KR20200009206A - 압력 터치 센서 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력터치센서(Force Touch, FT)를 구비한 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력터치센서의 전극층 구조를 개선함으로써 동일한 하중에도 커패시터 값을 크게 증폭시켜 터치의 감도와 변별력을 획기적으로 높일 수 있는 압력터치센서 장치에 관한 것이다.

Description

압력 터치 센서 장치 {Force Touch Device}
본 발명은 압력터치센서(Force Touch, FT)를 구비한 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력터치센서의 전극층 구조를 개선함으로써 동일한 하중에도 커패시터 값을 크게 증폭시켜 터치의 감도와 변별력을 획기적으로 높일 수 있는 압력터치센서 장치에 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 압력터치센서가 결합된 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 압력터치센서가 결합된 디스플레이 장치는 측면의 상부 프레임과 하부 프레임으로 구성되는 프레임 내의 하부에 실장 부품이 장착되고 상기 실장 부품 상부에 압력 터치 센서가 형성되고 상기 압력 터치 센서 상부에 LCD 패널과 같은 디스플레이 패널이 형성되고 상기 디스플레이 패널 상부에 커버 글라스가 결합되는 구조로 형성된다.
여기서, 상기 압력 터치 센서는 기본적으로 터치만을 감지하는 것이 아니라 얼마나 세게 눌렀는지의 압력 정보를 감지하는 장치로서, 스프링 역할을 겸하는 탄성을 가진 유전체를 배치하는 구조를 통해 터치스크린 패널의 모든 부분을 누를 수 있으며, 터치스크린 패널의 어디를 누르더라도 유전체가 모두 눌리게 되며 위치에 따라서 눌리는 양이 달라지게 되는데, 힘센서 역할을 담당하는 탄성체의 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 커패시터 값을 측정하고, 두개의 전극에 힘이 가해져 거리변화가 발생하면 커패시터 값 변화되는 원리를 이용하여 가해지는 힘을 측정하게 된다.
종래의 압력터치센서는 눌러지는 힘에 따른 커패시터 값의 변화를 측정하기 위해 2개의 전극 사이에서의 간격 변화가 측정되어야 하므로 2개의 전극 사이에 유전층을 포함하는 구조를 가진다.
즉, 종래의 압력 터치 센서는 하부에 공통 전극 역할을 담당하는 제 1 전극층이 형성되고 상기 제 1 전극층 상에 유전층이 형성되고, 상기 유전층 상에 터치 센서 역할을 담당하는 센서 전극층인 제 2 전극층이 결합되는 구조로 형성된다.
상기와 같은 종래의 압력 터치 센서는 최상부에 위치하는 커버 글라스를 가압하면 상부에 위치하는 센서 전극층인 제 2 전극층이 눌려지면서 가압되고 제 2 전극층과 하부에 있는 제 1 전극층의 견격이 줄어들어 커패시터 값이 변화되는 구조를 가지지만 센서 전극층인 제 2 전극층이 상부에 배치되므로 발생할 수 있는 커패시터 값이 한정적이므로 터치 인식의 감도와 변별력에 한계가 존재하는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서 본 발명의 목적은 압력터치센서의 전극층 구조를 개선함으로써 동일한 하중에도 커패시터 값을 크게 증폭시켜 터치의 감도와 변별력을 획기적으로 높일 수 있는 압력터치센서 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 압력터치센서를 구비한 압력터치센서 장치는 압력터치센서를 구비한 압력터치센서 장치로서 상기 압력터치센서는 하부에 센서 전극층인 제 2 전극층이 형성되고, 상기 제 2 전극층 상에 유전층이 형성되고, 상기 유전층 상에 공통전극(GND)인 제 1 전극층이 형성되는 구조를 가지고 상기 제 2 전극층이 하부에 배치됨으로써 터치 압력에 따른 커패시터 값의 증폭이 가능한 것을 특징으로 하는 형성되는 구조를 가지고 상기 제 2 전극층이 하부에 배치됨으로써 터치 압력에 따른 커패시터 값의 증폭이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 유전층은 유전체 또는 탄성을 가진 탄성체로 구성될 수 있다.
