KR20180121993A - 압력 센서, 이를 포함하는 터치 입력 장치 및 이를 이용한 압력 검출 방법 - Google Patents

압력 센서, 이를 포함하는 터치 입력 장치 및 이를 이용한 압력 검출 방법 Download PDF

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Abstract

실시형태에 따른 터치 입력 장치는 터치 표면에 대한 터치의 압력 검출이 가능하며, 디스플레이 모듈; 및 상기 터치 표면에 대한 상기 터치에 따라 기준 전위층과의 거리가 변할 수 있는 위치에 배치된 압력 센서를 포함하며, 상기 거리는 상기 터치의 압력 크기에 따라 달라질 수 있으며, 상기 압력 센서는 상기 거리에 따라 변하는 정전용량에 대한 정보를 포함하는 신호를 출력할 수 있고, 상기 압력 센서는 복수의 채널을 형성하도록 복수의 전극을 포함하고, 상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출할 수 있다.

Description

압력 센서, 이를 포함하는 터치 입력 장치 및 이를 이용한 압력 검출 방법
본 발명은 압력 검출을 위한 압력 센서 및 이를 포함하는 터치 입력 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터치 위치를 검출할 수 있도록 구성된 터치 입력 장치에 적용되어 터치 압력을 검출할 수 있도록 하는 압력 센서, 이를 포함하는 터치 입력 장치 및 이를 이용한 압력 검출 방법에 관한 것이다.
컴퓨팅 시스템의 조작을 위해 다양한 종류의 입력 장치들이 이용되고 있다. 예컨대, 버튼(button), 키(key), 조이스틱(joystick) 및 터치 스크린과 같은 입력 장치가 이용되고 있다. 터치 스크린의 쉽고 간편한 조작으로 인해 컴퓨팅 시스템의 조작시 터치 스크린의 이용이 증가하고 있다.
터치 스크린은, 터치-감응 표면(touch-sensitive surface)을 구비한 투명한 패널일 수 있는 터치 센서 패널(touch sensor panel)을 포함하는 터치 입력 장치의 터치 표면을 구성할 수 있다. 이러한 터치 센서 패널은 디스플레이 스크린의 전면에 부착되어 터치-감응 표면이 디스플레이 스크린의 보이는 면을 덮을 수 있다. 사용자가 손가락 등으로 터치 스크린을 단순히 터치함으로써 사용자가 컴퓨팅 시스템을 조작할 수 있도록 한다. 일반적으로, 컴퓨팅 시스템은 터치 스크린상의 터치 및 터치 위치를 인식하고 이러한 터치를 해석함으로써 이에 따라 연산을 수행할 수 있다.
이때, 터치 스크린상의 터치에 따른 터치 위치뿐 아니라 터치의 압력 크기를 검출할 수 있는 터치 입력 장치에 대한 필요성이 야기되고 있다.
본 발명의 목적은 압력 검출을 위한 압력 센서, 이를 포함하는 터치 입력 장치 및 이를 이용한 압력 검출 방법을 제공하는 것이다.
실시형태에 따른 터치 입력 장치는 터치 표면에 대한 터치의 압력 검출이 가능하며, 디스플레이 모듈; 및 상기 터치 표면에 대한 상기 터치에 따라 기준 전위층과의 거리가 변할 수 있는 위치에 배치된 압력 센서를 포함하며, 상기 거리는 상기 터치의 압력 크기에 따라 달라질 수 있으며, 상기 압력 센서는 상기 거리에 따라 변하는 정전용량에 대한 정보를 포함하는 신호를 출력할 수 있고, 상기 압력 센서는 복수의 채널을 형성하도록 복수의 전극을 포함하고, 상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출할 수 있다.
실시형태에 따른 압력 센서는 제1절연층과 제2절연층; 및 상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 위치하는 제1전극과 제2전극;을 포함하는 압력 센서로서, 상기 압력 센서와 이격되어 위치하는 기준전위층과 상기 압력 센서 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량이 검출될 수 있고, 상기 정전용량을 통해 상기 거리 변화를 야기하는 압력의 크기가 검출될 수 있도록 구성되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 복수개 포함하여 복수의 채널을 형성하도록 구성되고, 상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 압력 센서는 제1절연층과 제2절연층; 및 상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 위치하는 전극;을 포함하는 압력 센서로서, 상기 압력 센서와 이격되어 위치하는 기준전위층과 상기 압력 센서 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준전위층 사이의 정전용량이 검출될 수 있고, 상기 정전용량을 통해 상기 거리 변화를 야기하는 압력의 크기가 검출될 수 있도록 구성되고, 상기 전극을 복수개 포함하여 복수의 채널을 형성하도록 구성되고, 상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 압력 검출을 위한 압력 센서, 이를 포함하는 터치 입력 장치 및 이를 이용한 압력 검출 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 터치에 대한 압력 검출 정밀도가 높은 압력 센서 및 이를 포함하는 터치 입력 장치를 제공할 수 있다.
도1은 정전 용량 방식의 터치 센서 패널 및 이의 동작을 위한 구성의 개략도이다.
도2a 내지 도2e는 실시예에 따른 터치 입력 장치에서 디스플레이 패널에 대한 터치 센서 패널의 상대적인 위치를 예시하는 개념도이다.
도3a 내지 도3h는 본 발명의 실시예에 따른 압력 전극을 포함하는 예시적인 압력 센서의 단면도이다.
도3i는 본 발명의 실시예에 따른 전극층과 기준전위층간의 거리변화에 따른 정전용량 변화량을 나타내는 도면이다.
도4a는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서 및 압력 검출 모듈이 적용될 수 있는 제1예의 터치 입력 장치의 단면도이다.
도4b는 실시예에 따른 터치 입력 장치에서 백라이트 유닛의 광학층을 예시한다.
도4c는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서 및 압력 검출 모듈이 적용될 수 있는 제2예의 터치 입력 장치의 단면도이다.
도5a 및 도5b는 터치 입력 장치에 포함된 제1예의 압력 센서와 기준 전위층 사이의 상대적인 거리 및 이에 압력이 인가된 경우를 예시한다.
도5c 및 도5d는 터치 입력 장치에 포함된 제2예의 압력 센서와 기준 전위층 사이의 상대적인 거리 및 이에 압력이 인가된 경우를 예시한다.
도5e는 터치 입력 장치에 포함된 제3예의 압력 센서의 배치를 예시한다.
도6a는 제1방법에 따라 압력 센서가 터치 입력 장치에 부착된 터치 입력 장치의 일부의 단면도이다.
도6b는 제1방법에 따라 압력 센서를 터치 입력 장치에 부착하기 위한 압력 센서의 평면도이다.
도6c는 제2방법에 따라 압력 센서가 터치 입력 장치에 부착된 터치 입력 장치의 일부의 단면도이다.
도7a 내지 도7e는 본 발명의 실시예에 따른 압력 검출을 위한 압력 센서에 포함된 압력 전극 패턴을 예시한다.
도8a 및 도8b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서가 적용된 터치 입력 장치에서 터치 압력의 크기와 포화 면적 사이의 관계를 나타낸다.
도9a 내지 도9d는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 단면을 예시한다.
도10a 및 도10b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 부착 방법을 예시한다.
도11a 내지 도11c는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 터치 센싱 회로에 연결하는 방법을 예시한다.
도12a 내지 도12d는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서가 복수의 채널을 포함하는 구성을 예시한다.
도13a 내지 도13c는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 포함되는 제1전극 및 제2전극의 형태를 예시한다.
도13d는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 포함되는 제1전극의 형태를 예시한다.
도14a는 도13d에 도시된 압력 센서에서 소정 위치에 압력이 인가되는 경우를 도시하는 도면이다.
도14b는 도14a의 A위치에 대응되는 터치 표면에 터치 압력이 인가되는 경우에 터치 입력 장치가 휘어지는 형태를 도시하는 단면도이다.
도14c는 도14a의 C위치에 대응되는 터치 표면에 터치 압력이 인가되는 경우에 터치 입력 장치가 휘어지는 형태를 도시하는 단면도이다.
도15는 도13d에 도시된 압력 센서에서 각각의 제1전극에 할당된 스케일링 계수를 나타내기 위한 도면이다.
도16a는 도14a에 도시된 위치에 압력이 인가되는 경우 인가되는 압력의 크기와 터치 입력 장치의 체적 변화량의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도16b는 도14b에 도시된 터치 입력 장치의 체적 변화량을 도시하기 위한 단면도이다.
도16c는 도14c에 도시된 터치 입력 장치의 체적 변화량을 도시하기 위한 단면도이다.
도17a는 터치 입력 장치에 압력이 인가될 때, 터치 입력 장치가 변형되는 형태를 설명하기 위한 부분사시도이다.
도17b는 터치 입력 장치에 압력이 인가될 때, 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도17c는 도17b에 도시된 도면의 단면도이다.
도18a는 도13a 내지 도13c에 도시된 형태의 압력센서에 대하여 압력 정전용량을 센싱하는 장치의 등가회로를 예시한다.
도18b는 도13d에 도시된 압력센서에 대하여 압력 정전용량을 센싱하는 장치의 등가회로를 예시한다.
도19a는 도14a에 도시된 압력센서의 D위치에 압력이 인가된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도19b는 도19a에 도시된 D위치에 압력이 인가된 경우 압력값을 산출하는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
도20a 내지 도20c는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력장치에서 복수개의 채널을 이용하여 터치의 압력의 크기를 검출하는 방법의 예를 설명하기 위한 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압력 검출을 위한 압력 센서 및 이를 포함하는 압력 검출 모듈이 적용될 수 있는 터치 입력 장치를 설명한다. 이하에서는 정전용량 방식의 터치 센서 패널(100)을 예시하나 임의의 방식으로 터치 위치를 검출할 수 있는 터치 센서 패널(100)이 적용될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(440) 및 이를 포함하는 압력 검출 모듈이 적용될 수 있는 터치 입력 장치에 포함되는 정전 용량 방식의 터치 센서 패널(100) 및 이의 동작을 위한 구성의 개략도이다. 도1을 참조하면, 터치 센서 패널(100)은 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn) 및 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)을 포함하며, 상기 터치 센서 패널(100)의 동작을 위해 상기 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)에 구동신호를 인가하는 구동부(120), 및 터치 센서 패널(100)의 터치 표면에 대한 터치에 따라 변화되는 정전용량 변화량에 대한 정보를 포함하는 감지신호를 수신하여 터치 여부 및/또는 터치 위치를 검출하는 감지부(110)를 포함할 수 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 터치 센서 패널(100)은 복수의 구동 전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신 전극(RX1 내지 RXm)을 포함할 수 있다. 도1에서는 터치 센서 패널(100)의 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)이 직교 어레이를 구성하는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않으며, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)이 대각선, 동심원 및 3차원 랜덤 배열 등을 비롯한 임의의 수의 차원 및 이의 응용 배열을 갖도록 할 수 있다. 여기서, n 및 m은 양의 정수로서 서로 같거나 다른 값을 가질 수 있으며 실시예에 따라 크기가 달라질 수 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 각각 서로 교차하도록 배열될 수 있다. 구동전극(TX)은 제1축 방향으로 연장된 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)을 포함하고 수신전극(RX)은 제1축 방향과 교차하는 제2축 방향으로 연장된 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 터치 센서 패널(100)에서 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 서로 동일한 층에 형성될 수 있다. 예컨대, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 절연막(미도시)의 동일한 면에 형성될 수 있다. 또한, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 서로 다른 층에 형성될 수 있다. 예컨대, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 하나의 절연막(미도시)의 양면에 각각 형성될 수도 있고, 또는 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)은 제1절연막(미도시)의 일면에 그리고 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 상기 제1절연막과 다른 제2절연막(미도시)의 일면상에 형성될 수 있다.
복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극 (RX1 내지 RXm)은 투명 전도성 물질(예를 들면, 산화주석(SnO2) 및 산화인듐(In2O3) 등으로 이루어지는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ATO(Antimony Tin Oxide)) 등으로 형성될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시일 뿐이며 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)은 다른 투명 전도성 물질 또는 불투명 전도성 물질로 형성될 수도 있다. 예컨대, 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)은 은잉크(silver ink), 구리(copper) 또는 탄소 나노튜브(CNT: Carbon Nanotube) 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)는 메탈 메쉬(metal mech)로 구현되거나 은나노(nano silver) 물질로 구성될 수 있다.
실시예에 따른 구동부(120)는 구동신호를 구동전극(TX1 내지 TXn)에 인가할 수 있다. 실시예에서, 구동신호는 제1구동전극(TX1)부터 제n구동전극(TXn)까지 순차적으로 한번에 하나의 구동전극에 대해서 인가될 수 있다. 이러한 구동신호의 인가는 재차 반복적으로 이루어질 수 있다. 이는 단지 예시일 뿐이며, 실시예에 따라 다수의 구동전극에 구동신호가 동시에 인가될 수도 있다.
감지부(110)는 수신전극(RX1 내지 RXm)을 통해 구동신호가 인가된 구동전극(TX1 내지 TXn)과 수신전극(RX1 내지 RXm) 사이에 생성된 정전용량(Cm: 101)에 관한 정보를 포함하는 감지신호를 수신함으로써 터치 여부 및 터치 위치를 검출할 수 있다. 예컨대, 감지신호는 구동전극(TX)에 인가된 구동신호가 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 사이에 생성된 정전용량(CM: 101)에 의해 커플링된 신호일 수 있다. 이와 같이, 제1구동전극(TX1)부터 제n구동전극(TXn)까지 인가된 구동신호를 수신전극(RX1 내지 RXm)을 통해 감지하는 과정은 터치 센서 패널(100)을 스캔(scan)한다고 지칭할 수 있다.
예를 들어, 감지부(110)는 각각의 수신전극(RX1 내지 RXm)과 스위치를 통해 연결된 수신기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 스위치는 해당 수신전극(RX)의 신호를 감지하는 시간구간에 온(on)되어서 수신전극(RX)으로부터 감지신호가 수신기에서 감지될 수 있도록 한다. 수신기는 증폭기(미도시) 및 증폭기의 부(-)입력단과 증폭기의 출력단 사이, 즉 궤환 경로에 결합된 궤환 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 증폭기의 정(+)입력단은 그라운드(ground) 또는 기준 전압에 접속될 수 있다. 또한, 수신기는 궤환 캐패시터와 병렬로 연결되는 리셋 스위치를 더 포함할 수 있다. 리셋 스위치는 수신기에 의해 수행되는 전류에서 전압으로의 변환을 리셋할 수 있다. 증폭기의 부입력단은 해당 수신전극(RX)과 연결되어 정전용량(CM: 101)에 대한 정보를 포함하는 전류 신호를 수신한 후 적분하여 전압으로 변환할 수 있다. 감지부(110)는 수신기를 통해 적분된 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 ADC(미도시: Analog-Digital Converter)를 더 포함할 수 있다. 추후, 디지털 데이터는 프로세서(미도시)에 입력되어 터치 센서 패널(100)에 대한 터치 정보를 획득하도록 처리될 수 있다. 감지부(110)는 수신기와 더불어, ADC 및 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(130)는 구동부(120)와 감지부(110)의 동작을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 구동제어신호를 생성한 후 구동부(200)에 전달하여 구동신호가 소정 시간에 미리 설정된 구동전극(TX)에 인가되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 감지제어신호를 생성한 후 감지부(110)에 전달하여 감지부(110)가 소정 시간에 미리 설정된 수신전극(RX)으로부터 감지신호를 입력받아 미리 설정된 기능을 수행하도록 할 수 있다.
