KR20220020872A - 스타일러스 펜 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 스타일러스 펜은 바디부, 바디부 내에서 외부로 노출되어 있는 전도성 팁, 전도성 팁에 연결되어 있으며 전도성 팁으로부터 전달되는 전기 신호를 공진시키는 공진 회로부를 포함한다. 공진 회로부의 인덕터는 페라이트 코어 및 페라이트 코어의 적어도 일부 위에 다층으로 권선되어 있는 코일을 포함한다. 페라이트 코어는 니켈을 포함하며, 코일은 인접하는 권선 층들이 지그재그로 경사지게 권선되며 리츠선으로 형성될 수 있다.

Description

스타일러스 펜{A STYLUS PEN}
본 개시는 스타일러스 펜에 관한 것이다.
휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션과 같은 다양한 단말기에는 터치 센서가 구비된다.
이러한 단말기 내에서 터치 센서는 이미지를 표시하는 표시 패널 상에 위치하거나, 단말기 바디의 일 영역에 위치할 수 있다. 사용자가 터치 센서를 터치하여 단말기와 상호 작용함으로써, 단말기는 직관적인 사용자 인터페이스를 사용자에게 제공할 수 있다.
사용자는 정교한 터치 입력을 위해, 스타일러스 펜을 사용할 수 있다. 스타일러스 펜은 내부에 배터리 및 전자부품이 구비되는지 여부에 따라 액티브(active) 스타일러스 펜과 패시브(passive) 스타일러스 펜으로 구분될 수 있다.
액티브 스타일러스 펜은 패시브 스타일러스 펜에 비해 기본 성능이 우수하고, 부가적인 기능(필압, 호버링, 버튼)을 제공할 수 있는 장점이 있으나, 펜 자체가 고가이고 전원이 필요하여 배터리를 충전하는 방식이라, 일부 고급 사용자 이외에는 실제 사용자가 많지 않다는 단점이 있다.
패시브 스타일러스 펜은 액티브 스타일러스 펜에 비해 가격이 저렴하고 배터리가 필요하지 않다는 장점이 있으나, 액티브 스타일러스 펜에 비해 정교한 터치 인식이 어렵다는 단점이 있다. 그러나, 최근에는 정교한 터치 인식이 가능한 패시브 스타일러스 펜을 구현하기 위해, 인덕티브(inductive) 공진 방식인 EMR(Electro Magnetic Resonance) 방식과 커패시티브(capacitive) 공진 방식의 기술이 제안되고 있다.
EMR 방식은 스타일러스 펜의 핵심기능인 쓰기/그리기 품질은 우세하나, 커패시턴스 터치 패널 외에 별도의 EMR 센서 패널과 EMR 구동 IC가 추가되어야 하므로, 두께가 두껍고 비용이 더 많이 드는 단점이 있다.
커패시티브 공진 방식은 일반적인 커패시턴스 터치 센서와 터치 컨트롤러 IC를 사용하여 추가적인 비용이 없으면서도, IC의 성능을 올려서 펜 터치까지 지원하는 방식이다.
커패시티브 공진 방식에서, 터치 센서가 스타일러스 펜에 의한 터치를 보다 정확하게 식별하기 위해서는 공진 신호의 진폭이 커야 하며, 이에 따라 터치 센서로부터 스타일러스 펜에 전달되는 구동신호의 주파수가 스타일러스 펜에 내장된 공진 회로의 공진 주파수와 거의 동일하도록 한다. 그러나 종래의 커패시티브 공진 방식에 의하면, 공진 주파수와 구동 신호의 주파수가 일치하더라도, 구동신호를 출력하는 터치 센서와 구동신호를 수신하는 펜 팁 사이에 형성되는 매우 작은 커패시턴스로 인해 신호 전달의 감쇠가 매우 커서 신호전달이 어려운 문제점이 있다. 그 결과, 수많은 터치 컨트롤러 IC 벤더들의 오랫동안의 시도에도 불구하고, 충분한 출력신호가 나오지 않아 아직까지 양산에 성공한 업체가 없는 실정이다.
따라서 최대의 출력 신호를 만들 수 있는 커패시티브 공진 스타일러스 펜을 제조하기 위해서는 내부의 공진회로 및 펜의 구조를 어떻게 설계할 것인가가 매우 중요한 요소가 된다.
본 실시예들은 충분한 출력 신호를 만들 수 있는 커패시티브 공진 스타일러스 펜을 제공하기 위한 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해, 일 실시예에 따른 스타일러스 펜은 바디부, 상기 바디부 내에서 외부로 노출되어 있는 전도성 팁, 상기 바디부 내에 위치하는 페라이트 코어 및 상기 전도성 팁에 연결되어 있고 상기 페라이트 코어의 적어도 일부 위에 다층으로 권선되어 있는 코일을 포함하는 인덕터부, 그리고 상기 바디부 내에 위치하며, 상기 인덕터부에 전기적으로 연결되어 공진 회로를 형성하는 커패시터부를 포함한다.
여기서, 상기 페라이트 코어의 유전율이 1000이하이며, 상기 코일은 인접하는 권선 층들이 교대로 권선되며, 상기 코일은 둘 이상의 절연 전선을 감싸는 형태의 와이어일 수 있다.
