전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2020.9 Emerging Tech 요약 (p43~50)

웨어러블 에어컨과 선풍기 속속 등장
펠티에(Peltier) 및 기화열 이용, 대기업 진출로 시장 활황

무더운 여름날에 주로 야외에서 사용하며 몸을 식히는 ‘폭염 대책 상품’ 시장이 활기를 띄기 시작했다. 작년에는 휴대용 선풍기가 붐을 일으켰지만, 금년에는 ‘목덜미를 식히는 에어컨’의 새로운 컨셉 및 미스트를 분무하는 휴대형 장치도 등장. 제품의 고도화가 진행됨과 동시에 소니 등 대기업의 잇따른 진출로 ‘전국시대’를 맞이하려 하고 있다.

“작년의 누계 출하 대수는 1만 8,000대였지만, 2020년은 7월 시점에 이미 20만대를 넘어섰다”. 코로나19의 감염 확대로 많은 업종이 갑작스럽게 ‘불황’에 빠진 가운데, 매출을 크게 늘리고 있는 시장이 바로 폭염 대책 상품인 것이다.

목에 걸어 몸을 식히는 ‘넥 쿨러(neck cooler)’ 시리즈를 판매하는 산코의 홍보 담당자는 “원래는 10만대 출하를 예정하고 있었지만, 증산이 이어지고 있는 상황이다”라고 말한다. 그러나 이것은 ‘즐거운 비명’의 일례일 뿐이다.

2019년에는 휴대용 선풍기가 히트를 치면서 길거리에서 사용하는 사람들을 자주 볼 수 있었다. 올해는 더욱 냉각효과가 뛰어난 다양한 상품들이 등장함과 동시에, 지금까지 벤처기업이 주류였던 시장에 대기업들이 속속 진출하면서 커다란 변화가 보인다.

‘태풍의 눈’은 직류 전류를 흐르게 함으로써 도체의 한쪽 면이 차가워지는 ‘펠티에 소자’를 응용한 ‘목 주위를 식히는 에어컨’과, 의복에 팬을 탑재해 옷 안에 기류를 일으켜 냉각시키는 ‘전동 팬(Fan) 장착 웨어’다. 대기업에서는 소니와 후지쓰제너럴이 전자를, 아이리스오야마와 아식스가 후자를 발매했다.

여름철 상업시설 등에서 볼 수 있는 미스트(미세한 물 입자) 발생기에 착상을 얻은 독특한 제품도 등장했다. 미스트를 옷 안에 분사해, 팬으로 바람을 내보내어 땀과 같은 원리로 몸을 식히는 ‘JUST COOL’이 그 주인공이다. 미스트는 안개처럼 미세해 피부와 옷이 젖지 않는다. 휴대형 가습기에 사용되는 초음파 진동에 의한 미스트 발생 부품을 채택했다.

개발한 것은 전동 팬 장착 웨어로, 약 50%의 최고 점유율을 차지하고 있는 공조복이다. 이 회사에 따르면 JUST COOL은 6월 판매 시작부터 7월 6일까지 첫 회 출하 대수인 800대를 모두 팔아 치웠다. 현재, JUST COOL의 미스트 분사 기구와 전동 팬 장착 웨어를 일체화한 차세대 제품을 개발 중이라고 한다.

-- 무더운 날 증가와 근로 방식 개혁 --
시장이 급속도로 확대된 배경에는 최근에 사회 문제화되고 있는 여름 철의 기온 상승이 있다. 기상청의 '기후변화 보고서 2019'에 따르면 최고기온이 35도를 넘는 폭염 일수는 1990년대 중반을 기점으로 크게 증가하고 있다. 소니가 자신들의 전문 분야가 아닌 폭염 대책 시장에 뛰어든 것도 2017년 여름의 폭염이 사회 문제가 되면서 냉각 디바이스 개발의 필요성을 느꼈기 때문이다. (사업개발 플랫폼 Startup Acceleration 부문 Business Acceleration부 REON 사업실 소프트웨어 개발 매니저 이토(伊藤) 씨)

또 하나의 배경으로서 근로방식 개혁에 의해 지금까지 더운 날씨에서 업무를 해 온 건설 현장이나 공장 작업자들의 노동 환경 개선에 대한 의식 고조가 있다. 이미 전동 팬 장착 웨어는 작업 현장에 도입되고 있어 2018년에 80억엔 이상이었던 시장이 2020년에는 100억엔 이상(섬유 뉴스 조사, 모두 출하 금액 베이스)이 될 것으로 예측되고 있다.

