KR20050100625A - 접촉 감지 디스플레이 디바이스 - Google Patents

접촉 감지 디스플레이 디바이스 Download PDF

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베르켈 세스 반
피터 에이 시르켈
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Abstract

본 발명의 접촉 감지 디스플레이(touch sensitive display)는 2개의 광학층(optical layers)(14, 15, 16) 사이, 또는 기판(11, 12)과 다른 광학층(14, 15, 16) 사이에 접촉 감지층(touch sensitive layer)(19)을 포함하는 것에 의해 이루어진다.

Description

접촉 감지 디스플레이 디바이스{TOUCH SENSITIVE DISPLAY DEVICE}
본 발명은 다수의 화소(picture elements)와, 상기 화소에 구동 전압을 인가하는 수단을 포함하는 접촉 감지 디스플레이 디바이스(touch sensitive display device)에 관한 것이다.
예를 들면, 디스플레이 디바이스는 액정 디스플레이 디바이스(liquid crystal display device)이다. 액정 디스플레이 디바이스는 이동 전화기 및 가격표(price tags)로부터 팜탑 컴퓨터(palm top computer) 및 오거나이저(organizers)까지 이르는 컴퓨터 산업 및 휴대용 디바이스 분야에서 광범위하게 이용되는 것으로 확인되었다. 또한, 스타일러스(stylus) 등과 같은 접촉 디바이스(touching device)와의 조합도 광범위한 적용 분야를 갖는 것으로 확인되었으나, 디스플레이 스크린을 통해 입력을 제공하는 방법에 대한 필요성도 제기되었다.
USP 5,777,596은 손가락, 스타일러스 또는 펜으로 디스플레이 스크린을 단순히 접촉함으로써 연결된 디바이스(예를 들면, 컴퓨터 등)에 입력을 제공할 수 있는 접촉 감지 액정 디스플레이 디바이스에 대해 개시한다. 이러한 디바이스는 연속적으로 액정 디스플레이 소자(화소)의 충전 시간(charge time)을 기준값과 비교하고, 해당 비교 결과를 이용하여 어떤 소자가 접촉되었는지를 판정한다.
상기 접촉 감지 액정 디스플레이 디바이스에서의 문제점 중의 하나는 감지 이후에 올바른 이미지를 복원(restoring)하는 데 있다. 이는 2개의 극단적인 상태 사이에서, 하나의 행 내의 모든 화소의 스위칭을 나타내는 블링킹 라인(blinking line)이 이용된다는 사실에 기인한 것이다. 이러한 블링킹 라인이 소정 행에 도달했을 때, 화소의 충전 시간을 측정함으로써 접촉을 검출한다. 측정 이후에, 화소는 적절한 전압을 제공받아서 정확한 이미지를 디스플레이한다. 유사한 방식으로, 블링킹 스팟(blinking spot)을 이용하여 감지하는 방식은 USP 5,777,596에 개시되어 있다. 그러나 이러한 블링킹(blinking)은 디스플레이 상에서 (아티팩트(artifacts)로서) 가시화된다.
또한, 반사형 디스플레이 디바이스가 사용된다면, 내부 DC 바이어스 전압(internal DC bias voltages)이 존재하여 홀수 또는 짝수 프레임을 기록하기 위한 전하(charging)가 서로 다를 수 있다. DC 구동 방법(저 전력 액정 디스플레이, 전기 영동(electrophoretic) 디스플레이)에서는 반전(inversion)이 발생되지 않기 때문에 이러한 경우에 해당 방법은 절대로 이용될 수 없다.
블링킹 신호(blinking signals)를 제공하는 것에 대한 문제점은, 스페이싱 수단(스페이서(spacer))을 화소의 전기적 특성을 모니터링하는 상기 수단의 일부분이 되게 함으로써 극복 가능하다. 상기 전기적 특성은 용량성(capacitive), (비선형) 저항 또는 압전(piezo-electric) 특성일 수 있다. 그러나, 국부적으로 더 얇은 스페이서가 전혀 압력을 받지 않게 될 수 있기 때문에 예를 들면 (비선형) 저항기를 동일 높이의 스페이서로 구성하여, 디스플레이가 압력을 받을 때 전기적 컨택트가 생성되도록 보장할 필요가 있다. 이러한 공정은 복잡할 것이고, 디스플레이 상의 모든 지점에서 접촉 감지가 언제나 효과적이지는 않게 될 것이다.
도 1은 접촉 감지 (액정) 디스플레이 디바이스를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 접촉 감지 (액정) 디스플레이 디바이스의 일부분에 대한 단면도를 도시하는 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 접촉 감지 (액정) 디스플레이 디바이스의 접촉에 대한 좌표를 판정하는 원리를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 접촉 감지 (액정) 디스플레이 디바이스의 다른 실시예를 도시하는 도면.
특히 본 발명의 목적은 이러한 결함을 극복하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 접촉 감지 디스플레이 디바이스는 접촉 감지 재료층을 포함하는데, 이러한 접촉 감지 디스플레이 디바이스는 상기 접촉 감지 재료층의 전기적 특성을 모니터링하고, 상기 전기적 특성의 변동을 감지하는 수단을 구비한다.
압력 감지 특성(예를 들면 양자 터널링 복합체(quantum-tunneling composites) 또는 압저항층(piezoresistive layer) 등에 의해 구현될 수 있는 비선형 저항)을 갖는 층을 디스플레이 구조물 내에 통합시키는 것에 의해서, 디스플레이 구조물이 자체적으로 고유한 접촉 감지 특성을 갖게 된다.
