[첨단 헬로티]
5년 전 CES에 참가한 기업들은 참가자들의 이목을 집중시키고 기업의 선도적 리더십을 강조하고자 터치 스크린이 부착된 주방가전과 세탁기 제품들을 선보였다. 그로부터 5년이 지난 현재, 일부 고급 제품 라인의 경우 터치 스크린이 부착된 가전제품들이 현실화되었다. 향후 비전은 사물인터넷(IoT)을 통해 터치 스크린을 저렴한 가전제품에까지 보다 폭넓게 확대하는 것이다.
터치 스크린 HMI(Human Machine Interface)는 인터넷 커넥티비티와 소비자들을 위한 앱 기반 기능들을 통해 다양한 운영환경(operating environment) 관련 문제들을 해결하고 미학적인 옵션들을 제공한다.
정전용량식 터치 기술을 사용한 가전제품
주로 터치 버튼, 슬라이더, 휠에 이용되는 정전용량식 터치 기술(capacitive touch technology)은 기계식 버튼과 손잡이를 대체하기 위해 이미 백색가전에서 널리 도입되어 있다. 이 정전식 기술은 시스템 비용 절감은 물론 신뢰도도 개선해 준다. 기계식 버튼 또는 손잡이의 경우 시간이 지나면서 고장이 나거나 부엌 또는 세탁실에 흔한 물, 기름, 지방 등의 물질과 닿아 고장을 일으킬 수 있기 때문이다. 또한 터치 센서가 유리 또는 플라스틱 표면의 아래 또는 뒷면에 위치하므로 표면을 쉽게 깨끗이 닦을 수 있으며 스타일리쉬한 다양한 디자인 옵션을 활용할 수 있다 (그림 1 참고).
(a) (b)
그림 1. 터치 스크린 버튼과 슬라이더 (a)는 이미 가전제품에 널리 이용되고 있지만, 인터넷 접속을 위한 대형 디스플레이가 탑재된 냉장고 (b)는 터치 스크린 기술을 이용하여 깔끔하고 매력적인 외양을 제공한다.
이러한 터치 버튼과 슬라이더의 장점들은 소비자가 가전제품에 의사를 전달하고 인터넷에도 연결되는 정전용량식 터치 HMI 터치 스크린에 적용되고 있다. 뿐만 아니라 인터넷에 연결된 IoT 가전제품들은 다음을 포함한 여러 주요 이점을 가전제품 제조사에 제공한다.
1. 원격 유지보수
2. 사용자의 패턴을 파악하기 위한 제조사의 데이터 마이닝
3. 전력 관리 – 전력선의 스파이크 방지를 위한 고전류 제품의 동기화
4. 원격 버그 수정 및 제품 향상을 위한 펌웨어 업데이트
동시에 IoT 커넥티비티를 통해 소비자들은 다음과 같은 장점을 누릴 수 있으며 제조사는 이런 내용을 터치 스크린 탑재 가전 판매를 위한 홍보에 이용할 수 있다.
1. 특정 제품용 요리 설명서, 요리법, 사례 다운로드
2. 세탁 세제와 이용법, 세제 유형 등에 따른 세탁기 프로그래밍 방법, 고장 해결법
3. 새로운 기능을 추가하고 성능을 개선하기 위한 펌웨어 업데이트
4. 날씨, 뉴스, 주식 정보 업데이트
제조사와 소비자 모두가 이러한 이점을 누릴 수 있는 반면, 아직 몇몇 디자인 관련 문제들의 해결이 필요하다.
백색가전 문제점의 해결 방법
최신 스마트폰 및 자동차와 마찬가지로(비록 그 중요도는 각기 다르지만), 터치 스크린 HMI 관련 가전의 가장 일반적인 문제점은 잡음 내성(noise immunity), 내습성 및 장갑을 착용한 소비자의 터치 명령 인식 문제이다. 터치 스크린 컨트롤러 IC가 이런 문제들에 얼마나 잘 대응하느냐에 따라 제품의 차별화가 이루어진다.