-- ‘열중증(熱中症) 예방 제품’이 아니다 --
그렇다면, 폭염 대책 상품의 냉각 효과는 어느 정도일까? 실은, 냉각 효과에 대해 일정한 측정 기준이 있는 것은 아니다. “펠티에 소자가 닿는 부분은 외부 기온보다 15도가 낮아진다”(산코), “웨어 내부를 상시 냉기가 순환하기 때문에 기화열에 의한 냉각 효과를 체감할 수 있어 외부 기온보다 훨씬 시원하다”(아이리스오야마) 등, 효과의 표현 방법도 제각각 이다.

무더위 대책 전문가들은 이런 제품으로 열중증을 막을 수 있다고 과신하는 것은 금물이라고 지적한다. 예를 들면, 히메지독협(姫路独協)대학 의료보건학부 물리치료학과 교수 오타니(大谷) 씨는 “무더운 환경에서 전동 팬 장착 웨어를 착용하면 피부 혈관 확장에 의한 열 방산과 땀 흘림에 의한 열 방산을 촉진하는 효과가 있어, 체온조절 체계의 부담을 덜어 줄 수 있게 될 전망이다”라고 말한다. 다만, “작업 강도가 높으면 신체의 열 생산량이 증가하므로, 웨어의 열 방산 효과가 상대적으로 낮아진다. 따라서, 디바이스에 너무 의지하는 것은 위험하다. 열중증 예방의 기본은 기온, 습도, 일사량, 기류, 더위 지수를 부지런히 체크해 운동량이나 업무량, 수분 보충이나 휴식의 타이밍을 조절하는 것이다”라고 말한다.

-- 편의성에 중점을 둔 소니 --
다음은, 펠티에 소자를 사용한 디바이스와 전동 팬 장착 웨어에 대해서 구체적으로 제품의 상세 정보 및 기술에 대해 살펴보겠다.

소자를 사용한 디바이스의 주요 제품에는 후지쓰제너럴의 ‘Comodogear’와 산코의 ‘넥 쿨러 Neo’, 소니의 ‘REON POCKET’이 있다. 이들 3개 제품은 냉각 원리는 같으나, 설계에 대한 생각은 상당한 차이가 있다. 단적으로 말하자면, 후지쓰제너럴은 냉각 효과를 중시하며, 소니는 사용하기 편의성을 추구, 산코는 두 업체의 중간 입장을 취하면서 벤처 기업답게 가격에 중점을 두었다고 할 수 있다.

후지쓰제너럴과 산코의 제품은 냉각부의 케이스가 U자 형상을 하고 있어, 목에 걸어서 좌우의 경동맥을 식혀준다. 경동맥의 혈류를 식히면 그것과 직결된 뇌가 차가워진다. 뇌는 땀샘 기능이나 혈관 확장 제어를 관장하고 있기 때문에 몸 전체에 냉각 효과가 나타나기 쉽다”라고 후지쓰제너럴 웨어러블 사업부 비즈니스 아키텍트의 사토(佐藤) 씨는 설명한다.

한편, 소니는 어깨 결림 등 유저의 부하 경감과 통근이나 외출 등 비즈니스 상황에서의 사용을 상정해, 목 부위(등상부)를 차갑게 한다는 해결책을 찾아냈다. 제품은 핸드폰 정도 크기의 콤팩트한 형상으로, 전용 이너웨어를 착용해 목 아랫부분에 있는 포켓에 넣어 고정시킨다. 기기를 조작하기 위해 목 뒤로 손을 뻗는 것은 사실 상, 불가능하기 때문에(이토 씨) 블루투스로 접속한 스마트폰의 전용 앱으로 조작한다.

-- 냉각 성능에 중점을 두고 세계 최초로 채택 --
펠티에 소자의 냉각 방법에는 ‘공랭’과 ’수랭’의 2 종류가 있다. 공랭 방식은 펠티에 소자가 흡수한 열을 팬의 바람으로 날려버린다. 기구가 수랭 방식보다 간편하며, 소형으로 경량성 및 편의성이 뛰어나다. 산코와 소니의 제품이 공랭 방식이다.

한편, 가정용 에어컨 제조사인 후지쓰제너럴은 냉각 성능에 중점을 두고 소형 냉장고나 CPU의 냉각에 사용되고 있는 수랭 방식을 채택했다. 인체에 대한 응용은 Comodogear가 세계 최초라고 한다. “감각적으로 설명하자면, 공랭 방식은 차갑고 기분 좋은 정도지만, 수랭 방식은 얼얼할 정도로 차갑게 식히는 이미지다”(사토 씨).

반면, 수랭 방식의 채택으로 이용자들의 부담은 공랭 제품보다 커지고 있다. 제품으로는 목에 거는 '넥(Neck) 부분'(170g)과 에어컨 실외기에 해당하는 '방열 부분'(670g)으로 구성되어 있으며 무게는 총 840g이다. 이는 REON POCKET(89g)의 10배에 가깝다.

