KR20090030030A - 터치 스크린 - Google Patents

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KR20090030030A
KR20090030030A KR1020070095318A KR20070095318A KR20090030030A KR 20090030030 A KR20090030030 A KR 20090030030A KR 1020070095318 A KR1020070095318 A KR 1020070095318A KR 20070095318 A KR20070095318 A KR 20070095318A KR 20090030030 A KR20090030030 A KR 20090030030A
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이유섭
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 터치 스크린는 터치 스크린 상면으로부터 서로 다른 높이에 위치된 적어도 둘 이상의 광원들을 구비한 터치 펜과, 상기 터치 스크린의 측면에 위치되며, 제1 및 제2 광원들에서 생성된 광의 위치를 검출해내기 위한 위치 검출기를 포함한다.
터치 스크린, 센서, 광

Description

터치 스크린{TOUCH SCREEN}
본 발명은 스크린에 관한 발명으로서, 특히 터치 스크린에 관한 발명이다.
터치 스크린(touch screen)은 영상 정보가 제공되는 스크린(Screen) 상에 사용자가 선택한 위치 정보를 산출해서, 사용자가 원하는 정보를 터치 스크린을 통해 입력할 수 있는 장치이다. 즉, 터치 스크린은 사용자에게 영상 정보를 제공하고, 사용자에게 정보 입력의 기능도 동시에 제공한다.
통상의 터치 스크린은 스크린 상면 전체에 균일한 물리력을 분포시키고, 스크린 상의 특정 위치에서 사용자의 선택에 의해 변화된 물리력의 량을 측정해서 사용자가 터치 스크린 상에 선택한 지점을 산출할 수 있다.
즉, 터치 스크린은 사용자의 선택에 따른 저항 변화 또는 정전 용량의 변화를 감시하는 저항 및 정전 센서 방식이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 적외선 또는 초음파 또는 전자기파 방식 등이 개발되고 있다.
적외선 방식의 터치 스크린은 스크린 상면에 적외선 파장의 광을 조사하고, 검출된 적외선 광의 세기로부터 사용자가 선택한 스크린 상면의 위치를 인식할 수 있다.
초음파 방식의 터치 스크린은 초음파를 생성할 수 있는 전용 펜과, 상기 전용 펜에서 생성된 초음파 진동을 각기 다른 위치에서 검출해 낼 수 있는 적어도 둘 이상의 초음파 센서들을 포함하며, 각 초음파 센서들로 검출된 초음파의 위치를 역 추적해서 사용자가 선택한 위치를 산출하는 방식의 터치 스크린이다.
그 외에 전자기파 방식의 터치 스크린 등도 있으나, 전자기파 방식의 터치 스크린은 스크린 하부에 센서 보드를 구비하고, 센서 보드는 사용자가 선택한 지점의 전자기파의 변화량을 검출해서 사용자가 선택한 위치를 인식할 수 있는 방식이다.
터치 스크린은 통상 사용자에게 제공될 영상에 영향을 주지않는 물리력(저항, 전자기파, 광 등)을 인위적으로 생성해서, 그 변화 정도나, 검출된 경로의 역 산출에 의해 사용자가 선택한 스크린 상의 위치를 추적하는 방식을 갖는다.
따라서, 터치 스크린 전용의 펜을 구비하거나, 다수의 검출 센서들을 서로 다른 위치에 배치하거나, 전자기파 센서가 가능한 장치 등을 구비해야된다.
그러나, 저항 방식의 터치 스크린은 스크린 상면에 절연층과 적어도 둘 이상의 도전층을 구비하므로, 사용자에게 제공되는 영상이 왜곡되거나 광의 손실로 인해 어두운 영상이 제공될 수 있다.
