KR100943989B1

KR100943989B1 - 정전용량식 터치스크린

Info

Publication number: KR100943989B1
Application number: KR1020080030902A
Authority: KR
Inventors: 한상열
Original assignee: (주)엠아이디티
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2010-02-26
Also published as: CN101978342A; WO2009123388A1; KR20090105448A; US8169416B2; EP2274667A1; EP2274667A4; US20110025631A1

Abstract

본 발명은 터치위치는 물론 터치압력의 크기도 검출할 수 있고 구조가 간단하며 투명도가 개선된 정전용량식 터치스크린의 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린(1)은, 테두리(11)를 제외하고 내부가 관통된 링형의 판이나 투명 전판으로 이루어진 기판(10); 상기 기판(10)의 테두리(11)의 상면에 적층된 제1 극판(20); 상기 제1 극판(20)의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변되는 탄성스페이서(30); 상기 탄성스페이서(30) 상면에 적층된 제2 극판(40); 상기 제2 극판(40)의 상면에 상기 기판(10)의 전면을 커버하도록 적층된 투명터치패널(50); 을 포함하고: 상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 중에 적어도 하나의 극판(20, 40)은 상기 기판(10)의 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 배열된 4개 이상의 복수의 극판으로 구성되며; 상기 투명터치패널(50)의 소정 위치가 터치되어 압력이 가해지면 상기 탄성스페이서(30)의 복원 가능한 탄성적 높이 변화로 상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 변화하여 상기 4개 이상의 복수의 극판(20 또는 40)의 위치에 대응하는 센싱포인트(S)들에서 정전용량이 변화하고, 상기 센싱포인트(S)들에 대해 측정된 정전용량의 변화량들로부터 터치위치와 터치압력을 검출하는 것을 특징으로 한다.

Description

정전용량식 터치스크린{Capacitive Touch Screen}

본 발명은 터치스크린에 관한 것이며, 보다 상세하게는 터치위치는 물론 터치압력의 크기도 검출할 수 있고 구조가 간단하며 투명도가 개선된 정전용량식 터치스크린의 구조에 관한 것이다.

터치스크린은, 내비게이션, 산업용 단말기, 노트북 컴퓨터, 금융 자동화기기, 게임기 등의 각종 모니터로부터, 휴대전화기, 엠피쓰리, PDA, PMP, PSP, 휴대용 게임기, DMB 수신기 등 각종 휴대용 단말기는 물론, 냉장고, 전자레인지, 세탁기와 같은 각종 가전제품에 이르기까지 다양한 전기전자장치의 입력장치로 널리 사용되고 있다.

널리 알려진 바와 같이, 터치스크린은 소정의 내용이 디스플레이 되는 표시장치와 함께 사용되며, 표시장치 위에 적층된 터치스크린에 손가락 등을 접촉하면 그 아래의 표시장치에 표시된 내용 등이 입력되도록 하는 장치로서, 그 구조와 동작원리에 따라 저항막 방식, 적외선 방식, 초음파 방식, 정전용량 방식 등으로 분류할 수 있다.

저항막 방식은 투명전극층이 코팅되어 있는 두 장의 패널을 도트 스페이 서(Dot Spacer)를 사이에 두고 투명전극 층이 서로 마주보도록 합착한 구조로서, 한쪽의 투명전극에 위치 검출을 위한 전기 신호가 인가되고 손가락 또는 펜에 의해 상부의 투명전극이 하부의 투명전극과 접촉되었을 때 그 전기적 신호를 검출하고 검출된 전기적 신호의 크기를 이용하여 위치좌표를 결정하는 원리로 작동되며, 투명도가 80% 정도로 낮고 내구성이 약하여 긁힘에 취약하다는 문제점이 있다.

적외선 방식은 적외선 발광소자와 이로부터 적외선 신호를 받는 수광소자들로 구성된 적외선 센서를 배열한 구조로서, 외부물체(손가락)에 의한 신호의 단락여부로 위치좌표를 결정하는 원리로 작동되며, 투명도는 100% 까지 유지할 수 있으나 제조원가가 높다는 단점이 있다.

초음파 방식은 터치 표면을 따라 초음파를 송신 및 수신하여 터치된 위치좌표를 결정하는 원리로 작동되는 구조로서, 접촉 물체에 영향 받지 않고 내구성이 우수한 장점이 있으나, 응답속도가 느리고 제조원가가 높으며 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다.

정전용량 방식은 기판 위에 극판을 배치하여 극판에 전압을 인가한 구조로서, 사람의 손이 극판에 접촉될 때 손과 극판 사이의 유전율에 따른 기생 정전용량(Parasitic Capacitance)을 검출하여 그 위치좌표를 결정하는 원리로 작동되며, 투명도와 내구성은 저항막 방식에 비해 개선되었으나 기생 정전용량을 발생할 수 있는 사람의 손과 같은 도체에만 반응을 하고 정밀도가 다소 떨어진다는 단점이 있다.

한편, 휴대용 단말기의 입력장치로는 복수의 돔 스위치가 배열된 키패드가 널리 사용되고 있으나, 입력장치로서 돔 스위치 대신 터치스크린을 적용한 제품들이 출시되고 있다.

휴대용 단말기의 소형화 추세에 따라 키패드의 버튼 간격이 좁아지게 되고 이로 인해 버튼을 조작할 때 원하지 않은 인접한 다른 버튼이 조작되는 등의 오작동의 가능성이 증가하고 있는 상황에서, 입력장치로서 정전용량식 터치패드가 적용됨에 따라, 휴대용 단말기의 소형화에 따른 오작동의 문제가 일부 완화되었다.

