정전용량 및 적외선 근접 감지를 사용한 차세대 휴먼 인터페이스 개발

2010년에만 해도 10억 개가 넘는 고급 휴먼 인터페이스 기능을 갖춘 전자 제품이 출하될 예정이다. 정전용량 및 적외선 근접 감지 등의 기술을 기반으로 하는 이러한 인터페이스는 최종 사용자의 환경을 대폭 개선하는 동시에 시스템 안정성을 높이고 전반적인 비용을 줄인다. 또한 제품의 사용 편의성을 높이고 외관의 미적 효과를 높이는 것은 물론 날로 늘어나는 전자 제품에 내재된 복잡성을 가려 제조업체들이 고급 기능을 갖춘 제품을 대중 시장에 보다 빨리 출시할 수 있도록 한다.

Steve Gerber / 실리콘 래버러토리스, 휴먼 인터페이스 제품 책임자

고급 센서 기반 인터페이스는 시간이 지남에 따라 고장 나기 쉬운 버튼 및 다이얼과 관련된 이동 부품이 없어 기존의 기계식 인터페이스보다 안정성이 뛰어나다. 또한 센서 기반 컨트롤 패널 및 디스플레이의 유연성이 향상됨에 따라 애플리케이션 컨텍스트를 기반으로 단일 컨트롤 집합을 재구성하여 현재 활성화되어 있는 선택 항목만 사용자에게 표시되도록 할 수 있게 되었다.
개발자는 제스처 인식 및 ‘터치리스(Touchless)’ 기술과 이 인터페이스를 접목시켜 디바이스 인터페이스에 지능형 기능을 추가함으로써 사용자가 필요로 하는 부분을 예상하고 제품의 친밀도와 직관적인 사용 수준을 높이는 혁신적인 사용 모델을 구현할 수 있다. 또한 시장 요구 사항이 변경되면 시스템을 완전히 다시 고안하거나 디바이스 패키지를 다시 디자인할 필요 없이 유연한 펌웨어를 쉽고 빠르게 조정할 수 있다.

차세대 휴먼 인터페이스
새로운 세대의 제품은 시장에서의 차별화를 위해 차세대 휴먼 인터페이스를 사용해야 한다. 전자 디바이스가 해당 환경을 보다 뛰어나게 인식할 수 있도록 함으로써 사용 편의성을 높이고 전력 효율을 개선하며 시스템 비용을 줄이는 새로운 사양을 구현할 수 있다. 또한 높은 민감도, 낮은 잡음 및 내습성을 통해 아무리 까다로운 환경에서도 안정성을 확보할 수 있게 된다.
차세대 인터페이스 개발을 주도하는 두 가지 주요 기술은 정전용량 및 근접 감지 기술이다. 정전용량 감지 기술은 감지 소자 정전용량 값의 변화를 통해 손가락의 존재 여부를 탐지한다. 또한 슬라이더 및 휠 같은 고급 컨트롤을 구현하며 사용자가 버튼을 누르는 경우처럼 물리적인 피드백에 익숙해져 있는 근거리 인터페이스에 매우 적합하다. 근접 감지 기술에서는 적외선 센서를 통해 적외선 반사도 기법을 사용하여 물체의 거리를 1m까지 계산한다. 그뿐만 아니라 물체를 공간에 배치함으로써 ‘터치리스’ 제스처 추적 기능을 구현한다.
이러한 두 기술을 함께 사용하면 사용자 인터페이스를 보다 세부적으로 조정할 수 있게 된다. 많은 최종 사용자들은 아이팟(iPod)과 아이폰(iPhone) 같은 다양한 소비자 제품에서 정전용량 감지 기술을 사용하는 데 익숙해져 있다.
최근까지만 해도 근접 감지 기술은 대개 핸드셋의 뺨 감지(Cheek Detection) 같은 단순한 작업에 사용되었지만 다음과 같이 훨씬 더 많은 용도로 사용할 수 있다.

■ 사용자 감지
   근접 감지 기술은 가령 최종 사용자가 현재 PC 앞에 앉아 있으며 책상에서 일어나 나갈 때 디스플레이를 끄는지 여부까지 확인할 수 있다. LCD 백라이트에 상당한 양의 전력이 소모된다는 점을 감안하면 단순한 사용자 감지만으로도 조직에서는 많은 전력을 절감할 수 있게 되는 것이다.
또한 사용자 감지는 디바이스가 갑작스럽게 제거해도 영향을 받지 않도록 USB 충전기 또는 썸 드라이브(Thumb Drive) 같은 디바이스에 구현할 수도 있다.

■ 지문 자국 없는 디스플레이
많은 휴대형 디바이스에서는 사용자가 화면 전체에서 버튼을 터치해야 하므로 내용 확인을 불편하게 하고 청소를 어렵게 만드는 기름진 자국이 남게 된다. 예를 들어 휴대형 멀티미디어 플레이어에 터치리스 인터페이스를 활용하면 사용자가 비디오를 감상하려는 화면을 터치할 필요가 없어진다.
이와 유사한 애플리케이션으로는 사용자가 터치리스 편의 기능을 통해 전자 요리책의 페이지를 넘길 수 있도록 하거나 의사가 외과 수술 도중 지문으로 화면을 더럽히지 않고 터치 스크린 기반 시스템과 직접 상호 작용할 수 있도록 하는 경우 등이 있다.

■ 자동 백라이트 제어
근접 감지 신호 경로에는 주변광 센서(ALS)를 사용하여 외부 광원으로부터 나오는 잡음을 줄이는 것이 포함된다. 또한 배경 조명 상태를 모니터링하고 디스플레이 백라이트를 자동으로 적절히 조정하여 전력 소모량을 줄이는 데에도 이와 동일한 센서를 사용할 수 있다.

