KR20200009204A - 압력터치센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력터치센서(Force Touch, FT)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개의 전극 기판 사이에 삽입되는 탄성체 사이에 탄성체에 인가되는 탄성력을 제한하는 스토퍼층을 형성하여 터치시 탄성체가 지나치게 가압되는 것을 방지하고, 터치의 반복적인 압력에 따른 탄성체의 형태 변형 및 복원성이 저하되는 것을 방지하여 내구성을 높일 수 있는 압력터치센서에 관한 것이다.

Description

압력터치센서 {Force Touch}
본 발명은 압력터치센서(Force Touch, FT)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개의 전극 기판 사이에 삽입되는 탄성체 사이에 탄성체에 인가되는 탄성력을 제한하는 스토퍼층을 형성하여 터치시 탄성체가 지나치게 가압되는 것을 방지하고, 터치의 반복적인 압력에 따른 탄성체의 형태 변형 및 복원성이 저하되는 것을 방지하여 내구성을 높일 수 있는 압력터치센서에 관한 것이다.
터치 스크린 기술의 발달에 따라 입력수단이 키패드가 터치패널로 대체되고 있으며 패널상에 일체로 결합된 디스플레이 장치가 스마트 기기에 널리 사용되고 있다.
이에 따라 다양한 터치 인터페이스 기술이 등장하고 있으며, 터치 뿐만 아니라 터치 위치의 압력을 감지하는 압력센서인 포스터치(Force Touch)가 결합된 디스플레이 장치가 개발되고 있다.
상기 포스터치는 터치하는 디스플레이의 화면의 위치나 힘의 정도에 따라 각기 다른 피드백을 제공해 여러가지 기능을 구현하는 3차원(3D) 터치 기술을 의미한다.
도 1은 종래의 압력터치센서의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
압력터치센서는 기본적으로 터치만을 감지하는 것이 아니라 얼마나 세게 눌렀는지의 압력 정보를 감지하는 장치로서, 스프링 역할을 겸하는 탄성체를 배치하는 구조를 통해 트랙 패드의 모든 부분을 누를 수 있으며, 트랙패드의 어디를 누르더라도 탄성체가 모두 눌리게 되며 위치에 따라서 눌리는 양이 달라지게 되는데, 힘센서 역할을 담당하는 탄성체 내의 변화된 캐패시티를 각각의 전극 센서가 인지하여 신호를 종합적으로 감지하여 어느 위치가 눌렸는지 판별할 수 있으며, 누르는 힘까지도 감지할 수 있는 원리로 동작한다.
압력터치센서는 기본적으로 2개의 전극층을 구성하고 형성된 전극간의 Capacitor의 변화를 측정하고, 두개의 전극에 힘이 가해져 거리변화가 발생하면 Capacitor값은 증가하게 되는 원리를 이용하여 가해지는 힘을 측정하게 된다.
종래의 압력터치센서는 눌러지는 힘에 따른 Capacitor값의 변화를 측정하기 위해 2개의 전극 사이에서의 간격 변화가 측정되어야 하므로 2개의 전극 사이에 탄성체를 포함하는 구조를 가진다.
여기서, 상기 탄성체는 스페이서와 같이 기둥 형태가 일정 간격 형성되는 구조로 형성될 수 있으며 전체가 탄성층으로 구성될 수 있다.
