KR102324659B1 - 지문센서 일체형 터치 스크린 장치와 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 표시영역 내에 구비된 터치 스크린에 있어, 터치 IC의 회로 구성을 간소화하고 터치 IC의 사이즈 및 소비전력을 줄일 수 있도록 한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치에 관한 것이다. 이 지문센서 일체형 터치 스크린 장치는 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 구비된 터치 스크린과, 지문&터치 센서들과, 공용 센싱 유닛과, 아날로그 적분&증폭기와, 아날로그-디지털 변환기를 포함한다.

Description

지문센서 일체형 터치 스크린 장치와 그 구동방법{FINGER SENSOR INTEGRATED TYPE TOUCH SCREEN PANEL AND DRIVING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 지문센서 일체형 터치 스크린 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 지문인식 기능을 갖는 터치 스크린 장치에 관한 것이다.

컴퓨터 기술의 발달에 따라 노트북 컴퓨터, 태블릿 피시(tablet PC), 스마트폰(smart phone), 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant), 현금 자동 입출금기(Automated Teller Machine), 검색 안내 시스템 등과 같은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템(computer based system)이 개발되어 왔다. 이들 시스템에는 통상적으로 개인 사생활과 관련된 개인정보는 물론 영업정보나 영업기밀과 같이 비밀을 요하는 많은 데이터가 저장되어 있기 때문에, 이들 데이터를 보호하기 위해서는 보안을 강화해야 할 필요성이 있다.

이를 위해 종래부터 손가락의 지문을 이용하여 시스템의 등록이나 인증을 수행함으로써 보안성을 강화할 수 있는 지문센서가 알려져 있다.

지문센서는 인간의 손가락 지문을 감지하는 센서이다. 지문센서는 광학식 지문센서(optical fingerprint sensor)와 정전용량식 지문센서(capacitive fingerprint sensor)로 크게 나누어진다.

광학식 지문센서(optical fingerprint sensor)는 내부에서 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원을 조사하고 지문의 융선(ridge)에 의해 반사된 빛을 CMOS 이미지 센서를 통해 감지하는 원리를 이용한 것이다. 광학식 지문센서는 LED를 이용해서 스캔을 해 야하기 때문에 크기를 줄이는 데에 한계가 있고 광원 자체가 고가이기 때문에 제조비가 증가한다는 문제점이 있다.

정전용량식 지문센서(capacitive fingerprint sensor)는 지문센서와 접촉되는 융선(ridge)과 골(valley) 사이에 대전되는 전기량의 차를 이용한 것이다.

종래의 정전용량식 지문센서로는 "정전용량식 센서 패키징(capacitive sensor packaging)"이란 명칭으로, 2013년 11월 21일 공개된 미국 공개특허 제 US2013/0307818호가 알려져 있다. 상기 미국 공개특허 공보에 기재된 정전용량식 지문센서는 정전용량식 지문센서는 특정 푸시버튼(push button)과 결합한 어셈블리 형태로 구성되어 있으며, 용량성 플레이트와 사용자의 지문(융선과 골) 사이의 정전용량을 측정하기 위한 회로가 인쇄된 실리콘 웨이퍼를 포함한다.

일반적으로 인간 지문의 융선(ridge)과 골(valley)은 대략 300㎛~500㎛의 크기로 매우 미세하기 때문에, 상기 미국 공보의 정전용량식 지문센서는 고해상도 센서 어레이와 지문인식 처리를 위한 IC(Integrated Chip) 제작이 필요하고, 이를 위해 센서 어레이와 IC을 일체로 형성할 수 있는 실리콘 웨이퍼를 이용하고 있다. 그러나, 실리콘 웨이퍼를 이용하여 고해상도의 센서 어레이와 IC를 함께 형성할 경우, 푸시버튼과 함께 지문센서를 결합하기 위한 어셈블리 구조가 필요하게 되므로 구성이 복잡해 질뿐 아니라 비표시 영역(베젤영역)이 증가하는 문제점이 있었다. 또한, 푸시버튼(예를 들면, 스마트폰의 홈키)과 지문센서가 중첩되게 형성되므로, 그 두께가 증가할 뿐 아니라 지문센싱 영역이 푸시버튼의 크기에 좌우되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 터치센서 스크린의 영역을 지문식별 영역으로 이용하는 기술 등이 개발되어 왔다. 이러한 기술로서는 "지문식별용 용량성 터치센서(capacitive touch sensor for identifying a fingerprint)"란 명칭으로 2013년 10월 22일 등록된 미국 등록특허 제 US8,564,314호와, "지문인식 일체형 정전용량 터치 스크린"이란 명칭으로 2014년 8월 18일 등록된 대한민국 등록특허 제10-1432988호가 알려져 있다.

