logo NSC 홈페이지 바로가기 2015년도 10대 표준화전략 트렌드

10대 표준화 전략트렌드

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10대 표준화 전략트렌드

01 Wearable Smart device

웨어러블 센서 디바이스 기술

 웨어러블 센서 시장은 2019년에 현재의 7배 수준으로 성장할 것으로 전망되며, 일부 칩 제조사를 중 심으로 레퍼런스 제품을 통한 기술 표준화가 진행 중이다. 해외 선진 기업과의 경쟁에서 우위를 차지하기위해 지금부터 기술 표준화 제정에 적극 참여하여야 할 것이다.

 아이폰 출시 이후 폭발적인 증가세를 보이던 스마트폰 시장은 이제 성숙기에 접어 들었으며, 향후 스마트폰을 대체할 수 있는 차세대 모바일 기술로 웨어러블 디바이 스(Wearable Device)가 꼽히고 있다. 이러한 웨어러블 디바이스 구현에 있어 웨어러 블 센서 기술의 중요성은 나날이 증대되고 있다.

  웨어러블 센서 기술은 기존의 센서를 웨어러블 디바이스에 적용하기 위한 초소형·저전력화 기술과 센서 자체를 플렉서블한 소재를 사용하여 구현하는 기술로 나눌 수 있다. 궁극적인 웨어러블 센서는 후자의 기술을 의미하지만, 급성장하는 시장에 대응하기 위해 주요 메이커들은 필수 센서(자이로 센서, 근접 센서, 가속도 센서, 지자 기 센서 등)를 중심으로 전자의 기술을 적용하고 있다. 최근 캐나다의 OMsignal 社는 직물에 CNT를 삽입한 스마트섬유를 이용한 심박센서가 부착된 스마트셔츠를 개발하였으며, 구글은 렌즈를 통해 눈물의 혈당을 측정할 수 있는 스마트렌즈를 개발 중이다. 이처럼, 후자의 기술은 스마트섬유, 생체정보 센서 등에 일부 startup기업들에 의해 적용되고 있다.

웨어러블 센서 시스템

[그림 3] 웨어러블 센서 시스템

센서의 초소형 저전력화 기술

[그림 4] 센서의 초소형 저전력화 기술

유연소자를 사용한 웨어러블 센서

[그림 5] 유연소자를 사용한 웨어러블 센서

 현재 웨어러블 디바이스에 적용되고 있는 센서는 온도/습도 센서, 압력 센서, 가속도 센서, 자이로 센서, 모션트래킹 센서, 심박 센서, 땀 센서, 자외선 센서 등이며, 앞으로 도래할 사물인터넷(IoT)과 만물인터넷(IoE) 시대에는 웨어러블 센서의 일상화(개인 중심의 생활밀착형 센서)로 인해 더욱 다양한 센서가 적용될 것이며, 특히 인간의 오감(시 각, 후각, 미각, 청각, 촉각)과 생체정보를 측 정하는 첨단센서를 중심으로 발전할 것으로 전망된다. 생체정보 측정 센서는 콘택트렌즈를 통한 눈물 분비물 분석 및 치료, 맥박수, 체온, 자외선 흡수량 등을 측정할 수 있는 ‘ 바이오 스탬프’ , 근육의 피로도를 측정하는 ‘ 전자문신’ 등이 연구되고 있는 대표적인 예이다.

인간의 오감을 측정하는 웨어러블 센서

[그림 6] 인간의 오감을 측정하는 웨어러블 센서

 웨어러블 센서 시장은 2019년까지 연 평균 50% 이상의 성장률을 나타내어 2019년에 는 2013년의 7배 수준으로 성장할 것으로 전망되며, 센서 출하량은 웨어러블 디바이스 기기 시장보다 더욱 가파른 성장세를 보일 것으로 전망되고 있다. 웨어러블 디바이스 하나당 탑재된 센서 부품의 평균 개수는 2013년 1.4개에서 2019년에는 4.1개로 늘어날 전망이며,스마트시계나 스마트안경과 같은 기기를 통해 추진력을 얻을 것이다.

IHS에 의해 전망된 웨어러블 센서 시장 출처

[그림 7] IHS에 의해 전망된 웨어러블 센서 시장 출처

 ‘웨어러블 센서’에 대한 표준화는 B2B 시장의 칩 제조사들을 통해 일부 진행 중이며, 그 방법은 레퍼런스 성격의 제품 출시를 통해 관련 생태계 및 기술의 표준화를 이루는 것이다. 웨어러블 센서는 기존의 소품종 대량 생산이 아닌, 다품종 소량 생산으로, 빠른 기술 변화 주기를 갖는다. 따라서 향후 급증이 예상되는 웨어러블 센서 시장을 선점하고, 해외 선진 기업과의 경쟁에서 우위를 차지하기위해 지금부터 기술 표준화 제정에 적극 참여하여야 할 것이다.

웨어러블 센서와 관련된 칩 제조사의 기술 표준화 추진 현황

[표 5] 웨어러블 센서와 관련된 칩 제조사의 기술 표준화 추진 현황

02 Wearable Smart device

웨어러블 디바이스의 인체정보 측정기술

 인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스는 휴대형, 부착형, 이식/복용형으로 구분할 수 있으며, 웨어러블 의료 디바이스 시장은 2012년 20억 불에서 16.4%의 연평균 성장률로 2019년에는 58억 불로 성장할 것이 예상된다. 우리나라는 IEC TC 47에서 인체 정보 측정을 위한 소자 관련 측정 표준을 제안 하는 등 관련 표준을 주도하고 있다.

 웨어러블 디바이스를 이용한 인체정보 측정기술이란 우리가 몸에 착용할 수 있는 형태로 제작된 센서 등을 이용하여 심전도· 뇌파·혈압·맥박·체온·호흡 등의 인체 정보를 측정하는 기술을 의미하며 특정 장소와 시간의 장벽을 뛰어넘어 언제 어디서나 웨어러블 디바이스에 내장된 센서를 통해 인체 정보들을 측정함으로써 24시간 모니터링이 가능하다. 인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스는 크게 휴대형(Portable), 부착형(Attachable), 이식/복용형(Eatable)으로 구분할 수 있으며, 휴대성, 사용편의성, 환경적응성 측면에서 기존 디바이스와는 차별화되는 기능을 제공하는 것을 목적으로 한다. 휴대형은 스마트폰과 같이 휴대하는 형태의 제품으로 안경, 시계, 밴드 및 의류 형태의 디바이스로 제공되며, 부착형은 패치(patch) 와 같이 피부에 직접 부착할 수 있는 형태로, 이식/복용형은 웨어러블 디바이스의 가장 궁극적인 단계로 인체에 직접 이식 또는 복용할 수 있는 형태이다.

인체정보 측정용 웨어러블 디바이스 제품 분류

[표 6] 인체정보 측정용 웨어러블 디바이스 제품 분류

 실제 인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스 제품의 주요 기업 및 사례는 아래에 제시되어 있으며 이 제품들은 사용자의 운동량, 혈당, 심박동수, 심전도, 호흡, 칼로리 소비량, 수면 활동 등을 모니터링 할 수 있다. 이러한 제품들은 건강관리 및 다이어트에 민감한 소비자 및 유야의 건강상태 및 수면 패턴 모니터링용 등으로 큰 관심을 모으고 있다.

