High-Sensitivity Sensing Method and Input System for Capacitive Touch Screen Panels

양익석 한양대학교 대학원 2013 국내박사

Touch screen panel (TSP) is a technology to input information into an electronic apparatus by touching the display screen with a finger or stylus, not using additional input devices such as keypad, keyboard, and mouse. It provides comfortable and intuitive user-interface (UI) and has advantages of easier and faster entry of information. Numerous TSPs have been researched and commercialized to satisfy the demands related to UI and information entry. The capacitive touch screen panels are widely adopted in high-end mobile applications such as smart phones and tablet PCs because they provide not only multi- and soft-touch features but also higher durability and superior light transmittance over other touch screen panel. As the TSP is being adopted in the PC and TV applications as well as the mobile applications, the size and resolution of TSPs are increasing. Furthermore, most display module makers have tried to adopt the on-cell capacitive TSP to reduce the system cost, and demand is increasing for the manufacture of small and slim devices by merging the TSP with the display panel. So far, the finger has mainly been used as a touch object in the capacitive TSP because it is easy to recognize the changes in capacitance due to a large contact area. Recently, various styluses for the capacitive TSP have been introduced to meet the users’ demand for the finer touch in the capacitive TSP. This dissertation proposes a differential sensing method that reduces the tolerance between the adjacent electrodes for the on-cell capacitive TSP and increases the voltage swing of the sensed voltage through an additional integration method. A readout circuit was designed by applying the proposed driving method, and it successfully demonstrated the touch operation in 13-inch WXGA resolution TFT-LCD module with on-cell capacitive TSP. In addition, a proto-type active stylus was developed by applying the proposed sensing method for the active stylus. The proto-type active stylus demonstrated the stylus touch in the capacitive TSP demonstrated that the performance of the proposed proto-type active stylus is satisfactory. In the capacitive TSP, a mutual sensing method is adopted to recognize the multi-touch. This method senses the changes in a mutual capacitance between a low-line electrode (so called driving electrode) and a column-line electrode (so called sensing electrode). However, as the size and resolution of TSP increase, the inherent mutual capacitance decreases and the resistance and the parasitic capacitance increase, these phenomena are likely to cause sensing errors due to the tolerance of capacitance between electrodes. Moreover, the on-cell capacitive TSP is adopted to implement a slim display module. The adoption of the on-cell capacitive TSP is also likely to cause sensing errors due to the display noise because the electrodes of TSP are located close to that of the display panel. To overcome these problems, this dissertation proposes a differential driving and sensing method and a readout circuit to recognize the touch event. The proposed method senses only the differences in changes of mutual capacitance between two adjacent driving lines and the sensing electrode by driving the opposite pulse at two adjacent driving lines. Subsequently, the swing of the sensed voltage is increased by the proposed integration method to enhance the dynamic range and increase the signal-to-noise ratio (SNR). The proposed method may be applied to all TSPs regardless of their size and resolution of TSP because it senses only the difference in the changes in mutual capacitance excluding the inherent mutual capacitance. Applying the proposed method, a readout circuit with a 54-channel sensing block was fabricated using 0.35 μm CMOS technology, and it demonstrated the touch operation in 13-inch WXGA resolution TFT-LCD module with on-cell capacitive TSP that has 54×30 touch sensor array. The measurement results indicated that the maximum reporting rate, jitter tolerance, and signal-to-noise ratio are 140 Hz, ±0.3 mm, and 25 dB, respectively, when the driving voltage is 3.3 V. In addition, the