KR20130099498A - 멀티 터치 감지가 가능한 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판상에 n 개의 장방형 막대 형상의 신호전극을 일정 간격으로 구비하는 터치 스크린 패널과 상기 터치 스크린 패널을 구동시키는 구동모듈을 구비하고 상기 신호전극 양단에 V1, V2전압을 번갈아 인가하면서 터치 위치를 결정하는 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치에 관한 것으로서, 본 발명에서는 복수 개 신호전극은 양 단에 인가된 전압이 장방향 길이 방향에 따라 선형적으로 변하는 선형 신호전극과, 양 단에 인가된 전압이 장방향 길이 방향에 따라 비선형적으로 변하는 비선형 신호전극이 번갈아가면서 형성되는 것을 특징으로 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치가 제공된다.

Description

멀티 터치 감지가 가능한 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치{SINGLE LAYER CAPACITIVE MULTI TOUCH SCREEN APPARATUS}

본 발명은 멀티 터치 감지가 가능한 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인접하는 두 신호전극의 구동전압분포를 다르게 하여 멀티 터치 검출이 가능한 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치에 관한 것이다.

터치 스크린 장치는 정보 입력이 간단하여, 휴대폰이나 모니터에서 많이 쓰인다. 터치 스크린을 구현하는 여러 기술 가운데 정전용량방식은 단일층으로 만들 수 있고, 디스플레이 소자 위에 바로 부착할 수 있어 투과율이 높아 휴대폰에 많이 쓰일 전망이다.

단일층 정전용량 터치 스크린 구현 방법 가운데, 막대모양의 신호전극 양단에 다른 파형의 전압을 걸어 접촉하는 손가락으로 인해 유도된 전하를 측정하는 펄스정전용량(pulse capacitive) 방식이 측정의 정밀도, 대면적 구현, 그리고 여러 터치 지점을 동시에 인식할 수 있는 멀티 터치(multi-touch) 등의 장점이 있다.

단일층 펄스정전용량 방식의 터치 스크린패널은 장방형 막대 형상의 신호전극(120)이 가로축(X축)과 나란하게 여러 개 형성하는 구조이다. 선행문헌 1에는 단일층 펄스정전용량 방식의 터치 스크린패널이 제시되어 있다. 도 1은 단일층 펄스정전용량방식의 터치 스크린 패널(100)의 단면도이고, 도 2는 단일층 펄스정전용량방식의 터치 스크린 패널(100)의 평면도이다.

기판(110) 위에 신호전극(120)의 장축이 X축과 나란하게 다수 형성되어 있다. 기판(110)은 투명한 플라스틱 또는 강화유리로 형성한다. 신호전극(120)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같이 투명하면서 전기가 통하는 물질로 만들며, 신호전극(120)의 면저항은 보통 20∼200Ω/㎠ 이다. 기판(110) 위에 신호전극(120)을 형성하고, 신호전극 위에는 보호막(111)을 피막한다. 보호막 바로 위에 손가락(300)이 접촉된다.

도 3은 신호전극(120) 위에 손가락(300)이 접촉되었을 때 펄스정전용량 방식의 설명도이다. 신호전극의 전체 길이를 L이라 하고, 손가락이 접촉하는 위치를 x라고 한다. 왼쪽 원점에서 x까지의 신호전극의 저항을 R이라 하고, x에서 끝단(끝 기준선)까지의 저항을 R`이라고 한다. 신호전극은 저항 R과 R`이 직렬로 연결된 등가회로로 볼 수 있다. 신호전극의 면저항이 균일하다고 가정하면 저항 R과 R`는 수학식 1과 같이 성립한다.

손가락은 수백 pF의 접지된 축전지로 볼 수 있다. 따라서 펄스정전용량 방식의 등가회로는 신호전극의 저항 R과 R` 사이에 손가락에 대응되는 축전기 C가 접지된 구조이다.

도 3(a)는 신호전극 오른쪽 끝단에 전압 파형 V가 인가되고, 왼쪽 끝단은 접지시켰을 때의 등가회로이다. 이때를 "+" 프레임이라고 하기로 한다. "+" 프레임에서 손가락이 접촉한 x 위치에서 손가락의 등가회로 축전기 C에 충전되는 전하 Q(+)는 아래 수학식 2와 같다.

도 3(b)는 전압파형을 바꿔서 인가하였을 때의 등가회로이다. 이때를 "-" 프레임이라 하기로 한다. "-" 프레임에서 손가락이 접촉한 x 위치에서 손가락의 등가회로 축전기 C에 충전되는 전하 Q(-)는 아래 수학식 3과 같다.

