0. 목차
- '3차원 터치 기술'이란?
- '터치 기술' 산업의 구조
- '접촉식 정전용량 방식'이 대세
- '3차원 터치 기술' 핵심 기술
- '3차원 터치 기술'과 '플렉시블 터치 디스플레이'
- '3차원 터치 기술'의 다양한 연구 성과들
- '3차원 터치 기술'의 산업 적용
1. '3차원 터치 기술'이란?
'터치 기술(Touch Technology)'은 키보드나 마우스 등의 입력 장치 없이 손가락이나 펜 등의 물체를 스크린에 닿게 하여, 해당 스크린의 좌표에 저장된 특정 기능을 실행하거나 화면에서 직접 입력 자료를 수신할 수 있는 기술을 의미한다. 터치 기술의 입력장치인 '터치스크린(Touch Screen)'의 기본 구조는 '디스플레이(DIsplay)'와 '터치패널(Touch Pannel)'로 구성된다.
- 디스플레이(DIsplay): '디스플레이'란 컴퓨터로 처리된 내용을 브라운관에 보여주는 출력장치이다. '디스플레이'의 종류에는 'TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)', 'OLED(Organic Light-Emitting Diode)' 등이 있다.
- 터치패널(Touch Pannel): '터치패널'이란 사용자가 스크린을 보면서 직접 위치를 지정할 수 있는 대화형 그래픽 입력 장치의 일종이다. 디스플레이에 투명한 패널을 씌워 사용자가 손가락 끝으로 접촉하면, 그 위치가 컴퓨터에 입력된다.
'터치 입력 방식'은 화면을 직접 터치하여 사용자가 원하는 작업을 실행하는 가장 직관적인 '입력 인터페이스(Input Interface)'이다. 화면상의 대상을 직접 눈으로 보고 손으로 선택할 수 있는 가장 빠른 '포인팅 디바이스(Pointing Device)'이며, 별도의 학습 없이 사용자가 빨리 작동 방법을 습득할 수 있다는 것이 장점이다. 다만 화면상에서 조작함으로써, '화면이 가려지는 점', '지문으로 인한 오염 가능성', '디스플레이 위에 패널을 덧붙임으로 인한 화면 품질 저하' 등의 단점도 존재한다.
'3차원 터치 기술'은 터치스크린에 손가락을 누르는 힘의 세기를 인식하거나, 공간상 모션 좌표를 인식하여 동작하는 기술을 말한다. '3차원 터치 기술'의 구동방식은 2차원 터치에서 구현하지 못했던 Z축 방향의 입력을 구현하기 위한 압력센서가 추가되며, 압력센서로 받은 신호는 햅틱엔진을 통해 피드백함으로써 소비자에게 새로운 방식의 UI를 제공하고 있다. 최근에는 '압력센서 표면에 미세구조 형성', '역학변색형 소재 채택', '은나노 소재 적용' 등을 통해 고유연성·고투과성을 추구하면서 동시에 3차원 터치가 가능한 기술들이 개발되고 있다.
2. '터치 기술' 산업의 구조
'터치 기술(Touch Technology)'의 '후방 산업'에는 '플라스틱 기판(Plastic Substrate)', '유리 기판(Glass Substrate)', '투명전극(Transparent Electrode)', '금속 배선 소재(Metal Wiring Material)', '컨트롤러 IC(Controller IC)', '스크린 프린터(Screen printer)' 등 '다양한 소재 산업'과 '장비 산업'이 존재하며, '전방 산업'으로는 '스마트폰', 'IT', '가전', '의료기기(Medical Equipment)', '자동차(Car)', '헬스케어(Health Care)' 산업 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
터치 기술의 수요기업은 대부분 대기업으로 구성되어 있어, 수요-공급에 대한 자유도가 매우 낮아 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.
| 생태계 | 내용 |
| 후방 산업 | '후방 산업'에는 '플라스틱 기판', '유리 기판', '투명전극', '금속 배선 소재', '컨트롤러 IC', '스크린 프린터' 등 '다양한 소재 산업'과 '장비 산업' |
| 터치 기술 | 터치센서, 터치스크린, 터치IC, 어플리케이션 |
| 전방 산업 | '스마트폰', 'IT', '가전', '의료기기', '자동차', '헬스케어' 산업 등 |
3. '접촉식 정전용량 방식'이 대세
'터치 기술(Touch Technology)'은 '접촉식 정전용량 방식(Capacitive Overlay)', '압력식 저항막 방식(Resistive Overlay)', '적외선 감지 방식(Infrared Beam)', '표면 초음파 전도 방식(Surface Acoustic Wave)'이 있다. 이 중에서 '접촉식 정전용량 방식'이 스마트폰과 태블릿에 가장 널리 사용되고 있다.