도 1은 상기 미국 등록특허에 도시된 도 5를 도시한 도면으로, 용량성 센싱패널의 구동전극과 센싱전극의 배열을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 1을 참조하면, 지문식별용 용량성 터치센서는 터치 구동전극(1(x))과 터치 센싱전극(1(y))을 포함하는 터치센서(3)와, 지문 구동전극(5(x))과 지문 센싱전극(5(y))을 포함하는 지문센서(5)를 포함한다. 이러한, 지문식별용 용량성 터치센서는 화면 영역에 부분적으로 별도의 지문센서(5)가 배치되어 있기 때문에, 지문센서(5) 영역이 터치가 안 되거나 그 주변 영역의 터치 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

한편, 대한민국 등록특허 제10-1432988호에는 지문 센싱 모드에서는 복수의 미세 채널들 각각을 이용하여 지문을 인식하고, 터치 센싱 모드에서는 복수의 미세 채널들을 묶어 터치 신호의 감지를 위한 터치 그룹 채널로 터치 신호를 센싱하는 기술이 개시되어 있다.

터치 IC 내부에 형성된 센싱 유닛은 통상 오피 앰프와 센싱 커패시터를 이용하여 입력 신호를 센싱하며, 이때 센싱 커패시터의 용량은 센싱 유닛이 연결된 미세 채널들의 상호 용량에 따라 결정된다. 하나의 센싱 유닛에 연결되는 미세 채널의 개수는 지문 센싱시에 비해 터치 센싱시에 훨씬 많으므로, 센싱 커패시터의 용량도 지문 센싱시에 비해 터치 센싱시에 훨씬 크다. 실제로 터치 센싱에 요구되는 센싱 커패시터의 용량은 지문 센싱에 요구되는 센싱 커패시터의 용량에 비해 수천배 이상 크다. 이러한 이유로 상기 대한민국 등록특허는 지문 감지용 센싱 유닛과 터치 감지용 센싱 유닛을 터치 IC 내에 별도로 구비해야 한다. 또한, 터치 센싱값은 지문 센싱값에 비해 훨씬 크기 때문에, 상기 대한민국 등록특허는 터치 센싱 데이터를 디지털 처리하기 위한 아날로그-디지털 변환기와 지문 센싱 데이터를 디지털 처리하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 터치 IC 내에 별도로 구비해야 한다. 아날로그-디지털 변환기는 소정 범위의 센싱 레인지(sensing range)를 가지는데, 터치 센싱값과 지문 센싱값의 차이가 너무 크므로, 동일한 아날로그-디지털 변환기로 터치 센싱값과 지문 센싱값을 모두 디지털 처리할 수는 없다. 종래 기술에서는 제1 센싱 레인지를 갖는 제1 아날로그-디지털 변환기로 터치 센싱값을 디지털 처리하고, 제1 센싱 레인지보다 작은 제2 센싱 레인지를 갖는 제2 아날로그-디지털 변환기로 지문 센싱값을 디지털 처리할 수 밖에 없다. 센싱 유닛과 디지털-아날로그 변환기는 회로 사이즈가 크다.

종래 기술과 같이, 지문 센싱용 센싱 유닛과 터치 센싱용 센싱 유닛이 터치 IC 내에 별도로 구비되고, 더욱이 지문 센싱용 아날로그-디지털 변환기와 터치 센싱용 아날로그-디지털 변환기가 터치 IC 내에 별도로 구비되면, 터치 IC의 회로 구성이 복잡해지고 터치 IC의 사이즈 및 소비전력이 증가하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 표시영역 내에 구비된 터치 스크린에 있어, 터치 IC의 회로 구성을 간소화하고 터치 IC의 사이즈 및 소비전력을 줄일 수 있도록 한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치과 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린 장치는 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 구비된 터치 스크린과, 지문&터치 센서들과, 공용 센싱 유닛과, 아날로그 적분&증폭기와, 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 지문&터치 센서들은 상기 지문&터치 영역에서, 제1 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Rx 라인들과, 상기 제1 그룹의 Tx 라인들과 상기 제1 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성된다. 공용 센싱 유닛은 상기 제1 그룹의 Rx 라인들에 개별적으로 연결된 다수의 공용 센싱부들을 구비하여 상기 지문&터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱한다. 아날로그 적분&증폭기는 터치 입력을 센싱하기 위한 터치 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 센싱값들을 적분하고, 지문 입력을 센싱하기 위한 지문 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 센싱값들을 순차적으로 증폭한다. 그리고, 아날로그-디지털 변환기는 상기 아날로그 적분&증폭기의 출력단에 접속된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 구비된 터치 스크린을 갖는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법은, 상기 지문&터치 영역에서, 제1 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Rx 라인들과, 상기 제1 그룹의 Tx 라인들과 상기 제1 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성되는 지문&터치 센서들을 대상으로 하여, 상기 제1 그룹의 Rx 라인들에 개별적으로 연결된 다수의 공용 센싱부들을 갖는 공용 센싱 유닛을 이용하여 상기 지문&터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 단계와, 아날로그 적분&증폭기를 이용하여, 터치 입력을 센싱하기 위한 터치 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 센싱값들을 적분하고, 지문 입력을 센싱하기 위한 지문 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 센싱값들을 순차적으로 증폭하는 단계와, 상기 아날로그 적분&증폭기의 출력값을 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 디지털값으로 변환하는 단계를 포함한다.

