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교육칼럼

[비센의 재미있는 과학 이야기] 터치 스크린의 원리

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작성자 석준영 작성일15-02-24 10:50 조회273회 댓글0건

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문화 혁명을 가져온 터치 스크린 역사, 생각보다 길어

손가락 하나로 모든 것을 움직이는 세상입니다. 십여 년 전만 에도 생소하게 느껴지던 터치스크린 방식이 이제는 모든 곳에 적용되어 매일 사용하는 스마트폰에서부터 아이들의 장난감까지 터치스크린이 이용되지 않는 곳을 찾기 힘들 정도라 할 수 있습니다.

이러한 터치 스크린 기술은 사실 놀랍게도 꽤 오래전인 1965년 영국의 E. A. Johnson에 의해서 개발되었습니다. 더욱 놀라운 것은 당시 존슨 박사의 논문에서 설명하고 있는 최초의 터치스크린 기술의 원리가 현재 스마트폰에 사용되는 방식과 매우 유사한 방식이라는 것입니다. 
즉, 널리 보급되어 대중화된 것은 요즘의 일이지만, 그 기술이 개발된 것은 이미 50년전 일이었습니다. 

당시 개발 된 존슨 박사의 터치스크린은 정전식 방식으로 전기가 통할 수 있는 전도체로 만들어진 디스플레이에 손가락을 가져가 대면 손가락에 흐르는 미세한 전류에 의해 터치패널에 있는 전자들의 흐름에 변화가 생기고, 그 변화를 측정하여 손가락의 위치를 인식하는 방식을 말합니다. 

이 방식은 외부의 전류의 흐름이 필요하기 때문에, 손가락 또는 특정한 펜을 이용해야 한다는 단점이 있지만, 패널의 빛의 투과율이 상당히 좋고, 한 곳 이상의 터치를 동시에 인식할 수 있을 뿐 아니라 패널을 강하게 누르지 않아도 되는 장점들 덕분에 현재의 스마트폰이나 타블렛과 같은 기기에 가장 널리 사용되는 방식입니다.

이와 대조적인 저항막 방식(resistive touchscreen)은 1970년대에 들어서 사무엘 허스트(Dr. G. Samuel Hurst)라는 미국 과학자에 의해서 개발되었습니다. 

켄터키 대학교(University Kentucky) 물리학과 교수였던 허스트는 원자물리학연구를 위해서 미국의 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)에서 밴 데 그라프 가속기(Van der Graff Accelerator)를 이용해 실험하고 있었습니다. 이 때 가속기로부터 얻어지는 자료들을 정리하는 데에 너무나 오랜 시간이 걸려 실험이 지연되는 것을 보고서 자료들을 어떻게 하면 빠르게 정리할 수 있을까를 고민하던게 되었고, 이 문제를 해결하기 위해서 x,y좌표를 읽어들일 수 있는 전도체판을 만들어서 실험으로부터 직접적으로 좌표값을 저장할 수 있는 시스템을 만들었습니다. 

물론 이 시스템을 이용함으로써 이전에 며칠이 걸려서 분석하는 값들을 몇시간내에 처리할 수 있게 되었지만, 허스트는 여기서 멈추지 않고, 이 시스템이 새로운 입력장치로 사용될 수 있겠다라는 아이디어에 착안하여, 연구소에서의 실험을 마친 이후에 학교로 돌아와 이 패널 시스템 연구를 계속한 결과 저항막 터치스크린을 개발할 수 있었습니다. 

저항막 방식이란 여러개의 얇은 막들이 겹쳐져 있는 다층구조의 패널의 윗부분에 손가락이나 펜 등을 이용해서 압력을 가하면 아래쪽에 위치한 전도체가 장착되어 있는 두개의 층이 서로 붙으면서 전기적 신호를 만들고, 그 신호를 읽어들임으로써 위치를 인식하는 방식입니다. 

제조과정이 상대적으로 어렵지 않고 정확도가 높다는 장점이 있는 반면에 여러층의 패널이 겹쳐져 있는 구조이기 때문에 빛의 투과율이 좋지 않아서 고해상도의 디스플레이를 얻는  데에는 한계가 있다는 단점이 있습니다.

터치 스크린 기술이 처음으로 상용화된 것은 1983년 휴렛 팩커드(Hewlett-Packard)사의 HP-150 컴퓨터였습니다. 

이 컴퓨터가 사용했던 터치스크린 방식은 광학방식, 또는 적외선 방식이라고 불립니다. 이 방식은 패널의 양 끝쪽에 적외선 방출기와 감지 센서를 장착시켜 놓고서 손가락이 화면에 위치하면 적외선 감지가 차단당하는 것을 측정하여 손가락의 위치를 인식하는 방식입니다. 

