ฟิสิกส์เบื้องหลังหน้าจอสัมผัส (Physics Behind Touchscreen)

          อุปกรณ์สื่อสารประเภทพกพา เช่น แท็บเล็ต (Tablet) สมาร์ทโฟน (Smartphone) คอมพิวเตอร์พกพา (Labtop) หรือตู้กดเงินอัตโนมัติ (ATM)  ที่ถูกตั้งค่าด้วยระบบคอมพิเตอร์แบบอัตโนมัติ จะแสดงผลผ่านหน่วยแสดงผล หรือ “หน้าจอ” (Screen) เพื่ออำนวยความสะดวกแก่ผู้ใช้งาน อุปกรณ์ดังกล่าวถูกพัฒนาให้สามารถทำงานผ่านการสัมผัสหน้าจอแทนการใช้เมาส์ (Mouse) หรือคีย์บอร์ด (Keyboard) เหล่านี้เป็นอีกขั้นของเทคโนโลยีที่แพร่หลายในปัจจุบัน หลากหลายงานวิจัยเกี่ยวกับการทำงานและประเภทของหน้าจอแบบสัมผัสได้ (Touch screen) ที่ซ่อนด้วยศาสตร์ทางด้านฟิสิกส์ได้ถูกเผยแผ่อย่างต่อเนื่อง บทความนี้นำเสนอระบบที่เรียบง่ายและเป็นที่ินิยมในปัจจุบัน         

           1.หน้าจอสัมผัสแบบตัวต้านทาน (Resistive screen)
หน้าจอสัมผัสชนิดต้านทานเป็นหนึ่งในนวัตกรรมที่ที่นิยมสำหรับหน้าจอ ATM องค์ประกอบประเภทนี้ประกอบด้วยแผ่นต้านทานทางไฟฟ้าสองแผ่นที่ถูกเคลือบด้วยสารอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ที่มีลักษณะโปร่งใสและความต้านทานต่ำ ทั้งสองแผ่นวางขนานกันโดยถูกเชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้าตลอดเวลา ดังแสดงในรูป แผ่นความต้านทานทั้งสองถูกแยกจากกันด้วยช่องว่างเล็กๆ ที่มีปุ่มที่มีคุณสมบัติฉนวน เรียกว่า spacer คั่นกลาง เมื่อออกแรงกดบนหน้าจอ ทั้งสองแผ่นจะสัมผัสซึ่งกันและกัน ณ ตำแหน่งนั้นมีความต้านทานที่เปลี่ยนไปส่งผลให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามกฎของโอห์ม ระบบประมวลผลจึงสามารถระบุตำแหน่งที่สัมผัสได้และเข้าสู่ระบบประมวลผลต่อไป อุปกรณ์ประเภทนี้จะต้องมีความยืดหยุ่นเนื่องจากต้องรองรับแรงที่สัมผัสได้ นอกจากการสัมผัสด้วยนิ้วมือแล้วหน้าจอประเภทนี้ยังสามารถทำงานได้กับอุปกรณ์ชนิดอื่นได้ เช่น ปากกา stylus หากแต่ว่าหน้าจอประเภทนี้มีข้อเสียคือการสัมผัสได้เพียงหนึ่งตำแหน่งเท่านั้น


          2. หน้าจอสัมผัสแบบตัวเก็บประจุ (Capacitive Screen)
หน้าจอประเภทนี้ใช้คุณสมบัติของ “ตัวเก็บประจุ” ในการระบุตำแหน่งของการสัมผัส การออกแบบตัวเก็บประจุอย่างง่ายสามารถนำแผ่นขั้วตัวนำสองแผ่นกั้นด้วยชั้นของวัสดุไดอิเล็กทริก (Dielectric material) วัสดุนี้เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ถูกทำให้มีขั้วทางไฟฟ้าโดยใช้สนามไฟฟ้า (Electric field) ดังแสดงในรูป

           

          หน้าจอประเภทนี้ไม่ขึ้นกับแรงกดจากนิ้วมือ แต่อาศัยหลักการทำงานของประจุไฟฟ้าที่ถูกสะสมบนผิวหนังของมนุษย์ ข้อดีของหน้าจอประเภทนี้คือสามารถสัมผัสได้มากกว่าหนึ่งตำแหน่งในเวลาเดียวกัน แต่ยังไม่สามารถใช้งานกับปากกาพลาสติกได้เนื่องจากพลาสติกคือฉนวนไฟฟ้า โดยทั่วไปหน้าจอประเภทนี้สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้


