KR20090132768A - 전반사 특성을 이용하여 표시장치상에 터치되는 위치를 인식하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치스크린의 대형화 및 비용에 따른 기술적인 한계를 개선하고자, 손가락 또는 필기도구 등을 이용하여 좌표인식 영역인 터치스크린의 매질내부에 일정 파동소스를 전반사조건으로 방출하고 매질 내부를 전반사 조건으로 진행하던 파동이 매질의 표면을 손가락 또는 필기 도구 등이　접촉함으로 인해 내부 진행 파동의 전반사 조건이 깨지게 되어 그 지점에서 전방위로 난반사가 일어나 파동이 다른 모든 방향으로 다시 진행하게 되는데 이를 이용하여 손가락 또는 필기도구의 접촉지점의 2차원의 좌표를 연산함으로써 일반 소형 스크린뿐만 아니라 특히 대형 스크린에서의 터치 스크린 좌표의 획득이 가능한 발명으로 기존의 터치 스크린 방식의 소요비용 대비 저가구현이 가능한 것을 특징으로 한다.

터치스크린, 좌표, 굴절률

Description

매질 내 전반사 특성을 이용한 터치스크린{Touch Screen methode of using total reflection in the medium}

본 발명은 2차원 스크린 즉 LCD, PDP등의 평면 스크린에 터치한 지점의 2차원 좌표를 획득하기 위한 기술로 투명 스크린의 매질 내의 파동의 전반사특성을 이용하여 2차원 좌표를 연산하는 방식으로 기존 방식대비 스크린의 투명도와 내구성의 확보가 가능하며 저가의 구현이 가능하다.

본 발명과 관련된 터치스크린 기술은 접촉식의 정전용량방식(Capacitive Overlay), 압력식 저항 막 방식 (Resistive Overlay), 표면 초음파 방식 (Surface Acoustic Wave), 적외선 스캐닝 방식(Scanning Infrared), 압전방식 등이 있으며 주로 컴퓨터 입력장치로 사용되고 있다.

정전용량방식은 패널 면에 손이나 도체를 접촉시켰을 때 인체가 지닌 전기용량이 더해져서 발생하는 접촉점에서의 전기용량 변화를 탐색하는 방식으로 반드시 손가락으로 접촉해야만 하는 단점이 있다. 외부 요소들에 의해 영향을 받지 않으며, 높은 투명도를 가진다. 저항 막 방식은 사용자가 지정한 패턴 상의 좌표에 대한 배치된 도전 막이 접촉에 의해 스위칭 됨으로써 터치 된 영역을 인지하게 되는 방식으 로 일반적으로 보다 알맞은 가격대이지만 투명도가 낮으며, 코팅된 계층이 날카로운 물체 등으로 인해 상처가 생길 수 있는 것이 단점이다. 저항성 터치 스크린 패널은 먼지나 물과 같은 외부 요소들에 의해 영향을 받지 않는다. 표면 초음파방식 기술은 터치 스크린 패널 위로 지나가는 초음파를 사용하는 방식으로 패널이 접촉되었을 때 일부 초음파가 흡수되고 초음파 내의 이러한 변화를 인식하는 것으로 다른 방식 중에서 가장 진보된 형태이지만, 외부 요소들에 의해 손상을 입을 수 있는 단점이 있다. 압전방식은 압전 소자로부터 발생하는 전압 차를 연산하는 방식이다. 상기한 기존의 방식은 일반적으로 특히 구조가 복잡하여 제조 원가가 비싸다.

상기한 바와 같이 본 발명은 터치스크린의 2차원 좌표를 획득하기 위한 것으로 기존의 소형 스크린 적용기술인 정전용량방식, 압력식 저항 막 방식, 표면 초음파 방식, 적외선 스캐닝 방식, 압전방식에서 문제되었던 구성상의 단가 문제와 더불어 투명도와 내구성 확보가 어려운 점을 해결하고 특히 기존방식이 대형 스크린에서의 터치 스크린 적용의 한계점을 극복하기 위해 투명 매질 내의 송출 파동의 전반사특성을 이용함으로써 최소의 파동소스 모듈과 과 수신부 모듈로 구현이 가능케 한 발명이다.

이러한 송출 파동의 전반사특성을 이용하는 방식은 매질 사이에 일정 파동(광파, 음파, 진동 파)을 전반사 조건으로 방출하고 이 방출된 파동이 매질 사이를 진행하고 있는 상황에서 매질의 표면을 터치하게 될 경우 터치 된 지점에서 전반사 조건이 깨지게 되어 그 지점에서 난반사를 일으킨다. 이때 난반사 된 파장은 최초 시작된 파동과 다른 방향으로 전반사를 일으켜 다른 방향으로 진행하게 된다.

