키보드의 종류와 차이점 - 펜타그래프,멤브레인,기계식,캐패시터,폼 일레멘트,러버 돔,혼합형

키보드

흔히 키보드는 기계식과 멤브레인식으로 나뉜다. 보다 정확히 말하면 일반적으로 사용자들이 키보드를 구분하는 기준은 '기계식 or 멤브레인식'의 두가지라고 한다. 그러나 이러한 분류는 실질적으로 정확하지 못한 것이다. 보다 정확하게 구분하자면 흔히 이야기하는 기계식 키보드라는 것은 순수 메커니컬 스위치 타입과 캐패시티브 스위치 타입, 그리고 일반적인 멤브레인 키보드 위에 키보드의 타이핑 감을 향상시키기 위한 보조장비를 올려놓은 혼합형으로 나뉘며, 이들의 특성은 각기 상당히 다르다.

최근 펜타그래프 방식이 얇은 외형적으로 인기가 많아 기계식 이나 멤브레인 방식 보다 선호도가 높다.

이번 강좌에서는 이러한 키보드들의 구조와 원리에 대해서 상세한 일러스트를 통해서 알아보고, 과연 우리가 지금까지 기계식이라고 불러왔던 키보드들, 그리고 멤브레인식이라고 불러왔던 키보드들을 제대로 이해하고 있었는가를 되짚어보고자 한다.

키보드의 구분

키보드의 구분은 기본적으로는 그 기계적 메커니즘, 즉 스위치의 방식에 전적으로 따르게 된다. 즉, 각 키의 눌림을 인식하게 만드는 스위치의 종류에 따라서 키보드의 종류가 구분되는데 지금까지 사용되었던, 그리고 지금 사용되고 있는 키보드들의 종류는 아래와 같다.

1. 순수 기계식 스위치 타입 (pure mechanical switch type)
2. 폼 일레멘트 타입 (form element type)
3. 러버 돔 타입 (rubber dome type)
4. 멤브레인 스위치 타입 (membrane switch type)
5. 캐패시터 스위치 타입 (capacitive switch type)
6. 혼합형 (composite type)
7. 펜타그래프 타입

여기서, 가장 널리 사용되는 것은 누가 뭐래도 멤브레인 스위치 타입이다. 흔히 전자식 키보드라고 불리는 멤브레인 스위치 타입 키보드는 제조공정이 다른 키보드들에 비해서 월등히 저렴하며, 비교적 고장날 확률이 적어서 많이 사용된다. 그러나 많은 사용자들이 '기계식 키보드'를 찾는 것은 바로 키 스트로크시의 감촉 때문이다. 이것은 초기 순수 기계식 키보드에 있었던 메커니컬 스위치가 가지는 특성이다.

이들 중 폼 일레멘트 타입과 순수 기계식 타입은 거의 만들어지고 있지 않으며, 거의 모든 시장이 멤브레인 스위치 타입에 흡수되어 있다고 해도 무방하다. 극히 일부에 캐패시터 스위치 타입이 존재하며, 몇몇 업체에서 기계식 스위치 방식 키보드에 익숙해진 사용자를 위해서 혼합형을 만들고 있는 실정이다.

최근에 들어 얇고 사용하기 편한 펜타그래프 방식이 유행하고 있다.

그러면, 실제로 어떠한 구조와 특징을 가지는지를 알아보기로 하자.

기계식 스위치

우리가 흔히 이야기하는 기계식 키보드는 바로 이 방식을 지칭한다. 대개 기계식 키보드를 이야기할 때 알프스(Alps) 키보드를 이야기하는데, 이러한 방식 키보드의 대표적인 제조사가 바로 알프스사였기 때문이다. 이 방식은 초기에 알프스, Lite-On, NMB 등의 몇몇 회사에서 제조했다. 그러나 생산 공정이 복잡해서 현재는 전부 멤브레인 스위치 방식만을 생산하고 있다.

구조

그 원리는 대단히 단순한데, 바로 키보드의 반동을 위한 스프링과 키 스트로크의 인식을 위한 스위치로 구성되어 있다. 스위치는 접점을 가지고 있으며, 키가 눌러졌을 때 그 접점이 접촉되는 형태이다.

