KR20140145707A - 햅틱 터치 스크린 - Google Patents

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KR20140145707A
KR20140145707A KR20130068153A KR20130068153A KR20140145707A KR 20140145707 A KR20140145707 A KR 20140145707A KR 20130068153 A KR20130068153 A KR 20130068153A KR 20130068153 A KR20130068153 A KR 20130068153A KR 20140145707 A KR20140145707 A KR 20140145707A
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엘지디스플레이 주식회사
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린은 기판 상에 형성되며, 제1 방향으로 배열되는 복수의 제1 전극들과, 상기 복수의 제1 전극들과 인접하여 상기 제1 방향으로 배열되되 타일형으로 형성된 제2 전극들, 상기 복수의 제1 전극들 및 상기 복수의 제2 전극들 상에 위치하는 전기활성 고분자층 및 상기 전기활성 고분자층 상에 위치하는 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

햅틱 터치 스크린{HAPTIC TOUCH SCREEN}
본 발명은 터치 스크린에 관한 것으로, 보다 자세하게는 터치에 대한 피드백을 제공할 수 있는 햅틱 터치 스크린에 관한 것이다.
유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전기, 전자 기기 등의 통신을 가능하게 하여 사용자가 기기를 쉽게 자신이 원하는 대로 제어할 수 있게 한다. 이러한 유저 인터페이스의 대표적인 예로는 키패드, 키보드, 마우스, 온스크린 디스플레이(On Screen Display, OSD), 적외선 통신 혹은 고주파(RF) 통신 기능을 갖는 원격 제어기(Remote controller) 등이 있다. 유저 인터페이스 기술은 사용자 감성과 조작 편의성을 높이는 방향으로 발전을 거듭하고 있다. 유저 인터페이스는 터치 UI, 음성 인식 UI, 3D UI 등으로 진화되고 있다.
터치 UI는 휴대용 정보기기에 필수적으로 채택되고 있는 추세에 있으며, 나아가 가전 제품에도 확대 적용되고 있다. 터치 UI를 구현하기 위한 터치 스크린의 일예로서, 터치 뿐 아니라 근접 여부도 센싱하고 멀티 터치(또는 근접) 각각을 인식할 수 있는 상호 용량(mutual capacitance) 방식의 터치 스크린이 각광받고 있다. 터치 스크린을 센싱하는 방법은 센서 노드에 구동 전압을 공급하여 그 센서 노드에 형성된 상호 용량으로부터 전하를 발생시키고 그 상호 용량의 전하 변하량을 전압 변화로 변환한 다음, 터치 전후의 전압 변화량을 기준전압과 비교하거나 카운트하는 등 여러 가지 방법이 알려져 있다.
최근에는 사용자의 터치에 대해 사용자에게 촉감을 제공하는 햅틱 기술(haptic technology)이 주목을 받고 있다. 햅틱 기술을 이용하면, 사용자가 디지털 객체와 상호작용할 때 다양한 형태의 촉감을 사용자에게 제공함으로써, 궁극적으로는 시각과 촉감이 융합된 피드백을 제공할 수 있다. 이러한 햅틱 기술이 적용된 전자 기기는 기존의 전자 기기에 비하여 보다 실감나는 터치 UI를 사용자에게 제공하는 것이 가능하다.
사용자에게 촉감을 제공하는 햅틱 기술의 일례로 모터 방식이 알려져 있다. 모터 방식에 의하면, 터치 패널의 하부에 진동 모터를 설치하고 사용자로부터의 입력이 감지되면 터치 패널 전체를 진동시킴으로써 피드백을 제공한다. 그러나 진동 모터 모듈의 상대적으로 큰 크기로 인하여 모듈 배치에 어려움이 있으며, 모바일 장치의 전체 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.
박형의 전자 기기에 대한 요구가 증가함에 따라서, 전술한 모터 방식의 단점을 극복하기 위한 대안으로 최근 전기활성 고분자(Electro Active Polymer, EAP) 물질을 이용한 햅틱 모듈(film type haptic module)을 사용하는 기술이 등장하였다. 이에 의하면, 두 개의 전극에 전압을 인가하면 물리적으로 변형하는 전기활성 고분자를 이용하여 터치 피드백을 줄 수 있다.
