모든 터치스크린이 똑 같이 만들어지지는 않는다
이 글은 핵심적인 터치스크린 성능의 매개 변수, 중요한 터치스크린 설계의 특징과 설계의 상쇄 관계, 그리고 제품 설계자들이 그들의 터치스크린 공급 망을 선택할 때 고려해야만 하는 주요 이슈들을 탐색하고 있다. 맛없는 제품을 만들지 말고 사람들에게 꼭 필요한 뭔가를 만들어야 한다.
글 : Steve Kolokowsky & Trevor Davis
싸이프레스 / www.cypress.com
누구나 케이크를 구울 수는 있지만 일부 요리사는 건조하고 맛없는 반죽으로 케이크를 굽고 또 아주 맛있는 케이크를 만드는 다른 요리사들도 있다. 재료는 동일할 수도 있지만 케이크가 만들어진 그 결과는 아주 다르다. 이는 또한 일반적인 전자제품과 세계적인 수준의 시장을 변화시키는 제품 간의 경우이기도 하다. 가장 최근의 기술적 이슈의 하나는 바로 커패시티브(capacitive) 터치스크린이다. 그러나 어떤 것은 터치스크린을 놀랍게도 만들고 또 다른 것들은 그저 그런 제품으로 만드는가?
이 글은 핵심적인 터치스크린 성능의 매개 변수, 중요한 터치스크린 설계의 특징과 설계의 상쇄 관계, 그리고 제품 설계자들이 그들의 터치스크린 공급 망을 선택할 때 고려해야만 하는 주요 이슈들을 탐색하고 있다. 맛없는 제품을 만들지 말고 사람들에게 꼭 필요한 뭔가를 만들어야 한다.
맛있는 제품을 만들자
오늘날의 터치스크린 성능에 영향을 미치는 하나의 가장 중요한 기술 변화는 저항식(resistive)에서 정전용량식(capacitive) 터치스크린으로의 이동이다. 업계 분석업체인 iSupply는 터치스크린을 가진 휴대폰의 거의 25%가 2011년까지 저항식에서 정전용량식 터치스크린으로 이동할 것으로 예측하고 있으며, Jeffries and Co.사는 100Mu에서 188Mu로 2010년에 정전용량식 터치스크린을 위한 그들의 예측을 증가시켰다. 시장은 정전용량식터치스크린 기술이 가져올 이점으로 인해 보다 큰 분야를 탐색하고 있다.
기존의 저항식 터치패널이 분명한 소재의 유연한 탑 레이어가 소재의 낮은 전도성 레이어를 접촉하기 위해 아래로 누를 때 손가락이나 스타일러스 터치를 탐색하는 반면 투사된 커패시턴스 화면은 움직이는 부분이 없다. 사실, 투사된 커패시턴스 센싱 하드웨어는 glass top layer로 구성되어 있으며 그 다음으로 X와 Y의 어레이, 유리 표면 상의 ITO(Indium Tin Oxide) 의 절연 레이어로 구성되어 있다. 일부 센서 공급업체들은 교차하는 작은 브리지와 함께 ITO의 single layer에서 X와 Y 센서 모두를 포함하고 있는 single-layer 센서를 만들고 있다. 손가락이나 다른 전도성 물체가 화면에 접근함에 따라 센서와 손가락 사이의 커패시터를 만든다. 이 커패시터는 시스템의 다른 것들과 비교하여 작지만(20pF에서 약0.5pF)몇 가지 기술로 측정 할 수 있다. 싸이프레스 세미컨덕트의 트루터치(TrueTouch) 부품을 이용한 하나의 기술은 커패시터를 빠르게 충전하고 bleed resistor를 통해 방전 시간을 측정하는 것을 포함하고 있다.
이러한 전체가 유리로 된 터치 표면은 사용자에게 전체 화면 상에서 분명하고 부드러운 느낌을 준다. 유리는 최종 제품을 유려한 산업 디자인으로 만들어 주고 터치를 측정하기 위한 좋은 커패시티브 시그널을 제공하기 때문에 유리 화면이 고객들에게 선호되고 있다. 그러나 결국 이것은 터치패널이 어떻게 보이느냐가 아닌 어떻게 작동하느냐 하는 것이다. 터치스크린에서 우수한 성능을 확보하는 것은 몇몇 핵심 변수를 우선 알고 있다는 것을 의미한다.