"+" 프레임과 "-" 프레임에서 손가락에 유도된 전하량 Q(+), Q(-)로부터 손가락의 접촉점의 위치(x)를 아래 수학식 4와 같이 구할 수 있다.

손가락이 닿는 Y축은 신호전극에 축적된 전하량의 무게 중심 위치로부터 결정할 수 있다. 도 4에서와 같이 인접 신호전극 사이의 이격 거리가 P라면 손가락이 닿는 Y축 좌표 y는 아래 수학식 5로 구한다. Qn(+)와 Qn(-)는 n번째 신호전극에 유도된 "+" 프레임과 "-" 프레임에 손가락에 유도된 전하이다.

도 5는 펄스정전용량 방식의 터치 스크린 장치의 구성도이다. 터치 스크린 장치는 터치 스크린 패널(100)과 구동모듈(200)로 구성된다. 구동모듈은 전체 제어를 담당하는 제어부(210)와, 터치 스크린 패널의 신호전극에 전압 파형을 인가하는 구동부(220), 터치 스크린 패널의 신호전극에 축적된 전하량을 감지하는 감지부(230)와, 감지신호를 처리하여 X,Y좌표로 전환하는 신호처리부(240)로 구성된다. 신호처리부(240)는 터치스크린 장치에서 구현하지 않고 외부 장치에서 그 기능을 수행하게 할 수도 있음은 물론이다. 구동부에서 신호전극으로 전압이 인가될 때는 감지부와 신호전극이 전기적으로 단절이 되고, 신호를 감지하는 경우에는 구동부와 신호전극이 전기적으로 단절된다.

신호전극은 도 6의 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(Q(+), Q(-))가 연산증폭기(OP Amp)에 연결된 축전기(Cs)에 축적된다. Rs(Reset switch)를 연결하면 Cs에 축적된 전하가 방전되면서 초기화된다. 아날로그-디지털 변환기(ADC,Analog Digital Converter, 이하 'ADC'라 함)를 한 개만 두고, 신호전극을 하나씩 멀티플렉스(231)를 사용하여 번갈아가면서 읽는다. ADC에서 디지털로 변환된 값을 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor, DSP)에서 위치좌표로 계산된다. 물론 디지털 신호 처리기로는 별도의 DSP칩을 이용하여 구현할 수도 있고, DSP칩을 사용하지 않고 하드웨어 회로로 구현할 수 있음은 물론이다.

도 7은 종래의 펄스정전용량 방식의 터치스크린 패널의 위치를 결정하는 순서도이다. 터치스크린 패널이 작동하면, 초기 배경 측정을 한다. 배경측정에는 손가락 접촉이 없이 신호전극의 기생용량에 축적되는 전하를 측정한다. "+" 프레임과 "-"프레임 동안에 손가락에 유도된 전하를 측정하고 좌표를 계산한다. 1회 측정으로는 오차가 대략 ±5% 정도이므로 여러 번 측정하여 평균값으로 좌표를 결정한다. 측정오차는 측정횟수의 제곱근에 반비례한다. 1번 측정했을 때의 오차가 σ이고, N번 측정했을 때의 오차 σ'는 아래 수학식 6과 같다.

100번 측정하여 평균하면, 1번 측정한 값과 비교하면 오차가 약 10%로 줄어든다.

종래의 단일층 펄스 정전용량 방식에서 동일 신호전극 위에 두 손가락이 접촉하면, 측정되는 위치는 두 손가락이 접하는 사이 값으로 결정된다. 도 8은 동일 신호전극(120)에 두 손가락(301, 301')이 접촉했을 때의 설명도이다. 한 손가락이 접하는 축적용량과 위치가 C1과 x1이고, 다른 손가락이 접하는 축적용량과 위치를 C2과 x2라고 표기한다. "+"프레임과 "-"프레임 동안에 유지되는 전하는 수학식 7과 수학식 8로부터 구할 수 있다.

수학식 7과 수학식 8을 수학식 4에 대입하면, 두 점(x1, x2)가 결합되어 나타나는 위치(X)는 수학식 9와 같다.

두 점의 축적용량이 같다면(C1=C2) 수학식 9는 아래 수학식 10과 같다.

즉, 단일층 펄스 정전용량 방식에서 동일 신호전극 위의 두 지점에 손가락이 접촉되면 신호처리부(240)에서는 두 점 터치인지 한 점 터치인지 구별할 수 없게 된다.

