KR20140123508A - 디스플레이 모니터를 갖는 초음파 터치 센서 - Google Patents

디스플레이 모니터를 갖는 초음파 터치 센서 Download PDF

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KR20140123508A
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존 케이 슈나이더
잭 씨 키친스
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퀄컴 인코포레이티드
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Abstract

디스플레이 모니터 및 초음파 디바이스를 갖는 터치 스크린 모니터이다. 초음파 디바이스는 디스플레이 모니터의 표면과 접촉하는 생물학적 또는 다른 오브젝트의 표면 토폴로지를 검출하기 위해 압전 센서들을 사용하는 센서 어레이를 포함할 수도 있다. 디스플레이 모니터는 LCD 또는 LED 모니터일 수도 있다.

Description

디스플레이 모니터를 갖는 초음파 터치 센서{ULTRASONIC TOUCH SENSOR WITH A DISPLAY MONITOR}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2012년 2월 2일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/594,330호를 우선권 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 디스플레이와 접촉하는 오브젝트에 관한 정보를 수집하는 디바이스들 및 방법들에 관한 것이다.
종래 기술에서, 터치 스크린 모니터들은 사용자들이 모니터 상에 디스플레이된 아이템들을 선택하는 것을 지원하는데 보통 사용된다. 아이템들을 선택하는 것은 포인팅 오브젝트, 이를테면 스타일러스 또는 손가락을 사용하여 일반적으로 수행된다. 이러한 터치 스크린 모니터들은 종종 포인팅 오브젝트가 디스플레이 모니터를 터치하는 로케이션을 식별하기 위해 커패시턴스 센서를 채용한다. 그러면 식별된 로케이션은 사용자가 식별하고 있는 것이 무엇인지를 결정하기 위하여 모니터 상에 디스플레이된 이미지들의 로케이션과 비교된다.
비록 이들 종래 기술 터치 스크린 모니터들이 신뢰성 있고 저렴하였지만, 종래 기술 디바이스들은 터치 이벤트를 신뢰성 있게 측정하는데 적합한 임의의 내장 감지 엘리먼트들을 포함하지 않고, 비록 많은 이들 종래 기술 디바이스들이 건조하고 깨끗한 환경들에서는 우수하지만, 그것들은 종종 더럽고, 습하거나 또는 불리한 조건들에서 작동되지 않는다.
본 발명은, 시각적 이미지를 제공하는 디스플레이 모니터, 및 초음파 에너지 파를 방출할 수 있고 반사된 초음파 에너지를 검출할 수 있는 초음파 디바이스를 갖는 터치 스크린 디스플레이로서 실시될 수도 있다. 디스플레이 모니터는 시각적 이미지를 제공하는 발광 다이오드들, 또는 시각적 이미지를 제공하는 액정 디스플레이를 포함할 수도 있다.
초음파 디바이스는 초음파 에너지 파를 방출하는 압전 송신기를 포함할 수도 있다. 또한, 초음파 디바이스는, 반사된 초음파 에너지를 검출하는 압전 검출기, 이를테면 하이드로폰 (hydrophone) 어레이를 포함할 수도 있다. 그 검출기는 반사된 초음파 에너지를 검출하는 박막 트랜지스터 수신기를 포함할 수도 있다.
디스플레이 모니터는 컴포넌트들의 층들로 구성될 수도 있고, 초음파 디바이스는 적어도 하나의 층으로 구성될 수도 있다. 초음파 디바이스는 디스플레이 모니터 층들 중 하나 이상에 부착될 수도 있다.
초음파 디바이스는 반사된 초음파 에너지를 검출하는 복수의 수신기들을 포함할 수도 있다. 본 발명의 하나의 실시형태에서, 각각의 초음파 에너지 수신기는 픽셀을 구성하는 디스플레이 모니터의 엘리먼트들 사이에 위치된다.
