정전식 감응

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1. 개요
2. 구조
3. 방식
- 3.1. 자가 정전 방식 (Self-Capacitance)
- 3.2. 상호 정전 방식 (Mutual-Capacitance)
4. 정전식과 감압식의 차이
5. 회로 설계
6. 오차
7. 다른 터치스크린 기술과의 비교
8. 펜 컴퓨팅
참조

1. 개요

정전식 감응은 터치 패널의 전기적 특성 변화를 감지하여 터치 입력을 인식하는 기술이다. 터치패널은 발신 전극과 수신 전극으로 구성되며, 유전체가 가까이 오면 전기장이 약해지는 원리를 이용한다. 정전식 감응 방식에는 자가 정전 방식과 상호 정전 방식이 있으며, 상호 정전 방식이 내구성이 우수하다. 정전식 감응 터치스크린은 감압식보다 반응성이 뛰어나지만, 특수한 스타일러스 펜이 필요하다. 회로 설계는 스텝 응답, 이완 발진기, 전압 분배기, 브리지 구성, 전하 전송, 델타-시그마 변조 등의 방식을 사용하며, 기생 용량은 오차의 주요 원인이다.

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정전식 감응
기본 정보
명칭	정전 용량 감지
다른 이름	정전식 터치 센싱
정의	물체의 전기 용량 변화를 감지하여 위치나 근접성을 측정하는 기술 터치스크린, 센서 등에 사용
응용 분야	터치스크린 근접 센서 레벨 센서 가속도계 정전 용량 키보드 디지털 캘리퍼스
원리
기본 원리	정전 용량 변화 측정 손가락이나 스타일러스 같은 물체가 센서 표면에 접근하면 정전 용량이 변화함 이 변화를 감지하여 터치 여부 및 위치 판별
측정 방법	전하-방전 시간 측정 RC 발진기 사용 델타-시그마 변조 코드 변조
기술
표면 용량 방식	스크린 표면에 투명 전도성 코팅 모서리에 전압 인가 터치 시 발생하는 전류 변화 감지
투영 용량 방식	투명 전극 패턴 사용 상호 용량 방식과 자가 용량 방식 존재 멀티 터치 지원
상호 용량 방식	행과 열 교차점에 전극 위치 터치 시 행-열 사이의 용량 변화 감지 높은 정확도와 멀티 터치 기능 제공
자가 용량 방식	각 전극이 독립적으로 용량 측정 터치 시 전극 자체의 용량 변화 감지 구조 간단, 비용 저렴
장점 및 단점
장점	높은 감도 빠른 응답 속도 멀티 터치 지원 (투영 용량 방식) 내구성 (표면 용량 방식)
단점	온도, 습도 등 환경 요인에 민감 전도성 물질에 의한 오작동 가능성 표면 스크래치에 취약 (표면 용량 방식)
응용 예시
터치스크린	스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등 정전 용량 방식 터치스크린 널리 사용
센서	근접 센서 (자동문, 스마트폰) 레벨 센서 (액체, 분말 수위 측정) 가속도계 (스마트폰, 게임 컨트롤러)
기타	정전 용량 키보드 디지털 캘리퍼스 터치패드
관련 기술
터치 기술	저항막 방식 적외선 방식 초음파 방식
추가 정보
주의 사항	정전기 방전 (ESD)에 민감 적절한 보호 회로 필요

2. 구조

정전식 터치스크린은 디스플레이 위에 투명 전극(주로 인듐 주석 산화물(ITO) 사용)으로 구성된 터치 패널을 배치한 형태이다. 터치 패널은 발신 전극과 수신 전극으로 이루어져 있으며, 이들 간의 정전 용량 변화를 감지하여 터치 위치를 파악한다.^[26]^[27]^[28]

정전식 감지 센서는 구리, 인듐 주석 산화물(ITO), 인쇄 잉크 등 다양한 재료로 구성된다. 구리 정전식 센서는 표준 FR4 PCB뿐만 아니라 유연한 재료에서도 구현할 수 있다. ITO를 사용하면 정전식 센서가 최대 90% 투명해질 수 있다(터치 폰 화면과 같은 단일 레이어 솔루션의 경우).^[28] 센서의 크기와 간격, 접지면과의 간격, 사용되는 접지면의 유형은 센서의 성능에 매우 중요하다. 센서의 기생 정전 용량은 전계의 접지 경로와 관련이 있으므로, 전도성 물체가 없는 상태에서 전계 선의 집중을 제한하는 접지면을 선택하는 것이 중요하다.

