KR20160059235A

KR20160059235A - 터치 펜

Info

Publication number: KR20160059235A
Application number: KR1020140160867A
Authority: KR
Inventors: 채경수; 최영안
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-05-26

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜은 터치패널에 접촉되는 제 1 전극, 제 1 전극과 대향하도록 형성되는 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 형성되며, 제 1 전극 및 제 2 전극으로부터 발생하는 압력에 따라 저항값이 변화하는 압력필름 및 제 2 전극 상에 형성된 전도성 몸통부를 포함하며, 정확한 터치좌표를 인식함과 동시에 압력에 따라 변화하는 정전용량을 기초로 필압을 측정할 수 있다.

Description

터치 펜 {Touch pen}

본 발명은 터치 펜에 관한 것이다.

데스크 탑 컴퓨터에서 벗어나 근자에 들어 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 컴퓨터가 개발되면서 메모나 연락처 등을 수첩에 기록하는 대신에 위의 컴퓨터를 이용하여 기록하는 것이 일반화되고 있다.

더욱이, PDA, 스마트폰 또는 패드(pad)와 같은 개인 휴대 단말기가 대중화되면서 사용자들은 키보드나 별도의 입력패드를 사용하지 않고 터치펜을 이용하는 경우가 잦아지고 있다.

터치펜은 손가락으로 터치하는 것에 비해 필기 또는 그림을 그리는 작업 등에 훨씬 유리하게 작용할 수 있다.

특히, 한자처럼 글자의 형태가 복잡한 경우에는 터치펜의 사용이 정밀도 측면이나 정확성 측면에서 보다 유리한 것으로 알려지고 있다. 때문에, 화면이 큰 스마트폰의 경우에는 별도의 터치펜이 함께 제공되기도 한다.

한편, 현재까지 알려지고 있는 터치펜의 경우, 정전용량 방식이 일반적이다. 이러한 정전용량 방식의 터치펜은 터치동작 시 정전용량의 변화를 통해 터치패널 상의 입력 좌표를 인식하는 방식이다..

EMR 방식의 디지타이저는 LCD 하부에 PCB 형태의 디지타이저 센서를 미리 부착한 후, 터치펜에서 방시되는 자기력선을 센서부에서 유도되는 전압의 형태로 측정하여 좌표를 연산하는 구조를 가진다. EMR방식의 경우 구조가 복잡해짐은 물론 터치펜의 사이즈가 커지고 제품의 단가 상승 요인이 될 수 있으므로 이러한 점을 감안한 개선된 타입의 터치펜에 대한 연구 개발이 요구된다.

JP 2010-117943

본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜은 제 1 전극, 제 2 전극 및 압력에 따라 저항값이 변화하는 필름을 포함함으로써, 정확한 터치좌표 인식이 가능함과 동시에 사용자의 필압을 측정할 수 있는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜은 터치패널에 접촉되는 제 1 전극, 제 1 전극과 대향하도록 형성되는 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 형성되며, 제 1 전극 및 제 2 전극으로부터 발생하는 압력이 증가하면 저항값이 감소되고 압력이 감소하면 저항값이 증가하는 압력필름 및 제 2 전극 상에 형성된 전도성 몸통부를 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 압력필름과 압력필름에 인가되는 압력 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 터치펜에 인가되는 압력에 따라 터치패널의 정전용량의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터치펜에 인가되는 압력에 따라 터치패널의 정전용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜을 스마트폰에 적용한 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 터치라는 용어는 접촉 수용면에 대한 직접적인 접촉을 의미할 뿐만 아니라, 접촉 수용 면으로부터 입력수단이 상당한 거리만큼 근접하는 것을 의미하는 것으로 넓게 해석되어야 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜(1)이 접촉하는 대상물은 하나의 예로써 터치패널을 선택하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜(1)의 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 압력필름(10)과 압력필름(10)에 인가되는 압력 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 터치펜에 인가되는 압력에 따라 터치패널의 정전용량의 변화를 나타내고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터치펜에 인가되는 압력에 따라 터치패널의 정전용량의 변화를 나타낸 그래프이다. 마지막으로 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜(1)을 스마트폰(40)에 적용한 도면이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜(1)은 터치패널의 활성영역(20)에 접촉되는 제 1 전극(11), 제 1 전극(11)과 대향하도록 형성되는 제 2 전극(12), 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12) 사이에 형성되며, 제 1 전극(11) 및 제2 전극으로부터 발생하는 압력에 따라 저항값이 변화하는 압력필름(10) 및 제 2 전극(12) 상에 형성된 전도성 몸통부(13)를 포함한다.

