몸에 장착해 이용하는 컴퓨터기기인 웨어러블(Wearable) 스마트기기 시장은 스마트워치 등 손목시계 형태와 팔찌, 안경 형태를 취하고 있는 기기들이 높은 성장세를 나타내고 있다.
컴퓨터의 소형화 및 경량화, 스마트폰 보급을 통한 모바일 인터넷 환경의 확산, 음성 및 이미지 인식기술과 센서의 발전에 따른 것으로 앞으로도 시장규모가 더욱 확대될 것으로 기대된다.
최근에는 옷에 센서를 부착해 생체정보를 측정할 수 있는 스마트웨어가 주목받고 있다.
손목시계형 등 바디센서 타입은 PC, 휴대폰, 스포츠용품 생산기업, 벤처기업의 진출로 시장이 성숙화되는 반면 스마트웨어는 시장이 빠르게 확산되며 전체 시장 성장을 견인할 것으로 예측되고 있다.
그러나 사용을 위해 반드시 손목에 착용해야 할 뿐만 아니라 매일 운동을 하고 있는 사람이 운동능력을 관리하기 위한 목적으로 사용할 때가 많아 예상했던 만큼 널리 확산되지 못하고 있다.
반면, 스마트웨어는 맥박, 심박수 외에 심전도도 측정할 수 있고 많은 사람들이 건강관리용으로 이용하거나 노인요양, 의료용 시장에서 생체정보를 취득할 때 도움이 되는 등 적용범위가 넓어지고 있다.
Toyobo, 3개 기술 융합해 Cocomi 개발
Toyobo는 필름·기능수지, 산업소재, 헬스케어, 섬유·상사 등 4개 사업부의 보유기술을 서로 조합하거나 융합시킴으로써 환경·헬스케어·고기능 분야의 니즈에 대응한 신제품을 개발하고 있다.
2015년에는 쾌적성 공학센터가 쾌적함을 수치화해 평가하는 연구를 추진하는 과정에서 3가지 기술을 융합해 스마트웨어에 적합한 필름형 기능성 소재 「Cocomi」를 개발했다.
문부과학성 과학기술진흥기구가 추진하고 있는 혁신적 이노베이션 창출 프로그램(COI Stream)에서 스포츠를 통한 건강수명 연장 프로그램의 중심거점을 맡고 있는 Ritsumeikan대학 측이 스포츠 퍼포먼스 향상과 고령자의 컨디션을 관리하는 생체정보 센싱웨어 개발에 Toyobo의 심리 및 생리 계측기술을 활용하는 것을 희망해 개발한 것으로 알려졌다.
다만, Toyobo는 생체정보 센싱웨어에 필요한 금속, 카본(Carbon), 코팅한 상태의 도전성 섬유 등을 보유하고 있지 않아 화성품 사업부가 투명 터치패널과 멤브레인 스위치 등 전자소재 분야에서 용도를 모색하고 있던 도전성 페이스트에 필름·수지 기술과 의류섬유 기술, 쾌적함 평가기술 등을 조합해 실현시킨 것으로 파악되고 있다.
센서의 전극과 배선 일체화…
Cocomi는 절연시트, 스트레처블(Stretchable) 도전성 페이스트를 사용한 배선, 전극으로 구성된 두께 0.3mm의 얇은 필름형 기능성 소재이다.
스트레처블 도전성 페이스트는 Toyobo가 공중합 폴리에스터(Polyester) 「Vyron」을 통해 축적한 고분자 합성기술과 수지 설계기술, 포뮬레이션 기술 등을 활용해 제조한 것이다.
Vyron은 투명 터치패널, 멤브레인 스위치 등 전자소재 분야에서 사용되고 있으며 플렉서블(Flexible) 회로용 잉크용으로 개발한 스트레처블 도전성 그레이드를 Cocomi에 적용했다.
스트레처블 도전성 페이스트로 제작한 배선은 신축성이 우수하며 비저항계가 100μΩ·Cm로 카본으로 제작한 도전성 페이스트에 비해 저항치가 낮았다.
스마트웨어에 사용되는 센서는 유연성을 부여하기 위해 엣칭과 스크린 인쇄를 사용해 회로를 말발굽 형태로 배선하고 있고 CNT(Carbon Nano Tube), 도전성 고분자, 금속도금 섬유 등도 활용하고 있다.
하지만, 도전성이 부족할 뿐만 아니라 복잡한 배선 형태를 구성하는 것이 어렵고 신축성이 떨어지기 때문에 일반적으로는 배선과 전극을 따로 제조하고 있다.
그러나 Cocomi는 전극과 배선을 일체화할 수 있어 기판 등을 박막화할 수 있다는 메리트가 있다.
또 전극을 적셔 사용해야 하는 일반적인 방식과 달리 저항이 낮기 때문에 드라이 전극으로도 사용이 가능하다는 것이 특징이다.