hydride sensing method, which was designed to increase the frame frequency, can be adopted a mutual capacitance sensing method and a self capacitance sensing method. First, after detecting the approximate touch area by using the self capacitance sensing method, the exact touch point is extracted by using the mutual capacitance sensing method and by elaborately sensing only the touch sensors in the selected area, without sensing all touch sensors of TSP. The proposed method is capable of increasing the frame frequency by 2.5 times when five-touch occurs in the TSP application. The key factor in detecting the touch point is to recognize the changes in capacitance caused by the touch event in the capacitive TSP. When a finger is uses as a touch object, it is easy to recognize the changes in capacitance because of the large contact area. However, it is difficult to recognize it when the stylus with a small diameter is used for fine touches. Furthermore, the large parasitic capacitance makes it difficult to recognize the touch event. To overcome these problems, we propose a forward sensing method for stylus touch, which uses a coded driving method that assigns an independent code for each electrode. The proto-type active stylus is fabricated to demonstrate its efficiency in the capacitive TSP. The measurement results indicate that the maximum reporting rate and signal-to-noise ratio are 120 Hz and 30 dB, respectively. The stylus touch was recognized until the stylus pen reached the diameter as small as 0.5 mm when TSP has the 8.0 mm-pitch of electrode lines. 터치 스크린 패널 기술은 키패드, 키보드, 마우스와 같은 별도의 입력 장치를 사용하지 않고, 디스플레이 화면에 손가락이나 펜 등을 접촉하여 정보를 입력하는 기술로서 정보를 쉽고 빠르게 입력할 수 있다는 장점으로 인해 각광을 받고 있다. 다양한 터치 스크린 패널 중에서 정전 용량 방식의 터치 스크린 패널이 다중 터치와 부드러운 터치감 때문에 가장 많이 상용화되고 있다. 최근에는 휴대폰뿐만 아니라 노트북, 모니터에서 적용되면서 터치 스크린 패널의 해상도가 증가할 뿐만 아니라 얇은 디스플레이 구현을 위해 온 셀(On-cell)형태의 정전 용량 형태가 요구되고 있다. 또한, 정전 용량 터치 스크린에서 섬세한 입력이 되게 하기 위해 손뿐만 아니라 스타일러스의 인식을 요구하고 있다. 본 논문에서는 대화면, 고해상도의 온 셀 정전 용량 방식 터치 스크린 패널에서 인접 라인 간의 편차를 줄이기 위해 차동 센싱한 후 전압의 적분을 통해 전압폭을 증가시키는 센싱 방식을 제안한다. 제안한 방식을 적용한 감지 IC를 제작하여 54×30 센서 어레이를 가진 정전 용량 터치 스크린을 가지는 13-인치 WXGA 해상도의 TFT-LCD 시스템에서 터치 동작을 구현하였다. 정전 용량 터치 스크린 패널을 터치에 의한 정전 용량의 변화를 인식하는 것으로 기존의 손으로 했을 경우에는 접촉 면적이 넓어 인식이 용이하였다. 따라서, 최근까지 대부분의 정전 용량 터치 스크린 패널은 터치 객체로 손만 사용되어 왔다. 최근에 섬세한 터치 입력이 가능하게 하기 위해 스타일러스 인식을 요구하고 있다. 그러나 스타일러스는 손과 달리 접촉 면적이 작아 정전 용량의 변화가 작아 센싱하기가 어려운 문제가 있다. 본 논문에서는 터치 스크린 패널에서 스타일러스 인식이 가능한 센싱 방식과 스타일러스 구조를 제안한다. 제안한 방식의 스타일러스 시제품을 제작하여 정전 용량 터치 스크린 패널에서 스타일러스 감지 동작을 구현하였다. 정전 용량 터치 스크린 패널에서는 다중 터치를 인식하기 위하여 로우 라인 전극(구동 전극)과 컬럼 라인 전극(센싱 전극) 사이에 형성되는 상호 정전 용량의 변화량을 감지하는 방식을 채택하고 있다. 그러나 화면 사이즈가 커지고, 해상도가 증가하면서 터치 동작에 의한 상호 정전 용량의 변화량이 작아지는 문제가 있다. 또한 전극 간의 정전 용량의 편차로 인해 센싱 오류가 발생할 수 있다. 얇은 디스플레이 모듈의 구현을 위해 온-셀 정전 용량 터치 스크린 패널을 채택하는데, 이는 터치 전극과 디스플레이 전극 사이의 거리를 짧게 하여 디스플레이 동작에 의해 발생하는 잡음에 의한 센싱 전압의 오류가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자 인접한 두 개의 구동 라인에 서로 반대 위상의 펄스를 인가하여 센싱함으로써 각각의 구동 라인과 하나의 센싱 라인 사이의 상호 정전 용량의 변화량의 차이만 감지하였다. 또한 센싱한 전압을 적분을 통해 전압 폭을 증가시킴으로써 터치 여부에 의한 센싱 전압의 차이가 커져 신호대잡음비가 증가시킬 수 있었다. 터치 스크린 패널 사이즈와 해상도에 따라 상호 정전 용량은 다른 반면, 터치시 발생하는 변화량은 비슷하므로, 제한한 방식은 터치 스크린 패널 사이즈와 해상도와 관계없이 사용될 수 있는 장점이 있다. 이는 패널 사이즈에 관계없이 동일한 회로를 사용하여 감지 동작을 할 수 있다. 제안한 방식을 적용한 54채널의 센싱 회로를 감지 회로를 0.35μm CMOS공정을 이용하여 제작하였고, 54×30 해상도의 정전 용량 터치 스크린을 가진 WXGA급의 TFT-LCD 시스템에 실장하여 터치 동작을 검증하였다. 검증 결과, 프레임 주파수, 신호대잡음비, 지터 편차는 각각 140 Hz, ±0.3 mm, 25 dB이었다. 또한 별도의 높은 구동 전압을 필요로 하지 않고 감지 회로에서 사용하는 3.3V를 같이 사용하여 구현하였다. 터치 스크린의 해상도가 증가함에 전극의 저항과 정전 용량에 의한 신호 지연으로 고속의 프레임 주파수를 얻을 수 없다. 이러한 단점을 보완하고자 자기 정전 용량 센싱 방법과 상호 정전 용량 센싱 방법을 혼용한 하이브리드 센싱을 적용하였다. 먼저 자기 정전 용량 센싱 방법으로 터치 영역을 찾은 후, 이 터치 영역에 대하여 상호 정전 용량 센싱 방법으로 자세히 센싱함으로써 정확한 터치점을 찾을 수 있었다. 이는 센싱 시간을 단축시켜 프레임 주파수를 증가시킬 수 있었다. 정전 용량 터치 스크린 패널에서는 터치에 의한 정전 용량의 변화량을 인식하는 것이 터치점을 찾을 수 있는 중요 핵심이다. 손으로 터치했을 경우는 터치 면적이 넓어 터치 동작을 센싱하는데 용이하였으나, 섬세한 터치 동작을 위해 스타일러스를 적용했을 경우는 터치 면적이 작아 터치 동작을 감지할 수 없다. 또한, 전극의 기생 정전 용량이 스타일러스에 유도된 정전 용량보다 커서 전압 센싱에 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 스타일러스에 적용 가능한 포워드 센싱 방식을 제안하였다. 또한 터치된 전극의 위치를 찾기 위해 전극마다 고유의 코드를 부여하여 센싱하게 하였다. 이러한 방식을 적용한 스타일러스 시제품을 만들어 터치 스크린 패널에 실장하여 동작을 검증하였다. 검증 결과, 프레임 주파수와 신호대잡음비는각각 120 Hz와 30 dB이었다. 또한 스타일러스 펜의 직경이 0.5 mm일 때까지도 스타일러스 터치 동작을 인식하였다.