잡음 내성의 경우 특허 기술을 이용해서 컨트롤러가 전력선을 타고 흘러오는 잡음의 내성을 개선할 수 있다. 이 점은 접지 처리가 전혀 안되거나 접지 연결상태가 좋지 않아 전력선의 잡음이 아주 많은 미국 외 지역에서 특히 중요한 사안이다. 이런 잡음은 전력 케이블을 통해 전원장치로 전해지고 터치 컨트롤러 IC에까지 전송된다.
터치 컨트롤러는 나노쿨롬(nanocoulomb) 단위로 전하를 측정하는 극도로 민감한 부품이다. 손가락으로 단순하게 터치 스크린을 건드려 소량의 전하를 스크린 밖으로 옮기는 행동에 대해 일관성 있는 적절한 해석이 필요하다. 잡음은 센서에 상당량의 전하를 주입하여 컨트롤러를 혼란에 빠뜨릴 수 있으며, 특히 충분한 잡음 내성을 갖추지 못한 제품의 경우 문제는 더 커진다.
터치 오류(false touch event) 또는 고스트 터치 (ghost touch) 발생 시에는 버튼들이 무작위로 작동되기 시작한다. 오븐의 경우에는 상당히 위험한 상황이 될 수 있다. 예를 들어 자동세척 과정에서 소비자의 의도와 무관하게 터치 오류가 일어날 수 있고 내부에 있던 물품들이 소비자에게 안전 문제와 위험 상황을 불러올 수 있다. 이것은 모든 정전용량식 터치 컨트롤러의 공통적인 문제이지만, 특허 기술을 통해 잡음의 전도를 피하고 문제를 통제할 수 있다.
잡음 문제를 해결하기 위해 컨트롤러는 공통모드의 잡음을 걸러내고 주파수 도약 방식(frequency hopping scheme)으로 잡음 문제를 피해간다. 이 특허기술은 자가 정전용량식(self-capacitive) 터치와 상호 정전용량식(mutual capacitive) 터치 스캐닝을 활용하며 개별 터치 감지(differential touch sensing) 방식과도 관련이 있다.
IC는 각각의 센스 라인(sense line)을 개별적인 요소로 처리하는 대신, 여러 쌍의 센스 라인들 간의 차이를 측정하는 방식으로 양쪽 라인에 공통적으로 존재하는 모든 잡음을 제거한다. 디스플레이 상의 유사 부분에 동일한 잡음이 발생할 경우 이 잡음은 삭제되고 유효한 신호만 남게 된다. 이와 같은 개별 터치 감지 방식을 이용하면 매우 효과적인 수준의 잡음 제거 및 차단이 가능하다.
가전제품 중에서 세탁기의 모터나 냉장고의 컴프레서, 인덕션 전기 레인지의 버너가 방출하는 잡음은 잡음 제거 주파수대에 속하기 때문에, 이런 제품의 터치 스크린 디스플레이에 이용할 경우 높은 신뢰성과 강력한 성능을 제공하며 따라서 터치 오류의 발생을 피할 수 있다. 그러나 잡음으로 인해 소비자가 기대하는 반응이 일어나지 않는 터치 실패를 방지하기 위해서는 제대로 된 터치(legitimate touch)를 감지하고 이를 호스트 컨트롤러에 보고하는 것도 중요하다.
부엌과 세탁실에서는 물이나 기타 액체를 흔히 찾아볼 수 있으므로 내습성(moisture immunity)이 필요하다. 예를 들면 레인지의 주전자가 끓어 넘치고 내용물이 터치 스크린에 떨어져도 터치 오류가 발생해서는 안 된다. 하지만 수증기나 미세한 물방울에 의해서도 문제가 발생할 수 있다. 따라서 수분이나 물이 존재하는 상태에서의 터치 감지 능력은 가전제품의 터치 스크린 HMI를 다루는 모든 개발자들에게 핵심 과제가 되어야 한다.
