 내지 RC4를 갖는 케이블(54)의 4부분을 통해 흐른다. 예를 들어, 탑 시트의 경우, 전류는 케이블(54)로부터 관련 저항 RI1을 갖는 제1 상호접속부(58)로 흐른 다음, 관련 저항 RE1을 갖는 제1 전극(64)으로 흐른다. 전류는 그 다음, RSV의 저항을 갖는 저항성 표면(52)을 통해 관련 저항 RE2를 갖는 제2 전극(66)으로 흐른다. 그 다음, 전류는 관련 저항 RI2를 갖는 상호접속부(60)를 통해 다시 케이블로 흐른다.
기판(32)은 제3 및 제4 전극이 탑 시트에 대해 직교하는 기판의 대향 에지 상에 위치한다는 점을 제외하면, 도 2에 도시된 탑 시트(50)처럼 구성된다. 기판의 경우에, 전류는 케이블(54)로부터 관련 저항 RI3을 갖는 제3 상호접속부(38)로 흐른 다음, 관련 저항 RE3을 갖는 제3 전극(44)으로 흐른다. 그 다음, 전류는 RSH의 저항을 갖는 기판의 저항성 표면을 통해 흐른 다음, 저항 RE4를 갖는 제4 전극(46)을 통해 흐른다. 그 다음, 전류는 저항 RI4를 갖는 제4 상호접속부(60)를 통해 다 시 케이블(54)로 흐른다. 탑 시트(50) 및 기판(32)은 분포된 시트간 용량(140) CIS를 설정한다.
도 4는 여러 저항이 전압 경도에 어떻게 영향을 미쳐서 이상적인 분포로부터 벗어나게 할 수 있는지 설명하기 위해 사용될 수 있다. 저항성 표면(52) 상의 이상적인 전압 분포에 있어서, VREF가 시트의 상부에서 제1 전극(64)에 인가되고, VGND가 시트의 하부에서 제2 전극(66)에 인가될 때, 2개의 전압은 감쇠없이 각 전극의 모든 부분에, 예를 들어 전극(64)의 단부(76)에서 단부(78)까지, 그리고 전극(66)의 단부(86)에서 단부(88)까지 도달한다. 이러한 상황에서, 균일한 수직 전압 경도는 저항성 표면(52)의 저항 RSV 양단에 설정된다. 이상적으로, 저항성 표면(52) 양단의 전압 분포는 센서 상의 위치에 선형적으로 대응하고, 전체의 인가된 전압 강하는 시트 저항기의 표면 전반에 걸쳐 발생할 것이다. 그러나, 트랜지스터, 케이블 및 상호접속부의 유한 저항으로 인해, 그러한 이상적인 전압 분포는 발생하지 않는다. 이들 유한 저항은 시트 저항기 양단의 전압 강하가 트랜지스터에 인가된 VREF보다 적어지게 한다. 이상적인 전압 경도로부터의 다양한 편차는 오차라고 칭해지고, 이들 오차는 터치 위치가 정밀하지 않게 또는 부정확하게 검출되게 할 수 있다. 이상적인 전압 경도로부터의 편차는 상세하게 후술되는 여러 요인에 의해 야기될 수 있다. 더 높은 시트 저항의 저항층을 사용하면 이들 효과를 감소시킬 수 있다.
그 밖의 부품의 저항을 고려하면, 각 전극(64 및 66)의 제1 단부(76 및 86) 에서, 전압은 트랜지스터, 케이블 및 상호접속부의 저항으로 인해 감소된다. 결과적으로, 제1 전극(64)의 제1 단부(76)에서의 전압 V1 및 제2 전극(66)의 제1 단부(86)에서의 전압 V2는 다음과 같이 계산될 수 있다:
V1 = VREF - VT - VC - VI
V2 = VGND + VT + VC + VI
여기에서, VREF = 참조 전압;
VGDN = 접지 전압;
VT = 트랜지스터에서의 전압 강하;
VC = 케이블에서의 전압 강하; 및
VI = 상호접속부에서의 전압 강하.
이상적인 상황에서, 포인트 1과 포인트 2(도 4 참조) 사이의 전압 차는 다음과 같다:
(V1 - V2)ideal = VREF - VGND.
트랜지스터, 케이블 및 상호접속부의 저항이 고려될 때, 포인트 1과 포인트 2 사이의 전압 차는 다음과 같다:
(V1 - V2)real = VREF - VGND - 2VT - 2VC - 2VI.
트랜지스터, 케이블 및 상호접속부의 저항은 제1 전극과 제2 전극 사이의 전 압 차를 감소시킨다. 터치가 발생할 때 측정될 수 있는 전압의 범위는 제한되므로, 시스템의 해상도는 감소된다. 저항성 표면 상의 이러한 전압 범위의 압축은 흔히 시스템의 동적 범위의 감소라 칭해진다. 전압 측정에 있어서의 임의의 잡음은 또한 더 큰 영향을 미칠 것이고; 신호 대 잡음비는 전압 범위가 감소될 때 더 커질 것이다.
발생하는 감소된 전압 범위는 터치 위치 검출시에 부정확성을 초래할 수 있다. 예를 들어, 5볼트 인가된 VREF가 4볼트 경도로 감소되면, 교정이 없으면, (4볼트 신호를 생성하는) 에지 근처의 터치는 실제보다 중심에 가깝게 발생한 것처럼 해석될 것이다.