그러나 휴대전화기 등에 적용된 종래 정전용량식 터치스크린은, 손이 어떤 극판(전극)에 접촉 되었는가 만을 판별하여 해당 입력신호를 발생시키는 장치이므로 입력할 수 있는 내용에 한계가 있으며, 위와 같은 종래 정전용량식 입력장치의 문제점을 해소하기 위해, 본 출원인의 대한민국 특허등록 제661,000호(2006. 12. 18 등록)의 '휴대용 전자장치의 입력장치' 등이 제안되었다.

제661,000호의 입력장치는 손과 같은 도체를 극판에 접촉시킴으로써 발생하는 기생 정전용량을 검출하여 입력신호를 생성하는 것이 아니라, 접촉 압력의 크기에 따라 다르게 발생하는 정전용량의 변화크기로부터 다양한 입력신호로 생성할 수 있게 하는 구조를 채용한 입력장치이며, 이로써 다양하고 정교한 형태의 작동을 오작동 없이 입력할 수 있게 되었다.

앞서 설명한 바와 같이 터치스크린은 표시장치와 통합하여 사용되는 것이 일반적인 바, 터치스크린과 표시장치들이 통합된 장치들도 널리 제안되어 있으며, 이런 통합장치로서는 대한민국 등록특허 제10-0493921호의 '평판 디스플레이와 일체화된 터치패널'(2005. 06. 10. 등록공고), 대한민국 등록특허 제10-0487355호의 터 치패널이 일체된 전기광학표시장치, 및 대한민국 공개특허 제2001-0091312호(터치패널과 일체화된 디스플레이 조립체) 등이 있다.

이들 종래의 통합장치는 표시장치의 상면에 터치스크린(또는 터치패드)을 적층한 구조를 기본으로 하므로 터치스크린이 표시장치를 덮고 있어서 표시장치로부터의 광투과율을 저하시켜 표시장치로부터의 광량이 그 위에 적층된 터치스크린에 의해 감소될 수밖에 없기 때문에, 표시장치에 디스플레이 된 내용의 선명도가 저하된다고 하는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명의 목적은, 전술한 바와 같은 종래 정전용량식 터치스크린의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 도체의 터치에 의한 기생 정전용량의 변화를 감지하여 단순 터치 여부를 검출하는 것이 아니라, 도체일 필요 없는 물체의 터치에 대하여 그 터치위치와 함께 터치압력의 크기를 검출할 수 있도록 함으로써, 터치위치와 함께 검출된 터치압력의 크기를 활용하여 기존의 터치스크린으로는 실행할 수 없었던 다양한 형태의 입력을 실현할 수 있도록 하는 한편, 아래에 적층된 표시장치의 표시내용을 실질적으로 거의 가리지 아니하여 선명도가 매우 양호하며, 구조가 간단하여 제조비용을 절감할 수 있는 정전용량식 터치스크린을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따라 정전용량식 터치스크린이 제공된다.

본 발명에 따른 제1 구체예의 정전용량식 터치스크린은,

기판, 제1극판, 탄성스페이서, 제2 극판 및 투명터치패널을 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기 기판은 테두리를 제외하고 내부가 관통된 링형의 판이나 투명 전판으로 이루어진다. 상기 제1 극판은 상기 기판의 테두리의 상면에 적층된다. 상기 탄성스페이서는 상기 제1 극판의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변된다. 상기 제2 극판은 상기 탄성스페이서 상면에 적층된다. 상기 투명터치패널은 상기 제2 극판의 상면에 상기 기판의 전면을 커버하도록 적층된다.

본 발명에 따른 제2 구체예의 정전용량식 터치스크린은, 기판, 제1극판, 탄성스페이서, 제2 극판 및 투명터치패널을 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기 기판은 테두리를 제외하고 내부가 관통된 링형의 판이나 투명 전판으로 이루어진다. 상기 제1 극판은 상기 기판의 테두리의 상면에 적층된다. 상기 탄성스페이서는 상기 기판의 테두리의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변된다. 상기 투명터치패널은 상기 탄성스페이서의 상면에 상기 기판의 전면을 커버하도록 적층된다. 상기 제2 극판은 상기 투명터치패널의 저면에 상기 제1 극판과 일정 간격 이격되어 적층된다.

본 발명에 따른 제3 구체예의 정전용량식 터치스크린은, 기판, 제1극판, 제1 및 제2 탄성스페이서, 한쌍의 제2 극판 및 투명터치패널을 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기 기판은, 테두리를 제외하고 내부가 관통된 링형의 판이나 투명 전판으 로 이루어진다. 상기 제1 탄성스페이서는 상기 기판의 테두리의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변된다. 상기 제1 극판은 상기 제1 탄성스페이서의 상면에 적층된다. 상기 제2 탄성스페이서는 상기 제1 극판의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변된다. 상기 투명터치패널은 상기 제2 탄성스페이서의 상면에 상기 기판의 전면을 커버하도록 적층된다. 한쌍의 상기 제2 극판은 상기 기판의 테두리의 상면과 상기 투명터치패널의 저면에 상기 제1 극판과 일정 간격 이격되어 각각 적층된다.

제1 내지 제3 구체예에서, 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 중에 적어도 하나의 극판은 상기 기판의 테두리를 따라 일정 간격으로 배열된 4개 이상의 복수의 극판으로 구성된다.

