WO2015030444A1 - 터치 패널 - Google Patents

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WO2015030444A1
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하시모토마사시
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 실시예의 터치 패널은, 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위하여, 복수의 TX 라인과 RX 라인이 교차하여 배치되는 정전 센서부와, 외부의 LC 회로와 상기 정전 센서부 사이에 정전 용량 커플링이 발생되도록 하기 위하여, 상기 TX 라인 및 RX 라인으로 선택적으로 AC 전압을 인가시키는 전원 공급부를 포함한다.

Description

터치 패널
본 발명은 위치 검출 장치로서, 특히, 스타일러스 펜으로 전력을 공급할 수 있는 터치 패널과, 이러한 터치 패널을 포함하는 위치 검출 장치에 대한 것이다.
휴대폰이나 개인용 컴퓨터 등으로 작업 명령 이외에 문자나 그림 등을 입력하는 수단으로 터치 패널이 사용되고 있다. 터치 패널은 손이나 스타일러스 펜 터치를 감지하여 전기 신호로 바꾸는 신호 처리를 수행한다.
스타일러스 펜에 전자 회로가 내장되는 경우에는, 단순한 터치 입력 뿐만 아니라 스타일러스 펜에서 전기 신호를 발생시켜 이미지의 일부를 선택하거나 드래그하는 등의 마우스와 같은 기능을 갖는 경우가 있다.
이와 같이, 스타일러스 펜에 전자 회로가 내장되어 있는 경우에는, 스타일러스 펜의 전자 회로를 작동시키기 위한 전력이 필요하게 된다. 스타일러스 펜에 배터리도 내장시켜, 내장된 배터리로부터 전력을 공급받을 수 있겠지만, 최근에는 휴대폰 본체에 전원 공급을 위한 전용 패널을 구비하고, 이러한 전력 공급 패널이 스타일러스 펜에 필요한 전력을 무선으로 공급하고 있다. 이러한 무선 전력 공급 기술은, 특허 문헌 1에 개시되어 있다.
(특허문헌 1) JP4866941 B
특허문헌 1에 개시되는 전력 공급 기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 스마트폰에서 LCD 모듈(3) 아래에 배치되는 송전 장치(4)에 의하여 수행되고, 상기 송전 장치(4)의 유도 코일에 의하여 스타일러스 펜 내부의 코일로 전력을 전달하는 방법이다. 참고로, 도 1에는 스마트폰이 예시되어 있으며, 외부의 보호 커버(1)와, 보호 커버(1) 아래에 배치되는 터치 패널(2)과, 상기 터치 패널(2) 아래에 배치되는 LCD 모듈(3)과, LCD 모듈(3) 아래에 배치되어 유도 코일에 의한 전력을 전달하는 송전 장치(4)와, 스마트폰의 외형을 구성하는 프레임(5)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서도 설명하겠지만, 최근의 추세는 보호 커버(1)와 터치 패널(2)을 일체화하고 있으므로, 보호 커버(1)는 필수 구성요소는 아니라 할 수 있다.
스타일러스 펜으로 전력을 공급하기 위하여 스마트폰과 같은 위치 검출 장치는 별도의 회로를 구성하여 LCD 모듈 하측에 배치하여 두고 있으나, 이러한 전력 공급을 위한 회로 패널을 별도로 설치하는 것은 비용 상승을 야기시키게 된다. 그리고, 휴대폰의 두께가 증가 해버리기 때문에 상품 가치가 손상되는 문제가 있다.
특히, 특허 문헌 1에서 사용하고 있는 무선 전력 공급 기술을 단적으로 설명하면 다음과 같다.
송전측(송전 장치)은 송전측에 설치 한 공진 유도 회로가 전력 에너지를 전자기 에너지로 변환하여 전자파로 공간에 방출한다.
그리고, 수전측(스타일러스 펜)은 수전측에 설치 한 공진 유도 회로에서 전자파로 들어오는 전자기 에너지를 수신받는다. 이때, 송전측의 코일의 인덕턴스 성분과 수전측 코일의 인덕턴스 성분은 전자기 커플링 또는 인덕티브 커플링이라는 조건이있다.
본 실시예는 정전 용량 커플링에 의해서 스마트폰과 태블릿 PC와 같은 스마트 기기로부터 스타일러스 펜으로 전력을 공급할 수 있는 장치 및 그 방법을 제안한다. 이러한 정전 용량 커플링에 의한 무선 전력 전달의 방법은, 위의 특허문헌 1에 개시된 기술에는 사용할 수 없다. 왜냐하면, 터치 패널의 전극선들의 저항이 크기 때문에, 커플링에 의한 무선 전력 전달이 이루어질 가능성이 현저히 낮다.
즉, 전자기 에너지 전송에 필요한 공진 회로를 구성하는 코일을 터치 패널의 전극 라인으로 만드는 경우에는, 터치 패널의 전극선들에 의한 저항 성분이 크기 때문에 회로가 공진 상태가 되기 이전에 에너지가 저항에 의하여 열 에너지로 공간에 방출되어 버리고, 결국 회로가 공진하지 않기 때문이다.
터치 패널의 전극선이 저항이 높은 이유는 전극 라인이 광 투과도가 높은 재료이어야 하며, 게다가 저렴해야하기 때문에, ITO 필름 등 한정된 재료 밖에 사용할 수 없기 때문이다.
또한, 종래와 같이, 전력을 무선으로 전달하기 위한 구성 회로를 송전 장치와 같이 별도의 구성요소로 구성하는 것 역시 스마트폰과 태블릿 PC 등의 상품 가치를 손상시키게 되므로, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 장치 및 그 방법을 제안하고자 한다.
본 실시예의 터치 패널은, 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위하여, 복수의 TX 라인과 RX 라인이 교차하여 배치되는 정전 센서부와, 외부의 LC 회로와 상기 정전 센서부 사이에 정전 용량 커플링이 발생되도록 하기 위하여, 상기 TX 라인 및 RX 라인으로 선택적으로 AC 전압을 인가시키는 전원 공급부를 포함한다.
