Circuit Modeling and Analysis of Touch Screen Panel

ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

터치스크린 패널의 회로 모델링 및 분석

Circuit Modeling and Analysis of Touch Screen Panel

변 기 식․민 병 욱 Kisik Byun․Byung-Wook Min

요 약

본 논문에서는 대면적 정전식 터치스크린 구동 회로를 설계하기 위하여 여러 가지 터치스크린 패널 구조의 회로 모델 을 제안하고, 그 모델의 사용 가능한 주파수 영역을 분석하였다. 터치스크린 패널 한 개 셀의 2D EM 시뮬레이션 결과를 이용한 전체 패널의 circuit 시뮬레이션을 통하여, 23인치 대면적 패널의 가장 긴 채널과 짧은 채널을 5개의 RC 소자의 회로 모델로 근사하였다. EM/circuit 시뮬레이션과 5개 소자의 RC 모델의 S 파라미터 비교를 통해, 5개 소자 모델이 130 kHz까지 10도 이내의 채널 위상 차이를 가지는 것을 확인하였다. 7개 RC 소자를 사용한 모델을 통하여 10도 이내의 채널 위상 차이를 가지는 모델의 주파수 영역을 200 kHz까지 확장하였다.

Abstract

A simple RC circuit model of large-scale touch screen panels is developed and the frequency range of the RC model is analyzed.

2D EM simulation results of a single touch cell are cascaded for a 23 inch touch panel using a circuit simulator, and the shortest and longest channels of the full panel are modeled with a 5-element RC circuit. The 5-element RC circuit can model the touch screen panel upto 130 kHz with the channel phase error of 10°. 7-element RC circuit model is also proposed and the frequency range for the channel phase error of 10° is extended to 200 kHz.

Key words: Capacitive Touch Screen, RC Circuit Model



「본 연구는 지식경제부와 한국산업기술진흥원의 “감성 터치 플랫폼 개발 및 신산업화 지원 사업”의 지원을 받아 수행된 연구 결과임.」

연세대학교 전기전자공학과(Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University)

․Manuscript received August 23, 2013 ; Revised October 30, 2013 ; Accepted December 12, 2013. (ID No. 20130823-12S)

․Corresponding Author: Byung-Wook Min (e-mail: [email protected])

Ⅰ. 서 론

터치스크린 패널은 키보드, 마우스 등의 입력 장치를 사용하는 기존의 방식 대신, 손으로 직접 화면을 터치하 여 조작하는 기술로, 기존의 기술과 비교하여 직관적인 인터페이스를 제공한다. 이러한 터치스크린 패널을 구현 하는 방식에는 감압식, 정전식 등의 여러 가지가 있다. 이 중 아이폰 최초 모델부터 적용되었던 정전식 터치스크린 은 향후 대면적 터시 스크린 시장도 주도할 것이라고 전

망된다^[1],[2].

정전식 터치스크린 구동 회로를 효율적으로 설계하기 위해서는, 터치스크린 패널의 정확한 회로 모델이 필요하

다^[3],[4]. 본 연구에서는 EM/circuit 시뮬레이션을 통하여 23

인치 터치스크린 패널의 간단한 RC 회로 모델을 찾아내 고, 구동 회로 설계에 사용 가능한 RC 모델의 주파수 대 역을 검증하였다^[5].

본 논문의 Ⅱ장에서는 23인치 터치스크린 패널의 시뮬 레이션 방법과 5소자 RC 모델의 주파수 대역을 검증하

고, Ⅲ장에서 7소자 주파수 확장 RC 모델을 제안하며, Ⅳ 장에서 결론을 맺는다.

Ⅱ. 터치 패널과 5소자 RC 모델링

그림 1은 본 연구에서 사용된 터치스크린 패널의 sta- ck-up 방식(Case Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ)들을 나타낸 것이다. Case Ⅰ과

Ⅱ의 GFF 구조는 Glass-전극막 필름-전극막 필름의 구조 로 전극막 필름 2장을 사용한다. Case Ⅲ의 G1F 구조는 Glass-전극막 필름의 구조로, 유리면 위의 전극막을 이용 하여 공정에서 전극막 필름 한 장을 줄일 수 있는 장점이 있다^[6]. OCA(Optically Clear Adhesive)는 상대유전율이 5.12인 광학용 점착제로^[7], 상대유전율 3.28인 PET 필름을 고정한다. PET 필름은 ITO(Indium Tin Oxide)나 metal mesh와 같은 투명 전극막의 지지대와 같은 역할을 한다.

