전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2017.6 특집(p23~44)

귀 안에 작은 컴퓨터
Hearable이 세상을 바꾼다

제1부. 전체동향
귀 안에 ”비서”가 상주, 동시통역부터 결재까지 해결

일찍이 사람들의 라이프 스타일을 바꾼 소니의「Walkman」을 뛰어 넘는 센세이션을 불러일으킬「히어러블 단말기」로 불리는 이어폰형 컴퓨터가 연달아 출시되고 있다. 동시통역 기능 및 음성 인터페이스를 사용한 ”비서” 기능 등이 탑재되기 시작했으며, 최근 주춤하고 있는 웨어러블 단말기의 불투명한 전망에 대한 우려를 불식시키는 제품군으로 떠오르고 있다.

귀에 장착하는 초소형 컴퓨터「히어러블 단말기」의 시장이 급격히 성장하고 있다. 선두를 달리는 것은 스마트폰 및 음악 플레이어 등의 무선 헤드폰이나 무선 이어폰, 스마트폰 등과의 연계기능을 높인 청취기 등이 있다. 그 중에서도 특히 각광을 받고 있는 것이 좌우의 스피커를 연결하는 전선까지도 없앤「완전 무선 스테레오(TWS: Truly Wireless Stereo)」라고 불리는 제품군이다.

-- 역사는 사실상 1년반 --
TWS이어폰은 등장한지 얼마 안 된다. 한쪽 귀에만 대응했던 블루투스 헤드셋은 이전부터 있었지만, 양쪽 귀에 대응한 TWS이어폰은 2008년에 독일의 오디오기기 제조업체인 SENNHEISER사가 발매한「MXW1」이 처음이었다. 그러나 당시에는 이용자의 폭넓은 지지를 얻지 못하여 단발성 제품으로 끝났다.

TWS이어폰의 이와 같은 흐름의 시작은 사실상 1년반 전으로 거슬러 올라간다. 2015년 12월에 스웨덴 Epickal사가 개발하여 EARIN사가 판매하는「EARIN M-1」, 계속해서 2016년 1월에 독일의 Bragi사의「THE DASH」가 등장해서부터 제품이 폭발적으로 늘어나기 시작했다. 현재는 미국 등에서 출하되는 제품만 40제품이 넘는다. 개발중인 것도 포함하면 60개가 넘는다.

TWS이어폰이 급증한 배경 중 하나는 미국 애플사가 스마트폰「iPhone 7」에서 이어폰용 단자를 제거했기 때문이다. 실제로 많은 벤더가 세계에서 2억대 판매가 예상되는 iPhone7의 특수를 기대하여 2016년 가을에 일제히 무선 이어폰, 특히 TWS이어폰을 발매했다.

-- 3년 후에는 전세계 5조엔 시장으로 --
이와 같은 히어러블 단말기에 대한 사람들의 관심은 높다. 예를 들어 미국의 크라우드펀딩(CF)에 출전한 히어러블 단말기 약 40종류에 대한 “투자액”은 약 3,000만 달러(약 34억엔)를 넘어섰다.

이미 발매가 끝난 Apple사의「AirPods」를 포함한 몇 가지 제품도 상당히 인기가 많아 품귀현상인 제품이 많다. 무선 해드폰 등을 포함한 히어러블 단말제품 시장 전체는 2020년에 2016년의 4배인 약 5조엔 정도가 될 것이라는 추측도 있다.

-- 일본 제조업체는 부가기능으로 승부 --
-- 음악 재생기능이 없는 제품도 --

-- 귀에 “비서”가 상주하는 세계로 --
히어러블 단말의 용도는 보다 확대될 것으로 예상된다. 이미 스포츠의 코칭, 업무의 스케줄 관리, 뉴스 및 메일의 낭독 기능 등을 갖춘 제품은 있다. 매일 건강진단 외에도 외출 시 목적지를 안내해 주는 제품의 개발도 시작되고 있다. 히어러블 단말기는 이용자가 있는 장소 및 무엇인가를 상세하게 파악하여 적절한 정보를 음성으로 전달해 주는 비서 및 집사와 같은 존재가 될 것으로 보인다.

-- 웨어러블 단말기의 핵심 상품으로 --
히어러블 단말기가 대상으로 하는 용도는 웨어러블 단말기와 일부 겹치게 된다. 시각을 이용하는 AR안경 및 VR고글, 손목에 장착하는 시계형 단말기, 셔츠 신발 등에 장착하는 GPS포함 심박계 등이 그것이다. 이것들의 시장은 성장이 정체 상태에 직면하고 있다. 그렇다면 히어러블도 같은 전철을 밟게 되는 것일까?