본 발명의 본질 및 목적들의 더 완전한 이해를 위해, 첨부 도면들 및 후속 설명이 참조되어야 한다. 요컨대, 도면들 중에서:
도 1은 본 발명에 따른 터치 스크린 디스플레이를 생성하기 위해 온셀 (on-cell) 초음파 디바이스가 백라이트형 (backlit) LCD 디스플레이 모니터에 통합된 디바이스의 전개도이다.
도 2는 본 발명에 따른 터치 스크린 디스플레이를 생성하기 위해 온셀 초음파 디바이스가 OLED 디스플레이에 통합된 디바이스의 전개도이다.
도 3은 본 발명에 따른 터치 스크린 디스플레이를 생성하기 위해 인셀 (in-cell) 초음파 디바이스가 백라이트형 LCD 디스플레이에 통합된 디바이스의 전개도이다.
도 4는 본 발명에 따른 터치 스크린 디스플레이를 생성하기 위해 인셀 초음파 디바이스가 OLED 디스플레이에 통합된 디바이스의 전개도이다.
도면들에서, 다음의 참조 번호들이 발견될 수 있고, 그것들은 다음을 나타낸다:
1: 스커프 내성 유리
2: 연속 전극 (예컨대 TCF (transparent conductive film, 이를테면 IZO, ITO 등)
3: PVDF 또는 PVDF-TrFE 압전 중합체 (polymer)
5: 컬러 필터 유리 (5A, 5B 및 5C는 단순히 유리 내의 3 RBG 컬러 필터들이다)
6: TFT (Thin Film Transistor) 회로
7: TFT 기판 (예컨대 유리)
8: 압전 송신기
9: 편광 필터
10: 액정
11: 배면 조명 패널
12: 전극 패드 (예컨대 TCF)
13: 연속 전극 (예컨대 TCF)
14: 투광성 비도전성 충전제 재료
본 발명은 초음파 스캐닝 디바이스들 및 디스플레이 모니터들에 관련된다. 디스플레이 모니터와 접촉하는 오브젝트에 관한 정보가 초음파 에너지에 의해 수집된다. 초음파 에너지는, 포인팅 오브젝트가 디스플레이 모니터와 접촉할 수도 있는 디스플레이 모니터의 표면 쪽으로 전송된다. 초음파 에너지가 포인팅 오브젝트에 도달하는 경우, 초음파 에너지의 적어도 일부는 초음파 에너지 수신기 쪽으로 반사된다. 그 수신기는 반사된 에너지를 검출하며, 반사된 에너지가 감지되었음을 나타내는 신호를 송신한다. 송신된 신호를 사용하여, 오브젝트에 관한 정보가 결정된다. 그 정보는, (a) 포인팅 오브젝트의 로케이션, (b) 포인팅 오브젝트의 표면의 텍스처에 관한 정보, 및/또는 포인팅 오브젝트 내에 존재하지만 포인팅 오브젝트의 표면 상에는 존재하지 않는 특징부들의 구조에 관한 정보 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
본 발명의 하나의 실시형태에서, 초음파 디바이스는 디스플레이 모니터에 부착된다. 예를 들어, 초음파 디바이스는 디스플레이 모니터의 일부분에 적층 (laminate) 될 수도 있다. 초음파 디바이스 및 디스플레이 모니터의 조합은 본원에서 "터치 스크린 디스플레이"라고 지칭된다. 터치 스크린 디스플레이는, 이미지를 식별하고 그에 의해 식별된 이미지에 의해 표현된 옵션 (이를테면 소프트웨어 애플리케이션) 을 선택할 목적으로, 포인팅 오브젝트의 움직임을 추적하고 그에 의해 커서가 디스플레이 모니터 상에 디스플레이되게 하기 위하여, 제 1 시간에 포인팅 오브젝트의 로케이션을 결정한 다음, 제 2 시간에 포인팅 오브젝트의 로케이션을 결정하는데 사용될 수도 있다.
