KR20110087058A - 정전용량형 촉각 스크린 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일 예에 따르면, 기판 상에 위치하며 외부의 가압에 의해 변형되고 복원되며 정전용량 형성이 가능한 탄성체층, 탄성체층 상면에 설치되어 상기 탄성체층을 보호하는 보호층, 기판의 하면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되는 복수의 하부 전극, 그리고 기판의 상면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되되, 상기 복수의 하부 전극과 대향되지 않게 설치되는 복수의 상부 전극을 포함하여 정전용량형 촉각 스크린을 구성한다. 이러한 본 발명은 투명한 재료(소재)로 터치 스크린을 구성하여 전체적인 투과도를 높이면서, 2개의 전극을 이용하여 정전용량을 발생시킴으로써 제조 단가를 낮출 수 있고, 터치 위치와 터치에 의해 눌려지는 힘의 크기를 동시에 인식할 수 있게 한다.

Description

정전용량형 촉각 스크린{CAPACITANCE TOUCH SCREEN}
본 발명은 정전용량 터치 제어 디스플레이 패널에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 도체에 의한 터치를 정전용량 방식을 통해 감지하는 정전용량 촉각 스크린(예; 터치 스크린, 터치 패드 등) 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 기업맞춤형 정보전자 패키지 핵심기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2009-S-001-01, 과제명: 정보가전용 차세대 Input Device 기술개발].
일반적으로, 디스플레이 제품은 사용자의 명령을 입력받기 위한 적어도 하나의 구성을 가지며, 이러한 구성의 종류로는 버튼, 리모콘, 터치 패드, 터치 스크린 등이 있다.
이 중 터치 스크린(또는 터치 패드)은 PDA(Personal Digital Assistant) 제품(예; 스마트폰, PDA 폰 등)이나 팜 사이즈 PC(Palm-Size PC), 은행의 ATM(Automated Teller Machine) 기기 등에 주로 사용되고 있다.
터치 스크린(또는 터치 패드)은 화면 상에 문자나 아이콘 등을 표시하고 사용자가 손가락이나 스타일러(또는 터치 펜) 등으로 문자나 아이콘을 터치하게 하여 사용자가 원하는 기능을 입력하거나 조작할 수 있게 한다.
이러한 터치 스크린(터치 패드)은 대표적으로 저항막 방식, 전기-자기장 방식과, 정전용량 방식이 있다.
정전용량 방식은 미국등록번호 제5,942,733호에 그 일 예가 기재되어 있다. 5,942,733호에 기재된 정전용량 방식을 도 1을 참조로 하여 설명한다. 도 1은 종래에 따른 정전용량 방식이 적용된 터치 패드의 구조를 보인 일 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 정전용량 방식은 3개의 전극 즉, 전극 그라운드면(24), 상부 전극(18), 그리고 상부 전극(18)에 직교하는 하부 전극(14)을 가진다. 전극 그라운드면(24)은 상부 플렉서블층(26) 바로 아래 위치하여 스타일러스(28)의 누름(즉, 터치)에 따라 상부 전극(18)과 하부 전극(14)측으로 변형된다.
따라서, 종래의 정전용량 방식은 스타일러스(28)에 의해 눌려질 때에 발생되는 전극 그라운드면(24)과 상부 전극(18) 간의 정전용량과 그라운드면(24)과 하부 전극(14) 간의 정전용량의 변화를 측정하여 스타일러스(28)에 의해 눌려지는 X축(가로) 위치와 Y축(세로) 위치를 인식한다.
그런데 제5,942,733호에 기재된 정전용량 방식의 터치 패드 구조는 투명 전극과 투명 기판을 사용하지 않기 때문에 디스플레이용 터치 스크린으로 적용할 수 없는 단점이 있다.
또한 제5,942,733호에 기재된 정전용량 방식의 터치 패드 구조에 투명 전극을 이용하여 디스플레이용 터치 스크린에 적용하더라도, 투명전극 막이 3층 이상으로 형성되어지기 때문에 터치 스크린의 전체적인 투과도가 낮아지고, 제조 단가가 높아지는 단점이 있다.
