정전식 터치스크린 원리: 손가락을 찾는 전극 격자

유리판이 누른 자리를 어떻게 알까요?

정전식 터치스크린 원리는 유리 밑 투명 전극 격자의 정전용량 변화로 손가락 위치를 찾는 것입니다. 손가락이 교차점 가까이 오면 전극 사이 결합이 줄고, 컨트롤러가 그 값으로 위치를 계산합니다.

휴대폰 화면의 아이콘을 누르면 그 앱이 열립니다. 손가락이 닿은 유리에는 버튼도, 움직이는 부품도, 눈에 보이는 전선도 없는데 말입니다. 그 유리 바로 밑에는 투명한 전극이 격자 모양으로 깔려 있고, 옆에 붙은 작은 칩이 이 격자를 1초에 여러 번 잽니다. 손가락은 무언가를 눌러 움직이는 게 아닙니다. 두 전극 사이를 오가는 전하의 양을 바꿀 뿐이고, 칩이 그 변화를 알아챕니다.

위 모형은 손가락이 유리로 내려오는 장면에서 시작합니다. 그 밑의 전기력선이 손끝 쪽으로 휘고, 무대 아래쪽 판에 가장 가까운 교차점의 정전용량이 줄어드는 숫자가 나옵니다. 그다음 화면이 층별로 벌어집니다. 그 아래에는 마우스나 손가락으로 직접 누르는 실험판이 있습니다. 손가락 여러 개로 함께 눌러도 되고, 「유리 직접 누르기」를 켜면 모형 자체를 누를 수 있습니다. 실험판의 네모 칸 하나가 격자의 교차점 하나이고, 칸의 색과 숫자는 컨트롤러가 그 자리에서 잰 값입니다. 십자 표시는 컨트롤러가 이 숫자들로 계산한 위치이고, 점선 원은 실제로 누른 자리입니다. 둘이 얼마나 가까운지 바로 비교할 수 있습니다.

휴대폰 화면을 한 층씩 떼어 보면

위에서부터 차례로 이런 부품이 있습니다.

1. 커버 유리. 손가락이 실제로 만지는 유일한 부분입니다. 휴대폰에서는 보통 0.55 mm, 0.75 mm, 1.1 mm 두께이고 키오스크에는 3 mm까지 씁니다. 유리가 얇을수록, 유전율이 높을수록 화면이 예민해집니다. 플라스틱도 쓸 수 있지만 같은 성능을 내려면 유리의 절반 두께여야 합니다.
2. 수신 전극. 마름모 모양 패드를 모서리의 가는 목으로 이어 붙인 열입니다. 컨트롤러는 열마다 도착한 전하를 잽니다.
3. 절연층. 열과 행이 서로 닿지 않게 떼어 놓습니다. 모형에서는 이 층 위에 노드 지도를 그려, 교차점마다 잰 값을 색 네모로 보여 줍니다.
4. 송신 전극. 열과 90° 직각으로 놓인 마름모 행입니다. 컨트롤러가 한 번에 한 행씩 전압을 껐다 켰다 하며 구동합니다.
5. 디스플레이. 그림을 만드는 OLED나 LCD 패널입니다. 터치 층 바로 밑에 붙어 있어서 터치 신호에 잡음을 가장 많이 주는 이웃이기도 합니다.
6. 연성 케이블과 컨트롤러. 얇은 인쇄 회로 띠가 행과 열의 배선을 모두 터치 컨트롤러 칩까지 이어 줍니다. 배럿과 오모테는 대부분의 컨트롤러가 잡음을 덜 타도록 센서 가까이, 바로 이 띠 위에 놓인다고 설명합니다.

전극은 산화인듐주석(ITO)으로 만듭니다. 전기가 통하면서도 빛을 통과시키는 물질입니다. 3M의 기술 자료는 ITO 막의 면저항을 보통 30150 Ω/□로 들고, 막을 얇게 하면 빛은 더 잘 통하지만 저항이 올라간다는 맞바꿈도 함께 설명합니다. 가장 흔한 무늬는 마름모입니다. 배럿과 오모테는 2010년 Information Display에 실은 글에서 마름모 크기가 제조사에 따라 48 mm라고 적었습니다. 모형의 전극 간격은 마이크로칩이 예제로 쓴 5 mm와 같고, 감지 영역은 가로 120 mm, 세로 60 mm입니다. 그래서 행이 12줄, 열이 24줄이고, 둘이 엇갈리는 교차점은 288개입니다. 엔지니어들은 이 교차점을 노드라고 부릅니다.