정전 용량 감지 시스템을 설계하려면 먼저 감지 재료 유형(FR4, 플렉스, ITO 등)을 선택해야 한다. 또한 장치가 작동할 환경(예: 전체 작동 온도 범위, 사용 가능한 전파 주파수) 및 사용자가 인터페이스와 상호 작용하는 방식을 이해해야 한다.

정전 용량 감지 시스템에는 두 가지 유형이 있다.

상호 정전 용량: 물체(손가락, 전도성 스타일러스)가 행 및 열 전극 간의 상호 결합을 변경하며, 이는 순차적으로 스캔된다.^[5]^[6]
자기 정전 용량: 물체(예: 손가락)가 센서를 로드하거나 접지 기생 정전 용량을 증가시킨다.

투사형 정전 용량 터치(PCT) 기술은 전도성 층을 에칭하여 더욱 정확하고 유연한 작동을 가능하게 하는 정전 용량 기술이다. X-Y 그리드는 그리드 패턴의 전극을 형성하기 위해 한 층을 에칭하거나, 그리드를 형성하기 위해 수직선 또는 트랙이 있는 두 개의 별도 평행 전도성 물질 층을 에칭하여 형성된다. 이는 많은 액정 디스플레이 (LCD)에서 발견되는 픽셀 그리드와 유사하다.^[9]

PCT의 높은 해상도는 직접적인 접촉 없이 작동할 수 있도록 해주어 전도성 층을 추가적인 보호 절연 층으로 코팅할 수 있으며, 화면 보호 장치나 날씨 및 방수 유리가 있는 곳에서도 작동할 수 있다. PCT의 최상층은 유리이기 때문에 PCT는 저항성 터치 기술에 비해 더 견고한 솔루션이다. 구현에 따라 손가락 외에 또는 손가락과 함께 능동형 또는 수동형 스타일러스를 사용할 수 있다. 이는 서명 캡처가 필요한 판매 시점 정보 관리 장치에서 흔히 사용된다.

PCT에는 자체 정전 용량과 상호 정전 용량의 두 가지 유형이 있다.

''상호 정전 용량'' 센서는 각 행과 각 열의 교차점에 캐패시터가 있다. 예를 들어 12x16 어레이는 192개의 독립적인 캐패시터를 갖는다. 전압이 행 또는 열에 적용된다. 손가락이나 전도성 스타일러스를 센서 표면 근처로 가져가면 국부적인 전기장이 변경되어 상호 정전 용량이 감소한다. 그리드의 모든 개별 지점에서의 정전 용량 변화는 다른 축의 전압을 측정하여 터치 위치를 정확하게 결정하기 위해 측정할 수 있다. 상호 정전 용량은 멀티 터치 작동을 허용한다.^[10]
''자체 정전 용량'' 센서는 상호 정전 용량 센서와 동일한 X-Y 그리드를 가질 수 있지만 열과 행은 독립적으로 작동한다. 자체 정전 용량을 사용하면 전류가 각 열 또는 행에 있는 손가락의 정전 용량 부하를 감지한다. 이것은 상호 정전 용량 감지보다 더 강한 신호를 생성하지만 둘 이상의 손가락을 정확하게 구분할 수 없으므로 "고스팅" 또는 잘못된 위치 감지가 발생한다.^[11]

3. 방식

정전식 감응 방식에는 크게 자가 정전 방식과 상호 정전 방식 두 가지가 있다. 자가 정전 방식은 센서 자체의 정전 용량 변화를 감지하는 반면, 상호 정전 방식은 두 센서 사이의 정전 용량 변화를 감지한다.