그리고 종래의 정전용량 방식은 2차원적으로 위치 즉, 좌표를 계산하여 인지할 수 있지만, 사용자가 누른 힘이나 압력을 인식할 수 없다. 이는 3차원의 사용자 인터페이스를 구현하기 위해 더욱 많은 접촉을 필요로 하거나 디스플레이 화면에 다양한 메뉴를 표시하고자 하는 경우에 대응하기 어려운 단점이 있다.
미국등록번호제5,942,733호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2개의 전극을 이용하여 제조 단가를 낮추는 정전용량형 촉각 스크린을 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 터치 위치와 터치에 의해 눌려지는 힘의 크기를 동시에 인식할 수 있는 정전용량 촉각 스크린을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 일 특징에 따른 본 발명은 하측에 위치한 기판, 상기 기판 상에 위치하며 외부의 가압에 의해 변형되고 복원되며 정전용량 형성이 가능한 탄성체층, 상기 탄성체층 상면에 설치되어 상기 탄성체층을 보호하는 보호층, 상기 기판의 하면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되는 복수의 하부 전극, 그리고, 상기 기판의 상면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되되, 상기 복수의 하부 전극과 대향되지 않게 설치되는 복수의 상부 전극을 포함하는 정전용량형 촉각 스크린을 제공한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 특징에 따른 본 발명은 하측에 위치한 기판, 상기 기판 상에 위치하며 외부의 가압에 의해 변형되고 복원되며 정전용량 형성이 가능한 탄성체층, 상기 탄성체층 상면에 설치되어 상기 탄성체층을 보호하는 보호층, 상기 보호층의 하면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되는 복수의 상부 전극, 그리고 상기 기판의 상면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되되, 상기 복수의 상부 전극과 대향되지 않게 설치되는 복수의 하부 전극을 포함하는 정전용량형 촉각 스크린을 제공한다.
상기에서, 기판, 상기 보호층, 상기 복수의 상부 전극, 상기 복수의 하부 전극, 상기 탄성체층은 투명한 소재로 제작될 수 있다.
그리고 탄성체층은 유기 실리콘 계열의 LSR(Liquid Silicon Rubber), 실리콘 겔 또는 실란트 중 하나로 이루어지고, 상기 보호층은 폴리머 보호 필름으로 이루어진다.
또한 상기 상부 전극은 이웃하는 상기 상부 전극과 서로 일부분이 연결되고, 상기 하부 전극은 이웃하는 상기 하부 전극과 서로 일부분이 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 투명한 재료(소재)로 터치 스크린을 구성하여 전체적인 투과도를 높이면서, 2개의 전극을 이용하여 정전용량을 발생시킴으로써 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 터치 위치와 터치에 의해 눌려지는 힘의 크기를 동시에 인식할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5와 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 압축 탄성재료 시트별 하중에 따른 압축 변위를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 압축 탄성재료 시트의 보호 필름 두께별 하중에 따른 압축 변위율 및 복원율을 보인 도표이다.
도 8은 도 7에 도시된 표에서 압축 변위를 그래프로 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이제, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린을 설명하기로 한다.
우선 도 1을 참조로 하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량 촉각 스크린을 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 다른 정전용량형 촉각 스크린은 하측에 유리 기판(13)이 위치하고, 유리 기판(13) 상에 탄성체층(12)이 설치되며, 탄성체층(12)의 상면에 보호층(11)이 형성된다.
유리 기판(13)은 불투명 또는 투명한 유리 기판으로, 복수의 상부 투명 전극(14)과 복수의 하부 투명 전극(15)이 일정 간격으로 형성되며, 복수의 상부 투명 전극(14)은 2개의 유리 기판(13)의 상면에 형성되고, 복수의 하부 투명 전극(15)은 유리 기판(13)의 하면에 형성된다.