포인팅 오브젝트는 포인팅 오브젝트의 소유자를 식별하는데 사용될 수 있는 특성들을 식별하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 포인팅 오브젝트는 손가락일 수도 있고, 식별 특성들은 지문일 수도 있다. 터치 스크린 디스플레이는 터치 스크린 디스플레이의 사용자를 식별하기 위하여 지문을 검출하는데 사용될 수도 있다. 이런 방식으로, 터치 스크린 디스플레이는 승인된 사용자들에게만 이용가능하게 될 수도 있거나, 또는 터치 스크린 디스플레이는 그 특정 사용자에 의해 선호될 것이라고 믿어지는 방식으로 이미지들을 디스플레이하도록 야기될 수도 있다. 이런 방식으로, 터치 스크린 디스플레이는 특정 사용자의 선호들에 개인맞춤 (personalization) 될 수도 있다.
어구 "인셀 (in-cell)" 터치 스크린 디스플레이는 본원에서는 집합적으로 디스플레이 모니터의 픽셀을 구성하는 엘리먼트들의 그룹 내에 위치된 초음파 디바이스를 갖는 터치 스크린 디스플레이를 말하는데 사용된다. 예를 들어, 각각의 초음파 수신기는 단일 픽셀을 구성하는 디스플레이 모니터의 엘리먼트들 사이에 위치된다.
어구 "온셀" 터치 스크린 디스플레이는 본원에서는 디스플레이 모니터를 포함하는 층들 중 하나의 층의 표면에 연결된 초음파 디바이스를 갖는 터치 스크린을 말하는데 사용된다. 예를 들어, 이러한 온셀 터치 스크린 디스플레이에서, 초음파 디바이스가 부착되는 디스플레이 모니터의 층은 일반적으로 노출되는 층일 수도 있거나, 또는 디스플레이 모니터의 내부 층일 수도 있다. 이 개시물의 목적을 위해, 어구 "아웃셀 (out-cell)" 터치 스크린 디스플레이는 "온셀" 터치 스크린 디스플레이의 특정 유형을 말하는데 사용되며, 그로 인해 초음파 디바이스는, 디스플레이 모니터의 임의의 보호성 스커프 내성 (scuff resistant) 표면 층을 제외하고는, 디스플레이 모니터 내부에 있지 않은 디스플레이 모니터의 층에 부착된다.
초음파 디바이스는, 초음파 센서를 사용하여 지문에 관한 정보를 캡처한 다음, 지문에 관한 정보가 식별 목적으로 이전에 획득된 지문 정보와 비교될 수 있고 및/또는 지문의 시각적 이미지를 디스플레이하는데 사용될 수 있는 것들과 같은 초음파 지문 이미징 시스템일 수도 있다. 초음파 센서는 초음파 펄스 또는 그 펄스들의 집합을 송신한 다음, 송신된 펄스(들)의 반사된 부분을 검출한다. 이러한 초음파 지문 이미징 시스템들은 비교적 간단하고 신뢰성이 있다. 하나의 이러한 시스템의 일 예는 Ultra-Scan Corporation에 의해 제조된 모델 203이다.
초음파 디바이스는 포인팅 오브젝트에 의해 반사된 에너지를 검출하기 위해 복수의 검출기들을 채용할 수도 있다. 각각의 검출기는 초음파 디바이스, 디스플레이 모니터, 또는 양쪽 모두를 구성하는 컴포넌트들의 특성일 수도 있는 고정된 패턴의 노이즈 영향들을 제거하기 위해 제각기 교정될 수도 있다. 이들 영향들은 증폭기들에서의 차이들에서 발생할 수도 있는 검출기들 사이의 변동들, 뿐만 아니라 제조 프로세스 (예컨대 접착제, 오염물들 등) 에서 발생하는 변동들을 포함할 수도 있다. 디스플레이 모니터의 픽셀들 사이의 변동들에 의해 야기된 초음파 감쇠에서의 변동들은, 초음파 센서에 의해 수신된 고정된 패턴 노이즈의 비변경 부분으로서 검출될 것이고, 이러한 고정된 패턴 노이즈는 반사된 에너지가 수신기에 의해 감지되었음을 나타내기 위해 수신기에 의해 송신된 신호들의 분석 동안에 제거될 수 있다. 일단 고정된 패턴 노이즈가 제거되면, 초음파 센서에 의해 분석된 표면을 나타내는 "깨끗한" 신호가 생성된다.
