KR20090009147A - 복수의 막대형 투명 전극을 구비한 터치스크린 장치 - Google Patents

복수의 막대형 투명 전극을 구비한 터치스크린 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터치스크린 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 터치스크린 장치는 균일한 저항 성분을 갖고 투명 기판의 일면상에 제 1 축 방향으로 연장되도록 형성되는 복수의 막대형 투명 전극; 및, 상기 복수의 투명 전극 각각의 일단과 도선을 통해 연결되고, 사용자의 접촉에 의한 전하의 충전 또는 방전 특성을 나타내는 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 사용자의 접촉의 위치를 계산하는 연산부를 포함한다. 본 발명에 의하면 설계 및 구현이 용이하고 접촉 위치를 정교하게 인식할 수 있는 터치스크린 장치를 제공할 수 있다.
터치스크린, 투명 전극, ITO, 캐패시턴스, 막대형 전극

Description

복수의 막대형 투명 전극을 구비한 터치스크린 장치{TOUCHSCREEN APPARATUS HAVING MULTIPLE BAR-TYPE TRANSPARENT ELECTRODES}
본 발명은 전자기기에 장착되어 디스플레이 화면상의 특정 위치에 대한 사용자의 접촉을 감지하기 위한 터치스크린 장치에 관한 것이다.
전자공학기술과 정보기술이 발전을 거듭함에 따라 업무환경을 포함한 일상생활에서 전자기기가 차지하는 비중은 꾸준히 증가하고 있다. 근래에 들어서는 전자기기의 종류도 매우 다양해졌는데, 특히 노트북, 휴대폰, PMP(portable multimedia player) 등의 휴대용 전자기기 분야에서는 날마다 새로운 기능이 부가된 새로운 디자인의 기기들이 쏟아져 나오고 있다.
이처럼 일상생활에서 접하게 되는 전자기기의 종류가 점차 다양해지고, 각 전자기기의 기능이 고도화, 복잡화함에 따라, 사용자가 쉽게 익힐 수 있고 직관적인 조작이 가능한 사용자 인터페이스의 필요성이 제기되고 있다. 이러한 필요를 충족시킬 수 있는 입력 장치로서 터치스크린 장치가 주목받고 있으며, 이미 여러 전자기기에 널리 적용되고 있다.
터치스크린 장치는 디스플레이 화면상의 사용자의 접촉 위치를 감지하고, 감지된 접촉 위치에 관한 정보를 입력 정보로 하여 디스플레이 화면 제어를 포함한 전자기기의 전반적인 제어를 수행하기 위한 장치를 일컫는다. 터치스크린 장치의 접촉 위치 감지 방법은 크게 이산 위치 감지 방식과 연속 위치 감지 방식으로 구분할 수 있다.
이산 위치 감지 방식(discrete location detecting)은 소위 매트릭스 방식이라고 불리는 것으로서, 패널(10)상의 2차원 평면을 복수의 구획(15)으로 나누어, 각 구획(15)에 대한 접촉/비접촉 여부를 감지하는 것을 일컫는다. 도 1에 개념적으로 도시한 바와 같이, 이산 위치 감지 방식의 터치스크린 장치는 접촉이 발생한 구획(15)의 가로 위치를 감지하기 위한 M개의 신호선(11)과 세로 위치를 감지하기 위한 N개의 신호선(12)을 포함한다.
반면 연속 위치 감지 방식(continuous location detecting)은 접촉 감지 영역을 제한된 수의 구획으로 나누지 않고, 2차원 평면상의 접촉 위치를 연속적인 값으로 인식하는 방식이다. 연속 위치 감지 방식의 터치스크린 장치는 흔히 제한된 수의 전극을 통해 측정된 값으로부터 연속적인 좌표를 계산하기 위해 특정한 알고리즘을 이용한다. 도 2는 연속 위치 감지 방식의 터치스크린 장치를 예시한 것이다. 도 2의 터치스크린 장치는 가로 방향의 위치를 연속적인 값으로 인식하기 위해 패널(20)의 좌우측의 대향하는 위치에 마련된 한 쌍의 전극(21, 22)과 세로 방향의 위치를 연속적인 값으로 인식하기 위해 패널(20)의 상측과 하측의 대향하는 위치에 마련된 한 쌍의 전극(23, 24)을 포함한다. 각 전극(21, 22, 23, 24)은 신호선(26, 27, 28, 29)을 통해 접촉 위치를 감지하는 회로에 연결되어 있다.
이산 위치 감지 방식은 접촉 위치를 계산하기 위한 특별한 알고리즘 없이도 각 구획(15)에 대한 접촉 여부만을 확인하면 되므로 구현이 용이한 반면, 구획(15)의 패터닝 정밀도에 따라 접촉 위치를 인식하는 해상도가 결정되므로 정교한 위치 인식이 어렵다. 한편 연속 위치 감지 방식은 접촉 위치를 연속하는 값으로 인식하기 때문에 위치 인식의 정밀도가 높다는 장점을 갖지만, 사용자의 접촉 특성이나 사용 환경, 잡음 신호 등에 민감하고, 부가적인 알고리즘을 요구하는 등 이산 위치 감지 방식에 비해 구성이 복잡하다.