정전식 감지 센서는 구리, 인듐 주석 산화물(ITO), 인쇄 잉크 등 다양한 재료로 구성된다. 구리 정전식 센서는 표준 FR4 PCB뿐만 아니라 유연한 재료에서도 구현할 수 있다. ITO를 사용하면 정전식 센서를 최대 90%까지 투명하게 만들 수 있다. 정전식 센서의 크기와 간격, 사용되는 접지면의 유형은 센서의 성능에 매우 중요하다. 센서의 기생 정전 용량은 전계의 접지 경로와 관련이 있으므로, 전도성 물체가 없는 상태에서 전계 선의 집중을 제한하는 접지면을 선택하는 것이 중요하다.

정전 용량 감지 시스템을 설계하려면 먼저 감지 재료 유형(FR4, 플렉스, ITO 등)을 선택해야 한다. 또한 장치가 작동할 환경(예: 전체 작동 온도 범위, 사용 가능한 전파 주파수) 및 사용자가 인터페이스와 상호 작용하는 방식을 이해해야 한다.

정전 용량 감지 시스템에는 두 가지 유형이 있다.

상호 정전 용량^[5]
자기 정전 용량

현재 절대 위치에서 이전 절대 위치의 차이는 해당 시간 동안 물체의 상대적인 움직임을 나타낸다.

투사형 정전 용량 터치(PCT) 기술은 전도성 층을 에칭하여 더욱 정확하고 유연한 작동을 가능하게 하는 정전 용량 기술이다. X-Y 그리드는 그리드 패턴의 전극을 형성하기 위해 한 층을 에칭하거나, 그리드를 형성하기 위해 수직선 또는 트랙이 있는 두 개의 별도 평행 전도성 물질 층을 에칭하여 형성된다. 이는 많은 액정 디스플레이(LCD)에서 발견되는 픽셀 그리드와 유사하다.^[9]

PCT는 저항성 터치 기술에 비해 더 견고한 솔루션이며, 직접적인 접촉 없이 작동 가능하고, 추가적인 보호 절연층으로 코팅할 수 있으며, 화면 보호 장치나 날씨 및 방수 유리가 있는 곳에서도 작동 가능하다는 장점이 있다. 구현에 따라 손가락 외에 능동형 또는 수동형 스타일러스를 사용할 수 있으며, 주로 서명 캡처가 필요한 판매 시점 정보 관리 장치에서 흔히 사용된다. 다만, 구현 및 게인 설정에 따라 장갑을 낀 손가락은 감지되지 않을 수 있으며, 패널 표면의 전도성 얼룩 및 이와 유사한 간섭은 성능을 저하시킬 수 있다.

3. 1. 자가 정전 방식 (Self-Capacitance)

자가 정전 방식은 센서 패턴 자체의 정전 용량 값과 감지 대상에 의한 부하 정전 용량의 합으로 표현되는 정전 용량 값을 감지하는 방식이다.^[5] 물체(예: 손가락)가 센서를 로드하거나 접지 기생 정전 용량을 증가시킨다.^[6]

절연체의 한쪽 면에만 전도성 물질을 코팅하고, 이 층에 작은 전압을 가하여 균일한 정전기장을 형성한다.^[7] 사람의 손가락과 같은 전기 전도체가 코팅되지 않은 표면에 닿으면 커패시터가 동적으로 형성된다. 표면의 면 저항 때문에 각 모서리는 서로 다른 유효 커패시턴스를 갖는 것으로 측정된다. 센서의 마이크로컨트롤러는 패널의 네 모서리에서 측정된 커패시턴스의 변화로부터 터치 위치를 간접적으로 결정할 수 있는데, 커패시턴스 변화가 클수록 터치가 해당 모서리에 더 가깝다는 것을 의미한다.

