햅틱

햅틱(Haptic)은 촉각을 통해 정보를 전달하는 기술이다. 압력, 진동 등을 통해 정보를 전달하면 차량 운전자가 기존의 시각 또는 청각 위주의 정보에 대한 집중을 유지하면서 추가적인 정보를 받아들이기 쉽다. 나아가 촉각을 이용해 더 직관적이고 명료하게 기기를 조작할 수 있다.

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개요

햅틱은 그리스어로 '만지는' 이라는 뜻의 형용사 'hapesthai' 에서 유래한 말로 각종 디지털 기기에 진동이나 힘, 충격을 발생시켜 사용자가 촉감을 느끼게 하는 기술을 일컫는다. 신체에 직접 신호를 보내기 때문에 반응 속도도 시각보다 열 배, 청각보다 세 배 빠르다. 예를 들어, 지능형 가속 페달에도 진동을 통해 신호를 보내는 햅틱 기술이 스며 있다. 정해진 속도를 초과하거나 필요 이상으로 세게 페달을 밟으면, 답력을 변화시켜 진동을 일으킨다. 발바닥 압력 변화로 운전자는 자동차와 소통한다. 언뜻 간단해 보이지만 이 기술을 통해 운전자는 도로 상황에만 집중하면서 정보를 얻는다. 햅틱 기술은 기존에 주로 적용되고 있던 스마트폰 및 가전, 의료, 군사 및 게임 분야 외에도 운전자의 안전과 편의를 위한 HMI, ADAS 등 다양한 차량용 시스템에 그 적용이 가속화되고 있다.

역사

햅틱 기술의 역사는 1970년대부터 시작되었다. 최초의 햅틱 기술은 1970년대 벨 전화연구소의 마이클 놀(Michael Noll)에 의해 발명되었다. 이후 1989년, 윌리엄스 일레트로닉스(Williams Electronics)에서 진동으로 반응하는 햅틱 피드백 기능이 최초로 접목된 핀볼 게임기 어스쉐이커(Earthshaker!)를 선보였다. 이를 기점으로 1990년대 콘솔 게임 제조사들이 햅틱 기술을 사용한 게임기들을 대량 생산해 내기 시작했다. 이후 햅틱 기술은 항공기 및 전투기 시뮬레이션, 가상영상 체험 영화, 게임 분야로 영역을 확장해나갔다. 최근에는 멀리 떨어진 물체의 형상과 움직임, 무게, 굳기, 질감 등을 느낄 수 있는 햅틱 장갑이나 사물의 부피와 무게를 시뮬레이션할 수 있는 무선 전신 햅틱 복장이 개발되기도 했다. 특히, 2000년대 중반 들어서는 휴대폰 터치스크린에 적용되며 대중들에게도 널리 친숙한 기술이 되었다. 비록 거대하거나 화려한 기술은 아니지만, 햅틱 기술이 가져온 변화는 컸다. 햅틱 기술이 적용되지 않은 밋밋한 터치스크린은 현실감이 없어 직관적인 사용이 어려웠다. 이 때문에 실수나 오작동이 잦아 사용하는 데 불편함이 있었다. 그러나 햅틱 기술이 적용되면서 디지털 기기에 현실감이 더해지는 한편 오작동률이 줄고 동작 효율이 높아졌다. 현재 햅틱 기술은 게임기와 터치스크린뿐만 아니라 자동차와 로봇, 의료 분야 등 다양한 분야에 접목되어 디지털 기기에 생동감을 불어넣고 있다.

발전

햅틱 기술에 있어서 기본적인 촉각 신호는 햅틱 액추에이터라는 부품을 통해서 발생되는데, 현재 햅틱 액추에이터 시장의 거의 대부분은 편심모터와 선형공진모터가 차지하고 있다. 초기에는 편심모터가 주로 사용되다가 느린 응답속도와 진동 제어 관점에서의 한계로 인해 이미 스마트폰 등에서는 선형공진모터로 거의 대체되고 있는 추세이다. 한편, 편심모터 등의 모터류에서 벗어나 다양한 소재와 구조, 원리를 이용한 햅틱 액추에이터에 대한 개발도 활발히 진행되고 있는데, 압전 계열 또는 전기활성폴리머 계열의 액추에이터, 정전기적 액추에이터 등이 그것이며, 이들은 응답 속도가 빠르고 얇으며 세밀한 진동감을 제공하는 등의 장점을 내세우며 아직 미미하나 시장을 공략하고 있다. 이러한 신기능 햅틱 액추에이터 측면에서 최근 국내 스타트업 기업에서 개발되고 있는 스마트 자성소재를 기반으로 햅틱 액추에이터가 단순한 진동감이 아닌 보다 실제적인 촉각을 제공할 수 있다는 점에서 눈여겨 볼만하다. 한국전자통신연구원 휴먼증강연구실이 개발한 LED 기반 필름형 햅틱 기술은 손가락 위치에 따라 모두 다른 진동이 느껴진다. 연구진은 낮은 출력의 광신호를 진동으로 변환하는 기술을 개발해 이 같은 기능을 구현했다. 구체적으로는 빛에너지와 열에너지를 전환하는 변환층이 코팅된 특수필름에 빛을 쬐면 가열 또는 냉각이 유발하는 열팽창률 차이에 따라 필름이 변형·회복되면서 진동을 만드는 방식이다.