인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스 제품의 주요 기업 및 사례

[그림 8] 인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스 제품의 주요 기업 및 사례

 웨어러블 디바이스를 이용한 인체 정보 측정 기술이 우리 생활의 일부로 자리잡을 것으로 예상되며 관련 시장도 크게 확대될 것으로 예상된다. 웨어러블 디바이스 관련 소재, 공정 및 소자 기술과 배터리 파워 등의 발전을 통해 많은 제품들이 초기의 군수용에서 민수용으로 옮겨가는데 도움을 주었다. 아래 그림은 웨어러블 디바이스 분야별 시장을 보여 주며 다양한 응용분야에서 향후 많은 발전이 예상된다. 특히, 웨어러블 의료 디바이스 시장은 2012년에 20억 불에서 16.4%의 연평균 성장률로 2019년에는 58억 불로 성장할 것이 예상된다.

웨어러블 디바이스 분야별 시장

[그림 9] 웨어러블 디바이스 분야별 시장

 개인의료기기의 상호운용성을 보장하여 기술개발 및 산업 활성화를 뒷받침하기 위한 표준화 작업은 국내외에서 진행이 되어 오고 있다. 국내에서는 한국정보통신기 술협회(TTA) 산하의 유헬스 프로젝트그룹(PG419)에서 주도적으로 하고 있으며 국외 에서는 IEEE 11073 PHD11 WG, HL7, ISO/TC215, CEN/TC251 등이 있다. 향후에는 다양한 디바이스 특성을 반영한 표준화 및 사물간 인터넷(IoT)과의 표준화 연계 등도 적극적으로 수용하여 웨어러블 디바이스의 표준화를 추진하는 것이 웨어러블 디바이스 시장을 성장시키는 주요한 동력이 될 것으로 사료된다.

 인체로부터 건강 및 생활 모니터링에 필요한 각종 정보를 획득하는 소형 센서 및 SoC 관련 표준은 ISO/IEC에서 표준화가 되고 있다. 우리나라는 향후 웨어러블 (Wearable) 스마트기기 시장에서 주도권을 잡기위하여 ‘ 웨어러블 스마트 기기’ 에 대한 표준개발위원회 설립을 올해 11월 도쿄 IEC미팅에서 제안한 바 있다. IEC국제 표준분야도 웨어러블 디바이스의 안전성 및 신뢰성을 확보하는데 기여할 수 있을 것으로 보인다. 높은 신뢰성, 안전성, 소형화된 센서, MEMS 소자 및 고집적화된 반도체 소자를 요구하는 웨어러블 디바이스 시장에 효과적으로 대처하고 환경적으로 견고한 많은 새로운 국제 표준이 필요할 것으로 예측된다. IEC TC 47(Semiconductor devices) 및 SC 47E(Discrete semiconductor devices)는 다른 관련 IEC TC 및 ISO/IEC JTC1/SC6(Telecommunicationsandinformationexchangebetweensystems) 등의 ISO 와도 연계를 수립하고 있어 선행 표준을 통한 미래에 기술발전을 도와줄 역할을 담당하기 위한 곳으로 우리나라는 아래 인체 정보 측정을 위한 소자 측정에 응용될 수 있는 관련 유연 반도체 측정 표준을 제안 하는 등 관련 표준을 주도하는 양상을 보이고 있다.

웨어러블 디바이스 관련 IEC/tC 47 표준화 추진현황

[표 7] 웨어러블 디바이스 관련 IEC/tC 47 표준화 추진현황

 웨어러블 디바이스 기술의 표준화는 제품간의 이식성(Portability), 확장성 (Scalability), 상호 운용성(Interoperability)을 보장하기 위한 필수적 요소로 인식되고 있으며, 관련 세계 시장 선점 및 기술개발의 주도권 확보 차원에서 지금부터 인체 정보 측정 웨어러블 디바이스 관련, 규격, 측정 방법 표준, 인체 안정성 등 관련한 국제 표준 제정에 적극적으로 참여하는 것이 필요해 보인다. 고령화 시대의 도래에 대비하여 언제 어디서나 질병의 예방, 관리, 치료 및 건강관리의 개인맞춤형 보건의료서비스를 제공하는 u-Health분야용 웨어러블 디바이스 관련 기술의 발전을 촉진시켜 전 국민의 의료서비스 질 향상 및 이 분야의 기술 강국으로 가기 위해 아래와 같은 분야의 인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스 표준화가 필요하다.

인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스 표준화 필요분야

[표 8] 인체 정보 측정용 웨어러블 디바이스 표준화 필요분야

1. IEEE 11073 PHD(Personal Health Device)는 헬스 정보 프로파일의 전송 포맷으로 개인용 건강 기기와 건강 정보 수집기간 정보를 교환하는 데 필요한 공개적으로 정의된 독립적 표준이다.

03 Wearable Smart device

웨어러블 디바이스의 저전력 신호처리기술

 웨어러블 디바이스는 체온, 맥박, 혈압, 심전도, 동영상 등 다양한 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하고, 사용자에게 보여주기 적절한 형태로 변환하기 위하여 많은 신호처리를 사용하게 되는데, 배터리로 동작해야 하는 특성상 시스템, 인터페이스, 소프트웨어, 하드웨어 설계 등 가능한 모든 수준에서 저전력 신호처리 기술의 개발이 필요하다.

 IT 디바이스 산업은 스마트 디바이스, 앱세서리, 웨어러블, IoT 환경으로 진화하고 있으며, 시계 안경 의복 등 신체 착용形웨어러블(Wearable) 디바이스가 Post-스마트폰으로 기대된다. 현재는 기술개발과 상품출시의 초기 단계이나 노령화와 건강에 대한 관심의 증대로 헬스케어 분야를 중심으로 다양한 용도의 제품 개발이 출시되고 있다.

  2013년 IMS Research 자료에 의하면 이러한 웨어러블 디바이스 시장은 2013년 14억 달러에서 2016년에 60억 달러로 성장할 것으로 전망된다. 또한 2013년 Gartner 자료에 의하면 스마트기기에 사용되는 센서의 시장 규모는 2012년에 22.5억 달러에서 2017년 45.6억 달러까지 증가할 것으로 예상된다.

  웨어러블 디바이스의 용도는 다양하며, 최근에는 체온, 맥박, 혈압, 운동량, 심전도 등의 생체신호를 측정하여 헬스케어에 활용하는 용도가 많이 등장하고 있다. 또한 엔터테인먼트 분야에서는 게임, 증강현실 등에 활용도가 주목을 받고 있으며, 의료 분야에서는 의사들이 어느 곳에서나 환자의 의료영상을 확인할 수 있는 시스템이나 수술 장면 녹화 및 중계 등의 목적으로도 활용이 예상된다.

  웨어러블 기기에서 이러한 기능이 가능하기 위해서는 실생활의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여야 한다. 또한 사용자에게 보여주거나 필요한 용도에 맞도록 활용하기 위해서는 적절한 형태의 데이터 변환이 필요하다. 이러한 변환은 때로 매우 많은 양의 계산을 필요로 하므로 배터리로 동작해야 하는 웨어러블 기기를 위해서는 저전력의 신호 처리 기술이 필요하다.

웨어러블 디바이스의 다양한 신호 처리

[그림 10] 웨어러블 디바이스의 다양한 신호 처리

 저전력 신호처리를 위해서는 시스템 수준, 알고리즘 수준, 하드웨어 설계 수준, 칩 제조 기술 수준 등으로 다각도에서 기술 개발이 필요하다. 일반적으로 시스템 수준에서의 검토가 가장 많은 저전력 효과를 기대할 수 있으며, 알고리즘 수준, 하드웨어 설계 수준, 칩 제조 기술 수준 순으로 많은 효과를 기대할 수 있다.

