KR20170135118A - 터치 압력 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지문 인증을 수행하는 스마트카드 및 이를 이용한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자의 지문인증 방향에 따라 타인에게 사용자의 상황을 전달하는 방법 및 이를 수행하는 스마트카드에 관한 것이다.

Description

터치 압력 검출 장치{TOUCH FORCE SENSING APPARATUS}

본 발명은 터치 압력 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저항 가변 소재의 패터닝 구조 및 저항 가변 소재의 모듈 구조를 포함한 터치 압력 검출 장치에 관한 것이다.

터치패널(touch panel)은 디스플레이 표면에 장착되어 사용자의 손가락 등의 물리적 접촉을 전기적 신호로 변환하여 제품을 작동시키는 입력장치로서, 각종 디스플레이 장치에 폭넓게 응용될 수 있으며, 근래에 와서는 그 수요가 비약적으로 성장하고 있다.

이러한 터치패널은 동작원리에 따라 저항막 방식(Resistive), 정전용량 방식(Capacitive), 초음파 방식(SAW), 적외선 방식(IR)등으로 구분될 수 있다.

이 중, 종래 정전용량 방식 터치패널은 기본적으로 기판, 금속배선층, 패턴층을 구비한다. 패턴층은 복수개의 패턴 전극(터치패턴)들로 구성되어 있으며, 각각의 패턴 전극은 외부의 물리적 접촉에 대응해 전기적 신호를 발생시킨다. 그리고 발생된 전기적 신호는 패턴 전극과 연결된 금속배선들을 통해 제품의 제어부로 전달되어 제품을 작동시킨다.

최근에는, 스마트폰, 스마트TV 등에서 다양한 기능을 하는 다양한 종류의 애플리케이션(application)이 등장함에 따라, 터치패널에 있어서 다양한 터치 방식에 대한 수요가 급증하고 있는 실정이다.

따라서, 단순히 터치 위치를 판단해내는 데에서 그치는 것이 아니라, 그 터치의 다양한 특성 중 하나인 터치 압력을 판단하여, 그에 기초한 동작을 하도록 하는 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상호 이격 된 복수개의 전극 배선들과 가변 저항 소재를 인쇄 또는 테이핑 형태로 연결함으로써, 압력 검출 장치의 터치 검출 민감도 또는 정확도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 압력 센서를 터치스크린 가장자리에 배치하여, 온-셀(On-cell)구조에 적용되는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적으로는 터치스크린과 커버글래스(유리 기판)가 맞닿은 부분에서 터치스크린이 맞닿지 않는 커버글래스(유리 기판) 내면의 외곽부분 또는 터치스크린 후면 전체에 압력 센서를 배치하여, 압력을 검출할 수 있도록 편의성을 높이는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 압력 검출 장치는 신호 배선 및 그라운드 배선이 하나의 쌍(pair)을 이루는 복수개의 직선형 전극 페어가 각각의 길이 방향과 수직한 방향으로 상호 이격되어 배치되는 패턴층; 및 상기 패턴층 상부에 배치되며, 가변 저항 물질로 구성되는 압전 재료층을 포함한다.

이 때, 온-셀(On-cell) 방식의 터치스크린의 경우, 상기 패턴층은 상기 터치스크린의 편광필름 하부에 배치되며, 상기 압전 재료층은 상기 패턴층의 상부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 패턴층은 터치스크린의 디스플레이 부분을 제외한 커버글라스 하부에 배치되며, 상기 압전 재료층은 상기 패턴층의 상부에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.,

다른 일 실시예로서, 상기 패턴층은 터치스크린의 디스플레이면과 대향되는 후면 전체에 배치되며, 상기 압전 재료층은 상기 패턴층의 상부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 터치스크린의 디스플레이면과 대향되는 후면 전체에 배치되는 패턴층은, 상기 압전 재료층이 상기 패턴층의 상부에 도트 형태로 배치되거나, 상기 패턴층의 상부에 일정한 패턴 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 압전 재료층은 메탈 또는 도전체가 인쇄되어 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 압전 재료층은 메탈 또는 도전체가 테이핑되어 이루어질 수도 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상호 이격 된 복수개의 전극 배선들과 가변 저항 소재를 인쇄 또는 테이핑 형태로 연결함으로써, 압력 검출 장치의 터치 검출 민감도 또는 정확도를 향상 시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 압력 센서를 터치스크린 가장자리에 배치하여, 온-셀(On-cell)구조에 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 목적으로는 터치스크린과 커버글래스가 맞닿은 부분에서 터치스크린이 맞닿지 않는 커버글래스 내면의 외곽부분 또는 터치스크린 후면에 압력 센서를 배치하여, 모든 터치스크린에서 압력을 검출할 수 있도록 편의성을 높일 수 있다.