[여기서, 상기 제 2 전극층은 제 1 센서 전극층과; 상기 제 1 센서 전극층 상에 형성된 절연층과; 상기 절연층 상에 형성된 제 2 센서 전극층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 센서 전극층과 제 2 센서 전극층은 구획된 센서가 하나의 쌍으로 전기적으로 연결되거나 전기적으로 분리되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 압력터치센서의 제 2 전극층 하부에 실장 부품이 이격되어 배치되고 상기 이격된 공간이 공기층이 유전체 역할을 담당하여 추가적인 커패시터 값을 형성하여 동일한 하중에도 커패시터 값을 증폭시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 압력터치센서의 제 2 전극층 하부와 실장 부품 사이에 제 2 유전층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제 2 유전층은 상기 유전층과 동일한 재료로 구성될 수 있다.
상기 실장부품 상에 형성된 도전층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 도전층은 도전 테이프 및 박막층으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 도전층은 공통전극인 상기 제 1 전극층과 전기적으로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 압력터치센서의 제 2 전극층 하부에 실장 부품이 이격되는 높이는 0.01 ~ 1mm 범위 인 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 압력터치센서 장치는 압력터치센서의 전극층 구조를 개선함으로써 동일한 하중에도 커패시터 값을 크게 증폭시켜 터치의 감도와 변별력을 획기적으로 높일 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
또한, 종래에 비해 터치 압력을 인식할 때 커패시터 값이 크기 때문에 그 만큼 많은 감지 영역을 가질 수 있으며 종래 구조에 비해 커패시터 값이 크게 증폭되므로 그만큼 세분화된 입력 단계를 가질 수 있다.
또한, 종래 구조보다 적은 힘으로도 입력이 하므로 압력터치센서 장치가 받는 하중이 감소되어 충격과 데미지로 인한 기기의 손상을 최소화할 수 있으며 장치의 내구성이 유지될 수 있다.
도 1은 종래의 압력터치센서가 결합된 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터치에 따른 압력 터치 센서 장치의 동작을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는 압력터치센서 장치로서 모바일 폰, 휴대폰, 태블릿 PC, ATM, 네비게이션, 웨어러블 기기, 의료기기 등 터치 인터페이스를 기반으로 하는 모든 디스플레이 장치 또는 터치 입력 장치를 포함하는 개념으로 정의된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치는 측면의 상부 프레임(310)과 하부 프레임(320)으로 구성되는 프레임(30) 내의 하부에 실장 부품 (50)이 장착되고 상기 실장부품(50)과 이격된 상부에 압력 터치센서(10)가 형성되고 상기 압력터치센서 상부에 LCD 패널과 같은 디스플레이 (20)가 형성되고 상기 디스플레이 상부에 커버 부재(40)가 결합되는 구조로 형성된다.
상기 실장 부품(50)은 배터리, PCB, SUS 프레임, 배면 플라스틱 커버 등 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 구성 및 구동하기 위해 하부 프레임 내에 장착될 수 있는 기구물로 정의된다.
여기서, 상기 실장 부품(50)에 포함되는 구성은 장치의 사양과 특성에 따라 달라질 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 압력터치센서(10)는 하부에 센서 전극층인 제 2 전극층(110)이 형성되고, 상기 제 2 전극층 상에 유전층(120)이 형성되고, 상기 유전층 상에 공통전극(GND)인 제 1 전극층(130)이 형성되는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
즉, 종래의 압력터치센서는 하부에 공통전극(GND)인 제 1 전극층이 배치되고, 유전층 상부에 센서 전극층인 제 2 전극층이 배치되는 구조인 데 반하여 본 발명에 따른 압력 터치 센서는 상기 종래의 압력 터치 센서의 구조와 반대로 하부에 센서 전극층인 제 2 전극층이 배치되고 유전층 상부에 공통 전극(GND)인 제 1 전극층이 배치되는 구조를 가진다.
상기 유전층(120)은 전체 면적을 덮는 층 구조로 형성될 수 있으며, 스페이서와 같은 형태의 컬럼 부재가 복수 개가 일정 또는 비일정 간격으로 형성되는 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 유전층은 유전체 또는 탄성을 가진 탄성체로 구성될 수 있으며, 상기 유전층은 공기층으로 구성될 수도 있다.
그리고 상기 제 2 전극층(110)은 압력이 가해지는 위치를 특정할 수 있기 위해 터치패널의 전극과 같이 격자 형태 또는 벌집 형태 등 다양한 형상으로 구획되어 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예는 설명의 편의를 위해 제 2 전극층(110)이 3개의 영역(센서 1 내지 센서3)으로 구획된 경우에 대한 것이지만 장치의 크기와 사양에 따라 다양한 수의 복수 개로 구획될 수 있음은 자명한 것이다.