휴대폰에서는 지도나 사진을 확장하거나 축소할 때 보통 두 손가락을 화면 위에 접촉시킨 상태에서 끌어주는(drag) 손가락 행동을 감지하여야 한다. 종래 단일층 펄스정전용량에서는 동일 신호전극 위에서 두 점 터치와 한 점 터치를 구별할 수 없기 때문에 휴대폰에서의 활용이 제한적인 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 10-2011-0081474

본 발명에서는 동시에 두 지점을 터치한 경우에도 제스쳐 인식이 가능한 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 인접하는 두 신호전극의 구동전압분포를 번갈아가면서 상이하게 형성하여, 동일 신호전극에 2점 터치 검출이 가능하도록 하였다. 신호전극 중 하나는 종래와 동일하게 전압분포가 X축 위치에 따라서 선형(x)으로 변하도록 형성하고, 나머지 신호전극은 X축 위치에 따라서 비선형(x^2)으로 변하도록 형성하였다. 두 신호전극에서 검출되는 값을 비교하여, 단일 터치인지 또는 2점 터치인지를 구별할 수 있게 하였다.

본 발명은 단일층이면서 두 점 터치를 구별할 수 있는 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치를 제공함으로써 저비용으로 두 점 터치를 이용하여 지도나 사진화면을 확대 축소를 가능하게 하였다. 본 발명에 따른 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치는 휴대폰의 입력장치로 활용할 수 있게 되었다.

도 1은 단일층 펄스정전용량방식의 터치스크린 패널의 단면도이다.
도 2는 단일층 펄스정전용량방식의 터치스크린 패널의 평면도이다.
도 3은 펄스정전용량 방식의 등가회로도이다.
도 4는 펄스정전용량 방식의 Y축 좌표를 계산하는 설명도이다.
도 5는 펄스정전용량 방식의 터치스크린 장치의 구성도이다.
도 6은 감지부와 신호처리부의 구성도이다.
도 7은 종래의 펄스정전용량 방식의 터치스크린 패널의 위치를 정하는 순서도이다.
도 8은 동일 신호전극에 두 점 터치가 되는 설명도이다.
도 9는 본발명의 한 예인 신호전극의 평면도이다.
도 10은 선형 신호전극의 전압분포 곡선이다.
도 11은 비선형 신호전극의 전압분포 곡선이다.
도 12는 비선형 신호전극에 두 점 터치가 되는 설명도이다.
도 13은 본 발명의 펄스정전용량 방식의 터치스크린 패널의 위치를 정하는 순서도이다.
도 14는 본 발명의 Y축 계산 오차를 보여주는 설명도이다.
도 15는 접촉전극이 형성된 본 발명의 한 예인 신호전극의 평면도이다.
도 16는 저항전극이 형성된 본 발명의 한 예인 신호전극의 평면도이다.

이하에서, 본 발명에 따른 멀티 터치 감지가 가능한 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 9는 본 발명에 따른 일 실시예의 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치에 구비되는 신호전극의 평면도이다. 신호전극이 직사각 형상을 갖는 선형 신호전극(121)과 X축에 따라 폭이 변하는 비선형 신호전극(122)이 교대로 형성되는 것을 특징으로 한다. 신호전극의 면저항은 위치에 따라 변하지 않고 일정하게 형성되도록 하였다. 선형 신호전극(121)은 면저항이 일정하고 X축 위치에 따라서 설치되는 면적이 일정하게 형성되는 신호전극으로 신호전극 양단에 전압을 걸어주면 도 10과 같이 선형으로 전압이 달라진다. 도 10에서 가로축은 X축 상의 거리를 나타내며, 세로축은 신호전극에 인가되는 상대 전압값을 나타내며, "+" 그래프는 "+"프레임 동안 신호전극에 인가되는 상대 전압을 그래프로 표시한 것이며, "-" 그래프는 "-"프레임동안 신호전극에 인가되는 상대 전압을 그래프로 도시한 것이다. 비선형 신호전극(122)은 면저항을 일정하지만 X축 방향으로 증가함에 따라 신호전극이 차지하는 면적이 선형적으로 줄어드는 신호전극을 의미한다. 따라서, 비선형 신호전극에서는 X축이 커짐에 따라서 저항이 선형적으로 증가하므로 신호전극 양단에 전압을 인가하면, 도 11과 같이 "+" 프레임에서는 X축의 위치에 따라 제곱에 비례하여 전압분포가 달라짐을 알 수 있다. 표 1은 "+"프레임과 "-"프레임에서 선형 신호전극과 비선형 신호전극에 걸리는 전압분포를 나타낸 것이다. 선형 신호전극은 x, 비선형 신호전극은 x'이라 표시하였다.