  시스템 수준에서의 저전력화는 디바이스 간의 인터페이스 프로토콜 조정이나 사용 환경 등의 검토를 통해서 달성할 수 있다.

  알고리즘 수준에서는 신호처리에 많이 이용되는 함수에 대한 수학적 모델링이나 함수를 풀이하는 다양한 방법 중에서 적절한 방법을 선택하거나 새로운 저전력 알고 리즘을 개발하여 달성할 수 있다. 신호처리에 많이 사용되는 알고리즘들로는 Fast Fourier Transform, Discrete Cosine Transform, Matrix Operation 등이 있다. 최신의 저전력 MCU(Micro Controller Unit)는 7-8개의 Power-down 모드를 제공하며, 알고리즘 구현이나 응용 프로그램 구현 시에 이를 활용하여 저전력을 구현하기도 한다.

  하드웨어 설계 수준에서는 주어진 신호처리 알고리즘을 이용하여 하드웨어로 구현할 때 적용할 수 있는 다양한 선택의 여지를 활용하거나 새로운 구조의 하드웨어를 개발하여 달성할 수 있다. 특히 아날로그 값을 디지털로 변환하는 ADC(Analog- Digital Converter)는 신호처리의 시작이자 핵심 부분으로 고정밀도와 함께 저전력 구현을 위해서 많은 시도들이 이루어지고 있다. 또한 비동기 회로를 이용한 설계 기술로 동기식 클록에 의한 불필요한 소비전력을 절감하기 위한 기술도 개발되고 있다. 이러한 다양한 기술은 전원 관리 칩(Power management IC; PMIC)에 통합하여 설계 하고 MCU와 함께 활용하기도 한다.

저전력 신호 처리 기술과 저전력화 효율

[그림 11] 저전력 신호 처리 기술과 저전력화 효율

 칩 제조 기술 수준에서는 하드웨어 설계 기술과 함께 가변 전압(Voltagescaling), 클록 차단(Clock gating), 전원 차단(Power gating) 등을 비롯하여 임계 전압(Threshold voltage) 최소화, 공정에서의 전원 전압 최소화 등을 통해서 이루어진다.

  최근에는 미세 공정의 발달에 따라서 상시 대기 전력이 커지는 경향이 있어서, 특히 대기전력을 최소화하려는 노력도 많이 이루어지고 있다.

  다수의 디바이스와 주변 환경이 상호 연동하기 위해서는 신호 처리와 함께 디바이스간의 통신 기술이 반드시 필요하며, 이러한 통신 기능은 통신 거리에 따라서 많은 소비전력을 소모하기도 하므로, 저전력 디바이스 구현을 위해서는 시스템 수준에서의 저전력 통신을 위한 프로토콜 개발 등과 함께 통신 방식 및 디바이스 간의 인터페이스 표준화가 필요하다. 영상 처리가 포함된 디바이스의 경우 영상 화면을 어떤 디바이스나 디스플레이에서도 동일한 느낌으로 볼 수 있도록 정규화하는 기술 및 정규화 정도를 측정하는 기술의 표준화가 필요하다.

웨어러블용 저전력 신호처리 표준화 추진분야

[표 9] 웨어러블용 저전력 신호처리 표준화 추진분야

04 Wearable Smart device

웨어러블용 Health data 인식 알고리즘 기술

 웨어러블용 Health data 인식 알고리즘 기술이 웨어러블 스마트 디바이스 사용자가 무인식 및 무자각 상태에서 다양한 Health data를 검출하여 Self-monitoring이 가능하도록 지원하는 제품 사업화에 활용되면, 외국산 센서 수입 대체 효과가 있고, 이를 활용한 개인 맞춤형 헬스케어 서비스의 활성화가 가능하게 될 것이다.

 웨어러블용 Health data 인식 알고리즘 기술은 웨어러블 스마트 디바이스의 사용자가 무인식 및 무자각 상태에서 인체피부 적응형(인체 안전성 및 정확성), 다기능 (심전도, 호흡, 체중, 혈압, 맥박, 체지방, 혈당, 간질환지표, 심장질환 지표, 뇌파 등) 유연센서에서 수집된 Healthdata를 분석하는 기술을 의미한다.

  고령화사회가 급속하게 도래하고 있어 성인질환이 크게 증가하는 추세이며, 의료 서비스의 니즈는 질병 치료에서 예방과 관리를 통해 건강한 삶을 유지하는 것으로 변화하고 있다. 인구의 고령화, 생활수준의 향상, 의료비 부담 증가에 따라 질병의 예방 및 일상 관리의 중요성이 증대하고 있으며, 건강 수명 연장을 위해 ICT 기술을 이용한 개인 맞춤형 헬스케어 니즈가 확대되고 있다. 따라서 미래의 보건의료 서비스 시장은 전통적인 질병치료를 위한 진단, 치료 장비 위주에서 모바일, 웨어러블 기기를 이용한 개인의 건강 진단, 사후 관리 및 예방 부분의 시장 비중이 커질 것으로 예상 된다.

영역별 헬스케어 산업의 규모 전망

[그림 12] 영역별 헬스케어 산업의 규모 전망

 IoT 기기는 웨어러블 스마트 디바이스를 중심으로 확산되고 있으며, 사용자의 신체에 부착되는 웨어러블 스마트 디바이스는 특성상 헬스케어 관련 기기로 활용되고 있다.

  웨어러블 스마트 디바이스는 사용자의 신체부위에 부착되기 때문에 스마트폰에 기본 탑재되는 블루투스(근거리통신) 기능을 통해 스마트폰과 연결이 용이하고, Health data를 활용하는 개인 맞춤형 헬스케어 서비스 제공에 적합하다. 웨어러블 스마트 디바이스를 이용한 헬스케어는 Healthdata를 측정(센싱), 취합 및 전송, 분석 및 진단, 피드백하는 과정으로 구성되어 있다. 센싱 부분에서는 인체의 다양한 Healthdata를 측정할 수 있는 센서 기술이 필요하며, 이를 Health Platform으로 전송 할 수 있는 통신기술(Wireless-Bodyareanetwork)이 기반이 되어 전달된 Healthdata 를 분석하여 사용자에게 적극적인 헬스케어가 가능하도록 서비스를 제공할 수 있게 된다. 이를 기술적 요소로 나누게 되면 센서, 웨어러블 스마트 디바이스, Health platform, 기술표준 및 보안기술로 구성되어 있다.

  센서에서 수집된 Healthdata는 Healthplatform의 Database(DB)에 저장되어, 소정 기간단위로 누적되며, Health data와 질병별 증세정보를 연계하여 사용자의 Health data에서 특정질병에 대한 증상이 발견되는지 판단할 수 있도록 하는 알고리즘 기술 개발이 필요하다. 인체의 수분 및 온도 변화에도 불구하고 정확한 Health data 측정을 위한 제품 신뢰성 평가가 전제 되어야 한다. 향후 웨어러블 스마트 디바이스를 이용한 Healthdata모니터링 수요의 확대에 따라 사용자의 편의성 확보를 위해 무인지 및 무자각 상태에서 다양한 Healthdata의 측정이 가능한 진단기술 및 바이오센서 관련 제품 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 이를 위해 접촉식, 비접촉식 및 시료 채취 방식(Bio-sensor) 등을 통해 다양한 Healthdata를 수집하고 분석하는 알고리즘 기술 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다.