스크린 상의 수증기 또는 미세한 물방울의 경우 멀티터치 기능의 지원이 필요하다. 가전 애플리케이션에서는 두 번의 터치가 일반적인 반면, 보다 대형 디스플레이의 경우 앱 개발자들은 열 번 이상의 터치를 지원하여 여러 명의 사용자들이 동시에 스크린을 터치하는 것이 가능할 수 있다. 소비자가 스크린 터치 시 물이 고여 있거나 수평 스크린에 꽤 큰 물방울이 떨어질 경우, 물에 의한 터치 오류의 발생이 억제되고 일반적인 손가락 하나로 동작(single finger operation)이 지원된다. 개발자들은 소금물이나 표백제 등 전도성 높은 액체들로 인한 터치 오류의 방지를 염두에 두어야 한다. 그림 2는 디스플레이 패널 뒤에서 어떤 일이 일어나고 있는지를 간략하게 보여준다.
그림 2. 터치 스크린 뒤에는 동작 전극, 수신 전극, 터치 IC의 회로망이 촘촘히 모여 사용자의 터치를 정확히 감지한다.
터치 스크린 HMI 기술의 또 다른 특징은 장갑 착용자 지원 기능이다. 주방에서는 얇거나 두꺼운 장갑을 흔히 착용한다. 일부 기능들은 최종 소비자에게 높은 가치를 제공할 수 있음에도 불구하고, 현재 시판중인 가전들의 터치스크린 IC에서는 종종 간과되거나 사용되지 않는 경우가 있다.
이렇게 옵션으로 제공되는 장갑 지원 기능은 개발 과정에서 동작 및 조정에 따라 주방에서 보통 이용되는 장갑(1.5mm 두께)의 멀티터치(최대 10회)를 지원한다. 장갑 지원 기능은 주방에서 장갑을 착용한 사람이 냉장고나 오븐의 터치 스크린에 대한 인터페이스를 필요로 할 때 활용할 수 있다.
조리 시에는 일반적으로 두꺼운(최대 5mm) 장갑이나 실리콘 재질의 오븐 장갑이 사용되며, 이 경우에도 장갑 착용 지원을 위해 컨트롤러는 HMI로의 정확한 정보 입력을 지원한다. 이는 별도의 모드로 변경할 필요 없이 자동으로 이루어지며, 장갑 사용이 더 이상 필요하지 않은 경우 정상 감지 수준으로 자동 복귀하므로 시스템은 터치 오류를 방지하고자 과도하게 민감 상태를 유지할 필요가 없다. 반면 일부 컨트롤러의 경우 자동으로 감지하여 환경에 따라 자연스럽고 직관적인 사용자 상호작용에 따라 설정을 바꾸는 대신, 사용자가 수분, 맨손, 스타일러스, 장갑 등 다양한 모드를 직접 선택할 것을 필요로 한다.
이들 애플리케이션에서 사용자 인터페이스는 보다 단순하고 버튼의 크기는 상대적으로 크며, 이런 특징은 장갑 착용시에도 사용 가능한 가전제품의 터치 스크린 개발 과정에서 고려되어야 한다.
적합한 터치 컨트롤러·센서·스크린의 선택
주방과 세탁가전의 경우 제품의 크기에 따라 다양한 크기의 터치 스크린이 이용된다. 예를 들어 커피 메이커에는 3 인치 디스플레이, 전자레인지에는 5인치, 조리용 레인지와 세탁기에는 최대 22인치, 냉장고와 냉동고에는 그보다 더 큰 화면이 제공된다.
가전제품 공급망에서 전자 칩 공급업체는 센서 공급업체와 협력하여 반도체를 제공하고 센서를 개발한다. 이들은 공동으로 시스템 통합을 시행하고 일반적으로 모듈/디스플레이 업체가 터치 센서와 터치 인터페이스 등을 포함하는 시스템을 통합한 뒤 가전제품 제조업체에 제공한다. (그림 3 참고) 이것은 현재 반도체 공급업체가 단지 칩 제품을 제공할 뿐 아니라 전체 공급망에서 칩 활용을 돕기 위해 시스템을 조율하고 완성하는 서비스도 제공한다는 사실을 보여주는 예라고 할 수 있다.
