KR20110087754A - 위치의 정밀도가 높은 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치 - Google Patents

위치의 정밀도가 높은 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위치의 정밀도가 높은 단일층 터치스크린 장치에 관한 것이다. 서로 나란한 다수의 신호전극이 형성된 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치에서, 신호전극에 걸어주는 전압 파형을 조절하여, 위치정보의 정확도를 높였다.

Description

위치의 정밀도가 높은 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치 { Single Layer Capacitive Touch Screen Device with High Precision }
본 발명은 위치의 정밀도가 높은 단일층 터치스크린 장치에 관한 것으로, 신호전극에 걸어주는 전압 파형을 조절하여 위치정보의 정확도를 높인 것이다.
터치스크린 장치는 입력이 간단하여, 휴대폰이나 모니터에서 많이 쓰인다. 정전용량방식은 터치스크린 패널 내부에 공기층 없이 만들 수 있으므로, 내부 투과율이 높아, 휴대폰과 같은 이동용 표시소자의 입력장치로 많이 쓰인다. 정전용량방식 터치스크린은 단일층구조(Single Layer)와 이층구조(Double Layer)로 구별할 수 있다. 단일층은 서로 나란한 여러 신호전극이 한 층만 있는 구조이고, 이층구조는 서로 수직한 두 신호전극들이 각각의 기판에서 분리 설치되어 있는 구조이다. 이층구조는 미국특허 5,648,642에 기본 동작이 나와있듯이, 다수의 X,Y-신호전극에 손가락이 접촉했을 때, 걸어준 파형에 대하여 전하가 최대로 축적되는 X-신호전극과 Y-신호전극의 위치를 알아내어, 손가락의 접촉 위치를 결정한다.
종래의 단일층구조는 X축(또는 Y축) 신호전극이 서로 나란하게 여러 개 있는 구조로, 전극 2개가 한 쌍이 되어 위치에 따라 손가락과 접하는 면적비를 다르게 한다. 손가락이 접촉하는 정전용량을 재서, 면적비를 알아내고, 이로부터 위치를 결정할 수 있다. 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치는 미국특허 USP 6,297,811 B1과 미국의 공개특허 US 2007/0257894 A1에 기본 동작이 나와있고, 한국공개특허 10-2009-0082965, 10-2009-0048970에도 기본 동작이 나와있다.
도 1은 종래의 단일층 정전용량방식 터치스크린 패널의 전극 평면도이다. 종래의 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치는 두 개의 전극이 한 쌍이 되어 검출하는 구조이다. 좌신호전극(132)은 화면방향으로(X축) 폭이 좁아지고, 우신호전극(131)은 반대로 X축 방향으로 폭이 커지는 구조이다. 좌신호전극과 우신호전극은 ITO와 같은 투명하면서 전기가 통하는 물질로 만든다. 기판(110)은 보통 투명한 플라스틱 재질이다. 좌신호전극과 우신호전극은 외곽전극(141)으로 구동모듈(200)과 연결된다. 도 1에서는 좌신호전극과 우신호전극 각각 하나로 이루어진 다수의 신호전극 쌍이 세로축 방향으로 여러 개 있는 구조이다. S(a,b)는 신호전극을 나타내는 기호로, a는 Y축 원점으로부터 차례이고, b는 좌우신호전극을 나타낸다. b가 L이면 좌신호전극이고, b가 R이면 우신호전극이다.
도 2는 도 1의 절단선 A에서 본 단면도이다. 유리커버(120)와 기판(110)은 투명접착막(130)으로 부착된다. 투명접착막의 두께는 보통 30㎛로 유리커버의 두께 300㎛에 비하여 얇기 때문에 무시할 수 있다. 유리커버(120) 위에 손가락(300)은 접지된 전극처럼 작용한다. 신호전극(좌신호전극, 우신호전극)과 유리커버 그리고 손가락의 접촉면에는 일정한 정전용량이 생긴다. 좌신호전극(132)과 손가락이 이루는 정전용량을 CL이라 하고, 우신호전극(131)과 손가락이 이루는 정전용량을 CR이라 하자. 손가락과 좌신호전극이 겹치는 면적을 A(L), 우신호전극과 손가락이 겹치는 면적을 A(R)이라 하고, 유리커버의 두께와 유전율상수를 각각 d, ε이라 하면, 좌신호전극과 우신호전극이 손가락과 이루는 정전용량은 아래 식과 같다.
