감각 융합 비즈니스 플랫폼

9. 후각 가상현실 케이스 스터디

Oct 12. 2020

영상 기술을 연구하고 있는 안상철 한국과학기술연구원KIST 영상미디어 연구센터장은 ‘기술을 통해 본 미디어의 미래 보고서’에서 말하였다.

조만간 실감 미디어Tangible Media시대가 올 것"이라고 전망한다.
효과적인 커뮤니케이션을 위해서는
텍스트나 이미지 같은 정보 그 자체뿐 아니라
정보를 둘러싼 환경, 분위기, 맥락, 심지어 냄새 촉감 맛 같은 오감의 요소도
중요한 요소인데 기술 발전이 그것을 가능하게 하고 있다.

만일 후각정보를 제시하여 영상의 분위기에 대한 실감을 증대시킬 수 있다면 영상에 냄새를 포함하는 구체적인 대상이 존재하지 않는다 하더라도 생생하고 몰입감 있는 시청이 가능해질 것이다.

주1)

향기가 있는 순간은 일상의 지나가는 수평적 시간과는 달리 높이와 깊이가 있는 수직성을 지닌 시간이다. 또한 그 시간은 과거와 현재 그리고 미래를 연결하는 하나의 고리로 이어져 있다. 지나가는 일직선의 시간 속에서 정지되지 않고 반복적인 일상의 모양으로, 하지만 늘 다르게 우리에게 다가온다.

향은 한 시대에만 존재하는 것이 아니다. 특정 지을 수 없는 시간의 공존을 허용하고 있다. 그래서 향기는 우리가 잃어버렸던 감각의 세계를 떠오르게 하며 시대를 넘어 우리에게 다가오는 것이다. 특히 정서적인 생활 속으로 끌어들이려는 강한 흡인력으로 인해, 향은 존재하고 있는 가장 풍요롭고도 복잡한 감각의 경험 중 하나를 우리에게 제공한다. 이러한 이유로 철학자들과 의사들은 일찍부터 후각의 신비를 캐내려 했지만, 아직도 알려진 것이 많지 않다.

사실 초기 합성향의 개발은 추출할 수 없거나 생산량이 적어 비싼 가격 때문인 것과 향수에 있어 단조로움을 피하고 좀 더 다양한 향을 내기 위하여 시작되었다. 그래서 많은 합성 향들이 개발되었으며, 특히 여러 가지 향을 배합하여 만드는 향수에 있어서 획기적인 전환점이 된 것만은 확실하다. 이것은 조향사의 예술적 감각을 넓혀 아름다움을 추구한 긍정적인 면도 가져다주었지만, 이러한 다양한 향의 세계는 과학과 예술을 넘어 사람들의 끝없는 욕망을 갈구하게 만들었으며, 이 세상에 없는 독특한 향의 세계를 부추기게 된 것이다. 우리가 추구하는 새로운 세상의 실현은 이카루스의 밀랍처럼 반드시 그 대가가 따른다는 것을 알면서도 말이다.

●전자코

전자 코는 모두는 아니지만 많은 화합물을 인간의 코보다 10배에서 100배 정도 더 민감하게 판별해 낸다. 현재 전자 코를 가장 필요로 하는 분야는 음식 산업이다. 가장 중요한 기능은 고기, 우유, 마요네즈처럼 상했을 때 심각한 건강 문제를 야기하는 제품의 신선도를 검사하는 것이다. 또한 향수 산업에도 사용되어 가짜 향수를 찾아내는 일에 가동되고 있다. 공항세관에서는 금지된 물질을 찾아내고 화학 물질을 다루는 작업장에서는 독약이나 독소를 감지하는 일을 한다. 한편 국가 보안 당국은 화학무기를 찾아내는 일에, 의료부문에서는 결핵에서 유방암에 이르는 다양한 질병을 발견하는 일에 전자코를 사용하고 있다.주3)

한국생명공학연구원(원장 오태광, 이하 KRIBB), 한국기초과학지원연구원(원장 정광화, 이하 KBSI)은 서울대와의 공동연구를 통해 다중으로 냄새를 인지할 수 있는 고성능 바이오나노전자 코Bionano-electronic Nose를 세계 최초로 기술개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