현재 대부분의 디스플레이에 사용되는 투명 전극막인 ITO는 값비싼 희토류 물질이며, 150 Ω/o 정도의 면저항 을 가지고 있다. 하지만 20인치 이상의 패널에서는 면저 항과 가격을 줄이기 위해 metal mesh로 ITO를 대체하려 는 연구가 활발히 진행되고 있다. Metal mesh는 metal을 얇은 그물망처럼 배열하여 빛을 투과시키면서도, 전도성 을 높일 수 있다. 표 1은 본 연구에서 사용된 metal mesh 의 특성을 나타낸 것이다. 선폭은 mesh를 이루고 있는 metal의 넓이를 의미하고, pitch는 metal간 간격을 의미하 며, 면저항은 mesh를 고려한 면저항을 의미한다.

그림 1. 터치스크린 패널의 stack-up Fig. 1. Stack-up of touch screen panel.

Metal mesh type

선폭 (um)

Pitch (um)

면저항 (Ω/o)

mesh A 0.2 270 100

mesh B 12.0 270 0.01

표 1. Metal mesh의 특성

Table 1. Characteristics of metal mesh.

그림 2는 23인치 터치스크린 패널과 구동 회로의 동작 방식을 나타낸 것이다. 터치스크린 구동 회로의 TX driver 가 특정 주파수의 신호를 보내면, RX receiver는 들어온 신호의 분석을 통해 손가락에 의해 커패시턴스 변화가 이루어진 위치를 감지한다. 따라서 TX driver와 RX re- ceiver 사이의 정확한 회로 모델을 찾아야만 적절한 구동 회로 설계가 가능하며, 회로 모델은 TX driver의 구동 주 파수 범위에서 충분히 정확하여야 한다. 더 나아가 구동 회로가 감당할 수 있는 터치 패널을 제작하기 위해서도 터치 패널의 정확한 회로 모델을 찾아야 할 필요가 있다.

작은 크기의 터치 패널과 달리, 20 인치 이상의 대면적 터치 패널 전체를 EM 시뮬레이션하는 것은 계산량과 계 산 시간 때문에 현실적으로 불가능하다. 하지만, RX와 TX 채널이 교차하는 한 개의 터치셀을 EM 시뮬레이션 하는 것은 충분히 가능하다. 따라서, 한 개의 터치셀의 모 델링 결과를 터치셀 개수(=TX 채널수×RX 채널수) 만큼 이용하여 패널 전체를 시뮬레이션 할 수 있다.

그림 2(b)처럼, 터치스크린 패널의 한 개 셀의 EM 시뮬

그림 2. (a) 23인치 터치스크린 패널의 (b) 터치셀 모델과 (c) TX-RX 채널 모델

Fig. 2. (a) 23 inch touch screen panel, (b) model of the single touch cell and (c) model of TX-RX channel.

레이션을 통해, 채널의 TX와 RX 부분을 직렬 저항성분 (Rcell_tx, Rcell_rx), 병렬 커패시턴스 성분(Ccell_tx, Ccell_

rx), 그리고 채널 간의 상호 커패시턴스 성분(Ccell_mu- tual)으로 모델링하였다. Stack-up 방식(Case I, Ⅱ, Ⅲ)에 따라 2D EM 시뮬레이션을 진행하여 찾아낸 한 개의 터 치셀의 모델링 값들을 표 2에 정리하였다. 한 개의 터치 셀에서 구한 저항을 토대로, Shortest의 경우와 Longest의 경우의 채널 수 만큼을 곱해 주어, 각 경우의 R 값을 먼저

Stack-up TX, RX

Layer

Rcell_tx (Ω)

Rcell_rx (Ω)

Ccell_tx (fF)

Ccell_rx (fF)

Ccell_mutual (pF) CASE Ⅰ TX : ITO

RX : mesh B 85 11.5×10^—3 10 10 3.4

CASE Ⅱ TX : mesh B

RX : mesh A 6.3×10^—3 116 10 10 6.8

CASE Ⅲ TX : ITO

RX : mesh A 85 116 10 10 5.4

표 2. Stack-up의 종류, metal mesh 종류, gap 물질에 따른 터치스크린 패널의 한 셀 RC 모델링 값 Table 2. Single cell RC modeling parameters according to stack-up, metal mesh and gap material.

구하였다. 그 후 C 값은 curve fitting을 통해 가장 적절한 값을 찾는 방법으로 모델링을 하였다. 이 때, driver, re- ceiver 채널을 제외한 나머지 채널들은 Ground로 가정하 였다.

