최초의 투명 정전식 터치 구현에서는 디스크리트 센서를 이용해서 기술 채택과 성숙을 이끌어갔다. 예를 들어 PET(polyethylene terephthalate) 센서는 저항 센서에 사용되는 기존 소재 기술을 바탕으로 했다. 시냅틱스와 업계 파트너들은 지속적으로 정전식 기술을 개선했으며, 그 결과 터치 센싱이 디스플레이에 통합된 현재의 최첨단 오퍼링을 구축하게 됐다.



정전용량 센싱
정전식 터치 센싱의 다양한 구현에 대한 이해를 돕고자 본고에서 정전용량 센싱에 대해 개괄적으로 설명하고자 한다. 20여 년 전, 시냅틱스가 노트북에 자기 정전용량(프로파일 센싱)의 기반 기술을 적용하면서 처음으로 도입된 후, 정전용량 센싱은 해당 분야에서 믿을 수 있는 기술로 입지를 유지해왔다. 자기 정전용량은 핀치와 두 손가락 스와이프와 같은  멀티 핑거 제스처는 구현할 수 있지만, 진정한 의미의 독립 멀티 핑거 트래킹은 지원하지 않는다. 멀티 핑거 트래킹은 핸드헬드 게임 애플리케이션 등에서 자주 이용되고 있다.
진정한 멀티 핑거 트래킹을 구현하려면 트랜스커패시티브(상호) 센싱이 필요하며, 이 기술은 메인스트림 및 고가 스마트폰 기술로써 계속해서 입지를 확대하고 있다. 또한 본고에서는 여러 변수를 단순화하기 위해 트랜스커패시티브 센싱 기술을 주 기술로 다루고 있다. 트랜스커패시티브 기술에는 리시버(Rx)와 트랜스미터(Tx)가 필요하며, 일반적으로 두 가지 모두 유리나 PET 기판에서 ITO(indium tin oxide: 인듐 주석 산화물)로 만들어진다. 그 외 Rx 및 Tx의 기판으로 사용될 수 있는 기타 전도재는 아래와 같다.

- CNT(carbon nanotube:탄소나노튜브)
- 와이어/금속 메쉬
- 전도성 잉크

일반적으로 Rx와 Tx는 그리드 오리엔테이션에서 서로 직교로 만난다. 하지만 싱글레이어 센서 상에서 진정한 멀티 핑거 트래킹을 구현하는 새로운 기술이 부상하고 있다. 이 경우 Rx/Tx 크로싱, 점퍼, 또는 쉴드가 필요하지 않다.



디스크리트 센서
모바일 디바이스를 대상으로 한 정전식 터치 기술은 초기에는 그림 1처럼 디스크리트 센서 구현을 목적으로 개발됐다.
이러한 방식으로 디스크리트 센서는 휴대폰이나 기타 핸드헬드 디바이스에 간단히 통합될 수 있다. 정전식 센서는 커버 렌즈와 디스플레이 사이에 들어가며, 일반적으로 디스크리트 센서는 커버 렌즈에 라미네이션되지만, 디스플레이에 라미네이션될 수도 있다. 디스크리트 센서가 계속해서 광범위하게 사용되고 있으나 많은 공급업체와 제조 및 통합 공정에서 수율 저하 가능성 등의 문제로, 대량 생산 시에는 공정 최적화와 세심한 모니터링이 요구된다.
디스플레이에 라미네이션을 하게 되는 경우 그 자체로 수율을 고려해야 하는 추가 공정 단계가 생기는 것이기 때문에 비용이 높아지며 에어 버블이나 먼지와 같은 결함 발생 시 재작업을 하기가 어렵다. 하지만 UV 경화 수지를 이용하면, 수지 경화 전에 결함이 발견된 경우, 완전히 라미네이션된 설계에서 보다 쉽게 재작업할 수 있다. 낮은 반사율 등 광학 품질을 높이기 위해 많은 단말기에서 디스플레이 라미네이션을 이용한다.
디스크리트 센서에 주로 사용되는 주요 재질은 유리와 PET이다. 유리 센서의 경우 Rx와 Tx가 그림 2처럼 모두 유리 상단에 놓이거나 Rx는 상단, Tx는 하단에 놓인다.
Rx와 Tx를 유리 상단에 놓는 것을 일반적으로 SITO(single-sided ITO)라고 하며, Rx와 Tx가 각각 유리 반대편에 놓인 경우를 DITO(double-sided ITO)라고 한다. SITO 센서에서는 Rx를 Tx로부터 절연해야 한다. DITO 센서의 경우 유리 기판이 절연체이기 때문에 해당 작업이 필요 없다. SITO에서는 유전체가 Tx 위에 놓이며, 그림 3처럼 그 위에 ITO 점퍼를 추가해 센서 전반에서 Tx 영속성을 갖도록 한다.
PET 센서의 경우 Rx가 첫 번째 PET 레이어에 올라가고, 첫 번째 PET 레이어는 Tx와 함께 두 번째 PET 레이어에 라미네이션된다. Rx와 Tx는 일반적으로 ITO로 만들어지고, PET 필름에 스퍼터링된다. 일부 PET 센서 공급업체는 PET의 경우 단일 PET 기판과 SITO의 양쪽에 ITO를 스퍼터링하고, 패터닝할 수 있다.