본 발명은 터치 스크린(TSP)의 지문&터치 영역(FTAR)을 대상으로 한 지문 센싱용 센싱 유닛과 터치 센싱용 센싱 유닛을 개별적으로 구비하지 않고, 공용 센싱 유닛(SSU)을 통해 일원화한다. 본 발명은 센싱 모드에 상관없이 지문&터치 영역(FTAR)에 연결된 모든 Rx 라인들(GP1-Rx)을 동일한 공용 센싱 유닛(SSU)을 통해 개별 센싱한 후에 센싱 모드에 따라 센싱값의 처리 수순을 다르게 한다. 본 발명은 터치 센싱 모드에서는 공용 센싱 유닛(SSU)에서 센싱된 값들을 아날로그 적분기아날로그 적분&증폭기(AIG)에 입력하여 실시간 적분한다. 그리고, 본 발명은 지문 센싱 모드에서는 공용 센싱 유닛(SSU)에서 센싱된 값들을 아날로그 적분&증폭기(AIG)에 순차적으로 입력하여 증폭한다.아날로그 디지털 변환기(ADC)에 입력하여 개별적으로 디지털 변환한다.

본 발명은 터치 센싱값의 크기를 고려하여 지문 센싱값을 미리 정해진 레벨로 증폭함으로써 터치 센싱값과 지문 센싱값이 하나의 아날로그-디지털 변환기를 통해 모두 디지털 처리될 수 있게 한다.

이를 통해 본 발명은 지문센서 일체형 터치 스크린 장치를 구현함에 있어, 터치 IC(20) 내부의 레이턴시(latency)를 없애고 그 내부 회로 구성을 간소화하여 IC 사이즈 및 소비전력을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 용량성 센싱패널의 구동전극과 센싱전극의 배열을 개략적으로 도시한 평면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치를 보여주는 블록도.
도 3은 상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린의 일 예를 보여주는 도면.
도 5는 터치 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도.
도 6은 지문 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도.
도 7은 공용 센싱 유닛과 터치 센싱 유닛을 포함한 터치 IC의 내부 구성을 보여주는 블록도.
도 8은 터치 IC의 내부 구성을 보다 구체적으로 보여주는 회로도.

본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시소자(Organic Light Emitting Display, OLED), 전기영동 표시소자(Electrophoresis, EPD) 등의 평판 표시소자 기반으로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 평판 표시소자의 일 예로서 표시장치를 액정표시소자 중심으로 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시소자에 한정되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치를 보여주는 블록도이다. 그리고, 도 3은 상호 용량 센서로 구현되는 터치 스크린의 일 예를 보여준다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치는 터치 스크린(TSP)과, 터치 IC(20)를 포함한다.

본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치는 다수의 정전 용량 센서들을 통해 터치 입력을 감지하는 정전 용량 방식의 터치 스크린(TSP)으로 구현될 수 있다.

정전 용량 방식의 터치 스크린은 다수의 센서들을 포함한다. 센서들 각각은 정전 용량(capacitance)을 포함한다. 정전 용량은 자기 정전 용량(Self Capacitance)과 상호 정전 용량(Mutual Capacitance)으로 나뉘어질 수 있다. 자기 정전 용량은 한 방향으로 형성된 단층의 도체 배선을 따라 형성될 수 있고, 상호 정전 용량은 직교하는 두 도체 배선들 사이에 형성될 수 있다.

상호 용량 센서(CM)로 구현되는 터치 스크린(TSP)은, 도 3과 같이 제1 방향(x)으로 서로 나란하게 배열되는 Tx 라인들(또는 Tx 채널들), 제2 방향(y)을 따라 나란히 배열되어 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들(또는 Rx 채널들), 및 Tx 라인들과 Rx 라인들의 교차점들 마다 형성된 센서들(CM)을 포함할 수 있다. 각 상호 용량 센서(CM)는 Tx 라인에 접속된 Tx 전극과 Rx 라인에 접속된 Rx 전극과 그들 사이에 개재된 절연층을 포함한다. Tx 라인들은 센서들(CM) 각각에 센서 구동용 펄스 신호(이하, 센서 구동 신호,VM)를 인가하여 센서들에 전하를 공급하는 구동 신호 배선들이다. Rx 라인들은 센서들(CM)에 연결되어 센서들의 전하를 터치 IC(20)로 공급하는 센서 배선들이다. 상호 용량 센싱 방법은 Tx 라인을 통해 상호 용량 센서(CM)의 Tx 전극에 센서 구동 신호(VM)를 인가하여 상호 용량 센서(CM)에 전하를 공급하고, 센서 구동 신호(VM)와 동기하여 상호 용량 센서(CM)의 Rx 전극과 Rx 라인을 통해 용량 변화를 센싱하면 터치 입력을 센싱할 수 있다.

