전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2017.04. 특집요약 (p25~46)

촉각 피드백 혁명
새로운 UI로 기기의 부가가치 창출

Part 1. 전체동향
Switch에서 시작하는 UI혁신, 스마트폰에서 자동차∙가전으로

인간의 피부에 있는 수용기관을 자극하여 촉각이나 역각(力覺), 압각과 같은 감각(촉감)을 주는「촉각 피드백」기능. 현재는 일부 스마트폰이나 게임기에 채용하고 있지만, 앞으로는 다양한 전자기기로 그 저변을 넓혀나갈 것 같다. 촉각 피드백 기능이 전자기기의 유저 인터페이스(UI)에 혁명을 초래한다.

「이렇게 리얼한 촉각 피드백 기능을 갖춘 게임기는 지금까지 없었다. 게다가 영상과 음악을 조합하면 재미있는 게임을 만들 수 있을 것 같다」(OVER FENCE의 가쓰키 회장).

이렇게 게임 개발자를 흥분시키는 새로운 게임기기는, 2017년 3월에 발매된 닌텐도의 거치형 게임기「Nintendo Switch」다. 컵에 얼음을 넣을 때의 감각과 같은 섬세한 촉감까지 재현할 수 있다고 하는「HD진동」기능을 컨트롤러에 탑재하여 리얼한 감각 피드백을 실현하고 있다. 지금까지 촉각 피드백 기능이라고 하면, 전화나 메일 수신을 알려주는 목적이나 스위치나 버튼 대용으로 이용되는 단순한 존재였다. 그러나 Switch에서 사용하는 방식은 지금까지와는 전혀 다르다. 기기의 부가가치를 창출하는 최대 강점으로 자리잡았다.

-- 촉각 피드백을 사용 가능한 수단으로 --
Switch는 앞으로 일어날 대변혁의 서막에 지나지 않는다. 앞으로는 차량탑재 기기나 가전기기, VR용 기기 등 광범위한 용도로, 새로운 부가가치를 창출하는 수단으로서 리얼한 촉각 피드백 기술의 도입이 급속하게 진전될 전망이다. 리얼한 촉각 피드백 기능은 전자기기에 있어서 UI(유저 인터페이스)나 UX(유저 체험)에 큰 변혁을 초래할 잠재력을 갖고 있다. 전자기기의 UI설계 등을 전문으로 하는 Soft Device사의 노노야마 씨는, 촉각 피드백 기능을「UI나 UX의 가능성을 넓힐 중요한 요소」라고 평가한다.

지금까지 전자기기를 조작한 후에 그 입력에 대해 어떠한 형태로든 피드백을 인간에게 전달할 경우, 화면 표시를 변환하거나 윈도우를 팝업하거나 하는 영상변화나, 조작음이나 클릭소리와 같은 음성을 이용하는 것이 일반적이었다. 본래라면 촉각 피드백도 이용할 수 있지만, 모터를 진동시키는 단조롭고 품질이 낮은 촉감밖에 제공할 수 없었기 때문에 거의 이용되지 않았다. 그 결과 영상변화나 음성에 의존할 수밖에 없었다.

특히 촉각 피드백이 적합한 경우에도 음성으로 피드백하는 경우가 많았다. 즉,「어떤 의미에서는 지금은 음성을 지나치게 사용하고 있는 상황」(Soft Device의 핫타 사장)에 있었던 것이다. 그러나 Switch의 HD진동과 같은 리얼한 촉각 피드백을 이용할 수 있게 되면, 영상변화나 음성과 나란히 피드백을 제공하는 유력한 수단이 될 것이다.

-- 차량탑재기기나 가전기기에도 채용 확대 --
-- 몸 안에 촉각 피드백 --
-- 견인 감각을 만들어 길 안내 --
-- 촉각 디자인을 체계화 --

Part 2. 기술동향
높은 응답성으로 다채로운 촉감을, 초음파나 전기자극도 활용

촉각 피드백 기능을 실현하는 전자부품 개발 경쟁이 과열되고 있다. 부품 제조업체가 최근 주력하기 시작한 Linear Actuators나 Piezo Actuators는 기존 부품보다 응답성이 높은 데다가 다채로운 촉감을 제공할 수 있다. 또한, 초음파나 전기자극과 같은 차세대 기술 연구 개발도 진행 중이다. 그 최전선을 따라가 보았다.