자가 정전 방식은 움직이는 부품이 없으므로 내구성은 중간 수준이지만, 해상도가 낮고 기생 정전 결합으로 인한 가짜 신호가 발생하기 쉬우며 제조 시 보정이 필요하다. 따라서 산업 제어 및 대화형 키오스크와 같은 간단한 응용 분야에 주로 사용된다.^[8]

3. 2. 상호 정전 방식 (Mutual-Capacitance)

상호 정전 방식은 두 개의 전극 사이에 형성된 상호 정전 용량 값이 물체(주로 손가락이나 전도성 스타일러스)에 의해 감소하는 양을 감지하여 터치를 인식한다. 각 행과 각 열의 교차점에 캐패시터가 있어, 예를 들어 12x16 배열은 192개의 독립적인 캐패시터를 갖는다. 행 또는 열에 전압을 가하면, 손가락이나 전도성 스타일러스가 센서 표면에 가까워질 때 국부적인 전기장이 변경되어 상호 정전 용량이 감소한다. 그리드의 모든 개별 지점에서 이러한 정전 용량 변화를 측정하여 터치 위치를 정확하게 파악할 수 있다.^[10]

이 방식은 여러 손가락, 손바닥, 스타일러스 등을 동시에 정확하게 추적할 수 있는 멀티 터치를 지원한다.^[10] 또한, 자기 정전 용량 방식에 비해 내구성이 우수하고 구성 비용이 저렴하다는 장점이 있다.

4. 정전식과 감압식의 차이

정전식 터치 스크린은 화면에 살짝만 닿거나 근접해도 인식되므로 감압식 터치스크린보다 조작감이 부드럽다. 정전식 터치 방식은 정전용량 변화량을 이용하여 감지하기 때문에 손톱이나 일반 스타일러스 펜으로는 조작하기 어렵고, 별도의 정전식 전용 스타일러스 펜을 사용해야 한다.^[7] 센서가 민감하여 주변 기기의 영향을 받을 수 있다.

투사형 정전 용량 터치(PCT) 기술은 전도성 층을 에칭하여 더 정확하고 유연하게 작동하도록 한다.^[9] PCT는 저항성 터치 기술보다 견고하며, 구현에 따라 능동형 또는 수동형 스타일러스를 사용할 수 있다. 장갑을 낀 손가락은 구현 및 설정에 따라 감지되지 않을 수 있으며, 끈적이거나 땀이 많은 손가락 끝, 습도가 높은 환경, 화면에 달라붙는 먼지 등은 성능을 저하시킬 수 있다.

상호 정전 용량 방식은 멀티 터치를 지원하지만,^[10] 자체 정전 용량 방식은 둘 이상의 손가락을 정확하게 구분하기 어렵다.^[11]

정전식 터치스크린은 저항막 방식 터치스크린보다 반응성이 뛰어나지만, 정확도는 떨어진다. 그러나 투사형 정전 용량 방식은 터치 정확성을 향상시킨다.^[18] 일반 스타일러스는 정전식 감지에 사용할 수 없지만, 전도성을 가진 특수 정전식 스타일러스는 사용 가능하다.^[19]

5. 회로 설계

정전 용량 측정은 발진기 주파수 제어, 교류 신호 결합 수준 변경, 전압 분배기, 브리지 구성, 전하 전송, 델타-시그마 변조 등 다양한 방식으로 이루어진다.^[5]

정전식 감지 시스템을 설계하려면 감지 재료(FR4, 플렉스, ITO 등)를 선택하고, 장치가 작동할 환경(작동 온도 범위, 전파 주파수, 사용자 인터페이스 상호 작용 방식 등)을 고려해야 한다.

5. 1. 스텝 응답

정전 용량에 스텝 파형을 인가하여 충전 시간 또는 전압을 측정하는 방식이다.^[12] 기본적으로 이 기술은 알려진 전류로 알려지지 않은 정전 용량을 충전하여 작동한다. 축전기에 대한 전류-전압 관계를 재정렬하면 다음과 같다.

