KR20100022747A - 압전저항층을 포함하는 터치센서와 이를 포함하는 입력장치및 입력감지방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전저항층을 포함하는 터치센서와 이를 이용한 입력장치 및 입력감지방법을 개시한다. 본 발명의 터치센서는, 다수의 제1전극 중 선택된 하나의 제1전극의 최대저항과, 상기 다수의 제1전극과 교차하는 다수의 제2전극 중 선택된 하나의 제2전극의 최대저항과, 상기 다수의 제1전극과 제2전극의 사이에 개재되는 압전저항층의 두께방향의 최대저항을 각각 R1max, R2max, R3max라 하면, 상기 제1전극에 고정저항(R)을 매개로 제1전압(V1)을 인가하고 상기 제2전극에 제2전압(V2)을 인가한 경우에, 외부에서 가해지는 힘으로 인해 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 상기 압전저항층이 눌려진 상태이면 상기 고정저항(R)과 상기 제1전극 사이의 노드에서 출력되는 최대출력전압은 제1기준전압 이하이고, 외부에서 힘이 가해지지 않은 상태이면 상기 최대출력전압이 상기 제1기준전압보다 큰 제2기준전압 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 터치센서는 다수의 전극이 서로 교차함으로써 그 교차영역마다 정의되는 스위치의 온/오프 여부만을 판별하여 접촉지점의 좌표를 정확하게 판단할 수 있기 때문에 종래의 저항막 방식에 비해 매우 간편하게 좌표데이터를 획득할 수 있으며, 별다른 오차 보정절차가 필요 없는 장점이 있다. 또한 접촉위치의 좌표데이터뿐만 아니라 접촉력의 세기까지 판단할 수 있기 때문에 다양한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
터치센서, 압전저항층

Description

압전저항층을 포함하는 터치센서와 이를 포함하는 입력장치 및 입력감지방법{Touch sensor comprising piezorisistive layer and input device comprising the same, and input detection method thereof}
본 발명은 터치센서에 관한 것으로서 구체적으로는 압력에 따라 저항값이 변하는 압전저항층을 이용하여 사용자가 접촉한 위치의 좌표데이터뿐만 아니라 변위 및 접촉력에 대한 정보까지 간편하게 획득할 수 있는 터치센서에 관한 것이다.
최근 들어 전자기기의 소형화, 일체화 경향이 가속화되면서 핸드폰, PDA, PMP, MP3플레이어 등의 소형 전자제품이나 노트북 컴퓨터를 중심으로 터치패드, 터치스크린 등의 터치센서를 이용하는 입력수단이 각광을 받고 있다.
터치센서의 종류는 접촉위치의 좌표데이터를 검출하는 방식에 따라 매우 다양하다. 예를 들어 디스플레이패널의 표면에 부착되어 사용되는 터치스크린은 작동원리에 따라 저항막 방식(Resistive Overlay), 정전용량 방식(Capacitive Overlay), 적외선 방식(Infrared Beam), 표면초음파 방식(Surface Acoustic Wave) 등으로 구분된다.
이 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 것이 저항막 방식의 터치스크린이므로이하에서는 도 1의 분해사시도와 도 2의 단면도를 참조하여 저항막 방식(특히, 4선 저항막 방식)의 터치스크린에 대해 간단히 설명한다.
4선 저항막 방식의 터치스크린은 하부기판(10)과 상부기판(20)이 그 주변부를 따라 개재된 접착시트(30)에 의해 결합된 구조로 이루어지며, 하부기판(10)의 상면과 상부기판(20)의 하면에는 저항막 역할을 하는 제1 ITO(Indium Tin Oxide)박막(16)과 제2 ITO박막(26)이 각각 형성된다.
제1 ITO박막(16)의 표면에는 각각 제1방향(y축 방향)을 따라 길게 형성된 제1전극(11) 및 제2전극(12)이 서로 이격되어 평행하게 배치된다. 또한 제2 ITO박막(26)의 표면에는 각각 제2방향(x축 방향)을 따라 길게 형성된 제3전극(21) 및 제4전극(22)이 서로 이격되어 평행하게 배치된다. 제1 및 제2전극(11,12)은 각각 제1도선(13) 및 제2도선(14)에 연결되고, 제3전극(21) 및 제4전극(22)은 각각 제3도선(23) 및 제4도선(24)에 연결된다.
또한 하부기판(10)의 제1 ITO박막(16)의 표면에는 투명한 도트스페이서(dot spacer)(15)가 형성된다.
4선 저항막 방식의 터치스크린의 작동원리를 살펴보면 다음과 같다. 예를 들어 하부기판(10)의 제1전극(11)에 공통전압(Vcc)을 인가하고 제2전극(12)에 기저전압(VGND)을 인가하면, 제1전극(11)과 제2전극(12) 사이의 제1 ITO박막(16)에는 x축 방향의 전계가 형성된다. 이 상태에서 사용자가 상부기판(10)의 표면을 누르면 제1 ITO박막(16)과 제2 ITO박막(26)이 서로 접촉하므로 상부기판(10)에 형성된 제3 또는 제4전극(21,22)을 통해 접촉지점의 전압(Vx)을 검출할 수 있다. 검출전압(Vx)은 AD컨버터를 거쳐 신호처리용 컨트롤러(미도시)로 입력되고, 컨트롤러에서는 검출전압(Vx)를 근거로 접촉지점의 x좌표를 산출한다.