본 발명은 이산 위치 감지 방식과 연속 위치 감지 방식의 장점만을 결합하여, 구현이 용이하면서도 정교한 위치 인식이 가능한 터치스크린 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 가로 방향은 정교한 위치 인식을 요하지만 세로 방향은 그렇지 않은 경우 또는 그 반대의 경우와 같이 가로 방향과 세로 방향에 대해 요구되는 위치 인식의 정교함의 수준(resolution)이 다른 경우에 적합한 터치스크린 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 새로운 접촉 위치 감지 원리를 적용하여 터치스크린 장치의 패널부의 설계를 단순화하고 센서부의 성능을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 사용자의 접촉 특성 또는 전자기기의 사용 환경이 변화함 에 따라 위치 인식의 정확도가 저하되는 것을 방지하기 위한 유효한 수단을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 터치스크린 장치는, 균일한 저항 성분을 갖고, 투명 기판의 일면상에 제 1 축 방향으로 연장되도록 형성되는 복수의 투명 전극, 및 상기 복수의 투명 전극 각각의 일단과 도선을 통해 연결되고, 접촉에 의한 전하의 충전 또는 방전 특성을 나타내는 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 연산부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 터치스크린 장치는, 균일한 저항 성분을 갖고 제 1 축 방향으로 연장되도록 형성되는 복수의 투명 전극, 및 상기 복수의 투명 전극 각각의 일단 및 타단 중 적어도 하나와 도선을 통해 연결되고, 접촉에 의한 전하의 충전 또는 방전특성을 나타내는 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 연산부를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 터치스크린 장치에 있어서, 접촉에 의해 정전용량 성분을 형성하는 단계, 상기 정전용량 성분에 소정량의 전하를 충전 또는 방전시켜 전하 충방전 특성을 측정하는 단계, 및 상기 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 단계를 포함하는 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법에 제공된다.
본 발명에 따른 터치스크린 장치는 이산 위치 감지 방식과 연속 위치 감지 방식의 장점만을 결합한 것으로서, 구현 용이성과 더불어 정교한 위치 인식을 통한 향상된 성능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 RC(resistance??capacitance) 등가회로에서의 전하 충방전 특성의 측정이라는 새로운 접촉 위치 감지 원리를 채용함으로써 터치스크린 장치의 패널부의 설계가 단순해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 접촉이 감지된 위치를 정규화하기 위한 효과적인 수단을 제공함으로써 사용자의 접촉 특성이나 전자기기의 사용 환경에 관계없이 일정한 위치 인식 성능을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 인접한 복수의 막대형 투명 전극에 대한 전하 충방전 특성 측정값을 반영한 폭 방향 위치의 가중 평균을 구함으로써 접촉 위치의 폭 방향 성분을 더욱 정밀하게 측정하는 것이 가능해진다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 전자기기에 적용되는 터치스크린 장치에 대해 상세히 설명한다. 참고로 본 발명에 따른 터치스크린 장치가 탑재되는 전자기기는 휴대폰, PDA(personal digital assistance), 네비게이션 장치, 디지털 카메라, PMP(portable multimedia player), 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기뿐만 아니라, TV, 냉장고, 전자레인지, 에어컨 등의 가전 기기(리모컨 포함), 자동 차, 산업용 장비, 의료용 장비 등 디스플레이 화면을 갖춘 모든 형태의 전자기기를 망라한다.
이하의 설명에서 동일하거나 대응하는 구성에 대해서는 도면에 같은 부재번호를 이용하여 표시하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 터치스크린 장치의 패널부의 평면 구조를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 패널부는 디스플레이 화면에 대응하는 크기를 갖는 투명 기판(110)과, 투명 기판(110)의 윗면에 복수 형성되는 투명 전극(120)을 포함한다. 투명 기판(110)으로 이용할 수 있는 재료로는 유리나 아크릴과 같은 고강도의 재료, 또는 플렉시블 디스플레이에 적용되는 PC(polycarbonate), PES(polyethersulfone) 등의 투명 필름이 있다. 투명 기판(110) 재료의 선택은 터치스크린 장치가 적용되는 전자기기의 종류와 사용 환경 등에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
투명 전극(120)은 ITO(indium tin oxide)와 같이 균일한 저항 성분을 갖는 투명 도전물질을 예컨대 진공 증착 방법을 이용하여 투명 기판(110) 위에 균일한 두께로 도포함으로써 형성된다. 각각의 투명 전극(120)은 폭 w, 길이 l의 막대 형상을 가지며, 폭 방향으로 일정한 간격 p마다 하나씩 위치한다. 인접한 투명전극은 서로 전기적으로 분리된다.
투명 전극(120)은 투명 기판(110) 상의 특정한 제 1 축 방향으로 연장되는 형상으로 형성된다. 일실시예로, 도 3에 도시한 투명 전극(120)은 폭 w에 비해 길이 l이 상대적으로 긴 형상을 가지므로, 상하 방향을 나타내는 제 1 축 방향으로 연장되는 형상을 갖는 것으로 정의할 수 있다. 투명 전극(120)이 연장되는 제 1 축은 상하 방향으로 한정될 필요는 없으며, 좌우방향, 대각선 방향 등 다양하게 정의될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 투명 전극(120)은 폭 w, 길이 l의 직사각형(rectangle) 형상을 갖는 것을 가정하나, 투명 전극(120)의 형상은 제 1 축으로 연장(elongated)되는 것으로 정의할 수 있는 모든 형상을 포함한다. 다른 실시예로 직사각형 형상 이외에 서로 인접한 투명 전극(120)이 상호 대응하는 톱니 모양의 모서리를 가지거나, 제 1 축 방향으로 진행함에 따라 폭 w가 점점 넓어지거나 좁아지는 형상을 갖는 것도 가능할 것이다.