터치 스크린(TSP)은 표시패널의 상부 편광판 상에 접합되거나, 표시패널의 상부 편광판과 상부 기판 사이에 형성될 수 있다. 또한, 터치 스크린(TSP)의 센서들(CM)은 표시패널의 픽셀 어레이에 내장될 수 있다.

이러한 터치 스크린(TSP)에는 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역(FTAR)과 다수의 터치 영역들(TAR)이 구비된다. 이하의 실시예에서 지문&터치 영역(FTAR)은 하나인 것으로 설명되지만, 이는 단순히 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 물론 아니다. 또한, 이하의 실시예에서 지문&터치 영역(FTAR)이 복수의 터치 영역들(TAR)의 중앙에 위치되는 것으로 설명되지만, 그 위치가 특정되는 것은 아니며 터치 영역들(TAR) 중의 어느 한 위치에 배치될 수도 있다.

터치 스크린(TSP)의 지문&터치 영역(FTAR)에는 제1 방향(x)으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제1 방향(x)과 교차하는 제2 방향(y)으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Rx 라인들과, 제1 그룹의 Tx 라인들과 제1 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성되는 지문&터치 센서들이 구비된다. 지문&터치 센서들은 지문의 융선과 골 사이에 여러 개가 위치할 수 있도록 미세하게 구현됨이 바람직하다.

터치 스크린(TSP)의 터치 영역들(TAR) 각각에는 상기 제1 방향(x)으로 서로 나란하게 배열되며 복수개씩 묶이어 순차 구동되는 제2 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제2 방향(y)으로 서로 나란하게 배열되는 제2 그룹의 Rx 라인들과, 제2 그룹의 Tx 라인들과 제2 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성되는 터치 센서들이 구비된다. 터치 센서들은 지문&터치 센서들과 동일한 크기(또는, 해상도)로 구현될 수도 있고, 지문&터치 센서들보다 큰 크기(또는, 해상도)로 구현될 수도 있다. 이하의 실시예의 설명에서는 터치 센서가 지문&터치 센서와 동일한 크기로 형성되는 것을 보여주지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음에 주의하여야 한다.

터치 IC(20)는, 터치 스크린(TSP)의 지문&터치 영역(FTAR)을 대상으로 한 지문 센싱용 센싱 유닛과 터치 센싱용 센싱 유닛을 일원화한다. 더욱이 터치 IC(20)는 터치 센싱값과 지문 센싱값이 동일한 아날로그-디지털 변환기에서 디지털 처리될 수 있도록, 지문 센싱값의 신호 레벨과 터치 센싱값의 신호 레벨을 유사하게 조정한다. 이를 통해, 터치 IC의 회로 구성은 간소화될 수 있고, 터치 IC의 사이즈 및 소비전력이 감소된다. 이에 대해서는 도 7 및 도 8을 통해 자세히 설명한다.

터치 IC(20)로부터 출력된 터치 레포트(Touch Report)는 터치 좌표 정보(TDATA)와 지문 감지 정보(FDATA)를 포함하여 호스트 시스템(18)으로 전송될 수 있다.

한편, 본 발명의 지문센서 일체형 터치 스크린 장치가 적용되는 표시장치는 표시패널(DIS), 디스플레이 구동회로(12,14,16), 호스트 시스템(18)을 포함할 수 있다.

표시패널(DIS)은 두 장의 기판들 사이에 형성된 액정층을 포함한다. 표시패널(DIS)의 픽셀 어레이는 데이터라인들(D1~Dm, m은 양의 정수)과 게이트라인들(G1~Gn, n은 양의 정수)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성된 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성된 TFT들(Thin Film Transistor), 데이터전압을 충전하는 화소전극, 화소전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함할 수 있다.

표시패널(DIS)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등이 형성될 수 있다. 표시패널(DIS)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 블랙매트릭스와 컬러필터는 표시패널(DIS)의 하부 기판에 형성될 수 있다. 공통전압이 공급되는 공통전극은 표시패널(DIS)의 상부 기판이나 하부 기판에 형성될 수 있다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성된다.

표시패널(DIS)의 배면 아래에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(DIS)에 빛을 조사한다. 표시패널(DIS)은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 등 공지된 어떠한 액정 모드로도 구현될 수 있다.

디스플레이 구동회로는 데이터 구동회로(12), 스캔 구동회로(14) 및 타이밍 콘트롤러(16)를 포함하여 입력 영상의 비디오 데이터를 표시패널(DIS)의 픽셀들에 기입한다. 데이터 구동회로(12)는 타이밍 콘트롤러(16)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동회로(12)로부터 출력된 데이터전압은 데이터라인들(D1~Dm)에 공급된다. 스캔 구동회로(14)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(DIS)의 픽셀라인을 선택한다.

타이밍 콘트롤러(16)는 호스트 시스템(18)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동회로(12)와 스캔 구동회로(14)의 동작 타이밍을 동기시킨다. 스캔 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 게이트 출력 인에이블신호(Gate Output Enable, GOE) 등을 포함한다. 데이터 타이밍 제어신호는 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock, SSC), 극성제어신호(Polarity, POL), 소스 출력 인에이블신호(Source Output Enable, SOE) 등을 포함한다.