본 분야에 공지되어 있는 2, 4 또는 5 포인트 교정 동작과 같은 교정 동작의 실행은 이들 오차를 보상할 수 있다. 그러나, 교정 동작 능력의 추가는 터치 스크린 시스템의 복잡도 및 비용을 증가시킨다.
오차는 또한 트랜지스터, 케이블, 상호접속부 및 저항성 시트의 저항에 대한 변화로 인해 장치의 수명 동안에 증가될 수 있다. 이들 부품의 저항은 시간, 온도 및 습도에 따라 변할 수 있다. 부품의 저항이 불균일하게 변화하면, 전압 경도는 저항의 변화에 비례하여 불균일하게 된다. 이들 변화는 원격-참조된 아날로그-디지털 변환기 및 저(low)저항 구동 트랜지스터의 추가에 의해 보상될 수 있지만, 이것은 터치 스크린 시스템에 복잡도 및 비용을 추가시킨다.
케이블 및 상호접속부로 인한 전압 범위의 감소 이외에, 각 전극의 저항 RE 에 의해 야기된 제1 전극 및 제2 전극 양단의 전압 감소가 있다. 다시 도 4를 참조하면, 제1 전극(64)의 제2 단부(78)에서의 전압 V3 및 제2 전극(66)의 제2 단부(88)에서의 전압 V4는 다음과 같이 계산될 수 있다:
V3 = VREF - VT - VC - VI - VE
V4 = VGND + VT + VC + VI + VE
여기에서, VE = 전극에서의 전압 강하.
제1 및 제2 전극의 길이 양단의 전압 강하는 저항성 표면(52)이 불균일한 전압 경도를 전달하게 하여, 흔히 사다리꼴 또는 키스톤(keystone) 비선형 오차라고 칭해지는 오차를 초래한다. 결과적으로, 상부 시트에 대한 터치는 잘못된 위치에서 일어나는 것으로 계산될 수 있다. 이와 유사한 키스톤 오차는 기판 상에서 발생한다. 2개의 전극의 제1과 제2 단부 사이의 전압 차는 센서 상에서 이루어지는 측정의 동적 범위를 감소시키므로, 여기에서 더욱 상세하게 설명될 수 있는 바와 같이, 터치 패널의 신호 대 잡음비 및 정확도는 감소된다.
터치 스크린 상에서의 4 또는 5 포인트 교정의 실행은 키스톤 오차의 영향을 보상할 수 있다. 그러나, 추가 교정 시스템은 터치 스크린 시스템에 비용을 추가시키고, 사용의 용이성을 감소시킨다. 시간, 온도, 습도 또는 다른 요인은 시트 저항 또는 상호접속부 저항의 변화를 야기시킬 수 있는데, 이것은 이들 부품의 저항 변화에 비례하는 오차를 초래할 것이다. 이렇게 얻어진 신호 감소는 또한 더 낮은 동적 범위 및 감소된 신호 대 잡음비를 초래할 것이다.
터치 센서 장치의 크기를 최소화하는 압력은 전극 및 상호접속부의 저항에 의해 야기된 오차의 중요성을 증가시킬 수 있을 것이다. 저항성 터치 스크린에서, 상호접속부, 전극 및/또는 선형화 패턴은 테두리 영역이라 칭해지는 것을 차지한다. 터치 센서가 LCD와 같은 전자 표시장치와 관련하여 사용될 때, 터치 센서의 테두리 영역은 바람직하게 LCD의 테두리 영역에 대응한다. 테두리 영역의 최소화는 더욱 콤팩트한 표시 장치를 제공하는데 바람직하다. LCD의 앞면 영역에 비해 테두리 영역을 최소화하는 것에 관한 노력이 계속되고 있다. 터치 패널의 테두리 영역은 대부분의 애플리케이션에서 바람직하게 표시장치의 테두리 영역을 초과하지 않으므로, 터치 패널의 테두리 영역은 또한 최소화하는데 중요하다. 테두리 영역 내의 전극 및 상호접속부의 폭은 테두리 영역의 크기에 기여하는 주요 요인이므로, 좁은 전극 및 상호접속부가 바람직하다. 그러나, 전극 및 상호접속부를 더 좁게 만들면 이들 부품에서 더 높은 저항을 야기할 수 있어서, 터치 패널에서 더 큰 오차를 초래할 수 있다.
키스톤 오차의 영향은 전극의 저항에 비해 저항성 표면의 저항을 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 또한, 트랜지스터, 케이블 및 상호접속부의 저항에 의해 야기된 오차의 효과는 트랜지스터, 케이블 및 상호접속부의 저항에 비해 저항성 표면의 저항을 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 시트 저항의 증가는 트랜지스터, 전극 및 케이블 저항을 시트 저항에 비해 작게 하는 데에 효과적인 방식이므로, 효과적으로 모든 전압 강하가 시트 표면 상에서 발생하여, 오차를 감소시킬 것이다. 저 항성 표면의 저항을 증가시키는 한가지 방식은 전형적으로 사용된 TCO들 중의 하나 대신에 도전성 폴리머를 사용하는 것이다. 도전성 폴리머는 TCO에 비실용적인 시트 저항에서 오래 견딜 수 있다.
