무접점 키보드란 — 정전용량 원리, 리얼포스·해피해킹 사양, 자석축과의 차이

무접점 키보드는 금속 접점을 맞붙여 전기를 통하게 하는 대신, 키를 누를 때 변하는 정전용량을 기판이 읽어 입력을 판단하는 키보드다. 정식 이름은 정전용량 무접점 방식이고, 일본 토프레(Topre)의 리얼포스(REALFORCE)와 PFU의 해피해킹 키보드(Happy Hacking Keyboard, HHKB) 프로페셔널이 대표 제품이다. 현행 리얼포스 R4는 모델에 따라 키 하중이 45g, 30g 또는 변하중이고, 키 스트로크는 4.0 mm, 스위치 수명은 1억 회로 적혀 있다. 자석과 센서로 입력을 읽는 자석축 키보드도 접점이 없기는 마찬가지여서, 살 때는 무접점이라는 이름보다 사양표의 감지 방식을 봐야 한다.

접점이 없다는 말의 뜻

보통의 기계식 스위치 안에는 금속 접점이 있다. 체리는 금 기반의 크로스포인트 접점을 MX 스위치의 심장이라고 소개한다. 키를 누르면 이 접점이 붙어 전류가 흐르고, 그것이 입력 신호가 된다. 금속이 붙는 순간에는 접점이 아주 짧게 여러 번 튀는데, 그대로 두면 한 번 누른 키가 여러 번 입력될 수 있다. 그래서 키보드의 프로세서가 신호를 일정 시간 평균해 한 번의 입력으로 확정하고, 이 처리를 디바운스(debounce)라고 한다. 리얼포스는 한 번 눌렀는데 두 번 입력되는 이중 입력을 채터링이라고 부른다.

토프레 스위치는 위에서부터 슬라이더, 고무 돔, 원뿔 모양 코일 스프링, 기판 순서로 쌓여 있다. 키를 누르면 돔이 찌그러지면서 스프링이 눌리고, 기판이 그 변화를 정전용량으로 읽는다. 정전용량은 두 도체가 마주 보는 면적이 넓을수록, 사이가 가까울수록 커지는 값이다. 토프레가 1984년 9월에 출원해 1986년 4월에 등록한 미국 특허(US4584444)는 원뿔 스프링이 눌릴수록 전극과 마주 보는 면적이 누른 깊이에 거의 비례해 달라지고, 정전용량이 그 면적을 따라 변한다고 설명한다. 리얼포스 공식 설명은 이를 전극이 서로 닿지 않은 채 일정 수준까지 가까워지면 키 입력으로 인식하는 구조라고 요약한다.

이 구조에서 스프링과 돔은 맡은 일이 다르다. 키보드 자료 사이트 데스크소리티(Deskthority) 위키에 따르면 원뿔 스프링이 보태는 힘은 5 cN 안팎이어서 사실상 감지용이고, 손끝이 느끼는 저항과 걸림은 대부분 고무 돔에서 나온다. 토프레도 원뿔 스프링은 누르는 힘에 영향을 주지 않으며 고무 돔을 하중 특성 위주로 설계했다고 밝힌다.

고무 돔이 들어가도 멤브레인과는 다르다

러버 돔 멤브레인 방식의 흔한 설계는 막 세 겹으로 되어 있다. 위아래 막에 회로와 접점이 드러나 있고, 가운데 막이 평소에 둘을 떼어 놓는다. 키를 누르면 고무 돔이 윗막을 눌러 위아래 접점이 맞닿고 전류가 흐른다. 여기서 고무 돔은 키를 되밀어 올리는 스프링 노릇과 윗막에 힘을 전하는 노릇을 함께 한다.

토프레 방식에도 고무 돔이 있어서 둘을 같은 것으로 여기기 쉽지만, 입력이 만들어지는 자리가 다르다. 멤브레인은 막의 접점이 닿아야 입력되고, 토프레는 돔 아래 스프링과 기판 사이의 정전용량으로 입력을 읽는다. 토프레의 돔은 누르는 느낌만 맡는다.