제1 내지 제3 구체예에서, 상기 투명터치패널의 소정 위치가 터치되어 압력이 가해지면 상기 탄성스페이서 또는 상기 제1 및 제2 탄성스페이서의 복원 가능한 탄성적 높이 변화로 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 사이의 거리가 복원 가능하게 변화하여 상기 4개 이상의 복수의 극판의 위치에 대응하는 센싱포인트들에서 정전용량이 변화하고, 상기 센싱포인트들에 대해 측정된 정전용량의 변화량들로부터 터치위치와 터치압력을 검출한다.

바람직하게, 상기 탄성스페이서 또는 상기 제1 및 제2 탄성스페이서는 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변되는 일정 형상의 탄성합성수지, 스프링 또는 원위치로의 복원성을 가진 힌지구조이다.

본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린은, 도체의 터치에 의한 기생 정전용량의 변화를 감지하여 단순 터치 여부를 검출하는 것이 아니라 도체일 필요 없는 물체의 터치에 대하여 그 터치위치와 함께 터치압력의 크기도 함께 검출함으로써, 터치위치와 함께 검출된 터치압력의 크기를 활용하여 기존의 터치스크린으로는 실행할 수 없었던 다양한 형태의 입력을 실현할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린은, 상기 기판이 관통된 링형이거나 투명 전판이고, 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 및 상기 탄성스페이서가 상기 극판의 테두리에만 배치되고, 그 위에 투명터치패널이 적층되므로, 그 투명도가 매우 우수하여 아래에 적층된 표시장치의 표시내용에 대한 선명도가 양호하며, 구조가 매우 간단하여 제조비용을 절감할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린을 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

본 발명에 따른 정전용량식 터치스크린(1)은 내비게이션, 산업용 단말기, 노트북 컴퓨터, 금융 자동화기기, 게임기, 휴대전화기, 엠피쓰리, PDA, PMP, PSP, 휴대용 게임기, DMB 수신기, 냉장고, 전자레인지, 세탁기 등 각종 전기전자장치의 입력장치로 사용되는 장치이다.

널리 알려진 바와 같이 터치스크린은 소정 내용을 디스플레이하는 표시장치 위에 적층하여 사용되는 것이 일반적이고, 터치스크린과 표시장치는 이들이 장착된 전기전자장치에 회로적으로 연결 및 제어되어 유기적으로 작동하며, 또한 터치스크린은 외부로부터의 터치를 검출하는 센서부(터치스크린)와 상기 센서부로부터의 전송된 정전용량 변화량을 소정의 입력신호로 처리하는 회로부로 구성되는 바, 본 발명은 상기 센서부에 대응하는 터치스크린에 관한 발명으로서, 상기 전기전자장치와의 회로적 연결이나 상기 센서부에서 정전용량 변화를 입력신호로 처리하는 것 자체는 본 발명의 특징과 직접적인 관련이 없고 이들 기술은 종래의 관련 기술을 참조할 수 있으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.

1. 제1 구체예

이하, 도1 내지 도4를 참조하여 본 발명에 따른 제1 구체예의 터치스크린(1A)을 설명한다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제1 구체예의 터치스크린(1A)은, 기판(10), 제1 극판(20), 탄성스페이서(30), 제2 극판(40), 투명터치패널(50)을 포함하는 구성으로 이루어진다.

상기 기판(10)은 터치스크린의 기본 골격을 이루는 프레임 부재로서, 도1에 도시된 바와 같이, 둘레의 테두리(11)를 제외하고 내부가 관통된 링형 기판을 사용하거나, 도시하지는 않았지만 관통부가 없는 투명 전판으로 된 기판을 사용한다.

기판(10)으로서 링형 기판이나 투명 전판을 사용하는 것은 기판으로 인해 그 아래에 배치되는 표시장치의 광투과율이 저하되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 이와 같은 기판(10)의 구성에 따라 본 구체예의 터치스크린(1A)은 기판(10)의 존재 로 인한 투명도의 저하를 방지할 수 있다.

기판(10)의 소재로서는 관련 기술분야에서 통상적으로 사용되는 회로기판(PCB 및 FPCB) 등을 본 발명의 터치스크린이 사용되는 전기전자장치의 특성에 맞게 적절히 적용할 수 있으며, 링형일 경우에는 투명일 필요는 없지만, 전판일 경우에는 투명한 소재를 사용한다.

상기 제1 극판(20)은 통상적인 정전용량식 터치스크린에 적용되는 일측 전극에 해당하는 판상의 전극 부재로서 동판과 같은 전도성 소재로 형성된다.

제1 극판(20)은 기판(10)의 상면에 적층(접합)하되, 기판(10)의 테두리(11)를 따라 적층된다. 즉, 제1 극판(20)은 기판(10)이 링형일 경우 그 테두리(11) 위에 접합하면 되고 투명 전판일 경우에는 외각 테두리에 접합한다.

상기 탄성스페이서(30)는 제1 극판(20)의 상면에 상기 테두리(11)를 따라 적층된다.

탄성스페이서(30)는 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 사이에 존재하여 일종의 유전체로 작용하는 동시에 가해진 터치압력의 크기에 따라 그 높이가 복원성 있게 탄성적으로 가변됨으로써 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 가변되도록 하고, 이로써 제1 극판(20)과 제2 극판(40)의 상하 중첩위치에 대응하는 센싱포인트(S)들의 정전용량의 변화량이 터치압력의 크기에 따라 다른 크기로 변화되도록 하는 작용을 한다.

