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방수 방진 버튼을 어떻게 설계할 것인가?

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글/Steffen Graf, Blog, Texas Instruments

식품 산업은 박테리아와 세균의 번식을 막기 위해서 장비를 세척하고 살균하는 것이 필요하다. 이러한 장비의 사용자 인터페이스는 세척에 사용되는 물이나 화학물질이 유입되지 않도록 설계되어야 한다.
방수와 방진이 되는 케이싱을 개발하기 위해서는 비용이 들어갈 뿐만 아니라 설계가 까다롭다. 특히 버튼이 포함된 사용자 인터페이스는 더 그렇다. 특수 방진 버튼을 사용하면 인터페이스를 간소화할 수 있는 대신에 디자인의 크기가 커지고 비용이 많이 들고 맞춤화가 어렵다. 이 글에서는 그림 1에서 보는 것과 같은 버튼을 어떻게 설계할지 설명한다.

[그림 1] 필드 트랜스미터의 버튼

소형 푸쉬 버튼을 사용한 방수 방진 장비는 크기를 작게 하고 맞춤화를 할 수 있다. 하지만 복잡한 설계를 필요로 하고 생산 비용이 높다.
어떤 소재냐에 상관 없이 어떤 제품의 케이싱을 터치하면 형태 변형이 일어난다. 단 수 마이크로미터에 불과한 변형이라 하더라도 이것을 감지하고 측정할 수 있다. 이 글에서 설명하는 솔루션은 전도성 소재로 만들어진 케이싱을 필요로 한다. 하지만 인덕티브 방식 버튼은 얇은 전도성 코팅으로도 충분하다.

케이스 형태 변형 측정

많은 물리적 측정은 궁극적으로 커패시턴스나 인덕턴스의 변화를 측정하는 것이다. 케이싱 금속과 전극을 사용해서 평판 커패시터를 형성하고 커패시턴스 변화를 검출할 수 있다. 이 커패시턴스는 전극 크기와 거리에 따라서 결정된다. 소재가 굽혀지는 정도에 따라서 커패시턴스 변화가 일어난다.
인덕티브 센싱 솔루션은 케이싱 하단에 일정한 간격을 두고 코일을 탑재한다. 인덕터는 PCB 상의 트레이스로서 구현할 수 있으며, 스페이서는 케이싱의 일부로서 가공을 해서 만들거나 아니면 하우징과 PCB 사이에 별도의 부품으로서 제작할 수 있다.
그림 2는 이러한 버튼을 어떻게 만드는지 보여준다. 각각의 층들을 가공하고 이 층들을 압착하는 방식으로 PCB 제조 과정에서 이러한 버튼을 통합할 수 있다. 수량이 소량일 때는 표준 가공 PCB 업체로부터 적당한 위치에 구멍이 뚫려 있고 구리나 어떤 다른 코팅이 되지 않은 FR4 기판을 사용해서 스페이서를 별도의 PCB로 제작하는 것이 경제적인 방법이다.

[그림 2] 인덕티브 터치 방식의 작동 원리

해당 영역을 누르면 인덕턴스와 인덕터의 Q 계수가 변화된다. Q 계수는 특정 주파수일 때의 인덕티브 리액턴스를 저항으로 나눈 것이다. 굽혀지는 정도에 따라서 인덕터와 커패시터로 이루어진 오실레이터(LC 오실레이터)가 주파수가 변화된다. 그림 2에서 보는 LDC2114 디바이스는 최대 4개 LC 회로의 인덕턴스를 측정할 수 있다. 또 다른 방법은 그림 3에서 보는 것과 같은 레이스트랙 형태의 인덕터를 사용하는 것이다. 레이스트랙 코일은 작은 영역으로 인덕턴스 측면에서 우수하다.

