KR20150090940A - 용량성 터치입력장치를 이용한 압력감지방법 - Google Patents

Abstract

정전식 터치패널만을 이용하여 압력을 감지하는 기술을 공개한다. 이 기술에서는 정전식 터치패널과 다른 부품 사이에 발생하는 표유용량이 터치압력에 의하여 변화하는 성질을 이용한다.

Description

용량성 터치입력장치를 이용한 압력감지방법{Method for detecting pressure event using capacitive touch input device}

본 발명은 사용자 전자장치에 관한 것으로서, 특히 사용자 입력으로서의 압력의 강도를 검출하는 기술에 관한 것이다.

터치입력장치는 터치패널 상에서 손가락 등의 접촉위치를 감지하고, 감지된 접촉위치에 관한 정보를 입력정보로서 제공하는 입력장치를 지칭한다. 터치입력장치에는 여러 방식이 있으며, 대표적으로 저항 방식과 용량성 방식이 있다. 용량성 방식은 크게 자기축전방식과 상호축전방식이 있다.

상호축전방식은 투명한 전도성 소재로 이루어진 동작패턴 및 감지패턴을 갖는데, 이 두 패턴 사이에 커패시턴스가 형성될 수 있다. 손가락을 이 두 패턴 근처에 가져가거나 또는 접촉하게 되면 두 패턴 사이에 형성되는 커패시턴스의 값이 변화하게 된다. 따라서 두 패턴 사이에 형성되는 커패시턴스의 값의 변화 여부를 측정하면, 손가락으로 터치입력장치에 접촉했는지 여부를 알아낼 수 있다. 이를 위하여 동작패턴에 전기신호를 인가하면, 감지패턴에 전하가 주입된다. 주입되는 전하의 양은 두 패턴 사이에 형성된 커패시턴스 값에 따라 달라지기 때문에, 주입된 전하의 양을 측정함으로써 커패시턴스의 변화를 알아낼 수 있고, 그 결과 터치입력이 이루어졌는지 여부를 알 수 있다.

한편, 용량성 터치입력장치의 경우, 예컨대 손가락이 터치입력장치의 표면에 닿기 시작하는 순간부터, 누르는 압력을 증가하게 되면 어느 정도 수준, 예컨대 제1압력의 수준까지는 상기 두 패턴 사이에 형성되는 커패시턴스의 값이 변화하는 것을 측정할 수 있다. 그러나 사용자가 상기 제1압력보다 더 강한 압력으로 누르더라도 손가락과 터치입력장치 사이의 접촉 면적이 더 이상 증가하지 않아 커패시턴스의 값이 더 이상 변하지 않을 수 있다. 이는 더 강한 압력을 주어 새로운 명령을 내리고자 하는 사용자의 의도에 부합하지 않을 수 있다.

따라서 위와 같은 터치기술의 한계를 극복하기 위하여 압력을 감지하는 기술이 연구되고 있다. 압력을 감지하는 기술은 비단 상기 터치기술의 한계를 극복하기 위해서만이 아니라, 독자적인 논리에 의하여 개발되고 있다. 그러나 이러한 새로운 압력 감지기술들은 각각 자신만의 고유한 구조를 가지고 있어야만 하기 때문에 종래의 터치입력장치와 함께 사용되기 위해서는 장치의 복잡도가 올라가는 단점이 있다.

본 발명에서는 종래의 터치입력장치의 구조를 그대로 사용하면서 압력을 함께 감지할 수 있는 새로운 기술을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 관점에 따라 제공되는 터치압력 감지방법은, 정전식 터치패널; 상기 정전식 터치패널 아래에 배치된 제2층; 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이에 형성된 공극을 포함하는 터치입력장치에서 터치압력을 감지하는 방법이다. 이 방법은, 상기 정전식 터치패널에 형성된 복수 개의 터치노드 중 제1터치노드의 커패시턴스의 변화량을 측정하는 단계; 및 상기 커패시턴스의 변화량이 제2임계치 이상인 경우 상기 제1터치노드에 대하여 터치압력이 발생했다고 판단하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 터치압력이 발생한 경우 상기 공극의 크기가 줄어들어 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이의 거리가 짧아지도록 되어 있고, 상기 제2층에는, 상기 제2층과 상기 정전식 터치패널 사이에 제2커패시턴스가 형성되도록 하는 재료로 이루어진 부품이 포함되어 있다. 그리고 상술한 단계들은 상기 정전식 터치패널에 연결되어 사용되는 사용자입력 감지IC에서 수행될 수 있다.

