안정적인 터치스크린을 빠르게 구현하는 방법

소비자 가전, 기업 및 산업용 시스템을 프로그래밍, 구성, 제어하기 위한 인간 기계 간 인터페이스(HMI)로서 점점 더 키보드 및 마우스보다 터치스크린이 선호되고 있습니다. 터치스크린은 직관적이고 빠르며 여러 입력 장치의 조합을 대체할 수 있는 단일 통합 인터페이스를 갖추고 있습니다. 또한 신체적 장애가 있는 사람에게 더 큰 편의를 제공하며 훨씬 콤팩트하게 만들 수 있습니다.

터치스크린은 다양한 응용 분야에 사용되므로 견고하고, 맨손으로든 장갑 낀 손가락으로든 작동 가능하고, 비용 효율적이어야 합니다. 저항 방식 터치스크린이 이러한 요구 사항을 충족하지만, 설계자는 적절한 컨트롤러와 연결되는 터치스크린이 포함된 기성 솔루션으로 신속하게 시장에 진입할 수 있어야 합니다. 또한 4선식 저항 방식 터치스크린 인터페이스와 5선식 저항 방식 터치스크린 인터페이스의 차이점을 이해해야 합니다.

이 기사에서는 저항 방식 터치스크린을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 NKK Switches의 터치스크린과 컨트롤러를 예시로 소개하고 이를 설계에 활용하는 방법을 제시합니다.

저항 방식 터치스크린의 작동 방식

저항 방식 터치스크린은 평면 패널 디스플레이에 오버레이되는 독립형 부품입니다. 터치스크린을 컨트롤러와 함께 사용하면 특정 영역을 터치하여 표시된 기호와 상호 작용할 수 있습니다. 터치스크린은 손가락 또는 스타일러스 터치의 위치를 정밀하게 감지할 수 있습니다. 그런 다음 응용 소프트웨어에서 해당 위치를 기반으로 수행되어야 할 추가 화면 작업을 결정합니다.

저항 방식 터치스크린은 저렴하면서 견고하고, 맨손가락, 장갑 낀 손, 스타일러스로 모두 작동 가능하므로 다양한 소비자 가전, 소매, 기업, 산업, 의료 응용 분야에 적합합니다. 이 기술에서는 후면이 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 전도성 레이어로 코팅된 변형 플라스틱 필름을 사용합니다. 터치스크린의 후면은 유리 또는 아크릴 패널로 만들어지고, 전면에는 ITO 레이어가 포함됩니다.

비전도성 스페이서 도트가 플라스틱 패널을 유리 또는 아크릴 후면 패널과 분리합니다. 손가락 또는 스타일러스를 사용하여 플라스틱 필름을 1N 또는 2N의 힘으로 누르면 필름이 후면 패널과 접촉하여 국소 압력 부위의 스위치가 효과적으로 닫힙니다. 4선식 또는 5선식 커넥터가 부착된 컨트롤러 기판에서 닫힌 스위치의 위치를 파악하면, 소프트웨어가 위치에 응답합니다(그림 1).

그림 1: 저항 방식 터치스크린은 눌러서 두 전도성 표면을 닿게 하면 작동합니다. (이미지 출처: NKK Switches)

저항 방식 터치스크린은 경제성 또는 견고성이 필요하거나, 장갑 낀 손 또는 비전도성 스타일러스로 작동해야 하는 경우에 널리 사용됩니다. 일반적으로 수백만에서 수천만 회까지 고장 없이 작동할 수 있습니다. 또한 저항 방식 터치스크린은 물방울이나 화학 물질로부터 안전하도록 제조될 수 있습니다.

4선식 터치스크린 구성과 5선식 터치스크린 구성의 차이점

4선식 터치스크린 구성에서는 하단 플레이트와 상단 플레이트에 각각 두 개의 전극을 사용합니다. 하단 플레이트에서는 전극이 Y축을 따라 움직이므로 X축을 따라 저항을 측정할 수 있습니다. 마찬가지로, 상단 플레이트에서는 에지 전극이 X축을 따라 움직이므로 Y축을 따라 저항을 측정할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 4선식 저항 방식 터치스크린에서는 하단 플레이트와 상단 플레이트에 각각 두 개의 에지 전극을 사용합니다. 에지 전극 쌍이 서로 직각으로 움직이면서 터치 부위의 XY 위치를 결정할 수 있습니다. (이미지 출처: NKK Switches)

손가락이 접촉하는 지점에서 하단 레이어는 실질적으로 상단 레이어를 두 직렬 저항으로 나누게 됩니다. 하단 레이어도 상단 레이어와 접촉하는 지점에서 비슷하게 분할됩니다. 적절한 바이어스를 설정하면 각 플레이트는 출력 전압으로 접촉 지점의 좌표를 나타내는 분배기 역할로 기능할 수 있습니다.