각 투명 전극(120)의 제 1 축 방향의 일단(도 3에서는 하단으로 가정)에는 도선(125)이 연결된다. 각 투명 전극(120)은 도선(125)을 통하여 센서부와 전기적으로 연결되며, 센서부는 도선(125)을 통해 접촉에 의해 투명 전극(120)에서 발생한 감지 신호를 수신하여 접촉 여부 및 접촉 위치를 판단한다. 센서부의 구성에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다. 이처럼 각 투명 전극(120)에 대한 접촉을 감지하기 위해 각 투명 전극(120)과 센서부를 연결하는 물리적, 논리적 연결 구조를 센싱 채널(sensing channel)이라고 한다. 이하에서는 도선(125)과 센싱 채널을 같은 의미로 사용한다.
도 4는 도 3에 도시한 터치스크린 장치의 A??A` 방향의 단면도이다. 투명 기판(110)의 윗면에는 A??A` 방향으로 일정한 간격을 형성하도록 복수의 투명 전극(120)이 배치되며, 투명 전극(120) 상에는 보호층(150)이 형성된다. 투명 기 판(110)의 전면(全面)을 덮도록 형성되는 보호층(150)은 전자기기의 외부로 노출되어 사용자의 접촉을 수용하는 면으로서 기능하며, 외부 환경으로부터 투명 전극(120)을 보호한다. 보호층(150)은 균일한 유전율을 가지며 스크래치에 강한 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 디스플레이 화면을 구비한 전자기기의 상당수는 화면 위를 덮는 투명 윈도우를 포함하는데, 이 경우 별도의 보호층(150)을 마련하는 대신 투명 윈도우로 그 역할을 대신할 수 있다. 편의상 투명 전극(120)과 보호층(150) 사이의 접착층은 도시하지 않는다.
또한 도 4에 도시된 바에 따르면, 투명 기판(110)의 하면, 즉 투명 전극(120)이 형성된 면과 반대되는 면에 ITO 등의 투명 도전물질로 이루어진 차폐막(160)이 배치될 수 있다. 차폐막(160)은 터치스크린 장치를 탑재한 전자기기에 의한 영향, 그 중에서도 특히 터치스크린 장치의 패널부 하부에 위치하는 디스플레이 장치에 의한 잡음 신호와 기생 캐패시턴스 등의 영향을 차단할 수 있다.
도 5는 투명 전극과 연결되어 접촉 여부 및 접촉 위치를 판단하는 센서부의 내부 구성을 도시한 블럭도이다. 도 5에 도시된 센서부는 각 투명 전극(120)에 대해 전하 충방전 특성을 측정하기 위한 충방전 특성 측정부(200) 및 충방전 특성 측정부(200)에서 측정한 전하 충방전 특성을 이용하여 접촉 위치를 계산하는 위치 계산부(300)를 포함한다.
충방전 특성 측정부(200)는 센싱 채널의 수에 대응하여 구비될 수 있으며, M개의 센싱 채널(125) 중 어느 하나를 통해 M개의 투명 전극(120) 중 하나에 연결된다. 전하 충방전 특성은 충방전 특성 측정부(200)가 투명 전극(120)에 연결되어 소정량의 전하를 충전 또는 방전할 때 나타나는 특성을 의미한다. 각 충방전 특성 측정부(200)가 측정한 전하 충방전 특성은 위치 계산부(300)로 입력되어, 접촉위치의 제 1 축 방향(Y 방향) 성분 및 제 2 축 방향(X 방향) 성분의 계산에 이용된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 복수의 투명 전극(120) 중 어느 하나에 대해 접촉이 발생한 경우를 도시하며, 투명 전극(120)이 연장되는 제 1 축 방향의 단면 구조와 접촉에 의해 생성되는 저항 성분 및 정전용량 성분을 포함하는 등가회로를 도식적으로 나타낸다.
보호층(150) 또는 투명 윈도우 상에 접촉이 발생하면, 접촉면과 그라운드 사이에 캐패시턴스 Cf가 형성되고, 접촉 위치에서 보호층(150)을 가로질러 캐패시턴스 Cw가 형성된다. Cw는 보호층(150)의 두께 h와 유전율에 의해 결정된다. 따라서 보호층(150)은 균일한 유전율과 균일한 두께 h를 갖는 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 접촉 위치로부터 투명 전극(120)의 길이 방향을 따라서 도선(125)이 연결된 투명 전극(120)의 일단까지 거리 d의 직선 경로가 만들어지고, 상기 직선 경로를 따라 거리 d에 비례하는 저항 Rt가 형성된다. 저항 Rt는 거리 d와 투명 전극(120)의 면저항(sheet resistance) 값에 의해 결정된다. 투명 도전물질로서 ITO를 이용할 경우 약 10Ω/sq~1kΩ/sq 범위의 면저항 값을 얻을 수 있다.
도 5에 도시된 센서부는 접촉에 의해 형성되는 도 6의 등가회로의 전기적 특성을 이용하여 접촉 위치를 감지한다. 도 6에 도시한 바와 같이 접촉에 의해 저 항 성분 Rt와 캐패시턴스 Cw, Cf가 형성되면, 충방전 특성 측정부는 투명 전극(120)과 연결된 센싱 채널(125)을 통해 소정량의 전하를 공급한다. 소정량의 전하가 저항 성분 Rt와 캐패시턴스 Cw, Cf로 이루어진 RC 등가 회로로 공급되며, 충방전 특성 측정부(200)는 상기 전하 공급에 따라 발생하는 전압 변화를 이용하여 전하 충방전 특성을 측정할 수 있다.