도 1은 일체형 압력 검출 장치의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 온-셀 구조에 적용된 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 압력 검출 장치의 측면도 이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 유리 기판 내면에 배치된 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 디스플레이 모듈 외면에 도트 형태로 배치한 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 디스플레이 모듈 외면에 일정한 패턴 형태로 배치한 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일체형 압력 검출 장치의 개략적인 구성의 일례 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 압력 센서를 포함하는 터치스크린은, 유리 기판(10), 유리 기판(10) 하부에 형성되는 블랙 매트릭스(20), 블랙 매트릭스(20) 하부에 형성되는 투명 전극층(30)을 포함한다. 투명 전극층(30)에는 유리 기판(10) 상면에서의 터치를 검출하기 위한 복수개의 전극이 구비된다.

투명 전극층(30)의 가장자리의 적어도 일부에는 유리 기판(10) 상면에서 발생한 터치의 압력을 감지하는 압력 센서(40)가 복수개 구비된다.

상기 터치스크린의 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유리 기판(10) 상에 블랙 매트릭스(20)를 인쇄 방식 또는 스퍼터링(sputtering) 방식으로 형성한 후, 블랙 매트릭스(20) 전면에 스퍼터링 방식을 이용하여 투명 전극층(30)을 형성한다.

그 후, 습식 에칭, 건식 에칭 또는 레이저 방식을 통해 투명 전극층(30)에 터치 검출을 위한 전극 및 압력 검출을 위한 전극 패턴을 형성한다. 압력 검출을 위한 전극 패턴은 압력 센서(40)의 일부분이 된다. 즉, 투명 전극층(30)의 일부분은 압력 센서(40)의 제1 레이어(41) 내 전극으로서 기능할 수 있다.

압력 센서(40)의 제1 레이어(41) 상부에는 압전 재료층(42)을 인쇄하여 형성한다. 필요 시에는 블랙 매트릭스(20)와 압전 재료층(42) 사이에 카본층 등의 인쇄층이 더 형성될 수도 있다.

압전 재료층(42) 상에는 제1 레이어(41)의 전극과 전기적 결전을 형성할 수 있는 전극을 포함하는 제2 레이어(43)를 형성하고, 상부에는 내부 전극들을 보호하기 위한 보호층(44)으로서 절연층을 형성한다.

이하에서는, 압력 센서(40)를 구성하는 각 소재들의 형성 패턴에 대하여 설명하도록 한다.

압력 센서는 복수개의 시트가 라미네이션(lamination, 같은 종류 또는 다른 종류의 필름 등 두 개 이상을 겹쳐 붙이는 가공법)되어 하나의 시트로 형성된다.

구체적으로 살펴보면, 압력 검출 터치 패널의 압력 센서는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 레이어(41)와, 제1 레이어(41)의 제1 전극과 제2 전극을 연결할 수 있는 연결 전극을 포함하는 제2 레이어(43), 및 제1 레이어와 제2 레이어 사이에 배치되며, 물체의 접촉에 따른 압력에 따라 저항이 변하는 압전 재료층(42)을 포함한다. 상기의 구조는 제1 레이어(41), 압전 재료층(42), 제2 레이어(43)의 순서대로 배치되어 라미네이션된다.

제1 레이어(41)의 제1 전극 및 제2 전극은 투명 전극층(30, 도 1 참조)의 재료가 되는 ITO 또는 기타 투명 전극재로 형성될 수 있다.

통상적인 압력 센서(40)의 제1 레이어(41)는 상호 이격된 제1 전극 및 제2 전극이 대칭적으로 배치된다.

압전 재료층(42)은 물체의 접촉 시 발생하는 압력에 따라 면저항(Sheet Resistance)이 변하는 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 압전 재료층(42)은, 금속성 물질 및 비전도성 탄성 중합체의 합성물인 양자 터널링 합성물(QTC: Quantum Tunnelling Composite) 재질로 구성될 수 있다.

상기 양자 터널링 합성물은 가변 저항 물질로 부전도 탄성 바인더(non-conducting elastomeric binder) 내에 표면 돌기 구조의 금속 입자를 조합한 것으로서, 상기 금속 입자들은 압력이 인가되지 않을 때에는 서로 이격된 상태에 있어 전기를 전도할 수 없지만, 압력이 인가될 때는 서로 인접하여 상기 부전도 탄성 바인더(절연체)를 통해 터널링할 수 있다.