인간의 감각 가운데 그 복잡성으로 인하여 가장 알려지지 않은 영역이 후각 분야이며, 특히 후각의 인지는 수많은 후각 신경세포에 의해 발생한 신경신호의 조합에 의해서 이루어져 그 메커니즘이 매우 복잡하다. 이로 인해 반도체성 회로의 전류변화를 모니터링하여 냄새분자를 인지하는 기존의 바이오전자 코는 균일한 크기 및 모양을 가지는 나노어레이 트랜지스터 형성이 힘들어 여러 가지 냄새를 한 번에 인지하는데 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 제조된 그래핀주4) 마이크로 패턴 트랜지스터와 다종의 인간 후각 수용체를 결합하는 방식으로, 특정 냄새분자와 선택적으로 결합하는 후각 수용체들을 부착하여 여러 가지 냄새를 한 번에 인지할 수 있는 인공후각 재현기술 개발을 성공하였다. 특히, 세포막에 발현되는 막 단백질로 이루어져 그 구조가 매우 복잡하고 이종세포에서의 발현이 극히 어려운 것으로 알려져 있는 후각수용체를 대장균 시스템에서 대량으로 발현 후 분리 정제하는데 성공하여 전자 코의 효용성을 더욱 높였다.

인간은 약 390개의 후각 수용체를 가지고 있으며 냄새물질과 후각 수용체간의 선택적인 결합에 의해 후각 신경세포에서 후각 신경신호가 발생한다. 이렇게 발생한 후각 신경신호는 인간의 뇌의 한 부분인 후각신경구olfactory bulb에 모이고 신호의 조합이 일어나게 된다. 조합된 후각 신경신호를 대뇌에서 인지 함으로써 냄새를 인지하게 된다.

연구결과는 나노과학분야의 세계적 학술지 나노레터스(Nano Letters, IF : 13.592)誌 온라인 판에 게재되어 있다.주5) 이번 연구 성과는 사람의 코를 대체할 기술로, 유독가스와 같은 인체에 해를 끼치는 냄새물질의 감지, 질병들 특히 암의 지표 물질을 사람의 호흡이나 소변에 포함된 특정 휘발성 유기화합물 인지, 식품 및 향수 감별, 마약 및 생화학무기 조기 검출 등 다양한 분야에 활용되며, 인간 후각의 코드화를 통한 향기 나는 TV 기술 등 미래 인간생활과 연관된 첨단 과학기술에 응용할 수 있을 것으로 전망하고 있다. KRIBB 권오석 박사는 “이번 연구는 단일 냄새 분자만을 인지 가능한 기존 바이오 전자 코 시스템에 활용되어온 나노물질을 마이크로 패턴화 된 단층 그래핀으로 대체하여 실제 사람 코와 흡사한 고감응성 다중 냄새 분자 인지용 바이오 나노전자 코를 세계 최초로 개발했다는데 의미가 있다”라고 설명했다.

KBSI 송현석 박사는 “인간은 여러 후각 신경세포가 만드는 후각 신호의 조합으로 냄새를 인지하는데 이번 연구는 이러한 인간의 후각시스템에 더욱 가까운 기술을 개발하였다는데 의미가 있고, 이번 연구결과를 기반으로 현재 기술로 불가능한 인간 후각의 코드화와 표준화에 한걸음 더 다가갔다고 생각한다”라고 밝혔다.

이번 연구를 공동 수행한 KRIBB의 권오석 박사와 서울대 박선주 박사는 나노구조체 제조분야의 권위자인 서울대 장정식 교수의 제자이며, KBSI 송현석 박사는 바이오센서 분야 권위자인 서울대 박태현 교수와 제자 때부터 고성능 인공감각센서 개발 연구를 수행하였다. 주 6)

세계 최초로 고감응성 다중 냄새 분자 인지 인공후각을 재현하는데 있어 다종의 인간 후각수용체를 이용한 다중 검지 시스템의 구현으로 인간의 후각 인지를 보다 정확하게 모방하고 인간 후각 신호의 코드화가 가능하게 했다. 또한, 그래핀 기반 전계감응효과 트랜지스터 기반으로 저 전력에서 작동이 가능하여 초소형 바이오나노 전자 코 시스템을 사업화할 수 있게 되었다.

연구 결과는 사람의 코를 대체할 인간의 후각인지를 모방하는 기술로 하여금

1) 유독가스와 같은 인체에 해를 끼치는 냄새물질의 감지

2) 질병, 특히 암의 지표 물질을 사람의 호흡이나 소변에 포함된 특정 휘발성 유기화합물 인지

3) 식품 및 향수 감별

4) 마약 및 생화학무기 조기 검출

5) 다중 센서 시스템으로 인간의 후각을 코드화하여 향기 나는 TV등

미래 기술에 응용할 수 있는 다양한 분야에 활용될 수 있다.