Figure pat00001
도 3은 종래의 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치의 설명도로, 손가락(300)을 좌신호전극(132)과 우신호전극(131)에 투영시켜 본 것이다. 손가락(300)이 도 3의 (가)에서와 같이 직사각형으로 되어 있다고 간주한다. 좌신호전극과 손가락이 서로 접하는 면적에 정전용량이 생기고, 또한 우신호전극에도 손가락이 서로 접하는 면적에 정전용량이 생긴다. 정전용량은 손가락과 전극이 접하는 면적에 비례한다. X축 중앙에 손가락이 올려져 있으면, 좌신호전극과 우신호전극에 형성되는 정전용량은 같다. 손가락의 접점 위치가 X축으로 증가할수록 좌신호전극의 정전용량 CL은 적어지고, 우신호전극의 정전용량 CR은 커진다. 좌신호전극과 우신호전극의 길이를 Xo라면, 손가락이 놓인 X축의 위치(x)는 아래 식으로 구할 수 있다.
Figure pat00002
정전용량은 전압을 걸어주고, 완전히 충전이 된 다음 축적된 전하량을 재서 알아낼 수 있다. 걸어준 전압이 V이고, 측정되는 전하량이 Q라면, 정전용량은 아래 식과 같다.
Figure pat00003
정전용량은 전극에 전압을 인가하고, 전극에 축적된 전하를 재서 알아낸다. 종래의 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치에서 손가락 위치는 검출되는 전하량이 최대가 되는 좌신호전극과 우신호전극으로부터 알 수 있다. Y축 위치는 최대가 되는 신호전극의 위치이고, X축 위치는 전하가 최대가 되는 좌신호전극과 우신호전극에서 검출되는 전하량으로부터 알 수 있다.
종래의 단일층 정전용량 터치스크린 장치는 손가락이 접촉하는 영역에서의 좌신호전극과 우신호전극의 면적비율에 따라서 결정이 된다. 손가락이 도 3의 (가)와 같이 직사각형 모양이고, 전극의 폭에 비하여 크다면 X축 위치 결정도는 높다. 그러나 손가락 모양은 도 3의 (나)와 같이 타원형이므로, X축 위치는 변하지 않고, 손가락이 세로방향인 Y축으로 이동한다면, 좌신호전극과 우신호전극이 손가락과 겹치는 면적비율이 달라진다. 또한 도 3의 (다)와 (라)에서와 같이 어린이처럼 손가락이 전극 폭에 비하여 작은 경우에는, 좌신호전극과 우신호전극의 면적비율이 Y축 위치에 따라서 달라져서, 손가락 위치에 대한 정확도가 떨어졌다.
본 발명에서는 신호전극의 양단에 걸리는 전압 파형을 조절하면서 잰 전하량으로부터 위치를 결정하여, 접촉하는 손가락 위치의 정밀도를 높였다. 손가락의 접촉 면적 크기와 모양에 상관없이 X축 위치를 정확히 결정하는 단일층 터치스크린 패널의 구조와 위치정보를 알아내는 방법을 기술한다.
본 발명은 정전용량방식 터치스크린 장치로, 단일층으로 제작 비용이 낮으면서, 위치의 정밀도가 높다. 특히 매 측정마다 손가락의 접촉 면적에 대한 교정이 되므로, 손가락 면적이 작더라도, 위치의 정밀도를 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 정전용량방식 터치스크린 패널의 신호전극 평면도이다.
도 2는 종래의 터치스크린 패널의 단면도이다.
도 3은 종래의 터치스크린 패널의 작동 설명도이다.
도 4는 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 패널의 신호전극 평면도이다.
도 5는 본 발명의 터치스크린 패널의 단면도이다.
도 6은 신호전극에서의 전압분포를 나타내는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 등가회로도이다.
도 8은 터치스크린 장치의 구성도이다.
도 9는 구동모듈의 감지부와 신호처리부의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 터치스크린 장치의 시간도표(Timing Chart)이다.
도 11은 본 발명의 터치스크린 장치의 위치를 결정하는 순서도이다.