과학기술계에 따르면 진동 말고도 초음파를 이용한 비접촉식 UI(사용자 환경) 개발도 시도된 바 있다. 해외 자동차 브랜드 비엠더블유(BMW)는 2020년 손가락을 터치스크린에 직접 갖다 대지 않아도 어떤 버튼 위에 손이 와 닿아있는지를 알 수 있는 '초음파를 이용한 비접촉 제어 기술'을 국내 연구진과 함께 연구한 바 있다. 하지만 이 기술은 인지할 수 있는 세기가 명확하지 않아 상용화에는 이르지는 못한 것으로 알려졌다. 엘지경제연구원, 카이스트(KAIST) 등 15곳의 전문가들이 현 시점에서 감각치환기술 및 서비스의 사회적 수요 대응 가능성, 경제적 파급효과, 내부역량을 7점 척도로 평가한 결과, 각각 5.21(약간 높음). 3.79(약간 낮음), 5.43(약간 높음)점을 받았다. 이르면 5년 이내 상용화 전환점에 도달해 해당 시장에 적잖은 영향을 미칠 가능성이 있다는 관측이다. 임현 한국과학기술기획평가원(KISTEP) 센터장은 "아직 원천기술 태동기이나 시장 선점에 뒤처질 경우 중요 미래 먹거리를 놓치게 될 가능성이 높다. 정부 주도의 전략 마련이 필요하다"고 강조했다. 한편 한국과학기술기획평가원 기술예측센터, 한국전자통신연구원 기술정책연구본부가 공동 발간한 디지털 휴먼증강 유망기술·서비스 보고서에 따르면 전 세계적으로 촉각 인식용 햅틱기술 외에도 수화(손 근육 자극)-음성 변환기, 자동 초점 조절 디스플레이, 귀 고막 임플란트, 필터 코, 원격 냄새 분석 등 다양한 감각치환기술 및 서비스 개발이 한창이다. 임현 센터장은 "고령 인구 증가, 생산성 향상에 대한 수요 증대 등의 사회적 변화로 이른바 디지털 휴먼증강 기술에 대한 관심이 높아지고 있다"고 분석했다.

원리

진동은 진폭과 주파수, 전달 시간 등을 바꿔가며 다양한 촉감 유형을 만들 수 있다. 이 자극을 사람의 피부에 가해 가상의 촉감을 전달하는 기술이 바로 햅틱 인터페이스다. 터치폰의 터치스크린 밑에는 작은 진동 모터가 달려 있다. 터치스크린을 누르면 진동 모터가 작동하고 이때 발생한 진동 자극의 촉감은 누른 손가락의 피부를 통해 사용자에게 전달된다. 햅틱 촉각을 사람이 인지하는 경로는 크게 2가지다. 무게나 형상, 굳기 등 근육이 감지하는 경로와 표면 무늬나 질감, 온도 등 피부가 느끼는 경로다. 크게 힘 인터페이스와 질감 인터페이스로 나눌 수 있다. 미국 기업 센서블테크놀로지(Sensible technology)가 개발한 팬텀 장치가 대표적인 힘 인터페이스다. 이 기업은 팬텀 장치를 이용해 손가락을 넣고 컴퓨터 화면 속의 물체를 움직이면 촉감이 느껴지는 골무를 만들기도 했다. 질감 인터페이스는 진동 모터 같이 작고 효율적인 부품이나 소재로 사람 피부에 자극을 가해 가상의 느낌을 전달한다. 햅틱폰이 가장 단순한 질감 인터페이스의 사례다. 앞으로 질감 인터페이스는 많은 휴대기기에 내장되면서 다양하게 응용될 것이다. 이런 기술은 기본적으로 터치스크린에 진동 모터를 달고, 이를 제어하는 소프트웨어와 촉각 효과 라이브러리, 응용 프로그램과의 연계를 위한 프로그래밍 인터페이스 등으로 실현된다.