탄성스페이서(30)의 소재와 형상은, 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 사이의 거리(d)를 복원성 있게 탄성적으로 가변시킬 수 있는 소재와 형상이라면 특히 제한되 지 아니하며, 예를 들어 폴리올레핀계, PVC계, 폴리스틸렌계, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리아미드계 등 널리 알려진 탄성소재, 특히 도1에 도시된 바와 같이, 탄성실리콘을 직육면체 등의 다양한 블록형상으로 성형하여 사용할 수 있다.

탄성스페이서(30)는 터치압력의 크기에 따라 그 두께가 가변되어 제1 극판과 제2 극판 사이의 거리(d)를 가변시키고 압력이 사라지면 원위치로 복원되는 작용을 하는 부재이므로, 전술한 탄성실리콘과 같은 탄성합성수지뿐만 아니라, 도7에 도시된 바와 같은 기계적 스프링(30c: 도면에는 코일 스프링을 예시하였으나 리프스프링과 같은 다른 스프링도 적용 가능함)이나 스프링 등이 장착되어 원위치로의 복원성을 가진 힌지구조(30d) 등과 같은 기계적 구조도 적용할 수 있다.

이와 같은 기계적 구조의 탄성스페이서(30c, 30d)는, 도1 내지 도4와 같이 탄성스페이서(30)가 극판(20, 40) 사이에 위치하여 상하로 적층된 본 제1 구체예보다는, 탄성스페이서(30)가 극판(20, 40) 사이에 위치하지 않은 도5를 참조하여 이후에서 설명하는 제2 구체예의 터치스크린(1B)에 특히 적합하게 적용할 수 있다.

상기 제2 극판(40)은 제1 극판(20)과 같이 동판으로 대표되는 전도성 소재로 형성되며, 탄성스페이서(30)의 상면에 기판(10)의 테두리(11)를 따라 적층됨으로써, 탄성스페이서(30)를 사이에 두고 제1 극판(20)의 상부에 일정 거리(d)만큼 이격되어 있다.

상기 투명터치패널(50)은 본 발명에 따른 터치스크린(1)의 상측 표면 전체면을 커버하는 판상의 부재로서, 아래의 극판 등의 구조를 보호하고 터치압력을 탄성스페이서(30)에 전달할 수 있으며 하부에 존재하는 표시장치의 표시내용이 보이는 투명한 소재로 형성되는 바, 예를 들어 강화유리와 같은 내구성과 투명성이 우수한 소재를 사용할 수 있다.

이와 같이 제1 극판(20)과 제2 극판(40)이 탄성스페이서(30)를 사이에 두고 적층되어 있음에 따라, 제2 극판(40)은 탄성스페이서(30)의 높이에 대응하는 거리(d)를 두고 제1 극판(20)과 이격 배치되고, 제1 극판(20)과 제2 극판(40)의 상하중첩위치는 가해진 압력에 의해 정전용량의 변화가 발생하는 센싱포인트(S)가 되며, 각 센싱포인트(S)에서의 정전용량의 변화량은 적당한 회로부로 측정할 수 있다.

즉, 투명터치패널(50)을 가압하면, 제2 극판(40)과 탄성스페이스(30)가 가압되어 탄성스페이스(30)가 수축하면서 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 가변(줄어들게) 되고, 이런 거리(d)의 변화에 따라 각 센싱포인트에서는 C=μA/d의 공식(여기에서 C는 정전용량, μ는 유전율, A는 면적, d는 극판 사이의 거리이다)에 해당하는 정전용량의 변화가 발생하고, 이때 전전용량의 변화량은 터치압력의 크기에 따라 다르게 나타난다. 이후 터치압력이 제거되면 탄성스페이서(30), 제2 극판(40) 및 투명터치패널(50)은 탄성스페이서(30)의 복원력 및 자체의 탄성에 의해 원래 위치로 복귀된다.

이하, 제1 구체예에 따른 터치스크린(1A)의 제1 극판(20), 제2 극판(40) 및 탄성스페이서(30)의 개수 및 그 배치에 관하여 설명한다.

제1 극판(20)과 제2 극판(40) 중에 적어도 하나의 극판(20, 40)은 기판(10)의 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 4개 이상의 복수로 배열된다. 즉, 제1 극 판(20)과 제2 극판(40)은 모두 4개 이상의 복수로 상하 쌍을 이루어 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 배치되거나, 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 중 어느 하나의 극판은 4개 이상의 복수이고 다른 하나의 극판은 전체의 테두리(11)를 따라 적층된 단수의 극판이다. 그러나 상기 단수의 극판은 반드시 1개일 필요는 없고 예를 들어 2-3개의 다수로 분할할 수도 있다.

도3의 A는 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 모두가 4개 이상의 복수로 형성된 예이고, 도3의 B와 C는 제1 극판(20)은 단수이고 제2 극판(40)이 4개 이상의 복수인 예이다.

양자의 극판(20, 40) 모두가 일대일로 쌍을 이루는 복수의 극판인 경우(도1 및 도3의 A)에 상하 중첩되는 쌍을 이루는 상하의 극판이 하나의 센싱포인트(S)를 형성하고, 일측 극판이 복수이고 타측 극판이 단수인 경우(도3의 B) 복수의 극판 위치가 각각의 센싱포인트(S)를 형성하게 된다. 이들 상하 극판들은 예를 들어 매트릭스 회로 등을 통해 회로부에 연결되어 처리된다.