모형의 두께는 일부러 크게 부풀렸습니다. 실제 ITO 막은 여기 그린 어떤 층보다 훨씬 얇아서, 실제 비율로 그리면 터치 센서 전체가 선 하나로 보입니다.

손가락이 닿으면 값이 줄어드는 이유

행과 열이 엇갈리는 자리에서는 두 전극이 아주 작은 축전기 하나를 이룹니다. 컨트롤러가 행의 전압을 바꾸면 이 정전용량을 거쳐 약간의 전하가 열로 넘어가고, 컨트롤러는 그 양을 잽니다. 그런데 전기장이 모두 층 사이에만 머무는 것은 아닙니다. 마름모 가장자리 근처에서는 전기력선 일부가 커버 유리 위로 불룩 솟았다가 다시 내려옵니다. 안내 4단계에서 보이는 파란 곡선이 이 선들입니다. 마이크로칩의 설계 안내서도 상호 정전용량 센서에서는 전극 한 쌍과 손끝 사이의 가장자리 전기장이 터치 신호를 좌우한다고 설명합니다. 두 전극 사이를 넓히면 평소 정전용량은 줄지만, 서로 마주 보는 가장자리도 짧아진다는 점도 덧붙입니다.

손가락은 커다란 몸에 이어진 도체입니다. 노드 위 유리에 손가락을 올리면 불룩 솟은 전기력선을 가로채 다른 곳으로 빼 가므로 열에 도착하는 전하가 줄어듭니다. 인피니언 설계 안내서는 이를 그대로 적어 둡니다. 송신 전극과 수신 전극 사이에 손가락이 놓이면 상호 정전용량이 줄고, 수신 전극이 받는 전하도 줄어듭니다. 마이크로칩은 손가락을 주입된 전류 일부를 훔쳐 가는 「정전 결합된 접지 경로」라고 표현합니다.

변화는 아주 작습니다. 마이크로칩 TB3064 문서의 예에서는 전극 하나가 측정 회로에 약 100 pF로 보이는데, 바로 위를 세게 누르면 0.5~1.0 pF가 달라지고, 옆 전극 위를 누르면 0.05 pF쯤 달라집니다. 배럿과 오모테는 투영 정전용량 화면이 몇 펨토패럿 수준의 변화까지 잡아내야 한다고 적었습니다. 이 방식이 전기 잡음에 그토록 예민한 까닭입니다.

실험판의 숫자는 이미 방향을 뒤집어 놓은 값입니다. 아무도 누르지 않았을 때를 기준으로 얼마나 달라졌는지를 카운트로 나타내므로, 정전용량은 줄었어도 손가락은 양수로 나타납니다. 모형에서는 맨손가락이 노드 바로 위를 누르면 100 카운트가 나오고, 컨트롤러는 30 이상을 터치로 셉니다.

교차점 288개를 한 행씩 읽는 법

컨트롤러는 노드를 한꺼번에 다 읽지 못합니다. 행 하나를 구동하고 그 행과 엇갈리는 열을 모두 잰 다음 다음 행으로 넘어가기를 끝없이 되풀이합니다. 배럿과 오모테는 이를 「모든 점을 따로 읽는(all points addressable)」 스캔이라 부르고, 당시 컨트롤러가 화면 전체를 1초에 대략 20~200번 읽는다고 적었습니다.

스캔 속도를 가장 느리게 두면 모형도 같은 일을 천천히 합니다. 구동 중인 행이 주황색으로 빛나고, 실험판의 노드 지도가 한 줄씩 채워집니다. 초당 3행이면 12행짜리 화면 한 장을 읽는 데 4초가 걸리므로, 손가락을 움직여도 스캔이 그 행에 닿아야 비로소 새 위치가 잡힙니다. 모형의 가장 빠른 속도는 초당 120프레임이고, 이때 행 하나에 주어지는 시간은 1,440분의 1초, 약 0.69 ms입니다.