즉, 제 1 전극(11)은 터치 펜(1)의 말단에 형성되며 터치패널의 활성영역(20)에 직접적으로 접촉한다. 제 1 전극(11) 상에는 압력에 따라 저항값이 변화하는 압력필름(10)이 형성된다. 압력필름(10)상에는 제 2 전극(12)이 제 1 전극(11)과 대향되도록 형성되고, 몸통부(13)는 제2 전극(12)상에 형성된다.

제 1 전극(11)이 접촉되는 터치패널의 활성영역(20)을 구체적으로 설명한다. 터치패널은 활성영역(20)과 베젤영역으로 구분될 수 있는데, 활성영역(20)은 손가락이나 터치 펜(1)과 같은 입력수단의 터치를 인식할 수 있도록 구동전극(22)과 센싱전극(21)이 형성되는 부분으로 윈도우기판의 중심에 구비되고, 베젤영역은 구동전극(22) 및 센싱전극(21)과 통전하는 전극배선이 형성되는 부분으로 활성영역(20)의 테두리에 구비된다. 따라서 터치패널의 활성영역(20)은 구동전극(22) 및 센싱전극(21)이 형성되어 터치좌표를 인식할 수 있는 영역을 의미한다.

정전용량방식의 터치패널에 손가락 또는 터치 펜(1)과 같은 입력수단이 윈도우기판의 활성영역(20)을 접촉하면, 윈도우기판의 하부에 형성된 구동전극(22)과 센싱전극(21)의 정전용량이 변화한다. 이때, 컨트롤러(미도시)는 정전용량의 변화가 발생한 센싱전극(21)을 검출하여 접촉이 발생한 지점, 즉, 터치좌표를 인식한다.

따라서, 터치 펜(1)으로 터치패널에 포함된 윈도우기판의 활성영역(20)을 터치하는 경우 전도성을 가지는 제 1 전극(11), 제 2 전극(12) 및 압력필름(10)은 전기적으로 연결되어 터치패널에서 발생한 전하를 끌어오게 된다. 그 결과 터치 펜(1)과 접촉된 지점에 대응되는 구동전극(22)과 센싱전극(21)의 정전용량이 변화하게 되고 터치패널의 컨트롤러(미도시)에서 터치좌표를 인식하게 된다.

터치패널에서 발생하는 전하가 제 1 전극(11), 압력필름(10) 및 제 2 전극(12)을 통해 이동할 수 있도록 본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜(1)에 포함된 제 1 전극(11), 제 2 전극(12) 및 압력필름(10)은 전기적으로 상호 연결된다.

제 1 전극(11)은 필기 또는 드로잉(drawing)을 위해 터치패널의 표면에 실질적으로 접촉한다. 제 1 전극(11)은 터치 펜(1)의 펜 팁(Pen Tip)에 대응되는 것으로서 터치패널의 윈도우기판이 손상되지 않는 소재를 사용한다. 따라서, 제 1 전극(11)은 신축성을 가지는 탄성체로 형성되는 것이 적절하다. 또한, 제 1 전극(11)은 터치시 터치패널의 윈도우기판으로부터 전하를 가져와야하기 때문에 전도성을 가지는 소재를 사용한다.