또한, 실시예의 터치 패널은, 터치 스크린에 사용되는 터치 패널로서, 구동 전극으로서, 복수개 배열되는 TX 라인과, 센싱 전극으로서, 상기 TX 라인과 교차하여 배열되는 복수개의 RX 라인과, 상기 TX 라인으로 전달하기 위한 펄스 전압을 발생시키는 제 1 전압원과, 상기 TX 라인과 RX 라인에 선택적으로 전달하기 위한 AC 전압을 발생시키는 제 2 전압원과, 상기 TX 라인 또는 RX 라인으로부터 전달되는 신호를 처리하기 위한 신호 수신부를 포함한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 터치 패널에 의해서, 스마트폰과 태블릿 PC와 같은 터치 기반의 스마트 기기 내에 펜으로 전력을 전송할 회로를 별도로 구성할 필요가 없으므로, 스마트 기기의 두께를 보다 감소시킬 수 있다.
또한, 터치 패널의 회로에 무선 전력 전송을 위한 회로가 추가되면 충분하고, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인으로 교류 전압을 공급하는 전원압의 주파수를 컷오프 주파수보다 작게만 구성시키면 되므로, 구성하는 회로 역시 간단한 구조를 갖을 수 있다.
도 1은 외부로 전력을 전달하는 있는 회로가 구비된 터치 기반 기기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 실시예의 터치 패널이 포함된 위치 검출 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 실시예의 터치 패널의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따라 터치 패널을 통하여 무선 전력을 공급하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5 내지 도 7는 제 1 실시예에 따라 동작하는 터치 패널의 구성을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 정전 용량 커플링을 설명하기 위한 전송측의 등가 회로를 보여주는 도면이다.
도 9는 제 2 실시예에 따라 터치 패널을 통하여 무선 전력을 공급하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 제 2 실시예에 따른 터치 패널의 동작을 보여주는 도면이다.
본 발명의 실시예는 정전 용량의 커플링 방식으로 타 기기로 전력을 공급할 수 있는 회로가 구비된 터치 패널에 대한 것이다. 예를 들면, 정전 용량 방식의 터치 패널이 용량 커플링 방식으로 전력을 스타일러스 펜으로 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다. 용량 커플링에 의하여 타 기기(스타일러스 펜)로 전력을 공급하기 위하여, 전력을 공급받는 기기(스타일러스 펜)에는 커패시턴스가 구비되어야 한다.
도 2는 본 실시예의 터치 패널이 포함된 위치 검출 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
실시예의 위치 검출 장치에서는 외부의 전력 수신측(스타일러스 펜 등)으로 전력을 공급하는 역할을 터치 패널이 수행한다. 터치 패널은 본래의 기능인 정전식으로 사용자의 손가락 또는 스타일러스 펜의 접촉 위치를 검출하며, 이러한 터치 패널의 동작에 의하여, 커패시터가 내장된 수신측으로 정전 용량 커플링에 의하여 전압을 전달할 수 있다.
도 2를 참조하면, 실시예의 위치 검출 장치는, 사용자의 손가락 또는 펜의 터치를 정전(靜電,electrostatic)식으로 인식하는 터치 패널(200)과, 영상이 표시되는 표시 패널(310)과, 상기 정전식 위치 검출부(200)에 의한 터치 위치의 검출 및 외부로의 전력 공급이 이루어지도록 제어하는 제어부(400)를 포함한다.
상기 터치 패널(200)은 정전식 위치 검출부가 되며, 상기 터치 패널(200) 위에는 사용자 또는 펜의 터치로부터 패널을 보호하기 위한 보호 커버(100)가 더 형성될 수 있다.
상세히, 상기 터치 패널(200)은 정전 센서부(210)와, 정전 신호를 처리하기 위한 신호 수신부(230)를 포함한다. 그리고, 정전 용량 커플링에 의하여 외부로 전력을 공급할 수 있도록 하는 전원 공급부(240)와 스위칭부(220)를 포함한다.
정전 센서부(210)는 ITO(Indium Tin Oxide)막과, 복수의 투명 전극을 포함하고, 상기 투명 전극은 제 1 방향과, 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 배치되는 그리드(grid) 또는 매트릭스 구조의 센서로 구성된다.
상기 투명 전극은 스마트폰이나 태블릿PC 등의 기기의 검출 영역에서 손가락이나 펜이 터치하는 위치를 검출한다. 그리고, 상기 신호 수신부(230)는 상기 정전 센서부(210)에 의하여 획득되는 전기적인 신호를 처리하는 역할을 수행한다.
상기 터치 패널(200)은 손 또는 펜의 터치 위치를 검출하기 위하여 상기 전원 공급부(240)로부터 터치 패널의 전극선으로 전압을 공급하여 검출 영역을 스캐닝한다. 그리고, 스캐닝된 전기 신호를 상기 신호 수신부(230)가 처리함으로써, 제어부(400)는 사용자의 손가락 또는 펜의 터치 위치를 검출할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 용량 커플링을 발생시켜 외부로 전력을 공급하기 위하여 상기 전원 공급부(240)가 복수의 소스로 이루어진다. 그리고, 실시예의 장치는 상기 전원 공급부(240)를 구성하는 복수의 전압원 들 중 상기 정전 센서부(210)와 연결되는 전압원을 선택할 수 있는 스위칭부(220)를 더 포함한다.
상기 정전 센서부, 즉, 실시예의 터치 패널을 통하여 터치 위치를 검출하는 것과 함께, 용량 커플링에 의한 무선 전력 전달의 구성에 대해서는 첨부되는 도면과 함께 아래에서 좀 더 자세히 살펴보기로 한다.