도1에서 구동부(120) 및 감지부(110)는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 패널(100)에 대한 터치 여부 및/또는 터치 위치를 검출할 수 있는 터치 검출 장치(미표시)를 구성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 장치는 제어부(130)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 터치 검출 장치는 터치 센서 패널(100)을 포함하는 터치 입력 장치(1000)에서 터치 센싱 회로인 터치 센싱 IC(touch sensing Integrated Circuit: 미도시) 상에 집적되어 구현될 수 있다. 터치 센서 패널(100)에 포함된 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)은 예컨대 전도성 트레이스(conductive trace) 및/또는 회로 기판상에 인쇄된 전도성 패턴(conductive pattern)등을 통해서 터치 센싱 IC에 포함된 구동부(120) 및 감지부(110)에 연결될 수 있다. 터치 센싱 IC는 전도성 패턴이 인쇄된 회로 기판 상에 위치할 수 있다. 실시예에 따라 터치 센싱 IC는 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 메인보드 상에 실장되어 있을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 구동전극(TX)과 수신전극(RX)의 교차 지점마다 소정 값의 정전용량(C)이 생성되며, 손가락과 같은 객체가 터치 센서 패널(100)에 근접하는 경우 이러한 정전용량의 값이 변경될 수 있다. 도1에서 상기 정전용량은 상호 정전용량(Cm)을 나타낼 수 있다. 이러한 전기적 특성을 감지부(110)에서 감지하여 터치 센서 패널(100)에 대한 터치 여부 및/또는 터치 위치를 감지할 수 있다. 예컨대, 제1축과 제2축으로 이루어진 2차원 평면으로 이루어진 터치 센서 패널(100)의 표면에 대한 터치의 여부 및/또는 그 위치를 감지할 수 있다.
보다 구체적으로, 터치 센서 패널(100)에 대한 터치가 일어날 때 구동신호가 인가된 구동전극(TX)을 검출함으로써 터치의 제2축 방향의 위치를 검출할 수 있다. 이와 마찬가지로, 터치 센서 패널(100)에 대한 터치시 수신전극(RX)을 통해 수신된 수신신호로부터 정전용량 변화를 검출함으로써 터치의 제1축 방향의 위치를 검출할 수 있다.
이상에서 터치 센서 패널(100)로서 상호 정전용량 방식의 터치 센서 패널이 상세하게 설명되었으나, 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 터치 여부 및 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서 패널(100)은 전술한 방법 이외의 자체 정전용량 방식, 표면 정전용량 방식, 프로젝티드(projected) 정전용량 방식, 저항막 방식, 표면 탄성파 방식(SAW: surface acoustic wave), 적외선(infrared) 방식, 광학적 이미징 방식(optical imaging), 분산 신호 방식(dispersive signal technology) 및 음성 펄스 인식(acoustic pulse recognition) 방식 등 임의의 터치 센싱 방식을 이용하여 구현될 수 있다.
이하에서 터치 여부 및/또는 터치 위치를 검출하기 위한 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)에 해당하는 구성은 터치 센서(touch sensor)로 지칭될 수 있다.
실시예에 따른 압력 센서 및 이를 포함하는 압력 검출 모듈이 적용될 수 있는 터치 입력 장치(1000)에서, 터치 센서 패널(100)은 디스플레이 패널(200A) 외부 또는 내부에 위치할 수 있다. 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)의 디스플레이 패널(200A)은 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 유기발광 표시장치(Organic Light Emitting Diode: OLED) 등에 포함된 디스플레이 패널일 수 있다. 이에 따라, 사용자는 디스플레이 패널에 표시된 화면을 시각적으로 확인하면서 터치 표면에 터치를 수행하여 입력 행위를 수행할 수 있다. 이때, 디스플레이 패널(200A)은 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 메인보드(main board) 상의 중앙 처리 유닛인 CPU(central processing unit) 또는 AP(application processor) 등으로부터 입력을 받아 디스플레이 패널에 원하는 내용을 디스플레이 하도록 하는 제어회로를 포함할 수 있다. 이때, 디스플레이 패널(200A)의 작동을 위한 제어회로는 도10a 내지 12c에서 제2인쇄 회로 기판(210: 이하 제2PCB로 지칭)에 실장될 수 있다. 이때, 디스플레이 패널(200A)의 작동을 위한 제어회로는 디스플레이 패널 제어 IC, 그래픽 제어 IC(graphic controller IC) 및 기타 디스플레이 패널(200A) 작동에 필요한 회로를 포함할 수 있다.
도2a 내지 도2e는 실시예에 따른 압력 센서(440)가 적용될 수 있는 터치 입력 장치에서 디스플레이 패널(200A)에 대한 터치 센서 패널(100)의 상대적인 위치를 예시하는 개념도이다. 먼저, 도2a 내지 도2c를 참조하여, LCD 패널을 이용하는 디스플레이 패널(200A)에 대한 터치 센서 패널(100)의 상대적인 위치를 설명하기로 한다.
도2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이, LCD 패널은 액정 셀(liquid crystal cell)을 포함하는 액정층(250), 액정층(250)의 양단에 전극을 포함하는 제1기판(261)과 제2기판(262), 그리고 상기 액정층(250)과 대향하는 방향으로서 상기 제1기판(261)의 일면에 제1편광층(271) 및 상기 제2기판(262)의 일면에 제2편광층(272)을 포함할 수 있다. 이때, 제1기판(261)은 컬러필터 글라스(color filter glass)일 수 있고, 제2기판(262)은 TFT 글라스(TFT glass)일 수 있다. 또한, 제1기판(261) 및/또는 제2기판(262)은 플라스틱 기판일 수 있다.
당해 기술분야의 당업자에게는, LCD 패널이 디스플레이 기능을 수행하기 위해 다른 구성을 더 포함할 수 있으며 변형이 가능함이 자명할 것이다.
도2a는, 터치 입력 장치(1000)에서 터치 센서 패널(100)이 디스플레이 패널(200A)의 외부에 배치된 것을 도시한다. 터치 입력 장치(1000)에 대한 터치 표면은 터치 센서 패널(100)의 표면일 수 있다. 도2a에서 터치 센서 패널(100)의 상부면이 터치 표면이 될 수 있다. 또한, 실시예에 따라 터치 입력 장치(1000)에 대한 터치 표면은 디스플레이 패널(200A)의 외면이 될 수 있다. 도2a에서 터치 표면이 될 수 있는 디스플레이 패널(200A)의 외면은 디스플레이 패널(200A)의 제2편광층(272)의 하부면이 될 수 있다. 이때, 디스플레이 패널(200)을 보호하기 위해서 디스플레이 패널(200A)의 하부면은 유리와 같은 커버층(미도시)으로 덮여있을 수 있다.
도2b 및 2c는, 터치 입력 장치(1000)에서 터치 센서 패널(100)이 디스플레이 패널(200A)의 내부에 배치된 것을 도시한다. 이때, 도2b에서는 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서 패널(100)이 제1기판(261)과 제1편광층(271) 사이에 배치되어 있다. 이때, 터치 입력 장치(1000)에 대한 터치 표면은 디스플레이 패널(200A)의 외면으로서 도2b에서 상부면 또는 하부면이 될 수 있다. 도2c에서는 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서 패널(100)이 액정층(250)에 포함되어 구현되는 경우, 즉 제1기판(261) 및 제2기판(262) 사이에 배치되는 경우를 예시한다. 이때, 터치 입력 장치(1000)에 대한 터치 표면은 디스플레이 패널(200A)의 외면으로서 도2c에서 상부면 또는 하부면이 될 수 있다. 도2b 및 도2c에서, 터치 표면이 될 수 있는 디스플레이 패널(200A)의 상부면 또는 하부면은 유리와 같은 커버층(미도시)으로 덮여있을 수 있다.
다음으로, 도2d 및 도2e를 참조하면서, OLED 패널을 이용하는 디스플레이 패널(200A)에 대한 터치 센서 패널(100)의 상대적인 위치를 설명하기로 한다. 도2d에서, 터치 센서 패널(100)은 편광층(282)과 제1기판(281) 사이에 위치하고, 도2e에서 터치 센서 패널(100)이 유기물층(280)과 제2기판(283) 사이에 위치한다. 또한, 터치 센서 패널(100)이 제1기판(281)과 유기물층(280) 사이에 위치할 수도 있다.
여기서, 제1기판(281)은 인캡 글라스(Encapsulation glass)로 이루어질 수 있고, 제2기판(283)은 TFT 글라스(TFT glass)로 이루어질 수 있다. 또한, 제1기판(281) 및/또는 제2기판(283)은 플라스틱 기판일 수 있다. 터치 센싱에 대해서는 위에서 상술했기 때문에, 그 외의 구성에 대해서만 간략한 설명을 이루기로 한다.
OLED 패널은 형광 또는 인광 유기물 박막에 전류를 흘리면 전자와 정공이 유기물층에서 결합하면서 빛이 발생하는 원리를 이용한 자체 발광형 디스플레이 패널로서, 발광층을 구성하는 유기물질이 빛의 색깔을 결정한다.
구체적으로, OLED는 유리나 플라스틱 위에 유기물을 도포해 전기를 흘리면, 유기물이 광을 발산하는 원리를 이용한다. 즉, 유기물의 양극과 음극에 각각 정공과 전자를 주입하여 발광층에 재결합시키면 에너지가 높은 상태인 여기자(excitation)를 형성하고, 여기자가 에너지가 낮은 상태로 떨어지면서 에너지가 방출되면서 특정한 파장의 빛이 생성되는 원리를 이용하는 것이다. 이때, 발광층의 유기물에 따라 빛의 색깔이 달라진다.
OLED는 픽셀 매트릭스를 구성하고 있는 픽셀의 동작특성에 따라 라인 구동 방식의 PM-OLED(Passive-matrix Organic Light-Emitting Diode)와 개별 구동 방식의 AM-OLED(Active-matrix Organic Light-Emitting Diode)가 존재한다. 양자 모두 백라이트를 필요로 하지 않기 때문에 디스플레이 모듈을 매우 얇게 구현할 수 있고, 각도에 따라 명암비가 일정하고, 온도에 따른 색 재현성이 좋다는 장점을 갖는다. 또한, 미구동 픽셀은 전력을 소모하지 않는다는 점에서 매우 경제적이다.
동작 면에서 PM-OLED는 높은 전류로 스캐닝 시간(scanning time) 동안만 발광을 하고, AM-OLED는 낮은 전류로 프레임 시간(frame time)동안 계속 발광 상태를 유지한다. 따라서, AM-OLED는 PM-OLED에 비해서 해상도가 좋고, 대면적 디스플레이 패널 구동이 유리하며, 전력 소모가 적다는 장점이 있다. 또한, 박막 트랜지스터(TFT)를 내장하여 각 소자를 개별적으로 제어할 수 있기 때문에 정교한 화면을 구현하기 쉽다.
도2d 및 도2e에 도시된 바와 같이, 기본적으로 OLED(특히, AM-OLED) 패널은 편광층(282), 제1기판(281), 유기물층(280) 및 제2기판(283)을 포함한다. 여기서, 제1기판(281)은 인캡 글라스이고, 제2기판(283)은 TFT 글라스일 수 있지만, 이에 한정되지 않으며, 제1기판(281) 및/또는 제2기판(283)은 플라스틱 기판일 수 있다.
또한, 유기물층(280)은 HIL(Hole Injection Layer, 정공주입층), HTL(Hole Transfer Layer, 정공수송층), EIL(Emission Material Layer, 전자주입층), ETL(Electron Transfer Layer, 전자수송층), EML(Electron Injection Layer, 발광층)을 포함할 수 있다.
각 층에 대해 간략히 설명하면, HIL은 정공을 주입시키며, CuPc 등의 물질을 이용한다. HTL은 주입된 정공을 이동시키는 기능을 하고, 주로, 정공의 이동성(hole mobility)이 좋은 물질을 이용한다. HTL은 아릴라민(arylamine), TPD 등이 이용될 수 있다. EIL과 ETL은 전자의 주입과 수송을 위한 층이며, 주입된 전자와 정공은 EML에서 결합되어 발광한다. EML은 발광되는 색을 표현하는 소재로서, 유기물의 수명을 결정하는 호스트(host)와 색감과 효율을 결정하는 불순물(dopant)로 구성된다. 이는, OLED 패널에 포함되는 유기물층(280)의 기본적인 구성을 설명한 것일 뿐, 본 발명은 유기물층(280)의 층구조나 소재 등에 한정되지 않는다.
유기물층(280)은 애노드(Anode)(미도시)와 캐소드(Cathode)(미도시) 사이에 삽입되며, TFT가 온(On) 상태가 되면, 구동 전류가 애노드에 인가되어 정공이 주입되고 캐소드에는 전자가 주입되어, 유기물층(280)으로 정공과 전자가 이동하여 빛을 발산한다.
또한, 실시예에 따라 터치 센서 중 적어도 일부는 디스플레이 패널(200A) 내에 위치하도록 구성되고 터치 센서 중 적어도 나머지 일부는 디스플레이 패널(200A) 외부에 위치하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 터치 센서 패널(100)을 구성하는 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 중 어느 하나의 전극은 디스플레이 패널(200A) 외부에 위치하도록 구성될 수 있으며, 나머지 전극은 디스플레이 패널(200A) 내부에 위치하도록 구성될 수도 있다. 디스플레이 패널(200) 내부에 터치 센서가 배치되는 경우, 터치 센서 동작을 위한 전극이 추가로 배치될 수도 있으나, 디스플레이 패널(200A) 내부에 위치하는 다양한 구성 및/또는 전극이 터치 센싱을 위한 터치 센서로 이용될 수도 있다.
또한, 실시예에 따라 터치 센서 중 적어도 일부는 제1기판(261, 281)과 제2기판(262, 283) 사이에 위치하도록 구성되고 터치 센서 중 적어도 나머지 일부는 제1기판(261, 281) 상부에 위치하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 터치 센서 패널(100)을 구성하는 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 중 어느 하나의 전극은 제1기판(261, 281) 상부에 위치하도록 구성될 수 있으며, 나머지 전극은 제1기판(261, 281)과 제2기판(262, 283) 사이에 위치하도록 구성될 수도 있다. 이 때, 마찬가지로 제1기판(261, 281)과 제2기판(262, 283) 사이에 터치 센서가 배치되는 경우, 터치 센서 동작을 위한 전극이 추가로 배치될 수도 있으나, 제1기판(261, 281)과 제2기판(262, 283) 사이에 위치하는 다양한 구성 및/또는 전극이 터치 센싱을 위한 터치 센서로 이용될 수도 있다.
제2기판(262, 283)은, 데이터 라인(data line), 게이트 라인(gate line), TFT, 공통 전극(common electrode) 및 화소 전극(pixel electrode) 등을 포함하는 다양한 층으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 디스플레이 패널(200A)이 LCD패널일 경우, 이들 전기적 구성요소들은, 제어된 전기장을 생성하여 액정층(250)에 위치한 액정들을 배향시키도록 작동할 수 있다. 제2기판(262, 283)에 포함된 데이터 라인, 게이트 라인, 공통 전극 및 화소 전극 중 어느 하나가 터치 센서로 이용되도록 구성될 수 있다.
이상에서는 터치 여부 및/또는 터치 위치를 검출할 수 있는 터치 센서 패널(100)을 포함하는 터치 입력 장치(1000)에 대해서 살펴보았다. 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(440)를 전술한 터치 입력 장치(1000)에 적용함으로써, 터치 여부 및/또는 터치 위치뿐 아니라 터치 압력의 크기 또한 용이하게 검출할 수 있다. 이하에서는 터치 입력 장치(1000)에 본 발명의 실시예에 따른 전극시트를 적용하여 터치 압력을 검출하는 경우에 대해서 예를 들어 상세하게 살펴본다. 실시예에 따라, 압력 검출 모듈이 적용되는 터치 입력 장치는 터치 센서 패널(100)을 구비하지 않을 수도 있다.