여기에서 사용된 바와 같이, "도전성 폴리머"는 전기적으로 도전성이 있는 폴리머를 나타낸다. 도전성 폴리머의 몇가지 예로는 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리페닐렌 비닐렌, 폴리페닐렌 황화물, 폴리 p-페닐렌, 폴리헤테로사이클 바닐렌, 및 전체적으로 여기에서 참조로 사용되는 유럽 특허 공개 EP-1-172-831-A2에 개시된 재료가 있다. 양호한 대체 폴리티오펜은 여기에서 참조로 사용되는 미합중국 특허 제5,766,515호 및 EP-A 686,662호에 개시된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)이다. 양호하게, 여기에서 설명된 터치 스크린에서 사용된 도전성 폴리머는 본질적으로 도전성이 있는데, 이것은 도전성 폴리머가 일반적으로 도펀트의 추가를 필요로 하지만, 이들은 탄소와 같은 도전성 재료의 추가없이 도전성이 있다는 것을 의미한다.
터치 스크린 내의 저항성 표면을 위한 도전성 폴리머의 사용은 물리적 연속성, 불균일성 또는 내구성을 손상시키지 않고 저항성 표면의 저항을 증가시킬 수 있다는 능력 이외에도 많은 장점을 갖는다. 예를 들어, PEDOT는 상당히 중립적이고, 환경적으로 안정되어 있다. PEDOT는 신속하고 용이하게 코팅되거나 패터닝될 수 있다. 또한, PEDOT는 유기 기판에 양호한 접착력을 갖고 있고, 금속 산화물보다 보호적인 코팅을 한다. PEDOT는 금속 산화물보다 훨씬 더 낮은 굴절률을 갖고 있어서, 더 낮은 표면 반사 및 더 높은 광 투과를 초래한다. PEDOT의 흡수는 사용 시 터치 스크린에 엷은 청색을 부여하는데, 이것은 ITO에 의해 부여된 엷은 황색보다 더 바람직하다. 터치 스크린 내에 도전성 폴리머를 사용하는 이들 및 다른 장점은 여기에서 더욱 설명될 것이다.
양호하게, 저항 소자는 대체로 투명하고, 즉 내부 투과율이 최소한 약 50% 투명하고, 더욱 양호하게는 최소한 약 85% 투명하며, 더욱 양호하게는 최소한 약 90% 투명하고, 훨씬 더 양호하게는 최소한 약 95% 투명하다. 이 명세서에서, 투명도는 반사된 강도를 빼고, 즉 모든 계면 반사를 무시하고, 물질을 통해 투과된 방사선 강도를 초기 강도로 나눔으로써 계산될 수 있는 내부 투과율과 관련하여 설명된다.
환경적 노화의 영향은 또한 높은 시트 저항에서 시작함으로써 감소된다. 도전성 폴리머 장치의 노화는 일반적으로 시트 저항의 증가를 가져온다. (트랜지스터, 케이블 및 상호접속 저항과 같은) 다른 시스템 저항의 동반 증가 없는 시트 저항의 증가는 투명 도체 양단에서 발생하는 전압 강하의 퍼센트 변화를 초래하므로, 검출 오차를 야기할 수 있다. 그러나, 시트 저항이 터치 장치의 수명 사이클의 처음부터 높으면, 효과적으로 모든 전압 강하는 투명 도체 상에서 발생할 것이고, 환경적으로 유발된 시트 저항 증가는 단지 이 퍼센트만을 증가시킬 수 있으므로, 중요한 오차를 야기하지 않을 것이다. 센서 정확도에 미치는 증가하는 시트 저항의 효과는 5선 터치 스크린에 대한 결과를 기록한 도 5에 도시된 그래프로 표시된 바와 같이, 시작 시트 저항의 직접 함수이다. 일반적으로, 센서의 시트 저항이 (예를 들어, 시간, 온도, 습도 등과 같은 노화 영향으로 인해) 변화할 때, 센서 정확 도의 손실이 있을 수 있고, 이러한 정확도 손실은 더 높은 시트 저항에서 시작할 때 및 시트 저항의 동일한 퍼센트 변화에 대해 비교할 때 감소된다.
터치 센서 내에서 도전성 폴리머 또는 다른 높은 시트 저항 재료의 사용을 TCO의 사용과 비교하기 위해, ITO를 사용하는 전형적인 터치 센서에서의 오차를 정량화하는 것이 유익하다. 터치 센서 내의 상호접속부 및 전극은 전형적으로 탑 시트(50) 상으로 프린트된 도전성 잉크로 이루어진다. 도전성 잉크의 길이, 폭, 두께, 및 벌크 저항률은 상호접속부 및 전극의 저항을 결정한다. 터치 센서 형성시에 사용된 전형적인 잉크는 상표명 CE3109 하에 Emerson Cummings에 의해 판매되고, 0.03 ohms/square/mil의 전형적인 벌크 저항률을 갖는 잉크이다. 프린트된 잉크의 저항은 약 0.03 ohms/square 내지 0.05 ohms/square이다. 여기에 보고된 계산치는 약 0.04 ohms/square의 전형적인 값에 기초하고 있다. 터치 패널의 활성 영역 또는 저항성 표면(52)의 크기는 상호접속부 및 전극의 길이를 결정한다.
10.4인치 대각 측정치(9 인치 바이(by) 7인치 외부 크기)를 갖는 터치 센서의 부품에 대한 전형적인 저항은 아래의 표 1에 요약된다. 이들 값의 기초가 되는 가정에 대해 이제 설명하겠다.