이때, 제2항에 있어서, 상기 측정하는 단계 이후에, 상기 측정된 커패시턴스의 변화량으로부터, 미리 결정된 제3임계치를 뺀 값을 기초로 터치압력의 크기를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 단, 상기 제3임계치는 상기 제2임계치 이하이고 상기 제1임계치 이상일 수 있다.

이때, 상기 정전식 터치패널은 구동전극과 감지전극을 포함하며, 상기 제2커패시턴스는 상기 구동전극과 상기 제2층 사이에서 형성될 수 있다.

이때, 상기 구동전극과 감지전극은 동일한 층에 배치되거나, 또는 상기 구동전극이 상기 감지전극에 비하여 상기 제2층에 더 가까운 층에 배치될 수 있다.

이때, 상기 정전식 터치패널은 외력에 의하여 그 형상이 변형될 수 있고, 상기 외력이 사라지면 상기 형상이 원상태로 복귀될 수 있는 재질로 되어 있다. 그리고 상기 공극은, 상기 터치패널의 형상 변형에 의해 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 간의 간격이 좁아질 수 있도록 하는 물질로 채워져 있을 수 있다.

이때, 상기 터치입력장치는, 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이에 배치되어 있으며, 상기 정전식 터치패널을 지지(support)하는 탄성체를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 탄성체는 상기 정전식 터치패널에 가해지는 외력의 방향으로 수축되었다가, 상기 외력이 사라지면 원상태로 복구되도록 되어 있으며, 상기 탄성체가 수축되는 경우 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 간의 간격이 좁아지도록 되어 있을 수 있다.

이때, 상기 제2층은 디스플레이층일 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따라, 정전식 터치패널; 상기 정전식 터치패널 아래에 배치된 제2층; 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이에 형성된 공극을 포함하는 터치입력장치에서 터치압력을 감지하기 위하여 상기 정전식 터치패널에 연결되어 사용되는 사용자입력 감지IC가 제공될 수 있다. 이 사용자입력 감지IC는 상기 정전식 터치패널에 형성된 복수 개의 터치노드 중 제1터치노드의 커패시턴스의 변화량을 측정하는 단계; 및 상기 커패시턴스의 변화량이 제2임계치 이상인 경우 상기 제1터치노드에 대하여 터치압력이 발생했다고 판단하는 단계를 실행하도록 구성되어 있다.

본 발명에 따르면 종래의 터치입력장치의 구조를 특별히 변경하지 않고도 터치압력을 함께 감지할 수 있는 새로운 기술을 알고리듬을 통해 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체 패턴을 이용한 전자장치의 예를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 터치패널을 자세히 나타낸 것이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력장치의 단면도를 간략히 개념화하여 나타낸 그림이다.
도 3b는 도 3a에서 커버, 터치패널, 공극, 발광층만을 따로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력감지센서의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 터치입력장치 중 터치패널, 공극, 및 액정패널의 구성만을 도시한 것이다.
도 5b ~ 도 5d는 도 5a의 A-A'를 따라 절단한 단면도를 나타낸다.
도 5e는 도 5a 내지 도 5d를 통해 설명한 회로구조를 모델링하여 나타낸 것이다.
도 6a는 터치패널에 접근하거나 터치패널을 누르는 힘에 따라, 도 5e의 적분 커패시터에 흐르는 전류의 크기 i2를 나타낸 것이다.
도 6b는 도 5e에 나타낸 연산증폭기에 의해 출력되는 출력전압에 의해 산출되는 센싱 커패시터의 용량변화값(ΔCx)을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 터치입력장치에 가해진 힘의 크기를 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8a와 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제공되는 터치입력장치 중 터치패널, 공극, 및 액정패널의 구성만을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치입력장치의 단면도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체 패턴을 이용한 전자장치의 예를 나타낸 것이다.