한편, 본 실시예에서는 정전 용량 방식(정전식)에 의한 터치 위치 검출이 개시되고 있으나, 정전식 이외의 다른 방식에 의한 손가락 또는 펜의 위치를 검출하는 것도 가능할 것이다. 예를 들면, 저항막 방식, 광학 방식, 초음파 방식 등의 알려진 다양한 방식이 상기 터치 패널(200)을 대신할 수 있을 것이다.
상기 정전 센서부(210) 하측에는 표시 패널(310)가 위치하며, 이 표시 패널(310)은 LCD, OLED 등의 다양한 디스플레이 기기가 될 수 있다. 그리고, 상기 표시 패널(310)로 비디오 신호를 전달하기 위한 표시 구동 회로(320)가 구비될 수 있으며, 제어부(400)의 제어에 따라 영상의 표시 및 터치에 의한 화면구동이 이루어지도록 한다.
도 3은 본 실시예의 터치 패널의 구성을 보여주는 도면이고, 도 4는 본 실시예에 따라 터치 패널을 통하여 무선 전력을 공급하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
먼저, 도 3에는 간단히 보여주기 위하여 터치 패널에 설치되는 전극 라인의 개수는 수직과 수평 방향으로 각각 4 개씩 도시되어 있다.
터치 패널에는 그리드 또는 매트릭스 형태로 배치된 복수의 구동 전극(TX)과 센싱 전극(RX)이 구비되고, 도 3에는 구동 전극(TX)과 센싱 전극(RX) 각각이 수평 방향(제 1 방향)과 수직 방향(제 2 방향)으로 배치되어 있다.
그리고, 수직과 수평으로 배치되는 전극선(RX1 ~ RX4 및 TX1 ~ TX4)은 스위칭부(220)의 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)에 연결된다. 그리고, 상기 제 1 스위치(S1)는 복수의 전압원(V1, V2)과 연결되어 있는 제 3 스위치(S3)와 연결되고, 제 2 스위치(S2)는 신호 수신부(230)와 연결되어 있는 제 4 스위치(S4)에 연결된다. 제 4 스위치(S4)는 터치 패널의 RX 라인을 선택적으로 신호 수신부를 구성하는 아날로그 증폭기의 입력단자에 연결되도록 하거나, 상기 RX 라인을 교류 전압을 발생시키는 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 한다.
그리고, 선택적으로 상기 아날로그 증폭기의 입력단 모두에 Vref 전원이 인가되도록 하여, 상기 아날로그 증폭기의 동작을 안정화하는 역할을 수행하는 제 5 스위치(S5)를 더 포함한다.
여기서, 상기 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)는 주소 디코더로서, XY 주소의 조합에 따라 스위치를 온/오프하는 역할을 수행한다. 예를 들어 X 전극선의 주소 1개 조합에 대해서는, 선택하는 스위치가 하나이지만, 본 발명의 디코더 선택하는 스위치가 2개가 된다. 이것에 대해서는 좀 더 자세하게 후술하기로 한다.
한편, 상기 제 3 내지 제 5 스위치(S3 ~ S5)는 상기 제어부(400)에서 발생시킨 신호에 의하여 각 스위치를 1개 선택하는 스위치 장치이다. 즉, 제 3 스위치(S3)는 터치 패널의 TX 라인들을 선택적으로 제 1 전압원(V1) 또는 제 2 전압원(V2) 또는 아날로그 증폭기의 입력단에 연결되도록 스위칭한다. 즉, 제 3 스위치(S3)에 의하여 터치 패널의 TX 전극라인들이, 터치 좌표 인식을 위한 표면파로서 TX라인들로 전압을 제공하기 위한 제 1 전압원(V1)에 연결되거나, 터치 패널과 스타일러스 펜 사이의 정전 용량 커플링이 발생하도록 교류 전압을 TX 및 RX 라인들로 제공하기 위한 제 2 전압원(V2)에 연결될 수 있다. 그리고, 제 3 스위치(S3)에 의하여 터치 패널의 TX 전극라인들이, 신호 수신부의 일 구성요소인 아날로그 증폭기의 입력단에 연결될 수도 있다.
그리고, 제 4 스위치(S4)는 터치 패널의 RX 라인들이 선택적으로 아날로그 증폭기의 입력단에 연결되도록 하거나, 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 스위칭한다.
상기 제 1 전압원(V1)은 TX 라인 드라이브 펄스 발생기로서, 기존의 터치 패널에서와 같은 TX 드라이브 회로에 대응된다. TX 라인으로 제 1 전압원의 V1을 인가하여 스캔하고, RX 라인으로부터 출력되는 신호를 아날로그 증폭기의 입력단으로 전달받아, 터치 위치의 X 및 Y 좌표를 검출하는 것은 알려진 바와 같은 터치 센싱 회로와 동일하다.
Amp는 터치 신호 전압을 증폭하여 읽어들이는 아날로그 증폭기이며, 기존의 터치 패널에서 마련되는 아날로그 증폭기와 같다.
특히, 앞서 기재한 바와 같이, 제 2 전압원(V2)은 스타일러스 펜으로 전력을 전달할 때에 사용되는 전원이다.
도 1에는 정전식으로 그 터치 위치를 검출할 수 있는 스타일러스 펜 전체가 도시되어 있지 아니하고, 터치 패널의 접촉 부분만이 원으로 도시되어 있다. 본 실시예에 따라 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에 정전 용량 커플링에 의하여 스타일러스 펜이 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 저장하기 위하여, 상기 스타일러스 펜은 LC 회로를 포함한다.
즉, 도 8에는 정전 용량 커플링이 발생되는 회로 구성이 도시되어 있으며, 터치 패널의 송신측 회로(20)와, 스타일러스 펜의 수신측 회로(10)를 포함한다. 따라서, 용량 커플링에 의해서 전달되는 전력이 스타일러스 펜 내부의 LC 회로에 저장된다.
터치 패널의 송신측 회로를 간단히 표시하면, V2와 함께 RS 및 CS를 포함하고, RS와 CS 각각은 터치 패널 측의 투명전극선(TX, RX 라인들)의 저항 성분과 부유 용량 성분을 나타낸다.