많은 기업은 지금이야말로 시장이 살아난다고 기대하고 있다. 귀로 이용하는 히어러블 단말기라면 기존의 웨어러블 단말기의 과제가 해소되어, 새로운 가능성을 열 수 있기 때문이다.

-- 귀의 기능을 확장으로 --
히어러블 단말기의 벤더 대부분이 그렇게 말하는 근거는 크게 3가지가 있다. (1)적용 가능성이 높다는 점 (2)AR안경과 VR고글과는 다르게, 장착시의 신체 부담이 적고 사회적 저항감이 낮다는 점 (3)손목시계형 단말기에 비해 생체신호를 측정하기 쉽다는 점을 들 수 있다.

제2부. 센서 / 음향기술
센서에 복수의 역할, 소형 그대로 고부가가치 창출

히어러블 단말기, 특히 TWS이어폰에는 귀에 들어갈 것 정도의 상당히 작은 케이스 안에 음악재생 이외의 많은 기능을 탑재시켜 부가가치를 높이는 것이 요구되고 있다. 이에 대한 각 업체의 전략은 센서 1개에 복수의 기능을 갖추게 하는 것이다. 어떤 기능이 탑재 가능한지를 소개하겠다.

「한번 무선이어폰을 쓰기 시작하면 그 후로 선이 있는 이어폰을 쓸 수 없게 된다」---. 한 이용자는 그 편리함에 대해 이렇게 말했다. 좌우 이어폰의 접속 선을 없앤 완전 무선(TWS)이어폰은 또한 사용감도 크게 바꿀 것으로 보인다.

-- 과제는 부가가치와 소형화 양립 --
그러나 TWS이어폰이 넘어야 할 기술 개발의 벽은 높다. 과제는 2가지 있다. 첫 번째는 음악재생을 뛰어 넘는 부가가치를 어디까지 높일 수 있을 지다. 다른 하나는 귀에 장착하는 이상, 사이즈에 상당한 제약이 있다는 것이다.

2가지 과제는 서로 연관성이 있으며 한쪽이 전진하면 다른 한쪽도 개선된다. 예를 들어 TWS 이어폰의 부가가치를 높이는 소자 및 생체신호 센서는 1개로 복수의 기능을 실현할 수 있는 것이 많다. 용도 및 기능마다 센서를 갖추는 것이 아니라, 1개의 센서로 복수의 기능을 실현한다면 다기능화와 소형화를 동시에 달성할 수 있다.

구체적으로는 지금까지의 TWS이어폰에 사용된 주요 소자 및 센서는 크게 3종류가 있다. (1)스피커 및 마이크, (2)LED 및 레이저와 수광소자(PD)로 만들어진 적외선 센서, (3)가속도/자이로/지자기 센서이다. 이 센서들 모두 TWS이어폰의 크기를 그대로 유지하면서 부가가치를 높이기 때문에 기존의 사용법을 크게 넘어 선 다양한 용도가 계속해서 “발굴”되고 있다.

● 스피커와 마이크, NC가 차별화의 무기로
스피커 및 마이크를 사용한 TWS이어폰의 중요한 부가가치 중 하나가 역위상(逆位相)의 음으로 소음을 없애는 엑티브 노이즈켄슬링(NC) 기술이다. 히어러블 단말기, 특히 TWS이어폰의 부가가치를 높이면서 엑티브 NC기능으로 소음을 없애는 방음은 중요하다. 앞으로는 24시간 귀에 장착한 체로 어디까지 일상생활이 가능한 지가 요구되기 때문이다. 생체신호의 취득에 있어서도 하루 1시간이라는 짧은 시간의 이용으로는 충분한 메리트를 기대하긴 힘들다. 소음환경을 포함한 장시간 이용에 의해 음향외상으로부터 귀를 보호하기 위해서는 엑티브 NC기능이 필수이다.

그러나, 기존의 수 십 제품의 TWS이어폰 중, 엑티브 NC기능을 탑재한 제품은 아직 소수에 불가하다. 그만큼 기술적으로 뛰어 넘어야 할 산이 높다고 할 수 있다. 높은 정밀도로 탑재할 수 있다면 타사제품에 대한 차별화가 무기가 될 수 있다. 또한 엑티브 NC의 고정밀도화 기술은 그 밖의 다양한 용도로도 이어질 수 있다.