초음파 디바이스는 타이밍 신호들을 공급하는 전자 제어 시스템을 포함할 수도 있다. 이들 타이밍 신호들의 일부는 초음파 디바이스로 하여금 초음파 에너지 펄스를 방출하게 하는데 사용될 수도 있다. 이들 타이밍 신호들 중 다른 것들은, 초음파 디바이스에 의해 검출된 반사된 초음파 에너지 중 어느 것이 포인팅 오브젝트가 배치될 수도 있는 표면에 관련된 것인지의 결정이 이루어지는, "레인지 게이팅 (range gating)"이라고 일반적으로 지칭되는 프로세스에서 사용될 수도 있다. 레인지 게이팅의 논의는 음파탐지기, 레이더, 또는 초음파 비파괴 검사에 대한 많은 신뢰성 있는 문서들에서 발견될 수도 있다.
그 다음에 타이밍 신호들, 펄스 생성 개시 및 TFT 센서 신호 독출은 보호 플라스틱 필름 플래튼 (platen) 과 접촉하는 오브젝트의 이미지로 추가로 프로세싱될 수도 있다.
현재 시판중인 디스플레이 모니터들은 시각적 이미지를 사용자에게 제시하기 위한 발광 다이오드들 및 액정 디스플레이들을 사용하는 것들을 포함한다. 이러한 디스플레이 모니터들은 경량이며, 얇고, 평평하고, 신뢰성 있고 저렴하다. 이러한 디스플레이 모니터가 초음파 디바이스와 조합되는 경우, 결과적인 터치 스크린 디스플레이는 손가락을 사용하여 디스플레이 상의 이미지를 가리키는 능력을 제공하고, 개인용 컴퓨터들 및 개인휴대 정보단말들과 연계하여 사용되는 터치패드들에 의해 현재 제공된 것들과 유사한 능력들을 제공한다.
본 발명의 개요를 제공하였고, 부가적인 세부사항들이 이제 제공될 것이다.
디스플레이 모니터의 해상도 및 초음파 디바이스의 해상도가 동일해야만 한다는 요건은 없다. 이는, 예를 들어, 디스플레이 모니터의 해상도가 인치 당 100 도트일 수도 있고 초음파 디바이스는 인치 당 10 도트일 수도 있는 시스템들, 또는 애플리케이션에 편리한 임의의 다른 조합을 허용한다. 그러나, 인셀 시스템들은 컬러 디스플레이 모니터 픽셀을 구성하는 3-컬러 그룹 내에 초음파 디바이스의 수신기들을 두고, 이에 따라 3-컬러 디스플레이 픽셀 컴포넌트들로의 초음파 수신기의 부가는 일반적으로 일 대 일 수신기 대 픽셀 그룹 관계를 가지지만, 일 대 일 연관은 필요하지 않다. 예를 들어, 일부 디스플레이 모니터 픽셀들로부터의 초음파 수신기 그룹들의 생략은 디스플레이 모니터 및 초음파 디바이스에 대한 상이한 피치 간격을 허용할 것이다.