그러나, 위와 같은 햅틱 터치는 터치를 위한 두 개의 전극과 햅틱을 위한 두 개의 전극, 총 네 개의 전극들이 필요하기 때문에, 터치 스크린의 투과도가 저하되고 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 햅틱 터치를 위한 전극의 개수를 줄여 구조가 간단하고 제조비용을 저감할 수 있는 햅틱 터치 스크린을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린은 기판 상에 형성되며, 제1 방향으로 배열되는 복수의 제1 전극들과, 상기 복수의 제1 전극들과 인접하여 상기 제1 방향으로 배열되되 타일형으로 형성된 제2 전극들, 상기 복수의 제1 전극들 및 상기 복수의 제2 전극들 상에 위치하는 전기활성 고분자층 및 상기 전기활성 고분자층 상에 위치하는 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전기활성 고분자층은 전기적인 자극에 의하여 변형을 일으키는 고분자 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 제1 전극들과 상기 복수의 제2 전극들은 상기 기판의 동일한 면에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 전기활성 고분자층은 상기 복수의 제1 전극들과 상기 제3 전극 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 제1 전극들 또는 상기 복수의 제2 전극들은 상기 제3 전극과 더불어 상기 전기활성 고분자층에 전기적인 자극을 가하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 제1 전극들 또는 상기 복수의 제2 전극들은 터치 신호와 햅틱 구동 신호가 시분할되어 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 기판 상에 상기 복수의 제1 전극들에 각각 접속되는 복수의 제1 라우팅 배선들 및, 상기 복수의 제2 전극들에 각각 접속되는 복수의 제2 라우팅 배선들을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린은 기판 상에 형성되며, 제1 방향으로 배열되는 복수의 제1 전극들과, 상기 복수의 제1 전극들과 인접하여 상기 제1 방향으로 배열되되 타일형으로 형성된 제2 전극들, 및 상기 복수의 제1 전극들과 인접하여 상기 제1 방향으로 배열되는 복수의 그라운드 전극들, 상기 복수의 제1 전극들, 상기 복수의 제2 전극들 및 상기 복수의 그라운드 전극들 상에 위치하는 전기활성 고분자층, 및 상기 전기활성 고분자층 상에 위치하는 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 제1 전극들, 상기 복수의 제2 전극들 및 상기 복수의 그라운드 전극들은 상기 기판의 동일한 면에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 그라운드 전극들은 상기 제3 전극과 더불어 상기 전기활성 고분자층에 전기적인 자극을 가하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 그라운드 전극들은 햅틱 구동 신호가 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 전기활성 고분자층은 상기 복수의 제1 전극들, 상기 복수의 제2 전극들 및 상기 복수의 그라운드 전극들의 윗면에만 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 전기활성 고분자층은 상기 복수의 그라운드 전극들의 윗면에만 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 전극은 상기 복수의 그라운드 전극들에 대응하여 상기 전기활성 고분자층 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터치 스크린은 터치 전극들 중 어느 하나 또는 그라운드 전극을 햅틱 전극으로 이용함으로써, 햅틱 전극의 개수를 줄여 구조를 간소화하고 제조비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 선폭이 매우 얇은 금속라인들을 메쉬 형태로 구성하여 전극들을 형성함으로써, 저항과 캐패시턴스가 감소되어 시정수(time constant)가 감소되므로 터치 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린을 나타낸 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 햅틱 터치 스크린의 I-I' 라인을 따라 취한 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 햅틱 터치 스크린의 전극들의 구조들을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린을 나타낸 평면도.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 햅틱 터치 스크린의 Ⅱ-Ⅱ' 라인을 따라 취한 다양한 단면도.
도 8은 터치와 햅틱의 시분할 구동 방법을 보여 주는 수직 동기 신호의 파형도.
도 9는 햅틱 터치 스크린의 동작을 보여주는 파형도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린의 동작을 단계적으로 보여주는 흐름도.
도 11은 본 발명의 햅틱 터치 스크린에 구비되는 햅틱 소자를 구성한 사진.
도 12는 본 발명의 햅틱 소자를 확대한 사진.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린을 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 햅틱 터치 스크린의 I-I' 라인을 따라 취한 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 햅틱 터치 스크린의 전극들의 구조들을 나타낸 평면도이다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린(10)은 기판(SUB)의 일면 상에 형성되는 복수의 제1 전극들(RS) 또는 센싱전극들(RS)(이하, 제1 전극들이라 함)과, 상기 복수의 제 1 전극들(RS)에 인접하도록 형성되는 복수의 제2 전극들(TS) 또는 구동전극들(TS)(이하, 제2 전극들이라 함)과, 상기 복수의 제1 및 제2 전극들(RS, TS) 상에 형성되는 전기활성 고분자층(EAP)을 포함한다.