-- 이 방법으로 Bose사 한발자국 앞에 --
-- 엑티브 NC를 “오더메이드” --
-- 이어폰 모양 등도 맞춤형 --
-- 프로의 스튜디오 음향을 특별 주문으로 재현 --
-- 음향 특성의 차이를 인증에 적용 --
-- 2018년에 귀 안의 “비서”를 실용화로 --
-- 스피커가 동시에 마이크로 --
-- 혈관의 경도(硬度)까지 알 수 있다 --

● 광학식 센서, 턱의 움직임도 검지
근적외LED 또는 레이저 소자(LD)와 PD로 이루어진 광학 센서는 손목시계형 단말기로 맥박을 측정하는데 사용되고 있다. 적혈구 중의 산소와 결합한 헤모글로빈이 높은 적외선 흡광률을 가진 성질을 이용하여 맥박을 검출한다. 독일 Bragi사 및 덴마크 GN Audio사는 이것을 TWS이어폰에 채용했다. 알프스전기도 손목형 단말기용이었던 광학식 센서를 히어러블에 사용하려는 검토를 시작했다.

스피커와 마이크의 경우와 같이 LED/LD와 PD의 조합을 기존의 맥박 이외의 생체신호의 측정에 사용하는 사례가 늘어났다. 예를 들어 외이도(귀의 입구에서 고막에 이르는 관)의 형상의 변화를 광학식 거리센서로 측정하여 턱의 움직임이나 눈의 깜박거림, 안구의 움직임 등을 검출하는 기술이다. 개발한 것은 이어폰형 및 귀걸이형 컴퓨터「이어러블(earable)」이 사회를 바꾼다고 보고 있는 히로시마 시립대학 강사인 다니구치(谷口) 씨. 측정에는 외이도의 형상이 변형되면 그에 따라 광학식 거리센서의 수광량이 변화하는 것을 이용했다.

-- 혈류량으로 자립신경 운동을 파악 --

● 가속도 센서를 핸드 프리 실현에 이용
가속도/자이로/지자기의 3~9축 센서는 손목형 단말기로는 주로 보행 수나 주행 스피드를 측정하는 목적으로 사용되고 있다. 히어러블 단말기에서는 다른 용도로도 사용되기 시작했다. 그 기술을 개발한 것이 스마트폰의「Xperia」시리즈 등을 발매한 소니 모바일 커뮤니케이션즈(SOMC)이다. SOMC는 2016년 9월에 발매한 한쪽 귀형의 블루투스 헤드셋「Xperia Ear」에 가속도/자이로의 6축을 탑재했다. 용도는 조작용 인터페이스. 고개 끄덕임 및 고개 젓기 등의 목 움직임을 감지하여 헤드셋을 조작하는 기술이다.

-- 만원 전차 안에서도 조작 가능 --
-- 발화(發話)감지를 가속도 센서로 실현 --

제3부. 분해에서 보는 실장기술
수 그램의 초소형 PC 보청기의 부품이 활약

귀에 장착하는 TWS이어폰은 히어러블 단말기 안에서도 탑재하는데 걸림돌이 많다. 대표적인 몇 가지 제품을 분석해본 결과, 그 “선도적 역할”인 보청기용 부품 및 통신기술을 이용한 연구가 눈에 띄었다. 향후 고기능화를 향한 몇 가지 과제도 보이기 시작했다.

히어러블 단말기, 특히 완전 무선 스테레오(TWS)이어폰은 1~2cm전후의 수 그램으로 상당히 한정된 사이즈와 무게의 초소형 컴퓨터라고 할 수 있다. 그 중에서는 32비트 84㎒ 동작과 비교적 고성능의 마이콤 및 4G바이트의 대용량 메모리를 탑재한 제품도 있다. 초소형 개체에 많은 기능과 높은 신뢰성을 확보하면서 탑재시킨다는 것은 다양한 전기기기를 생산해 온 제조업체에게도 설계력을 필요로 하는 어려운 문제이다.

탑재에 있어서 큰 문제는, (1)소형화와 다기능화 및 배터리 대용량화의 양립, (2)좌우 이어폰간의 무선통신을 어떻게 실현시키는지, (3)수납겸 충전기와 이어폰간의 전기적 접촉의 안정적 확보라는 3가지가 있다. (1)의 해결책은 제2부에서 소개한 바와 같이 1개의 센서를 복수의 용도로 사용하는 것이 기본이 된다. 배터리에 관해서는 디자인을 고려하여 배터리 및 안테나 공간을 확보하는 동시에, 무선IC 등을 독자적으로 설계하여 소비전력을 줄여 배터리 수명을 늘린 사례도 있다. 미국 애플사의 AirPods가 그 대표적인 예이다.