LC 회로는 그 회로의 공진 주파수와 같은 주파수로 진동하는 전기 에너지가 외부로부터 전달되면, 공진을 시작한다. 공진 상태가 아닌 경우라면, 전기 에너지는 소비되어 버리지만, 공진 상태에서는 에너지 소비가 제로가 된다. 즉, 공진 상태에서 외부로부터 전달되는 에너지는 스타일러스 펜의 LC 사이에 갇혀 L과 C 사이를 오가며 공진 상태가 지속된다.
도 4를 참조하여 터치 패널에서 수전측에 해당하는 스타일러스 펜에 전원을 공급하는 방법을 자세히 설명하여 본다. 그리고, 도 4의 설명과 함께, 도 5 내지 도 7에 도시된 터치 패널의 동작도 설명한다.
전력을 공급받게 되는 스타일러스 펜은 공진 상태에서 전기 에너지를 보유하고 있으며, 전력을 제공하는 터치 패널로부터의 전원 공급이 중단되면 유지하고 있던 전기 에너지가 터치 패널을 향하여 다시 전달된다. 이때, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 에너지를 터치 패널에서는 전기 신호로 수신하고, 터치 패널 및 제어부에서는 수신된 전기 신호의 주파수를 분석함으로써, 스타일러스 펜의 필기 압력(필압이라고 할 수 있으며, 사용자가 펜에 가하는 압력)을 검출하는 것이 가능하다.
스위칭부(220)를 구성하는 제 1 내지 제 5의 스위치들은 터치 패널의 모드에 따라 제어부(400)에 의하여 그 동작이 제어되며, 예를 들면, 터치 위치의 정전식 검출 모드에서와 외부로의 전력 전송 모드에서에서 TX 라인과 RX 라인들 각각이 다른 구성 요소에 연결되도록 제어된다.
먼저, 실시예에 따라 터치 패널의 정전 센서부를 구성하는 TX라인과 RX라인의 스캐닝을 통한 터치의 센싱이 이루어지고(S101), 터치된 위치의 XY좌표를 검출(S102)과정이 수행된다.
이러한 터치 위치의 인식 과정에서는 터치 패널(200)이 일반적인 터치 패널과 같이 라인 스캐닝을 통한 전압 공급 및, 출력 신호 확인이 이루어지며, 도 5에 도시된 바와 같이 스위칭부가 동작된다.
즉, 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)는, 도시되어 있지는 않지만, 제어부(400)의 제어에 따라 순차적으로 연결될 것이며, 제 3 스위치(S3)는 터치 패널의 TX 라인을 펄스 신호를 발생시키는 제 1 전압원(V1)에 연결시킨다. 그리고, 제 4 스위치(S4)는 디코더에 대응되는 제 2 스위치(S2)에서 선택되는 RX 신호를 아날로그 증폭기(Amp)의 한쪽 입력단자로 연결시킨다. 요약하면, 제 3 스위치(S3)의 스위칭에 의하여 펄스 신호 발생기인 제 1 전압원이 TX 라인으로 연결되고, 제 4 스위치(S4)의 스위칭에 의하여 RX 라인은 아날로그 증폭기(Amp)의 입력단자에 연결된다.
그리고, 제 5 스위치(S5)는 상기 아날로그 증폭기(Amp)에 의한 RX 라인의 출력 신호를 증폭할 수 있도록 상기 아날로그 증폭기의 다른 입력단자에는 레퍼런스 신호(Vref)가 연결되도록 한다.
상기 제 3 내지 제 5 스위치에 의한 TX 라인과 제 1 전압원의 연결, RX 라인과 아날로그 증폭기의 입력단자와의 연결 및 아날로그 증폭기의 다른 입력단자에의 레퍼런스 신호 연결은, 일반적인 터치 위치 감지 회로 구성과 동일하므로 터치 위치 검출에 관한 자세한 동작의 설명은 생략한다.
이와 같은 스위칭부의 스위칭에 따라, 터치 패널에 터치된 손 또는 펜의 위치를 정전식으로 검출하는 것이 가능하다. 터치 위치의 XY 좌표가 검출된 다음에는, 터치 좌표와 가장 인접한 TX 라인과 RX 라인을 선택하는 동작이 수행된다(S103).
즉, 검출된 터치 위치의 XY 좌표 정보에 따라 해당 터치 위치에 가장 가까운 2개의 TX 라인 및 2개의 RX 라인을 선택한다. 도 3이나 도 5와 같은 경우에는, TX1, TX2 및 RX1, RX2가 그 전극선에 해당한다.
그 다음, 선택된 4개의 전극 라인 즉, TX1, TX2, RX1 및 RX2으로 전력을 공급하는 과정이 수행된다(S104).
도 6에는 2개의 TX 라인과 2개의 RX 라인으로 전력을 공급하는 때의 스위칭부의 스위칭 상태가 도시되어 있다.
먼저, 제 1 스위치(S1)는 전력 공급 라인으로 선정된 2개의 TX 라인을 제 3 스위치(S3)측에 연결시킨다. 그리고, 제 2 스위치(S2)는 전력 공급 라인으로 선정된 2개의 RX 라인을 제 4 스위치(S4)측에 연결시킨다.
그리고, 상기 제 3 스위치(S3)는 제 1 스위치(S1)에 의하여 연결된 2개의 TX라인이 교류 전압을 발생시키는 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 한다. 그리고, 상기 제 4 스위치(S4)는 터치 패널의 RX 라인 역시 상기 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 스위칭하여, 상기 제 2 전압원(V2)으로부터 전달되는 교류 전압은 상기 제 1 및 제 3 스위치를 통하여 TX 라인으로 전달되는 것과 함께, 제 2 및 제 4 스위치를 통하여 RX 라인으로도 전달될 수 있다.
