국내외 기술개발 동향

3세대 웨어러블 디바이스의 현재와 미래
웨어러블 상용화 … 혁신적인 배터리 개발 급선무


최근 구글, 애플, 마이크로소프트(MS) 등의 글로벌 기업들은 스마트폰 이후의 새로운 디바이스로 웨어러블 기기를 선정, 특허 확보와 기업 인수에 총력을 기울이고 있다. 이처럼 웨어러블 디바이스는 ‘포스트 스마트폰’으로서, 미래 산업 전반에 영향력을 미칠 것으로 전망되고 있다. 이와 관련, 전황수 ETRI 경제분석연구실 책임연구원으로부터 웨어러블 디바이스의 국내외 기술개발 동향과 핵심 기술 이슈에 대해 들어 본다.

정리 이솔이  인턴기자(npnted@hellot.net)


웨어러블 디바이스는 중소기업 육성에 최적화된 사업이다. 다품종 다량제품, 기술집약적인 다양한 소재, 다양한 시스템 및 서비스를 통해 장기적으로 산업 전반에 걸쳐 큰 파급효과를 가져올 수 있다. 웨어러블 디바이스 산업은 하이 리스크(High Risk)-하이 리턴(High Return)의 속성을 가지는 산업이기 때문에 정부 지원이 필수적이다. 또한 창조형 R&D 단계에서 액세서리형, 직물의류일체형, 신체부착형, 신체이식형 등 웨어러블 디바이스 발전 방향에 맞춘 새로운 개념 창출이 필요하다. 웨어러블 디바이스의 경우 아직까지 독자적인 서비스 생태계가 되어 있지는 않지만, 향후 스마트폰과의 연동 혹은 개별 운영체제를 통해 진화된 생태계를 구축할 수 있을 것으로 전망된다. 우리나라의 웨어러블 기술, 섬유 기술, IT 기술 등은 탁월한 잠재 역량을 보유하고 있어 차후 빠른 속도의 성장이 예상된다.
웨어러블 컴퓨터를 개발한 스티브 만(Steve Mann)은 웨어러블 컴퓨터를 1세대, 2세대, 3세대로 구분했다(표 1). 1세대와 2세대를 구분하는 요소는 컴퓨터 모듈의 분리이다. 2세대 웨어러블 디바이스는 분산된 컴퓨터 모듈을 선으로 연결, 사용된 선을 의복에 넣어 자연스러움을 유도한다. 2세대 웨어러블 디바이스는 착용형 플랫폼, 근거리 통신 기술, 웨어러블 스마트 IO, 경량 내장형 소프트웨어, 감성 중심 에이전트, 오감 인터페이스 등으로 분류된다. 또한 3세대 웨어러블 디바이스의 기술 목표는 ‘최대한 자연스럽게, 보이지 않는 디바이스’이다.
웨어러블의 핵심 기술은 다음과 같이 적용되고 있다. 독일의 Fraunhofer Institude사는 2009년 6월 OLED 데이터 안경을 개발했다. 이 안경은 이미지나 데이터를 착용자가 약 1m 거리에서 보는 것처럼 투영해 주며, 안구의 위치를 추적하는 센서를 부착해 시선의 방향에 따라 움직인다. 마이크로소프트(MS)의 옴니터치(OmniTouch)와 구글의 스마트 워치 등에도 적용됐으며 증강현실, 군사용, 생활보조, 인간능력 향상 등 다양한 분야에서 활용 가능하다(그림 1). 이 중 최근 가장 각광받고 있는 분야는 헬스케어다. 전세계적으로 고령화가 진행되고 있으며 의료 기기 시장이 성장함에 따라, 헬스케어의 성장세는 지속될 것으로 보인다.

기술 선진국 … 산·학·연 협동으로 기술 개발에 박차

|1. 입력 기술
애플의 햅틱 인터페이스가 등장한 이후 사용자 인터페이스(UI/UX)는 많은 발전을 이뤘다. 미국 MIT 미디어랩은 육감을 이용한 ‘Sixth Sense’ 기술을 개발했고, 마이크로소프트와 카네기멜론대학교는 옴니터치 기술을, 네덜란드의 Philips사는 Textile Touch Panel 기술을 개발했다.
생체정보 측정 기술은 생체에 부착된 전자장치를 통해 정보를 측정하는 기술로, 일본 동경대의 ‘E-Skin’과 미국 UIUC Roers Group의 ‘스트레처블 센서’ 기술이 있다. 외부환경정보 식별 기술로는 미국 UIUC Roers Group의 ‘Bug's Eye View’와 영국 세인트앤드류의 ‘Superlenses’가 있다.