도 7은 접촉에 의해 발생한 RC 등가 회로에 소정량의 전하가 공급됨에 따라 나타나는 전압 변화를 도시한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 그래프 (1)과 (2)는 보호층(150) 또는 투명 윈도우 상에 접촉이 발생한 경우의 전압을 나타내며, 그래프 (3)은 접촉이 발생하지 않은 경우의 전압을 나타낸다.
초기 전압 V0는 접촉에 의해 발생한 RC 등가 회로와 소정량의 전하를 교환하는 전하 공급원의 전압으로서, 접촉이 발생하지 않은 경우에 전압 공급원의 전압으로 볼 수 있다. 그래프 (3)에 나타낸 바와 같이 접촉이 발생하지 않은 경우에도 초기 전압 V0는 약간의 변화를 나타낼 수 있으나, 그 변화량은 미미하므로 무시할 수 있다.
접촉이 발생하면, 전하 공급원과 RC 등가 회로 사이에서 전하 재분포 현상이 일어남에 따라 그래프 (1) 또는 (2)와 같은 전압 변화가 나타난다. 이때, 전압 변화는 접촉이 발생한 위치에 따라 다르게 나타나며, 이는 시간에 따른 전압 변화를 결정하는 시정수(time constant)가 저항 성분 Rt 및 캐패시턴스 Cw, Cf에 의존하 기 때문이다. 저항 성분 Rt는 접촉이 발생한 위치로부터 투명 전극(120)의 일단까지의 거리 d에 따라 다르게 결정되며, 캐패시턴스 Cw, Cf는 접촉이 형성하는 영역의 면적에 따라 달라질 수 있으므로, 전압 변화 특성을 이용하여 접촉 위치를 판단할 수 있다. 캐패시턴스 Cw, Cf의 합성 캐패시턴스를 Cf`로 표현하면, 시정수 τ 및 전압 변화 v(t)는 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
τ = Rt x Cf
[수학식 2]
Figure 112008051661360-PAT00001
수학식 2에서 Vf는 접촉에 따른 전하 재분포가 완료된 이후의 최종 전압을 나타낸다. 그래프 (1)과 그래프 (2)는 서로 다른 위치에서 접촉이 발생한 경우를 가정하므로, 저항 성분 성분 Rt 및 캐패시턴스 Cw, Cf에 따라 결정되는 시정수 τ에 따라 전압 변화가 다르게 나타남을 알 수 있다.
그래프 (1)과 그래프 (2)의 경우를 비교하면, 시간에 따른 전압 변화가 급격하게 나타나는 그래프 (1)에서 측정되는 접촉 위치가 그래프 (2)로부터 측정되는 접촉 위치보다 투명 전극(120)의 일단과 더 가깝게 위치한다. 시간에 따른 전압 변화가 급격할수록 시정수 τ가 작고, 시정수 τ를 결정하는 저항성분 Rt가 작은 경우 에 해당하므로, 투명 전극(120)의 일단으로부터의 접촉 거리가 더 가까운 것으로 판단할 수 있다.
일실시예로, 충방전 특성 측정부(200)는 시간에 따른 전압 변화 v(t)를 측정하기 위해 소정의 기준 시간 ts를 설정하고, 접촉이 발생한 시점으로부터(도 7에는 0으로 가정함) 기준 시간 ts 사이의 시간에서 나타나는 전압 변화를 이용하여 전하 충방전 특성을 측정할 수 있다. 도 7을 참조하면, 그래프 (1)의 경우 V0??vs가 전하 충방전 특성으로 측정되며, 그래프 (2)의 경우 V0??vs`가 전하 충방전 특성으로 측정된다.
다른 실시예로, 충방전 특성 측정부(200)는 소정의 임계 전압 Vt까지 전압이 변화하는데 걸리는 시간을 이용하여 전하 충방전 특성을 측정할 수 있다. 도 7을 참조하면, 그래프 (1)의 경우 tt만큼의 시간 경과 후 전압 v(t)가 임계 전압 Vt에 도달하며, 그래프 (2)의 경우 tt`만큼의 시간 경과 후 전압 v(t)가 임계 전압 Vt에 도달한다. 임계 전압 Vt에 도달할 때까지 경과한 시간을 비교하면, tt < tt` 와 같이 나타나므로, 위치 계산부(300)에서 그래프 (1)을 나타내는 접촉의 위치가 그래프 (2)를 나타내는 접촉의 위치보다 투명 전극(120)의 일단에 가깝게 위치하는 것으로 판단할 수 있을 것이다.
상기와 같은 원리에 기초하여, 투명 전극(120)상에 사용자의 접촉이 발생한 경우에 접촉 위치를 찾아내는 과정을 도 8을 참조하여 설명하도록 한다. 도 8은 인접한 복수의 투명 전극(120)에 걸쳐 접촉이 발생한 모습을 나타낸다.
앞서 설명한 도 3과 도 5를 참조하면, 복수의 투명 전극(120) 각각의 일단은 도선(125)을 통해 해당 투명 전극(120)에 대응하는 각각의 충방전 특성 측정부(200)에 연결된다. 충방전 특성 측정부(200)는 앞서 설명한 바와 같이 소정량의 전하 Q를 충전 또는 방전하여 각각의 투명 전극(120)에 대한 전하 충방전 특성을 측정하고, 측정한 전하 충방전 특성을 위치 계산부(300)로 전달한다. 각 투명 전극(120)에 대한 전하 충방전 특성에 기초하여 접촉 위치의 제 1 축 방향(Y 방향) 및 제 2 축 방향(X 방향) 성분을 계산하는 위치 계산부(300)는 제 1 계산부(310)와 제 2 계산부(320), 및 계산부(310, 320)에 의해 참조되는 룩업 테이블(330)로 구성된다.