리얼하면서도 다채로운 감각을 피드백하기 위해서는 응답시간이 짧고(시작이 빠르고), 진동의 진폭과 주파수를 고정밀도로 치밀하게 제어할 수 있는 Actuators가 필수다. 그러나 지금까지 많은 기기에 탑재되었던 편심모터(Eccentric Rotating Mass)는 저렴하기는 하지만, 응답 시간이 100ms 전후로 길고, 진동도 단조롭고 한정된 촉감밖에 실현할 수 없었다.

그러나 이러한 상황이 조금씩 변하고 있다. 부품 제조업체가 Linear Actuators나 Piezo Actuators의 개발에 힘을 쏟기 시작하였다. 모두 편심모터와 비교하면 고가이지만, 응답시간이 짧은 데다가 진동의 진폭과 주파수를 치밀하게 제어할 수 있기 때문에 다채로운 촉감을 표현할 수 있다.

-- 공진점(共振点)이 2개 --
그 중에서도 앞으로 주류가 될 것으로 보이는 것이「가로(수평) Linear」라고 불리는 Actuators다. 가로 Linear에는,「Lateral Force Field」라고 불리는 현상을 이용함으로써, 다른 방식과 비교하여 요철의 느낌을 피드백하기 쉽다는 이점이 있다. 이러한 현상은, 피부에 수평방향의 큰 진동 가속도를 주면, 피부의 감각기관을 자극하여 평면에서도 버튼을 누르는 감각이나 우툴두툴한 감각을 인간에게 줄 수 있다는 점에 바탕을 두고 있다.

부품 제조업체는 이러한 특징을 갖춘 대가로 Linear Actuators에 다양한 가치를 부여하면서 차별화를 꾀하려고 하고 있다. 예를 들면, 알프스전기는 내부의 추를 공진시켜서 진동을 얻는「공진형」을 취급한다. 가로 방향뿐만 아니라, 세로 방향으로도 공진시키는 Linear Actuators인「Haptic Reactor」를 제품화하고 있다. 동(同) 부품의「Tough Type」의 공진 주파수는 세로(수직) 방향에서 320Hz, 가로(수평) 방향에서 160Hz다. 공진점을 2개 만듦으로써 주파수 스펙트럼을 확장시켜, 다채로운 촉각 자극을 가능하게 한다.

Tough Type의 약 2배의 진동 가속도를 얻을 수 있는「Super Tough」타입도, 2017년 제품화를 위해 개발 중이다. 공진 주파수는 세로 방향에서 100Hz, 가로 방향에서 50Hz. 인간이 역각(力覺)을 쉽게 얻을 수 있다고 하는 100Hz 이하로 하였다.

-- 센서와 조합 --
알프스전기는 촉각 피드백 부품 자체만이 아니라, 유저의 입력을 감지하는 센서와 조합하여 이용하는 것을 제안하고 있다. 예를 들면, 노트북의 조작 패드에 넣는 정전용량 방식의 터치센서와 Haptic Reactor를 사용한다. 노트북의 화면 상에 타일 벽이나 데님 옷감을 띄어놓은 상태에서, 조작 패드에 손가락을 놓고 포인터를 움직이면 그 손가락에 화면 속의 물체를 만진 것과 같은 감각을 패드백한다. 압전(壓電)시트 센서와 Haptic Reactor를 조합하면, 잡는 힘에 따라 촉감을 바꾸는 컨트롤러를 제작할 수 있다.

Haptic Reactor와 Haptic Trigger, 모션 센서를 조합한 컨트롤러도 시작(試作)하였다. 손에 있는 컵에 물을 부었을 때의 감각이나 소다수 기포의 감각, 물이 든 컵을 기울였을 때의 감각 등을 유저에게 제공할 수 있다. 시작용 컨트롤러는 히터와 Peltier Element를 탑재하여, 찬물인지 뜨거운 물인지도 알 수 있다.

