KR102139727B1 - 터치 입력 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치 입력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터치 여부, 터치의 위치 및 터치 압력의 크기를 함께 검출할 수 있는 터치 입력 장치에 관한 것이다.
실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 터치 표면에 입력되는 터치의 위치와 압력의 크기를 검출하는 터치 입력 장치로서, 다수의 센서들; 상기 다수의 센서들 상에 배치되고, 탄성 재질로 구성되고, 다수의 전도성 물질을 포함하는 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치되고, 상기 다수의 센서들 중 일부 센서들 상에 배치된 그라운드층;을 포함한다.

Description

터치 입력 장치{TOUCH INPUT DEVICE}

본 발명은 터치 입력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터치 여부, 터치의 위치 및 터치 압력의 크기를 함께 검출할 수 있는 터치 입력 장치에 관한 것이다.

버튼(button), 키(key), 조이스틱(joystick) 및 터치 스크린 등 컴퓨팅 시스템을 조작하기 위한 다양한 종류의 입력 장치가 개발 및 이용되고 있다. 그 중 터치 스크린은, 조작의 용이성, 제품의 소형화 및 제조공정의 단순화 등 다양한 이점을 갖고 있어서, 가장 큰 주목을 받고 있다.

터치 스크린은 터치-감응 표면(touch-sensitive surface)을 구비한 투명한 패널일 수 있는 터치 센서 패널(touch sensor panel)을 포함하는 터치 입력 장치의 터치 표면을 구성할 수 있다. 이러한 터치 센서 패널은 디스플레이 스크린의 전면에 부착되어 터치-감응 표면이 디스플레이 스크린의 보이는 면을 덮을 수 있다. 사용자가 손가락 등으로 터치 스크린을 단순히 터치함으로써 사용자가 컴퓨팅 시스템을 조작할 수 있도록 한다. 일반적으로, 컴퓨팅 시스템은 터치 스크린상의 터치 및 터치 위치를 인식하고 이러한 터치를 해석함으로써 이에 따라 연산을 수행할 수 있다.

종래의 모바일 기기들은 한번의 터치로도 다양한 기능을 손쉽게 실현을 하기 위해 터치의 유무뿐만이 아닌 가해진 압력의 크기까지 인식한다.　이를 위해서, 종래의 모바일 기기들은 터치의 위치(2D touch)를 인식하기 위한 터치 센서(Touch sensor)를 집적을 하고, 더불어 터치의 강도(3D touch)를 인식하기 위한 포스 센서(Force sensor)를 같이 집적을 하고 있다.

포스 센서를 이용하여 터치의 위치를 인식을 할 수 있지만, 민감도 부족에 의한 미세 터치 인식 불가능, 크로스토크(Crosstalk)에 의한　멀티-터치(Multi-touch)에 대한 신뢰성이 하락,　상하 전극과 두꺼운 절연층에 의한 투과도 하락의 문제가 있다.

도 1은 종래의 모바일 기기의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 모바일 기기는, 상층부에는 터치 센서(10)를,　하층부에는 포스 센서(20)를 집적하였다. 이러한 종래의 모바일 기기는,　터치 센서(10)와 포스 센서(20)가 수직 방향으로 집적되므로, 터치 위치와 압력의 크기를 검출하는 센서(10, 20)의 두께가 두꺼워지는 문제가 있다. 게다가, 포스 센서(20)를 구성하는 전극층들(electorde layer, 21, 23)과 전극층들(21, 23) 사이에 위치한 절연층(25)으로 인해 빛(light)의 투과도가 감소하는 문제점이 있다.

도 2는 종래의 터치 센서의 구동 원리를 보여주는 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 터치 센서는 미세한 터치를 인식가능하다는 장점이 있지만, 외부 환경에 의한 정전용량(Cm)의 변화에 의해 신뢰도가 감소되는 단점이 있다.

도 3은 종래의 포스 센서의 구동 원리를 보여주는 개념도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 포스 센서는 터치의 강도를 인식가능하다는 장점이 있지만, 모바일 기기에 집적 시에 감도가 떨어지는 문제가 있어 미세한 터치의 압력 인식은 거의 불가능하고, 크로스토크 현상이 발생되어 멀티-터치 시 신뢰성이 떨어지는 문제가 있고, 2개의 전극층과 2개의 전극층 사이에 위치한 두꺼운 절연층에 의해 빛의 투과도가 떨어지는 문제가 있다.

해결하고자 하는 기술적 과제는, 터치 위치와 압력의 크기를 함께 검출할 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

또한, 터치 위치와 압력의 크기를 검출하는 센서의 두께를 줄일 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

또한, 투과도를 향상시킬 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

또한, 압력 감도를 향상시킬 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

또한, 높은 해상도로 압력의 크기를 검출할 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

또한, 수중과 같은 특수 환경에서도 터치 위치와 터치 압력의 크기를 함께 검출할 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

또한, 압력의 크기를 검출하는 센서의 해상도를 조절할 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

또한, 압력의 크기의 측정 시, 객체에 의한 전기장의 손실을 방지할 수 있는 터치 입력 장치를 제공한다.

다만, 해결하고자 하는 기술적 과제는 상기 과제로 한정되는 것이 아니며, 실시 형태의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 터치 표면에 입력되는 터치의 위치와 압력의 크기를 검출하는 터치 입력 장치로서, 다수의 센서들; 상기 다수의 센서들 상에 배치되고, 탄성 재질로 구성되고, 다수의 전도성 물질을 포함하는 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치되고, 상기 다수의 센서들 중 일부 센서들 상에 배치된 그라운드층;을 포함한다.

여기서, 상기 일부 센서들은 구동센서와 감지센서를 포함하고, 상기 절연층이 압축되면, 단위 면적당 상기 다수의 전도성 물질의 수가 증가되어 상기 절연층의 유전율이 증가되고, 상기 절연층의 상기 유전율이 증가되면, 상기 구동센서와 상기 감지센서 사이의 정전용량이 증가되고, 상기 정전용량의 증가를 상기 감지센서로부터 출력되는 전기적 특성 값의 변화를 통해 감지하여 상기 터치 표면으로 입력되는 상기 터치의 압력의 크기를 검출할 수 있다.

여기서, 상기 절연층에 포함된 상기 다수의 전도성 물질의 중량비가 증가할수록 상기 정전용량의 변화율이 증가될 수 있다.

여기서, 상기 다수의 전도성 물질은, 다수의 나노 파티클일 수 있다.

여기서, 상기 그라운드층은, 상기 다수의 센서들 중 상기 일부 센서들을 제외한 나머지 센서들 상에 배치되지 않고, 상기 나머지 센서들은 구동센서와 감지센서를 포함하고, 상기 절연층이 압축되면, 상기 구동센서와 상기 감지센서 사이의 정전용량이 감소되고, 상기 정전용량의 감소를 상기 감지센서로부터 출력되는 전기적 특성 값의 변화를 통해 감지하여 상기 터치 표면으로 입력되는 상기 터치의 위치를 검출할 수 있다.