전자장치(100)는 터치입력장치(1)을 통해 입력신호를 받아들일 수 있다. 터치입력장치(1)는 행렬형태의 전극패턴이 형성된 기판을 포함하여 형성될 수 있다. 전자장치(100)는, 터치입력 신호를 전달할 수 있도록 구성되어 있는 터치입력장치(1), 터치입력장치(1)를 구동하기 위한 신호를 출력하고 터치입력장치(1)로부터의 입력신호를 수신하도록 되어 있는 터치패널 제어장치(3), 터치패널 제어장치(3)로부터 터치패널 구동신호를 수신하여 터치패널 구동전압을 발생하는 전압 구동기(2), 터치패널 제어장치(3)로부터 터치입력 신호를 받아들여 저장장치(5)에 저장된 프로그램을 실행하도록 되어 있는 메인 프로세서(4), 터치입력 신호에 따라 실행되는 하나 이상의 프로그램을 저장한 저장장치(5), 및 메인 프로세서(4)의 처리결과를 출력하는 디스플레이 장치(6)를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(6)와 터치입력장치(1)는 서로 겹쳐질 수 있다.

터치패널 제어장치(3)는 터치입력장치(1)로부터 입력된 신호를 감지하도록 되어 있는 터치 감지부, 터치입력장치(1)에게 입력신호를 전달할 수 있도록 터치패널 구동신호를 생성하는 패널 구동부, 및 이들을 제어하도록 되어 있는 터치패널 프로세서를 포함할 수 있다. 터치패널 프로세서는 재프로그램이 가능한 프로세서이거나 또는 상태머신(state machine)과 같은 전용의 로직(logic)에 의해 작동되는 타입의 프로세서일 수 있다.

이 밖에, 도시하지는 않았지만, 전자장치(100)는 RAM 또는 다른 타입의 저장장치를 포함할 수 있고, 왓치도그(watchdog)와 같은 다른 장치를 더 포함할 수 있다.

도 2는 도 1의 터치패널을 자세히 나타낸 것이다.

터치입력장치(1)는 제1방향, 예를 들어 수직방향으로 연장된 투명전극 여러 개(C1 ~ CM)와 제2방향, 예를 들어 수평방향으로 연장된 투명전극 여러 개(R1 ~ RN)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 제1방향과 제2방향은 서로 수직인 방향일 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 본 명세서에서는 편의상 수직방향의 전극은 행전극(column electrode) 또는 감지전극(sensing electrode)(72)고 지칭할 수 있고, 수평방향의 전극은 열전극(row electrode) 또는 구동전극(driving electrode)(71)이라고 지칭할 수 있다. 감지전극(72)들과 구동전극(71)들은 서로 교차하는데, 이 교차하는 지점 또는 그 근처의 영역을 노드(15)라고 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 '노드'라는 용어는 '터치노드' 또는 '픽셀' 또는 '터치픽셀'이라는 용어로 지칭될 수 있다.

각 노드(15)에는 전자회로 부품 간, 배선 간, 배선 및 부품과 기판 간에 존재하는 정전용량인 표유용량(stray capacity)(Cstray)이 존재할 수 있다. 표유용량은 고주파회로나 펄스회로 등에서 콘덴서 역할을 하므로 동작에 영향을 줄 수 있다.

구동전극(71)에 전압이 인가되면, 구동전극(71)과 감지전극(72)들의 교차점에서 상호 커패시턴스(mutual capacitance)(Csense)를 통해 감지전극(72)들에게 전하(electron)가 주입될 수 있다. 각 감지전극(72)에 입력되는 전하량(Qsense)은 구동신호의 제1레벨(Vdrive)과 상호 커패시턴스(Csense)의 곱으로 나타낼 수 있다(즉, Qsense = Vdrive * Csense).

터치입력장치(1)은 다층구조로 형성될 수 있는데, 구동전극(71)과 감지전극(72)는 서로 다른 층에 형성될 수도 있고, 같은 층에 형성될 수도 있다.

도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력장치(1)의 단면도를 간략히 개념화하여 나타낸 그림이다.

터치입력장치(1)은 하우징(10), 커버(20), 터치패널(30), 공극(40), 발광층(50, 60)을 포함하여 구성될 수 있다.

일 실시예에서 발광층은 액정패널(50)과 백라이트유닛(60)으로 구성될 수 있다.