도3a은 본 발명의 실시예에 따른 압력 전극을 포함하는 예시적인 압력 센서의 단면도이다. 예컨대, 압력 센서(440)는 제1절연층(470)과 제2절연층(471) 사이에 전극층(441)을 포함할 수 있다. 전극층(441)은 제1전극(450) 및/또는 제2전극(460)을 포함할 수 있다. 이때, 제1절연층(470)과 제2절연층(471)은 폴리이미드(polyimide)와 같은 절연 물질일 수 있다. 전극층(441)에 포함된 제1전극(450)과 제2전극(460)은 구리(copper)와 같은 물질을 포함할 수 있다. 압력 센서(440)의 제조 공정에 따라 전극층(441)과 제2절연층(471) 사이는 OCA(Optically Clear adhesive)와 같은 접착제(미도시)로 접착될 수 있다. 또한, 실시예에 따라 압력 전극(450, 460)은, 제1절연층(470) 위에 압력 전극 패턴에 상응하는 관통 구멍을 갖는 마스크(mask)를 위치시킨 후 전도성 스프레이(spray)를 분사함으로써 형성될 수 있다.
도4a는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서 및 압력 검출 모듈이 적용될 수 있는 제1예의 터치 입력 장치의 단면도이다.
도4a에 예시된 터치 입력 장치(1000)의 단면도는 터치 입력 장치(1000)의 일부의 단면도일 수 있다. 도4a에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 디스플레이 패널(200A), 디스플레이 패널(200A) 하부에 배치된 백라이트 유닛(200B), 및 디스플레이 패널(200A) 상부에 배치된 커버층(500)을 포함하여 구성될 수 있다. 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 압력 센서(450, 460)는 커버(240)상에 형성될 수 있다. 본 명세서에서 디스플레이 패널(200A) 및 백라이트 유닛(200B)을 포함하여, 디스플레이 모듈(200)로 지칭될 수 있다. 도4a에서 커버(240) 상에 압력 센서(450, 460)가 부착된 것이 예시되나, 실시예에 따라 커버(240)와 동일 및/또는 유사한 기능을 수행하는 터치 입력 장치(1000)에 포함된 구성에 부착되는 것도 가능하다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 셀폰(cell phone), PDA(Personal Data Assistant), 스마트폰(smartphone), 태블랫 PC(tablet Personal Computer), MP3 플레이어, 노트북(notebook) 등과 같은 터치 스크린을 포함하는 전자 장치를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 패널(200A)은 터치 센서 중 적어도 일부가 디스플레이 패널(200A) 내부에 포함되는 디스플레이 패널일 수 있다. 또한, 실시예에 따라 터치 센싱을 위한 구동전극 및 수신전극이 디스플레이 패널(200A) 내부에 포함될 수 있다.
도4a에서는 터치 센서 패널(100)을 별도로 도시하지 않았지만, 실시예에 따라 본 발명의 제1예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서 패널(100)과 디스플레이 모듈(200) 사이가 OCA(Optically Clear Adhesive)와 같은 접착제로 라미네이션되어 있을 수 있다. 이에 따라 터치 센서 패널(100)의 터치 표면을 통해 확인할 수 있는 디스플레이 모듈(200)의 디스플레이 색상 선명도, 시인성 및 빛 투과성이 향상될 수 있다. 이때, 커버층(500)는 터치 센서 패널(100)의 상부에 배치될 수 있다.
실시예에 따른 커버층(500)은 디스플레이 패널(200A)의 전면을 보호하고 터치 표면을 형성하는 커버 글라스(cover glass)로 구성될 수 있다. 도4a에 예시된 바와 같이, 커버층(500)은 디스플레이 패널(200A)보다 넓게 형성될 수 있다.
실시예에 따른 LCD 패널과 같은 디스플레이 패널(200A)은 그 자체로 발광하지 못하고 다만 빛을 차단 내지 투과시키는 기능을 수행하므로 백라이트 유닛(backlight unit: 200B)이 요구될 수 있다. 예컨대, 백라이트 유닛(200B)은 디스플레이 패널(200A)의 하부에 위치하고 광원을 포함하여 디스플레이 패널(200A)에 빛을 비추어 화면에는 밝음과 어두움뿐 아니라 여러 가지 다양한 색상을 갖는 정보를 표현하게 된다. 디스플레이 패널(200A)은 수동소자로서 자체 발광하지 못하므로, 후면에 균일한 휘도 분포를 갖는 광원이 요구되는 것이다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(200B)은 디스플레이 패널(200A)에 빛을 비추도록 하기 위한 광학층(220)을 포함하여 구성될 수 있다. 광학층(220)에 대해서는 도4b를 참조하여 상세히 살펴본다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(200B)은 커버(240)를 포함하여 구성될 수 있다. 커버(240)는 메탈(metal)로 구성된 커버일 수 있다. 터치 입력 장치(1000)의 커버층(500)을 통해 외부에서 압력이 인가되는 경우, 커버층(500) 및 디스플레이 모듈(200) 등이 휘어질 수 있다. 이때, 휘어짐을 통해 압력 센서(450, 460)와 디스플레이 모듈 내부에 위치하는 기준 전위층 사이의 거리가 변화하고, 이러한 거리 변화에 따른 정전 용량 변화를 압력 센서(450, 460)를 통해 검출함으로써 압력의 크기를 검출할 수 있다. 이때, 압력의 크기를 정밀하게 검출하기 위해서 커버층(500)에 대해 압력을 인가하는 경우 압력 센서(450, 460)의 위치는 변하지 않고 고정될 필요가 있다. 따라서, 커버(240)는 압력의 인가에도 상대적으로 휘어지지 않고 압력 센서를 고정시킬 수 있는 지지부 역할을 수행할 수 있다. 실시예에 따라 커버(240)는 백라이트 유닛(200B)과 별개로 제작되어 디스플레이 모듈 제작 시에 함께 조립될 수 있다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 패널(200A)과 백라이트 유닛(200B) 사이는 제1에어갭(210: air gap)을 포함하여 구성될 수 있다. 이는 디스플레이 패널(200A) 및/또는 백라이트 유닛(200B)을 외부의 충격으로부터 보호하기 위함이다. 이러한 제1에어갭(210)은 백라이트 유닛(200B)에 포함되도록 구성될 수 있다.
백라이트 유닛(200B)에 포함되는 광학층(220)과 커버(240) 사이는 서로 이격되도록 구성될 수 있다. 광학층(220)과 커버(240) 사이는 제2에어갭(230)으로 구성될 수 있다. 커버(240) 상에 배치된 압력 센서(450, 460)가 광학층(220)에 접촉하지 않는 것을 보장하고, 커버층(500)에 외부 압력이 인가되어 광학층(220), 디스플레이 패널(200A) 및 커버층(500)이 휘어지더라도 광학층(220)과 압력 센서(450, 460)가 접촉하여 광학층(220)의 성능을 저하시키는 것을 방지하기 위해서 제2에어갭(230)이 요구될 수 있다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 디스플레이 패널(200A), 백라이트 유닛(200B) 및 커버층(500)이 결합되어 고정된 형태를 유지할 수 있도록 지지부(251, 252)를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 커버(240)는 지지부(251, 252)와 일체로 형성될 수 있다. 실시예에 따라 지지부(251, 252)는 백라이트 유닛(200B)의 일부를 형성할 수 있다.
LCD 패널(200A) 및 백라이트 유닛(200B)의 구조 및 기능은 공지된 기술이며 이하에서 간단히 살펴본다. 백라이트 유닛(200B)은 수개의 광학적 부품(optical part)을 포함할 수 있다.
도4b는 실시예에 따른 터치 입력 장치에서 백라이트 유닛(200B)의 광학층(220)을 예시한다. 도4b에서는 디스플레이 패널(200A)로서 LCD 패널을 이용하는 경우의 광학층(220)을 예시한다.
도4b에서 백라이트 유닛(200B)의 광학층(220)은 반사시트(221), 도광판(222), 확산시트(223) 및 프리즘시트(224)를 포함할 수 있다. 이때, 백라이트 유닛(200B)은 선광원(linear light source) 또는 점광원(point light source)등의 형태로서 도광판(222)의 후면 및/또는 측면에 배치된 광원(미도시)을 포함할 수 있다.
도광판(222: light guide plate)은 일반적으로 선광원 또는 점광원의 형태인 광원(미도시)으로부터 광들을 면광원 형태로 변환하여 LCD 패널(200A)로 향하게 하는 역할을 할 수 있다.
도광판(222)에서 방출되는 광의 일부가 LCD 패널(200A)의 반대편으로 방출되어 손실될 수 있다. 반사시트(221)은 이러한 손실된 광을 도광판(222)으로 재입사 시킬 수 있도록 도광판(222) 하부에 위치하며 반사율이 높은 물질로 구성될 수 있다.
확산시트(223: diffuser sheet)는 도광판(222)으로부터 입사되는 광을 확산시키는 역할을 한다. 예컨대, 도광판(222)의 패턴(pattern)에 의하여 산란된 빛은 직접 눈으로 들어오기 때문에 도광판(222)의 패턴이 그대로 비치게 될 수 있다. 심지어 이러한 패턴은 LCD 패널(200A)을 장착한 후에도 확연하게 감지할 수 있으므로 확산시트(224)는 이러한 도광판(222)의 패턴을 상쇄시키는 역할을 수행할 수 있다.
확산시트(223)를 지나면 광 휘도는 급격히 떨어지게 된다. 따라서, 광을 다시 포커스(focus)시켜 광 휘도를 향상시키도록 프리즘시트(224: prism sheet)가 포함될 수 있다. 프리즘시트(224)는 예컨대 수평 프리즘시트와 수직 프리즘 시트를 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(200B)은 기술의 변화, 발전 및/또는 실시예에 따라 전술한 구성과 다른 구성을 포함할 수 있으며, 또한 전술한 구성 이외에 추가적인 구성을 더 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 백라이트 유닛(200B)은 예컨대, 백라이트 유닛(200B)의 광학적 구성을 외부의 충격이나 이물 유입에 따른 오염 등으로부터 보호하기 위해서 보호 시트(protection sheet)를 프리즘 시트(224) 상부에 더 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(200B)은 광원으로부터의 광 손실을 최소화하기 위해서 실시예에 따라 램프 커버(lamp cover)를 더 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(200B)은 백라이트 유닛(200B)의 주요 구성인 도광판(222), 확산시트(223), 프리즘시트(224) 및 램프(미도시) 등이 허용치수에 맞게 정확하게 형합이 가능하도록 하는 형태를 유지하게 해주는 프레임(frame)을 더 포함할 수도 있다. 또한, 전술한 구성 각각은 2개 이상의 별개의 부분으로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라, 도광판(222)과 반사시트(221) 사이에는 추가의 에어갭이 존재하도록 구성될 수 있다. 이에 따라 도광판(222)으로부터 반사시트(221)로의 손실광이 반사시트(221)를 통해 다시 도광판(222)으로 재입사될 수 있다. 이때, 상기 추가의 에어갭을 유지할 수 있도록 도광판(222)과 반사판(221) 사이로서 가장자리에는 양면 접착 테이프(DAT: Double Adhesive Tape)가 포함될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 백라이트 유닛(200B) 및 이를 포함하는 디스플레이 모듈은 자체적으로 제1에어갭(210) 및/또는 제2에어갭(230)과 같은 에어갭을 포함하여 구성될 수 있다. 또는 광학층(220)에 포함된 복수의 레이어들 사이에 에어갭이 포함될 수 있다. 이상에서는 LCD 패널(200A)을 이용하는 경우에 대해서 설명하였으나, 다른 디스플레이 패널의 경우에도 구조 내에 에어갭을 포함할 수 있다.
도4c는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서 및 압력 검출 모듈이 적용될 수 있는 제2예의 터치 입력 장치의 단면도이다. 도4c에서는 디스플레이 모듈(200)뿐 아니라 기판(300)을 더 포함하는 터치 입력 장치(1000)의 단면을 예시한다. 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 기판(300)은, 예컨대 터치 입력 장치(1000)의 최외곽 기구인 제2커버(320)와 함께 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 회로기판 및/또는 배터리가 위치할 수 있는 실장공간(310) 등을 감싸는 하우징(housing)의 기능을 수행할 수 있다. 이때, 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 회로기판에는 메인보드(main board)로서 중앙 처리 유닛인 CPU(central processing unit) 또는 AP(application processor) 등이 실장되어 있을 수 있다. 기판(300)을 통해 디스플레이 모듈(200)과 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 회로기판 및/또는 배터리가 분리되고, 디스플레이 모듈(200)에서 발생하는 전기적 노이즈가 차단될 수 있다. 실시예에 따라 기판(300)은 터치 입력 장치(1000)에서 미드 프레임(mid-frame)으로 지칭될 수 있다.
터치 입력 장치(1000)에서 커버층(500)이 디스플레이 모듈(200), 기판(300), 및 실장공간(310)보다 넓게 형성될 수 있으며, 이에 따라 제2커버(320)가 디스플레이 모듈(200), 기판(300) 및 회로기판이 위치하는 실장공간(310)을 감싸도록, 제2커버(320)가 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면 디스플레이 모듈(200)과 기판(300) 사이에 압력 센서(440)를 포함할 수 있다.
도4c에서는 도4a에서와 마찬가지로, 터치 센서 패널(100)이 별도로 도시되지 않았으나, 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 터치 센서 패널(100)을 통해 터치 위치를 검출할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 터치 센서의 적어도 일부가 디스플레이 패널(200A)에 포함되어 구성될 수 있다.
이때, 압력 센서(440)는 기판(300)상에 부착될 수도 있고, 디스플레이 모듈(200)상에 부착될 수도 있고, 디스플레이 모듈(200) 및 기판(300)상에 부착될 수도 있다.
도4a 및 도4c에 예시된 바와 같이, 터치 입력 장치(1000)에서 압력 센서(440)는 디스플레이 모듈(200) 내부, 또는 디스플레이 모듈(200)과 기판(300) 사이에서 디스플레이 모듈(200) 하부에 배치되므로, 압력 센서(440)에 포함된 전극(450, 460)은 투명 물질뿐 아니라 불투명 물질로 구성되는 것도 가능하다.
이하에서 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에 압력 센서(440)를 이용하여 터치 압력의 크기를 검출하는 원리 및 구조에 대해서 상세히 살펴본다. 도5a 내지 도5e에서는 설명의 편의를 위해 압력 센서(440)에 포함되는 전극(450, 460)을 압력 센서로 지칭한다.
도5a 및 도5b는 터치 입력 장치에 포함된 제1예의 압력 센서와 기준 전위층 사이의 상대적인 거리 및 이에 압력이 인가된 경우를 예시한다. 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 압력 센서(450, 460)는 백라이트 유닛(200B)을 구성할 수 있는 커버(240) 상에 부착될 수 있다. 터치 입력 장치(1000)에서 압력 센서(450, 460)와 기준 전위층(600)은 거리(d)로 이격되어 위치할 수 있다.
