Nikkei Automotive_2017.12 특집요약 (p78~83)

차세대 HMI (Human Machine Interface)
시각·청각에서 진동과 촉각으로 전달한다

시각과 청각에 의지해 온 자동차의 HMI(Human Machine Interface)에 새로운 전달 수단이 추가된다. 자동차회사가 주목하기 시작한 것은 촉각이다. 진동을 활용함으로써 안전성과 쾌적성을 높일 수 있다. 디스플레이에 적용하는 것은 독일 아우디가, 시트에 적용하는 것은 미국 GM이 앞서고 있다. “진동은 억제하는 것”이라는 전제는 과거의 것이 되었다. 진동을 자기 편으로 만들려는 기업들의 대응 방법을 따라가 보았다.

적극적으로 진동한다. 자동차 실내에 새로운 ‘전달 수단’이 침투하고 있다. 변혁이 이루어지는 곳은 운전석이다. 터치 스크린의 탑재가 당연시되면서 고도의 운전지원시스템이 보급되었다. 사람과 차량이 정보나 의사를 서로 전달하는 HMI의 중요성은 계속 늘어나고 있다. 쾌적성과 안전성의 양면에서 세대 교체의 기운이 높아지고 있다. 2020년 무렵에는 자동차 실내의 HMI는 일변할 것 같다.

차세대 운전석의 키워드는 ‘진동’이다. 지금까지 자동차회사는 엔진이나 노면에서 전달되는 진동을 가능한 억제하기 위해 모든 노력을 기울여왔다. 도로의 연석 위로 올라갔을 경우는 ‘도로 정보’로서 운전자에게 전달은 하지만 스스로 진동을 만들지는 않았다.

시각과 청각에 의지해 온 HMI는 앞으로는 적극적으로 촉각을 자극하여 운전자와 커뮤니케이션을 하게 된다.  알기 쉬운 것은 터치기능이 있는 디스플레이다. 화면에 촉각피드백 기능을 부여함으로써 평면 디스플레이지만 물리 버튼과 같은 조작 감각을 실현할 수 있다. 독일 BMW의 HMI 담당자는 “조작했다는 실감을 주는 것이 중요하다”라고 설명한다.

독일 아우디는 2017년에 발매한 신형 세단 ‘A8’ ‘A7’에, 촉각피드백 기능을 갖춘 센터디스플레이를 채용하였다. 오디오나 내비게이션 설정 외에 공조나 시트의 조정도 디스플레이가 담당한다. 조작을 위해 디스플레이를 응시하는 빈도를 줄일 수 있다고 한다.

시트나 스티어링 휠에도 액추에이터를 내장하여 촉각을 활용하도록 한다. 최대 목적은 안전성 향상이며 운전지원시스템과 연동시킨다. 충돌 등의 위험이 다가오는 방향을 알 수 있도록 진동을 줌으로써 직감적으로 알 수 있도록 한다.

-- 다음의 한 수를 둔 아우디 --
‘200km/h의 속도로 아우토반을 달리고 있으면 터치스크린 조작은 불가능하다. 물리 버튼만이 답이다”. 10년 전, 독일 자동차회사의 기술자들 사이에서 오고 간 대화다. 그러나 이것은 이제 옛날 이야기가 되었다. 아우디가 2017년 10월에 발표한 A7이 시대의 변화를 여실히 표현하고 있다. 물리 버튼을 줄여 세련된 인상을 준다.

2010년에 터치 기능이 있는 디스플레이를 자동차 실내에 도입한 아우디는 “다음의 한 수를 둬야 할 단계에 왔다”(Development Control Concepts의 Ulrich Muller 씨)라고 판단. 신형 A8이나 A7부터 촉각 피드백 기능을 추가한 ‘MMI touch response’를 도입하였다.

MMI touch response에 대응한 디스플레이를 터치하면 버튼을 누른 것 같은 반동의 힘이 되돌아 온다. 동시에 클릭 소리를 냄으로써 더욱 조작에 대한 실감을 높였다. 디스플레이 모듈에 촉각 피드백용 액추에이터를 내장한다. Muller 씨에 따르면 “진동은 3단계의 강도가 있어 기능에 따라 구분 사용한다”라고 한다.