이때 하나의 상부 투명 전극(14)은 이웃하는 하나의 상부 투명 전극(14)과 전기적으로 연결되어 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이 이웃하는 2개의 상부 투명 전극(14)은 하나의 꼭지점이 각각 연결된다. 그리고 하부 투명 전극(15) 또한 상부 투명 전극(14)과 마찬가지로 동일한 형태로 이웃하는 하나의 하부 투명 전극(15)과 전기적으로 연결되어 있다.
여기서, 하나의 상부 투명 전극(14)과 하나의 하부 투명 전극(15)은 하나의 터치 셀을 형성하되, 터치 셀을 이루는 하나의 상부 투명 전극(14)과 하나의 하부 투명 전극(15)을 대향되지 않게 한다. 즉, 상부 투명 전극(14)과 하부 투명 전극(15) 간에 중첩되는 면적이 없게 한다. 여기서 터치 셀이란 촉각 스크린 상에서 사용자의 터치를 감지하는 최소 단위로, 즉, 정전용량을 발생을 인식할 수 있는 최소 면적이다.
따라서 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량 촉각 스크린의 터치 셀은 격자 모양(즉, 바둑판 모양)을 나타낸다.
탄성체층(12)은 손가락 등에 의해 눌려지는 힘에 쉽게 변형이 되고 우수한 복원력을 갖는 소재로 이루어지며, 손가락 등과 같이 전류를 제공하는 매체가 접촉하는 경우에 도체와 2개의 전극(상부 투명 전극, 하부 투명 전극) 사이에 정전용량을 발생시킨다. 이러한 탄성체층(12)은 전극, 고무 또는 겔(gel)과 같은 투명 압축 탄성 시트로 구성되며, 이때 투명 압축 탄성 시트는 예컨대, (폴리) 디메틸실옥산을 기반으로 한 유기 실리콘 계열의 LSR(Liquid Silicon Rubber), 실리콘 겔(gel) 또는 실란트 등의 재료로 이루어진다.
그리고 보호층(11)은 폴리머 보호 필름으로 구성된다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리(즉, 터치 위치 및 힘 감지 원리)를 도 2를 참조로 하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 사용자가 손가락을 터치 셀에 접촉하게 되면 손가락은 상부 투명 전극(14)과 하부 투명 전극(15) 각각에 대하여 대향 전극으로 작용한다.
따라서 상부 투명 전극(14)과 하부 투명 전극(15)에 전압(교류 성분)(또는 교류 전류 또는 주파수 등)을 인가하는 경우에, 손가락과 상부 투명 전극(14)의 사이와 및 손가락과 하부 투명 전극(15) 사이에 정전용량이 각각 형성된다. 즉, 손가락과 상부 투명 전극(14)은 커패시터(Cy)로 작용하고, 손가락과 하부 투명 전극(15)은 커패시터(Cx)로 작용한다.
이때 각 커패시터(Cx, Cy)에서의 정전용량(C)은 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 ε0는 진공의 유전율(8.85pF/m), εr은 물질(예; 손가락)의 비유전율, A는 전극의 면적, d는 양전극의 간격이다.
따라서 손가락을 터치하는 경우에 해당 터치 셀에서는 수학식 1에 따라 커패시터(Cx)와 커패시터(Cy) 각각에서 정전용량이 발생하고, 각 커패시터(Cx, Cy)에서 발생한 정전용량에 대응하는 전기적 신호가 발생된다.
이때 상부 투명 전극(14)과 하부 투명 전극(15)에 동시에 전압을 인가하게 되면, 터치 셀에서는 커패시터(Cx, Cy)에서 발생한 총 정전용량에 대응하는 전기적 신호가 발생하게 된다. 이러한 전기적 신호의 발생은 어떤 위치의 터치 셀이 사용자의 손가락에 의해 터치 되었는지를 파악할 수 있게 하며, 예컨대 이 경우에 터치 셀을 기준으로 터치 위치를 감지하게 된다. 물론, 터치 셀의 위치 파악을 위해서는 각 터치 셀에 인가하는 전압을 순차적으로 달리하게 될 것이다.