날것의 측정값만으로는 알 수 있는 것이 별로 없습니다. 노드마다 처음부터 정전용량이 조금씩 다르기 때문입니다. 그래서 컨트롤러는 아무도 누르지 않은 화면의 값을 기준값으로 저장해 두고 새 측정값에서 뺍니다. 마이크로칩 문서는 이를 정규화 값 = 측정값 - 기준값으로 적고, 예제 펌웨어는 터치가 없을 때 약 800 ms마다 기준값을 새로 잽니다. 화면이 데워지는 것처럼 느리게 바뀌는 변화는 기준값에 흡수되므로 터치로 오인되지 않습니다.

격자보다 촘촘하게 위치를 읽는 법

전극이 5 mm 간격이라면 거친 답은 「6행 12열 근처 어딘가」 정도입니다. 자판의 글자 하나를 누르기에는 모자랍니다. 그런데 손끝은 전극 간격보다 넓어서 노드 여러 개에 동시에 걸리고, 가까운 노드일수록 값이 큽니다. 컨트롤러는 이 값들의 비율을 씁니다.

실험판은 축마다 노드 세 개의 값으로 가중 평균인 무게 중심을 구합니다. 모형에서 나온 예를 하나 보겠습니다. 손가락이 행 위의 x = 59.2 mm에 있고, 가장 가까운 열은 52.5 mm, 57.5 mm, 62.5 mm에 있습니다.

x = (14 × 52.5 + 88 × 57.5 + 62 × 62.5) ÷ (14 + 88 + 62) = 9,670 ÷ 164 = 58.96 mm

5 mm 간격 격자로 0.24 mm 차이까지 맞혔습니다. 실험판 옆 상자에는 지금 누른 터치 가운데 가장 센 것에 대해 이 계산이 실제 숫자로 나오고, 실제로 누른 자리와의 오차도 함께 표시됩니다.

마이크로칩 TB3064는 이와 아주 가까운 공식을 씁니다. 최대 전극의 위치에, 전극 간격의 절반과 (오른쪽 이웃 - 왼쪽 이웃) ÷ 최대값을 곱한 만큼을 더합니다. 문서의 예는 위치 384에서 최대값 100, 이웃 값 25와 75, 전극 사이를 128단계로 나눈 경우이고 384 + 64 × (75 - 25) ÷ 100 = 416이 나옵니다. 가중 평균으로 계산해도 (25 × 256 + 100 × 384 + 75 × 512) ÷ 200 = 416으로 같습니다. 이 예에서는 두 이웃 값을 더하면 최대값과 똑같기 때문입니다. 전극 사이를 128단계로 나누면 전극 아홉 개짜리 층은 1,024개 위치를 구별합니다. 인피니언도 슬라이더 조각 다섯 개로 적어도 100개 위치를 읽는다고 적었고, 배럿과 오모테는 투영 정전용량 화면의 해상도가 보통 1,024 × 1,024 이상이라고 설명합니다.

인피니언은 알아 둘 만한 설계 규칙도 하나 덧붙입니다. 손가락이 두 조각의 중심 사이 어디에 있든 센서 두 개가 쓸 만한 신호를 내야 위치가 고르게 나옵니다. 터치가 너무 작아 이웃 노드까지 닿지 않으면 계산된 위치가 가장 가까운 노드 쪽으로 쏠립니다.

두 손가락과 유령 터치

더 값싸게 스캔하는 방법도 있습니다. 행 하나 전체, 열 하나 전체를 접지에 대해 재는 방식으로, 자기 정전용량 방식이라고 합니다. 모형처럼 행 12줄, 열 24줄인 격자라면 288번 대신 36번만 재면 됩니다. 3M 자료는 더 큰 예로 40 × 60 센서를 듭니다. 전극은 100개인데 노드는 2,400개라서 터치를 구별하는 촘촘함이 24배 차이 납니다.

문제는 손가락이 둘이 될 때 드러납니다. 자기 정전용량 방식을 켜고 두 손가락으로 대각선 방향 두 곳을 눌러 보세요. 컨트롤러에는 문턱값을 넘은 행 두 줄과 열 두 줄이 보이는데, 이들이 엇갈리는 점은 네 개입니다. 둘은 진짜이고 둘은 유령 터치인데, 측정값만으로는 어느 쪽인지 알 수 없습니다. 경희대학교 연구진의 리뷰 논문은 이를 식으로 적습니다. (x1, y1)과 (x2, y2)를 누르면 (x1, y2)와 (x2, y1)에도 유령 위치가 생깁니다. 상호 정전용량 방식에서는 교차점마다 따로 값이 있으므로 두 손가락이 봉우리 두 개로만 나타납니다.