본 발명은 저전력 동작이 가능하며, 소형의 터치 스크린을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 터치 스크린은,
스크린 상면으로부터 서로 다른 높이에 위치된 적어도 둘 이상의 광원들을 구비한 터치 펜과;
상기 터치 스크린의 측면에 위치되며, 제1 및 제2 광원들에서 생성된 광의 위치를 검출해내기 위한 위치 검출기를 포함한다.
본 발명은 터치 펜의 다른 위치에 둘 이상의 광원들을 장착하고 제1 및 제2 광원에서 출력되는 광이 입사되는 경로들 간의 관계로부터 터치 스크린 상면의 사용자가 선택한 위치를 산출함으로써 다른 물체로부터의 영향 없이 사용이 용이하다.
둘 이상의 광원들을 이용해서 다양한 각도에서의 광을 이용함으로써, 정확한 위치 산출이 가능하고, 박형화된 구조로도 적용이 용이하다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터치 스크린의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 위치 검출기(130)의 단면을 도시한 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 터치 펜(120)을 도시한 도면이다. 본원 발명에 따른 터치 스크린(100)과 관련된 도면들을 참조하면, 본 실시 예에 따른 터치 스크린(100)은 스크린(100)의 상면(110)으로부터 서로 다른 높이(H1,H2)에 위치된 제1 및 제2 광원들(121,122)을 구비한 터치 펜(Touch-pen; 120)과, 상기 제1 및 제2 광원들(121,122) 각각에서 생성된 광의 경로를 검출해내기 위한 위치 검출기(130)를 포함한다.
사용자가 상기 터치 펜(120)을 상기 스크린 상면(110)의 선택하고자 하는 지점에 위치시켜면, 상기 제1 및 제2 광원들(121,122)은 시간 차를 두고 순차적으로 광을 방사하며, 방사된 광들(101,102)은 상기 위치 검출기(130) 측으로 입사된다. 상기 위치 검출기(130)는 다수 설치될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 광원(121,122)에서 생성된 광의 경로를 산출하는데 필요한 데이터(data)들을 검출하는 데 이용된다.
도 2는 도 1에 도시된 위치 검출기(130)의 단면을 도시한 도면으로서, 상기 위치 검출기(130)는 상기 제1 및 제2 광원(121,122)으로부터 입사되는 광(101,102)의 위치를 검출해내기 위한 위치 검출 센서(132)와, 상기 위치 검출 센서(132)를 실장하며 상기 제1 및 제2 광원(121,122)에서 입사되는 광의 경로 상에 핀 홀(Pin- hole; 131a)이 형성된 하우징(131)을 포함한다.
상기 핀 홀(131a)은 상기 위치 검출 센서(132)와 일정한 간격(f) 이격되어 있으며, 상기 위치 검출 센서(132)의 위치 검출 능력을 향상시키기 위해서 상기 위치 검출 센서(132)에 도달하는 광의 크기를 제한한다.
상기 위치 검출 센서(132)에 도달하는 광의 크기가 너무 크면 상기 위치 검출 센서(132)의 센서(sensor)로서의 기능이 저하된다. 반면에, 상기 위치 검출 센서(132)에 도달하는 광의 세기 손실이 커지면 위치 검출 능력은 향상되지만, 위치 검출이 제한될 수도 있으며, 회절 현상에 의한 분해능이 저하될 수 있다.
따라서, 상기 핀 홀(131a)은 터치 펜(120)과 위치 검출 센서(130) 사이의 거리에 상관없이 일정한 크기의 광이 입사될 수 있도록 하므로서 상기 위치 검출 센서(130)의 분해능을 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 터치 펜(120)을 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 터치 펜(120)은 상기 스크린의 상면(110)에 접촉되는 첨두(123)와, 상기 첨두(123)로부터 연장된 몸체(124)를 포함하며, 상기 몸체(124)는 서로 다른 위치에 상기 제1 및 제2 광원(121,122)이 실장된다. 상기 제1 및 제2 광원(121,122)은 생성되는 광들(121,122)이 서로 중복되지 않도록 펄스(Pulse) 형태로 광을 생성(일정한 시간 간격으로 순차적으로 생성)할 수 있으며, 생성된 광들을 일정한 방사 각으로 출력시키기 위한 광학계를 더 구비할 수도 있다. 상기 제1 및 제2 광원(121,122) 이외에, 필요에 따라서 서로 다른 위치의 광원들을 더 구비할 수도 있다.