'접촉식 정전용량 방식(Capacitive Overlay)'은 '투명필름(PET)' 또는 '유리(Glass)'의 한쪽에 투명 전극층인 '인듐 주석 산화물(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 미세한 정전압에도 반응하므로 살짝만 접촉되어도 감지할 수 있으며, 높은 분해 능력을 가질 수 있다는 것이 장점이다. 또한 강화처리된 유리에 특수한 금속 코팅을 했기 때문에 견고성이 좋으며, 수명이 길고, 빛의 투과율이 높아 원화상의 색상을 그대로 살릴 수 있다. 터치 시 반응속도가 매우 빠르며, 오차율이 매우 적어 정확하다는 장점도 존재한다.
터치센서 구조는 X축 패턴 전극이 형성된 '투명 전도성 필름'과 Y축 패턴 적극이 형성된 '투명 전도성 필름'을 '광학 투명 점착(OCA: Optical Clear Adhesive)' 필름으로 합착시킨 '터치패널'과 강화유리 또는 '폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA: Poly Methyl MethAcrylate)' 재질의 상판으로 구성된다. 터치센서의 패턴은 일반적으로 마름모 모양이지만 여러 가지 형상으로 제작이 가능하며, '제어 IC(Control IC)'를 통해 이용자의 손이 터치 패널과 접촉할 때 미세 전하량 변화를 감지한다.
3-1. 정전용량 방식 터치스크린 패널은 '부착형'에서 '디스플레이 일체형'으로 전환 추세
'정전용량 방식'의 터치스크린 패널'은 '부착형(Add-on Type)', '커버윈도우 일체형(Touch Integrated with Cover Window Type)', '디스플레이 일체형(Touch Integrated with Display Type)'으로 구분된다. 초기 스마트폰에는 '부착형'이 주로 사용되었지만, 스마트폰의 가격경쟁력을 확보하기 위해, 제조사가 터치스크린 패널을 내재화하기 시작한 이후, '커버윈도우 일체형'을 거쳐 '디스플레이 일체형'으로 전환되고 있다. 또한 스마트폰 제조사들은 시장 경쟁이 심화되면서, 터치센서 제조 원가를 낮추기 위한 기술 개발을 지속하고 있다.
'디스플레이 일체형'은 디스플레이 위 또는 내부에 '투명전극'을 '패터닝(Patterning, 기판에 원하는 회로나 모양을 식각하는 행위)'하여 센서를 만드는 방식으로, 'On-cell' 방식과 'In-cell' 방식이 있다.
- 'On-cell' 방식: 'On-Cell'은 LCD의 Color Filter 위 또는 아래, OLED의 Encap Glass에 인듐 주석 산화물(ITO: Indium Tin Oxide)'를 증착하고 X-Y 센서를 패터닝한 후 Cover Glass를 붙여서 제조하고 있다.
- 'In-cell' 방식: 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 가지고 있다.
4. '3차원 터치 기술' 핵심 기술
4-1. '터치패널'의 구성 요소
'터치패널(Touch Panel)'은 '유리(Glass)', 정전용량 신호를 취득하기 위한 'TCO 필름(Transparent Conductive Oxid Film)', 손끝으로 누르면 화면 상에 표시된 지시를 입력할 수 있는 센서인 '터치 센서(Touch Sensor)', 전극에서 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하여 화면상에 나타낼 수 있는 좌표 형태로 바꿔주는 역할을 하는 '컨트롤러 IC(Controller IC)'로 구성된다.