그리고, 외부의 스타일러스 펜 측으로 전력을 공급하는 단계에서는, 아날로그 증폭기의 동작이 필요하지 않으므로, 상기 제 5 스위치(S5)는 아날로그 증폭기의 두 입력단이 모두 레퍼런스 신호를 제공받도록 스위칭하여, 아날로그 증폭기의 동작을 안정화시킨다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 레퍼런스 신호(Vref)가 아날로그 증폭기(Amp)의 양 입력 단자로 함께 제공된다.
이러한 전력 전송 모드에서는, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인으로 V2의 교류 전압이 인가되고, TX 라인과 RX 라인들 자체가 갖는 저항과 커패시턴스가 Rs 및 Cs를 갖게 됨으로써, 도 8에 도시된 바와 같은 용량 커플링에서의 전송측 구성이 형성된다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 정전식으로 터치 위치를 검출한 곳에서 가장 가까운 2개의 TX 라인과 2개의 RX 라인을 선택하고, 그 4개의 전극 라인으로 동일한 AC 전압을 공급하는 이유를 설명하여 본다.
본 발명의 전력 공급 원리는 정전 용량 커플링을 이용하여 전자기 에너지를 공급하는 방법이다. 발생하는 전자파의 파장에 비해 용량 커플링을 형성하는 커패시터 Cm의 전극 사이의 거리는 매우 짧다. 그런 경우 전기장은 정전기장(靜電場)과 유사하다. 그래서 전기량 중 하나인 커패시턴스(정전 용량)를 정의할 수 있고, 회로의 동작 분석에 통상의 교류 이론이 적용될 수 있다. Cm는 송전측의 전극 라인(터치 패널)과 수전측(스타일러스 펜)의 전극 사이에 형성되는 상호 용량이다.
송전측의 전극 라인 1개에만 주목하는 경우, 예를 들면, TX1에 주목하는 경우에, 수전측의 전극의 중심 위치가 TX1의 중심 라인상에 있다고 가정하여 본다. 이때, 수전측의 전극과 TX1 사이의 상호 용량 Cm_TX1은 최대가 된다. 그러나, 수전측의 전극의 중심이 TX1의 중심 라인으로부터 TX2 방향으로 이동해 가는 것에 의하여 Cm_TX1의 값은 점차 감소해간다. 감소한 커패시턴스 값은 TX2와 수전측의 전극 사이의 상호 용량 Cm_TX2가 된다. 따라서, TX1과 수전측의 전극 사이의 상호 용량과, TX2와 수전측의 전극 사이의 상호 용량을 더하면, 수전측의 전극이 TX1과 TX2 사이의 어디에 있어도 결국 전체의 상호 용량은 일정하게 유지된다.
이와같이, 전체 상호 용량이 일정하게 유지되는 것은 RX1과 RX2에 대해서도 마찬가지이다. 즉, 수전측의 전극의 중심 위치가 RX1의 중심 라인 상에 있는 경우에, 수전측의 전극과 RX1 사이의 상호 용량 Cm_RX1은 최대가 된다.
따라서, 수전측의 전극 중심이 TX1, TX2, RX1, 및 RX2 로 둘어싸인 범위 내에 있는 경우에, 그 4개의 전극 라인으로 동일한 AC 전압을 인가하게 되면, 수전측의 전극의 위치가 어디에 있다하더라도, 전송측과 수전측 사이의 상호 용량은 일정하게 유지된다. 즉, 상호 용량의 변화는 고려하지 않아도 때문에, 전기 에너지 전송 조건이 일정하게 되고, 결국 터치 패널의 RX 라인과 TX 라인을 이용한 무선 전력 전송의 제어가 용이하게 이루어질 수 있는 것이다.
다음으로, 전력 공급 원리를 자세히 설명하여 본다.
TX1, TX2, RX1, 및 RX2 의 4개의 전극 라인으로 동일한 AC 전압을 공급하게 되지만, 보다 쉬운 설명을 위하여 이들을 한꺼번에 1개의 전극 라인으로 표시한 등가 전기 회로인 도 8을 참조하여 설명한다.
저항 R과 커패시턴스 C는 전극 라인 4 개를 등가로 표시한 것이기 때문에, Rs는 각 라인마다 저항의 1/4, Cs는 각 라인마다 용량의 4배의 값을 갖게 된다. 이러한 RC 회로는 저역 통과 필터로 동작한다. 따라서, RC 회로를 통과하는 신호가 낮은 주파수를 갖는 경우에는 신호 감쇠없이 전파되지만, 고주파의 신호인 경우에는 감쇠가 일어난다.
감쇠가 현저해지기 시작하는 주파수는 컷오프 주파수(전압이-3dB 감쇄, 즉 30% 다운)라고 하며, RC 회로에서는,
수학식 1
Figure PCTKR2014007881-appb-M000001
로 주어진다.
그리고, 본 발명에서는 AC 전원인 V2의 주파수 fS는 이러한 컷오프 주파수 이하의 주파수 전원으로 사용한다. 즉,
수학식 2
Figure PCTKR2014007881-appb-M000002
의 수학식 2를 만족하는 주파수를 사용한다.
본 발명에서는, 위의 수학식 2가 회로를 동작시키는 주파수의 상한이 되는 것이다.
송전측은 정전 용량 커플링에 의해서 전기 에너지를 수전측에는 전송한다. 그리고, 수전측은 전달받은 전기 에너지를 LC 회로에 축적한다. LC 회로는 전기 에너지가 외부로부터 전달되면 에너지 소비를 제로로 하는 것과 같이 공진을 시작한다.
즉, 수전측의 LC 회로가 공진 상태가 되면, 외부에서 주어진 전기 에너지는 LC 회로에 갇혀있고, 전기 에너지는 L과 C 사이에 에너지 손실없이 진동왕복하기 때문에 공진 상태가 지속된다. 다만, 실제에 있어서는, 저항 성분이 존재하기 때문에 에너지는 저항에 의하여 서서히 소비되며, 그 결과 진동 에너지의 진폭은 감쇠하여 곧 소멸된다.