도1에 도시된 제1 구체예에 있어서는 테두리(11)의 4개의 코너와 4개의 변에 각각 제1 극판(20)과 제2 극판(40)을 배열하여 총 8쌍의 극판을 배치한 예를 도시한 것이다.

복수인 극판의 개수를 4개 이상으로 한 것은 이들 극판이 위치하는 센싱포인트(S)로부터 측정되는 4개 이상의 정전용량 변화량들로부터 터치위치와 터치압력의 크기를 검출하기 위한 것이다.

복수의 극판의 개수가 3개 이하일 경우 센싱포인트(S)의 개수가 적어 정전용 량 변화량 패턴이 단순하여 터치위치와 터치압력의 크기를 검출하기 어려울 수 있어 바람직하지 않고, 지나치게 많은 경우에는 센싱포인트(S)의 개수가 많아 정전용량 변화량 패턴이 지나치게 복잡하여 연산이 어려워지는 문제가 있다.

탄성스페이서(30)는 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 사이의 탄성적 거리변화를 일으키는 작용을 하면 족하므로, 4개 이상인 복수의 극판(30 또는 40)마다 하나씩의 독립되게 적층할 수도 있고, 또는 전체의 테두리(11)를 따라 단수로 적층할 수도 있다. 탄성스페이서(30)를 단수로 할 경우 반드시 1개일 필요는 없고 예를 들어 2-3개의 다수로 분할할 수도 있다.

도3의 A와 B는 극판(20, 40) 사이마다 개별적으로 탄성스페이서(30)를 적층한 예이고, 도3의 C는 기판(10)의 테두리(11)를 따라 단수의 탄성스페이서(30)를 적층한 예이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 구체예의 터치스크린(1A)은 기판(10)이 링형 또는 투명 전판으로 되어 있고, 그 위에 적층되는 제1 및 제2 극판(20, 40) 및 탄성스페이서(30)가 기판(10)의 테두리(11)에만 배치되고, 그 위에 투명터치패널(50)이 적용됨으로써, 기판의 테두리(11)의 내부영역(도2에서 점선 내부 영역)이 터치영역이 되므로, 터치영역에서의 투명도가 매우 우수하여 아래에 적층된 표시장치의 표시내용에 대한 선명도가 매우 양호하다.

2. 제2 구체예

이하, 도5를 참조하여 본 발명에 따른 제2 구체예의 터치스크린(1B)을 설명 한다. 제2 구체예의 터치스크린(1B)도 기판(10), 제1 극판(20), 탄성스페이서(30), 제2 극판(40) 및 투명터치패널(50)을 포함하는 구성으로 이루어지는 바, 이하에서는 제1 구체예와 다른 점에 대해서만 설명한다.

제1 구체예의 터치스크린(1A)은 제1 극판(20)과 제2 극판(40)이 탄성스페이서(30)에 접하면서 상하에 적층된 상태로 기판(10)의 테두리(11)에 배열된 구조인 반면, 제2 구체예의 터치스크린(1B)은 탄성스페이스(30)가 기판(10)과 투명터치패널(50) 사이에 일정 높이로 적층되는 한편, 제1 극판(20)과 제2 극판(40)은 일정 거리(d) 이격된 상태로 탄성스페이스(30)로부터 벗어나서 각각 기판(10)의 테두리(11)의 상면과 투명터치패널(50)의 저면에 접합된 상태로 기판(10)의 테두리(11)에 배열된 구조이다. 제2 구체예에서는 탄성스페이서(30)가 탄성적 거리변화를 일으키는 작용만 하고, 상하 극판 사이에 존재하는 공기가 유전체로서 작용한다.

제2 구체예에 있어서도, 투명터치패널(50)을 가압하면 탄성스페이서(30)가 압력에 의해 수축하면서 탄성스페이서(30)에 인접한 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 가변되고, 이런 거리(d)의 변화에 따라 각 센싱포인트(S)들에서 정전용량의 변화가 발생하게 된다.

제2 구체예에 있어서도, 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 중에 적어도 하나의 극판(20, 40)은 기판(10)의 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 4개 이상의 복수로 배열되고, 탄성스페이서(30)는 4개 이상인 복수의 극판(30 또는 40)마다 하나씩의 독립되게 적층할 수도 있고, 전체의 테두리(11)를 따라 단수로 적층할 수도 있다.

3. 제3 구체예

이하, 도6을 참조하여 본 발명에 따른 제3 구체예의 터치스크린(1C)을 설명한다. 본 구체예의 터치스크린(1C)도 기본적으로 기판(10), 제1 극판(20), 탄성스페이서(30), 제2 극판(40) 및 투명터치패널(50)을 포함하는 구성으로 이루어지는 바, 이하에서는 제1 및 제2 구체예와 다른 점에 대해서만 설명한다.

제3 구체예의 터치스크린(1C)은, 그 기본적인 구성과 작용은 제1 및 제2 구체예와 동일하지만, 탄성스페이서(30)를 제1 탄성스페이서(30a)와 제2 탄성스페이서(30b)의 이중구조로 하고 이에 대응하여 제2 극판(40)을 상하 한쌍의 이중구조로 배치한 점에서만 차이가 있다.

