KR20190077982A - 고주파 대역 전파 기반 터치 감지 장치 및 상기 장치의 구동 방법 - Google Patents

고주파 대역 전파 기반 터치 감지 장치 및 상기 장치의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 양태는 터치 감지 장치를 포함한다. 상기 장치는 교류 신호가 통전되는 적어도 하나의 전송선로(TL: Transmission Line) 및 상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치 수단에 의하여 터치됨에 따라 상기 터치 수단의 유전율에 의한 상기 교류 신호의 크기 및 위상 중 적어도 하나의 변화를 감지하여 상기 감지된 변화를 기반으로 터치 위치를 검출하는 터치 검출기를 포함한다.

Description

고주파 대역 전파 기반 터치 감지 장치 및 상기 장치의 구동 방법{RADIO FREQUENCY BAND BASED TOUCH SENSING APPARATUS AND OPERATION METHOD OF SAID APPARATUS}
본 발명은 터치 감지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 간단한 센서 구조로 초정밀 터치 센싱을 가능케 하는 방법에 관한 것이다.
현재 터치 센서 기술은 DC(Direct Current) 주파수 기반으로 손가락과 터치 센서 사이에 발생하는 저항이나 커패시터(capacitor)를 이용한다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 정전용량 기반 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, P-캡 터치 센싱(P-cap touch sensing) 방법으로, 가장 보편화된 터치센싱 방법을 나타낸다. 이는 손가락과 금속판 사이의 커패시턴스(capacitance)의 변화를 이용하여 터치를 감지하는 기술로써, 자기 커패시턴스(self-capacitance)를 사용하는 방법(도 1a 참조)과 상호 커패시턴스(mutual capacitance)를 사용하는 방법(도 1b 참조)이 있다.
이러한 정전용량 방식 기반의 터치 센싱 방법은 최대한 얇은 두께를 요구하는 최근의 추세에 적합하지 않다.
최근의 터치패널 시스템 기술의 동향을 살펴보면, 디스플레이 패널의 두께가 날로 얇아지고, 지문인식(생체정보) 등 극한 수준의 터치 감도를 요구하고 있는 실정이다. 이에, 종래 정전용량 기반의 터치 센싱 방법은 정밀 터치감도를 구현하기에는 이론적으로, 그리고 공정적으로 한계치에 근접하고 있다.
도 2는 정전용량 기반의 터치 센싱방법에서 손가락의 터치에 따라 변화되는 커패시턴스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 손가락의 터치에 따라 커패시턴스 값이 달라지게 되는데, 이때, 디스플레이 패널의 두께가 얇을수록 SNR(Signal to Noise Ratio)이 작기 때문에, 터치 센싱의 민감도에 영향을 줌을 알 수 있다. 결과적으로, 점차 얇아지는 터치스크린에 대응하는데, 근본적인 한계가 존재하고, 최근 스마트폰용 터치센서 민감도가 열화되고 있는 것이 이러한 문제점을 나타낸다고 볼 수 있다.
실제로, 현재 디스플레이 패널들의 상당수는 종래 대비 얇지만, 더 열화된 터치 감도를 가지고 있다. 이를 극복하기 위해서는 나노 미터의 공정 정밀도를 가진 반도체 박막 공정의 진화가 요구되며, 이를 위한 산업계의 시설 투자 비용은 수조원 단위로 추산되기에 설비를 갖추는데 어려움이 따른다.
또한, 정교한 터치 센싱을 위해 각 레이어(layer) 및 구조(structure)가 모두 복잡해지는 문제점이 있고, 이를 극복한다고 하여도, 정전용량 기반의 센싱 구조는 플렉서블 디스플레이(flexible display)에 불리하다는 문제점이 존재한다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 목적은 RF(Radio Frequency) 주파수 대역의 전송선로(TL: Transmission Line)을 이용하여 터치에 따른 유전율(permittinity)의 변화에 따라 전송성분과 반사성분의 신호의 크기(magnitude) 및 위상(phase)의 변화를 기반으로 터치의 정확한 좌표를 추출하는 터치센싱 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 터치 감지 장치는 교류 신호가 통전되는 적어도 하나의 전송선로(TL: Transmission Line) 및 상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치 수단에 의하여 터치됨에 따라 상기 터치 수단의 유전율에 의한 상기 교류 신호의 크기 및 위상 중 적어도 하나의 변화를 감지하여 상기 감지된 변화를 기반으로 터치 위치를 검출하는 터치 검출기를 포함할 수 있다.