본 발명의 경우, 전기 에너지는 터치 패널 측에 설치한 AC 전원에서 항상 공급되기 때문에, 터치 패널 측에서 에너지를 계속 공급하는 한 스타일러스 펜의 LC 회로는 공진 상태를 이어나갈 수 있다. 다만, 터치 패널 측에서 에너지를 공급하는 것을 계속해서 LC 회로가 끝없이 에너지를 축적하는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 정전 용량 커플링 구성의 경우, 송전측의 전압 진폭과 수전측의 LC 회로의 전압 진폭이 같아지면, 그 이상은 에너지를 수전측으로 보낼 수 없게 된다. 즉, 커플링 커패시턴스의 양 단자 전압이 같을 때 에너지 공급은 멈추고 평형 상태가 된다.
LC 회로의 공진 주파수와 일치하는 주파수로 송전측에서 전기 에너지를 공급하게 되면, LC 회로에 전기 에너지를 효율적으로 축적시킬 수 있다.
즉,
수학식 3
Figure PCTKR2014007881-appb-M000003
보다 더 많은 전기 에너지를 LC 회로에 축적시키기 위해서는, LC 회로의 용량 성분 CR 을 크게 하면 된다. 그러나, CR값을 너무 크게하면 LC 공진 회로가 평형 상태에 도달할 때까지의 시간이 길어진다. 반면에, CR값이 너무 작으면, 다음 단계 인 수전측에서 상호 용량 Cm을 통해 송전측에 신호를 보내도 단시간에 아날로그 증폭기가 읽을 수 있는 신호의 범위보다 더 작게 감쇠해버리기 때문에, 아날로그 증폭기에서의 신호 검출이 어려워질 수 있다. 따라서, 추후에 수신측인 펜으로부터 전송측인 터치 패널로 신호를 보내는 경우에, 아날로그 증폭기가 안정적으로 신호를 감지할 수 있는 시간을 확보할 수 있는 CR 값을 설정할 필요가 있다. 이러한 CR의 값은 사용하는 터치 패널의 환경에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
도 4에 도시된 흐름도를 다시 참조하여 다음 과정을 설명하여 본다.
선택되는 TX 라인과 RX 라인으로 교류 전압을 인가함으로써, 정전 용량 커플링에 의한 전력 전송이 이루어진 다음에는, 상기 터치 패널(200)은 수전측인 스타일러스 펜에서 전송하는 신호를 수신한다(S105). 즉, 수전측인 스타일러스 펜에서 송전측의 터치 패널로 전기 신호를 전송한다.
이때, 터치 패널의 스위칭부(220)를 구성하는 스위치들은 도 7에 도시된 바와 같이 연결 상태가 변경된다.
즉, 제 1 및 제 2 스위치(S1,S2)는 전력 전송시에 전력된 TX 라인과 RX 라인이 여전히 제 3 스위치(S3)와 연결되도록 하는 상태를 유지한다. 그리고, 제 5 스위치(S5)는 터치 패널로부터 전달되는 전기 신호를 증폭하여 읽어들이기 위하여 아날로그 증폭기(Amp)의 (+) 입력단자를 VREF와 연결해제하고, 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4)를 Amp의 (+) 입력단자에 연결시킨다. 그리고, 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4) 각각은 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)가 아날로그 증폭기(Amp)의 (+) 입력단자로 연결되도록 함으로써, 터치 패널측의 제 2 전원(V2)의 연결이 해제되도록 한다. 따라서, 제 2 전원에 의한 전기 에너지의 공급이 중단된다.
이러한 상태로 스위치들이 연결되면, 스타일러스 펜측의 LC 회로에 축적된 전기 에너지는 공진 주파수의 진동을 유지하면서, 상호 용량인 Cm을 통하여 터치 패널측으로 전기 신호로서 되돌아간다. 즉, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호가 된다.
여기서, 스타일러스 펜의 C의 값을 CR+ΔC 로 하여, 아래의 수학식 4에서와 같이, LC 회로 공진 주파수가 송전측의 제 2 전원(V2)의 주파수 fS와 약간의 차이가 발생된다고 가정하여 본다. 이러한 경우라 하더라도, 전기 에너지를 터치 패널로부터 스타일러스 펜으로 전달하면, LC 회로는 에너지의 주입에 의해 공진 주파수에서 약간 벗어난 주파수로 진동하게 되는데, 주입된 에너지를 LC 회로로 넣어버리면, LC 회로는 자신의 에너지 소비를 최소화하도록 공진 주파수 진동 상태로 돌아오고, 주입된 에너지도 LC 회로 내에서 유지된다.
수학식 4
Figure PCTKR2014007881-appb-M000004
이러한 과정을 반복하는 것에 의하여, 터치 패널에서 공급되는 전기 에너지가 스타일러스 펜의 LC 회로에 축적되어 간다.
이상의 설명에서 분명해지는 것은, 터치 패널의 제 2 전원(V2)의 주파수와 스타일러스 펜의 LC 회로의 공진 주파수가 동일하지 않더라도, 터치 패널로부터 전달되는 에너지는 스타일러스 펜의 LC 회로에 축적되어 간다.
따라서, 스타일러스 펜의 LC 회로 상수를 다양하게 선택할 수 있는 구조를 갖게 할 수 있으며, 그것을 공진시키는 전기 에너지는 고정 주파수를 갖는 터치 패널의 제 2 전원(V2)으로부터 전달되는 구성에 의해서, 터치 패널에서 전기 에너지 공급을 중단시키게 되면, 스타일러스 펜으로부터 방출되는 전기 신호를 터치 패널 측에서 수신할 때 다양한 주파수의 신호를 수 할 수 있게 된다.