반면에, 상부 투명 전극(14)과 하부 투명 전극(15)에 시간 간격을 두어 전압을 인가하게 되면, 터치 셀에서는 커패시터(Cx)에서 발생한 정전용량에 대응하는 전기적 신호와, 커패시터(Cy)에서 발생한 정전용량에 대응하는 전기적 신호가 각각 발생하게 된다. 이러한 각 터치 셀마다 서로 다른 시간차로 발생되는 커패시터별 전기적 신호는 어떤 위치에 사용자의 손가락에 의해 터치 되었는지를 파악할 수 있게 하며, 예컨대 이 경우에 커패시터(Cy)의 전기적 신호로 x축 위치를 파악하고, 커패시터(Cx)의 전기적 신호로 y축 위치를 파악하게 된다. 물론, 이 경우에도 터치 셀을 기준으로 각각의 터치 셀의 상부 투명 전극(14)에 인가되는 전압은 서로 다른 시간차로 전압이 순차적으로 인가되고, 하부 투명 전극(15)에 인가되는 전압 또한 서로 다른 시간차로 전압이 순차적으로 인가될 것이다.
따라서, 전기적 신호가 발생된 터치 셀을 파악하는 것으로 손가락 터치 유무와 터치 위치를 파악할 수 있게 되며, 전기적 신호의 크기를 통해 해당 터치 셀의 정전용량값을 파악할 수 있게 된다.
도 2의 (b)는 정전용량값을 통해 손가락이 누르는 힘을 파악하는 원리를 설명하고 있다.
우선, 도 2의 (a)와 같이, 손가락에 힘을 가하지 않고 터치하는 경우에 얻어지는 정전용량을 초기 정전용량이고 하자. 그런데 도 2의 (b)와 같이 손가락에 힘을 주어 누르면, 보호층(11) 및 탄성체층(12)은 손가락이 누르는 힘에 비례하여 변형된다.
이렇게 탄성체층(12)이 변형되면, 손가락과 상부 투명 전극(14) 및 손가락과 하부 투명 전극(15) 간의 간격이 감소한다. 그러므로 수학식 1을 통해 보면, 양전극 간의 거리(d)가 감소함에 따라 정전용량(C)의 값은 커지는 방향으로 변하게 된다.
그러므로 손가락으로 누르는 경우에 터치 셀에서 작용하는 손가락과 상부 투명 전극(14) 간의 커패시터를 Cload1이라고 하고, 손가락과 하부 투명 전극(15) 간의 커패시터를 Cload2라고 하면, 손가락으로 누르는 힘이 클수록 터치 셀의 커패시터(Cload1 및 Cload2)의 정전용량값은 커지게 된다.
결국 초기 정전용량값을 기준으로 변화된 정전용량값의 차이를 파악하면 손가락으로 누르는 힘의 크기를 파악할 수 있게 된다.
다음으로, 도 3과 도 4를 참조로 하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구조도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 다른 정전용량형 촉각 스크린은 하측에 유리 기판(23)이 위치하고, 유리 기판(23) 상에 탄성체층(22)이 설치되며, 탄성체층(12)의 상면에 보호층(21)이 형성된다.
유리 기판(23)은 투명 또는 불투명한 유리 기판으로, 상면에 복수의 하부 투명 전극(25)이 일정 간격으로 형성되어 있다. 그리고 하부 투명 전극(25)에 대응하여, 보호층(21)의 하면에 일정 간격으로 복수의 상부 투명 전극(24)이 형성되어 있다.
이때 하나의 상부 투명 전극(24)은 이웃하는 하나의 상부 투명 전극(24)과 전기적으로 연결되어 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 이웃하는 2개의 상부 투명 전극(24)은 하나의 꼭지점이 각각 연결된다. 그리고 하부 투명 전극(25) 또한 상부 투명 전극(24)과 마찬가지로 동일한 형태로 이웃하는 하나의 하부 투명 전극(25)과 전기적으로 연결되어 있다.