그리고 터치패널(30)은 상술한 구동전극(71)과 감지전극(72)를 포함하는 장치일 수 있다.

공극은 터치패널(30)과 발광층 사이에 형성된 공간으로서, 공기 또는 외부의 힘에 의하여 변형 가능한 재료로 구성될 수 있다. 이 경우, 도 3a에서 커버(20)에 위에서 아래로 향하는 압력이 제공되게 되면, 커버(20)와 터치패널(30)이 아래쪽으로 볼록하게 휠 수 있다. 그 결과 휜 부분에서는 공극(40)의 크기(depth)가 작아질 수 있다.

도 3b는 도 3a에서 커버(20), 터치패널(30), 공극(40), 발광층(50, 60)만을 따로 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력감지센서의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에서 단자(110)를 통해 예컨대 펄스 트레인 형태의 구동전압이 인가될 수 있다. 이때, 스위치(111, 114)를 온상태로 두고, 스위치(112, 113)를 오프상태로 둠으로써, 단자(110)로부터 흘러들어간 전류(i1)가 센싱 커패시터(310)에 축적할 수 있다. 이때, 센싱 커패시터(310)에 축적되는 전하의 양은 센싱 커패시터(310)의 용량값에 따라 달라지게 된다.

그 다음, 스위치(111, 114)를 오프상태로 변환하고 스위치(112, 113)를 온 상태로 변경하면, 센싱 커패시터(310)에 축적되어 있던 전하들이 전류(i2)의 흐름으로 바뀌어 적분 커패시터(320)에 축적되게 된다.

상술한 스위치(111~114)의 조작을 수 차례 반복함으로써, 센싱 커패시터(310)에 전하를 충전했다가 방전하는 과정을 수 차례 반복적으로 실행할 수 있고, 그 결과, 적분 커패시터(320)에는 상기 수 차례만큼 반복된 전하가 쌓이게 된다. 그 결과 연산증폭기(330)의 출력단자(340)에는 충분한 해상도의 디지털 신호로 변환 가능한 아날로크 출력이 발생하게 된다.

결국 출력단자(340)에 출력된 출력전압을 이용하여 터치입력여부를 감지하게 되는데, 상기 출력전압을 결정하는 주된 요소는 센싱 커패시터(310)의 용량값이다. 그러나 좀 더 직접적인 원인을 살펴보면, 적분 커패시터(320)에 흘러들어가는 전류(i2)의 크기가 상기 출력전압을 결정하는 주된 요인이 된다고 볼 수 있다.

이하, 상술한 터치입력감지의 원리를 바탕으로 도 5 내지 도 8을 통해 본 발명의 사상을 설명한다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 터치입력장치 중 터치패널(30), 공극(40), 및 액정패널(50)의 구성만을 도시한 것이다. 다른 실시예에서는 공극(40)의 바로 밑에 액정패널(50)이 아닌 다른 층이 제공될 수도 있다.

도 5b ~ 도 5d는 도 5a의 A-A'를 따라 절단한 단면도를 나타낸다.

도 5b는 본 발명의 상술한 터치패널(30)의 구체적인 구성, 및 본 발명에 따른 터치입력장치의 구동 시 발생하는 전기장의 공간분포에 대하여 설명하는 그림이다.

도 5b에서, 터치패널은 구동전극(n1)과 그 위에 배치된 감지전극(n2)으로 구성된다. 기본적으로 도 5에서는 도 4의 회로와 동일한 방식의 회로를 채용한다고 가정하여 설명한다. 도 5b의 구동전극(n1)은 도 4의 센싱 커패시터(310)의 노드(n1) 쪽 전극에 대응하고, 감지전극(n2)은 도 4의 센싱 커패시터(310)의 노드(n2) 쪽 전극에 대응한다.

도 5b에서, 구동전극(n1)에 구동전압이 인가되면, 구동전극(n1)과 감지전극(n2) 사이에는 제1전기장(310)이 형성된다. 이 제1전기장(310)이 도 4의 센싱 커패시터(310)의 용량값을 결정하는 주요 요인이 된다.

뿐만 아니라, 구동전극(n1)과 액정패널(50) 사이에도 제2전기장(311)이 형성된다. 이 제2전기장(311)은 구동전극(n1)과 액정패널(50) 사이의 표유용량을 형성하는 주요 요인이 된다. 이러한 표유용량은 후술하는 도 5e의 제1 표유 커패시터(311)로 모델링될 수 있다.