RT 트랜지스터 저항 7.0 Ω
RC 케이블 저항 4.8 Ω
RI 상호접속부 저항 1.7 Ω
RE 전극 저항 2.3 Ω
RSH 시트 저항, 단측 300 Ω
RSV 시트 저항, 장측 530 Ω
RCon 접촉 저항 220 Ω/500 Ω(핑거/스타일러스)
그러한 터치 스크린에서, 장측 전극은 약 8.7 인치 바이 0.19 인치로 되어, 약 2.3 ohm의 단부 대 단부의 저항을 초래할 것이다. 저항성 표면으로서 ITO를 사용하는 종래의 저항성 터치 스크린의 경우, 짧은 크기에서의 터치 스크린의 전극간 저항은 약 300 ohms, 또는 400 ohms/square 시트 저항 곱하기 3/4 스크린 애스펙트 비이므로, 2개의 전극에 대해 각각 0.77%인 단부에서 단부까지의 전압 손실을 초래한다. 이것은 이러한 유형의 구성에 대한 키스톤 오차이다. 6000 ohm/square에서의 도전 폴리머로 만들어진 터치 스크린의 경우에, 이 오차는 약 0.10%로 감소될 수 있다.
10.4 인치의 대각선을 갖는 9인치 바이 7인치의 터치 스크린의 경우, 도 2에 도시된 상호접속부(58, 60)는 각각 3.2 인치가 되어, 약 0.17 ohms의 단부 대 단부 저항을 초래할 것이다. 길이 방향으로 약 300 ohms의 전극간 저항을 갖는 전형적인 종래의 ITO 터치 스크린의 경우에, 2개의 상호접속부 각각의 양단의 전압 손실은 약 1.14%의 총 신호 감소에 대해 약 0.57%인 반면, 6000 ohms/square를 갖는 본 발명의 터치 스크린은 상호접속부로 인해 0.08% 오차만을 가질 수 있다. 2, 4 또는 5 포인트 교정은 이 오차의 초기 영향을 보상할 수 있다.
케이블 길이는 약 1 인치에서부터 8 인치 이상으로 변화한다. 흔히, 구리 가요성 프린트 케이블이 사용되므로, 저항은 무시할 만큼 낮다. 프린트된 케이블 도체는 훨씬 저렴하고, 사용될 수도 있다. 터치 스크린이 6 인치 바이 0.050 인치의 프린트된 도체를 사용하면, 단부 대 단부 저항은 약 4.8 ohm이다. 약 300 ohms의 긴 크기의 전극간 저항을 갖는 전형적인 ITO 저항성 터치 스크린으로, 케이블 도체들 각각의 양단의 전압 손실은 3.2%의 총 신호 감소에 대해 약 1.6%이다. 다시, 이 오차의 초기 영향은 2, 4 또는 5개의 포인트 교정을 실행함으로써 보상될 수 있다.
구동 트랜지스터는 전형적으로 MOSFET 구동 트랜지스터이고, 각각 주목할 만한 저항을 갖는다. 또한, 이들 트랜지스터의 저항은 시간에 따라 상당히 변화한다. 예를 들어, Burr Brown TSC 2003은 시판중인 터치 스크린 제어기이다. 그것의 네가티브 구동 트랜지스터는 네가티브 상태에서 7 ohms의 저항을 갖는데, 60℃의 범위에 걸쳐 18% 변한다. 그러한 제어기가 약 300 ohm의 긴 크기의 전극간 저항을 갖는 전형적인 종래의 ITO 터치 스크린과 함께 사용되면, 2개의 구동 트랜지스터 각각의 양단의 전압 손실은 4.6%의 총 신호 감소에 대해 2.3%인데, 60℃ 온도 증가에 따라 5.5%로 증가한다. 2, 4 또는 5 포인트 교정의 실행은 이러한 오차의 초기 영향을 보상할 수 있으므로, 동적 범위의 손실(신호 대 잡음비의 손실) 및 온도 영향만이 오차에 기여한다.
아래의 표 2는 400 ohms/square의 낮은 저항의 저항성 시트의 사용에 비교한 약 6000 ohms/square의 더 높은 시트 저항을 갖는 저항성 시트의 사용 효과를 요약한 것이다. 총 동적 범위 감소는 400 ohms/square에서의 10.5%에서 0.72%로 감소된다.
400 ohms/sq. 6000 ohms/sq.
전극 저항 오차 1.52% 0.10%
센서 상호접속 오차 1.14% 0.08%
케이블 저항 오차 3.2% 0.22%
트랜지스터 저항 오차 4.6% 0.32%
총 동적 범위 감소 10.5% 0.72%
(60℃ 온도변화에 따른) 트랜지스터 온도 의존 효과 0.41% 0.04%
이들 오차의 감소로 인해, 더 높은 시트 저항은 또한 고가의 제어기 전자부품에 대한 요구를 감소시킬 수 있다. (Burr Brown TSC 2003과 같은) 원격-참조 A/D 변환기를 갖는 더 비싼 제어기는 일반적으로 초기 전압 손실 및 온도 효과의 영향을 보상하기 위해 사용된다. 그러나, 더 높은 시트 저항으로, 예를 들어 전형적인 MOSFET 구동 트랜지스터를 갖는 더 싼 제어기가 사용될 수 있다. 표 3은 증가된 시트 저항의 신호 대 잡음비 및 정확도 이점을 나타낸 것이다. 더 높은 시트 저항에서는, 본질적으로 고가의 제어기 전자부품의 사용에 이점이 없다. 오차 대 온도 수들은 60℃의 온도 범위에 걸친 변화들을 나타낸다.