LCD 디스플레이 모니터에 연결된 압전 이미징 시스템을 갖는 온셀 터치 디스플레이의 실시형태가 도 1에 묘사되어 있다. 에지형 백라이트 패널 (11) 에는 압전 필름 송신기 (8) 가 부착된다. 압전 송신기 (8) 에 대향하는 백라이트 패널 (11) 의 표면상에는, 글라스 기판 (7) 상의 TFT (6) 이 부착된다. 이것 위에는 액정 재료의 층 (10) 이 있다. 이것 바로 위에는 컬러 필터 (5) 에 부착된 투명 도전 막 (transparent conductive film; TCF) 층 (13) 이 있고, 그 상단에는 또한 도전성 TCF 층 (2) 을 가진다. 이 TCF 층 (2) 에는 압전 중합체 (또는 공중합체) 층 (3) 이 있다. 개개의 TCF 패드들 (2) 의 패턴이 압전 중합체 층 (3) 에 또는 교대로 편광 필터 (9) 에 적용되고, 외부 표면은 스커프 내성 유리 또는 플라스틱 층 (1) 을 수용한다. 결과적인 터치 스크린 디스플레이는 대부분의 LCD 디스플레이들과 유사한 방식으로 동작하고, TFT 상의 TFT 패턴형 TCF 전극 [명시적으로 도시되지 않지만 TFT 자체의 부분임], 및 연속 공통 평면 전극 (13) 사이의 전압은 각각의 디스플레이 픽셀이 광 편광기들을 사용하여 턴 온 또는 오프되는 것을 허용한다. 편광 필터를 통과한 광이 제 1 편광기에 90도 각도로 배향된 제 2 편광기로 전해지면, 그 광은 완전히 차단될 것이고 제 2 편광기를 통과하지 못할 것이다. LCD 디스플레이는 일반적으로 플라스틱 시트인 고정된 편광 필터를 사용하며, 제 2 편광 필터는 액정 재료 자체이다. 전압이 인가되면, 그 전압은 광을 편광시키며 이에 의해 광이 방출되는 것을 방지하고, 전압이 인가되지 않으면 광은 통과하는 것이 허용된다. 초음파 특징부들은 압전 필름 송신기가 초음파 에너지 펄스를 발생하는 경우 작동하기 시작한다. 초음파 에너지 펄스는 다양한 층들을 통해 외부 대면 (facing) 표면 (이 경우, 스커프 내성 유리 또는 플라스틱) 으로 이동하며, 그 외부 대면 표면에서 초음파 에너지 펄스의 적어도 부분은 다시 아래로 반사되며, 그 외부 대면 표면 및 그 표면과 접촉하는 임의의 오브젝트들의 초음파 임피던스에 관한 정보를 가지고 간다. 반사된 초음파 에너지 펄스는 압전 중합체 필름 (3) 및 그것과 접촉하는 2 개의 TCF 전극 층들, 연속 전극 (2) 과 전극 어레이 (12) 양쪽 모두로 이루어진 하이드로폰 어레이에 의해 검출된다. 트레이스 도전체들은, 초음파 디바이스가 하이드로폰 어레이의 각각의 초음파 어레이 수신기 엘리먼트에 연관된 개개의 초음파 신호들에 대응하는 신호를 생성하고 송신하는 것을 허용하는 전자기기 (미도시) 와 전극 어레이 (2) 를 상호접속시킨다.
도 2는 온셀 터치 스크린 디스플레이의 대안적인 실시형태를 묘사한다. 그 실시형태에서, 디스플레이 모니터에 연관된 디스플레이의 액정 층 (10) 및 연관된 TCF 전극들은 필요하지 않다. 백라이트 층 (11) 도 또한 필요하지 않은데, TFT 디스플레이가, 직접 점등되고 디스플레이를 조명하는 OLED 엘리먼트들을 포함하기 때문이다. 이 경우에 초음파 송신기는 TFT 기판 유리의 배면에 부착될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태를 묘사한다. 이 실시형태에서, 터치 스크린 모니터는 인셀 터치 디스플레이이다. 에지형 백라이트 패널 (11) 에는 압전 필름 송신기 (8) 가 부착된다. 압전 송신기 (8) 에 대향하는 백라이트 패널 (11) 의 표면상에는, 글라스 기판 (7) 상의 TFT (6) 이 부착된다. 이 TFT (6) 는 많은 회로들을 가진다. 개개의 픽셀들은 3 개의 LCD 제어 증폭기들 및 하나의 초음파 수신기 회로의 그룹들이다. 초음파 수신기는 그것에 접합된 압전 중합체를 더 가진다. 이 위에는 액정 재료의 층 (10) 이 있다. 이 위에는 수신기를 위한 공통 전극으로서 및 LCD 드라이버 회로들을 위한 공통 전극으로서 사용되는 연속 전극 (TCF) (2) 이 있다. 이 TCF는 컬러 필터 (5) 에 부착될 수도 있다. 스택에서의 (도 3에서) 다음의 적층은 편광 필터 (9) 이고 최종적으로 외부 표면이 스커프 내성 유리 또는 플라스틱의 층 (1) 을 수용한다. 이 디스플레이는 대부분의 LCD 디스플레이들과 유사한 방식으로 동작하고, TFT 상의 TFT 패턴형 TCF 전극 및 연속 공통 평면 전극 (2) 사이의 전압은 각각의 디스플레이 픽셀이 턴 온 또는 오프되는 것을 허용한다.
