벤치 테스트가 아닌 인체 적용을 위한 전자기기 설계
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브라이언 델루카(Bryan DeLuca), 마우저 일렉트로닉스
2026년 6월 5일
초기의 웨어러블 및 플렉서블 전자기기 가운데 상당수는 시험 환경에서는 의도한 대로 작동했지만, 실제 환경에 적용되면 제대로 기능하지 못했다. 안정적으로 동작하는 것처럼 보였던 장치들도 반복적인 움직임에 노출되면서 고장이 발생하거나 성능이 저하되기 시작했다. 문제는 개념 자체가 아니라 하드웨어에 있었다. 여러 개의 강성 인쇄회로기판(PCB)을 기반으로 한 설계는 반복적인 굽힘, 신장 또는 기타 주기적인 기계적 변형에 최적화되어 있지 않았다. 강성 부품, 취약한 인터커넥트, 그리고 고정된 기판이 지속적으로 굽혀지고 늘어나며 끊임없이 움직이는 시스템에 통합될 경우, 그 과정에서 발생하는 응력은 피로 누적과 시스템 불안정을 초래할 수 있다.
최신 설계에서는 움직임을 완화해야 할 환경적 스트레스 요인으로 보기보다, 변형 자체를 정상적인 작동 조건으로 인식한다. 이에 따라 재료, 인터커넥트, 센서 및 시스템 아키텍처는 초기 설계 단계부터 기계적 유연성과 순응성을 고려해 개발되고 있다. 엔지니어들은 의료용 웨어러블 기기, 스마트 섬유, 소비자 전자기기와 같은 연속 모니터링 장치에서 편안한 착용감과 자유로운 이동성을 구현하기 위해 다양한 폼팩터, 인터커넥트 구조 및 전력 아키텍처를 연구하고 있다. 이러한 설계 개선을 통해 실험실 환경을 벗어난 실제 사용 환경에서도 안정적으로 동작하는 유연한 웨어러블 전자기기가 구현되고 있다.
움직임은 가장 우선적인 설계 제약 조건
웨어러블 시스템은 본질적으로 기계적으로 역동적인 환경에서 작동한다. 사람의 관절이 구부러지거나, 장치가 몸통을 따라 늘어나거나, 심지어 움직임에 따라 피부가 미세하게 이동하는 경우까지 포함해 웨어러블 기기는 정상적인 사용 과정에서 지속적인 변형에 노출된다.
지속적인 움직임은 여러 가지 공학적 과제를 야기한다. 예를 들어, 인터커넥트는 반복적인 응력(cyclic strain)에 노출되며, 이로 인해 피로 누적과 미세 균열이 발생할 수 있다. 이러한 변형은 회로 단선을 초래하거나, 움직임으로 인해 기계적·전기적 간섭이 발생하면서 센서 출력이 드리프트하거나 노이즈를 유입시키는 원인이 될 수 있다. 장치가 이러한 반복적인 변형을 고려해 설계되지 않은 경우, 시간이 지남에 따라 재료의 열화가 가속화되어 장치 수명이 단축될 수 있다.
초기의 대응 방식은 패키징과 보강 구조에 중점을 두었다. 많은 경우 움직임은 전자기기를 보호해야 할 대상으로 간주되었다. 그러나 이러한 접근 방식에는 한계가 있었다. 웨어러블 시스템에서는 기계적 거동과 전기적 설계가 밀접하게 연관되어 있음에도 불구하고, 이 방법은 두 요소를 별개의 문제로 다루었다. 하지만 웨어러블 기기에서는 기계적 특성과 전기적 특성이 서로 강하게 결합되어 있기 때문에 설계 후반 단계에서 이를 분리해 해결하는 것은 사실상 불가능하다.
