촉각 기능 지원 제품 설계 실습

디지털 도구와 서비스를 활용하는 장치의 인기와 활용도가 증가함에 따라, 더 많은 제품 설계자들이 사용자의 참여를 높이고 몰입감 있는 경험을 제공하는 촉각 기술을 통합하고자 합니다. 터치 기반 감지를 통해 디지털 인터페이스가 혁신되면, 촉각적 상호 작용이 추가되므로 시각 경험과 청각 경험이 보완되거나 그 이상이 달성될 수 있습니다. 촉각 기능을 활용하고자 하는 설계자는 즉시 사용 가능한 부품을 활용하여 새로운 사용 사례와 비즈니스 기회를 모색할 수 있습니다.

촉각 기술은 이미 스마트폰부터 자동차, POS 기기, ATM에 이르기까지 많은 사람들이 사용하는 소비자 가전 제품에서 활용되고 있습니다. 또한 의료용 장치 및 수술 도구, 산업 및 제조 기계, 건물 자동화 응용 분야에서도 사용되고 있습니다.

촉각 기술의 기원은 1880년 Pierre와 Jacques Curie가 기계적 힘을 가하여 작은 전하를 생성하는 일부 물질의 압전 효과를 입증한 때로 거슬러 올라갑니다. 역 압전 효과는 전압이 가해지면 물질의 물리적 움직임을 발생시키는 것으로, 초기 초음파 잠수함 감지 및 공중 무선 시스템을 개발하는 데 활용되었습니다. 이러한 원리는 소형 스피커, 마이크, 심지어 음악이 나오는 기프트카드에서도 일반적으로 사용되는 액추에이터와 트랜스듀서의 핵심 원리와도 동일합니다.

촉각 기능을 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 및 사물 인터넷(IoT)과 결합하면, 기존 장치에 대한 사용자 참여를 크게 개선하고 새로운 응용 제품을 위한 기반을 마련할 수 있습니다. 압전 촉각 액추에이터는 자연스럽고 매력적인 반응성을 제공하는 진동을 통해 가상 상호작용에 사실적인 터치를 더하는데, 게임 경험을 시뮬레이션(레이싱부터 무기 발사까지)하는 것을 그 예로 들 수 있습니다.

촉각 기술은 중요한 경고를 인식하는 데 시각이나 청각을 사용할 수 없게 하는 요인들을 극복하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어 의료 환경에서 촉각 기술은 의료진이 여러 정보에 더 쉽게 반응할 수 있도록 도와주며, 이는 1초가 생명을 좌우할 수 있는 상황에서 환자의 생명을 구하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다.

미래를 느끼다 - 응용 제품 및 사용 사례

촉각 기술의 잠재력을 제한하는 것은 제품 설계자의 관점일 뿐입니다. AR과 VR의 인기가 높아지고 인공지능(AI)과 머신러닝(ML)이 계속 발전함에 따라, 촉각 기술은 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 점점 더 몰입도 높은 디지털 경험을 제공하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