신체부위별 Health data, 센서 및 웨어러블 스마트 디바이스

[그림 13] 신체부위별 Health data, 센서 및 웨어러블 스마트 디바이스

 의료기술과 의료서비스의 패러다임 변화로 병원에서의 진료 위주에서 병원 방문 없이 헬스케어용 IoT기기에서 수집되는 개인의 Healthdata를 웨어러블 스마트 디바이스에서 통합관리하거나, 다양한 스마트폰 App, 웨어러블 스마트 디바이스에서 측정한 Health data를 하나의 Health platform에서 통합 관리하는 서비스로 발전할 것이다. 예를 들면, 아이폰에 연결된 웨어러블 스마트 디바이스(운동량 측정기, 혈당 측정기, 혈압계 등)로 측정한 Health data를 아이폰에서 한눈으로 확인이 가능할 것이다. 또한 Health Platform의 개인 건강기록에 근거해 제휴 병원에서 전문적 의료 서비스를 제공받을 수 있다. 미국에서는 애플의 Health Platform을 통한 의료서비스 제공을 위해 메이요 클리닉(Mayoclinic) 등 유명 병원들과 협업을 발표하고 있다.

  웨어러블 스마트 디바이스는 네트워크 접속이 필요하고, 스마트 기기에서 운용되는 모바일 App을 기반으로 동작하기 때문에 기존의 U-헬스케어 기기의 표준을 웨어러블 스마트 디바이스에 적용하기에는 어려움이 많다.

[그림 14] 디지털 헬스케어 산업 생태계

[그림 14] 디지털 헬스케어 산업 생태계

 웨어러블 기기간 뿐만 아니라, 이종기기 간의 Health data 전달과 관련하여 Health data의 분석 및 피드백, 취합과 전송 등이 표준화된 방법으로 처리될 수 있도록 상호 운용성(Interoperability)이 보장되어야 한다. 이를 위해서는 Healthdata측정 및 모니 터링, 생체 적합성 평가, 측정기록의 형식 및 서식, 데이터 처리 및 네트워크, 시험 및 인증, 보안 등 분야에서 표준화가 필요하다. 웨어러블용 Health data 인식 알고리즘 기술이 웨어러블 스마트 디바이스 사용자가 무인식 및 무자각 상태에서 다양한 Health data를 검출하여 Self-monitoring이 가능하도록 지원하는 제품 사업화에 활용되면, 외국산 센서 수입 대체 효과가 있고, 이를 활용한 개인 맞춤형 헬스케어 서비스의 활성화가 가능하게 될 것이다.

05 Wearable Smart device

웨어러블 디바이스의 환경정보 측정기술

 향후 웨어러블 디바이스에 융합된 수억 개의 이기종 환경감지센서로부터 폭발적인 양으로 수집되는 데이터를 클라우드/빅데이터 기반 환경정보 통합감시시스템에서 통합관리 되도록 데이터 교환 규칙과 수집된 데이터 접근 API에 대한 표준화가 이루어져야 한다. 이를 통해 환경측정데이터를 활용한 특화된 제품이 개발되고 기존의 응용 서비스와 결합되어 웨어러블 장치의 확산에 큰 전기를 마련할 것이다.

 환경정보를 측정하는 환경융합 센서 기술은 환경 매체(대기, 토양, 물)와 그로 인해 인위적으로 유도된 각종 환경물질의 상태 변화량을 감지하는 기술을 말한다. 흔히 대기 중의 온도, 습도, 미세먼지, 방사능 수치, 전자파, 토양의 다중 성분, 물속에 포 함된 각종 복합 물질을 분석하는 기술을 포함한다. 웨어러블 디바이스에 환경칩이 결합되기 위해서는 초소형 칩 패키지 구현기술, 초저전력 동작회로, 고해상도 감지 성능의 센서, 극소량의 샘플에 의한 감지신호 처리 기술, 실시간 검출 성능 등의 기술 과 더불어 USN환경을 통해 수집된 환경측정데이터를 교환, 공유, 통합 관리할 수 있 는 클라우드/빅데이터 기술을 통해 새로운 정보 가치와 부가 서비스와 이와 관련된 새로운 시장이 창출될 전망이다.

  [표 10]은 환경 감지관련 칩의 수출액 및 수입대체효과 전망에 대한 통계이다. 대부분의 환경센서는 주로 전기화학센서로 국내시장은 6.6억 불(2012년) 정도이며 바이오센서 기업들은 아직까지 주로 의료용에 집중하고 있어 상대적으로 환경용에 대해 서는 관심의 정도가 떨어진다.

환경 감지 관련 침 수출액 및 수입대체효과 전망

[표 10] 환경 감지 관련 침 수출액 및 수입대체효과 전망

 대부분 환경센싱 칩과 관련해서는 국내외적으로 연구단계에 있으나 점차 시장에 서는 유해물질에 대한 실시간 분석에 대한 기술요구가 되고 있으며 웨어러블 형태로 환경칩이 장착될 경우 측정/수집된 정보가 사용자에 의해 즉시 소비될 수 있기 때문에 다양한 부가서비스와 결합되어 환경센서 및 웨어러블 디바이스 전체의 효용성이 크게 증대될 것이다.

  환경정보 측정 장치는 부착위치에 따라 이동형(부착형), 고정형(설치형), 원격(리모트) 센서 시스템으로 분류될 수 있으며 측정 방식에 따라 [표 11]과 같이 미각, 촉각, 시각, 청각의 4가지로 분류하였다.

  환경 정보를 감지하는 종래의 기술은 대부분 상시전원을 연결한 고정형 장치에 랩 온어칩 형태로 구현되어 대상체에 직접 시료를 주입하여 성분을 감지하는 방식이 많았으며 저전력 동작이나 크기 제약에 대한 요구사항이 크지 않았다. 웨어러블 다바이스 형태로 환경 감지 기술이 적용될 경우 작은 패키지 크기로 구현되어야 하며 장시간 사용가능할 수 있도록 소모전력이 큰 고전압, 대용량 회로의 사용을 제한한다.

환경정보 측정의 기술적 방식 분류

[표 11] 환경정보 측정의 기술적 방식 분류

 위의 4가지 감지기술을 적절히 융합하여 웨어러블 형태의 장치에 적용하였을 때 에도 동일한 감지 해상도 성능을 낼 수 있도록 특화된 저전력 센서, 회로 기술 개발이 선행되어야 하며, 초소형 칩으로 제작하여도 고감도로 장시간 동작할 수 있는 기술이 동시에 필요하다. 특히 무선통신환경을 거쳐 수집된 거대한 환경측정 정보를 클라우드/빅데이터 기술과 융합하여 각종 환경변화에 대한 다양한 정보를 추출/분석 하는 서비스 기술 개발이 병행되고 있다.

웨어러블 디바이스와 결합된 환경 정보 측정 제품

[그림 15] 웨어러블 디바이스와 결합된 환경 정보 측정 제품

 기존에 환경센서 제품을 생산하는 대표적인 기업들이 웨어러블 디바이스 제품을 위한 환경센서칩을 확대 개발할 수 있을 것으로 보인다. 최근에는 인체를 포함한 외부 환경감시 기능이 내장된 고가의 시계가 출시되었으며 [그림 15(a)] 입는 의류에 부 착하거나 [그림 15(b)], 안경, 마스크, 시계 등에 장착되어 [그림 15(c)(d)(e)] 환경변화를 상시적(Pervasive)으로 감시하는 초기 모델 제품이 속속 시장에 출시되고 있다.