또한, 상기 페라이트 코어는 니켈을 포함하며, 상기 코일은 리츠선으로 형성될 수 있다.
또한, 사용자와 전기적 연결이 가능한 접지부를 더 포함할 수 있으며, 상기 페라이트 코어의 적어도 일부를 감싸는 보빈을 더 포함하며 상기 코일은 상기 보빈의 적어도 일부 위에 권선될 수 있다.
상기 인덕터부의 적어도 일부를 감싸는 전도성의 차단 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 차단부재는 와전류의 발생을 차단하는 하나의 슬릿을 포함할 수 있고, 상기 하나의 슬릿에 의해 상기 차단부의 양단이 와전류가 형성되는 방향인 제1 방향을 따라 이격되어 있을 수 있다.
다른 실시예에 따른 스타일러스 펜은 바디부, 상기 바디부 내에서 외부로 노출되어 있는 전도성 팁, 상기 바디부 내에 위치하고, 상기 전도성 팁에 연결되어 있으며, 상기 전도성 팁으로부터 전달되는 전기 신호를 공진시키는 공진 회로부, 리고 사용자와 전기적 연결이 가능한 접지부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 공진 회로부는 상기 바디부 내에 위치하는 페라이트 코어 및 상기 전도성 팁에 전기적으로 연결되어 있고 상기 페라이트 코어의 적어도 일부 위에 다층으로 권선되어 있는 코일을 포함하는 인덕터부, 그리고 상기 바디부 내에 위치하며, 상기 접지부와 상기 전도성 팁에 전기적으로 연결되는 커패시터부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 페라이트 코어의 유전율이 1000이하이며, 상기 코일은 인접하는 권선 층들이 지그재그로 경사지게 권선되며, 상기 코일은 둘 이상의 절연 전선을 감싸는 형태의 와이어일 수 있다.
또한, 상기 페라이트 코어는 니켈을 포함하며, 상기 코일은 리츠선으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 공진회로부는 직렬로 연결되는 둘 이상의 인턱터부와 하나의 커패시터부로 형성될 수 있다. 또한, 상기 공진회로부는 둘 이상의 LC 공진회로가 직렬로 연결될 수 있다.
상기 공진회로부의 적어도 일부를 감싸는, 전도성의 차단 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 차단부재는 와전류의 발생을 차단하는 하나의 슬릿을 포함할 수 있으며, 상기 하나의 슬릿에 의해 상기 차단부의 양단이 와전류가 형성되는 방향인 제1 방향을 따라 이격될 수 있다.
본 개시에 따른 스타일러스 펜의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 개시의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 최적의 커패시티브 공진 스타일러스의 공진회로의 구조를 제시함으로써, 얇은 직경으로도 충분한 출력 신호를 생성할 수 있다는 장점이 있다.
본 개시의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 외부 요인에 대해 강건한 스타일러스 펜을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
본 개시의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 개시의 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 개시의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 스타일러스 펜과 터치 센서를 나타낸 개념도이다.
도 2는 스타일러스 펜과 터치 센서를 구체적으로 나타낸 도면이다
도 3 은 스타일러스 펜의 인덕터부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 주파수 변화에 따른 인덕턴스와 Q 값을 나타내는 도면이다.
도 5와 도 6은 각각 에나멜선과 리츠선을 나타내는 도면이다.
도 7은 복수 층 권선방식을 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 10은 비교 실험 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 11은 인덕터부의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13은 인덕터부의 구조에 따른 공진 신호의 크기를 나타낸 그래프들이다.
도 14 및 도 15는 공진회로부의 다른 예들을 나타내는 도면이다.
도 16은 사용자의 손에 의한 기생 커패시턴스의 영향을 나타내는 등가회로이다
도 17은 LLC 구조의 스타일러스 펜을 나타낸 개념도이다.
도 18은 차단부재의 다양한 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
도 1은 커패시티브 공진 스타일러스 펜과 터치 센서를 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스타일러스 펜(10)과 터치 센서(20)가 서로 근접할 수 있다.
스타일러스 펜(10)은 전도성 팁(tip)(11), 공진(resonance) 회로부(12), 접지부(18), 및 바디부(19)를 포함할 수 있다.
전도성 팁(11)은 공진 회로부(12)에 연결되어 있다. 전도성 팁(11)의 전체 또는 일부는 전도성 물질(예를 들어, 금속, 흑연, 전도성 고무, 전도성 패브릭, 전도성 실리콘 등)로 형성될 수 있다. 또한, 전도성 팁(11)은 비전도성 하우징 내부에 존재하면서 전도성 팁(11)의 일부가 하우징 외부로 노출된 형태를 가질 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다.
공진 회로부(12)는 터치 센서(20)로부터 입력되는 구동 신호에 공진할 수 있다. 예를 들어, 공진 회로부(12)는 LC 공진 회로로서, 전도성 팁(11)을 통해 터치 센서(20)로부터 수신되는 구동 신호에 공진할 수 있다. 여기서 구동 신호는 터치 전극(채널)으로 전달되는 Tx 신호일 수 있다. 예를 들어, 구동 신호는, 스타일러스 펜(10)에서 정전 용량 결합 또는 전자기 공진에 의한 공진 신호를 발생시킬 수 있도록, 스타일러스 펜(10)의 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 신호(예를 들어, 사인파, 구형파 등)를 포함할 수 있다.