-- 그룹 3사 전체가 주력하는 Nidec--
그룹 3사 전체가 가로 Linear Actuators의 라인업 확충을 위해 주력하는 곳은 Nidec(日本電産)이다. 그룹 3사는 Nidec Copal와 Nidec Seimitsu, Nidec Sankyo다. 약간 중복되는 부분도 있지만, 3사에서는 각각 겨냥하는 시장이 구분되어 있다. Seimitsu는 주로 스마트폰이나 태블릿 단말, Copal은 가전제품과 차량탑재기기, Sankyo는 VR기기나 차량탑재기기, 산업기기, 의료기기를 중시한다. 이러한 기기에 대한 채용을 촉구하기 위해 각 사는 제품에 다양한 특징을 부여하고 있다.

예를 들면, Copal이 2017년 여름에 양산을 개시할 예정인 신제품「Deus」에는 크게 2개의 특징이 있다. 하나는 민생기기용 제품에 추가하여 차량탑재용으로 동작온도 범위가 -40~+85℃로 넓은 제품을 준비하였다. 다른 하나는 응답성을 높인 것이다. 진동 가속도를 최대치인 0%에서 50%로 하기까지의 시작 시간이 11ms으로 짧다.

일반적으로 빠른 응답이 요구될 경우, 순간적으로 고전압(오버드라이브 전압)을 인가(印加)하여 시작 시간을 단축한다. 예를 들면, 현행 스마트폰에서는 탑재되어 있는 일반적인 가로 Linear Actuators에 ±7Vrms 정도의 오버 드라이브 전압을 순간적으로 인가하여, 진동 가속도를 최대치인 0%에서 90%까지 시작하는 시간을 10ms 전후로 단축하고 있다. 그러나 ±7Vrms를 인가하기 위해서는 스마트폰용의 파워 매니지먼트 IC와는 별도로 승압회로가 필요하게 된다. 이에 대해 Deus를 사용하면, ±5Vrms의 인가로 진동 가속도를 최대치인 0%에서 90%까지 시작하는 시간을 6ms 정도로 할 수 있기 때문에 이러한 승압회로가 불필요하다고 한다.

Seimitsu는 음악 연동으로 촉각 피드백 부품의 부가가치를 향상시키고자 한다. 스마트폰으로 재생되는 음악에 맞춰, 촉각 피드백 부품을 진동시켜 손에 들고 있는 스마트폰을 통해 촉감을 유저에게 전달한다. 이에 따라 스마트폰으로 음악을 재생하고 있는 경우에, 마치 콘서트장에서 음악을 듣고 있는 듯한 현장감을 제공하는 것을 목표로 한다. 스마트폰으로 게임을 하고 있는 경우에는, 게임 음악과 연동시켜 진동시킴으로써, 게임에 대한 몰입도를 높이는 것도 상정하고 있다.

-- 협조동작이 가능한 드라이버 IC --
-- VCM으로 넓은 주파수대를 실현 --
-- 구동전압을 낮춘 얇은 PIEZO형 --
-- 전기자극이나 초음파를 이용 --
-- 로봇 핸드로 농작물을 잡는다 --

Part 3.「Nintendo Switch」의 분해
곳곳에서 보이는 닌텐도 스타일, 범용품의 사용과 열/잡음 대책

전자기기에 대한 촉각 피드백 기능의 도입에 있어서, 향후 확산의 “기폭체”가 될 것으로 예상되는 것이 닌텐도의 신형 게임기「Nintendo Switch」다. 컨트롤러에 리얼한 촉각 피드백을 제공할 수 있는「HD진동」기능을 갖춘다. Switch를 분해하여, 동(同) 기능의 비밀과 하드웨어의 설계에 대해 알아보았다.