여기서, 상기 다수의 센서들이 배치된 일 평면을 갖는 디스플레이 모듈;을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 다수의 센서들이 배치된 일 평면을 갖는 베이스층; 및 상기 베이스층 아래에 배치된 디스플레이 모듈;을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 베이스층은 상기 절연층보다 낮은 탄성률을 갖는 재질일 수 있다.

여기서, 상기 일 평면은 요철 구조를 가질 수 있다.

여기서, 하나의 상기 센서의 폭(width)을 기준으로 한, 상기 다수의 센서들 중 인접한 두 개의 센서 사이의 간격(gap)의 비가 10 이상일 수 있다.

여기서, 상기 다수의 센서들은 행 방향을 따라 다수로 배열된 구동센서들과 열 방향을 따라 다수로 배열된 감지센서들을 포함하고, 상기 그라운드층은 상기 열 방향을 따라 하나 또는 다수로 배치될 수 있다.

여기서, 상기 그라운드층은, 상기 감지센서들 중 하나 이상의 감지센서 상에 배치되고, 상기 그라운드층은, 상기 구동센서들 중 상기 그라운드층 아래에 배치된 감지센서에 인접한 하나 또는 다수의 구동센서 상에 배치될 수 있다.

여기서, 상기 그라운드층은, 상기 그라운드층 아래에 배치된 감지센서에 인접한 하나 또는 다수의 구동센서의 일 부분 상에 배치될 수 있다.

실시 형태에 따른 터치 입력 장치를 이용하면, 객체에 의한 터치가 입력되는 경우에, 터치 위치 및 터치 압력의 크기를 함께 검출할 수 있는 이점이 있다.

또한, 터치 위치와 압력의 크기를 검출하는 센서의 두께를 줄일 수 있는 이점이 있다. 따라서, 센서의 구부림 시에 발생되는 스트레스를 줄여 유연성과 기계적 안정성을 향상시킬 수 있고, 터치 입력 장치의 전체 두께도 줄일 수 있다.

또한, 투과도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 압력 감도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 높은 해상도로 압력의 크기를 검출할 수 있는 이점이 있다.

또한, 수중과 같은 특수 환경에서도 터치 위치와 터치 압력의 크기를 함께 검출할 수 있는 이점이 있다.

또한, 압력의 크기를 검출하는 센서의 해상도를 조절할 수 있는 이점이 있다.

또한, 압력의 크기의 측정 시, 객체에 의한 전기장의 손실을 방지할 수 있는 이점이 있다.

다만, 실시 형태의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 각 실시 형태의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

도 1은 종래의 모바일 기기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래의 터치 센서의 구동 원리를 보여주는 개념도이다.
도 3은 종래의 포스 센서의 구동 원리를 보여주는 개념도이다.
도 4는 정전용량 방식의 터치 센서 패널 및 이의 동작을 위한 구성의 개략도이다.
도 5는 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념 단면도이다.
도 7은 도 6의 (a) 내지 (b)에서의 시간에 따른 정전용량 값의 변화를 개념적으로 설명하는 그래프이다.
도 8은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념 단면도이다.
도 9는 도 8에서의 시간에 따른 정전용량 값의 변화를 개념적으로 설명하는 그래프이다.
도 10은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 절연층(600)의 나노 파티클을 포함하는 경우에, 나노 파티클의 중량비(wt%)에 따른 압력 감도의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.
도 11은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치에 가해지는 압력의 크기에 따른 압력 감도의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.
도 12는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치와 같이, 동일 평면 상에 다수의 센서들이 배치된 경우에도 빛의 투과도를 향상시킬 수 있음을 실험적으로 보여주는 도면이다.
도 13은 다수의 센서들 사이의 간격에 따른 투과율의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.
도 14 내지 도 15는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 그라운드층(700)의 쉴딩 효과(shielding effect)를 설명하기 위한 비교 그래프들이다.
도 16의 (a) 내지 (b)는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 다수의 센서들(500)과 그라운드층(700)의 변형 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 17의 (a) 내지 (b)는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 다수의 센서들(500)과 그라운드층(700)의 또 다른 변형 예를 설명하기 위한 도면들이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 형태들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 형태들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 형태들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 실시 형태에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 형태로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 형태 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이러한 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 형태들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 4는 정전용량 방식의 터치 센서 패널 및 이의 동작을 위한 구성의 개략도이다. 도 4을 참조하면, 터치 센서 패널(100)은 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn) 및 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)을 포함한다.

터치 센서 패널(100)의 동작을 위해서, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는 상기 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)에 구동신호를 인가하는 구동부(120), 및 터치 센서 패널(100)의 터치 표면에 대한 터치에 따라 변화되는 정전용량 변화량에 대한 정보를 포함하는 감지신호를 수신하여 터치 및 터치 위치를 검출하는 감지부(110)를 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 터치 센서 패널(100)은 복수의 구동 전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신 전극(RX1 내지 RXm)을 포함할 수 있다. 도 4에서는 터치 센서 패널(100)의 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)이 직교 어레이를 구성하는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않으며, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)이 대각선, 동심원 및 3차원 랜덤 배열 등을 비롯한 임의의 수의 차원 및 이의 응용 배열을 갖도록 할 수 있다. 여기서, n 및 m은 양의 정수로서 서로 같거나 다른 값을 가질 수 있고, 크기도 서로 상이할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 각각 서로 교차하도록 배열될 수 있다. 구동전극(TX)은 제1축 방향으로 연장된 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)을 포함하고 수신전극(RX)은 제1축 방향과 교차하는 제2축 방향으로 연장된 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)을 포함할 수 있다.

터치 센서 패널(100)에서 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 서로 동일한 층에 형성될 수 있다. 예컨대, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 절연막(미도시)의 동일한 면에 형성될 수 있다. 또한, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 서로 다른 층에 형성될 수 있다. 예컨대, 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)과 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 하나의 절연막(미도시)의 양면에 각각 형성될 수도 있고, 또는 복수의 구동전극(TX1 내지 TXn)은 제1절연막(미도시)의 일면에 그리고 복수의 수신전극(RX1 내지 RXm)은 상기 제1절연막과 다른 제2절연막(미도시)의 일면상에 형성될 수 있다.

구동부(120)는 구동신호를 구동전극(TX1 내지 TXn)에 인가할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 따른 터치 입력 장치(1000)에서, 구동신호는 제1구동전극(TX1)부터 제n구동전극(TXn)까지 순차적으로 한번에 하나의 구동전극에 대해서 인가될 수 있다. 이러한 구동신호의 인가는 재차 반복적으로 이루어질 수 있다. 이는 단지 예시일 뿐이며, 다수의 구동전극에 구동신호가 동시에 인가될 수도 있다.