 기계식 스위치 타입 키보드의 구조

원리는 간단한데, 구조는 간단하지 못하다. 바로 스위치 때문이다. 생각해 보면, 이러한 구조를 가지는 키 하나는 제작이 쉽지만, 키보드 전체로 보았을 때는 키 하나하나에 스위치를 두어야 하고, 전체 부분을 지지하기 위한 PCB가 필요하다. 그래서 구조는 대단히 복잡해진다. 그러나 이 방식의 장점은 누가 뭐래도 키 스트로크의 감촉에 있다.

메커니컬 스위치 타입을 종종 '클릭 스위치 타입'이라고 부르는 경우도 있는데, 이것은 이러한 방식의 키보드의 스트로크 시에 '클릭'하는 소리가 나기 때문이다.(마우스의 버튼에 사용되는 스위치와 유사한 방식이라고 생각하면 된다.)

동작

메커니컬 키보드의 동작
(보다 정확한 묘사를 위해서 Animation GIF를 사용하다 보니 용량이 좀 커졌는데, 양해를...)

키보드의 동작 역시 단순하기 그지없다. 키가 눌리면서 아래쪽의 스위치를 건드리게 되고, 스위치가 눌리면, '클릭'하는 소리와 함께, 접점이 붙어서 키 스트로크의 인식이 된다. 키는 스프링에 의해서 다시 원상태로 회복된다.

특징

순수 기계식 스위치 타입의 키보드는 여러가지 장점을 갖는다. 키 하나하나마다 개별적인 스위치를 가지기 때문에 키보드의 신뢰도가 높아서 고장이 잘 나지 않을뿐더러 접점부위의 자가세정기능을 가지는 경우도 있다. 또한 일반적으로 약 2천만회의 키 스트로크를 견뎌낼 수 있는 우수한 수명을 가진다. 그래서 키 스트로크나 수명, 신뢰도의 측면에서 보았을 때 캐패시티브 타입 다음으로 뛰어나다는 평가를 받는다.

문제는 제조공정과 가격이다. PCB 상에 개개의 스위치를 부착해야 하고, 그 위에 스프링을 씌우고 키를 올려놓는 등의 작업이 들어가기 때문에 전체적인 부품의 수가 멤브레인 타입에 비해서 월등히 많다. 당연히 이것을 조립하는데에도 많은 공정을 필요로한다. 이것은 제조업체의 입장에서는 상당한 부담으로 작용하는데다가, 멤브레인 키보드의 초저가공세에 밀려서 최근에는 거의 사라지고 있는 실정이다. 현재 위와 같은 방식의 순수 기계식 키보드를 제조하는 업체는 거의 찾아보기 어렵다.

폼 일레멘트 타입 스위치

폼 일레멘트는 많은 사용자들이 잘 모르고 있는 방식이다. 예전에 키트로닉스를 비롯한 일부 업체에서만 이 기술을 사용하였으며, 이를 컴팩등이 채택한 바 있다. 그러나 키 감촉이 다른 방식들에 비해서 상당히 안좋은 편인데다가 먼지 등의 외부적 재해에 상당히 취약하기 때문에 현재는 거의 사용되지 않는다.

구조

이 역시 원리는 단순하다. PCB에 인쇄되어 있는 끊어진 회로를 키에 부착되어 있는 점점부가 내려가서 연결해준다는 것이다.

폼 일레멘트 타입 키보드의 구조

이러한 구조는 앞서의 순수 기계식 키보드에 비하면 단순한 편이다. 비교적 구조가 간단해짐으로 인해서 기계식에 비해서 제조는 용이하다.

동작

폼 일레멘트 타입 키보드의 동작

키를 누르면 키 아래에 붙어있는 완충재가 접점부에 닿게 되며, 스위치를 닫아주는 역할을 한다. 그리고, 키는 스프링의 반동에 의해서 원상태로 회복된다. 완충재를 사용한 것은 키를 눌렀을 때의 접점부 손상이나 튕기는 현상을 방지하기 위함인데, 이 때문에 키 스트로크의 감촉이 상당히 밋밋해진다는 문제점이 있다.