접촉지점의 y좌표를 산출하기 위해서는, 상부기판(20)의 제3전극(21)에 공통전압(Vcc)을 인가하고 제4전극(22)에 기저전압(VGND)을 인가하여 제3전극(21)과 제4전극(22) 사이의 제2 ITO박막(26)에 y축 방향의 전계를 형성한다. 이 상태에서 하부기판(20)의 제1전극(11) 또는 제2전극(12)을 통해 접촉지점의 전압(Vy)을 검출하며, 컨트롤러에서는 검출전압(Vy)를 근거로 접촉지점의 y좌표를 산출한다.
컨트롤러는 소정 좌표에서의 검출전압을 미리 실측하여 테이블화한 좌표데이터를 구비하며, 이 좌표데이터를 이용하여 실제 검출전압(Vx,Vy)에 대응하는 좌표를 보간법 등으로 결정한다.
만일 저항막의 역할을 하는 제1 및 제2 ITO박막(16,26)의 저항이 균일하고, 하부기판(10) 및 상부기판(20)에 형성되는 전계의 등전위선이 각 전극에 평행하다면 위 방법으로 정확한 좌표를 얻을 수 있다.
그런데 실제로는 제1 및 제2 ITO박막(16,26)의 두께가 균일하지 않기 때문에 그 저항값이 균일하지 않을 뿐만 아니라 온도, 습도 및 열화 정도에 따라 저항값이 달라지므로 산출된 좌표의 오차가 클 수밖에 없다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 컨트롤러에서 적절한 보상처리를 해주어야 하는데, 이로 인해 제품의 구성이 복잡해지고 처리속도가 지연되는 문제점이 있다. 또한 주기적으로 저장된 좌표데이터를 초기화시켜 주어야 하므로 사용자의 불편이 크다는 문제점이 있다.
한편 은(Ag)이나 구리(Cu)로 제작되는 제1 내지 제4전극(11,12,21,22)과 각 전극에 연결되는 제1 내지 제4도선(13,14,23,24)에서도 전압강하가 발생하는데, 이로 인한 오차를 감소시키기 위해서는 각 전극(11,12,21,22)에 연결되는 ITO박막(16,26)의 저항값을 증가시켜야 한다. 그런데 ITO박막(16,26)의 저항값을 증가시키기 위해서는 박막의 두께를 줄여야 하고, 박막의 두께를 줄이면 내구성 저하는 물론이고 저항의 균일도가 저하되는 문제점이 있다.
또한 4선 저항막 방식의 터치스크린은 하부기판(10)과 상부기판(20)에 교대로 전계를 형성해야 하는데, 양 기판(10,20) 사이에 형성되는 커패시턴스로 인한 오차를 줄이기 위해서는 하부기판(10)에 공통전압(Vcc)을 인가하는 시점과 상부기판(20)에 공통전압(Vcc)을 인가하는 시점 사이에 충분한 간극을 두어야 하고 이로 인해 전체적인 샘플링 시간이 길어지는 문제점이 있다.
또한 종래의 저항막 방식의 터치스크린은 사용자가 두 곳을 동시에 눌렀을 때 두 지점의 좌표를 동시에 인식하는 것이 불가능하므로 소위 말하는 멀티 터치기능을 구현할 수 없다는 문제점이 있다.
이 밖에도 종래의 터치스크린은 단순히 사용자가 누른 좌표만을 인식할 뿐이고 z축 방향에 대한 정보, 즉 사용자가 누른 힘에 대한 정보를 확인할 수 없다. z축 방향에 대한 정보를 확인하기 위해서는 별도의 압력센서를 설치해야 하는데 이 로 인해 구조가 복잡하고 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.
한편 터치패드의 경우에도 z축 방향에 대한 정보를 획득하기 위해서는 별도의 압력센서를 설치해야 하므로 마찬가지의 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 터치센서에 비하여 보다 정확한 좌표데이터를 간편하게 산출할 수 있는 터치센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 x-y 좌표데이터뿐만 아니라 z축 방향에 대한 정보, 즉, 접촉력의 정도까지 판단할 수 있는 터치센서를 제공하는데 목적이 있다.
또한 다수의 접촉지점을 동시에 인식할 수 있는 멀티터치 기능을 구현할 수 있는 터치센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 제1방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제1전극과, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제2전극과, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극의 사이에 설치되며, 압력에 따라 저항이 변하는 압전저항층(piezoresistive layer)을 포함하는 터치센서에 있어서, 상기 다수의 제1전극 중 선택된 하나의 제1전극의 최대저항 과, 상기 다수의 제2전극 중 선택된 하나의 제2전극의 최대저항과, 상기 압전저항층의 두께방향의 최대저항을 각각 R1max, R2max, R3max라 하면, 상기 제1전극에 고정저항(R)을 매개로 제1전압(V1)을 인가하고 상기 제2전극에 제2전압(V2)을 인가한 경우에, 외부에서 가해지는 힘으로 인해 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 상기 압전저항층이 눌려진 상태이면 상기 고정저항(R)과 상기 제1전극 사이의 노드에서 출력되는 최대출력전압(Vout(max))은 제1기준전압 이하이고, 외부에서 힘이 가해지지 않은 상태이면 상기 최대출력전압은 상기 제1기준전압보다 큰 제2기준전압 이상인 것을 특징으로 하는 터치센서를 제공한다.