정확성 - "정확성 실제 손가락 위치와 보고된 손가락 위치 사이의 straight line에 따른 거리 단위에서 측정 한 것처럼 터치스크린의 사전 규명된 영역에 걸쳐 최대 위치 오류"로 정의.
정확성은 시뮬레이션이나 기계적 손가락으로 측정된다. 손가락은 패널상의 정밀한 지점에 위치 하며, 실제 손가락의 위치는 보고된 손가락의 위치와 비교된다. 정확성의 중요성은 과소평가할 수 없다. 사용자들은 그들의 손가락이 적절히 위치하는 시스템을 원하고 있다. 저항식 터치스크린의 가장 큰 맹점중의 하나는 정확성이 낮다는 것과 시간에 따른 정확성의 손실이다. 반면 정전용량식 터치스크린의 정확성은 스타일러스 없이 가상 키보드와 핸드라이팅과 같은 새로운 애플리케이션들을 가능하게 해 준다. 하나의 사례로 아래 그림 1은 제대로 구축되지 못한 터치패널 데이터를 보여주는 것으로 시뮬레이션 된 손가락에 의해 이동된 straight line 위의 손가락 이동을 보여주고 있다.
손가락 분리 - "두 개의 개별 손가락이 여전히 터치스크린 컨트롤러에 의해 보고되는 동안 터치스크린 위에 놓여진 두 개의 손가락 사이의 중심 거리에 최소한의 중심"으로 정의. 손가락 분리는 손가락들이 하나의 손가락으로 보고될 때까지 패널 상에 있는2개의 시뮬레이션 된 손가락이나 mechanical fingers 이 놓여지고 서로의 손가락으로 이동함으로써 측정된다. 일부 터치 스크린 공급업체들은 손가락 분리를 edge-to-edge로 보고하는 반면 일부 공급업체들은 손가락 분리를 center to center로 보고하고 있다. 10mm mechanical fingers 을 위한 10mm의 손가락 분리 스펙은 손가락들을 건드리거나 혹은 손가락들이 터치컨트롤러의 사양 방식에 따라 10mm 떨어져 있다는 것을 의미할 수도 있다.
손가락 분리를 잘 하지 않고는 진정한 멀티-터치 솔루션을 가질 수 없다. 아울러, 손가락 분리는 특히 일반적으로 두 개의 손가락이 아주 근접한 상태로 화면상에 있는 가상 키보드를 위해 중요하다.
응답 시간 - "인터럽트 신호를 생성하는 터치스크린과 터치스크린 컨트롤러 상에서 손가락이 착지되는 사이의 시간"으로 정의. 이러한 응답 시간은 손가락을 시뮬레이트 하기 위해 터치 스크린을 전기적으로 자극하거나 패널에 시뮬레이션 된 손가락을 물리적으로 움직임으로써 측정될 수 있다. 응답 시간은 특히 중요한데 그 이유는 응답 시간이 사용자가 "세게 치기"나 "가볍게 치기"를 위해 화면 위에 그들의 손가락을 얼마나 빨리 움직일 수 있는지, 혹은 손가락 이나 펜으로 쓰는 것을 직접 보여주기 때문이다. 느린 응답 시간을 가진 터치패널은 고르지 못하게 보일 수도 있으며 또는 전체의 움직임을 놓칠 수도 있다. 터치스크린의 응답 시간은 다음과 같은 것들을 포함하는 시스템 응답 시간의 하나의 구성요소이다:
- X/Y 스캐닝 : 센서 상의 capacitance의 변화를 스캔하고 측정하기 위한 터치 컨트롤러 를 위한 시간
- 손가락 탐지 : 미리 결정된 "손가락 임계점"에 패널의 capacitance 변화를 비교. 변화가 손가락 임계점을 넘을 경우 손가락이 탐지된다.
- 손가락 위치 : 손가락의 정확한 위치를 결정하기 위해 몇몇 센서로부터의 결과들 사이에 삽입
- 손가락 추적 : 하나 이상의 손가락이 센서 위에 있을 때 각 손가락은 고유 식별자가 식별되고 할당되어야만 한다
- 인터럽트 레이턴시 : 인터럽트 레이턴시(Interrupt latency)는 host 상의 인터럽트 표시와 인터럽트 서비스 사이의 지연시간이다. 대부분의 시스템에서 이러한 지연시간은 100uSec 이하이다
- 통신 : 보편적인 시스템은 호스트와 통신하기 위해400KHz에서 I2c, 혹은 1MHz에서 SPI를 사용한다.