이 컴퓨터의 하드 드라이브 저장용량이 160 KB (요즘의 컴퓨터 저장공간의 약 백만분의 일정도의 용량)이었던 것을 감안해 보면, 당시에 터치스크린이라는 것이 얼마나 획기적이고 시대를 앞선 기술이었는지 짐작할 수 있습니다. 좀 더 정확히 말하자면 시대를 ‘너무’ 많이 앞선 기술이었다고 표현하는 것이 맞을 듯 합니다. 

당시의 컴퓨터는 지금의 윈도우즈(Windows)나 애플사의 맥 OSX와 같은 형태를 갖추지 못했을 때였고, 실제 HP-150 컴퓨터는 MS 윈도우즈의 전신에 해당하는 MS-DOS (Disk Operating System)이라는 운영체제를 갖추고 있었는데, 이는 지금의 컴퓨터와는 많이 다르게 암호와 같은 프로그래밍 언어를 타이핑을 하는 방법으로 프로그램을 실행시키는 형태였습니다. 

그래픽이 보이는 것이 아니라 명령어를 하나하나 타이핑으로 입력해야 하는 컴퓨터이기 때문에 사실 당시의 컴퓨터에는 ‘터치스크린’ 방식을 이용해서 할 수 있는 것들이 거의 없었다고 볼 수 있습니다. 

이 때문에 당시에 터치스크린 기술은 매우 신기한 기술이기는 하지만, 일반적으로 널리 사용되지는 않는 그런 기술 중에 하나였습니다.

이렇게 계륵과 같은 취급을 받던 터치스크린 기술이 널리 사용되기 시작한 것은 먼저 은행의 ATM 자동입출금기계, 키오스크(Kiosk)와 같이 시스템에서 사용되기 시작했습니다. 

키오스크란 공공장소에 설치되어 있는 정보전달 시스템을 말하는 것으로 지하철 역의 무인 안내기라던지, 박물관같은 곳에 설치되어 있는 안내시스템등을 말합니다. 이러한 기계들은 공공의 장소에서 기계를 잘 다루지 못하는 사람들도 친숙하게 다룰 수 있게 만들어져야 하기 때문에 직관적으로 이용할 수 있는 터치스크린의 입력방식이 자연스럽게 이용되기 시작한 것입니다. 이러한 시스템, 특히 ATM 단말기는 인식오차가 최소화해야 되야 하고, 공공 장소에 노출되는 만큼, 강한 내구성을 요구할 뿐만 아니라 제작 단가 역시 중요한 고려대상이 되기 때문에 스마트폰에 사용되는 정전식이 아닌 저항막 방식 또는 적외선 방식의 터치스크린 원리를 이용하고 있습니다. 

일반적인 스마트폰과 달리 은행의 ATM 단말기를 사용하실 때에는 좀 더 강하게 화면을 눌러야 작동이 되는 것이 바로 이러한 원리의 차이 때문인 것입니다.

이렇게 제한된 곳에서만 사용되어오던 터치스크린 방식은 2000년대에 들어서 드디어 최고의 전성기를 누르며 이제는 모든 곳에 터치스크린을 이용한 입력방식은 거의 기본이 되어 버렸습니다. 앞서 설명드렸듯이 터치 스크린 방식은 정전식, 저항막식, 광학식, 그리고 초음파를 이용한 초음파방식으로 나뉘어 지는데, 먼저 개발된 방식이라서 더이상 사용되지 않거나 하는 것이 아니라 사용 목적에 따라서 알맞은 방식이 채택되어 모든 방식이 현재까지도 사용되고 있습니다. 

고해상도의 디스플레이와 터치감 등이 중요시 되는 스마트폰이나 타블렛 등에서는 정전식 방식을, 인식율이 중요하나 상대적으로 높은 해상도의 이미지가 요구되지는 않는 ATM 단말기나 GPS 네비게이션 등에는 저항막식 또는 적외선 방식의 터치스크린이 일반적으로 사용되고 있습니다.

더 나아가 이제는 터치스크린을 뛰어 넘어서 공간상에서의 움직임을 인식하거나, 화면 앞에서 손을 움직이기만 해도 터치없이 조정을 할 수 있는 기능들도 상용화되고 있습니다. 

이러한 기술들이 20-30년전만 하더라도 공상과학영화에나 나오던 것임을 생각해 보면, 지금 말도 안되는 기술이라고 생각되는 기술들, 예를 들면 생각만으로 물체를 조정한다던지, 인공적으로 맛이나 냄새도 느낄 수 있게 한다던지 하는 기술들이 멀지 않은 미래에 현실화될 수도 있겠다는 재미있는 상상을 해보게 됩니다. 

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석준영  비센학원장 

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