투명 전극(120) 각각에 대해 전하 충방전 특성이 측정되면, 제 1 계산부(310)는 상기 전하 충방전 특성을 이용하여 센싱 채널(125)이 연결된 투명 전극(120)의 일단으로부터 접촉 위치까지의 거리 d를 계산한다. 제 1 계산부(310)는 상기 언급한 바와 같이 기준 시간 ts동안의 전압 변화량, 또는 기준 전압 Vt까지 전압이 변화하는데 걸리는 시간을 이용하여 거리 d를 계산할 수 있다.
거리를 계산함에 있어서 제 1 계산부(310)는 룩업 테이블(330)을 참조할 수 있다. 룩업 테이블(330)에 거리 d와 전하 충방전 특성의 상관관계를 미리 기록하고, 제 1 계산부(310)에서 룩업 테이블(330)을 참조하여 전하 충방전 특성으로부터 거리 d를 계산함으로써, 연산 속도를 높이고 회로 구현의 복잡도를 낮출 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이 접촉이 형성하는 영역(115)과 둘 이상의 투명 전극(120)이 중첩되는 경우, 제 1 계산부(310)는 접촉이 형성하는 영역(115)과 중첩되는 다수의 투명 전극(120)에 대하여 거리 d를 계산할 수 있다. 상기와 같은 경우, 제 1 계산부(310)는 다수의 투명 전극(120)에 대하여 계산한 거리 d의 평균을 산출함으로써, 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분을 계산할 수 있다. 다수의 투명 전극(120)에 대하여 거리 d를 계산하고, 계산된 거리 d의 평균을 산출하여 제 1 축 방향 성분을 계산함으로써, 접촉 위치 판단의 정확도를 높일 수 있다.
이 때, 접촉이 형성하는 영역(115)과 충분한 면적이 중첩되는 투명 전극(120)에 대해서만 거리 d를 계산하는 것이 바람직하다. 이것은 전하 충방전 특성이 투명 전극(120)과 접촉이 형성하는 영역(115)이 중첩되는 면적에 따라 결정되는 캐패시턴스의 영향을 받아, 실제로는 투명 전극(120)의 하단으로부터 접촉 위치까지의 거리 d가 동일함에도 불구하고 접촉 영역(115)의 중심부과 가장자리에서 각각 전하 충방전 특성이 서로 다르게 측정될 수 있기 때문이다. 따라서 접촉 위치의 Y 방향 성분을 정확하게 구하기 위해서는 접촉이 충분히 일어난 중심부에 해당하는 투명 전극(120)에서의 전하 충방전 특성 측정값만을 반영하는 것이 바람직하다.
즉, 도 8의 경우, 센싱 채널 ch3에 연결된 투명 전극(120)에서의 전하 충방전 특성만을 이용하여 제 1 축 방향 성분을 계산하는 것이 바람직하다. 제 1 계산부(310)는 룩업 테이블(330)을 참조하여 ch3에 연결된 투명 전극(120)의 전하 충방전 특성에 대응하는 투명 전극(120)상의 거리 d를 접촉 위치의 Y 방향 성분으로서 구한다. 한편, 접촉이 형성하는 영역(115)의 중심부와 중첩되는 투명 전극(120)이 다수인 경우에는, 상기 다수의 투명 전극(120)에 대해 룩업 테이블(330)을 참조하여 얻은 거리를 평균하여 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분을 구할 수 있다. 또는, 상기 다수의 투명 전극(120)에 대한 전하 충방전 특성을 가중치로 하여 각 투명 전극(120)의 거리를 가중 평균하여 보다 정확한 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분을 얻을 수도 있다.
제 2 계산부(320)는 전하 충방전 특성을 이용하여 접촉이 형성하는 영역(115)과 중첩되는 투명 전극(120)을 판단한다. 도 8에 도시한 실시예에서, 제 2 계산부(320)는 ch2, ch3, 및 ch4 와 연결된 세 개의 투명 전극(120)과 접촉이 형성하는 영역(115)이 중복하는 것으로 인식할 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 제 2 계산부(320)는 전하 충방전 특성에서 나타나는 전압 변화를 이용하여 접촉이 형성하는 영역(115)과 투명 전극(120)의 중첩 여부를 판단할 수 있다.