도5a에서 기준 전위층(600)과 압력 센서(450, 460) 사이는 스페이서층(미도시)을 사이에 두고 이격될 수 있다. 이때, 스페이서층은 도4a 및 도4b를 참조하여 설명된 바와 같이 디스플레이 모듈(200) 및/또는 백라이트 유닛(200B)의 제조시에 포함되는 제1에어갭(210), 제2에어갭(230) 및/또는 추가의 에어갭일 수 있다. 디스플레이 모듈(200) 및/또는 백라이트 유닛(200A)이 하나의 에어갭을 포함하는 경우 해당 하나의 에어갭이 스페이서층의 기능을 수행할 수 있으며, 복수 개의 에어갭을 포함하는 경우 해당 복수개의 에어갭이 통합적으로 스페이서층의 기능을 수행할 수 있다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 스페이서층은 기준 전위층(600)과 압력 센서(450, 460) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 커버층(500)에 대해서 압력이 인가된 때 기준 전위층(600)이 휘어져 기준 전위층(600)과 압력 센서(450, 460) 사이의 상대적인 거리가 감소할 수 있다. 스페이서층은 에어갭(air gap)으로 구현될 수 있다. 스페이서층은 실시예에 따라 충격흡수물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 충격흡수물질이 스폰지와 그라파이트층을 포함할 수 있다. 스페이서층은 실시예에 따라 유전 물질(dielectric material)로 채워질 수 있다. 이러한 스페이서층은 에어갭, 충격흡수물질, 유전 물질의 조합에 의해서 형성될 수 있다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서, 디스플레이 모듈(200)은 압력을 인가하는 터치에 따라 휘어지거나 눌릴 수 있다. 디스플레이 모듈은 터치의 위치에서 가장 큰 변형을 나타내도록 휘어지거나 눌릴 수 있다. 실시예에 따라 디스플레이 모듈이 휘어지거나 눌릴 때 가장 큰 변형을 나타내는 위치는 상기 터치 위치와 일치하지 않을 수 있으나, 디스플레이 모듈은 적어도 상기 터치 위치에서 휘어짐 또는 눌림을 나타낼 수 있다. 예컨대, 터치 위치가 디스플레이 모듈의 테두리 및 가장자리 등에 근접하는 경우 디스플레이 모듈이 휘어지거나 눌리는 정도가 가장 큰 위치는 터치 위치와 다를 수 있다. 디스플레이 모듈의 테두리 또는 가장자리에서는 터치에 따라 거의 휘어짐을 나타내지 않을수도 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 모듈(200)은 압력의 인가에 따라 휘어지거나 눌릴 수 있으므로, 에어갭(210, 230) 및/또는 스페이서층(420)을 유지하기 위해 테두리에 배치되는 구성(양면 접착 테이프, 접착 테이프(430), 지지부(251, 252) 등)은 비탄성 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 에어갭(210, 230) 및/또는 스페이서층(420)을 유지하기 위해 테두리에 배치되는 구성이 압축되거나 눌리지 않아도 디스플레이 모듈(200)의 휘어짐 등을 통해 터치 압력이 검출될 수 있다.
실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에 대한 터치시 커버층(500), 디스플레이 패널(200A), 및/또는 백라이트 유닛(200B)이 휘어지거나 눌릴 때 도4b에 도시된 바와 같이 스페이서층으로 인해 스페이서층 하부에 위치한 커버(240)는 휘어짐이나 눌림이 감소될 수 있다. 도5b에서는 커버(240)의 휘어짐 또는 눌림이 전혀 없는 것으로 도시되었으나 이는 예시일 뿐이며 압력 센서(450, 460)가 부착된 커버(240)의 최하부에서도 휘어짐 또는 눌림이 있을 수 있으나 스페이서층을 통해 그 정도가 완화될 수 있다.
실시예에 따라 스페이서층은 에어갭(air gap)으로 구현될 수 있다. 스페이서층은 실시예에 따라 충격흡수물질로 이루어질 수 있다. 스페이서층은 실시예에 따라 유전 물질(dielectric material)로 채워질 수 있다
도5b는 도5a의 구조에서 압력이 인가된 경우를 예시한다. 예컨대, 도4a에 예시된 커버층(500)에 외부 압력이 인가된 경우에 기준 전위층(600)과 압력 센서(450, 460) 사이에 상대적인 거리가 d에서 d'로 감소함을 알 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)에서 외부 압력이 인가된 경우에 기준 전위층(600)을 압력 센서(450, 460)가 부착된 커버(240)에 비해서 더 휘어지도록 구성함으로써 터치 압력의 크기를 검출할 수 있다.
도4a, 도5a 및 도5b에서 압력 검출을 위한 압력 센서(450, 460)로서 제1전극(450) 및 제2전극(460)을 포함하는 경우가 예시된다. 이때, 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이에는 상호 정전용량(mutual capacitance)이 생성될 수 있다. 이때, 제1전극(450)과 제2전극(460) 중 어느 하나는 구동전극일 수 있고 나머지 하나는 수신전극일 수 있다. 구동전극에 구동신호를 인가하고 수신전극을 통해 감지신호를 획득할 수 있다. 전압이 인가되면, 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이에 상호 정전용량이 생성될 수 있다.
기준 전위층(600)은 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이에 생성된 상호 정전용량에 변화를 야기할 수 있도록 하는 임의의 전위를 가질 수 있다. 예컨대, 기준 전위층(600)은 그라운드(ground) 전위를 갖는 그라운드 층일 수 있다. 기준 전위층(600)은 디스플레이 모듈 내에 포함되는 임의의 그라운드(ground) 층일 수 있다. 실시예에 따라 기준 전위층(600)은 터치 입력 장치(1000)의 제조시에 자체적으로 포함되는 그라운드 전위층일 수 있다. 예컨대, 도2a 내지 도2c에 도시된 디스플레이 패널(200A)에서 제1편광층(271)과 제1기판(261) 사이에 노이즈(noise) 차폐를 위한 전극(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한 차폐를 위한 전극은 ITO로 구성될 수 있으며 그라운드 역할을 수행할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 기준 전위층(600)은 디스플레이 패널(200A)에 포함되는 복수의 공통 전극이 기준 전위층을 구성할 수 있다. 이때 공통 전극의 전위가 기준 전위일 수 있다.
커버층(500)에 대해서 객체로 터치시 압력이 가해진 경우 커버층(500), 디스플레이 패널(200A) 및/또는 백라이트 유닛(200B)의 적어도 일부가 휘어지므로 기준 전위층(600)과 제1전극(450) 및 제2전극(460) 사이의 상대적인 거리가 d에서 d'로 가까워질 수 있다. 이때, 기준 전위층(600)과 제1전극(450) 및 제2전극(450) 사이의 거리가 가까워질수록, 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 상호 정전용량의 값은 감소할 수 있다. 기준 전위층(600)과 제1전극(450) 및 제2전극(460) 사이의 거리가 d에서 d'로 감소함으로써 상기 상호 정전용량의 프린징 정전용량이 객체뿐 아니라 기준 전위층(600)으로도 흡수되기 때문이다. 터치 객체가 부도체인 경우에는 상호 정전용량의 변화는 단순히 기준 전위층(600)과 전극(450, 460) 사이의 거리 변화(d-d')에만 기인할 수 있다.
이상에서는 압력 센서(440)가 제1전극(450)과 제2전극(460)을 포함하고, 이 둘 사이의 상호 정전용량의 변화로부터 압력을 검출하는 경우를 설명하였다. 압력 센서(440)는 제1전극(450)과 제2전극(460) 중 어느 하나(예컨대, 제1전극(450))만을 포함하도록 구성될 수 있다.
도5c 및 도5d는 터치 입력 장치에 포함된 제2예의 압력 센서와 기준 전위층 사이의 상대적인 거리 및 이에 압력이 인가된 경우를 예시한다. 이때, 제1전극(450)과 기준 전위층(600) 사이의 자기 정전용량(self capacitance)을 검출함으로써 터치 압력의 크기를 검출할 수 있다. 이때, 제1전극(450)에 구동신호가 인가되고 제1전극(450)으로부터 수신신호를 입력받아 제1전극(450)과 기준 전위층(600) 사이의 자기 정전용량 변화를 검출함으로써 터치 압력의 크기가 검출될 수 있다.
예컨대, 기준 전위층(600)과 제1전극(450) 사이의 거리 변화에 따라 야기되는 제1전극(450)과 기준 전위층(600) 사이의 정전용량 변화로부터 터치 압력의 크기를 검출할 수 있다. 터치 압력이 커짐에 따라 거리(d)가 감소하므로 기준 전위층(600)과 제1전극(450) 사이의 정전용량은 터치 압력이 증가할수록 커질 수 있다.
도4a, 도5a 내지 도5d에서 제1전극(450) 및/또는 제2전극(460)의 두께가 상대적으로 두껍게 도시되고 이들이 직접 커버(240)에 부착된 것이 도시되나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며 실시예에 따라 제1전극(450) 및/또는 제2전극(460)은 일체형 시트(sheet) 형태의 압력 센서(440)로서 커버(240)에 부착될 수 있으며 상대적으로 그 두께가 작을 수 있다.
이상에서는 도4a에 예시된 터치 입력 장치(1000)를 참조하여 압력 센서(440)가 커버(240)에 부착된 경우에 대해서 설명하였으나, 압력 센서(440)는 도4c에 예시된 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 모듈(200)과 기판(300) 사이에 배치될 수도 있다. 실시예에 따라, 압력 센서(440)가 디스플레이 모듈(200) 하부에 부착될 수 있으며, 이 경우, 기준 전위층(600)은 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200) 내부에 위치하는 임의의 전위층일 수 있다. 또한, 실시예에 따라 압력 센서(440)가 기판(300)에 부착될 수 있으며, 이 경우, 기준 전위층(600)은 디스플레이 모듈(200) 또는 디스플레이 모듈(200) 내부에 위치하는 임의의 전위층일 수 있다.
도5e는 터치 입력 장치에 포함된 제3예의 압력 센서의 배치를 예시한다. 도5e에 예시된 바와 같이, 제1전극(450)은 기판(300) 상에 배치되고 제2전극(460)은 디스플레이 모듈(200) 하부에 배치될 수 있다. 이 경우, 별도의 기준 전위층이 요구되지 않을 수 있다. 터치 입력 장치(1000)에 대해 압력 터치가 수행되는 경우, 디스플레이 모듈(200)과 기판(300) 사이의 거리가 변할 수 있고 이에 따라 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 상호 정전용량이 증가할 수 있다. 이러한 정전용량 변화로부터 터치 압력의 크기를 검출할 수 있다. 이때, 제1전극(450) 및 제2전극(460) 각각은 제1압력 센서(440-1) 및 제2압력 센서(440-2)에 포함되도록 제작되어 터치 입력 장치(1000)에 부착될 수 있다.
이상에서는 터치 입력 장치(1000)에서 압력 센서(440)가 부착되는 구성요소와 이격되어 기준 전위층(600)이 위치하는 경우에 대해서 설명되었다. 도6a 내지 도6c에서는 터치 입력 장치(1000)에서 압력 센서(440)가 부착되는 구성요소 그 자체가 기준 전위층으로서 기능하는 경우에 대해서 설명된다.
도6a는 제1방법에 따라 압력 센서(440)가 터치 입력 장치에 부착된 터치 입력 장치의 일부의 단면도이다. 도6a에서는 압력 센서(440)가 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240) 상에 부착된 것이 도시된다.
도6b에 도시된 바와 같이, 스페이서층(420)을 유지하기 위해서 압력 센서(440)의 테두리를 따라 소정 두께를 갖는 접착 테이프(430)가 형성될 수 있다. 도6b에서 접착 테이프(430)는 압력 센서(440)의 모든 테두리(예컨대, 4각형의 4면)에 형성된 것이 도시되나, 접착 테이프(430)는 압력 센서(440)의 테두리 중 적어도 일부(예컨대, 4각형의 3면)에만 형성될 수도 있다. 이때, 도6b에 도시된 바와 같이, 접착 테이프(430)는 전극(450, 460)을 포함하는 영역에는 형성되지 않을 수 있다. 이에 따라, 압력 센서(440)가 접착 테이프(430)를 통해 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)에 부착될 때 압력 전극(450, 460)이 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)과 소정 거리 이격되어 있을 수 있다. 실시예에 따라, 접착 테이프(430)는 기판(300)의 상부면, 디스플레이 모듈(200)의 하부면, 또는 커버(240)의 표면 상에 형성될 수 있다. 또한, 접착 테이프(430)는 양면 접착 테이프일 수 있다. 도6b에서는 전극(450, 460) 중 하나의 압력 전극만을 예시하고 있다
도6c는 제2방법에 따라 압력 센서가 터치 입력 장치에 부착된 터치 입력 장치의 일부의 단면도이다. 도6c에서는 압력 센서(440)를 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240) 상에 위치시킨 후 접착 테이프(431)로 압력 센서(440)를 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240)에 고정시킬 수 있다. 이를 위해 접착 테이프(431)는 압력 센서(440)의 적어도 일부와 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240)의 적어도 일부에 접촉할 수 있다. 도6c에서는 접착 테이프(431)가 압력 센서(440)의 상부로부터 이어져 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240)의 노출 표면까지 이어지도록 도시된다. 이때, 접착 테이프(431)는 압력 센서(440)와 맞닿는 면 측에만 접착력이 있을 수 있다. 따라서, 도6c에서 접착 테이프(431)의 상부면은 접착력이 없을 수 있다.
도6c에 도시된 바와 같이, 압력 센서(440)를 접착 테이프(431)를 통해 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240)에 고정시키더라도 압력 센서(440)와 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240) 사이에는 소정의 공간, 즉 에어갭이 존재할 수 있다. 이는 압력 센서(440)와 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240) 사이가 직접 접착제로 부착된 것이 아니며 또한 압력 센서(440)는 패턴을 갖는 압력 전극(450, 460)을 포함하므로 압력 센서(440)의 표면은 편평하지 않을 수 있기 때문이다. 이러한, 도6c에서의 에어갭 또한 터치 압력을 검출하기 위한 스페이서층(420)으로서 기능할 수 있다.
도7a 내지 도7e는 본 발명의 실시예에 따른 압력 검출을 위한 압력 센서에 포함된 압력 전극 패턴을 예시한다. 도7a 내지 도7c에서는 압력 센서(440)에 포함되는 제1전극(450)과 제2전극(460)의 패턴을 예시한다. 도7a 내지 도7c에 예시된 압력 전극 패턴을 갖는 압력 센서(440)는 커버(240), 기판(300) 상부, 또는 디스플레이 모듈(200)의 하부면 상에 형성될 수 있다. 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 정전용량은 제1전극(450) 및 제2전극(460)이 포함된 전극층과 기준전위층(600) 사이의 거리에 따라 달라질 수 있다.
제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 상호 정전용량이 변화함에 따라 터치 압력의 크기를 검출할 때, 검출 정확도를 높이기 위해서 필요한 정전용량 범위를 생성하도록 제1전극(450)과 제2전극(460)의 패턴을 형성할 필요가 있다. 제1전극(450)과 제2전극(460)이 서로 마주하는 면적이 크거나 길이가 길수록 생성되는 정전용량의 크기가 커질 수 있다. 따라서, 필요한 정전용량 범위에 따라 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 마주하는 면적의 크기, 길이 및 형상 등을 조절하여 설계할 수 있다. 도7b 내지 도7c에는, 제1전극(450)과 제2전극(460)이 동일한 층에 형성되는 경우로서 제1전극(450)과 제2전극(460)이 서로 마주하는 길이가 상대적으로 길도록 압력 전극이 형성된 경우를 예시한다. 도7b 내지 도7c에 예시된 압력 전극(450, 460)의 패턴은 도5a 및 도5c에서 설명된 바와 같은 원리로 압력을 검출하는데 이용될 수 있다.
도5c 및 도5d에서 설명된 바와 같은 원리로 압력을 검출하는 데는 도7d에 예시된 바와 같은 전극 패턴이 이용될 수 있다. 이때, 압력 전극은, 상호 정전용량 변화량 검출 정밀도를 높이기 위해 필요한, 빗살 형태 또는 삼지창 형상을 가질 필요는 없으며, 도7d에 예시된 바와 같이 판(예컨대, 사각판) 형상을 가질 수 있다.
도5e에서 설명된 바와 같은 원리로 압력을 검출하는데는 도7e에 예시된 바와 같은 전극 패턴이 이용될 수 있다. 이때, 도7e에 도시된 바와 같이, 제1전극(450)과 제2전극(460)이 서로 직교하도록 배치하여 정전용량의 변화량 감지 민감도가 향상될 수 있다.
도8a 및 도8b는 본 발명에 따른 압력 센서(440)가 적용된 터치 입력 장치에서 터치 압력의 크기와 포화 면적 사이의 관계를 나타낸다. 도8a 및 도8b에서는 압력 센서(440)가 기판(300)에 부착된 경우가 도시되나, 이하의 설명은 압력 센서(440)가 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240)에 부착된 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
터치 압력의 크기가 충분히 큰 경우 소정 위치에서 압력 센서(440)와 기판(300) 사이의 거리가 더 이상 가까워지지 않는 상태에 다다를 수 있다. 이러한 상태를 이하에서는 포화 상태라고 지칭한다. 예컨대, 도8a에 예시된 바와 같이 힘(f)으로 터치 입력 장치(1000)를 누를 때 압력 센서(440)와 기판(300)은 접하여 더 이상 거리가 가까워질 수 없다. 이때, 도8a의 우측에서 압력 센서(440)와 기판(300)이 접촉하는 면적은 a로 표시될 수 있다.