즉, 제3 구체예의 터치스크린(1C)은 기판(10)의 테두리(11)의 상면에 제1 탄성스페이서(30a)가 적층되고, 제1 탄성스페이서(30a)의 상면에 제1 극판(20)이 적층되고, 제1 극판(20)의 상면에 다시 제2 탄성스페이서(30b)가 적층되고, 제2 탄성스페이서(30b)의 상면에 기판(10)의 전면을 커버하도록 투명터치패널(50)이 적층되는 한편, 기판(10)의 테두리(11)의 상면과 투명터치패널(50)의 저면에 제1 극판(20)과 일정 간격 이격되게 한쌍의 제2 극판(40)이 적층된 이중 구조이다.

도6에 도시된 구체예의 터치스크린(1C)은, 제1 극판(20)이 제1 탄성스페이서(30a)의 상면에 적층하되 제1 탄성스페이서(30a)의 면적을 초과하는 넓이로 적층하고, 제2 탄성스페이서(30b)를 제1 극판(20) 위에 적층하되 제1 극판(20)의 초과부위(21) 위에 적층하고, 기판(10)의 테두리(11)의 상면과 투명터치패널(50)의 저면에 제2 극판(40)을 각각 적층한 이중 구조가 예시되어 있지만, 기판의 테두 리(11) 위에 제2 극판(40)을 적층하고, 제2 극판(40) 위에 제1 탄성스페이서(30a), 제1 극판(20), 제2 탄성스페이서(30b), 제2 극판(40) 및 투명터치패널(50)을 차례로 적층한 이중구조도 적용할 수 있음은 당연하다.

제3 구체예에 있어서도, 투명터치패널(50)을 터치하면 탄성스페이서(30a, 30b)가 터치압력에 의해 수축하면서 탄성스페이서(30a, 30b) 사이의 제1 극판(20)과 그 상하의 한쌍의 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 가변(줄어들게) 되고, 이런 거리의 변화에 따라 각 센싱포인트(S)들에서 정전용량의 변화가 발생하게 된다.

또한 제3 구체예에 있어서도, 제1 극판(20)과 제2 극판(40) 중에 적어도 하나의 극판(20, 40)은 기판(10)의 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 4개 이상의 복수로 배열되고, 탄성스페이서(30a, 30b)는 4개 이상인 복수의 극판(30 또는 40)마다 하나씩의 독립되게 적층할 수도 있고, 기판(10)의 테두리(11) 전체를 커버하도록 단수로 적층할 수 있다.

이중구조인 본 구체예의 터치스크린(1C)은 각각의 센싱포인트(S)에 대해 상하 2개의 정전용량 변화량을 측정할 수 있어 검출 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

4. 터치위치 및 터치압력 크기의 계산

이하, 도8과 도9를 참조하여 본 발명에 따른 터치스크린(1)에서 터치위치와 터치압력의 크기를 계산하는 원리에 대해 설명한다.

도8은 기판(10)의 테두리(11)의 4개의 코너에 각각 제1 극판(20), 탄성스페 이서(30) 및 제2 극판(40)의 적층하여 4개의 코너가 센싱포인트(S)가 되게 한 터치스크린의 예이고, 도9는 기판의 테두리(11)의 4개의 변 중간에 각각 제1 극판(20), 탄성스페이서(30) 및 제2 극판(40)의 적층하여 4개의 변이 센싱포인트(S)가 되게 한 터치스크린의 예이다.

도8과 도9에서 F는 특정 터치포인트(P)에 가해진 압력의 크기, L은 터치스크린(1)의 가로 길이, N은 터치스크린(1)의 세로길이를 나타내며, 해당 터치포인트(P)에 F의 압력이 가해질 때, 각각의 센싱포인트(S)에서 측정되는 압력의 크기를 각각 f1, f2, f3 및 f4 이다. 좌표의 원점은 도8에서는 좌하의 코너이고, 도9에서는 좌측변의 중심으로 설정하였다.

뉴턴의 운동법칙에 의하면 움직이지 않은 강체에 작용하는 모든 힘의 벡터의 합과 모멘트(M)의 벡터의 합은 각각 0인바, 터치스크린(1)에 F의 힘을 가할 때 터치스크린은 실질적으로 움직이거나 회전하지 아니하므로 ΣF와 ΣM은 0이다.

도8과 같이 좌표축을 설정할 경우, 전체의 힘(F)의 합은 0이고, X축과 Y축 방향으로는 힘이 존재하지 않으므로 ΣFx=0 및 ΣFy=0이고, Z축에서 누르는 압력 F와 각 센싱포인트(S)에서 측정되는 반대방향의 압력의 크기 f1, f2, f3 및 f4의 합은 같으므로, ΣFz=0에서 F=f1+f2+f3+f4 (식1)가 된다.

전체 모멘트 합은 0에서, Z축으로는 회전 모멘트가 없으므로 ΣMz=0이다.

X축을 중심으로 회전시키는 모멘트는, 힘 f2와 f3이 거리 N만큼 떨어진 곳에서 각각 N·f2 와 N·f3의 크기로 반시계 방향으로 작용하고 있고, 힘 F가 거리 y 만큼 떨어진 위치에서 y·F의 크기로 시계방향으로 작용하므로,

ΣMx=0에서 -y·F + N·f2 + N·f3 = 0 이므로 y는 N( f2 + f3 )/F (식2)가 된다.

y축을 중심으로 회전시키는 모멘트는 힘 f3와 f4가 거리 L만큼 떨어진 곳에서 각각 L·f2와 L·f3 의 크기로 반시계 방향으로 작용하고 있고, 힘 F가 거리 x 만큼 떨어진 위치에서 x·F 의 크기로 시계방향으로 작용하고 있다.