'TCO 전극(TCO Electrode)'은 기본적인 형태로 다이아몬드 타입이 있으며, 'TX(Transmission) 전극'과 'RX(Received) 전극' 사이에서 발생하는 정전용량 변화를 검지한다. 정전용량 방식 '멀티 터치 IC(Multitouch IC)' 구조는 '노이즈 필터링(Noise Filtering)', '노이즈 제거(Noise Removal)', '센싱 데이터 추출(Sensing Data Extraction)', '인터폴레이션(Interpolation)', '터치데이터 추출(Touch Data Extraction)' 등의 기능을 수행하기 위해 'Analog Front End', 'ADC(Analog DC Converter)', 'DSP(Digital Signal Process)', 'MCU(Micro Controller Unit)' 등으로 구성된다.
| 터치패널의 구성 | 내용 |
| 유리 | - |
| TCO 필름 | 정전용량 신호를 취득 |
| 터치 센서 | 손끝으로 누르면 화면 상에 표시된 지시를 입력할 수 있는 센서 |
| 컨트롤러 IC | 전극에서 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하여 화면상에 나타낼 수 있는 좌표 형태로 바꿔주는 역할을 함 |
4-2. '포스 터치'에서 '햅틱 터치'로
'애플(Apple)'이 2008년부터 개발하여 2014년에 '키노트(Keynote)'에서 처음으로 공개한 터치 기술로, 기존 X/Y축을 인식하는 것에 압력을 통해 Z축까지 인식할 수 있게 되었다. '애플워치(Apple Watch)'에 최초로 적용되었고, 12인치 MacBook, MacBook Pro에도 적용되었으며, 아이폰 6S에서는 압력의 정도를 단계별로 인식할 수 있게 개선되어 '3차원 터치'라는 이름으로 불리게 되었다. 아이폰 6s 출시 이전에, 화웨이 Mate S에서 한국의 벤처회사 '하이딥(HIDEEP)'에서 개발한 기술을 이용해 세계 최초로 '포스터치(Force Touch)'를 탑재한 스마트폰을 출시하기도 하였다. '애플워치'는 화웨이의 Mate S와 차별화하기 위해 화면의 누름 정도에 따라 압력을 감지하고 '탭틱 엔진(Taptic Engine)'을 통해 촉각적인 피드백을 제공하여 UI의 간소화를 이룰 수 있는 기능을 제공하였다. '탭틱 엔진(Taptic Engine)'은 구조상 최대 진동에 이르기까지 딜레이가 거의 존재하지 않기 때문에, 기존의 진동 모터보다 훨씬 다양한 진동 피드백을 제공할 수 있다.
'스마트폰'에서는 '아이폰 6S' 시리즈에 처음 적용되었는데, 애플워치와 달리 트랙패드와 마찬가지로 포스터치된 위치를 판별할 수 있었다. 아이폰 7부터는 홈버튼이 물리적 버튼에서 '트랙패드(Track Pad)'와 비슷한 방식으로 바뀌었다. 홈버튼을 누를 때는 어느 정도의 압력을 가하기 때문에 포스 터치가 맞으며, 센서를 통해 '홈버튼(Home Button)'과 '탭(Tap)'하는 것을 구분할 수 있었다. '탭틱 엔진(Taptic Engine)'을 통해 홈버튼을 눌렀을 때와 비슷한 느낌을 전달해주기 때문이다. 하지만 2018년에 발표한 아이폰 XR에서는 기존 '3차원 터치 기술'이 탑재되지 않고 '햅틱터치(Haptic Touch)'라는 기능을 추가하였는데, '롱 터치(Long Touch)' 동작에 햅틱 효과만 추가한 기술이다. iOS13부터 3차원 터치 기능이 대부분 롱 터치로도 발동할 수 있게 변경되었고, 이를 '햅틱 터치(Haptic Touch)'로 대체하였다.
