손목에 차고만 있어도 전기가 생긴다?

애플 워치, 구글 글래스, 삼성전자 기어 핏, 샤오미 미밴드…. 
요즘 핫한 디바이스들이다. 이들을 ‘웨어러블 기기’라고 부른다. 다소 거창하지만 그냥 안경, 시계, 밴드를 전자기기로 만든 것이다. 몸에 부착시켜 착용할 수 있다는 뜻에서 ‘입는’이라는 의미를 지닌 ‘웨어러블(wearable)’을 붙였다. 

벌써 수 년 전부터 과학기술계에 회자됐던 웨어러블 기기는 애플, 삼성 등 굴지의 IT 대기업들이 최근 손목에 부착하는 시계 형태로 제품을 내놓으면서 많은 관심을 받고 있다. 인터넷에선 이미 ‘얼리어답터’들의 제품 소개글이 터진 봇물처럼 쏟아져 나온다. 

웨어러블 기기의 가장 큰 단점은 무엇일까. 사용성, 효율성, 호환성, 연결성, 응용성 등이 부족하다는 게 다양한 전문가들의 의견이다. 이런 문제점은 혈압, 체온, 수면 패턴 등을 실시간으로 체크하는 헬스케어 디바이스들이 나오고 스마트폰이나 이미지, 영상 등과 웨어러블 디바이스 연동 기능 등 다양한 기능으로 해결할 수 있다. 

그것보다 더 중요한 것은 바로 배터리다. 지금도 스마트폰 배터리의 수명 문제는 난제다. 항시 몸에 착용해야 하는 웨어러블 기기는 두말할 것도 없다. 이런 상황에서 국내 연구진이 체온을 이용해 전기를 충전하는 기술을 세계 최초로 개발, 유네스코가 선정한 ‘세상을 바꿀 10대 기술’ 영예의 그랑프리 대상을 받아 주목받고 있다. 

■ 상상이 현실로…, 체온 차이로 전기 생산 

주인공은 바로 카이스트 조병진 교수팀이다. 유네스코는 디지털 기술의 사회적·문화적 영향을 예측하는 기관인 ‘넷엑스플로(Netexplo)’와 공동으로 2008년부터 매년 전 세계 200여 명의 전문가·기업인 패널 투표를 통해 ‘세상을 바꿀 10대 기술’을 선정, 네티즌 투표 등을 통해 10대 기술 중 1위에 그랑프리상을 수여하고 있다. 

지난해 3월 에너지 환경 분야 국제학술지인 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Exvironmental Science)’ 온라인판에 속보로 실린 조 교수 연구팀의 기술은 사람의 체온에 의해 생긴 온도차를 이용해 전기를 생산하는 기술이다. 

이 기술은 열전소자를 유리섬유 위에 부착해 착용할 수 있는 형태로 만들었다. 가로, 세로 각 10cm의 밴드로 만들어 팔에 부착하면 외부 기온이 영상 20도일 때, 약 40mW(밀리와트, 1000분의 1와트)의 전력을 생산할 수 있다. 윗옷 크기 정도로 만들면 약 2W의 전력 생산이 가능해 휴대전화 충전도 할 수 있다. 

전기소자를 이용해 전력을 생산하는 기술은 기존에도 있었다. 누르는 힘(압력)을 이용한 압전소자 기술, 마찰전기 효과를 이용한 기술 등이 대표적이다. 이 중 마찰전기 효과는 올해 초 싱가포르국립대 연구진이 발표하기도 했다. 이 기술은 50nm(나노미터) 두께의 금 박막 위에 실리콘 고무로 된 층을 씌웠는데 이 실리콘 표면에 수천 개의 작은 돌기를 만들었다. 말하거나 팔을 구부리는 행동을 할 때 이 돌기와 마찰을 일으켜 전기를 생산하는 방식이다. 

압전 기술에 비해 조 교수의 열전 소자 기술과 싱가포르국립대 연구진의 마찰전기 기술은 웨어러블 기기에 더 적합하다. 그러나 조 교수의 기술은 입고만 있어도 전기 생산이 가능하다는 점에서 더욱 빨리 상용화할 가능성이 크다. 실제로 조 교수는 지난해 9월 ‘태그웨이’라는 벤처를 창업, 다양한 기업들과 상용화를 모색하고 있다. 

■ ‘사물이 서로 대화하는 기술’이 세상을 바꾼다? 

조 교수의 대상 수상이 스마트(웨어러블) 기기의 짧은 배터리 수명 문제 개선에 대한 기대감을 보여줬다면 나머지 기술은 사물과 사물이 통신하는 다양한 ‘사물 인터넷’ 기술이 대거 선정됐다. 