-- 물리 버튼에서 디스플레이로 --
물리 버튼을 줄이게 되면 제약이 많았던 차량 실내의 디자인 자유도가 높아진다. 터치 조작에 익숙한 ‘스마트폰 세대’와의 궁합도 좋다. 커스터마이즈성도 향상된다. 디스플레이라면 소프트웨어의 변경으로 화면 및 버튼의 레이아웃을 변경할 수 있기 때문이다.

커넥티드 카를 대표로 하는 고기능 자동차의 등장도 디스플레이의 채용에 박차를 가한다. 운전자의 조작이 필요한 기능은 늘어나는데 추가할 수 있는 물리 버튼의 수는 한계가 있다. 그 증거로 테슬라는 조작의 대부분을 대형 디스플레이에 의존한다. 도요타자동차는 커넥티드 카의 기능을 많이 내장한 ‘프리우스 PHV’에서 11.6인치 디스플레이를 채용하였다.

물리 버튼은 확실히 감소하는 경향이지만 터치 패널 조작은 더 익숙해질 필요가 있다. 게다가 물리 버튼과 달리 정확히 조직했는지에 대한 불안을 느끼는 경우가 있다. 자주 디스플레이에 시선을 뺏겨 안전성을 해친다면 본말전도다.

조작감을 연출하는 방법으로서 회전 다이얼을 추천하는 의견도 있다. 영국 재규어 랜드로버(JLR)의 SUV ‘레인지로버 벨라’는 많은 물리 버튼의 기능을 디스플레이로 변환하면서도 2개의 회전 다이얼을 남겨 두었다. 촉각 피드백 기능을 갖추고 있지 않다.

한편 아우디는 A7에서 4개 사용했던 회전 다이얼을 신형차에서는 1개로 줄이고 디스플레이에 촉각 피드백 기능을 추가하였다. 어떻게 운전자에게 ‘조작했다는 실감’을 느끼게 할 것인가? HMI가 차세대로 이행하는 과도기인 만큼 각 사가 다양한 아이디어를 제안하기 시작하였다.

-- 울퉁불퉁, 까칠까칠 등 표현 가능 --
시대의 요청으로 보급 기세가 높아진 디스플레이의 촉각 피드백 기능. 점차 중요해지는 것이 표현력이다. 독일 보쉬는 모양 별로 다른 촉감을 실현한 기술을 개발하였다. 2019년에 양산을 개시할 계획이다.
울퉁불퉁한 부분, 매끄러운 부분, 모양이 들어간 부분 등 다양하게 변화시킬 수 있고, 각각에 다른 버튼이나 기능을 부여할 수 있다. 터치 스크린이지만 물리 버튼처럼 감촉을 제공해서 “운전자는 디스플레이를 보지 않아도 손가락의 감촉으로 버튼의 종류를 식별할 수 있게 된다”(보쉬 담당자)고 한다.

터치 스크린 표면을 만지거나 누르면 스크린에 모양에 맞춰 다양한 촉각(울퉁불퉁, 까칠까칠 등)을 제시할 수 있다. 예를 들면 세로줄 모양 영역에서는 손가락으로 만지는 방향에 따라 다른 감촉을 느끼게 하였다. 세로 모양 부분을 좌우로 만지면 울퉁불퉁한 저항감이 있는 촉각을 느낀다. 한편 상하로 만지면 세로 모양에 맞기 때문에 저항감 없이 손가락을 움직일 수 있었다.

-- 편심 모터에서 리니어, 피에조로 --
촉각 피드백 기능을 실현하는 전자부품 개발 경쟁도 과열되고 있다. 다채로운 촉감을 피드백하기 위해서는 응답 시간이 짧고(기동이 빠르고), 진동의 진폭과 주파수를 고정밀로 치밀하게 제어할 수 있는 액추에이터가 필수다. 그러나 지금까지 많은 기기에 탑재되었던 편심 모터는 싸지만 응답 시간은 100ms 전후로 길고, 진동이 단조로워서 한정된 촉감밖에 표현할 수 없었다.

이 상황이 크게 변하고 있다. 전자부품 제조업체가 리니어 액추에이터나 피에조 액추에이터의 개발에 주력하기 시작하였다. 둘 다 편심 모터와 비교하여 고가지만 응답 시간이 짧다. 게다가 진동의 진폭과 주파수를 치밀하게 제어할 수 있기 때문에 다채로운 촉감을 표현할 수 있다.