하지만, 이러한 경우에도 터치 압력의 크기가 더 커지는 때에는 기판(300)과 압력 센서(440) 사이의 거리가 더 이상 가까워지지 않는 포화 상태에 있는 면적이 커질 수 있다. 예컨대, 도8b에 예시된 바와 같이 f보다 더 큰 힘(F)으로 터치 입력 장치(1000)를 누르면 압력 센서(440)와 기판(300)이 접촉하는 면적이 더 커질 수 있다. 도8b의 우측에서 압력 센서(440)와 기판(300)이 접촉하는 면적은 A로 표시될 수 있다. 이러한 면적이 커질수록 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 상호 정전용량은 감소할 수 있다. 이하에서 거리의 변화에 따른 정전용량 변화에 따라서 터치 압력의 크기를 산출하는 것이 설명되나 이는 포화 상태에 있는 포화 면적의 변화에 따라서 터치 압력의 크기를 산출하는 것을 포함할 수 있다.
도8a 및 도8b는 도6a에 도시된 예를 참조하여 설명되나, 도8a 및 도8b를 참조한 설명은 도4a, 도4c, 도5a 내지 도5e 및 도6c 를 참조하여 설명한 예에도 동일하게 적용될 수 있음은 자명하다. 보다 구체적으로, 압력 센서(440)와 그라운드층 또는 기준전위층(600) 사이의 거리가 더 이상 가까워질 수 없는 포화 상태에 있는 포화 면적의 변화에 따라서 터치 압력의 크기를 산출할 수 있다.
기판(300)의 상부면 또한 노이즈 차폐를 위해 그라운드 전위를 가질 수 있다. 도9는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 단면을 예시한다. 도9a를 참조하여 설명하면, 압력 전극(450, 460)을 포함하는 압력 센서(440)가 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200) 상에 부착된 경우의 단면을 예시한다. 이때, 압력 센서(440)에서 압력 전극(450, 460)은 제1절연층(470)과 제2절연층(471) 사이에 위치하므로, 압력 전극(450, 460)이 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)과 단락되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 터치 입력 장치(1000)의 종류 및/또는 구현 방식에 따라, 압력 전극(450, 460)이 부착되는 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)이 그라운드 전위를 나타내지 않거나 약한 그라운드 전위를 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력 장치(1000)는 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)과 절연층(470) 사이에 그라운드 전극(ground electrode: 미도시)을 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 그라운드 전극과 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200) 사이에는 또 다른 절연층(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 이때, 그라운드 전극(미도시)은 압력 전극인 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이에 생성되는 정전용량의 크기가 너무 커지는 것을 방지할 수 있다.
도9a 내지 도9d는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서가 터치 입력 장치에 부착된 일부의 단면을 예시한다.
예컨대, 압력 센서(440)에 포함된 제1전극(450)과 제2전극(460)이 동일한 층에 형성된 경우에는 도9a에 예시된 바와 같이, 압력 센서(440)가 구성될 수 있다. 이때, 도9a에 도시된 제1전극(450)과 제2전극(460) 각각은 도13a에 도시된 바와 같이 마름모꼴 형태의 복수의 전극으로 구성될 수 있다. 여기서 복수의 제1전극(450)은 제1축 방향으로 서로 이어진 형태이고, 복수의 제2전극(460)은 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향으로 서로 이어진 형태이며, 제1전극(450) 또는 제2전극(460) 중 적어도 하나의 각각은 복수의 마름모꼴 형태의 전극이 브릿지를 통해 연결되어 제1전극(450)과 제2전극(460)이 서로 절연된 형태일 수 있다. 또한, 도9a에 도시된 제1전극(450)과 제2전극(460)은 도13b에 도시된 형태의 전극으로 구성될 수 있다.
압력 센서(440)에서 제1전극(450)과 제2전극(460)은 실시예에 따라 서로 다른 층에 구현되어 전극층을 구성하여도 무방하다. 도9b는 제1전극(450)과 제2전극(460)이 서로 다른 층에 구현된 경우의 단면을 예시한다. 도9b에 예시된 바와 같이, 제1전극(450)은 제1절연층(470) 상에 형성되고 제2전극(460)은 제1전극(450) 상에 위치하는 제2절연층(471) 상에 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 제2전극(460)은 제3절연층(472)으로 덮일 수 있다. 즉, 압력 센서(440)는 제1절연층(470) 내지 제3절연층(472), 제1전극(450) 및 제2전극(460)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 제1전극(450)과 제2전극(460)은 서로 다른 층에 위치하므로 서로 오버랩(overlap)되도록 구현될 수 있다. 예컨대, 제1전극(450)과 제2전극(460)은 도13c에 도시된 바와 같이, MXN의 구조로 배열된 구동전극(TX)과 수신전극(RX)의 패턴과 유사하게 형성될 수 있다. 이때, M 및 N은 1 이상의 자연수 일 수 있다. 또는, 도13a에 도시된 바와 같이 마름모꼴 형태의 제1전극(450)과 제2전극(460)이 각각 다른 층에 위치할 수도 있다.
도9c는 압력 센서(440)가 제1전극(450)만을 포함하여 구현된 경우의 단면을 예시한다. 도9c에 예시된 바와 같이, 제1전극(450)을 포함하는 압력 센서(440)는 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1전극(450)는 도12d에 예시된 바와 같이 배치될 수 있다.
도9d는 제1전극(450)을 포함하는 제1압력 센서(440-1)가 기판(300) 상에 부착되고 제2전극(460)을 포함하는 제2압력 센서(440-2)가 디스플레이 모듈(200)에 부착된 경우의 단면을 예시한다. 도9d에 예시된 바와 같이, 제1전극(450)을 포함하는 제1압력 센서(440-1)은 기판(300) 상에 배치될 수 있다. 또한, 제2전극(460)을 포함하는 제2압력 센서(440-2)는 디스플레이 모듈(200)의 하부면 상에 배치될 수 있다.
도9a와 관련하여 설명된 바와 마찬가지로, 압력 센서(450, 460)가 부착되는 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240)가 그라운드 전위를 나타내지 않거나 약한 그라운드 전위를 나타내는 경우, 도9a 내지 도9d에서 압력 센서(440)는 기판(300), 디스플레이 모듈(200) 또는 커버(240)와 접촉하도록 배치되는 제1절연층(470, 470-1, 470-2) 하부에 그라운드 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이때, 압력 센서(440)는 그라운드 전극(미도시)을 사이에 두고 제1절연층(470, 470-1, 470-2)과 마주보도록 위치하는 추가의 절연층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
이상에서는 터치 입력 장치(1000)의 상부면에서 터치 압력이 인가되는 경우에 대해서 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(440)는 터치 입력 장치(1000)의 하부 면에 압력을 인가하는 경우에도 동일하게 터치 압력을 감지할 수 있다.
도4 내지 도9에 예시된 바와 같이 본 발명에 따른 압력 센서(440)를 터치 입력 장치에 부착하는 경우, 객체(500)를 통해 터치 입력 장치에 압력이 인가되면, 디스플레이 모듈(200) 또는 기판(300)이 휘어지거나 눌리게 되어, 터치 압력의 크기를 산출할 수 있다. 이 때, 도4 내지 도9에서는 기준전위층(600)과 압력 센서(440)간의 거리 변화를 설명하기 위하여, 객체(500)를 통해 압력이 직접 인가되는 디스플레이 모듈(200), 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)의 일부만 휘어지거나 눌리게 되는 것으로 도시되었으나, 실제로는 객체(500)를 통해 압력이 직접 인가되지 않는 부재 또한 같이 휘어지거나 눌리게 된다. 다만, 압력이 직접 인가되는 부재의 휘어지거나 눌리는 정도의 크기가 압력이 직접 인가되지 않는 부재의 휘어지거나 눌리는 정도의 크기보다 더 크기 때문에 도4 내지 도9에 도시된 바와 같이 설명이 가능하다. 이와 같이, 터치 입력 장치에 압력이 인가되면 터치 입력 장치에 부착된 압력 센서(440) 또한 휘어지거나 눌릴 수 있다. 이 때, 터치 입력 장치에 인가된 압력을 해제하게 되면, 디스플레이 모듈(200) 또는 기판(300)이 원상태로 복귀하게 되며, 이에 따라, 터치 입력 장치에 부착된 압력 센서(440) 또한 원래의 형태를 유지할 수 있어야 한다. 또한, 압력 센서(440)가 원래의 형태를 유지하기 어려운 경우, 압력 센서(440)를 터치 입력 장치에 부착하는 과정에 어려움이 생길 수 있다. 따라서, 압력 센서(440)가 원래의 형태를 유지할 수 있는 강성을 가지는 것이 좋다.
압력 센서(440)에 포함된 압력 전극(450, 460)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu)와 같은 무른 전도성 금속으로 형성되는 경우, 강성이 낮은데다가 그 두께가 수 um에 지나지 않기 때문에 압력 전극(450, 460)만으로 압력 센서(440)의 원래의 형태를 유지하기 어렵다. 따라서, 압력 전극(450, 460)의 상측 또는 하측에 배치된 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471)이 압력 센서(440)의 원래의 형태를 유지할 수 있는 강성을 가지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 도3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압력 센서(440)는 전극층 및 지지층(470b, 471b)를 포함할 수 있다. 이 때, 전극층은 제1전극(450) 및 제2전극(460)을 포함하는 압력 전극(450, 460)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 압력 센서(440)는 압력 센서(440)와 이격되어 위치하는 기준전위층(600)과 전극층 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 정전용량의 변화를 검출하는 데 이용될 수 있다. 또한, 전극층은 하나의 전극만 포함하는 압력 전극(450, 460)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 압력 센서(440)는 압력 센서(440)와 이격되어 위치하는 기준전위층(600)과 전극층 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는 전극층과 기준전위층(600) 사이의 정전용량의 변화를 검출하는 데 이용될 수 있다.
이 때, 압력 센서(440)와 이격되어 위치하는 기준전위층(600)이 각각의 입력 위치에 따라 균일한 기준 전위를 가지지 못하거나, 또는 예를 들어 압력 센서(440)와 이격되어 위치하는 기준전위층(600)의 표면이 고르지 못한 경우와 같이, 동일한 크기의 압력에 대하여 입력 위치에 따라 기준전위층과 전극층간의 거리 변화가 균일하지 않은 경우에는 압력 센서(440)와 이격되어 위치하는 기준전위층(600)사이의 정전용량 변화량을 이용하는데 어려움이 있을 수 있다. 도3h에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(440)는 제1전극(450)을 포함하는 제1전극층 및 제1전극층과 이격되어 위치하는 제2전극(460)을 포함하는 제2전극층을 포함할 수 있다. 이 경우, 압력 센서(440)는 제1전극층과 제2전극층 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 제1전극층과 제2전극층 사이의 정전용량의 변화를 검출하는 데 이용될 수 있다. 이 때, 제1전극층과 제2전극층 중 어느 하나는 기준전위층일 수 있다. 이와 같이 압력 센서(440) 내에 위치한 전극층간의 거리 변화에 따라 변하는 전극층간의 정전용량 변화를 검출하면 위와 같이 압력 센서(440) 외부에 위치한 기준전위층으로부터 균일한 정전용량 변화를 검출할 수 없는 경우에도 적용이 가능하다. 이 때, 제1전극층과 제2전극층 사이에, 제1전극층과 제2전극층의 사이의 거리변화의 균일성을 제공할 수 있도록 충격 흡수 및 복원력을 가진 탄성층(480)을 더 포함할 수 있다. 또한, 도9d에 도시된 바와 같이, 압력 센서(440)는 제1전극층과 제1지지층을 포함하는 제1압력 센서 및 제2전극층과 제2지지층을 포함하는 제2압력 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, 압력 센서(440)는 제1전극층과 제2전극층 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 제1전극층과 제2전극층 사이의 정전용량의 변화를 검출하는데 이용될 수 있다.
지지층(470b, 471b)은 수지재, 강성이 높은 금속, 또는 종이 등 압력 센서(440)의 기준전위층(600)과의 상대적인 거리 변화가 발생하여도 압력 센서(440)의 형태를 유지할 수 있는 강성을 가진 속성의 재료로 형성될 수 있다.
압력 센서(440)는 제1절연층(470) 및 제2절연층(471)을 더 포함할 수 있다. 이 때, 전극층은 제1절연층(470) 및 제2절연층(471) 사이에 위치하고, 지지층(470b, 471b)은 제1절연층(470)과 제2절연층(472) 중 적어도 어느 하나에 포함될 수 있다.
제1절연층(470) 또는 제2절연층(472)은 전극커버층(470a, 471a)을 더 포함할 수 있다. 전극커버층(470a, 471a)은 전극층을 절연하는 기능 및 전극의 산화, 긁힘, crack 등을 방지하는 등 전극층을 보호하는 기능을 할 수 있다. 또한, 전극커버층(470a, 471a)은 색상이 포함된 물질로 형성되거나 코팅되어, 전극시트(440) 유통시 햇빛에 노출되어 전극시트(440)가 열화되는 것을 방지할 수 있다. 이 때, 전극커버층(470a, 471a)은 전극층 또는 지지층(470b, 471b)에 접착제로 접착될 수도 있지만, 인쇄되거나 코팅될 수 있다. 전극커버층(470a, 471a) 또한 높은 강성을 가진 수지재로 형성될 수 있으나, 그 두께가 수 um에 지나지 않기 때문에, 약 100um의 압력 센서(440)를 원래 형태로 유지시키기 어렵다.
또한, 도3e 및 도3f에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압력 센서(440)는 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471) 외측에 접착층(430) 및 보호층(435)을 더 포함할 수 있다. 도4 내지 도9에서는 접착층(430)이 압력 센서(440)와 별개로 구성되는 것으로 설명되었지만, 압력 센서(440)에 포함되어 하나의 구성으로 제작될 수 있다. 보호층(435)은 압력 센서(440)가 터치 입력 장치에 부착되기 전에 접착층(430)을 보호하는 기능을 하며, 터치 입력 장치에 압력 센서(440)를 부착할 때, 보호층(435)을 제거하고 접착층(430)을 이용하여 압력 센서(440)를 터치 입력 장치에 부착할 수 있다.
도3c에 도시된 바와 같이, 지지층(470b, 471b)이 형성된 측에는 전극커버층(470a, 471a)이 형성되지 않을 수 있다. 지지층(470b, 471b)이 수지재 또는 종이 등으로 형성되는 경우, 전극층을 절연하고 보호할 수 있다. 이 경우, 마찬가지로, 지지층(470b, 471b) 또한 색상이 포함된 물질로 형성되거나, 코팅될 수 있다.
도3d에 도시된 바와 같이, 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471) 중 어느 하나의 두께가 다른 하나의 두께보다 더 작을 수 있다. 구체적으로, 정전용량 C는 전극층과 기준전위층(600)간의 거리 d에 반비례하기 때문에, 도3i에 도시된 바와 같이, 동일한 거리 변화에 대하여, 전극층과 기준전위층(600)간의 거리가 가까울수록 정전용량 변화량이 더 크게 되고, 정밀한 압력 검출이 용이해진다. 따라서, 압력 센서(440)가 커버(240), 기판(300) 및/또는 디스플레이 모듈(200)을 포함하는 터치 입력 장치에 부착되되, 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471) 중 기준전위층(600)으로부터 가까운 위치에 위치하는 절연층의 두께가 기준전위층(600)으로부터 먼 위치에 위치하는 절연층의 두께보다 작을 수 있다.