그리고 이때, 터치입력이 존재하지 않는 상태에서 공극(40)의 크기는 d1으로 표시한다.

도 5c는 사람의 손가락(600)에 의하여 터치입력이 이루어진 경우의 전기장의 변화를 나타낸 것이다. 도 5c에서는 손가락(600)이 터치입력장치의 표면에 매우 근접해 있거나, 또는 터치입력장치의 표면에 접촉해 있는 상태를 가정하였으며, 이 때 터치패널(30)의 아래쪽으로 휘게 할 만큼 강한 압력을 가하지는 않은 것으로 가정한다.

도 5c에서, 도 5b의 제1전기장(310) 중 일부가 손가락(600)에 흡수되어 감지전극(n2)에 도달하지 못하기 때문에 센싱 커패시터(310)의 용량값은 작아지게 된다. 즉, 손가락이 터치입력장치에 가까이 접근할수록, 센싱 커패시터(310)의 용량값은 점점 감소하게 된다. 커패시터의 임피던스는 커패시턴스 값에 반비례하므로, 센싱 커패시터(310)의 용량값이 감소할수록, 센싱 커패시터(310)의 임피던스는 더 커지게 되고, 따라서 센싱 커패시터(310)를 통해 전류가 흐르기 더 어려워진다.

위와 같이 손가락이 터치입력장치에 가까이 접근할수록 용량값의 변화량이 점점 커지게 된다. 이러한 현상은 후술하는 도 6b에 나타내었다.

반면, 손가락(600)은 구동전극(n1)과 액정패널(50) 사이의 공극(40) 공간에 존재하는 제2전기장(311)을 흡수하지 못하기 때문에, 제2전기장(311)의 크기에는 변화가 없으며 따라서 제1 표유 커패시터(311)의 용량값은 아직 변하지 않는다.

도 5d는 손가락(600)이 터치입력장치의 표면을 터치하고 있을 뿐만 아니라, 터치패널(30)이 아래쪽으로 휠 정도로 강한 압력을 가하고 있는 경우를 나타낸다.

이때, 터치패널(30)은 상기 압력에 의해 아래쪽으로 휘지만, 액정장치(50)는 이 정도 압력에 의해서는 휘지 않는 성질을 갖도록, 터치패널(30)과 액정장치(50)의 물성을 서로 다르게 설계할 수 있다.

또는, 터치패널(30)과 액정장치(50) 사이에 탄성체를 개재함으로써, 상기 압력에 의해 상기 탄성체가 상하방향으로 수축될 수 있도록 설계할 수도 있다.

도 5d에서 손가락(600)이 강한 힘을 아래쪽으로 가하게 됨으로써, 터치패널(30)과 액정패널(50) 사이의 공극(40)의 크기가 감소하게 된다(d2<d1). 이 경우, 구동전극(n1)과 액정패널(50) 사이의 간격이 가까워지기 때문에 제2전기장(311)의 크기는 더 커지게 되고, 제1 표유 커패시터(311)의 용량값은 더 상승하게 된다. 커패터의 임피던스는 커패시턴스 값에 반비례하므로, 제1 표유 커패시터(311)의 용량값이 더 커질수록 제1 표유 커패시터(311)의 임피던스는 더 작아지고, 그 결과 제1 표유 커패시터(311)를 통해 전류가 흐르기 더 쉬워진다. 즉, 도 5d의 경우가 도 5c의 경우에 비하여, 제2전기장(311)을 통해 더 많은 전류가 흐를 수 있게 되며, 압력이 증가할수록 제1 표유 커패시터(311)를 통해 전류가 흐르기 더 쉬워진다.

도 5e는 도 5a 내지 도 5d를 통해 설명한 회로구조를 모델링하여 나타낸 것이다.