          2.1. Surface Capacitive Screen
ศักย์ไฟฟ้าอย่างต่ำถูกต่อกับแผ่นฉนวนที่ถูกเคลือบด้วยสารตัวนำไฟฟ้า (Electrode) ทั้งสี่มุมของหน้าจอกระจกที่มีสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสม่ำเสมอ เมื่อนิ้วมือซึ่งเป็นมีคุณสมบัติตัวนำไฟฟ้าสัมผัสบนหน้าจอ ประจุที่สถิตย์อยู่ในขั้วไฟฟ้าถูกส่งผ่านไปยังผิวกายของมนุษย์ทำให้สนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ความต่างศักย์ ณ ตำแหน่งบนหน้าจอมีค่าลดลงเนื่องจากประจุที่น้อยลง ที่เป็นไปตามความสัมพันธ์ของสมการความจุไฟฟ้า Q = CV โดยที่ C คือค่าความจุไฟฟ้า (ฟารัด) Q คือประจุไฟฟ้า (คูลอมบ์) และ V คือศักย์ไฟฟ้า (โวลต์) ระบบประมวลผลจึงทราบตำแหน่งของการสัมผัสได้ หน้าจอประเภทนี้สามารถประยุกต์ใช้กับหน้าจอของระบบนำทาง (Navigator) หน้าจอเครื่องเล่น MP3            2.2. Projective Capacitive Screen 
หน้าจอประเภทนี้ใช้คุณสมบัติของตัวเก็บประจุเช่นกัน แต่ออกแบบการวางตำแหน่งของขั้วไฟฟ้าที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น เพื่อทำให้ระบุตำแหน่งของการสัมผัสได้แม่นยำยิ่งขึ้น ลักษณะของขั้วไฟฟ้าถูกวางตัวในรูปแบบตาราง นั่นคือเรียงกันเป็นแถวและคอลัมภ์ การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าเนื่องจากความจุไฟฟ้า จะสามารถประมวลผลในระบบพิดกัด x และ y หน้าจอประเภทนี้นิยมใช้กับอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสูง เช่น หน้าจอ           3. หน้าจอสัมผัสแบบคลื่นอินฟราเรด (Infrared Screen)
การออกแบบเครื่องวัดสัญญาณในระบบพิกัด x-y ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับหน้าจอประเภทหน้าจอแบบคลื่นอินฟราเรด นั่นคือ การติดตั้งแหล่งกำหนดแสงแบบหลอด LED (Light-emitting Diode) ในช่วงคลื่นความถี่อินฟราเรด (คลื่นที่มีความถี่น้อยกว่าแสงที่มนุษย์มองเห็น แต่มนุษย์สามารถรับรู้คลื่นประเภทนี้ได้จากความร้อน) ที่ขอบของแผ่นกระจกและเครื่องตรวจวัดแสง (Phototransistors) ตรงข้ามกับแหล่งกำเนิดแสง แหล่งกำเนิดแสง LED เปล่งคลื่นอินฟราเรดที่มนุษย์ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าไปยังฝั่งตรงข้ามตลอดเวลส เมื่อสัมผัสหน้าจอด้วยนิ้วมือเปล่าหรือสวมถุงมือหรือแม้แต่การใช้ปากกา stylus ลำแสงที่ควรตรวจวัดวัดได้จากเครื่องวัดแสงถูกขวางกั้น ระบบคอมพิวเตอร์จึงคำนวนตำแหน่งของการสัมผัสได้จากการรบกวนดังกล่าว ข้อเสียของหน้าจอประเภทนี้อาจเกิดจากสัญญาณรบกวนจากคลื่นต่างๆที่อยู่รอบตัวเรา โดยอุปกรณ์ที่ใช้ได้แก่ เครื่อง sony reader ebook ตู้ขายตั๋วอัตโนมัติ  หรือ กระดานไวท์บอร์ดอัจฉริยะ เป็นต้น          
          4. หน้าจอสัมผัสแบบคลื่นเสียงที่ผิว (Surface Acoustic Screen)
การสะท้อนของคลื่นเสียงที่หูของมนุษย์ไม่สามารถได้ยินหรือที่เรียกว่า “คลื่นเสียงอัลตราโซนิก” ที่มีทิศทางในการเคลื่อนที่แน่นอนและสามารถเดินทางได้ทั้งในของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยีประเภทนี้ คลื่นอัลตราโซนิกคือคลื่นตามยาวที่เกิดจากการอัด-ขยายของตัวกลางในทิศทางขนานกับการเคลื่อนที่ของคลื่น รูปแบบของหน้าจอประเภทนี้ถูกออกแบบให้ตัวรับและส่งสัญญาณวางอยู่ทั้งแนวตั้งและแนวนอนตามขอบหน้าจอ เครื่องส่งสัญญาณ (Transmitting transducer) ส่งผ่านคลื่นเพื่อสะท้อนไป-กลับกับแผ่นสะท้อน (Reflector) บนขอบหน้าจอเพื่อไปยังเครื่องรับสัญญาณ (Receiving transducer) หากนิ้วมือหรือปากกา stylus สัมผัสลงบนหน้าจอ พลังงานบางส่วนของคลื่นเกิดการดูดกลืน (แอมปลิจูดของคลื่นเกิดการเปลี่ยนแปลง) จึงทำให้เครื่องรับสัญญาณระบุตำแหน่งดังกล่าวได้ การปนเปื้อนของน้ำหรือฝุ่นบนหน้าจอยังคงเป็นข้อเสียที่ทำให้ระบบการทำงานผิดพลาดได้ หน้าจอประเภทนี้นิยมใช้กับอุปกรณืที่มีขนาดใหญ่ เช่น เครื่องตู้เกม (Arcade game) เครื่องมือทางด้านการแพทย์ หรือในโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น
  
 
          เทคโนโลยีของหน้าจอสัมผัสถูกนำมาใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน โดยที่การทำงานของเทคโนโลยีประเภทนี้อยู่บนพื้นฐานความรู้เกี่ยวกับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์และองค์ความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์เพื่ออำนวยความสะดวก เพิ่มความแม่นยำและความถูกต้องในการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทอนิกส์ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ก็ยังคงศึกษาและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

 
อ้างอิง
 

• [1] Chris Woodford, Touchscreens, https://www.explainthatstuff.com/touchscreens.html, สืบค้นเมื่อ 9 กันยายน 2562
• [2] ALLISON T. MCCANN, Okay, but how do touch screens actually work?, 
• https://scienceline.org/2012/01/okay-but-how-do-touch-screens-actually-work/, สืบค้นเมื่อ 9 กันยายน 2562
• [3] Manoranjan Kumar and Surendran.J.K, Touch Less Touch Screen Technology, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), Volume: 05 Issue: 04 (April 2018)
• [4] Anjul Jain et.al, TOUCH-SCREEN TECHNOLOGY , International Journal of Advanced Research in Computer Science and Electronics Engineering (IJARCSEE) , Volume 2 Issue 1 (January 2013)