공진 회로부(12)는 구동 신호가 입력되는 구간과, 그 이후의 일부 구간에도 공진에 의한 공진 신호를 전도성 팁(11)에 출력할 수 있다. 공진 회로부(12)는 바디부(19) 내에 위치하며, 접지부(18)에 연결되어 있다. 접지부(18)는 바디부(19) 외면에 접촉하는 사용자의 신체 등에 의해 접지될 수 있다.
바디부(19)는 스타일러스 펜(10)의 소자들을 수용할 수 있다. 도 1에서, 바디부(19)는 뿔대 부분과 기둥 부분이 일체로 결합된 형태로 도시되었으나, 두 부분이 분리될 수도 있다. 원기둥, 다각기둥, 적어도 일부분이 곡면인 기둥 형태, 배흘림기둥(entasis) 형태, 각뿔대(frustum of pyramid) 형태, 원뿔대(circular truncated cone) 형태 등을 가질 수도 있으며, 그 형태에 제한되지 않는다. 바디부(19)는 내부가 비어있으므로, 그 내부에 전도성 팁(11), 공진 회로부(12), 및 접지부(18)를 수용할 수 있다.
터치 센서(20)는 채널 전극(21)과 채널 전극 상부의 윈도우(22)를 포함할 수 있다. 채널 전극(21)과 전도성 팁(11), 그리고 윈도우(22)는 커패시턴스(Cx)를 형성할 수 있다.
도 2는 스타일러스 펜과 터치 센서를 구체적으로 나타낸 개념도이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 스타일러스 펜(10)은 전도성 팁(11), 커패시터부(13), 인덕터부(14), 접지부(18), 및 바디부(19)를 포함한다. 커패시터부(13) 및 인덕터부(14)는 도 1의 공진 회로부(12)를 형성한다.
전도성 팁(11)은 전도성 연결 부재를 통해 커패시터부(13) 및/또는 인덕터부(14)에 연결될 수 있으며, 전도성 연결 부재는 와이어(wire), 핀(pin), 로드(rod), 바(bar) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 전도성 연결 부재는 인덕터부(14)의 코일을 포함할 수 있다.
커패시터부(13)는 병렬로 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 각각의 커패시터는 서로 상이한 커패시턴스를 가질 수 있으며, 제조 공정 내에서 트리밍(trimming)될 수 있다.
인덕터부(14)는 전도성 팁(11)에 인접하게 위치할 수 있다. 인덕터부(14)는 페라이트 코어와, 페라이트 코어에 감긴 코일을 포함한다.
커패시터부(13)와 인덕터부(14)는 병렬로 연결되며, 커패시터부(13)와 인덕터부(14)의 LC 공진을 통해 구동 신호에 응답하여 공진 신호가 발생된다. 도 3 은 스타일러스 펜의 인덕터부를 구체적으로 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 인덕터부(14)는 페라이트 코어(15)와, 페라이트 코어(15)에 감긴 코일(16)을 포함한다.
이때, 인덕터부(14)의 인덕턴스(inductance)는 다음의 수학식 1에 의해 결정된다.
Figure pat00001
수학식 1로부터 알 수 있듯이, 인덕턴스는 페라이트 코어(15)의 투자율(permeability), 코일(16)의 단면적, 및 권선 수의 제곱에 비례하고, 코일(16)의 권선 길이에 반비례한다.
커패시티브 공진 스타일러스 펜에 수용되는 공진회로부(12)에서 인덕터부(14)의 설계는 매우 중요하다. 특히, 인덕터부의 설계에 있어서는 도 4에 도시한 바와 같이, 인덕턴스(L)와 Q 값이 매우 중요한 파라미터이다. 여기서, Q값은 공진회로 소자로서의 코일 특성을 나타내는 양으로서, Q＝2πfL/R로 주어진다. 여기서 L, R는 각각 코일의 인덕턴스와 레지스턴스, f는 주파수이다. Q의 값이 큰 코일을 사용할수록 날카로운 공진 특성을 얻을 수 있다.
커패시티브 공진 스타일러스 펜의 설계에서, L은 사용하고자 하는 주파수에 대하여 충분히 큰 자기 공진(self-resonance) 주파수를 가져야 하며, Q 값은 사용하고자 하는 주파수에서 최대값을 갖는 것이 바람직하다. 이를 만족하기 위해서는 페라이트 코어의 재질, 코일의 와이어 종류, 권선방법(winding scheme)을 최적화 해야한다. 또한, 얇은 펜의 직경을 유지하면서 높은 출력 신호를 얻을 수 있는 방법이 필요하다.
이하의 실시예들에서는 다수의 페라이트 코어의 재질, 코일의 와이어 종류, 권선방법(winding scheme) 중에서 가장 최적화된 커패시티브 공진 스타일러스 펜의 설계 방안에 대해 설명한다.
(1) 페라이트 코어의 재질
본 실시예에서 사용한 페라이트 코어의 재질로 망간(Mn), 니켈(Ni)을 사용했다.