여기서 복수의 상부 투명 전극(24)과 복수의 하부 투명 전극(25)을 형성함에 있어서, 하나의 상부 투명 전극(14)과 하나의 하부 투명 전극(15)이 하나의 터치 셀을 이루도록 형성하되, 터치 셀을 이루는 하나의 상부 투명 전극(24)과 하나의 하부 투명 전극(25)을 서로 대향되지 않게 한다. 즉, 상부 투명 전극(24)과 하부 투명 전극(25) 간에 중첩되는 면적이 없게 한다. 여기서 터치 셀이란 촉각 스크린 상에서 사용자의 터치를 감지하는 최소 단위로, 즉, 정전용량을 발생을 인식할 수 있는 최소 면적이다.
한편, 보호층(21)은 폴리머 보호 필름으로 구성된다.
탄성체층(22)은 손가락 등에 의해 눌려지는 힘에 쉽게 변형이 되고 우수한 복원력을 갖는 소재로 이루어지며, 2개의 전극(상부 투명 전극, 하부 투명 전극) 사이에 정전용량을 발생시킨다. 이러한 탄성체층(22)은 전극, 고무 또는 겔(gel)과 같은 투명 압축 탄성 시트로 구성되며, 이때 투명 압축 탄성 시트는 예컨대, (폴리) 디메틸실옥산을 기반으로 한 유기 실리콘 계열의 LSR(Liquid Silicon Rubber), 실리콘 겔 또는 실란트 등의 재료로 이루어진다.
이하에서는 이상과 같이 구성된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리(즉, 터치 위치 및 힘 감지 원리)를 도 4를 참조로 하여 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리는 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 구동 원리와 동일하다.
구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 사용자가 손가락을 터치 셀에 접촉하게 되면 손가락은 상부 투명 전극(24)과 하부 투명 전극(25) 각각에 대하여 대향 전극으로 작용한다.
따라서 상부 투명 전극(24)과 하부 투명 전극(25)에 전압을 인가하는 경우에, 손가락과 상부 투명 전극(24)의 사이와 및 손가락과 하부 투명 전극(25) 사이에 정전용량이 각각 형성된다. 즉, 손가락과 상부 투명 전극(14)은 커패시터(Cy)로 작용하고, 손가락과 하부 투명 전극(15)은 커패시터(Cx)로 작용한다.
이때 각 커패시터(Cx, Cy)에서의 정전용량(C)은 다음의 수학식 1과 같으며, 그에 따라 손가락을 터치하는 경우에 해당 터치 셀에서는 수학식 1에 따라 커패시터(Cx)와 커패시터(Cy) 각각에서 정전용량이 발생하고, 각 커패시터(Cx, Cy)에서 발생한 정전용량에 대응하는 전기적 신호가 발생된다.
이때 상부 투명 전극(24)과 하부 투명 전극(25)에 동시에 전압을 인가하게 되면, 터치 셀에서는 커패시터(Cx, Cy)에서 발생한 총 정전용량에 대응하는 전기적 신호가 발생하게 된다. 이러한 전기적 신호의 발생은 어떤 위치의 터치 셀이 사용자의 손가락에 의해 터치 되었는지를 파악할 수 있게 하며, 예컨대 이 경우에 터치 셀을 기준으로 터치 위치를 감지하게 된다. 물론, 터치 셀의 위치 파악을 위해서는 각 터치 셀에 인가하는 전압을 순차적으로 달리하게 될 것이다.
반면에, 상부 투명 전극(24)과 하부 투명 전극(25)에 시간 간격을 두어 전압을 인가하게 되면, 터치 셀에서는 커패시터(Cx)에서 발생한 정전용량에 대응하는 전기적 신호와, 커패시터(Cy)에서 발생한 정전용량에 대응하는 전기적 신호가 각각 발생하게 된다. 이러한 각 터치 셀마다 서로 다른 시간차로 발생되는 커패시터별 전기적 신호는 어떤 위치에 사용자의 손가락에 의해 터치 되었는지를 파악할 수 있게 하며, 예컨대 이 경우에 커패시터(Cy)의 전기적 신호로 x축 위치를 파악하고, 커패시터(Cx)의 전기적 신호로 y축 위치를 파악하게 된다. 물론, 이 경우에도 터치 셀을 기준으로 각각의 터치 셀의 상부 투명 전극(24)에 인가되는 전압은 서로 다른 시간차로 전압이 순차적으로 인가되고, 하부 투명 전극(25)에 인가되는 전압 또한 서로 다른 시간차로 전압이 순차적으로 인가될 것이다.