리니어 액추에이터는 다른 방식과 비교하여 울퉁불퉁한 요철감을 피드백하기 쉽다는 이점이 있다. 알프스전기는 내부의 추를 진동시켜 진동을 얻는 ‘공진형’을 개발한다. 가로 방향뿐 아니라 세로 방향으로도 진동시킨다.
응답성이 뛰어나고 진동의 진폭과 주파수를 치밀하게 제어할 수 있는 촉각 피드백 부품으로서 피에조 액추에이터도 있다. 기동 시간이 더 짧고 보다 얇다. 단, 구동 전압이 100V 이상으로 높다는 문제가 있다.

이 과제를 개선한 것이 TDK다. 진동판의 한쪽 면에 적층형 피에조 소자를 장착한 구조를 채용한다. 적층형으로 한 결과 구동 전압을 24V까지 내릴 수 있었다. 기동 시간은 4ms로, 일반적인 리니어 액추에이터의 절반 정도로 짧다. 두께는 0.35mm로 얇다.

-- 디스플레이는 평면에서 공간 속으로 --
2025년 이후로 눈을 돌리면 디스플레이는 평면에서 공간 속으로 나올 것이다. 2017년 1월에 개최된 일렉트로닉스의 총합전시회 ‘CES 2017’에서 BMW나 보쉬, 센소 등이 잇달아 ‘공중 디스플레이’를 제안하였다. 공간에 허상을 비쳐서 손가락을 뻗으면 터치한 것 같은 감촉을 얻을 수 있다.

자율주행 중에 좌석을 뒤로 젖히면 디스플레이에 손이 닿지 않게 된다. 그 문제를 해결할 수 있는 것이 손의 움직임을 통한 제스처 조작으로, 초음파를 사용하여 조작 실감을 부여하도록 하였다. BMW나 덴소가 소개한 기술의 원류는 도쿄대학 대학원 신영역창성과학연구과 시노다(篠田) 교수의 연구 그룹에 있다. 공중에 표시한 허상의 위치에 손이 왔을 때, 그곳에 초음파를 집중시켜 음향방사압을 발생시켜 손가락 끝을 누르는 구조다. 주파수 40kHz의 초음파를 손가락 끝의 직경 1cm 정도의 영역에 집중시킨다.

-- 시트의 진동으로 정보 전달 --
디스플레이와 나란히 자동차회사가 진동 기능을 내장하려는 곳은 시트다. 운전지원시스템과 연동하여 운전자에게 주의를 환기하는 것이 큰 목적이 된다. 차선 일탈이나 후방 차량이 접근할 때, 현행 차량은 소리와 표시로 경고한다. 스티어링을 놓고 운전하면 마찬가지로 경고가 나온다. 그러나 큰 음량으로 음악을 듣거나 동승자와 대화를 하고 있으면 눈이나 귀로 경고가 들어오지 않는 경우가 적지 않다.

그러나 시트의 경우는 반드시 운전자의 허벅지나 엉덩이에 닿는다. 진동으로 경고를 하면 운전자의 촉각을 직접 자극해서 정보를 전달할 수 있다. 실용화에서 앞서고 있는 GM은 “시끄러운 환경이나 청각이 약한 사람이라도 효과적으로 경고할 수 있다”라고 설명한다. 운전자에게만 전달된다는 점도 중요한 포인트다. 경고음이 많이 울리면 동승자에게 불안을 줄 수 있다. “경고음을 싫어해서 운전지원시스템을 오프로 하는 사람도 있다”(GM 관계자).

GM은 시트를 진동시켜 경고하는 기능 ‘Safety Alert Driver Seat’를 고급차 브랜드 ‘캐딜락’에 2013년에 처음 채용하였다. 그 후, GM 산하의 브랜드에 널리 채용하고 있다. 현재, 캐딜락 브랜드는 모든 차량에서 표준 탑재한다. 2017년 10월 중순, GM의 중형 SUV ‘XT5 CROSSOVER’를 타고 고속도로를 주행해 보았다. 앞차와의 차간 거리가 너무 가까워졌을 때 허벅지에 강한 진동을 느꼈다. 충돌의 위험을 예지하고 알려 준 것이다. 전원은 의자 좌우에 내장된 2개의 편심 모터다. 전방 혹은 후방 충돌 가능성이 있는 경우는 좌우 동시에 진동한다. 차선을 일탈하면 일탈된 쪽의 모터가 진동한다.