400 및 6000 ohms/square의 4선 터치 패널의 전위 오차 소스
400 Ω/square 6000 Ω/square
제어기 비용 저비용 고비용 저비용 고비용
전극 R 오차: 초기/온도 0.76%/0.07% 0.76%/0.07% 0.05%/0.003% 0.05%/0.003%
구동 트랜지스터, 오차 대 온도 0.41% 0.0% 0.03% 0.0
총 신호 감소 10.5% 10.5% 0.72% 0.72%
감소된 전력 소모는 높은 시트 저항의 또 다른 장점이다. 터치하지 않는 시간 동안에, 센서의 전력 손실은 무시할 만큼 작다. 그러나, 터치 센서가 작동되는 동안에, 전압 경도가 저항성 시트 양단에 발생될 때, 센서 내에서 손실된 전력은 약 V2/R인데, R은 상술된 시트 저항과 접촉 저항의 결합이고, V는 참조 전압이다. 경도는 원하는 좌표 속도 및 잡음 내성에 따라 변하는 충격 계수(duty cycle)가 적용된다. 80% 충격 계수는 터치 동안에 있어서 많은 제어기에서 전형적이다. 80% 충격 계수 및 VRef=3V를 가정하면, 표 4에 나타낸 센서 전력 손실은 표시된 센서 저항값으로부터 비롯된 것이다.
센서 저항 R 센서 전력 손실(mWatts)
400Ω(전형적인 현재의 3M 4선) 18
5K 1.44
10K 0.72
20K 0.36
오차 감소 관점에서, 시트 저항이 높을 수록, 터치 검출이 더욱 정확해질 것이다. 또한, 저비용의 전자부품이 사용될 수 있고, 교정 단계들 및 교정의 저장에 대한 요구는 감소될 수 있다. 그러나, 거기에는 크기, 애플리케이션, 및 다른 실제 고려사항에 기초하여 각 터치 스크린에 대한 시트 저항의 상한이 존재한다. 시트 저항의 상한은 최소한 부분적으로 장치의 RC 시상수에 의해 결정되는데, 이 RC 시상수는 시트 저항 및 시트간 용량에 따라 증가한다.
터치 스크린의 샘플링 속도는 빠른 일련의 터치들이 검출되는 방법, 또는 장치가 다른 측정을 하기 전에 경과해야 하는 시간을 결정한다. 핑거 포인트 및 터치 애플리케이션을 위해 사용된 터치 스크린의 경우, 초 당 30 좌표만큼 낮은 속도가 적절할 수 있지만, (서명 캡처와 같은) 육필 애플리케이션의 경우에, 초 당 100 또는 200 좌표만큼 높은 샘플링 속도를 갖는 것이 바람직하다.
아날로그 데이터 속도 제한은 4선 터치 센서의 상이한 저항 값에 대해 계산될 수 있고, 그 결과는 샘플링 속도에 미치는 증가된 시트 저항의 효과를 추정하기 위해 사용될 수 있다. 이들 값을 계산할 때, 아날로그 고정 및 A/D 측정은 시간 좌표 속도 내에 포함될 수 있다. 마이크로프로세서 또는 통신 제한은 초 당 300 포인트에 달하거나 300 포인트를 초과하는 이론상 좌표 속도가 더 빠른 마이크로프로세서 또는 통신선을 사용하지 않고는 어떤 추가 이점도 생길 것 같지 않게 하도록, 최대 도달가능 좌표 속도에 상한을 둘 수 있다.
계산을 위해, 측정 이전에 고정 시간으로 5τ가 허용되는 것으로 가정될 수 있는 반면에, 터치다운 확인 이전에 고정 시간으로 1/2τ가 가정될 수 있다. X 및 Y의 각 측정을 위해 0.5 밀리초가 허용되는데, 터치다운 확인 측정을 위한 0.05 밀리초를 플러스하면, 총 1.05 밀리초가 허용된다. 이때, 총 측정 시간은 다음을 포함한다:
Xt=0.5mSec.+5*R*CIS;
Yt=0.5mSec.+5*R*CIS;
TD=0.05mSec+0.5*(RTD+R)*(CIS+4*Cf), Cf=필터 캐패시터; 및
RTD=10KΩ 또는 2*R, 둘 중의 큰 쪽, (터치다운 전압 분배기가 터치다운 비교기를 활성화할 전압에 도달하는 것을 보장하기 위함).
이 때 좌표 속도는 1/(Xt+Yt+TD)에 의해 주어진다.
12 내지 15 미크론의 에어 갭을 갖는 12 내지 15 대각 인치 저항성 센서의 경우에, CIS는 약 50 nF이다. 유사한 에어 갭을 갖는 4 내지 5 대각 인치 저항성 센서의 경우에 CIS는 약 6 nF이다. R은 터치 구현의 애플리케이션으로부터 접촉 저항뿐만 아니라 시트 저항을 포함할 수 있다. 저항성 터치 스크린 상에 스타일러스로부터 인가된 터치에 대한 전형적인 접촉 저항은 약 500 ohms이다.