(2) 와이어종류
본 실시예에서 사용한 코일의 와이어 종류로 에나멜선과 리츠선을 사용했다.
도 5에 도시한 바와 같이, 에나멜선(100)은 구리 선(101)의 표면에 절연성 에나멜(102)을 피복해 고온으로 가열하여 만든 전선으로서, 전기 기기, 통신 기기 및 전기 계기 등의 권선, 배선에 쓰인다. 본 실시예에서는 전체 두께(T)가 0,2mm, 전선 지름(Φ)이 0,18mm, 피복 두께(t)가 0.01mm인 에나멜 선을 사용했다.
도 6에 도시한 바와 같이, 리츠선(LITZ) 선(200)은 직경이 0.1mm정도의 가는 절연 전선(100, 예를들면, 에날멜선)을 여러 가닥 꼬아서 한 줄로 하고, 그 위에 나일론 등으로 절연 피복(201)을 한 특수한 절연 전선이다. 리츠선(200)은 표면적을 크게 함으로써 표피 효과를 저감시킬 수 있으며, 고주파 회로의 코일 등에 사용한다.
본 실시예에서는 전체 두께(T)가 0,2mm, 전선 지름(Φ)이 0,06mm, 피복 두께(t)가 0.007mm인 리츠선을 사용했다.
(3) 권선방식
본 발명의 실시예에서는 스타일러스 펜이라는 한정된 공간에서 충분한 인덕턴스 값(즉, 충분한 권선 수)을 얻기 위해, 다층의 와인딩 구조를 갖는 권선 방식을 사용했다. 구체적으로, 도 7의 (A) 및 (B)에 도시한 바와 같이 2가지 타입의 복수 층 권선 방식을 사용했다.
도 7의 (A)의 권선 방식은 가장 간단한 권선 방식으로서 아래 층의 권선이 끝나면 바로 위 층을 권선하는, 순차 층 권선 방식(sequential layer winding scheme)이다. 이때, 도 7의 (A) 방식은, 이전 층의 권선이 끝나는 지점에서 바로 위 층의 권선이 시작되는 방식으로서, 이하에서는 이를 U 타입의 권선 방식이라 한다.
도 7의 (B)의 권선 방식은, 인접하는 권선 층들이 교대로 권선되는 방식(alternate layer winding scheme)으로서, 인접하는 층들의 권선이 지그재그 모양으로 경사지게 감겨지는 방식이다. 이하에서는 이를 지그재그 타입의 권선방식이라 한다. 이러한 지그재그 타입의 권선방식은 인접하는 층의 권선 사이의 전압 차이를 최소화할 수 있어, 권선 셀프 커패시턴스(winding self-capacitance)를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 이때, 기생 커패시턴스의 일종인 권선 셀프 커패시턴스는 권선 내에 저장되는 전기장 에너지(electric field energy)를 나타내는 파라미터이다
비교실험 1 (재질별 특성치 비교)
코일의 와이어 종류를 에나멜선, U 타입의 권선방식으로 권선한 상태에서, 페라이트 코어의 재질을 망간, 니켈, 마그네슘으로 변경해 Q 값을 측정했다.
측정결과, 각 코어의 재질별 Q값의 특성 차이는 거의 없었으며, 측정된 Q값도 제품으로 구현하기에는 상당히 부족한 수준이었다.
비교실험 2 (권선 종류별 특성치 비교)
페라이트 코어의 재질을 망간(Mn), U 타입의 권선 방식으로 권선한 상태에서, 코일의 와이어 종류를 각각 에나멜선과 리츠선으로 해서 제작한 인덕터 1과 인덕터 2에 대해 Q 값을 측정했다.
도 8은 KEYSIGHT TECHNOGIES사의 E4980A precision LCR meter를 통해 주파수를 변경하면서 측정한 인덕터 1 및 인덕터 2의 Q값을 나타내는 도면이다.
도 8에서 a는 인덕터 1(망간 코어/에나멜선/U타입 권선방식)의 주파수에 대한 Q값의 변화를 나타내는 파형이며, b는 인덕터 2(망간 코어/리츠선/U타입 권선방식)의 주파수에 대한 Q값의 변화를 나타내는 파형이다.
리츠선으로 제작한 인덕터 2에서는 400kHz 부근의 주파수(주파수 f1)에서 Q값이 거의 최대치를 나타내며, 에나멜선으로 제작한 인덕터 1에서는 150kHz 부근의 주파수(주파수 f2)에서 Q값이 거의 최대치를 나타낸다.
도 8의 a와 b를 비교한 결과, 인덕터 2의 최대 Q값이 인덕터 1의 최대 Q값 보다 거의 1.5 배 정도 높음을 알 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜의 공진회로를 형성하는 인덕터의 코일로서는 리츠선이 에나멜 선보다 우수함을 알 수 있다.
그러나, 비교실험 2에서 측정된 인덕터 2의 최대 Q값도 상용화에 필요한 목표 값(Qtarget)의 1/2 정도에 불과한 수준이었다.
비교실험 3 (권선 방식별 특성치 비교)
페라이트 코어의 재질을 망간(Mn)으로 한 상태에서, 와이어 종류를 에나멜선과 리츠선으로 권선 방식을 U 타입과 지그재그 타입으로 변경해 제작한 인덕터 3 내지 인덕터 5에 대해 Q 값을 측정했다.