-- 에어컨 실외기 기술을 응용 --
Comodogear는 넥 부분에 탑재한 3cm각 등의 펠티에 소자가 좌우 경동맥 상피와 목 뒤로부터 열을 흡수한다. 그 열을 냉각수가 회수해, 물은 호스를 타고 방열부로 이동. 팬과 라디에이터로 이루어진 ‘열 교환기’를 통해 열을 방출하는 구조다.

방열부는 후지쓰제너럴이 오랜 기간 노하우를 축적해 온 에어컨의 실외기와 같은 기구이며, 기구 설계는 열 설계의 엔지니어가 감수해 강점을 살렸다(사토 씨). 방열부는 열 교환기 외에 배터리, 급수펌프, 온도조절 기구를 탑재한다.

Comodogear 대여는 호조를 띄고 있다. 올해 6월부터 폭염이나 에어컨이 없는 장소에서 일하는 건설업이나 공장, 경비, 이벤트의 종사자 등을 대상으로 월액 5,000엔으로 렌탈을 시작한 결과, 7월 1일까지 올 여름의 출하 계획인 1,000대의 예약이 모두 만료되었다고 한다.

최대 과제는 경량화이다. 내년의 제품에서는 배터리나 열 교환기 소형화로 이를 구현할 방침이다.

-- 정음(靜音)과 냉각 성능을 양립 --
한편, 공랭 방식의 디바이스는 펠티에 소자에 접합된 방열판을 근접 팬의 바람으로 직접 식힌다. 수랭과 비교하면 방열 효율은 떨어지지만, 그 만큼 사이즈를 압도적으로 소형화할 수 있다.

산코는 펠티에 소자를 사용한 인체 냉각 디바이스를 일찌감치 개발한 기업이며 넥 쿨러 Neo는 시리즈 3대째이다. 좌우 2곳에 설치한 펠티에 소자로 경동맥을 식힌다.

2019년판 ‘넥 쿨러 mini’와의 차이는 냉각 성능을 유지하면서 사용 시의 소음을 저감시켰다는 점이다. 구체적으로 mini는 직경 20 mm의 팬을 좌우의 방열판 부근에 2대씩, 총 4대를 설치하고 있었지만, Neo에서는 직경 30 mm의 팬을 좌우 1대씩으로 변경했다. 또한 프로펠러 회전수도 줄였다고 한다. 이와 같은 개량으로, 제품 전체의 소음을 저감시켰다고 한다.

한편, 팬의 대수를 줄이는 동시에 프로펠러의 회전 수를 줄이면서 냉각 효과를 유지하기 위해서는 방열 기구의 설계를 재검토할 필요가 있었다. 상품 기획부의 니무라(新村) 씨는 “히트 싱크 및 통풍구의 형상, 팬의 회전 수에서 시행 착오를 겪었다”라고 말한다.

냉각 레벨을 mini의 단일 모드에서 2 단계로 변경해 한층 더 자동적으로 냉각에 완급을 조절하는 ‘흔들림 모드’도 새롭게 탑재했다. 한 곳을 계속해서 식히면 차가움을 체감하기 어려워지기 때문이다. 강 모드 30초, 중 모드(흔들림 모드에만 존재) 30초, 약 모드 10초의 주기를 반복한다.

내년 이후의 제품에서는 방열 기구의 부품이나 설계를 재검토해, 새로운 저소음화를 목표로 한다.

-- 보행을 센싱 해 냉각 조절 --
소니의 REON POCKET의 특징은 압도적으로 소형 경량인 케이스와 센싱을 통한 자동조절 기능에 있다.

배터리를 포함한 무게는 89g으로, 넥 쿨러 Neo의 150g(배터리는 외장)과 비교해도 상당히 가볍다. 한편, 약 4.5cm×약 5.5cm의 비교적 큰 펠티에 소자를 탑재. 소니의 특기인 열 설계 기술을 활용함으로써 소형 경량성을 실현했다. “모바일 기기에서 사용되고 있는 열 설계 기술을 응용했다”(이토 씨).

냉각 레벨은 스마트폰의 앱으로 4 단계부터 선택할 수 있다. 특징적인 것은 내장된 가속도 센서로 유저의 보행 동작을 감지해, 거기에 맞춰 냉각 레벨을 바꾸는 ‘오토 모드’이다. “인간은 잠시 걷다가 멈춰 섰을 때 더위를 느끼기 쉽다. 그러한 상황을 디바이스가 자동 검지해 냉각시킨다”(이토 씨). 온도 제어의 알고리즘은 실증 실험에서 시행 착오를 통해 개발되었다.