상기 터치센서에서 상기 제1기준전압은 디지털 논리회로에서 로우(low)로 인식되는 기준전압이고, 상기 제2기준전압는 디지털 논리회로에서 하이(high)로 인식되는 기준전압인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 제1방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제1전극과, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제2전극과, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극의 사이에 설치되며, 압력에 따라 저항이 변하는 압전저항층(piezoresistive)을 포함하는 터치센서; 상기 다수의 제1전극에 스캐닝을 위한 전기적신호를 순차적으로 입력하며, 다수의 스위칭회로를 구비하는 아날로그먹스; 상기 아날로그먹스의 상기 다수의 스위칭회로 중에서 상기 전기적신호를 입력할 스위칭회로를 선택하는 디코더; 상기 다수의 제2전극에서 출력되는 신호를 이진데이터신호로 변환하는 래치부; 상기 디코더로 상기 아날로그먹스의 스위칭회로를 선택하기 위한 선택신호를 전송하며, 상기 래치부의 출력신호를 이용 하여 터치된 지점의 좌표를 판단하는 컨트롤러를 포함하는 전자기기의 입력장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 제1방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제1전극과, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제2전극과, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극의 사이에 설치되며 압력에 따라 저항이 변하는 압전저항층(piezoresistive layer)을 포함하며, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극이 교차하는 교차영역마다 스위치가 정의되는 터치센서를 이용하여 사용자의 입력을 감지하는 방법에 있어서, (a) 상기 다수의 제1전극의 각각의 일단마다 고정저항(R)을 매개로 제1전압을 인가하고, 상기 다수의 제2전극 중에서 선택된 하나의 제2전극에만 제2전압을 인가하는 단계; (b) 상기 다수의 제1전극의 상기 일단과 상기 고정저항(R)의 사이의 노드에서 출력전압(Vout)을 검출하고, 선택된 상기 제2전극과 상기 다수의 제1전극의 교차영역마다 정의되는 다수의 상기 스위치의 온/오프 여부를 판단하는 단계; (c) 선택된 상기 제2전극 이외의 다른 제2전극을 하나씩 선택하여 상기 제2전압을 인가하고 상기 단계(b)를 반복하는 단계; (d) 상기 스위치 중에서 온(ON)상태인 스위치의 좌표를 확인하는 단계를 포함하는 터치센서의 입력감지방법을 제공한다.
본 발명에 따른 터치센서는 다수의 전극이 서로 교차함으로써 그 교차영역마다 정의되는 스위치의 온/오프 여부만을 판별하여 접촉지점의 좌표를 정확하게 판 단할 수 있기 때문에 매우 간편하게 좌표데이터를 획득할 수 있으며, 별다른 오차 보정절차가 필요 없는 장점이 있다.
또한 온도나 습도에 의해 전극의 저항값이 다소 변하더라도 이에 영향받지 않고 접촉여부와 접촉위치를 정확히 판단할 수 있다. 또한 저항막 방식처럼 미리 실측한 좌표데이터를 저장해두고 이를 주기적으로 초기화시켜야 하는 불편이 없다.
또한 접촉위치의 좌표데이터뿐만 아니라 접촉력의 세기까지 판단할 수 있기 때문에 다양한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
또한 다수 스위치의 온/오프 여부를 판별하는 방식이므로 멀티 터치 기능을 간단하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
1. 터치센서의 구조
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시예에 따른 터치센서(100)의 분해사시도 및 결합단면도이다.
구체적으로 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 터치센서(100)는 하부기판(110), 압전저항층(piezoresistive layer)(180), 상부기판(120)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 도시하지는 않았지만 상부기판(120)의 바깥쪽에 보호필름이 부착될 수도 있다.
하부기판(110)의 표면(도면상 상면)에는 제1방향(예, y축 방향)으로 길게 형 성된 띠(stripe) 형태의 다수의 제1전극(111 내지 118)이 실질적으로 평행하게 배치된다. 상부기판(120)의 표면(도면상 하면)에는 제2방향(예, x축 방향)으로 길게 형성된 띠 형태의 다수의 제2전극(121 내지 128)이 실질적으로 평행하게 배치된다.
따라서 하부기판(110)과 상부기판(120)을 결합하면 제1전극(111 내지 118)과 제2전극(121 내지 128)은 압전저항층(180)에 의해 서로 이격된 상태에서 교차하게 된다. 제1 전극(111 내지 118) 및 제2 전극(121 내지 128)은 서로 직각으로 교차하는 것이 바람직하지만 교차각이 반드시 직각이 아니어도 무방하다.
제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)이 형성되는 하부기판(110) 및 상부기판(120)은 절연성 재질이어야 한다.
만일 본 발명의 터치센서(100)를 디스플레이패널의 표면에 부착하여 사용하는 경우에는 하부기판(110) 및 상부기판(120)은 투명유리, 투명 플라스틱 등의 투명재질이어야 하고, 압전저항층(180)도 투명재질이어야 한다. 그리고 상부기판(120)은 사용자가 누르면 아래로 구부러졌다가 다시 복원될 수 있어야 하므로 적절한 탄성을 가지는 투명 플라스틱이나 투명 필름으로 제작되어야 한다.
