An interference-resilient, power- and area-efficient capacitive touch screen controller IC is designed for multi-touch recognition in mobile handset’s applications. In this paper, the hybrid spread spectrum scheme, or direct sequence spread spectrum (DSSS) cascaded with chirp spread spectrum (CSS), suppresses interferences coupled to TSP by more than 24dB. In respect of designed circuits, newly designed Trans-Impedance Amplifier (TIA), in which large feedback capacitor can be removed, is proposed in receiver circuit. On the other hand, in transmitter, Direct Digital Frequency Synthesizer (DDFS) based on Harmonic Rejection Ratio (HRR) digital-to-analog converter (DAC) are proposed to save the chip area and power con-sumption. The prototype IC with $0.18\mu m$ CMOS achieves 58dB SNR and capacitance resolution of 271aF for horizontal one layer 7-inchs’ touch screen panel (TSP). The chip area is $0.8 \times 2 mm^2$ for transmitter and $1.8 \times 1.8 mm^2$ for receiver, respectively. Total power consumption is 25.2mW with 1.8-V supply.
본 논문은 터치 스크린 시스템에서 큰 문제로 대두되고 있는 외부 잡음 및 간섭에 강인함과 동시에, 터치 인식 속도 및 정확도를 높이기 위하여 혼합 대역 확산 기법을 적용한 정전 용량 방식 (Capacitive sensing- type) 컨트롤러IC 설계에 관한 연구이다.
휴대 단말기 (Mobile phone) 에서의 정전 용량 방식 터치 스크린 입력 방식의 채택은 사용자 입장의 유저 인터페이스로서 PC에서 수행되었던 메신저, 은행 업무, 리포트 작성 등과 같은 개인적인 업무를 휴대 단말기로 가져오는 역할을 수행하였다. 2013년 현재, 약 78% 로의 휴대 단말기가 터치 스크린 방식을 채택하고 있으며, 2015년 90% 가까이 이를 것으로 예상하고 있다.
현재까지 연구된 정전 용량 방식은 외부 잡음 및 간섭의 영향에 취약함을 보이고 있어, 그 기술적 진화에 한계점을 보이고 있다. 먼저 도체인 손가락을 통해 전해지는 손가락 잡음, 휴대용 단말기의 충전 시 발생하는 충전기 잡음 등은 터치 인식의 오 동작을 야기시키고 있다. 또한 디스플레이의 투명도 및 원가 절감을 위해 터치 스크린 패널의 두께가 점점 얇아짐에 따라, 디스플레이를 구동함에 있어서 발생하는 디스플레이 잡음 문제가 크게 대두되고 있는 상황이다. 이러한 기술적인 (technical) 문제와 동시에, 앞으로의 휴대 단말기 제조 원가 절감을 위해, 저전력, 저면적의 터치 컨트롤러 IC의 설계가 요구되고 있는 상황이며, 이러한 상업적인 (commercial) 측면 또한 함께 고려되어야 한다.
기존의 연구들에서는 앞서 언급한 외부 잡음 및 간섭 문제를 해결하기 위해, 대표적으로 터치 스크린 패널을 의사 난수 부호 (Pseudo-Random code)를 이용하여 구동하는 다중 분할 감지 기법 (Code Division Multiple Sensing, CDMS)과 여러 개 주파수를 순환시켜가며 구동하는 주파수 도약 확산 기법 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 이 제안되었다. 하지만, 컨트롤러 IC의 디지털 회로의 복잡도 및 전력 소모 증가로 인해, 외부 간섭에 대한 충분한 확산 이득 (Spread gain)을 얻는 것은 불가능하다. 이러한 디지털 회로 부담 이외에도, 아날로그 회로 상에서는 터치 스크린 패널의 채널 정보 저장을 위한 커패시터 (capacitor)가 아날로그 회로 면적의 절반을 차지하고 있어, 저전력, 저면적의 IC 설계를 불가능하게 만드는 상황이다.