'포스터치(Force Touch)'는 '정전 용량 유리 패널(Capacitive Glaas Panel)'의 아래에 4개의 '힘 센서(Force Sensor)'를 배치하는 구조를 통해, 트랙패드의 모든 부분에서의 압력을 정확하게 측정할 수 있다. 트랙패드의 어디를 누르더라도 4개의 힘 센서는 모두 눌리게 되며, 단자 위치에 따라서 눌리는 양이 달라진다. 4개의 힘 센서 내의 변화된 '캐패시티(Capacity, 수용력)'를 각각의 전극 센서가 인지하여, 인지 신호를 종합적으로 감지하여 사용자의 누르는 힘을 감지한다. 이 원리는 일반적인 전자저울과 같은 원리로, 전자저울 4개를 사각으로 배치하고 위에 판을 올린 것이다. 이와 같은 방식으로는 물리적인 버튼이 필요 없기 때문에, 전통적인 트랙패드의 '클릭감'을 실현할 수는 없다. 이를 해결하기 위해서 '클릭감'은 '탭틱엔진'을 이용하여 인공적으로 만들어내고 있다. 즉 '트랙패드' 자체는 물리적으로 상하운동을 하지 않지만, '탭틱엔진'으로 '딸깍'하는 진동을 만들어 내어 실제로 버튼이 눌리는 느낌을 제공하였다.
하지만 이러한 노력에도 불구하고, 애플의 3차원 터치는 대중적인 소비자에게 인식되는데 실패하였다. 소비자들은 해당 기능을 사용할 가치를 느끼지 못했고, 학습이 꼭 필요한 인터랙션으로 인해 거부감을 느끼게 되었다. '3차원 터치'는 소비자가 직접 화면을 정확한 부분에 세게 누르지 않는 이상 이벤트 발생이 어렵고, 외관적인 차이가 없을 뿐만 아니라, 직관적으로 배울 수 있는 기능도 아니었다. 애플은 디스플레이에 압력센서가 추가되었음에도 불구하고 사용자들에게 호응을 못 받는 '3차원 기술을 아이폰 11부터 제외하였다. 이처럼 접촉식 3차원 터치 기술은 소비자가 사용에 대한 필요성을 느낄 수 있는 기능이 등장할 때까지는 어느 정도 기간이 필요해 보인다.
4-3. 고감도 성능 구현 기술
- 요약: 압력센서의 표면을 미세구조로 다양화
최근 '사물 인터넷(IoT: Internet of Things)' 시대를 맞이하여, '개인 전자 장치'부터 '헬스케어(Healthcare)', '인공지능 시스템'에 폭넓은 적용이 가능한 '압력 센서(Pressure Sensor)'에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. '압력(Pressure)'은 단위 면적당 가해지는 힘으로 정의되며, 이를 정확히 감지하는 것은 단순히 터치를 인식하는 것 이상의 중대한 의미가 있다. 압력센서는 단순히 터치를 감지하는 2차원적인 의미를 넘어서서, 압력의 강도를 구분할 수 있는 3차원적 의미를 살려 다양한 분야로 응용이 가능하기 때문이다. 이때 압력이라는 자극은 단순하게 수직으로 작용하는 '수직항력(Normal Force)' 뿐만 아니라, '시어(Shear)', '비틀림(Torsion)', '구부림(Bending)' 등 다양한 형태로 가해질 수 있으므로, 이러한 측면에서 유기재료를 이용하여 유연성이 확보된 압력센서가 요구된다.
'압력 센서(Pressure Sensor)'의 특성상 감지하고 하는 대상과 직접적으로 접촉이 이루어져야 하기 때문에, 곡면 또는 울퉁불퉁한 표면을 지닌 감지 대상과 센서의 부드러운 접촉을 위해 유연성은 필수불가결한 요소이다. 이러한 유연성 특성을 적용함으로써, 최근에는 '전자피부', '웨어러블', '휴대용' 등 다양한 분야에 응용할 수 있는 압력센서가 활발히 연구되고 있다. 일반적으로 압력센서는 '고감도', '빠른 응답시간과 회복 시간', '높은 안정성' 등의 특성이 요구된다. 이러한 요건을 충족시키기 위해 최근에는 압력센서 표면의 미세구조를 다양한 방식으로 활용하여 '성능', '반응속도', '안정성' 특성을 모두 개선하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
4-4. 비접촉식 방식 3차원 입력
최근에 출시되고 있는 스마트 제품들은 사용자에게 최적의 경험을 제공하기 위해, '사용자와 제품 간의 상호작용'에 초점을 맞추고 있다. 그중에서도 사용자가 제품 및 서비스를 얼마나 편리하게 이용할 수 있느냐게 관심을 두고 있다. 이는 '자연스러운 사용자 조작 환경(NUI: Natural User Interface)' 기술 발전에 전환점을 제공하고 있다. NUI의 가장 대표적인 방법은 '음성'을 들 수 있으며, 함께 많이 사용되고 있는 사용자 인터페이스는 '제스처(Gesture)'이다.