●외상후 스트레스 장애

냄새는 즉각적이고 강렬한 감정 반응을 이끌어내므로 병사들로 하여금 죽음과 전투의 현장 냄새를 대비하게 하고 냄새로 인한 외상 후 스트레스 장애를 미연에 예방하게 해 준다. 한편 냄새로 인한 감정적 자극은 학습에도 도움을 준다.주2)

●후각 디스플레이

후각디스플레이 기술을 이용하여 후각적 재현이 애니메이션과 동영상에 성공적으로 적용되었으며, 초보적이긴 하지만 요리과정에 대한 가상현실 시스템에도 적용되었다. 여기서 후각은 독립적인 멀티미디어 정보로 존재하기보다는 기존의 멀티미디어 정보를 증강시키며 보완하는 역할이 더 크다. 하지만 이러한 경우에도 후각은 디지털 정보화되어야 하는 것은 반드시 필요하다.주7)

후각 디스플레이는 냄새의 지속시간Duration이나 강도Intensity에 의존하기보다는 냄새를 구별하는 사용자에 의존해야 한다. 냄새는 지속성을 가지고 있으며, 냄새의 지속성은 공기 공급량이나 환기상태에 따라 변할 수 있다.

동경공업대학의 나까모또Takamichi Nakamoto교수의 경우나 노리터의 제어가 가능한 잉크젯 기술을 이용하여 냄새의 미세한 농도 제어가 가능해졌으며, 수십 개의 냄새 원료를 이용하여 다양한 냄새를 조합하는 기술 등이 성공적으로 이루어졌다.

urn_cambridge.org_id_binary_93936_20160716054430948-0818_09640fig20_1.png

이 경우, 후각적 병렬 표현은 새로운 인식 결과를 야기시킬 수 있다. 같은 시간에 제시된 두 개의 냄새는 반드시 두 개의 특징 있는 냄새로 반영되는 것이 아니고 새로운 특징을 가진 다른 냄새로 인식된다.

후각 디스플레이는 잠재적인 알레르기, 매스꺼움 및 다른 불편한 반응 등이 일어날 수 있음을 고려해야 한다. 그래서 반드시 적용 시마다 발향된 냄새에 대한 성분이 제공되어야 한다. 또한 냄새가 강한 기억연상 작용을 가지기 때문에 일부 사람들의 경우에는 특별한 냄새에 대하여 심리학적 불안정을 경험할 수 있음을 사용자에게 고지하여야 한다. 후각 디스플레이는 개인적인 차이가 있음을 고려해야 한다. 냄새를 통해 느끼는 감성은 사람들 사이에 개인적 차이가 존재한다.주8)

앞의 이론에서 후각 디스플레이는 주위 표현으로서 적절해야 한다는 것과
냄새에 대한 개인의 차이를 지적하였다.
이 문제는 쉽게 해결할 수가 없다.
기존의 과일이나 꽃, 커피 등과 같이
보편성을 가지고 누구나 이미 경험했거나 공감할 수 있는 향기라면 다행이지만
리얼리티를 창조해내는 후각 디스플레이 기술에서의 향기는 사람마다의 후각 기억이 다르기 때문에
미리 향기에 대한 사전 학습이 필요할 것이다.
요컨대 후각 디스플레이에서 사람이 느끼는 것은 기계나 기술이 아니라 냄새라는 사실에 주목해야 한다.

●후각자극기

문제일 대구경북과학기술원(DGIST) 교수(뇌과학과) 팀은 다양한 후각 관련 기술 개발에 필수적인 '후각자극기' 기술을 개발했다. 후각자극기는 후각 감지 및 인지 분석을 위해 후각기관에 자극을 제공하는 장치다.

문 교수팀이 개발하는 후각자극기는 냄새를 자극할 때 정속·정량을 유지할 수 있는 기능과 자체 측정 기능을 갖췄다. 또 뇌 인지를 측정할 수 있는 여러 영상장치와 연동해 사용할 수 있다. 또 사람의 호흡과 연동해 냄새를 자동으로 분사하는 기능과 장치에 남아있는 향기 물질을 자동으로 세척하는 기능 등 편의성을 높인 다양한 기술을 적용한 것이 특징이다. 아직 해외에서도 후각자극기는 연구를 위한 장비를 자체 개발해 구축하는 추세며, 상용화 제품이 별로 출시되지 않고 있다.