초기 방출된 파동과 터치 된 지점에서의 난 반사된 파동과는 일정지점에서 측정할 경우 그 도착하는 시간이 차이가 존재하게 된다. 이 시간의 차이를 상대적인 거리의 차이로 계산하여 거리를 측정할 수 있다. 이러한 방출 파동 원과 수신센서를 X축과 Y축 구비하고 파동 도착시간의 차이를 X축과 Y축에서 각각 측정하여 이를 환산 함으로써 2차원 면에서의 터치 된 지점의 좌표값을 정확히 획득할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 최소의 파동소스 모듈과 과 수신부 모듈로 구성하여 파동소스 모듈로부터의 송출 파동의 전반사특성과 굴절률이 다른 매질에 접촉에 의한 난반사특성을 이용함으로써 기존 방식 대비 문제되었던 구성상의 단가 문제 및 터치 스크린의 투명도, 내구성 확보가 어려운 점을 해결하고 특히 기존 방식이 갖고 있던 대형 스크린에서의 터치 스크린 구현을 위한 고 비용의 한계점을 극복한 발명이다.

본 발명은 터치스크린의 2차원 좌표를 획득하기 위한 것으로 빛 또는 초음파를 포함한 파동이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질(공기 등)로 입사할 때, 그 경계면에서 파동이 100％ 반사되는 현상을 전반사라 한다. 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질(공기)로 파동이 입사할 때 굴절 각은 입사각보다 크며, 어떤 입사각에서는 굴절 각이 90˚가 된다. 이때의 입사각을 임계각이라 하며, 입사각이 임계각을 넘게 되면 파동은 전부 반사하게 된다. 이러한 현상을 전반사라고 한다. 전반사 조건으로 방출된 파동이 굴절률이 큰 매질 안에서 전반사 하며 진행할 때 손가락 등의 공기보다 굴절률이 큰 매질과 만나게 되면 임계각이 변하고 전반사 조건이 깨지게 되어 파동은 굴절률이 큰 매질을 뚫고 나와 손가락(등)에서 난반사 되어 굴절률이 큰 매질로 재 입사되어 사방으로 퍼진다. 이때 일부의 파동은 다시 전반사 조건으로 굴절률이 큰 매질 안에서 전반사 되며 진행하게 된다. 이를 현상을 이용하여 매질 사이에 일정 파동(광파, 음파, 진동파)을 전반사 조건으로 방출하고 이 방출된 파동 이

매질 사이를 진행시 매질의 표면을 터치하게 될 경우 터치 된 지점에서 전반사 조건이 깨지게 되어 그 지점에서 난반사를 일으킨다. 이때 난 반사된 파장은 최초 시작된 파동과 다른 방향으로 전반사를 일으켜 다른 방향으로 진행하게 된다.

초기 방출된 파동과 터치 된 지점에서의 난 반사된 파동과는 일정지점에서

측정할 경우 그 도착하는 시간에는 차이가 존재하게 된다. 이 시간의 차이를 상대적인 거리의 차이로 계산하여 거리를 측정할 수 있다. 이와 같은 원리로 터치 된 지점의 거리를 측정하여 상호 연산함으로써 2차원 좌표값을 연산하게 된다.

도 1은 1:1의 송수신부에 의한 방법의 원리도 를 나타내는 것으로

파동 원X에서 출발한 파동은 항상 최단거리 Xa로 수신부X에 도착한다.

하지만, TP에서 터치 될 경우 전반사 조건이 TP 지점에서 깨진다.

여기서 난반사가 일어나며 난 반사된 파동은 Xb의 경로로 수신부X에 도착한다.

Xa와 Xb 사이에는 경로의 차이로 인한 도착시간의 차이가 생긴다. 그리고 Ya와 Yb 사이에도 동일한 원리가 적용되어 도착시간의 차이가 생긴다. 이러한 X축과 Y축 각각의 도착시간의 차 값을 기초 데이터로 하여 2차원 좌표값을 연산하게 된다.