'제스처 입력'은 공간적 입력이 가능하여, 새로운 3차원 입력 방식으로 주목받고 있다. '제스처'는 사용자가. 자신의 의도를 전달하기 위해 수행하는 동작뿐만 아니라, 무의식중에 의미 없이 수행하는 동작을 포함하고 있다. 제스처 인식 기술을 위해서는 사용자가 수행한 제스처를 입력받을 수 있는 센서가 필요한데, 크게 2가지 형태로 나뉜다. 센서나 장치를 사용자가 신체로 직접 접촉하여 데이터를 획득하는 '접촉식 방식'과, 원거리·근거리 센서를 이용하여 데이터를 획득하는 '비접촉식 방식'이 있다. 최근에는 사용자가 착용할 수 있는 다양한 형태의 '웨어러블 센서(Wearable Sensor)'가 개발되고 있는데, 사용자가 직접 센서를 접촉하지 않기 때문에 '비접촉식 방식'으로 분류되며, 사용자의 행동반경이나 장소에 제약을 주지 않기 때문에 더 활발히 연구되고 있다.
'비접촉식 센서'로는 '립 모션(Leap Motion)', '인텔(Intel)'의 '리얼센스(RealSense)', '토비 테크놀로지(Tobbi Technology)'의 '아이엑스(EyeX)' 등이 있다.
- 립 모션(Leap Motion): '립 모션'은 2개의 적외선 카메라를 이용하는 '스테레오 비젼 시스템(Stereo Vision System)'이다. 기존의 대형 TV와 같은 원거리 제스처 인식 기술에 초점을 맞춘 것이 아니고, 노트북과 같은 근거리 환경에서의 제스처 인식을 위한 '인터페이스'에 초점을 준 제품이다.
- 리얼센스(RealSense): '인텔'은 3대의 카메라를 이용하여 3차원 공간을 인식할 수 있는 '리얼센스'라는 기술의 개발과 활용에 많은 연구를 진행하고 있다. 리얼센스 기술에는 '동작인식', '안면인식', '증강현실', '3차원 스캐닝' 등이 포함되어 있다. '리얼 센스'를 탑재한 '태블릿', '노트북' 등과 이를 이용한 어플리케이션 프로그램이 많이 개발 중에 있다.
- 아이엑스(EyeX): '토비 테크놀로지'의 '아이엑스'는 눈의 움직임을 감지해 주변 기기를 컨트롤할 수 있는 '눈동자 추적 장치'이다. 눈동자 움직임 분석은 사용자의 명령에 반응하는 것뿐만 아니라, 무심코 한 반응까지도 데이터로 획득할 수 있어 다양한 산업분야에 적용이 가능하다.
5. '3차원 터치 기술'과 '플렉시블 터치 디스플레이'
5-1. 플렉시블 터치 디스플레이의 등장으로, ITO를 대체할 투명전극 소재 부각
'3차원 터치 기술' 구현을 위한 터치 기술의 발전과 더불어, '플렉시블 디바이스(Flexible Device)'의 출현으로 보다 높은 유연성과 접힘성이 요구되고 있다. 이로 인해 기존에 대표적으로 사용되고 있던 투명전극 소재인 '인듐 주석 산화물(ITO: Indium Tin Oxide)'를 대체하기 위한 소재 개발이 진행되고 있다. 2015년에 '폴리이미드(PI: Polyimide)' 기반 '백플레인(Backplane)'을 사용한 '플라스틱 리지드 디스플레이(Plastic Rigid Display)'가 상용화되었지만 유연성은 없었다. 2019년부터 '접이식 디스플레이(Flexible Display)' 제품이 발표되었는데, 이를 1세대 제품이라 하며, 현재는 모든 디스플레이 없체들이 '접이식 디스플레이'를 개발·제조할 수 있는 역량을 구축하고 있다. 터치를 입력 수단으로 사용하고 있는 대부분의 디스플레이는 일정 타입의 '플렉시블 터치 기술(Flexible Touch Technology)'이 필요하게 되었다.