연구팀은 후각 자극기가 후각신경계 연구나 이비인후과에서 의사들이 환자들의 후각 기능을 진단하는 데 쓰일 것으로 전망하고 있다. 또 의류나 화장품 등 각종 소비재 매출을 높이기 위한 각종 후각 관련 서비스나 후각 인지 반응을 응용한 스트레스 관리 등 다양한 웰니스 서비스 개발에 유용하게 쓰일 것으로 기대된다.

그는 "후각자극기를 통해 정형화된 연구 인프라를 구축해 후각 관련 연구와 새로운 서비스 모델 창출을 유도할 수 있을 것"이라며 "후각 기술 연구 아이템을 조기에 발견해 신규 산업을 창출하고 세계 후각 관련 시장을 조기 선점하는 기회를 얻을 것으로 기대한다"고 설명했다.

●햅틱기술

햅틱Haptic 기술은 컴퓨터의 기능 가운데 촉각과 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술이다 햅틱 피드백과 후각디스플레이 촉각은 시각이나 청각에 비해 더 직접적인 자극이다. 인지반응이 시각과 비슷하게 빠를 뿐만 아니라, 감성을 지배하는 역할에서도 시각이나 청각보다 직접적이며 강하다고 할 수 있다. 촉각은 후각보다 빠른 인지능력을 가진다. 감성을 지배하는 능력은 짧은 기간 동안은 후각보다 강하다고 할 수 있다. 하지만 촉각의 경우 후각에 비해 상당히 짧은 지속성을 가지며 연상 작용면에서는 뒤진다고 할 수 있다.

실감 미디어 서비스는 단순 미디어가 아닌
바람, 향기, 촉각, 움직임 등 사용자가 오감으로 느낄 수 있는 정보를 제공하고,
사용자와의 상호작용을 통하여 새로운 경험을 제공하는 차세대 미디어 서비스로
대표적인 것으로 3D 입체 영상에 진동, 바람, 수증기, 향기, 조명 효과 등을 추가한 4D 영화 등을 들 수 있다.

●복합촉각마우스

2013년, 한국표준과학연구원은 12일 박연규 책임연구원이 컴퓨터 화면에 나타난 호수에 마우스 커서를 갖다 대면 마치 손가락을 물속에 담근 듯이 차갑고 출렁거리는 느낌을 전달해주는 복합촉각 마우스를 개발했다고 하였다.

후각인지는 시각인지에 비하여 상당히 느리기 때문에 인지능력은 시각에 의존하여야 한다. 그러나 후각인지의 경우 기억능력을 향상하고 강력한 연상 기억을 제공하기 때문에 심리적이고 감성적인 면의 조절이 가능하다. 예를 들어 가상현실 시뮬레이터에서 상황의 급박함을 강조할 수 있을 뿐만 아니라, 때에 따라서는 급박한 상황에서 심리적 안정을 찾아줄 수 있는 조절자의 역할도 가능하다. 하지만, 후각의 경우 대뇌의 감성을 지배하는 부분에 직접적으로 작용하기 때문에 시각보다 강한 지속성을 가진다. 만약 후각과 함께 다른 감각이 제시될 때, 후각과 다른 감각이 서로 다른 특성을 가지면 어떻게 인식될 것인가? 시각적으로 레몬의 영상이 보이면서 달콤한 향기를 부여한다면 영상을 통해 인간의 기억 속에서 나온 신맛의 느낌은 후각을 통해 부여한 달콤한 냄새와 충돌할 수 있을 것이다. 또한 게임에서의 급박한 전투 장면 속에 숲 향기가 부여된다면 급박한 게임의 느낌과 후각과는 서로 대립하는 관계를 형성할 수 있다. 이 경우, 하나의 모달리티주9)가 다른 모달리티에 흡수되기보다는 전체적인 감각의 마이너스 현상을 가져오게 되는 불일치 현상을 가질 수밖에 없다.주10)

김정도는 냄새를 묘사하기 위한 일반적인 5가지 특성은 한계농도Odor Threshold, 와 강도Intensity, 지속성Persistence, 심미도HedonicTone, 특성묘사Character Description라고 말하는데, 그것은 통상 농도와 세기(노트에 따라 세기가 다름), 지속성 및 휘발성, 통상 구별되는 향취의 느낌, 그리고 냄새의 분류에 의한 계열 등으로 나눌 수도 있다고 했다. 인간은 특정 향기만으로 어떤 장소나 이미지를 떠올리곤 한다. 때문에 기업들은 인간의 오감 중 하나인 후각을 자극해 자사 제품이나 매장으로 소비자들을 유혹하는 '향기 마케팅'을 하기도 한다. 최근에는 스마트폰과 연동해 원하는 냄새를 전송하는 기기가 선을 보이기도 했다.