이러한 방식으로, 구조화된 스페이서의 필요성이 회피되는 한편, 전체 디스플레이 영역이 접촉 감지 특성을 갖게 되는 것에 의해, 접촉 감응성이 증가되고, 이러한 접촉 감지 디스플레이가 플렉서블 디스플레이(flexible display) 및 착용식 디스플레이 분야에서도 적용될 수 있게 된다. 또한, 압력 감지층이 디스플레이 셀의 전면(front)에 존재하는 2개의 광학 필름(위상차판(retardation film), 편광 필름(polarizer film) 등) 사이에 개재되거나, 디스플레이 셀과 이러한 광학층 중의 하나의 사이에 개재될 때, 디바이스의 전면에서 공기-기판 계면에 기인하여 발생되는 전면의 스크린 성능(광을 굴절 및 반사시킴)의 저하(deteriorating)를 방지한다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 이하에서 설명되는 실시예를 참조함으로써 명확해지고 명백해질 것이다.
이러한 도면들은 개략적이고, 실제 축적대로 도시되지 않았다. 대응하는 구성 요소들은 일반적으로 동일한 참조 번호로 표시되었다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 접촉 감지 디스플레이 디바이스(1)의 일부분에 대한 전기적 등가 회로도이다. 하나의 가능한 실시예(하나의 구동 모드로서, "패시브 모드(passive mode)"로 지칭됨)에서, 이것은 행 또는 선택 전극(7) 및 열 또는 데이터 전극(6)의 교차 영역에 의해 정의되는 화소 매트릭스(8)를 포함한다. 행 전극은 열 드라이버(4)에 의해 연속적으로 선택되고, 열 전극은 데이터 레지스터(5)를 통해 데이터를 공급받는다. 이를 위하여, 입력되는 데이터(2)는 먼저 (필요한 경우에) 프로세서(processor)(3)에서 처리된다. 행 드라이버(4)와 데이터 레지스터(5) 사이의 상호 동기화(mutual synchronization)는 드라이브 라인(drive lines)(9)에 의해 이루어진다.
다른 가능한 실시예(다른 구동 모드로서, "액티브 모드(active mode)"로 지칭됨)에서, 행 드라이버(4)로부터의 신호는 박막 트랜지스터(thin-film transistors)(TFT)(10)를 통해 화상 전극(picture electrodes)을 선택하는데, TFT(10)의 게이트 전극은 행 전극(7)에 전기적으로 접속되고, 소스 전극은 열 전극에 전기적으로 접속된다. 열 전극(6)에서 존재하는 신호는 TFT를 통해서 드레인 전극에 접속된 화소(8)의 화상 전극에 전달된다. 다른 화상 전극은 예를 들면, 하나의 (하나 이상의) 공통 카운터 전극(common counter electrode)(들)에 접속된다. 도 1에서는, 단지 예로서 오로지 하나의 박막 트랜지스터(TFT)(10)만이 도시되어 있다.
도 2는 하부 기판(11) 및 상부 기판(12)을 구비하고, 상기 기판들 사이에 액정층(13)을 갖는 접촉 감지 액정 디바이스의 일부분에 대한 단면도를 도시한다. 접촉 감지 액정 디바이스는 하부 기판(11) 및 다른 기판(12) 상에 (도시되지 않은) 화상 전극을 구비한다. 이 예에서의 디스플레이 디바이스는 편광기(polarizer)(14), 분석기(analyzer)(15) 및 백라이트 구조물(backlight structure)(18)을 더 포함하고, 또한 이러한 특별한 예에서는 예를 들면 1/4·λ 플레이트(quarter-lambda plate) 및 보호층(17) 등과 같은 다른 광학층(16)을 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 압력 감지 특성을 갖는 구조물 또는 층(19)이 제공되는데, 이러한 특정 예에서는 하부 기판(11)과 편광기(14) 사이에 제공된다. 이 예에서의 압력 감지 구조물 또는 층(19)은 2개의 투명 도전층(transparent conducting layers)(20)(예를 들면 ITO(indium tin oxide) 등) 사이의 스페이서 입자(spacer particles)(21)와 함께 압력 감지 입자(pressure sensitive structure)(22)를 구비한다.
압력 감지 입자(22)용으로 사용하기에 적합한 재료의 부류는 양자 터널링 복합체(Quantum Tunneling Composites)(QTC)로 형성된다. QTC는 그 구조물 내에 증착된 도전 입자를 갖는 폴리머 복합체(polymer composite)이다. 도전 입자는 덴드라이트(dendrites)를 갖는다. 이러한 입자는 이격되고, 물리적 도전 경로를 형성하지 않는다. 그러나, 이러한 재료에 대한 인장 변형(tensile strain) 또는 압축 변형(compressive strain)은 이러한 입자들이 서로 가까워질 수 있게 한다. 입자의 공간 분리는 덴드라이트의 존재에 의해 감소된다. 소정의 하중 인가점(loading point)에서, 입자들의 공간적 분리는 하나의 입자로부터의 전자가 덴드라이트를 통해 다른 입자로 점프(jump)할 수 있게 될 정도로 가까워진다. 그러나, 2개의 서로 다른 입자로부터의 덴드라이트는 여전히 서로 접촉되지 않는다. 전자의 양자 터널링 작용(quantum tunneling act)은 재료 전체의 저항이 급격히 감소되게 한다. 이러한 비선형 작용은 재료의 저항을 1012로부터 10-1Ω으로 급격히 변동시키는 천이점(transition point)이 생성되게 한다.
따라서, QTC는 압력/힘 감지 스위칭 재료(pressure/force sensitive switching material)이고, 그 스위칭 특징은 기계적 스위치(mechanical switch)와 동등하다. 또한, 이것은 서로 다른 형상으로 몰딩(moulded)될 수 있고, 다른 폴리머와 혼합될 수 있다.