Smart Power IC용 n-채널 SOL LDMOSFET의 SOA 향상에 관한 연구

양익석 漢陽大學校 大學院 1997 국내석사

지금까지의 smart power IC 기술에 사용되는 전력 소자로는 주로 BJT(Bipolar Junction Transistor)나 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)의 구조로 만들어져 왔다. 그 중에서도 MOSFET는 구동의 용이성, 저전압 소자 공정과의 호환성으로 인하여 비교적 낮은 내압, 낮은 전류 구동 능력을 요구하는 응용 분야에서 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 MOSFET는 기생하는 bipolar transistor의 turn-on으로 인하여 안전 동작 영역(SOA)이 줄어드는 단점을 안고 있다. 본 논문에서는 smart power IC에서 사용되는 MOSFET의 2차 항복 현상의 원인을 밝혀 안전 동작 영역의 특성을 해석하였고 그의 해결 방안을 제시하였다. 해결 방안으로는 2차 항복 현상의 원인인 impact ionization 현상을 줄이기 위해 드레인 영역에 버퍼층을 추가하여 드레인 영역의 전계를 줄여 안전 동작 영역을 향상시켰다. 소자의 특성은 TMA사의 TSUPREM-4와 MEDICI을 사용하여 계산하였으며, buffer층의 도즈는 5×1012 cm-2일 때 항복 전압은 255V, 단위 면적당 전도 저항은 16.4 mΩ․cm2, 안전 동작 영역은 게이트에 20V가 인가된 상태에서 2차 항복 전압이 일어나는 전압이 기존의 100V에서 160V로 향상되었다. 또한 주위 온도와 소자의 내부의 온도 및 유도성 부하 스위칭에 의한 SOA 특성의 변화를 살펴보았다. 그리고 이 소자를 실제 제작하여 측정함으로써 SOA 특성이 기존 소자보다 우수함를 확인하였다. 제작한 소자의 항복 전압은 240V, 단위 면적당 전도저항은 17.7 mΩ․cm2 로써 기존에 발표된 것에 비하여 우수하였다.