현재의 설계 방식에서는 엔지니어들이 더 이상 움직임을 방해 요소로 간주하지 않는다. 움직임은 이제 반드시 고려해야 할 핵심 설계 요소가 되었으며, 이에 따라 재료, 인터커넥트, 그리고 회로 레이아웃이 통합적으로 개발되고 있다. 엔지니어들은 움직임이 시스템을 손상시키지 않도록 막는 방법을 고민하는 대신, 응력이 어느 위치에서 발생해야 하는지, 어떻게 분산되어야 하는지, 그리고 이러한 조건에서 전기 시스템이 어떻게 동작해야 하는지를 정의한다.
이러한 접근 방식은 기계적 응력을 고장의 원인이 아니라 설계 변수로 재정의한다. 일단 기계적 응력이 설계 변수로 인식되면, 재료, 인터커넥트, 센싱, 전력 시스템을 포함한 나머지 구성 요소들 역시 동일한 설계 원칙에 따라 개발된다.
움직일 수 있는 재료
엔지니어들이 움직임을 설계 제약 조건으로 인식하게 되면, 다음 과제는 시스템이 이러한 움직임을 물리적으로 어떻게 수용할 수 있는가가 된다. 그 해답은 재료에서부터 시작된다.
폴리이미드나 엘라스토머 기반 고분자와 같은 유연한 기판은 도전층에 과도한 응력을 가하지 않으면서 회로가 굽혀지고 인체의 형태에 맞게 밀착될 수 있도록 해준다. 강성 기판은 변형에 저항하면서 배선 패턴과 솔더 접합부에 응력을 집중시키는 반면, 유연한 재료는 낮은 탄성률과 얇은 구조 덕분에 장치와 함께 휘어지며 응력을 구조 전체에 분산시킨다. 이러한 재료는 전기적 경로에서 발생할 수 있는 피로 누적이나 균열 위험을 줄이는 데 도움이 된다.
기판의 기계적 구조 또한 응력 분포에 영향을 미친다. 굽힘이 발생하는 시스템에는 변형이 최소화되는 중립축이 존재한다. 설계자는 얇은 재료를 사용하고 도전층을 이 중립축 근처에 배치함으로써 인장 응력과 압축 응력을 모두 최소화할 수 있다. 이러한 설계 요소는 반복적인 움직임이 발생하는 응용 분야에서 더욱 중요해진다. 작은 수준의 응력이라도 지속적으로 누적되면 장기적으로 재료 손상과 성능 저하를 초래할 수 있기 때문이다.[1]
도전성 재료 역시 변형을 수용할 수 있어야 한다. 특수 설계된 금속 배선이나 전도성 잉크와 같은 신축성 도체는 굽힘이나 신장이 발생하는 상황에서도 전기적 연결성을 유지하도록 설계된다. 이러한 재료는 회로 단선을 방지하는 데 도움을 주지만, 변형 과정에서 저항값이 변화할 수는 있다. 따라서 설계자는 이러한 변화가 허용 가능한 범위 내에 머물도록 적절한 재료를 선택하고 도체의 배치 구조를 설계한다.
또 다른 재료군은 인체와 직접 접촉하는 용도로 사용된다. 이는 지속적으로 피부나 조직과 상호작용해야 하는 웨어러블 시스템에서 특히 중요하다. 심전도(ECG) 패치, 근전도(EMG) 센서, 혈당 모니터와 같은 응용 분야에서는 장치와 인체 사이의 접촉 인터페이스가 신호 품질과 장기간 사용 시의 안정성에 직접적인 영향을 미친다.
이러한 유형의 시스템에서는 장치가 피부 위에 장기간 부착되거나 조직과 오랜 시간 상호작용해야 하는 경우, 자극을 유발하지 않는 생체적합성(biocompatible) 재료가 적합하다. 또한 사용 후 자연스럽게 분해되어 제거할 필요가 없는 일시적 장치에는 생분해성(biodegradable) 재료가 활용된다. 이 두 가지 재료는 모두 안전하고 지속적인 모니터링을 위해 신뢰성 있는 접촉이 요구되는 웨어러블 시스템을 지원한다.