2017년 가을에 실용화하는 고속도로에서의 핸즈프리 주행기능 ‘Super Cruise’에서도 중요한 역할을 담당한다. Super Cruise는 고속도로에서 속도 제어와 조타를 자동화한다. 운전자가 전화를 걸거나 오디오를 조작하는 것과 같은 단시간의 작업이라면 운전자가 스티어링에서 손을 떼도 자동 주행한다.

-- 운전자의 각성과 착각에도 사용 --
진동 기능이 있는 시트는 앞으로 다른 자동차회사에도 채용이 확산될 것 같다. Tachi-S는 액추에이터를 내장한 시트를 Clarion과 공동 개발하여, 2019년에 양산을 시작한다. 보이스 코일과 자석으로 구성되는 ‘Exciter’라는 구동 회로를 사용하여 진동을 만든다. GM이 사용하는 편심 모터보다 진동 표현을 다채롭게 할 수 있다. 익사이터의 구조는 스피커에 가깝고, 음향 기술을 보유한 클라리온의 기술을 사용하였다.

익사이터는 시트의 앉는 면과 등 쪽에 2개씩 탑재한다. 예를 들면, 오른쪽 후방에서 추월하는 차량이 접근해 왔을 때, 우선은 오른쪽 등 쪽을 진동시켜 운전자에게 상황을 알린다. 차량이 더욱 근접해 온 경우는 앉은 쪽 시트의 오른쪽을 진동시켜서 주의를 촉구한다. 익사이터로 발생시킨 진동은 접속된 금속 막대에 전달된다. 금속 막대의 한 쪽만 진동시키거나, 진동 장소를 이동시키거나 할 수도 있다.

시트의 진동을 경고 이외에 활용하는 아이디어도 있다. 기대되고 있는 것이 졸음을 깨울 때다. 자율주행 레벨이 올라감에 따라 운전 조작이 줄면서 할 일이 없어 무료해진다. 긴장감이 떨어져 졸음이 오기 때문에 각성해주는 기술이 요구되고 있다.

촉각 기술로 유명한 나고야공업대학의 다나카(田中) 교수는 진동을 잘 활용함으로써 “운전자를 착각시킬 수 있다”라고 말한다. 고속도로를 벗어났을 때를 예로 들 수 있다. 고속도로에서 달린 감각이 남아 있기 때문에 속도를 초과하기 쉽다. 저속으로 달려도 고속으로 달리고 있는 것 같은 강한 진동을 시트를 통해 전달함으로써 속도를 낮추는 것을 지원한다.

-- 스티어링에도 촉각 피드백 --
디스플레이나 시트에 이어 진동 기능의 탑재가 요구되는 것이 스티어링 휠이다. 운전자와 접촉하고 있다는 점에서 시트와 마찬가지로 정보를 전달하기 쉽다. 활용 방법도 기본적으로는 시트와 같다. 차선을 일탈한 쪽의 스티어링 휠을 진동시킨다. 현재는 스티어링 휠은 진동 파워 스티어링(EPS)으로 진동을 발생시키고 있다. 보다 풍부한 표현을 원하면 피에조 액추에이터를 내장하는 것이 유효할 것이다. EPS와는 달리 한 쪽 손만을 자극할 수 있다.

스티어링 휠에 배치한 버튼에 촉각 피드백 기능을 부여하는 선택지도 있다. 특히, 운전지원시스템을 작동시키는 버튼에 적용하는 것을 기대하고 싶다. 현행 차량에서는 버튼이 작아 누르기 위해서 눈으로 찾아야 한다. 운전지원시스템을 사용하기 전에 한눈을 팔게 되는 것이다.

시각이나 청각의 뒤를 이어 탑재되기 시작한 ‘촉각 HMI’. 진동을 사용하는 방식에 따라 자동차의 안전성이나 쾌적성에 큰 차이가 생긴다.

  -- 끝 --