	선형 신호전극	비선형 신호전극
"+" 프레임	(x/L)V	((x'/L)^2)V
"-" 프레임	(1-x/L)V	(1- (x'/L)^2)V

"+"프레임과 "-"프레임에서 비선형 신호전극에 유도되는 전하 Q(++)와 Q(--)는 아래 수학식 11과 같다.

x'는 수학식 11과 수학식 12로부터 수학식 13과 같이 유도된다.

도 12는 비선형 신호전극(122)에 두 손가락(301, 301')이 접촉할 경우를 나타내는 도면이다. 한 손가락이 접하는 축적용량과 위치가 C1'과 x1'이고, 다른 손가락이 접하는 축적용량과 위치를 C2'과 x2'라고 표기한다. "+"프레임에 유도되는 전하 Q(++)는 수학식 14와 같다.

유사하게 "-"프레임에 유도되는 전하 Q(--)는 수학식 15와 같다.

두 손가락에 의한 합성위치(X')는 수학식 14와 수학식 15를 수학식 13에 대입하여 구해지고, 그 결과는 수학식 16과 같이 구할 수 있다.

정확한 두 지점의 위치 파악에 목적을 두지 않고, 페이지를 넘기는 제스처 등의 모션 감지를 목적으로 멀티 터치를 사용하고자 할 경우에는 두 지점의 축적 용량이 동일(C1 = C2)하다고 가정하여도 제스처를 감지할 수 있기 때문에 수학식 16은 수학식 17과 같이 단순화될 수 있다.

도 9에서와 같이 손가락 대부분이 선형 신호전극 N에 놓인다 하더라도, 일부 성분은 제곱근 신호전극인 (N-1)과 (N+1)에서 검출된다. 물론 신호전극 N에 유도되는 전하량이 (N-1)과 (N+1)에 유도되는 전하량에 비하여 매우 크다. 수학식 4와 수학식 13을 비교하여 측정값이 오차범위 안에서 일치하면 단일 터치가 되고, 그렇지 않으면 2점 터치로 간주한다.

2점 터치인 경우에는 수학식 10과 수학식 17을 이용하여 각각의 위치를 수학식 18로부터 구할 수 있다, 2점의 손가락에 의한 정전용량 C1과 C2는 같다고 가정한 것이다. X는 선형 신호전극에서 측정값이고, X'는 비선형 신호전극에서의 측정값이다.

0.5L에 손가락이 있는 단일 터치의 경우에는 선형 신호전극의 측정값 X와 비선형 신호전극의 측정값 X'가 모두 0.5L로 측정된다. 원점(0)과 끝점(L)에 있는 두 점 터치의 경우 선형 신호전극의 측정값은 X는 0.5L이고 비선형 신호전극의 X'는 0.707L이된다. 두 점 터치의 경우에는 X와 X'가 일치하지 않으므로 수학식 18로부터 두 점의 위치를 구할 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 일 실시예의 단일 펄스정전용량 방식의 터치스크린 패널의 위치를 결정하는 순서도이다. 터치스크린 패널이 작동하면, 초기 배경 측정을 한다. 배경측정은 손가락 접촉이 없이 신호전극의 기생용량에 축적되는 전하를 측정하는 단계이다. "+" 프레임과 "-"프레임 동안에 손가락에 유도된 전하를 측정하고 좌표를 계산한다. 1회 측정으로는 오차가 대략 ±5% 정도이므로 미리 규정된 평균 횟수만큼 여러 번 측정하여 평균값으로 좌표를 결정한다. 선형 신호전극의 측정값과 비선형 신호전극의 측정값이 동일하면 단일 터치로 인식하고, 상이하면 2점 터치로 간주하여 각각의 좌표를 결정한다.

Y축은 수학식 5를 이용하여 구한다. X축 위치에 관계없이 Y축 측정값이 일정하게 나와야한다. 도 14와 같은 모양의 신호전극에 n번째 신호전극(선형)과 (n+1)번째 신호전극(비선형)에 거쳐서 손가락 접촉면(301)이 접촉한다고 가정하면, A선보다는 B선이 (n+1)번째 신호전극에 접촉하는 비율이 커서 Y값이 크게 나온다. X축 위치에 따른 두 신호전극의 접촉면적의 변화가 최소가 되도록 신호전극의 모양을 설계해야된다.