SoL(Sensor-on-Lens)
센서 패턴을 렌즈 위에 직접 놓게 되면, 디스크리트 센서를 없애고 센서를 직접 커버 렌즈에 통합함으로써 스택업이 간소해진다. SoL의 경우 그림 4에 제시된 것처럼 SITO 유리 센서처럼 Rx와 Tx가 렌즈 뒤에 놓인다.
그 결과 SoL이 적용될 경우 디스크리트 센서보다 단말기가 최대 1 mm가 얇아진다. SoL은 몇몇 문제가 있고, 제조상의 고려사항도 존재하지만 다양한 공급업체들이 문제를 개선하기 위해 노력 중이다. 먼저 ITO는 잉크가 커버 렌즈 상단에 있지 않는 한, 렌즈 아래쪽에 있는 장식 잉크 위에서 스퍼터링 되어야만 한다. 잉크가 커버 렌즈 상단에 있을 경우 마모나 스크래치로부터 보호가 되지 않는다.
이 공정은 일반적으로 블랙 잉크에 제한돼 있다. 또한 잉크를 지나치게 가열할 수 없기 때문에 ITO를 고온에서 어닐링할 수 없어 결과적으로 디스크리트 센서보다 저항력이 커진다. 이 때문에 센싱 빈도가 둔화되고 잡음 면역성이 낮아진다. 마지막으로 손가락과 리시버 간의 커플링 결합이 SoL 설계에서는 상당히 강해서 추가적으로 잡음 면역성이 낮아지고, 부동 상태 손상(floating-condition impairment: 시냅틱스는 ‘낮은 접지 질량 효과(low-ground mass effect)’라고 한다)이 심해지는 미묘한 문제도 있다. 그럼에도 불구하고 SoL은 계속해서 타당한 터치 구현 방안으로 간주되고 있으며, 샤프의 SH-07D를 비롯한 많은 단말기에 시냅틱스 3200 터치 컨트롤러가 사용됐다.

온-셀(On-Cell)
SoL처럼 디스크리트 센서를 제거하는 것에 덧붙여서 온-셀 솔루션은 디스플레이 통합을 가능케 한다. 온-셀의 경우 SITO를 이용해 Rx와 Tx가 CF(color filter) 유리 상단에 놓이게 한다. 온-셀은 삼성 모바일 디스플레이의 아몰레드에 사용하면서 인기를 끌었다. 시냅틱스는 아몰레드를 지원하는 것과 더불어, 샤프 디스플레이와 파트너십을 구축하고, 2011년에 세계 최초로 3-D 디스플레이에 온-셀 솔루션이 적용된 샤프 DC 250폰을 시장에 출시했다. 온-셀에는 SoL에서 언급한 것과 비슷한 ITO 저항 문제가 생길 수 있다. LCM(LCD 모듈 제조업체:
liquid crystal display module manufacturer)은 이 문제는 물론, CF 유리 위의 점퍼와 관련된 SITO 수율을 개선하기 위해 계속해서 투자하고 있다.

인-셀(In-Cell)
인-셀 솔루션에서는 정전식 센서가 디스플레이 안에 내장되기 때문에 LCM과의 밀접한 협력이 필요하다. 인-셀 실행은 복잡하고, 다음을 포함한 여러 변수를 최적화해야 한다.

- 용량 부하
- 디스플레이 타이밍
- 셋팅 타임

인-셀 구현 방법에는 여러 가지가 있는데, 그 중 가장 일반적인 것은 IPS(in-plane switching) 기술을 이용해서 TFT-LCD로 실행하는 것이다. 하지만 VA(vertical alignment), PLS(plane line switching) 기술로도 실행할 수 있다. IPS의 경우 Rx와 Tx 모두를 TFT 유리(co-planar: 동일 평면)에 놓거나 아니면 Tx는 TFT 유리에, Rx는 CF유리에 올릴 수 있다. 후자가 터치 성능과 SNR 측면에서 더 좋다. 그 이유는 다음과 같다.

- Rx가 CF 유리 위에 있다.
- Tx가 TFT 유리에 놓인다.
- Rx와 Tx가 분리돼 있어(동일 평면이 아님), 센서의 기본 정전용량이 줄어 손가락 신호가 향상된다.
- Rx가 손가락에 더 가깝게 놓이므로 특정 손가락 크기나 스타일러스로 식별되는 신호가 동일 평면 설계보다 크다.