상기 제1 전극들(RS)은 기판(SUB)의 상면에 형성되며, 제1 방향(예컨대, Y축 방향)으로 나란하게 배열된다. 상기 복수의 제2 전극들(TS)은 제1 전극들(RS)과 동일하게 기판(SUB)의 상면에 형성되고, 상기 제1 전극들(RS)과 인접하여 도트형으로 배열된다. 즉, 햅틱 터치 스크린을 구성하는 제1 및 제2 전극들(RS, TS)은 기판(100)의 동일한 면에 형성되어 전기적으로 서로 이격된다.
본 발명의 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린에서 기판(SUB)은 유리 또는 PI와 같은 연성의 플라스틱계 물질로 형성되며, 제1 및 제2 전극들(RS, TS)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indioum Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), 금속 나노와이어(metal Nano Wire), 또는 탄소 계열 투명 전극들과 같은 투명 도전성 물질로 형성된다.
기판(SUB)의 외곽에는 기판(SUB)의 일면 상에 형성되는 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1)과 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2)을 포함한다. 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1)은 복수의 제1 전극들(RS)과 각각 연결되고, 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2)은 복수의 제2 전극들(TS)과 각각 직접 연결된다. 제1 및 제2 라우팅 배선들(RW1, RW2)은 알루미늄(Al), 알루미늄-네오디뮴(AlNd), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-티타늄(MoTi), 구리(Cu), 크롬(Cr), 은(Ag) 또는 이들의 합금들과 같은 금속물질로 형성된다.
상기 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1)과 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2)은 모두 복수의 제1 전극들(RS)과 복수의 제2 전극들(TS)과 동일하게 상기 기판(SUB)의 동일한 면에 형성된다. 따라서, 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1)은 복수의 제2 전극들(TS)과 이격되어 전기적으로 연결되지 않고, 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2)은 복수의 제1 전극들(RS)과 이격되어 전기적으로 연결되지 않는다.
기판(SUB)의 일측에 인접하여 복수의 제1 패드들(RP1)과 복수의 제2 패드들(RP2)이 형성된다. 복수의 제1 패드들(RP1)은 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1)을 통해 복수의 제1 전극들(RS)과 각각 접속되고, 복수의 제2 패드들(RP2)은 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2)을 통해 복수의 제2 전극들(TS)과 각각 접속된다. 제1 및 제2 패드들(RP1, RP2) 또한 알루미늄(Al), 알루미늄-네오디뮴(AlNd), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-티타늄(MoTi), 구리(Cu), 크롬(Cr), 은(Ag) 또는 이들의 합금들과 같은 금속물질로 형성된다.
한편, 전술한 복수의 제1 전극들(RS), 복수의 제2 전극들(TS), 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1) 및 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2) 상에 전기활성 고분자층(EAP)이 형성된다. 전기활성 고분자층(EAP)은 한쌍의 전극 사이에 형성하여 전압을 인가하면 형태적인 변형을 일으키고 전압을 제거하면 원래 상태로 돌아간다. 이러한 전기활성 고분자 물질의 특성을 이용하여 사용자의 터치 위치에 해당하는 전기활성 고분자층에 전압을 인가하여 터치에 대한 피드백을 제공한다.
상기 전기활성 고분자층(EAP)은 전기적인 자극에 의하여 변형을 일으키는 특성을 갖는 유전성 폴리머 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전기활성 고분자층(EAP)은 실리콘(silicone)에 기초한 유전성 탄성중합체(dielectric elastomer)나 폴리우레탄(poly urethane)에 기초한 유전성 탄성중합체, PVDF(Poly VinyliDene Fluoride) 폴리머나 P(VDF-TrFE)(Poly (VinyliDene Fluoride-TriFlurorEtylene)) 폴리머 등과 같은 강유전성 폴리머(ferro-electric polymer), P(VDF-TrFE-CFE)(Poly(VinyliDene Fluoride-TriFluoroEthylene-CloroFluoroEthylene)) 폴리머나 P(VDF-TrFE-CFTE)(Poly(VinyliDene Fluoride-TriFluoroEthylene-CloroTriFluoroEthylene)) 폴리머 등과 같은 완화형 강유전성 폴리머(relaxor ferro-electric polymer)로 형성될 수 있다. 이러한 유전성 폴리머로 형성되는 전기활성 고분자층(EAP)은 2㎛ 이하의 얇은 두께를 가질 수 있다. 전기활성 고분자층(EAP)은 필름의 형태로 부착될 수 있으며 이와는 달리 용액 상태로 코팅되어 형성될 수도 있다. 하기에서는 전기활성 고분자층이 필름의 형태로 부착된 것으로 도시하여 설명하지만 용액 상태로 코팅될 경우 전극들을 다 덮는 구조로 도시될 수 있다.