특징

이 방식은 지금에 있어서는 상당히 구형이라고 할 수 있다. 물리적 스위치를 사용하기는 하지만 완충재로 인해서 키 스트로크 감이 상당히 뭉개지며, 따라서 키 스트로크시의 소리도 거의 들리지 않는다. 이 때문에 컴팩 등의 일부 회사에서는 이 키보드를 채택하면서, 키를 누르면 스피커에서 인위적인 '클릭'소리를 발생시켜주도록 만들었던 적도 있다. 여하튼, 다른 키보드 방식들에 비해서 키 스트로크 감촉이 좋지 않다는 것은 치명적인 단점이다.

또하나의 단점은 바로 접점 부위에 있다. 금속으로 된 점점부위를 사용하며, 이것이 그대로 노출되어 있기 때문에 먼지, 습기 등에 대단히 약하다. 다행스럽게도 청소하기는 용이해서 이러한 단점을 어느정도는 커버할 수는 있지만, 주기적으로 소제를 해 주어야만 안정적인 동작을 보장받는다는 점에서 사용자의 불편이 남아있다.

 

러버 돔(Rubber dome) 타입 키보드

러버 돔 타입 키보드는 현재는 많이 사용되지 않으며, 사용된다고 하더라도 지금은 간단한 계산기 등 소형의 기기에만 사용되는 방법이다. 기본적으로는 폼 일레멘트 방법과 유사하지만, 키의 원상 회복을 스프링이 아닌 고무 돔(러버 돔 : rubber dome - 마치 무슨 성인용품 이름같은.......... -_-; 죄송...)의 탄성을 이용한다는 점이 다르다.

구조

구조는 앞서의 다른 방식들보다 더 간단해진다. 스프링을 수납하는 공간 자체가 필요없으며, 고무 돔 자체가 탄성을 가져서 키를 위로 밀어올리기 때문이다.

러버 돔 키보드의 구조

고무로 된 탄성체(혹은 키 자체) 아랫면에는 탄소로 이루어진 접촉스위치가 있다. 이것이 기판 위의 접점 회로에 닿으면 스위치가 동작하는 것이다. 러버 돔 키보드의 구조가 더욱 간단해질 수 있는 까닭은, 바로 이 러버 돔이 키보드 전체에서 하나의 고무판으로 형성될 수 있다는 것이다. 즉, 키보드 전체로 따져보았을 때 컴포넌트의 수가 월등히 줄어든다는 장점을 가진다.

동작

러버 돔 키보드의 동작

러버 돔 키보드의 동작은 단순하기 그지없다. 고무로 된 키를 누르면(혹은 프라스틱 재질의 키가 눌려서 러버 돔을 누르거나)  그 아래에 있는 탄소 스위치가 접점에 닿아서 키 스트로크가 인식되며, 키를 놓으면 고무 자체의 탄성으로 인해서 원상태로 회복된다. 고무 자체의 탄성이 좋을 경우 상당히 좋은 키 감을 보여주지만, 고무의 품질이 떨어질 경우 키 스트로크는 최악이 되어버리는 수가 있다.

특징

러버 돔 타입의 키보드는 별도의 클립같은 것이 없이도 충분한 키 스트로크 감촉을 유지시켜준다.(물론 러버 돔 자체의 재질이 좋을 경우에 한해서..) 또한 앞서도 말했듯이 구조가 극단적으로 단순해질 수 있기 때문에 폼 일레멘트와 기본적으로 같은 구조를 가진다 하더라도 생산성에 있어서 월등히 뛰어나다는 장점을 갖는다. 또하나의 장점은 러버 돔 자체가 먼지나 습기의 유입을 막아줄 수 있는 커버의 역할을 해 준다는 것이다. 키보드 전체를 하나의 고무 막이 덮고 있기 때문에, 키보드에 있어서 최고의 재해(-_-;)라 할 수 있는 물을 엎지른다거나 하는 등의 사태에도 충분히 견뎌낼 수 있다. 폼 일레멘트 키보드의 특성을 따라서, 청소하기도 상당히 용이하다.

단점이라고 한다면, 고무의 재질에 따라서 키보드의 키 스트로크 감촉이 상당히 달라진다는 것인데, 일반적인 경우 그 감촉이 다른 스위칭 방식에 비해서 현저히 떨어진다는 것이 문제점으로 지적될 수 있다.