제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)은 도전성이 우수한 금속재질인 것이 바람직하다. 만일 본 발명의 터치센서(100)가 터치스크린으로 사용되는 경우에는 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), TAO(Tin Antinomy Oxide), TO(Tin Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 등의 투명 도전성 산화물(TCO: Transparent Conductive Oxide)을 포함하는 재질로 이루어진다.
제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)의 폭은, 예를 들어 ITO로 형성하는 경우에는 0.5mm 이내인 것이 바람직하지만, 구체적으로는 재질과 저항값에 따라 그 폭이 달라질 수 있다. 또한 각 전극의 길이와 인접한 전극과의 간격은 터치센서(100)가 장착되는 장치의 크기나 형상, 그리고 목적하는 인식해상도에 따라 달라질 수 있다.
제1 또는 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)이 금속재질이면 도금이나 식각 등의 방법으로 형성할 수도 있고, 스트라이프 형태의 전극을 별도로 제작하여 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 결합할 수도 있다. 만일 투명도전성 산화물(TCO)로 전극을 형성할 경우에는 스퍼터링법, CVD법 등으로 형성할 수 있다. 물론 이와 다른 방법으로도 형성할 수 있다.
제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)의 각각의 일단에는 외부 도선이 연결되며, 특히 제1 및 제2전극이 투명전극인 경우에는 투명전극의 단부 표면에 외부 도선과의 연결을 위한 전극단자(150)를 형성하는 것이 바람직하다. 이때 상기 전극단자(150)는 도전성이 우수한 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속재질인 것이 바람직하다.
압전저항층(180)은 인가되는 힘에 따라 저항값이 달라지는 물질로 이루어지며, 일반적으로 압력이 커질수록 두께방향의 저항값이 낮아지는 특성을 가진다. 구체적으로는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 등과 같은 박막이 사용될 수도 있으나 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
도 4는 Tekscan 사의 FlexiForce 센서의 저항곡선을 나타낸 것으로서 힘과 1/R의 선형오차가 ±5% 이내로서 매우 우수한 선형성을 보이고 있다. 본 발명은 압전저항층(180)의 이러한 특징을 이용하여 사용자의 접촉여부뿐만 아니라 접촉력의 정도를 판단한다.
압전저항층(180)은 도시된 바와 같이 시트형태로 제공될 수도 있고, 제1전극(111 내지 118) 및/또는 제2전극(121 내지 128)의 표면에 박막으로 형성될 수도 있다.
이와 같은 압전저항층(180)을 하부기판(110)과 상부기판(120)의 사이에 배치하면, 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)의 교차영역에 대응하는 개구부를 가지는 스페이서시트를 배치할 필요가 없기 때문에 정밀한 얼라이닝 과정이 생략되어 제작방법이 매우 간편해지는 장점이 있다.
하부기판(110), 상부기판(120) 및 압전저항층(180)을 결합하기 위해서 하부기판(110)과 압전저항층(180)의 사이 및 상부기판(120)과 압전저항층(180)의 사이에 터치감지영역에 대응하는 중앙부가 개구된 접착시트(140)를 개재할 수도 있고, 하부기판(110), 상부기판(120) 및 압전저항층(180)을 나사 등으로 결합할 수도 있다.
한편 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)이 투명 도전성 산화물인 경우에는 구리, 은 등의 금속재질에 비해 온도 및 습도에 따라 저항값이 다소 달라지고 증착두께에 따라서도 저항값이 크게 달라지는 특징이 있다.
따라서 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)의 저항값 변화와 압전저항층(180)의 저항값 변화에도 불구하고 제1 및 제2전극의 접촉여부를 정확히 검출할 수 있는지 여부가 중요하므로 이하에서는 이에 대해 설명한다.
먼저 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)이 ITO재질이고, 제1전극(111 내지 118)의 길이는 435mm이고 제2전극(121 내지 128)의 길이는 275mm (20인치 모니터 사이즈에 해당함)이며, 제1 및 제2 전극의 두께와 폭은 각각 500nm, 0.5mm인 것으로 가정한다.
도 6에 도시된 바와 같이 임의의 제1전극(111)에는 고정저항 R을 매개로 공통전압(Vcc)을 인가하고 임의의 제2전극(121)에는 기저전압(VGND)을 인가한 상태에서 사용자의 접촉에 의해 2개의 전극(111,121)이 서로 근접하면, 고정저항(R)과 제1전극(111) 사이의 노드(N)에서 인출되는 출력전압(Vout)은 (Vcc-VGND)*(R1+R2+R3)/(R+R1+R2+R3) 가 된다. 여기서 R1은 제1전극(111)의 단부와 접촉지점 사이의 저항이고, R2는 제2전극(121)의 단부와 접촉지점 사이의 저항이며, R3는 접촉지점에서 압전저항층(180)의 두께방향의 저항이다. 연결도선의 저항은 다른 저항에 비해 매우 작으므로 여기서는 무시한다.
일반적으로 ITO의 표면저항은 두께가 500nm이면 20ohms/sq이고, 두께가 30~35nm 이면 350~400ohms/sq인 것으로 알려져 있다. 따라서 R1과 R2의 최대저항 R1(max)와 R2(max)는 각각 다음과 같다.
