무선 블루투스 헤드셋 오디오 시장이 급성장 추세를 나타낸다. 사람들은 이제 무선 오디오 시스템에 친숙해졌으며, 휴대전화기 업계는 오디오 커넥터와 케이블이 없는 세상을 향해 빠르게 나아가고 있다. 대부분의 사람들은 블루투스 오디오라고 하면 별다른 기능 없이 귀를 완전히 덮는 투박한 헤드셋을 떠올릴 것이다.

그러나 최근의 오디오 시스템은 아주 작은 크기에 기능과 사용자 경험을 극대화하고 있는 중이다. 이는 TWS 헤드셋(True Wireless Headset)이라는 새로운 오디오 범주를 탄생시켰다. 이 새로운 인이어(In-ear) 시스템은 겉보기에는 단순하지만, 짐작할 수 있듯이 핵심은 디테일에 있다. 그림 1의 하이레벨 시스템 개요에서 보는 것처럼 TWS 시스템은 지능적이고 사용자 친화적인 많은 전자장치를 필요로 한다.



일상생활에서 사용하는 TWS 헤드셋의 경우 사용자 경험을 향상하고 사용자 인터페이스를 쉽게 통합할 수 있게 하는 몇 가지 방법이 있다. TWS 헤드폰은 배터리 공간이 매우 제한적이기 때문에 시스템 설계자는 재생 시간 문제에 직면하게 된다. 흔히 사용되는 60~150mA/h 용량의 배터리로는 2~4시간 정도만 재생이 가능하다. 배터리가 완전히 방전되면 무선 이어폰은 다음 사용을 위해 새로 충전할 필요가 있다.

최신 TWS 헤드폰은 배터리 충전을 위해 각각의 이어피스에 연결할 수 있는 케이블 대신 충전 케이스를 제공한다. 충전 케이스는 크기가 작아 분실하기 쉬운 이어폰을 간편하게 보관할 수 있을 뿐 아니라, 더 큰 배터리도 포함하고 있다. 따라서 사용자는 전원 콘센트 없이도 이동 중에 케이스에서 이어폰을 충전할 수 있다. 이처럼 케이스/이어폰으로 제품을 구성하는 목적은 언제든지 배터리의 완전한 충전을 보장하기 위해서다. 운동을 시작하려는데 배터리가 방전돼 무선 이어폰을 사용할 수 없다는 걸 알게 되는 건 사용자가 경험하는 가장 짜증나는 일 중 하나이다.

사용자 경험을 향상하는 또 다른 기능은 무선 이어폰의 자동 시작과 페어링이다. 사용자는 이어폰을 이미 귀에 꽂은 상태에서는 장치를 페어링하거나 시작할 때까지 기다리고 싶어 하지 않는다. 따라서 버튼을 누르지 않아도 페어링 과정이 진행되는 매끄러운 과정이 필요하다.
표준 TWS 헤드셋을 스마트하고 사용자 친화적으로 만들기 위한 핵심 요건은 충전 케이스와 이어폰 간에 데이터 교환이 가능해야 한다는 것이다.



충전 케이스가 이어폰의 배터리 상태를 인지할 수 있다면 자동으로 이어폰의 재충전을 시작할 수 있다. 상시동작 마이크로컨트롤러(MCU)에 의해 대기전류 소모가 발생하기 때문에 이러한 연속적인 재충전 과정은 필수적이다(그림 2 참조). 반대로, 충전 케이스의 배터리가 방전된 것을 이어폰이 감지하면, 이어폰은 블루투스 기능을 통해 케이스의 배터리를 충전하도록 사용자에게 자동으로 알려줄 수 있다.

자동 시작 및 페어링에서도 스마트 연결은 유용하다. 만약 충전 케이스가 이어폰에게 케이스 뚜껑이 열렸다는 것을 알려준다면, 이어폰은 슬립 모드에서 깨어나 블루투스 페어링 과정을 준비할 수 있다. 이렇게 하면 장치를 활성화하기 위해 이어폰을 누르지 않아도 된다.

이 같은 케이스와 이어폰 간 연결 기능은 사용자 경험을 향상하는 것 외에도 더 나은 산업 설계, 소프트웨어업데이트, 이어폰의 개인화(이름, EQ 데이터), 이어폰에 음악 데이터 전송 등을 구현할 수 있게 해준다. 지금 나열한 기능들은 시장에서 풍부한 기능으로 제품을 차별화 할 수 있는 애플리케이션 사례 중 일부에 불과하다.

기술적 구현 방법을 명확히 이해할 수 있도록 그림 2를 통해 시스템을 좀 더 자세히 살펴보자.

충전 케이스 측면에서 가장 중요한 것은 리튬이온 배터리와, USB 콘센트에서 공급되는 표준 5V 전원으로 케이스의 배터리를 충전할 수 있게 하는 충전기이다. LDO와 DC/DC 컨버터 같은 전력 관리 블록은 케이스 내부의 MCU 및 그밖에 다른 디바이스에 필요한 공급 전압을 분배한다.