상기 터치 검출기는 상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치됨에 따라 감지된 상기 교류 신호의 크기 변화를 기반으로 터치 유무를 판단하고 상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치됨에 따라 감지된 상기 교류 신호의 위상 변화를 기반으로 터치 위치를 검출할 수 있다.
상기 터치 감지 장치는 상기 교류신호의 크기 변화를 기반으로 y축 좌표를 검출하고, 상기 교류신호의 위상 변화를 기반으로 x축 좌표를 검출할 수 있다.
상기 적어도 하나의 전송선로는 복수 개가 평행하게 배치되고, 하나의 전송선로의 양단 중 적어도 하나에 신호를 제공하고 수신하는 적어도 하나의 포트(port)가 배치될 수 있다.
상기 터치 검출기는 상기 적어도 하나의 전송선로 중 터치가 감지된 제 1 전송선로의 제 1 종단의 제 1 포트와 상기 제 1 전송선로와 평행한 제 2 전송선로의 제 1 종단의 제 2 포트와의 평행(parallel) 상호관계 및 상기 제 1 포트와 상기 제 2 전송선로의 상기 제 1 종단과 대향하는 제 2 종단의 제 3 포트와의 크로스(cross) 상호관계를 기반으로 터치위치를 산출할 수 있다.
상기 적어도 하나의 포트는 상기 적어도 하나의 전송선로의 제 1 종단에만 연결되고, 상기 제 1 종단의 대향하는 제 2 종단에는 포트에 따른 반사가 일어나지 않도록 매칭된 부하(load)가 연결될 수 있다.
상기 적어도 하나의 전송선로는 위치에 따라 다른 임피던스를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 터치검출기는, 위치에 따라 다른 임피던스를 갖는 전송선로에서 상기 터치수단에 의한 터치에 의해 특성 임피던스가 달라짐에 따라 감지된 상기 교류 신호의 크기 변화를 이용하여 터치위치를 검출할 수 있다.
상기 교류신호는 0.6GHz 내지 0.8GHz 대역의 교류신호일 수 있다.
상기 교류신호는 복수 개의 서로 다른 주파수를 갖는 신호들을 포함하고, 상기 복수 개의 서로 다른 주파수를 갖는 신호들을 인가하여 상기 터치수단에 의한 터치에 의해 상기 교류신호의 위상이 겹치는 점이 복수 개 생기도록 할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 터치 감지 방법은 적어도 하나의 전송선로(TL: Transmission Line)를 통해 교류 신호를 구동시키는 단계 및 상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치 수단에 의하여 터치됨에 따라 상기 터치 수단의 유전율에 의한 상기 교류 신호의 크기 및 위상 중 적어도 하나의 변화를 감지하여 상기 감지된 변화를 기반으로 터치 위치를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 터치센싱 방법 및 장치에 따르면, 터치 감도를 극대화하기 위해 터치센서에 대한 나노미터 수준의 공정 정밀도를 요구하지 않고 구현가능하므로, 결과적으로 미래 터치 디스플레이 생산 원가를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래 정전식/저항식 터치센서 대비 최소 절반 이하의 터치 센서 수로 동등 성능의 터치 감도 구현이 가능하며, 바탕으로 훨씬 간단한 센서 구조로 지문인식, 혈류감지 센서 등 초정밀터치 기술 구현을 가능케 하는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 정전용량 기반 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 개념도,
도 2는 정전용량 기반의 터치 센싱방법에서 손가락의 터치에 따라 변화되는 커패시턴스를 설명하기 위한 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 주파수 전파 기반 터치 감지 방법을 설명하는 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 주파수 전파 기반 터치 감지 장치를 나타낸 도면,
도 5는 하나의 전송선로에서 위상과 크기 변화를 통해 x축 및 y축 좌표를 검출하는 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 6은 임피던스 관점에서 터치감지 부분을 검출하는 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 평행 상호관계와 크로스(cross) 상호관계를 고려하여 터치 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 하나의 포트로 구성된 복수 개의 전송선로를 포함하는 터치 감지 장치를 나타낸 도면,
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 멀티 주파수(multi-frequency) 분석을 통해 터치 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도,
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 위치에 따라 두께가 변화하는 전송선로를 사용하여 터치 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 명세서에 걸쳐서, 터치 감지 장치는 터치 센서, 터치 스크린 패널, 지문 인식 장치 등으로 구현될 수 있다.
