기계적인 스위치는 오래 쓰면 닳고, 환경변화에 민감하며 독창적인 제품 디자인에 있어서 많은 제약이 따른다. 멤브레인 스위치는 구성이 복잡하고 가격이 비쌀 뿐만 아니라 쉽게 마모되는 단점이 있다. 정전용량 검출 방식이 시도되었으나 비용, 신뢰성 및 성능 문제와 관련하여 여전히 부족한 점이 많은 것으로 나타났다. 이와 같은 문제점들을 해결할 방법은 없는 것일까? 바로 터치 센싱 기술이 이에 대한 해답을 제시한다. 이 터치 센싱 기술은 양산용 소비가전에도 적용될 수 있는 합리적인 가격에 사람과 기계간의 인터페이스가 쉽고, 기술적인 성능이 우수할 뿐만 아니라 다양한 형태의 제품을 만들 수 있도록 유연성을 제공할 수 있는 것이 특징이다.전하이동 센싱 기술‘QT’ 또는 ‘전하이동’ 센싱 기술은 특히 전하보존법칙과 같은 기초 물리학을 바탕으로 하고 있다. ‘Q’는 전기전하를 나타내는 표준 표기법으로 ‘QT’는 ‘전하이동(Charge-Transfer)’를 의미한다. 영국의 퀀텀 리서치(Quantum Research)가 개발하고 특허출원한 QT 센서는 전자 스위치를 이용해 용량을 알 수 없는 검출판(sense plate)을, 이미 양을 알고 있는 전위(potential)로 충전한다.그 다음 이 전하를 측정 회로로 보내서 한번 이상의 전하이동 주기를 거친 후 전하를 측정함으로써 검출판의 커패시턴스가 정해진다. 이 과정은 MOSFET 트랜지스터의 마이크로프로세서 제어 스위칭을 이용한 버스트 모드(burst mode)에서 이루어지기 때문에 커패시턴스에서의 작은 변화도 정확하게 측정할 수 있다.여기에서 변화란 센싱 표면에 어떠한 물체가 근접하거나 닿을 때 발생하는 것을 말한다. 이 기술은 안정적이고 정확하며 다이내믹 범위가 수십 단위에 이를 정도로 넓은 것이 특징이다. 이 기술을 구현하는 데는 최소한의 외부 부품만이 필요하고 오실레이터, 인덕터, RF 네트워크 또는 기타 RF 부품들이 전혀 필요 없기 때문에 상당히 경제적이다.스프레드 스펙트럼 모듈레이션은 실질적으로 잡음 효과는 제거되지만 소량의 방출은 있다. 회로 민감도 및 안정성 또한 향상되어 EMC 컴플라이언스가 더욱 쉬워진 반면에 복잡도와 비용은 대폭 감소되었다.노화 또는 환경조건의 변화에 따른 편차는 대부분의 센싱 기술에서 발생하는 실질적인 문제로, QT 센싱 기술은 이를 자동으로 보상한다. 본고에서는 터치키(QTouchTM), 슬라이더(QSlideTM) 및 휠센서(QWheelTM)의 일반적인 3가지 애플리케이션을 통해 QT 센싱 기술 구현에 대해 설명할 것이다.터치키그림 1은 아뜨레찌(Attrezzi) 믹서기 사진이다. 믹서기 밑부분에 와이프클린(wipe-clean) 타입 터치 컨트롤 패널이 둥근 형태로 부착되어 있는 것을 볼 수 있다. 이 컨트롤 패널은 전하이동 센싱 기술이 적용되어 있으며, 전반적으로 제품의 디자인에 맞추어 서로 다른 크기와 모양의 독립키로 구성되어 있다. 이 터치 센싱 기술은 미리 정해진 수집 사이클 횟수 이후의 터치만 기억함으로써 완전히 디바운스(debounced)된 결과를 제공한다.최신 8키 QTouch 센서 IC인 QT1080은 휴대전화, MP3 플레이어, PC 주변기기, 원격 조정 및 기타 소비가전을 포함한 휴대기기에서의 저전력 센싱을 위해 고안되었다. 이 제품은 8개의 터치키를 구동할 수 있는데, 이들 키는 각기 다른 사이즈나 제품 설계에 맞게 다양한 패널 재료로 구성될 수 있다. 각 키의 민감도는 간단한 외부 레퍼런스 커패시터 변경을 통해 개별적으로 쉽게 조정이 가능하다.이 칩은 또한 터치 센서 전극을 반복하는 스트립으로부터 터치 슬라이더가 이루어질 수 있도록 하기 위한 고속 탐지 기능이 특징이다. 그림 2는 일반적인 애플리케이션 회로를 나타낸 것이다.이 칩은 파워업 시 자동으로 교정하고, 저전력 모드에서는 배터리 전원을 절약하기 위해 3V에서 약 40μA만 소비할 뿐만 아니라 키를 눌렀을 때 반응시간이 매우 빠른 것이 특징이다. 이 모드는 제품에 접촉이 가해졌을 때 바로 동작할 수 있도록 하는데 사용된다.AKS(Adjacent Key Suppression) 기능은 키를 누를 때 여러 키가 같이 눌러져 반응하는 것을 방지하는 기술이다. 여러 개의 키의 신호 강도를 비교해 누르고자 했던 키 외에 약한 신호가 발생한 키는 반응하지 못하도록 한다.