도 5e에서 적분 커패시터(320)으로 흘러들어가는 전류 i2는 단자(110)로부터 흘러나오는 전류 i1에서 제1 표유 커패시터(311)을 통해 흐르는 전류 i3를 차감한 값에 비례한다고 볼 수 있다. 이때, 가변하는 센싱 커패시터(310)와 제1 표유 커패시터(311)의 값에 관계없이, 전류 i1은 미리 정해진 크기만큼 흐르도록 되어 있다. 따라서 센싱 커패시터(310)의 임피던스가 높을수록, 그리고 제1 표유 커패시터(311)의 임피던스가 낮을수록, i2의 변화량은 커지게 된다. 다시 말하면, 터치패널(30)에 접촉이 많이 일어날수록, 그리고 터치패널(30)을 누르는 힘(F)이 증가할수록 i2의 변화량을 커지게 된다. 이러한 현상을 도 6a에 나타내었다.

도 6a는 터치패널에 접근하거나 터치패널을 누르는 힘에 따라, 도 5e의 적분 커패시터(320)에 흐르는 전류의 크기 i2를 나타낸 것이다.

영역 A1은 터치가 전혀 일어나지 않았으며, 터치패널(30) 근처에 손가락이 전혀 접근하지 않은 상태를 나타낸다. 이때, 적분 커패시터(320)에 흐르는 전류의 크기 i2는 일정한 값으로 유지된다.

영역 A2는 터치패널에 손가락이 접촉되었거나, 손가락이 터치패널에 매우 근접한 상황을 나타낸다. 단, 터치패널(30)과 액정패널(50) 사이의 공극(40)이 평형상태에 비하여 좁아지지 않은 경우를 나타낸다. 이때, 터치면적이 증가할수록 센싱 커패시터(310)의 용량값은, 따라서 센싱 커패시터(310)의 임피던스는 높아지기 때문에 적분 커패시터(320)에 흐르는 전류의 크기 i2는 점점 줄어들게 된다.

영역 A3는 터치패널에 손가락이 접촉되었을 뿐만 아니라, 손가락이 터치패널을 누르는 힘에 의하여 터치패널(30)과 액정패널(50) 사이의 공극(40)이 점점 좁아지는 경우를 나타낸 것이다. 이때, 누르는 힘이 증가하여 공극(40)이 좁아질수록, 제1 표유 커패시터(311)의 용량값은 작아지게 되고, 따라서 제1 표유 커패시터(311)의 임피던스는 작아지기 때문에 센싱 커패시터(310)에 저장되는 전하의 양이 줄어든다. 센싱 커패시터(310)에 저장되는 전하의 양은 적분 커패시터(320)에 흘러들어가는 전류 i2의 소스가 되기 때문에, 결국 누르는 힘이 증가할수록 적분 커패시터(320)에 흐르는 전류의 크기 i2는 점점 줄어들게 된다.

도 6b는 도 5e에 나타낸 연산증폭기(330)에 의해 출력되는 출력전압(340)에 의해 산출되는 센싱 커패시터(310)의 용량변화값(ΔCx)을 나타낸 것이다. 이때, 표유 커패시터의 영향에 의해 센싱 커패시터(310)의 용량변화값(ΔCx)이 실제로 더 큰 것처럼 나타날 수 있다. 용량변화값(ΔCx)이 제2임계값(ΔCx,th2)을 초과한 경우에는 터치패널(30)이 휠 정도의 압력이 발생했다고 판단할 수 있다. 제2임계값(ΔCx,th2)은 이론에 의하여 계산하거나, 또는 생산된 터치입력장치의 특성을 실측하여 설정할 수도 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 터치입력장치에 가해진 힘의 크기를 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다.

단계(S1)에서 특정 터치노드가 나타내는 커패시턴스의 변화량을 측정한다.

단계(S2)에서 상기 측정된 값이 제1임계치(ΔCx,th1)보다 크면 터치입력이 이루어졌다고 판단한다.

단계(S3)에서, 상기 측정된 값이 제2임계치(ΔCx,th2)보다 크면 터치패널이 변형될 정도의 압력이 가해졌다고 판단한다. 단, 제2임계치(ΔCx,th2)는 제1임계치(ΔCx,th1)보다 크거나 같다.

단계(S4)에서, 상기 측정된 값에서 제3임계치를 뺀 값을 기초로 상기 터치패널이 변형된 정도를 계산한다. 단, 제1임계치≤제3임계치≤제2임계치의 관계가 성립할 수 있다.