'인듐 주석 산화물(ITO: Indium Tin Oxide)'을 대체할 투명전극 소재로는 '메탈메쉬(Metal Mesh)', '은 나노와이어(Silver Nanowire)', '전도성 고분자(Conductive Polymer)', '탄소나노튜브(CNT: Carbon Nanotube)', '그래핀(Graphene)' 등이 있다. 이 가운데 '메탈메쉬'와 '은 나노와이어'가 '플렉시블 디스플레이'에 주로 사용되고 있다. '메탈메쉬 필름'은 중간 수준의 접기 성능의 디스플레이에 적합하다. '은 나노와이어'는 보다 높은 접기 성능을 구현할 수 있지만, 투명도가 낮아질 수 있다는 단점이 있다.
| ITO 대체할 투명전극 소재 | 내용 |
| 메탈메쉬 | 중간 수준의 접기 성능의 디스플레이에 적합하다. |
| 은 나노와이어 | 높은 접기 성능을 구현할 수 있지만, 투명도가 낮아질 수 있다는 단점이 있다. |
| 전도성 고분자 | - |
| 탄소나노튜브 | - |
| 그래핀 | - |
5-2. 3차원 터치 기술을 위한 플렉시블 구동방식으로는 '필름 타입'과 'On-cell 타입' 경쟁 중
'플렉시블 터치(Flexible Touch)'를 '필름 타입'으로 할 경우, OLED 디스플레이의 상부에 결합하게 된다. 반면, On-cell 타입은 '터치 레이어(Touch Layer)'가 '박막봉지(TFE: Thin Film Encapsulation)' 상에 직접적으로 증착되고 '패터닝(Patterning, 기판에 원하는 회로나 모양을 식각하는 행위)' 된다.
- 필름 타입: '필름 타입'은 구현하기가 간단하며, 터치 레이어의 생산 수율과 완성품인 디스플레이 층의 샌산 수율이 분리되며, 저비용으로 제조할 수 있다는 장점이 있따. 또한 큰 면적에 대한 확장성도 우수하며, 'R2R(Roll-to-Roll)' 필름 생산 기술을 적용할 수 있기 때문에, 생산 속도가 빠르지만 성능 면에서는 On-Cell에 비해 부족한 편이다. 필름 기반 방식은 추가 기판과 추가 접착층이 필요하여 전체적인 두께가 증가하고 유연성은 감소하게 된다. 이를 위해 CPI 필름 채택으로 해결하고 있지만, '하드 코트 레이어', '편광자', '배리어 필름' 등이 추가로 필요하게 되어 장기적인 생산계획에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
- On-cell 타입: 'On-cell 타입'은 터치 레이어가 증착되고 '포토리소그래피(Photolithography)' 방식으로 'OLED-TFT' 스택의 상부에 직접 인라인 패터닝 된다. On-cell 타입의 장점은 '필름 타입'과는 달리 추가 기판이 필요 없이 유연한 솔루션을 제공할 수 있다는 점이다. 다만, 제조 원가가 비싸다는 점과 '터치 레이어'의 생산 수율이 디스플레이 전체 수율에 영향을 미칠 수 있다는 점이 단점이다. 충분한 기술 노하우와 'IP(Intellectual Property)' 보호 기능을 갖춘 스마트폰 제조사들은 현재 디스플레이 크기의 확장하기 위해 On-cell 타입 연구개발에 집중하고 있다.
결국, 고가의 고성능 프리미엄 디스플레이에는 'On-cell 타입'이, 저렴한 엑세스를 위한 보급형 디스플레이에는 '필름 타입'이라는 현재의 생산 전략이 당분간 지속될 것으로 예측된다.
| 파라미터 | 필름 타입 | On-cell 타입 |
| 결함 비용 | 낮음 | 높음 |
| 생산 복잡도 | 낮음 | 높음 |
| R2R 적용 가능성 | 높음 | 낮음 |
| 기술 접근성 | 높음 | 낮음 |
| 두께 | 높음 | 낮음 |
| 유연성 | 낮음 | 높음 |
| IP 리스크 | 낮음 | 높음 |
6. '3차원 터치 기술'의 다양한 연구 성과들
6-1. '대면적 역학 변색형 압력 감지 터치스크린' 개발
2017년에 '울산과학기술원 (UNIST: Ulsan National Institute of Science and Technology)' 에너지화학공학과의 '고현협' 교수팀과 미국 듀크대학교 '스티븐 L. 크레이그(Stephene L. Craig)' 교수팀은 누르는 힘의 위치뿐만 아니라, 강도까지 감지할 수 있는 3차원 압력센서를 기반으로 한 대면적 투명전극으로 이뤄진 '플렉시블 역학 변색형 압력 감지 터치스크린'을 개발하였다. 대면적으로 교차 정렬된 '은 나노와이어(Silver Nanowire)' 기반의 투명 전극과 힘을 받으면 색깔이 변하는 '역학 변색형 고분자(Mechanochnromic Polymer)'를 결합한 구조다.