감지부(110)는 수신전극(RX1 내지 RXm)을 통해 구동신호가 인가된 구동전극(TX1 내지 TXn)과 수신전극(RX1 내지 RXm) 사이에 생성된 정전용량(Cm: 101)에 관한 정보를 포함하는 감지신호를 수신함으로써 터치 여부 및 터치 위치를 검출할 수 있다. 예컨대, 감지신호는 구동전극(TX)에 인가된 구동신호가 구동전극(TX)과 수신전극(RX) 사이에 생성된 정전용량(CM: 101)에 의해 커플링된 신호일 수 있다. 이와 같이, 제1구동전극(TX1)부터 제n구동전극(TXn)까지 인가된 구동신호를 수신전극(RX1 내지 RXm)을 통해 감지하는 과정은 터치 센서 패널(100)을 스캔(scan)한다고 지칭할 수 있다.

예를 들어, 감지부(110)는 각각의 수신전극(RX1 내지 RXm)과 스위치를 통해 연결된 수신기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 스위치는 해당 수신전극(RX)의 신호를 감지하는 시간구간에 온(on)되어서 수신전극(RX)으로부터 감지신호가 수신기에서 감지될 수 있도록 한다. 수신기는 증폭기(미도시) 및 증폭기의 부(-)입력단과 증폭기의 출력단 사이, 즉 궤환 경로에 결합된 궤환 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 증폭기의 정(+)입력단은 그라운드(ground)에 접속될 수 있다. 또한, 수신기는 궤환 캐패시터와 병렬로 연결되는 리셋 스위치를 더 포함할 수 있다. 리셋 스위치는 수신기에 의해 수행되는 전류에서 전압으로의 변환을 리셋할 수 있다.

증폭기의 부입력단은 해당 수신전극(RX)과 연결되어 정전용량(CM: 101)에 대한 정보를 포함하는 전류 신호를 수신한 후 적분하여 전압으로 변환할 수 있다. 감지부(110)는 수신기를 통해 적분된 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 ADC(미도시: analog to digital converter)를 더 포함할 수 있다. 추후, 디지털 데이터는 프로세서(미도시)에 입력되어 터치 센서 패널(100)에 대한 터치 정보를 획득하도록 처리될 수 있다. 감지부(110)는 수신기와 더불어, ADC 및 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다.

제어부(130)는 구동부(120)와 감지부(110)의 동작을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 구동 제어신호를 생성한 후 구동부(200)에 전달하여 구동신호가 소정 시간에 미리 설정된 구동전극(TX)에 인가되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 감지 제어신호를 생성한 후 감지부(110)에 전달하여 감지부(110)가 소정 시간에 미리 설정된 수신전극(RX)으로부터 감지신호를 입력받아 미리 설정된 기능을 수행하도록 할 수 있다.

도 4에서 구동부(120) 및 감지부(110)는 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 터치 센서 패널(100)에 대한 터치 여부 및 터치 위치를 검출할 수 있는 터치 검출 장치(미표시)를 구성할 수 있다.

실시 형태에 따른 터치 입력 장치는 제어부(130)를 더 포함할 수 있다. 실시 형태에서는 터치 센서 패널(100)을 포함하는 터치 입력 장치에서 터치 센싱 회로인 터치 센싱 IC(touch sensing Integrated Circuit) 상에 집적되어 구현될 수 있다. 터치 센서 패널(100)에 포함된 구동전극(TX) 및 수신전극(RX)은 예컨대 전도성 트레이스(conductive trace) 및/또는 회로 기판상에 인쇄된 전도성 패턴(conductive pattern)등을 통해서 터치 센싱 IC에 포함된 구동부(120) 및 감지부(110)에 연결될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 구동전극(TX)과 수신전극(RX)의 교차 지점마다 소정 값의 정전용량(C)이 생성되며, 인간의 신체의 일부로서 예를 들어 손가락, 또는 스타일러스와 같은 객체가 터치 센서 패널(100)에 근접하는 경우 이러한 정전용량의 값이 변경될 수 있다. 도 4에서 상기 정전용량은 상호 정전용량(Cm)을 나타낼 수 있다. 이러한 전기적 특성을 감지부(110)에서 감지하여 터치 센서 패널(100)에 대한 터치 여부 및/또는 터치 위치를 감지할 수 있다. 예컨대, 제1축과 제2축으로 이루어진 2차원 평면으로 이루어진 터치 센서 패널(100)의 표면에 대한 터치의 여부 및/또는 그 위치를 감지할 수 있다.

보다 구체적으로, 터치 센서 패널(100)에 대한 터치가 일어날 때 구동신호가 인가된 구동전극(TX)을 검출함으로써 터치의 제2축 방향의 위치를 검출할 수 있다. 이와 마찬가지로, 터치 센서 패널(100)에 대한 터치시 수신전극(RX)을 통해 수신된 수신신호로부터 정전용량 변화를 검출함으로써 터치의 제1축 방향의 위치를 검출할 수 있다.

이상에서 터치 센서 패널(100)로서 상호 정전용량 방식의 터치 센서 패널이 상세하게 설명되었으나, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치에서 터치 여부 및 터치 위치를 검출하기 위한 터치 센서 패널(100)은 전술한 방법 이외의 자체 정전용량 방식, 표면 정전용량 방식, 프로젝티드(projected) 정전용량 방식, 저항막 방식, 표면 탄성파 방식(SAW: surface acoustic wave), 적외선(infrared) 방식, 광학적 이미징 방식(optical imaging), 분산 신호 방식(dispersive signal technology) 및 음성 펄스 인식(acoustic pulse recognition) 방식 등 임의의 터치 센싱 방식을 이용하여 구현될 수 있다.

실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 디스플레이 모듈은 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 유기발광 표시장치(Organic Light Emitting Diode: OLED) 등에 포함된 디스플레이 패널일 수 있다. 이에 따라, 사용자는 디스플레이 패널에 표시된 화면을 시각적으로 확인하면서 터치 표면에 터치를 수행하여 입력 행위를 수행할 수 있다.

이때, 디스플레이 모듈은 터치 입력 장치의 작동을 위한 메인보드(main board) 상의 중앙 처리 유닛인 CPU(central processing unit) 또는 AP(application processor) 등으로부터 입력을 받아 디스플레이 패널에 원하는 내용을 디스플레이하도록 하는 제어회로를 포함할 수 있다.

이때, 디스플레이 패널의 작동을 위한 제어회로는 디스플레이 패널 제어 IC, 그래픽 제어 IC(graphic controller IC) 및 기타 디스플레이 패널의 작동에 필요한 회로를 포함할 수 있다.