한 개의 터치셀의 EM 시뮬레이션 결과를 통해 TX driver에서 RX receiver까지의 TX-RX 채널을 circuit 시뮬 레이션을 통해 그림 2(c)와 같이 5개의 RC 소자로 모델링 을 하였다. TX-RX 채널의 길이가 가장 긴 경우와 가장

Frequency (kHz)

0 50 100 150 200

S21 magnitude (dB)

-100 -90 -80 -70 -60

S21 phase (degree)

-20 0 20 40 60 80 100

RC model

23-inch panel (EM/Circuit sim.) Shortest

Longest

그림 3. TX-RX 채널과 5소자 회로 모델의 S 파라미터 Fig. 3. S-parameters of TX-RX channels and 5-element RC

circuit model.

짧은 경우(shortest and longest path)를 모델링하면, 구동 회로가 동작해야 하는 최소와 최대의 터치 패널의 모델 값을 찾아낼 수 있다. 그림 3은 case Ⅲ 패널 구조의 EM/

circuit 시뮬레이션과 5소자 RC 모델의 S 파라미터를 비교 한 결과이다. 낮은 주파수에서는 비교적 간단한 5개의 소 자로 복잡한 TX-RX 채널을 상당히 잘 근사할 수 있다.

주파수가 증가할수록 5소자 RC 모델로 채널을 근사하기 어렵지만, 130 kHz까지는 10도 이내의 S²¹위상 차이를 가 지는 것을 확인하였다. 본 논문에서 분석한 터치스크린 패널의 구동회로에는 스위치드-커패시터 센싱 회로가 쓰 인다. 이 회로는 스위치의 on/off 상태를 조절하여, 커패시

Stack-Up TX, RX Layer

TX-RX 채널 길이

R_tx (Ω)

R_rx (Ω)

Cself_tx (pF)

Cself_rx (pF)

Cmutual (pF) CASE Ⅰ TX : ITO

RX : mesh B

Longest 7,730 1.90 240 110 3.6

Shortest 85 12.3×10^—3 240 60 3.5

CASE Ⅱ TX : mesh B RX : mesh A

Longest 0.57 18,000 100 92 7.2

Shortest 6.3×10^—3 116 63 92 7.2

CASE Ⅲ TX : ITO RX : mesh A

Longest 7,240 18,000 81 210 5.4

Shortest 85 116 48 210 5.4

표 3. Stack-up의 종류 및 채널 길이에 따른 터치스크린 패널의 RC 모델링 값

Table 3. Touch screen panel RC modeling parameters according to stack-up and channel length.

터에 신호를 sample, hold, transfer 하는 과정을 통해 신호 의 변화를 측정하고, 이를 통해 커패시턴스 변화를 감지 한다. 이러한 센싱 회로에서 채널의 위상은 시간 지연을 의미하고, 이는 스위칭 주기를 결정하는 중요한 요소가 된다. 130 kHz에서의 10도 차이는 0.21 us의 시간 지연을 나타낸다^[8]. 따라서 구동 회로의 설계과정에서 TX-RX 채 널의 위상 변화가 손가락 터치를 감지하는데 중요한 요 소이기 때문에, 10도 이상의 위상 오차는 모델의 정확성 측면에서 문제가 된다.

Stack-up 방식 (Case I, Ⅱ, Ⅲ)과 TX-RX 채널 길이에 따 른 RC 모델링 값들을 표 3에 정리하였다. Metal mesh B의 면저항이 0.01 Ω/o로 작기 때문에, Case I에서의 RX 직렬 저항 성분(R_rx)과 Case Ⅱ에서의 TX 직렬 저항 성분 (R_tx)이 작음을 알 수 있다. TX-RX 채널 길이가 가장 긴 경우와 가장 짧은 경우의 직렬 저항 성분 (R_tx, R_rx) 모 두 채널의 길이에 따라 커지고, 이를 통해 구동 회로가 동 작해야할 최대와 최소의 직렬 저항 값을 예측할 수 있다.

일반적으로, 채널의 저항 성분 때문에 path에 포함되지 않는 상호 커패시턴스가 모두 채널 커패시턴스(Cself)로 고려되지는 않기 때문에, longest 채널 커패시턴스(Cself) 가 shortest 채널의 커패시턴스보다 큰 값을 갖는다. 하지 만 상대편 채널 layer의 conductivity가 크면, 상호 커패시 턴스들이 모두 채널의 커패시턴스(Cself)로 여겨지기 때 문에 longest path와 shortest path가 거의 같은 채널의 커 패시턴스가 값을 갖게 된다. 터치에 의해 상호 커패시턴 스의 크기가 변하면, 구동 회로의 출력 전압이 달라진다

[9]. 이와 같이, 터치 전과 후에 달라지는 출력 전압의 차이

를 통해 터치를 인식한다. 터치 시 상호 커패시턴스의 크 기 변화는 20 %로 알려져 있다. Minimum detectable의 변 화는 △Cmutual/Cself_rx×100의 식을 통해 구할 수 있다.