종래의 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치는 최상부의 커버부재(커버 글라스)에 압력이 가해지면 하부에 있는 센서전극층인 제 2 전극층이 가압되면서 최하부에 위치하는 공통전극인 제 1 전극층과의 거리가 가까워지면서 커패시터 값이 변화하는 구조이지만, 제 2 전극층과 탄성을 가진 유전층을 통해 가압되는 두께가 정해져 있기 때문에 한정된 커패시터 값을 가지고 정확한 감지를 위해 가해지는 압력이 증가하여 장치의 손상이나 내구성이 떨어질 수 있는 구조적인 문제를 가지고 있다.
그러나, 본 발명에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치는 상부에 공통전극인 제 1 전극층(130)이 형성되고 하부에 센서전극층인 제 2 전극층(110)이 형성되는 구조이며, 상기 제 2 전극층(110) 하부에는 커패시터 값을 증가시킬 수 있는 유전체 역할을 하는 공기층(60)이 존재하는 구조를 가지므로 종래의 구조에 비해 커패시터 값을 크게 증가시킬 수 있으므로 감도 및 변별력을 대폭 높일 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
상기 제 2 전극층(110) 하부와 실장 부품 (50) 사이의 공기층(60)의 높이는 클수록 더 큰 커패스터 변화를 수용할 수 있으므로 더 큰 커패시터 변화값을 가질 수 있지만 전체 장치의 두께가 증가하는 문제가 있으므로 상기 공기층(60)의 높이는 0.01 ~ 1mm 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 동작 및 이에 따른 효과에 대해 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터치에 따른 압력 터치 센서 장치의 동작을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 커버부재에 압력이 가해지면 1차적으로 하부에 있는 공통전극인 제 1 전극층이 가압되고 유전층이 동시에 가압되면서 제 1전극층과 하부에 위치한 센서전극층인 제 2전극층과의 거리가 가까워지면서 커패시터 값이 증가하여 제 1 커패시터 값(C1)을 가진다.
이어서, 2차적으로 센서전극층인 제 2 전극층이 공기층을 통해 하부로 가압되면서 하부의 하부 프레임 및 실장부품 과의 거리가 가까워지면서 추가적으로 커패시터 값이 증가하여 제 2 커패시터 값(C2)을 가진다.
결국, 본 발명은 양면 센서와 같은 효과가 발생하여 가압되는 하중이 동일한 경우에도 종래의 구조에 비해 제 2 커패시터 값(C2)만큼 커패시터 값이 증폭되는 효과가 발생하고 종래의 구조에 비해 큰 커패시터 값을 가지게 되므로 터치 감도 및 변별력이 대폭 개선되는 효과가 발생한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제 2 전극층(110)과 실장 부품(50) 사이에 커패시터 값을 더 향상시키기 위해 도전층(70)을 더 포함할 수 있다. 상기 도전층(70)은 도전 테이프 및 박막층으로 구성될 수 있으며, 상기 도전층(70)이 공통전극인 제 1 전극층(130)과 전기적으로 전기적으로 연결하면 커패시터 값을 더 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치는 센서 전극층인 제 2 전극층(110)이 복수 개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 제 2 전극층(110)은 제 1 센서 전극층(111)과 상기 제 1 센서 전극층 하부에 형성된 유전층(113)과 상기 유전층 하부에 형성된 제 2 센서 전극층(112)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 유전층은 유전체 또는 탄성을 가진 탄성체로 구성될 수 있으며, 유전층 역할을 담당하는 공기층으로 구성될 수 있다. .
보다 구체적으로, 상기 제 2 전극층(110)은 유전체 역할을 하는 필름 양면에 제 1 센서 전극층(111)과 제 2 센서 전극층(112)를 형성하여 양면 센서와 유사항 형태로 제조될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 센서 전극층(111)과 제 2 센서 전극층(112)은 더 큰 커패시터 값을 가지도록 구획된 센서가 하나의 쌍으로 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있지만, 전기적으로 분리되어 별도의 커패시터 값 변화를 감지하도록 구성될 수도 있다.
커버 부재(40)를 가압하면 공통전극인 제 1 전극층(130)과 상기 제 1 센서 전극층(111)사이에 커패시터 값 변화가 발생하여 제 1 커패시터 값(C1)을 감지하고, 제 2 센서 전극층(112)과 실장 부품(50) 사이의 공기층(60)을 통해 커패시터 값 변화가 발생하여 제 2 커패시터 값(C2)을 감지하게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 센서 전극층인 제 2 전극층(110)과 하부의 실장 부품(50) 사이에 공기층이 아닌 제 2 유전층(121)이 형성될 수 있다.
