3차원 터치기술 Z축을 포함한 멀티터치 디스플레이 입력기술

3차원 멀티입력 수요발생, 다양한 응용산업에 적용하기 위한 3차원 터치기술 개발 중

3차원 터치기술은 터치스크린에 손가락을 누르는 힘의 세기를 인식하거나, 공간상 모션 좌표를 인식하여 동작하는 기술을 말하며, 스마트팩토리, 스마트홈 등 신성장 동력 산업의 등장으로 2 차원 터치보다 소비자가 직관적으로 사용하기 편한 새로운 입력 기술 개발이 요구되고 있다. 세계 터치기술 시장은 COVID-19로 인해 비대면 서비스가 활성화되면서 재성장 기회를 맞고 있으며, 스마트홈 시장도 연평균 25.4% 성장하여 2023년 1,454억 달러 규모에 이를 것으로 전망되고 있다. 편리한 UI(User Interface) / UX(User Experience)를 제공 가능하도록 하는 3차원 터치기술 시장은 자율주행차, 생활가전, 산업용 수요도 지속적으로 증가하여 향후에도 지속적으로 성장할 것으로 전망된다.

 

자연스러운 UI 구현을 위해 다양한 구동방식에 초점을 맞춘 개발이 진행 중

3차원 터치기술의 구동방식은 2차원 터치에서 구현하지 못했던 Z축 방향의 입력을 구현하기 위한 압력센서가 추가되며, 압력센서로 받은 신호는 햅틱엔진을 통해 피드백함으로써 소비자에 게 새로운 방식의 UI를 제공하고 있다. 최근에는 압력센서 표면에 미세구조 형성, 역학변색형 소재 채택, 은나노 소재 적용 등을 통해 고유연성, 고투과성을 추구하면서 동시에 3차원 터치 가 가능한 기술들이 개발되고 있다. 또한, 스마트폰에 적용되었던 정전용량 방식 이외에도 카메라, IR(Infrared Ray) 센서를 이용 한 광학방식, 마이크를 활용한 음성인식, 제스처 및 모션인식 등의 연구가 본격화되고 있다. 3 차원 터치기술은 센서, IC(Integrated Circuit), 알고리즘에 이르는 터치 분야의 이해가 필요하 며, 새로운 입력방식이 필요한 산업에 사용자 중심의 기술로 기대되고 있다.

 

 

■ 디스플레이의 입력수단, 터치기술

터치기술은 키보드나 마우스 등의 입력 장치 없이 손가락이나 펜 등의 물체를 스크린에 닿게 하여 해당 스크린의 좌표에 저장된 특정 기능을 실행하거나 화면에서 직접 입력 자료를 수신 할 수 있는 기술을 의미한다. 터치기술의 입력장치인 터치스크린의 기본구조는 TFT-LCD(Thin Film Transistor- Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light-Emitting Diode) 등의 디스플레이와 터치패널로 구 성된다. 터치입력방식은 화면을 직접 터치하여 사용자가 원하는 작업을 실행하는 가장 직관적 인 입력 인터페이스로서, 화면상의 대상을 직접 눈으로 보고 손으로 선택할 수 있는 가장 빠 른 포인팅 디바이스이며, 별도의 학습 없이 사용자가 빨리 작동방법을 습득할 수 있다는 것이 장점이다. 다만 화면상에서 조작함으로 인해 화면이 가려지거나 지문으로 인한 오염가능성, 디 스플레이 위에 패널을 덧붙임으로 인한 화면 품질 저하 등의 단점도 존재한다. 터치스크린은 구현방식에 따라 저항막 방식, 정전용량 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등으로 구성되며, 이 가운데 정전용량 방식이 최근 모바일 기기를 중심으로 주로 사용되고 있다.

 

터치스크린 패널은 구동방식에 따라 정전식 또는 감압식 터치 센서, 사용자가 입력하는 신호를 감지할 수 있도록 특수 처리된 터치스크린이 장착된 화면, 터치스크린을 드라이브하고 터치를 좌표로 전환시키는 터치 센서 IC, 터치패널에서 터치스크린을 구동시키기 위한 장치 S/W 드라 이버 및 제어프로그램, 어플리케이션 소프트웨어로 크게 5가지로 구성된다.