도 1의 원리 도에서의 동작구조를 보면 가로축 방향으로 전 반사를 일으킬 수 있는 매질(유리, 플라스틱 등)에 일정 방향으로 파동을 주기적으로 강도나 주파수를 다르게 하여 전반사 조건으로 방출한다. 이때 수신부에 이와 같은 파장이 시작되었음을 알려주는 트리거 펄스를 방출하여 기준 시점을 정해 준다. 파동이 매질 사이를 통과하는 있는 시점에 매질의 표면에 물체(손가락 등)가 닫는 순간 전반사 조건이 깨진다. 이 지점에서 난반사를 일으켜서 전반사 조건 내의 파동만 매질 내부에서 최초의 진행방향과 다른 여러 방향으로 진행하여 나가며 터치 된 지점에서 나온 파동을 특정 지점에서 수신하게 된다.

최초 보낸 파장과 수신된 파동 사이에 차이를 전체 도달하는 거리의 차이로 환산하여 터치 된 지점의 가로축 거리를 측정하며 세로축 방향으로도 상기와 같은 절차에 의해 세로축 거리를 측정하며 이 결과에 이용 가로축과 세로축 위치의 좌표를 연산한다.

도 2는 본 발명의 1: N 송수신부의 원리 도를 나타내는 것으로 한 개의 파동원에서 방출된 파동은 TP에서 난반사를 하게 되고 여기에서 출발한 난반사 파동은 다수의 수신부를 향하여 진행하게 된다 이때 각 수신부에 도착하는 파동의 거리가 차이가 있게 되므로 이 거리의 차이에 의해 가장 가까운 부문은 먼저 그리고 먼 위치는 나중에 도착하게 되며 수신No 와 도달시간 좌표 상에 표시하면 도 2의 초록색 경로곡선과 청색 경로곡선을 구성하게 된다. 이 좌표 상의 적색의 경로곡선은 원에서 직접 수신부로 도착한 파의 도달시간을 표시한 것이며 이것과 TP에서 난 반사된 파동의 차이 tx와 ty를 각각의 수신부 위치에서 구하여 경로곡선의 피크 치를 검출하여 TP의 X 축과 Y축의 좌표를 생성한다.

도 2의 원리 도에서의 동작구조를 보면 가로축 방향으로 전 반사를 일으킬 수 있는 매질(유리, 플라스틱 등)에 일정 방향으로 파동을 주기적으로 강도나 주파수를 다르게 하여 전반사 조건으로 방출한다. 이때 수신부에 이와 같은 파장이 시작되었음을 알려주는 트리거 펄스를 방출하여 기준 시점을 정해 준다. 그리고 파 동이 매질 사이를 통과하는 있는 시점에 매질의 표면에 물체(손가락 등)가 닫는 순간, 전반사 조건이 깨지며 터치 지점에서 난반사를 일으켜서 전반사 조건 내의 파동만 매질 내부에서 최초의 진행방향 과 틀린 여러 방향으로 진행하여 나간다. 이렇게 터치 된 지점에서 나온 여러 진행 파동을 다수의 지점에서 수신한다. 다수의 지점에서 수신된 각각의 파동을 순서대로 도착 된 시간과 강도의 축에 놓을 경우, 일정 형태의 곡선을 이루게 된다. 이 곡선의 피크 치와 주변 곡선의 형태에 의해 가로축 방향의 거리를 측정하게 되며 세로축 방향도 상기한 순서의 절차로 실행하여 세로축 거리를 측정한다. 위에서 나온 결과를 이용하여 가로축과 세로축 위치의 좌표를 연산하게 된다.

상기한 바와 같이 1:1, 1: N 방식의 파동 송수신 구성에서 공통 적용되는 X축 및 Y축 좌표를 연산하기 위한 관계식은 아래와 같다.

파동의 주기 내 이동거리 계산은 아래의 식과 같이 한 개의 시간 주기당 이동 거리를 알 수 있다.

Lm = Vm(미터) / Pt(시간)

Lm : 파동의 한 주기 동안 매질 내에서 이동한 거리(단위시간당 이동거리)

Vm : 매질 내에서 파동이 일 초당 진행하는 거리(미터로 표시)

Pt : 파동 소스를 주기적으로 변조하는 변조 주기(주기로 표시)

파동의 위상 차를 이용한 거리의 계산

파동을 주기적으로 방사 하면서 이 파동이 특정한 지점(TP:touch point)에서 난 반사를 일으켜 다시 전반사 조건만의 파형이 수신부에 도달하는 시간을 거리로 환산하는 식.