2. 출력 기술
출력 기술은 입력 기술과 달리 ‘표시’를 목적으로 하는 기술이다. 확장지능형 디스플레이 기술 중 다출 접이식 디스플레이 기술은 아직 보고된 바는 없으며 컨셉 디자인만 발표됐다. 접이식 디스플레이 기술의 경우 대학과 연구소를 중심으로 신축성 및 접이식 OLED 소자에 대한 연구 논문이 보고됐다.
섬유일체형 정보표시소자 기술과 관련, Philips가 직물에 무기 발광 다이오드를 삽입하여 패션 및 의료용으로 개발된 제품을 발표했다. 섬유일체형 기술은 대학을 중심으로 단위 TFT 연구 논문이 보고되고 있으나, 발광소자에 관한 연구는 미미한 실정이다. 신체부착형 정보표시소자 기술의 경우, 회사 시제품 형태의 기술은 아직 보고된 적 없지만 신축성 유리발광 단위소자 또는 신축성 무기발광 다이오드 어레이의 형태로 연구 논문이 보고되었다. 신체이식형 정보표시소자 기술은 미래 사회를 예측하는 컨셉 소자 형태이다. 특히, 무기발광 다이오드 어레이의 바이오 응용을 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있다.

3. 처리 기술
처리 기술은 프로세스에 관련된 기술이다. 편직조형(編織造形) 논리소자는 직물 원단 제조 방법을 사용한 편직조형 인버터 회로를 개발해 전자회로의 가능성을 시사했다. 유연/신축기판 논리소자는 유연기판에 제작된 인버터로 12%의 변형에 대해서도 인버터의 특성을 유지할 수 있다. 유연/신축기판 배선 기술과 관련해 물결무늬 배선의 유연/신축기판 배선 및 신뢰성 분석 사례를 보면, 20%∼30%의 연신(Orientation)을 보이나 기존 구리배선의 경우 Failure가 생기므로, 이를 해결하기 위한 기술 개발이 필요하다.
4. 전원 기술
에너지를 공급하고 작동하는 데 필요한 기술로, 전기와 자동차뿐 아니라 웨어러블에 있어서도 가장 중요한 기술 이슈이다. 따라서 배터리 부문에서 혁신이 이루어져야 하는데, 기존의 배터리 소자로는 충분하지 않다.
이와 관련, 일리노이대학교의 스트레처블 배터리, 이스라엘 Power Paper사의 Paper 배터리 등 다양한 형태의 플렉시블 배터리 기술이 개발되고 있다.

5. 생활 문화
주로 의류, 직물, 피부 등과 연관된 기술로 분류된다. 스웨덴 Linkoeungs대학교는 프린팅 기법을 이용한 직물구조의 유기트랜지스터를 구현하는 데 성공했다. 미국 일리노이대학교는 피부에 부착하는 형태의 다기능 전자소자를, Second Sight사는 시력보조 장비 ‘Argus’를 개발했다. 또한, 미국 no-Contact사는 전도성 아라미드 섬유를 사용, 여성보호용 다층성 의류를 개발했다.

6. 특수 업무
대부분 군사용으로 사용되는 기술이다. 미 통합특수사령부(SOCOM)는 2013년 10월 18일, ‘아이언맨 갑옷’이라 불리는 ‘전략공격 경량작전복(TALOS)’의 시제품 개발 착수를 발표했다. 영국은 전투복에 생체 모니터링을 원격으로 조정하는 통합 센서와 BF(Battle Field) 네트워크의 다른 요소에 인터페이스를 제공하는 통합 헬멧, 피아식별 인공지능을 갖춘 BF 상황인식 디스플레이를 장착한 FIST(Future Integrated Soldier Technology) 프로젝트를 진행한 바 있다. 또한 EU는 긴급구조 분야에서 소방관을 위한 기술을 연구하는 WearIT@work 프로젝트를 진행했다.

7. 사용자 기기 연결
사용자 기기 연결 분야의 대표적인 기업은 구글이다. 구글의 구글 글래스는 약 2.4m 거리에서 25인치 상당의 화면을 보여 주고 720p의 동영상 촬영이 가능하다. 또한, 구글 슈즈는 스피커, 압력센서, 가속도계, GPS, 블루투스를 장착해 스마트폰과 연결하여 메시지를 음성으로 전달해 준다.
일본 또한 사용자 기기 분야에서 성과를 보이고 있다. AIRScouter는 산업 및 제조분야용으로 안경 앞쪽에 부착된 망막주사 방식의 디스플레이 장치를 이용해 영상을 보여 주는 글래스를 개발했다. 소니는 2013년에 2.6인치 크기, 220×176 해상도의 LCD 터치스크린 디스플레이를 탑재한 2세대 손목시계형 스마트기기인 ‘스마트워치2’를 발표했다.