전술한 유전성 폴리머 중에서 P(VDF-TrFE-CFTE) 폴리머와 P(VDF-TrFE-CFE) 폴리머는 전압 방향에 대하여 수평 방향으로 수축되지만 수직 방향으로는 늘어나는 성질을 가지고 있다. 그리고 이들 폴리머는 전술한 여러 가지 유전성 폴리머들 중에서 낮은 구동 전압(예컨대, 100V 이하)에서 가장 큰 변위(최대 약 4%)를 나타내고 있다. 또한, 이들 폴리머는 가교시키면 내열성이 향상되며(200℃ 이상) 구동 변위도 증가할 뿐만 아니라 90% 이상의 높은 가시광 투과율을 보인다. 따라서, 전기활성 고분자층(EAP)은 가교된 P(VDF-TrFE-CFTE) 폴리머나 P(VDF-TrFE-CFE) 폴리머로 형성하면, 보다 효율적이며 다양한 분야에 적용이 될 수 있다.
상기 전기활성 고분자층(EAP) 상에 제3 전극(EE)이 형성된다. 제3 전극(EE)은 전기활성 고분자층(EAP)에 전압을 인가하는 전극으로서 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indioum Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), 금속 나노와이어(metal Nano Wire), 또는 탄소 계열 투명 전극들과 같은 투명 도전성 물질로 형성된다. 제3 전극(EE)은 전기활성 고분자층(EAP)의 위치에 대응되게 형성된다.
제3 전극(EE)은 터치 스크린 전체에 하나의 판 형상으로 형성될 수 있다. 반면, 제3 전극(EE)은 터치 스크린 전체에 복수 개로 분할되어 형성될 수 있다. 제3 전극(EE)이 분할되어 형성된 경우, 예를 들어, 1개의 제1 전극(RS)과 4개의 제2 전극들(TS)이 형성된 영역의 크기만큼 분할되어 형성되거나, 2개의 제1 전극들(RS)과 8개의 제2 전극들(TS)이 형성된 영역의 크기만큼 분할되어 형성될 수도 있다. 제3 전극(EE)의 분할되는 영역의 크기나 개수는 특별히 한정되지 않으며 필요에 따라 다양하게 분할될 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 전극들(RS), 제 전극들(TS) 또는 제3 전극들(EE)은 메쉬형으로 이루어질 수 있다. 보다 자세하게, 복수의 제1 전극들(RS)의 각각은 복수의 제1-1 금속라인들(Rx1)과 복수의 제1-2 금속라인들(Rx2)의 교차에 의해 메쉬형으로 형성되는 메쉬 패턴이고, 복수의 제2 전극들(TS)의 각각은 복수의 제2-1 금속라인들(Tx1)과 복수의 제2-2 금속라인들(Tx2)의 교차에 의해 메쉬형으로 형성되는 메쉬 패턴이다.
본 발명에서는 제1 및 제2 전극들(RS, TS)의 메쉬 패턴들은 전극라인들을 조합하여 형성될 수 있으므로, 다양한 형상으로 제조할 수 있다. 예컨대, 도 3a에 도시된 메쉬 패턴이 스트라이프(stripe) 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 삼각형, 사각형, 다이아몬드형, 다각형, 원형, 타원형, 잠자리(dragonfly) 등의 형상이나 이들이 조합된 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 메쉬 패턴의 제1 및 제2 전극들(RS, TS)의 제1-1 및 제1-2 금속라인들(Rx1, Rx2) 및 제2-1 및 제2-2 금속라인들(Tx1, Tx2)은 각각 알루미늄(Al), 알루미늄-네오디뮴(AlNd), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-티타늄(MoTi), 구리(Cu), 크롬(Cr), 은(Ag) 또는 이들의 합금들과 같은 금속물질로 형성된다.
이와 같이, 선폭이 매우 얇은 금속라인들을 메쉬 형태로 구성하여 터치 전극들을 형성함으로써, 금속물질이 비저항이 낮기 때문에 저항과 캐패시턴스가 감소되어 시정수(time constant)가 감소되므로 터치 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 터치 전극들의 선폭이 매우 얇기 때문에 투과율을 확보할 수 있어 표시장치의 전면에 구비될 수 있는 이점이 있다.