■ 투명 침임 탐지
시스템의 내부 문 표면에 적외선을 반사하면 개발자는 동일한 용도로 사용되는 기계식 스위치의 비안정성과 비용을 없애는 “투명한” 침입 탐지 메커니즘을 구축할 수 있게 된다.

■ 건강 및 안전상의 이점
키오스크, 체크아웃 스탠드 및 그 밖의 공용 컴퓨터는 키보드 및 터치 스크린을 통해 질병을 확산시킨다는 측면에서 건강상의 위험 요소가 있다. 예를 들어 중국 일부 지역에서는 사스(SARS)의 확산을 막기 위해 모든 엘리베이터 패널을 한 시간에 한 번씩 닦도록 법으로 정해 놓고 있다. 터치리스 패널은 이러한 공중 보건 문제를 없애거나 완화한다.

인터페이스 제어 부담 해결
임베디드 디자인 부문에서 떠오라는 한 가지 추세는 사용자 인터페이스 관리 부담을 기본 애플리케이션 프로세서에서 전용 8비트 MCU로 넘기는 것이다. 애플리케이션 프로세서 측면에서는 인간의 터치가 비교적 느린 이벤트이며 사용자가 손가락을 이동했는지 여부를 확인하기 위해 전체 시스템을 구동하면 8비트 MCU에서 동일한 작업을 수행하는 데 필요한 것보다 훨씬 많은 전력이 소모된다.
실리콘 랩(www.silabs.com)의 F99x 제품군 같은 정전용량 터치 감지 MCU는 차세대 사용자 인터페이스를 관리하는 데 매우 적합하다. F99x MCU는 최대 25MHz의 성능과 작업 최적화를 위한 주변장치를 함께 갖추고 있어 지능적이고 정확한 감지 기능을 구현하는 데 필요한 처리 및 입력 기능을 제공한다. 개발자는 이를 Si11xx 근접 센서 제품군과 함께 구현할 경우 단일 개발 환경에 매우 효율적인 사용자 인터페이스를 구현할 수 있게 된다.
F99x MCU의 정전용량 감지 성능은 하드웨어 기반의 정전용량-디지털 컨버터(CDC: Capacitive-to-Digital Converter)를 통해 더욱 향상된다. 실리콘 랩에서 개발한 이 CDC는 두 개의 전류 입력(디지털-아날로그 컨버터, 즉 DAC)으로 구성되어 있는데, 첫 번째는 외부 센서 캐패시터에 공급되는 전류를 측정하는 가변 DAC이고 두 번째는 내부 레퍼런스 캐패시터의 정전류 소스이다(그림 1 참조).
캐패시턴스는 연속 근사 레지스터(SAR: Successive Approximation Register)를 사용하여 측정하는데, 이는 외부 부품이 불필요하며 DC 오프셋에 대한 면역성을 지닌 효율적인 프로세스이다.
F99x MCU의 16비트 CDC는 안정성과 정확도가 뛰어나다. 이 CDC는 외부 캐패시터를 2단계로 방전함으로써 방전 도중 캡처되는 주변의 잡음 에너지를 제거한다. 이와 비교해 다른 접근 방식에서는 추가 외부 부품(예: 직렬 저항)과 채널당 두 개 이상의 I/O를 사용해야 함에 따라 MCU 크기가 커지고 라우팅 문제가 늘어난다.
CDC의 동적 범위는 조정 가능한 게인을 통해 개선된다. 또한 동적 범위는 소스 전류를 줄여 전하 타이밍을 변경하고 소스 전류와 직렬 임피던스가 모두 하이 상태(예: 터치 패널 또는 ESD 보호 정전용량 패드를 사용하는 경우)일 때 정전용량 센서에 전압을 보다 직접적으로 나타내는 기능을 통해서도 향상된다. 개발자는 향상된 민감도를 통해 늘어난 신호 마진을 바탕으로 보다 두꺼운 플라스틱을 사용하고 전극의 크기를 줄이며 잡음이 많은 환경에서도 안정적으로 작동하도록 할 수 있다.
또한 CDC는 핀 모니터링을 통해 핀 주변의 고전류 스위칭에서 발생 가능한 간섭을 제거해야 하는 경우 변환 타이밍을 자동으로 조정할 수 있다. 요컨대 CDC를 사용하면 일반적인 정전용량 감지 구현에 대해 50에서 100 사이의 뛰어난 신호 대 잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)를 구현할 수 있다.

탁월한 시스템 응답 성능
근접 감지 기술에서는 적외선 센서 하나와 적외선 LED를 하나 이상 사용한다. 기본 작동 원리는 물체에 빛을 비추고 반사되는 빛의 세기를 측정하는 것이다. 필요한 LED의 수는 애플리케이션과 필요한 공간 정보에 따라 달라진다. 예를 들어 종이 타월기(Paper Towel Dispenser) 센서에는 사람이 타월기 앞에 서 있음을 감지하기 위한 하나의 LED만 있으면 된다. 좌/우 또는 상/하 제스처를 감지하려면 두 개의 LED가 필요하다. 또한 전체 공간 정보를 지원하려면 세 개의 LED를 사용해야 한다. 각각의 경우에서 물리적 센서는 하나만 있으면 된다. 하지만 센서를 추가할 때마다 각 LED로부터 수신하는 신호의 세기를 식별하고 감지한 물체의 위치를 삼각 측량하기 위한 처리 성능이 증가한다.
수신되는 신호에서 잡음(즉, 배경 조명)을 필터링하는 데에도 처리 성능이 요구된다. 프로