RF라는 용어는 무선주파수를 의미하나, 본 발명의 실시예에서는, 교류신호, 즉, 교류 전기 신호의 주파수를 나타내며, 상기 무선주파수는 좁은 범위의 특정 주파수로 한정되어 해석되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 주파수 전파 기반 터치 감지 방법을 설명하는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 감지 장치(예컨대, 터치 센서, 터치 스크린 패널 등)는 교류전기신호가 통전되는 전송선로(TL: Transmission Line) 및 상기 전송선로에 교류전기신호를 제공하는 전력원을 포함하여 구성될 수 있다.
터치 전에는, 전력원(V)으로부터 고주파의 교류전류 신호가 제공되면, 전송선로는 일정한 유전율(εb, γ)로 전류가 흐른다.
터치가 일어나게 되면, 손가락의 유전율에 따라 터치가 일어난 부분과 인접한 일정 구간에서 유전율이 변화되고(εf), 그와 연관된 거리는 df로 정의할 수 있다. 이에, 전송선로의 위치에 따른 유전율은 좌측으로부터 x 거리까지는 원 유전율(εb)로, 손가락 터치가 일어난 일정 구간(df)에서는 변화된 유전율(εf)로, 그리고 터치가 일어난 구간의 우측부분(l-x-df)에서는 원 유전율(εb)이 유지될 수 있다.
장치는 손가락의 유전율에 따라 공급된 교류신호의 s-파라미터(S-parameter) S11의 크기(magnitude)와 위상(phase) 차이를 기반으로 사용자의 터치가 일어난 좌표를 산출한다. 여기서, s-파라미터는 RF/Microwave와 관련된 특성값으로, S11은 1번 포트에서 입력된 전압이 1번 포트로 얼마나 전달되는냐를 나타내는 특성값(반사계수)이다. 즉, 뒤에 있는 숫자가 입력, 앞에 있는 숫자가 출력포트를 의미한다. 즉, 이를 통해 각 포트간의 전압/전력 배분을 확인할 수 있다. s-파라미터는 주파수 영역에서 보는 파라미터로 활용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RF 신호 기반의 터치 감지 방법에 따르면, 단순한 구조(신호-유전층-접지)를 기반으로 정밀하게 사용자의 터치 위치를 감지해 내기 때문에, 두께의 한계치가 얇다는 장점이 있고, 공정과정이 단순하다는 장점이 있다. 또한, 적은 포트수를 가지고 센싱하기 때문에 장치의 크기 또한 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 주파수 전파 기반 터치 감지 장치를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 감지 장치는 전송선로(410), 포트(420), 구동부(430) 및 수신부(440)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전송선로(410)는 전송선로(410)는 구동부(430)에서 제공되는 교류신호를 통전하는 선로로써, 스트립 라인(strip line) 및/또는 마이크로스트립 라인(Microstrip Line)을 포함할 수 있다. 다만, 반드시 상기 예로 국한되는 것은 아니고, 유전율을 가지고 통전가능한 다른 선로도 활용가능하다.
마이크로스트립 라인은 고주파의 전송에 사용되는 동축케이블을 절개하여 중심도체를 일그러뜨린 것으로, 윗면의 도체가 좁은 의미의 전송선로를 나타내고, 아랫면의 도체는 그라운드(GND)를 나타낼 수 있다. 기판의 비유전율, 두께, 도체의 두께, 폭 등에 의해 전송선로의 특성 임피던스가 결정될 수 있다. 비유전율이 높은 기판을 사용하면 회로는 소형화될 수 있다. 예시적으로, 기판재료로는 다음과 같은 재료가 사용될 수 있다(비유전율은 일반적인 값을 나타낸다).
- 유리 에폭시 기판 : 비유전율 εr=4.8 (UHF대∼SHF대)
- 테플론 기판 : 비유전율 εr=2.6
- 세라믹 기판 : 비유전율 εr=10.0
전송선로(410)는 단일(single)로 존재할 수 있고, 경우에 따라 복수 개가 평행하게 존재할 수도 있다.
포트(420)는 전송선로(410)의 적어도 하나의 종단에 연결되어 입력 교류신호를 제공하고, 유전율 변화에 따라 변화된 출력교류신호를 수신한다. 포트(420)는 전송선로(420)의 양단에 각각 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전송선로(420)의 일단에는 부하(load)를 달아줌으로써 일단에만 포트(420)를 구비하도록 구현할 수도 있다.