멤브레인 스위치(Membrane switch type) 키보드

흔히 전자식 키보드라고도 하는 멤브레인 방식 키보드는 현재 가장 널리 사용되고 있는 키보드이기도 하다. 기본적인 구조를 러버 돔 키보드에서 계승하고 있으며, 그와 더불어서 그 구조가 극단적으로 간단해져서 최고의 생산성을 가진다는 것이 무엇보다도 큰 장점이라고 하겠다. 키보드의 가격이 현재와 같이 거의 소모품 수준으로 저렴해진 데에는 쉽게 제작할 수 있는 멤브레인 스위치 타입 키보드의 역할이 절대적이었다고 할 수 있다.

구조

멤브레인 스위치 타입 키보드의 구조

구조는 앞서의 방식들에 비해서 다소 복잡해 보일 수 있다. 가장 아래에는 PCB 혹은 커버가 위치하며, 그 위에 하부회로막이 있고, 상부회로막과의 쇼트를 막는 절연막을 거쳐서 상부회로막이 위치한다. 그리고 그 위에 탄성을 주는 멤브레인(러버 돔)이 있다. 이렇게 보면 복잡한 것 같으나, 멤브레인부터 하부회로막까지가 모두 전체 키보드에 걸쳐서 단일 부품으로 형성될 수 있다는 것이 바로 전체적인 구조를 극단적으로 단순하게 만들어주는 이유이다. 아래 일러스트를 보자.

멤브레인 키보드의 구조는 전체 키보드에 걸쳐서 단일한 멤브레인,
회로막 등으로 구성됨으로써 대단히 간단해진다.

결국 키보드 위의 키가 몇개이던지간에 멤브레인과 회로막, 절연막등은 각기 한장씩으로 해결되는 것이다. 그 인식은 매우 간단히 이루어진다. 아래쪽의 회로막은 키의 각 행을 가로지르면서 전극이 연결되어 있고, 위쪽의 회로막은 열을 지나가면서 만들어져있다. 즉, 사용자가 특정한 키를 눌렀을 때, 키보드에는 'x 번째 열과 y 번째 행의 교점'이라는 식의 데이터가 입력되며, 이것으로 키들을 구분하는 것이다.

이로써, 멤브레인 키보드의 구조는 그 어떠한 방식보다도 간단해진다. 결국, 이는 생산성의 향상과 원가의 절감으로 직결되기 때문에, 오늘날의 거의 모든 업체가 이를 채택하게 된 것이다.

동작

멤브레인 스위치 방식 키보드의 동작

상부 회로막과 하부 회로막은 절연막에 의해서 구분되어 있으나 접점이 있는 부위만은 절연막이 없다. 키를 누르면 키는 러버 돔을 누르게 되며, 눌린 러버돔은 아래에 있는 상부 회로막을 누른다. 상부 회로막이 눌리면, 하부 회로막과의 접점이 연결되며, 키 스트로크가 인식된다.

특징

위 일러스트에서 보이듯이 주요한 스위치 부분은 모두 멤브레인 아래쪽에 있는데다가 외부의 먼지등이 침투하기 어려워서 쉬운 제조방법과 저렴한 가격에도 불구하고 높은 신뢰도를 가진다. 특히, 상하부 회로막을 밀봉하고, 윗부분의 러버 돔까지도 완전히 접착한다면 외부의 이물질 유입이 불가능해지며, 이럴 경우 다른 키보드들은 사용이 불가능한 높은 습도나 먼지가 많은 환경 등의 가혹환경조건에서도 사용이 가능하다. 이 때문에 산업 환경 등에도 널리 사용된다. 물론 그 외에도 현재 시중에 출시되어 있는 거의 모든 키보드가 멤브레인 스위치 타입 키보드라고 보면 정확하다.