엔지니어들은 시스템 전반의 응력을 관리하기 위해 다층 재료 구조(layered material stack)를 사용할 수 있다. 서로 다른 기계적 특성을 가진 재료들을 조합함으로써 변형이 특정 층에 집중되지 않고 구조 전체에 분산되도록 제어할 수 있다. 일반적인 플렉서블 또는 신축성 구조에서는 도전층을 굽힘 시 변형이 최소화되는 중립축(neutral axis) 부근에 배치한다. 이를 통해 배선 패턴과 인터커넥트가 받는 인장 및 압축 응력을 줄일 수 있다. 엘라스토머나 봉지재(encapsulant)와 같은 부드러운 외부층은 대부분의 기계적 변형을 흡수하는 역할을 하며, 보다 강성이 높은 내부층은 부품을 지지하고 치수 안정성을 유지하는 역할을 담당한다.
접착층(adhesive layer)은 서로 다른 강성을 가진 재료들이 함께 움직일 수 있도록 돕는다. 접착층이 없으면 반복적인 움직임에 의해 각 층이 서로 분리되기 시작할 수 있으며, 이는 전기적 연결의 단절과 시스템 동작의 신뢰성 저하로 이어질 수 있다.
접착층은 기계적 응력이 특정 지점에 집중되어 축적되는 것을 방지하고 구조 전체에 분산시키는 역할도 한다. 이를 통해 구조물 내에 균열이 발생할 위험을 줄일 수 있다. 일부 설계에서는 적층 구조(stack)를 특정 영역에서만 굽힘이 발생하도록 구성함으로써, 민감한 전자 부품이 높은 응력을 받는 구역에 위치하지 않도록 설계하기도 한다.[2]
인터커넥트는 주요 고장 지점
재료 자체가 충분한 유연성을 갖추고 있더라도, 인터커넥트는 여전히 웨어러블 시스템에서 가장 중요한 고장 원인 중 하나가 될 수 있다. 초기 설계에서는 강성 PCB에 사용되던 솔더 접합부와 구리 배선을 그대로 적용했지만, 이러한 구조는 반복적인 굽힘을 견디도록 설계된 것이 아니었다. 시간이 지남에 따라 반복적인 기계적 응력(cyclic strain)이 도전 경로에 균열을 발생시켰고, 층간 박리(delamination) 현상도 나타났다. 그 결과 회로 단선이 발생하거나 저항값이 점진적으로 변화해 시스템 성능에 영향을 미치게 되었다.[3]
이러한 문제를 해결하기 위해 인터커넥트 설계는 재료 기술의 발전과 함께 진화해 왔다. 현재는 시스템 내에 응력이 어떻게 가해질지를 제어하기 위한 다양한 배선 설계 기법이 활용되고 있다. 예를 들어, 서펜타인(serpentine) 형태의 배선 패턴은 응력이 특정 지점에 집중되지 않도록 하면서 도체가 늘어날 수 있게 해준다. 또한 제어된 굽힘 영역(controlled bend zone)을 설정해 변형이 발생할 위치를 미리 정의함으로써 민감한 부품으로 응력이 전달되는 것을 방지한다. 강성-플렉스(rigid-flex) 전이 구조는 중요한 전자 부품을 움직임이 많은 영역으로부터 분리해 부품과 솔더 접합부에 가해지는 기계적 하중을 줄여준다.
배선 경로(trace routing), 적층 구조(layer stacking), 그리고 부품 배치(component placement)는 모두 기계적 응력을 관리하기 위한 중요한 설계 요소로 활용된다. 따라서 인터커넥트 설계는 장기적인 신뢰성을 결정하는 핵심 요소가 되며, 부품 선정이 끝난 이후에 별도로 고려할 수 있는 문제가 아니다. 오히려 설계 초기 단계부터 함께 검토되어야 하는 필수 요소이다.