도 9는 \KEYSIGHT TECHNOGIES사의 E4980A precision LCR meter를 통해 주파수를 변경하면서 측정한 인덕터 3 내지 인덕터 5의 Q값을 나타내는 도면이다.
도 9에서 a는 인덕터 3(망간코어/에나멜선/U타입 권선방식)의 주파수에 대한 Q값의 변화를 나타내는 파형이며, b는 인덕터 4(망간코어/에나멜선/지그재그 타입 권선방식)의 주파수에 대한 Q값의 변화를 나타내는 파형이고, c는 인덕터 5(망간코어/리츠선/지그재그 타입 권선방식)의 주파수에 대한 Q값의 변화를 나타내는 파형이다.
도 9의 c파형으로부터 알 수 있듯이, 리츠선/지그재그 권선방식으로 제작한 인덕터 5에서는 300kHz 부근의 주파수(주파수 f3)에서 Q값이 거의 최대치를 나타낸다. 에나멜선/지즈재그 권선방식으로 제작한 인덕터 4와 에나멜선/U타입 권선방식으로 제작한 인덕터 3에서는 150kHz 부근의 주파수(주파수 f2)에서 Q값이 거의 최대치를 나타낸다
또한, 도 9의 a, b, c를 비교한 결과, 인덕터 5의 최대 Q값이 인덕터 4의 최대 Q값 보다 거의 1.5배 정도 높으며, 인덕터 3의 최대 Q값 보다 두 배 이상 높음을 알 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜의 공진회로를 형성하는 인덕터의 권선방식은 지그재그 타입의 권선 방식이 U 타입의 권선방식보다 우수함을 알 수 있다.
그러나, 비교실험 2에서 측정된 인덕터 5(망간코어/리츠선/지그재그 타입 권선방식)의 상용화에 필요한 목표 값(Qtarget)의 3/4 정도에 불과한 수준이었다
비교실험 4 (코어 재질별 특성치 비교)
본 실시예에서는 페라이트 코어의 재질로서 망간과 니켈을 사용했으며, 보통 니켈의 투자율은 200-300이고, 망간의 투자율은 3000-5000로 알려졌다.
본 실시예에서 사용한 망간이 니켈보다 대략 15배 정도 투자율이 높으므로, 코일의 단면적 및 길이가 동일하다고 가정한 경우, 동일한 인덕턴스 값을 얻기 위해서 망간의 권선 수가 니켈의 권선 수보다 대략 4배만큼 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 권선 수의 관점으로만 보면, 니켈보다는 망간을 사용하는 것이 효과적임을 알 수 있다.
한편, 인덕터부(14)에서는 코어에 권선된 코일을 포함하는 복잡한 구조를 가지므로, 기생 커패시턴스가 추가적으로 형성된다. 이러한 기생 커패시턴스에 의해 Q 값이 감소하므로, 공진 신호의 진폭을 감소시키는 문제가 있다.
인덕터부(14)에서 형성된 기생 커패시턴스는 권선된 코일들 사이와, 코어와 코일 사이에서 발생할 수 있는데, 전술한 바와 같이 지그재그 타입의 권선 방식을 채택함으로써 권선된 코일들 사이의 기생 커패시턴스를 줄일 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 코어와 코일 사이의 기생 커패시턴스를 줄이기 위해, 망간보다 낮은 유전율을 갖는 코어 재질을 테스트했으며, 테스트 결과 니켈코어가 페라이트 코어의 재질로서는 최적임을 확인할 수 있었다
페라이트 코어 소자로서 주로 사용되는 망간과 니켈에서 중요한 물리적 특성은 투자율(permeability)로서, 이는 수학식 1에서와 같이 인덕턴스 값에 중요한 영향을 끼친다. 그러나, 페라이트 소자로서의 망간과 니켈에서, 유전율(permittivity)은 거의 관심을 갖지 않는 물리적 특성이며, 실제로 니켈의 경우에는 제조사가 제공하는 데이터 시트에도 관련 정보가 없을 정도이다.
본 실시예에서는 망간과 니켈의 유전율을 확인하기 위해, KEYSIGHT TECHNOGIES사의 E4980A precision LCR meter를 사용해, 망간과 니켈의 유전율(permittivity)을 측정했으며, 그 측정결과는 다음의 표 1와 같다.
망간 유전율 니켈 유전율
측정 1 2400 -
측정 2 8300 2
측정 1과 측정 2는 동일한 KEYSIGHT TECHNOGIES사의 E4980A precision LCR meter를 사용해 측정한 것으로서, 측정 1은 측정 소프트웨어에서 자동적으로 계산된 유전율을 나타낸다. 측정 1에 의하면, 망간의 유전율은 2400이나, 니켈의 유전율은 측정되지 않음을 알 수 있다. 측정 2는 페라이트 코어 사이의 커패시턴스, 면적, 거리를 측정하여 유전율을 계산한 방식으로서, 측정 2에 의하면, 망간의 유전율은 8300이고 니켈의 유전율은 2로 측정되었다.