이러한 예에서, 2개의 투명 도전층(20) 사이에는 정규 폴리머 비도전성 구형 스페이서(normal polymer non-conducting spherical spacer)(21)와 압력/힘 감지(QTC) 스페이서(22)의 혼합체가 제공되어 있다. 정규 폴리머 스페이서(21)는 QTC 스페이서(22)가 오버로딩(overloaded)되고, 가소성(plasticity)을 갖지 않도록 방지한다. 정규 폴리머 스페이서의 다른 기능은 상부층과 하부층(20) 사이에 단락(shorting)이 발생되지 않게 하는 것이다. QTC 스페이서(22)의 직경은 정규 폴리머 스페이서(21)의 크기보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
다른 한편으로, 감지층은 압축 가능 접합 재료(compressible bonding material)의 혼합물일 수 있는데, 압축 가능 실리콘 고무층의 두께보다 더 작은 직경을 갖는 도전성 구형 스페이서와 혼합된 실리콘 고무(silicone rubber) 등이 될 수 있다.
따라서, 이 예에서의 구조물 또는 층(19)은 본질적으로 접촉 감지 특성을 갖게 된다. 이는 도 3(a)에 도시되어 있는데, 도 3(a)은 가변 저항기(variable resistor)(23)를 이용하는 압력 감지 구조물 또는 층(19)의 전기적 등가 회로도이다. 도 3 및 도 4는 상부 전극과 하부 전극 사이의 임피던스(impedance)를 모니터링하는 방법을 도시한다.
압력이 인가되지 않을 때, 상부 전극과 하부 전극 사이의 임피던스는 무한대에 가깝게 되고, 전압원(25)의 Vread는 도 3(a)에 도시된 바와 같이 거의 0에 근접하도록 선택된다.
압력 감지 구조물 또는 층(19)에 접촉하면, 저항의 급격한 감소가 접촉 동작을 표시한다. 압력의 크기는 압력 감지 구조물 또는 층(19)의 임피던스를 측정함으로써 결정된다. 상기 저항은 이고, 여기에서 Read는 판독 저항기이며, 도 3에는 저항기(26)로 표시되어 있다.
다음에 감지 시스템은 전극(20) 중의 하나를 탐침(probe)으로서 이용함으로써 x y 좌표를 검출하도록 진행될 수 있다. 도 3(b) 및 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 전압(Vs)은 직접적으로 또는 상호 절연형 저 임피던스 스트립(low impedance strips)(24)(금속 스트립 등)을 통해 전극(20)의 에지에 인가된다. 한 방향(y)에서, 화소가 높이(H)를 가진다면, y 위치는 에 의해 주어지고, 여기에서 VT는 접촉 시에 QTC 스페이서층의 전압이다. 다른 한편으로 이면, 가 된다.
유사한 방식으로, 다른 방향(x)에서 화소가 폭(W)을 가진다면 x 위치는 에 의해 주어진다.
감지 시스템은 캘리브레이션 단계(calibration step)(31)(도 4)로 개시되고, 여기에서 Vs의 값을 캘리브레이션한다(예를 들면, Vs(0, H), Vs(W,0) 및 Vs(0,0), 여기에서 Vs(0,0)는 일반적으로 접지됨). 다음에, 감지 시스템은, 필요하다면 온(ON)으로 스위칭(단계(32))된 후에, 접촉 검출 모드(단계(33))로 진행된다. 다음에 감지 시스템은 전극(20) 중의 하나를 탐침으로 이용함으로써 x-y 좌표를 검출하는 단계로 진행된다. 접촉 동작의 표시는 압력의 크기를 측정함으로써 결정된다(예를 들면, 압력 감지 구조물 또는 층(19)의 임피던스를 측정함으로써 이루어짐. 도 3(a) 참조). 소정 크기의 압력(일종의 임계값으로서, 필요하다면 단계(34)에서 조정될 수 있음)이 존재한다면, 감지 시스템은 도 3(b) 및 도 3(c)의 방법을 이용하여 x y 좌표를 검출하는 단계(단계(36))로 진행된 다음, 접촉 검출 모드로 되돌아갈 수 있다(화살표(37)). 만약 너무 작은 크기의 압력이 존재한다면, 감지 시스템은 즉시 접촉 검출 모드로 되돌아간다(화살표(35)).
도 5에 도시된 바와 같이, 압력 감지층은 또한 디스플레이 디바이스의 전면에 있는 2개의 광학 필름(이 경우에는 위상차판(retardation film)(16) 및 편광기(15)이지만, 미러층, 반사층 및 반투과반사층 등과 같은 다른 종류의 광학 필름도 가능함) 사이에 존재할 수 있다. 또한, 압력 감지층은 디스플레이 디바이스의 기판(13)과 이러한 광학층 중의 하나 사이에도 존재할 수 있다. 이러한 경우에 디스플레이 셀의 전면에는 추가적인 필름이 사용되지 않고, 스크린의 전면에서 광을 굴절 및 반사시키는 공기-기판 계면의 개수가 감소된다.
본 발명의 보호되는 범주는 설명된 실시예로 한정되지 않으며, 본 발명은 또한 다른 디스플레이 디바이스, 예를 들면, 발광성(emissive), 일렉트로크롬(electrochromic) 및 전기 습윤(electrowetting) 디스플레이 등에도 적용될 수 있다. 다른 한편으로, 도 2에 도시된 바와 같은 정규 폴리머 스페이서(21)가 언제나 존재해야 할 필요는 없다.
그 대신에, 플렉서블 기판(flexible substrate)(합성 재료)이 사용될 수 있다(착용식 디스플레이, 착용식 전자 제품).
본 발명은 각각의 모든 새로운 특징적 피처 및 각각의 모든 특징적 피처의 조합을 포함한다. 청구항 내의 참조 부호는 그 보호받는 범주를 제한하지 않는다. "포함한다"라는 단어 및 그 파생어는 청구항 내에 언급된 구성 요소 이외의 다른 구성 요소의 존재를 배제하지 않는다. 단수로 표현된 구성 요소는 이러한 구성 요소가 복수 개 존재하는 것을 배제하지 않는다.