예를 들어, 스타일러스 펜에 복수 개의 스위치를 구비시키고, 스위치마다 다른 LC 상수의 공진 주파수를 선택할 수 있는 구조로 이루어지게 되면, 터치 패널에서 전기 에너지의 공급을 정지시키는 때마다 스타일러스 펜에서 어떤 스위치가 눌러져 있는지를 알 수 있다. 즉, 스타일러스 펜의 각 스위치에 실행시키고 싶은 명령이 미리 할당되어 있는 경우에, 스타일러스 펜의 스위치를 사용자가 누르게 되면, 그에 대응되는 실행 명령을 터치 패널에 전달할 수 있다.
또한, 터치 패널의 회로와 정전 용량 커플링에 의하여 전기 에너지가 상호 전달될 수 있는 펜의 LC 회로에서, C 용량을 변경시키는 것에 의하여 펜의 필압(사용자가 펜에 가하는 힘)을 확인하는 것 역시 가능하다.
즉, 사용자가 가하는 펜의 필압에 따라 커패시턴스 C의 값을 변경시킬 수 있는 경우에는, 펜으로부터 전달되는 전기 신호를 터치 패널의 아날로그 증폭기를 통해 수신하여 필압의 정도를 검출하는 것이 가능할 것이다. 예를 들면, 사용자가 펜에 가하는 힘에 따라 펜의 LC 회로에서 용량 C의 값이 변경되면, 펜으로부터 터치 패널 측으로 다시 전달되는 전기 신호의 주파수를 확인하는 것에 의하여 그 필압에 대응되는 명령의 수행이 가능할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 터치 패널의 동작을 설명하여 본다. 도 9는 제 2 실시예에 따라 터치 패널을 통하여 무선 전력을 공급하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
먼저, 도 4에 도시된 제 1 실시예의 터치 패널 동작은, 스위칭부를 구성하는 스위치의 연결 상태에 따라 정전식 터치 센싱 모드(S101~S103), 전원 공급 모드(S104), 및 펜의 전기 신호 수신 모드(S105,S106)로 구분될 수 있다.
그리고, 도 9에 도시된 흐름도 역시, 정전식 터치 센싱 모드(S201,S202), 전원 공급 모드(S203), 및 펜의 전기 신호 수신 모드(S204,S205)로 구분될 수 있다.
그러나, 제 1 실시예와 구별되는 것은, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인으로 교류 전압을 공급하는 전원 공급 모드에서, 선택되는 일부의 TX 라인과 RX 라인으로만 전원을 공급하는 것이 아니라, 신속한 전원 공급을 위하여 모든 TX 라인과 RX 라인으로 교류 전압을 공급하는 경우라 할 수 있다.
제 2 실시예에 따라 터치 패널과 펜의 LC 회로에 의하여 정전 용량 커플링을 이용하여 전원을 무선으로 제공하는 방법을 설명하여 본다.
먼저, 정전식 터치 센싱 모드로서, 제 1 실시예의 경우와 같이, 도 5에 도시된 바와 같은 스위치의 연결 상태가 유지된 상태에서, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인의 스캐닝 통하여 터치의 센싱이 이루어지고(S201), 터치된 위치의 XY좌표를 검출하는 과정(S202)이 수행된다.
그 다음으로, 터치된 펜으로 전력을 공급하기 위하여, 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4) 모두가 AC 전압을 제공하는 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 제어된다. 그리고, 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)는 모든 TX 라인과 RX 라인이 상기 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4)에 연결되도록 스위칭하여, 모든 TX 라인과 RX 라인이 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 한다(S203). 도 6에 대한 설명에서와 같이, TX 라인들과 RX 라인들로 동일한 AC 전압이 인가되도록 하면, 수전측의 전극의 위치가 어디에 있는 경우라도, 전송측과 수전측 사이의 상호 용량은 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 상호 용량의 변화를 고려하지 않아도 되기 때문에, 정전식으로 터치의 유무 및 좌표를 확인한 다음에는, 신속히 스타일러스 펜 측으로 전력을 공급하기 위하여 모든 RX 라인과 TX 라인들로 AC 전압을 인가할 수 있다. AC 전압을 제 1 실시예와 같이 특정의 라인들로만 공급하는 경우에 비해서는, 그 처리 속도가 보다 신속히 이루어질 수 있다. 모든 TX 라인 및 RX 라인으로부터 AC 전압을 공급하는 때의 회로 구성이 도 10에 도시되어 있다.
이와 같은 방법으로 모든 TX 및 RX 라인으로 AC 전압을 인가한 다음에는, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 에너지를 수신받기 위하여, 터치 패널의 스위치 구성이 다시 변경되어야 한다. 이때에는, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호의 주파수를 정확히 파악하기 위해서, 아날로그 증폭기에 연결되는 TX 라인 및 RX 라인은 터치 좌표에 가장 인접한 2개의 TX 라인과 2개의 RX 라인이 된다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 5 스위치(S1 ~ S5)들이 연결되어야 하고, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호 중 TX 라인으로 전달되는 신호는 제 1, 제 3 및 제 5 스위치를 거쳐 아날로그 증폭기로 이동하고, RX 라인으로 전달되는 신호는 제 2, 제 4 및 제 5 스위치를 거쳐 아날로그 증폭기로 이동한다(S204).
그 다음, 아날로그 증폭기에 의하여 처리된 신호로부터 주파수를 검출하고, 검출된 주파수에 대응되는 사용자 명령에 따라 다양한 동작이 수행된다(S205).
전술한 바와 같은 본 실시예의 전력 전달 방법에 의해서, 스마트폰과 태블릿 PC와 같은 터치 기반 기기 내에 펜으로 전력을 전송할 회로를 별도로 구성할 필요가 없으므로, 터치 기반 기기의 두께를 보다 감소시킬 수 있다. 또한, 터치 패널의 회로에 무선 전력 전송을 위한 회로가 추가되면 충분하고, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인으로 교류 전압을 공급하는 전원압의 주파수를 컷오프 주파수보다 작게만 구성시키면 되므로, 구성하는 회로 역시 간단한 구조를 갖을 수 있다.