'은 나노와이어(Silver Nanowire)'는 유연하면서 전도성이 뛰어나 투명전극의 소재이지만, 제어하기가 까다로워 대면적으로 균일한 필름을 만들기는 어렵다. '고현협' 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 산업계 인쇄 공정에서 널리 이용되는 '바코팅(Bar Coating)'을 사용하여, '은 나노와이어'를 규칙적으로 교차 정렬시키는 기술을 개발하였다. 또한 '역학 변색형 고분자'는 사용자가 누르는 힘을 감지해 색깔 진하기로 구분할 수 있다. 이를 터치스크린에 적용하면, 기존 저항망 방식의 터치스크린이 위치만 표시하는 한계를 뛰어넘어, 사용자가 터치스크린을 누르는 강도에 따라 변하는 색깔 진하기를 정밀하게 분석하여, 누른 위치와 강도를 동시에 인식할 수 있다. 이를 활용하면, 터치스크린에 글씨를 쓸 때 누르는 접촉 강도를 정밀하게 인식해 사람마다 다른 필기 패턴을 분석할 수 있어, 신개념의 기계와 사람 간 인터페이스를 구현할 수 있게 된다.
6-2. '은 나노 소재'를 활용한 '3차원 터치 기술'
서울대학교의 '고승환' 교수팀은 3차원 위치와 압력 정보를 동시에 인식하는 투명하고 유연한 차세대 3차원 터치 기술을 개발하였다. 위치와 압력을 하나의 소자로 측정해 기존보다 정확하고 투명하고, 투명한 곡면 디스플레이에서도 쓸 수 있는 '3차원 터치 기술'을 개발하여 국제 할술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 2019년 6월 13일 자에 발표하였다.
'터치패널(Touch Pannel)'과 '압력센서(Pressure Sensor)'를 조합해 만든 장치가 스마트폰 등에 도입됐지만, 대략적인 압력을 간접적으로 측정하고, '정확도', '투명도', '유연성'이 떨어진다는 한계가 있었다. 연구팀은 '은 나노입자(Silver Nanoparticle)'에 '레이저(Laser)'를 적용해 기존 장치에는 없던 '미세 물결 구조'를 만들어, 손가락으로 센서를 누를 때마다 전극에 독특한 표면 형상을 발생시켜 위치와 압력 세기를 동시에 측정하는 기술을 개발하였다. 투명하고 유연한 기판 위에서도 '3차원 터치'를 제작할 수 있어, '곡면 디스플레이', '웨어러블 전자기기', '사람 피부'처럼 휘어지는 환경에서도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
6-3. 투명 플렉시블 키보드를 통한 포스터치 구현
연세대학교의 '심우영' 교수팀은 2018년에 '3차원 터치 키보드에 투명성과 유연성을 확보할 수 있는 '나노입자'를 활용한 고감도 플렉시블 압력센서를 개발하였다. 유리처럼 투명하고 고무처럼 유연한 '3차원 터치 키보드'는 누르는 세기에 따라 대·소문자를 구별하는 '포스터치' 기능도 제공한다.
센서 민감도를 높이려고 표면에 미세구조를 만들면 투명도가 저하되기 때문에, 동시에 투명도·민감도·유연성을 확보하기 어려웠다. 연구팀은 빛을 잘 투과하는 '실리카 나노입자(Silica Nanoparticles)'가 터치센서 표면에 돌출되도록 하여, 거친 표면으로 인해 입력 감지 성능이 극대화되며, 빛이 터치센서를 투과해도 색깔 변화 없이 선명하게 보일 수 있는 기술을 개발하였다.