상기 제1 및 제2 광원(121,122)에서 생성된 광들(101,102)이 상기 핀 홀(131a)을 통해서 상기 위치 검출 센서(132)로 입사되면, 상기 위치 검출 센서(132)는 입사된 광(101,102)의 위치로부터 상기 터치 펜(120)의 위치를 검출해낼 수 있다.
도 3a는 위치 검출 센서(132)의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 위치 검출 센서(132)의 구조를 설명하기 위한 사시도이다. 상기 위치 검출 센서(132)는 일반적인 PIN 광검출기와 유사한 형태로서, P-I-N의 세 층(134,135,136)으로 구성될 수 있다. 상기 위치 검출 센서(132)는 일반적인 PIN 광검출기와 다르게 P 층(136)에 저항 성분이 포함됨으로써 P층(136)으로 입사된 광에 의해 발생한 전류는 입사광의 위치에 따라 서로 다른 저항 값으로 나타난다. 따라서, 위치 검출 센서의 출력 단자들(133a,133b, 137a,137b)로 출력되는 전류가 달라진다.
상기 위치 검출 센서(132)가 1차원의 위치를 검출하기 위해 사용될 경우, 상술한 단자는 2개로도 구성 가능하고, 2차원의 위치 정보를 검출하기 위해 사용될 경우에는 4개의 단자로 구성될 수 있다. 1차원 위치 측정은 X 또는 Y 축중 어느 한 축 상의 광 위치를 측정할 수 있고 2차원 측정 센서는 X,Y 두 축상의 광 위치를 측정할 수 있다. 본 발명에서는 2차원의 위치 검출 센서(130)를 사용했다.
도 3a를 참조하면 A는 핀 홀(131a)의 수직 하향에 대응되는 위치 검출 센서(132)의 위치이고, B는 광(101 또는 102)이 도달한 위치 검출 센서(132) 상면의 위치이다. 즉, A는 핀 홀(131a)의 수직 하향에 대응되는 위치 검출 센서(132) 상면의 중앙 지점을 의미하고, B는 위치 검출 센서(132)에 광이 입사된 지점을 의미한 다. X1, X2는 위치 검출 센서(130)의 X 축으로 흐르는 전류를 검출하기 위한 단자를 의미하고, Y1, Y2는 Y 축으로 흐르는 전류를 검출하기 위한 단자를 의미한다. A 지점에 광이 도달한 경우를 가정하면, X1 및 X2에서 검출되는 전류의 세기가 동일하고, Y1 및 Y2에서 검출되는 전류의 세기도 상호 동일하다. 만약 B 지점에 광이 입사된 경우를 가정하면, X1 단자에서 검출되는 전류의 세기는 X2 단자에서 검출되는 전류의 세기에 비해 크다.(X1 단자 측으로의 저항이 X2 단자에 비해 저항이 작다; A 지점으로부터 멀어질수록 거리에 비례해 저항 증가) 전류 크기의 차는 중앙 지점(A)에서 광이 도달한 X 축 방향의 거리인 X0에 비례한다. 마찬가지로, Y1 및 Y2에서 검출되는 전류의 차는 Y0에 비례한다. 따라서, 상기 위치 검출 센서(130)는 각 단자에서 검출되는 전류 량의 차이에 의해 광의 위치를 산출할 수 있다.
