웨어러블용 아날로그, MEMS 및 센서 -의료와 피트니스는 웨어러블의 최대 응용 분야

이제까지 시계 및 웨어러블 계산기들이 널리 사용되어 왔지만 블루투스 로우(low) 에너지 커넥티비티, 저전력 기술 및 센서가 부상하면서 웨어러블 기기는 스마트 워치, 손목 밴드, 보석, 암 밴드, 커넥티드 의복 등 다양한 형태로 제공되고 있다. 이 글을 통해 웨어러블 아키텍쳐에 대해 살펴보고 우리의 삶을 변화시키는 혁신적인 기술들에 대해 알아보고자 한다.

글: 비샬 고얄(Vishal Goyal) / 인도 선임 기술 마케팅 매니저
ST마이크로일렉트로닉스 / www.st.com

웨어러블에 대하여 


웨어러블(Wearable)은 사용자가 몸에 착용하고 다닐 수 있을 정도로 작고 가벼운 전자장치다.
이들은 시계나 패션 액세서리, 피트니스 트래커, 보안 장치 또는 전문 의료 장치에 채택되고 있다. 웨어러블 장치는 독립되어 기능할 수도 있고 태블릿이나 스마트폰을 비롯한 타장치의 액세서리 역할을 할 수도 있다. 이 경우 어느 정도의 연산 능력을 지닌 입력 또는 출력 장치로 주로 사용된다.

이제까지 시계 및 웨어러블 계산기들이 널리 사용돼 왔지만 블루투스 로우(low) 에너지 커넥티비티, 저전력 기술 및 센서가 부상하면서 웨어러블 기기는 스마트 워치, 손목 밴드, 보석, 암 밴드, 커넥티드 의복 등 다양한 형태로 제공되고 있다.
이 글을 통해 웨어러블 아키텍쳐에 대해 살펴보고 우리의 삶을 변화시키는 혁신적인 기술들에 대해 알아보고자 한다.

웨어러블의 속성


이름에서 엿볼 수 있듯, 웨어러블은 사용자가 오랜 시간 착용하는 제품으로 상시 전원이 켜져 있으면서 연결 상태를 유지한다. 전형적인 웨어러블 장치는 다음과 같은 속성을 지닌다.

a) 전원이 항상 켜져 있음(Always on)

웨어러블은 전원 중단 없이 지속적으로 기능하며 사용자를 위한 중요 데이터를 모니터링 하거나 출력한다. 슬립 모드가 있지만 전원이 꺼지지 않는다.

b) 저전력(Low Power)

웨어러블은 소형 배터리로 동작하는 미니어처 장치이므로 초저(ultra-low)전류 소모가 요구된다. 또한 잦은 충전은 지양되어야 하기 때문에 저전력 기술이 필수다. 따라서 최근 저전력 기술의 발전은 웨어러블 분야의 혁신을 가능하게 한다.

c) 소형(Compact)

사용자가 몸에 착용하는 제품이므로 유용하면서도 심미적인 형태를 다양하게 적용할 수 있을 정도로 작은 사이즈여야 한다. 부피가 큰 장치는 사용자의 부담만 가중시켜 착용이 불가할 것이다.

d) 주변환경 인식(Environment aware)

주변환경 감지 기능은 웨어러블 장치의 수용을 위한 주요 요소다. 최근 웨어러블 장치들은 사용자의 활동에 대한 정보뿐만 아니라 온도, 습도, 자외선 정도 등을 모니터링 할 수 있다.

e) 지능(Intelligent)

웨어러블 장치들은 실제 데이터로부터 노이즈를 걸러낼 수 있을 정도의 지능을 갖춰야 한다. 이들이 중요한 정보를 공유할 필요가 있을 때는 사용자에게 이를 알릴 수 있어야 한다. 예를 들어 보안 손목 밴드는 사용자가 사고를 당했거나 SOS의 도움이 필요할 경우 경보 신호를 보낼 수 있어야 한다.

f) 연결성(Connected)

연결성은 웨어러블 장치의 부상과 확산(accept ance)에 있어 가장 중요한 요소이다. 이 장치들은 블루투스, 와이파이 등과 같은 기술들을 이용하여 스마트폰이나 태블릿에 연결될 수 있다. 또한 GPS 위성과의 연결을 통해 사용자의 위치를 모니터링할 수 있다.

웨어러블의 아키텍처


전형적인 웨어러블의 아키텍처는 다음 요소들로 구성되어 있다.

a) 센서·디지털 및 아날로그
b) 아날로그 프론트엔드
c) 오디오
d) 전력 관리
e) 연결성
f) 마이크로컨트롤러
g) LCD 인터페이스

이 글에서는 웨어러블의 처음 다섯 가지 요소들에 대해 살펴보고자 한다.