변형에 순응하는 센서 설계
웨어러블 시스템에서 센서는 단순히 유연한 플랫폼 위에 장착된 강성 부품이 아니다. 센서 소자는 종종 재료 내부에 직접 통합되어 인체의 움직임에 반대로 저항하는 대신, 신체와 함께 움직일 수 있도록 설계된다. 이러한 접근 방식은 장치를 착용하는 동안 측정 정확도를 향상시키는 동시에 사용자에게 더 높은 착용 편의성을 제공한다.
변형률(strain) 센서와 일부 압력 센서는 굽힘과 신장이 발생하는 환경에서도 동작하도록 설계되어 있어, 동작 추적(motion tracking) 및 특정 생체 신호 모니터링 분야에 유용하게 활용된다. 그러나 모든 압력 센서가 큰 인장 변형(tensile deformation)을 견딜 수 있도록 설계된 것은 아니며, 모든 변형 가능 센서가 인체에 직접 적용하기에 적합한 것도 아니다. 이러한 센서가 신뢰성 있게 동작하기 위해서는 변형이 발생하는 상황에서도 일관된 전기적 특성을 유지해야 하며, 이를 위해서는 신중한 재료 선택과 정교한 구조 설계가 필수적이다.
심전도(ECG) 및 근전도(EMG) 측정에 사용되는 바이오 전기 센서는 안정적인 피부 접촉에 의존한다. 센서가 인체와 함께 움직일 수 있도록 설계되면 피부와의 접촉 상태가 보다 안정적으로 유지되며, 이는 사용자가 움직이는 동안에도 신호 품질을 깨끗하고 안정적으로 유지하는 데 도움이 된다.
직물 일체형(textile-integrated) 센서는 이러한 개념을 한 단계 더 발전시킨다. 이들 시스템은 센서 소자를 직물 내부에 직접 통합함으로써 넓은 면적에 걸쳐 센싱 기능을 구현한다. 이를 통해 움직임과 생체 신호를 지속적으로 모니터링할 수 있으며, 센서는 더 이상 별도의 부품이 아니라 구조 자체의 일부가 된다.
응력 환경에서의 전력, 데이터 및 패키징 설계
웨어러블 시스템은 작고 가벼우며 착용감이 편안한 상태를 유지하면서도 지속적으로 동작해야 한다. 이러한 요구사항은 전력 설계와 데이터 전송뿐만 아니라, 지속적인 움직임 환경에서 시스템을 어떻게 보호할 것인가에 대해서도 큰 부담을 준다.
초저전력(Ultra-Low Power) 아키텍처는 이러한 요구를 충족하는 데 중요한 역할을 한다. 연속 모니터링을 위해 설계된 장치는 배터리의 크기나 무게를 늘리지 않고도 장시간 동작해야 한다. 이를 위해서는 센싱, 데이터 처리, 통신 기능이 제한된 전력 예산 내에서 작동할 수 있도록 성능과 에너지 소비 사이의 균형을 신중하게 조정해야 한다.
무선 연결성은 또 다른 설계 제약 조건을 추가한다. 웨어러블 장치가 움직이는 동안에도 데이터를 안정적으로 전송해야 하지만, 동시에 사용할 수 있는 전력은 제한적이다. 따라서 설계자는 단일 요소만을 최적화하는 대신, 연결 안정성(link stability), 움직임에 대한 내성(motion tolerance), 그리고 에너지 소비 간의 균형을 고려해 무선 통신 방식을 선택한다.
장치의 외장 구조(enclosure)는 시스템이 실제 사용 환경에서 생존할 수 있는지를 결정하는 중요한 요소이다. 웨어러블 기기는 땀, 습기, 온도 변화, 반복적인 굽힘 등 다양한 환경적 스트레스에 지속적으로 노출된다. 내부 전자회로를 보호하기 위해 엔지니어들은 컨포멀 코팅(conformal coating), 연성 봉지재(soft encapsulation material), 수분 차단막(moisture barrier), 그리고 응력 분리(strain-isolation) 기술을 활용한다. 이러한 기술은 장치가 유연하게 변형되더라도 민감한 전자 부품이 손상되지 않도록 보호하는 역할을 한다.