그림 3. 터치 IC 공급업체는 터치 IC 이외에도 터치 스크린의 성공적인 출시를 위해 뒤에서 많은 역할을 수행한다.
영하 40도에서 영상 85도의 산업용 온도범위에서 동작하는 표준 IC 제품들은 표준 펌웨어와 함께 배송되며 다양한 디스플레이 크기와 상이한 가전제품 제조업체들의 요건들을 충족시킨다. 가전용 터치 스크린 컨트롤러 제품군은 적절한 스크린 크기 선택 범위와 함께 더욱 확장이 용이한 가전 터치 스크린 설계로 개발 시간을 단축하고 시스템 비용과 개발 비용을 절감한다. 표 1에는 산업용 가전제품 디스플레이를 위한 설계 변수들 중 일부가 제시되어 있다.
표 1. 스크린 크기 이외에도 다른 변수들이 컨트롤러의 선택에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 스크린 크기가 서로 겹칠 때 그 영향이 커진다.
끝으로 하나 더 고려할 점은 전자파 적합성(electromagnetic compliance: EMC)이다. 분명히 제품 개발을 위해서는 EMC를 지켜야 한다. 또한 전도성 방출과 방사성 방출에 대해서도 원하는 결과를 달성하는지 실험을 통하여 검증이 이루어져야 한다.
디자인-인 (Design-in) 측면에 대한 검토
터치 스크린 기능에 관련된 초기 작업과 이해 증진을 위해 가전용 터치 스크린 제품군의 각종 컨트롤러 제품별로 지정된 평가 키트를 구입할 수 있다. 이 키트에는 터치 IC를 유리/플라스틱 렌즈 위의 터치 센서에 연결하는 수동 연성인쇄회로(flexible printed circuit: FPC) 부분이 포함된 터치 스크린 컨트롤러가 부착된 인쇄회로기판(printed circuit board: PCB)이 들어 있다. 이 키트는 USB를 통해 호스트 PC에 연결되며 모든 필요한 케이블, 소프트웨어, 기록문서를 포함하고 있다.
이 평가 키트는 인터넷에서 무료 다운로드 할 수 있는 완전한 소프트웨어 개발 환경인 maXTouch 스튜디오 개발 시스템(maXTouch Studio Development System) 통합개발플랫폼 (Integrated Development Platform: IDP)와 함께 이용하여 가전용 터치 컨트롤러를 개발하고 결함을 수정할 수 있다. 그림 4는 가전제품 제조업체들이 평가 키트를 이용하여 무엇을 찾아낼 수 있는지 보여준다.
그림 4. 마이크로칩의 ATEVK-MXT2952T2 평가 키트에는 전용 센서와 연성 커넥터, 전자 컨트롤 보드가 포함되어 있다.
맺음말
가전 제조업체들은 IoT를 활용하고자 계획을 세우고 있다. 이를 위해서는 정보를 읽고 입력할 수단이 필요하며, 터치 스크린 디스플레이는 이를 위한 이상적인 해결책을 제시한다. 현재의 방식에서 선진화된 터치 스크린 기술로의 성공적인 전환을 위해 가전 제조업체들은 IC 공급업체와 협력하거나, 가전 애플리케이션 전용으로 개발된 터치 컨트롤러를 가진 IC 공급업체와 관련된 터치 스크린 또는 모듈 공급업체와 협력해야 한다. 적합한 터치 컨트롤러만 있다면, 인터넷 커넥티비티와 우수한 잡음 내성, 내습성, 장갑 착용을 지원하는 가전제품을 얼마든지 개발할 수 있다.
글 / 스테판 테일러(Stephan Thaler), 채드 솔로몬(Chad Solomon) 마이크로칩테크놀로지
