최근 제품 개발자는 새로운 유형의 웨어러블 기기에서 생리학적, 환경적 데이터를 모니터하는 방법을 찾아내고 있는데, 여기에는 신뢰할 수 있는 정확한 감지가 전제된다. 웨어러블 기기는 일반적으로 작고 가벼워야 하며, 신체와 직접 접촉되므로 장치가 오염될 가능성도 있다. 이러한 부분은 디바이스의 고성능 감지를 어렵게 만든다. 여기서는 웨어러블 기기의 센서 요건에 대해 알아보고, 응용 소프트웨어와 전력 효율적인 하드웨어 결합 방법에 대해 살펴본다.

새로운 제품 카테고리가 도입되면, 이를 바탕으로 성장에 편승하는 것은 전자산업에서 익숙한 현상이다. 이러한 성장은 1980년대 PC, 1990년대 네트워크 장치, 그리고 2010년대 스마트폰과 함께 나타났다. 

최근에는 구글 글래스(Google Glass), 핏빗(Fitbit)과 같은 초기 제품의 성공에 힘입어,  웨어러블 전자기기가 잠재적 성장 시장으로 부상하고 있다.

사실 웨어러블 기기라는 용어는, 이미 이용되고 있는 체력 단련 제품과 교육 오락 프로그램 제품을 포함하여 광범위한 유형의 장치를 의미하지만, 사용자 피부에 밀착시킬 수 있는 바이오 센서 어레이, 전자 의류, 전자 패치와 같이 아직 입증되지 않은 개념도 포함된다.

신흥시장의 경우 언제나 그렇듯이, 웨어러블 전자기기도 현재 전망이 불확실하다. 어떤 제품이 성공할지 또는 실패할지는 개발자나 고객 누구도 알 수 없다. 그러나 오늘날 모든 전자제품과 개발 중인 제품의 개념에는 다음과 같이 일관적으로 적용되는 공통 기능이 있다.

•‌웨어러블 기기는 사용자의 신체와 직접 접촉될 수 있는데 이것은 개인 건강 모니터링 시 어떤 역할을 담당한다.
•‌웨어러블 기기는 호스트 컴퓨터, 즉 스마트폰이나 테블릿과 쉽게 결합시킬 수 있는데, 이것은 응용 소프트웨어와 대형 디스플레이 스크린을 작동시키는 플랫폼 역할을 담당한다.

사실, 애플의 iOS나 구글의 안드로이드 운영체제를 작동시키는 장치를 폭넓게 채택한 것은 제3 응용프로그램 사용을 제안한 것인데, 이것이 웨어러블 시장을 지원하는 생태계 개발에 필요한 전조(前兆)가 되었다.

그러나 고객이 웨어러블 기기를 유용하게 이용할 수 있도록 하는 요소, 즉 소형이고 사용자 피부나 그 부근에 위치하며 iOS 및 안드로이드와의 양립성 요건 등도 전자회로 설계를 어렵게 만든다. 

여러 가지 웨어러블 설계 개념 중 가장 중요한 장치의 주요 기능은 사용자에게 가까운 환경에 대한 데이터나 생리학적 데이터를 감지하는 것인데, 이것은 예를 들면 사용자 주변 공기의 질도 될 수 있고, 사용자의 심장 박동수나 혈압이 될 수도 있다.
실제 조건에서 사용하는 경우, 신뢰할 수 있는 정확한 데이터를 표시하고 또 iOS나 안드로이드와 인터페이스되는, 낮은 전력의 극소형 센서를 생산하는 것은 거대한 도전이다. 실제로 어떠한 방법으로든 센서 제작자의 능력을 확대시켜야 한다.

수백 개의 웨어러블 센서 유형

최초의 웨어러블 전자기기 중에는 입증된 센서를 사용하여 몇몇 생리학적 현상과 환경적 현상을 측정하는 것도 있다. 예를 들어 나이키의 퓨얼밴드나 조본(Jawbone)의 UP과 같은 제품은 선택한 단계, 높이와 같은 생물학적 파라미터, 환경적 현상 등을 측정할 수 있다.