호스트 시스템(18)은 텔레비젼 시스템, 셋톱박스, 네비게이션 시스템, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 호스트 시스템(18)은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 표시패널(DIS)에 표시하기에 적합한 포맷으로 변환한다. 호스트 시스템(18)은 디지털 비디오 데이터와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(16)로 전송한다. 또한, 호스트 시스템(18)은 터치 IC(20)로부터 입력되는 터치 레포트와 연계된 응용 프로그램을 실행한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지문센서 일체형 터치 스크린의 일 예를 보여준다. 그리고, 도 5는 터치 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도이며, 도 6은 지문 센싱 모드에서 지문센서 일체형 터치 스크린에 인가되는 센서 구동신호의 파형도이다.

도 4를 참조하면, 터치 스크린(TSP)의 지문&터치 영역(FTAR)에는 제1 방향(x)으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Tx 라인들(GP1-Tx)과, 제1 방향(x)과 교차되는 제2 방향(y)으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx)과, 제1 그룹의 Tx 라인들(GP1-Tx)과 제1 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx)의 교차점들에 형성되는 지문&터치 센서들(FTa)이 구비된다.

터치 스크린(TSP)의 터치 영역들(TAR) 각각에는 제1 방향(x)으로 서로 나란하게 배열되며 복수개씩 묶이어 구동되는 제2 그룹의 Tx 라인들(GP2-Tx)과, 제2 방향(y)으로 서로 나란하게 배열되는 제2 그룹의 Rx 라인들(GP2-Rx)과, 제2 그룹의 Tx 라인들(GP2-Tx)과 제2 그룹의 Rx 라인들(GP2-Rx)의 교차점들에 형성되는 터치 센서들(Ta)이 구비된다.

터치 IC(20)는 호스트 시스템(18)으로부 입력되는 터치 센싱 인에이블신호(도 8의 TEN)에 따라 터치 센싱 모드를 활성화시키고, 지문 센싱 인에이블신호(도 8의 FEN)에 따라 지문 센싱 모드를 활성화시킨다.

터치 센싱 모드(TMODE)에서, 터치 IC(20)는 도 5와 같이 제2 그룹의 Tx 라인들(GP2-Tx)을 복수개씩 묶어서 순차 구동시키고, 그에 동기시켜 제2 그룹의 Rx 라인들(GP2-Rx)을 복수개씩 묶어서 센싱한다. 또한, 터치 센싱 모드(TMODE)에서, 터치 IC(20)는 도 5와 같이 제1 그룹의 Tx 라인들(GP1-Tx)을 묶어서 동시에 구동시키고, 그에 동기시켜 제1 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx)을 개별 센싱한다. 터치 센싱 모드(TMODE)에서, 터치 IC(20)는 제1 및 제2 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx,GP2-Rx)을 통해 입력되는 센서의 전하 변화량을 센싱하여 손가락과 같은 전도성 물질의 터치 여부와 그 위치를 판단한다.

지문 센싱 모드(FMODE)에서, 터치 IC(20)는 도 6과 같이 제1 그룹의 Tx 라인들(GP1-Tx)을 개별적으로 1라인씩 순차 구동시키고, 그에 동기시켜 제1 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx)을 개별 센싱한다. 지문 센싱 모드(FMODE)에서, 터치 IC(20)는 제1 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx)을 통해 입력되는 센서의 전하 변화량을 센싱하여 지문 입력을 판단한다.

도 7은 공용 센싱 유닛과 터치 센싱 유닛을 포함한 터치 IC의 내부 구성을 보여주는 블록도이다. 그리고, 도 8은 도 8은 터치 IC의 내부 구성을 보다 구체적으로 보여주는 회로도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 터치 IC(20)는 다수의 터치 센싱 유닛들(TSU)과, 공용 센싱 유닛(SSU)과, 스위칭 블록(SB)과, 아날로그 적분기아날로그 적분&증폭기(AIG)와, 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다.

공용 센싱 유닛(SSU)은 제1 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx)에 개별적으로 연결된 다수의 공용 센싱부들(SSUa)을 구비하여 지문&터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱한다. 공용 센싱부들(SSUa) 각각은, 오피 앰프(OP)와 제1 센싱 커패시터(Cfb1)를 포함한다. 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)는 제1 그룹의 Rx 라인들(GP1-Rx) 중 어느 하나에 연결되고, 오피 앰프(OP)의 비반전 입력 단자(+)는 기준전압(Vref) 입력 단자에 연결되며, 오피 앰프(OP)의 출력 단자는 제1 센싱 커패시터(Cfb1)를 경유하여 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)에 연결될 수 있다. 제1 센싱 커패시터(Cfb1)는 반전 입력 단자(-)를 통해 입력되는 지문&터치 센서들의 센싱 신호를 누적한다.