도 6에 도시된 결과는 주어진 크기의 터치 스크린에 대해, 최대 좌표 샘플링 속도가 저항층의 시트 저항의 증가에 따라 감소한다는 일반 명제를 증명한다. 최대 좌표 샘플링 속도는 또한 동일한 시트 저항에서 더 큰 크기의 센서에 대해 감소한다. 그러므로, 여러가지 크기를 갖는 터치 센서에서 사용하기 위한 저항층 설계시에, 원하는 최대 샘플링 속도와 함께 관심있는 가장 큰 센서의 크기는 저항층의 최대 시트 저항을 정확히 나타내거나 또는 적어도 거기에 근사시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 21까지의 대각 인치의 센서 및 초 당 최소한 약 30 좌표의 샘플링 속도의 경우에, 최대 시트 저항은 약 15,000 ohms/square일 수 있다. 관심있는 가장 큰 센서 크기가 감소함에 따라, 더 높은 시트 저항이 수용될 수 있지만, 동일한 샘플링 속도를 달성한다. 원하는 샘플링 속도가 증가함에 따라, 최대 시트 저항은 동일한 크기의 센서에 대해 감소한다.
TCO뿐만 아니라 도전성 폴리머는 일반적으로 낮은 시트 저항을 제공할 만큼 충분히 두껍게 코팅된 때 주목할 만한 두드러진 흡수를 갖는다. 터치 스크린의 경우에, 양호한 투명도를 제공하는 시트 저항에서 도전성 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 저항층에 대한 최대의 원하는 내부 투과율은 최소 시트 저항을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이와 함께, 샘플링 속도를 결정하는 RC 상수 및 광 투과율은 터치 스크린에서 사용하기 위한 시트 저항의 최적 범위를 정하기 위해 사용될 수 있다. 도전성 폴리머를 위한 기판을 코팅할 때, 양호한 광 투명도를 제공하는 시트 저항을 코팅하는 것이 바람직하고, 또한 센서에 바람직한 샘플링 속도를 제공하기 위해 실제 저항을 갖는 임의의 터치 스크린에서 사용될 수 있다.
도 7은 유리 상에 PEDOT를 코팅함으로써 만들어진 저항막의 퍼센트 투과율에 대한 데이터를 도시한 것이다. 이 데이터로부터, 1000 ohms/square보다 큰 시트 저항은 약 85%보다 큰 내부 투과율을 나타내는 광 투과율 관점에서 바람직할 수 있다는 것을 알 수 있다. 도 6과 7을 함께 보면, 약 15,000 ohms/square까지 및 최소한 약 1000 ohms/square의 시트 저항은 부품 저항으로 인해 양호한 광 투과율, 낮은 전력 소모 및 보다 적은 에러와 같은 많은 장점을 제공하면서도, 약 21 대각 인치까지의 센서에 대해 초 당 300 좌표보다 큰 샘플링 속도를 허용할 수 있다는 것이 결정될 수 있다.
광 투과율 및 샘플링 속도에 관한 이러한 정보가 주어지면, 시트 저항의 바람직한 범위가 식별되어, 하나의 특정 애플리케이션 또는 일련의 애플리케이션들을 위한 터치 스크린을 만들기 위한 도전성 폴리머 재료 및 코팅 두께를 선택할 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 최소의 원하는 샘플링 속도 및 최대 스크린 크기를 선택함으로써, RC 상수가 결정되어, 최대 시트 저항을 식별할 수 있다. 최소 시트 저항은 최소한 부분적으로 저항 재료의 원하는 내부 투과율에 의해 결정되는데, 또한 더 높은 시트 저항은 오차 및 전력 소모를 감소시킬 수 있다는 것을 유의한다. 결정된 최소 및 최대 시트 저항은 적절한 도전성 폴리머 재료 및 코팅 두께를 선택함으로써 충족될 수 있는 최적 범위를 정한다. 이러한 동일한 도전성 폴리머 재료 및 코팅 두께는 결정된 최대 스크린 크기보다 크지 않으면서 여전히 샘플링 속도의 기본적 기준 등을 만족시키는 임의의 터치 스크린에 사용될 수 있다. 이와 같이, 최적 범위의 시트 저항을 갖는 저항층이 있는 터치 센서는 원하는 최소 샘플링 속도를 선택하고, 터치 센서 애플리케이션(들)을 위한 터치 센서 유형 및 최대 크기를 선택하며, 선택된 샘플링 속도, 터치 센서 유형 및 크기가 주어지면 RC 상수를 결정하고, RC 상수로부터 최대 시트 저항을 계산하며, 최대 시트 저항을 초과하지 않고 원하는 광학 특성을 제공하는 조건 하에서 그러한 두께로 폴리머 재료를 원하는 기판 상에 코팅함으로써 만들어질 수 있다.
도전성 폴리머를 갖는 저항 장치는 미합중국 특허 제6,469,267호에 개시되어 있다. 거기에 설명된 예들은 탑시트가 도전성 폴리머를 포함하고, 하부 기판이 종래의 TCO를 포함하는 5선 구성만을 포함한다. 이 구성을 사용하면, 전압은 (양호하게 1.0V 미만으로) 감소되었고, 장치는 사용가능한 장치를 얻기 위해 하부 기판 상의 TCO에 관련하여 음극에서 탑시트로 동작되었다. 이와 같이, 표준 산업 제어기 전자부품은 사용될 수 없고, 전압 감소로 인해 장치의 신호 대 잡음비를 모두 감소시키면서 맞춤화된, 아마도 더 비싼 제어기를 필요로 할 수 있다.
4선 및 5선 저항성 터치 스크린은 본 발명가에 의해 만들어졌으며, 탑시트 신호 전달 저항층 및 하부 기판 신호 전달 저항층으로서 도전성 폴리머를 사용하도록 구성되었다. 결과적으로 얻어진 장치는 표준 제어기로 3 내지 5V에서 실행되는 동안 100,000 탭을 넘는 내구성을 나타냈다.