1. 센서


센서는 혁신적인 웨어러블 장치들의 확산을 견인하고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 센서는 다음과 같다.

a) 가속도 센서(Accelerometer)

g-센서라고도 불리는 가속도 센서는 선형 가속, 진동, 기울어짐, 자유낙하 등의 감지에 사용할 수 있어 수평 맞추기, 도난 방지, 진동 경고, 만보기, 성인 및 아동의 원격 감시 등과 같은 기능들을 구현하는 데 사용된다.

a) 자이로스코프(Gyroscope)

자이로스코프는 각속도(angular velocity)를 측정하며, 게임, 3D 마우스, 운동선수 훈련 등의 기능들을 구현하는 데 사용된다.

b) 자기 콤파스(Magnetic Compass)

자기 콤파스는 지구의 자장을 감지함으로써 장치에 방향 감각을 부여할 수 있다. 휴대폰의 실내 내비게이션 및 맵 내비게이션에 널리 사용되고 있다.

d) 온도 및 습도 센서(Temperature and Hu midity Sensor)

온도 및 습도 센서는 온도 및 습도 파라미터를 감지할 수 있으므로 이를 이용해 웨어러블 장치들은 물론 기타 장치들의 성능을 제어할 수 있다.

2. 아날로그 프론트엔드(Analog Front-End)

a) OP 앰프(Operational Amplifiers)

아날로그 센서들은 정보를 MCU로 보내기 위해 신호 트랜스듀서(signal transducer)를 필요로 한다. 이 신호 트랜스듀서는 다음과 같은 주요 특징들을 갖춰야 한다.

I. 정보의 정밀성을 최대한 보장하기 위한 정확성 및 안정성
II. 사용자가 보다 오랜 시간 사용을 가능하게 하는 저전력 기술
III. 멋지고 얇은 디자인에 통합 가능한 소형 사이즈

입력 오프셋 전압이 낮고 제로 드리프트(zero drift) 기능을 갖춘 앰프가 요구된다. 그렇지 않으면 전극 정보가 보다 부정확해지거나 손실될 수 있다. 일단 신호 역학이 복구되고 나면 이 신호를 MCU로 보내기 전에 정밀하면서도 전력소모가 극히 적은 앰프가 요구된다.

b) 스위치(Switches)

3. 오디오

a) MEMS 마이크로폰

MEMS 마이크로폰은 음향 신호를 전기 신호로 변환해 주는 오디오 센서다. 이들은 보다 높은 신호대 잡음비(SNR), 소형 폼팩터, 디지털 인터페이스, 보다 우수한 RF 면역성 그리고 진동에 대한 높은 강건성을 제공하기 때문에 MEMS 마이크로폰은 기존의 마이크로폰보다 점점 더 선호되고 있다.

마이크로폰은 보다 손쉽고 빠르며 매끄러운 상호작용을 가능하게 한다. 또한 버튼 수를 줄여 세련된 디자인을 구현할 수 있게 해준다.

b) 오디오 앰프

오디오 앰프는 노래나 통신 또는 경보를 위해 음향출력 스피커를 구동하는 데 필요하다. 첨단 오디오 기능을 소형, 저전력 디바이스에 구현할 수 있는 고효율 오디오 앰프는 많은 웨어러블 장치들에 요구되는 주요 특징이다.

4. 전력 관리

a) 배터리 모니터링

웨어러블 장치들은 소형 배터리로 동작하므로 이를 가장 최적화된 방식으로 사용해야 한다. 정확한 배터리 모니터링 기능은 배터리의 충전 상태를 정확히 파악해 그 사용 방식에 지능을 추가할 수 있도록 해준다. 예를 들어, 배터리 용량이 거의 소모됐을 경우 이를 사용자에게 적시에 알리거나 혹은 전력소모 블록들을 꺼버리는 것이다. ST의 STC3115 는 시간 경과에 따른 전류 적산과 전압 변화 조합을 통해 가장 정확한 배터리 상태 측정 결과를 제공할 수 있는 통합 솔루션이다.

b) 스마트 RESET

웨어러블 장치들은 점점 더 스마트해지고 있어 모든 센서 정보를 관리하기 위한 소프트웨어의 복잡성 또한 기하급수적으로 증가하고 있다. 기능의 수가 늘어남에 따라 최종 사용자가 제품을 잘못 사용할 가능성이 함께 증가하고 있다. 이 경우 시스템 충돌이 일어날 가능성이 있으므로, 애플리케이션을 재가동하기 위한 이스케이프 시퀀스를 제공하여 품질에 대한 인식과 브랜드 인지도를 유지해야 한다.


c) 실시간 클럭[RTC]

웨어러블에서 RTC는 시간을 유지할 뿐만 아니라 시간에 따라 시스템을 저전력 모드에 놓을 수 있도록 도와주며 전력소모를 줄인다. 저전력으로 동작하는 소형 패키지의 RTC는 배터리로 동작하는 소형 폼팩터의 장치에 필수적이다. ST사의 M41T62 RTC는 수정 발진기를 내장하고 있으며 전류소모량이 350nA인 초소형 패키지다.