또한 센싱 표면의 이물질 때문에 키가 작동하지 못하는 것을 방지하기 위해 이 칩은 장시간의 탐지 이후에 재교정을 실시한다.이 디바이스는 키 당 한 개 핀과 바이너리 코드의 2개 출력 모드를 제공한다. 이 디바이스는 2.8V~5V 사이의 싱글 서플라이로부터 동작하고, 무연 QFN-32 패키지로 제공된다. 제품 가격은 10만개 기준으로 개당 1달러이다.터치 슬라이더QT401 QSlide IC는 터치를 이용해 슬라이드 포텐셔미터를 에뮬레이트 한다. QSlide는 시스템 패키징에 적합한 재료의 선택 폭이 넓어 디자인 유연성이 매우 뛰어나다. 이 제품의 센싱 기능은 매우 우수하며, 심지어는 유리나 플라스틱 커버 위에서 글러브를 착용하고 눌러도 정확히 반응한다. 슬라이더 스트립은 꼭 직선 타입이 아닌 어떤 모양으로도 구현이 가능하다.그림 3을 통해 알 수 있듯이 QSlide는 7비트 분해능을 제공함과 동시에 호스트 컨트롤러로의 직렬 SPI 인터페이스에서 위치 데이터를 제공한다. 애플리케이션은 컨수머, 의료, 산업, 자동차, 컴퓨터 주변기기에 이르기까지 다양하다. 이 제품은 속도, 온도, 소리, 조명 및 디스플레이 휘도를 조절할 수 있으며, 기계 위치 탐지에도 사용될 수 있다.QSlide는 선형 저항소자에서 동작하는 2개의 전하이동 센싱 채널을 이용한다. 알고리즘은 신호 강도와는 별개로 터치 위치를 결정하여 정밀하고 신뢰할 수 있는 탐지 기능을 제공한다. 저항소자는 직렬로 연결된 개별 저항이나 저항 후막층으로 구성될 수 있다.터치키 부품처럼 QT401은 독특한 ‘잠깨우기(wake from sleep)’ 모드를 제공해 휴면 상태의 제품을 깨워 다시 동작할 수 있도록 할 수 있다. 이와 함께 근접 모드 기능도 있어 터치 패널에서 50mm 정도 떨어진 곳에서도 물체를 인식해 제품을 동작시킨다.이 기능은 사용자가 제품을 건드리기 전에 대기상태에 있던 제품이나 디스플레이를 활성화하는데 쓰일 수 있다. 전류소비량은 저전력 모드일 경우 10μA이다.휠 센서QT510 QWheel 칩은 MP3 플레이에서 흔히 볼 수 있는 회전식 터치 센싱의 비용을 최고 60%까지 줄일 수 있다. 토털 솔루션 비용은 2달러 정도이다. 슬라이더처럼 QWheel은 사람 손이 와이퍼 역할을 하는 ‘정정용량형 포텐셔미터’라고 생각해도 무방하다. 이 디바이스의 전극은 단순한 저항 링 소자로 구성되어 있어 어떠한 유전체 패널에도 사용될 수 있다. 3개의 용량성 QT 채널은 이 링에 연결이 되고, 신호는 7비트의 정확한 위치로 처리된다(그림 4 참조).출력은 표준 SPI 직렬 인터페이스를 통해 제공된다. 이 제품은 어떠한 외부 능동부품도 필요로 하지 않으며, 2.5V~5V의 단일 공급전압으로 동작한다. 이 디바이스는 무연 14핀 SMT 패키지로 제공된다. 그림 5는 애플리케이션 개념을 나타낸 것으로, 이 경우 휴대전화 표면에 스크롤링 휠(scrolling wheel)이 장착된 것을 볼 수 있다.최대 3mm 두께의 패널에서도 센싱이 가능한 QWheel은 유리 또는 플라스틱 케이스로 감싸면 완전히 봉해져 부드럽고 견고한 회전식 터치 컨트롤을 구현할 수 있어 기계적인 인코더나 포텐셔미터를 대체할 수 있다. 패널을 구성할 때는 구멍이나 손잡이 같은 것이 전혀 필요 없기 때문에 이로 인한 고객 서비스나 유지관리 문제와 같은 부분도 동시에 해결할 수 있다.저전력 모드에서의 전류 소비량은 10μA 밖에 되지 않는다. QT510은 또한 앞에서 언급한 웨이크업(wake-up) 기능도 제공한다. 이 제품도 QSlide와 마찬가지로 활용 가능한 애플리케이션이 무궁무진하다.요약사람과 기계간의 인터페이스를 염두에 둔 전하이동 기술은 유연하고 신뢰성이 높을 뿐만 아니라 비용면에서도 굉장히 효과적이다. 앞에서 설명한 디바이스들은 독창적인 제품 디자인에도 적용될 수 있기 때문에 성공과 실패의 기로에 놓인 많은 제품들에게 차별화된 특징을 제공한다. 무엇보다도 수요가 가장 많은 양산용 소비가전 제품에 적용될 수 있도록 디바이스 가격이 저렴하다는 점이다.참고로 그림 2, 4는 전하이동 센싱 IC의 가장 단순한 애플리케이션 구성을 나타낸 것이다. 그림 1, 5는 최종 애플리케이션을 구현하는데 적합하다.
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