마이크로칩 문서는 두 방식을 섞어 쓰는 방법도 소개합니다. 먼저 빠른 자기 정전용량 방식으로 모든 전극을 재서 어느 행과 열이 걸렸는지 찾고, 그 행과 열이 엇갈리는 곳만 상호 정전용량으로 다시 잽니다. 문서의 두 손가락 예에서 후보 노드 네 곳은 20, 130, 110, 15로 나왔고, 큰 값 두 곳이 진짜 터치였습니다.

노드를 하나하나 재는 데에는 쓸모가 하나 더 있습니다. 배럿과 오모테는 아이폰 화면에 대한 애플의 특허 출원을 인용하는데, 여기서 컨트롤러는 「손가락 10개, 손바닥 2개, 기타 3개」로 터치 15개를 지원합니다. 휴대폰을 쥔 손을 알아보고 무시하려는 목적도 있습니다.

손가락이 아닌 것으로 누르면

「누르는 것」을 바꿔 보면 화면이 다른 물체에 어떻게 반응하는지 볼 수 있고, 그 아래 막대로 장갑, 화면 보호 필름, 물방울, 충전기 잡음을 더할 수 있습니다. 무대 아래쪽 판은 신호와 잡음, 그 비를 보여 주고, 절연층 위에 선 막대는 같은 노드 값을 입체로 보여 줍니다.

장갑은 손가락을 전극에서 더 떨어뜨리고, 그 사이에 전기가 잘 통하지 않는 층을 끼웁니다. 모형은 커버 유리와 보호 필름, 장갑을 직렬로 쌓인 층으로 다룹니다. 비유전율 7인 유리 0.7 mm는 공기 0.1 mm처럼, 장갑은 두께를 2로 나눈 만큼으로 셉니다. 장갑이 1 mm면 최대 25 카운트, 2 mm면 14, 3 mm면 10이고, 문턱값은 30입니다. 「고감도(장갑 모드)」는 문턱값을 12로 낮추므로 1 mm와 2 mm 장갑은 통하고 3 mm는 통하지 않습니다. 모두 모형 값입니다. 배럿과 오모테도 투영 정전용량 화면의 감지 거리를 늘려 면장갑이나 수술용 장갑을 낀 채 쓸 수 있다고 적었습니다. 이렇게 예민하게 만들면 맨손가락은 닿기도 전에 잡힙니다. 모형에서 유리 위 2 mm에 떠 있는 손가락이 벌써 39 카운트를 냅니다. 장갑 두께는 손가락에만 적용됩니다. 스타일러스나 바나나, 소시지는 손에 쥐고 그 끝이 유리에 닿으므로, 이것들을 고르면 장갑 막대가 잠깁니다.

화면 보호 필름도 같은 식으로 작용합니다. 모형에서 비유전율 2인 0.5 mm 플라스틱 필름은 40 카운트를, 1 mm 필름은 일반 문턱값보다 낮은 25 카운트를 남기고, 더한 층 1 mm마다 봉우리가 0.6 mm씩 넓어집니다.

물방울은 두 가지로 행동합니다. 인피니언에 따르면 센서 위에 떨어진 물방울이 접지된 부분까지 덮으면 손가락처럼 상호 정전용량을 낮춥니다. 반대로 송신 전극과 수신 전극만 덮으면 상호 정전용량이 오히려 커져서 값이 반대 방향으로 움직입니다. 모형은 두 경우를 다 보여 줍니다. 떠 있는 물방울은 약 −18 카운트로 실험판에 파랗게 나오고 컨트롤러가 무시합니다. 손가락이 9 mm 안쪽으로 다가오면 물방울이 손가락을 통해 접지되어 +50이 되고, 보고되는 위치가 그쪽으로 끌려갑니다. 자기 정전용량 방식에 고감도를 켜면 같은 행과 열에 놓인 물방울 몇 개만으로 손가락이 없는 곳에 터치가 잡힙니다. 경희대 리뷰도 물을 정전용량 화면이 터치로 잘못 알아볼 수 있는 오염물로 꼽습니다.

