상호 정전용량 방식 터치센서를 이용한 차량 UI 개선

상호 정전용량 방식 터치센터의 적용사례

글│테츠야 토쿠나가(Tetsuya Tokunaga), 제품 마켓터, ON Semiconductor
2017년 09월호 지면기사

터치 기반 제어는 이제 막 자동차 제조업체와 그 티어 1(tier one) 업체들로부터 인정받기 시작했다. 이 기술은 경쟁이 치열한 자동차 시장에서 차별화 기회를 제공한다. 터치 기술은 차량 내에서 다양하게 적용할 수 있다. 가장 눈에 띄는 부분은 공조장치(HVAC) 제어, 스마트키 엔트리 시스템(근접 센서 기반), 파워 윈도 리프터와 같은 바디 전자 기능이다. 


물론, 이러한 기능을 위한 터치센서 솔루션을 지정하는 것과 관련한 의사결정 과정은 휴대용 전자기기, 홈 엔터테인먼트 시스템, 백색가전 등에 어떤 기술을 적용할 것인가를 결정하는 과정과는 다르며, 다른 시장에서는 찾아볼 수 없는 중요하고 매우 특징적인 몇 가지 측면이 자동차 산업에 존재한다. 따라서 충분한 검토를 하지 않으면, 터치 시스템은 애플리케이션이 요구하는 성능, 신뢰성 및 수명을 충족시킬 수 없다.


자동차 환경에서의 터치센서


자동차 환경은 일반적으로 냉혹하며 타협할 수 없는 조건이다. 따라서 차량 시스템에 들어가는 전자부품은 그 조건을 충족해야 한다. 이러한 조건에 터치센서를 활용하려는 경우 고려해야 할 주요 기준이 있다.
 

첫째, 터치센서는 차량에 존재하는 다양한 전기모터뿐 아니라 케이블 하네스(cable harnessing), 발전기 코일(alternator coil) 및 관련된 다른 여러 부분들로 인해 심각한 전자파 잡음에 노출될 것이다. 전자파 잡음 문제를 제대로 해결하지 못하면, 터치 시스템의 성능 신뢰도가 떨어질 수 있다. 둘째, 이러한 터치센서는 기계적 충격, 진동 및 온도 상승과 같은 다양한 물리적 스트레스에 대처할 수 있도록 설계되어야 한다. 따라서 견고한 구조가 필수적이므로 정전용량 터치센서가 가장 적합한 솔루션으로 판단된다.
 

다음으로, 차량 간에 전기 시스템 수준에서 파라미터의 상당한 변화가 있을 수 있으므로 생산 라인에서 자동차가 출고되기 전에 미세 조정을 할 수 있는 조치가 필요하다. 마지막으로, 터치 기능이 적용될 수 있는 다양한 애플리케이션이 차량 안팎에 존재한다는 점을 감안할 때, 센서는 모든 애플리케이션의 요구사항을 충족시킬 다양한 기능을 제공해야 한다. 즉 가능한 한 부품 수를 적게 유지하면서 다양한 디자인 구성을 지원할 수 있는 능력이 중요하다.


예를 들어, 일부 설계는 센서/PCB 및 보호 덮개 사이에 공극(air gap)이 발생할 수 있는데, 이는 일반적으로 도광판이 설치되어야 함을 의미한다. 그러나 BOM(bill of materials) 비용과 관련 엔지니어링 노력 측면에서 모두 영향을 미치게 된다. 이러한 문제를 완화할 수 있는 기술을 채택해 그 장점을 최대한 활용할 필요가 있다.


정전용량 터치센서의 원리


정전용량 터치센서는 자기 정전용량(self-capacitance)과 상호 정전용량(mutual capacitance)의 두 가지 센서 기술 중 하나를 기반으로 한다. 자기 정전용량은 사용자의 손가락이 센서 전극에 닿으면 용량이 증가한다. 널리 사용되고 있는 자기 정전용량식 터치센서는 기생 정전용량(parasitic capacitance)의 영향을 받기 쉬울 뿐 아니라 도달 가능한 범위와 관련해 한계가 있다. 따라서 자기 정전용량 방식은 공극이 존재하는 애플리케이션의 경우에 적합하지 않다.
 

