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터치펜 속 숨어있는 물리학

터치펜 속 숨어있는 물리학

이 글을 읽는 분들은 애플의 아이패드나 삼성의 갤럭시 탭, 혹은 마이크로소프트의 서피스 등을 이용해 적어도 한번은 필기를 해 본적이 있으리라고 생각합니다. 저도 최근에 필기를 위해서 갤럭시 탭을 구매하였고, 그와 함께 S pen도 사용하게 되었습니다. 그렇게 터치펜을 오랫동안 사용해보고, 주변 친구들의 태블릿도 빌려 써보면서 여러가지 터치펜들이 어떻게 작동하는지, 그 원리가 무엇인지 궁금해지게 되었습니다.

터치펜의 종류

터치펜의 기본적인 원리는, 저희가 손가락으로 터치하는 대신에 다양한 재료들과 방식을 이용하여 스크린에 입력신호를 주면, 그것을 디스플레이 밑의 감지 센서가 감지하여 태블릿의 정보처리장치로 전달하는 것입니다. 저희가 평소에 사용하는 터치펜은 Apple Pencil, S pen, 서피스 펜 등이 있습니다. 언뜻 보기에 펜촉으로 화면을 눌러 터치한다는 점에서 같은 방식으로 보일 수 있지만, 엄밀하게 보면 각각의 방식은 모두 다릅니다. 펜이 신호를 보내는 방식, 그리고 그 신호를 스크린이 어떻게 감지하느냐 에 따라 대표적으로 감압식, 적외선/초음파식, 정전용량식, 전자기공명식, 능동 정전기식으로 나눠질 수 있습니다.

감압식 터치펜

우선 감압식 터치펜을 사용하기 위해서는 감압식 터치스크린 (Resistive touchscreen)이라고 불리는 스크린이 필요합니다.



이 스크린은 말 그대로 터치펜 등이 터치를 하게 되면 그 압력으로 인해 신호를 감지할 수 있습니다. 조금 더 자세하게 설명을 해보겠습니다. 감압식 터치스크린의 액정 위에는 여러 개의 막이 쌓여 있는데, 손가락이나 터치펜 등이 직접 닿는 부분인 가장 바깥 부분의 막에는 흠집에 강하면서 부드러운 재질의 막이 있고, 그 안에는 충격을 완화시켜주는 막이 있습니다. 그리고 그 밑에는 투명한 전도막이 2개 위치해 있고, 그 사이에는 Spacer가 위치하여 평소에는 떨어져 있습니다. 이때 펜이나 손가락 등으로부터 물리적 압력이 가해지게 되면, 두 막이 맞닿게 되면서 전류가 흐르게 되고, 그를 전류 센서가 감지하여 터치의 위치를 알아내게 됩니다. 따라서, 굳이 특별한 터치펜이 아니더라도 고체라면 무엇이든지 펜으로 사용할 수 있습니다.



구조가 간단한 만큼, 터치스크린의 가격이 저렴하고, 따라서 터치의 정확도와 느낌이 딱히 중요하지 않은 네비게이션, 제어 판넬, PDA, 산업용 태블릿 등에서 자주 쓰입니다. 저희가 평소에 집에서 외출 설정이나 엘리베이터 호출 등에 사용하는 월패드도 감압식 터치스크린을 사용하기 때문에 잘 안 눌러져 여러 번 누르게 되는 경우가 많습니다.



적외선/초음파 터치펜

이 방식은 말 그대로 적외선이나 초음파 등의 파동을 발사하고, 되돌아오는 파장을 분석하여 터치의 위치를 알아내는 방법입니다. 이 경우 수신기와 발신기가 필요해 모바일 기기에서 사용은 어렵지만 스크린의 크기에 제한이 없고, 스크린을 유리 등의 단단한 소재로 만들더라도 아무 문제가 없기 때문에 ATM기 등 많은 사람들이 공공장소에서 활용하는 전자기기에 사용하곤 합니다. 또한 터치의 위치가 한 곳일 때를 가정하고 적외선이나 초음파의 반사를 분석하기 때문에, 여러 곳을 터치하게 되면 전혀 다른 곳이 눌려지게 됩니다.