수동 스타일러스는 손가락을 흉내 내는 전도성 펜촉입니다. 리뷰 논문은 펜촉의 접촉 면적이 손가락과 비슷해야 하고, 화면이 이를 손가락과 구별하지 못한다고 설명합니다. 2009년 아트멜은 신호 대 잡음비를 25:1에서 80:1로 높여, 끝이 2~3 mm인 전도성 스타일러스를 따라가는 컨트롤러를 내놓았습니다. 배럿과 오모테는 그래도 예전 PDA 스타일러스의 0.8 mm 펜촉보다 훨씬 굵다고 지적합니다. 모형에서 폭 6 mm 고무 펜촉은 약 72 카운트, 2.5 mm 펜촉은 약 24 카운트라서 가는 펜은 고감도가 있어야 잡힙니다. 스스로 신호를 내보내는 능동 펜은 무대의 도감에 있지만 계산하지는 않습니다.

손에 쥔 바나나나 소시지는 조금 뭉툭한 손가락처럼 행동합니다. 물기가 있어 전기가 웬만큼 통하고 굵기가 손끝과 비슷하기 때문입니다(모형 최대 88, 80 카운트). 2010년 2월 엔가젯은 한국 아이폰 사용자들이 장갑을 벗는 대신 간식용 소시지로 화면을 누른다고 전했습니다. 나무 연필은 거의 아무 값도 내지 않습니다. 흑연 심은 전기가 통하지만, 마른 나무가 심과 손을 떼어 놓고 유리에 닿는 끝도 아주 작기 때문입니다.

충전기 잡음은 모든 노드에 섞인 작은 흔들림과 다릅니다. EDN은 값싼 충전기가 휴대폰의 전원과 접지를 함께 땅에 대해 흔들고, 이 흔들림은 땅과 이어진 손가락이 화면에 닿을 때만 문제가 된다고 설명합니다. 손가락이 그 잡음을 밑의 전극으로 넣기 때문입니다. 그래서 모형에서 잡음은 손가락 밑의 열을 따라 나타나고, 85 %에서는 진짜 터치 위아래에 유령 터치를 만듭니다. 사이프레스는 이 잡음을 듣고 더 조용한 동작 주파수로 옮겨 가는 컨트롤러 특허를 냈습니다. 「잡음 거르기(주파수 바꾸기)」는 모형의 충전기 잡음을 12 %로 줄입니다.

모형에서 단순하게 만든 부분

• 두께와 비율. 모든 층을 실제보다 수백 배 두껍게 그렸습니다. 노드 지도와 막대를 절연층 위에 그린 것도 모형에서 보기 쉽게 하려는 것입니다.
• 신호 모양. 물체마다 매끈한 종 모양 봉우리로 카운트를 계산했습니다. 손가락은 꼭대기 100, 폭 3.4 mm이고, 장갑이나 필름이 있으면 위의 직렬 층 규칙으로 줄어듭니다. 실제 모양은 유리와 전극 무늬, 손가락에 따라 다릅니다. 실제 측정처럼 숫자가 조금씩 흔들리도록 위아래 2 카운트의 무작위 잡음을 더했습니다.
• 피코패럿. 무대 아래쪽 판은 정해 둔 규칙으로 카운트를 정전용량으로 바꿉니다. 상호 정전용량은 안 만졌을 때 1.50 pF에서 1 카운트마다 0.002 pF씩 줄고, 자기 정전용량은 20 pF에 1 카운트마다 0.01 pF씩 더합니다. 변화의 방향과 대략의 크기를 보여 주려고 정한 모형 값이며 휴대폰을 잰 값이 아닙니다.
• 디스플레이와 충전기의 잡음. 충전기 잡음은 누르는 물체 밑 열을 따라 더한 무작위 카운트로만, 잡음 거르기는 그 크기를 줄이는 것으로만 계산했습니다. 경희대 리뷰는 디스플레이 잡음과 전원선 험도 들고, 디스플레이가 화면을 그리지 않는 짧은 틈에 재는 방법 같은 대책을 설명합니다. 맨 아래에 무늬 없는 ITO 차폐층을 한 장 더 넣는 설계도 있고, 인셀 방식은 터치 전극을 디스플레이 안에 아예 만들어 넣습니다. 디스플레이 잡음은 계산하지 않습니다.
• 추적과 필터. 실제 펌웨어는 프레임마다 손가락을 이어서 따라가고, 움직임을 매끄럽게 다듬고, 손바닥을 걸러 냅니다. 실험판은 한 프레임에서 보이는 결과만 알려 주므로, 펌웨어라면 버렸을 유령이 잡음 많은 프레임에 보일 수 있습니다.
• 지연 시간. 3M은 대부분의 사용자가 20 ms 이하의 반응이면 편하게 느끼지만, 익숙한 사용자는 10 ms 지연도 알아챌 수 있다고 적었습니다. 컨트롤러 시간 위에 운영체제와 그래픽 처리 시간이 더해진다는 점도 함께 짚습니다.