5. 무선 기술 - Bluetooth Smart[BLE]


블루투스 스마트(Bluetooth Smart)나 블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy[BLE])는 저전력 장치 및 센서와의 연결을 가능하게 하는 표준이다. 이 표준은 2.4GHz 대역의 짧은 파장의 무선 전송을 이용한다. 블루투스 스마트를 이용하면 상당히 장시간의 배터리 수명으로 다양한 장치들 간 쌍방향 무선 통신을 구현할 수 있다. 또한 BLE 기능을 갖춘 장치들은 호환 스마트폰과 매끄럽게 동작하며 풍부한 사용자 인터페이스의 혜택을 누릴 수 있다.

스마트폰은 GPRS와 같은 다른 인터넷 접속 서비스를 이용해 클라우드 상에서 데이터를 전송할 수도 있다.
블루투스 로우 에너지 기술은 기존의 블루투스 기술과 동일한 스펙트럼에서 동작하지만 초저전력 연결 기능은 물론, 이전에 전력소모로 제약을 받았던 애플리케이션들에서도 기본적인 데이터 전송 기능을 가능하게 한다.

웨어러블의 주요 애플리케이션


1. 피트니스와 건강

커넥티드 스마트 워치, 활동 모니터, 만보기는 사용자들이 스마트폰을 통해 자신들의 피트니스 활동을 모니터링 할 수 있도록 해준다. 이러한 웨어러블 장치는 활동 모니터, 풋 패드, 수면 센서 및 심박수 측정기 등으로 시판되고 있다. 웨어러블은 또한 스포츠 성과, 목표 모니터링, 체중 조절, 방향 데이터 및 위치 공유 기능도 최적화할 수 있도록 해준다.

2. 의료

심박수 측정기, 혈당 측정기, 산소포화도 측정기는 BLE를 통해 스마트폰에 연결될 수 있다. BLE는 이러한 장치들을 스마트폰에 무선연결 시킬 수 있도록 해줄 뿐만 아니라 스마트폰을 통해 인터넷에 연결된다. 이는 정보를 클라우드에 저장하여 의사 및 가족들과 공유할 수 있도록 해준다. BLE는 또한 이러한 장치들을 신발, 손목 등과 같은 전략적 위치에 배치할 수 있도록 해준다. BLE는 혈당 측정, 심박수 측정, 체온 및 혈압과 같은 수많은 의료 관련 프로파일들을 지원한다.

3. 근접감지 및 도난방지 액세서리

소형 BLE 액세서리를 애완동물이나 어린이에게 달아 놓으면 이들이 범위 밖으로 벗어날 경우 스마트폰에 경보가 들어온다. BLE 기능을 탑재한 자동차 키를 잃어버려도 연결된 스마트폰을 통해 손쉽게 찾을 수 있다. BLE 태그를 붙여놓은 지갑과 수하물은 도난의 위험을 감지할 경우 스마트폰에 경보를 보낸다.


4. 보안과 추적


부모는 웨어러블 워치나 추적 장치들을 통해 아이들의 위치를 지속적으로 감시할 수 있다. 이 장치들은 또한 어린이와 여성이 위험해 처할 경우 SOS 장치로도 사용된다. 연결된 장치가 스마트폰으로 신호를 보내면 스마트폰은 사용자의 위치를 관계 당국과 가족들에게 SMS로 알린다.

결론

인터넷의 등장이 세상을 바꿨듯 웨어러블도 큰 변화의 잠재력을 지니고 있다. 스마트 센서와 BLE는 장치들에 감지 기능과 통신 기능을 추가해 복잡한 결정을 할 수 있도록 구현했다. 웨어러블은 전혀 새로운 용도를 선보일 것이며 스마트폰으로도 불가능했던 것들을 구현해낼 것이다.

의료와 피트니스는 웨어러블의 최대 응용 분야로 떠오를 것이라 예상되고 있다. ST마이크로일렉트로닉스는 이 분야의 모든 반도체 요건들에 대한 원스탑 샵을 제공하고 있으며, 사용자와 기업가들이 드라이버 및 라이브러리 지원을 갖추고 제품을 출시할 수 있도록 지원한다.