이와 반대로, 상호 정전용량의 구조는 두 개의 분리된 전극을 가지는데, 사용자의 손가락이 닿으면 전극 사이의 전극 가압력(electrode force) 선이 감소해 감지하게 되는 방식이다. 이 방식에는 우수한 신호 조건이 수반되어야 하는데, 장거리 동작을 지원하면서도 자기 정전용량 방식만큼 기생 정전용량의 영향을 받지 않는다. 따라서 공극 및 잡음이 내재하는 애플리케이션 환경에 효과적으로 대처할 수 있다.
 

적용사례


상호 정전용량 방식을 이용하면, 다양한 용도에 적용 가능한 터치센서를 배치할 수 있다. 감도가 높아진다는 것은 터치뿐 아니라 근접 감지에도 활용할 수 있음을 의미한다. 그림 1은 스마트 키 차량 엔트리 애플리케이션에서의 사용법을 설명하고 있다. 운전자는 약간 떨어진 거리에서 정전용량의 변화를 확인하여 손잡이와 접촉하지 않고도 차문을 잠금 해제 할 수 있다.
 



 그림 2는 이러한 유형의 센서 시스템이 파워 윈도 리프터 제어 패널 애플리케이션에도 동일하게 적용될 수 있음을 보여준다. 

 

 

 


두 경우 모두에서 보듯이, 차량 탑승자가 터치하는 보호 덮개는 센서가 장착된 PCB와 직접 접촉하지 않으므로 상당한 공극을 남긴다. 상호 정전용량 센서 구조를 통해, 이 공극을 도광판으로 채울(광학 결합을 구현하기 위해 복잡하고 많은 비용이 소요됨) 필요가 없다. 그 결과 보다 능률적이고 비용 효율적인 시스템 솔루션을 구현할 수 있다.


온세미컨덕터의 LC717A30UJ는 상호 정전용량식 터치센서용으로 설계된 단일 칩으로, 기생 정전용량 제거 메커니즘을 활용해 터치 감도의 새로운 기준을 제시한다. 또한 이 솔루션은 내장된 잡음 제거 기능을 통해 자동차 주변에 존재하는 전자파 간섭의 영향을 완화해준다.
 

이 솔루션은 최대 150 mm의 감도 범위와 함께 펨토패럿(fF) 레벨까지 정전용량 변화를 감지한다. 그 결과, 기존의 터치 기능 외에도 근접 감지 및 정교한 움직임 감지 등도 처리할 수 있다. 또한 센서/PCB와 보호 덮개 사이에 공극이 존재하는 경우에도 소자가 작용할 수 있음을 의미한다. 따라서 UI 디자인에 도광판을 별도로 추가할 필요가 없기에 BOM 비용을 절감할 수 있다.


LC717A30UJ는 8개의 정전용량 센서 입력 채널이 있어, 스위치 배열을 필요로 하는 시스템에 적합하다. 또 다른 기능으로는 데이터 변환용 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 아날로그 출력의 정전용량 변화를 결정하기 위한 듀얼 스테이지 앰프 및 입력 채널 선택을 위한 내장 멀티플렉서가 있다. I2C 및 SPI 시리얼 인터페이스는 시스템의 특정 애플리케이션 요건에 따라 선택할 수 있다. 또한 AEC-Q100 규격을 준수하는 이 칩은 자동 보정 기능이 내장돼 있다. 이 기능은 전극의 특성은 물론 라인 정전용량과 주변 환경과 관련하여 터치센서 시스템을 최적화하고 자체 보정한다.

 

  

자동차에는 터치 제어 기술의 잠재적 응용 분야가 많다. 하지만 극복해야 할 도전과제가 있다. 엔지니어들은 터치 제어 기술을 활용해 새로운 설계를 하기 전에 도전과제를 먼저 확인해야 한다. 시스템을 최적화하는 터치센서 성능과 사용자 구성을 향상시키려면, 신호 무결성을 갖춘 반도체 기술을 선택해야 한다. AE

 

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