  기존의 환경센싱 기술 제품은 주로 고정 설치형이었으나 웨어러블 디바이스에 적용된 환경센서는 사람에 의해 이동되면서 주변환경을 감시하고 수집된 정보를 다른 사람과 공유하고 사람에 의해 즉각적으로 정보를 소비할 수 있는 플랫폼 형태의 제품과 서비스로 발전될 전망이다. ([그림 15(c)] Air Waves Mask - 보행 중에 대기오염도를 측정하고 결과를 소셜네트워크상에서 상호 공유하여 지리정보서비스와 결합).

  국내에서는 환경부, 한국환경공단, 국립환경과학원, 기상청, 한국수자원공사, 국토해양부등에서 기후변화, 소음, 토양, 지하수, 지진, 태풍 등에 대한 데이터를 공개 제공하고 있으며 국가차원에서 운영되는 통합시스템으로 국가 환경 원격 감시체계(TMS)가 있다 [그림 16].

  아직까지는 환경측정에 관한 기술적인 표준보다는 환경측정 시험/검사에 관한 측정방식, 측정기기, 측정기준, 시험방법 등에 대한 규정으로 존재하며 이는 웨어러블 형태의 측정 장치에도 동일하게 적용될 것이다. 특히 이기종 웨어러블 디바이스에 장착된 환경 감시장치에 의해 엄청난 양과 속도로 수집되는 환경데이터를 생산해낼 것이며 이렇게 수집된 환경측정데이터를 저장/공유할 수 있는 공통 센서 데이터 포맷이 더욱 중요해질 전망이다. 이와 관련해서는 Open Geospatial Consortium(OGC)의 Sensor Web Enablement(SWE) 표준 프레임워크가 있으며 표준 데이터 서비스 인터페이스로 Sensor Observation Service(SOS), 데이터 포맷으로 SensorML과 Observation & Measurements(O&M)규격이 존재한다.

국가 환경 원격 감시체계

[그림 16] 국가 환경 원격 감시체계

 향후 환경정보 통합 감시시스템과 연결될 웨어러블 환경감지 단말센서 노드는 클라우드/빅데이터 서버와 연계되어 활용될 것이며 이를 위한 실시간 감시 정보의 종류, 규격, 이기종 장치 간 데이터 교환 규칙에 대한 논의가 진행되어 센서웹 API형태로 규격화 되어야 하며 이를 통해 기존의 풍부한 응용서비스와 융합되어 환경측정 데이터를 상호 공유하고 사람의 반응과 연계된 서비스의 개발이 폭발적으로 이루어 질 수 있을 것으로 보인다.

06 Wearable Smart device

웨어러블 에너지 하베스팅 기술

 웨어러블 에너지 하베스팅 기술은 인체의 움직임에서 발생하는 진동, 압력, 열, 마찰력 등의 에너지를 사용 가능한 전기 에너지로 변환시키는 기술로 스마트워치, 기능성 의복과 같은 웨어러블 전자 기기(Wearable electronics)의 주전원 혹은 보조전원으로 응용될 수 있다.

 에너지 하베스팅은 주변에 버려지는 열, 진동, 마찰력, 태양광 등을 사용 가능한 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 최근 전자기기가 모바일화, 초소형화, 저전력화 되면서 아주 적은 전력이라도 충전 없이 계속 공급할 수 있는 기술에 대한 수요가 증가함에 따라 웨어러블기기에 응용을 위한 에너지 하베스팅 기술이 국내 KIST, KAIST를 비롯하여 국외의 조지아 공대(Georgia Tech)와 같은 여러 연구 기관에서 활발히 연구개발되고 있다.

  배터리 기술의 발달에 따라 배터리 밀도는 꾸준히 증가하지만, 웨어러블 기기라는 특성상 배터리 공간의 제약으로 인해 일정 주기를 가지고 충전을 해야하는 문제점이 있다. 웨어러블 에너지 하베스팅 기술을 통해 버려지는 인체의 운동에너지를 지속적으로 전기에너지로 변환해 준다면, 충전이 필요 없는 웨어러블 기기의 구현이 가능 할 것으로 예상된다.

  웨어러블 에너지 하베스팅 기술은 스마트워치, 스마트안경과 같은 웨어러블 전자 기기들의 주전원 혹은 보조전원과 함께 심박조율기(Pacemaker), 여러 가지 생체 신호를 감지할 수 있는 기능성 의복과 같은 생체 삽입형 혹은 부착형 바이오메디컬 생체 모니터링 등에 의복착용형 혹은 악세서리형으로 적용가능하다([그림 17] 참조). 또한 진동 구조물의 상태 진단용 자가발전 무선 센서 노드로도 활용될 수 있다.

웨어러블 에너지 하베스팅 기술의 활용 사례

[그림 17] 웨어러블 에너지 하베스팅 기술의 활용 사례

 에너지 하베스팅 기술이 웨어러블 기기들에 적용되기 위해서는 하베스팅 소자도 마찬가지로 착용 혹은 웨어러블 기기내에 삽입이 가능해야 하기 때문에 최근 웨어러블 하베스팅 소자는 유연한(Flexible) 소재, 초박막형 구조, 나노와이어 구조의 압전 (Piezoelectric), 마찰전기(Triboelectric), 열전(Thermoelectric) 방식으로 연구개발이 진행 중이다.

  압전효과를 이용한 웨어러블 에너지 하베스팅으로는 최근 미국의 조지아 공대에 서 ZnO 나노와이어를 수직배열한 웨어러블 에너지 하베스팅 소자를 개발하여 경미한 피부의 움직임을 감지하는 센서와 모바일 기술에 응용한 사례가 있다. 또한 나노와이어를 수평나열하여 건강진단, 휴대용 기기에 적용하는 하베스팅 소자도 개발 중에 있다. 한국의 KIST와 KAIST에서는 초박막 압전재료와 유연한 기판을 사용하여 웨어러블 기기에 응용하는 연구를 진행하고 있다. 미국의 애리조나대학과 일리노이 대학은 심장박동에서 발생하는 진동을 전기에너지로 수집하는 유연 압전 에너지 하베스터를 개발하였다.

  마찰전기를 이용한 웨어러블 에너지 하베스팅 기술로는 미국의 조지아 공대에서 서로 다른 극의 전하를 가지는 유연한 재료를 이용하는 연구와 한국의 성균관대학에서 그래핀을 이용한 마찰전기 에너지 하베스터를 개발한 사례가 있다.

  체온을 이용한 열전 에너지 하베스팅으로는 KAIST에서 고효율의 유연 열전 소자를 제작하여 신체 어느 부위에나 부착함으로써 체온을 고효율의 전기에너지로 수확 하는 연구를 진행하고 있다. [그림 18]은 웨어러블 에너지 하베스팅 소자의 연구개발 사례를 보여준다.