R1(max) = 20ohms/sq *435mm/0.5mm = 17.4 kohms
R2(max) = 20ohms/sq *275mm/0.5mm = 11.0 kohms
여기서 R = 5 Mohms, Vcc = 3.0V, VGND = 0V 이고, R3는 힘을 가하지 않았을 때는 10Mohms 이고 힘을 가했을 때는 도 18을 참조하여 100kohms라고 하면, 힘을 가한 경우에 Vout의 최대값, Vout(max)은 3.0*(17.4+11.0+100)/(5000+17.4+11.0+100) = 0.075V 이다.
일반적으로 트랜지스터를 포함하는 디지털 논리회로에서는 예를 들어 0.6V 이하를 '0'(또는 로우(low))으로 인식하고, 2V 이상을 '1'(또는 하이(high))로 인식한다. 따라서 임의의 제2전극(121)에 OV를 입력하였을 때 두 전극(111,121) 사이의 압전저항층(180)이 눌려지면 임의의 제1전극(111)의 출력전압(Vout)이 제1기준전압(예, 0.6V) 이하이고, 압전저항층(180)이 눌려지지 않으면 임의의 제1전극(111)의 출력전압이 제2기준전압(예, 2V) 이상이 되도록 설계하면, 제1전극(111)의 출력전압만으로 제1전극(111)과 제2전극(121)의 접촉여부를 판단할 수 있다.
위 예에서는 두 전극(111,112) 사이의 압전저항층(180)이 눌려지면 Vout(max)가 0.075V이고, 눌려지지 않으면 Vout=Vcc=3.0V 이므로 이 기준을 적용하여 접촉여부를 명확하게 판단할 수 있다. 다만 전술한 제1기준전압(0.6v) 및 제2기준전압(2V)의 수치는 예시에 불과한 것이므로 설계상의 필요에 따라 얼마든지 달라질 수 있음은 물론이다. Vcc 및 VGND 도 전술한 경우와 다르게 설정될 수 있다.
다른 관점에서 Vout(max)이 0.6V이기 위해서는 R1+R2+R3의 값이 1.25 Mohms 이 되어야 한다. 즉, R1+R2+R3의 값이 1.25Mohms 이하이면 통상의 디지털 논리회로에서 제1전극(111 내지 118)의 출력을 0V로 인식할 수 있다. 위 예에서는 R1+R2+R3 이 128.4kohms에 불과하므로 정상작동 가능한 범위가 상당히 크다는 것을 알 수 있으며, 이것은 온도나 습도의 영향에 의해 ITO의 저항이 다소 변하더라도 제1전극(111)과 제2전극(121)의 접촉여부를 정확하게 판단할 수 있음을 의미한다.
만일 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)이 30nm의 두께로 형성된 경우에는 R1 및 R2의 값이 매우 커지므로 이 경우에는 고정저항 R을 10Mohm 정도로 증가시키면 된다.
따라서 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)에 사용되는 투명도전성 산화물의 종류와 두께, 압전저항층(180)의 종류에 따라 고정저항 R의 저항값을 적절히 선택함으로써 온도나 습도에 영향받지 않는 스위치 방식의 터치센서(100)를 제작할 수 있다. 만일 제1 및 제2전극(111 내지 118, 121 내지 128)이 금속재질이면 R1과 R2의 값이 고정되고 그 크기도 매우 작으므로 고정저항 R의 선택폭은 더욱 커진다.
2, 터치스크린을 이용한 입력장치 및 좌표데이터 검출 방법
본 발명의 실시예에 따른 터치센서(100)가 서로 교차하는 8개의 제1전극(111 내지 118)과 8개의 제2전극(121 내지 128)을 포함한다고 가정하면, 상기 터치센서(100)은 도 7에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 전극의 교차영역마다 정의되는 64개의 스위치가 8*8 매트릭스 형태로 배치된 회로로 나타낼 수 있다.
여기서 설명의 편의를 위하여 각 컬럼라인(column line)(c0 내지 c7)은 각각 제1전극(111 내지 118)이고, 각 로라인(row line)(r0 내지 r7)은 각각 제2전극(121 내지 128)인 것으로 가정한다. 반대로 각 컬럼라인이 제2전극이고 각 로라인이 제1전극이라고 가정하더라도 사실상 동일한 회로이다.
그리고 각 컬럼라인(c0 내지 c7)의 각각에는 동일한 고정저항(R)을 매개로 공통전압(Vcc)를 인가하고, 각 로라인(r0 내지 r7)에는 소정의 스캐닝신호를 입력한다. 출력전압(Vout)은 각 컬럼라인(c0 내지 c7)과 각 고정저항(R) 사이의 노드를 통해서 검출된다.
도 8은 본 발명의 터치센서(100)를 이용한 입력장치의 구성을 나타낸 블록도로서, 컨트롤러(210), 디코더(220), 아날로그먹스(Analog Mux)(230), 래치부(240), 버퍼(250) 등을 포함한다.
컨트롤러(210)는 터치센서(100)에 대해 소정의 스캐닝신호를 주기적으로 인가하는 한편 터치센서(100)의 출력신호를 분석하여 접촉지점의 좌표데이터, 접촉력의 세기, 접촉지점의 이동방향, 이동거리, 이동속도, 가속도 또는 이동각도 등을 판단한 후 디스플레이패널 제어부(270)로 전송한다. 컨트롤러(210)의 구체적인 작동 알고리즘은 도 10과 관련하여 후술한다.