예
비교예 1. 5선 저항성 터치 장치는 상부 저항층으로서의 도전 폴리머 막, 및 하부 저항층으로서 표준 5선 저항성 터치 스크린에 있는 것과 같은 종래의 ITO 층을 사용하여 만들어졌다. 이 예는 ITO 및 CP가 표준 동작 조건에서 함께 사용될 때의 초기 장애를 증명한다.
5선 센서는 5선 장치의 표준 ITO 탑시트를 도전 폴리머 막으로 대체함으로써 제조되었다. 사용된 막은 EL1500(Agfa-Gevaert에서 시판중인, PET 상의 PEDOT)였다. EL1500의 시트 저항은 대략 1500 ohms/square였다. 기판은 약 400 ohms/square 시트 저항을 갖는 표준 ITO 유리였다. 센서 크기는 4.5 인치 바이 6 인치였다.
센서는 3M Touch System,Inc.로부터 시판중인 표준 MicroTouch 510 제어기로 터치를 정확하게 검출하는 것으로 밝혀졌으며, 이 제어기는 5V에서 동작한다. 시뮬레이트된 핑거 탭 테스트는 센서 상에서 실행되었으며, 테스터는 센서 표면 상에 수직으로 장착되고 공기 작용에 의해 탭되는 실리콘 프로브로 이루어져 있다. 사용된 장비는 45 듀로미터(durometer) 경도(ASTM 스펙 #1578)의 실리콘 프로브를 갖는 Data Switch Model 2100 Life Tester를 포함했다. 프로브는 센서 표면 상에 0.055 인치 장착되었다. 테스트는 태퍼(tapper)를 작동시키는 10 psi의 기압에서 시작되었는데, 이것은 62 g의 태퍼 상에 힘을 가하기 위해 결정된 것이다. x-y 좌표가 설정되어 컴퓨터 모니터 상에서 관측되었다. 고장은 1% 이상의 좌표 편차에 의해 또는 터치 기록 실패에 의해 결정되었다. 상이한 지점에서 3번 테스트된 센서는 1289,952, 및 1183 탭 후에 고장났다.
예 2. 5선 장치는 2개의 도전층으로서 도전 폴리머를 사용하여 만들어졌다. 이 예는 2개의 도전층으로서 도전 폴리머를 사용하여 얻은 내구성의 향상을 증명한다.
비교예 1에서 설명된 실험은 5선 장치가 기판 및 상부 도전층으로서 EL1500을 사용하여 제조된 점을 제외하고, 반복되었다. 전극, 상호접속부 및 패턴은 상표명 5089 하에 DuPont에서 시판중인 실버 잉크를 사용하여 EL1500 상으로 스크린 프린트되었다. 실버 잉크는 130℃에서 6분동안 경화되었다. 센서는 선형이었고, 3M Touch System,Inc. SMT3 제어기로 동작되었을 때 정확했다. 구성된 7개의 5선 센서들 각각은 3곳에서 탭 테스트되었다. 센서의 수명은 128,000 탭에서 766,000 탭까지의 범위였다.
예 3. 4선 장치는 2개의 도전층으로서 도전 폴리머를 사용하여 만들어졌다. 이 예는 도전 폴리머로 만들어진 선형 4선 센서를 증명한다.
3인치 바이 3인치 4선 터치 센서는 DuPont 5089 실버 잉크를 EL1500 상으로 프린트하고 예 2에서 설명된 바와 같이 경화함으로써 제조되었다. 장치는, 마주보고 있지만, 스페이서로서 작용하는 경계 주위에 위치한 양면 테이프의 0.003인치 두께 프레임에 의해 분리되어 있는 도전성 면들로 조립되었다. Chromerics로부터 이용가능한 도전성 테이프의 작은 부분이 4개의 실버 전극 각에 부착되었고, 와이어는 이 테이프를 사용하여 각 전극 상으로 땜납되어, 3M Touch Systems,Inc. SC4 제어기에 접속되었다. 센서가 잘 작용하여, 터치 위치를 정확하게 검출하였으며, 선형 라인이 그려졌다.
스타일러스 마찰 내구성 테스트는 이 예 3에 따라 구성된 몇몇 센서 상에서 행해졌다. 250 g을 가하는 무게로 된 0.8 mm 반경 PDA형 스타일러스는 54 cycles/minute로 선형 0.75 인치 전후 주기로 마찰되었다. 센서에 의해 검출된 라인은 640 바이 480 픽셀 해상도로 컴퓨터 모니터 상에서 관측되었으며, 고장은 라인의 절단에 의해 또는 선형으로부터의 7 픽셀 편차에 의해 결정되었다. 그렇게 제조되어 테스트된 EL1500 4선 센서는 고장 전에 평균 27,000 스트로크를 제공하는 것으로 밝혀졌다.
예 4. PEDOT의 콘트라스트 비는 ITO의 콘트라스트 비와 비교되었다. 이 예는 ITO와 비교한 도전 폴리머의 광학적 장점을 증명한다.
일련의 시트 저항을 갖는 도전 폴리머 막은 Agfa-Gavaert Corp.로부터 얻어졌다. 막의 색상 변이와 함께, 총 반사율에 의해 나누어진 총 투과율로 정의된 콘트라스트는 표준 ITO와 비교되었다. 훨씬 더 낮은 반사율을 가진 PEDOT 재료는 ITO보다 훨씬 더 높은 콘트라스트 비를 제공했다. 또한, PEDOT는 ITO에 의해 제공된 황색 변이보다 디스플레이에 훨씬 더 양호한 청색 변이를 제공했다.