감성이란 오감으로 감각하고 지각하여 표상을 형성하는 인간의 인식능력이라 할 수 있으며 오감은 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각의 감각기능을 의미한다. 증강현실에서 이러한 감각적 특징이 두 가지 이상 함께 수반되는 혼합현실 연속체를 연구하고자 하는데, 감성 중심의 디자인이 대두되고 있는 현시점에서 감각적 특징이 중요시되는 혼합현실 연속체에 관한 연구는 충분한 논의 가치가 있다.주11) 인간은 1조 가지 이상의 냄새를 감지할 수 있다고 록펠러 대학교Rockefeller University의 연구원은 밝혔다. 인간의 코는 냄새를 구분할 수 있는 능력으로 아름다운 꽃의 향기를 파악하고 음식이 최상의 상태인지 아니면 나타나기 전에 위험을 발견할 수 있는지 감지할 수 있다고 한다.

후각은 독립적인 멀티미디어 정보로 존재하기보다는 기존의 멀티미디어 정보를 증강시키며 보완하는 역할이 더 클 것이다.
이러한 경우에도 후각은 디지털 보호가 되어야 하는 것은 반드시 필요하다.

주12)

이 같은 실감 미디어 기술은 3D TV나 스마트 TV 등의 방송 사업뿐 아니라 스마트폰, 4D 상영관, 게임 콘솔 시장에서 본격적으로 상용화될 예정이며 다양한 실감 미디어 콘텐츠 개발을 통해 향후 교육, 엔터테인먼트, 의료, 스포츠, 쇼핑 등 다양한 산업으로 확대될 전망이지만 시각, 청각, 촉각 등 다른 감각에 비해 후각에 대한 연구 및 제품 출시는 상대적으로 부족한 상태로 진정한 실감 미디어 구현을 위해서는 향(냄새)을 통한 후각 제품의 개발이 필수적이라 할 수 있다.

Olfactory Director

주)

1) 정윤진 외(2015), “감성형용사를 사용한 다양한 향의 프로파일”, 감성과학 제18권 2호, 76.

2) 레이첼 허즈, “욕망을 부르는 향기”, 장호연 옮김, 뮤진트리, 245.

3) 레이첼 허즈, 앞의 책, 223-224.

4) 단층의 그래핀은 2010년 노벨 물리학상 소재이며, 이는 매우 높은 진성 전자이동도, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하며, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있어 차세대 반도체 신소재로 각광받고 있는 “꿈의 나노물질”이라 불린다. 특히, 미세 전자 기계 시스템을 통하여 균일한 크기 및 모양을 가지는 마이크로 어레이 패턴을 제조할 수 있어 다중 감지용 트랜지스터로 각광받고 있다. 한국생명연구원.

5) 논문명 : An Ultrasensitive, Selective, Multiplexed Superbioelectronic Nose That Mimics the Human Sense of Smell) 9월 24일 게재되었다.

6) 한국생명공학연구원 , 2015, 10.12.

7) 김정도, 이상국(2010). “향 메신져 서비스를 위한 후각 정보 표현 참조 모델”. 한국정보기술학회 논문지, 8(5), 178.

8) 김정도, 앞의 책, 180.

9) 모달리티 (modality) 양상, 양태감각의 한 유형으로, 서로 비교할 수 없고 또한 그 사이의 이행이 인정되지 않는 것을 말한다. 사물의 존재 방식을 의미하는 말이지만 데카르트 및 스피노자에 의해서 특수한 의미가 주어지게 되었고, 특히 스피노자의 철학에 있어서 중요한 개념이다. 스피노자는 유한한 사물을, 무한한 실체 즉 신(神)이 변화해 가는 잠시 동안의 형태로 고찰하면서 그것을 양태라고 부른다. 다시 말하면 물이 실질(實質)을 바꾸지 않고, 그릇 모양대로 형태를 변화시키는 것과 같은 것이다. "양태는 실체의 변화하는 모습이다."라는 그의 정의는 이러한 의미라 할 수 있겠다. 따라서 양태는 실체 속에 있고, 실체 없이는 생각할 수 없는 것이다. 그런데 실체의 본질은 속성이기 때문에 양태는 실체의 속성이 변화하는 모습이다. 양태는 실체의 비본질적인 상태이고 그 점에서 우연성과 다름이 없지만, 그것을 실체가 변화하는 형태라는 관점에서 파악한 것이다. http://4263.tistory.com/46 [땅 밑 검은 하늘].