디코더(220)는 컨트롤러(210)에서 제공하는 2진 데이터열의 로데이터(row data)와 자체 구비한 디코딩테이블을 이용하여 아날로그먹스(230)로 소정의 로(row) 선택신호를 인가한다.
아날로그먹스(230)는 디코더(220)의 로 선택신호에 의해 작동하는 다수 개의 스위칭회로(미도시)를 구비하며, 터치센서(100)의 각 로라인(r0 내지 r7) 중에서 디코더(220)의 로 선택신호에 대응하는 로라인(row line)에만 기저전압(예, 0V)를 인가하고, 나머지 로라인은 플로팅시키는 역할을 한다.
래치부(240)는 다수의 래치회로(latch circuit)를 이용하여 터치센서(100)의 각 컬럼라인(c0 내지 c7)의 출력전압을 2진 데이터열의 컬럼데이터(column data)로 변환한다. 도 9는 래치회로의 일 실시예를 나타낸 것으로서, 8개 컬럼라인의 출력전압(Vout)을 동시에 입력받아 8비트 데이터열(Q0 내지 Q7), 즉 바이트(Byte) 단위의 신호를 출력하는 회로이다.
만일 컬럼라인이 256개이면 이러한 래치회로가 32개가 설치되며, 각 래치회로에서 출력되는 바이트 신호는 버퍼(250)에 일시 저장되었다가 컨트롤러(210)로 전송된다. 이때 컨트롤러(210)는 소정의 컬럼선택신호를 제공하여 각 래치회로가 순차적으로 바이트 신호를 출력하도록 제어해야 한다.
도 9와 같은 래치회로를 이용하는 이유는 터치스크린과 같이 컬럼라인이 많은 경우에 접촉감지속도를 높이기 위한 것이다. 따라서 터치센서(100)의 크기나 설계기준에 따라서는 다른 형태로 래치부(240)를 구성할 수도 있다.
버퍼(250)는 래치부(240)에서 생성된 컬럼데이터를 일시 저장하며, 컨트롤러(210)는 버퍼(250)에 저장된 컬럼데이터를 읽어와서 접촉지점의 좌표데이터를 생성한다.
도 10의 흐름도는 컨트롤러(210)에서 접촉지점의 좌표데이터를 생성하는 과정을 나타낸 것이다.
먼저 설정된 시간 동안 사용자의 접촉이 감지되지 않으면 터치센서(100)는 대기모드로 전환된다. 대기모드에서는 예를 들어 아날로그먹스(230)의 미도시된 스위칭회로를 모두 온(ON)시켜서 전체 로라인(row line)에 기저전압(예, 0V)를 인가한다. 이러한 대기모드를 생략하고 후술하는 동작모드를 항상 유지할 수도 있다.
대기모드에서 적어도 하나의 컬럼라인에서 0V가 출력되면, 컨트롤러(210)는 접촉이 있는 것으로 판단하고 곧바로 동작모드로 전환하면서 각 로라인에 순차적으로 0V를 인가한다. 이를 위해 먼저 버퍼(250)에 저장된 컬럼데이터를 클리어하는 한편, 컨트롤러(210)에 저장되어 있던 로데이터와 로데이터 카운트를 클리어 한다.
이어서 디코더(220)로 2진 데이터열의 로데이터를 전송하면서 로데이터 카운트를 1씩 증가시킨다. 예를 들어 로라인(row line)이 256개이면 00000000 에서 1111111 에 이르는 8비트 데이터열을 순차적으로 디코더(220)로 전송한다.
디코더(220)는 아날로그먹스(230)의 다수의 스위칭회로 중에서 해당 데이터열에 대응하는 스위칭회로만을 선택하여 온(ON)시킴으로써 이에 대응하는 로라인에만 0V를 인가한다.
컨트롤러(210)는 디코더(220)로 로데이터를 전송함과 동시에 컬럼라인 바이트 카운트(Col_Line_Byte_Cnt)를 클리어한다. 컬럼라인 바이트 카운트(Col_Line_Byte_Cnt)는 예를 들어 도 11에 도시된 바와 같이 8개의 컬럼라인마다 연결된 다수의 래치회로를 순차적으로 선택하기 위한 것이다.
따라서 컨트롤러(210)는 컬럼라인 바이트 카운트(Col_Line_Byte_Cnt)를 1씩 증가시키면서 모든 래치회로에서 출력되는 바이트신호를 버퍼(250)로부터 순차적으로 읽어와서 저장한다.
하나의 로라인에 대하여 전술한 과정을 거친 후에는 로데이터 카운트가 실제 로라인의 개수와 같을 때까지 나머지 로라인에 대해서도 동일한 과정을 반복한다.
로데이터 카운트가 실제 로라인의 개수를 초과하면 1주기의 좌표검출과정이 종료되며, 컨트롤러(210)는 저장된 컬럼데이터와 이에 대응하는 로데이터를 이용하여 접촉지점의 x-y좌표를 검출하고, 나아가 변위(Δx, Δy), 접촉력 등의 데이터를 생성한다.
컨트롤러(210)에서 생성된 데이터는 통신수단(RS232, USB, I2C 등)을 통해 디스플레이패널제어부(270)로 전송된다.