Dix = ((tx - T) / T) * Lm

Diy = ((ty - T) / T) * Lm

Dix : X 축 방향으로 지연된 거리

Diy : Y 축 방향으로 지연된 거리

tx : 전체 X 축 진행되어 TP를 거쳐 수신부로 들어온 지연파동 시간

ty : 전체 Y 축 진행되어 TP를 거쳐 수신부로 들어온 지연파동 시간

T : 전체 X 축 혹은 Y 축으로 진행되어 TP를 거치지 않고 수신부로 직접 들어온 파동의 시간

Lm : 파동의 단위시간당 이동거리

여기서 거리 Dix와 Diy 는 파동이 동심원을 그리면 퍼지기 때문에 x 와 y의 좌표는 원의 호를 그리며 존재하게 된다. 즉 동심원 좌표를 형성하게 된다.

이를 식으로 표시하면 원의 방정식(1/4 사분면)

-----(1)

을 만족하는 식이 되며

Diy 는

----(2)

혹은

----(2)

(k : 파동소스가 존재하는 X 축에서 상대적으로 떨어진 Y 축 상의 파동 소스까지의 거리)

을 만족하는 식이 된다. 여기서 두 개의 방정식(1)과 (2)에 의해 두 개의 변수 x 와 y를 구할 수 있게 된다. 이값이 최종 구하고자 하는 TP의 좌표가 된다.

도 1 및 도 2 공통 적으로 파장 원(원)으로부터 방사되는 파동의 방향 및 분포도 조절을 하기 위해 파장 원의 출사측에 광학렌즈 또는 광학 프리즘을 결합한다. 그리고 방사 파동의 특정 파장이나 특정 편광방향을 선택적으로 제어하기 위해 다이크로닉 필터(diachronic filter), 밴드 패스 필터(band pass filter),편광필터(Polarizer) 또는 편광 지연 필터 (Lambda plate)등을 부설하게 된다. 또한 수신부의 입사 측에 파동 수신 효율을 높이거나 수신되는 파동의 방향 제어를 위해 광학 렌즈 또는 광학 프리즘 또는 광학 렌즈와 광학 프리즘의 결합체를 구비하고, 입사되는 파동의 특정 파장이나 특정 편광방향을 선택적으로　제어할 수 있는 다이크로닉 필터(diachronic filter), 밴드 패스 필터(band pass filter), 편광필터(Polarizer) 또는 편광 지연 필터 (Lambda plate)를 부설함으로써 송수신 파동의 방향, 분포, 파장, 편광방향, 수신효율 등의 제어가 가능하다.

도 1 본 발명의 1:1 송수신부의 원리도

도 2 본 발명의 1: N 송수신부의 원리도

Claims (4)

1. 터치스크린의 2차원 공간 좌표를 획득하는 방법에 있어 2차원의 공간형태의 임의 매질에서 매질의 일 측에 한 개 이상의 파장 원을 구비하고 다른 한쪽에 한 개 이상의 수신부를 구비하여 입력파장이 전반사 조건으로 진행하는 구조에서 2차원 공간의 특정지점에 굴절률이 다른 물체의 접촉에 의해 접촉 지점으로부터의 난 반사신호를 상기한 한 개 이상의 수신부에서 취득하여 이때 발생 된 지연파동 시간의 조합 연산에 의해 2차원 공간에서의 접촉지점의 좌표를 획득하는 것을 특징으로 하는 매질 내 전반사 특성을 이용한 터치스크린.
2. 청구항 1항에 있어 2차원 공간 형태의 매질은 매질 내 파장의 전반사 조건 진행이 가능한 것을 특징으로 하는 터치스크린.
3. 청구항 1항에 있어 한 개 이상의 파장원의 출사측에 파동의 방향 및 분포도 조절을 위한 광학 렌즈 또는 광학 프리즘 또는 광학 렌즈와 광학 프리즘의 결합체를 한 매 이상 구비하고, 출사되는 파동의 특정 파장이나 특정 편광방향을 선택적으로 제어할 수 있는 다이크로닉 필터(diachronic filter), 밴드 패스 필터(band pass filter), 편광필터(Polarizer) 또는 편광 지연 필터 (Lambda plate)를 한 매 이상 구비한 터치 스크린. 　
4. 청구항 1항에 있어 한 개 이상의 수신부의 입사 측에 파동 수신 효율을 높이거나 수신되는 파동의 방향 제어를 위한 광학 렌즈 또는 광학 프리즘 또는 광학 렌즈와 광학 프리즘의 결합체를 한 매 이상 구비하고, 입사되는 파동의 특정 파장이나 특정 편광방향을 선택적으로　제어할 수 있는 다이크로닉 필터(diachronic filter), 밴드 패스 필터(band pass filter), 편광필터(Polarizer) 또는 편광 지연 필터 (Lambda plate)를 한 매 이상 구비한 터치 스크린.

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