우리의 일상생활에서 스마트폰, 태블릿, 노트북을 보면서 페이지를 넘기거나 화면을 확대하기 위해 손가락을 화면에 가져가는 것은 아주 자연스러운 행동이 되었다. 심지어, 갓 걸음마를 뗀 어린아이들조차도 터치를 통해 화면을 조작하는 것은 놀라운 일도 아니다. 이처럼 터치 디스플레이는 직관적이고 편리하며, 수많은 이점과 기능으로 인해 우리 삶의 필수적인 부분이 되었다. 특히, 수년 전부터 급속히 실생활에 퍼진 디지털 혁명으로 인해 어떠한 수도 들어갈 수 있음을 뜻하는 ‘N’을 붙여 ‘N 스크린 시대’가 도래하게 되면서 우리는 언제 어디서나 시간적∙공간적 제약 없이 미디어 콘텐츠를 즐길 수 있는 ‘디지털 유목민 시대’에 살게 되었다. 다양한 디스플레이 기기의 양산은 터치센서 기술과 산업의 발전으로 이어졌으며, 터치기기의 발전은 쉬운 접근성과 직관적인 상호작용으로 인해 우리가 소통하고, 배우고, 일하고, 즐기는 방식을 효율적이고 생산적으로 변화시켜 왔다.
이러한 터치센서 기기는 크게 하드웨어와 소프트웨어, 컨트롤러 IC로 나눌 수 있다.
하드웨어는 터치패널을 지칭하며, 접촉이 발생했을 때 신호를 감지하여 컨트롤러 IC에 전기적 변화를 전송하는 역할을 한다. 소프트웨어는 컨트롤러 IC에서 들어오는 디지털 신호를 알고리즘을 통해 터치패널 시스템에 맞게 구현되도록 제어하는 프로그램을 말한다.
두 가지 모두 터치센서를 위해 중요한 부분을 차지하지만, 본 기고문에서는 두 요소의 가교역할을 하며 터치패널에서 전송된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하여 화면상에 표현 가능한 좌표 형태로 바꿔주는 터치 컨트롤 집적 회로 (Touch controller integrated circuits)에 대해 기술하고자 한다.
○ Touch Controller IC(Integrated Circuit) 반도체란?
터치 컨트롤러 집적회로 (Touch Controller IC)는 스마트폰, 태블릿, 터치스크린과 같은 터치 감지 장치에서 터치 시 발생하는 입력신호를 컨트롤러 소프트웨어 알고리즘에 의해 계산 및 처리하여 화면의 터치 위치를 결정하거나 기능을 부여하는 신호로 변환하는 회로를 의미한다.
편리하고 직관적인 사용자 인터페이스(UI)를 제공하기 위해 다양한 기업 및 기관에서 빠르고 정확한 처리능력을 보여주는 터치스크린 Controller IC에 대한 많은 연구개발이 이루어지고 있다.
터치스크린패널은 터치센서의 위치에 따라 Add-on 타입, On-cell 타입, In-cell 타입으로 구분할 수 있다. Add-on 타입의 경우 가장 널리 사용되는 형태로 모바일, 태블릿 PC, 키오스크 등 소형에서 대형 패널까지 다양하게 적용되며 터치패널이 디스플레이 위에 배치되는 형태기 때문에 Add-on 타입이라 한다. On-cell 타입은 터치패널이 디스플레이 패널의 편광판과 투명전극 사이에 터치센서를 배치하는 방식을 말하며 디스플레이 모듈을 얇게 제작 가능하다는 것이 특징이다. On-cell 타입은 모바일과 같은 중소형 패널에 정전용량 감지 방식으로 주로 활용된다. In-cell 타입의 경우에는 디스플레이 픽셀 어레이에 터치센서가 배치되는 방식이다. In-cell 타입의 터치패널은 광학 및 정전용량 센싱 방식을 채택하고 있지만 많은 처리용량 및 신뢰성의 문제 등으로 인해 상용화에는 한계를 가지고 있다.
터치의 방식은 저항막 방식, 정전용량 방식, 초음파 방식, 적외선 방식으로 감지를 하며, 정전용량 방식의 경우 멀티터치, 소프트터치 기능이 우수하고 내구성과 광투과율이 우수해 대부분의 디스플레이 모듈 제조업체 및 IC 설계자에 의해 널리 채택되고 있다.
○ Touch Controller IC의 구성 및 역할
터치 컨트롤러 IC는 터치 입력을 감지하고 해석하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 추가 처리를 위해 장치의 드라이버 소프트웨어에 전달하는 역할을 한다. 이 같은 터치 컨트롤러 IC는 일반적으로 4가지 요소(아날로그 프론트 엔드, 디지털 처리장치, 통신 인터페이스, 펌웨어)로 구성되어 있다.
아날로그 프론트 앤드는 터치패널에서 받은 아날로그 신호를 변조 및 필터링을 통해 신호를 조절한다. 이는 왜곡 없이 정확한 터치 감지를 유지하는 역할을 한다. 디지털 처리장치는 신호를 처리하여 터치의 위치, 제스처 인식 및 기타 터치 관련 정보를 판단하고 결정한다. 여러 손가락의 위치를 한 번에 감지할 수 있는 멀티터치 및 손바닥을 인식하여 감지에서 제거하는 ‘Palm-rejection’ 기능을 위한 알고리즘을 통해 다양하고 편리한 터치 기능을 구현할 수 있다. 이후 통신 인터페이스를 통해 전자기기의 주 처리장치와 통신을 한다. 또한 터치 데이터를 장치의 운영체제 또는 펌웨어로 전송하는 역할을 하며, 터치 컨트롤러 IC의 작동을 위해 전원 공급 장치를 조절하고 전력 소비를 최소화하는 전원 관리 회로도 포함되어 있다. 마지막으로 펌웨어는 터치 터치패널이 접촉을 감지하고 신호를 처리하거나 전지기기와의 통신을 위한 프로그램이다. 펌웨어를 업데이트하거나 사용자 성능을 개선하거나 새로운 기능을 추가할 수 있다.