도 3b는 도 2의 위치 검출기(130)로 입사되는 광(101 또는 102)의 경로를 설명하기 위해 위치 검출 센서(132)의 단면을 도시한 도면이다. f는 핀 홀(131a)로부터 위치 검출 센서(132)까지의 거리를 나타내고, θ2는 위치 검출 센서(132)로 입사되는 광(101,102)의 입사각을 의미한다. L1은 위치 검출 센서에 도달한 광의 위치이다. L1은 전술한 바와 같이 상기 위치 검출 센서(130)의 각 단자에서 검출된 전류의 차이로부터 산출된다. L1이 산출되면 위의 <수학식 1>에 의해 광의 입사각을 계산할 수 있다. 또한, 광의 입사각은 상기 터치 펜(120)의 높이(위치)에 따라 달라지며, 이는 L1을 산출함으로써 입사각이 산출되고 상기 터치 펜(120)의 위치를 알 수 있다. 예컨대 상기 터치 펜(120)이 상기 위치 검출 센서(130)와 멀어지면 입사각이 작아지므로 L1은 증가하고, 상기 터치 펜(120)이 상기 위치 검출 센서(130)와 가까워 질수록 L1은 감소된다. 단 도면에서 혼란을 최소화시키기 위해 1차원 센서를 예로 도시했지만, 실제로 X, Y 이차원 구조의 센서가 적용된다. 예컨대 그림에선 L1은 X축에서 센서의 중앙으로부터 광이 입사된 지점까지의 거리를 말한다. 하지만 실제의 터치 스크린 상면(110)의 터치 펜(120) 위치는 이 차원의 좌표를 가지므로, 상기 위치 검출 센서(130) 상의 위치도 이 차원으로 표현될 필요가 있다. 상기 터치 펜(120)의 Y축 좌표 상의 위치는 X 좌표와 동일한 과정에 의해 산출될 수 있고, 입사각을 산출함으로써 상기 터치 펜(120)의 Y좌표도 계산될 수 있다. 다음에 도 5를 통해 터치 펜의 위치를 검출하는 방법에 대해 상술한다.
Figure 112007067915357-PAT00001
도 5a는 도 1에 도시된 터치 펜(120)이 스크린 상면(110)에 수직하게 위치된 상태의 광 경로를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5a는 사용자가 스크린 상면(110)에 대해서 터치 펜(120)을 수직하게 위치시킨 경우의 단면 상태를 도시한 도면이 다.
위의 <수학식 1>에서 얻어진 광의 입사각(θ2)과, 광원의 높이(H1)로부터 핀 홀(131a)로부터 터치 펜(120)의 첨두(123)까지의 거리를 하기의 <수학식 2>로부터 산출해 낼 수 있다.
Figure 112007067915357-PAT00002
위의 <수학식 2>에서 광의 입사각(θ2)는 <수학식 1>로부터 얻어진 값이고, H1은 터치 펜(120) 내부에 실장된 제1 광원(121)의 첨두(123)로부터의 높이로서, 이미 알고 있는 값이다. 스크린 상면(110)에서의 터치 펜(120)의 정확한 위치는 <수학식 2>에서 구해진 L에 위치 검출기의 일부(W/2)를 제외시켜서 얻어질 수 있다. 전술한 과정을 통해 터치 펜의 한 축의 좌표(도시된 도면에서의 X축)를 알 수 있고 마찬가지로 이 과정을 또 다른 축에 적용하면 상기 터치 펜(120)의 그림에 도시되지 않은 나머지 축(Y축)의 좌표도 산출할 수 있으므로, 상기 터치 펜(120)의 이차원적 좌표를 산출해 낼 수 있다.
제1 광(101) 및 제2 광(102)의 입사각(θ2) 및 터치 펜(120)으로부터 핀 홀(131a)까지의 거리(L)가 서로 동일하다면, 도 5a에 도시된 바와 같이 터치 펜(120)이 스크린 상면(110)으로부터 수직하게 위치된 상태임을 알 수 있다. 이 경 우는 사용자가 상기 터치 펜(120)을 수직으로 잡고 사용하는 경우에 해당한다.
