터치스크린 기술 동향
아트멜 / www.atmel.com
터치스크린의 사용이 지난 십여 년 동안 키오스크에서부터 소비가전 제품에 이르기까지 일반화되었다. 대부분은 사용자들이 실질적으로 2개의 전극을 함께 눌러야만 하는 저항 기술들에 기반하고 있으며, 전극은 플라스틱(PET) 또는 유리의 얇은 레이어에 전착된 도전성 재료로 구성되어 있다. 물론, 이러한 것은 실질적으로 '터치스크린'이라고 할 수 없다. 스크린은 압력이 적용되는 것을 필요로 하기 때문에 간단한 터치를 감지할 수 없다. 이것은 이러한 스크린이 상대적으로 신뢰성이 낮다는 것을 의미하며, 소위 터치스크린이라고 하는 패널이 디스플레이 패널의 가장 위에 배치되어야 하기 때문에 일반적인 마모(wear-and-tear)와 날카로운 대상에 의해 손상되기 쉽다. 대부분의 사람들은 시스템으로부터 응답이 필요한 적절한 지점을 찾기 위해 수많은 시도를 필요로 하는 상당히 손상된 저항성 터치스크린을 사용해 보았던 경험을 가지고 있을 것이다.
이러한 문제점들에도 불구하고 우수한 터치스크린의 이점은 상당히 많다. 전기 및 전자 시스템이 10년 전만 해도 상상하지 못했던 규모의 기능들을 통해 한층 복잡해지고 있다. 이러한 성능들을 활용하기 위해서 사용자는 시스템과 가능한 한 간단하고 직감적인 방법으로 상호작용해야 한다. 100개의 다른 제어 기능을 제시하는 것이 확실한 답은 아니지만 터치스크린과 LCD 디스플레이를 통해 잘 구축된 메뉴 시스템은 사용편의성을 혁신시키면서 사용자에게 제품에 대한 매력을 강화시킬 수 있을 것이다. 터치스크린은 또한 기계적 스위치에 의해 부가되는 한계 또는 기계적 솔루션들이 부과하는 패키징 복잡성 없이 시스템 설계자에게 창의적인 자유를 제공한다. 터치스크린으로 100개의 기능을 제어하기 위해서 전면 패널에 100개의 구멍이 필요한 것은 아니다. 가장 가벼운 터치도 트리거하는 센서를 통해 정전용량 감지 기법에 기반한 진정한 터치스크린은 전자 시스템, 특히 가정용 전자 기기와 휴대전화, MP3플레이어 등과 같은 휴대형 소비가전 기기를 위한 휴먼 인터페이스에 있어서 혁명을 일으키고 이다.
터치스크린 설계의 기술적 과제
이상적인 터치스크린은 다음과 같은 요건들을 충족해야 한다:
- 지속적인 보정에 대한 요구 없이 정확하고 일정한 동작 제공
- 복수의 동시 터치를 감지할 수 있는 능력
- EMI 및 ESD에 대한 내성
- 가장 간단하게 지원될 수 있는 기계적 구조
- 특히 가장 가격에 민감한 전자 제품에서 저비용 특성 제공
- 우수한 광학적 특성
- 저전력 소모
- 호스트 시스템 전자회로에 대한 간단한 인터페이스
- 실제 환경에서 장기 신뢰성 제공
투사 정전용량성 터치스크린은 현재 이러한 특성들에 대한 최상의 조합을 제공한다. 2008년 초 아트멜이 합병한 영국 햄블 소재의 퀀텀 리서치(Quantum Research)가 개발한 투사 터치스크린을 위한 전하변화 감지 기술이 투사 정전용량성 터치를 구현하는 방법의 한 예이다. 이것은 현재 휴대전화, MP3플레이어, 다른 소비가전 및 전기 제품들에 폭넓게 채택되어 있다.
하나 이상의 에칭 레이어의 투과성 도전 ITO(indium tin oxide)는 정전용량 감지 칩에 의해 제어되는 복수의 수평 및 수직 전극들을 생성한다. ITO 레이어들은 렌즈 뒤편에 위치해 손상으로부터 보호되며, 칩은 데이터를 호스트 프로세서로 데이터를 오프-로드시켜 터치 자체의 XY 위치를 처리하거나 표면에서 관찰된 사용자의 '동작'(gestures)과 관련된 출력을 제공한다. 일반적으로 단일단 감지 방법들을 통해 전극 세트들이 구동되며, 즉 열과 행을 위한 회로와 관련해서는 특별한 것이 없으며, 이 글에서는 '단일단'(single ended) 감지라고 한다. 하지만, 일부 방법들에서는 하나의 축이 일련의 AC 신호를 통해 구동되고, 스크린을 통한 응답이 다시 다른 축의 전극들을 통해 감지된다. 이것을 '횡단'(transverse) 감지라고 하는 데 전극 영역이 겹쳐진 패널의 유전체를 통해 하나의 전극 세트(예, 열)로부터 다른 전극 세트(예, 행)로 횡단 방식으로 전달되기 때문이다.
다른 경우에 위치는 X 및 Y 전극 사이의 신호에서 전하의 분배를 측정함으로써 결정된다. 이러한 변화된 신호 수준을 처리하여 터치 이벤트의 XY 공동 좌표를 결정하는 데 수학적 알고리즘을 사용한다. 수 mm 두께로 정확하고 일정한 동작이 가능한 패널을 통해 최대 1024×1024의 해상도를 검증했다.