따라서 ΣMy=0에서 x·F - L·f3 - L·f4 = 0이므로, x = L( f3 + f4 )/F (식3)가 된다.

결국, 각각의 센싱포인트(S)들에서 측정된 f1, f2, f3, f4를 알고 있으면, 위 식1에서 터치압력의 크기를 알 수 있고, 식2와 식3에서 좌표를 구할 수 있다.

도9와 같이 좌표축을 설정할 경우 도8의 설명과 동일하게 적용하면, X축과 Y축의 방향으로는 힘이 존재하지 아니하고 ΣFz=0에서 F=f1+f2+f3+f4 (식4)이다.

X축을 중심으로 회전시키는 모멘트는 힘 f2가 N/2 떨어진 곳에서는 N · f2/2의 크기로 반시계 방향으로, 힘 f4는 N/2 떨어진 곳에서 N·f4/2의 크기로 시계방향으로 작용하고 있고, y 떨어진 위치에서 힘 F가 시계방향으로 y·F의 크기로 작용하므로(f1과 f3은 X축 위에 존재하므로 모멘트를 발생시키지 않음),

ΣMx=0에서, -y·F + N·f2/2 - N·f4/2 = 0이므로, y=N·( f2 - f4 )/2F (식 5)가 된다.

마찬가지로 Y축을 중심으로 회전시키는 모멘트는 힘 f2와 f4가 거리 L/2만큼 떨어진 곳에서 각각 L·f2/2와 L·f4/2의 크기로 반시계 방향으로 작용하고 있고, L 만큼 떨어진 위치에서 L·f3의 크기로 반시계 방향으로 작용하고 있고, 또한 힘 F가 거리 x만큼 떨어진 위치에서 x·F 의 크기로 시계방향으로 작용하고 있으므로, ΣMy=0에서, x·F - L·f2/2 - L·f4/2 - L·f3 = 0 이므로, x=L( f2 +2 f3 + f4 )/2F (식 6) 가 된다.

따라서 도8에서와 마찬가지로 센싱포인트(S)들에서 f1, f2, f3, f4를 각각 알고 있으면, 식4에서 터치압력의 크기를 구할 수 있고, 식5와 식6에서 좌표를 구할 수 있다.

상기 도8과 도9의 경우의 예에서 좌표축을 어느 위치에 설정하더라도 같은 방법을 적용하면 된다. 상기와 같이 설정한 임의의 좌표축에 대하여 추출한 결과치는 사용자가 원하는 다른 좌표축에 대해 좌표변환을 통하여 사용할 수 있다.

도8과 도9는 상기 복수의 극판(즉, 센싱포인트)이 4개인 경우를 예시한 것이며, 4개 이상 복수의 센싱포인트에 대해서도 마찬가지의 원리로 터치위치와 터치압력의 크기를 계산할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 특정 터치포인트(P)에 가해진 특정 크기의 압력(F)에 대해, 각 센싱포인트(S)에서의 정전용량의 변화를 측정할 수 있고, 이런 정전용량의 변화량은 터치위치와 터치압력의 크기에 따라 다르게 되므로, 정전용량의 변화량과 터치위치 및 터치압력의 크기에 관한 관계로부터 터치위치(좌표)와 터치압력의 크기를 계산할 수 있다.

본 발명의 터치스크린(1)에 의해 얻어진 터치위치 데이터와 터치압력크기 데이터는 입력신호를 생성하는 것에 다양하게 활용할 수 있으며, 특히 종래의 정전용 량식 터치스크린에서는 획득할 수 없는 터치압력크기 데이터를, 이를 활용할 수 있는 적절한 소프트웨어와 접목하면 종래 터치스크린에서는 실현할 수 없었던 다양한 입력신호를 생성할 수 있다.

본 발명에 따른 터치스크린의 활용을 예를 들어 설명하면, MP3 곡목을 선택하기 위해 스크롤 기능의 가속키를 작동할 때 종래에는 스크롤바가 지속적으로 눌려지고 있는 시간을 측정하여 가속키 입력신호를 생성할 수밖에 없었지만, 본 발명에 의하면 압력의 크기를 활용하여 누르는 압력의 세기에 따라 가속키 입력신호를 생성할 수 있다.

다른 예로서 각종 게임 콘텐츠에 본 발명의 터치스크린을 활용할 경우, 터치압력의 크기에 따라 힘을 시뮬레이션 하는 게임에 직접 활용할 수 있을 뿐 아니라 변화하는 정도를 표현하거나 조절하는 곳에도 사용 가능하다. 예를 들어 격투기 게임의 경우 압력의 크기에 따라 타격의 크기를 전달할 수 있고 골프게임의 경우 타구의 세기를 사용자가 누르는 힘에 비례하여 제어되도록 할 수 있다. 또한 스포츠 오락게임기에서 예를 들어 점프하는 작동 역시 압력의 크기에 따라 점프는 높낮이를 현실성 있게 구현할 수 있다.

또 다른 예로서, 휴대전화기의 키패드에서와 같이 키입력에 적용된 종래의 터치스크린에서는 하나의 키가 한두 가지 기능 밖에 할 수 없었으나, 본 발명에 의하면 하나의 키로 사용자가 누르는 힘의 세기에 따라 다양한 입력신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 터치스크린을 적용한 휴대전화기의 숫자키는 숫자입력 기능 외에도 해당 숫자를 누르는 힘의 크기에 따라 다른 작동을 입력하도록 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 터치스크린(1)의 전체 형상이 사각형인 예를 설명하였으나, 그 형상은 원형 등 다른 형상으로 형성할 수도 있음은 당연하다.