앞선 상위 기술과의 접목으로  국내 웨어러블  시장 확대

1. 입력 기술
국내 입력 기술 개발 또한 해외와 유사한 방향으로 진행되고 있다. 사용자 인터페이스와 관련, ETRI는 인체통신 기술을, 팬텍·삼성전자·LG는 모션인식과 음성인식 기술을, 코오롱글로텍·전기연구원은 E-Textile을 개발했다.
생체정보 측정 기술로는 ETRI의 바이오 셔츠가, 외부환경정보 식별기술로는 서울대학교의 Strain Gauge Sensor와 광주과학기술원의 인공 눈 및 이미지 센서가 있다.

2. 출력 기술
삼성전자는 확장지능형 디스플레이 기술로 자사의 2개 패널을 이용한 1축 접이식 디스플레이와 삼성 디스플레이의 플렉시블 AMOLED 시제품을 보고했다. 섬유일체형 정보표시소자 기술과 관련해서는 코오롱 스포츠가 전도성 섬유와 광섬유를 이용한 발열/발광 스마트 재킷 제품을 발표했으나, 섬유일체형의 발광 소자를 이용한 출력 기술에 대해서는 보고된 바가 없다.
신체부착형 정보표시소자 기술의 경우, 회사 시제품 형태의 기술은 보고되지 않았지만, 신축성 무기발광 다이오드 어레이 및 전극 구현을 위한 논문과 외국 대학 중심의 신체부착형 시스템 구현 논문이 보고됐다.
국내에서는 삽입형 전극을 제외한 광전자소자의 이식형 연구는 거의 전무한 실정이다. 다만, 외국 대학 중심의 무기발광 다이오드 기반 신체이식형 소자 연구 논문은 보고된 바 있다.

3. 처리 기술
전도성 섬유란 폴리에스터 섬유에 구리, 니켈을 도금한 섬유로 의복보다는 EMI 차폐를 위한 산업용 패브릭테이프 등에 사용된다. 이러한 전도성 섬유를 사용한 RFID용 안테나 및 칩 패키징 기술을 섬유일체형 안테나 기술이라고 한다.
기존 실리콘 칩을 사용한 패키징 기술은 확보했으나, 추가로 다수의 본딩패드에 대한 기술 개발이 필요하다. 프린팅에 의한 섬유형 전극과 메모리 소자에 관한 기술 개발도 지속적으로 요구되고 있다.

4. 전원 기술
현재 웨어러블 디바이스를 위한 플렉시블 배터리 소재 부품에 관한 기술 개발이 추진 중이다. LG화학은 웨어러블 디바이스용 Hollow Multi-Helx 형태의 전극을, 공주대학교는 신규 집전체와 음극소재를 적용한 플렉시블 배터리를 연구했다. 또한, UNIST는 프린팅 공정 기술을 활용한 플렉시블 배터리 개발을, 카이스트는 PET 직물을 이용한 웨어러블 텍스타일 배터리 개발을 추진 중이다.

5. 특수 업무
국방부는 2011년에 차세대 신형 전투복을 발표했다. 이 신형 전투복은 정밀 관측장비 회피와 개인의 은폐 효과를 증대시킨다. 또한 고신축성, 흡한속건, 항구김성, 향균성, 견뢰도 등의 기능도 향상되었다. 엘리트동방어패럴은 어깨, 팔꿈치, 무릎, 발목 부위 등을 방염실리콘으로 제작한 특수 방화복을 발표했다. 이 방화복은 500℃∼600℃까지 견딜 수 있으며, 한국소방산업기술원의 검정을 받았다.

6. 사용자 기기 연결
삼성전자는 2013년 슈퍼 AMOLED 디스플레이와 190만 화소 카메라를 탑재한 스마트워치 ‘갤럭시 기어’를 출시했다. KETI는 휴대폰 및 웨어러블 컴퓨터 등의 이동형 소형 단말기와 연결해 실내 및 야외에서 60인치급 고화질 가상화면을 제공할 수 있는 EGD(Eye Glass Display) 모듈을 개발했다.
또한, ETRI는 손가락의 움직임을 인식하기 위해 손목 부근의 힘줄 변화를 광센서로 센싱해 인식하는 손목 밴드를 개발했으며, 대우조선해양은 30kg 정도의 물체를 들어올릴 수 있는 전기식/유압식 하반신형 착용기기를 개발했다.

