웨어러블 전자 장치의 해결 과제

웨어러블 전자 장치는 오늘날 주변에서 흔히 볼 수 있는 보청기, 맥박 조정기 및 기타 의료 장치로 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 실제로, 휴대 전화처럼 종종 휴대용 음악 플레이어로 착용하는 다양한 소비자 가전 제품의 원래 설계는 처음에는 일체형으로 설계되지 않았지만, 기능과 이동 중 연결에 대한 소비자 요구 사항에 따라 일체식으로 개조되었습니다. 웨어러블 전자 장치는 생명 유지 장치에서 패션 장식품으로 진화되었으며 활동 모니터링 팔찌, 스마트 시계, 스마트 안경, GPS 가능 신발까지 그 범위가 매우 다양하며 시장의 요구가 점차 증가하고 있습니다.

그림 1: 스마트 웨어러블 전자 장치.

웨어러블 전자 장치의 출현은 대부분 소비자의 요구에서 비롯되었지만 현재 다음을 비롯한 다양한 웨어러블 응용 분야가 존재합니다.

인포테인먼트: 음악, 사진, 동영상, 길 안내, 이메일 등 정보를 알리고 엔터테인먼트를 제공하는 데 사용됩니다.

활동 추적: 개별 소비자에게 행동을 변경하여 조치를 취할 수 있는 즉각적이고 중요한 피드백을 제공하기 위해 걷기, 수면, 심박 수, 음식 소비 등의 활동과 기능을 모니터링하는 데 사용됩니다.

건강 모니터링: 진단 상태를 모니터링하고 곧 진단을 지원하는 데 사용됩니다. 단 규정 요구 사항 및 개인 정보에 대한 우려로 인해 이러한 기술에 대해 긴 개발 기간과 테스트가 요구됩니다.

산업 및 엔터프라이즈: 대표적인 예로, 공장 공정 모니터링 및 창고 재고 업데이트를 포함한 실시간 데이터를 제공하기 위한 손목 착용 단말기가 있습니다. 산업 부문에서는 '이동이 잦은' 원격 근무자를 위한 스마트 안경 및 밴드의 도입이 증가할 것으로 예상합니다.

군인 체계: 개인 네트워크, 센서, 외부 통신, 전력을 통합하여 이러한 체계를 관리합니다. 한 가지 목표는 군인을 더 큰 전장으로 연결하는 것으로, 서브 시스템을 연결하는 커넥터와 케이블은 성능과 내구성이 우수하고 견고해야 하며 군인이 착용하기에 무게가 가벼워야 합니다.

웨어러블 전자 장치 정의

웨어러블 전자 장치는 지능이 있는 장치로 정의될 수 있으며, 입력을 받고 해당 입력을 처리하여 의미 있는 출력을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 활동 팔찌의 기능 중 하나는 센서로부터 원시 데이터를 받아 이를 처리하여 지정된 기간 동안 걸음 수에 대한 보고서를 생성하는 것입니다. 센서는 걸음과 다른 움직임을 구분할 수 있을 만큼의 충분한 지능을 사용하여 동작을 추적합니다.

센서는 웨어러블 전자 장치의 중요한 부분이며 계속적으로 더 소형화되고, 정교화되고 있습니다. 사용 가능한 센서 유형은 많지만 가장 일반적인 유형은 가속도계라고 하는 관성 측정 장치입니다. 가속도계는 특정 움직임과 이 움직임의 방향, 강도 또는 속도를 추적할 수 있습니다. 가속도계의 한 가지 간단한 예는 휴대 전화나 태블릿(입력)이 회전하면 장치가 이 움직임을 처리하여 그에 따라 화면을 회전하는 것(출력)입니다.

압력, 온도, 위치, 습도를 포함한 다른 일반적인 센서는 움직임을 감지하기 위한 나침반, GPS, 자이로스코프와 같은 응용 제품을 지원합니다. 의학 응용 분야에서 사용되는 센서는 혈류, 맥박, 혈압, 혈중 산소 농도, 근육 움직임, 신체 지방, 체중을 측정하고 모니터링하는 데 사용됩니다. 가장 성공적인 웨어러블 장치란 감지된 원시 데이터를 사용자에게 유용한 의미있는 데이터로 처리하는 알고리즘을 사용하는 장치입니다.

웨어러블 전자 장치는 외부 세계와 통신할 수 있어야 합니다. 단거리 라디오 또는 기타 무선 프로토콜을 통한 무선 연결이 널리 사용되고 있지만 USB 포트를 통한 유선 연결도 일반적으로 필요합니다.