종래의 압력터치센서는 가압했을 때 탄성체가 힘을 받는대로 눌리어지게 되어 사용에 따른 형태 변형이 발생하고, 복원력이 떨어져 내구성이 저하되는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 2개의 전극 기판 사이에 삽입되는 탄성체 사이에 탄성체에 인가되는 탄성력을 제한하는 스토퍼층을 형성하여 터치시 탄성체가 지나치게 가압되는 것을 방지하고, 터치의 반복적인 압력에 따른 탄성체의 형태 변형 및 복원성이 저하되는 것을 방지하여 내구성을 높일 수 있는 압력터치센서를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 압력터치센서는 상부 전극이 형성된 제 1 기판과; 하부 전극이 형성된 제 2 기판과; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 형성된 탄성체와; 상기 탄성체 사이에 형성되어 상기 탄성체의 탄성력을 제한하는 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체는 일정 간격마다 배치된 기둥 형태로 구성되거나, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이 전체를 덮는 탄성층 형태로 구성되고; 상기 탄성체가 상기 기둥 형태로 구성된 경우 개별 탄성체 주변에 각각 스토퍼가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체가 탄성층 형태로 구성된 경우 상기 탄성층에 관통홀이 형성되고 상기 관통홀에 상기 스토퍼가 삽입되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 스토퍼는 상기 탄성체의 탄성력을 제한하도록 상기 탄성체의 높이보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 스토퍼는 상기 압력터치센서의 중앙부와 단부에서 서로 같은 높이로 형성되거나 서로 다른 높이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스토퍼가 서로 다른 높이로 형성되는 경우 중앙부의 높이가 단부보다 크게 형성되고, 바람직하게는 중앙부로 갈수록 높이가 커지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 스토퍼는 탄성 또는 비탄성 재질로 형성되고, 상기 스토퍼가 탄성 재질로 형성된 경우 상기 탄성체보다 탄성이 낮은 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 압력터치센서는 2개의 전극 기판 사이에 삽입되는 탄성체 사이에 탄성체에 인가되는 탄성력을 제한하는 스토퍼층을 형성하여 터치시 탄성체가 지나치게 가압되는 것을 방지하고, 터치의 반복적인 압력에 따른 탄성체의 형태 변형 및 복원성이 저하되는 것을 방지하여 내구성을 높일 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
또한, 상기와 같이 탄성체의 열화를 방지하여 압력 감지시 오동작을 방지하여 센서의 신뢰성을 높일 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
도 1은 종래의 압력터치센서의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력터치센서의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 스토퍼의 높이가 다르게 형성된 것을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 탄성체가 제 1 기판과 제 2 기판 사이 전체를 덮는 탄성층으로 구성된 것을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력터치센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압력터치센서는 상부 전극(110)이 형성된 제 1 기판(10)과 하부 전극(210)이 형성된 제 2 기판(20)과 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 형성된 탄성체(30)와 상기 탄성체 사이에 형성된 스토퍼(40)를 포함하여 구성된는 것을 특징으로 한다.
터치압력센서는 터치만을 감지하는 것이 아니라 얼마나 세게 눌렀는지의 압력 정보를 감지하는 장치로서, 스프링 역할을 겸하는 탄성체를 배치하는 구조를 통해 트랙 패드의 모든 부분을 누를 수 있으며, 트랙패드의 어디를 누르더라도 탄성체가 모두 눌리게 되며 위치에 따라서 눌리는 양이 달라지게 되는데, 힘센서 역할을 담당하는 탄성체 내의 변화된 캐패시티를 각각의 전극 센서가 인지하여 신호를 종합적으로 감지하여 어느 위치가 눌렸는지 판별할 수 있으며, 누르는 힘까지도 감지할 수 있는 원리로 동작한다.
보다 구체적으로, 터치패널의 패턴과 포스터치의 전극층 사이에는 가압되지 않은 상태에서의 기본 커패시턴스 값을 가지고 있으며, 특정 위치에서 터치가 되고 이어서 가압되면 해당 위치의 터치 패널의 패턴과 포스터치의 전극층 사이의 거리가 가까워지면서 커패시턴스 값이 증가하게되고, 가압되는 압력이 커질수록 커패시턴스 값이 크게 증가하게 되어 커패시턴스 변화량에 따라 Z축의 압력값을 측정할 수 있다.
여기서, 상기 스토퍼(40)는 압력터치센서를 가압하는 경우 탄성체에 작용하는 탄성력을 제한하는 역할을 담당한다.
따라서, 상기 스토퍼(40)는 탄성체(30)의 높이보다 낮은 높이로 형성되고, 제 1 기판 또는 제 2 기판 상에 형성될 수 있다.
상기 스토퍼(40)는 탄성체의 탄성력을 제한하여 탄성체에 지나친 압력이 가해져서 높은 탄성력으로 눌려짐으로 인해 탄성체에 탄성 변형이 발생하고, 복원력이 저하되는 것을 방지하기 위해 형성된다.