적용

햅틱 액추에이터가 소프트웨어를 통해 제어되도록 구성된 햅틱 장치는 자동차의 다양한 시스템으로 확대 적용되고 있는데, ADAS 관련해서 카시트에 햅틱 장치가 적용된 예를 들 수 있다. 위험을 감지했을 때 경보를 단순히 청각으로만 알려주는 것이 아니라, 카시트에 내장된 햅틱 장치를 통해 진동을 이용한 촉각으로 운전자에게 알람을 전달한다. 나아가 방향 및 추가 정보까지도 제공할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 위험의 유형 및 방향 등에 따라 진동 또는 촉감의 패턴이나 세기 등을 다르게 한다거나 혹은 카시트의 여러 부위에 장착된 액추에이터가 위험 방향에 따라서 각각 작동하게 함으로써 운전자로 하여금 위험에 대해 더욱 정확히 파악하고 빠르게 대비할 수 있도록 도와줄 수 있다. 그 밖에, HMI 시스템에서 각종 버튼들과 차량의 인포테인먼트 조작용 컨트롤러 등에도 햅틱 피드백 기술이 적용되면, 운전자가 보지 않고도 햅틱 피드백 기능을 통해 기기를 직관적으로 조작할 수 있으므로, 운전자에게 새로운 운전 환경을 제공하고 동시에 전방 주시 소홀로 인한 사고를 미리 예방할 수 있다. 글로벌 자동차 부품 업체들은 센터페시아의 디스플레이에 햅틱 액추에이터가 장착된 햅틱 패드백 시스템을 구성함으로써 사용자가 디스플레이를 조작할 때 터치감, 질감 또는 실제 버튼을 누르는 촉감을 느낄 수 있도록 하는 등 햅틱 피드백 기술을 활발히 적용하고 있는데, 터치패널의 센서를 통해 사용자가 조작하는 위치, 힘 등의 정보를 감지하고 이를 다시 액추에이터를 통해 신호에 맞게 사용자의 손가락에 전달한다. 이를 통해 사용자가 전방에서 눈을 떼지 않고도 패널을 조작할 수 있어 사고를 예방하는 데 도움을 줄 수 있다.

관련 기업

한국전자통신연구원

한국전자통신연구원(ETRI)은 2008년 초 국내 처음으로 햅틱펜을 개발했다. 보통 PDA 같은 휴대기기에서 쓰이는 펜은 터치스크린에서 정확한 점을 찍는 걸 돕는 역할에 그친다. 이에 비해 햅틱펜은 내부에 소형 진동모터를 내장해 터치스크린을 이용하면서 다양한 촉감을 느낄 수 있다. 진동과 충격, 소리 제공 기능까지 갖추고 있어 컴퓨터 윈도우 시스템의 메뉴와 아이콘, 버튼, 스크롤바를 클릭, 드래깅, 드롭하며 조작할 때 각기 다른 촉감을 생성한다. 햅틱펜은 햅틱폰보다 더 정교한 진동을 발생시킬 수 있다. 햅틱폰에 달린 진동 모터는 전기가 끊어져도 관성 때문에 한동안 좀 더 떨리다 멈춘다. 이 때문에 같은 시간 동안 빠르게 자주 진동을 발생시키기 어렵다. 한국전자통신연구원이 만든 햅틱펜에는 위아래 방향으로만 작동하는 모터가 들어 있다. 모터가 전체적으로 떨리는 게 아니라 양방향으로만 움직이기 때문에 기존 진동을 빨리 끊고 새 진동을 빨리 시작할 수 있다. 같은 시간 동안 햅틱폰보다 더 정교하고 더 많은 조작이 가능하다. 예를 들어 버튼을 누르는 동작은 아래로 내려가는 움직임과 위로 올라오는 움직임 두 가지를 아주 빠르게 연결해야 한다. 이를 햅틱폰에서 구현하면 실감이 잘 나지 않지만 햅틱펜에선 진짜 누르는 것처럼 느낄 수 있다. 또 휴대전화에 진동 모터를 넣으면 전화기 자체의 질량 때문에 진동 효과가 일부 감소된다. 펜은 전화기보다 가벼워 약한 진동도 더 쉽게 느낄 수 있다.

