안녕하세요.

가입후 눈팅이나 중고거래정도나 하던 반 유령 회원입니다.


최근 '정전용량키보드'에 관심이 가고 있어 공부(???)좀 하다가 생각을 정리할 겸 해서 글을 써봅니다.


전기 관련은 고등학교 물리학 책에서 본 내용에서도 기본 개념 정도만 기억하는지라 아래 내용에 어떤 오류가 있는지 저도 모릅니다;;

잘 아시는 분의 정정을 기대합니다 :)

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기성품 키보드의 소위 '끝판왕' 중 하나로 언급되는 제품군이 바로 정전용량무접점 키보드들입니다.

(위키피디아에서 보면 이것 말고도 자석과 자력의 센서를 이용한 것도 있다는데, 일반적으로 무접점이라 하면 정전용량 방식이죠;)


아직 형편이 되지 않아 영접하진 못했지만 나름 키보드를 좋아하는 1인으로서 관심이 안갈래야 안갈수가 없죠.

그러다가 이 키보드의 작동원리를 찾아보던 중, 딱히 명쾌한 설명이 없다는 것을 알았습니다.


기존의 설명글은 있습니다. 키매냐에도요.

(http://www.kbdmania.net/xe/best_article/8382874)


그림이 사라져서 위키피디아에서 가져옵니다.

220px-Capacitor_schematic_with_dielectri


위의, 그러니깐 기존의 설명을 참조하면, 위 그림에서 극판 사이의 거리인 d가 변화하여, 그로인한 정전용량(C)의 변화를 감지하여 입력이 된다는 것이지요. (위 그림을 90도 회전한 식으로 볼 수 있습니다.


하지만 그러기 위해선 가장 잘 알려지고, 현재 판매되는 대부분(전부?)의 정전용량 키보드의 기본구조인 '토프레'방식 부터 설명하기 힘듭니다. 다음과 같은 이유 때문이죠.


1. 스프링을 가동'전극'으로 표현하는데, 그럼 구조상 '전극'이 3개 입니다. 트랜지스터 처럼요. 하지만 축전기의 기본구조는 2개의 전극입니다.

2. '전극'인 스프링의 작동으로 위 도면상 'd'가 조절되는 방식이면 스프링이 기판에 연결되어 있어야 합니다. 하지만 안그렇죠.

(사실 분해 사진을 찾아보기 전에는 위 설명때문에 기판에 스프링이 연결 되어 있는 줄 알았습니다;;; 하지만 그렇다 하더라도 다른 구조의 정전용량스위치(모델F나 http://cafe.naver.com/sfkey/132 <- 여기서 볼 수 있는 알루미늄 박막형 구조)를 설명하지 못합니다. 얘네들은 분명히 기판과 떨어져 있으니깐요.)


이 석연치 않음을 어찌 해 보고자 일단 검색을 해 보니, 의외로 정전용량을 이용한 입력 기구가 우리 생활 아주 가까운 곳에 있었습니다.

스마트폰 터치스크린이었죠. 하지만 이 경우 손가락-인체는 가상의 접지가 되어 있는 걸로 이야기 하며 새로운 축전기를 회로에 추가하는 효과를 가진 전극이 추가되는 식으로 이야기 하더군요. (위의 의문 1번에 가까운 내용입니다.)


뭐 이것저것 조금 더 찾아보면서 방황(?)을 했지만 결국 저는 아래와 같이 결론을 내렸습니다.


일단 정전용량식 스위치의 회로는 간단히 아래와 같이 표현할 수 있습니다.


정전키회로.png


(검정색은 음극, 빨간색은 양극을 나타내며, 초록색은 가상의 전기장 입니다.)


그림대로, 정전용량 스위치의 도체 스프링/박막이 가까워지면 회로의 축전회로의 위치에 따라 도체내의 전하가 양분됩니다.


결국 회로는 아래 두가지 중 하나로 해석할 수 있습니다.


daisy chain.png

첫번째는 영문위키에서 정전스위치를 설명하는 방식입니다. 