따라서, 압력 센서(40) 상에 압력이 가해지면 압전 재료층(42)이 밀착된 부분에서 전류가 흐르게 되어, 압전 재료층(42)의 상부 전극 및 압전 재료층(42)의 하부 전극이 상하 방향으로 전기적 결연될 수 있다.

압전 재료층(42)에 가해진 압력의 세기에 따라, 압전 재료층(42)의 상부 전극 및 하부 전극 간의 접촉 면적이 달라지므로 압력 센서(40)는 가변 저항 값을 가지게 된다.

제2 레이어(43)는 카본층과 같은 전도성 물질의 연결 전극을 포함할 수 있다.

제2 레이어(43)의 연결 전극은 압전 재료층(42) 상부에 배치되는데, 제1 전극 및 제2 전극과 같은 직선 상에서, 제1 레이어(41)의 제1 전극과 제2 전극 사이의 이격된 부분을 커버하고, 제1 전극 및 제2 전극의 일부와 중첩될 수 있도록 위치한다.

이에 따라, 압력이 가해져 압전 재료층(42)에 전류가 흐르면, 압력 인가 전, 분리되어 있던 제1 전극 및 제2 전극이 제2 레이어(43)의 연결 전극에 의해 전기적으로 연결되게 된다.

도 2는 도 1에서 설명한 압력 센서(40)를 온-셀 구조의 터치스크린에 적용된 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.

온-셀 구조의 터치스크린(100)의 디스플레이 외곽 부분에 직각 모양으로 압력 센서(110)를 배치할 수 있다. 압력 센서(110)는 패턴층(112, 123) 및 압전 재료층(111)을 포함하고, 패턴층(112, 113)은 제1 전극(112) 및 제2 전극(113)을 포함한다.

압력 센서(110)에 압력이 가해지면, 양자 터널링 합성물과 같은 압전 재료층(111)에 전류가 흐르게 되어, 압전 재료층이 제1 전극(112) 및 제2 전극(113)과, 전기적으로 통하게 하는데, 이때, 압력의 세기에 따라 압전 재료층(111)의 면 저항 값이 달라진다.

이에 따라, 압전 재료층(111) 및 패턴층(112, 113)의 연결 전극은 압력 검출 장치의 저항 가변 소재에 해당한다고 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 패턴층을 구성하는 전극은 ITO 또는 기타 투명 전극재로 이루어질 수 있는데, 두 개의 투명 전극 배선이 하나의 전극쌍(pair)을 구성하여 배치된다. 두 개의 전극 배선은 압력 센서(110)로부터 신호를 전달 받아 압력 값을 검출해내는 구동부(미도시)와 연결된다. 상기 두 개의 전극 배선 중 하나는 구동부와 전기적 신호를 송수신하는 신호 배선이며, 다른 하나는 그라운드 전위와 연결되는 그라운드 배선이다.

도 3은 도 2에 도시된 온-셀 구조의 터치스크린 압력 검출 장치의 측면도 이다.

도 3에 도시된 압력 검출 장치는 유리 기판(210), 광학용 투명 양면 테이프(OCA: optically clear adhesive)(220), 편광 필름(230), 압력 센서(240), 패턴층(250) 및 글래스층(260)을 포함한다.

글래스층(260)은 OLED 디스플레이에 적용되는 경우, 캡슐화 글래스(Encapsulation glass)를 의미하며, LCD 디스플레이에 적용하는 경우에는 컬러 필터를 의미할 수도 있다.

압력 센서(240)는 압력이 가해지면 저항 값이 줄어드는 원리를 이용하여 압력, 무게, 터치 등을 감지하는 센서이다. 압력 센서(240)는 복수개의 층으로 이루어지며, 가장 상부에는 반도체(semi-conductor)로 형성되는 층이 존재하고, 가장 하부에는 액티브 영역(active dot area)이 존재한다. 압력이 존재하지 않을 때는 반도체 층이 액티브 영역에 접촉되지 않지만 압력이 높아질 수록 반도체 층과 액티브 영역의 접촉 면적이 증가하여 저항이 낮아진다.

압력 센서(240)는 저항의 스펙트럼에 따라 은(Ag), 구리(Copper) 등의 메탈 또는 도전체로 패턴층(250) 상부에 패턴 인쇄 및 증착 할 수도 있으며, 다른 실시예로는 압력 센서(240)는 테이프(Tape) 형태로 패턴층(250) 상부에 부착할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 유리 기판 내면에 배치된 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 압력 검출 장치는 유리 기판(410), 압력 센서(420), 유연성 기판(FPCB: FLEXIBLE PCB)(430) 및 터치스크린(440)을 포함한다.

압력 센서(420)는 유리 기판(410)의 내면에 배치될 수 있으며, 이 때, 터치스크린(440)과 유리 기판(410)의 접촉면을 제외한 영역인 비활성 영역에 배치될 수 있다.