 

 

터치스크린의 구동방식 중 정전용량 방식이 대세

터치기술은 접촉식 정전용량 방식(Capacitive Overlay), 압력식 저항막 방식(Resistive Overlay), 적외선 감지 방식(Infrared Beam), 표면 초음파 전도 방식(Surface Acoustic Wave)이 있는데, 이 중에서 접촉식 정전용량 방식이 스마트폰과 태블릿 PC에 가장 널리 사용 되고 있다. 접촉식 정전용량 방식은 투명필름(PET) 또는 유리(Glass)의 한쪽에 투명 전극층(ITO, Indium Tin Oxide)을 코팅시켜 일정량의 전류를 흐르게 하고, 손가락이 터치스크린의 표면을 터치할 때 생기는 미세한 정전용량의 변화를 감지하여 터치 위치를 계산하는 방식이다. 이 방식은 미세 한 정전압에도 반응하므로 살짝만 접촉되어도 감지할 수 있으며, 높은 분해 능력을 가질 수 있 다는 것이 장점이다. 또한, 강화처리 된 유리에 특수한 금속코팅을 했기 때문에 견고성이 좋으 며, 수명이 길고, 빛의 투과율이 높아 원화상의 색상을 그대로 살릴 수 있다. 터치 시 반응속도 가 매우 빠르며, 오차율이 매우 적어 정확하다는 장점도 존재한다.

 

터치센서 구조는 X축 패턴 전극이 형성된 투명 전도성 필름과 Y축 패턴 전극이 형성된 투명 전 도성 필름을 OCA(Optically Clear Adhesive) 필름으로 합착시킨 터치패널과 강화유리 또는 PMMA(Poly Methyl MethAcrylate) 재질의 상판으로 구성된다. 터치센서의 패턴은 일반적으 로 마름모 모양이나 여러 가지 형상으로 제작이 가능하며, 제어 IC를 통해 이용자의 손이 터치 패널과 접촉할 때 미세 전하량 변화를 감지한다.

 

 

정전용량 방식 터치스크린 패널은 부착형에서 디스플레이 일체형으로 전환 추세

정전용량 방식의 터치스크린 패널은 부착형(Add-on Type), 커버윈도우 일체형(Touch Integrated with Cover Window Type), 디스플레이 일체형(Touch Integrated with Display(LCD/OLED) Type)으로 구분된다. 초기 스마트폰에는 부착형이 주로 사용되었지만, 스마트폰의 가격경쟁력을 확보하기 위해 제조사가 터치스크린 패널을 내재화하기 시작한 이후 커버윈도우 일체형을 거쳐 점차 디스플레이 일체형으로 전환되고 있다. 또한, 스마트폰 제조사들 은 시장 경쟁이 심화되면서 터치센서 제조 원가를 낮추기 위한 기술개발을 지속하고 있다. 디스플레이 일체형은 디스플레이 위 또는 내부에 투명전극을 패터닝하여 센서를 만드는 방식으로 On-cell 방식과 In-cell 방식이 있다. On-cell은 LCD의 Color Filter 위 또는 아래, OLED 의 Encap Glass에 ITO를 증착하고 X-Y 센서를 패터닝한 후 Cover Glass를 붙여서 제조하고 있다. In-cell 방식은 디스플레이 패널 내부(TFT 기판)에 터치센서를 장착하는 방식으로, 낮은 소비전력과 우수한 광학특성을 갖는 장점이 있다. 다만, 생산라인을 개조해야 하기 때문에 소량 생산이 어려워 대형 디스플레이 패널 제조업체만 생산이 가능하다는 단점을 갖고 있다. 

 

 

터치기술은 수요기업의 전략에 따라 방향이 결정

터치기술은 플라스틱 기판, 유리 기판, 투명전극, 금속 배선 소재 등 다양한 소재 산업과 이를 사용한 제조업, 장비 산업이 후방산업으로 존재하며, 전방산업으로는 IT, 전자, 자동차 산업 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 터치기술의 수요기업은 대부분 대기업으로 구성되어 있어 수요-공급에 대한 자유도가 매우 낮 아 터치센서 기업이 물량을 조정하기 어려운 상황이다. 또한, 제조원가가 시장경쟁력의 중요한 요소이므로 수요기업의 요구를 충족시키기 위해 원가절감에 대한 기술개발이 주로 이루어지며, 수요기업의 필요에 따라 새로운 개념의 입력기술을 확보할 수밖에 없는 생태계 구조이다.