즉, 충방전 특성 측정부(200)가 ch1 부터 chM 까지 M개의 센싱 채널을 통해 M 개의 투명 전극에 대한 전하 충방전 특성을 측정하면, 제 2 계산부(320)는 상기 전하 충방전 특성으로부터 접촉이 형성하는 영역(115)과 중첩되는 투명 전극(120)을 판단한다. 센싱 채널 ch2, ch3, 및 ch4와 연결되는 투명 전극(120)에서는 접촉으로 인한 전압 변화가 크게 나타나고, 다른 센싱 채널과 연결되는 투명 전극(120)에서는 전압 변화가 상대적으로 작거나 거의 나타나지 않는 전하 충방전 특성을 이용하여, 제 2 계산부(320)는 ch2, ch3 및 ch4와 연결되는 투명 전극(120) 부근에서 접촉이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
제 2 계산부(320)는 제 1 계산부(310)와 마찬가지로, 룩업 테이블(300)을 참조하여 접촉의 제 2 축 방향 성분을 계산할 수 있다. 룩업 테이블(330)에 전하 충방전 특성과 제 2 축 방향 성분의 상관관계를 미리 기록하고, 측정한 전하 충방전 특성을 이용하여 룩업 테이블(330)을 검색함으로써, 접촉에 따른 제 2 축 방향 성분을 보다 효율적이고 빠르게 찾을 수 있다. 이때, 각 투명 전극(120)을 구분하기 위해 투명 전극(120)마다 소정의 인덱스를 부여하고, 상기 인덱스에 근거하여 룩업 테이블(330)을 구성할 수도 있다.
또한 상기 제 2 축 방향 성분은 다음과 같이 계산할 수도 있다. 각 투명 전극(120)은 제 2 축 방향(X 방향)으로 일정한 간격을 두고 나란히 배열되기 때문에, 센싱 채널 ch1, ch2, ch3, ... chM에 각각 연결된 투명 전극(120)은 제 2 축 방향을 따라 0, p, 2p, ... (M??1)p의 위치에 해당하는 것으로 볼 수 있다. 도 9의 예에서 제 2 계산부(310)는 X 방향 위치 p, 2p, 3p에 해당하는 투명 전극(120)에서 접촉이 감지되었음을 인식하고, 접촉이 감지된 투명 전극(120)의 X 방향 위치 p, 2p, 3p 중 중앙에 위치한 값인 2p를 접촉 위치의 X 방향 성분으로서 선택할 수 있다. 또는, p, 2p, 3p를 평균하여 얻어진 2p를 접촉 위치의 X 방향 성분으로서 선택할 수 있다.
한편, 접촉 위치의 제 2 축 방향 성분을 보다 정확하게 계산하기 위해서, 제 2 계산부(320)는 접촉이 감지된 투명 전극(120)에 대한 전하 충방전 특성을 가중치로 하여 p, 2p, 3p의 가중 평균을 구할 수 있다. 예를 들어 센싱 채널 ch2, ch3, 및 ch4에 연결된 투명 전극(120)에서 각각 vs2, vs3, vs4라는 전압을 측정한 경우, 제 1 계산부(310)는 접촉 위치의 제 2 축 방향 성분 x를 다음 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112008051661360-PAT00002
한편, 사용 환경이나 사용자의 인체 특성, 또는 공정 조건에 따라 도 6에 도시한 저항 성분이나 캐패시턴스 성분이 달라질 수 있다. 예를 들어 사용자가 강하게 접촉하여 접촉 면적이 넓게 형성되거나, 접촉 부위에 수분이 존재하여 유효 접촉 면적이 증가하게 되면 Cw가 증가할 수 있다. 또한, 사용자의 인체 특성과 기후 조건 등에 따라 인체에 의한 캐패시턴스 Cf의 범위도 달라질 수 있으며, 공정 조건에 따라 투명 전극(120)의 면저항 값의 범위를 달리해야 할 필요가 있을 수 있다.
따라서 전자기기가 초기화되는 경우에 본 발명에 따른 터치스크린 장치를 함께 초기화하는 것이 바람직하다. 즉, 초기화 동작을 수행하는 경우에 전자기기는 사용자에게 화면상의 임의의 위치에 대한 접촉을 요구하고, 이 요구에 따라 사용자로부터 입력된 접촉이 상기 요구된 위치로 환산되도록 룩업 테이블에 저장된 값을 조정할 수 있다. 바람직하게는, 특정 투명 전극(120)에 대해 그 길이 방향의 상단에 해당하는 위치를 접촉하도록 요구한 뒤에, 해당 투명 전극(120)에 대해 얻 어진 전하 충방전 특성 측정값을 룩업 테이블(330)에 상한값으로서 저장하고, 하단에 해당하는 위치를 접촉하도록 요구한 뒤에 얻어진 전하 충방전 특성 측정값을 하한값으로서 저장할 수 있다. 모든 투명 전극(120)의 특성이 동일하다면 초기화 시 접촉을 요구할 투명 전극(120)은 임의로 선택할 수 있다.
도 9는 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분을 더 정확하게 계산하기 위한 변형된 실시 형태를 예시한다. 도 9를 참조하면, 복수의 투명 전극(120) 각각의 일단뿐만 아니라, 상기 일단 반대측의 타단에도 도선(126)을 통해 제 2 충방전 특성 측정부가 연결된다. 제 2 충방전 특성 측정부는 앞서 설명한 충방전 특성 측정부(200)와 동일하게 구성되어 동일한 기능을 하며, 충방전 특성 측정부(200)와 함께 단일한 집적회로의 형태로 구현될 수 있다. M 개의 투명 전극(120)의 상단에 연결된 센싱 채널을 하단에 연결된 센싱 채널 ch1, ch2, ... chM과 구분하기 위해 ch1', ch2', ... chM'이라고 한다.