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린은 복수의 제1 전극들(RS) 및 복수의 제2 전극들(TS)로 구성된 터치 전극들 중 어느 하나와, 제3 전극(EE)을 전기활성 고분자층(EAP)에 전압을 인가하는 전극들로 이용할 수 있다. 예를 들어, 터치 전극들 중 복수의 제1 전극들(RS)을 햅틱 전극으로 이용할 경우, 복수의 제1 전극들(RS)과 제3 전극(EE)에 각각 전압을 인가하면, 복수의 제1 전극들(RS)과 제3 전극(EE) 사이에 대응하는 영역의 전기활성 고분자층(EAP)이 변형을 일으켜 사용자의 터치에 대한 피드백을 제공할 수 있다. 반면, 복수의 제2 전극들(TS)을 햅틱 전극으로 이용할 경우, 복수의 제2 전극들(TS)과 제3 전극(EE)에 각각 전압을 인가하면, 복수의 제2 전극들(TS)과 제3 전극(EE) 사이에 대응하는 영역의 전기활성 고분자층(EAP)이 변형을 일으키게 된다.
여기서, 복수의 제1 전극(RS) 또는 복수의 제2 전극들(TS) 중 햅틱 전극으로 이용되는 경우, 터치 구동(또는 센싱) 신호와 햅틱 구동 신호가 시분할되어 인가된다. 예를 들어, 복수의 제1 전극(RS)을 햅틱 전극으로 사용한다면, 1프레임 기간을 시분할 하여 터치 구동 신호가 먼저 인가된 후 햅틱 구동 신호가 나중에 인가되는 방법으로 복수의 제1 전극(RS)에 구동 신호들을 인가한다. 반면, 복수의 제2 전극들(TS)이 햅틱 전극으로 사용된다면 터치 센싱(또는 구동) 신호가 먼저 인가된 후 햅틱 구동 신호가 나중에 인가되는 방법으로 구동 신호들을 인가할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치 스크린은 터치 전극들 중 어느 하나를 햅틱 전극으로 이용함으로써, 햅틱 전극의 개수를 줄여 구조를 간소화하고 제조비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린에 대해 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린을 나타낸 평면도이고, 도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 햅틱 터치 스크린의 Ⅱ-Ⅱ' 라인을 따라 취한 다양한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린(20)은 기판(SUB)의 일면 상에 형성되는 복수의 제1 전극들(RS) 또는 센싱전극들(RS)(이하, 제1 전극들이라 함)과, 상기 복수의 제1 전극들(RS)에 인접하도록 형성되는 복수의 제2 전극들(TS) 또는 구동전극들(TS)(이하, 제2 전극들이라 함)과, 상기 복수의 제1 전극들(RS)에 인접하도록 형성되는 복수의 그라운드 전극들(GR)과, 상기 복수의 제1 전극들(RS), 제2 전극들(TS) 및 그라운드 전극들(GR) 상에 형성되는 전기활성 고분자층(EAP)을 포함한다.
상기 제1 전극들(RS)은 기판(SUB)의 상면에 형성되며, 제1 방향(예컨대, Y축 방향)으로 나란하게 배열된다. 상기 복수의 제2 전극들(TS)은 제1 전극들(RS)과 동일하게 기판(SUB)의 상면에 형성되고, 상기 제1 전극들(RS)과 인접하여 도트형으로 배열된다. 상기 복수의 그라운드 전극들(GR)은 기판(SUB)의 상면에 형성되고, 제1 방향으로 나란하게 배열된다. 즉, 햅틱 터치 스크린을 구성하는 제1 전극들(RS), 제2 전극들(TS) 및 그라운드 전극들(GR)은 기판(100)의 동일한 면에 형성되어 전기적으로 서로 이격된다.
기판(SUB)의 외곽에는 기판(SUB)의 일면 상에 형성되는 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1), 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2) 및 복수의 제3 라우팅 배선들(RW3)을 포함한다. 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1)은 복수의 제1 전극들(RS)과 각각 연결되고, 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2)은 복수의 제2 전극들(TS)과 각각 직접 연결되며, 복수의 제3 라우팅 배선들(RW3)은 복수의 그라운드 전극들(GR)과 각각 직접 연결된다. 제1 라우팅 배선들(RW1), 제2 라우팅 배선들(RW2) 및 제3 라우팅 배선들(RW3)은 알루미늄(Al), 알루미늄-네오디뮴(AlNd), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-티타늄(MoTi), 구리(Cu), 크롬(Cr), 은(Ag) 또는 이들의 합금들과 같은 금속물질로 형성된다.
