[편집자주] 애플의 아이폰 출시 이후, 본격적으로 터치 센서 시장은 성장하기 시작했다. 최근에는 스마트폰뿐만 아니라 노트북 등 각종 디스플레이 제품으로 응용이 확대되고 있다. 빠른 속도 및 멀티 터치를 가능하게 한 정전 용량 방식 터치 센서 기술이 스마트폰에 적용되면서, 터치 시장은 크게 확장됐다. 이런 가운데 글로벌 반도체 솔루션 기업인 인피니언 코리아의 이진용 부장과 만나 정전 용량 방식 터치 센서 원리 및 5세대 터치 알고리즘 ‘Multi-Sense Converter (MSC)’가 적용된 PSoC™ 4100S Max 시리즈에 대해 들어보는 자리를 마련했다.
 
■ 정전 용량 방식 터치 센서의 원리는

정전 용량 방식의 터치 센서는 전극 사이의 전하의 변화량을 감지하여 사람의 손이 닿았는지 감지하는 센서다. 

전하가 더해지는 것을 감지하는 Self-Cap 방식, 전하가 빠지는 것을 감지하는 Mutual-Cap 방식으로 구분된다. 

Self-Cap 방식은 하나의 터치 센서를 구현한다. MCU의 GPIO에 연결된 센서 패드에 전하의 충·방전을 반복할 때 사람의 손이 닿으면 전하가 더해지면서 충·방전 시 시간이 증가하게 되는데, 이를 통해 손이 닿았는지 감지하는 방법이다. 

일반적으로 단일 센서와 주변 GND 사이의 전하의 변화량을 체크하는 방식으로, 주로 터치 버튼에 많이 사용된다.

Mutual-Cap 방식은 Self-Cap과 달리 TX/RX라고 하는 두 개의 신호선을 필요로 한다. 

이 때 하나의 터치 센서를 구현하기 위해서 MCU에서는 두 개의 GPIO가 필요하다.

TX에서 보내는 전하를 RX에서 받아서 커패시터를 충전했다가 다시 방전하는 방법인데, 사람의 손이 닿으면 TX에서 RX로 넘어가는 전하의 양이 줄어들어 커패시터의 충·방전 시간이 바뀌게 된다. 

일반적으로 TX와 RX 센서 사이에 형성되는 전하의 변화량을 체크하는 방식으로 터치 버튼에도 사용이 되지만 주로 터치 스크린에 많이 사용되는 방식이다.

■ 정전 용량 방식 터치 센서의 장단점은

정전 용량 방식의 터치 센서의 장점은 크게 내구성, 가격, 디자인 3가지로 말할 수 있다.

첫째, 기계적인 버튼은 계속 사용하다 보면 변형이 생기고 결국 버튼을 교체해야 하는 상황이 발생하지만, 터치 센서는 그런 부분에서 자유롭다. 

둘째, 기계적인 버튼은 버튼의 개수가 증가할 때마다 가격이 증가하지만, 터치 버튼은 GPIO를 하나씩 더 연결하면 되기 때문에 가격적인 면에서 경쟁력을 가진다.

마지막으로 터치 센서는 외부에 노출되는 버튼이 없어 제품의 외부를 깔끔하게 디자인할 수 있어서 고객이 제품을 디자인하는 데 있어서 선택의 폭이 넓다.

한편 정전 용량 방식 터치 센서는 비전도성 물체로 터치했을 때 인식이 되지 않는다. 이러한 특성 때문에 정전 용량 방식 터치 센서와 압력 센서를 혼용하여 설계하기도 한다.

■ PSoC™이 터치 IC가 아니라 일반적인 MCU에 터치 기능이 포함된 것이라고 했는데, PSoC™이 다른 MCU와 다른 점은 무엇인가

2000년대 초반 PSoC™이 처음 국내에 소개될 때 터치 센서로 주로 사용되면서 많은 분들이 PSoC™을 터치 센서라고 인식하고 있으나, 터치 센서는 PSoC™이라는 MCU에 포함되어 있는 하나의 페리페럴(Peripheral) 블록이다. 

PSoC™은 “Programmable System On Chip”의 약자로, 8-bit부터 32-bit까지 Cortex® M0부터 M4 듀얼 코어까지 포괄하는 인피니언의 MCU 제품이다. 

내부에 프로그래머블 아날로그, 디지털, I/O 서브시스템 등을 내장하고 있으며, 제품에 따라 여러 페리페럴들을 다양하게 내장하고 있고, 공통적으로는 터치 센서 블록을 포함하고 있다. 