대표적인 멤브레인 키보드중의 하나인 MS 내추럴 키보드 프로
필자가 사용하는 제품이기도 하다. 편리함과 편의성 등에서는 만족할 수 있지만
멤브레인 키보드 특유의 뭉클뭉클한 키 스트로크는 아무리 써도 불만족스럽다..
큰 사진을 보려면 사진을 클릭

하지만, 러버돔 키보드와 마찬가지로 키 스트로크시의 감촉이 사용자들에게 썩 만족스러움을 주지는 못한다는 단점을 가진다.(뭉클뭉클하다고나 할까.. -_-;)

캐패시터 스위치 방식(Capacitive Switch Type)

캐패시터 스위치 방식은 사실 일반 사용자에게는 대단히 생소한 방식이다. 그러나 흔히 이야기하는 '정통 IBM 기계식 키보드'라는 것이 사실은 캐패시터 스위치 방식이었다는 것을 생각한다면, 아예 못보던 키보드 방식은 아닌 것이다. 캐패시터 스위치 방식은 오늘날 사용되는 키보드의 방식 중에서 물리적인 점접을 가지지 않는 유일한 키보드 방식으로써, 캐패시터와 일련의 회로가 스위치의 역할을 대신하는 것이다. 그러나 생산가격이 다른 키보드들에 비해서 월등히 비싸기 때문에 쉽게 볼 수는 없는 제품이기도 하다.

구조

캐패시터 스위치 타입 키보드의 구조

캐패시터 타입 스위치의 구조는 상당히 복잡한 편이다. 반동 스프링이 있다는 점 까지는 메커니컬 스위치와 유사하지만, 그 아래에 축전지(캐패시터) 모듈이 존재한다. 캐패시터 모듈은 일정 간격을 두고 있으며, 키가 최대로 눌린 상태에서도 서로 접합되지 않는다. 그리고 그 아래에 PCB가 있는 PCB 위에는 오실레이터와 위상고정 회로, 비교회로가 위치해 있으며, 레퍼런스 전압이 흐르고 있다. 이러한 복잡한 구조로 인해서 캐패시터 스위치 타입 키보드의 생산단가는 다른 키보드 방식에 비해서 월등히 비쌀 수밖에 없다.

동작

캐패시터 스위치 방식 키보드의 동작
물리적인 동작은 간단하기 그지없다.

캐패시터 스위치 방식 키보드의 물리적인 동작은 대단히 간단하다. 스위치 자체가 물리적인 접촉에 의존하는 것이 아니기 때문이다. 대신, 여기서 생각해 보아야 하는 것은 전기적인 흐름의 변동이다. 고등학교 물리시간에 배웠던 공식 하나를 생각해보자.

여기서 C는 축전 용량, e는 유전율, A는 전하가 축적되는 양쪽 판의 넓이, d는 판 사이의 거리를 의미한다. 이것이 무엇인지 기억하시는 분이 있다면 고등학교 물리시간에 열심히 공부했다는 이야기인데, 어쨋든, 다른 부분은 어차피 여기서 필요없는 부분이니 접어두기로 하고, C와 d와의 관계만을 바라보도록 하자. 양쪽 판의 거리가 줄어들수록 전하의 축적용량은 커지며, 거리가 멀어질수록 축적된 전하는 줄어든다는 것을 말하는 것이다.

결국, 사용자가 키를 누르게 되면, 그 키에 해당하는 캐패시터가 가지고 있던 축전 용량(capacitance)가 변하게 되며(당연히, 더 커진다) 키보드 아래에 있는 회로에서는 기준이 되는 축전 용량과 키보드에서 검출된 축전 용량을 비교해서 키 스트로크를 검출해낸다.

특징

이 키보드를 생산하는 회사는 극히 드물다. 전세계적으로 IBM과 렉스마크, 유니콤프만이 이를 생산하고 있는데, 실상 따지고 보면 유니콤프사에서 이를 제조하여 IBM과 렉스마크사에 OEM 납품하는 것이므로 유니콤프만이 만들고 있다고 생각하면 정확하다

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대표적인 캐패시터 스위치 방식 키보드인 Unicomp사의 기계식 키보드
국내에서 정식으로 구할수는 없으며, 구입하고자 한다면 유니콤프사의 홈페이지에서 통신판매로 구입할 수 있다.
큰 사진을 보려면 사진을 클릭

앞서 이야기했듯이 복잡한 구조 때문에 컴포넌트의 개수도 상당히 많아질뿐더러 생산공정 자체도 워낙 복잡해지기 때문에 그 가격이 매우 비싸다. 지금도 캐패시터 스위치 방식 키보드의 가격은 60달러를 호가한다. 국내에서는 거의 10만원 정도의 가격으로야 겨우 구할 수 있다.