레이더 관제실에서 휴대폰까지

손가락으로 쓰는 첫 터치스크린은 방공과 항공 관제에서 나왔습니다. 영국 맬번의 왕립 레이더 연구소(RRE)에서 일하던 에릭 아서 존슨은 브라운관 위에 가는 구리선을 걸치고, 그 선을 만졌는지 알아채는 회로를 만들었습니다. 관제사가 화면에서 바로 선택지를 고를 수 있게 하려는 것이었습니다. 그의 미국 특허 Touch displays는 1969년 12월 2일에 등록되었습니다.

유럽입자물리연구소(CERN)에서는 벤트 스툼페가 1972년 3월 11일 자 손글씨 메모로 정전용량 터치스크린을 제안했습니다. 새로 짓는 슈퍼 양성자 싱크로트론(SPS)의 관제실에 쓰기 위해서였습니다. 축전기는 유리 위의 가는 구리선이었는데, 폭 80 µm, 간격 80 µm로 눈에 보이지 않을 만큼 가늘었고, 위에 래커를 입혀 손가락이 직접 닿지 않게 했습니다. 프랑크 베크와 스툼페는 1973년 CERN 보고서에 이 장치를 소개했고, 1976년 SPS가 가동을 시작할 때 관제실에는 이 터치스크린이 설치되어 있었습니다. 첫 판은 고정된 버튼 16개였습니다. 1977년 스툼페는 좌표마다 축전기 층을 하나씩, 모두 두 층을 둔 X–Y 터치스크린을 개발했습니다. 이 모형이 쓰는 행과 열의 생각과 같습니다.

투영 정전용량은 그 뒤로도 수십 년 동안 특수한 분야의 기술이었습니다. 배럿과 오모테는 이 기술이 2006년의 무명 기술에서 2009년 두 번째로 많이 쓰이는 터치 기술로 올라섰고, 그 바탕에 아이폰이 있었다고 설명합니다.

작은 터치가 바꾸는 전하량

피코패럿이라는 단위만으로는 회로가 얼마나 작은 차이를 읽는지 짐작하기 어렵습니다. MIT 정전용량 강의의 관계식은 Q = CV입니다. 측정 회로에서 보이는 정전용량을 100 pF, 인가하는 전압 변화를 3 V로 가정하겠습니다. 특정 휴대폰이나 모형의 규격이 아닌 계산용 조건입니다. 이때 전하는 100 pF × 3 V = 300 pC입니다. 터치로 유효 정전용량이 0.5 pF 달라지면 같은 전압에서 전하 차이는 1.5 pC로, 처음 값의 0.5%입니다. 1.0 pF가 달라지면 3 pC, 즉 1%입니다. 정전용량 범위는 Microchip TB3064에서 가져왔고 전압은 계산을 위해 정했습니다.

모든 상호 정전용량 노드의 기본값이 100 pF라는 뜻은 아닙니다. 측정 회로에 보이는 정전용량에는 전극과 기생 결합이 포함됩니다. 손가락이 전지처럼 일정한 전하를 공급하는 것도 아닙니다. 구동 전극 주위 전기장의 연결을 바꾸면 컨트롤러가 정해진 신호를 반복해서 가하고 그 차이를 읽습니다. 상호 방식에서는 측정하는 결합이 줄고, 자기 방식에서는 접지에 대한 결합이 늘어납니다.

