[논문]단일 a-InGaZnO 박막 트랜지스터를 이용한 정전용량 터치 화소 센서 회로

강인혜; 황상호; 백영조; 문승재; 배병성

doi:10.5369/jsst.2019.28.2.133

단일 a-InGaZnO 박막 트랜지스터를 이용한 정전용량 터치 화소 센서 회로
Capacitive Touch Sensor Pixel Circuit with Single a-InGaZnO Thin Film Transistor 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.28 no.2, 2019년, pp.133 - 138

강인혜 (호서대학교 전자디스플레이공학부) , 황상호 (호서대학교 전자디스플레이공학부) , 백영조 (호서대학교 전자디스플레이공학부) , 문승재 (호서대학교 전자디스플레이공학부) , 배병성 (호서대학교 전자디스플레이공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The a-InGaZnO (a-IGZO) thin film transistor (TFT) has the advantages of larger mobility than that of amorphous silicon TFTs, acceptable reliability and uniformity over a large area, and low process cost. A capacitive-type touch sensor was studied with an a-IGZO TFT that can be used on the front side of a display due to its transparency. A capacitive sensor detects changes of capacitance between the surface of the finger and the sensor electrode. The capacitance varies according to the distance between the sensor plate and the touching or non-touching of the sensing electrode. A capacitive touch sensor using only one a-IGZO TFT was developed with the reduction of two bus lines, which made it easy to reduce the pixel pitch. The proposed sensor circuit maintained the amplification performance, which was investigated for various drive conditions.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Capacitive-type touch sensor ; (a) Mutual capacitance type, (b) Self-capacitance type [10].
그림 Fig. 2. Cross section of top gate a-IGZO TFT pixel sensor.
그림 Fig. 3. Transfer characteristics of a-IGZO TFT.
그림 Fig. 4. (a) Reference circuit for the capacitive touch sensor, (b) Proposed circuit for the capacitive touch sensor.
그림 Fig. 5. Simulation results; (a) the reference circuit, (b) the proposed circuit.
그림 Fig. 7. The measurement result of the proposed circuit.
그림 Fig. 6. (a) Mask design, (b) Microscope image.
그림 Fig. 8. Output characteristics according to the voltages of a scan line.
그림 Fig. 9. Output characteristics according to the voltages of a readreset line.
그림 Fig. 10. Output characteristics according to the voltages of scan line and readreset line.
그림 Fig. 11. Output characteristics according to the pulse widths of scan and readreset line.

AI 본문요약
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문제 정의

논문에서는 signal line의 수를 최소화하여 면적이 작으며 간단하게 구동할 수 있고 성능이 우수한 a-IGZO (amorphous indiumgallium-zinc-oxide) TFT 기반의 정전용량 방식 터치 센서 회로를 개발하고 입출력 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 사용 소자의 수를 줄이고 간단하게 구동할 수 있는 a-IGZO TFT 기반의 정전용량 방식의 터치 센서 회로를 개발하여 특성 분석을 하였다. 제안된 회로는 화소 면적이 80 × 80μm² 크기이고 센싱 전극의 면적이 2449 μm²이었으며 a-IGZOTFT의 채널 폭과 길이의 비는 10/11이었다.