바람직하게는, 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471) 중 어느 하나만 지지층(470b, 471b)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 압력 센서(440)가 터치 입력 장치에 부착된 상태에서, 제1절연층(470)과 제2절연층(471) 중 기준전위층(600)으로부터 먼 위치에 위치하는 절연층만 지지층(470b, 471b)을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 도9d에 도시된 바와 같이, 제1압력 센서(440-1)가 기판(300)상에 부착되고 제2압력 센서(440-2)가 디스플레이 모듈(200)에 부착된 경우, 제1절연층(470-1)과 제2절연층(471-1) 중 제2전극(460)으로부터 가까운 절연층인 제2절연층(471-1)의 두께가 제1절연층(470-1)의 두께보다 작고, 제3절연층(470-2)과 제4절연층(471-2) 중 제1전극(450)으로부터 가까운 절연층인 제4절연층(471-2)의 두께가 제3절연층(470-2)보다 작을 수 있고, 바람직하게는, 제1절연층(470-1) 및 제3절연층(470-2)만 지지층(470b)을 포함할 수 있다.
도3h에 도시된 바와 같이, 압력 센서(440)가 제1전극(450)을 포함하는 제1전극층 및 제1전극층과 이격되어 위치하는 제2전극(460)을 포함하는 제2전극층을 포함하는 경우에도, 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471) 중 어느 하나의 두께가 다른 하나의 두께보다 더 작을 수 있다. 구체적으로, 압력 센서(440)가 디스플레이 모듈(200) 또는 기판(300)에 부착되는 경우, 터치 입력 장치에 압력이 인가되면, 압력 센서(440)와 압력 센서(440)가 부착된 부재와의 거리는 변하지 않는 반면, 압력 센서(440)와 압력 센서(440)가 부착되지 않은 부재와의 거리는 변하게 된다. 이 때, 압력 센서(440)와 압력 센서(440) 외부에 위치한 기준전위층(600)간의 거리 변화에 따른 정전 용량 변화는 원하는 정전용량 변화가 아니므로, 이와 같은 정전용량 변화를 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 압력 센서(440)가 기판(300) 및 디스플레이 모듈(200)을 포함하는 터치 입력 장치에 부착되되, 기판(300)과 디스플레이 모듈(200)이 마주하는 기판(300)의 일면과 디스플레이 모듈(200)의 일면 중 어느 하나에 부착되고, 압력 센서(440)가 터치 입력 장치에 부착된 상태에서, 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471) 중 압력 센서(440)가 부착된 일면과 가까운 위치에 위치하는 절연층의 두께가 압력 센서(440)가 부착된 일면과 먼 위치에 위치하는 절연층의 두께보다 작을 수 있다.
바람직하게는, 제1절연층(470) 또는 제2절연층(471) 중 어느 하나만 지지층(470b, 471b)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 압력 센서(440)가 터치 입력 장치에 부착된 상태에서, 제1절연층(470)과 제2절연층(471) 중 압력 센서(440)가 부착된 일면으로부터 먼 위치에 위치하는 절연층만 지지층(470b, 471b)을 포함할 수 있다.
도3e에 도시된 압력 센서(440)는 접착층(430)이 형성된 측으로 커버(240), 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)에 부착되고, 압력 센서(440)가 부착되지 않은 부재 측에 형성된 기준전위층(600)과 전극층간의 거리 변화에 따라 압력의 크기를 검출하는 형태에 사용되는 압력 센서(440)이고, 도 3f에 도시된 압력 센서(440)는 접착층(430)이 형성된 측으로 커버(240), 기판(300) 또는 디스플레이 모듈(200)에 부착되고, 압력 센서(440)가 부착된 부재 측에 형성된 기준전위층(600)과 전극층간의 거리 변화에 따라 압력의 크기를 검출하는 형태에 사용되는 압력 센서(440)이다.
압력 센서(440)가 배치되는 공간, 예컨대 디스플레이 모듈(200)과 기판(300)사이의 간격은 터치 입력 장치에 따라 다르지만 대략 100~500um 정도이기 때문에, 이에 따라 압력 센서(440) 및 지지층(470b, 471b)의 두께가 제한된다. 도3g에 도시된 바와 같이, 압력 센서(440)가 디스플레이 모듈(200)에 부착되고, 디스플레이 모듈(200)과 기판(300)사이의 거리가 500um일 때, 압력 센서(440)의 두께가 50um ~ 450um 사이의 값을 갖는 것이 좋다. 압력 센서(440)의 두께가 50um보다 작으면, 상대적으로 강성이 높은 지지층(470b, 471b)의 두께도 작아지므로, 압력 센서(440)가 원래의 형태를 유지하기 어렵다. 압력 센서(440)의 두께가 450um보다 크면, 상대적으로 압력 센서(440)와 기준전위층인 기판(300)간의 간격거리가 50um 이하로 너무 작아지기 때문에, 폭 넓은 범위의 압력 측정이 어려워진다.
압력 센서(440)는 터치 입력 장치에 배치되므로, 터치 입력 장치와 마찬가지로 온도, 습도 등의 소정 조건에서 주어진 신뢰성을 만족해야 한다. 섭씨 85도 내지 -40도의 가혹조건 및 85%의 습도 조건 등에서 외관 및 특성의 변화가 적은 신뢰성을 만족하기 위해서는 지지층(470b, 471b)이 수지재인 것이 좋다. 구체적으로, 지지층(470b, 471b)은 폴리이미드(PI, Polyimide), 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, Polyethylene Terephthalate)로 형성될 수 있다. 또한, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용하는 경우, 폴리이미드 보다 비용이 절감될 수 있다. 지지층(470b, 471b)를 형성하는 물질은 비용뿐 아니라 신뢰성을 고려하여 결정될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(440)가 적용되는 터치 입력 장치(1000)를 통해 압력을 검출하기 위해서 압력 전극(450, 460)에서 발생하는 정전용량의 변화를 감지할 필요가 있다. 따라서, 제1전극(450)과 제2전극(460) 중 구동전극에는 구동신호가 인가될 필요가 있고 수신전극으로부터 감지신호를 획득하여 정전용량의 변화량으로부터 터치 압력을 산출해야 한다. 실시예에 따라, 압력 검출의 동작을 위한 압력 센싱 IC 형태로 압력 검출 장치를 추가로 포함하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 압력 검출 모듈(미도시)은 압력 검출을 위한 압력 센서(440)뿐 아니라 이러한 압력 검출 장치를 포괄하는 구성일 수 있다.
이러한 경우, 도1에 예시된 바와 같이, 구동부(120), 감지부(110) 및 제어부(130)와 유사한 구성을 중복하여 포함하게 되므로 터치 입력 장치(1000)의 면적 및 부피가 커지는 문제점이 발생할 수 있다.
실시예에 따라, 터치 입력 장치(1000)는 터치 센서 패널(100)의 작동을 위한 터치 검출 장치를 이용하여, 압력 센서(440)에 압력 검출을 위한 구동신호를 인가하고 압력 센서(440)로부터 감지신호를 입력받아 터치 압력을 검출할 수도 있다. 이하에서는, 제1전극(450)이 구동전극이고 제2전극(460)이 수신전극인 경우를 가정하여 설명한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(440)가 적용되는 터치 입력 장치(1000)에서 제1전극(450)은 구동부(120)로부터 구동신호를 인가받고 제2전극(460)은 감지신호를 감지부(110)에 전달할 수 있다. 제어부(130)는 터치 센서 패널(100)의 스캐닝을 수행함과 동시에 압력 검출의 스캐닝을 수행하도록 하거나, 또는 제어부(130)는 시분할하여 제1시간구간에는 터치 센서 패널(100)의 스캐닝을 수행하도록 하고 제1시간구간과는 다른 제2시간구간에는 압력 검출의 스캐닝을 수행하도록 제어신호를 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서 제1전극(450)과 제2전극(460)는 전기적으로 구동부(120) 및/또는 감지부(110)에 연결되어야 한다. 이때, 터치 센서 패널(100)을 위한 터치 검출 장치는 터치 센싱 IC(150)로서 터치 센서 패널(100)의 일단 또는 터치 센서 패널(100)와 동일 평면상에 형성되는 것이 일반적이다. 압력 센서(440)에 포함된 압력 전극(450, 460)은 임의의 방법으로 터치 센서 패널(100)의 터치 검출 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 압력 전극(450, 460)은 디스플레이 모듈(200)에 포함된 제2PCB(210)를 이용하여 커넥터(connector)를 통해 터치 검출 장치에 연결될 수 있다. 예컨대, 제1전극(450)과 제2전극(460)으로부터 각각 전기적으로 연장되는 전도성 트레이스들(461)은 제2PCB(210) 등을 통하여 터치 센싱 IC(150)까지 전기적으로 연결될 수 있다.
도10a 및 도10b는 압력 전극(450, 460)을 포함하는 압력 센서(440)가 디스플레이 모듈(200)의 하부면에 부착되는 경우를 나타낸다. 도10a 및 도10b에서 디스플레이 모듈(200)은 하부면 일부에 디스플레이 패널의 작동을 위한 회로가 실장된 제2PCB(210)가 도시된다.
도10a는 제1전극(450)과 제2전극(460)이 디스플레이 모듈(200)의 제2PCB(210)의 일단에 연결되도록 압력 센서(440)를 디스플레이 모듈(200)의 하부면에 부착하는 경우를 예시한다. 이 때, 제1전극(450)과 제2전극(460)은 제2PCB(210)의 일단에 양면 전도성 테이프를 이용하여 연결될 수 있다. 구체적으로, 압력 센서(440)의 두께 및 압력 센서(440)가 배치되는 디스플레이 모듈(200)과 기판(300)의 간격이 매우 작기 때문에, 별도의 커넥터를 사용하는 것보다 양면 도전성 테이프를 이용하여 제1전극(450) 및 제2전극(460)을 제2PCB(210)의 일단에 연결하는 것이 두께를 줄일 수 있으므로 효과적이다. 제2PCB(210) 상에는 압력 전극(450, 460)을 터치 센싱 IC(150) 등 필요한 구성까지 전기적으로 연결할 수 있도록 도전성 패턴이 인쇄되어 있을 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도11a 내지 도11c를 참조하여 설명한다. 도10a에 예시된 압력 전극(450, 460)을 포함하는 압력 센서(440)의 부착 방법은 기판(300), 커버(240)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도10b는 제1전극(450)과 제2전극(460)을 포함하는 압력 센서(440)가 별도로 제작되지 않고 디스플레이 모듈(200)의 제2PCB(210)에 일체형으로 형성된 경우를 예시한다. 예컨대, 디스플레이 모듈(200)의 제2PCB(210) 제작시에 제2PCB에 일정 면적(211)을 할애하여 미리 디스플레이 패널의 작동을 위한 회로뿐 아니라 제1전극(450)과 제2전극(460)에 해당하는 패턴까지 인쇄할 수 있다. 제2PCB(210)에는 제1전극(450) 및 제2전극(460)을 터치 센싱 IC(150) 등 필요한 구성까지 전기적으로 연결하는 도전성 패턴이 인쇄되어 있을 수 있다.
도11a 내지 도11c는 압력 센서(440)에 포함된 압력 전극(450, 460)를 터치 센싱 IC(150)에 연결하는 방법을 예시한다. 도11a 내지 도11c에서 터치 센서 패널(100)이 디스플레이 모듈(200)의 외부에 포함된 경우로서, 터치 센서 패널(100)의 터치 검출 장치가 터치 센서 패널(100)을 위한 제1PCB(160)에 실장된 터치 센싱 IC(150)에 집적된 경우를 예시한다.
도11a에서 디스플레이 모듈(200)에 부착된 압력 센서(440)에 포함된 압력 전극(450, 460)이 제1커넥터(121)를 통해 터치 센싱 IC(150)까지 연결되는 경우를 예시한다. 도11a에 예시된 바와 같이, 스마트폰과 같은 이동 통신 장치에서 터치 센싱 IC(150)는 제1커넥터(connector: 121)를 통해서 디스플레이 모듈(200)을 위한 제2PCB(210)에 연결된다. 제2PCB(210)는 제2커넥터(224)를 통해서 메인보드로 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 터치 센싱 IC(150)는 제1커넥터(121) 및 제2커넥터(224)를 통해서 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 CPU 또는 AP와 신호를 주고 받을 수 있다.
이때, 도11a에서는 압력 센서(440)가 도10b에 예시된 바와 같은 방식으로 디스플레이 모듈(200)에 부착된 것이 예시되나 도10a에 예시된 바와 같은 방식으로 부착된 경우에도 적용될 수 있다. 제2PCB(210)에는 압력 전극(450, 460)이 제1커넥터(121)를 통해 터치 센싱 IC(150)까지 전기적으로 연결될 수 있도록 도전성 패턴이 인쇄되어 있을 수 있다.
도11b에서 디스플레이 모듈(200)에 부착된 압력 센서(440)에 포함된 압력 전극(450, 460)이 제3커넥터(473)를 통해서 터치 센싱 IC(150)까지 연결되는 경우가 예시된다. 도11b에서 압력 전극(450, 460)은 제3커넥터(473)를 통해서 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 메인보드까지 연결되고, 추후 제2커넥터(224) 및 제1커넥터(121)를 통해서 터치 센싱 IC(150)까지 연결될 수 있다. 이때, 압력 전극(450, 460)은 제2PCB(210)와 분리된 추가의 PCB 상에 인쇄될 수 있다. 또는 실시예에 따라 압력 전극(450, 460)은 도3a 내지 도3h에 예시된 바와 같은 압력 센서(440)의 형태로 터치 입력 장치(1000)에 부착되어 압력 전극(450, 460)으로부터 전도성 트레이스등을 연장시켜 커넥터(473)를 통해 메인보드까지 연결될 수도 있다.
도11c에서 압력 전극(450, 460)이 제4커넥터(474)를 통해서 직접 터치 센싱 IC(150)로 연결되는 경우가 예시된다. 도11c에서 압력 전극(450, 460)은 제4커넥터(474)를 통해 제1PCB(160)까지 연결될 수 있다. 제1PCB(160)에는 제4커넥터(474)부터 터치 센싱 IC(150)까지 전기적으로 연결하는 도전성 패턴이 인쇄되어 있을 수 있다. 이에 따라, 압력 전극(450, 460)은 제4커넥터(474)를 통해서 터치 센싱 IC(150)까지 연결될 수 있다. 이때, 압력 전극(450, 460)은 제2PCB(210)와 분리된 추가의 PCB 상에 인쇄될 수 있다. 제2PCB(210)와 추가의 PCB는 서로 단락되지 않도록 절연되어 있을 수 있다. 또는 실시예에 따라 압력 전극(450, 460)은 도3a 내지 도3h에 예시된 바와 같은 압력 센서(440)의 형태로 터치 입력 장치(1000)에 부착되어 압력 전극(450, 460)으로부터 전도성 트레이스등을 연장시켜 커넥터(474)를 통해 제1PCB(160)까지 연결될 수도 있다.
도11b 및 도11c의 연결 방법은 압력 전극(450, 460)을 포함한 압력 센서(440)가 디스플레이 모듈(200)의 하부면뿐 아니라 기판(300) 또는 커버(240)상에 형성된 경우에도 적용될 수 있다.
도11a 내지 도11c에서는 터치 센싱 IC(150)가 제1PCB(160) 상에 형성된 COF(chip on film) 구조를 가정하여 설명되었다. 하지만, 이는 단지 예시일 뿐이며 본 발명은 터치 센싱 IC(150)가 터치 입력 장치(1000)의 실장공간(310) 내의 메인보드 상에 실장되는 COB(chip on board) 구조의 경우에도 적용될 수 있다. 도11a 내지 도11c에 대한 설명으로부터 당해 기술분야의 당업자에게 다른 실시예의 경우에 압력 전극(450, 460)의 커넥터를 통한 연결이 자명할 것이다.
이상에서는 구동전극으로서 제1전극(450)이 하나의 채널을 구성하고 수신전극으로서 제2전극(460)이 하나의 채널을 구성하는 압력 전극(450, 460)에 대해서 살펴보았다. 하지만, 이는 단지 예시일 뿐이며, 실시예에 따라 구동전극 및 수신전극은 각각 복수개의 채널을 구성할 수 있다. 이때, 구동전극 및 수신전극이 복수개의 채널을 구성하면, 터치에 대한 압력을 검출할 때 그 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 또한 다중 터치(multi touch)에 대한 다중의 압력 검출이 가능할 수 있다.