광 센서, 가속도계 및 기압계와 같은 장치에 사용한 센서는 ‘웨어러블 디바이스’가 시장을 형성하기 전에 휴대전화와 태블릿에 이미 널리 사용되었다.

그러나 생리학적 및 환경적 현상을 측정하는 웨어러블 기기의 범위는 이보다 훨씬 넓다. 인구가 노령화되고 당뇨병이나 심장병과 같은 병이 만연한 산업화 국가에서 의사가 혈당, 혈중산소, 및 심장 박동수와 같은 파라미터에 대해 한순간도 쉬지 않는 모니터링의 지원을 받을 경우, 치료 효과가 극적으로 향상될 수 있다. 웨어러블 기기와 스마트폰의 인터페이스는 실질적으로 사용자에게 의사나 병원과 항구적으로 연결된 것과 같은 서비스를 제공하므로, 물리적인 상태가 악화될 경우 그 앱(응용프로그램)의 조기 경고 기능도 이용할 수 있다.

의학적 센서는 일반적으로 건강한 사람도 유용하게 사용할 수 있다. 예를 들면, 웨어러블 기기나 피부에 통합된 UV
(자외선) 센서 패치는 스마트폰 앱을 자극하여 사용자에게 광선에 과다하게 노출되는 것을 경고할 수 있다.

웨어러블 기기는 사용자 주변 환경도 측정할 수 있다. 예를 들면, 공기 중에 부유하는 입자 레벨을 측정하는 광학 센서는 공기의 질이 지정된 것보다 악화되는 경우, 사용자의 스마트폰에 알려 경계심을 유발시킬 수 있다.

여러 가지 다른 유형의 센서를 사용하면 사용자의 웨어러블 기기 운영을 가능케 하거나 향상시킬 수도 있다. 예를 들어 ALS (주변 광 센서)는 사용자가 노출되는 광선의 밝기나 색 변화에 대응하여 스마트 워치 디스플레이를 자동으로 조절할 수 있다. 

그리고 피동 또는 능동 IR(적외선) 센서를 사용하면 유용한 터치스크린이나 버튼이 너무 작아서 지원할 수 없는 장치의 제스처(gesture) 관리에도 사용할 수 있다.

이들은 웨어러블 기기에 사용할 수 있는 센서 유형을 선택하는 것뿐이며, 각각 독립적으로도 사용할 수 있다. 그렇다고 해도 소비자 장치 제조사는 여전히 센서에서 입력되는 자료를 결합시키는 방법을 모색하고 있다. 

예를 들어 삼성은 다양한 센서에서 입력되는 자료를 응용프로그램과 결합시키는 센서의 개방형 인터페이스인 SAMI
(다중모드 상호작용용 삼성 구조 양식)를 제안하여 단일 센서의 입력자료보다 더 복잡하고 현명하게 사용자의 건강상태를 표현할 수 있도록 했다.

웨어러블 센서에 영향을 미치는 사항

신체나 그 부근에 센서를 부착하여 모바일 컴퓨터에 접속하는 방법은 이론상 소비자에게 유용하며 재미있는 기능이 될 수 있다. 

위에서 기술한 모든 경우, 기본적인 기술은 이미 존재한다. 그러나 이러한 기능을 실시간으로 발휘시키는 데에는 다음과 같은 3가지 어려움이 있다.

1. 환경 관련 문제
웨어러블 기기는 사람들이 착용하는 디바이스다. 이것은 그 장치가 진짜 사람들 또는 그 부근에 배치되므로 땀과 그리스에 의해 오염될 수도 있다는 것을 의미한다. 일례로 사용자는 과도한 충격 및 진동에 노출시키거나, 물 속에 담글 뿐만 아니라 과다한 자기장이 존재하는 곳에서 사용함으로써 기기의 성능을 무의식적으로 훼손시킬 수 있다.