화면의 위치는 0.1 mm 단위로 표시됩니다. 전극 간격이 5 mm이므로 한 간격에 표시 구간이 50개 있다는 뜻이지, 실제 전극이 50개 있다는 뜻은 아닙니다. 앞의 세 노드 계산에서는 실제 위치 59.2 mm에 대해 58.96 mm가 나왔습니다. 달라지는 잡음을 제외해도 오차가 약 0.24 mm입니다. 소수 첫째 자리로 반올림한다고 오차가 사라지지는 않습니다. 분해능은 보고할 수 있는 값의 간격이고 정확도는 실제 위치에 얼마나 가까운지를 말합니다. 한 간격을 천천히 이동하면 둘의 차이를 확인할 수 있습니다. 가장자리에서는 이웃 표본 하나가 없어지므로 가운데에서 잘 맞는 보간식도 경계에서는 다르게 작동할 수 있습니다.

초당 120회 스캔이 8 ms 응답을 뜻하지 않는 이유

가장 빠른 설정에서는 12행 × 120프레임/s = 1,440행/s를 읽습니다. 전체 스캔은 1,000 / 120 = 8.33 ms입니다. 멈춰 있는 손가락이 임의의 순간에 닿고, 각 행을 프레임마다 한 번 방문하며, 그때 즉시 검출한다고 가정하겠습니다. 해당 행까지 기다리는 시간은 거의 0에서 8.33 ms이고 평균은 4.17 ms입니다. 브라우저 지연을 측정한 값이 아니라 스캔 대기시간을 계산한 값입니다.

펌웨어가 두 번 연속 양성 판독을 받아야 새 터치를 인정한다고 가정하면 한 프레임이 더 필요합니다. 대기는 약 8.3316.67 ms, 평균 12.5 ms가 됩니다. 두 번 확인한다는 규칙은 필터링을 설명하는 가정이며 이 전시 검출기의 규칙이 아닙니다. 순간적인 전기 잡음을 거르면 오검출은 줄지만 진짜 터치도 늦게 받아들일 수 있습니다. Barrett와 Omote가 제시한 당시의 20200프레임/s는 프레임 주기 50~5 ms에 해당합니다. 그 주기만으로 휴대폰의 최종 반응시간을 정할 수는 없습니다.

검출 후에도 좌표가 앱에 전달되고 새 그림이 그려져야 합니다. 또 다른 가정으로 60 Hz 화면을 쓰면 새 갱신 구간은 16.67 ms마다 시작합니다. 다음 기회를 기다리는 데만 거의 그만큼 걸릴 수도 있고 다른 처리시간도 있습니다. 스캔 빈도와 화면 갱신 빈도, 터치에서 그림까지의 지연은 서로 다른 사건을 나타냅니다. 이 전시는 행을 읽는 순서를 보이려고 스캔을 늦추지만 운영체제나 화면 갱신 과정은 모사하지 않습니다. 초당 3행 설정은 12행에 4초가 걸리고, 가운데 초당 3프레임 설정은 약 333 ms입니다. 행/s와 프레임/s를 혼동하면 12배 차이가 납니다.

손가락을 찾는 네 가지 방식

BYU Design Review는 센서를 네 계열로 설명합니다. 비슷한 화면 위에 놓여 있어도 측정하는 물리량은 서로 다릅니다. 휴대폰의 투영 정전용량 구조로 모든 공공 키오스크를 설명할 수는 없습니다.

저항막은 기계적 접촉으로 두 층 사이 틈을 닫으므로 손끝이 전도체일 필요가 없습니다. 적외선 프레임은 화면 위로 빛을 보내므로 보이는 영역 전체에 투명 전극 격자를 놓을 필요가 없습니다. 표면 탄성파는 사용자의 정전용량 대신 변환기와 파동 교란의 시간 관계를 이용합니다. 이 세 대안은 「누르는 것」을 바꾸어도 모사되지 않습니다. 그 조작은 정전용량 센서에 가져다 대는 물체를 바꿀 뿐 센서 방식 자체를 바꾸지는 않습니다.