PCB 레이아웃 역시 이러한 설계 과제의 중요한 일부이다. 전력 분배 네트워크(PDN)와 신호 경로는 장치가 굽혀지거나 변형되는 상황에서도 안정적으로 유지되어야 한다. 이를 위해 배선 경로(trace routing), 접지 설계(grounding), 부품 배치(component placement)와 같은 레이아웃 요소들이 신중하게 설계된다. 이러한 설계 결정은 동적인 사용 환경에서도 신호 무결성(signal integrity)을 유지하고 안정적인 전력 공급을 보장하는 데 중요한 역할을 한다.
오늘날의 웨어러블 기기
이러한 제약 조건들을 통합적이고 종합적으로 고려할 경우, 웨어러블 시스템은 지속적인 움직임 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있다. 이러한 설계 기법은 이미 통제된 실험 환경을 벗어나 실제 환경에서 작동해야 하며, 동시에 인체와 밀접하게 접촉해야 하는 다양한 응용 분야에 적용되고 있다.
지속적인 모니터링을 위한 의료용 웨어러블
유연 전자기기의 가장 대표적인 활용 분야 중 하나는 의료 분야이다. 의료용 웨어러블 기기는 병원이나 진료실과 같은 임상 환경 밖에서도 사용자의 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있도록 해준다.
심전도(ECG), 근전도(EMG), 호흡 추적을 위한 피부 밀착형 패치(skin-conformal patch)는 장시간 피부에 부착된 상태를 유지하면서도 일상적인 활동 중 신호 품질을 안정적으로 확보할 수 있도록 설계된다. 예를 들어, Zio ECG 모니터링 패치는 유연한 전자 시스템이 사용자의 움직임을 제한하지 않으면서도 신뢰성 있는 생체 데이터를 수집할 수 있음을 보여준다.[4] 스마트 의류(smart garment)는 이러한 개념을 한 단계 더 발전시킨다. Hexoskin 셔츠와 같은 시스템은 센서를 직물에 직접 통합하여 심장 활동, 호흡, 수면 상태, 신체 활동 지표를 모니터링한다. 또한 장기간 착용해도 불편함이 적도록 설계되어 있다.[5] 이러한 설계는 실제 사용 환경에서 내구성과 데이터 품질을 동시에 확보하는 데 중점을 둔다.
이와 함께 다양한 의료 분야 응용이 지속적으로 등장하면서, 웨어러블 기기는 환자 모니터링과 진단 분야에서 점점 더 중요한 역할을 수행하고 있다.
스포츠 및 동작 추적 시스템
스포츠 및 운동 성능 추적 분야에서 웨어러블 전자기기는 종종 의류나 스포츠 장비에 직접 통합되어 사용된다.
의류에 내장된 직물 기반 센서는 변형률(strain), 압력, 신체 움직임을 측정하여 운동 수행 능력에 대한 상세한 분석을 제공한다. 이러한 시스템은 선수의 운동 부하(workload)와 움직임 데이터를 실시간으로 제공함으로써 훈련 계획 수립, 회복 관리, 그리고 부상 위험 관리에 필요한 의사결정을 지원한다.[6]
이러한 설계는 반복적인 신체 움직임은 물론 땀과 정기적인 세탁까지 견뎌야 하므로, 내구성이 핵심적인 요구사항으로 작용한다. 또한 센서를 신체 여러 부위에 분산 배치하면 보다 포괄적인 동작 추적이 가능해져 자세(posture), 보행(gait), 그리고 움직임 패턴에 대한 심층적인 분석 정보를 얻을 수 있다. 관성측정장치(IMU, Inertial Measurement Unit)와 같은 강성 센서 모듈은 이러한 측정에 널리 사용되고 있다. 반면 분산형 또는 유연형 센서 시스템은 인체 곡면에 더욱 잘 밀착될 수 있으며, 착용 편의성을 높이고 특정 부위의 변형률을 보다 정밀하게 측정할 수 있다는 장점을 제공한다.