본 발명에 따른 인셀 터치 디스플레이의 다른 실시형태가 도 4에 묘사되어 있다. TFT 회로 (7) 의 기판의 배면에는, 압전 필름 송신기 (8) 가 부착된다. TFT 회로 (7) 는 개개의 컬러 픽셀들을 구성하는 셀들의 그룹들로 구성될 수도 있으며, 각각의 픽셀은 3 개의 광 방출 셀들 및 하나의 초음파 센서 셀로 구성된다. 초음파 센서 셀 TFT에 부착된 것은, TCF 전극 (2), 압전 중합체의 층 (3), 및 TFT 전체에 걸쳐 연속하는 다른 TCF 필름 전극 (12) 으로 구성되는 3층 적층물일 수도 있다. 투광성 절연 재료 (14) 가 (도 4에서) OLED들 위에서 그 OLED들을 광 방출 디스플레이 회로들 및 TCF (2) 로부터 분리하기 위해 사용될 수도 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 이 위에는 적색-녹색-청색 디스플레이 컬러를 허용하는 컬러 필터 유리 (5) 가 있다. 스커프 내성 표면 층 (1) 이 그 스택을 물리적 마모 및 기계적 손상으로부터 보호한다. 비록 광 픽셀 및 초음파 센서 픽셀 사이에 일 대 일 관계가 설명되지만, 초음파 디바이스의 해상도를 변경하기 위해 다양한 센서 픽셀들을 생략하는 것이 용이할 것이라는 것에 주의해야 한다.
비록 본 발명이 하나 이상의 특정 실시형태들에 관해 설명되고 있지만, 본 발명의 다른 실시형태들이 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남 없이 만들어질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부의 청구항들 및 그것들의 합리적인 해석에 의해서만 제한된다고 간주된다.

Claims (9)

  1. 터치 스크린 디스플레이로서,
    시각적 이미지를 제공하는 디스플레이 모니터; 및
    초음파 에너지 파를 방출할 수 있고 반사된 초음파 에너지를 검출할 수 있는 초음파 디바이스를 포함하는, 터치 스크린 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모니터는 시각적 이미지를 제공하는 발광 다이오드들을 포함하는, 터치 스크린 디스플레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모니터는 시각적 이미지를 제공하는 액정 디스플레이를 포함하는, 터치 스크린 디스플레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 디바이스는 초음파 에너지 파를 방출하는 압전 송신기를 포함하는, 터치 스크린 디스플레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 디바이스는 반사된 초음파 에너지를 검출하는 압전 하이드로폰 어레이를 포함하는, 터치 스크린 디스플레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 디바이스는 반사된 초음파 에너지를 검출하는 박막 트랜지스터 수신기를 포함하는, 터치 스크린 디스플레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모니터는 층들로 구성되며, 상기 초음파 디바이스는 적어도 하나의 층으로 구성되고, 상기 초음파 디바이스는 상기 디스플레이 모니터의 층들 중 하나에 부착되는, 터치 스크린 디스플레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 디바이스는 반사된 초음파 에너지를 검출하는 복수의 수신기들을 포함하는, 터치 스크린 디스플레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각각의 초음파 에너지 수신기는 픽셀을 포함하는 상기 디스플레이 모니터의 엘리먼트들 사이에 위치되는, 터치 스크린 디스플레이.
KR1020147021105A 2012-02-02 2013-02-04 디스플레이 모니터를 갖는 초음파 터치 센서 KR101848541B1 (ko)

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