즉, 제 1 전극(11)은 전류를 잘 통하기 위한 전도성과 터치시 윈도우기판의 파손을 방지하기 위한 탄성을 고려하여 제작되어야한다. 또한, 제 1 전극(11)은 필압에 의해 파손되는 것을 방지하기 위하여 일정형태를 유지하기 위한 강성도 요구된다.

상술한 바와 같이, 제 1 전극(11)이 탄성, 전도성 및 강성을 가지도록 고려하였을 때 제 1 전극(11)은 고무 또는 실리콘 등을 주성분으로 전기 전도성 물질을 포함한 재질로 형성하는 것이 적절하다. 다만, 이는 제 1 전극(11)의 소재를 한정하는 것은 아니며, 당업계에 공지되고 상술한 특성을 가지는 소재라면 본 발명의 일실시예에 적용가능하다.

제 1 전극(11)은 압력이 균등하게 압력필름(10)에 전달될 수 있도록 터치 펜(1)의 말단으로 갈수록 제 1 전극(11)의 폭이 일정하게 감소하도록 형성할 수 있다. 압력필름(10)에 균등하지 않고 부분적으로 압력이 인가된다면 압력, 즉 필압을 정확하게 측정하기가 곤란하다. 따라서 압력필름(10)에 압력이 균등하게 전달될 수 있도록 제 1 전극(11)의 폭을 일정하게 감소시키는 것이 적합하다. 이러한 제 1 전극(11)의 형상은 원뿔형 이나 반구등으로 형성되는 것이 적절하다. 그러나, 반드시 이러한 형상으로만 제 1 전극(11)을 형성해야만 하는 것은 아니며, 압력필름(10)에 필압이 균등하게 전달될 수 있는 구조라면 본 발명의 일실시예에 적용가능 할 것이다.

다만, 터치패널의 윈도우기판과 접촉하는 면적을 반드시 최소화해야 하는 것은 아니다. 이는 제 1 전극(11)이 윈도우기판과 접촉하면서 전하가 제 1 전극(11)으로 이동해야 하기 때문에 일정값 이상의 접촉면적을 가지도록 제 1 전극(11)을 형성해야 한다. 또한, 제 1 전극(11)을 뾰족하게 형성한다면, 즉 접촉면적을 최소화하게 형성한다면 윈도우기판이 손상될 우려가 있으므로 상기와 같이 일정 접촉면적을 가지는 것이 적합하다.

압력필름(10)은 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12) 사이에 형성되어 각각의 전극으로부터 압력이 전달된다. 이렇게 전달된 압력에 따라 압력필름(10)의 저항값은 변화하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이 전극(30) 사이에 압력필름(10)이 형성되어 있고 일방향으로 전극(30)에 압력을 인가하게 되면 압력필름(10) 내에 전하가 이동가능해지며 저항값이 감소하게 된다. 그 결과 압력필름(10)내에 전류가 흐르게 된다.

제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)으로부터 압력이 증가하게 되면 압력필름(10)의 저항값이 감소하게 되며, 이와 반대로 압력이 감소하게 되면 압력필름(10)의 저항값이 증가하게 된다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 압력필름(10)은 압력필름(10)의 저항값이 증가되면 터치패널의 윈도우기판으로부터 전달되는 전하의 이동량이 감소하고, 반대로 저항값이 감소하게 되면 전하의 이동량이 증가하는 특성을 가진다.

본 발명의 일실시예에 따른 압력필름(10)은 저항성 중합체 필름(Resistive Polymer Film)일 수 있으며, 구체적으로는 압력을 인가하면 저항이 감소하는 FSR(Force Sensing Resistor)일 수 있다.