본 발명의 터치스크린 장치의 터치스크린 패널(100)은 신호전극(111)이 가로축(X축)과 나란하게 여러 개 있는 구조이다. 도 4는 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 패널의 평면도이다. 신호전극(111)은 ITO와 같은 투명하면서 전기가 통하는 물질로 만든다. 기판(110)은 투명한 플라스틱 재질이다. 신호전극(111)은 외곽전극(141)으로 구동모듈(200)과 연결된다. 신호전극(111)은 면저항이 100Ω/㎠ 이상인 것을 쓴다. 외곽전극의 총 저항이 0.1kΩ 미만으로 만든다. 반면에 신호전극의 양단까지의 저항은 10kΩ 보다 크게 만든다. 외곽전극의 저항은 신호전극의 저항에 비하여 약 1% 미만으로 만든다. 이 경우에 신호전극 양단에 있는 외곽전극에 전압을 걸어주면, 외곽전극의 저항에 의한 전압 감쇠를 무시할 수 있다. 신호전극에 양단에 연결되는 외곽전극은 좌우 대칭이 되게 한다.
도 5는 본 발명의 터치스크린 패널(100)의 단면도이다. 휴대폰과 모니터에 쓰이는 터치스크린 패널은 표시소자와 결합이 되는데, 표시소자의 구동부에서 오는 전자기파에 의한 교란을 차폐전극(112)이 막는다. 차폐전극은 빛이 잘 투과되는 ITO와 같은 투명도전막으로 만들고 접지시킨다. 유리커버(120)와 기판(110)은 투명접착막(130)으로 부착된다. 유리커버(120) 위에 손가락(300)은 접지된 전극처럼 작용한다. 신호전극(111)과 유리커버(120) 그리고 손가락의 접촉면에는 일정한 정전용량이 생긴다. 투명접착막은 30㎛로 얇기 때문에 영향이 거의 없다고 간주한다. 손가락과 신호전극(111) 겹치는 면적을 A, 유리커버의 두께와 유전율상수를 각각 d, ε이라 하면, 손가락이 접촉되면서 생기는 정전용량의 변화 ΔC는 아래 식과 같다.
Figure pat00004
도 6은 본 발명의 터치스크린 패널의 신호전극에서의 등가회로를 나타낸 것이다. V(X-)는 X축 원점에 걸어주는 전압 파형이고, V(X+)는 X축 오른쪽 끝단에서 걸어주는 전압 파형이다. X축 원점에는 V(-)전압이 걸리고, X축 오른쪽 끝단에는 V(+) 전압이 걸린다. 신호전극의 X축 길이는 Xo이다. 신호전극은 투명도전막으로, 저항이 직렬로 연속적으로 연결된 등가회로와 같다. 도 6에서 차폐전극은 없다고 가정한 것이다. X축 임의의 점 x에서 전압 파형 V(x)는 X축 원점에서 x까지의 저항 Ra과 x에서 X축 오른쪽 끝단까지의 저항 Rb이 직렬로 연결된 구조이고, 각각의 저항 양단에는 V(-)와 V(+) 전압 파형이 걸린 등가회로와 같다. 신호전극의 전체 저항을 R이라 하고, 도 6의 (가)는 (나)와 같은 회로로 나타낼 수 있다. X축 원점에서 x까지의 저항 Ra와 x에서 오른쪽 끝단까지의 저항 Rb는 아래 식과 같다.
Figure pat00005
X축 임의의 점 x에서 전압 V(x)는 아래 식과 같다.
Figure pat00006
신호전극 x 위치에 손가락이 접촉하면, x 위치에 접지된 정전용량 △C가 연결된 도 7의 (가)와 같은 등가회로가 된다. 도 7의 (나)는 손가락이 X축 원점에 있었을 때의 등가회로이다. 도 7의 (다)는 손가락이 X축 오른쪽 끝단에 있었을 때의 등가회로이다. 도 7의 (가), (나) 그리고 (다)의 등가회로에서, 각각의 손가락이 이루는 정전용량 △C에 축적된 전하 Q(x), Q(0), Q(Xo)은 아래 식과 같다.
Figure pat00007
Figure pat00008
[수학식 7]을 [수학식 6]에 넣어 x값을 구하면 아래와 같다.