상기 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1), 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2) 및 복수의 제3 라우팅 배선들(RW3)은 모두 복수의 제1 전극들(RS), 복수의 제2 전극들(TS) 및 복수의 그라운드 전극들(GR)과 동일하게 상기 기판(SUB)의 동일한 면에 형성된다. 따라서, 각각의 라우팅 배선들(RW1, RW2, RW3)은 직접 연결되는 전극들 외의 다른 전극들과 이격되어 전기적으로 연결되지 않는다.
기판(SUB)의 일측에 인접하여 복수의 제1 패드들(RP1), 복수의 제2 패드들(RP2) 및 복수의 제3 패드들(RP3)이 형성된다. 복수의 제1 패드들(RP1)은 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1)을 통해 복수의 제1 전극들(RS)과 각각 접속되고, 복수의 제2 패드들(RP2)은 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2)을 통해 복수의 제2 전극들(TS)과 각각 접속되며, 복수의 제3 패드들(RP3)은 복수의 제3 라우팅 배선들(RW3)을 통해 복수의 그라운드 전극들(GR)과 각각 접속된다. 제1 내지 제3 패드들(RP1, RP2, RP3) 또한 알루미늄(Al), 알루미늄-네오디뮴(AlNd), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-티타늄(MoTi), 구리(Cu), 크롬(Cr), 은(Ag) 또는 이들의 합금들과 같은 금속물질로 형성된다.
한편, 전술한 복수의 제1 전극들(RS), 복수의 제2 전극들(TS), 복수의 그라운드 전극들(GR), 복수의 제1 라우팅 배선들(RW1), 복수의 제2 라우팅 배선들(RW2) 및 제3 라우팅 배선들(RW3) 상에 전기활성 고분자층(EAP)이 형성된다. 전기활성 고분자층(EAP)은 한쌍의 전극 사이에 형성하여 전압을 인가하면 형태적인 변형을 일으키고 전압을 제거하면 원래 상태로 돌아간다. 이러한 전기활성 고분자 물질의 특성을 이용하여 사용자의 터치 위치에 해당하는 전기활성 고분자층에 전압을 인가하여 터치에 대한 피드백을 제공한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전기활성 고분자층(EAP) 상에 제3 전극(EE)이 형성된다. 제3 전극(EE)은 전기활성 고분자층(EAP)에 전압을 인가하는 전극으로서 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indioum Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), 금속 나노와이어(metal Nano Wire), 또는 탄소 계열 투명 전극들과 같은 투명 도전성 물질로 형성된다. 제3 전극(EE)은 전기활성 고분자층(EAP)의 위치에 대응되게 형성된다.
전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린은 복수의 그라운드 전극들(GR)과 제3 전극(EE)을 전기활성 고분자층(EAP)에 전압을 인가하는 전극들로 이용할 수 있다. 복수의 그라운드 전극들(GR)과 제3 전극(EE)에 각각 전압을 인가하면, 복수의 그라운드 전극들(GR)과 제3 전극(EE) 사이에 대응하는 영역의 전기활성 고분자층(EAP)이 변형을 일으켜 사용자의 터치에 대한 피드백을 제공할 수 있다.
여기서, 복수의 그라운드 전극들(GR)이 햅틱 전극으로 이용되는 경우, 복수의 그라운드 전극들(GR)에 햅틱 구동 신호가 인가된다. 전술한 제1 실시예와는 달리, 그라운드 전극들(GR)에는 터치 구동(또는 센싱) 신호와 같은 다른 신호가 인가되지 않기 때문에 햅티 구동 신호가 제한없이 인가될 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린의 전기활성 고분자층(EAP)은 복수의 제1 전극들(RS), 복수의 제2 전극들(TS) 및 복수의 그라운드 전극들(GR)의 상면에만 형성되고, 제3 전극(EE)은 그라운드 전극들(GR) 상에 형성된 전기활성 고분자층(EAP) 상에만 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 햅틱 터치 스크린은 그라운드 전극들(GR)과 제3 전극들(EE)이 위치한 영역에서만 전기활성 고분자층(EAP)이 전압의 인가에 의해 변형되어 터치 피드백을 제공한다. 그리고, 복수의 제1 전극들(RS) 및 복수의 제2 전극들(TS) 상면에 형성된 전기활성 고분자층(EAP)에는 전압이 인가되지 않아 변형이 일어나지 않는다. 이때, 복수의 제1 전극들(RS) 및 복수의 제2 전극들(TS) 상면에 형성된 전기활성 고분자층(EAP)은 다른 영역들 간의 투과율을 매칭해주는 역할을 한다. 즉, 전기활성 고분자층(EAP)이 있는 영역과 없는 영역 간의 투과율 차이가 있기 때문에 규칙적인 패턴이 시인될 수 있는 것을 방지할 수 있다.