이때, 터치입력장치에 가해지는 압력이 언제부터 발생하는지에 대해서는 미리 결정하여 둘 수 있다. 예컨대, 터치패널의 변형이 시작되는 압력을 압력수치 0으로 설정할 수도 있고, 또는 이와 다르게 손가락이 터치입력장치 표면에 접촉하였지만, 아직 터치패널의 변형이 시작되기 이전이라도 압력이 발생한 것으로 판단하여 압력수치 0으로 설정할 수도 있다. 이러한 임계값을 제3임계치(ΔCx,th3)로 정의한다면, 제1임계치(ΔCx,th1) <= 제3임계치(ΔCx,th3) <= 제2임계치(ΔCx,th2)의 관계가 성립할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 실시예에서는, 사용자가 입력한 압력의 크기를 측정된 ΔCx - ΔCx,th3 로부터 계산할 수 있다.

도 8a와 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제공되는 터치입력장치 중 터치패널(30), 공극(40), 및 액정패널(50)의 구성만을 도시한 것이다. 다른 실시예에서는 공극(40)의 바로 밑에 액정패널(50)이 아닌 다른 층이 제공될 수도 있다.

이 구성에서 터치패널(30)의 구동전극(n1)과 감지전극(n2)은 동일한 층에 제공될 수 있다. 이 경우 구동전극(n1)과 액정패널(50) 사이에는 제2전기장(311)이 형성되고, 감지전극(n2)과 액정패널(50) 사이에는 제3전기장(312)가 형성될 수 있다. 제2전기장(311)과 제3전기장(312)는 각각 도 8b에 모델링한 제1 표유 커패시터(311) 및 제2 표유 커패시터(312)에 대응할 수 있다. 터치패널(30)을 아래쪽으로 누르는 힘이 강해질수록 공극(40)은 짧아지게 되며, 따라서 제1 표유 커패시터(311) 및 제2 표유 커패시터(312)의 용량값은 모두 점점 커지게 된다.

도 8b를 살펴보면, 도 5e에 도시한 것과 같이 적분 커패시터(320)에 흐르는 전류 i2는 전류 i1 - i3 - i2에 비례하는 경향을 나타낸다. 따라서 제1 표유 커패시터(311) 및 제2 표유 커패시터(312)의 용량값이 커질수록, 그리고 센싱 커패시터(310)의 용량값이 작아질수록 전류 i2는 더 작아지게 된다. 따라서 터치패널에 가해지는 힘이 점점 증가하여 제1 표유 커패시터(311) 및 제2 표유 커패시터(312)의 용량값이 커질수록, 연산증폭기(330)의 출력단에서는 마치 센싱 커패시터(310)의 용량값이 더 작아지는 것처럼 계측될 수 있다.

따라서 도 8a와 같이 구동전극과 감지전극이 모두 동일층에 배치된 경우에도, 서로 다른층에 배치된 것과 동일한 패턴을 나타내게 됨을 이해할 수 있다.

도 9는 도 3a와 유사한 구조를 가지고 있으나, 터치패널(30)과 액정패널(50) 사이에 탄성체(70)를 더 포함한다. 탄성체(70)는 터치패널(30)을 지지하는 역할을 하며, 터치패널(30)에 대하여 수직방향의 힘이 가해졌을 때에 탄성체(70)의 형상이 수직방향으로 수축하게 되고, 상기 힘이 사라지는 경우 탄성체(70)의 형상이 빠른 시간 안에 원상복귀하는 성질을 갖는다.

도 9의 경우에는 터치패널(30)이 외력에 의해 자체적으로 휠 필요는 없다. 이에 비하여 도 3a의 경우에는 터치패널(30)이 외력에 의해 자체적으로 휘는 재료로 구성되어야 한다.

상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.