채터링, 수명, 키감, 소리에서 달라지는 것

• 채터링: 리얼포스는 스위치가 켜지는 위치와 꺼지는 위치에 차이(히스테리시스)를 두어 이중 입력을 막는다고 설명한다. 기계식이나 멤브레인과 달리 튈 접점이 없다는 점도 이중 입력을 구조적으로 막는 이유로 든다.
• 수명: 리얼포스 R4, RC1, GX1 플러스의 사양표는 스위치 수명을 1억 회로 적는다. 다만 체리 MX2A 적축의 공식 수명도 1억 회 이상이라, 횟수 표기만으로는 차이가 나지 않는다. 다른 점은 닳거나 튈 금속 접점이 없다는 구조 쪽에 있다.
• 키감: 데스크소리티 위키는 토프레 스위치를 스트로크 윗부분에서 한 번 걸리고 그 뒤로는 저항이 거의 평탄한 스위치로 묘사한다. 입력은 스트로크 중간에서 이뤄지지만 그 지점이 손끝에 느껴지지는 않는다. 리얼포스는 바닥까지 누르지 않아도 된다고 안내하는데, 같은 위키는 걸림 뒤의 저항이 평탄해서 실제로는 바닥까지 내려가기 쉽다고 적는다.
• 소리: 바닥에 닿을 때와 올라올 때 낮은 소리가 나고, 대부분의 기계식 스위치보다 조용하다는 사용자 평이 일반적이라고 같은 위키가 전한다. 현행 리얼포스 R4는 제품 안내에 올라 있는 모델이 모두 저소음 스위치를 쓰고, 해피해킹은 타입에스가 소리를 더 줄인 모델이다.

스위치 갈래로 치면 택타일에 가깝다. 리얼포스도 자사 키감을 부드러운 택타일이라고 부른다. 걸림을 금속 접점 판이 아니라 고무 돔이 만든다는 점이 기계식 택타일과 다르다. 갈래 구분은 리니어, 택타일, 클릭 글에서 따로 다룬다.

작동점을 바꿀 수 있는 이유

접점식 스위치는 접점이 붙는 깊이가 부품 모양으로 정해져 있다. 체리 MX2A 적축은 2.0 mm 지점에서 입력되고 전체 스트로크는 4.0 mm다. 정전용량 방식은 붙었는지 떨어졌는지가 아니라 얼마나 눌렸는지를 값으로 읽기 때문에, 어느 깊이에서 입력으로 칠지를 설정으로 옮길 수 있다. 토프레는 이 기능을 APC(Actuation Point Changer)라고 부른다.

• 리얼포스 R2: 1.5 mm, 2.2 mm, 3.0 mm 세 단계
• 리얼포스 R3: 0.8 mm를 더한 네 단계
• 리얼포스 R4: 0.8 mm에서 3.0 mm 사이에서 조절
• 리얼포스 GX1 계열(게이밍): 0.1 mm에서 3.0 mm까지 0.1 mm 단위 서른 단계

작동점은 키마다 따로 정할 수 있다. 토프레의 안내는 빨리 입력해야 하는 키는 0.8 mm처럼 얕게, 잘못 누르기 쉬운 키는 3.0 mm처럼 깊게 두라는 것이다. GX1 계열에는 손가락 움직임에 맞춰 켜지는 위치와 꺼지는 위치를 실시간으로 0.1 mm씩 옮기는 다이내믹 모드(Dynamic Mode)도 있다. 스트로크 자체를 줄이고 싶을 때는 선택 부품인 2 mm, 3 mm 두께의 키 스페이서를 키캡 아래에 끼운다. 리얼포스는 이렇게 하면 키가 더 빨리 돌아오고 소리도 줄어든다고 안내한다.

리얼포스와 해피해킹의 공식 사양

표의 리얼포스 세 모델은 모두 스위치 수명 1억 회, 일본 생산으로 표기되어 있다. 리얼포스는 45g 말고도 30g과 변하중 모델을 내는데, 고를 수 있는 값은 계열과 모델에 따라 다르다. 변하중은 키마다 하중을 달리한 것이다. 공식 안내는 검지로 누르는 키를 45g, 새끼손가락으로 누르는 키를 30g으로 둔다고 설명하고, R4 제품 안내는 55g, 45g, 30g을 손가락 힘과 키 기능에 맞춰 배치한다고 적는다. 어느 키가 가벼운지는 사려는 모델의 안내에서 확인한다. 키 하중 숫자를 읽는 법은 키압 글에 정리되어 있다.