반면, 도 7에 도시된 햅틱 터치 스크린은 그라운드 전극들(GR)의 상면에만 전기활성 고분자층(EAP)이 형성되고, 이 전기활성 고분자층(EAP) 상에 제3 전극(EE)이 형성될 수도 있다. 전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 다양한 구조의 햅틱 터치 스크린은 어느 하나의 구조에 한정되지 않으며, 필요에 따라 다양하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린은 전술한 제1 실시예와 동일하게 각 전극들이 메쉬형으로 이루어질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 터치 스크린은 그라운드 전극을 햅틱 전극으로 이용함으로써, 햅틱 전극의 개수를 줄여 구조를 간소화하고 제조비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
한편, 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린은 터치 전극들 중 하나에 터치 신호와 햅틱 신호가 시분할되어 인가될 수 있다. 도 8은 터치와 햅틱의 시분할 구동 방법을 보여 주는 수직 동기 신호의 파형도이고, 도 9는 햅틱 터치 스크린의 동작을 보여주는 파형도이다. 또한, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 터치 스크린의 동작을 단계적으로 보여주는 흐름도이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 1 프레임 기간은 터치 구동기간(T1)과, 햅틱 구동기간(T2)으로 시분할될 수 있다. 도 8에서 "Vsync"는 터치 스크린 타이밍 콘트롤러에 입력되는 제1 수직 동기신호이고, "SYNC"는 햅틱 구동부에 입력되는 제2 수직 동기신호이다. 터치 스크린 타이밍 콘트롤러는 1 프레임 기간에서 터치 구동기간(T1)과 햅틱 구동기간(T2)을 정의하기 위하여, 호스트 시스템으로부터 입력되는 제1 수직 동기신호(Vsync)를 변조하여 제2 수직 동기신호(SYNC)를 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서, 1 프레임 기간을 터치 구동기간과 햅틱 구동기간으로 시분할하여 터치 구동회로와 햅틱 구동부의 동작 타이밍을 제어하는 콘트롤러는 터치 스크린 타이밍 콘트롤러일 수 있다.
제2 수직 동기신호(SYNC)의 로우 로직 레벨(low logic level) 구간은 터치 구동기간(T1)으로 정의되고, 제2 수직 동기신호(SYNC)의 하이 로직 레벨(high logic level) 구간은 햅틱 구동기간(T2)으로 정의될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 수직 동기신호(SYNC)의 하이 로직 레벨 구간이 햅틱 구동기간(T1)으로 정의되고, 제2 수직 동기신호(SYNC)의 로우 로직 레벨 구간이 터치 구동기간(T2)으로 정의될 수도 있다. 터치 구동기간(T1) 동안, 터치 구동회로는 구동되고 햅틱 구동부는 구동되지 않는다.
사용자는 필요에 의해 터치 스크린을 터치한다.(S1) 터치 구동기간(T1) 동안, 제1 전극 구동회로는 제1 전극들에 구동펄스를 인가하고, 제2 전극 구동회로는 제2 전극들을 통해 정극성 신호와 부극성 신호를 수신하여 적분기의 출력 전압을 샘플링한 후에 디지털 데이터로 변환한다. 변환된 디지털 데이터는 터치 인식 알고리즘 실행부에서 터치 입력 위치의 좌표를 포함한 터치 맵 데이터를 출력하여 호스트 시스템으로 전송된다.(S2) 햅틱 구동부는 터치 구동기간(T1) 동안, 제1 전극들에 구동신호를 공급하지 않는다.
호스트 시스템은 터치 맵 데이터를 터치 스크린 타이밍 콘트롤러로 전송한다.(S3) 이에 따라, 제1 전극 구동회로에서 제1 전극들에 구동펄스를 인가하는 것을 중단한다.(S4) 햅틱 구동기간(T2)에서는 터치 스크린 타이밍 콘트롤러가 터치 맵 데이터를 햅틱 구동부에 전송하여 햅틱 구동부에서 터치 맵 데이터에 해당되는 제1 전극들에 전기적 입력이 가능하도록 스위치에 구동펄스를 인가한다. 인가된 구동펄스에 따라 스위치가 해당 제1 라우팅 배선들을 턴 온(on)하게 되고 해당 제1 라우팅 배선들에 1대 1로 연결된 제1 전극들에 고전압의 전기적 신호가 입력된다.(S5)
햅틱 구동부는 햅틱 구동기간(T2) 동안, 제1 라우팅 배선들을 통해 제1 전극들에 고전압의 전기적 신호 입력을 수행하고 제3 라우팅 배선들을 통해 제3 전극에 고전압의 전기적 신호 입력을 수행한다. 햅틱 구동부는 사용자의 터치가 없을 때에는 구동되지 않고, 터치 데이터 좌표값에 따라 호스트 시스템을 통해 타이밍 콘트롤러로부터 제어신호가 입력되면, 터치 데이터 좌표값에 해당되는 제1 전극과 제3 전극들에 고전압의 전기적 신호를 발생하게 한다.