대표적인 것이 중국의 바이두라는 인터넷 기업이 개발한 센서가 달린 젓가락, 이스라엘 스키오(SCIO)사(社)가 개발한 라이터 크기의 분자 스캐너다. 센서가 달린 젓가락은 여러 음식 성분을 분석해 스마트폰으로 그 정보를 전송해 준다. 음식의 온도, 부패 여부, 산성도 등을 측정한다. 스키오사의 분자 스캐너도 스마트폰과 연동된다. 분석기를 어떤 물질에 가져다 대면 인터넷 데이터베이스에 축적된 정보와 대조해 화학적 구성이나 칼로리, 음식의 변질 여부, 의약품의 진품 여부 등을 가려낸다. 그만큼 먹을거리의 안전과 건강 등에 최근 관심이 높아지고 있다는 점을 보여주고 있다. 

미국의 레인포레스트커넥션 재단이 만든 불법 벌목 감시 기술도 빼놓을 수 없다. 음향 감지 기술을 통해 5분 안에 반경 1km 내 불법 벌목을 알 수 있는데, 나무를 벨 때 나는 소리를 수집, 숲 관리자들의 디바이스로 자동으로 알려주는 사물인터넷 기술이다. 

■ 공공의 목적, 학습/교육 웹, 앱 서비스도 선정 

이밖에 새로운 개념과 공공의 목적을 위한 스마트폰 앱 기술도 선정됐다. 칠레의 카포스스파사(社)의 스마트폰 앱은 자전거를 타고 다니면서 자전거 친화 도시를 만들기 위한 데이터베이스를 모으는 기술이다. 

특히 전 세계적인 위협이 되고 있는 에볼라 바이러스의 정보를 알 수 있는 앱 기술도 이번에 선정됐다. 나이지리아 보건부가 개발한 이 앱은 에볼라의 발병 시간과 위치정보를 실시간으로 알려주며 보건부 직원들이 빠르게 대응할 수 있도록 고안됐다. 구글이 검색엔진을 통해 집계된 데이터로 전염병 관리예방 시스템으로 만들었던 이른바 ‘구글 플루’와 유사한 기술이다. 

미국의 브랜칭마인즈 재단이 만든 인터넷 기술도 있다. 학생 개인의 학습 내역을 기록하고 목표 달성을 돕는 서비스로 개인 학습의 어려움을 교사와 부모가 매우 구체적으로 파악할 수 있도록 도와준다. 크로아티아의 마이크로블링크 사(社)가 개발한 스마트폰 카메라로 방정식을 찍으면 푸는 과정과 해답을 보여주는 앱도 선정됐다. 

이밖에 미국 슬랙 사(社)의 이메일이나 SNS 등을 한데 모아서 보여주는 서비스, 토고 위우랩 사(社)의 재활용 부품으로 만든 3D프린터 등도 이번 유네스코 선정 세상을 바꿀 10대 기술에 선정돼 관심을 끌었다. 과연 이 기술들이 우리를 어떤 세상으로 안내할지, 미래의 모습이 사뭇 궁금해진다. 

글 : 김민수 과학칼럼니스트

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두 손이 자유롭게! 이제는 ‘입는 컴퓨터 시대’라고!?

미래 사회를 그린 SF 영화의 주인공들은 왜 다 똑같은 옷을 입고 있을까? ‘스타트랙’, ‘가타가’, 최근의 ‘다이버전트’와 같은 미래 영화 속 주인공들은 몸에 착 달라붙는 민망한 디자인에 유니폼처럼 똑같은 모양의 옷을 입고 있다. 지구 환경이 파괴된 디스토피아나 우주선 생활이 배경이니 그럴 수도 있다 싶지만 지금의 화려한 패션산업을 볼 때는 쉽게 그려지지 않는 미래다. 반면 최근 몇 년 간 아웃도어 기능성 의류 시장의 급성장을 생각해보면 기능에 대한 욕구가 패션을 앞설 가능성도 배제할 순 없다.

미래의 패션은 어떤 모습일까? 과학기술은 패션을 어떻게 바꿔 놓을까? 로버트 저메키스 감독의 1990년 작 ‘백 투 더 퓨처2’는 2015년의 근 미래가 배경인데, 영화 속 2015년은 운동화 끈이 자동으로 묶이고, 옷 크기가 사람 몸에 맞춰 자동으로 조절된다. SF 소설 속엔 그보다 더한 상상이 그려진다. 착용자의 의지에 따라 옷 색깔이나 무늬가 자유롭게 변하거나 바깥 날씨에 따라 방한, 방수 기능이 조절되는 등 한 벌로 만능인 옷들이 등장한다. 그런 옷이 있으니 미래 사회를 그린 영화 속 주인공들은 한 벌 신사 숙녀로 그려지는 모양이다.

2015년에 사는 우리에겐 여전히 먼 미래다. 그렇지만 가능성의 문은 열려있다. 영화나 SF 소설 속 설정에는 뒤지지만 착용하거나 부착하는 IT기기인 ‘웨어러블’ 기기 개발 소식이 속속 들려온다. 웨어러블 기기는 입는 옷이나 시계, 신발처럼 착용하는 도구, 혹은 피부에 부착하거나 삽입하는 형태의 기기들을 말한다. 즉 손에 기기를 휴대하지 않고, 두 손이 자유로운 상태에서 이용할 수 있는 기기들을 말한다.

