[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

가상현실(Virtual Reality, VR)은 사람의 다양한 감각을 자극하여 실제로 존재하지 않는 현실을 경험하도록 하는 것이다. 최근 증강현실(Augmented Reality, AR)과 함께 훈련, 게임, 엔터테인먼트 등의 분야에 폭넓게 사용되고 있으며, 2027년까지 전세계 약 621억 달러의 시장이 형성될 것으로 예측된다. 특히, 최근 COVID-19로 인해 언택트 기술로써 VR 기술은 메타버스 기술로 확장되어 더욱 각광을 받고 있다.

VR 환경을 만들기 위해 사람의 다양한 감각을 자극할 필요가 있다. 시각이 사람 감각의 약 70% 이상을 차지하고 있기 때문에, 기존의 VR 시스템은 주로 시각 정보를 전달하는 형태로 개발되어 왔다. 하지만, 몰입감 높은 VR을 위해서는 더 많은 정보와 상호작용이 필요하다.

손은 사람의 신체에서 매우 작은 부분이지만 감각, 운동 기능에 매우 중요한 역할을 한다. 손, 손가락이 없다면 일상 생활의 대부분이 가능하지 않을 것이라는 것은 쉽게 상상할 수 있다. 따라서, 몰입감 높은 VR을 위해서는 손, 손가락의 움직임을 측정하고, 적절한 자극을 주는 것이 필수적이다.

기존에 개발된, 손, 손가락의 움직임 측정, 자극을 전달하는 시스템들은 크기가 크거나, 사용자의 움직임 범위를 제한하거나, 정확도가 떨어졌다. 또한, 측정이나 자극 전달 중 하나만 가능하거나, 둘 다 가능하더라도 성능이 매우 부족하였다. 따라서, 간단한 형태로 착용이 가능하며, 손가락의 움직임 측정, 자극 전달이 가능한 시스템 개발이 필요하였다.

2. 연구내용  

연구진은 eutectic gallium-indium(eGaIn)1)이라고 불리는 액체 금속(상온에서 액체인 금속)을 유연하고 부드러운 폴리머에 프린팅할 수 있는 기술(direct ink writing, DIW)2)을 2017년에 개발했는데, 이 기술을 활용하여 부드럽고 신축성이 있는 센서, 히터 등을 제작할 수 있다. 본 연구에서는 이 기술을 활용하여 액체 금속을 1) 열을 발생시키는 히터, 2) 손가락 움직임을 측정할 수 있는 센서, 3) 진동 모터와 연결시켜줄 수 있는 도선으로 활용하였다. 특히, 액체 금속을 이용한 신축성있는 히터를 제작하고, 이것이 늘어날 때도 원하는 온도를 만들어내도록 히터의 모델링, 제어를 하였다. 이 모든 기능들을 하나의 장갑 시스템에 통합 개발하여 VR 환경에서 손가락의 움직임을 측정하고 가상의 물체에서 발생하는 열, 진동 피드백을 사용자가 받게 하여, 몰입감있는 VR을 구현할 수 있는 새로운 차원의 인터페이스를 개발하였다. 또한, 유니티(Unity) 엔진을 이용하여 VR 환경을 만들고, 개발한 장갑을 이용하여 몰입감 높은 VR 구현이 가능함을 보였다.

3. 기대효과  

생생한 VR 환경 구축을 위해서는 간단하지만 다양한 측정, 자극 전달이 가능한 시스템 개발이 필수적이다. 본 연구를 통해 액체 금속의 프린팅 기술을 적용하여 손가락 움직임 측정, 열‧진동 자극 전달이 가능한 장갑 시스템을 개발하여, 간단한 착용만으로도 몰입감 높은 VR 경험이 가능하게 하였다.

액체 금속을 프린팅 할 수 있는 기술은 많이 연구되고 있지만, 센서, 히터, 도선의 기능을 한꺼번에 구현한 연구는 없었으며, 특히 VR 환경에서 다양한 모드의 측정, 자극 전달이 가능한 시스템은 처음 개발된 것으로, 앞으로 액체 금속을 이용한 웨어러블 시스템 기술 개발에 많은 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 웨어러블, AI, 5G 등과 함께 4차 산업혁명의 핵심적인 기술로 언급되는 VR/AR 분야에서 사용될 수 있는 혁신적인 인터페이스로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. eutectic gallium-indium(eGaIn)

갈륨과 인듐의 합금으로 상온에서 액체로 존재하는 액체 금속의 일종. 

2. direct ink writing(DIW)

잉크 따위의 액체를 주사기에 채운 뒤 적절한 압력으로 액체를 밀어내어 다양한 패턴으로 그리는 기술. 본 연구에서는 eGaIn을 주사기에 주입하고, 주사기를 3축으로 제어할 수 있는 기계와 압력 제어를 통해 복잡한 히터, 센서, 도선 형상을 프린팅하였음.

[붙임] 그림설명

그림1. (상단) 개발한 장갑의 개념도. 장갑 위에는 5개 손가락 10개의 관절 움직임이 측정 가능한 센서, 엄지‧검지‧중지 끝에 진동자가 시트 형태로 제작되어 부착됐다. 또 장갑 아래에는 5개 손가락 끝, 손바닥의 3부분에 열을 발생시키는 히터가 시트 형태 히터가 있다.

(좌하단) 액체 금속을 프린팅하여 제작한 히터

(우하단) 액체 금속이 커넥터와 연결되는 부분의 확대도

그림2. 개발한 장갑으로 열과 움직임을 구현함. 장갑 위의 10개의 센서, 손가락 끝의 3개의 진동자, 손바닥의 8개의 히터가 표시되어 있음(좌단). 손바닥 부분의 히터에 열을 가했을 때의 온도를 열감지 카메라를 이용하여 촬영한 모습과(우상단), 장갑을 이용하여 측정된 손가락 움직임을 가상의 손으로 구현한 모습(우하단).

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그림3. 개발한 장갑을 실제 VR에서 사용한 영상 캡쳐. 따뜻한 물에 담긴 뜨거운 공을 잡는 동작을 수행함. 따뜻한 물에 손이 잠길수록 새끼손가락 부분부터 온도가 변하는 것을 볼 수 있으며, 뜨거운 공을 잡았을 때 손가락 끝에 진동이 발생하고, 공을 잡은 부분의 온도는 더 올라감. 공을 잡는 손가락 움직임은 장갑의 센서로 측정됨.