기타 주목할 만한 응용 분야
유연 전자기기와 웨어러블 전자기기는 소비자용 기기, 산업 현장, 그리고 몰입형 기술 분야로도 빠르게 확장되고 있다. 스마트 링(smart ring)이나 손목 착용형 장치와 같은 소비자용 기기는 작고 편안한 폼팩터 안에서 지속적인 모니터링 기능을 제공하는 데 의존한다. 산업 및 작업 환경에서는 작업자의 피로도, 자세, 주변 환경 조건을 모니터링하기 위한 웨어러블 시스템이 활용되고 있다. 이러한 시스템은 과도한 신체 부담과 작업 중 부상 위험을 줄이는 데 도움을 준다.[7] 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 분야에서는 햅틱 장갑(haptic glove)과 같은 웨어러블 장치가 동작 추적과 촉각 피드백 기능을 통해 보다 자연스러운 사용자 상호작용을 구현하도록 설계되고 있다.[8]
응용 분야가 무엇이든 간에, 웨어러블 시스템의 성공 여부는 사용자의 일상생활에 얼마나 자연스럽게 통합될 수 있는지, 그리고 실제 사용 환경에서도 얼마나 높은 신뢰성을 유지할 수 있는지에 달려 있다.
맺음말
웨어러블 전자기기는 설계 초기 단계부터 움직임을 고려하는 방향으로 발전하고 있다. 과거에는 움직임을 해결해야 할 문제로 인식했다면, 이제는 지속적인 변형이 발생하는 환경에서도 정상적으로 동작할 수 있도록 시스템 자체를 설계하고 있다.
이러한 변화는 재료와 인터커넥트부터 센서, 그리고 시스템 수준의 전력, 데이터 전송 및 패키징에 이르기까지 설계의 모든 요소에 영향을 미치고 있다. 각 구성 요소는 장치가 사용자의 움직임에 따라 구부러지고, 늘어나며, 함께 움직이는 상황에서도 안정적으로 동작할 수 있도록 개발되고 있다.
그 결과 웨어러블 시스템은 의료, 스포츠, 소비자 전자기기, 산업 분야 등 다양한 응용 분야에서 더욱 실용적인 솔루션으로 자리 잡고 있다. 궁극적으로는 실험실 환경을 벗어난 실제 사용 환경에서도 높은 신뢰성, 착용 편의성, 그리고 활용성을 제공하는 전자기기를 구현하는 데 초점이 맞춰지고 있다.
출처
[1] https://conformabledecoders.media.mit.edu/courses/2018/decoders 1.0/John Rogers/Materials and Mechanics for Stretchable Electronics_2010.pdf
[2] https://blog.picamfg.com/flex-pcb-adhesives-and-bonding-guide
[3] https://conformabledecoders.media.mit.edu/courses/2018/decoders 1.0/John Rogers/Materials and Mechanics for Stretchable Electronics_2010.pdf
[4] https://www.irhythmtech.com/us/en
[5] https://hexoskin.com/
[6] https://www.catapult.com
[7] https://www.ehstoday.com/safety-technology/article/21269395/how-wearable-technology-is-transforming-workplace-safety
[8] https://www.senseglove.com/product/nova-2/
저자 소개
브라이언 델루카(Bryan DeLuca)는 복잡한 엔지니어링 개념을 쉽게 설명하는 데 깊은 Profile Photo of Bryan DeLuca열정을 가진 베테랑 전자 콘텐츠 제작자이다. 수년간의 실무 경험을 바탕으로, 그는 고급 전자 주제를 엔지니어, 취미 활동가, 메이커들이 이해하기 쉽고 흥미로운 콘텐츠로 풀어내는 데 탁월한 능력을 인정받고 있다. 브라이언은 부품, 전력 전자, 적층 제조, 마이크로컨트롤러, LED, 센서 통합에 초점을 맞춘 기술 기사와 영상을 제작한다.