이머전 코퍼레이션

이머전 코퍼레이션(Immersion Corporation)은 미국의 햅틱 기술 전문업체이다. 세계적인 햅틱 기술 기업으로 엘지전자㈜, 애플(Apple), 화웨이(Huawei) 등이 이머전 기술을 사용한다. 또, 프랑스 부품업체 포레시아(Faurecia)과 햅틱 기술 및 솔루션에 대한 다년간의 라이선스 계약을 체결했다. 이 계약을 통해 포레시아는 이머전의 최신 기술을 활용해 첨단 대화형 햅틱 사용자 인터페이스(User Interface, UI)를 개발할 수 있게 됐다. IHS Markit은 햅틱 사용이 계속해서 주목받을 것이며 멀티모달 HMI 시스템이 향후 자동차 표준이 될 것으로 예상했다. 또한, 정전식 터치 기반 시스템은 기본 디스플레이 인터페이스가 될 것이며 2026년까지 95%의 센터스택 디스플레이(Center Stack Display, CSD)가 터치 기술을 통해 활성화될 것이라고 전망했다. 포레시아 클라리온 일렉트로닉스(Faurecia Clarion Electronics)의 에드와르 다 실바(Edouard da Silva) 디스플레이 글로벌 제품 라인 디렉터는 "가까운 미래의 자동차는 직관적인 터치 기반 제어를 가능하게 하는 스마트 기술로 제작될 것입니다. 이머전과의 계약은 기술 생태계를 확장하고 탑승자에게 연결되고 개인화된 경험을 제공하기 위한 우리의 미래지향적인 방향을 보여줍니다."라고 말했다. 이머전의 재러드 스미스(Jared Smith) CEO는 "햅틱은 자동차 HMI에 새로운 기능을 제공합니다. 햅틱은 질감이 느껴지는 표면(tactile surfaces)이 사용자에게 즉시 반응할 수 있도록 하고 OEM이 사용자 경험을 재상상할 수 있는 새로운 기회를 창출합니다."고 말했다. 포레시아 HMI 솔루션은 사용성을 염두에 두고 설계됐으며 직관적인 기술을 통해 탑승자가 터치, 제스처 또는 음성으로 인포테인먼트, 좌석, 실내 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 포레시아는 확장 가능한 IVI용 멀티뷰 그래픽 인터페이스인 트렌자(Trenza)를 개발했다. 이 기술은 운전자의 주의산만을 줄이기 위해 창 크기를 조정할 때 우선순위 관리를 사용한다. 또한 사용자가 자주 사용하는 앱이나 서비스를 디스플레이 화면 상단의 액세스 하기 쉬운 옵션에 끌어다 놓기만 하면 구성할 수 있다. 또한 이머전 코퍼레이션은 코스닥 상장사인 자동차 부품 생산 기업 우리산업과 '햅틱 기술' 다년 사용 계약을 체결했다. 우리산업은 이머전 햅틱 기술을 적용한 자동차용 터치스크린을 생산해 완성차 업체에 납품할 계획이다. 우리산업은 경기도 용인과 평택에 각각 본사와 생산공장을 둔 완성차 2차 공급 업체로 차량용 HVAC(Heating·Ventilation·Air Conditioning, 난방·환기·공기조화) 시스템이 주력 제품이다. 우리산업의 주요 거래처로는 한온시스템, 현대모비스, 두원공조 등이 있다. 우리산업은 덴소, BEHR 등 해외 기업에도 납품하고 있다. 특히, 우리산업은 중국 전기차 업체 니오와 샤오펑, 미국 전기차 스타트업 카누, 리비안 등에도 부품을 공급하고 있다.

알프스전기

알프스전기는 햅틱 기술을 적용한 운전대와 페달, 기어 시스템인 햅틱 코멘더를 개발한 일본 기업이다. 이 시스템은 자동차 바퀴에 달린 센서를 통해 노면의 상태를 감지한 뒤 운전대에 달린 햅틱 장치를 통해 페달에 저항감을 줘 운전자가 노면 상태를 느낄 수 있게 한다. 또 바퀴가 차선을 벗어나거나 졸음운전을 하는 경우에는 운전대를 통해 경고 진동을 주거나 동작을 멈추게 해 안전성을 향상시켰다. 또한 멀리 떨어져 있는 작업 환경에서 사람이 햅틱 장치를 이용해 로봇을 조작하면 원격지의 환경을 판단하면서 조작자의 의지대로 작업을 수행할 수 있다. 이런 기술을 이용하면 우주나 원자로, 심해 등 극한 환경에서의 작업을 더욱 원활하게 할 수 있을 것이다. 최근에는 수술용 기구로 피부를 절개하거나 장기를 다룰 때의 촉감까지도 만들어내는 의료용 햅틱 장치들이 등장하고 있다.