유연성 기판(430)은 압력 센서(420)가 감지한 신호를 구동부(미도시)에 연결시켜주는 역할을 하며, 구동부(미도시)는 터치스크린(440)과 유리 기판(410)의 접촉면과 대향하는 외면에 배치될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 디스플레이 모듈 외면에 도트 형태로 배치한 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압력 검출 장치는 터치스크린(510), 필름(520), 압력 센서(540) 및 유연성 기판(530)을 포함한다. 이 때, 압력 센서(540)는 도트 형태로 필름(520)의 한쪽 면에 배치되며, 압력 센서(540)가 배치된 필름의 한쪽 면이 터치스크린(510)의 후면 전체에 배치될 수도 있다.

이에 따라, 터치스크린 화면에 압력이 가해지는 경우, 도트 형태의 압력 센서(540)는 센서의 두께가 변하게 되며, 센서 두께의 변화에 따라 저항값이 바뀌게 되므로 터치스크린에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.

즉, 터치스크린(510)의 외면 전체에 배치된 압력 센서(540)들의 두께 변화에 따라 변화하는 저항값을 이용하여 터치스크린(510)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.

유연성 기판(530)은 압력 센서(540)에서 발생한 신호를 구동회로(미도시)에 전달하는 역할을 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 디스플레이 모듈 외면에 일정한 패턴 형태로 배치한 압력 검출 장치를 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 압력 검출 장치는 터치스크린(610), 필름(620), 압력 센서 패턴(640) 및 유연성 기판(630)을 포함한다. 이 때, 압력 센서 패턴(640)은 필름(620)의 한쪽 면에 배치되며, 압력 센서 패턴(640)이 배치된 필름(620)의 한쪽 면이 터치스크린(610)의 후면 전체에 배치될 수도 있다.

압력 센서 패턴(640)은 일정 패턴의 그룹들의 집합으로 배치될 수도 있으며, 이에 따라, 터치스크린(610) 화면에 압력이 가해지는 경우, 압력 센서 패턴(640)의 그룹 당 전체 길이(Length)가 변화하게 되며, 센서 길이의 변화에 따라 저항 값이 바뀌게 되므로 터치스크린에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.

즉, 터치스크린(610)에 가해지는 압력에 따라 압력이 가해지는 부분의 압력 센서 패턴(640)의 길이가 늘어나게 되며, 이에 따라 터치스크린(610) 외면 전체에 배치된 압력 센서 패턴(640)들의 길이 변화에 따른 저항값을 이용하여 터치스크린(610)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.

유연성 기판(630)은 압력 센서 패턴(640)에서 발생한 신호를 구동회로(미도시)에 전달하는 역할을 한다

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 압력 검출 장치
110 : 압력 센서
111 : 압전 재료층
112, 113 : 패턴층

Claims (8)

1. 신호 배선 및 그라운드 배선이 하나의 쌍(pair)을 이루는 복수개의 직선형 전극 페어가 각각의 길이 방향과 수직한 방향으로 상호 이격되어 배치되는 패턴층; 및
   상기 패턴층 상부에 배치되며, 가변 저항 물질로 구성되는 압전 재료층;
   을 포함하는 터치 압력 검출 장치.
2. 제1항에 있어서,
   온-셀(On-cell) 방식의 터치스크린의 경우,
   상기 패턴층은 상기 터치스크린의 편광필름 하부에 배치되며, 상기 압전 재료층은 상기 패턴층의 상부에 배치되는 것을 특징하는 터치 압력 검출 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 패턴층은 터치스크린의 디스플레이 부분을 제외한 커버글라스 하부에 배치되며, 상기 압전 재료층은 상기 패턴층의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 압력 검출장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 패턴층은 터치스크린의 디스플레이면과 대향되는 후면 전체에 배치되며, 상기 압전 재료층은 상기 패턴층의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 압력 검출 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 터치스크린의 디스플레이면과 대향되는 후면 전체에 배치되는 패턴층은,
   상기 압전 재료층이 상기 패턴층의 상부에 도트 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 압력 검출 장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 터치스크린의 디스플레이면과 대향되는 후면 전체에 배치되는 패턴층은,
   상기 압전 재료층이 상기 패턴층의 상부에 일정한 패턴 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 압력 검출 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 압전 재료층은 메탈 또는 도전체가 인쇄되어 이루어지는 것을 특징으로 하는, 터치 압력 검출 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 압전 재료층은 메탈 또는 도전체가 테이핑되어 이루어지는 것을 특징으로 하는, 터치 압력 검출 장치.

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