따라서, 전기적 신호가 발생된 터치 셀을 파악하는 것으로 손가락 터치 유무와 터치 위치를 파악할 수 있게 되며, 전기적 신호의 크기를 통해 해당 터치 셀의 정전용량값을 파악할 수 있게 된다.
도 4의 (b)는 정전용량값을 통해 손가락이 누르는 힘을 파악하는 원리를 설명하고 있다.
우선, 도 4의 (b)와 같이, 손가락에 힘을 가하지 않고 터치하는 경우에 얻어지는 정전용량을 초기 정전용량이고 하자. 그런데 도 4의 (b)와 같이 손가락에 힘을 주어 누르면, 보호층(21) 및 탄성체층(22) 및 상부 투명 전극(24)은 손가락이 누르는 힘에 비례하여 변형된다.
이렇게 탄성체층(12)이 변형되면, 손가락과 상부 투명 전극(14)은 동일하게 변형되므로, 손가락과 상부 투명 전극(14) 간의 거리는 변하지 않고, 손가락과 하부 투명 전극(15) 간의 간격이 감소하며, 그에 따라 손가락과 하부 투명 전극(15) 간 정전용량을 크게 변화시킨다.
결국, 손가락에 의해 눌려지는 힘은 손가락과 하부 투명 전극(15) 간 정전용량(Cload의 정전용량)에 반영되며, 이러한 Cload의 정전용량값을 파악하는 것으로 손가락으로 누르는 힘의 크기를 파악할 수 있게 된다.
이상의 설명을 통해 본 발명의 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린은 정전용량의 변화 및 변화 정도를 파악하는 것이므로, 손가락에 의해 눌려지는 힘에 따라 변화 정도를 달리하는 탄성체층(12, 22)에 의해 성능이 좌우된다.
즉, 탄성체층(12, 22)을 구성하는 재료가 어떠한 재료인지에 따라 성능이 좌우되는 것으로, 이는 도 5 내지 도 8을 통해서 알 수 있다.
도 5와 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 압축 탄성재료 시트별 하중에 따른 압축 변위를 나타낸 그래프이다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 압축 탄성재료 시트의 보호 필름 두께별 하중에 따른 압축 변위율 및 복원율을 보인 도표이다. 도 8은 도 7에 도시된 표에서 압축 변위를 그래프로 나타낸 도면이다.
탄성체층(12, 22)에 있어서 감도를 증진시킬 수 있는 인자는 유전율과 경도(압축-탄성 변형에 의한 변위율)에 의해 좌우된다. 이는 수학식 1에서 물질의 고유 특성인 비유전율과 기하학적인 인자인 양극간의 거리(d)에 의해 감도 성능을 좌우하기 때문이다.
물질의 비유전율(εr)이 높을 때에는 힘을 가하지 않고 접촉하는 경우에도 정전용량값이 높으면서 가한 힘에 대한 정전용량의 변화값도 커진다. 그리고 가한 힘에 대한 탄성체층(12, 22)의 압축-탄성 변형에 의한 변위율이 커지면 초기 정전용량값이 작다하더라도 상부 투명 전극과 하부 투명 전극 간의 거리가 작아지므로 가한 힘에 대한 큰 정전용량 변화값을 얻을 수 있다.
일반적으로 압축성이 큰 물질은 기계적 물성에 있어서 경도가 작아야 유리하다.