2. 동력 관련 문제
사람이 착용하려면 기기가 매우 작고 가벼워야 한다. 따라서 웨어러블 기기에는 아주 작은 배터리 전원용 공간을 마련해야 한다.
배터리를 빈번하게 재충전하거나 교체하면 제품에 대한 사용자 인식이 나빠진다. 그러므로, 모든 전자회로는 작동 시 극히 적은 양의 전력을 소비해야 하며, 또 작동하지 않을 때는 전력 저감 모드를 지원해야 한다.

3. 품질 관련 문제
초기 헬스케어 관련 기기가 사람들의 체력 및 건강을 모니터하며 심박수와 같은 파라미터를 측정했을 때는 중간 수준의 정확도를 보였지만, 선구자적인 가치로 인해 소비자는 실제로 중간 수준보다 훨씬 더 만족할 수 있었다.
웨어러블 센서를 좀 더 중요한 곳에 사용할 경우, 훨씬 더 높은 정확성과 신뢰성을 만족시켜야 한다. 예를 들면, 심박 또는 혈중 산소 센서는 앞으로 의료장비에서 구체화시킬 수 있어, 미국에서는 FDA(식품의약청)의 엄격한 감정을 받도록 하고 있다.
많은 양의 소음에 노출되어 훼손된 환경에서 높은 정확성과 신뢰성을 확보하는 것은 오늘날 센서 제작자에게 큰 어려움이 될 수 있다.

센서 출력을 유용한 용도로 전환

웨어러블 감지 기기는 실험실에서 입증된 기술을 뜨겁고 더러우며 전기 소음이 큰 장치에서 고신뢰성으로 구현시켜야 한다는 어려움이 있다. 따라서 제작자의 아날로그 IC 능력이 높아져야 하며, 이때 다음과 같은 사항이 필요하다.
•고집적화 및 극소화
•저전력 소모량
•고감도
•더 완벽한 응용 기술
제품 표면에 있는 버튼을 없애야 하므로, 제스처 감지는 웨어러블 기기에서 공통적으로 필요한 기능이다. 제스처 관리 회로에는 2개 이상의 IR LED와 IR 포토다이오드 하나가 포함된다. 그리고 제스처는 사용자의 손이 LED 위를 통과했을 때 포토다이오드로 다시 반사되는 IR 선의 분석을 통해 인지된다.

IR LED와 IR 포토다이오드는 웨어러블 기기의 공통 요소이며, 여러 제조자의 제품을 사용할 수 있다. 그렇다면 웨어러블 제스처 센서를 구체화시킬 때의 어려움은 무엇인가? 그 어려움은 위에 기술한 3가지 영역에서 발생한다.

IR 센서는 막대한 양의 소음에 노출되므로 응용프로그램에는 환경적인 어려움이 내포되어 있다. 웨어러블 기기는 일반적으로 약간의 IR 휘도가 포함된 주변 광(태양광 등)에 노출된다. 

이외에도 장치 표면의 센서 구경(口徑)은 먼지, 오물, 또는 사용자 피부에서 나오는 땀이나 그리스와 같은 오염물질에 의해 흐려질 수 있다. 

주변 광에 의한 IR(응용프로그램의 배경 소음)과 LED에서 반사되는 IR을 신뢰할 수 있는 정도로 구별하기 위해서는, 광 센서가 매우 민감해야 하며, 최신 아날로그 반도체 기술도 필요하다.

이와 동시에, 웨어러블 기기는 작고 가벼워야 한다. 고도로 통합된 반도체 설계는 웨어러블 형태에 맞춰 극소화하는 데 도움이 된다. 아날로그 프론트엔드와 프로세서 코어를 단일 다이에 통합시키면, 단일 칩에 제스처 관리 시스템을 구축할 수 있다.

이러한 시스템에는 대부분 제스처를 스캔하는 LED가 정상적으로 작동해야 한다. IR LED가 필요하지 않은 웨이크업과 전력저감 모드를 실행하면 스마트한 전력저감 모드를 활성화시킬 수 있다.