제안 방법

A-IGZO TFT 기반의 정전용량 방식의 터치 센서를 구현하기 위해 그림 2의 A-A’, B-B’ 단면도와 같은 a-IGZO TFT 화소 센서를 제작했다.
A-IGZO TFT 기반의 정전용량 방식의 터치 센서를 구현하기 위해 그림 2의 A-A’, B-B’ 단면도와 같은 a-IGZO TFT 화소 센서를 제작했다. TFT의 기생용량은 회로의 동작 속도를 느리게 하기 때문에 게이트와 소스/드레인 사이의 기생용량을 감소시켜 소자의 동작 속도를 더 높일 수 있는 자기 정렬(self-alignment)방식의 top gate 구조를 채택했다.
게이트 절연막은 SOG (spin on glass) 로 형성되었으며 methyl siloxane 용액 재료를 스핀 coating하고 180℃에서 3분 동안 hard bake 후 450℃, N₂ 분위기에서 1시간 동안 열처리를 통해 300 nm 두께의 절연막을 형성했다. 게이트 층은 DC 스퍼터링으로 Cr을 150 nm 두께로 증착 후 습식 에칭으로 패턴 형성하였고, 자기 정렬 구조이기 때문에 게이트 패턴을 마스크 삼아 게이트 패턴 이외 부분의 절연막을 건식 에칭 하였다. 소스/드레인 전극 영역의 도핑을 위해 산소 플라즈마 처리를 하였다.
드레인에 0.1, 1, 5, 10 V의 전압을 인가하고, 게이트 전압을 0.5V 간격으로 −15~15 V까지 가변하면서 전류를 측정했다.
그림 3은 위와 같은 공정을 통해 제작된 80 μm의 폭과 20μm의 길이를 가지는 a-IGZO TFT의 transfer curve를 보여준다. 빛에 의한 특성 변화를 방지하기 위하여 암실에서 측정하였다. 드레인에 0.
게이트 층은 DC 스퍼터링으로 Cr을 150 nm 두께로 증착 후 습식 에칭으로 패턴 형성하였고, 자기 정렬 구조이기 때문에 게이트 패턴을 마스크 삼아 게이트 패턴 이외 부분의 절연막을 건식 에칭 하였다. 소스/드레인 전극 영역의 도핑을 위해 산소 플라즈마 처리를 하였다. 이후 층간 절연막은 게이트 절연막과 같이 SOG를 이용하였으며 methyl siloxane 용액을 스핀 코팅 후 180℃에서 3분 동안 hard bake 하고 300℃, N₂ 분위기에서 1시간 동안 열처리하였다.
이후 층간 절연막은 게이트 절연막과 같이 SOG를 이용하였으며 methyl siloxane 용액을 스핀 코팅 후 180℃에서 3분 동안 hard bake 하고 300℃, N₂ 분위기에서 1시간 동안 열처리하였다. 소스/드레인 층과active layer의 접점을 위해 층간 절연막을 건식 에칭하여 contact hole을 형성하였다. 마지막으로 소스/드레인 전극은 DC 스퍼터링으로 Al을 150 nm 두께로 증착 후 습식 에칭으로 형성하였다.
제안한 정전용량 터치 센서 회로를 W/L가 10/11인 a-IGZO TFT기반에 80 × 80 μm2 크기 안에 설계를 했고, 센싱 전극의 면적은 2449 μm2이다.
64× 10⁶였다. 제작된 TFT를 바탕으로 회로를 시뮬레이션하기 위해 TFT 파라미터를 구하였다.
기존 회로 동작에는 4개의 신호선(Scan n, Scan n+1, Data,Readout)과 2개의 TFT가 필요하다. 하지만 제안한 정전용량 터치 센서 회로도는 화소 내 TFT를 한 개만 사용하여 TFT의 게이트 전극과 스캔라인 사이에 전기용량을 구성하여 감도를 높인 회로이다. 이 회로는 2개의 신호선(Scan n, Readout)과 1개의 TFT, 2개의 전기용량(C1, C2)으로 구성되어 있다.

대상 데이터

자기 정전용량 방식의 터치 센서는 각각의 전정용량 차이로 동작을 하기 때문에 유전체의 두께와 유전상수를 알면 터치했을 때와 터치하지 않았을 때의 정전용량 값을 알 수 있다. 본 연구에서는 SOG를 사용한 층간 절연막의 두께와 유전 상수가 각각 300 nm과 3.0이었다. 손가락이 닿았을 때의 전기용량 C_touch와 닿지 않았을 때의 전기용량 C_non-touch는 다음 식으로 표현된다.
하지만 제안한 정전용량 터치 센서 회로도는 화소 내 TFT를 한 개만 사용하여 TFT의 게이트 전극과 스캔라인 사이에 전기용량을 구성하여 감도를 높인 회로이다. 이 회로는 2개의 신호선(Scan n, Readout)과 1개의 TFT, 2개의 전기용량(C1, C2)으로 구성되어 있다. 회로도에 C1이 표시되어 있지만, C1은 센싱 전극에 손가락이 닿았을 때 생성되는 접촉 기생용량이다.
제안된 회로는 화소 면적이 80 × 80μm2 크기이고 센싱 전극의 면적이 2449 μm2이었으며 a-IGZOTFT의 채널 폭과 길이의 비는 10/11이었다.