FSR은 전도성 고무와 비교해 볼 때 전기적 이력 현상이 발생하지 않으면서 비교적 가격이 저렴하다. 또한, FSR은 피에조 필름(Piezo Film)과 비교하였을 때 진동과 열에 대하여 더 영향을 적게 받는 특성을 가진다. FSR은 굽힐 수 있는 필름체로 형성할 수 있고 여러 형태의 배열로 제작할 수 있기 때문에 FSR은 터치패널, 휴대용단말기, 테블릿 PC(Tablet PC) 등에 적용하기에 유리하다. 따라서 상기 FSR의 특성을 고려하였을 때 본 발명의 일실시예의 터치 펜(1)에 적용할 수 있다.

제 2 전극(12)은 압력필름(10)과 몸통부(13) 상에 형성되며 터치패널의 윈도우기판에서 부터 터치 펜(1)으로 전달되는 전하가 이동하는 통로가 된다. 따라서 제 2 전극(12)은 전도성을 가져야 하며 제 1 전극(11)과 같이 압력을 압력필름(10)에 인가해야 하기 때문에 강성을 가져야 한다. 그러나, 제 1 전극(11)과 달리 윈도우기판에 직접적으로 접촉해야할 필요가 없으므로 탄성이 요구되지는 않는다.

따라서 제 2 전극(12)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr) 중 어느 하나이거나 이를 조합하여 형성할 수 있다. 다만, 상술한 재료에 반드시 한정하는 것은 아니며, 강성과 전도성을 가지는 공지의 물질이라면 제 2 전극(12)에 적용할 수 있다.

몸통부(13)는 제 2 전극(12)상에 형성되며, 사용자에 의해 파지 가능한 손잡이부(그립:grip)가 형성된다. 몸통부(13)는 연필이나 볼펜 등과 같은 외형을 갖도록 형성된다. 즉, 몸통부(13)는 손으로 파지 가능하도록 다각형 원형 등의 바 형태를 가질 수도 있다. 또한, 몸통부(13)의 외면에는 그립감을 좋케 하기 위한 부재를 형성할 수도 있다. 몸통부(13)는 그립감을 좋게 하기 위한 부재로서 그립용 홈, 미끄럼 방지 홈 등을 형성하여 사용자의 그립감을 향상시킬 수 있다.

터치패널의 윈도우기판, 제 1 전극(11), 압력필름(10) 및 제 2 전극(12)을 거쳐 전달되는 전하가 이동할 수 있도록 몸통부(13)는 전도성을 가진다. 따라서 몸통부(13)는 실질적으로 접지 기능을 가진다. 몸통부(13)는 전도성과 사용자가 파지할 수 있게끔 강성을 가지는 소재를 이용하여 형성할 수 있으며 절연성 물질로 표면을 코팅할 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 터치패널에 형성되는 정전용량은 압력, 다시 말해 사용자의 필압에 따라 변화될 수 있다. 도 3은 압력필름(10)에 작은 압력이 인가되었을 때 구동전극(22)과 센싱전극(21) 사이에 형성되는 정전용량의 양을 도시한 도면이며, 도 4는 큰 압력이 압력필름(10)에 인가되었을 때 구동전극(22)과 센싱전극(21) 사이에 형성되는 정전용량의 양을 도시한 도면이다.

도 3 및 도4 를 참조하면, 적은 압력이 압력필름(10)에 인가된 경우에는 압력필름(10)의 저항값은 높게 형성되기 때문에, 터치펜으로 이동되는 전하의 이동량이 감소하게된다. 그 결과 구동전극(22)과 센싱전극(21) 사이의 정전용량의 변화는 비교적 적게 된다.

이와 반대로 큰 압력이 압력필름(10)에 인가되는 경우에는 압력필름(10)의 저항값은 낮게 형성되고 터치 펜(1)으로 비교적 많은 전하가 이동하게 되어 구동전극(22)과 센싱전극(21) 사이에 형성되는 정전용량의 변화는 크게 된다.