도12a 내지 도12d는 본 발명의 압력 전극이 복수의 채널을 구성하는 경우를 예시한다. 도12a에서는 제1전극(450-1, 450-2)과 제2전극(460-1, 460-2) 각각이 2개의 채널을 구성하는 경우가 예시된다. 도12a에서는 2개의 채널을 구성하는 제1전극(450-1, 450-2)과 제2전극(460-1, 460-2)이 모두 하나의 압력 센서(440)에 포함되도록 구성된 것이 예시된다. 도12b에서는 제1전극(450)은 2개의 채널(450-1, 450-2)을 구성하나 제2전극(460)은 1개의 채널을 구성하는 경우가 예시된다. 도12c에서는 제1전극(450-1 내지 450-5)과 제2전극(460-1, 460-5) 각각이 5개의 채널을 구성하는 경우가 예시된다. 이 경우에도 5개의 채널을 구성하는 전극이 모두 하나의 압력 센서(440)에 포함되도록 구성될 수 있다. 도12d에서는 제1전극(451 내지 459) 각각이 9개의 채널을 구성하고, 모두 하나의 압력 센서(440)에 포함되도록 구성하는 경우가 예시된다.
도12a 내지 도12d 및 도13a 내지 도13d에 도시된 바와 같이, 복수의 채널을 구성하는 경우, 각각의 제1전극(450) 및/또는 제2전극(460)으로부터 터치 센싱 IC(150)에 전기적으로 연결되는 도전성 패턴이 형성될 수 있다.
여기서, 도12d에 도시된 형태의 복수의 채널을 구성하는 경우를 예를 들어 설명한다. 이 경우, 한정된 폭을 갖는 제1커넥터(121)에 복수의 도전성 패턴(461)이 연결되어야하기 때문에, 도전성 패턴(461)의 폭 및 인접한 도전성 패턴(461)과의 간격이 작아야 한다. 이러한 작은 폭 및 간격을 갖는 도전성 패턴(461)을 형성하기 위한 미세공정을 하기 위해서는 폴리에틸렌테레프탈레이트보다는 폴리이미드가 적합하다. 구체적으로, 도전성 패턴(461)이 형성되는 압력 센서(440)의 지지층(470b, 471b)은 폴리이미드로 형성될 수 있다. 또한, 도전성 패턴(461)을 제1커넥터(121)에 연결하기 위하여 납땜공정이 필요할 수 있는데, 섭씨 300도 이상의 납땜 공정을 하기 위하여는 상대적으로 열에 약한 폴리에틸렌테레프탈레이트보다는 열에 강한 폴리이미드가 적합하다. 이 때, 도전성 패턴(461)이 형성되지 않는 부분의 지지층(470b, 471b)은 비용 절감을 위하여 폴리에틸렌테레프탈레이트로 형성되고, 도전성 패턴(461)이 형성되는 부분의 지지층(470b, 471b)은 폴리이미드로 형성될 수 있다.
도12a 내지 도12d 및 도13a 내지 도13d는 압력 전극이 단수 또는 복수의 채널을 구성하는 경우를 예시하며 다양한 방법으로 압력 전극이 단수 또는 복수의 채널로 구성될 수 있다. 도12a 내지 도12c 및 도13a 내지 도13d에서 압력 전극(450, 460)이 터치 센싱 IC(150)에 전기적으로 연결되는 경우가 예시되지 않았으나, 도11a 내지 도11c 및 기타의 방법으로 압력 전극(450, 460)이 터치 센싱 IC(150)에 연결될 수 있다.
이상에서, 제1커넥터(121) 또는 제4커넥터(474)는 양면 전도성 테이프일 수 있다. 구체적으로, 제1커넥터(121) 또는 제4커넥터(474)가 매우 작은 간격 사이에 배치될 수 있기 때문에, 별도의 커넥터를 사용하는 것보다 양면 도전성 테이프를 이용하는 것이 두께를 줄일 수 있으므로 효과적이다. 또한, 실시예에 따라 제1커넥터(121) 또는 제4커넥터(474)의 기능은 얇은 두께를 실현할 수 있는 FOF 본딩(Flex-on-Flex Bonding) 방법을 통해 구현될 수 있다.
이하에서는 압력 센서(440)가 채널로부터 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대해서 압력의 크기를 검출하는 다양한 방법에 대하여 설명한다.
제1방법예
도20a는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력장치에서 복수개의 채널을 이용하여 터치의 압력의 크기를 검출하는 방법의 예를 설명하기 위한 순서도이다.
터치 표면에 압력이 인가되면(S10), 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량의 합에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출한다(S20). 예를 들면, 도 13d에 도시된 압력 센서(440)에서 15개 각각의 제1전극(450)에서 검출되는 정전용량의 변화량을 합산한 값에 기초하여 터치 압력의 크기를 출할 수 있다. 이와 같이, 각 채널로부터 검출된 압력의 크기(또는 이에 대응하는 정전용량 값)을 합산한 값이나 평균값을 이용함으로써 싱글 채널을 이용하여 압력을 검출하는 것보다 압력 크기 검출의 정밀도가 향상될 수 있다.
제2방법예
도14a는 도13d에 도시된 압력 센서에서 소정 위치에 압력이 인가되는 경우를 도시하는 도면이고, 도14b는 도14a의 A위치에 대응되는 터치 표면에 터치 압력이 인가되는 경우에 터치 입력 장치가 휘어지는 형태를 도시하는 단면도이고, 도14c는 도14a의 C위치에 대응되는 터치 표면에 터치 압력이 인가되는 경우에 터치 입력 장치가 휘어지는 형태를 도시하는 단면도이다.
도14a에 도시된 A 위치에 대응되는 터치 표면에 터치 압력이 인가되는 경우, 즉, 디스플레이 모듈(200)의 중앙부에 터치 압력이 인가되는 경우에 도14b에 도시된 바와 같이, 디스플레이 모듈(200)이 휘어지는 정도가 상대적으로 클 수 있다. 반면에, 도 14a에 도시된 B위치에 대응되는 터치 표면에 터치 압력이 인가되는 경우, 즉, 디스플레이 모듈(200)의 가장자리에 터치 압력이 인가되는 경우에 도14c에 도시된 바와 같이 디스플레이 모듈(200)이 휘어지는 정도보다 상대적으로 작을 수 있다. 구체적으로, 도14b 및 도14c에 도시된 바와 같이, 동일한 터치 압력이 인가되는 경우, 디스플레이 모듈(200)의 중앙부에 터치 압력이 인가될 때의 디스플레이 모듈(200)이 가장 많이 휘어지는 위치와 압력 전극(450)간의 거리(d1)가 디스플레이 모듈(200)의 가장자리에 터치 압력이 인가될 때의 디스플레이 모듈(200)이 가장 많이 휘어지는 위치와 압력 전극(450)간의 거리(d2)보다 작을 수 있다. 따라서, 동일한 터치 압력이 인가되더라도 터치 압력이 인가되는 위치에 따라 각각의 채널에서 검출되는 정전용량 변화량이 다르게 된다. 따라서, 각 채널로부터 검출된 압력의 크기 또는 이에 대응하는 정전용량의 합이나 평균을 이용하여 압력의 크기를 검출하는 것 보다는 좀 더 정확한 압력값을 검출할 수 있는 방법이 필요하다.
도20b는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력장치에서 복수개의 채널을 이용하여 터치의 압력의 크기를 검출하는 방법의 또다른 예를 설명하기 위한 순서도이고, 도15는 도13d에 도시된 압력 센서에서 각각의 제1전극에 할당된 스케일링 계수를 나타내기 위한 도면이다.
터치 표면에 압력이 인가되면(S100), 각각의 채널에서 검출되는 정전용량 변화량과 각각의 채널에 미리 할당된 스케일링 계수를 곱한 값의 합에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출한다(S200). 예를 들면, 도15에 도시된 바와 같이, 디스플레이 모듈(200)의 중앙부에 위치한 제1전극(450)에는 스케일링 계수로 1이 할당되고, 중앙부에 위치한 제1전극(450)과 인접한 제1전극(450)들에는 스케일링 계수로 6이 할당되고, 그보다 더 가장자리에 위치한 제1전극(450)들에는 각각 스케일링 계수로 12와 16이 할당될 수 있다. 이와 같이, 디스플레이 모듈(200)의 중앙부에 대응되는 채널에 더 작은 스케일링 계수를 할당하고 디스플레이 모듈(200)의 가장자리에 대응되는 채널에 더 큰 스케일링 계수를 할당하면, 도14b 및 도14c에 도시된 바와 같이, 동일한 압력이 인가될 때 디스플레이 모듈(200)의 중앙부가 디스플레이 모듈(200)의 가장자리보다 더 많이 휘어짐으로 인하여 디스플레이 모듈(200)의 중앙부에서 검출되는 정전용량의 변화량이 디스플레이 모듈(200)의 가장자리에서 검출되는 정전용량 변화량보다 크게되는 것을 상쇄시킬 수 있다. 따라서, 좀 더 정확한 압력값을 산출할 수 있다.
제3방법예
도16a는 도14a에 도시된 위치에 압력이 인가되는 경우 인가되는 압력의 크기와 터치 입력 장치의 체적 변화량의 관계를 설명하기 위한 그래프이고, 도16b는 도14b에 도시된 터치 입력 장치의 체적 변화량을 도시하기 위한 단면도이고, 도16c는 도14c에 도시된 터치 입력 장치의 체적 변화량을 도시하기 위한 단면도이다.
동일한 터치 압력이 인가되는 경우, 디스플레이 모듈(200)의 중앙부에 터치 압력이 인가될 때의 터치 입력 장치(1000)가 변형되는 부피(이하에서 체적 변화량이라 한다)가 디스플레이 모듈(200)의 가장자리에 터치 압력이 인가될 때의 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량보다 클 수 있다. 즉, 도14a에 도시된 A, B, 및 C 위치에 대응되는 터치 표면에 동일한 터치 압력이 인가되는 경우를 비교해 보면, 도16a 내지 도16c에 도시된 바와 같이, 디스플레이 모듈(200)의 중앙부인 A 위치에 터치 압력이 인가될 때의 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량이 디스플레이 모듈(200)의 A 위치보다 상대적으로 가장자리에 위치한 C 위치에 터치 압력이 인가될 때의 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량보다 크다.
이 때, 동일한 위치에 터치 압력이 인가되는 경우, 인가되는 압력의 크기와 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량은 선형 관계를 가진다. 즉, 도14a에 도시된 A, B, 또는 C 위치 중 어느 한 위치에 다른 크기의 터치 압력들이 인가되는 경우를 비교해 보면, 도16a에 도시된 바와 같이, 인가되는 압력의 크기에 비례하여 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량이 변한다.
따라서, 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량을 추정함으로써, 압력의 크기를 검출할 수 있다.
먼저, 디스플레이 모듈(200)의 소정 터치 위치에 소정 크기의 압력을 인가할 때, 각각의 채널로부터 검출되는 정전용량에 기초하여 해당 터치 위치에 대응되는 기준값을 메모리(미도시)에 저장한다. 이 때, 상기 기준값은, 각각의 채널부터 검출되는 정전용량에 기초하여 산출된 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량일 수 있다. 또는, 상기 기준값은 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량과 선형 관계를 갖는 정규화된 압력값, 또는 도16a에 도시된 그래프에서의 기울기일 수 있다. 이와 같은 방법을 각각의 터치 위치에 대하여 반복 실행하여, 소정 크기의 압력이 인가될 때의, 디스플레이 모듈(200)의 전체 영역의 모든 위치에 대한 기준값을 메모리에 저장한다. 이 때, 디스플레이 모듈(200)의 전체 영역의 모든 위치에 대하여 기준값을 생성하기 어려우므로, 소정 간격으로 이격된 복수의 대표 위치에 대하여만 기준값을 생성하여 저장할 수도 있다. 예를 들면, 디스플레이 모듈(200)의 등간격으로 이격된 432(18 X 24)개의 각각의 터치 위치에 800g의 압력을 인가할 때 검출되는 각각의 정전용량 변화량에 기초하여 산출된 432개의 체적 변화량을 메모리에 저장할 수 있다.
다음은 상기 기준값을 이용하여 터치 압력의 크기를 검출하는 방법을 예시한다.
도20c는 본 발명의 실시예에 따른 터치 입력장치에서 복수개의 채널을 이용하여 터치의 압력의 크기를 검출하는 방법의 또다른 예를 설명하기 위한 순서도이고, 도17a는 터치 입력 장치에 압력이 인가될 때, 터치 입력 장치가 변형되는 형태를 설명하기 위한 부분사시도이고, 도17b는 터치 입력 장치에 압력이 인가될 때, 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도17c는 도17b에 도시된 도면의 단면도이다.
터치 표면에 압력이 인가되면(S1000), 터치 위치를 검출하고(S2000), 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 각각의 채널에 대응되는 거리변화를 산출한다(S3000).
각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 값은 압력 전극의 구성이나 터치 압력를 센싱하기 위한 회로 구성에 따라 다르나, 터치 압력 인가시, 도17c에 도시된 각각의 채널에 대응되는 거리변화(di)의 함수로 표현될 수 있으므로, 각각의 채널로부터 검출되는 정전용량 값으로부터 역산하여 각각의 채널에 대응되는 거리변화(di)를 산출할 수 있다. 여기서 각각의 채널에 대응되는 거리변화(di)는, 압력이 인가되기 전을 기준으로 압력이 인가된 후의, 각각의 채널에 대응되는 터치 입력 장치 표면이 변형된 거리를 의미한다.
도18a는, 도13a 내지 도13c에 도시된 바와 같이, 제1전극(450)이 구동전극(TX)이고, 제2전극(460)이 수신전극(RX)으로 구성되어 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 상호 정전용량의 변화로부터 터치 압력의 크기를 검출하는 경우, 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 압력 정전용량(11)을 센싱하는 장치의 등가회로를 예시한다. 여기서, 구동신호(Vs)와 출력신호(Vo) 사이의 관계식은 수학식(1)와 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00001
수학식(1)
이때, 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 정전용량 중 기준 전위층으로 빼앗기는 정전용량은 프린징(fringing) 정전용량이다. 이때, 압력 정전용량(11)은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00002
수학식(2)
여기서, Co는 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이에 생성되는 고정 정전용량 값이며 Cfringing은 제1전극(450)과 제2전극(460) 사이의 프린징 현상에 의해 발생되는 정전용량 값이고, 수학식(2)는 이러한 Cfringing값을 거리(d)와 계수(α)로 표현한 것이다. 고정 정전용량은 기준 전위층과의 거리(d)에는 무관하게 제1전극(450)과 제2전극(460)에 의해 생성되는 정전용량을 의미한다.
디스플레이 모듈(200)의 임의의 위치에 임의의 압력이 인가되면, 각각의 채널에서 검출되는 정전용량 변화량, 상기 수학식 (1) 및 상기 수학식 (2)로부터 역산하여 각각의 채널에 대응되는 거리변화(di)를 산출할 수 있다.
또한, 도18b는, 도13d에 도시된 바와 같이, 제1전극(450)에 구동신호가 인가되고 제1전극(450)으로부터 수신신호를 검출하도록 구성되어 제1전극(450)의 자기 정전용량의 변화로부터 터치 압력의 크기를 검출하는 경우, 제1전극(450)과 기준전위층 사이의 정전용량(11)을 센싱하는 장치의 등가회로를 예시한다.