여기서, 터치 센싱 모드에서 동작하는 공용 센싱 유닛(SSU)의 공용 센싱부들(SSUa)과, 지문 센싱 모드에서 동작하는 공용 센싱 유닛(SSU)의 공용 센싱부들(SSUa)이 서로 동일하다. 즉, 본 발명의 공용 센싱 유닛(SSU)은 터치 센싱 모드와 지문 센싱 모드에 상관없이 동일한 공용 센싱부들(SSUa)을 이용하여 지문&터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱한다.

아날로그 적분기아날로그 적분&증폭기(AIG)는, 터치 입력을 센싱하기 위한 터치 센싱 모드에서 아날로그 적분기로 동작하며, 상기 공용 센싱 유닛(SSU)에서 생성된 센싱값들을 실시간 적분한다. 아날로그 적분&증폭기(AIG)는, 지문 입력을 센싱하기 위한 지문 센싱 모드에서 증폭기로 동작하며, 공용 센싱 유닛(SSU)에서 생성된 센싱값들을 순차적으로 증폭한다.

특히, 공용 센싱부들(SSUa) 로부터 입력되는 센싱값들을 적분한 터치 센싱값과, 공용 센싱부들(SSUa)로부터 입력되는 센싱값들 각각에 대응되는 지문 센싱값이 동일한 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 모두 디지털 처리될 수 있도록, 아날로그 적분&증폭기(AIG)는 지문 센싱값의 신호 레벨과 터치 센싱값의 신호 레벨을 모두 동일한 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 센싱 레인지 범위 내로 조정한다. 이를 위해, 아날로그 적분&증폭기(AIG)는 지문 센싱값을 미리 정해진 레벨로 증폭한다.

아날로그 적분&증폭기(AIG)는 오피 앰프(OP), 제1 및 제2 부궤환 저항(RT,RF), 부궤환 스위치(SWs)를 포함한다. 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)는 서로 병렬 접속된 다수의 제1 저항들(RL)에 공통으로 연결됨과 아울러, 제2 저항(RLF)에도 연결된다. 오피 앰프(OP)의 비반전 입력 단자(+)는 기저 전압원에 연결된다. 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에는 부궤환 스위치(SWs)를 통해 제1 및 제2 부궤환 저항(RT,RF)이 선택적으로 연결된다.

부궤환 스위치(SWs)는 터치 센싱 모드에서 터치 센싱 인에이블신호(TEN)에 따라 Tst로 스위칭되어 제1 부궤환 저항(RT)을 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 연결시킨다. 이때, 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)는 공용 센싱 유닛(SSU)에서 생성된 m개의 센싱값들을 m개의 제1 저항들(RL)을 통해 동시에 입력받는다. 이러한 터치 센싱 모드에서 아날로그 적분&증폭기(AIG)의 게인값은 -m*(RT/RL)이 된다.

부궤환 스위치(SWs)는 지문 센싱 모드에서 지문 센싱 인에이블신호(FEN)에 따라 Tsf로 스위칭되어 제2 부궤환 저항(RF)을 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 연결시킨다. 이때, 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)는 공용 센싱 유닛(SSU)에서 생성된 m개의 센싱값들을 1개의 제2 저항(RLF)을 통해 순차적으로 입력받는다. 이러한 지문 센싱 모드에서 아날로그 적분&증폭기(AIG)의 게인값은 -(RF/RLF)이 된다. 원하는 증폭비는 제2 저항(RLF)과 제2 부궤환 저항(RF)의 비율에 따라 결정되므로, 이 저항들(RLF,RF)의 값을 적절히 설계할 필요가 있다.

스위칭 블록(SB)은 공용 센싱 유닛(SSU)과 아날로그 적분&증폭기(AIG) 사이에 접속되며, 공용 센싱 유닛(SSU)에서 생성된 센싱값들을 샘플링 및 홀딩하는 샘플&홀드부(SH)와, 다수의 스위치들(SW)을 포함한다.

터치 센싱 모드에서 스위치들(SW)은 터치 센싱 인에이블신호(TEN)에 따라 Tt로 동시 스위칭되어 샘플&홀드부(SH)의 출력단들(To)을 아날로그 적분&증폭기(AIG)의 제1 저항들(RL)에 연결시킨다.

지문 센싱 모드에서 스위치들(SW)은 지문 센싱 인에이블신호(FEN)에 따라 Tf1~Tfm으로 순차 스위칭되어 샘플&홀드부(SH)의 출력단들(To)을 아날로그 적분&증폭기(AIG)의 제2 저항 (RLF)에 순차적으로 연결시킨다.