정전용량식

정전용량식은 최근 가장 많이 활용되는 방식 중 하나로, 액정 유리에 전기가 통하는 화합물을 코팅해서 전류가 계속 흐르도록 만들고, 화면이 손가락에 닿으면 액정위를 지나치던 전자가 터치펜 혹은 우리의 손가락에 의해 유도되어 접촉 지점으로 끌려옵니다. 그러면 터치 스크린 모퉁이의 센서가 이를 감지해서 입력을 판별합니다.




펜에 정전기가 항상 존재해야 하기 때문에 터치펜의 경우 정전식 전용 터치펜이 필요합니다. 그러나 물이 있는 경우 전자가 물을 통해서도 흐르기 때문에 터치가 제대로 이루어지지 않습니다.



전자기공명식(EMR)

대부분의 태블릿과 필기용 스마트기기에서 사용되는 방식으로, Electro Magnetic Resonance, 전자기 유도의 약자입니다.



이 경우 다른 방식과 다르게 반드시 EMR을 위해 특수 제작된 터치펜이 필요한데, 우선 스크린에서 전자기장을 내뿜으면 터치펜 내부의 코일에 전자기 유도가 발생하여 다시 전자기파를 내뿜게 되고, 그것을 스크린에서 인식하는 방식입니다. 이 방식은 물질과 관련없이 오직 전자기파를 통해서 이루어지기 때문에 물이 있더라도 전자기파를 차단하지만 않으면 터치가 가능합니다. 일례로 태블릿에 손가락을 얹고 그 위에 필기를 해도 터치가 됩니다. 이 방식의 가장 큰 장점 중 하나는, 펜이 공중에 떠있을 때도 전자기 유도가 작동해 인식을 하기 때문에 호버링이 가능하며, 펜의 코일이 전자기파를 다시 내보내는 과정에서 그 전자기파 속에 펜의 버튼이 눌러졌는 지의 여부, 필압의 세기 등을 담아서 보낼 수 있기 때문에 다양한 기능(지우개 기능 등)을 넣음과 동시에 터치의 생생함을 높일 수 있습니다. 또한, 전자기파를 인식할 때 그 각도를 함께 인식해 펜의 틸팅 또한 인식 가능합니다. 다만 전자기 유도를 기반으로 하는 만큼 주변에 스피커 등의 전자기기가 위치하면 오차가 발생하곤 합니다.



능동전기식(AES)

Active Electrostatic의 약자로, EMR과 다르게 펜에서 배터리가 장착되어 있어 펜이 직접 전자기파를 내뿜을 수 있습니다. 이렇게 되면 펜이 굵고 무거워지지만, 펜 인식을 위해 별도의 레이어를 갖추지 않아도 터치패널 하나면 해결되어 전력을 절약할 수 있습니다. 또한 따로 전자기 유도를 사용하지 않기 때문에 주변 전자기파에 크게 영향을 받지 않아 외곽부에서도 좌표오차/틸트오차가 거의 발생하지 않습니다. 더불어, 과정이 간단해지는 만큼 지연시간이 줄어들어, 애플펜슬과 같은 경우 수 ms 주변의 지연시간을 지니고 있습니다. 마지막으로, 펜이 내보내는 신호에 AES와 같은 암호화를 적용하여 보안성을 높일 수 있습니다.



이렇게 터치펜의 다양한 종류와 그 작동하는 방식에 대해 알아보았고, 그 속에 심오한 물리학이 숨어있다는 것도 알아보았습니다. 이렇게 앞으로도 일상에서 터치펜 뿐만 아니라 다양한 전자기기 속에 숨어있는 물리학을 파헤쳐보는 것은 어떨까요?



이준민 학생기자│Physics│지식더하기


참고자료

[1] https://news.samsung.com/

[2] https://www.hanwha-advanced.com/


첨부 이미지 출처

[1] https://www.hanwha-advanced.com/



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