제1 전극들과 제3 전극에 인가된 고전압은 전기활성 고분자의 변형을 일으켜, 터치 스크린에 터치된 사용자의 손가락 사이에 촉감 피드백을 발생시킨다. (S6) 햅틱 구동기간(T2) 동안, 터치 스크린 구동회로는 구동되지 않고 햅틱 구동부가 구동된다. 햅틱 구동기간(T2)이 종료된 후에는 다시 다음 터치 구동기간(T1)이 수행된다.(S7)
도 11은 본 발명의 햅틱 터치 스크린에 구비되는 햅틱 소자를 구성한 사진이고, 도 12는 본 발명의 햅틱 소자를 확대한 사진이다. 도 11 및 도 12에 나타나는 것처럼 본 발명의 햅틱 소자를 구성하여 전압의 인가에 따른 전기활성 고분자의 변형을 확인하였다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 스크린 패널은 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 전계 방출 표시장치(Field Emission Display, FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 전계발광 표시장치(Electroluminescence Device, EL), 전기영동 표시장치 등을 포함하는 표시장치에 적용될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10 : 햅틱 터치 스크린 SUB : 기판
RS : 제1 전극 TS : 제2 전극
EE : 제3 전극 RW1~2 : 제1 및 제2 라우팅 배선들
RP1~2 : 제1 및 제2 패드들

Claims (14)

  1. 기판 상에 형성되며, 제1 방향으로 배열되는 복수의 제1 전극들과, 상기 복수의 제1 전극들과 인접하여 상기 제1 방향으로 배열되되 타일형으로 형성된 제2 전극들;
    상기 복수의 제1 전극들 및 상기 복수의 제2 전극들 상에 위치하는 전기활성 고분자층; 및
    상기 전기활성 고분자층 상에 위치하는 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전기활성 고분자층은 전기적인 자극에 의하여 변형을 일으키는 고분자 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극들과 상기 복수의 제2 전극들은 상기 기판의 동일한 면에 형성된 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전기활성 고분자층은 상기 복수의 제1 전극들과 상기 제3 전극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극들 또는 상기 복수의 제2 전극들은 상기 제3 전극과 더불어 상기 전기활성 고분자층에 전기적인 자극을 가하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극들 또는 상기 복수의 제2 전극들은 터치 신호와 햅틱 구동 신호가 시분할되어 인가되는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 복수의 제1 전극들에 각각 접속되는 복수의 제1 라우팅 배선들 및, 상기 복수의 제2 전극들에 각각 접속되는 복수의 제2 라우팅 배선들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  8. 기판 상에 형성되며, 제1 방향으로 배열되는 복수의 제1 전극들과, 상기 복수의 제1 전극들과 인접하여 상기 제1 방향으로 배열되되 타일형으로 형성된 제2 전극들, 및 상기 복수의 제1 전극들과 인접하여 상기 제1 방향으로 배열되는 복수의 그라운드 전극들;
    상기 복수의 제1 전극들, 상기 복수의 제2 전극들 및 상기 복수의 그라운드 전극들 상에 위치하는 전기활성 고분자층; 및
    상기 전기활성 고분자층 상에 위치하는 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극들, 상기 복수의 제2 전극들 및 상기 복수의 그라운드 전극들은 상기 기판의 동일한 면에 형성된 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 그라운드 전극들은 상기 제3 전극과 더불어 상기 전기활성 고분자층에 전기적인 자극을 가하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 그라운드 전극들은 햅틱 구동 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 전기활성 고분자층은 상기 복수의 제1 전극들, 상기 복수의 제2 전극들 및 상기 복수의 그라운드 전극들의 윗면에만 위치하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 전기활성 고분자층은 상기 복수의 그라운드 전극들의 윗면에만 위치하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
  14. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    상기 제3 전극은 상기 복수의 그라운드 전극들에 대응하여 상기 전기활성 고분자층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 햅틱 터치 스크린.
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