응답 시간을 줄이기 위한 몇몇 툴들을 사용할 수 있다. 핵심은 주로 터치 컨트롤러 IC의 지능에 있다. 예를 들어, 창의적인 기법은 손가락을 "감지" 하기 위해 화면의 스캐닝 부분만을 위해 사용될 수도 있으며, 일단 손가락이 감지되면 손가락의 정확한 "위치"를 계산하기 위해 신속하게 스캔하며 그로 인해 전력과 시간 모두를 절약할 수 있다. Parallelism은 또 다른 핵심 툴이다. 스캐닝, 손가락 처리, 통신 이 모두는 별도의 하드웨어를 이용하며, 모두 병렬 (parallel)로 실행할 수 있다. 손가락 감지, 손가락 위치 및 손가락 ID 모두를 위해 고도로 최적화된 알고리즘 은 처리 시간과 응답 시간을 줄여준다.
새로 고침 속도 - 손가락이 터치스크린상에 존재하는 동안 데이터 버퍼에서 활용할 수 있는 터치스크린 데이터의 2개의 연속 프레임 간의 시간. 새로 고침 속도가 낮으면 원활한 곡선 보다는 라인 세그먼트로 구성되어 나타나는 불규칙한 움직임과 곡선을 초래할 것이다. 그 대신, 터치패널이 높은 새로 고침 속도를 가지고 있다면 원활하거나 완전한 형태 혹은 움직임의 연출을 위한 보다 많은 데이터 포인트를 제공한다. 또한 높은 새로 고침 속도는 제스처 연출을 향상 시키기도 한다. 싸이프레스 세미컨덕트(Cypress Semiconductor)의 트루터치(TrueTouch™) 제품과 같은 스마트 터치스크린 컨트롤러는 시스템 요구에 부합하는 새로 고침 속도를 적용할 수 있다. 드로잉이나 핸드라이팅 애플리케이션은 빠른 새로 고침 속도를 필요로 하지만 휴대폰 다이얼링 키패드 만은 버튼을 누르거나 띌 때 호스트를 인터럽트하기 위해 필요하다.
평균 소비 전력 - 터치 시스템의 평균 전력은 터치 데이터를 수신하고 해석하는 컨트롤러 IC와 호스트 프로세서를 위한 time scanning, time processing, time communicating, time sleeping으로 구성되어 있다.
소비 전력은 디바이스에 의해 사용된 전류 측정, 전압에 의한 증가, 그리고 소비 전력을 아는 것 등 분명한 성능의 매개변수처럼 보인다. 그러나, 터치패널 전력 소비 영역에서는 소비 전력이 사용량에 의존하기 때문에 보다 정교한 모델이 필요하다. 전화기의 "standby time"은 터치 스크린의 "standby" 또는 "deep sleep" 전류 사용에 따라 달라질 것이다. 터치스크린이 활성 상태일 때 조차 소비 전력은 "wake on touch" (WOT), "touch", 그리고 "cheek detect"와 같은 몇 가지 모드 상태일 수가 있다. 일반적으로 5분 정도의 통화에서 전화기는 전화 번호를 찾거나 입력할 때처럼 10초 동안 터치 모드 상태일 수도 있다. 그러므로 이는 통화의 나머지를 위해 WOT(wake on touch) 상태이거나 cheek detect에 있을 것이다. 텍스트 (SMS) 메시지를 보낼 때 조차 WOT 모드의 혼합이며, 컨트롤러 IC로서의 실제 손가락 접촉은 당신이 입력하고 생각하는 동안 슬립 모드를 왔다 갔다 한다.