실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 터치 입력 장치 내부의 소정의 일 평면 상에 다수의 센서들 배치되고, 다수의 센서들 중 일부의 센서들 상에 그라운드층이 배치되며, 다수의 센서들과 그라운드층 사이에 절연층이 배치된다. 이러한 터치 입력 장치가 구현된 일예를 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 5는 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 개략적인 단면도이다.

도 5를 참조하면, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 다수의 센서들(500), 절연층(600) 및 그라운드층(700)을 포함한다. 여기서, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 커버층(800), 베이스층(400) 및 디스플레이 모듈(300)을 더 포함할 수 있다.

다수의 센서들(500)은 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 내부에 위치한 소정의 일 평면(P) 상에 배치된다. 여기서, 일 평면(P)은 도 5에 도시된 바와 같이 베이스층(400)의 상면일 수도 있고, 도면에 도시하지 않았지만, 베이스층(400)이 존재하지 않은 경우에는 디스플레이 모듈(300)의 상면일 수도 있다.

다수의 센서들(500)은 구동신호가 입력되는 구동센서와 감지신호가 출력되는 감지센서를 포함한다. 여기서, 구동센서는 구동전극일 수 있고, 감지센서는 감지전극일 수 있다.

그라운드층(700)은 다수의 센서들(500) 상에 배치된다. 그라운드층(700)은 다수의 센서들(500) 중 일부 센서들(510) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 일부 센서들(510)은 구동신호가 입력되는 구동센서와 감지신호가 출력되는 감지전극을 포함할 수 있다. 일부 센서들(510), 그라운드층(700) 및 일부 센서들(510)과 그라운드층(700) 사이에 배치된 절연층(600)에 의해서, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는 객체(O)에 의해 입력되는 터치의 압력의 크기를 검출할 수 있다. 압력의 크기를 검출하는 원리는 첨부된 도면을 참조하여 후술하도록 한다.

한편, 나머지 센서들(530)에 의해서 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는 객체(O)에 의해 입력되는 터치의 위치를 검출할 수 있다. 터치의 위치를 검출하는 원리도 첨부된 도면을 참조하여 후술하도록 한다.

그라운드층(700)은 다수의 센서들(500)로부터 소정 간격 떨어져 배치된다. 절연층(600)에 의해서 그라운드층(700)과 다수의 센서들(500)은 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다.

그라운드층(700)은 그라운드 전위를 갖는 층이다.

그라운드층(700)은 다수의 센서들(500) 중 일부 센서들(510) 상에 배치된다.

그라운드층(700)은 절연층(600)의 상면에 배치될 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 그라운드층(700)은 절연층(600) 내부에 배치될 수도 있고, 절연층(600)이 다수의 절연층들로 구성된 경우에 중간 절연층의 하면에 배치될 수도 있다.

그라운드층(700) 상에는 커버층(800)이 배치된다. 그라운드층(700)은 커버층(800)의 하면에 배치될 수도 있고, 커버층(800) 내부에 배치될 수도 있으며, 커버층(800)의 상면에 배치될 수도 있다.

그라운드층(700)은 그라운드층(700) 아래에 배치된 일부 센서들(510)과 함께 터치의 압력의 크기를 검출하는 포스 센서로 사용될 수도 있을 뿐만 아니라, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치가 터치의 압력의 크기를 측정하는 과정에서, 객체(O)에 의한 전기장 손실을 차단하는 역할도 할 수 있다.

절연층(600)은 그라운드층(700)과 다수의 센서들(500) 사이에 배치된다. 절연층(600)은 일 평면(P) 상에 배치된다. 절연층(600)은 다수의 센서들(500)을 덮도록 배치될 수 있다. 절연층(600) 상에 그라운드층(700)이 배치된다.

절연층(600)은 작용되는 외력에 의해 두께가 줄어들고, 외력이 제거되면 원상태로 두께가 복원되는 탄성 재질로 구성된다. 따라서, 절연층(600)은 쿠션층으로도 명명될 수 있다.

객체(O)가 그라운드층(700) 상부의 커버층(800)을 누르면, 커버층(800)이 휘어지고, 커버층(800)이 휘어짐에 의해서 그라운드층(700)의 전부가 아래로 내려가거나 일 부분이 아래로 휘어질 수 있다. 그라운드층(700)의 이동과 휘어짐은 절연층(600)에 외력으로 작용되고, 외력에 대응하여 절연층(600)의 형상이 변경된다.

그라운드층(700)과 다수의 센서들(500) 사이의 전기적 연결을 차단하기 위해서, 절연층(600)은 절연 물질로 구성될 수 있다.

절연층(600)은 나노 파티클(nano particle)을 포함할 수 있다. 절연층(600)은 탄성 재질로 구성된 베이스 물질에 나노 파티클 (이하, '나노물질'이라고 언급함)이 주입되어 형성될 수 있다. 나노 파티클은 금속 물질 또는 전도성 물질일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

여기서, 나노 파티클을 포함하는 절연층(600)을 유전체층으로 명명할 수 있다. 절연층(600)에 외력이 가해지면, 절연층(600)이 압축되기 때문에, 절연층(600) 내부의 단위면적당 나노 파티클의 수가 증가된다. 이는 절연층(600)의 유전율을 증가시키게 되고, 유전율이 증가되면 다수의 센서들(500) 중 서로 인접한 구동센서와 수신센서 사이의 정전용량이 증가된다. 절연층(600)에 가해지는 외력의 크기가 커질수록 다수의 센서들(500) 중 서로 인접한 구동센서와 수신센서 사이의 정전용량도 증가한다.

커버층(800)은 절연층(600)과 그라운드층(700) 상에 배치된다. 커버층(800)은 유리 또는 플라스틱 재질일 수 있다. 커버층(800)은 투명 또는 반투명의 재질일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 불투명한 재질일 수도 있다.

커버층(800)의 상면으로 객체(O)가 입력된다. 객체(O)가 커버층(800)의 상면을 소정의 압력으로 터치하면, 커버층(800)은 상기 압력에 의해 휘어질 수 있다.

커버층(800)의 휘어짐은 그라운드층(700)의 변형을 야기한다. 그라운드층(700)은 일 부분이 휘어질 수도 있고, 전체가 아래로 이동할 수 있다. 그라운드층(700)의 휘어짐 또는 이동은 절연층(600)의 변형을 야기한다. 절연층(600)은 그라운드층(700)의 변형(휘어짐 또는 이동)에 대응되도록 그 형상이 변형된다. 그라운드층(700)과 일부 센서들(510) 사이의 거리 변화는 일부 센서들(510) 사이의 정전용량 값을 변화시킨다. 정전용량 값의 변화는 일부 센서들(510) 중 수신센서로부터 출력되는 전기적 특성 값의 변화를 통해 감지할 수 있다.