대부분의 웨어러블 장치에는 사용자 상호 작용을 위한 동영상 디스플레이나 터치스크린이 장착되어 있습니다. 이러한 소형 디스플레이의 중요한 해결 과제는 사용 편의성입니다. 스마트 시계의 고해상도 디스플레이도 충분한 공간을 제공하지는 않기 때문입니다. 이러한 사용 편의성을 유지하려면 화면에 담을 수 있는 정보의 양과 결과 정보의 가독성 사이에 적절한 균형을 유지해야 합니다. 이러한 디스플레이의 전력 소비를 관리하는 것은 주요 웨어러블 장치 제조업체의 주요 동기 요인입니다. 이에 따라 풀 컬러 LCD 또는 OLED 디스플레이 대신 e-ink와 e-paper 같은 저전력 대안을 폭넓게 활용하고 있습니다. 모든 전자 장치와 마찬가지로 웨어러블 장치에는 충전용 배터리 또는 기타 충전 방법을 통해 전원이 공급되어야 합니다. 이를 위해서는 배터리를 충전하기 위한 전원 연결용 포트가 필요합니다. 그러나 새로운 웨어러블 장치에 통합될 핵심 기능으로 무선 전력 전송이 부상됨에 따라 방수의 필요성이 제시됩니다.

웨어러블 전자 장치의 또 다른 일반적인 특징은 앱을 업데이트 또는 변경하면서 다양한 애플리케이션을 실행할 수 있다는 점입니다. 예를 들어, 스마트 시계는 휴대 전화와 비슷합니다. 즉, 착용자가 다양한 작업을 수행하는 동시에 인터넷에 독립적으로 연결하여 중요한 앱 업데이트나 다운로드를 수행할 수 있도록 하는 컴퓨터입니다.

웨어러블 전자 장치는 사물 인터넷(IoT)에 속합니다. IoT는 인간을 뛰어넘는 인터넷의 진화입니다. 한 가지 예를 들면, 스마트폰이나 시계를 사용하여 전 세계 어디서나 집의 잠금을 원격으로 해제하고, 온도 조절기를 조절하고, 보안 시스템을 작동 또는 해제할 수 있습니다.

또한 IoT는 인간의 개입 없이 작동할 수도 있습니다. 스마트 시계는 기온이 낮은 아침에는 히터를 켜고 밤에는 히터를 낮추거나, 일기 예보를 확인하여 이 정보에 따라 실내 온도를 조정하도록 사전 프로그래밍할 수 있습니다.

IoT의 핵심 요소는 IP(인터넷 프로토콜)의 사용입니다. IP는 정보 흐름을 제어하기 위해 이더넷과 인터넷이 사용하는 통신 프로토콜입니다. 연결된 장치 각각에는 IP 주소가 있습니다. IP 주소가 있는 모든 장치는 다른 IP 장치와 통신할 수 있습니다. 방화벽, 암호 및 기타 보안 조치를 통해, 서로 통신하는 장치를 제어합니다. 웨어러블 전자 장치는 이러한 IP 주소를 통해 IoT에 연결됩니다.

IoT의 일부로 연결됨으로써 제공되는 한 가지 장점은 웨어러블 전자 장치가 독립형 장치로 존재할 필요가 없다는 것입니다. 즉, 피트니스 팔찌의 활동 데이터를 컴퓨터에서 앱으로 다운로드할 수 있습니다. 이 앱은 진행 상황을 추적하기 위해 시간에 따른 상세한 추세 분석을 제공할 수 있습니다. 시계의 음악 플레이어는 클라우드 컴퓨팅('클라우드')을 사용하여 노래를 검색할 수 있습니다. 결과적으로, 사람들은 신체에 가까이 두거나 착용하는 소형 장치 덕분에 어디서나 TV, 집, 자동차, 가전, 인명 구조 장치 등의 사물과 상호 작용할 수 있습니다.

웨어러블 전자 장치는 매우 작은 공간에 강력한 기능을 패키징할 수 있도록, 부품의 소형화 및 통합을 통해 실현됩니다. 센서, 컴퓨터 칩, 카메라, 스피커 및 기타 부품은 계속적으로 크기는 작아지면서 기능이 많아지고 있습니다.

이러한 부품을 적절한 폼 팩터에 패키징하고 적절한 수준의 제작 편의성을 유지해야 하는 해결 과제가 있습니다. 연결성 부문의 선도업체인 TE Connectivity는 웨어러블 전자 장치의 설계자 및 제조업체와 긴밀하게 협조하고 있습니다. 그림 2는 스마트 시계를 위한 일반적인 커넥터 솔루션을 보여 줍니다. 이러한 솔루션의 대부분은 물론 다른 부품의 핵심적인 특징은 낮은 높이와 작은 실장 면적입니다. 낮은 높이는 장치 자체를 슬림하게 설계하는 데 매우 중요합니다.

그림 2: 스마트 시계 커넥터 솔루션.

실장 면적이 부족한 경우, 부품의 통합은 시스템을 단순화할 뿐만 아니라 가용 공간을 사용하여 효율을 최대화합니다. 휴대 전화의 경우 그림 3에서처럼 안테나를 하우징에 직접 내장할 수 있습니다. 이러한 성형 상호 연결 장치(MID)와 새롭게 떠오르는 인쇄형 안테나 기술을 통해 회로 트레이스, 접지 평판, 차폐를 금형 부품에 통합할 수 있습니다. 기판은 엔지니어드 플라스틱 또는 합성 물질로 구성될 수 있습니다. 합성 물질은 재료 강도를 높이고 비용 효율적으로 주조 및 금속화할 수 있으므로 이에 대한 사람들의 관심이 높아지고 있습니다.