측정 1과 측정 2 사이에는 유전율의 결과에 큰 차이가 있으며, 특히 측정 2의 경우에는 커패시턴스, 면적, 거리 등에 따라 오차가 상당한 것으로 확인되었다. 그러나, 측정 1 및 측정 2의 결과, 망간 대비 니켈이 적어도 유전율이 1/1000 이상 작은 것을 알 수 있다.
비교실험 4에서는 페라이트 코어의 재질을 니켈로 하고, 와이어 종류를 리츠선으로 한 상태에서, 권선 방식을 U 타입과 지그재그 타입으로 변경해 제작한 인덕터 6 및 인덕터 7에 대해 Q 값을 측정했다.
도 10은 KEYSIGHT TECHNOGIES사의 E4980A precision LCR meter를 통해 주파수를 변경하면서 측정한 인덕터 6 및 인덕터 7의 Q값을 나타내는 도면이다.
도 10에서 a는 인덕터 6(니켈코어/리츠선/U타입 권선방식)의 주파수에 대한 Q값의 변화를 나타내는 파형이며, b는 인덕터 7(니켈코어/리츠선/지그재그 타입 권선방식)의 주파수에 대한 Q값의 변화를 나타내는 파형이다.
도 10의 b 파형으로부터 알 수 있듯이, 니켈코어/리츠선/지그재그 권선방식으로 제작한 인덕터 7에서는 400kHz 부근의 주파수(주파수 f5)에서 Q값이 거의 최대치를 나타낸다. 니켈코어/리츠선/U타입 권선방식으로 제작한 인덕터 6에서는 200kHz 부근의 주파수(주파수 f6)에서 Q값이 거의 최대치를 나타낸다. 도 11의 a와 b를 비교한 결과, 인덕터 7의 최대 Q값이 인덕터 6의 최대 Q값보다 거의 두 배 정도 높음을 알 수 있다.
한편, 비교실험 4에서 측정된 인덕터 7(니켈코어/리츠선/지그재그 타입 권선방식)의 최대 Q값은 상용화에 필요한 목표 값(Qtarget)에 거의 도달함을 알 수 있었다.
이상에서 설명한 비교실험 1 내지 4에서는, 페라이트 코어의 재질, 코일의 와이어 종류, 권선방법(winding scheme)의 조합을 변경해 가면서 인덕터들을 제작해 Q 값을 테스트했으며, 테스트 결과 니켈 코어, 리츠선, 지그재그 타입의 권선 방식으로 커패시티브 공진 스타일러스 펜의 인덕터부를 설계한 경우 가장 높은 Q값을 얻음을 알 수 있었다. 그리고, 이러한 조합에 의해 제작한 인덕터의 최대 Q값은 상용화를 위한 목표 값(Qtarget)에 도달함을 알 수 있었다.
한편, 본 실시예에서는 페라이트 코어로서 니켈 코어를 사용하고 코어의 와이어 종류로서 리츠선을 사용해 실험했으나, 니켈 코어 이외에 페라이트 코어로서 유전율이 1000 이하인 물질을 사용하고, 리츠 선 이외에도 하나의 코일이 둘 이상의 절연 전선(strand)을 감싸는 헝태의 와이어를 사용하는 경우에는 이와 유사한 결과를 얻을 수 있을 것이다.
본 실시예에서는 코어와 코일 사이의 기생 커패시턴스를 더욱 줄이기 위해, 망간보다 낮은 유전율을 갖는 니켈을 사용하는 것 이외에, 이하에서 설명하는 바와 같이, 코어와 코일 사이에 보빈을 마련함으로써 코어와 코일 사이의 거리를 증가하는 방식을 사용할 수 있다.
도 11를 참조하면, 인덕터부(14)는 페라이트 코어(15), 페라이트 코어(15)의 적어도 일부를 감싸는 보빈(bobbin)(141), 보빈(141)의 적어도 일부에 감긴 코일(16)를 포함한다. 보빈(141)은 코일(16)의 권선으로 인한 힘에 의해 보빈(141)이 페라이트 코어(15)에 밀착되어 고정될 수 있다. 이러한 보빈(141)은 바디부(19)와 동일 또는 상이한 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 플라스틱 또는 표면이 절연 처리된 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 보빈(141)은 폴리페닐렌설파이드(PPS), 액정폴리에스테르(LCP), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 페놀계 수지 등을 사용할 수 있다.
이처럼, 보빈(141)이 페라이트 코어(15)를 감싸고, 보빈(141)을 코일(16)로써 권선하는 경우, 페라이트 코어(15)와 코일(16) 사이의 거리가 증가함으로써, 도 11에서의 기생 커패시턴스(Cp2)의 값이 도 3에서의 기생 커패시턴스(Cp1)의 값보다 더 작게 설정할 수 있다. .