:

I(t) = C\frac{\mathrm{d}V(t)}{\mathrm{d}t} \, ,

정전 용량을 순간 전류를 정전 용량 양단의 전압 변화율로 나눈 값으로 결정할 수 있다.

:

C = \frac{I(t)}{\frac{\mathrm{d}V(t)}{\mathrm{d}t}} \, .

이는

t_0

에서

t_1

까지의 충전 기간 동안 적분될 수 있으며 다음과 같은 적분 형태로 표현된다.

:

C = \frac{\int_{t_0}^{t_1} I(t) \, \mathrm{d}t}{V(t_1)-V(t_0)} \, .

위의 방정식을 간단하게 예로 들면, 충전 전류가 일정하고 시작 전압

V(t_0)

이 0V인 경우, 정전 용량은 해당 일정한 전류 값에 충전 시간

(t_1-t_0)

을 곱한 후 최종 전압

V(t_1)

으로 나눈 값이다.

이 충전 시간 또는 전압은 미리 결정된 상수일 수 있다. 예를 들어, 일정한 시간 후에 측정하는 경우 최종 전압만 사용하여 정전 용량을 결정할 수 있다. 또는 고정된 임계 전압을 사용하는 경우 해당 전압 임계값에 도달하는 데 필요한 충전 시간만 측정하면 된다.

이 스텝 응답 측정은 지속적으로 반복될 수 있다(예: 구형파 사용).

예를 들어 정전 용량 감지 IC인 텍사스 인스트루먼트의 FDC1004는 전극을 충전하기 위해 25kHz 스텝 파형을 적용하고, 정의된 시간 후에 이 충전을 나타내는 아날로그 전압을 내장된 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 정전 용량의 디지털 값으로 변환한다.^[12]

5. 2. 이완 발진기 (Relaxation Oscillator)

정전 용량은 일반적으로 발진기의 주파수를 제어하거나 교류 신호의 결합 수준을 변경하는 데 사용하여 간접적으로 측정된다. 기본적으로 이 기술은 알려진 전류로 알려지지 않은 정전 용량을 충전하여 작동한다. 축전기에 대한 전류-전압 관계를 재정렬하면 다음과 같다.

:

C = \frac{I(t)}{\frac{\mathrm{d}V(t)}{\mathrm{d}t}} \, .

이는

t_0

에서

t_1

까지의 충전 기간 동안 적분될 수 있으며 다음과 같은 적분 형태로 표현된다.

:

C = \frac{\int_{t_0}^{t_1} I(t) \, \mathrm{d}t}{V(t_1)-V(t_0)} \, .

단순한 정전 용량 측정기의 설계는 종종 이완 발진기를 기반으로 한다. 감지할 정전 용량은 발진기의 RC 회로 또는 LC 회로의 일부를 형성한다. 정전 용량은 임계 전압(이완 발진기)에 도달하는 데 필요한 충전 시간을 측정하거나, 동등하게는 발진기의 주파수를 측정하여 계산할 수 있다. 이 두 가지 모두 발진기 회로의 RC(또는 LC) 시정수에 비례한다.

5. 3. 전압 분배기

정전 용량 분배기는 저항 대신 축전기를 사용하는 전압 분배기에 고정 주파수 교류 전압 신호를 가하는 방식이다. 이는 직렬로 연결된 두 개의 축전기로 구성되며, 하나는 알려진 값이고 다른 하나는 알 수 없는 값이다. 축전기 중 하나에서 출력 신호를 얻으며, 알 수 없는 축전기의 값은 커패시턴스의 비율로부터 찾을 수 있다. 이는 교류 전압계로 측정할 수 있는 출력/입력 신호 진폭의 비율과 같다.

5. 4. 브리지 구성

정확도가 더 높은 기기는 브리지 구성을 사용할 수 있는데, 이는 휘트스톤 브리지와 유사하다.^[13] 이 커패시턴스 브리지는 가해지는 신호에 존재할 수 있는 변동성을 보상하는 데 도움이 된다.