반면에, 사용자가 상기 터치 펜(120)을 기울여서 사용하는 경우 전술한 과정에 의해 산출되는 상기 터치 펜(120)의 위치는 실제 사용자가 의도한 위치(첨두의 스크린 상면의 위치)와 다르게 산출된다. 도 5b는 터치 펜(120)이 스크린 상면(110)에 대해서 임의의 각도로 기울어지게 사용된 경우의 도면으로서, 도시된 바와 같이 상기 첨두의 위치는 상기 위치 검출 센서(130)의 중앙 지점(A)로부터 L만큼 떨어져 있지만 각 광원에서 생성된 광(101, 102)에 의해 산출되는 위치는 L2, L2'과 같이 실제와 차이가 있다. 따라서, 상술한 차이는 다음과 같은 방법에 의해 해소될 수 있다.
도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 서로 다른 높이(H1,H2)의 제1 및 제2 광원들(121,122)에서 생성된 각각의 광들(101, 102)이 각각의 경로로 상기 위치 검출기(130)의 핀 홀(131a)을 통해 상기 위치 검출 센서(132)로 입사된다.
상기 터치 펜(121)의 기울기(스크린 상면(110)에 대해 수직한 임의 법선으로부터의 기울기; θ3)는 상기 광(101,102)들 간 경로 차(L2'-L2 또는 L2-L2')에 선형적 비례 관계가 성립될 수 있으며, 상기 광(101,102)들 간 경로 차와의 비교에 의해 산출될 수 있다. 좀 더 상세히 살펴보면, 위의 <수학식 1> 내지 <수학식 4>에 의해서 상기 제1 및 제2 광원(121,122)에서 출력된 광들(101,102) 간 경로 차가 발생 될 경우, 상기 터치 펜(120)이 기울어진 상태임을 인지할 수 있다. 또한, 상기 터치 펜(120)의 기울어진 정도는 상기 광들(121,122) 간 경로 차로부터 유추될 수 있 으며, 상기 터치 펜(120)의 첨두(123)의 정확한 위치(L)는 아래의 <수학식53> 내지 <수학식 6>에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112007067915357-PAT00003
위의 <수학식 3>에서 H는 터치 펜(120)의 전체 길이를 나타내고, L1은 핀 홀(131a)에 대응되는 위치 검출 센서(132) 상면의 일 지점(x=0)으로부터 위치 검출 센서(132)로 입사된 위치 검출 센서(132) 상면의 일 지점까지의 제1 광(101)의 길이를 나타낸다. <수학식 3>의 L1은 위치 센서와 <수학식 1>에 의해 산출될 수 있으며, f는 핀 홀(131a)과 위치 검출 센서(132) 간 거리로서 위치 검출기(130)의 설계에 따라 기 결정된 값이다.
Figure 112007067915357-PAT00004
위의 <수학식 4>에서 H1-dH는 H2를 의미하고, L1'은 상기 위치 검출 센서(132) 상면에서의 제2 광(102)의 길이(위치 검출 센서 상면의 핀 홀의 수직 하향의 일 지점으로부터 제2 광이 입사된 위치 검출 센서 상면의 일지점까지)를 나타낸다. 위의 <수학식 4>에서 L1'는 위치 검출 센서(132)와 <수학식 1>에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112007067915357-PAT00005
Figure 112007067915357-PAT00006
위의 <수학식 1> 내지 <수학식 4>으로부터 L2와 L2'을 산출해 낼 수 있고, 상기 터치 펜(120)의 기울기(스크린 상면에 대해 수직한 임의 법선으로부터의 기울기; θ3)는 위의 <수학식 5>로부터 산출해 낼 수 있으며, 터치 펜(120)의 첨두(123)로부터 핀 홀(131a)까지의 거리(L)는 <수학식 6>으로부터 산출해낼 수 있다.