웨어러블 에너지 하베스팅 소자의 연구개발 사례

[그림 18] 웨어러블 에너지 하베스팅 소자의 연구개발 사례

에너지 하베스팅 기술의 시장 전망

[그림 19] 에너지 하베스팅 기술의 시장 전망

 에너지 하베스팅 기술의 시장 규모는 2012년 6억5,000만 달러, 2022년에는 20억 5,000만 달러의 시장이 될 것으로 예상하고 있다([그림 19] 참조). 웨어러블 에너지 하베스팅 기술은 웨어러블 전자기기의 수요가 확대될 것으로 예측되는 가운데, 배터리의 사용 한계를 보완할 수 있는 신재생 에너지 기술이다. 또한 반도체 기술과 무선 센서노드 기술의 발전이 에너지 하베스팅 기술 영역 확장에 크게 기여하고 있다.

  웨어러블 기기용 에너지 하베스팅 기술은 다양한 에너지 수확 방식과 전기적 특성, 측정 방법으로 인해 표준화의 어려움이 예상되지만, 기술 및 소자에 대한 표준화가 이루어질 경우 기술의 활용범위와 시장규모가 크게 확대될 것이라 예상된다. 최근 IECTC47/WG7(에너지 변환 및 전달)에서 국제 표준화가 진행되고 있으며, 웨어러블 기기 시장이 성장함에 따라서 신규 SC구성을 통한 표준 주도권 확장이 필요할 것이다.[표 12]에서와 같이 에너지 하베스팅 소자의 표준화가 시급한 분야로는 특성 평가 항목, 측정 및 평가법, 신뢰성 평가 방법 등을 열거할 수 있다.

웨어러블 에너지 하베스팅 기술 표준화 추진분야

[표 12] 웨어러블 에너지 하베스팅 기술 표준화 추진분야

07 Wearable Smart device

웨어러블 디스플레이 기술

 웨어러블 디스플레이 시장은 2020년도를 전후로 플렉서블 및 스트레처블 디스플레이 채택률이 급증하면서 2023년까지 연평균 52.9%의 성장률을 유지할 것으로 보인다. 웨어러블 디스플레이 관련 표준화는 일부를 제외하고는 대부분 2010년 이후부터 추진되기 시작하였으며 IEC를 중심으로 우리나라가 주도하고 있는 양상을 보이고 있다.

 웨어러블 디스플레이란 우리가 몸에 착용할 수 있는 형태로 제작된 정보기기에 장착될 수 있는 디스플레이를 의미하며, 그 예로서 헤드마운트 디스플레이(HMD), 스마트 글라스, 또는 스마트 워치 등과 같이 신체에 착용하는 디스플레이, 신체에 부착하는 패치형 디스플레이, 또는 매우 유연한 구조를 가지고 의류에 부착하거나 직물 형태로 의류와 융합될 수 있는 E-textile디스플레이 등이 이에 포함된다.

웨어러블 디스플레이 제품분류

[표 13] 웨어러블 디스플레이 제품분류

 기존의 디스플레이 개념과 달리 웨어러블 디스플레이는 언제 어느 곳에서나 정보를 검색하고 얻을 수 있어야 한다는 유비쿼터스 개념에 부합되는 형태의 디스플레이로서 사용자들의 호응을 받을 수 있을 것으로 예상되며, 점차 음성/동작 인식 등 UI/UX 기술이 발전됨에 따라 웨어러블 디스플레이는 독립적인 차세대 정보단말로 진화할 가능성도 내재하고 있다.

웨어러블 디바이스 밸유체인

[그림 20] 웨어러블 디바이스 밸유체인

 더욱이 네트워크 통신과 모바일 기술의 발달로 모든 사물들이 인터넷으로 상호 연결되는 사물 인터넷(IoT) 시대의 도래에 맞추어 웨어러블 디스플레이는 사물들을 상호 연계 및 제어할 수 있는 중심 허브로서의 역할도 기대되며, 사물인터넷 기술과 상호 시너지 효과를 극대화함으로써 시장의 동반성장을 가져올 것으로 예상된다.

  웨어러블 디스플레이 시장은 2014년부터 2016년까지 90% 이상의 성장률을 나타낼 것으로 전망되며, 2020년도를 전후로 Flexible 및 Stretchable 디스플레이 채택률이 급증하면서 매출액 증가율이 2023년까지 연평균 52.9% 수준을 유지되고, 시장 규모 가 227억 달러 규모까지 성장할 것으로 전망되고 있다.

웨어러블 디스플레이 시장전망

[그림 21] 웨어러블 디스플레이 시장전망

 ‘플렉서블 디스플레이’에 대한 표준화는 IEC 디스플레이 기술위원회 TC 110에서 표준화가 진행되고 있으며 ‘플렉서블 디스플레이 용어 및 부호’에 대한 표준과 ‘기계적인 스트레스 시험방법’에 대한 표준이 2013년 말과 2014년 초에 각각 제정 공표된 바 있다. TC 110에서 제정 또는 제정중인 플렉서블 디스플레이 관련 표준의 다수를 우리나라가 제안하는 등 이 분야의 국제표준화를 우리나라가 주도하고 있다.

웨어러블 디스플레이어 관련 IEC / tC 110 표준 추진 현황

[표 14] 웨어러블 디스플레이어 관련 IEC / tC 110 표준 추진 현황

 웨어러블 디스플레이에는 소형이며 유연하면서도 가벼운 구조의 에너지 공급 시스템이 필수적으로 요구된다. 부피가 작고 무게가 가벼우면서도 장시간 전력을 제공 할 수 있는 배터리를 사용하거나 에너지를 외부에서 공급받는 무선전력전송기법이나 자가발전으로 전력을 충당하는 에너지하베스팅 기술을 적용함으로써 아예 배터리가 필요 없는 웨어러블 디스플레이도 연구 중이다.

  에너지하베스팅 기술의 경우에는 IEC 반도체소자 기술위원회 TC 47에서 우리나라 주도로 2014년에 처음 제안되어 현재 2015~2016년 표준 제정을 목표로 3건의 표준안이 추진되고 있다. 또한 패치형 웨어러블 디스플레이에 적용할 수 있는 ‘플렉서블 및 스트레처블 반도체 소자’에 대한 표준화도 역시 TC 47에서 2014년에 안건으로 채택되었으며 2017년 제정을 목표로 표준화가 진행되고 있다.

웨어러블 디스플레이 관련 IEC / tC 47 표준 추진 현황

[표 15] 웨어러블 디스플레이 관련 IEC / tC 47 표준 추진 현황

 웨어러블 디스플레이 관련 표준화는 극히 일부를 제외하고는 대부분 2010년 이후 부터 시작되고 있다. 웨어러블 디스플레이는 인체에 밀착되는 만큼 인체에 대한 유해성 검증과 함께 착용안전 가이드라인도 설정되어야 하고 특히 전자파 허용기준과 측정방법에 대한 표준도 요구된다. 장기간 착용에 따른 내구성을 검증할 수 있는 표준도 마련되어야 한다. 따라서 향후 급증이 예상되는 웨어러블 디스플레이 기반 세계 시장을 선점하고 해외 선진 기업과의 경쟁에서 우위를 차지하기 위해서는 지금부터 웨어러블 디스플레이 관련 규격, 제조공정 및 시험에 필요한 국제표준의 제정에 적극 참여하여야 할 것이다.

(좌로부터) 웨어러블 스마트폰, 스마트글래스, 삼성기어핏, 군사용 내비게이션

[그림 22] (좌로부터) 웨어러블 스마트폰, 스마트글래스, 삼성기어핏, 군사용 내비게이션

08 Wearable Smart device

고 에너지밀도 웨어러블 배터리 기술

 통신기술과 웨어러블 기기의 빠른 발전에 부합하기 위하여 새로운 배터리 기술과 이에 연관된 기술 표준화 개발이 필요하다. 이제 배터리는 단순히 에너지를 많이 저장하는 기능이 아닌 다양한 요구 조건에 부합하며 고도화 되어가는 IT 시대를 함께 열어갈 새로운 산업분야로 성장할 것이다.