별도의 도면이 도시되어 있지 않지만, 커버층(800)과 그라운드층(700) 사이에는 추가적인 층들이 더 게재될 수 있다.

베이스층(400)은 다수의 센서들(500)이 배치되는 일 평면(P)를 제공한다. 베이스층(400)의 상면이 일 평면(P)이 될 수 있다. 별도의 도면으로 도시하지 않았지만, 일 평면(P)은 베이스층(400)의 하면이 될 수도 있고, 베이스층(400) 내부에 포함될 수도 있다.

베이스층(400)은 절연 물질로 구성될 수 있다. 다수의 센서들(500) 사이의 전기적인 연결을 차단하기 위함이다.

베이스층(400)은 단단한 재질로서, 비탄성 재질일 수 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, 베이스층(400)은 상대적으로 절연층(600)보다 낮은 탄성률을 갖는 재질일 수도 있다.

베이스층(400)은 실시 형태에 따른 터치 입력 장치에서 필수적인 구성이 아닐 수도 있다. 베이스층(400) 없이 다수의 센서들(500)이 디스플레이 모듈(300)의 상면에 배치될 수도 있다.

베이스층(400)의 상면은 나노 요철 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 베이스층(400)의 상면은 나노 요철 구조를 갖고, 다수의 센서(500)들은 나노 요철 구조를 따라 배치될 수 있다. 베이스층(400)의 상면 전체가 나노 요철 구조를 가질 수도 있고, 특정의 일 부분에만 나노 요철 구조가 형성될 수 있다.

베이스층(400)의 상면이 나노 요철 구조를 가지면, 응력 집중을 발생시킬 수 있어 터치 또는 압력 감지 감도를 더 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

디스플레이 모듈(300)은 다수의 센서들(500) 아래에 배치된다. 디스플레이 모듈(300)은 베이스층(400) 아래에 배치될 수도 있다.

디스플레이 모듈(300) 상에 일 평면(P), 다수의 센서들(500), 절연층(600), 그라운드층(700)이 배치된다.

디스플레이 모듈(300)은 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 유기발광 표시장치(Organic Light Emitting Diode: OLED) 등에 포함된 디스플레이 패널일 수 있다.

도 6은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념 단면도이다.

도 6의 (a) 내지 (b)는 도 5에 도시된 일부 센서들(510), 절연층(600) 및 그라운드층(700)이 포스 센서로 동작하는 원리를 설명하는 도면들로서, 도 6의 (a)는 객체(O)에 의한 외력이 그라운드층(700)에 인가되지 않았을 경우를 도시하고, 도 6의 (b)는 객체(O)에 의한 외력이 그라운드층(700)에 인가된 경우를 도시한다. 여기서, 절연층(600)은 나노 파티클(650)을 포함한다.

도 6의 (a) 내지 (b)를 참조하면, 절연층(600)은 탄성 재질이므로, 객체(O)의 압력(pressure)에 의하여 그라운드층(700)이 아래로 눌리게 된다. 그라운드층(700)이 아래로 눌리면, 절연층(600)의 두께가 감소한다. 절연층(600)의 두께가 감소하면, 그라운드층(700)과 일부 센서들(510) 사이의 거리가 가까워지고, 절연층(600)의 전체 부피가 감소되므로, 단위 부피 당 나노 파티클(650)의 개수가 증가된다. 따라서, 절연층(600)의 유전율이 증가하고, 유전율이 증가되므로, 구동센서(510a)와 감지센서(510b) 사이의 정전용량 값이 증가되는 방향으로 변화된다. 감지센서(510b)는 변화되는 정전용량 값에 대응하는 전기적 특성 값, 예를 들어 전압 값을 출력하고, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는 출력되는 전기적 특성 값으로부터 압력의 크기를 검출할 수 있다.

도 7은 도 6의 (a) 내지 (b)에서의 시간에 따른 정전용량 값의 변화를 개념적으로 설명하는 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 객체(O)에 의한 압력이 입력되는 소정 시간(t1)을 기준으로 구동센서(510a)와 감지센서(510b) 사이의 정전용량 값이 증가됨을 확인할 수 있다.

한편, 도 6의 (a) 내지 (b)와 도 7은 절연층(600)이 나노 파티클(650)을 포함하는 경우를 예시한 것인데, 절연층(600)이 나노 파티클(650)을 포함하지 않는 경우의 동작 원리를 설명한다.

절연층(600)은 탄성 재질이므로, 객체(O)의 압력(pressure)에 의하여 그라운드층(700)이 아래로 눌리게 된다. 그라운드층(700)이 아래로 눌리면, 절연층(600)의 두께가 줄어들고, 그라운드층(700)과 일부 센서들(510) 사이의 거리가 가까워진다. 따라서, 구동센서(510a)와 감지센서(510b) 사이의 정전용량 값이 증가되는 방향으로 변화된다. 감지센서(510b)는 변화되는 정전용량 값에 대응하는 전기적 특성 값, 예를 들어 전압 값을 출력하고, 출력되는 전기적 특성 값으로부터 압력의 크기를 검출할 수 있다.

도 8은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념 단면도이다.

도 8은 도 5에 도시된 나머지 센서들(530)이 터치 센서로 동작하는 원리를 설명하는 도면으로서, 객체(O)가 나머지 센서들(530)에 근접한 경우를 도시한다. 여기서, 절연층(600)은 나노 파티클(650)을 포함할 수도 있고, 포함하지 않은 것일 수도 있다.

객체(O)가 나머지 센서들(530)에 근접하면, 객체(O)가 전기장을 흡수하기 때문에, 구동센서(510a)와 감지센서(510b) 사이의 정전용량이 감소한다.

나머지 센서들(530) 사이의 생성되는 전기장(E-field)은 주로 나머지 센서들(530) 사이에 밀집이 되어 있기 때문에, 나머지 센서들(530) 밖에 존재하던 전기장(E-field)이 그라운드층(700)에 의해 손실이 되더라도 감도 하락에 크게 영향을 미치지 않을 수 있다.

도 9는 도 8에서의 시간에 따른 정전용량 값의 변화를 개념적으로 설명하는 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 객체(O)에 근접하는 소정 시간(t1)을 기준으로 구동센서(510a)와 감지센서(510b) 사이의 정전용량 값이 감소함을 확인할 수 있다.

도 10은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 절연층(600)의 나노 파티클을 포함하는 경우에, 나노 파티클의 중량비(wt%)에 따른 압력 감도의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.

도 10을 참조하면, 절연층(600) 내부에 포함되는 나노 파티클의 중량비(wt%)가 증가할수록, 압력에 따른 나노 파티클의 밀도 변화가 커지기 때문에, 정전용량의 변화율(또는 압력 감도)이 증가됨을 확인할 수 있다.

도 11은 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치에 가해지는 압력의 크기에 따른 압력 감도의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.