역사에서도 날짜를 나누어 읽어야 합니다. USC Viterbi의 역사 해설은 RRE에서 존슨이 손가락으로 작동시킨 연구를 1965년으로 적습니다. 앞의 1969년은 미국 특허 등록일이지 아이디어의 첫 시연일이 아닙니다. CERN의 1973년 보고서는 그 뒤 관제실 개발에 속합니다. 어느 날짜도 초기 장치가 오늘날 휴대폰처럼 여러 손가락의 연속 동작을 추적했다는 뜻은 아닙니다.

흔한 오해

세게 누를수록 전기 신호가 반드시 커집니다. 이 센서는 힘이 아니라 결합을 측정합니다. 세게 누르면 손끝이 납작해져 면적이 바뀔 수는 있지만 보정된 힘 측정은 아닙니다. 모형의 손가락은 정해진 분포를 가지며 압력 조작은 없습니다. 앱이 터치 진폭의 이름을 힘으로 바꾼다고 신뢰할 수 있는 힘을 얻지는 못합니다.

후보 점 네 개는 손가락 네 개를 검출했다는 뜻입니다. 행과 열을 통째로 읽는 자기 방식에서는 활성 행 두 개와 열 두 개가 가능한 교차점 네 개를 만듭니다. 어느 행이 어느 열과 짝인지가 빠진 정보입니다. 문턱값을 낮춰도 그 정보는 돌아오지 않고 잡음이 더 들어올 수 있습니다. 상호 측정은 교차점을 따로 읽습니다. 두 손가락을 같은 행에 놓는 시험도 대각선 시험과 다릅니다. 모호한 교차점 개수가 달라지기 때문입니다.

파란 물방울 표시가 실제 휴대폰의 방수를 증명합니다. 파란색은 여기서 선택한 떠 있는 물방울 모형의 기준값 대비 음수 신호를 뜻합니다. Infineon 설명처럼 물이 접지된 영역에 닿으면 다르게 작동할 수 있습니다. 방수는 액체가 기기 안으로 들어가는 문제이고, 젖은 손가락의 정상 동작은 전기 신호를 구분하는 문제입니다. 하나를 통과했다고 다른 조건까지 충족하는 것은 아닙니다.

화면에서 해 보기

조작 아래의 과제는 과제마다 「준비」를 누르면 시작 상태가 되고, 무대의 배지가 푼 개수를 셉니다. 아래 실험도 같은 조작으로 합니다.

「누르는 것」을 「맨손가락」으로 두고 「노드 값」을 켭니다. 노드 중심 두 곳 사이에서 터치를 천천히 옮깁니다. 표시 좌표를 점선 실제 위치와 비교하고 결과 옆의 오차를 확인합니다. 한 번 잘 맞은 값을 규격으로 삼기보다 짧은 경로에서 보인 가장 큰 오차를 기록합니다.

실험판에 손가락 두 개를 대거나, 「유리 직접 누르기」를 켜고 모형 위에 댑니다. 휴대폰에서는 두 손가락을 벌려 보세요. 두 터치 사이 점선에 핀치 배율이 나오고, 무대에서도 두 봉우리가 벌어집니다. 마우스로는 Shift 클릭으로 대각선의 두 자리에 손가락을 남긴 뒤 「자기 정전용량 방식」을 켜서 후보 교차점 수를 세고, 손가락을 그대로 둔 채 다시 끕니다.

「장갑 두께」를 2 mm로 두고 누릅니다. 「고감도(장갑 모드)」를 켜야 찾고, 3 mm에서는 그래도 못 찾습니다. 1 mm 「화면 보호 필름」과 「가는 스타일러스(끝 2.5 mm)」로도 해 봅니다. 그다음 아무것도 누르지 않은 채 「유리 위 물방울」을 다섯 개 올리고, 물만으로 터치가 잡히는 스캔 방식과 감도의 조합을 찾습니다.

마지막으로 「충전기 잡음」을 85 %로 두고 손가락 하나를 가만히 댑니다. 그 열을 따라 유령 터치가 나타납니다. 「잡음 거르기(주파수 바꾸기)」를 켜면 진짜 터치 수로 돌아옵니다. 이 실험은 측정한 피코패럿이 아니라 카운트를 쓰며, 지금 읽고 있는 기기의 실제 장갑·물·충전기 대응을 시험하지는 못합니다.