중요한 투사 정전용량성 터치스크린의 추가적인 장점은 복수의 동시 발생 터치 이벤트에 대한 가능성이다. 이러한 성능은 한층 더 풍부한 인터페이스를 제공하기 위해 지원될 수 있는 기능 범위를 지속적으로 확장시킨다. 예를 들어, 사용자는 이미지를 확대하고 회전시키기 위해서 디스플레이와 상호작용하거나 가상 악기를 제어하는 데 4개 이상의 손가락이 사용해야 하는 인터랙티브 게임을 할 수 있다. 복수의 터치를 지원하는 하이 엔드 칩 역시 이미 제공되고 있다.
잡음이 높은 환경에서 터치스크린의 통합
실제 환경에서 고품질 정전용량 측정 성능이 시스템 또는 외부 소스로부터의 잡음에 의해 저하된다.
전기적인 간섭은 방사, 도전, 또는 접지 관련 잡음의 형태를 가진다. 방사 잡음은 휴대전화의 안테나, 전력공급기와 LCD 패널의 자기 컴포넌트를 통해 유도된다. LCD는 ITO 전극들에 매우 가까이에 있으며, 일부 사례에서는 갭-프리 스택-업에서 연결되어 있으며, 픽셀들이 스캐닝될 때 전기 잡음을 생성한다. 도전 잡음은 그림 2에 나타낸 바와 같이 전력공급 레일 또는 선형 레귤레이터를 통해 유입되며, 접지 관련 잡음은 터치스크린이 잡음이 강한 컴퓨터에 연결될 때 문제가 될 수 있다. 전기 잡음은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 발생하며, AC 전력공급기는 최대 100Hz, LCD는 1kHz~100kHz, 무선 회로는 1MHz~10MHz 수준이다.
이러한 잡음 문제들을 처리하기 위해 대부분의 투사 정전용량성 터치스크린 기술들은 잡음이 없는 동작을 달성하기 위해서 차폐 레이어와 함께 최소 2개의 ITO 감지 레이어를 사용한다.
전하 변화 감지 기능은 잡음을 제거하거나 최소화시키는 특성을 가지고 있다.
기술은 ITO 전극의 전하 수준을 감지하기 위해서 일반적으로 4~10μF샘플링 커패시터를 사용한다. 이들은 직렬 레지스터를 통해 센서 칩에 연결된다. 이러한 조합을 통해 고주파 방사 잡음을 제거할 수 있는 효과적인 LPF(low pass filter)를 개발하고 칩은 추가적인 보호를 위해 차폐될 수 있다. 방사 잡음과 접지 관련 잡음의 저주파 요소는 센서 칩의 전용 처리 알고리즘을 통해 제거된다. 도전 잡음은 고성능 LDO 및 공급 레일 필터링 기능 사용뿐만 아니라 최고의 신호대잡음 성능을 제공하는 센서 패턴의 설계를 통해 처리된다. 이러한 패턴은 또한 접지 관련 잡음에 대해서도 효과적이다.
비용 및 전력소모의 감소
EMC 문제를 처리하기 위해 위에서 기술한 기법들을 조합하여 주목할 만한 잠재 결과를 제공한다. 많은 애플리케이션에서 2개 또는 3개 이상이 아닌 단지 하나의 센서 레이어로 신뢰할 수 있는 터치스크린을 생산하는 것을 가능하게 한다. 그림 3에 나타낸 것과 같이 터치스크린 레이어 스택-업(stack-up) 구축이 단순화될 수 있다.
ITO 레이어의 수를 줄이는 것은 터치스크린 구축을 단순화시켜서 상당한 비용을 절감시킨다. 또한 스크린에 대한 빛의 전달을 약 90%까지 향상시켜 선명도와 명암비를 향상시켜 백라이트에 대한 요구를 낮춰준다. 백라이트를 줄임으로써 시스템 전력소모를 절감할 수 있다. 단일 레이어 감지 기능을 위한 칩들은 단일 터치 애플리케이션을 위해 이미 제공되고 있다.
다른 설계 기술 과제들 인터페이스, ESD, 장기 신뢰성
기술한 전하 변화 감지 기법은 터치스크린에서부터 센서 칩까지에 대해 간단한 인터페이스를 가능하게 한다. 일반적으로 단일 레이어 센서는 단지 8개에서 10개까지의 라우팅 센서 신호 라인(4X 및 3Y 라인)을 필요로 한다. 이 기술의 추가적인 장점은 센서 칩을 ITO 패턴의 에지로부터 최대 60mm 떨어뜨려 위치시킬 수 있기 때문에 유연한 연결 '능동 테일'(active tail) 상에 칩을 실장하는 데 있어서 추가적인 복잡성을 발생시키지 않아 제조 및 통합 공정에 대해 향상된 유연성을 제공한다.
ESD를 방지할 수는 없지만, 의도하지 않은 터치들이 등록되는 것을 방지하도록 관리할 수는 있다. 이것은 호스트 시스템에 ESD 이벤트 상태를 보고하는 전용 기능을 통해서 이루어진다. 센서 칩들 역시 전력-온-리셋 및 와치독 타이머 기능을 포함하고 있다. 모든 정전용량성 터치 구현에서 지능형 기구 설계는 터치 센서로부터 ESD를 조정하는 데 있어서 상당한 역할을 한다.
마지막으로 전하 변화 감지 기능을 사용할 경우에 센서 칩들이 자동적으로 전력 업 상태에서 다시 보정되기 때문에 터치스크린 표면의 오염물질 또는 습기 형성과 관련된 모든 문제를 제거하고 동작의 진행 일관성을 보장하여 장기 신뢰성을 보장한다.
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음