3. 변위(Δx, Δy) 및 접촉력 판단방법
본 발명에 따른 스위치 방식의 터치센서(100)를 이용하면, 사용자가 누른 지점의 x-y좌표를 간편하게 확인할 수 있고, 이를 통해 변위(Δx, Δy)는 물론 사용자가 누르는 접촉력의 정도를 판단할 수 있다.
변위(Δx, Δy)는 시간 t=t1 인 시점에 획득한 좌표와 t=t2 인 시점에 획득한 좌표를 이용하여 산출할 수 있다. 이를 통해 사용자가 손이나 스타일러스 펜으로 터치센서(100)상에 이미지나 텍스트를 표현하는 것이 가능해진다. 나아가 변위 데이터를 이용하여 터치지점의 이동거리, 이동속도, 이동방향, 가속도, 이동각도 등을 판단할 수 있고, 이들 정보를 다양한 형태로 응용할 수 있다.
이하에서는 접촉력의 세기를 판단하는 방법을 설명한다.
첫 번째는 가장 간단한 방법으로서, 제1전극(111 내지 118)과 제2전극(121 내지 128)이 교차하는 영역마다 정의되는 다수의 스위치 중에서 온(ON)된 스위치의 개수를 이용하는 방법이다. 즉, 사용자가 강하게 누를수록 온(ON)된 스위치의 개수가 증가하므로 이를 이용하여 접촉력의 세기를 간편하게 판단할 수 있다.
접촉력을 판단할 수 있으면 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어 온(ON)된 스위치의 개수가 기준개수를 초과하면, 터치스크린에서 접촉 지점에 표현된 객체의 형상, 크기, 색채 등을 변형시켜 시각적 효과를 부여할 수도 있고 소정의 소리를 발생시켜 청각적 효과를 부여할 수도 있다. 또한 변위와 접촉력에 대한 정보를 함께 이용하면, 사용자가 글씨를 쓸 때 강하게 누를수록 글씨체가 두꺼워지는 등의 효과를 줄 수 있다.
또한 접촉력의 변화량에 따라 선택된 객체의 이동속도가 달라지도록 제어할 수도 있다. 접촉력의 변화량에 대한 정보는 임의의 두 시점간에 온(ON)된 스위치의 개수 차이를 통해 얻을 수 있다.
두 번째 방법은 스위치 온(ON)된 전극의 출력전압(Vout)값을 이용하여 접촉력의 세기를 판단하는 것이다. 즉, 누르는 힘이 셀수록 R3가 작아져 출력전 압(Vout)이 낮아지므로 출력전압(Vout)의 크기에 따라 차별화된 가중치를 할당하고 온(ON)된 스위치의 가중치를 합산하여 접촉력의 세기를 판단할 수도 있다.
세 번째 방법은 압전저항층(180)에서 스위치에 대응하는 영역의 두께를 가로, 세로, 대각선 방향 중에서 적어도 한 방향을 따라 규칙적으로 증감시키고, 이를 이용하여 접촉력의 정도를 판단하는 것이다.
즉, 압전저항층(180)이 두꺼울수록 두께방향의 저항(R3)이 커지므로 상대적으로 두꺼운 압전저항층(180)에 정의된 스위치의 출력전압(Vout)을 제1기준전압 이하로 만드는 접촉력이, 상대적으로 얇은 압전저항층(180)에 정의된 스위치의 출력전압(Vout)을 제1기준전압 이하로 만드는 접촉력에 비해 더 클 것이다.
따라서 각 스위치에 대하여 해당 위치의 압전저항층(180)의 두께를 기준으로 차별화된 가중치를 부여하고, 온(ON)된 스위치의 가중치를 합산하면 접촉력의 정도를 간편하게 판단할 수 있다. 구체적으로는 해당 위치의 압전저항층(180)의 두께가 두꺼울수록 큰 가중치를 부여한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 수정 또는 변형될 수 있다. 그리고 이와 같이 수정 또는 변형된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다
도 1은 4선 저항막 방식 터치스크린의 분해사시도
도 2는 4선 저항막 방식 터치스크린의 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 분해사시도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 단면도
도 5는 압전저항층에서 압력과 저항의 관계를 예시한 그래프
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 일 단자에서 출력되는 출력전압을 검출하는 모습을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 회로도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 터치센서를 이용한 입력장치의 구성도
도 9는 래치회로의 일 예를 나타낸 회로도
도 10은 본 발명의 터치센서를 이용하여 좌표 및 변위를 판단하는 과정을 나타낸 흐름도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 터치센서 110: 제1기판
111,112,113,114,115,116,117,118: 제1전극
121,122,123,124,125,126,127,128: 제2전극
120: 제2기판 140: 접착시트
150: 단자 180: 압전저항층
210: 컨트롤러 220: 디코더
230: 아날로그먹스 240: 래치부
250: 버퍼

Claims (12)

  1. 제1방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제1전극과, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제2전극과, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극의 사이에 설치되며, 압력에 따라 저항이 변하는 압전저항층(piezoresistive layer)을 포함하는 터치센서에 있어서,
    상기 다수의 제1전극 중 선택된 하나의 제1전극의 최대저항과, 상기 다수의 제2전극 중 선택된 하나의 제2전극의 최대저항과, 상기 압전저항층의 두께방향의 최대저항을 각각 R1max, R2max, R3max라 하면, 상기 제1전극에 고정저항(R)을 매개로 제1전압(V1)을 인가하고 상기 제2전극에 제2전압(V2)을 인가한 경우에,
    외부에서 가해지는 힘으로 인해 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 상기 압전저항층이 눌려진 상태이면 상기 고정저항(R)과 상기 제1전극 사이의 노드에서 출력되는 최대출력전압[Vout(max)=(V1-V2)*(R1max+R2max+R3max)/(R+R1max+R2max+R3max)]은 제1기준전압 이하이고,