예 5. 8선 터치 스크린은 도전 폴리머를 사용하여 만들어졌다. 이 예는 도전 폴리머로 만들어진 선형 8선 센서를 증명한다.
센서는 8선 설계가 4선 패턴 대신에 실버 잉크로 프린트된 점을 제외하고, 예 3에서와 같이 EL1500 막으로부터 제조되었다. 이 8선 설계는 각각의 Ag 전극으로의 추가 접속을 포함한다. 장치는 4선 및 8선 센서를 동작시킬 수 있는 테스팅 프로그램 및 3M MicroTouch SC4 제어기로 동작되었다. 센서의 중심을 통해 그려진 직선이 이와 같이 검출되어, 센서가 선형이라는 것을 보여주었다. 센서는 10일동안 60℃ 및 90% 상대 습도에서 노화되었으며, 그 후에도 여전히 선형이었다.
상기 명세, 예 및 데이터는 본 발명의 구성의 제조 및 사용에 관한 완전한 설명을 제공한다. 본 발명의 여러 실시예는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고서 행해질 수 있기 때문에, 본 발명은 아래에 첨부된 청구범위에 귀속된다.

Claims (18)

  1. 가시 광선을 투과시키는 저항성(resistive) 터치 스크린에 있어서,
    터치 입력의 영향 하에 하부 기판 쪽으로 이동가능한 탑 시트(top sheet)를 포함하는데, 상기 탑 시트는 하부 기판 상에 배치된 제2 도전성 폴리머(polymer) 층에 대면하는 제1 도전성 폴리머 층을 포함하고, 상기 터치 스크린은 로컬 접촉의 위치를 결정하기 위해 상기 제1 및 제2 도전성 폴리머 층들이 로컬 접촉을 할 때 발생된 신호들을 사용하는 제어기 전자부품에 전자 결합을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전성 폴리머 층은 스퀘어(square) 당 1000 ohms 또는 그보다 큰 시트 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전성 폴리머 층은 포괄적으로 스퀘어 당 1000 ohms 내지 스퀘어 당 15,000 ohms 범위의 시트 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 도전성 폴리머 층은 스퀘어 당 1000 ohms 또는 그보다 큰 시트 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 도전성 폴리머 층은 포괄적으로 스퀘어 당 1000 ohms 내지 스퀘어 당 15,000 ohms 범위의 시트 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  6. 제1항에 있어서, 상기 도전성 폴리머 층들은 초 당 최소한 30 좌표들의 데이터 샘플링 속도를 허용하는 크기들 및 시트 저항들을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  7. 제1항에 있어서, 상기 도전성 폴리머 층들은 초 당 최소한 100 좌표들의 데이터 샘플링 속도를 허용하는 크기들 및 시트 저항들을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  8. 제1항에 있어서, 함께 획득한 상기 도전성 폴리머 층들의 내부 투과율은 85% 또는 그보다 큰 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전성 폴리머는 상기 제2 도전성 폴리머 층에 대해 포지티브로 바이어스되는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  10. 제1항에 있어서, 상기 도전성 폴리머 층들의 하나 또는 둘의 양단에 3 내지 5 볼트를 인가하는 제어기 전자부품을 사용하여 동작하도록 구성되는 것을 특징으 로 하는 저항성 터치 스크린.
  11. 제1항에 있어서, 4선(4-wire) 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  12. 제1항에 있어서, 5선 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  13. 제1항에 있어서, 7선 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  14. 제1항에 있어서, 8선 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린.
  15. 저항성 터치 스크린 시스템에 있어서,
    터치 입력의 영향 하에 하부 기판 쪽으로 이동가능한 탑 시트 - 상기 탑 시트는 하부 기판 상에 배치된 제2 저항층에 대면하는 제1 저항층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 저항층들 중의 최소한 하나는 도전성 폴리머를 포함함-; 및
    상기 제1 및 제2 저항층들에 전자적으로 결합된 제어기 전자부품 - 상기 제어기 전자부품은 로컬 접촉의 위치를 결정하기 위해 상기 제1 및 제2 저항층들이 로컬 접촉을 할 때 발생된 신호들을 사용하도록 구성됨-
    을 포함하는데,
    상기 터치 스크린 시스템은 상기 제어기 전자부품이 약 3 내지 5 볼트에서 동작될 때 장치가 고장나기 전에 동일한 위치에서 100,000번 이상의 터치 입력을 허용하는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 저항층 둘다는 도전성 폴리머들을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 터치 스크린 시스템.
  17. 기판 상에 배치된 저항층을 포함하는 터치 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 터치 센서를 위한 원하는 최소 샘플링 속도를 선택하는 단계;
    상기 저항층을 위한 터치 센서 구성 및 크기들을 선택하는 단계;
    상기 선택된 크기들이 주어지면 저항층의 RC 상수를 결정하는 단계;
    상기 결정된 RC 상수에 기초하여 상기 저항층을 위한 최대 시트 저항을 결정하는 단계; 및
    상기 최대 시트 저항을 초과하지 않는 시트 저항을 제공하는 두께로 저항층을 제공하기 위해 상기 기판 상에 도전성 폴리머 재료를 코팅하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 도전성 폴리머 재료는 85% 또는 그보다 큰 내부 투과율을 제공하는 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
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