Figure pat00009
[수학식 8]의 의미는 손가락이 X축 원점에 놓였을 때 신호전극에 축적된 전하량과 X축 오른쪽 끝단에 놓였을 때 신호전극에 축적된 전하량 그리고 x위치에서 전하량을 알면 x점 위치를 알 수 있다는 것이다. 손가락이 X축 원점이나 끝으로 이동하여 측정하는 경우에 위치를 알아내는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 손가락이 이루는 정전용량에 축적되는 전하가 양 끝단에 있었을 때와 같은 상황으로 만들어 측정하면, x 위치를 결정할 수 있다. 도 7의 (라)는 X축 양단에 V(-) 전압을 걸어주었을 때의 등가회로이다. x에서 전압은 V(-)이므로, 손가락이 이루는 정전용량에 축적되는 전하 Q(-)는 아래 식과 같다.
Figure pat00010
도 7의 (마)는 X축 양단에 V(+) 전압을 걸어주었을 때의 등가회로이다. x에서 전압은 V(+)이므로, 손가락이 이루는 정전용량에 축적되는 전하 Q(+)는 아래 식과 같다.
Figure pat00011
[수학식 9]와 [수학식 10]을 [수학식 8]에 대입하면 아래 식과 같다.
Figure pat00012
신호전극에 전압 V(-)가 일정하게 걸리게 하고 잰 전하량 Q(V-)과, V(-)와는 다른 전압 V(+)가 신호전극에 일정하게 걸리게 하고 잰 전하량 Q(V+)과, 그리고 신호전극 양단에 각각 V(-)와 V(+) 전압을 걸어주고 잰 전하량 Q(x)을 알면 [수학식 11]로부터 손가락이 접하는 X축 위치를 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 터치스크린 장치 구성도이다. 터치스크린 장치는 크게 터치스크린 패널(100)과 구동모듈(200)로 구성된다. 구동모듈은 한 개 또는 여러 개 IC로 구성된다. 구동모듈은 전체 제어를 담당하는 제어부(210)와 터치스크린 패널의 신호전극에 전압 파형을 걸어주는 구동부(220) 그리고 터치스크린 패널의 신호전극에 축적된 전하량을 감지하는 감지부(230)와 감지신호를 처리하여 X,Y좌표로 전환하는 신호처리부(240)로 구성된다. 신호처리부는 외부 시스템에서 그 기능을 수행할 수도 있다. 구동부에서 신호전극으로 전압이 인가될 때는 감지부와 신호전극이 전기적으로 단절이 되고, 신호를 감지하는 경우에는 구동부와 신호전극이 전기적으로 단절된다. 신호전극은 도 9의 구동모듈의 감지부(230)에 연결된다. 감지부는 감지전극을 순차로 선택하는 n×1 멀티플렉스(231)와 전하를 모아서 전압으로 바꾸어주는 적분회로(232)로 구성된다. 손가락 접촉으로 생기는 전하 ΔQ가 증폭기(OP Amp)에 연결된 Cs에서 모인다. OP Amp에서 출력이 되는 전압 Vo은 아래 식과 같다.
Figure pat00013
초기화(Reset) 스위치 Rs를 연결하면 Cs에 축적된 전하가 방전되면서 초기화된다. 적분기와 출력전압 Vo을 읽는 ADC(Analog Digital Converter)를 한 개만 두고, 신호전극을 하나씩 멀티플렉스(231)를 써서 번갈아가면서 읽는다. 출력전압을 디지털로 변환된 값을 DSP(Digital Signal Processor)에서 위치좌표로 계산된다. 신호처리부(240)는 도 9에서와 같이 구동모듈(200) 내부에 있을 수도 있고, 외부 시스템에서 둘 수도 있다.