한편, 터치 센싱 유닛들(TSU) 각각은, 제2 그룹의 Rx 라인들(GP2-Rx)을 복수개씩 묶어 동시 센싱하는 터치 센싱부를 구비하여 터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱한다. 터치 센싱부는 오피 앰프(OP)와 제2 센싱 커패시터(Cfb2)를 포함한다. 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)는 제2 그룹의 Rx 라인들(GP2-Rx)에 공통 연결되고, 오피 앰프(OP)의 비반전 입력 단자(+)는 기준전압(Vref) 입력 단자에 연결되며, 오피 앰프(OP)의 출력 단자는 제2 센싱 커패시터(Cfb2)를 경유하여 오피 앰프(OP)의 반전 입력 단자(-)에 연결될 수 있다. 제2 센싱 커패시터(Cfb2)는 반전 입력 단자(-)를 통해 입력되는 터치 센서들의 센싱 신호를 누적한다.

여기서, 제2 센싱 커패시터(Cfb2)의 용량은 제1 센싱 커패시터(Cfb1)의 용량보다 크게 설계된다. 센싱 커패시터의 용량은 센싱 유닛이 연결된 Rx 라인들의 개수에 따라 결정되기 때문이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 지문센서 일체형 터치 스크린 장치를 구현함에 있어, 터치 IC(20) 내부의 레이턴시(latency)를 없애고 그 내부 회로 구성을 간소화하여 IC 사이즈 및 소비전력을 줄일 수 있는 장점이 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

DIS : 표시패널 TSP : 터치 스크린
12 : 데이터 구동 회로 14 : 스캔 구동 회로
16 : 타이밍 콘트롤러 18 : 호스트 시스템
20 : 터치 IC FTAR : 지문&터치 영역
TAR : 터치 영역 FTa : 지문&터치 센서
Ta : 터치 센서 GP1-Tx : 제1 그룹의 Tx 라인들
GP2-Tx : 제2 그룹의 Tx 라인들 GP1-Rx : 제1 그룹의 Rx 라인들
GP2-Rx : 제2 그룹의 Rx 라인들 TSU : 터치 센싱 유닛
SSU: 공용 센싱 유닛 SSUa : 공용 센싱부
SB : 스위칭 블록 SH: 샘플&홀드부
SW: 스위치 RL: 제1 저항
RLF: 제2 저항 AIG : 아날로그 적분&증폭기
OP: 오피 앰프 RT: 제1 부궤환 저항
RF: 제2 부궤환 저항 ADC : 아날로그-디지털 변환기

Claims (14)

1. 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 구비된 터치 스크린을 갖는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치에 있어서,
   상기 지문&터치 영역에서, 제1 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Rx 라인들과, 상기 제1 그룹의 Tx 라인들과 상기 제1 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성되는 지문&터치 센서들;
   상기 제1 그룹의 Rx 라인들에 개별적으로 연결된 다수의 공용 센싱부들을 구비하여 상기 지문&터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 공용 센싱 유닛;
   터치 입력을 센싱하기 위한 터치 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 복수의 제1 센싱값들을 동시에 적분하여 하나의 터치 센싱값을 생성하고, 지문 입력을 센싱하기 위한 지문 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 복수의 제2 센싱값들을 순차적으로 증폭하여 복수의 지문 센싱값들을 생성하는 아날로그 적분&증폭기; 및
   상기 아날로그 적분&증폭기의 출력값들을 아날로그-디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고,
   상기 터치 센싱 모드에서 상기 아날로그 적분&증폭기의 제1 게인값과 상기 지문 센싱 모드에서 상기 아날로그 적분&증폭기의 제2 게인값은 서로 다르고, 상기 제1 게인값에 따른 상기 터치 센싱값의 제1 신호 레벨과 상기 제2 게인값에 따른 상기 지문 센싱값들의 제2 신호 레벨은 상기 아날로그-디지털 변환기의 동일한 센싱 레인지 범위 내에 있는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 터치 센싱 모드에서 동작하는 상기 공용 센싱 유닛의 공용 센싱부들과, 상기 지문 센싱 모드에서 동작하는 상기 공용 센싱 유닛의 공용 센싱부들이 서로 동일한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 아날로그 적분&증폭기는,
   상기 터치 센싱 모드에서 아날로그 적분기로 동작하고, 상기 지문 센싱 모드에서 아날로그 증폭기로 동작하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 터치 센싱값과, 상기 지문 센싱값들이 하나의 상기 아날로그-디지털 변환기를 통해 모두 디지털 처리될 수 있도록,
   상기 아날로그 적분&증폭기는 상기 지문 센싱값들을 상기 제2 게인값에 따른 미리 정해진 레벨로 증폭하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 공용 센싱 유닛과 상기 아날로그 적분&증폭기 사이에 접속되는 스위칭 블록을 더 포함하고;
   상기 스위칭 블록은,
   상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 상기 제1 센싱값들과 상기 제2 센싱값들을 샘플링 및 홀딩하는 샘플&홀드부; 및
   상기 터치 센싱 모드에서 상기 샘플&홀드부가 상기 아날로그 적분&증폭기 내에서 서로 병렬 접속된 다수의 제1 저항들에 연결되도록 스위칭되고, 상기 지문 센싱 모드에서 상기 샘플&홀드부가 상기 아날로그 적분&증폭기 내의 제2 저항에 연결하되도록 스위칭되는 다수의 스위치들을 구비한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 아날로그 적분&증폭기는,
   상기 제1 저항들과 상기 제2 저항에 공통 연결된 반전 입력 단자와, 기저 전압원에 연결된 비 반전 입력 단자와, 상기 아날로그-디지털 변환기에 연결된 출력 단자를 갖는 오피 앰프; 및
   상기 터치 센싱 모드에서 상기 오피 앰프의 반전 입력 단자가 제1 부궤환 저항을 통해 상기 오피 앰프의 출력 단자에 연결되도록 스위칭되고, 상기 지문 센싱 모드에서 상기 오피 앰프의 반전 입력 단자가 제2 부궤환 저항을 통해 상기 오피 앰프의 출력 단자에 연결되도록 스위칭되는 부궤환 스위치를 포함한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 그룹의 Tx 라인들은, 상기 지문 센싱 모드에서 1 라인씩 순차 구동되고, 상기 터치 센싱 모드에서 동시 구동되는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 터치 영역들 각각에서, 상기 제1 방향으로 서로 나란하게 배열되며 복수개씩 묶이어 순차 구동되는 제2 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제2 그룹의 Rx 라인들과, 상기 제2 그룹의 Tx 라인들과 상기 제2 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성되는 터치 센서들; 및
   상기 제2 그룹의 Rx 라인들을 복수개씩 묶어 동시 센싱하는 터치 센싱부를 구비하여 상기 터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 적어도 하나 이상의 터치 센싱 유닛을 더 포함하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치.
   