본 연구에서는 첫 번째로 기존의 다중 분할 감지 기법 및 주파수 도약 확산 기법의 장점만을 취합할 수 있는 혼합 대역 확산 기법 (hybrid spread spectrum)에 관한 연구를 진행하였다. 기존의 다중 분할 감지 기법에 사용하는 의사 난수 부호를 일정한 주파수 신호가 아닌, 첩 확산 대역 (Chirp Spread Spectrum) 신호로 구성하면, 중첩된 확산 이득을 얻게 된다. 이러한 첩 확산 대역 신호는 간단한 디지털 논리 회로로 구현 가능하여, 디지털 회로의 부담을 덜어줄 수 있으며, 확산 이득을 결정하는 의사 난수 부호 개수를 증가시키지 않아도 더 높은 확산 이득을 얻을 수 있게 된다. 첩 확산 대역 자체만을 주파수 도약 확산 기법과 비교해 본다면, 연속적인 주파수 변화 특성으로 인하여 더 넓은 주파수 대역 및 분포 특성을 보이고 있다. 이러한 혼합 대역 확산 기법 제어 신호는 외부의 FPGA를 통해 송신칩(transmitter) 및 수신칩(receiver)에 각각 공급되고 있다.
무엇보다도 이러한 혼합 대역 확산 기법은 미래의 터치 스크린 기술에서 더 큰 기여를 할 수 있을 것이라 예상된다. 미래의 터치 스크린 패널로 각광받는 내장형 (In-cell) 터치 스크린 패널은 얇아진 패널 두께로 인해 본 연구결과처럼 높은 확산이득이 요구되고 있는 상황이다. 또한 미래의 터치 스크린 구성 물질인 금속 망사 (Metal mesh) 구조는 기존의 ITO (Indium Tin Oxide Film)에 비해 저항이 1/3로 감소하게 되어, 3배 더 증가한 확산 이득을 얻는 것이 가능해질 것으로 예상한다.
본 연구에서는 앞서 언급한 혼합 대역 확산 기법 이외에도 송신칩과 수신칩의 저전력, 저면적 설계를 위한 연구를 진행하였다. 먼저 송신칩에서는 터치스크린 패널 구동을 위해 사인파를 출력하나, 사인파 출력을 위해 기존의 직접 디지털 주파수 합성기 (Direct Digital Fre-quency Synthesizer, DDFS) 를 사용할 경우, DDFS를 구성하는 롬 (ROM), 누산기 (Accumulator), 그리고 고 해상도 (high-resolution) DAC가 많은 면적을 차지하게 된다. 송신칩에서는, 하모닉 억제 비율 (Harmonic Rejection Ratio, HRR) 만을 가지는 6-bit디지털-아날로그 컨버터 (Digital-to-Analog Converter, DAC) 에 기반한 DDFS를 제안하였다. DAC의 면적을 축소시킬 뿐만 아니라, 롬, 누산기 등을 간단한 논리 구동 회로로 대체할 수 있다. 무엇보다도, 다중 분할 감지 기법에 필요한 위상 변조 (phase modulation)을 기존의 DDFS가 아닌 별도의 스위치가 수행함으로써, 모든 터치 스크린 채널이 하나의 DDFS를 공유, 이로 인해 저전력, 저면적의 송신기 설계가 가능해졌다. 수신기에서는 채널 정보 저장을 위한 커패시터가 제거된 임피던스 변환 증폭기 (Trans-Impedance Amplifier, TIA)를 제안하였다. TIA 내부에 커패시터의 역할을 대신할 수 있는 전류 증폭기 (Current amplifier)를 내장하여 커패시터를 제거함과 동시에, 전류 증폭기의 증폭 비율을 조정함에 따라, 터치 스크린 패널의 크기에 맞춰 수신기의 동적 범위를 조절하는 것이 가능해졌다.
이러한 터치 컨트롤러 IC는 0.18μm CMOS을 통해 제작되었으며, 측정 결과 약 24dB의확산 이득, 기존 연구 대비 9dB 성능 개선됨을 확인할 수 있었다. 이러한 측정 결과치는, 수식을 통한 계산 결과 치와 매트랩(matlab) 모의 실험을 통한 모의 실험 결과 치와 거의 일치함을 확인할 수 있었다.