닌텐도가 2017년 3월에 발매한 신형 게임기「Nintendo Switch」는, 3개의 형태로 게임 플레이가 가능하다. 이러한 형태 변화를 가능하게 하기 위해, 본체의 좌우에 탈부착이 가능한 컨트롤러「Joy-Con」을 만든다. 이 컨트롤러에는 닌텐도다운 기능이 집약되어 있다.

최대 특징은 컵에 얼음을 넣는 것과 같은 미묘한 감각을 진동으로 재현할 수 있다는 리얼한 촉각 피드백 기능「HD진동」을, 좌우의 Joy-Con에 설치하는 것이다. 아울러, 오른손 용으로는 가위, 바위, 보와 같은 손 모양이나 움직임, 거리 등을 계측할 수 있는「모션 IR 카메라」와, NFC 리더/라이터 기능을 갖춘다. 이 기능은, 예를 들면 NFC에 대응한 연동형 게임 피규어「amiibo」의 데이터를 읽고 쓰기 위해 사용된다.

-- 범용부품을 많이 사용 --
Joy-Con을 분해해 보면, 강점으로 내세우고 있는 HD진동을 실현하는 촉각 피드백 부품은 하얀 시트에 싸여 있으며, 손으로 잡았을 때에 바닥 측에 해당하는 부분에 탑재되어 있다. 이 시트를 벗기고 외장을 확인하였지만 제조업체의 이름을 나타내는 표시는 없었다. 그러나 외관이나 내부 구조를 보면 알프스전기의 촉각 피드백 부품「Haptic Reactor」의 Tough Type로 봐도 틀리지 않을 것이다. 즉, 주문제작품이 아니라 범용품을 사용한 것이 된다.

이러한 설계는 촉각 피드백 부품에 한정된 것이 아니었다. Joy-Con이나 Switch 본체를 분해해 보면, 각각의 메인 기판에 장치된 부품의 대부분이 범용품이었다. 이는「성숙한 기술의 수평적 사고」(“성숙한 기술”은 이미 개발된 지 꽤 되어 장단점이 밝혀진, 저렴하면서 널리 알려진 기술, “수평적 사고”는 이러한 기존의 기술을 혁신적인 방법으로 새롭게 도입한다는 의미)라는 철학을 갖고 있는 닌텐도 스타일의 설계라고 할 수 있다. 본체에 탑재된 CPU코어와 GPU코어를 갖춘 메인 SoC는, 미국의 NVIDIA사의「주문제작된 Tegra 프로세서」(닌텐도)라고 하지만, 기존 제품에 약간의 변경을 추가했을 뿐이다.

다양한 기기의 분해나 부품 분석 등을 전문으로 하는 Techanalye사의 시미즈(清水) 대표에 따르면, NVIDIA사가 자사의 Android탑재 게임기「SHIELD」에 탑재하고 있는 SoC「Tegra X1」과 거의 동일하다고 한다. 실제로 Techanalye가 Switch의 메인 SoC를 개봉한 결과, Tegra X1과 동일한 각인이 찍혀 있었다. 그 각인은 2014년에 설계된 것으로 보인다. 즉,「PlayStation(PS)4」에 탑재되어 있는 첨단 SoC가 아니라, 필요 충분 기능을 갖춘 “성숙한” SoC를 이용한 것이 된다.

게다가 X1보다도 기능을 줄인「데그라데 판(版). SHIELD의 X1의 기능을 100으로 본다면, Switch의 메인 SoC의 성능은 약 80」(시미즈 씨)이라고 할 수 있다. 그 흔적이 SoC의 패키지 뒷면에 있다. 뒷면의 단자(Ball Grid)의 개수가 Tegra X1보다도 적다. Switch 본체에는 카메라 기능이나 2개의 디스플레이에 동시에 영상을 출력하는 기능은 없다. 그만큼 X1보다도 기능을 생략하였다고 볼 수 있다.

-- 잡음억제와 열대책에 부심 --
-- 태블릿보다 컴퓨터에 가깝다 --
-- Dock과의 접속 커넥터는 Custom --

  -- 끝 --