도 15는 본 발명에 따른 일 실시예인 단일 펄스정전용량 터치장치에서 Y축 위치값의 오류를 보정하는 신호전극의 평면도이다. 선형 신호전극(121)과 비선형 신호전극(123)이 교대로 형성된 것이다. 비선형 신호전극은 두 영역으로 구분된다. 도 15의 오른쪽 확대도면은 비선형 신호전극의 D부분을 확대한 것이다. 연속적으로 연결된 연속전극(125)과 식각된 부분이 포함된 접촉전극(126)으로 구별할 수 있다. 연속전극(125)과 접촉전극(126)의 비율이 X축에 따라서 달라지는 구조이다. 연속전극(125)은 X축의 위치에 따라 구동전압이 비선형이 형성되고, 접촉전극은 X축 변화에 따라 손가락의 접촉면 변화를 최소로 하여 Y축의 오차를 줄이는 방식이다. 식각되는 영역의 폭(w)을 보통 30∼50㎛로 하면 사용자 눈에 잘 식별되지 않는다.

도 16는 본 발명에 따른 일 실시예인 단일 펄스정전용량 터치장치에서 Y축 위치값의 오류를 보정하는 신호전극의 평면도이다. 선형 신호전극(121)과 비선형 신호전극(124)이 교대로 형성된 것이다. 비선형 신호전극은 두 영역으로 구분된다. 도 16의 오른쪽 확대도면은 비선형 신호전극의 F부분을 확대한 것이다. 폭이 일정한 선형전극(128)과 전극의 위치와 숫자가 달라지는 저항전극(127)이 직렬로 연이어 있다. 저항전극(127)이 X축에 따라 비선형 신호전극(124)의 구동전압을 다르게 한다. 식각되는 영역의 폭(w')을 보통 30∼50㎛로하면 눈에 잘 띄지 않는다.

전극의 폭을 달리하여 만들 수도 있다. 비선형 신호전극이 선형 신호전극의 폭보다 작게 하여 단일 터치의 위치의 정확도를 2점 터치의 정확도보다 중시할 수 있다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

본 발명에서는 선형 전극과 비선형 전극이 번갈아가면서 형성되는 신호전극을 갖는 단일층 정전용량 방식 터치스크린 장치을 제시하였다. 특히 비선형 전극은 X축 방향으로 멀어질수록 저항이 증가되는 방식을 제시하였는데 그 반대로 X축 방향으로 멀어질수록 저항이 감소하는 방식으로도 본 발명의 실시가 가능하며, 이러한 실시예까지 포함되는 것으로 청구범위를 해석하여야 한다.

본 발명에 따른 멀티 터치 감지가 가능한 단일층 정전용량 방식 터치스크린장치는 구조가 간단하면서도 멀티 터치를 구별할 수 있는 터치스크린을 제공할 수 있으므로 휴대폰의 강화유리에 직접 투명도전막을 형성하는 간단한 공정으로 터치패널을 제작할 수 있다. 따라서 제조 비용을 줄이면서 지도나 사진화면을 확대 축소하는 기능을 사용할 수 있는 휴대폰의 입력장치로 활용할 수 있다.

100 : 펄스정전용량 방식의 터치스크린 패널
110 : 기판 111 : 보호막
120 : 신호전극 121 : 선형 신호전극
122, 123, 124 : 비선형 신호전극
125 : 연속전극 126 : 접촉전극
127 : 저항전극 128 : 선형전극
200 : 구동모듈 210 : 제어부
220 : 구동부 230 : 감지부
231 : 먹스 232 : 적분기
240 : 신호처리부

Claims (5)

1. 기판상에 n 개의 장방형 막대 형상의 신호전극을 일정 간격으로 구비하는 터치 스크린 패널과 상기 터치 스크린 패널을 구동시키는 구동모듈을 구비하고 상기 신호전극 양단에 V1, V2전압을 번갈아 인가하면서 터치 위치를 결정하는 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치에 있어서,
   상기 복수 개 신호전극은 양 단에 인가된 전압이 장방향 길이 방향에 따라 선형적으로 변하는 선형 신호전극과, 양 단에 인가된 전압이 장방향 길이 방향에 따라 비선형적으로 변하는 비선형 신호전극이 번갈아가면서 형성되는 것을 특징으로 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 비선형 신호전극은 장방향 길이 방향에 따라 형성되는 면적이 상이한 것을 특징으로 하는 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 비선형 신호전극은 장방향 길이 방향에 따라 2차 함수 형상으로 전압이 변하는 것을 특징으로 하는 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 비선형 신호전극은 장방향 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 전극이 형성되지 않은 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 비선형 신호전극 상에 형성되는 일정한 간격의 전극이 형성되지 않는 영역은 장방향 길이 방향으로 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 단일층 펄스정전용량방식 터치 스크린 장치.

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