㈜동운아나텍

㈜동운아나텍은 시스템 반도체의 수많은 적용 분야 중 스마트폰 카메라용 AF 드라이버 IC를 주력으로 개발하는 회사이다. 글로벌 경쟁력을 갖춘 AF 드라이버 IC 이외 국내 최초로 개발된 OIS 컨트롤러 IC, 다양한 컨슈머 기기에 적용할 수 있는 햅틱 드라이버 IC, 하이테크 기술력을 담은 ToF 드라이버 IC 등 글로벌 시장에서 인정받는 기술력을 보유하고 있다. 동운아나텍은 2020년 제네시스 G80을 시작으로 GV80, GV60에 이어 G90까지 현대자동차㈜에 햅틱 집적회로(IC)를 공급했다. 동운아나텍은 향후 햅틱 기술이 적용되는 자동차 인터페이스가 늘어날 것으로 기대한다. 차량 한대 당 최대 10개 이상 햅틱 IC 적용 가능성이 제기된다. 동운아나텍이 글로벌 반도체 기업을 제치고 제네시스 최고급 모델 납품에 성공한 건 기술력이 한몫했다. 회사는 스마트폰 자동초점, 흔들림 방지, 햅틱용 반도체 개발로 축적한 기술력과 함께 햅틱 원천 기술을 보유한 이머전과 손잡고 차량용 햅틱 IC 사업을 전개하고 있다. 뛰어난 위탁생산 파트너십을 확보한 것도 경쟁력이다. 최근 차량용 반도체 공급 부족으로 파운드리 병목 현상이 발생했다. 완성차 업체에 반도체 제품을 제때 공급하지 못해 자동차 생산에 차질을 빚는 상황이다. 동운아나텍은 2021년부터 2022년까지 고객 수요에 대응할 수 있는 파운드리 양산 라인을 안정적으로 확보했다. 주문 물량이 확대돼도 지속 공급이 가능하다. 동운아나텍은 차별화한 경쟁력을 앞세워 국내뿐 아니라 미국과 유럽 자동차 시장도 공략한다. 동운아나텍은 2021년 북미 전기차 회사에 햅틱 IC 공급 사업을 수주한 바 있다. 2023년 양산 차량에 적용된다. 또 유럽 유명 전장 부품 업체와도 햅틱 IC 공급을 논의하고 있다. 기술유지협약(NDA)을 체결하고 납품 수량과 시점을 협의하고 있다. 이미 상당한 논의가 진척된 것으로 알려졌다. 이번 계약이 성사되면 유럽 완성차 시장도 본격 진출할 것으로 보인다. 제네시스 90 등 최고급 모델 공급 레퍼런스가 사업 확대에 주효한 것으로 평가된다.

참고자료

• ㈜동운아나텍 공식 홈페이지 - http://dwanatech.com/company/
• 〈디지털 촉감의 창조자, 햅틱〉, 《네이버 지식백과》
• 〈(오토저널) 자동차용 햅틱 기술 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2018-05-08
• 정진구 기자, 〈(MECHANISM) HAPTIC | 이젠 자동차도 ‘햅틱’이다!〉, 《월간중앙》, 2015-10-26
• 류준영 기자, 〈글로벌 완성차가 돈다발 들고 찾는 전기차 시대 '신병기'[테크업팩토리]〉, 《머니투데이》, 2021-03-17
• 〈포레시아, 이머전 자동차용 햅틱 기술 라이선스〉, 《AEM》, 2021-02-09
• 〈햅틱, 터치스크린의 신기원을 열다〉, 《한국전자통신연구원》, 2021-05
• 권동준 기자, 〈동운아나텍, '제네시스 G90'에 햅틱 IC 공급〉, 《전자신문》, 2022-01-24
• 김미영 기자, 〈우리산업, 美 이머전과 햅틱기술 다년 사용 계약 체결〉, 《비즈니스플러스》, 2021-02-14

같이 보기

• 촉각
• ADAS

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