Claims (12)

1. 정전식 터치패널; 상기 정전식 터치패널 아래에 배치된 제2층; 및 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이에 형성된 공극을 포함하는 터치입력장치에서 터치압력을 감지하는 방법으로서,
   상기 정전식 터치패널에 형성된 복수 개의 터치노드 중 제1터치노드의 커패시턴스의 변화량을 측정하는 단계; 및
   상기 커패시턴스의 변화량이 제2임계치 이상인 경우 상기 제1터치노드에 대하여 터치압력이 발생했다고 판단하는 단계
   를 포함하며,
   상기 터치압력이 발생한 경우 상기 공극의 크기가 줄어들어 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이의 거리가 짧아지도록 되어 있는,
   터치압력 감지방법
2. 제1항에 있어서, 상기 측정하는 단계 이후에, 상기 커패시턴스의 변화량이 상기 제2임계치 보다 작은 제1임계치 이상인 경우 터치입력이 발생했다고 판단하는 단계를 더 포함하는, 터치압력 감지방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 측정하는 단계 이후에, 상기 측정된 커패시턴스의 변화량으로부터, 미리 결정된 제3임계치를 뺀 값을 기초로 터치압력의 크기를 결정하는 단계를 더 포함하는(단, 상기 제3임계치는 상기 제2임계치 이하이고 상기 제1임계치 이상임), 터치압력 감지방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 정전식 터치패널은 구동전극과 감지전극을 포함하며, 상기 제2커패시턴스는 상기 구동전극과 상기 제2층 사이에서 형성되는 것을 특징으로 하는, 터치압력 감지방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 구동전극과 감지전극은 동일한 층에 배치되거나, 또는 상기 구동전극이 상기 감지전극에 비하여 상기 제2층에 더 가까운 층에 배치되는 것을 특징으로 하는, 터치압력 감지방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 정전식 터치패널은 외력에 의하여 그 형상이 변형될 수 있고, 상기 외력이 사라지면 상기 형상이 원상태로 복귀될 수 있는 재질로 되어 있으며,
   상기 공극은, 상기 터치패널의 형상 변형에 의해 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 간의 간격이 좁아질 수 있도록 하는 물질로 채워져 있는 것을 특징으로 하는,
   터치압력 감지방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 터치입력장치는, 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이에 배치되어 있으며, 상기 정전식 터치패널을 지지(support)하는 탄성체를 더 포함하며,
   상기 탄성체는 상기 정전식 터치패널에 가해지는 외력의 방향으로 수축되었다가, 상기 외력이 사라지면 원상태로 복구되도록 되어 있으며,
   상기 탄성체가 수축되는 경우 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 간의 간격이 좁아지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는,
   터치압력 감지방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2층은 디스플레이층인 것을 특징으로 하는, 터치압력 감지방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 제2층에는, 상기 제2층과 상기 정전식 터치패널 사이에 제2커패시턴스가 형성되도록 하는 재료로 이루어진 부품이 포함된 것을 특징으로 하는, 터치압력 감지방법.
10. 정전식 터치패널; 상기 정전식 터치패널 아래에 배치된 제2층; 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이에 형성된 공극을 포함하는 터치입력장치에서 터치압력을 감지하기 위하여 상기 정전식 터치패널에 연결되어 사용되는 사용자입력 감지IC로서,
    상기 정전식 터치패널에 형성된 복수 개의 터치노드 중 제1터치노드의 커패시턴스의 변화량을 측정하는 단계; 및
    상기 커패시턴스의 변화량이 제2임계치 이상인 경우 상기 제1터치노드에 대하여 터치압력이 발생했다고 판단하는 단계
    를 실행하도록 구성되어 있으며,
    상기 터치압력이 발생한 경우 상기 공극의 크기가 줄어들어 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 사이의 거리가 짧아지도록 되어 있는,
    사용자입력 감지IC.
11. 제10항에 있어서, 상기 측정하는 단계 이후에, 상기 측정된 커패시턴스의 변화량으로부터, 미리 결정된 제3임계치를 뺀 값을 기초로 터치압력의 크기를 결정하는 단계를 더 실행하도록 되어 있는(단, 상기 제3임계치는 상기 제2임계치 이하이고 상기 제1임계치 이상임), 사용자입력 감지IC.
12. 제10항에 있어서,
    상기 정전식 터치패널은 외력에 의하여 그 형상이 변형될 수 있고, 상기 외력이 사라지면 상기 형상이 원상태로 복귀될 수 있는 재질로 되어 있으며,
    상기 공극은, 상기 터치패널의 형상 변형에 의해 상기 정전식 터치패널과 상기 제2층 간의 간격이 좁아질 수 있도록 하는 물질로 채워져 있는 것을 특징으로 하는,
    사용자입력 감지IC.

Images