• 의료 분야에서는 이미 촉각이 로봇 보조 수술과 외과적인 치과 시술에서 중요한 역할을 하기 시작했으며, 의사가 수년간의 실습을 통해 얻을 수 있는 촉각 경험을 재현하는 데 도움을 주고 있습니다. 촉각 기술을 VR과 결합하면, 메스를 다루는 것부터 심장을 뛰도록 하는 것까지 직접 체험의 방식으로 실제 절차를 시뮬레이션하여 의료 기술 학습을 발전시킬 수 있습니다. 촉각 기술은 몸을 쇠약하게 만드는 부상을 입은 환자의 재활을 개선할 수 있는데, 뇌졸중 환자가 중요한 운동 기술을 다시 배울 수 있도록 돕고, 절상 환자에게는 기계 보철의 한계를 극복할 수 있는 능력을 제공합니다.
• 자동차 사용 사례에서는 이미 촉각 기술이 자동차 운전자가 차선을 이탈하거나 핸들을 제대로 잡지 못했을 때 촉각 경고를 제공하고 있습니다. 스마트워치와 내비게이션 시스템을 통합하면 다가오는 회전 지점을 운전자에게 미리 알려주므로, 운전자가 차내 화면의 지도로 시선을 옮길 필요가 줄어듭니다.
• 산업 및 제조 분야에서는 중장비 작업자나 생산 라인 작업자가 버튼이나 화면을 주시해야 하기 때문에 주의가 산만해지기 쉽습니다. 촉각 기술을 사용하면, 시선을 돌리지 않고도 올바른 선택을 했는지 확인하면서 앞이나 뒤에 있는 작업에 집중할 수 있습니다. 촉각 기술을 장갑과 옷에 통합하면, 기계를 원격으로 정밀하게 제어하고 선별 작업을 정확하게 수행하며 잠재적으로 위험한 환경에서 피드백이나 경고를 제공할 수 있습니다.
• 소매업 및 금융 서비스에서는 고객이 카드와 모바일 장치를 사용하여 상호작용을 확인하는 등 일상적으로 POS 기기와 ATM을 접하는 과정에서 촉각 기술을 경험하고 있습니다. 촉각 기술과 AR/VR을 결합하면, 소비자가 실제 매장에서 기대하는 바을 가상으로 재현할 수 있는 풍부한 온라인 쇼핑 경험을 제공할 수 있는 잠재력이 제공됩니다.
• 소비자 가전에서는 이미 촉각 기술의 효과가 입증되었습니다. 최초의 촉각 스마트폰은 2000년 소비자 가전 전시회에서 소개되었으며, 원래 이 기술은 가상 키보드로 입력하고 화면 아이콘을 누를 때의 사용자 경험을 향상시키도록 Android 및 Apple 스마트폰에 빠르게 채택되었습니다. 하지만 촉각 기술은 1990년대에 이미 비디오 게이머의 경험을 풍부하게 해 줌으로써 일찍이 성공을 거두었으며, 운전 및 슈팅 게임 등에서 촉각 피드백을 제공하는 컨트롤러 및 부속품(예: 스티어링 요크)이 등장했습니다. 피트니스 트래커부터 AR/VR 헤드셋과 안경에 이르기까지 소비자 가전 장치 및 디지털 서비스가 계속 진화함에 따라, 제품 설계자들은 디지털 세계를 물리적 세계만큼이나 실감나게 만드는 새로운 기능을 개발하기 위해 경쟁하고 있습니다.

성공을 위한 부품: 모든 요구 사항을 충족하는 옵션

제품 설계자는 즉시 사용 가능한 부품 포트폴리오를 사용하여 고유한 사양 및 응용 제품 요구 사항에 맞는 촉각 기능 지원 인터페이스를 생성할 수 있습니다.

첫 번째 단계는 사용 가능한 기술과 설계 요구 사항 간의 차이점을 이해하는 것입니다. 전기 기계 부품은 촉각 반응을 전달하는 가장 일반적인 기술입니다. 일반적으로 다음과 같은 주요 카테고리로 분류됩니다.

• 편심 회전 질량체(ERM)) 액추에이터는 DC 모터에 부착된 축외 회전 질량을 활용하여 저주파의 '럼블' 감각을 전달할 수 있는 진동을 생성합니다(그림 1). 액추에이터는 장치의 구동 전압과 직접적으로 상관관계가 있는 주파수로 진동합니다. 회전 모터는 전압이 가해질 때 원하는 속도에 도달하고 또한 정지하기까지의 시간이 짧으므로, 눈에 띄는 진동 효과는 필요하지만 정밀한 진동 패턴이 반드시 필요하지는 않은 응용 제품에 가장 적합합니다. PUI Audio는 3.4mm x 4.4mm x 11mm 크기의 소형 패키지로 강력한 촉각 피드백을 제공하는 표면 실장 HD-EMB1104-SM-2를 비롯한 여러 가지 ERM 액추에이터를 제공합니다. 의료, 자동차 또는 산업 분야, 소비자 가전 또는 휴대용 장치 또는 보안 장치에 적합합니다. 또 다른 옵션으로는 브러시형 액추에이터보다 속도와 토크 제어가 향상되고 수명이 긴 HD-EM0602-LW15-R 브러시리스 DC ERM이 있습니다.