스마트웨어는 전극과 피부가 접촉해야 기능을 발휘하며 피부는 인체의 움직임에 따라 늘어나기 때문에 전극과 배선도 피부의 신축 상태에 따라 변형할 것이 요구되고 있다.
스트레처블 도전성 페이스트를 사용한 배선은 2배 이상으로 늘려도 단선되지 않고 전기를 흘려보낼 수 있으며 피부의 최대 신축률인 1.7배 이상으로 늘릴 수 있어 신축성 문제를 해결할 것으로 기대되고 있다.
감각계측으로 생체정보 정밀도 향상
Toyobo는 Cocomi를 개발할 때 형태 뿐만 아니라 독자적인 감각 계측기술 등을 적용함으로써 소프트웨어 면에서도 기능성을 높이는데 주력했다.
감각 계측기술은 명확하지 않은 언어로 표현되던 감각을 측정기기를 통해 수치화하는 독창적인 기술이며 현재 팬티스타킹 등의 개발 분야에 적용되고 있다.
감각 계측은 옷을 착용했을 때 인체에 가해지는 압력인 의복압을 중시하고 있다.
그동안 일반적인 의복압 실측실험에서는 옷과 인체가 닿은 부분만을 계측해왔으나 정확히 인체의 어느 부분이, 어느 만큼의 범위가 옷과 닿은 상태인지 파악하기 위해 수치를 계산해 의복압을 계측하는 시뮬레이션 기술을 개발했다.
의복압을 예측하기 위한 기술로 압력이 가해진 개별부위를 추려내 해당부위가 옷과 접촉한 상태라고 판단하고 있다.
생체정보는 심전도, 호흡수, 피부온도, 발한, 혈압 등을 가리키며 심전도를 통해 추가로 얻을 수 있는 다양한 생리 및 심리정보도 포함하고 있다.
다만, 심전도는 심장 근처 좌우에 전극을 부착해 전위차를 계측하는 방법이 일반적이기 때문에 피부에 전극을 접촉시켜야 한다는 제약이 있다.
심전도 계측을 위한 스마트웨어는 사이즈가 조금만 커도 전극과 피부가 멀어져 계측이 어려워지기 때문에 밀착도가 높은 사이즈를 선호하고 있다.
하지만, 아무리 잘 맞는 사이즈라도 신체적 특징이나 움직임에 따라 피부와 간격이 벌어질 수 있기 때문에 의복압 시뮬레이션 기술을 활용해 어떠한 동작을 취해도 의복압이 가해지는 부위를 추려냈다.
이에 따라 겨드랑이 아래 부분이 항상 옷과 접촉한 상태라는 결과를 얻어냈으며 전극을 최적의 위치에 배치해 심전도를 계측하도록 했다.
Cocomi를 응용한 스마트 센싱웨어는 센서 자체가 매우 얇고 전극과 배선의 접속부에 단차가 생기지 않아 신축성이 우수하기 때문에 일반적인 의복과 유사한 자연스러운 착용감을 느낄 수 있다.
또 도전성 섬유를 사용한 센서에 비해 전극 및 배선의 형태와 배치의 제한이 없으며 열압착으로 편리하게 부착할 수 있다.
의복의 디자인 자유도가 높으며 감각 계측기술을 이용함으로써 정밀도가 높은 생체정보를 얻을 수 있는 것으로 알려졌다.
건강관리 이외 영역에서도 활용 기대
웨어러블 스마트 기기는 시장 확대를 위해 취득한 생체정보를 건강관리 외의 용도로 활용하는 출구전략이 중요해지고 있다.
Cocomi를 사용한 스마트 센싱웨어는 졸음운전을 방지하는 시스템에 사용이 기대되고 있다.
심전도를 통해 심박수 뿐만 아니라 R파와 다음 R파까지의 시간인 RR간격을 정확하게 계측할 수 있다면 고속프리에변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 통해 자율신경계의 활동을 파악할 수 있기 때문이다.
HF(High Frequency)와 LF(Low Frequency)로 분류하고 HF는 부교감신경계 활동을, LF/HF와 LF/(LF+HF)는 교감신경계의 활동을 나타내기 때문에 심리상태 분석에 도움이 될 것으로 예상되고 있다.
Toyobo는 각성감, 피로도 등을 심전도와 뇌파로 표시하는 심리 및 생리맵을 개발했으며 RR간격을 통해 긴장 상태와 릴랙스 상태의 피로도를 표시하고 있다.
심리 및 생리맵은 RR간격이 확대되는 상태를 릴랙스 상태라고 판단하며 반대로 RR간격이 좁아지면 심박수가 빨라진 것이기 때문에 긴장 상태라고 추정하고 있다.
또 뇌파 중 알파파가 눈을 뜨고 있을 때 나타나면 졸음을 느끼고 있는 것이고 알파파가 나오지 않으면 활성 상태라고 판단하고 있다.