도1은 본 발명에 따른 제1 구체예의 터치스크린의 개략 분해사시도,

도2는 도1의 개략 평면도,

도3은 도1의 개략 정면도,

도4는 도1의 개략 부분단면도,

도5는 본 발명에 따른 제2 구체예의 터치스크린의 개략 부분단면도,

도6은 본 발명에 따른 제3 구체예의 터치스크린의 개략 부분단면도,

도7은 다른 예의 탄성스페이서가 적용된 본 발명에 따른 터치스크린의 개략 부분단면도,

도8과 도9는 본 발명에 따른 터치스크린의 터치위치와 압력을 검출하는 원리를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 1A, 1B, 1C: 본 발명의 터치스크린 10: 기판

11: 테두리 20: 제1 극판

30, 30a, 30b, 30c, 30d: 탄성스페이서 40: 제2 극판

50: 투명터치패널 S: 센싱포인트

Claims

테두리(11)를 제외하고 내부가 관통된 링형의 판이나 투명 전판으로 이루어진 기판(10);

상기 기판(10)의 테두리(11)의 상면에 적층된 제1 극판(20);

상기 제1 극판(20)의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변되는 탄성스페이서(30);

상기 탄성스페이서(30) 상면에 적층된 제2 극판(40);

상기 제2 극판(40)의 상면에 상기 기판(10)의 전면을 커버하도록 적층된 투명터치패널(50); 을 포함하고:

상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 중에 적어도 하나의 극판(20, 40)은 상기 기판(10)의 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 배열된 4개 이상의 복수의 극판으로 구성되며;

상기 투명터치패널(50)의 소정 위치가 터치되어 압력이 가해지면 상기 탄성스페이서(30)의 복원 가능한 탄성적 높이 변화로 상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 변화하여 상기 4개 이상의 복수의 극판(20 또는 40)의 위치에 대응하는 센싱포인트(S)들에서 정전용량이 변화하고, 상기 센싱포인트(S)들에 대해 측정된 정전용량의 변화량들로부터 터치위치와 터치압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 터치스크린.
테두리(11)를 제외하고 내부가 관통된 링형의 판이나 투명 전판으로 이루어진 기판(10);

상기 기판(10)의 테두리(11)의 상면에 적층된 제1 극판(20);

상기 기판(10)의 테두리(11)의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변되는 탄성스페이서(30);

상기 탄성스페이서(30)의 상면에 상기 기판(10)의 전면을 커버하도록 적층된 투명터치패널(50); 및

상기 투명터치패널(50)의 저면에 상기 제1 극판(20)과 일정 간격 이격되어 적층된 제2 극판(40); 을 포함하고;

상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 중에 적어도 하나의 극판(20, 40)은 상기 기판(10)의 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 배열된 4개 이상의 복수의 극판으로 구성되며;

상기 투명터치패널(50)의 소정 위치가 터치되어 압력이 가해지면 상기 탄성스페이서(30)의 복원 가능한 탄성적 높이 변화로 상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 변화하여 상기 4개 이상의 복수의 극판(20 또는 40)의 위치에 대응하는 센싱포인트(S)들에서 정전용량이 변화하고, 상기 센싱포인트(S)들에 대해 측정된 정전용량의 변화량들로부터 터치위치와 터치압력을 검출하는 것을 특징으로 하는, 정전용량식 터치스크린.
테두리(11)를 제외하고 내부가 관통된 링형의 판이나 투명 전판으로 이루어 진 기판(10);

상기 기판(10)의 테두리(11)의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변되는 제1 탄성스페이서(30a);

상기 제1 탄성스페이서(30a)의 상면에 적층된 제1 극판(20);

상기 제1 극판(20)의 상면에 적층되고 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변되는 제2 탄성스페이서(30b);

상기 제2 탄성스페이서(30b)의 상면에 상기 기판(10)의 전면을 커버하도록 적층된 투명터치패널(50); 및

상기 기판(10)의 테두리(11)의 상면과 상기 투명터치패널(50)의 저면에 상기 제1 극판(20)과 일정 간격 이격되어 각각 적층된 한쌍의 제2 극판(40); 을 포함하고;

상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 중에 적어도 하나의 극판(20, 40)은 상기 기판(10)의 테두리(11)를 따라 일정 간격으로 배열된 4개 이상의 복수의 극판으로 구성되며;

상기 투명터치패널(50)의 소정 위치가 터치되어 압력이 가해지면 상기 탄성스페이서(30a, 30b)의 복원 가능한 탄성적 높이 변화로 상기 제1 극판(20)과 상기 제2 극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 변화하여 상기 4개 이상의 복수의 극판(20 또는 40)의 위치에 대응하는 센싱포인트(S)들에서 정전용량이 변화하고, 상기 센싱포인트(S)들에 대해 측정된 정전용량의 변화량들로부터 터치위치와 터치압력을 검출하는 것을 특징으로 하는, 정전용량식 터치스크린.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성스페이서(30, 30a, 30b)는 외부 압력에 의해 복원 가능하게 높이가 가변되는 일정 형상의 탄성합성수지, 스프링(30c) 또는 원위치로의 복원성을 가진 힌지구조(30d)인 것을 특징으로 하는, 정전용량식 터치스크린.