9. 적어도 하나 이상의 지문&터치 영역과 다수의 터치 영역들이 구비된 터치 스크린을 갖는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법에 있어서,
   상기 지문&터치 영역에서, 제1 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제1 그룹의 Rx 라인들과, 상기 제1 그룹의 Tx 라인들과 상기 제1 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성되는 지문&터치 센서들을 대상으로 하여,
   상기 제1 그룹의 Rx 라인들에 개별적으로 연결된 다수의 공용 센싱부들을 갖는 공용 센싱 유닛을 이용하여 상기 지문&터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 단계;
   아날로그 적분&증폭기를 이용하여,터치 입력을 센싱하기 위한 터치 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 제1 센싱값들을 동시에 적분하여 하나의 터치 센싱값을 생성하고, 지문 입력을 센싱하기 위한 지문 센싱 모드에서 상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 복수의 제2 센싱값들을 순차적으로 증폭하여 복수의 지문 센싱값들을 생성하는 단계; 및
   상기 아날로그 적분&증폭기의 출력값들을 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 디지털값으로 변환하는 단계를 포함하고,
   상기 터치 센싱 모드에서의 제1 게인값과 상기 지문 센싱 모드에서의 제2 게인값은 서로 다르고, 상기 제1 게인값에 따른 상기 터치 센싱값의 제1 신호 레벨과 상기 제2 게인값에 따른 상기 지문 센싱값들의 제2 신호 레벨은 상기 아날로그-디지털 변환기의 동일한 센싱 레인지 범위 내에 있는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 터치 센싱 모드에서 동작하는 상기 공용 센싱 유닛의 공용 센싱부들과, 상기 지문 센싱 모드에서 동작하는 상기 공용 센싱 유닛의 공용 센싱부들이 서로 동일한 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 터치 센싱 모드에서 상기 아날로그 적분&증폭기를 아날로그 적분기로 동작시키고, 상기 지문 센싱 모드에서 상기 아날로그 적분&증폭기를 아날로그 증폭기로 동작시키는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공용 센싱 유닛에서 생성된 상기 제2 센싱값들을 순차적으로 증폭하는 단계는,
    상기 터치 센싱값과, 상기 지문 센싱값들이 하나의 상기 아날로그-디지털 변환기를 통해 모두 디지털 처리될 수 있도록, 상기 지문 센싱값들을 상기 제2 게인값에 따른 미리 정해진 레벨로 증폭하는 단계를 지시하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법.
    
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 그룹의 Tx 라인들은, 상기 지문 센싱 모드에서 1 라인씩 순차 구동되고, 상기 터치 센싱 모드에서 동시 구동되는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법.
    
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 터치 영역들 각각에서, 상기 제1 방향으로 서로 나란하게 배열되며 복수개씩 묶이어 순차 구동되는 제2 그룹의 Tx 라인들과, 상기 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되는 제2 그룹의 Rx 라인들과, 상기 제2 그룹의 Tx 라인들과 상기 제2 그룹의 Rx 라인들의 교차점들에 형성되는 터치 센서들을 대상하여,
    상기 제2 그룹의 Rx 라인들을 복수개씩 묶어 동시 센싱하는 터치 센싱부를 갖는 적어도 하나 이상의 터치 센싱 유닛을 이용하여 상기 터치 센서들의 정전 용량 변화를 센싱하는 단계를 더 포함하는 지문센서 일체형 터치 스크린 장치의 구동방법.

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