도 12를 참조하면, 인덕터부(14)가 페라이트 코어(15)와, 코일(16)만을 포함하는 경우, 공진 신호의 최대 진폭은 약 2V(+1V 내지 -1V)인 것으로 측정되었다. 도 13을 참조하면, 인덕터부(14)가 페라이트 코어(15), 보빈(141), 및 코일(16)을 포함하는 경우, 공진 신호의 최대 진폭은 약 4V(+2V 내지 -2V)인 것으로 측정되었다. 즉, 페라이트 코어(15)의 적어도 일부를 보빈(141)으로 감싸고, 보빈(141) 위에 코일(16)를 권선하면, 공진 신호의 진폭이 더욱 큰 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따라 최적의 인덕터부를 설계하기 위해, 페라이트 코어로 니켈을 사용하는 경우에는, 전술한 바와 같이, 니켈이 망간보다 1/15배 정도의 투자율이 낮으므로, 동일한 인덕턴스 값을 얻기 위해서 니켈의 권선 수가 망간의 권선 수보다 대략 4배 만큼 늘어나야 한다. 이에 따라, 동일한 인덕턴스를 얻기 위해서는 망간 보다 직경이 커져야 하는 단점이 있다.
본 실시예에서는 스타일러스 펜의 직경을 얇게 하면서도 높은 출력신호를 얻게 하기 위해, 복수의 인턱터를 사용하는 방법을 제안한다.
도 14는 얇은 직경의 2개의 인덕터를 직렬로 연결하고, 두 인덕터의 양단 사이에 커패시터를 병렬로 연결하는 방식의 등가회로를 나타낸다. 이하에서는 이러한 방식의 공진회로를 'LLC 공진회로'라 칭한다. 도 14에서 2개의 인덕터를 직렬로 연결한 것으로 도시했지만, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며 3개 이상의 인덕터를 직렬로 연결할 수 있다. LLC 공진회로에 의하면, 하나의 인덕터와 커패시터를 갖는 공진회로(이하, 'LC 공진회로'라 함)에 비해, 인덕턴스(L)가 2배로 커지기 때문에 커패시턴스를 1/2로 줄여 설계해야 한다. 즉, LLC 공진회로는 LC 공진회로에 비해 직경을 얇게 할 수는 있지만 커패시턴스에 대한 영향에 더 민감하다는 단점이 있다.
한편, 도 15는 2개의 LC 공진 회로를 직렬로 연결한 방식(이하에서는 'LCLC 공진회로'라 함)으로서, 2개의 공진 신호를 합쳐 출력하는 방식의 등가회로를 나타내는 도면이다. 도 15에서 2개의 LC 공진회로를 직렬로 연결한 것으로 도시했지만, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며 3개 이상의 LC 공진회로를 직렬로 연결할 수 있다.
LCLC 공진회로에 의하면, 2개의 공진회로의 공진 주파수가 동일해야 하므로, 제조 공정 상에서 각각의 공진 회로의 공진 주파수가 동일하도록 튜닝해야 하는 단점이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 페라이트 코어로 니켈을 사용함에 따라 발생하는 권선 수의 증가에도 불구하고, 도 14 및 도 15과 같이 둘 이상의 인덕터를 사용하면, 인덕터부 직경의 증가를 억제하여 얇은 직경의 스타일러스 펜을 제작할 수 있다.
한편, 도 14와 같이, LLC 방식의 공진회로를 사용하는 경우 1/2로 줄어든 커패시턴스에 대한 영향을 최소화하기 위해 다음에서 설명하는 구조의 스타일러스 펜을 채택할 수 있다.
도 2에서, 스타일러스 펜(10)은 사용자의 손가락 등에 의해 파지되며, 이때 손가락과 스타일러스 펜(1)의 내부 도전체(코일 또는 커패시터)에 의해서 기생 커패시턴스(Cf)가 형성될 수 있다.
도 16은 사용자의 손에 의한 기생 커패시턴스(Cf)의 영향을 나타내는 등가회로이다. 도 16을 참조하면, 기생 커패시턴스(Cf,40)에 의해, 스타일러스 펜(10)의 공진 주파수가 변하게 된다. 그러면, 구동 신호(30)의 주파수와 스타일러스 펜(10)의 공진 주파수가 일치하지 않게 되어, 스타일러스 펜(10)으로부터 출력되는 신호의 크기가 감소하는 문제가 있다. 이때, 기생 커패시턴스(Cf,40)의 영향은 LC 공진회로나 LCLC 공진회로에 비해, 도 14에 도시한 LLC 회로가 더 크다. 이는 동일한 공진 주파수로 설계하는 경우, LLC 공진회로 커패시턴스가 LC 공진 회로나 LCLC 공진 회로의 커패시턴스 보다 1/2만큼 작기 때문이다.
이하에서는 사용자의 파지에 의한 공진 주파수의 변화를 방지하는 스타일러스 펜에 대해 도 17을 참조하여 설명한다.
도 17은 LLC 구조의 스타일러스 펜을 나타낸 개념도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 스타일러스 펜(10)은 전도성 팁(11), 커패시터부(13), 두 개의 인덕터부(14, 14'), 차단 부재(17), 접지부(18), 및 바디부(19)를 포함한다.
인덕터부(14, 14')는 각각 두 개의 페라이트 코어(15, 15')와, 페라이트 코어(15, 15')에 감긴 코일(16, 16')을 포함한다. 이때, 두 개의 인덕터부(14, 14')는 직렬로 연결된다.
차단 부재(17)는 커패시터부(13)와 인덕터부(14, 14')를 감싸는 전도성 부재로서, 사용자의 손에 의한 기생 커패시턴스의 형성을 방지할 수 있다.