산출된 L은 위치 검출기(130)의 일부를 포함하며, L에서 도 5a에 도시된 w/2를 제외시킴으로써 스크린 상면(110)에 위치된 터치 펜의 정확한 위치를 산출해 낼 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 터치 스크린을 이용한 위치 검출 테스트 결과 그래프이다. 도 6은 터치 펜이 스크린 상면으로부터 수직한 상태인 경우에, 다수에 걸쳐 실험한 결과이다. 실험에 사용된 터치 펜의 길이는 150mm이고, 위치 검출기의 f는 5mm이며, 핀 홀의 직경은 0.5mm이다.
도 7은 터치 펜의 위치 변화에 따른 위치 산출 결과를 실험한 결과 그래프로서, x,y 좌표(0.0)은 터치 스크린 상면의 터치 펜이 최초 위치된(100mm,0mm) 지점 을 의미하며, 일그러진 형태의 환형들은 터치 스크린 상면의 최초 위치된 지점(100mm,0mm)으로부터 이동한 지점(100mm, 0.2mm)에서 위치 검출 센서에서 검출된 좌표(0. 0.01)를 나타낸다.
도 7로부터 터치 스크린 상면에서 터치 펜의 0.2mm 이동 변화도 쉽게 검출됨을 확인할 수 있다. 도 8은 위치 검출 센서에 도달한 광의 위치를 펜의 기울어진 각도에 따라서 측정한 결과로서, 터치 펜의 기울이가 10도로 기울어지더라도 감지됨을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터치 스크린의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 위치 검출기의 단면을 도시한 도면,
도 3a는 도 2의 위치 검출기로 입사되는 광의 경로를 설명하기 위해 위치 검출 센서의 평면을 도시한 도면,
도 3b는 도 2에 도시된 위치 검출 센서를 도시한 사시도,
도 3c는 도 2의 위치 검출기로 입사되는 광의 경로를 설명하기 위해 위치 검출 센서의 단면을 도시한 도면,
도 4는 도 2에 도시된 터치 펜을 도시한 도면,
도 5a는 도 1에 도시된 터치 펜이 터치 스크린 상면에 수직하게 위치된 상태의 광 경로를 설명하기 위한 도면,
도 5b는 도 1에 도시된 터치 펜이 터치 스크린 상면에 대해 기울어지게 위치된 상태의 광 경로를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 터치 스크린을 이용한 위치 검출 테스트 결과 그래프,
도 7은 터치 펜의 위치 변화에 따른 위치 산출 결과를 실험한 결과 그래프,
도 8은 터치 펜의 스크린 상면으로부터 기울어진 각도 변화에 따른 위치 검출을 실험한 그래프.

Claims (3)

  1. 터치 스크린에 있어서,
    서로 다른 높이에 위치된 적어도 둘 이상의 광원들을 구비한 터치 펜과;
    상기 광원들에서 생성된 광의 위치를 검출해내기 위한 위치 검출기를 포함함을 특징으로 하는 터치 스크린.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 위치 검출기는,
    상기 각 광원으로부터 입사된 광으로부터 상기 각 광원의 위치를 검출해내기 위한 위치 검출 센서와;
    상기 위치 검출 센서를 실장하며, 상기 각 광원에서 입사되는 광의 경로 상에 핀 홀이 형성된 하우징을 포함함을 특징으로 하는 터치 스크린.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 터치 펜은,
    상기 터치 스크린 면에 접촉되는 첨두와;
    상기 첨두로부터 연장되며 그 내부의 서로 다른 높이에 상기 광원들이 실장되는 몸체를 포함함을 특징으로 하는 터치 스크린.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160130387A (ko) * 2014-03-11 2016-11-11 퀄컴 인코포레이티드 광학-기반 액티브 스타일러스 입력 인식을 위한 시스템 및 방법

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KR20160130387A (ko) * 2014-03-11 2016-11-11 퀄컴 인코포레이티드 광학-기반 액티브 스타일러스 입력 인식을 위한 시스템 및 방법

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