도 11을 참조하면, 압력이 커질수록 절연층(600)의 부피가 줄어들기 때문에, 단위 부피 당 나노 파티클의 개수가 증가되고, 이는 유전율도 증가시킨다. 따라서, 정전용량의 변화율도 커짐을 확인할 수 있다.

한편, 도 11은 절연층(600)이 나노 파티클을 포함하는 경우의 실험 그래프이지만, 절연층(600)이 나노 파티클을 포함하지 않더라도 비슷한 실험 결과가 나올 것으로 예상된다.

도 12는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치와 같이, 동일 평면 상에 다수의 센서들이 배치된 경우에도 빛의 투과도를 향상시킬 수 있음을 실험적으로 보여주는 도면이고, 도 13은 다수의 센서들 사이의 간격에 따른 투과율의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.

도 12 내지 도 13을 참조하면, 동일 평면 상에 다수의 센서들을 배치할 경우, 종래에 수직 방향으로 센서들을 배치하는 방식과 달리, 다수의 센서들 사이의 간격을 넓힘으로써 높은 투과율을 유지할 수 있다. 또한, ITO와 같이 산화물이 아닌 금속 전극을 사용하여도 투과도를 유지할 수 있어, 기계적으로 안정적이고 경제적인 장점이 있다. 여기서, 센서의 폭(width)을 기준으로 한 다수의 센서들 사이의 간격(gap)의 비가 10 이상이면, 400 nm 이상의 파장의 빛을 80% 이상 투과함을 확인할 수 있다.

도 14 내지 도 15는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 그라운드층(700)의 쉴딩 효과(shielding effect)를 설명하기 위한 비교 그래프들이다.

도 14는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치에서 그라운드층(700)이 없는 경우의 실험 그래프로서, 객체(O)에 의한 전기장(E-field)의 손실로 인해, 객체(O)가 커버층(800)에 근접하여 커버층(800)에 접촉될 때까지 시간동안(0 ~ t1)에 구동센서(510a)과 감지센서(510b) 사이의 정전용량이 감소됨을 확인할 수 있다.

반면, 도 15는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치에서 그라운드층(700)이 포함된 경우의 실험 그래프로서, 그라운드층(700)에 의해서 객체(O)에 의한 전기장(E-field)의 손실이 거의 차단되어, 객체(O)가 커버층(800)에 근접하여 커버층(800)에 접촉될 때까지 시간동안(0 ~ t2)에 구동센서(510a)과 감지센서(510b) 사이의 정전용량이 거의 변화되지 않음을 확인할 수 있다. 이는 그라운드층(700)이 압력의 크기를 검출하는 동안에 객체(O)에 의한 전기장의 손실을 거의 차단함을 증명한다.

도 16의 (a) 내지 (b)는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 다수의 센서들(500)과 그라운드층(700)의 변형 예를 설명하기 위한 도면들이다. 도 16의 (a)는 평면도이고, 도 16의 (b)는 도 16의 (a)의 A-A'으로의 단면도이다.

도 16의 (a) 내지 (b)를 참조하면, 다수의 센서(500)들은 서로 소정 간격 떨어져 배치된다. 다수의 센서(500)들은 다수의 행(Row)과 다수의 열(Column) 방향을 따라 배열된다.

다수의 센서(500)들은 다수의 행(Row1, Row2) 방향을 따라 배열된 센서(501)들과 다수의 열(Column1, Column2, Column3) 방향을 따라 배열된 센서(505)들을 포함할 수 있다.

하나의 행 방향을 따라 배열된 센서(501)들은 서로 전기적으로 연결되고, 하나의 열 방향을 따라 배열된 센서(505)들도 서로 전기적으로 연결된다. 하나의 열 방향을 따라 배열된 센서(501)들은 하나의 행 방향을 따라 배열된 센서(505)들과 전기적으로 연결되지 않는다.

행 방향을 따라 배열된 센서(501)들 중 인접한 2개의 센서(501)들 사이, 및 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 인접한 2개의 센서(505)들 사이에는, 연결부(501a, 505a)가 형성될 수 있다. 행 방향을 따라 배치된 연결부(501a)와 열 방향을 따라 배치된 연결부(505a)는 전기적으로 연결되지 않아야 하므로, 행 방향을 따라 배치된 연결부(501a)와 열 방향을 따라 배치된 연결부(505a)가 서로 교차되는 부분에서는, 행 방향을 따라 배치된 연결부(501a)를 열 방향을 따라 배치된 연결부(505a) 상에 배치하고, 행 방향을 따라 배치된 연결부(501a)와 열 방향을 따라 배치된 연결부(505a) 사이에 절연물질로 구성된 절연층을 형성시킬 수 있다. 물론, 열 방향을 따라 배치된 연결부(505a)를 행 방향을 따라 배치된 연결부(501a) 상에 배치하고, 행 방향을 따라 배치된 연결부(501a)와 열 방향을 따라 배치된 연결부(505a) 사이에 절연물질로 구성된 절연층을 형성시키도 무방하다.

다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들은 구동신호가 입력되는 구동센서(또는 구동전극)일 수 있고, 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들은 감지신호가 출력되는 감지센서(또는 감지전극)일 수 있다. 물론, 반대도 가능하다. 즉, 다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들은 감지신호가 출력되는 감지센서(또는 감지전극)일 수 있고, 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들은 구동신호가 입력되는 구동센서(또는 구동전극)일 수 있다.

다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 그라운드층(700) 아래에 배치되는 센서들은, 압력의 크기를 검출하기 위한 압력 감지 신호가 출력되는 압력 감지 센서일 수 있다. 그리고, 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 그라운드층(700) 아래에 배치되지 않는 센서들은 터치의 위치를 검출하기 위한 터치 감지 신호가 출력되는 터치 감지 센서일 수 있다.

다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들 상에는 그라운드층(700)이 배치될 수 있다. 다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들은, 압력의 크기를 검출하기 위한 압력 구동 신호가 입력되는 압력 구동 센서일 수도 있고, 터치의 위치를 검출하기 위한 터치 구동 신호가 입력되는 터치 구동 센서일 수도 있다. 즉, 다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들은, 압력 구동 센서와 터치 구동 센서로 함께 이용될 수 있다.

각 센서(501, 505)는 상면 또는 하면이 사각형인 육면체의 구조를 가질 수 있다. 센서(501, 505)의 서로 마주보는 두개의 모서리가 열 방향 또는 행 방향을 따라 배치된다.

그라운드층(700)은 하나 또는 다수의 열 방향을 따라 연장될 수 있다. 여기서, 그라운드층(700)은, 도 16에 도시된 것과 달리, 하나 또는 다수의 행 방향을 따라 연장될 수도 있다.