상기 스토퍼(40)의 높이는 제 1 기판과 제 2 기판이 직접 닿지 않도록 탄성체의 높이보다 낮게 형성되되, 지나치게 높이가 낮을 경우 탄성체의 탄성력 제한 효과가 떨어지고 지나치게 높이가 클 경우 탄성체의 탄성력을 지나치게 제한하여 압력 감지에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 상기 스토퍼(40)의 높이는 가해지는 압력을 감지하는데 영향을 미치지 않는 최소 높이로 형성되어 탄성력을 제하는하는 것이 바람직하고, 탄성체 높이의 1/2 ~ 4/5 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 스토퍼의 높이가 다르게 형성된 것을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 상기 스토퍼(40)는 복수 개로 구성될 수 있으며, 스토퍼의 높이는 같은 높이로 형성될 수 있지만 감지되는 영역에 따라 다르게 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 압력터치센서의 경우 중앙부로 갈수록 처짐이 크게 발생하는 구조를 가지며, 단부에는 처짐이 가장 작게 발생하므로 가압될 경우 중앙부의 경우 같은 압력이라도 큰 처짐이 발생하게 되어 같은 압력이라 하더라도 중앙부에 큰 탄성력이 발생한다.
따라서, 단부보다 중앙부의 탄성력을 더 크게 제한할 필요가 있으며, 이를 위해 중앙부의 스토퍼(40)의 높이는 단부보다 높게 형성할 수 있다. 즉, 단부에서 중앙부로 갈수록 스토퍼의 높이가 증가하도록 스토퍼를 형성할 수 있다.
여기서, 도 2의 실시예는 상기 스토퍼가 하부 기판인 제 2 기판 상에 형성된 것을 도시한 것이지만, 상기 스토퍼는 상부 기판인 제 1 기판 상에 형성될 수 있음은 자명한 것이다.
한편, 상기 탄성체(30)는 도 2의 실시예와 같이 복수 개의 기둥형태로 일정 간격마다 배치되어 구성될 수 있지만, 도 4의 실시예와 같이 제 1 기판과 제 2 기판 사이 전체를 덮는 탄성층으로 구성될 수 있다.
도 4의 실시예와 같이 탄성체(30)가 탄성층으로 형성될 경우 탄성층에 관통홀(310)이 형성되고, 상기 관통홀(310)에 스토퍼(40)가 삽입되는 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 도 2의 실시예에 따른 스토퍼의 설명이 도 4의 실시예에 동일하게 적용될 수 있음은 자명한 것이다.
따라서, 상기 도 4의 실시예의 경우에도 스토퍼(40)의 높이는 단부에서 중앙부로 갈수록 높이가 증가하는 형태로 영역에 따라 서로 다른 높이로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력터치센서 제조방법에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 제 1 베이스(110)상에 상부 전극(120)이 형성된 제 1 기판(10)과 제 2 베이스(210)상에 하부 전극(220)이 형성된 제 2 기판(20)을 준비한다.
여기서, 상기 상부 전극(110)과 하부 전극(210)은 두 개의 전극을 구분하고 설명의 편의를 위해 사용된 용어로 상, 하 위치 관계를 한정하기 위해 사용된 것은 아니다.
상기 제 2 기판(20)은 기준 전위를 형성하는 공통 전극으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 중 하나의 기판 상에 탄성체(30)를 형성한다.
보다 구체적으로, 상기 탄성체(30)는 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 중 선택된 하나의 기판 상에 형성될 수 있으며 실크 인쇄 또는 패드 인쇄를 통해 탄성체(30)를 형성한 후 상기 기판과 합지되어 형성될 수 있다.
그리고 상기 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 중 하나의 기판에 스토퍼(40)가 형성된다.