도 10은 본 발명의 검출방법 시간도표(Timing Chart)이다. V(X-)는 신호전극 왼쪽에 걸어준 전압 파형이다. 모든 신호전극에 동시에 파형이 인가된다. V(X+)는 신호전극 오른쪽에 걸어준 전압 파형이다. V(X+)와 V(X-)는 신호전극에 전하가 충전이 되면, 신호전극과는 전기적으로 단절된다. VS신호에 동기 되어 첫 번째 신호전극에 유도된 전하량을 잰다. 먼저 OP Amp 적분회로의 Rs 스위치를 작동시켜서 Cs에 축적된 전하를 소거하고, 이어 첫 번째 신호전극 S(1)을 적분회로에 연결하여 전하를 전압으로 바꾸어 측정한다. 첫 번째 신호를 읽었으면, Rs 스위치를 작동시켜서 Cs에 축적된 전하를 소거하고, 이어 두 번째 신호전극 S(2)를 적분회로에 연결하여 전하를 전압으로 바꾸어 측정한다. 이와 같은 과정을 마지막 신호전극 S(n)까지 실행한다. 도 10에서 한 프레임은 3개 부프레임(sub frame)으로 이루어진다. 한 프레임에서 손가락 위치는 한 번 측정이 된다. 첫 번째 부프레임에서는 신호전극 양단에 모두 V(-) 신호를 걸고 전하를 측정한다. 첫 번째 부프레임에서 신호전극 n에 축적된 전하량을 Q(n,V-)이라고 한다. 두 번째 부프레임에서는 신호전극 양단에 모두 V(+) 신호를 걸고 전하를 측정한다. 두 번째 부프레임에서 신호전극 n에 축적된 전하량을 Q(n,V+)이라고 한다. 이어서 세 번째 부프레임에서는 X축 원점인 왼쪽 끝부분 신호전극에는 V(-) 전압을 걸어주고, X축 오른쪽 끝단에는 V(+) 전압을 걸어주고 전하를 측정한다. 세 번째 부프레임에서 신호전극 n에 축적된 전하량을 Q(n,x)이라고 한다. 손가락이 닿는 Y축 접점위치는 세 번째 부프레임에서 측정값이 최대가 되는 신호전극의 위치이다. 세 번째 부프레임에서 측정되는 전하값이 최대가 되는 위치를 i번째 신호전극이라고 하면, 손가락이 접촉이 되는 X축 위치는 아래 식과 같다.
Figure pat00014
도 11은 본 발명의 터치스크린 장치의 동작 순서도이다. 신호전극에는 손가락에 의한 전하뿐 아니라 기생용량에 의한 전하도 축적되므로, 이를 보정해야 한다. 손가락이 접촉했을 때의 측정값에서 기생용량에 대한 측정값인 오프셋 만큼 빼주어야한다. 손가락이 접촉하지 않았을 때의 1 부프레임과 2 부프레임 그리고 3 부프레임에서 신호전극에 축적된 전하를 측정한다. 이 측정값을 신호처리부에 저장한다. 이어서 1 부프레임에서는 신호전극에 전압 파형을 걸어주고, 신호전극에 축적된 전하를 측정한다. 2 부프레임에서 신호전극에 전압 파형을 걸어주고, 신호전극에 축적된 전하를 측정한다. 3 부프레임에서 신호전극에 전압 파형을 걸어주고, 신호전극에 축적된 전하를 측정한다. 보정측정값을 빼서 기생용량에 축적된 전하를 소거하고, 3 부프레임의 측정값이 최대가 되는 신호전극으로부터 Y축 위치를 정하고, 최대가 되는 신호전극의 3개 부프레임 측정값으로부터 X축 위치를 정한다.
100 : 본 발명의 터치스크린 패널 100’ : 종래의 터치스크린 패널
110 : 기판 111 : 신호전극 112 : 차폐전극
130 : 투명접착막 131 : 우신호전극 132 : 좌신호전극
200 : 구동모듈
210 : 제어부 220 : 구동부
230 : 감지부 240 : 신호처리부
300 : 손가락(접촉물체)

Claims (1)

  1. 서로 나란한 다수의 신호전극(111)이 형성되어 있는 기판(110)과;
    신호전극 양단에 전압 파형을 걸어주는 구동부(220)와;
    신호전극에 축적된 전하량을 재는 감지부(230)와;
    상기 신호전극에 전압 V(-)이 일정하게 걸리게 하여 축적된 전하량 Q(-)과, V(-)와는 다른 전압 V(+)이 상기 신호전극에 일정하게 걸리게 하여 축적된 전하량 Q(+)과, 그리고 신호전극 양단에 각각 V(-)와 V(+) 전압을 걸리게 하여 축적된 전하량 Q(x)을 연산하여 손가락 접점위치를 결정하는 신호처리부(240)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 장치.
KR1020100007328A 2010-01-27 2010-01-27 위치의 정밀도가 높은 단일층 정전용량방식 터치스크린 장치 KR20110087754A (ko)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101308965B1 (ko) * 2011-11-02 2013-09-16 이미지랩(주) 단일 전극층 구조의 정전용량방식 터치스크린 장치
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KR20150087756A (ko) * 2014-01-22 2015-07-30 (주) 엔피홀딩스 멀티터치 감지를 위한 터치스크린 장치 및 그의 구동방법

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