그라운드층(700)은 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 하나의 열(column 2) 방향을 따라 배치된 센서들 상에 배치될 수 있다. 여기서, 그라운드층(700)은 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 인접한 둘 이상의 열(column 2과 column 3 또는 column 1과 column 2)을 따라 배치된 센서들 상에 배치될 수도 있다. 또한, 그라운드층(700)은 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 서로 인접하지 않는 둘 이상의 열(column 1과 column 3) 방향을 따라 배치된 센서들 상에 배치될 수 있다. 이 경우, 그라운드층(700)은 둘 이상을 포함한다. 이와 같이, 그라운드층(700)은 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서들 중 하나 이상의 열 방향을 따라 배치된 센서들 상에 배치될 수 있다.

그라운드층(700)은 다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들 전부 또는 일부 센서들 상에 배치될 수 있다. 여기서, 일부 센서들은 그라운드층(700) 아래에 배치된 하나 이상의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들에 인접한 센서들일 수 있다.

그라운드층(700)은, 도 16의 (a)에 도시된 바와 같이, 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 하나 이상의 열을 따라 배치된 센서(505)들과, 다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들 중 상기 하나 이상의 열을 따라 배치된 센서(505)들에 인접한 센서(501)들을 전부 덮을 수 있는 구조와 크기를 가질 수 있다. 또한, 그라운드층(700)은, 도 16의 (a)에 도시된 바와 같이, 다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들 상에도 추가적으로 더 배치될 수도 있다.

도 16의 (b)를 참조하면, 다수의 센서(501, 505)들은 일 평면(P)에 배치된다. 일 평면(P)은 베이스층(400)의 상면일 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니며 디스플레이 모듈(미도시)의 상면일 수도 있다. 다수의 센서(501, 505)들과 일 평면(P) 상에 절연층(600)이 배치되고, 절연층(600) 상에 그라운드층(700)이 배치된다. 그라운드층(700)과 절연층(600) 상에 커버층(800)이 배치된다.

다수의 센서(501, 505)들 중 그라운드층(700) 아래에 배치된 센서들은 포스 센서로서 기능하고, 다른 센서들은 터치 센서로서 기능할 수 있다. 포스 센서는 압력 구동 센서와 압력 감지 센서를 포함하고, 터치 센서는 터치 구동 센서와 터치 감지 센서를 포함할 수 있다. 여기서, 포스 센서의 압력 구동 센서는 터치 센서의 터치 구동 센서로 이용될 수도 있다. 여기서, 포스 센서의 압력 구동 센서와 터치 센서의 터치 구동 센서는 공용일 수 있다.

터치 여부 또는 터치의 위치를 감지할 때는 터치 구동 센서에 구동 신호를 인가한 후에 터치 감지 센서로 수신되는 신호를 사용하여 정전용량을 측정하여 터치 여부 또는 터치의 위치를 판별하고, 압력의 크기를 감지할 때는 압력 구동 센서에 구동 신호를 인가한 후에 압력 감지 센서으로 수신되는 신호를 사용하여 정전용량을 측정하여 압력의 크기를 검출한다.

도 16의 (a) 내지 (b)에 도시된 다수의 센서(501, 505)들과 그라운드층(700)의 구조는 고해상도의 터치/포스 센서 어레이를 구성하고, 데드존(Dead zone)을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

도 17의 (a) 내지 (b)는 도 5에 도시된 실시 형태에 따른 터치 입력 장치의 다수의 센서들(500)과 그라운드층(700)의 또 다른 변형 예를 설명하기 위한 도면들이다. 도 17의 (a)는 평면도이고, 도 17의 (b)는 도 17의 (a)의 A-A'으로의 단면도이다.

도 17에 도시된 다수의 센서(500)들은 도 16에 도시된 다수의 센서(500)들과 동일하므로, 구체적인 설명은 앞서 설명한 내용으로 대체한다.

도 17에 도시된 도시된 그라운드층(700')은 도 16에 도시된 그라운드층(700)과 구성상 차이가 있다. 이하 구체적으로 설명한다.

도 17의 (a) 내지 (b)를 참조하면, 그라운드층(700')은 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 하나 이상의 열 방향을 따라 배치된 센서들 상에 배치된다.

그라운드층(700')은 다수의 행 방향을 따라 배치된 센서(501)들 중 일부 센서들 상에도 배치될 수 있다. 여기서, 상기 일부 센서들은 다수의 열 방향을 따라 배치된 센서(505)들 중 하나 이상의 열 방향을 따라 배치된 센서들과 인접한 센서일 수 있다. 여기서, 그라운드층(700')은 상기 일부 센서(501)의 전부가 아닌 일부 상에 배치될 수 있다.

도 17의 (a)에 도시된 바와 같이, 그라운드층(700')의 형상은 도 16의 (a)에 도시된 그라운드층(700')의 형상보다 단순하기 때문에, 그라운드층(700')을 형성하기가 용이한 이점이 있다. 또한, 그라운드층(700')의 단면적이 도 16의 (a)에 도시된 그라운드층(700')의 단면적보다 작기 때문에, 터치 감도가 더 향상될 수 있는 이점이 있다.

도 17에 도시된 터치 입력 장치의 터치 위치와 압력의 크기의 검출 방식은, 도 16에 도시된 터치 입력 장치의 터치 위치와 압력의 크기의 검출 방식과 동일하다. 따라서, 구체적인 설명은 앞서 설명한 내용으로 대체한다.

도 5 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 그라운드층(700)과 그라운드층(700) 아래에 배치된 센서들(510) 사이의 거리 변화에 따른 센서들(510) 사이의 정전용량 값의 변화를 인식할 수도 있다. 또한, 나노 파티클이 포함된 절연층(600)을 이용하여 나노 파티클의 밀도 변화에 따른 절연층(600)의 유전율의 변화에 따라 센서들(510) 사이의 정전용량 변화를 인식할 수도 있는 특징을 갖는다.

또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 압력의 크기를 검출하는 과정에서, 객체(O)에 의한 전기장 손실을 그라운드층(700)을 통해 차단하여 객체(O)에 의한 압력에 따른　정전용량 값의 증가를 신뢰적으로 측정할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 상부에 그라운드층(700)이 없는 나머지 센서들(530)은 객체(O)에 의한　전기장(E-field)의 손실로 인한　정전용량 값의 감소를 측정하여 터치의 유무 및 터치의 위치를 판단할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 종래의 터치 센서 패널 상에 그라운드층(700)을 형성하여 동일 평면(P) 상에 배치된 다수의 센서(500)들을 포스 센서와 터치 센서로 이용할 수 있다. 따라서, 얇고 높은 투과도를 유지할 수 있다.