고효율 배터리, 대중적 서비스  … 웨어러블 디바이스 성공의 키포인트

1. 배터리 기술
웨어러블에 있어 가장 큰 기술적 이슈는 배터리 기술이다. 웨어러블 디바이스 배터리 성능은 스마트폰 용량의 1/10에 불과해 고효율 배터리의 개발이 시급한 실정이다. 네트워크 속도는 18개월마다 2배씩 증가하고 있으나, 배터리 기술은 답보 상태다. 웨어러블 디바이스가 상용화되기 위해서는 혁신적인 배터리의 등장이 있어야 한다.

2. 광대역통신
다음은 광대역통신이다. 웨어러블 디바이스는 배터리 수명 문제로 저전력 단거리 네트워크인 블루투스를 사용하지만, 여기에는 힘이 약하다는 한계점이 존재한다. 웨어러블 디바이스는 2016년까지 전력 소비를 줄이기 위해 블루투스 등의 근거리 네트워크를 채택, 스마트폰에 의존한 보조 디바이스로 사용될 것으로 전망된다.

3. 부품 소형화 및 저전력화, 센서 기술
웨어러블 디바이스의 장시간 착용에 따른 피로감을 최소화하기 위해서는 저발열, 저전력, 초소형화 기술 개발이 필요하다. 또한, 생화학 센서, 환경센서 등 삶의 질 증진을 위한 다양한 센서 개발이 요구된다.

4. 플렉시블 및 종이형태화 기술
전자잉크, 그래핀 등과 같은 새로운 소재를 이용하여 휘어지고 궁극적으로는 종이처럼 접을 수 있는 유연 전자기술이 필요하다. 이것은 플렉시블 디스플레이, 롤러블 디스플레이, 플렉시블 기판 및 배터리 등에 폭넓게 사용될 것으로 예상된다.

5. UI 기술
웨어러블 디바이스에도 스마트폰과 같은 사용자 친화적인 인터페이스 기술이 필요하다. 핵심 인터페이스는 음성인식, 동작인식, 증강현실 기술이 될 것으로 예상된다. 촉감 디스플레이, 햅틱 피드백 장치, 직물 인터페이스, 가상공간 터치, 프로젝션 기반 맨손 입력, 3D 모션동작 감지 등 다양한 기술 개발이 요구된다.

6. 촬영 및 정보 수집 문제점
웨어러블 디바이스는 간단한 음성 명령만으로 상시 촬영이 가능하고, 안면 인식으로 상대방 정보를 취득하는 등 쉬운 정보 수집이 가능하다. 때문에 개인 프라이버시 침해와 소비자 정보 활용에 대한 우려, 기업 정보 유출 위험 등의 문제점이 제기되고 있다.
미 웨스트버지니아 주에서는 운전 중 헤드셋 기반의 디스플레이를 사용하지 못하도록 하는 법안이 제출됐으며, 영국의 시민단체인 ‘Stop The Cyborgs'는 사생활 침해를 이유로 웨어러블 기기 출시 반대 운동을 추진하고 있다.

7. 웨어러블 디바이스의 4대 성공 조건
웨어러블 디바이스가 성공하기 위해서는 다음과 같은 네 가지 조건을 충족해야 한다(그림 2).



첫째, 웨어러블의 장점에 기반한 대중적 서비스를 발굴해야 한다. 웨어러블 기기는 손을 자유롭게 하고 상시 활용할 수 있으며 오감을 확장시킨다. 이러한 장점을 활용해 정보와 오락, 헬스케어 등의 용도에 맞는 서비스를 개발해야 한다.
두 번째는 기술 혁신이다. 웨어러블 디바이스는 하드웨어 기술 혁신 과제를 선결할 필요가 있다. 배터리 수명과 무게 등의 문제를 해결하고 증강현실, 인식기술, 센서 솔루션 등을 통해 차별화된 서비스를 제공해야 한다.
다음은 경제성이다. 기술 혁신을 통해 하드웨어의 가격을 낮추고 풍부한 서비스 공급 구조를 확립해, 소비자들이 다양한 용도로 낮은 가격에 사용할 수 있도록 해야 한다.
마지막으로, 부작용 및 오남용을 방지하기 위해 규제 체제가 확립돼야 한다. 시력 저하, 통증, 사고 위험 등의 안전 문제를 해결하고, 꾸준히 제기되는 프라이버시 침해 문제를 해결해야 한다.