구동부(430)는 구동회로(432) 및 터치검출기(434)를 포함할 수 있다. 구동회로(432)는 교류전기신호를 생성하여 포트(420)로 제공한다. 구동회로(432)는 위에 있는 전송선로(410)부터 차례로 교류신호를 공급할 수 있다. 구동회로(432)는 전압제어 수단을 포함하여 전압, 주파수 및 기타 파라미터를 조절하여 포트(420)로 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제공되는 교류전류의 주파수는 0.6GHz 내지 0.8GHz이 바람직하고, 더 바람직하게는, 0.8GHz 대역의 주파수가 위치별 S-파라미터의 위상 변화 및 크기 변화를 뚜렷이 알 수 있다.
터치 검출기(434)는 구동회로(432)를 통해 제공되는 교류신호와 포트(420)를 통해 수신되는 교류신호를 기반으로 S-파라미터의 크기 및/또는 위상의 변화를 분석하여 어느 포트(420)의 어느 위치에서 터치가 있었는지를 검출할 수 있다. 터치검출기(434)는 수신부(440)와 연결되어, 수신부(440)와 연결된 포트들(도 4에서 전송선로(410)의 우측 종단에 연결된 포트들(420))에서 수신된 수신신호를 수신받아 이를 터치위치 분석에 활용할 수 있다.
수신부(440)는 전송선로(410)의 일측에 연결된 포트(420)와 전기적으로 연결되어 포트(420)에서 빠져나오는 수신신호를 수신한다. 포트(420)가 전송선로(410)의 양 종단에 모두 존재하지 않는 경우, 즉, 하나의 포트(420)만 존재하고, 대향하는 종단 부분에 부하가 존재하는 경우, 수신부(440)는 독립적으로 반드시 구비되지 않아도 무방하다.
도 5는 하나의 전송선로에서 위상과 크기 변화를 통해 x축 및 y축 좌표를 검출하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 하나의 전송선로에 대해 x축 방향으로 복수 개의 구간(A1, A2, ..., A10)으로 나눌 수 있고, 구간 별로 터치 위치를 감지할 수 있다. x축 방향의 터치 위치 검출은 각 전송선로의 위상변화를 측정하여 수행될 수 있다.
또한, 복수 개의 전송선로가 평행하게 배치된 구조에서 y축 방향의 터치 위치 검출은 각 전송선로에 연결된 포트(예컨대, 포트 1)에서의 신호의 크기를 분석하여 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고주파 대역에서 x축으로의 위치는 S-파라미터의 위상 변화를 기반으로 좌표 추출이 가능하다. 또한, y축의 위치는 S-파라미터의 크기 변화를 기반으로 확인가능한데, 이는 터치 유무를 판단하는 방식으로 이루어질 수 있고, 특정 포트에서 터치가 발생했을 경우, 해당 포트가 존재하는 전송선로가 확인되기 때문에, 자연히 y축 위치가 파악될 수 있다.
상술한 바와 같이, 신호의 크기의 경우, 전송선로로의 접속 유무관계만 밝힐 수 있으면 된다. 따라서, 교류신호는 신호차이가 큰 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 하지만, 위상의 경우, 크기를 통해 연속적인 위치를 파악하기 때문에, 위치파악을 위한 알고리즘이 필요하다. 이때, 위상 차이는 복수점을 고려하지 않게 하기 위해 상대적으로 낮은 주파수인 0.6GHz 내지 0.8GHz 부근의 주파수 대역을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라 전송선로뿐만 아니라 회로적인 위상 차를 고려하는 것이 바람직하다.
도 6은 임피던스 관점에서 터치감지 부분을 검출하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 앞서 설명한 위상차이를 검출하기 위한 알고리즘은 전송선로 부분과 손가락 터치 커패시터(finger capacitor) 부분이 독립적이라고 가정하고 계산하는 것이 바람직하다. 즉, 전송선로의 고유저항에 따른 임피던스 부분을 고려하여 계산된 s-파라미터와 손가락 터치에 따른 커패시터 부분을 고려하여 계산된 s-파라미터를 독립적으로 고려하여 양 s-파라미터의 합을 터치에 따른 유전율 변화로 고려할 수 있다.