성능/효과

5 V이다. 그리고 제안한 회로는 손가락 접촉 시에센싱 전극의 정전용량이 증가하여 전압의 증가가 줄어들어 출력 전압은 거의 0이 되며, 손가락이 닿았을 때와 닿지 않았을 때의 전압 차이가 약 4.8 V임을 보였다. 기존 회로는 charge sharing type의 회로이기 때문에 트랜지스터에 의한 증폭으로 출력 전압이 약 4.
제안된 회로는 화소 면적이 80 × 80μm² 크기이고 센싱 전극의 면적이 2449 μm²이었으며 a-IGZOTFT의 채널 폭과 길이의 비는 10/11이었다. 손가락이 닿았을 때와 닿지 않았을 때의 전압 차이가 5.4 V로 기존의 회로보다 매우 우수한 성능을 보였다. 이러한 우수한 성능은 회로에 구성된 bootstrap 전기용량에 의한 것으로 간단한 회로로 우수한 특성을 얻을 수 있었으며 작은 화소 안에 쉽게 터치 센서를 구성할 수 있는 장점이 있다.
정전용량 터치 센서 회로를 시뮬레이션 하여 그림 5와 같이 력 전압과 파형에 따라 출력 파형을 나타냈다. 시뮬레이션 결과, 기존 회로는 손가락이 닿았을 때와 닿지 않았을 때의 전압 차이는 약 0.5 V이다. 그리고 제안한 회로는 손가락 접촉 시에센싱 전극의 정전용량이 증가하여 전압의 증가가 줄어들어 출력 전압은 거의 0이 되며, 손가락이 닿았을 때와 닿지 않았을 때의 전압 차이가 약 4.
측정 결과는 VDS가 10 V일 때, 문턱전압이 0.37 V, 이동도는 2.88 cm2/V·s, S.S. (sub-threshold slope)은 0.40 V/dec, on/off 전류비는 9.64× 106였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화물 반도체의 특징은?	디스플레이 기판의 소자로서 비정질 실리콘 박막 트랜지스터가 널리 사용이 되고 있으며 최근 산화물 박막 트랜지스터가 디스플레이 기판에 적용이 되고 있다. 산화물 반도체는 비정질 실리콘 소자와 같이 공정비용이 낮으면서도 비정질 실리콘에 비해 높은 이동도를 가지기 때문에 AM OLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 화소 회로, 게이트 드라이버 및 기타 집적 회로 등에 적용되었을 때 비정질 실리콘 TFT (ThinFilm Transistor)에 비해 우수한 특성을 확보할 수 있다. 최근의 디스플레이에는 전면 터치 기능이 중요해지고 있고 이의 내재화 연구개발도 진행되어 제품에 적용되고 있다.
	터치 센서의 방식은 크게 무엇으로 나뉘는가?	스마트폰과 태블릿 PC 등의 보급은 기존 모바일 기기에서 주로 사용되던 입력 장치 대신 터치 센서라는 새로운 입력 장치의 대중화를 불러왔다. 터치 센서의 방식은 크게 저항막, 적외선, 초음파, 정전용량 방식으로 나뉜다. 정전용량 방식은 잡음에 민감하고 제조 단가가 비싸지만 고스트 효과(ghost effect) 없이 멀티 터치를 할 수 있고 광학적 특성과 내구성이 우수한 특징 때문에 현재 가장 널리 사용되고 있다[5-7].
	정전용량 터치 센서의 원리는 무엇인가?	제안한 회로는 구성이 간단한 만큼 동작 원리도 간단하다. 센싱 전극에 손가락이 닿았을 경우, 정전용량(C1)의 크기가 증가함에 따라 scan n 라인이 high 전압이 되도 node A의 전압은 상승하지 못하여 T1의 게이트 전압의 증가가 미미하게 되고, 소스/드레인 전극 사이에 흐르는 전류도 증가하지 않게 된다. 손가락이 닿지 않았을 경우에는 센싱 전극과 손가락 사이의 정전용량은 상대적으로 작으며, scan n 라인이 high 전압이 되면 node A의 전압도 상승하여 T1의 게이트 전압이 증가하고, 전류도 증가한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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