도 9의 실시 형태에 따르면, 각 투명 전극(120)에 대해 그 하단에 연결된 충방전 특성 측정부(200)와 그 상단에 연결된 제 2 충방전 특성 측정부에 의해 각각 전하 충방전 특성이 측정되고, 제 1 계산부(310)는 룩업 테이블(330)을 참조하여 접촉 영역(115)의 중심부에 중첩되는 투명 전극(120)의 일단과 타단으로부터 접촉 위치에 이르는 거리를 각각 계산한다. 투명 전극(120)의 일단과 타단으로부터 접촉 위치까지의 거리를 각각 d1, d2라 하면, 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분인 y는 다음 수학식 4와 같이 정규화(normalization)된 값으로 계산할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112008051661360-PAT00003
위 수학식 4는 제 1 축 방향의 위치가 투명 전극(120)의 일단으로 측정되는 경우를 가정한 것이다. l은 투명 전극(120)의 길이이다.
이처럼 투명 전극(120)의 길이를 이용하여 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분을 정규화하면, 터치스크린 장치의 사용 환경이나 공정 조건에 따라 도 6에 나타낸 캐패시턴스 또는 저항 성분이 변동하는 것에 관계없이 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분을 정확하게 구할 수 있게 된다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 종래의 이산 위치 감지 방식에 비해 투명 전극(120)의 패터닝이 더욱 단순해지며, 제 2 축 방향의 위치를 결정하기 위한 M 개의 신호선만이 요구되어 패널부의 구성이 매우 단순해지게 된다. 또한, 본 발명은 접촉 위치의 제 1 축 방향 성분의 결정을 위해 단순히 룩업 테이블(330)을 참조하기 때문에 종래의 연속 위치 감지 방식과 같이 접촉 위치의 계산을 위한 별도의 알고리즘을 필요로 하지 않게 되므로 센서부의 구성이 매우 단순해지게 된다.
이처럼 본 발명은 종래의 이산 위치 감지 방식과 연속 위치 감지 방식의 장점만을 채택하는 것에 더해, 이들 각 방식의 장점을 더욱 강화할 수 있는 구성을 갖는다. 패널부와 센서부의 구성이 단순해짐에 따라 터치스크린 장치의 구현 용이 성이 증대되고 제품화에 소요되는 시간이 단축될 뿐만 아니라 제조 비용도 절감되어 경쟁력을 갖춘 터치스크린 장치를 제공할 수 있게 된다.
지금까지의 설명은 도선(125)이 투명 전극(120)의 아래쪽 일단에 연결되어 있는 경우를 상정하였지만, 구현을 달리하여 도선(125)이 투명 전극(120)의 위쪽 일단에 연결되도록 마련할 수도 있다. 또한, 지금까지의 설명에 따라 복수의 투명 전극(120)이 제 1 축 방향으로 길게 형성되어 있는 형태뿐만 아니라, 제 2 축 방향을 길이 방향으로 하여 제 2 축 방향으로 연장되는 복수의 투명 전극(120)을 배치하는 것도 가능할 것이다. 투명 전극(120)이 연장되는 제 1 축 또는 제 2 축 방향은 X, Y 좌표축에 대응하는 가로 세로 방향일 수도 있으며, 대각선 방향일 수도 있을 것이다.
지금까지 도 4의 단면 구조에 기초하여 본 발명에 따른 터치스크린 장치에 대해 설명하였다. 도 4에서는 투명 기판(110)의 윗면에 투명 전극(120)이 형성되는 경우를 구현의 일례로서 설명하였다. 그러나 투명 전극(120)을 투명 기판(110)의 아래 면에 형성하는 것도 가능하다. 투명 전극(120)을 투명 기판(110)의 아래 면에 배치하는 경우, 별도의 보호층(150) 없이 투명 기판(110)이 투명 전극(120)을 보호하는 층으로서 기능할 수 있다. 또한 이 경우에 투명 기판(110)이 접촉을 수용하여 캐패시터스 성분을 생성할 수 있으므로, 일정한 두께와 일정한 유전율을 갖는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상의 설명은 본 발명에 대한 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 본 발명이 상기 설명된 실시형태와 동일한 구조로만 제한적으로 해석되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 형태의 수정 및 변형을 가할 수 있으며, 명세서에 명시적으로 기재되어 있지 않다 하더라도, 첨부한 도면으로부터 유추할 수 있는 내용 역시 본 발명의 실시예에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다. 따라서 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 대상은 본 발명이 포괄하는 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1 및 도 2는 일반적인 터치스크린 장치의 구조를 도시한 평면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 장치를 도시한 평면도,
도 4는 도 3에 도시한 터치스크린 장치의 A??A`방향 단면을 도시한 도,
도 5는 접촉 여부 및 접촉 위치를 감지하는 센서부를 도시한 블록도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법을 설명하는데 제공되는 도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 장치에서 측정하는 전하 충방전 특성을 설명하는데 제공되는 도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 장치에서 접촉이 발생하는 경우 위치 감지 방법을 설명하는데 제공되는 도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 터치스크린 장치를 도시한 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 투명 기판 115: 접촉 영역
120: 투명 전극 125: 센싱 채널
150: 보호층 160: 차폐막
200: 충방전 특성 측정부 300: 위치 계산부
310: 제 1 계산부 320: 제 2 계산부
330: 룩업 테이블

Claims (24)

  1. 균일한 저항 성분을 갖고, 투명 기판의 일면상에 제 1 축 방향으로 연장되도록 형성되는 복수의 막대형 투명 전극; 및
    상기 복수의 투명 전극 각각의 일단과 도선을 통해 연결되고, 접촉에 의한 전하의 충전 또는 방전 특성을 나타내는 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 센서부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 투명 전극은 서로 일정한 간격을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 일단과 도선을 통해 연결되어 상기 복수의 투명 전극 각각의 전하 충방전 특성을 측정하는 충방전 특성 측정부; 및
    상기 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 위치 계산부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 충방전 특성 측정부는,
    상기 접촉의 위치와 인접하는 적어도 하나의 상기 투명 전극에 소정량의 전하를 공급하는 전하 공급원; 및