본 발명의 실시예는 터치 패널을 포함하는 기기와, 상기 기기로부터 전력을 공급받을 수 있는 펜에 적용가능하므로, 그 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (15)

  1. 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위하여, 복수의 TX 라인과 RX 라인이 교차하여 배치되는 정전 센서부와,
    외부의 LC 회로와 상기 정전 센서부 사이에 정전 용량 커플링이 발생되도록 하기 위하여, 상기 TX 라인 및 RX 라인으로 선택적으로 AC 전압을 인가시키는 전원 공급부를 포함하는 터치 패널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는 상기 TX 라인으로 인가하기 위한 펄스 전압을 발생시키는 제 1 전압원과, 상기 TX 라인 및 RX 라인으로 인가하기 위한 상기 AC 전압을 발생시키는 제 2 전압원을 포함하는 터치 패널.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원 공급부와 TX 라인 사이와, 상기 전원 공급부와 RX 라인 사이에는 각각 스위칭부가 마련되고,
    상기 스위칭부는 상기 터치 위치를 검출하는 때에는 상기 제 1 전압원이 상기 TX 라인에 연결되는 터치 패널.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전원 공급부와 TX 라인 사이와, 상기 전원 공급부와 RX 라인 사이에는 각각 스위칭부가 마련되고,
    상기 스위칭부는 상기 LC 회로로 전력을 전달하는 때에 상기 TX 라인 및 RX 라인이 상기 제 2 전압원에 연결되도록 하는 터치 패널.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 LC 회로로 전력을 전달하는 때에는, 복수의 TX 라인과 RX 라인들 중에서 2개의 TX 라인과 2개의 RX 라인이 선택되고, 상기 스위칭부는 상기 2개의 TX 및 2개의 RX 라인이 상기 제 2 전압원에 연결되도록 하는 터치 패널.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 전압원이 상기 TX 라인과 RX 라인에 연결되는 것에 의하여 상기 LC 회로로의 전력 전달이 수행된 다음에는,
    상기 LC 회로로부터 전달되는 전기 에너지를 수신하기 위하여, 상기 TX 라인과 RX 라인 들 중 미리 결정된 TX 라인과 RX 라인이 아날로그 증폭기에 연결되는 터치 패널.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 아날로그 증폭기에 연결되는 미리 결정된 TX 라인과 RX 라인은, 정전식으로 검출된 터치 위치와 가장 인접한 두 개의 TX 라인과 두 개의 RX 라인인 터치 패널.
  8. 터치 스크린에 사용되는 터치 패널로서,
    구동 전극으로서, 복수개 배열되는 TX 라인과,
    센싱 전극으로서, 상기 TX 라인과 교차하여 배열되는 복수개의 RX 라인과,
    상기 TX 라인으로 전달하기 위한 펄스 전압을 발생시키는 제 1 전압원과,
    상기 TX 라인과 RX 라인에 선택적으로 전달하기 위한 AC 전압을 발생시키는 제 2 전압원과,
    상기 TX 라인 또는 RX 라인으로부터 전달되는 신호를 처리하기 위한 신호 수신부를 포함하는 터치 패널.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 전압원, 제 2 전압원 및 신호 수신부 사이에서 스위칭이 가능한 제 3 스위치와,
    상기 제 3 스위치와 상기 TX 라인 사이에 배치되어, 상기 TX 라인이 선택적으로 상기 제 3 스위치와 연결되도록 스위칭하는 제 1 스위치를 더 포함하는 터치 패널.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 전압원과 신호 수신부 사이에서 스위칭이 가능한 제 4 스위치와,
    상기 제 4 스위치와 상기 RX 라인 사이에 배치되어, 상기 RX 라인이 선택적으로 상기 제 4 스위치에 연결되도록 스위칭하는 제 2 스위치를 더 포함하는 터치 패널.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 신호 수신부는 아날로그 증폭기로 이루어지고,
    상기 아날로그 증폭기의 입력단에는 스위치가 마련되고,
    상기 스위치에 의하여 상기 아날로그 증폭기의 두 입력단자 모두에 기준 전압(Vref)이 입력되거나, 상기 아날로그 증폭기의 (+)단자에는 상기 TX 라인 및 RX 라인으로부터 전달되는 신호가 입력되고 (-)단자에는 상기 기준 전압이 입력되는 터치 패널.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 전압원, 제 2 전압원 및 신호 수신부 사이에서 스위칭이 가능한 제 3 스위치와,
    상기 제 3 스위치와 상기 TX 라인 사이에 배치되어, 상기 TX 라인이 선택적으로 상기 제 3 스위치와 연결되도록 스위칭하는 제 1 스위치와,
    상기 제 2 전압원과 신호 수신부 사이에서 스위칭이 가능한 제 4 스위치와,
    상기 제 4 스위치와 상기 RX 라인 사이에 배치되어, 상기 RX 라인이 선택적으로 상기 제 4 스위치에 연결되도록 스위칭하는 제 2 스위치와,
    상기 신호 수신부의 입력단에 배치되어, 상기 신호 수신부의 입력 신호를 스위칭하는 제 5 스위치를 포함하는 터치 패널.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 3 스위치 또는 제 4 스위치가 상기 제 2 전압원에 연결되는 때에는, 상기 제 1 스위치는 상기 TX 라인 모두 또는 특정되는 2개의 TX 라인이 상기 제 3 스위치측에 연결되도록 하는 터치 패널.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 3 스위치 또는 제 4 스위치가 상기 제 2 전압원에 연결되는 때에는, 상기 제 2 스위치가 상기 RX 라인 모두 또는 특정되는 2개의 RX 라인이 상기 제 4 스위치측에 연결되도록 하는 터치 패널.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호 수신부는 아날로그 증폭기로 이루어지고,
    상기 제 3 스위치 또는 제 4 스위치가 상기 제 2 전압원에 연결되는 때에는, 상기 제 5 스위치는 상기 아날로그 증폭기의 두 입력단으로 동일한 기준 전압이 인가되도록 스위칭되는 터치 패널.
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