또한 Arm® 코어에서 제공하는 Active, Sleep, Deep-Sleep 3가지 모드 이외에 추가로 System LP, ULP, System Deep-Sleep, Hibernate의 4가지 모드를 지원해 총 7단계의 파워 모드를 지원하는 저전력 특화 MCU이다.

특히 PSoC™ 4와 PSoC™ 6에는 BLE를 내장한 제품이 있으며, Wi-Fi 제품과 인터페이스가 가능한 SDIO도 내장하고 있어 저전력 IoT 디바이스에 적합하다. 

프로그래머블 아날로그 블록에는 프로그래머블 터치 센서 블록, ADC, Opamp, 비교기 등을 내장하고 있어 센서 인터페이스에 적합하다. 

이번에 5세대 터치 센서 블록으로 업데이트된 PSoC™ 4 시리즈 중 하나인 PSoC™ 4100S MAX가 새롭게 출시됐다. 

PSoC™ 4100S MAX 제품은 개선된 터치 블록 이외에 △12-bit SAR ADC △각각 2개의 Opamp △비교기를 포함한다. 

Timer, Count, PWM 등으로 Configuration이 가능한 16개의 16-bit TCPWM 블록과 I2C, SPI, UART 등으로 Configuration이 가능한 5개의 SCB 블록 등을 내장하고 있어 일반적인 터치 센서 IC로도 활용이 가능하지만, 다른 센서의 입력 및 다른 디바이스와 인터페이스가 가능하여 센서 허브로써의 활용도 기대되는 제품이다. 

■ 5세대 터치 알고리즘 ‘Multi-Sense Converter (MSC)’ 블록에 대한 설명 부탁드린다

기존 제품과 비교하여 몇 가지 업데이트 사항이 있다. 

첫째, 기존 터치 블록은 DMA와 연동될 수 없어서 센서 스캔 시 CPU 점유율이 올라가는 문제가 있었는데, 새로 업데이트된 5세대 터치 블록은 DMA로 연동시킬 수 있어 센서를 스캔하더라도 CPU 점유율을 줄일 수 있다.

둘째, 기존 방식은 IDAC라고 불리는 전류 소스원의 온·오프를 통해서 전하를 공급했는데 이 과정에서 온·오프로 인한 지터 노이즈가 개입되는 부분이 있었다. 

MSC 블록에서는 CapDac이라고 하는 가변 캐패시터 방식을 사용해서 전하의 공급을 제어함으로써 지터 노이즈 발생의 원인이 되는 부분들을 제거했다. 

마지막으로, 충·방전 시기를 결정하는 비교기가 내부에 있다. 기존 방식은 비교기가 싱글 모드였지만 MSC는 자동 모드로 동작한다. 이로 인해 GND로 유입되는 공통 모드 노이즈를 제거할 수 있다. 

이와 같이 시그널의 개선 및 노이즈 제거 효과로 MSC 블록은 기존 대비 SNR (신호대 잡음비)을 개선하는 효과를 가져올 수 있다.

■ 6월 21일 웨비나에서 다룰 데모 내용에 대해 간략히 설명 부탁드린다

스마트 스피커 데모로, 실제 터치 없이 Proximity를 통해 손동작을 감지하여 스피커를 제어하는 데모다. MSC 블록을 이용했을 때 SNR의 개선을 통해 15cm 높이에서 제스처 근접 감지를 구현했다. 

왼쪽으로 손짓을 하면 이전 곡이 재생되고, 오른쪽은 다음 곡, 위아래 손짓이 감지되면 볼륨 조절, 그리고 손바닥이 움직이지 않는 상태로 일정 시간 감지되면 재생 및 멈춤으로 동작한다.

■ 마지막으로 독자들에게 한 말씀 부탁드린다

정전 용량의 터치 센서는 모바일 기기에서 출발해 현재는 자동차 산업으로까지 확대되고 있다.

이는 정전 용량 터치 센서의 안정성과 신뢰성이 확보되었기에 가능한 일이다. 

인피니언은 국내 터치 센서의 발전과 성장을 함께 해왔으며, 지금도 안주하지 않고 보다 나은 솔루션을 고객분들께 제공하기 위해 고민하고 있다. 단순 터치 센서가 아닌 통합 MCU 솔루션으로 도움을 드릴 수 있도록 지속 노력하겠다. 

감사합니다.