이렇게 비싼 가격에도 불구하고 이 제품의 매니아가 있는 것은 '최상의 키보드'라고 불리는 타입 답게 긴 수명과 높은 신뢰도, 뛰어난 키 스트로크 감촉을 제공하기 때문이다. 물리적 접촉부위가 없는 까닭에 물리적으로 고장이 생길 이유가 없다. 또한 금속 접촉부를 가지지 않으므로, 먼지나 습기 등에 거의 영향을 받지 않는다. 그래서 여타의 키보드 방식들이 약 1천 5백만회에서 2천만회까지의 키 스트로크 수명을 가지는 것에 반해 캐패시터 스위치 방식 키보드의 경우 대개 2천 5백만회 이상의 키 스트로크 수명을 가진다. 한편, 스프링 및 내부의 클립 등으로 인해서 훌륭한 키 스트로크 감촉을 가진다.

다만, Unicomp사의 제품은 서구인들의 체형 및 손에 맞추어져 만들어져 있기 때문에 동양인이 사용하기에는 키 감이 좀 묵직하다는 단점이 있다.

멤브레인 타입과 메커니컬 타입의 혼합?

이 방식은 고가의, 생산하기 어려운 멤브레인 타입이 가지는 단점을 극복하고, 비교적 생산하기 쉬우면서도 메커니컬 타입과 같은 우수한 키 스트로크 감촉을 가지도록 하기 위해서 개발되었다. 멤브레인 타입과 메커니컬 타입의 혼합이라고는 하지만 실상 기본적인 구조는 멤브레인 스위치 방식이며, 그 위에 메커니컬 스위치 방식의 키 스트로크를 가질 수 있도록 하는 몇가지 부가 구조가 덧붙여진 것이라고 할 수 있다.

구조

멤브레인-메커니컬 혼합형 키보드의 구조

구조는 복잡한 것처럼 보이지만 아랫부분의 실질적인 스위치, 즉 회로막 부분은 일반적인 멤브레인 스위치 방식 키보드와 동일하기 때문에 메커니컬 방식 키보드보다는 훨씬 간단한 편이다. 다만, 일반적인 멤브레인 스위치 방식 키보드와는 달리 키보드를 다시 원위치 시키는데에 멤브레인(러버 돔)이 사용되지 않고, 메커니컬 스위치 방식 키보드와 마찬가지로 반동 스프링과, 또한 키 스트로크시에 '클릭'하는 소리를 만들어주게 되는 클립이 존재한다.

동작

혼합형 키보드의 동작. 스프링이 있다는 것을 제외하면 멤브레인 방식의 동작과 같다.

혼합형 키보드의 동작은 앞서의 멤브레인 스위치 방식 키보드와 별반 다를 바 없다. 다만 스프링이 키를 밀어올리는 것만이 다를 뿐이다.

특징

메커니컬 스위치 방식이 가지는 장점과, 멤브레인 스위치 방식이 가지는 장점을 혼합한 것이라고 할 수 있다. 메커니컬 스위치 방식은 훌륭한 키 스트로크 감촉을 가지고 있었지만, 생산공정이 복잡했으며, 멤브레인 스위치는 키 스트로크는 좀 떨어졌지만 생산공정이 대단히 용이해서 가격이 매우 저렴하다는 장점을 가진다. 혼합형 키보드는 이들의 장점을 취합하여 생산하기 쉬우면서도 '메커니컬 스위치 방식 키보드와 유사한 키 스트로크 촉감을 제공'하게 된다.

현재 시중에서 구할 수 있는 대부분의 '저가형 기계식 키보드'들이 모두 이러한 혼합형 키보드라고 생각하면 정확하다.



펜타그래프 타입

펜타그래프 방식은 키캡이 얇고 작아서 압력부위가 고르지 못하지만 X자 지지대가 고르게 해주는 역활을 한다.
키캡이 얇아 노트북이나 미니키보드등 요즘 키보드의 외형 디자인때문에 유행하는 타입이다.

펜타그래프 방식 단점은 가격이 멤브레인 방식보다 높고 구조가 복잡해 고장이 잦은 점이다.



참고 URL

http://minihp.cyworld.com/pims/board/general/board_view.asp?tid=37284640&board_no=4&search_type=&search_keyword=&item_seq=27709854&cpage=1&list_type=2

http://ask.nate.com/qna/view.html?n=8933302