이처럼 터치 컨트롤러 IC는 아날로그 프런트 앤드, 디지털 처리장치, 통신 인터페이스, 전원관리 및 펌웨어를 기본적으로 구성하고 있다. 터치 기능이 탑재된 전자기기는 계속해서 다양한 형태로 양산되고 있으며 앞으로 양산되는 터치 디스플레이 제품은 사용자의 요구를 충족하고 다양한 기능을 오류 없이 구현하기 위해 고성능의 터치 컨트롤러 IC 개발에 많은 자원과 노력이 투입되고 있다.
○ 왜 고성능 Touch IC가 필요한가?
터치패널의 경우 디스플레이와 같이 모듈화되는 것이 대부분이다. 가장 많이 사용되는 정전용량 방식의 터치패널의 경우 디스플레이의 크기가 커질수록 디스플레이 패널과 터치패널 사이의 커플링 노이즈가 증가하게 되고, 노이즈가 증가하게 되면 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아 터치 감도를 떨어뜨리는 주요인자로 작용하여 터치스크린패널의 품질 저하를 야기시킨다. 따라서, 터치 컨트롤러 IC의 성능향상을 통해 작은 정전용량 변화를 왜곡 없이 센싱하는 것이 매우 중요하며, 집적회로에서는 디스플레이 동작 시 커플링 노이즈로 인한 센싱 오류를 줄이기 위해 차동 센싱(Differential sensing) 방식을 적용하기도 한다.
또한 애플리케이션에 맞는 올바른 유형의 터치 컨트롤로 IC 제작을 위해서는 애플리케이션 요구사항에 맞춰 제작되는 것이 중요하다. 사용자 또는 사용처에 따라 터치 컨트롤 IC는 손가락 터치 및 복잡한 제스처에 빠르게 응답할 수 있어야 할 뿐만 아니라 고온 다습하거나 저온과 같은 극악의 환경에서도 올바르게 동작 해야 한다. 이처럼 정확하고 신뢰할 수 있는 터치 감지를 위해서는 고품질의 터치 컨트롤러 IC가 필요하다.
먼저, 터치의 정확도를 위해서는 고정밀 터치 컨트롤러 IC 개발이 필요하다. 고급 알고리즘과 기술을 활용하여 터치된 위치가 화면의 정확한 좌표에 입력되는 것은 터치 품질을 결정하는 중요한 인자이며, 고정밀 터치는 타이핑, 그림 그리기, 게임 및 사용자 인터페이스와의 상호 작용과 같은 작업에 필수적인 역할을 한다.
빠른 응답성 역시 터치센싱의 중요한 인자이다. 터치 컨트롤러 IC는 터치 입력을 빠르게 감지하고 지연 없이 장치의 운영 체제 또는 펌웨어로 데이터를 전송할 수 있어야 한다. 이러한 저지연 피드백은 신속한 터치 상호작용이 필요한 응용 분야에서 원활한 사용자 경험을 제공한다.
멀티터치 기능 또한 컨트롤러 IC의 지원이 필요하다. 디스플레이가 커지면서 여러 사람이 동시에 터치를 해도 포인트를 구분할 수 있는 고품질 터치 컨트롤러 IC가 필요하며, Pinch to zoom, Two-finger 스크롤, 회전과 같은 다양한 제스처를 감지하고 디스플레이에 표현이 가능해야 한다.
다음으로 터치 컨트롤러 IC를 통해 노이즈 및 간섭이 제거되어야 한다. 터치스크린은 노이즈 및 간섭에 취약할 수 있으며, 이로 인해 잘못된 터치 위치 또는 불규칙한 동작이 발생할 수 있다. 터치 컨트롤러 IC에서 필터링 기술을 통해 노이즈 및 간섭의 영향을 최소화하도록 설계되어야 하며, 의도적인 터치 입력과 의도하지 않은 노이즈를 구별할 수 있어야 다양한 환경이나 사용에 대해서도 안정적인 터치 감도를 보장할 수 있다.
마지막으로 터치 디스플레이 장치는 물리적 충격이나 터치의 상호작용을 받기 때문에 내구성이 중요하다. 지속적인 터치 입력과 충격에도 견디도록 터치 컨트롤러 IC 가 설계되어야 하며 장기적인 신뢰성과 수명을 보장하기 위해 엄격한 신뢰성 테스트를 거쳐야 한다.
이렇게 정밀한 터치의 감지, 빠른 응답성, 멀티터치 및 다양한 제스쳐 감지, 잡음제거 및 고내구성의 터치 디스플레이 기기를 위해서는 고품질의 터치 컨트롤러 IC가 필요하다.
우리는 터치 디스플레이를 생활 속에서 자주 사용하면서 편안함은 느낄 수 있지만 감사함 까지는 느끼지 못하는 것 같다. 손가락으로 누르는 곳을 인지한다는 단순한 기술을 위해 많은 인력과 기술이 투입되야 하며, 더 나은 감도와 정확도를 위해 터치 컨트롤러 IC는 척추와 같은 중추 역할을 하고 있다. 그리고 앞으로 만나게 될 터치 디스플레이의 다양한 기능 구현과 편의성을 위해 컨트롤러 IC는 지금처럼 계속 발전해 나갈 것이다.