만약 이러한 파워 모드를 고려하지 않는다면 시스템 전력 전망에 의해 잘못 인도되기 쉽다. 거의 모든 경우, 터치스크린은 "cheek detect" 모드와 "wake on touch" 모드에서 90~99%의 시간을 소모한다. 일부 시스템은 손가락이 패널 상에 있는 동안에도 sleep time에 프로세싱 타임의 비율을 맞출 수 있게 해 준다. 만일 시스템이 "여전히 같은 위치에 손가락이 있다"는 것만을 보고하고 있다면 200Hz 새로 고침 속도의 필요성은 약간 존재한다. 고성능 터치스크린을 개발하기 위해 창조적인 sleep 및 wake 모드와 함께 low sleep 사양의 시스템을 활용하는 것이 중요 하다.
시스템 설계자들이 커패시티브 터치스크린 시스템을 설계할 때 염두에 두어야만 할 또 다른 중요한 몇몇 변수들이 있다.
Finger Capacitance - 커패시턴스는 손가락과 싱글 센서 요소 사이에서 측정된다. 또한 손가락 커패시턴스는 실제 데이터를 보장하기 위해 금속 손가락 보다는 실제 손가락을 이용하여 측정 된다. CF 에 영향을 미치는 요소들은 커버 렌즈의 두께와 커버 렌즈 소재의 dialectric constant 등을 포함한다.
System Noise Floor - 노이즈의 양은 데이터 변환기의 입력(커패시턴스)에서 조회된 capacitance-to-digital-converter의 출력에서 측정된다.
SNR(Signal to Noise Ratio) - 손가락 신호는 관찰 측정 노이즈에 의해 나누어진 하나의 센서 에서 측정된다. 위의 두 가지 측정을 위한 중요한 속기를 하는 동안 효과적인 터치패널을 만드는 것을 이해해야만 하며, 시스템은 모바일 시스템에서 적응, 수용하고 기생하는 노이즈를 걸러 낼 수 있어야만 한다. 높은 시그널 카운트와 아주 낮은 노이즈 카운트를 관찰하기 위해 정확한 analog front end가 터치 기능을 위해 고려되어야만 한다.
싸이프레스 세미컨덕트의 트루터치 제품군과 같은 프로그래머블 솔루션은 노이즈 제거를 위한 탁월한 매커니즘을 제공한다. 싸이프레스의 PSoC™ 프로그래머블 아날로그는 노이즈를 필터링 하는 아주 긴 시간 동안 신호를 통합하기 위해 재구성될 수 있다. Spread spectrum 과 pseudo-random 주파수를 포함한 서로 다른 신호 주파수는 EMI를 피하기 위해 사용될 수 있다. 표준 디지털 필터는 1-2bit signal jitter를 제거할 수 있으며, IIR 과 같은 low-pass filter를 제공한다. 아울러, 스마트 디지털 필터는 패널 근처에 있는 샘플과 비교하여 "옳게 보이지" 않는 샘플들을 폐기할 수 있다. 스마트 필터는 시스템 설계자의 독창성에 의해서만 제한된다. 그림 3은 디바이스의 noise floor와 등록된 터치의 패턴 사례를 보여주고 있다. 이 경우에는 5의 SNR이 등록되었다.
핵심적인 터치스크린의 성능 메트릭을 이해하고 컨트롤하는 것은 터치스크린 설계를 훨씬 더 우수하게 만들 수 있게 이끌어 줄 것이다. 이러한 것들을 이해하는 것은 또한 모바일 컨슈머 제품 분야에서 알려지지 않은 노이즈와 전기적 문제들을 이용할 수 있는 기술을 가진 설계 파트너 업체들을 선택할 수 있게 해 준다.
터치스크린의 아름다움은 외형적으로 심플한 디자인이다. 거추장스러운 버튼과 끈적거리는 롤러 볼 혹은 겨우 읽을 수 있는 화면을 제거하는 것은 터치스크린이 사용자가 즐길만한 경험을 만들어 내는 완전히 새로운 방식이다. 그러나 터치스크린이 가진 어려움은 세련되고 심플한 디자인을 전달할 수 있는 것이며, 이 때문에 세련된 하드웨어, 펌웨어 및 제조 기술 등을 이용 해야만 하는 것이다. 터치스크린의 언어, 주요 설계 변수, 주요 터치스크린 성능 변수 및 터치 스크린 설계시의 상충 관계 등을 이해하는 것은 터치스크린 제품을 활용하는 시장을 구축하기 위한 첫 단계이며, 이는 곧 우리가 가까운 시일 내에 그러한 제품을 만날 수 있기를 기대하고 있다는 것이다.
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