5선식 시스템에서 상단 플레이트는 네 개의 에지 전극을 사용하며 전압 감지 노드 역할을 합니다. 하단 플레이트의 네 모서리는 X 방향과 Y 방향으로 전압 구배를 생성하는 전극을 형성합니다. X 방향 및 Y 방향 측정값을 얻기 위해 다양한 바이어스 구성을 사용합니다(그림 3).

그림 3: 5선식 저항 방식 터치스크린은 하단 플레이트에서 네 개의 모서리 전극을 사용하여 X 방향과 Y 방향으로 전압 구배를 생성하고 상단 플레이트에서 두 에지 전극 쌍을 사용하여 전압을 감지합니다. (이미지 출처: NKK Switches)

5선식 구성에서는 하단 플레이트만 활성화됩니다. 즉, 상단 플레이트가 손상되더라도 터치스크린이 작동할 수 있습니다. 반대로 4선식 터치스크린에서는 두 플레이트가 모두 활성화되므로 상단 플레이트가 손상되면 터치스크린이 고장 날 수 있습니다. 5선식 터치스크린은 내구성이 뛰어나지만 설계의 복잡성과 비용이 증가한다는 트레이드 오프가 있습니다.

상업용 저항 방식 터치스크린 솔루션

복잡성을 최소화하고 출시 시간을 단축하기 위해 NKK에서는 터치스크린과 연결 컨트롤러 양면으로 검증된 상용 솔루션을 제공합니다. 설계자는 또한 NKK의 터치스크린을 소싱하여 다른 제조업체의 컨트롤러나 자체 컨트롤러와 연결할 수 있습니다.

NKK의 FT 계열은 저항 방식 터치스크린의 좋은 예입니다. 5.7인치 ~ 15.6인치(대각선) 사이의 다양한 화면 크기로 제공되는 이 계열은 터치 활성화 힘이 1.4N인 4선식 구성과 5선식 구성으로 제공됩니다(표 1). 두 버전 모두 유연한 회로 테일이 컨트롤러 기판에 연결되어 있습니다.

표 1: 4선식 저항 방식 터치스크린과 5선식 저항 방식 터치스크린을 비교하면 탭 작동에서 5선식 버전의 작동 수명이 더 긴 것으로 나타납니다. (이미지 출처: NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A는 5VDC에서 소비 전류가 1mA이고, XY 저항 값이 250Ω ~ 850Ω이고, 선형성이 1.5%이며, 절연 임피던스가 10MΩ인 4선식 5.7인치 모델입니다. 터치스크린의 예상 작동 수명은 50,000회 쓰기 또는 100만 회 탭 작동입니다.

FTAS00-10.4A-5는 5.5 VDC에서 소비 전류가 1mA이고, XY 저항 값이 20Ω ~ 80Ω이고, 선형성이 2%이며, 최소 절연 임피던스가 10MΩ인 5선식 10.4인치 모델입니다. 작동 수명은 50,000회 쓰기 또는 1,000만 회 탭 작동입니다.

4선식 터치스크린 제품과 5선식 터치스크린 제품 모두에서 NKK는 RS232C 또는 USB 인터페이스를 탑재한 컨트롤러를 제공합니다. 컨트롤러 기판은 Windows 7, 8, 10과 호환되는 장치 드라이버 소프트웨어와 함께 제공됩니다. FTCS04C 및 FTCU04B는 각각 NKK 4선식 터치스크린을 위한 RS232C 및 USB 인터페이스 컨트롤러 기판이며, FTCS05B 및 FTCU05B는 5선식 터치스크린을 위한 동종 기판입니다.

