갤럭시 노트20 S펜의 원리

스타일러스 펜이라고 알려진 전자펜에는 기술적으로 보면 크게 2가지 종류가 있습니다.

애플 펜슬이나 MS 서피스 펜에 사용되는 AES (Active Electro-Static, 액티브 정전 방식) 펜과 삼성의 갤럭시 노트 및 갤럭시 탭에 채용된 EMR (Electro-Magnetic Resorance, 자기 공명 방식) 펜입니다.

이 2가지 펜의 가장 큰 차이는 펜을 구동하는 전원을 어디에서 얻는가 하는 것입니다.

AES형은 펜의 몸통에 배터리가 내장됩니다.

당연히 충전식 배터리입니다. 배터리가 내장되기 때문에 펜의 몸통도 좀 크고 다소 무겁습니다.

반면에 EMR펜에는 몸체에 배터리와 같은 전원이 들어가지 않습니다. 패시브(Passive형) 전자제품입니다.

반문하실 분이 계실겁니다.

노트 9이나 노트10에 들어가는 S펜에는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)라는 배터리가 들어있다고....

맞습니다. 그러나 이 배터리는 펜을 구동하기 위한 것이 아니고 노트 9의 S펜부터 부가 기능으로 추가된 카메라 촬영을 위한 리모컨 구동용입니다. (블루투스 무선 통신)

그럼, S펜인 EMR 펜의 구동 원리에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

목 차 (Table of Contents)

1. 펜 시스템의 구성

S펜 (EMR 펜)의 경우에 펜 자체만 가지고는 작동을 못합니다.

스마트폰의 액정 화면 아래에 코일 메쉬(Coil Mesh)가 들어 있는 "센서 PCB"라고 하는 것이 있어야 합니다.

즉, 아래 그림에서와 같이 펜과 센서 PCB가 짝(Pair)으로 구성됩니다.

그리고 여기서 전자기파가 발생해서 스마트폰 회로부에 영향을 끼치는 것을 막기 위해서 전자기 차단 필름 (Shield Plate)가 들어가고,, 그 외에 오른쪽 사진과 같이 구동 IC도 필요합니다.

2. 주요 핵심 포인트

기본적으로 EMR 펜을 기능적으로 구현하기 위해서는 3가지가 중요합니다.

-어떻게 펜에 전원을 공급하는가?

-스마트폰 화면상의 좌표를 어떻게 정확히 인식시킬 것인가?

-그리고 마지막으로 필압을 어떻게 구현할 것인가? (필압이라고 하는 것은 우리가 연필을 눌러쓰면 진하게 써지고 힘을 약하게 주면 엷게 써지는 기능을 이야기합니다.)

위의 3가지 요소에 대해서 한번 알아보겠습니다.

3. 어떻게 펜에 전원을 공급하는가?

이 부분은 S펜 (EMR 펜)의 독특한 특성입니다. 앞서 설명드린 것처럼 몸체에 배터리나 외부 전원이 인가되는 부분이 없습니다. 이 펜이 전원을 확보하는 방법은 흡사 무선 충전기의 원리와 유사합니다.

위의 그림에서 살펴본 것처럼 액정 패널 아래쪽에 자기 유도 방식의 센서 필름 기판 (Sensor PCB)이 있는데 이 센서 필름에는 안테나 코일이 가로/세로 방향으로 깔려 있어서 이것이 순차적으로 스캔하면서 전기를 공급하면 전자기파가 형성이 됩니다.

이 전자기파가 형성된 필림 기판 (Sensor PCB) 주위에 펜을 가져가면 필림 기판에서 발생한 전자기파가 펜 안에 있는 코일과 공진하는 것으로 에너지가 공급되어 펜이 배터리가 없어도 작동이 됩니다.

이때 펜과 필림 기판 사이에 형성되는 공진 주파수는 아래 공식과 같습니다. 주파수는 코일의 "L"값과 캐패시터(Capacitor)의 "C"값의 함수로 표현됩니다.

이런 원리로 인해서 갤럭시 노트 시리즈에 들어가는 S펜은 배터리가 필요 없습니다.

이로 인해 어떤 장점이 있을까요?

바로 S펜은 애플 펜슬이나 서피스 펜에 비해서 매우 얇고 가볍습니다. 그래서 갤럭시 노트 시리즈의 강력한 Feature인 핸드폰에 수납이 가능한 스타일러스 펜이 만들어지는 것입니다.

4. 스크린의 좌표를 어떻게 정확히 인식시킬 것인가?

이 부분은 다소 이해하기가 어려운 부분입니다.

각 안테나 코일에 펜과 거리에 따른 강도의 신호가 얻어지는데, 신호 강도의 분포가 2차 함수 형태가 될 것입니다. 이 값들의 함수형을 근사 미분하면 정점이 가장 신호가 강한 부분이 될 것이므로 여기를 펜의 좌표로 인식하게 됩니다.

이 부분에 대한 원천적인 구동 원리는 이 펜을 처음으로 만든 와콤(Wacom)에서 미국에 특허를 출원해 놓았는데, 이 특허 명세서를 확인하면 내용을 좀 더 구체적으로 볼 수 있습니다.

5. 필압을 어떻게 구현할 것인가?

이번에 출시되는 노트 20의 S펜의 필압은 4,096단계입니다.

이전 모델과 동일한 스펙으로 가장 약한 단계와 가장 강한 단계 사이에 4,096단계로 구분이 된다는 이야기입니다. 이런 정밀한 필압 구현이 EMR 펜의 큰 장점 중의 하나입니다.

구현 방법은 유전체 캐패시터 (Dielectric Capacitor)를 사용하여 캐페시턴스(C) 값을 바꾸는 것으로 필압의 세기를 감지하는 원리입니다. 즉, 가변 캐패시터를 구현하는 것입니다.

아래 그림에서와 같이 C값은 면적(A)의 함수이므로 A값을 바꾸어줌으로써 C값이 변하는 가변 캐패시터 (Variable Capacitor)의 구현이 가능합니다.

위의 그림을 기준으로 보면 12번이 펜의 심입니다. 그라파이트(코일이 감긴 Graphite로 되어있음)로 만들어져 있습니다.

휴대폰 스크린 표면에 글을 쓰기 위해 펜을 누르면 반작용으로 화살표 방향으로 펜심이 뒤로 밀리면서 유전체 (5)가 전극(1)에 닿게 됩니다.

초기 닫는 점이 펜 압의 이니셜 포스(Initial Force)가 될 것이고 힘이 증가할수록 닿는 면적이 커지면서 가변 캐패시터 형태가 되어서 펜심을 누르는 힘과 변화된 Capacitance값 사이에는 아래와 같은 곡선이 형성될 것입니다.

그 최소치와 최대치를 기준으로 그 사이 값을 4,096단계로 디지털적으로 나누는 것이 필압을 구성하는 원리가 되는 것입니다.