그림 1: ERM 액추에이터 분해도 이미지 (출처: PUI Audio)

• 선형 공진형 액추에이터(LRA) 부품(그림 2)은 AC 구동식이며 한 축을 따라 두 방향으로 진동을 발생시켜 고해상도, 반응형 진동 패턴으로 사용자에게 정보를 전달할 수 있습니다. LRA는 장치에 적용된 신호의 주파수와 전압으로 코일이 활성화될 때 질량을 선형 방향으로 이동시켜 진동을 생성하며, 진동 강도와 주파수를 독립적으로 제어할 수 있습니다. ERM과 달리 LRA가 장착된 장치를 사용하면, 코일이 활성화되고 질량체가 위아래로 움직이는 즉시 사용자가 진동을 느낄 수 있습니다. 이 기술은 코일이 파형에 의해 활성화되어 자석과 진동판이 움직이며 음파를 발생시키는 기존의 스피커와 관련이 있습니다. PUI Audio의 HD-LA1307-SM은 가상 현실 환경, 게임 콘솔, 의료 시뮬레이터, 핸드헬드 장치, 소비자 가전 및 산업용 제어 인터페이스와 같은 다양한 최종 응용 제품에 원활하게 통합할 수 있는 방수, IP 등급, 표면 실장형 LRA입니다.

그림 2: LRA의 분해도 이미지 (출처: PUI Audio)

• 보이스 코일 액추에이터(VCA)라고도 하는 보이스 코일 모터(VCM)(그림 3)는 LRA와 동일한 보이스 코일 기술을 사용하지만 스피커와 훨씬 더 유사합니다. 질량체는 LRA와 같이 선형적으로 움직이지만, 크기와 질량이 증가하여 LRA로 재현할 수 있는 것보다 더 실질적이고 사실적인 진동 효과를 만들어 냅니다. PUI Audio의 HD-VA2527 원통형 VCM은 유연하고 복합적인 진동 효과를 제공합니다.

그림 3: VCA 분해도 이미지. (출처: PUI Audio)

• 피에조 벤더 또는 버저라고도 하는 압전 촉각 부품은 역 압전 효과를 기반으로 하며, 전압이 가해지면 구부러지고 수축하여 소리와 진동을 생성하는 활성 압전 재료의 평평한 층으로 구성되어 있습니다. 또한 PUI Audio의 HD-PAB1501과 같은 디스크와 HD-PAS2507과 같은 스트립으로 제공됩니다. 피에조 벤더는 심장 박동 소리와 같은 보다 복잡하고 세밀한 신호를 전달하여 전례 없는 사실감을 전달할 수 있습니다. 이러한 부품은 더 높은 변위 정밀도, 더 빠른 응답 속도, 더 큰 생성력, 더 긴 수명을 제공합니다. ERM 및 LRA보다 더 높은 전압이 필요하지만, 설계자는 '벤더 구동기' 집적 회로를 활용하여 저전압 소스의 전압 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

결론

제품 설계자는 다양한 부품 포트폴리오를 활용하여 장치에 촉각 기능을 통합할 수 있습니다. 설계자는 설계에 적합한 진동 유형은 물론 설계 사양, 최종 사용자 요구 사항 및 특정 응용 제품을 충족하는 데 있어 각 액추에이터의 장점과 한계를 평가해야 합니다. 올바른 설계를 선택하면, 새로운 촉각 지원 제품을 생산하여 새로운 비즈니스 기회를 창출할 수 있습니다.