이때, 차단 부재(17)는 스타일러스 펜에서 발생하는 와전류(eddy current)의 영향을 최소화하기 위해, 차단 부재(17)의 양단은 와전류의 방향(ED)을 따라 이격되도록 설계할 수 있다.
이와 관련하여 도 18의 (a) 내지 (d)를 참조해, 차단 부재(17)를 상세하게 설명한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 전도성 팁(11)에서 전달된 구동 신호에 의해, 시계방향의 전류가 코일(16, 16')에 흐르고, 코일(16, 16')에 흐르는 전류에 의해 자기장이 형성된다. 이때, 코일의 전류에 의해 생성된 자기장의 변화에 의해 코일의 전류 방향과 반대 방향인 반 시계 방향으로 와전류가 형성되어, 차단 부재(17)에는 반시계 방향의 와전류가 흐르게 된다.
도 18의 (a)를 참조하면, 차단 부재(17)는 와전류의 발생을 차단하는 하나의 슬릿(GP)을 포함한다. 슬릿(GP)은 와전류(도 18에서 반시계 방향)에 수직인 방향(PD)을 따라 연장되어 있다. 차단 부재(17)의 양단(17a, 17b)은 하나의 슬릿(GP)에 의해 이격되어 있다. 실시예들에서, 슬릿(GP)은 와전류의 방향(ED)을 따라 0.03mm 이상의 폭을 가질 수 있다.
슬릿(GP)이 와전류에 수직인 방향(PD)을 따라 연장되어 있는 것으로 설명하였으나, 슬릿(GP)은 방향(PD)에 소정 각도(0도 초과 90도 미만)로 기울어진 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다. 차단 부재(17)의 양단(17a, 17b)은 와전류의 방향(ED)을 따라 이격되어 있다. 그러므로, 차단 부재(17)를 따라 와전류가 흐를 수 없게 되므로, 와전류의 발생이 차단된다.
도 18의 (b)를 참조하면, 차단 부재(17)는 복수의 제1 차단부(171)를 포함한다. 복수의 제1 차단부(171)는 와전류에 수직인 방향(PD)을 따라 연장되어 있으며, 와전류의 방향(ED)을 따라 서로 이격되어 있다. 마찬가지로, 차단 부재(17)가, 와전류의 방향(ED)을 따라 서로 이격된 복수의 제1 차단부(171)를 포함하므로, 차단 부재(17)를 따라 와전류가 흐를 수 없게 되어, 와전류의 발생이 차단된다. 복수의 제1 차단부(171)가 와전류에 수직인 방향(PD)을 따라 연장되어 있는 것으로 설명하였으나, 복수의 제1 차단부(171)는 방향(PD)에 소정 각도(0도 초과 90도 미만)로 기울어진 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
도 18의 (c)를 참조하면, 차단 부재(17)는 복수의 제2 차단부(172)를 포함한다. 복수의 제2 차단부(172)는 와전류에 수직인 방향(PD)을 따라 이격되어 있으며, 복수의 제2 차단부(172) 각각의 양단은 와전류의 방향(ED)을 따라 서로 이격되어 있다. 마찬가지로, 차단 부재(17)에 포함된 복수의 제2 차단부(172) 각각의 양단이, 와전류의 방향(ED)을 따라 이격되어 있으므로, 차단 부재(17)를 따라 와전류가 흐를 수 없게 되어, 와전류의 발생이 차단된다.
도 18의 (d)를 참조하면, 차단 부재(17)는 복수의 제3 차단부(173)를 포함한다. 복수의 제3 차단부(173)는 와전류에 수직인 방향(PD) 및 와전류의 방향(ED)을 따라 서로 이격되어 있다. 마찬가지로, 차단 부재(17)에 포함된 복수의 제3 차단부(173)가 와전류의 방향(ED)을 따라 서로 이격되어 있으므로, 차단 부재(17)를 따라 와전류가 흐를 수 없게 되어, 와전류의 발생이 차단된다.
이상에서 본 실시예를 설명했지만, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10 스타일러스 펜, 11 전도성 팁, 12 공진회로부, 13 커패시터부,
14 인덕터부, 15 페라이트 코어, 16 코일, 17 차단부재, 18 접지부,
19 바디부, 20 터치센서, 30 구동신호, 40 기생 커패시턴스, 100 에나멜선,
101 구리선, 102 에나멜, 141 보빈, 200 리츠선, 201 절연피복

Claims (1)

  1. 바디부,
    상기 바디부 내에서 외부로 노출되어 있는 전도성 팁,
    상기 바디부 내에 위치하는 페라이트 코어 및 상기 전도성 팁에 연결되어 있고 상기 페라이트 코어의 적어도 일부 위에 다층으로 권선되어 있는 코일을 포함하는 인덕터부, 그리고
    상기 바디부 내에 위치하며, 상기 인덕터부에 전기적으로 연결되어 공진 회로를 형성하는 커패시터부를 포함하며,
    상기 페라이트 코어의 유전율이 1000이하이며, 상기 코일은 인접하는 권선 층들이 교대로 권선되며, 상기 코일은 둘 이상의 절연 전선을 감싸는 형태의 와이어인 스타일러스 펜.
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