저항 방식 터치스크린 시작하기

4선식 터치스크린과 5선식 터치스크린의 설계 공정은 비슷합니다. RS232C 및 USB 4선식 컨트롤러 기판의 핵심은 FTCSU548 컨트롤러 칩입니다. 이 48핀 LFQFP IC에는 비동기식 직렬 인터페이스와 최고 속도 USB 2.0 인터페이스가 있습니다. 이 IC는 RS232C 작동을 위한 3.3V ~ 5V 공급 장치 또는 USB 작동을 위한 5V 공급 장치를 통해 전원이 공급되며, 정격 출력 전류는 170mA, 작동 주파수는 16MHz이고, 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 분해능은 10비트입니다. 칩에는 보정 기능이 내장되어 있습니다.

터치스크린을 누르면 컨트롤러 IC가 ADC에 의해 감지된 아날로그 전압 값을 사용하여 좌표를 결정한 후 RS232C 또는 USB 인터페이스를 통해 호스트 컴퓨터에 전달합니다(그림 4).

그림 4: FTCSU548 컨트롤러 IC(IC1)는 FTCU04B(4선식 USB) 컨트롤러 기판에 실장됩니다. CN1(왼쪽)은 터치스크린의 4선식 유연 회로 테일용 커넥터입니다. (이미지 출처: NKK Switches)

터치스크린의 4선식 유연 회로 테일은 CN1을 통해 컨트롤러 기판에 연결됩니다. 컨트롤러 기판은 CN4를 통해 호스트 PC에 연결됩니다. 또한 CN4 USB 인터페이스는 기판에 전원을 공급합니다. 호스트는 장치 드라이버 및 터치스크린 응용 소프트웨어를 실행합니다(그림 5).

그림 5: 일반 4선식 USB 컨트롤러 기판 및 호스트 PC 구성을 보여줍니다. (이미지 출처: NKK Switches)

설계 팁

저항 방식 터치스크린은 설치 시 보정해야 합니다. FTCSU548 컨트롤러 IC에는 보정 기능이 내장되어 있습니다. 보정하려면 먼저 컨트롤러 IC를 '소스 데이터 모드'로 설정해야 합니다. 그러면 PC에서는 작업자가 스타일러스로 누르는 기준점(P1)을 터치스크린에 표시하고 컨트롤러 기판을 통해 ADC 전압 정보를 PC에 전송합니다. 이 공정은 멀리 떨어진 터치스크린 영역의 두 번째 지점(P2)에서 반복됩니다. P1 및 P2의 물리적 좌표는 PC에 8바이트 숫자로 전송됩니다. 그러면 터치스크린은 ‘보정 데이터 모드’로 설정되고, 응용 소프트웨어에서 알려진 두 지점의 전압 및 좌표 판독값과 내장된 ‘0,0’ 참고 지점을 사용하여 보정 데이터 모드 영역의 다른 모든 좌표를 보간합니다(그림 6).

그림 6: 터치스크린이 노후화됨에 따라 저항이 변하므로 초기 구성 시와 이후 주기적으로 보정해야 합니다. (이미지 출처: NKK Switches)

스크린이 노후화됨에 따라 저항이 변하므로 작동 수명 내내 다시 보정해야 합니다.

전자파 장해(EMI)를 방지하기 위해 디스플레이 장치 프레임에는 접지를 포함해야 합니다. 손가락의 초기 접점 저항으로 인해 ‘채터링’이 발생할 수도 있습니다. 채터링을 방지하기 위해 시스템에서 좌표를 계산하기 전에 내장된 지연을 사용하여 전압을 안정시킬 수 있습니다.

또한 설계자는 사용자에게 터치스크린의 두 영역을 동시에 터치하도록 지시하는 소프트웨어가 포함되지 않도록 유의해야 합니다. 이 기술에서는 두 영역의 동시 터치를 확인할 수 없으며 기본적으로 두 터치의 중심점을 찾습니다. 마지막으로, 스타일러스를 사용하여 화면에 선을 그리면 화면 스페이서 위에 두 레이어가 분리되는 간격이 나타납니다. 설계자는 응용 소프트웨어를 통해 이 간격을 채워야 합니다.

결론

저항 방식 터치스크린은 경제적이고 견고하며 맨손가락, 장갑 낀 손, 스타일러스로 모두 작동해야 하는 응용 분야에 적합한 HMI입니다. 구현을 간소화하기 위해 NKK의 상업용 솔루션에는 터치스크린 오버레이, 전용 컨트롤러 IC가 탑재된 컨트롤러 기판, 장치 드라이버 소프트웨어가 포함되어 있습니다.