여기서, 상기 스토퍼(40)는 상기 탄성체가 형성된 기판과 동일한 기판에 형성될 수 있지만 제조의 편의를 위해 탄성체가 형성된 기판과 다른 기판에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 스토퍼(40)는 상기 탄성체(30)와 동일하게 실크 인쇄 또는 패드 인쇄후 합지하는 방식으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 스토퍼(40)는 폴리우레탄, 에폭시 수지와 같이 인쇄가 가능한 합성수지로 형성될 수 있으며 비탄성 또는 탄성 재질로 형성될 수 있다.
상기 스토퍼(40)는 탄성체(30)와 동일한 재질로 형성될 수 있지만 탄성체의 탄성력을 제한하는 용도로 사용되므로 비탄성재질 또는 상기 탄성체(30)보타 탄성이 작은 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제 1 기판(10) 또는 제2 기판(20) 상에 탄성체(30)와 스토퍼(40)가 형성되면 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)을 합체하여 압력터치센서가 제조된다.
여기서, 신호처리를 위한 신호배선 및 제어부의 구성은 종래의 압력터치센서의 구성 및 제조와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 압력터치센서의 구체적인 동작방법에 대해 살펴보기로 한다.
터치 위치가 특정되고 터치 위치가 가압되면 상기 터치 위치의 터치 패널과 하부 전극층 사이에 커패시턴스 변화가 발생한다.
즉, 터치된 상태에서 가압하게 되면 터치된 특정 위치에서 제 1 기판의 상부 전극이 하부에 위치한 제 2 기판의 하부 전극과 가까워지면서 탄성체(30)가 가압되고 커패시턴스 값이 증가하게 된다.
상기와 같이 특정 영역에서 가압될 경우 탄성체가 눌려지게 되고 스토퍼(40)가 상기 탄성체가 필요이상으로 지나치게 눌려져서 탄성체에 큰 탄성력이 가해지는 것을 제한하게 된다.
보다 구체적으로, 압력터치센서의 전극층 사이에는 가압되지 않은 상태에서의 기본 커패시턴스 값을 가지고 있으며, 특정 위치에서 터치가 되고 이어서 가압되면 해당 위치의 제 1 기판과 제 2 기판의 전극층 사이의 거리가 가까워지면서 커패시턴스 값이 증가하게되고, 가압되는 압력이 커질수록 커패시턴스 값이 크게 증가하게 되어 커패시턴스 변화량에 따라 Z축의 압력값을 측정할 수 있다.
여기서, 배선 회로부(미도시)가 압력터치센서의 하부 전극층이 전기적으로 연결되어 있으므로 상기 특정된 위치에서의 가압에 따라 하부 전극층 사이에 거리가 가까워지면서 커패시턴스 변화량를 측정하여 터치에 의해 눌려지는 압력을 측정하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 제 1 베이스 120 : 상부 전극
210 : 제 2 베이스 220 : 하부 전극
30 : 탄성체 40 : 스토퍼

Claims (6)

  1. 상부 전극이 형성된 제 1 기판과;
    하부 전극이 형성된 제 2 기판과;
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 형성된 탄성체와;
    탄성체의 탄성력을 제한하여 탄성체에 지나친 압력이 가해져서 높은 탄성력으로 눌려짐으로 인해 탄성체에 탄성 변형이 발생하고, 복원력이 저하되는 것을 방지하기 위해 상기 탄성체 사이에 형성되되 상기 탄성체의 높이보다 낮게 형성되어 상기 탄성체의 탄성력을 제한하는 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력터치센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성체는
    일정 간격마다 배치된 기둥 형태로 구성되거나, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이 전체를 덮는 탄성층 형태로 구성되고;
    상기 탄성체가 상기 기둥 형태로 구성된 경우
    개별 탄성체 주변에 각각 스토퍼가 형성되는 것을 특징으로 하는 압력터치센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄성체가 탄성층 형태로 구성된 경우
    상기 탄성층에 관통홀이 형성되고 상기 관통홀에 상기 스토퍼가 삽입되도록 형성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스토퍼는
    상기 압력터치센서의 중앙부와 단부에서 같은 높이 또는 서로 다른 높이를 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 스토퍼가 서로 다른 높이로 형성되는 경우
    중앙부의 높이가 단부보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스토퍼는
    탄성 또는 비탄성 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서.
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