-- AirPods는 저소비전력 성능이 뛰어나다 --
AirPods의 배터리 용량은 93mAh. 음악재생은 연속 5시간으로 되어있기 때문에 음악 재생 시의 소비전류는 18.6mA이다. 한편, 타사의 TWS이어폰은 25m~30mA으로 AirPods의 저소비전력이 눈에 띈다. 애플사가 AirPods 등의 전용으로 개발한 저소비전력 블루투스 IC「W1」의 효과라고 볼 수 있다.

한국 삼성전자의「갤럭시 기어 IconX (IconX)」는 블루투스 경유의 음악연속 재생은 약 1.6시간으로, 29.4mA로 저소비전력 성능은 떨어진다. 그러나 IconX에 탑재한 4G바이트의 메모리에서 음악을 재생할 경우에는 연속 3.8시간 이용할 수 있어 같은 12.4mA로 AirPods보다 저소비전력이다.

-- 보청기용 배터리의 채용 사례가 계속된다 --

-- 이어폰 사이의 통신방식은 3종류 --
TWS이어폰 탑재 시의 과제 중 하나인 (2)이어폰간 무선 접속에 대해서는 독립형, 바이패스형, 그리고 NFMI형의 크게 3가지 방법이 있다. 첫 번째인 독립형에서는 좌우의 이어폰이 각각의 블루투스 단말기로써 독립으로 작동한다. 과제는 소비전력이 크며, 전파 환경에 따라서는 스테레오 기능이 보증되지 않는다는 점이다. 만약 이어폰간에 통신할 경우에는 스마트폰을 통해야만 한다.

-- AirPods는 좌우의 역할을 바꾸는 걸까? --
두 번째인 바이패스형에서는 스마트폰 및 음악 플레이어와의 통신은 좌우 이어폰의 어느 쪽이든 한 쪽이 담당. 또한 그 이어폰이 다른 한쪽의 이어폰에게 데이터를 전송한다. 이 방법을 채택한 것은 스웨덴의 EARIN사의 최초제품「EARIN M-A」, Rowkin사의「Rowkin Bit Stereo」등이다. AirPods도 이 방식이라고 추정된다.

-- NFMI형이라 수중에서도 사용 가능 --
세 번째인 NFMI형에서는 스마트폰과는 좌우의 이어폰 중 어느 쪽이든 간에 블루투스로 통신하지만, 이어폰간에는 NFMI라는 통신기술을 사용한다. NFMI는 보청기에 사용되어 온 전자기 유도를 기반으로 한 통신기술이다. 장점은 블루투스 및 무선 LAN 등의 전파와 경합하지 않는다는 점과 인체 및 물에 의한 흡수가 거의 없는 자기장 중심의 무선이기 때문에 수중에서도 이용이 가능하다는 점이다.

-- 향후, 고해상도 대응이 과제 --
한편, NFMI에는 해결해야 할 과제가 있다. 하나는 안테나인 전자기유도 코일이 비교적 크다는 것이다. 예를 들어 Bragi사의 THE DASH에 채택된 코일의 사이즈는 5㎜ x6㎜ x2㎜. 현시점에서는 NFMI송수신 IC도 블루투스의 IC와는 별도로 필요하기 때문에 Rowkin사 및 Erato사 동급의 세계 최소급의 TWS이어폰으로의 실현은 공간 구조상 어려울 것으로 보인다.

또 다른 하나는 네덜란드 NXP Semiconductors사의 사양으로는 데이터 전송속도가 596k비트/초로 약간 느리다는 것이다. 최근 등장한 블루투스용 광대역 코덱인「aptX HD」및「LDAC」를 Full로 사용하기 위해서는 대역이 부족할 가능성이 있다. 그러나, 좌우의 어느 쪽이든 한쪽이 신호를 전송하면 해결될 것으로 보인다.
-- Jabra는 좌우의 기판 구성이 다르다 --

-- 충전은 무선으로 되는가 --
(3)의 TWS이어폰의 수납 겸 충전기와 이어폰 간의 전기적 접촉의 안정성 확보가 실현되어있지 않은 제품도 많다. 간단하게 생각하는 한편, 사용이 편리한 것과는 이율배반적이기 때문이다. 제조업체의 대책 중 하나는 접속단자를 늘리는 것이다. THE DASH 및 IconeX에서는 5단자까지 늘렸다.

가까운 미래에는 스웨덴의 TRUU사가 개발중인 제품처럼 무선으로 충전하는 제품도 등장할 것이라고 한다. 단자가 필요 없으며 방수성도 확보하기 쉽다는 장점이 있다.

   -- 끝 --