[그림 3] 레이스트랙 코일 예

소재의 굽힘성

소재의 굽힘성은 면적, 두께, 힘, 구조에 따라서 결정된다. 얇은 소재는 두꺼운 소재보다 더 잘 구부러진다. 또한 넓은 면적이 작은 면적보다 더 잘 구부러진다.
소재의 굽힘성과 함께, 코일의 인덕턴스 또한 고려해야 한다. 면적이 넓으면 손쉽게 충분한 인덕턴스를 달성하고 30MHz 미만의 주파수를 사용해서 좋은 공진 회로를 얻을 수 있다. 면적이 작으면 인덕턴스가 작으므로 공진 회로의 주파수를 한계 내로 유지하기 위해서 커패시턴스를 높여야 한다. 그런데 커패시턴스를 높이면 회로의 Q 계수가 감소한다. 이 인덕터-대-디지털 컨버터(LDC) 구성 툴이 원하는 툴을 설계하는 데 도움이 될 것이다.
LDC2114의 평가 모듈(EVM)을 사용해서 상당히 큰 버튼을 테스트할 수 있다. 두께는 1mm이고 트레이스 폭/간격은 5밀(mil)인 표준 PCB를 사용해서 이러한 버튼을 얼마나 작게 만들 수 있는지 테스트해 보았다. 테스트를 위해서 9mm부터 2mm까지 각기 다른 크기로 두 가지 널리 사용되는 형태인 원형 코일과 레이스트랙 코일을 포함하는 PCB를 제작했다. 그리고 이 보드로 LDC를 바로 포함함으로써 버튼과 LDC 사이에 케이블로 인한 영향을 제거했다. 그러지 않으면 케이블을 터치함으로써 버튼을 누른 것보다 훨씬 더 영향을 미칠 것이다. 이 현상은 작은 버튼으로 높은 주파수일 때 더 두드러질 것이다.
그림 4는 이렇게 해서 제작한 보드이다. 표준 1mm 두께 보드이고 트레이스 폭과 간격은 5밀(mil)이다. 스페이서는 PCB의 일부로서 1mm 두께로 만들었으며 구멍 말고는 트레이스나 어떤 다른 것을 포함하지 않는다. 그러므로 통상적인 제조 공정을 사용해서 기술의 한계를 테스트할 수 있다.

[그림 4] 인덕티브 버튼 테스트 보드

이들 버튼은 직경이 9mm부터 가장 작게는 2mm까지다. 레이스트랙 인덕터는 8mm x 16mm부터 3mm x 4.8mm까지다.
그림 5는 조립된 테스트 보드를 보여준다. 매 4개의 버튼 군마다 LDC2114 EVM의 I2C 버스로 연결한다. 높은 주파수나 전류가 사용되지 않으므로 차폐 케이블을 사용할 필요는 없다. 아무 케이블이나 버튼에 영향을 미치지 않고 사용할 수 있다. 케이블이 결과에 영향을 미치지 않으므로 버튼 디자인을 손쉽게 신뢰하게 테스트할 수 있다. 버튼 구성 및 평가를 위해서 EVM에 대해서 지원되는 다운로드 가능한 소프트웨어를 사용할 수 있다.

[그림 5] 테스트 보드를 LDC2114 EVM으로 연결

그림 5의 테스트에서는 120μm 두께 스테인리스 스틸을 사용했다. 상호 영향과 버튼 움직임을 최소화하기 위해서 PCB, PCB의 일부인 스페이서, 금속 커버를 나사를 사용해서 조였다. 접착제를 사용해서 접착할 수도 있으나, 이렇게 하면 다음에 다른 소재를 테스트하기가 불가능하다.

그림 6은 LDC2114 EVM과 함께 제공되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)로서, 각각의 버튼 응답을 보여준다. 한 버튼만 높게 나타나고 다른 버튼들은 최소한으로만 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.

[그림 6] 버튼을 눌렀을 때 LDC2114 EVM GUI

예상대로 작은 버튼들은 잘 작동하지 못한다는 것을 알 수 있다. 2mm 및 3mm 직경은 너무 작고 인덕턴스가 너무 낮다. 그러므로 공진 주파수가 너무 높다. 또한 2mm 버튼은 누르기가 어렵고 잘 구부려지지 않는다. 그러므로 이 장비 디자인에는 이러한 작은 버튼을 사용하기 어렵다. 4mm와 그보다 큰 버튼들은 공진 주파수가 작동할 만큼은 크지만 여전히 누르기가 어렵다. 그러므로 펜을 사용해야 하거나 높이를 높이는 설계가 필요할 수 있다. 레이스트랙 코일은 가장 작은 크기(3mm x 4.8mm)로도 소재의 구부러짐을 감지할 수 있다.

부가적인 이점

방수 방진 버튼을 설계하기 위해서는 금속 소재의 구부러짐을 활용해야 한다. 이러한 버튼은 물이나 화학 물질의 영향을 받지 않아야 하며 장갑을 끼고서나 공구를 사용해서도 작동할 수 있어야 한다. 높은 온도나 화학 물질을 견뎌야 하는 장비의 경우에는 인덕티브 센싱 기법을 사용함으로써 디자인을 간소화할 수 있다. 버튼을 따로 밀봉할 필요가 없기 때문이다.
인덕티브 센싱의 또 다른 장점은 무단조작을 감지할 수 있다는 것이다. PCB로 코일을 탑재함으로써 무단조작 시도를 감지할 수 있다. 보드 상에서 하우징 바로 뒤에다 PCB 인덕터를 탑재함으로써 누군가 장비를 열고 하우징을 제거하면 인덕턴스가 변화됨으로써 무단조작 시도를 감지할 수 있다.
이 글에서는 방수 방진 버튼을 설계하는 방법을 살펴보았다. 하우징, 단순한 스페이서, 하나의 IC, 몇 개의 수동 소자만을 사용해서 4개의 버튼을 설계할 수 있다. 방수 방진이 되는 고도로 맞춤화된 디자인을 설계할 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
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