먼저, 전송선로에 따른 s-파라미터를 산출할 때, 손가락 터치에 따른 커패시터를 무시한 채, 손가락의 유전율로 전송선로의 유전율이 변화되었다고 고려할 수 있다. 전송선로의 좌측으로부터 손가락 터치가 시작되는 부분(610)까지의 거리를 l이라고 하고, 손가락의 두께(620)를 d, 총 전송선로의 길이를 tl이라고 하고, 손가락의 유전율이 미치는 영역(620)의 임피던스를 Z1, 그렇지 않은 부분의 임피던스(610, 630)를 Z0이라고 가정할 수 있다. 그리고, 손가락의 유전율은 β1, 전송선로를 구성하는 물질의 유전율은 β2라 가정할 수 있다.
이때, 전체 ABCD 매트릭스는 단순히 각 ABCD 매트릭스의 곱으로 결정될 수 있다. 여기서, 각각의 임피던스와 연관된 전압 및 전류를 나타내는 V1, I1, V2, I2, V3, I3는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
그리고, 각각의 임피던스를 구성하는 A, B, C 및 D는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
또한, S11을 계산하는 알고리즘은 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
그리고, 임피던스는 마이크로스트립 라인의 두께 및 너비가 결정되면 유전율과 함께 결정할 수 있다.
Figure pat00004
위와 같은 방식으로, 전송선로에서의 s-파라미터를 산출하고 나면, 장치는 독립적으로 손가락 터치 커패시턴스 값을 산출할 수 있다.
장치는 특성 임피던스 값을 무시한 채, 손가락 터치 커패시턴스 값만 고려하여 ABCD 매트릭스를 계산할 수 있다. 커패시터만 있기 때문에, 어드미턴스(Admittance)만 있는 ABCD 매트릭스를 계산해 주어 양 옆 ABCD 매트릭스와 곱하면 전체 ABCD 매트릭스를 구할 수 있다.
Figure pat00005
이때, 각 모델의 S11 값은 ABCD 매트릭스에서 다음과 같이 유도할 수 있다.
Figure pat00006
이와 같이, 전송선로의 s-파라미터 값과 손가락 터치 커패시턴스에 따른 s-파라미터 값은 독립적으로 고려된다고 가정했기 때문에, 각각 S11 파라미터로 변환하여 합산하면 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 평행 상호관계와 크로스(cross) 상호관계를 고려하여 터치 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 하나의 전송선로 중 특정 위치에서 터치가 발생한 경우, 터치가 발생한 전송선로(710)와 연결된 포트들(712, 714) 중 반사계수로 계산되어지는 포트(712)에서 터치의 유무를 감지할 수 있고, 위상 변화를 감지하여 터치의 x축 좌표를 검출할 수 있다. 이때, 복수 개의 전송선로들이 존재하는 경우, 터치가 발생한 전송선로(710)와 평행한 다른 전송선로(712)에도 직접적인 유전율 변화가 아닌 간접적인 유전율 변화가 존재할 수 있다. 따라서, 각 포트들의 상호관계가 존재할 수 있다.
이때, 가장 큰 영향을 주는 포트는 전송선로(710)의 특정 포트(예컨대, 포트(712))와 평행한 위치의 포트(722)와의 상호관계와 크로스(cross)하는 포트(724)의 상호관계이다. 즉, 평행 위치의 포트(722)와의 상호관계 및 크로스 포트(724)와의 상호관계를 고려하여 보다 정밀한 터치 위치를 검출할 수 있다.
이러한 상호관계는 반드시 두 개의 전송선로(710, 712) 사이에만 존재하는 것이 아니다. 따라서, 터치가 일어난 전송선로와 두 간격 이상 떨어진 전송선로와도 상호관계도 고려대상이 된다. 또한, 3개 이상의 전송선로 간의 상호관계를 고려하여 터치 위치를 보다 정밀하게 검출할 수도 있다.
