[스마트 센서] 디지센서스 시대 이끄는 촉각 센싱 기술 1 - 촉감 센서가 중요한 이유

[스마트 센서] 디지센서스 시대 이끄는 촉각 센싱 기술 2 - 촉각 디스플레이 기술 현황 및 응용 사례

2009년 아이폰 출시로 촉발된 모바일 기기의 대중화로 다양한 기술이 부상했는데, 그 중 하나가 오감 인식 기술이다. 단순히 전화나 메시지만 주고받던 휴대폰에서 오감(현재까지는 주로 시각, 청각, 촉각) 센서로 주변을 감지하여 다양한 사용자 환경을 만들어내는 스마트폰 및 스마트패드로 발전하면서 모바일 기기는 우리 삶에 더 깊이 파고들게 되었다. 여기서는 최근 주목받고 있는 촉각 센싱 기술의 개발 동향과 과제 및 전망에 대해 살펴본다.

모바일, 웨어러블 기기에서 촉감이 중요한 이유

스마트폰 이전의 휴대폰에서도 시각 센서(CMOS 이미지 센서)와 청각 센서(마이크로폰)가 장착되어 있었지만, 그 센서들을 사진 또는 동영상을 촬영하거나 통화하는 데 국한되었다. 그러나 요즘 스마트폰에서는 시각 센서, 청각 센서를 얼굴 패턴 인식 기술, 음성 인식 기술과 각각 결합하여 ‘얼굴로 잠금 해제(Face Unlock)’, ‘음성 명령(Siri, S-voice 등)’ 등과 같은 다양한 사용자 경험(UX ; User eXperience)을 만들어내고 있다.

모바일 및 웨어러블 기기가 대중화되면서 오감 중 촉감이 주목받기 시작했다. 모바일 및 웨어러블 기기는 대부분 우리 몸에 지니고 다니므로 항상 우리 몸과 접촉하고 있다. 또한 개인용 컴퓨터 또는 노트북에 장착된 키보드나 마우스와 같이 부피가 크고 몸에 지니기 어려운 입력 장치는 사용할 수 없으므로 웨어러블 기기를 위한 인터페이스 중 하나로 ‘터치’가 부각되고 있다.

예를 들어 정전용량 방식의 터치스크린은 아이폰에 탑재되면서 사용자에게 터치의 즐거움을 알려주는 신호탄이 되었고, 다양한 터치 제스처(핀치 줌 등)를 통한 사용자 인터페이스(화면 확대 등)는 사용자에게 새로운 경험을 안겨주었다. 사실 정전용량 터치 기술은 이미 예전에 구현된, 새로울 것이 없는 기술임에도 불구하고, 다른 회사에서 저항막 방식의 터치스크린 또는 키패드 방식을 고집할 때 멀티터치를 구현하며 가벼운 터치감을 제공했다. 

또한 이와 동시에 전면 스크린을 강화유리로 구성하여 디자인과 촉감 모두 우수한 품질로 제공함으로써 순식간에 모바일 기기 입력 방식의 판도를 바꿔 버렸다.

아이폰의 성공은 정전용량 터치스크린을 채용하여 다양한 터치 UX를 구현한 것에 더해, 사용자의 감성을 잘 충족시켰기 때문이라고 볼 수 있다. 시각, 청각도 사람의 감성과 관련돼 있지만, 촉각이 조금 더 밀접한 것 같다. 언어적으로도 시감, 청감이라는 말보다 촉감이라는 말이 더 자연스럽다는 것을 생각해보면 알 수 있다.

시각, 청각과 달리 촉각은 능동적인 감각이다. 우리는 의도하지 않아도 보고 듣지만 촉각은 의도하지 않으면(즉, 만지려고 하지 않으면) 느낄 수 없는 감각이다. 이런 이유로 고급 제품일수록 사용자의 촉감에 신경을 쓰는 것이다.

가령, 고급 자동차는 내장 마감재 촉감부터 좋은 것을 사용하며 고급 오디오는 볼륨조절기를 돌릴 때 촉감이 다르다. 2001년 자동차에 처음으로 햅틱(Haptic, 촉감) 기술을 적용한 BMW의 iDrive는 하나의 조절기로 기능에 따라 다른 촉감을 주도록 했으며 최근 언론에 공개된 벤츠의 S500 플러그인 하이브리드 모델에도 햅틱 가속 페달을 장착했다. 이 가속 페달은 운전자에게 가속 페달에서 발을 떼는 시점과 전기모터 주행 시 엔진이 가동되는 시점 등을 발에 촉감으로 전달한다.