7. '3차원 터치 기술'의 산업 적용
'3차원 터치 기술'은 위치뿐만 아니라 누르는 힘까지 인식하는 기술로 'HMI(Human Machine Interface)'를 통해 조작성·편의성 제고 등 다양한 사용자 경험을 제공하는 기술이다. 스마트폰 주요 업체 전략 모델에 3차원 터치 기술'이 경쟁적으로 도입될 것으로 예상되었으나, 학습이 필요한 인터랙션 등 불편함으로 인해, 사용자에게 필수 기능으로 인식되지 못하여 시장은 한차례 정체되었다. 2023년 기준, '3차원 터치 기술' 시장은 아직 미미한 수준이다. 반면 '자율주행차', '생활가전', '산업용' 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
7-1. 3차원 터치 기술은 IT 기기뿐만 아니라, 다양한 분야로 확대
2007년 '애플(Apple)'의 아이폰 출시 이후에 본격적으로 터치센서 시장이 성장하면서, 최근에는 스마트폰뿐만 아니라 '태블릿 PC', '올인원 PC', 'DID(Digital Information Display)' 등 각종 디스플레이 제품으로 응용이 확대되고 있다. 3차원 터치패널 시장은 장기적으로 이러한 IT 제품을 넘어 자동차, 백색가전 시장과 같은 타 분야로 확대될 가능성이 크다. 터치 센서 기술은 '슬림화', '경량화', '다기능화' 등을 지향하는 고기능화 전략과, 시장 지배력을 확보하기 위한 '저가격화 전략'이 상충되고 있다. 이에 따라 '단일 전극층 터치 센서', '플렉시블 터치 센서', '내장형 터치센서', '대면적 터치 센서', '지문인식·디지타이저 등이 내재화된 다기능 융복합 터치 센서'로의 개발이 촉진될 것으로 예측된다.
7-2. '3차원 터치 기술'의 자동차 적용 확대
'커넥티드 카(Connected Car)' 서비스는 스마트폰 및 모바일 인터넷 서비스의 확대에 힘입어 점차 대중화되고 있다. 특히 '차량 제어', '모니터링 서비스(Monitoring Service)'는 스마트폰과 차량을 연결해 다양한 어플리케이션을 통하여 사용자에게 제공되고 있다. 향후에는 모든 연결성, 플랫폼, 솔루션이 차량 내에 탑재되어 자동차 자체가 하나의 '커넥티드 디바이스(Connected Device)'가 되는 형태로 진화할 것이다. '차량 제어', '모니터링', '관리 서비스와 정보', '내비게이션', '미디어', 'SNS', '애플리케이션 등 모든 개인용 서비스가 통합되어 제공될 것으로 예상되며, '건물', '교통 시스템', '다른 차량' 등과도 연결될 것이다. '커넥티드 카 서비스'의 확대를 위해서는 5G 통신과 함께, 운전자의 안전을 보장할 수 있는 입력수단이 필요하다. 이러한 이유로 최근 자동차 업체들은 물리적 버튼을 스크린으로 대체함과 동시에 '3차원 터치 기술'을 중요한 입력수단으로 보고 있다. '인포테인먼트(Infotainment)' 서비스를 포함한 커넥티드 카 서비스를 확대하기 위한 연구를 진행하고 있다.
'손 제츠처' 인식 기술도 자동차에 적용 확대되고 있다. '손 제스처'를 인식하기 위해서는 다양한 센서를 이용하여 손의 위치·모양·궤적 정보를 이용한다. 손의 궤적 정보를 이용하는 연구에서는 '시계열 데이터 분석을 위하여 'HMM(Hidden Markov Model)', 'DBN(Dynamic Bayesian Network)', 'CRF(COnditional Random Field)'와 같은 모델이나 이의 변경 모델을 이용하고 있다. 손의 모양 정보를 이용하는 경우에는 'TOF(Time of Flight)'나 '스테레오 카메라(Stereo Camera)'로부터 측정된 3차원 정보를 분석하여 손의 구조적 특징을 이용하거나, 손의 모야 정보를 '부스팅(Boosting)'하는 방법으로 분석된다. BMW 등 프리미엄급 자동차에서는 자동차 인포테이션 기기 제어를 위해 손 제스처가 개발되어 적용되고 있다.