이를 토대로 CASE Ⅲ에서의 minimum detectable의 변화 를 구해 보면 0.51 %임을 알 수 있다. 또한, 채널의 상호 커패시턴스 (Cmutual)와 TX-RX 채널의 커패시턴스 (Cself_

tx, Cself_tx)는 차이를 통해 구동 회로가 어느 정도의 커 패시턴스 변화 민감도를 가지고 동작해야 하는지를 알 수 있다.

Ⅲ. 주파수 영역 확장 7소자 모델

최근 터치스크린 구동 회로의 구동 주파수는 점차 증 가하는 추세이다. 하지만 5개 소자로 이루어진 기존 RC 회로 모델은 130 kHz 정도까지만 모델링이 가능하다. 이 를 보완하고자, 7개 소자로 이루어진 RC 회로 모델을 통 하여 터치스크린 모델의 주파수 영역이 확장 가능한지를 확인하였다.

그림 4는 주파수 영역 확장을 위한 23인치 터치스크린 패널의 RC 모델이다. 기존 5소자 모델은 RX, TX 채널을 각각 저항 1개과 커패시터 1개로 모델했었는데, 7소자 모 델은 RX, TX 채널을 각각 저항 2개와 커패시터 1개로 모 델한다. 기존 5소자 모델과 비교해 보면, 커패시턴스는 동일한 값을 가지며, 저항은 절반의 값(R_rx’=0.5×R_rx)을 갖는다. 저항이 절반으로 나눠진 것이기 때문에, 커패시 턴스의 위치를 변경한 것으로 볼 수 있다. 그림 5는 23인 치 터치 패널의 EM/circuit 시뮬레이션, 7소자 RC 모델과 5소자 회로 모델의 S파라미터를 비교한 결과이다. 200 kHz에서 Longest 채널의 경우에 7소자 RC 모델과 5소자 RC 모델의 위상을 비교하면, 대략 15도의 차이를 가지는 것을 알 수 있다. 이로써 7소자 RC 모델을 사용하면, 10

그림 4. TX-RX 채널의 7소자 RC 모델

Fig. 4. 7-element RC circuit model for TX-RX channels.

Frequency (kHz)

0 50 100 150 200 250 300

S21 magnitude (dB)

-100 -90 -80 -70 -60

S21 phase (degree)

-40 -20 0 20 40 60 80 100

7-element RC model

23-inch panel (EM/Circuit sim.) 5-element RC model

Shortest

Longest

그림 5. TX-RX 채널과 7소자 회로 모델의 S 파라미터 Fig. 5. S-parameters of TX-RX channels and 7-element RC

circuit model.

도 이내의 S²¹위상 차이를 가지는 주파수 영역을 200 kHz 까지 확장 가능한 것을 확인하였다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 터치스크린 패널 한 개 셀의 2D EM 시 뮬레이션 결과를 이용한 전체 패널의 circuit 시뮬레이션 을 통하여, 23인치 대면적 터치스크린 패널의 TX-RX 채 널을 5개의 RC 회로 소자 모델로 근사하였다. 복잡한 구 조의 터치스크린 패널이지만, 5개의 RC 소자로 이루어진 간단한 회로 모델로 130 kHz까지 10도 이내의 S²¹ 위상 차이를 가지는 것을 확인하였다. 또한, 기존 모델에 소자 를 추가해 7개 RC 소자를 사용한 모델을 통하여 10도 이 내의 S²¹ 위상 차이를 가지는 모델의 주파수 영역을 200 kHz까지 확장하였다. 이러한 터치 패널의 회로 모델을 바 탕으로 터치 패널 구동 회로의 설계 또는 구동 회로에 적 합한 패널의 설계가 가능하다.

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변 기 식

2013년 2월: 한양대학교 전자통신컴퓨터 공학부 (공학사)

2013년 3월～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 석사과정

[주 관심분야] 마이크로파 회로, Graphene Device

민 병 욱

2002년 8월: 서울대학교 전기공학부 (공학 사)

2004년 8월: 미국 University of Michigan, Ann Arbor (공학석사)

2008년 4월: 미국 University of Michigan, Ann Arbor (공학박사)

2008년 1월～2010년 12월: Qualcomm Inc.

Senior Engineer

2011년 9월～현재: 연세대학교 전기전자공학부 조교수 [주 관심분야] 밀리미터파 집적회로, 마이크로파 회로, 위상배

열 안테나시스템, Analog/RF IC