자동차를 운전할 때에도 RR간격이 일정횟수 이상 연속으로 상승하거나 변화폭이 기준치 이상으로 나타나면 졸음을 느끼고 있다고 판단하기 때문에 졸음운전 방지에 응용이 가능할 것으로 기대된다.
현재 Union Tool이 무선 소형 심박센서를 사용해 RR간격을 통해 졸음의 알고리즘을 밝혀내는 상품을 개발하고 있다.
심박센서는 피부에 직접 부착할 수 있으나 장시간 부착하면 땀이 나거나 가려워지고 피부 트러블이 발생할 수 있기 때문에 의류에 Cocomi와 휴대형 심전계를 부착해 심전도를 계측하는 방식을 주목하고 있다.
릴랙스 상태를 실시간으로 계측하면 멘탈 트레이닝에도 활용할 수 있다.
스마트 센싱웨어로 심전도를 계측해 체육 등 훈련에 응용하는 방안도 검토되고 있다.
Toyobo는 2017년 생체정보 계측웨어 시장에 진출할 계획이며 인간 외의 생체정보 계측 용도를 개척하기 위해 동물의 심박수 측정 용도를 주목하고 있다.
Cocomi는 인터넷을 활용하는 동물과의 커뮤니케이션 도구를 개발한 Anicall의 경주마 훈련 지원 시스템 「Horsecall」의 심박수 측정용 복대커버에도 사용되고 있다.
Horsecall은 경주마를 훈련시킬 때 속도, 심박수, 시간 등을 실시간으로 계측·모니터링하는 시스템이며 Cocomi의 신축성을 활용한 전극패드를 복대커버에 부착함으로써 시속 70km 주행 상황에서도 심박수를 측정할 수 있게 됐다.
Horsecall은 말의 심폐부하와 트레이닝 효과, 훈련 중 피로상태 등을 가시화하는 훈련 지원 시스템으로 2016년 7월1일부터 샘플 판매를 시작했다.
웨어러블 스마트 기기 시장에서는 일반 소비자가 사용하는 민생용 외에 공장, 물류현장의 작업을 지원하는 업무용 등 산업용 시장도 확대되고 있다.
산업용은 사용목적이 명확하기 때문에 신제품을 개발하기 쉽고 차별화가 용이해 생산기업들이 사업의 주축을 민생용에서 산업용으로 옮기며 시장이 급성장하고 있다.
Toyobo는 문부과학성 과학기술진흥기구의 프로젝트를 통해 Ritsumeikan대학과 공동으로 스마트 센싱웨어를 활용해 건설현장 근로자의 생체정보를 측정하고 있다.
근로자의 건강관리에 도움이 되고 있으며 장기적으로는 가속도 센서 등을 사용해 인체의 움직임을 파악하고 GPS를 통해 소재지를 파악한다면 작업을 효율화하는데 일조할 것으로 기대하고 있다.
스마트웨어 시장이 큰 성장을 기대하고 있는 것은 의료 분야이다.
스마트웨어 소재 개발기업들이 주요 타깃으로 설정하고 있으며 IT기업과의 연계 등을 통해 용도 개척이 이루어지고 있다.
Toyobo는 그룹 계열기업 가운데 상사 기능을 보유한 ToyoboSTC의 의료 관련 사업부와 연계해 의료용 시장을 개척하고 있으며 기존의 의료기기 판매 루트를 활용해 Cocomi를 제안하는 방안을 고려하고 있다.
세탁기능 향상과 정보 발굴 확대로…
스마트웨어는 스포츠, 헬스케어, 산업용을 중심으로 시장이 성장하고 있으며 계측대상도 인간에서 동물으로 확대되는 등 광범위한 활용이 주목되고 있으나 지속가능성을 높이기 위해 해결해야 할 과제가 많다.
스마트웨어는 손목시계형, 안경형 등의 웨어러블 스마트 기기와 달리 사람이 직접 착용하는 상품이기 때문에 세탁이 편리해야 하며 전극 및 배선이 부착된 상태로도 일반적인 의류와 동등한 수준으로 세탁내구성을 높이는 기술을 개발하는 것이 시급한 것으로 파악되고 있다.
또 텍스타일 기술과 전자기술, 생체계측기술 등 다양한 기술을 조합한 완벽하게 새로운 영역의 혁신제품이기 때문에 기존의 기준으로 판단하기 어려운 부분이 많아 성능과 계측방법 등의 표준화가 중요한 과제로 떠오르고 있다.
나아가 착용자가 오랜 시간 스마트웨어를 애용할 수 있도록 정보를 다양화 및 고도화하는 작업도 필요한 것으로 판단된다.
심박수만 제공하는 것만으로는 기존의 웨어러블 스마트 기기와 크게 다르지 않아 금세 질릴 수 있기 때문이다.
이에 따라 유용한 정보를 발굴해 착용자의 잠재적 니즈를 이끌어내는 것이 중요한 것으로 판단되고 있다.
<강윤화 기자: kyh@chemlocus.com>