    상기 전하를 공급받은 상기 적어도 하나의 투명 전극의 전하 충방전 특성을 측정하는 회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 위치 계산부는,
    상기 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 사용자의 접촉 위치와 상기 투명 전극의 상기 일단 사이의 거리를 계산하고, 상기 거리를 이용하여 상기 제 1 축에 따른 위치를 계산하는 제 1 계산부; 및
    상기 사용자의 접촉 위치와 인접하는 적어도 하나의 상기 투명 전극에서 발생하는 전하 충방전 특성을 이용하여 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 제 2 계산부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 계산부는,
    상기 접촉이 형성하는 영역과 상기 적어도 하나의 투명 전극이 중첩하는 영역의 면적을 산출하여 상기 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 계산부는,
    상기 중첩하는 영역의 면적의 평균을 산출하여 상기 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 계산부는,
    상기 사용자의 접촉 위치와 상기 투명 전극의 상기 일단 사이의 거리와 상기 전하 충방전 특성의 대응 관계를 나타내는 룩업 테이블을 참조하여 상기 제 2 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 축의 방향과 상기 제 2 축의 방향은 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 투명 전극은,
    상기 투명 기판의 일면에 투명 도전 물질을 균일한 두께로 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극의 상면에 부착되어 상기 사용자의 접촉을 수용하는 투명 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  12. 균일한 저항 성분을 갖고, 제 1 축 방향으로 연장되도록 투명 기판의 일면상에 형성되는 복수의 막대형 투명 전극;
    상기 복수의 투명 전극 각각의 일단 및 타단 중 적어도 하나와 도선을 통해 연결되고, 접촉에 의한 전하의 충전 또는 방전 특성을 나타내는 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 센서부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 투명 전극은 서로 일정한 간격을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 접촉이 발생하는 경우, 상기 일단 및 타단 중 어느 하나로부터 상기 접촉이 발생한 위치에 이르는 경로를 따라 상기 전하를 충전 또는 방전시키는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 연산부는,
    상기 복수의 투명 전극 각각의 일단 및 타단 중 어느 하나와 도선을 통해 연결되어 상기 전하 충방전 특성을 측정하는 충방전 특성 측정부; 및
    상기 전하 충방전 특성의 측정값을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 위치 계산부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 위치 계산부는,
    상기 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 투명 전극의 일단 및 타단 중 어느 하나와 상기 접촉 위치 사이의 거리를 계산하고, 상기 거리를 이용하여 상기 제 1 축에 따른 위치를 계산하는 제 1 계산부; 및
    상기 접촉 위치와 인접하는 적어도 하나의 상기 투명 전극에서 발생하는 전하 충방전 특성을 이용하여 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 제 2 계산부; 를 포함 하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 계산부는,
    상기 투명 전극의 일단 및 타단 중 어느 하나와 상기 접촉 위치 사이의 거리 및 상기 투명 전극의 일단과 타단 사이의 거리를 이용하여 상기 제 1 축에 따른 위치를 정규화하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2 계산부는,
    상기 투명 전극의 일단 및 타단 중 어느 하나와 상기 접촉 위치 사이의 거리와, 상기 전하 충방전 특성의 대응 관계를 나타내는 룩업 테이블을 참조하여 상기 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 충방전 특성 측정부는,
    상기 접촉 위치와 인접하는 적어도 하나의 상기 투명 전극에 소정량의 전하를 공급하는 전하 공급원; 및
    상기 전하를 공급받은 상기 적어도 하나의 투명 전극으로부터 상기 전하 충방전 특성을 측정하는 회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
  20. 제 1 축 방향으로 연장되고 서로 소정의 간격을 형성하도록 투명 기판 상에 배치되는 복수의 투명 전극을 포함하는 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법에 있어서,
    접촉에 의해 정전용량 성분을 형성하는 단계;
    상기 정전용량 성분에 소정량의 전하를 충전 또는 방전시켜 전하 충방전 특성을 측정하는 단계; 및
    상기 전하 충방전 특성을 이용하여 상기 접촉의 위치를 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 위치 계산 단계는,
    상기 접촉 위치로부터 상기 투명 전극의 일단 및 타단 중 적어도 하나에 이르는 거리를 측정하여 상기 제 1 축에 따른 위치를 계산하는 단계; 및
    상기 접촉 위치와 인접하는 적어도 하나의 상기 투명 전극으로부터 측정되는 전하 충방전 특성을 이용하여 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 제 2 축 위치 계산 단계는,
    상기 접촉이 형성하는 영역과 상기 적어도 하나의 투명 전극이 중첩하는 영역의 면적을 산출하여 상기 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제 2 축 위치 계산 단계는,
    상기 중첩하는 영역의 면적의 평균을 산출하여 상기 제 2 축에 따른 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 축 위치 계산 단계는,
    상기 투명 전극의 일단 및 타단 중 어느 하나와 상기 접촉 위치 사이의 거리 및 상기 투명 전극의 일단과 타단 사이의 거리를 이용하여 상기 제 1 축에 따른 위치를 정규화하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치의 접촉 감지 방법.
KR1020080069880A 2007-07-19 2008-07-18 복수의 막대형 투명 전극을 구비한 터치스크린 장치 KR101530189B1 (ko)

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