하지만, 하나의 전송선로에 대한 S11 변화에 대비하여, 평행 관계 및 크로스 관계의 포트의 신호의 크기의 차이가 -30dB 정도 날 수 있다. 다만, 전송선로가 아닌 평행 관계 및 크로스 관계의 포트의 위상 변화는 상대적으로 크지않을 수 있다. 이에, 크기 변화에 대한 영향력을 높이고, 위상 변화에 대한 영향력을 상대적으로 낮추는 알고리즘을 적용하여 터치 위치를 검출하도록 할 수 있고, 경우에 따라 위상 변화에서의 영향력은 무시할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 하나의 포트로 구성된 복수 개의 전송선로를 포함하는 터치 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 장치는 기본적으로 하나의 전송선로의 양 종단에 각각 하나씩, 총 두 개의 포트가 연결되어 제공되는 교류신호의 위상 변화와 크기 변화를 측정할 수 있다. 이때, 하나의 전송선로의 제 1 포트로부터 제 2 포트로 제공되는 신호를 측정할 수도 있고, 제 2 포트로부터 제 1 포트로 제공되는 신호를 측정할 수도 있다. 또한, 제 1 포트로부터 제 2 포트를 거쳐 반사되어 돌아오는 신호 및 제 2 포트로부터 제 1 포트를 거쳐 반사되어 돌아오는 신호를 측정할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 포트 수를 하나 더 줄여서 하나의 포트를 사용하는 구성을 고려할 수 있다. 즉, 하나의 포트를 사용함으로써 장치 내에 들어가는 부품을 반으로 줄일 수 있는 것이다.
포트를 없앤 부분은 마이크로스트립 라인에 매칭시킨 부하(load)를 달면 포트 반사가 되지 않기 때문에, 2포트 연결 방법과 동일하게 사용할 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하면, 앞서 전송선로의 터치 부분의 임피던스를 Z1, 나머지 부분을 ZO로 설정하고, ABCD 매트릭스를 통해 임피던스가 구현되는 모델을 고려할 때(도 6 참조), a4 및 b4에 특성 임피던스와 같은 임피던스가 달려있다고 가정하고 S11을 구할 수 있다. 즉, 임피던스 매칭이 이루어져 있다고 가정한다. 우측 포트를 연결하는 부분은 실질적으로 S11을 계산할 때, 임피던스로만 작용한다. 그렇기에 2 포트가 아닌 좌측 1 포트를 연결하고 우측에는 매칭된 부하만 연결하면 앞선 수학식에 따른 알고리즘과 같은 전송선로를 구현할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 멀티 주파수(multi-frequency) 분석을 통해 터치 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 9a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 장치는 고주파수를 사용하는 경우, 위상이 겹치는 점이 복수 개가 되어 거리에 따른 위상차이가 심해지기 때문에 분해능(resolution)이 더 좋다. 따라서, 0.6GHz 내지 0.8GHz 대역이 바람직할 수 있다. 이때, 여러 고주파를 사용하여 특정 위상에서 겹치는 복수 점에 대해서도 구별할 수 있게 하는 방법으로 위치를 파악할 수 있다. 즉, 구동회로는 복수 개의 서로 다른 주파수를 갖는 교류신호를 제공하는 것이 바람직하다.
도 9b를 참조하면, 전송선로의 전체 길이(l)가 2λ(여기서, λ는 특정 주파수를 갖는 교류신호의 파장을 나타냄)라고 하면, 다음의 수학식에 따라, 특정 위치에서 복수 개의 해가 존재한다.
Figure pat00008
또한, 전송선로의 전체 길이(l)가 3λ라고 하면, 다음의 수학식에 따라, 기존에 복수 해였던 위치들이 서로 다른 위상을 갖는다.
Figure pat00009
이를 이용해서 높은 주파수를 복수해 문제 없이 사용할 수 있다. 그러면 거리에 따른 위상 차이가 커져서 터치 센싱의 분해능을 높일 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 위치에 따라 두께가 변화하는 전송선로를 사용하여 터치 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10a를 참조하면, 장치가 위상으로 터치위치를 검출하는 방식은 위상의 변화를 분석하는 과정을 거쳐야 하기에, 연산이 지연될 수 있다. 따라서, 위상정보를 고려하지 않고, 전송선로를 변형시켜 두께가 점진적으로 두꺼워지도록 하여 크기정보만을 가지고 터치 위치를 감지할 수 있다.
마이크로스트립 라인을 변형시켜 두께가 점진적으로 두꺼워지도록 하면 특성 임피던스는 점차 작아진다. 이러한 경우, 대부분의 반사는 손끝에 의해 이루어지기 때문에, 위치에 따른 특성 임피던스가 달라 교류신호의 크기정보만으로 터치위치를 검출할 수 있다. 이 경우, 크기를 가로 위치를 찾는데 사용하여 위상 데이터를 사용하지 않기 때문에, 처리 속도가 빨라지는 장점이 있다.