5. 5. 전하 전송

정전 용량은 주로 발진기 주파수를 제어하거나 교류 신호의 결합 (또는 감쇠) 수준을 변경하여 간접적으로 측정한다. 이 기술은 알려진 전류로 알려지지 않은 정전 용량을 충전하는 방식으로 작동한다. 축전기에 대한 전류-전압 관계를 재정렬하면 다음과 같다.

:

C = \frac{I(t)}{\frac{\mathrm{d}V(t)}{\mathrm{d}t}} \, .

이는 전하를

t_0

에서

t_1

까지 충전하는 동안 적분하여 다음과 같은 적분 형태로 나타낼 수 있다.

:

C = \frac{\int_{t_0}^{t_1} I(t) \, \mathrm{d}t}{V(t_1)-V(t_0)} \, .

전하 전달은 정전식 감응에만 국한된 것은 아니지만, 스위치드 커패시터 네트워크를 사용하여 일련의 개별 단계에 걸쳐 적분 커패시터에 전하를 축적함으로써 모든 개별 전하 기여자의 정확한 합을 생성한다.^[14]^[15]

5. 6. 델타-시그마 변조

델타-시그마 변조는 전압 대신 정전 용량을 측정하는 데에도 사용할 수 있다.^[16]^[17]

6. 오차

정전 용량 측정의 주요 오차 원인은 기생 용량이며, 이를 방지하지 않으면 약 10pF에서 10nF 사이에서 변동할 수 있다.^[5] 기생 용량은 (고 임피던스) 정전 용량 신호를 차폐한 다음 차폐를 (저 임피던스) 접지 기준으로 연결하여 비교적 일정하게 유지할 수 있다. 또한 원치 않는 기생 용량의 영향을 최소화하려면 감지 전자 장치를 센서 전극에 최대한 가깝게 배치하는 것이 좋다.^[6]

7. 다른 터치스크린 기술과의 비교

정전식 터치스크린은 저항막 방식 터치스크린보다 반응성이 뛰어나지만(정전 용량이 필요하지 않으므로 모든 물체에 반응), 정확도는 떨어진다.^[18] 그러나 투사형 정전 용량 방식은 터치 지점 주위에 삼각 격자를 형성하여 터치스크린의 정확성을 향상시킨다.^[18]

일반 스타일러스는 정전식 감지를 위해 사용할 수 없지만, 이 목적을 위해 전도성인 특수 정전식 스타일러스가 존재한다. 전도성 물질을 표준 스타일러스 주위에 감거나 필름을 튜브로 감아 정전식 스타일러스를 만들 수도 있다.^[19]

8. 펜 컴퓨팅

감압식 터치스크린용으로 설계된 일반 스타일러스는 전도성이 없어 정전식 센서에서 인식되지 않는다. 정전식 터치스크린은 사람 손가락이 제공하는 유전율의 차이를 시뮬레이션하는 특수한 정전식 스타일러스 펜을 사용해야 조작할 수 있다.^[25]

참조

_[1] 서적 Capacitive Sensors https://books.google[...] John Wiley and Sons
_[2] 웹사이트 HowStuffWorks "Multi-touch Systems" http://electronics.h[...] 2007-06-20
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_[4] 잡지 Finger Fail: Why Most Touchscreens Miss the Point https://www.wired.co[...] 2010-03-05
_[5] 특허 US Pat No 5,305,017 5,861,875
_[6] 특허 e.g. U.S. Pat. No. 4,736,191
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_[9] 웹사이트 Capacitive Touch (Touch Sensing Technologies — Part 2) http://www.touchadva[...] TouchAdvance.com
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_[27] 웹인용 보관된 사본 http://cache.freesca[...] 2012-10-04
_[28] 웹인용 인듐과 아이폰 / 함석진 http://www.hani.co.k[...] 한겨레 2009-12-14

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