인-셀 설계의 일반적인 분해도는 그림 5와 같다.
인-셀 기술의 또 다른 장점은 이미지 위에서 백라이트 투과를 약화시키는 역할을 하는 것이 좁은 Rx 밖에 없기 때문에, 디스플레이 밝기가 10% 향상된다는 점이다. 다른 경우(디스크리트, 온-셀 등)에는 디스크리트 센서 자체의 성질로 Rx와 Tx 두 가지 모두 빛 투과를 낮춘다.
디스플레이를 더 밝게 하는 대신 백라이트의 전력 셋팅을 낮추면 밝기는 같은 수준으로 유지하면서 낮은 전력 소모가 가능하다. 또한 인-셀은 SITO 설계가 아닌 관계로 점퍼가 존재하지 않아 터치 디스플레이 모듈의 수율이 추가로 개선된다. 인-셀 기술이 적용된 첫 양산 제품은 소니 엑스페리아 P였으며, 곧 뒤를 이어 HTC의 에보 디자인이 출시됐고, 두 가지 모두 시냅틱스 3250 인-셀 터치 컨트롤러가 사용됐다.

TDDI
2011년 시냅틱스는 디스플레이 터치 모듈을 더욱 개선한 TDDI를 도입했다. TDDI는 터치 컨트롤러와 DDI(Display Driver IC)를 하나의 ASIC로 통합한다. 인-셀이 가진 장점과 더불어 TDDI 솔루션은 아래와 같은 장점을 추가로 갖고 있다.

- UX(user experience) 개선
- 최저 비용의 터치 센싱
- TDDI는 일반 DDI처럼 COG(chip-on-glass) 기술을 이용해서 TFT 상에 탑재되기 때문에 FPC(flexible printed circuit)에 요구되는 공간이 줄어든다.

그림 6의 그래프는 디스크리트 센서에서 TDDI까지 기기제조업체(OEM)의 각 터치 기술 도입에 따른 상대적인 원가 증가분을 추정한 것이다. 그림 7에 나타낸 것처럼 인-셀 에어 갭은 센서와 커버 렌즈 간에 에어 갭을 만든다. 주요 장점은 다음과 같다. 

- 라미네이션 단계와 관련 수율을 제거함으로써 비용을 낮춘다.
- 휴대폰 출하 직전 단계에 해당하는 커버 렌즈 선택 및 조립을 적시에 할 수 있다. 이에 따라 OEM은 시장 변동, 통신사 로고, 커버 렌즈 색상 유행에 신속히 대응할 수 있고 매출을 늘릴 수 있다.



TDDI UX 개선의 경우 시냅틱스 TDDI 솔루션의 오버레이 메뉴를 이용해서 낮은 전력 모드에서 이미지와 제스처를 지원한다. 예를 들어 그림 8에 제시된 것처럼 휴대폰 AP(application processor)가 수면 모드에 있을 시에도 날짜, 시간 및 전화 알림 메시지를 계속해서 디스플레이할 수 있다.
이미지는 TDDI 오버레이 메모리에 의해 유지되고, AP(apps processor)에서 업데이트되는데, 시계의 경우 1분에 한 번씩, 알림 기능의 경우는 이보다 덜 빈번하게 업데이트된다. 또한 디스플레이가 꺼져 있을 시에도 저전력 웨이크 온 제스처가 가능하여 탭, 스와이프, 기타 구별되는 제스처 등으로 터치 제스처가 활성화되면 휴대폰이 수면 모드에서 깨어나게 된다.
ITO 전극의 디스크리트 센서에서 인-셀, TDDI와 같은 신소재의 최첨단 구현에 이르기까지 투명 정전용량 기술 진화 과정은 OEM이 더 얇은 디바이스와 사용자 경험 개선을 통해 차별화된 제품을 만들 수 있는 기회를 제공해왔다.
이러한 기술 발전으로 정전식 센싱은 모든 스마트폰에 꼭 필요한 필수 기능이 됐으며, 모바일 디바이스에서 스마트폰의 비중을 늘리고 있다. 시냅틱스는 지난 20여 년간 OEM, LCM 및 에코 시스템 파트너들과 긴밀히 협력해 왔고, 정전식 터치 기술의 발전을 이끌어 왔다. 앞으로도 인-셀과 TDDI 솔루션 확대를 통해 발전 추세를 이어갈 것이다.

요약
본고를 통해 디스크리트 클리어패드 센서에서 인-셀 및 단일 칩 TDDI(Touch Display Driver Integration)에 이르는 기술 진화과정을 살펴보면서, 정전용량 센싱과 다양한 구현에 대한 이해도를 높일 수 있을 것이다. 정전용량 센싱은 1995년부터 노트북의 시냅틱스 터치패드(Synaptics Touch-
Pad)TM 인터페이스 솔루션에 적용돼 사용자 경험을 개선하고, 사용자가 디스플레이 상의 콘텐츠와 더욱 쉽게 상호작용하는데 기여해왔다. 2007년 시냅틱스 클리어패드(Synaptics Clear
Pad)TM가 적용된 LG전자 프라다폰과 그 이후 대중적인 인기를 끈 아이폰에 적용된 투명 정전식 터치스크린은 터치패드 디바이스의 간접 터치와 달리 직접 터치 상호작용을 구현하는 기술이며, 소비자가 선호하는 전자 디바이스 인풋 방식으로 주류 문화의 일부로 자리잡게 됐다.