도 10b를 참조하면, 전송선로는 위치에 따라 다른 두께 및/또는 너비를 가짐으로써, 특성 임피던스가 점진적으로 달라진다. 이때, 손가락의 특성 임피던스는 점진적인 차이 값과는 거리가 먼 완전히 다른 유전율 값을 갖고, 이에 따른 특성 임티던스 역시 상기 점진적인 차이값과는 많은 차이점이 있다. 이는 더 클 수도 있고, 더 작을 수도 있다. 특성 임피던스가 점진적으로 달라지던 중, 갑자기 임피던스의 차이값이 달라지는 지점을 손가락 터치가 있는 지점으로 볼 수 있고 여기까지의 거리를 기반으로 x축에서의 위치를 파악할 수 있다.
이를 수학식으로 보면 다음과 같다.
Figure pat00010
또한. 위의 ZO의 임피던스 값을 기반으로 손가락에 의한 전송선로에 따른 s-파라미터의 변화 및 손가락 터치 커패시턴스에 따른 s-파라미터의 변화는 독립적으로 계산되어 합산되되, 이는 다음의 수학식을 기반으로 산출될 수 있다.
Figure pat00011
장치는 위와 같은 특성 임피던스와 관련된 알고리즘을 활용하여 교류신호의 크기 값만 가지고 터치 위치를 산출해 낼 수 있다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 교류 신호가 통전되는 적어도 하나의 전송선로(TL: Transmission Line); 및
    상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치 수단에 의하여 터치됨에 따라 상기 터치 수단의 유전율에 의한 상기 교류 신호의 크기 및 위상 중 적어도 하나의 변화를 감지하여 상기 감지된 변화를 기반으로 터치 위치를 검출하는 터치 검출기를 포함하는 터치 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 터치 검출기는
    상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치됨에 따라 감지된 상기 교류 신호의 크기 변화를 기반으로 터치 유무를 판단하고;
    상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치됨에 따라 감지된 상기 교류 신호의 위상 변화를 기반으로 터치 위치를 검출하는 터치 감지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 교류신호의 크기 변화를 기반으로 y축 좌표를 검출하고;
    상기 교류신호의 위상 변화를 기반으로 x축 좌표를 검출하는 터치 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전송선로는 복수 개가 평행하게 배치되고,
    하나의 전송선로의 양단 중 적어도 하나에 신호를 제공하고 수신하는 적어도 하나의 포트(port)가 배치되는 터치 감지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 터치 검출기는
    상기 적어도 하나의 전송선로 중 터치가 감지된 제 1 전송선로의 제 1 종단의 제 1 포트와 상기 제 1 전송선로와 평행한 제 2 전송선로의 제 1 종단의 제 2 포트와의 평행(parallel) 상호관계; 및
    상기 제 1 포트와 상기 제 2 전송선로의 상기 제 1 종단과 대향하는 제 2 종단의 제 3 포트와의 크로스(cross) 상호관계를 기반으로 터치위치를 산출하는 터치 감지 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 포트는 상기 적어도 하나의 전송선로의 제 1 종단에만 연결되고,
    상기 제 1 종단의 대향하는 제 2 종단에는 포트에 따른 반사가 일어나지 않도록 매칭된 부하(load)가 연결되는 터치 감지 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전송선로는 위치에 따라 다른 임피던스를 갖도록 형성되는 터치 감지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 터치검출기는, 위치에 따라 다른 임피던스를 갖는 전송선로에서 상기 터치수단에 의한 터치에 의해 특성 임피던스가 달라짐에 따라 감지된 상기 교류 신호의 크기 변화를 이용하여 터치위치를 검출하는 터치 감지 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류신호는 0.6GHz 내지 0.8GHz 대역의 교류신호인 터치 감지 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류신호는 복수 개의 서로 다른 주파수를 갖는 신호들을 포함하고,
    상기 복수 개의 서로 다른 주파수를 갖는 신호들을 인가하여 상기 터치수단에 의한 터치에 의해 상기 교류신호의 위상이 겹치는 점이 복수 개 생기도록 하는 터치 감지 장치.
  11. 적어도 하나의 전송선로(TL: Transmission Line)를 통해 교류 신호를 구동시키는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 전송 선로가 터치 수단에 의하여 터치됨에 따라 상기 터치 수단의 유전율에 의한 상기 교류 신호의 크기 및 위상 중 적어도 하나의 변화를 감지하여 상기 감지된 변화를 기반으로 터치 위치를 검출하는 단계를 포함하는 터치 감지 장치의 구동 방법.
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