Claims (7)

  1. 다수의 화소(picture elements)(8)와, 상기 화소에 구동 전압을 인가하는 수단(3, 4, 5)을 구비하는 접촉 감지 디스플레이 디바이스(touch sensitive display device)(1)로서,
    접촉 감지 재료층(19)과,
    상기 접촉 감지 재료층의 전기적 특성을 모니터링하고, 상기 전기적 특성의 변동을 감지하는 수단(25, 26)
    을 포함하는 접촉 감지 디스플레이 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 감지층(19)은 적어도 하나의 비선형 저항부(nonlinear resistive part)를 갖는 접촉 감지 디스플레이 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 감지층(19)은 양자 터널링 또는 압저항 복합체(quantum-tunneling or piezoresistive composites)를 포함하는 접촉 감지 디스플레이 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 접촉 감지층(19)은 양자 터널링 복합체부(22)를 포함하는 접촉 감지 디스플레이 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 감지층(19)은 상기 디스플레이 디바이스의 기판(11, 12)과 상기 디바이스의 다른 광학층(optical layers)(14, 15, 16) 사이에 위치되는 접촉 감지 디스플레이 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 감지층은 상기 디바이스의 2개의 광학층(14, 15, 16) 사이에 위치되는 접촉 감지 디스플레이 디바이스.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 광학층은 편광기(polarizers), 위상차층(retardation layers), 배향층(orientation layers), 1/4·λ층(quarter-lambda layers), 미러층(mirror layers) 및 반사 또는 반투과반사(transflective)층을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 접촉 감지 디스플레이 디바이스.
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