해피해킹은 PFU가 만드는 소형 키보드로, 영문 배열은 60키, 일본어 배열은 69키다. PFU의 공식 연혁은 정전용량 무접점 방식을 쓴 최상위 모델 프로페셔널을 2003년 5월에 발매했다고 적는다. PFU는 이 방식을 원뿔 스프링을 눌러 생기는 전하 용량의 변화로 접점 없이 스위칭하는 것이라고 설명하는데, 앞에서 본 토프레 특허와 같은 구조다. 타입에스는 스트로크가 3.8 mm로 조금 짧고 소리를 줄인 모델이다.

이름이 같다고 모두 무접점은 아니다. 표 맨 아래의 HHKB 스튜디오는 리니어 저소음 기계식 스위치를 쓰고 스위치 교체를 지원한다. 반대로 정전용량 감지가 토프레만의 것도 아니다. IBM 모델 F는 버클링 스프링 아래에 정전용량 기판을 둔 키보드였다.

자석축도 접점이 없다

접점 없이 입력을 읽는 또 하나의 방식이 홀 효과(Hall effect) 스위치, 흔히 말하는 자석축이다. 키를 누르면 스위치 안의 자석이 움직이고, 센서가 그 움직임을 전압 차이로 읽는다. 영어 위키백과의 키보드 기술 문서는 이 방식이 접점 없이 동작해 신뢰성이 높아서 원자력 발전소나 항공기 조종석 같은 곳에 쓰인다고 설명한다.

같은 문서에 따르면 요즘 게이밍 키보드에서는 0.1 mm에서 4.0 mm 범위의 작동점 조절 기능 때문에 자석축이 인기를 얻었다. 정해진 지점까지 돌아가지 않아도 손가락이 올라오기 시작하면 곧바로 키가 풀리는 래피드 트리거(Rapid Trigger)도 이 방식이 내세우는 기능이다. 이런 기능이 자석축만의 것은 아니다. 리얼포스 GX1 계열도 정전용량 방식으로 0.1 mm 단위 작동점과 다이내믹 모드를 제공한다.

두 방식은 접점이 없다는 점만 같고 구조가 다르다. 토프레는 기판이 스프링의 정전용량을 읽고 고무 돔이 누르는 느낌을 만들며, 자석축은 스위치 안의 자석을 센서가 읽는다. 상품 이름에 무접점이라고만 적혀 있다면 사양표에 정전용량이라고 되어 있는지, 자석(마그네틱, 홀 효과)이라고 되어 있는지를 본다.

사기 전에 확인할 다섯 가지

1. 감지 방식: 정전용량 무접점인지 자석축인지 사양표로 확인한다. 조용하고 부드러운 걸림을 찾는다면 토프레 방식이고, 게임에서 쓸 0.1 mm 단위 작동점이 목적이라면 자석축이나 리얼포스 GX1 같은 게이밍 모델이 후보다.
2. 키 하중: 리얼포스의 안내로는 45g이 표준이며 처음 쓰는 사람에게 권하는 값이고, 30g은 손가락이 쉽게 피로하거나 가장 가벼운 키를 원하는 사람에게 권하는 값이다. 게이밍 모델 GX1의 안내는 45g은 잘못 누르는 일이 적어 정확성을 찾는 사람에게, 30g은 순간적인 반응을 중시하는 사람에게 권한다.
3. 키캡 호환: 토프레 스위치의 슬라이더는 본래 체리 MX와 규격이 다르다. 데스크소리티 위키는 쿨러마스터(Cooler Master) 노바터치(NovaTouch) TKL 전용 스위치를 체리 MX용 키캡과 호환되는 첫 토프레 스위치로 소개한다. 호환 여부는 모델에 따라 다를 수 있으므로, 체리 MX용 키캡을 끼울 생각이라면 사려는 모델의 슬라이더 규격부터 확인한다.
4. 스위치 교체: 토프레 방식은 감지를 기판이 맡고 돔과 스프링이 기판 위에 놓이는 구조여서, 스위치만 뽑아 다른 축으로 갈아 끼우는 방식이 아니다. 리니어, 택타일, 클릭 가운데 무엇이 손에 맞는지 아직 모른다면 핫스왑 기계식 키보드로 여러 축을 먼저 써 보는 편이 순서에 맞다.
5. 연결 방식: 리얼포스 하이브리드 모델은 블루투스 기기 네 대와 USB 한 대를 연결해 두고 오가며 쓸 수 있다. 다만 모든 키 동시 입력은 블루투스 연결에서 제한이 있다고 리얼포스가 밝힌다. GX1 플러스는 유선 전용이고 폴링 레이트가 8,000 Hz다.