스마트폰처럼 다양한 기능을 탑재한 시계 종류의 제품들 외에 가장 관심을 끄는 것은 건강관리 기능이 있는 제품들이다. 손목에 착용하는 밴드 형태 기기 일색이던 것이 최근 양말, 신발, 속옷, 벨트, 보석 등으로 다양해졌다. 양말이 직물에 부착된 압력 센서를 통해 운동량이나 달리기 습관을 파악하거나, 신발 깔창을 통해 체중, 자세, 운동량 등을 측정한다. 심장 박동 수를 실시간으로 확인할 수 있는 브래지어, 앉으면 늘어났다 일어서면 다시 조여지는 벨트 등 가지각색이다.

옷이며 양말, 신발, 액세서리 등이 신체 각 부위를 읽어주는 센서가 된다는 얘기다. 이 센서들은 온도, 압력, 움직임과 속도, 땀과 습도 등 인체의 모든 활동을 측정할 수 있다. 관건은 이 센서를 어떻게 더 작고 가볍게 만들 것인가, 어떻게 부담 없이 착용하게 할 것인가에 있다.

피부에 부착하거나 삽입하는 형태의 전자 기기에 대한 관심도 뜨겁다. 반창고나 파스처럼 피부에 착 달라붙는 센서는 단순 건강관리를 넘어 의료용 기기로 활용도가 높을 걸로 예상된다. 박막형 센서를 피부에 부착해 24시간 내내 심전도, 혈압, 맥박, 혈당, 체온 등 중요 정보를 확인할 수 있다면 병원에서 환자를 모니터링하고 질병을 관리하는 방법도 크게 달라질 게 분명하다.

초박형 센서에 대한 연구 성과는 속속 나오고 있지만 실용화되기 까지는 넘어야 할 산이 많은데, 그중 배터리 문제가 크다. 얇고 작기 때문에 편리하지만 동력을 저장하기 어렵기 때문이다. 배터리를 자주 충전해야 한다면 장점이 반감될 수밖에 없다. 그래서 무선 충전 기술이나 새로운 에너지 생산 방식이 필수적이다. 피부에 부착해 장시간 사용하는 기기의 경우는 체온, 땀, 움직임 등 인체 활동에서 에너지를 얻는 방식에 대한 연구가 진행되고 있다.

이 부문에서 우리나라 연구팀이 주목할 연구 성과를 냈다. 조병진 KAIST 전기및전자공학과 연구팀은 2014년 4월 ‘웨어러블 발전소자 기술’ 개발에 성공했다. 체온과 바깥 온도와의 차이를 이용해 전기를 생산하는 기술로 착용 가능한 형태의 소자로 개발된 것은 처음이었다. 이 기술은 유엔교육과학문화기구(유네스코)가 주최하는 2015년 넷엑스플로(Netexplo) 포럼에서 세계 10대 정보통신(IT) 혁신기술 1위를 차지했다. 연구팀은 기존 세라믹기판 소자에 비해 14배 많은 전력 생산이 가능하며, 앞으로 자동차, 공장, 항공기 등 폐열이 발생하는 다양한 곳에 적용이 가능하리라 기대한다.

내 몸의 체온이나 움직임을 이용해 전력을 생산하고 그 힘으로 작동하는 기기. 더 얇고 더 가벼우면서 배터리도 충전도 필요 없는 기기라니 기대되지 않는가.

물론 해결해야 할 과제들은 산적해 있다. 착용하는 형태의 기기들은 디스플레이 공간이 작고 가시성이 떨어진다. 또 간단한 버튼 외에 정보를 직접 입력할 수 있는 키보드를 두기 어렵다. 가장 먼저 떠오르는 대안은 음성 인식 기능이다. 또 다른 형태의 정보 입력 방안도 가능하다. 올해 2015년 CES(Consumer Electronics Show, 세계 가전 전시회)에서는 반지 형태의 웨어러블 기기가 등장했는데, 끼고 허공에 글자를 써서 컴퓨터에 입력할 수 있는 기능이 있었다. 오케스트라의 지휘자처럼 우아한 손동작으로 내가 착용한 기기를 조작하고 정보를 관리하는 날이 올지 모른다.

웨어러블 기기는 아직 얼리어답터들의 ‘값비싼 장난감’ 수준에 머물러 있다. 기대를 모았던 ‘구글 글래스’는 화제를 낳았지만 실적은 저조했고, 결국 판매가 중단됐다. 아직 착용하는 기기들은 호기심의 대상이지 인터넷이나 스마트폰처럼 필수품의 자리를 차지하지는 못했다. 하지만 많은 이들이 웨어러블 기기를 모바일을 이을 새로운 기술 혁명의 파도로 지목한다.

우리에겐 아직 ‘웨어러블 기기’를 부를 마땅한 용어가 없다. ‘착용 컴퓨터 기기’라는 말을 쓰기도 했으나 두 손이 자유로워지는 이 혁명적 변화를 지칭하기엔 적당치 않아 보인다. 상상의 지평을 넓힐 수 있는 그런 용어는 없을까?

글 : 이소영 과학 칼럼니스트

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