그림 3: 안테나 및 기타 회로 소자를 플라스틱 기판에 내장할 수 있습니다.

대부분의 웨어러블 시스템은 운동이나 기타 거친 활동 중에 착용할 수 있도록 설계되었습니다. 견고성은 상대적인 개념이며 응용 분야 측면에서만 정의될 수 있습니다. 심장 모니터의 견고성 요구 사항은 자전거를 타는 사람이 착용하는 활동 모니터의 요구 사항과 다릅니다. 군인용 웨어러블 장치는 소비자 장치에서는 불필요한 더 넓은 온도 범위, 더 높은 충격 및 진동 내성, 화학 물질이나 용제에 대한 내성 등 전혀 다른 수준의 견고성이 요구됩니다.

웨어러블 전자 장치가 환경적 유해 요인에 대해 더 강한 내성을 갖도록 하면 장치의 신뢰성과 사용 편의성이 높아집니다. 생활 방수 USB 포트와 고무 커버를 사용하여 특정 수준의 방수를 구현할 수 있지만 이것만으로는 장치의 방수 기능을 보장할 수 없습니다. 설계자는 방수 설계를 위한 IP67/68 밀봉을 달성하기 위해 장치의 개구부를 막을 방법을 모색하고 있습니다. IP(침투 보호 등급)는 전자 장비 인클로저의 환경적 보호 성능을 지정하는 데 사용됩니다. 방수는 더 강력한 설계를 제공할 뿐만 아니라 사용 편의성도 촉진합니다. 무선 전력 전송과 같은 몇 가지 접근법이 시장에서 부상하고 있습니다.

자기 부착식 케이블: USB 및 유사 커넥터는 커넥터의 결합 상태를 유지하기 위해 마찰 결합을 사용합니다. 이에 대한 대안 방식은 그림 4에 나온 바와 같이 자석을 사용하여 케이블 측의 스프링 작동식 접점을 통해 커넥터를 제자리에 고정하는 것입니다. 장치 측 접점과 자석은 장치에 액체와 습기가 유입되지 않도록 방지하기 위해 밀폐될 수 있습니다. 마이크로 USB 커넥터의 연결 방식과 반대로, 이 자석이 케이블을 적절한 위치로 당기는 역할을 합니다.

그림 4: 자기 부착 케이블.

비접촉 데이터 연결: 장치와 케이블 조립품 모두에 마그네틱 부착물과 트랜시버를 사용하여 무선 연결을 만듭니다. 이 방식은 USB 2.0 및 3.0과 같은 고속 I/O 프로토콜을 지원할 수 있습니다. 트랜시버 간에 거리가 짧으므로 전력 효율적으로 연결됩니다.

무선 충전: 직접적인 전기 연결 없이 배터리를 충전할 수 있습니다. 무선 충전 또는 유도 방식 충전은 충전 장치와 전자 장치의 유도 코일을 사용하여 장치를 충전합니다. 충전 코일에 의해 생기는 전자기장을 통해 에너지를 변압기처럼 작동하는 수신 코일에 전송할 수 있습니다. 무선 충전의 장점:

• 내구성 향상: 커넥터가 마모되거나 손상되지 않음
• 신뢰성 증가: 오염 물질이 유입될 수 있는 커넥터 포트가 없음
• 손쉬운 사용법: 작은 커넥터를 결합해야 하는 불편이 없음
• 자유로운 설계: 산업 설계자가 새롭고 독창적인 형태의 장치를 자유롭게 만들 수 있음
• 긴 수명: 일반적인 객체 내에 전력 송신기를 구축하면 장치가 연속적으로 충전됨

무선 충전의 단점으로는 낮은 효율, 높은 열 발생, 느린 충전 속도 등이 있습니다. 이러한 각 문제는 새로운 코일 구조와 더 높은 결합 주파수로 개선될 수 있습니다. 대부분의 웨어러블 장치는 전력이 매우 낮으므로 이러한 단점의 영향이 아주 적을 수 있습니다.

웨어러블 장치의 또 다른 추세는 운동선수를 위한 특수 의류부터 일반 의류에 이르기까지 다양한 섬유에 센서 및 전자 장치를 내장하는 것입니다. 이와 관련한 해결 과제는 편하고, 유연하며, 세탁이 가능하여 다른 의류와 똑같이 취급할 수 있는 전자 의류를 만드는 것입니다. 상호 연결 및 전자 장치는 눈에 잘 띄지 않고 견고해야 합니다. 이를 위해서는 다음이 필요합니다.

• 절연된 강력한 방수 기능을 갖춘 안정적인 종단
• 유연한 의류 기반 안테나 및 트랜시버 솔루션
• 신축성이 있는 전도성 절연 전선
• 건조 가능한 소형 배터리
• 구겨지거나 주름이 가지 않는 PCB/FPC

전자 웨어러블 시장의 해결 과제는 우리의 삶을 향상시키는 유용한 데이터를 제공할 수 있는 장치를 만드는 것입니다. 웨어러블 장치는 허리, 머리 또는 발 등 어디에 착용하든지 어울리고, 견고하며, 충전이 쉬워야 합니다.