 정보통신 기술(IT: Information Technology)과 정보처리 기기의 발달은 매우 다양한 형태의 정보교류 방식의 변화를 가져왔으며 사용자들은 더욱 빠르고 편리한 환경에 익숙해지고 있다. 최근 이러한 분야의 새로운 화두로 떠오르고 있는 것이 바로 웨어러블 디바이스이다.

  웨어러블 디바이스는 기존의 IT 기기에 비하여 휴대성 측면에서 인체에 더욱 밀착 된 형태로 변모할 것으로 예상된다. 예를 들어 사람이 기기를 휴대하는 형태에서 각종 헬스케어 제품들처럼 인체에 착용하거나 심지어 인체에 부착 또는 이식하는 형태까지 진화할 것이다.

  이러한 웨어러블 기기 역시 그 기능을 원활히 수행하기 위하여 반드시 필요한 것이 배터리이다. 특히, 배터리는 기기의 통신환경에 따른 사용시간을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 사용자는 웨어러블 기기의 정상적인 동작을 기본으로 사용시간을 최대한 연장하고자 하는 근본적인 욕구가 있다. 하지만 IT 기술의 발전속도에 비하여 배터리 기술의 발전속도는 이를 구성하는 소재, 부품 등의 특수성으로 인하여 상대적으로 늦은 것이 사실이다.

  비록 아직까지는 위 두 가지 기술이 어느 정도 균형을 이루며 서로 상생할 수 있는 산업적 환경을 구축하고 있으나 웨어러블 기기가 실생활에 깊숙이 파고들기에는 배터리 기술의 혁신적인 발전이 절실한 상황이다.

  우리는 이러한 상황에서 웨어러블 기기에 적합한 배터리 기술이 기존의 그것과 어떻게 다른지, 현재의 기술적 한계를 어떻게 극복하고 방향을 설정하여야 하는지를 충분히 이해할 필요가 있다. 이에, 본 고찰에서는 웨어러블 기기가 필요로 하는 배터리 기술의 특징과 해결해야 할 과제에 대하여 간략히 언급하고자 한다.

  우선, 이러한 변화가 근본적으로 어디서 비롯되었는지를 살펴본다. 이는 웨어러블 기기의 특수성 때문인데, 기존 IT 기기와 달리 웨어러블 기기가 인체와의 거리를 좁히기 위하여 크기가 작아지거나, 매우 얇은 형태가 되거나 또는 인체 부착, 더 나아가서 이식 수준으로 인체 적합성을 요구하고 있기 때문이다. 결국 웨어러블 기기용 배터리는 더욱 좁아지고 특수해진 공간에 정확히 장착될 수 있도록 그 형상이 바뀌어야 하고 상황에 따라서 쉽게 구부릴 수 있거나 극도로 얇게 제작되어 부착 또는 이식 된 상태에서 일상 생활에 불편함을 초래하지 않아야 한다.

  그러므로 배터리 개발자들은 기존의 정형화 되어있는 형태 즉, 원통형, 각형 등의 형상이 아닌 자유롭게 설계할 수 있는 소재, 부품 및 제조 기술을 개발하여야 하며 극한의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 또한 기존 배터리와 달리 그 성능을 검증할 수 있는 새로운 평가방법과 관련된 표준화 등을 통한 산업적 기반을 구축하는 것이 필수적인 요건이다.

  웨어러블 기기용 배터리 기술은 크게 다음의 세 가지 형태로 분류해볼 수 있으며 이들 간의 조합에 의한 복합적인 기능을 구현할 수도 있다.

1. 자유형태 배터리: 정형화 되어 있지 않은 다양한 형태의 3차원 또는 초소형 공간에 장착
2. 플렉시블 배터리: 쉽게 반복적으로 구부리거나 둥글게 말수 있음
3. 부착/이식형 배터리: 인체에 어떠한 부작용도 유발하지 않는 생체 친화형

 이러한 새로운 배터리 기술의 구현을 위하여 배터리 개발자들은 기존의 배터리 소재 및 부품에서 벗어나 신규 소재와 부품을 개발하여야 하며 제조공법도 함께 연구하여 혁신적인 변화를 이끌어 내야 한다.

다양한 웨어러블 기기

[그림 23] 다양한 웨어러블 기기

웨어러블 기기용 배터리 예시

[그림 24] 웨어러블 기기용 배터리 예시

또한 배터리 성능을 검증하고 규격화하여 산업의 표준으로 자리잡도록 하기 위해서 배터리 개발자들은 새로운 평가 방법에 대한 개발도 동시에 수행하여야 한다.[표 16]에 이러한 표준화 필요 항목에 대하여 간략히 나열하였다. 이 항목들은 향후 웨어러블 기기의 확장 및 사용환경 변화에 따라 더욱 세분화하고 구체화할 필요가 있다.

  웨어러블 기기용 배터리 기술은 전통적인 배터리 산업에서 항상 이슈가 되어왔던 것처럼 더 많은 용량을 확보하고 더 많은 에너지를 담을 수 있도록 발전해 갈 것이다.

웨어러블 기기용 배터리 표준화 필요 항목

[표 16] 웨어러블 기기용 배터리 표준화 필요 항목

 그러나 현재의 방식처럼 유선상으로 전기적 충전을 통하여 에너지를 저장하는 방식 만으로는 무한히 에너지를 증가시키는 데에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결 할 수 있는 방법 중 하나가 무선 충전 기술이다. 현재는 일부 제한된 기기에 시험적으로 시도되고 있으나 향후 이 기술은 웨어러블 기기의 본격적인 파급에 매우 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 또 다른 방법으로 생각해 볼 수 있는 것은 급속 충전 기술이다. 현재 충전에 필요한 시간보다 훨씬 빠르게 에너지를 다시 담을 수 있고 일상 중에 쉽게 빠르게 충전할 곳을 찾을 수 있다면 배터리에 담을 수 있는 에너지 한계에 의한 사용상의 제약에서 벗어날 수 있다.

  이제 배터리 기술은 본격적으로 IT 기술과 손을 잡고, 기기가 요구하는 보다 다양한 형태와 성능에 부합해가며 미래를 이끌 정보통신 산업의 한 축으로 다시 자리매김해 나가야 한다. 이러한 새로운 발전의 패러다임의 기반은 배터리 분야의 기업과 학교, 정부기관 등 관련 주체들 간의 긴밀한 협조 하에 가능할 것이며, 특히 산업의 원활한 확산을 위하여 다양한 항목의 표준화 작업이 반드시 추진되어야 할 것이다.

09 Wearable Smart device

웨어러블 UI/UX 기술

 웨어러블 기술은 하나의 디바이스를 중심으로 앱과 서비스를 제공하던 것에서, 다양한 웨어러블 디바이스의 입력을 융합하여 더 나은 서비스를 제공하는 웨어러블 2.0 시대로 이동하고 있다. 웨어러블 UI/UX 기술은 다수의 입출력 장치 및 센서에 기반한 웨어러블 멀티모달 사용자 인터페이스 기술과 웨어러블 상황인지 기술이 중요한 분야로 대두되고 있다.