가까워져서 전하가 나뉘어진 도체는 결과적으로 위의 그림처럼 회로의 축전기 구조를 1개에서 2개로 늘이는 효과를 가져옵니다.

이에 따라 직렬 연결시 정전용량(=전기용량?/Capacitance/C) Ctotal은 

1/Ctotal=1/C1+1/C2

식에 따라 변합니다. 

이때, 위의 식에 따르면 Ctotal이 줄어들게 되지만, 스위치가 작동되지 않을때의 전기장 분포에서 보듯, 거리에 따라 다르게 작용하던 전기장이 가까워진 도체와는 더 안정적으로 작용하여 전체 축전기의 '면적'이 넓어지는 효과도 있을 듯 합니다. 

두 효과의 합으로 정전용량이 커질지 작아질지는 모르겠습니다;;;

(또한 이건 회로의 축전판이 어떻게 되어 있는가도 요소일텐데, 토프레 스위치의 축전판의 범위가 드러난 금속부인지 기판에 보이는 반원 구조 전체인지 따라 전기장 분포가 달라질테니깐요/ 축전구조가 절연이 필요하니 위의 코팅이 있을 수 있고, 스프링의 범위를 생각하면 반원구조같지만요;;)


두번째 가능성은 아래와 같은 그림으로 표현할 수 있습니다.

dielectric.png


도체 스프링/박막의 전하분포가 극성을 띄는것 및 결국 구조상 축전기판과는 접촉하지 않는, 즉 절연되어 있음은

'극성의 비도체'라는 축전기의 '유전체'의 특성과 같은 효과를 냅니다.

이때 유전체는 

C=ε*A/d 식에서 

"ε" 로 나타나는 유전율을 바꾸며, 제가 찾은 설명에 따르면(이건 정전센서의 감지범위 안에 도체가 들어간 경우를 설명하는 것이었습니다만..) 각 방향으로 유도되는 전하가 축전기의 양 극의 전하와 더불어 서로 더 많은 전하를 끌어들인다고 합니다. 즉, 저 식의 "ε"값을 증가시켜 정전용량이 커지게 됩니다. 


둘 중 어느 방식이 더 실제에 가까운지는 모르겠습니다.

어쨋든, 키 스트로크로 도체구조가 기판상 축전기 회로에 가까워지면

(1) 축전기의 직렬연결 추가 효과

혹은

(2) 유사 유전체 효과

를 발휘하며, (1)과 (2) 두 경우 모두 회로상 정전용량의 변화를 동반합니다.


이 변화하는 정전용량은

직류의 경우 그 순간 일어나는 전류(V가 고정이므로 전하량(Q)=CV 식에 의해 변화한 C에 대응하는 dQ의 전류가 발생)를 측정할 수 있을 것 같기도 하고,

교류 신호를 사용하면 정전 리액턴스를 측정하는 방식을 쓸 수 있다고 합니다.(정확히 어떻게는 모르겠고 '측정할 수 있다'정도만 알고 있습니다;;)


검색 중에 지나가며(다시 검색하여 같은 페이지를 못찾아서;;) 정전용량 키보드에 오실레이터(?)란게 들어간다고 하니 후자의 리액턴스를 측정하는 방법일 것 같습니다.(이 리액턴스 측정은 영문위키에서도 그리 설명하더군요;)



(자세한 기술적으론 더 많은 의문만이 생겼지만) 어쨌든, 결론을 내려보면,


정전용량 스위치가 눌릴때

축전회로에 가까워지는 도체구조가

축전기의 정전용량을 변화시키고,

이를 측정하여 입력을 인식한다.


입니다. 이때 정전용량의 변화는 인터넷에서 흔히 볼 수 있는 축전기의 거리조절에 의한 것은 아니구요.


음.. 마무리를 어떻게 지을까요..


그럼, 여러분 모두 즐거운 키보드 생활 하세요~

(그리고 저도 언젠가 정전용량 키보드를 영접해야 겠습니다. ㅎㅎ)