　또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 동일 평면(P)에 다수의 센서(또는 전극)들을　형성하기 때문에, 수직방향으로의 센서(또는 전극) 대비　전극의 개구율을 높일 수 있다. 따라서,　ITO와 같은 투명 산화물이 필요 없이 금속 물질을 이용하여도 높은 투과도를 유지할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 포스 센서와 터치 센서를 동일 평면(P) 상에 형성을 하여 투과되는 전극을 줄이고,　포스 센서와 터치 센서를 포함하는 전체 센서의 두께를 얇게 형성하여 높은 투과율을 유지할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 동일 평면(P)에 센서(500)들이 형성되기 때문에, 수직 방향으로 센서들이 형성되는 종래의 방식보다 센서(500)의 두께를 얇게 만들 수 있어, 구부림 시 발생되는 표면의 스트레스를 줄여 유연성과 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 나노 파티클을 포함하는 절연층(600)을 사용하여 압력에 따른 나노 파티클의 밀도 변화를 크게 형성하여 높은 압력 검출 감도를 유지할 수 있다. 따라서, 고민감도의 포스 센서를 구현할 수 있다.

종래의 상용화된 포스 센서의 경우, 터치 센서로 위치를 파악 후 압력을 인식 하기 때문에 낮은 해상도의 어레이를 이용하고 있지만, 수중에서 사용이 되는 디스플레이 기기들은 기존 터치 센서를 통해 위치 인식이 불가능 하기 때문에, 수중과 같은 다양한 환경에서 신뢰적으로 위치 및 압력을 인식하기 위해 고해상도의 포스 센서가 필요로 한다. 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 기존 포스 센서와 달리 높은 해상도의 포스 센서를 제작할 수 있는 디자인으로 수중과 같은 외부 환경에서도 높은 해상도의 포스 센서를 이용하여 위치와 압력을 동시에 신뢰적으로 인식을 할 수 있어 다양한 응용 분야에 적용이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 그라운드층(700)의 영역 조절을 이용하여 터치 센서와 포스 센서의 해상도를 쉽게 조절할 수 있어 응용 분야에 맞게 터치 감지 신호의 선형성(Linearity)을 개선시킬 수 있다.

또한, 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 종래의 터치 센서 구조에서 절연층(600)과 그라운드층(700)의　증착을 통해 간단하게 구현할 수 있어, 기존 산업에서 사용하는 공정과 크게 다르지 않아 넓은 활용 가능성을 가지고 있다. 따라서, 높은 시장성을 갖는다.

이러한 실시 형태에 따른 터치 입력 장치는, 모바일 기기뿐만이 아니라 터치 센서와 포스 센서가 함께 사용되고 있는 로봇,　웨어러블 센서,　바이오 센서들 등 다양한 응용분야에 적용이 가능하다.　

이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

300: 디스플레이 모듈
400: 베이스층
500: 센서
600: 절연층
700: 그라운드층
800: 커버층

Claims (13)

1. 터치 표면에 입력되는 터치의 위치와 압력의 크기를 검출하는 터치 입력 장치에 있어서,
   디스플레이 모듈;
   상기 디스플레이 모듈 상에 배치되고, 구동센서들과 감지센서들을 포함하는 다수의 센서들;
   상기 다수의 센서들 상에 배치되고, 탄성 재질로 구성되고, 다수의 전도성 물질을 포함하는 절연층;
   상기 절연층 상에 배치되고, 상기 다수의 센서들 중 일부 센서들 상에 배치되고, 상기 다수의 센서들 중 상기 일부 센서들을 제외한 나머지 센서들 상에 배치되지 않는 그라운드층; 및
   상기 절연층과 상기 그라운드층 상에 배치된 커버층;을 포함하고,
   상기 일부 센서들 중 감지센서로부터 출력되는 신호에 기초하여 상기 터치의 압력의 크기를 검출하고,
   상기 나머지 센서들 중 감지센서로부터 출력되는 신호에 의해 상기 터치의 위치를 검출하고,
   상기 일부 센서 및 상기 나머지 센서는 동일 평면상에 배치되고,
   상기 일부 센서 및 상기 나머지 센서는 상기 그라운드층과 다른 평면상에 배치되며,
   상기 절연층은 상기 다수의 센서들과 상기 그라운드층 사이의 전기적 연결을 차단하는, 터치 입력 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 일부 센서들은 구동센서와 감지센서를 포함하고,
   상기 절연층이 압축되면, 단위 면적당 상기 다수의 전도성 물질의 수가 증가되어 상기 절연층의 유전율이 증가되고,
   상기 절연층의 상기 유전율이 증가되면, 상기 구동센서와 상기 감지센서 사이의 정전용량이 증가되고,
   상기 정전용량의 증가를 상기 감지센서로부터 출력되는 전기적 특성 값의 변화를 통해 감지하여 상기 터치 표면으로 입력되는 상기 터치의 압력의 크기를 검출하는, 터치 입력 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 절연층에 포함된 상기 다수의 전도성 물질의 중량비가 증가할수록 상기 정전용량의 변화율이 증가되는, 터치 입력 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수의 전도성 물질은, 다수의 나노 파티클인, 터치 입력 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 나머지 센서들은 구동센서와 감지센서를 포함하고,
   상기 절연층이 압축되면, 상기 구동센서와 상기 감지센서 사이의 정전용량이 감소되고,
   상기 정전용량의 감소를 상기 감지센서로부터 출력되는 전기적 특성 값의 변화를 통해 감지하여 상기 터치 표면으로 입력되는 상기 터치의 위치를 검출하는, 터치 입력 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 디스플레이 모듈은 상기 다수의 센서들이 배치되는 일 평면을 갖는, 터치 입력 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 디스플레이 모듈 상에 배치된 베이스층;을 더 포함하고,
   상기 다수의 센서들은 상기 베이스층의 일 평면에 배치된, 터치 입력 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 베이스층은 상기 절연층보다 낮은 탄성률을 갖는 재질인, 터치 입력 장치.
9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 일 평면은 요철 구조를 갖는, 터치 입력 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    하나의 상기 센서의 폭(width)을 기준으로 한, 상기 다수의 센서들 중 인접한 두 개의 센서 사이의 간격(gap)의 비가 10 이상인, 터치 입력 장치.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동센서들은 행 방향을 따라 다수로 배열되고, 상기 감지센서들은 열 방향을 따라 다수로 배열되고,
    상기 그라운드층은 상기 열 방향을 따라 하나 또는 다수로 배치된, 터치 입력 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 그라운드층은, 상기 감지센서들 중 하나 이상의 감지센서 상에 배치되고,
    상기 그라운드층은, 상기 구동센서들 중 상기 그라운드층 아래에 배치된 감지센서에 인접한 하나 또는 다수의 구동센서 상에 배치된, 터치 입력 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 그라운드층은, 상기 그라운드층 아래에 배치된 감지센서에 인접한 하나 또는 다수의 구동센서의 일 부분 상에 배치된, 터치 입력 장치.

Images