도 5 는 상술한 압력에 따른 정전용량의 변화를 전압신호형태로 나타내는 그래프로 X축은 시간을 의미하며 Y축은 전압을 의미한다. ① 그래프는 터치 펜(1)의 터치가 되지 않았을 때 정전용량의 변화를 나타낸 것이며 ② 그래프는 적은 압력이 인가되었을 때 정전용량의 변화를 나타낸 것이다. ③그래프는 많은 압력이 인가되었을 때 정전용량의 변화를 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이 ① 그래프를 기준으로 ② 그래프가 ③ 그래프보다 정전용량의 변화량이 더 적은 것을 알 수 있다. 이는 상기에서 설명한 바와 같이 압력에 따라 압력필름(10)의 저항값이 변화하기 때문에 이에 따라 터치패널에서 터치 펜(1)으로 이동하는 전하의 양이 상이하기 때문이다.

터치패널에 포함된 컨트롤러(미도시)는 구동전극(22)과 센싱전극(21) 사이에 형성되는 정전용량의 변화가 발생한 지점을 검출하여 터치좌표를 인식하게 되고, 이와 더불어 정전용량의 변화의 양까지 측정하여 역으로 터치 펜(1)에 인가되는 필압까지 측정할 수 있다. 즉, 정전용량의 변화발생 여부를 이용하여 터치좌표를 인식하고, 정전용량의 변화량을 이용하여 압력을 측정한다.

터치패널은 압력의 세기에 따라 다시 말해, 압력필름(10)에 인가되는 사용자의 필압에 따라 다양한 기능이 부가될 수 있다. 예컨대, 필압이 약하면 터치패널의 화면에 얇은 선이 표현되도록 하고 필압이 강하면 화면에 굵은 선이 표현되도록 할 수 있다. 도 6 에 도시된 바와 같이 이러한 기능을 이용하여 스마트폰(40)이나 테블릿PC 에서 그림을 그릴 수 있으며, 붓글씨를 쓸 수 있다.

이와 같은 구조와 동작을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 터치 펜(1)은 터치패널에서 터치좌표를 인식할 수 있고 압력에 따라 저항값이 변화하는 압력필름(10)을 통해 필압을 효율적이면서도 정확하게 측정할 수 있다.

또한 별도의 통신모듈을 추가할 필요없이 터치패널의 컨트롤러에서 정전용량의 변화량을 감지하여 필압을 측정할 수 있어 비교적 간단한 구조로 터치 펜(1)을 제작할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1 : 터치 펜 10 : 압력필름
11 : 제 1 전극 12 : 제 2 전극
13 : 몸통부 20 : 활성영역
21 : 센싱전극 21 : 구동전극
30 : 전극 40 : 스마트폰
41 : 스마트폰의 활성영역

Claims

터치패널에 접촉되는 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 대향하도록 형성되는 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성되며, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로부터 발생하는 압력에 따라 저항값이 변화하는 압력필름; 및
상기 제 2 전극 상에 형성된 전도성 몸통부를 포함하는 터치 펜.
청구항 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 압력필름은 전기적으로 연결되며, 상기 터치패널에 발생하는 전하가 상기 제 1 전극, 상기 압력필름 및 상기 제 2 전극을 통해 이동하는 터치 펜.
청구항 1에 있어서,
상기 압력필름은
상기 압력이 증가함에 따라 상기 저항값이 감소하며, 상기 압력이 감소함에 따라 상기 저항값이 증가하는 터치 펜.
청구항 3에 있어서,
상기 압력필름은
상기 저항값이 증가되면 상기 터치패널에서 발생하는 전하의 이동량이 감소되고, 상기 저항값이 감소하면 상기 전하 이동량이 증가하는 터치 펜.
청구항 1에 있어서,
상기 압력필름은 저항성 중합체 필름(Resistive Polymer Film)인 터치 펜.
청구항 1에 있어서,
상기 제 1 전극은
말단으로 갈수록 폭이 일정하게 감소하도록 형성되는 터치 펜.
청구항 6에 있어서,
상기 제 1 전극은 원뿔형상인 터치 펜.
청구항 6에 있어서,
상기 제 1 전극은 반구형상인 터치 펜.