작동점을 바꾼 뒤 정확도로 확인하기

작동점을 얕게 하면 입력은 빨라지지만 잘못 눌리는 키가 늘 수 있다. 설정을 바꾼 뒤에는 느낌으로 판단하기보다 속도와 정확도를 숫자로 비교하는 편이 확실하다. 타닥의 급수 검정은 60초 동안 친 결과로 급수를 매기며, 타/분이 아무리 높아도 정확도가 95%에 못 미치면 불합격이다. 기준은 타닥 급수표에 있다.

1. 지금 설정 그대로 타자 연습 화면에서 미니게임의 급수 검정을 두세 번 치르고 타/분과 정확도를 적어 둔다.
2. 약점 분석 창에서 '기록 초기화'를 누른다. 이 버튼은 목록에 글자가 있을 때만 나오며, 목록이 비어 있으면 이 단계는 건너뛴다. 약점 분석은 글자별 오타 수와 시도 수를 계속 쌓는 누적 기록이라, 지우지 않으면 설정을 바꾸기 전의 오타와 섞인다. 이전 기록을 남기고 싶다면 초기화하지 말고 목록의 수치를 적어 둔다.
3. 작동점을 한 단계만 옮긴다. 예를 들어 2.2 mm에서 1.5 mm로 바꾼다.
4. 짧은 글이나 긴 글 연습을 몇 차례 한 뒤 약점 분석을 연다. 고쳐 친 오타까지 기록되며, 두 번 이상 쳐서 한 번 이상 틀린 글자가 오타 많은 순으로 15개까지 나온다.
5. 목록에 오른 글자들에 공통으로 들어 있는 자모를 찾아, 그 자모의 키만 작동점을 다시 깊게 한다.
6. 급수 검정을 다시 치러 처음 적어 둔 수치와 비교한다. 정확도가 95% 아래로 내려갔다면 작동점을 되돌린다.

약점 분석은 타자 연습 화면에서 친 글만 기록하고 미니게임에서 낸 오타는 넣지 않는다. 기록은 로그인하지 않으면 이 기기에만 저장된다.

참고한 자료

• REALFORCE Features — 정전용량 무접점 스위치의 원리, 히스테리시스와 이중 입력(채터링), APC 단계와 키 스페이서, 변하중, 블루투스 연결
• REALFORCE R4 キーボード 제품 안내 — R4의 키 하중 세 가지(45g, 변하중, 30g)와 하중별 권장 대상, 변하중의 55g·45g·30g 배치, 저소음 스위치
• REALFORCE GX1 Plus / GX1 Keyboard — 0.1 mm 단위 APC와 다이내믹 모드, 두 가지 키 하중, 8,000 Hz 폴링 레이트
• US4584444A Keyboard switch (Google Patents) — 토프레의 원뿔 스프링 정전용량 스위치 특허의 출원·등록 날짜와 작동 설명
• Topre switch (Deskthority wiki) — 스위치의 층 구조, 스프링과 고무 돔의 역할, 키감과 소리 묘사, 체리 MX 키캡 호환 스위치
• CHERRY MX2A Red — 금 크로스포인트 접점, 입력 지점 2.0 mm와 전체 스트로크 4.0 mm, 수명 1억 회 이상
• Keyboard technology (Wikipedia) — 멤브레인의 세 겹 구조, 디바운스, IBM 모델 F, 홀 효과 키보드의 원리와 쓰임
• HHKB の歴史 2003 プライドと挑戦 (PFU) — 해피해킹 프로페셔널의 발매 시기(2003년 5월)와 PFU의 정전용량 무접점 방식 설명