전용 5V 전원은 배터리를 충전해 이어폰에 전력을 공급하는 데 필수적이다. 상시동작 MCU는 충전 케이스의 중앙 제어 장치 역할을 하며, 일반적으로 충전기뿐 아니라 다른 여러 센서(뚜껑 감지, 이어폰 감지)와도 연결되어 있어 충전 케이스의 배터리 상태에 대한 업데이트를 받는다.

충전 케이스 뚜껑 열림, 이어폰 삽입 또는 이어폰에서 전송한 요청 사항 등 트리거 이벤트가 발생하면 MCU는 필요한 정보를 교환하거나 명령과 데이터를 이어폰에 전송한다.

이어폰 측면에서 토폴로지는 기본적으로 매우 유사하지만, 블루투스 SoC도 필요하다. 이어폰의 MCU는 충전 케이스의 MCU와 직접 통신하면서 정보를 주고받는다.

센서 측면에서 보면 이어폰이 귓속에 삽입되는 것을 감지하는 근접 센서, 가속기 센서, 피트니스 기기를 위한 심박수 센서, 온도 센서, 터치 센서 같은 추가적인 디바이스들이 포함될 수도 있다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 충전 케이스와 이어폰의 스마트 기능을 구현하기 위해서는 여러 개의 핀이 필요하다. 이는 몇 가지 약점을 초래한다. 사용자의 높은 기대 수준을 충족하려면 TWS 솔루션은 유선 이어폰보다 많이 커서는 안 된다. 이 때문에 이어폰에 추가로 극을 배치할 경우 언제나 크기와 기능 사이에 절충이 뒤따른다.

또한 이어폰에 여러 개의 극을 배치해야 하는 경우에는 설계와 모양에도 부정적인 영향을 미친다. 대안으로 저전력 블루투스(Buetooth LE) 연결 링크를 구축하는 방법도 있지만, 이 방법은 BOM에 상당한 영향을 주고 소프트웨어를 구현하는 데에도 추가적인 노력이 필요하다.

차선책은 이어폰 충전(GND 및 5V)에 사용되는 표준 2극의 기능을 강화하는 것이다. 2개의 배선 연결 기능을 확장하여 이어폰을 충전과 동시에 통신까지 병렬로 이루어질 수 있게 한다면, 물리적으로 차지하는 공간을 늘리거나 설계의 심미적 요소를 훼손하지 않으면서 스마트하고 사용자 친화적인 기능들을 모두 실현할 수 있다.

그 결과, 이제는 이어폰이 스마트 기기에 제공할 수 있는 정보들을 유용하게 활용하는 전용 앱을 통해 사용자 경험을 더욱 향상시킬 수 있게 됐다. 다음은 사용자 경험을 향상시키는 몇 가지 사례들이다.

•왼쪽 배터리 상태
•오른쪽 배터리 상태
•충전 케이스 배터리 상태
•페어링 상태
•왼쪽/오른쪽 이어폰의 이름 또는 일치 여부
•온도
•충전 케이스 소프트웨어 업데이트 확인
• 충전 케이스 배터리(특히 교체된 배터리)의 방전 상태 알림 정보

TWS 시스템의 진화는 이제 막 시작되었지만, 머지 않아 정점을 찍을 것으로 보인다. 시장이 벌써부터 치열한 경쟁 양상을 보이면서 강력하고 빠르게 성장하고 있는 데다 사용자들의 눈높이 수준 또한 매우 높기 때문이다. 소형화와 설계 향상 외에도, 향후에는 더 많은 기능과 특성들이 TWS 시스템에 추가될 것이다. 관련 기기의 전력 소모가 최소화 될 것이기 때문인데, 여기에는 표준 블루투스 헤드셋에 이미 포함된 액티브 노이즈 캔슬링, 무선 충전, 심박수 트래킹 또는 음성 명령 같은 기능들이 포함될 것이다.

미래에는 정보와 커넥티비티가 그 어느 때보다 우리의 일상에 깊이 연관될 것으로 예상되면서, TWS 헤드폰 시장 역시 좋은 성장 기회를 갖게 될 것으로 보인다. 하루 종일 사용 가능하고 인터넷 연결로 인해 더욱 강력해진 이어폰을 착용하는 것은 새로운 장을 열게 될 것이며 전혀 차원이 다른 디바이스와 애플리케이션을 창출하게 될 것이다.

증강된 듣기, 핸즈프리 내비게이션 또는 스마트한 실시간 외국어 통역 서비스 등은 우리가 상상할 수 있는 애플리케이션의 극히 일부일 뿐이다. 기술적 과제들만 극복한다면 TWS 헤드폰은 모든 사람의 삶 속에 아무런 예고 없이 자연스럽게 스며들 것이다.