제1스위치(21)가 켜지면 제1스위치(21)의 일단이 연결된 전원 전압(VDD)까지 압력 캐패시터(11)가 충전된다. 제1스위치(21) 스위치가 오프된 직후 제3스위치(23)가 켜지면 압력 캐패시터(11)에 충전된 전하가 증폭기(31)로 전딜되어 그에 상응하는 출력 신호(Vo)를 획득할 수 있다. 제2스위치(22)가 켜지면 압력 캐패시터(11)에 남아 있는 모든 전하가 방전되고, 제2스위치(22)가 오프된 직후에 제3스위치(23)가 켜지면 궤환 캐패시터(32)를 통해서 압력 캐패시터(11)에 전하가 전달되어 그에 상응하는 출력신호를 획득할 수 있다. 이때, 도로 표시되는 회로의 출력신호(Vo)는 수학식(3)과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00003
수학식(3)
여기서,
Figure pct00004
은 제1전극(450)과 기준 전위층 사이에 채워진 물질의 유전율(εoεr), A는 제1전극(450)의 면적이다.
디스플레이 모듈(200)의 임의의 위치에 임의의 압력이 인가되면, 각각의 채널에서 검출되는 정전용량 변화량, 상기 수학식 (3)으로부터 역산하여 각각의 채널에 대응되는 거리변화(di)를 산출할 수 있다.
산출된 각각의 채널에 대응되는 거리변화(di)를 이용하여 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정한다(S4000). 구체적으로, 터치 압력이 인가되면, 도17a에 도시된 바와 같이 터치 입력 장치(1000)의 표면이 변형되고 이로 인한 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량은, 도17b 및 도17c에 도시된 각각의 채널에 대응되는 체적 변화량들의 합으로 추정할 수 있다. 이 때, 각각의 채널에 대응되는 면적이 같은 경우, 예를 들면 도13d에 도시된 각각의 제1전극(450)의 면적이 같은 경우, 각각의 채널에 대응되는 체적 변화량들의 합은 각각의 채널에 대응되는 거리변화(di)의 합에 하나의 제1전극(450)의 면적(A)를 곱한 값일 수 있다.
이 때, 소정 위치에 터치 압력이 인가되는 경우, 도16a에 도시된 바와 같이, 인가되는 압력의 크기와 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량은 선형 관계를 가지므로, 추정된 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량과 메모리에 저장된 해당 터치 위치에 대응되는 기준값에 기초하여, 인가되는 압력의 크기를 산출한다(S5000).
예를 들면, 추정된 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량이 1000이고, 800g의 압력에 대한 해당 터치 위치에 대응되는 기준값으로서 메모리에 저장된 체적 변화량이 2000인 경우, 인가되는 압력의 크기는 400g이다.
또한, 입력된 터치 위치에 대응되는 기준값이 메모리에 저장되어 있지 않은 경우, 메모리에 저장된 인접한 터치위치에 대응되는 기준값을 이용하여 선형 보간, bi-cubic 보간 등 다양한 방법의 보간을 통해 압력 값을 산출할 수 있다.
도19a는 도14a에 도시된 압력센서의 D위치에 압력이 인가된 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도19b는 도19a에 도시된 D위치에 압력이 인가된 경우 압력값을 산출하는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
예를 들면, 도19a에 도시된 A 위치와 B 위치에 대응되는 기준값은 메모리에 저장되어 있으나, A위치 및 B위치의 중간 지점인 D 위치에 대응되는 기준값은 메모리에 저장되어 있지 않은 경우, D위치에 대한 기준값은 도19b에 도시된 바와 같이, A위치와 B위치의 기준값을 선형 보간하여, 즉, A위치의 기준값과 B위치의 기준값의 중간값을 취하여 추정할 수 있고, 상기 추정된 D위치의 기준값을 이용하여 D위치에 인가된 압력의 크기를 산출할 수 있다.
상기에서는 복수개의 채널을 이용하여 터치 압력을 검출하는 제3방법예에 대하여 설명하였으나, 도10a 내지 도11c에 도시된 바와 같이, 압력 전극(450, 460)이 단일 채널을 구성하는 경우에도 제3방법에의 적용이 가능하다.
터치 표면에 압력이 인가되면, 터치 위치를 검출하고, 단일 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 거리변화를 산출할 수 있다.
단일 채널로부터 검출되는 정전용량의 값은 단일 채널에 대응되는 거리변화의 함수로 표현될 수 있으므로, 단일 채널로부터 검출되는 정전용량 값으로부터 역산하여 단일 채널에 대응되는 거리변화를 산출할 수 있다.
디스플레이 모듈(200)의 임의의 위치에 임의의 압력이 인가되면, 단일 채널에서 검출되는 정전용량 변화량, 상기 수학식 (1), (2) 또는 (3)으로부터 역산하여 단일 채널에 대응되는 거리변화를 산출할 수 있다.
산출된 단일 채널에 대응되는 거리변화를 이용하여 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정한다. 구체적으로, 터치 압력이 인가되면, 터치 입력 장치의 체적 변화량은 단일 채널에 대응되는 거리변화에 단일 전극(450, 460)의 면적을 곱한 값일 수 있다.
이 때, 소정 위치에 터치 압력이 인가되는 경우, 도16a에 도시된 바와 같이, 인가되는 압력의 크기와 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량은 선형 관계를 가지므로, 추정된 터치 입력 장치(1000)의 체적 변화량과 메모리에 저장된 해당 터치 위치에 대응되는 기준값에 기초하여, 인가되는 압력의 크기를 산출할 수 있다.
이와 같이, 터치 압력에 의한 체적 변화량에 근거하여 압력의 크기를 산출하면, 좀 더 정확한 압력의 크기를 검출할 수 있으며, 기준전위층 또는 압력센서가 최초의 위치로부터 변형되더라도 정확한 압력의 크기를 검출할 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 도13d에 도시된 형태의 압력센서(440)에 대하여 설명하였으나, 이에 한하지 않으며, 도13a 내지 도13c에 도시된 형태의 압력 전극을 포함하는 압력센서에도 적용 가능하다.
압력 센서(440)가 복수개의 채널을 형성하도록 구성된 경우에, 다중 터치에 대한 다중의 압력 검출이 가능할 수 있다. 이는, 예컨대, 터치 센서 패널(100)로부터 획득된 다중의 터치 위치 각각에 대응하는 위치에 배치된 압력 전극(450,460)의 채널로부터 획득된 압력 크기를 이용해 수행될 수 있다. 또는, 압력 센서(440)가 복수개의 채널을 형성하도록 구성된 경우에, 압력 센서(440)에서 직접 터치 위치를 검출하는 것도 가능하며 해당 위치에 배치된 압력 전극(450, 460)의 채널로부터 획득된 압력 크기를 이용해, 다중의 압력 검출이 수행될 수도 있다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 터치 입력 장치 100: 터치 센서 패널
120: 구동부 110: 감지부
130: 제어부 200: 디스플레이 모듈
300: 기판 400: 압력 검출 모듈
420; 스페이서층 440: 압력 센서
450, 460: 전극 470: 제1절연층
471: 제2절연층 470a, 471a: 전극커버층
470b, 471b: 지지층 430: 접착층
435: 보호층 480: 탄성층

Claims (42)

  1. 터치 표면에 대한 터치의 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치로서,
    디스플레이 모듈; 및
    상기 터치 표면에 대한 상기 터치에 따라 기준 전위층과의 거리가 변할 수 있는 위치에 배치된 압력 센서를 포함하며,
    상기 거리는 상기 터치의 압력 크기에 따라 달라질 수 있으며,
    상기 압력 센서는 상기 거리에 따라 변하는 정전용량에 대한 정보를 포함하는 신호를 출력할 수 있고,
    상기 압력 센서는 복수의 채널을 형성하도록 복수의 전극을 포함하고,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는,
    터치 입력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량의 합에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는,
    터치 입력 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량과 상기 각각의 채널에 미리 할당된 스케일링 계수를 곱한 값의 합에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는,
    터치 입력 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 디스플레이 모듈의 중앙부에 대응되는 상기 채널에 할당된 스케일링 계수가 상기 디스플레이 모듈의 가장자리에 대응되는 상기 채널에 할당된 스케일링 계수보다 작은,
    터치 입력 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하고,
    상기 추정된 체적 변화량에 기초하여, 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는,
    터치 입력 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추정된 체적 변화량 및 미리 저장된 소정 터치 위치에 대응되는 기준값에 기초하여, 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는,
    터치 입력 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 각각의 채널에 대응되는 거리변화를 산출하여 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는,
    터치 입력 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모듈 하부에 기판을 더 포함하며,
    상기 압력 센서는 상기 기판 또는 상기 디스플레이 모듈상에 부착되는,
    터치 입력 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 상기 기판 또는 상기 디스플레이 모듈인, 터치 입력 장치.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기준 전위층은 상기 디스플레이 모듈 내부에 위치하는, 터치 입력 장치.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정전용량은 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량인,
    터치 입력 장치.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 제1전극 및 제2전극을 포함하고,
    상기 정전용량은 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량인,
    터치 입력 장치.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모듈은:
    디스플레이 패널;
    상기 디스플레이 패널 하부에 위치하며 반사판 및 커버를 포함하는 백라이트 유닛;을 포함하며,
    상기 압력 센서는 상기 반사판과 상기 커버 사이로서 상기 커버상에 부착된,
    터치 입력 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 내부에 상기 기준 전위층이 위치하는, 터치 입력 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 상기 디스플레이 패널 내부의 공통 전극의 전위층인, 터치 입력 장치.
  16. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서를 통해 복수의 터치 각각에 대한 압력 검출이 가능하도록 구성된, 터치 입력 장치.
  17. 제1절연층과 제2절연층; 및
    상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 위치하는 제1전극과 제2전극;을 포함하는 압력 센서로서,
    상기 압력 센서와 이격되어 위치하는 기준전위층과 상기 압력 센서 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량이 검출될 수 있고,
    상기 정전용량을 통해 상기 거리 변화를 야기하는 압력의 크기가 검출될 수 있도록 구성되며,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극을 복수개 포함하여 복수의 채널을 형성하도록 구성되고,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는데 이용되는,
    압력 센서.
  18. 제1절연층과 제2절연층; 및
    상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 위치하는 전극;을 포함하는 압력 센서로서,
    상기 압력 센서와 이격되어 위치하는 기준전위층과 상기 압력 센서 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준전위층 사이의 정전용량이 검출될 수 있고,
    상기 정전용량을 통해 상기 거리 변화를 야기하는 압력의 크기가 검출될 수 있도록 구성되고,
    상기 전극을 복수개 포함하여 복수의 채널을 형성하도록 구성되고,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량에 기초하여 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는데 이용되는,
    압력 센서.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 압력 센서를 통해 복수의 터치 각각에 대한 압력 검출이 가능하도록 구성된, 압력 센서.
  20. 디스플레이 모듈을 포함하고, 압력을 검출하기 위한 복수의 채널을 구성하는 터치 입력 장치에서 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는 방법에 있어서,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량 변화량의 합에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출하는 단계;를 포함하는
    복수의 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  21. 디스플레이 모듈을 포함하고, 압력을 검출하기 위한 복수의 채널을 구성하는 터치 입력 장치에서 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는 방법에 있어서,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량 변화량과 상기 각각의 채널에 미리 할당된 스케일링 계수를 곱한 값의 합에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출하는 단계;를 포함하는
    복수의 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 디스플레이 모듈의 중앙부에 대응되는 상기 채널에 할당된 스케일링 계수가 상기 디스플레이 모듈의 가장자리에 대응되는 상기 채널에 할당된 스케일링 계수보다 작은,
    복수의 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  23. 디스플레이 모듈을 포함하고, 압력을 검출하기 위한 복수의 채널을 구성하는 터치 입력 장치에서 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는 방법에 있어서,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 체적 변화량에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출하는 단계;를 포함하는
    복수의 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 터치 압력의 크기를 검출하는 단계는,
    상기 추정된 체적 변화량 및 미리 저장된 소정 터치 위치에 대응되는 기준값에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출하는 단계인,
    복수의 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 단계는,
    상기 각각의 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 각각의 채널에 대응되는 거리변화를 산출하여 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 단계인,
    복수의 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  26. 터치 표면에 대한 터치의 압력 검출이 가능한 터치 입력 장치로서,
    디스플레이 모듈; 및
    상기 터치 표면에 대한 상기 터치에 따라 기준 전위층과의 거리가 변할 수 있는 위치에 배치된 압력 센서를 포함하며,
    상기 거리는 상기 터치의 압력 크기에 따라 달라질 수 있으며,
    상기 압력 센서는 상기 거리에 따라 변하는 정전용량에 대한 정보를 포함하는 신호를 출력할 수 있고,
    상기 압력 센서는 단일 채널을 형성하는 전극을 포함하고,
    상기 단일 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하고,
    상기 추정된 체적 변화량에 기초하여, 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는,
    터치 입력 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 추정된 체적 변화량 및 미리 저장된 소정 터치 위치에 대응되는 기준값에 기초하여, 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는,
    터치 입력 장치.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 단일 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 단일 채널에 대응되는 거리변화를 산출하여 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는,
    터치 입력 장치.
  29. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모듈 하부에 기판을 더 포함하며,
    상기 압력 센서는 상기 기판 또는 상기 디스플레이 모듈상에 부착되는,
    터치 입력 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 상기 기판 또는 상기 디스플레이 모듈인, 터치 입력 장치.
  31. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 상기 디스플레이 모듈 내부에 위치하는, 터치 입력 장치.
  32. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정전용량은 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량인,
    터치 입력 장치.
  33. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 제1전극 및 제2전극을 포함하고,
    상기 정전용량은 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량인,
    터치 입력 장치.
  34. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모듈은:
    디스플레이 패널;
    상기 디스플레이 패널 하부에 위치하며 반사판 및 커버를 포함하는 백라이트 유닛;을 포함하며,
    상기 압력 센서는 상기 반사판과 상기 커버 사이로서 상기 커버상에 부착된,
    터치 입력 장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 내부에 상기 기준 전위층이 위치하는, 터치 입력 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 상기 디스플레이 패널 내부의 공통 전극의 전위층인, 터치 입력 장치.
  37. 제1절연층과 제2절연층; 및
    상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 위치하는 제1전극과 제2전극;을 포함하는 압력 센서로서,
    상기 압력 센서와 이격되어 위치하는 기준전위층과 상기 압력 센서 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량이 검출될 수 있고,
    상기 정전용량을 통해 상기 거리 변화를 야기하는 압력의 크기가 검출될 수 있도록 구성되며,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극이 단일 채널을 형성하도록 구성되고,
    상기 단일 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하고, 상기 추정된 체적 변화량에 기초하여, 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는데 이용되는,
    압력 센서.
  38. 제1절연층과 제2절연층; 및
    상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 위치하는 전극;을 포함하는 압력 센서로서,
    상기 압력 센서와 이격되어 위치하는 기준전위층과 상기 압력 센서 사이의 상대적인 거리 변화에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준전위층 사이의 정전용량이 검출될 수 있고,
    상기 정전용량을 통해 상기 거리 변화를 야기하는 압력의 크기가 검출될 수 있도록 구성되고,
    상기 전극이 단일 채널을 형성하도록 구성되고,
    상기 단일 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하고, 상기 추정된 체적 변화량에 기초하여, 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는데 이용되는,
    압력 센서.
  39. 제37항 또는 제38항에 있어서,
    상기 추정된 체적 변화량 및 미리 저장된 소정 터치 위치에 대응되는 기준값에 기초하여, 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는데 이용되는,
    압력 센서.
  40. 디스플레이 모듈을 포함하고, 압력을 검출하기 위한 단일 채널을 구성하는 터치 입력 장치에서 터치에 대한 압력의 크기를 검출하는 방법에 있어서,
    상기 단일 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 체적 변화량에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출하는 단계;를 포함하는
    단일 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 터치 압력의 크기를 검출하는 단계는,
    상기 추정된 체적 변화량 및 미리 저장된 소정 터치 위치에 대응되는 기준값에 기초하여 터치 압력의 크기를 검출하는 단계인,
    단일 채널을 이용한 압력 검출 방법.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 단계는,
    상기 단일 채널에서 검출되는 정전용량의 변화량으로부터 상기 단일 채널에 대응되는 거리변화를 산출하여 상기 터치 입력 장치의 체적 변화량을 추정하는 단계인,
    단일 채널을 이용한 압력 검출 방법.

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