여기서, 유전층과 공기층은 모두 유전체 역할을 담당하므로 동일한 구성으로 기능할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력터치센서 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 압력터치센서 장치는 디스플레이 없이 커버부재 하부에 압력터치센서가 부착되고 프레임 내부에 수용되어 형성되어 터치 입력 장치로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 압력터치센서 장치는 선택적으로 디스플레이를 포함할 수 있으므로 압력터치센서를 구비한 디스플레이 장치를 포괄하는 개념으로 정의된다.
하기의 <표 1>은 종래의 구조와 본 발명에 따른 구조에 따른 커패시터 값을 비교한 것이다.
여기서, 하기의 <표 1>에 표기된 값은 각각의 구조에 따른 차이값을 표현한 예로써 센서의 면적에 따라 그 값은 달라질 수 있다
상기 <표 1>을 통해 알 수 있듯이, 100g의 하중으로 디스플레이 장치의 커버 부재를 가압할 경우 종래 구조의?경우 커패시터 값이 40인데 반하여, 0.15mm 높이의 공기층을 가지는 본 발명의?경우 커패시터 값이 172로 3배이상 큰 커패시터 값을 가진다.
하중이 증가할수록 커패시터 값의 차이는 더욱 크게 증가하고, 500g의 하중으로 디스플레이 장치의 커버 부재를 가압할 경우 구조의 경우 커패시터 값이 70인데 반하여, 0.15mm 높이의 공기층을 가지는 본 발명의 경우 커패시터 값이 940으로 10배 이상 큰 커패시터 값을 가짐을 알 수 있다.
터치 압력을 인식할 때 커패시터 값이 크다면 그 만큼 많은 감지 영역을 가질 수 있으며 종래 구조에 비해 커패시터 값이 크게 증폭되므로 그만큼 세분화된 입력 단계를 가질 수 있다.
또한, 종래 구조보다 적음 힘으로도 입력이 가능하다. 예를 들어, 특정 동작을 하기 위해 최소 200g의 하중이 필요하다면 본 발명은 상기 하중의 1/2만으로도 동일한 동작이 가능하다.
따라서 압력터치센서 장치가 받는 하중이 감소되어 충격과 데미지로 인한 기기의 손상을 최소화할 수 있으며 장치의 내구성이 유지될 수 있다.
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.
10 : 압력터치센서 110: 제 2전극층
120 : 유전층 130: 제 1 전극층
20 : 디스플레이 30 : 프레임
40 : 커버 부재 50 : 실장부품
60 : 공기층 70 : 도전층

Claims (9)

  1. 압력터치센서를 구비한 압력터치센서 장치;
    상기 압력터치센서는
    하부에 센서 전극층인 제 2 전극층이 형성되고,
    상기 제 2 전극층 상에 유전층이 형성되고,
    상기 유전층 상에 공통전극(GND)인 제 1 전극층이 형성되는 구조를 가지고 상기 제 2 전극층이 하부에 배치됨으로써 터치 압력에 따른 커패시터 값의 증폭이 가능한 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 전극층은
    제 1 센서 전극층과;
    상기 제 1 센서 전극층 상에 형성된 유전층과;
    상기 유전층 상에 형성된 제 2 센서 전극층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 센서 전극층과 제 2 센서 전극층은
    구획된 센서가 하나의 쌍으로 전기적으로 연결되거나 전기적으로 분리되도록 구성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압력터치센서의 제 2 전극층 하부에
    실장 부품이 이격되어 배치되고
    상기 이격된 공간이 공기층이 유전체 역할을 담당하여 추가적인 커패시터 값을 형성하여 동일한 하중에도 커패시터 값을 증폭시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 압력터치센서의 제 2 전극층 하부와 실장 부품 사이에 제 2 유전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.

  6. 제 4항에 있어서,
    상기 실장 부품 상에 형성된 도전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 도전층은
    도전 테이프 및 박막층으로 구성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
  8. 제 6항 에 있어서,
    상기 도전층은
    공통전극인 상기 제 1 전극층과 전기적으로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 압력터치센서의 제 2 전극층 하부에 실장 부품이 이격되는 높이는
    0.01 ~ 1mm 범위 인 것을 특징으로 하는 압력터치센서 장치.
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