도 5와 도 6은 압축 탄성 재료로 이용하기 위해 다수의 실리콘 겔(gel)을 500um의 두께를 갖는 시트 형태로 제조한 후에 로드팁의 크기에 따라 인가한 힘(즉, 가압)에 의한 압축 변형을 나타낸 것이다. 여기서 겔 시트를 보호하기 위하여 각각 125um 및 300um 두께의 PET 필름을 사용하였다.
도 5와 도 6을 보면, 실리콘 겔의 종류에 따라 하중에 의해 압축되는 탄성변형(Elastic Deformation)량의 차이가 발생되는 것을 알 수 있다. 또한 형성된 겔 시트 위에 보호용 커버의 두께에 따라 탄성 변형량이 현저한 차이를 가짐을 알 수 있다.
겔 자체의 경도 및 시트 두께에 따른 굽힘 강도에 대한 변형량의 차이라고 판단된다. 이것은 실리콘 겔의 압축 탄성 변형율에 의해 정전용량형 촉각스크린에 있어서 누르는 힘에 대한 감도를 증가시키는 인자가 된다.
도 7과 도 8은 압축 탄성 변위가 가장 큰 실리콘 겔 4에 대하여 보호 필름 두께에 따른 인가 힘(즉, 가압)에 의한 변위율 및 힘을 제거한 후 복원율을 나타내고 있다.
도 7과 도 8을 보면, 보호 필름의 두께가 감소할수록 본 발명의 실시 예에 따른 정전용량형 촉각 스크린의 누르는 힘에 대한 감도는 우수하지만, 힘 제거에 의한 복원 및 하중 인가 제거 반복 테스트(신뢰성 테스트로써 반복 100만번 실행)에서 보호 필름의 두께가 증가할수록 우수함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
11 : 보호층 12 : 탄성체층
13 : 유리 기판 14 : 상부 투명 전극
15 : 하부 투명 전극

Claims (10)

  1. 하측에 위치한 기판,
    상기 기판 상에 위치하며 외부의 가압에 의해 변형되고 복원되며 정전용량 형성이 가능한 탄성체층,
    상기 탄성체층 상면에 설치되어 상기 탄성체층을 보호하는 보호층,
    상기 기판의 하면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되는 복수의 하부 전극, 그리고,
    상기 기판의 상면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되되, 상기 복수의 하부 전극과 대향되지 않게 설치되는 복수의 상부 전극을 포함하는 정전용량형 촉각 스크린.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판, 상기 보호층, 상기 복수의 상부 전극, 상기 복수의 하부 전극, 상기 탄성체층은 투명한 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄성체층은 유기 실리콘 계열의 LSR(Liquid Silicon Rubber), 실리콘 겔 또는 실란트 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보호층은 폴리머 보호 필름인 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 전극은 이웃하는 상기 상부 전극과 서로 일부분이 연결되고, 상기 하부 전극은 이웃하는 상기 하부 전극과 서로 일부분이 연결되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
  6. 하측에 위치한 기판,
    상기 기판 상에 위치하며 외부의 가압에 의해 변형되고 복원되며 정전용량 형성이 가능한 탄성체층,
    상기 탄성체층 상면에 설치되어 상기 탄성체층을 보호하는 보호층,
    상기 보호층의 하면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되는 복수의 상부 전극, 그리고,
    상기 기판의 상면에 일정한 간격으로 나란하게 설치되되, 상기 복수의 상부 전극과 대향되지 않게 설치되는 복수의 하부 전극을 포함하는 정전용량형 촉각 스크린.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판, 상기 보호층, 상기 복수의 상부 전극, 상기 복수의 하부 전극, 상기 탄성체층은 투명한 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
  8. 제6항 또는 제6항에 있어서,
    상기 탄성체층은 유기 실리콘 계열의 LSR(Liquid Silicon Rubber), 실리콘 겔 또는 실란트 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보호층은 폴리머 보호 필름인 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 전극은 이웃하는 상기 상부 전극과 서로 일부분이 연결되고, 상기 하부 전극은 이웃하는 상기 하부 전극과 서로 일부분이 연결되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 촉각 스크린.
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