 웨어러블 UI/UX기술은 웨어러블 디바이스를 항상 쉽고 편하게 사용할 수 있게 하는 사용자 인터페이스 기술과 사용성과 착용감을 고려한 디자인 기술, 서비스 기술을 포함한다. 웨어러블 디바이스는 형태와 사용 위치에 따라 제공되는 기능과 데이터, UI/UX 기술이 달라진다. 액세서리 형태의 디바이스에서는 주로 음성, 제스처 입력과 디스플레이가 주된 사용자 인터페이스라면 직물일체형, 신체부착형, 생체이식형 디바이스에서는 심박, 심전도 등 생체정보가 중요한 데이터로 제공된다. 신발에서는 몸의 밸런스, 움직임량, 위치정보 등의 정보를, 모자에서는 머리부 충격, 온도, 뇌파 감지 등의 정보를 제공한다. 이런 다수의 정보로부터 위치기반 서비스, 헬스 서비스 등을 지원하기 위해서는 머리에서 발끝까지 다양한 디바이스로부터 생성되는 데이터를 쉽고 편하게 연동할 수 있어야 한다.

웨어러블 디바이스의 발전방향

[그림 25] 웨어러블 디바이스의 발전방향

 웨어러블 디바이스는 개선된 배터리, 더 나은 착용감과 디자인 등도 중요하지만, 무엇보다 어떤 가치를 전달할 수 있는가가 성공적인 시장 안착을 위해 중요하다. 컴퓨팅 능력이 없는 기존의 일상 디바이스에 IT기술을 접목하여 해당 디바이스의 고유 기능은 유지하되, 기존에는 가능하지 않았던 새로운 가치를 제공해야 한다. 음성인식 기술과 제스처 인식 기술 등 각각의 싱글모달에 의존하던 UI 기술은, 다양한 입력과 센서 정보들로부터 사용자의 의도를 파악하고, 상황인지에 기반하여 적절한 방법으로 정보를 제공하는 웨어러블 2.0 시대를 맞아 웨어러블 멀티모달 사용자 인터페이스 기술과 웨어러블 상황인지 기술이 중요한 기술로 부상할 것으로 예상된다.

  웨어러블 제품은 이제 시장을 형성하는 초기 단계로서 다양한 제품이 출시되면서 발전하고 있다. 시장 전망기관마다 시장 전망에 대한 예측치가 큰 차이를 보이고 있지만, 공통적으로 잠재 성장 가능성이 매우 높은 것으로 보고 있다.

웨어러블 제품 선적 수량 시나리오별 예측

[그림 26] 웨어러블 제품 선적 수량 시나리오별 예측

 웨어러블 디바이스는 아직 주도적인 국제표준이 없어 각 제조사가 만든 제품간 호환성이 떨어진다. 향후 웨어러블 UI/UX 기술의 중요성은 IoT 인프라와 연동하여 그 중요성이 더 커질 것으로 예상된다. 인텔, 브로드컴, 삼성, 델, Atmel, 윈드리버 등이 설립한 IoT표준화 단체 OIC(Open Interconnect Consortium)에서는 디바이스 간의 상호접속을 확립하는 커넥티비티의 요구조건을 규정하고 있어, 이와는 차별된 웨어러 블 디바이스의 특성을 고려한 기술을 중심으로 표준화를 주도하는 것이 바람직하다.

웨어러블 UI/UX 기술 표준화 추진분야

[표 17] 웨어러블 UI/UX 기술 표준화 추진분야

10 Wearable Smart device

유연 및 신축 전자소자 집적화 기술

 유연 및 신축 전자소자 집적화 기술은 웨어러블 기기를 구성하고 있는 반도체, 디스플레이, 배터리, 전기전자 소자 등을 초소형화, 집적화하고, 동시에 사용하기에 편리하도록 웨어러블 기기를 유연성 및 신축성 있게 만드는 기술이다.

 웨어러블 디바이스는 기존의 소형가전들을 좀 더 인간의 생활에 밀접하게, 쉽게 사용가능하도록 더 작게, 더 휴대가 간편한, 하지만 기존의 장치들과 유사한 기능을 하도록 만들어진 제품이라고 볼 수 있다. 기술 발전에 따라 웨어러블 디바이스는 기존 ‘액세서리형’에서 향후 인체에 부착하는 ‘신체부착형’, 직물과 일체화된 ‘의류일 체형’ , 생체 친화적 회로를 활용한 ‘생체이식형’ 등 다양한 형태로 발전할 것으로 예상된다. 이러한 기술의 진화에서 가장 핵심적인 기술이 유연 및 신축 전자소자 집적화 기술이다.

  웨어러블 디바이스를 구현하기 위해서는 반도체, 디스플레이, 배터리, 전기전자 소자의 개발도 중요하지만, 이러한 소자들을 집적화하여 패키지하는 기술이 필요하다. 또한 이러한 패키지는 자유자재로 구부리거나 늘릴 수 있는 유연 신축성(Flexible and Stretchable) 특성을 지녀야 한다. 유연 신축성 전자소자를 구연하기 위한 방법은 크게 3가지가 있다. 첫째는 소자들을 유연신축성 인터커넥션(Interconnection)으로 연결하는 방법, 둘째는 디바이스 전체를 유연신축성 있게 만드는 방법, 셋째는 유연 신축성 섬유 자체에 기능을 부가하여 소자화하거나, 직물에 일체화된 시스템을 활용하는 방법이다. 이러한 기술적 요구사항을 해결하기 위하여 새로운 유연하고 신축성 이 있는 인터커넥션 기술, 패키지 기술 및 소자의 집적화 기술이 필요하다.

유연신축성 인터커넥션

[그림 27] 유연신축성 인터커넥션

유연신축성 LE

[그림 28] 유연신축성 LE

섬유를 이용한 e-textile 웨어러블 기술

[그림 29] 섬유를 이용한 e-textile 웨어러블 기술

 웨어러블 디바이스에 활용하기 위하여 초소형 전자 부품의 개발도 활발히 이루어 지고 있다. 최근 일본 TDK에서는 웨어러블 기기에 적합한 세계최소형(4.6mm×5.6mm×1mm) 무선통신 모듈의 양산을 시작하였다. IMEC에서는 UTCP(Ultra- Thin Chip Packaging)를 이용하여 유연신축성 패키지를 개발하여 기존의 소자에 유연성을 부가하여 웨어러블 디바이스에 활용하고자 하였다. 유연신축성 섬유 자체에 기능을 부가하여 소자화하는 기술은 E-textile기술로서 전도성이 있는 소자 즉 CNT, 전도성 섬유, 광파이버, 그래핀 등을 사용하거나 Knit, Yarn등의 섬유직물을 사용한 기술이 있다. 국내에서는 섬유 IT-융합지원센터, 부산대학교 광전자섬유 융합연구 단에서 섬유의 기본 구성 요소인 파이버(Fiber)에 광전자 소자로서의 기능을 부여하고, 이에 필요한 신규 소재 개발, 공정 개발, 소자화 기술 개발 및 직조를 통한 시스템 집적화를 구축하고 있으며, Fiber OLED를 개발하여 향후 섬유형태로 이루어진 웨어러블 전자소자나 디스플레이, 조명, 에너지소자 등을 구현하는데 적용될 예정이다.

유연 및 신축 전자소자 집적화 기술 표준화 추진분야

[표 18] 유연 및 신축 전자소자 집적화 기술 표준화 추진분야