펠티에 소자의 양면의 온도를 상시 모니터링 해 출력을 실시간으로 피드백을 제어함으로써 과잉 냉각과 케이스 내부의 과열을 막는 시스템도 도입했다. 사실 이 제품은 냉각기능 외에 펠티에 소자의 전류를 거꾸로 흐르게 해 인체를 따뜻하게 하는 온열 기능도 갖추고 있어, 피드백 제어에는 저온 화상을 방지하는 목적도 있다.

-- 업계에서 가장 얇은 자체 팬 개발 --
한편, 전동 팬 장착 웨어의 주목할 만한 제품은 아이리스오야마의 ‘쿨 웨어’와 아식스의 ‘AIR CONDITION WEAR’이다.

쿨 웨어는, 누계 판매 대수가 700만대를 넘는 아이리스오야마의 탁상 선풍기 ‘서큐레이터’ 팀이 개발을 담당해, 지금까지 쌓아 온 노하우를 설계에 활용했다고 한다.

팬의 설계에서 우선 시 한 것은 저소음성이다. 개발자 후쿠마스(福増) 씨(가전개발부 계절가전 여름팀 매니저)에 따르면, “기존 제품에 탑재된 팬 프로펠러 수는 5장 또는 7장이 많은데, 그러다 보면 날개와 날개 사이에 틈이 생기기 때문에 소음이 크거나 만들어 내는 기류에 파장이 발생하기도 한다” 라며 쿨 웨어의 팬은 프로펠러 수를 9장으로 늘렸다. “그렇게 함으로써 프로펠러 간극이 작아졌고 바깥 공기를 상시 빨아들일 수 있게 되었다. 진동이나 소리가 발생하는 요인을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 매끄럽게 바람을 계속 보낼 수 있다”(후쿠마스 씨)고 한다.

게다가 착용시의 위화감을 줄이기 위해, 팬을 34 mm라고 하는 박형(薄型)으로 설계했다. 타사 제품에 비해 “가장 얇다”(후쿠마스 씨)고 한다.

-- 핸드 쿨링으로 고효율 냉각 --
아식스의 AIR CONDITION WEAR는 스포츠 용품의 개발로 축적해 온 신체나 운동에 관한 지견을 활용했다. 테니스 경기 코트 체인지(90초) 등 운동 선수의 휴식 시간과 경기 종료 후의 착용, 여름철 스포츠 경기 관람 시 사용하도록 상정한다. 후쿠다(福田) 씨에 따르면, 겨울철 운동선수들은 휴식 중 벤치코트를 입고 체온을 조절하는데 여름철에는 그런 게 없었기 때문에 여름용 벤치코트를 목표로 개발했다고 한다. 운동선수들 사이에서는 흡한속건 소재의 웨어가 보급되어 있는데 보다 효율적으로 몸을 식힐 수 있는 제품을 지향했다.

최대 특징은 손을 국소적으로 차갑게 하여 몸 전체에 시원한 느낌을 주는 ‘핸드 쿨링’ 기능의 탑재다. “손바닥에는 모세혈관이나 열을 느끼는 신경이 많이 있기 때문에, 그것을 차갑게 함으로써 상쾌감을 얻을 수 있다”(후쿠다 씨). 이에 따라, 몸체 앞쪽에 보통 포켓과는 별도로, 손을 식히기 위한 슬릿(트임)을 준비했다. 슬릿에 손을 꽂으면 옷 안의 냉기가 손바닥에 닿는다.

-- 바이탈 센싱으로 자동화 --
향후 폭염 대책 상품의 진화 방향은 이용자의 생체 정보(바이탈)의 센싱에 의해 개인의 신체 상태에 맞는 쾌적성을 자동으로 제공하는 것이다. 소니의 REON POCKET는 이미 보행 검지 기능을 갖추었지만, 한층 더 진화될 전망이다.

예를 들어 후지쓰제너럴은 체온 및 자율신경계 상태의 지표인 심박 변동(HRV) 데이터를 통해 자동으로 온도를 제어하는 방안을 계획하고 있다.

무엇보다 냉각효과를 정량적으로 평가하려면 체표면 온도와 HRV만으로는 불충분하며, 뇌나 장기의 온도인 "심부 체온"을 계측할 필요가 있다. 하지만 심부 체온은 통상적으로 식도나 직장에 센서를 삽입해 측정하기 때문에 데이터를 얻기가 쉽지 않다.

이런 가운데, IoT 제품을 개발하는 미쓰후지는 2020년 3월, 리스트 밴드형이나 이어폰형의 웨어러블 제품으로부터 취득하는 심박 데이터를 사용해, 심부 체온의 상승 변화량을 추측하는 알고리즘을 개발했다고 발표. 이러한 기술이 향후 일반화된다면, 유저 각자가 비침습 방식으로 심부 체온을 모니터링 하면서 신체를 정확하게 냉각하는 장치가 실현될 가능성이 있다.

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