전력소모가 적고 고감도, 고집적 소형 IR 센서는 반사된 IR 선의 정확한 측정값을 포착하여 수치화할 수 있다. 그러나 제스처 관리에는 IR 빛의 실제 측정값을 해석할 수 있는 스마트한 기능을 갖추기 위해 애플리케이션 소프트웨어가 필요하다. IR 선 측정값 분석에는 막대한 양의 IP(지적 자산)가 필요하다. 이 분석을 통해 시스템에서 할 수 있는 일은 다음과 같다.

•사용자 손의 운동 속도와 방향을 계산하고
•장치와 손의 거리를 측정하며
•IR LED에서 반사된 광과 주변 광을 구별하여
•다양한 유형의 운동을 분명한 제스처로 해석한다

달리 말하면, 장치의 극소형 회로 보드에 IR LED와 IR 포토다이오드를 조립하는 식으로는 웨어러블 기기에 제스처 관리 시스템을 구축할 수 없다. 시스템에는 하드웨어와 응용 소프트웨어를 결합해야 한다. 

시스템은 다른 모든 요소에 영향을 미친다. 예를 들어 포토다이오드의 감도는 원(原) 광선 측정값을 해석하는 소프트웨어 및 LED 사양에 영향을 미친다. 시스템의 질, 즉 제스처를 예상하도록 신속하게 인식하는 능력은 센서 하드웨어는 물론, 응용 소프트웨어에 따라서도 다르다.

웨어러블 디바이스 제작자의 경우, 센서 요소보다 센서 시스템을 명시하는 경향이 증가하고 있다. 아날로그 IC 제조업체는 이 시장에서 경쟁할 수 있도록 센서 하드웨어를 지원하는 응용 소프트웨어와, 이를 즉시 이용할 수 있는 알고리즘을 제공해야 한다.
이것은 제스처 관리의 경우와 마찬가지로, 다른 웨어러블 기기에도 적용된다. 또 다른 사례를 들면, 펄스 옥시메트리(Pulse Oximetry) 광 센서는 사용자의 혈관에 부딪힌 후 LED 광을 감지하여 혈중 산소 레벨을 측정한다. 여기서 소프트웨어는 원래의 광 측정값을 해석하여, 센서가 그리스나 오물 및 땀으로 오염됐거나 주변 광에 노출된 경우에도 그것을 혈중산소의 정확한 측정값으로 변환시킨다.

센서 제작자는 응용 소프트웨어와 최신 아날로그 하드웨어의 결합을 통해 최적의 시스템을 구축함으로써 장치 제작자의 설계 시간과 노력을 절약해주며, 웨어러블 차세대 전자 기기에는 소비자가 필요로 하는 높은 성능과 신뢰성을 부여할 수 있다.

센서 제조업체의 새로운 임무

ams와 같은 회사는 신흥 웨어러블 전자기기 시장에서 요구되는 새로운 요건을 인식하고 조기에 개발함으로써 센서 IC라기보다 센서 해법을 구축하는 데 필요한 역량을 키워왔다. 여기에는 소프트웨어 개발자의 막대한 투자와 응용프로그램 엔지니어링 기술이 관계됐다. ams는 의학적인 감지 시스템이나 사용자 인터페이스 시스템 등의 분야에서 장치 제조업체에게 수년 동안 개발한 애플리케이션 IP를 사용하도록 제의할 수 있다.

웨어러블 센서를 작동시켜야 하는 환경은 매우 제한돼 있다. 그러나 사용자 관점에서는 센서 시스템의 결함이 없어질 때까지 테스트할 필요가 있다. 

센서 제조업체는 현실적인 조건에서 제스처 관리와 같은 애플리케이션 프로그램 성능에 결함이 없도록 완전한 해법을 제공함으로써 웨어러블 전자기기 제조업체에게 가능한 한 큰 가치를 제공하고, 소비자의 무한한 상상력을 실현시킬 차세대 제품을 제작하는 데 일조해야 한다.

Bob Johannigman ams AG