모바일과 웨어러블 기기의 현재 수준으로 봤을 때, 촉각 센싱 분야는 필자가 작년(전자기술 2014년 5월호)에 촉각 센서 기술에 대해 게재했을 때와 큰 차이가 없다. 당분간 대표적인 모바일 및 웨어러블 기기인 스마트폰과 스마트 워치에서는 정전용량 방식의 터치스크린 방식이 주를 이룰 것으로 보인다. 

촉각 센싱 기술은 시각 디스플레이에 발맞춰 발전하게 될 것이며, 현재 강화유리 방식이 아닌 플렉서블 디스플레이가 발전하여 채택될 경우 다양한 UX를 구현하기 위해 평면상의 좌표뿐만 아니라 누르는 압력의 크기를 감지하는 터치스크린, 기판이 휘어지는 모양을 알 수 있는 스트레인 센서 등이 장착될 것으로 예상된다.

다양한 촉감 디스플레이 기술

그림 1. 촉감 디스플레이의 분류

촉감 디스플레이 기술은 그림 1과 같이 분류할 수 있다. 촉감 디스플레이는 다시 촉각(Tactile) 디스플레이와 역감(Kinesthetic) 디스플레이로 나뉜다. 촉각과 역감은 사람이 촉감을 느끼는 수용기(일종의 센서)에 따라 분류한 것이다.

촉각은 사람의 피부에 있는 머르켈 원판(Merkel’s Disk), 마이스너(Meissner) 소체, 파치니안(Pacinian) 소체, 루피니 말단(Ruffini’s Ending)과 같은 기계적 수용기에서 느끼는 감각이다. 

이 수용기를 통해 사람은 표면의 패턴이나 모서리, 진동, 형태 등을 인지하게 된다. 그리고 역감은 촉각과 달리 힘에 대한 감각으로, 우리가 물체를 들거나 할 때 근육 끝에 붙어 있는 골지건기(Golgi Tendon Organ)에서 무겁다고 느끼는 힘이라고 생각하면 된다.

앞서 언급한 벤츠의 햅틱 페달도 가속 페달에 전기모터를 설치하여 상황에 맞게 힘을 전달하는 역감 액추에이터라고 볼 수 있다. 

역감 액추에이터는 기구적으로 어떻게 설계하느냐의 차이만 있을 뿐, 유압 또는 공압의 힘을 사용하거나 전기 모터를 사용하여 구동하는 방식은 같다. 역감 제시 기술도 촉감 디스플레이 기술의 큰 축이기는 하지만, 어느 정도 큰 힘을 내는 액추에이터가 요구되므로 모바일 또는 웨어러블 기기에서는 활용하기 힘들다. 따라서 주로 촉각만 나타내게 된다. 다음에는 주로 사용되고 있는 대표적인 촉각 제시 기술에 대해 소개한다.

참고문헌

1. I‌. Poupyrev, S. Maruyama, and J. Rekimoto, “TouchEngine: A Tactile Display for Handheld Devices”, Computer Human Interaction 2002, pp. 644-645, 2002
2. ‌Jeremy A. Fishel and Gerald E. Loeb, 2012, “Bayesian exploration for intelligent identification of textures,” frontiers in Neurorobotics, Vol. 6, No. 4, pp. 1 - 20.
3. ‌Peter Crocker, and Matt Lewis, “Next Generation Haptics: Market Analysis and Forecasts,” ARCchart, Feb. 2011
4. ‌Hyun, J., Hwang, J., Ryu J., & Cho, K. (2011). Effect of Spatial Haptic Cues on Visual Attention in Driving. Automative UI 2011. Salzburg, Austria.
5. ‌Ilya Resenberg and Ken Perlin, The UnmousePad- An Interpolating Multi-Touch Force-Sensing Input Pad, ACM Transactions on Graphics, Vol. 28, No. 3, Article 65, 2009
6. ‌Thorsten A. Kern. 2009. Engineering Haptic Devices. Berlin Heidelberg: Springer
7. ‌이정모 (2012). 체화된 인지(Embodied Cognition)접근과 학문간 융합 - 인지과학 새 패러다임과 철학의 연결이 주는 시사. Journal of Philosophical Ideas, 제 38 호, 27-66.

김민석 책임연구원 한국표준과학연구원

정리 : 김희성 기자 (npnted@hellot.net)