    외부에서 힘이 가해지지 않은 상태이면 상기 최대출력전압은 상기 제1기준전압보다 큰 제2기준전압 이상인 것을 특징으로 하는 터치센서
  2. 제1항에 있어서
    상기 제1기준전압은 디지털 논리회로에서 로우(low)로 인식되는 기준전압이 고, 상기 제2기준전압는 디지털 논리회로에서 하이(high)로 인식되는 기준전압인 것을 특징으로 하는 터치센서
  3. 제1항에 있어서
    상기 압전저항층에는 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극의 교차영역에 다수의 스위칭영역이 정의되고, 상기 압전저항층에서 상기 다수의 스위치영역의 두께는 적어도 한 방향을 따라 규칙적으로 증감하는 것을 특징으로 하는 터치센서
  4. 제1항에 있어서
    상기 다수의 제1전극 및 상기 다수의 제2전극은 투명 도전성 산화물(TCO)을 포함하는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 터치센서
  5. 제1방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제1전극과, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제2전극과, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극의 사이에 설치되며, 압력에 따라 저항이 변하는 압전저항층(piezoresistive)을 포함하는 터치센서;
    상기 다수의 제1전극에 스캐닝을 위한 전기적신호를 순차적으로 입력하며, 다수의 스위칭회로를 구비하는 아날로그먹스;
    상기 아날로그먹스의 상기 다수의 스위칭회로 중에서 상기 전기적신호를 입력할 스위칭회로를 선택하는 디코더;
    상기 다수의 제2전극에서 출력되는 신호를 이진데이터신호로변환하는 래치부;
    상기 디코더로 상기 아날로그먹스의 스위칭회로를 선택하기 위한 선택신호를 전송하며, 상기 래치부의 출력신호를 이용하여 터치된 지점의 좌표를 판단하는 컨트롤러;
    를 포함하는 전자기기의 입력장치
  6. 제1방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제1전극과, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 서로 평행하게 형성된 다수의 제2전극과, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극의 사이에 설치되며 압력에 따라 저항이 변하는 압전저항층(piezoresistive layer)을 포함하며, 상기 다수의 제1전극과 상기 다수의 제2전극이 교차하는 교차영역마다 스위치가 정의되는 터치센서를 이용하여 사용자의 입력을 감지하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 다수의 제1전극의 각각의 일단마다 고정저항(R)을 매개로 제1전압을 인가하고, 상기 다수의 제2전극 중에서 선택된 하나의 제2전극에만 제2전압을 인가하는 단계;
    (b) 상기 다수의 제1전극의 상기 일단과 상기 고정저항(R)의 사이의 노드에서 출력전압(Vout)을 검출하고, 선택된 상기 제2전극과 상기 다수의 제1전극의 교차영역마다 정의되는 다수의 상기 스위치의 온/오프 여부를 판단하는 단계;
    (c) 선택된 상기 제2전극 이외의 다른 제2전극을 하나씩 선택하여 상기 제2전압을 인가하고 상기 단계(b)를 반복하는 단계;
    (d) 상기 스위치 중에서 온(ON)상태인 스위치의 좌표를 확인하는 단계;
    를 포함하는 터치센서의 입력감지방법
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계(b)에서는 출력전압(Vout)이 제1기준전압 이하이면 스위치 온(ON) 상태로 판단하고, 상기 제1기준전압보다 큰 제2기준전압 이상이면 스위치 오프(OFF) 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 입력감지방법
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1기준전압은 디지털 논리회로에서 로우(low)로 인식되는 기준전압이고, 상기 제2기준전압는 디지털 논리회로에서 하이(high)로 인식되는 기준전압인 것을 특징으로 하는 터치센서의 입력감지방법
  9. 제6항에 있어서,
    상기 단계(d)는 온(ON) 상태인 스위치의 개수에 따라 접촉력의 정도를 판단하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 입력감지방법
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압전저항층에서 상기 다수의 스위치에 대응하는 부분은 적어도 한 방향을 따라 그 두께가 규칙적으로 증감하고, 상기 다수의 스위치에는 대응하는 상기 압전저항층의 두께에 따라 차별화된 가중치가 부여되며,
    상기 단계(d)는 온(ON) 상태인 스위치의 상기 가중치를 합산하여 접촉력의 정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 입력감지방법
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단계(d)는 상기 출력전압의 크기에 따라 차별화된 가중치를 부여하고, 상기 접촉력의 정도는 온(ON) 상태인 스위치의 상기 가중치를 합산하여 판단하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 입력감지방법
  12. 제6항에 있어서,
    상기 단계(d)의 이후에는 시간 t1에서 확인된 제1좌표와 시간 t2 에서 확인된 제2좌표를 이용하여 좌표변위를 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 입력감지방법
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