가정용 HVAC가 집 안의 온도에 따라 그 작동을 제어해주는 온도 조절장치 없이 계속해서 작동한다고 상상해보십시오. 낭비이고 비효율적인 것 같습니다. 그렇죠? 스마트 홈 기기와 애플리케이션에서도 이와 비슷한 시나리오가 전개될 수 있습니다. 이런 기기들을 관리하는 지능적인 관리자가 없다면 이 기기들이 항상 가동되어 에너지와 돈이 낭비될 수 있습니다. 이 기사에서는 신형 Infineon XENSIV™ 60-GHz 레이더 센서에 대해 알아보고 이 센서를 점유 모니터링에 사용할 경우 오늘날 스마트 홈에서의 일상이 얼마나 더 효율적으로 전개될지 알아봅니다.
스마트 홈 애플리케이션과 커넥티드 기기의 수가 늘어나면서 그 이용자들은 일상 생활이 더 편리해지고 있습니다. 하지만 이런 기기들은 아무도 없는데도 언제든지 사용할 수 있도록 계속 작동하거나 대기 모드에 있어야 하는 경우가 있기 때문에 에너지 소비량이 높아지는 결과가 나타납니다. 스마트 기기에 Infineon XENSIV™ 60-GHz 레이더 센서를 장착하면 기기의 에너지 효율성이 더 높아져서 더 스마트해지고 지속 가능성이 더 높아지게 됩니다.
스마트 빌딩과 스마트 홈은 그 인기가 점점 더 많아지고 있으며 해를 거듭하면서 그 수가 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 현재 이미 전 세계 스마트 홈의 수는 2억 개 이상으로 추정되고 있으며, 향후 몇 년 안에 이 수치가 5억 개를 넘어설 것으로 예상되고 있습니다
(그림 1).
스마트 홈은 점점 더 정교한 기능들을 제공하고 점점 더 디지털화되는 기기들을 통해서만 구현될 수 있습니다. 그러나 여기에는 커다란 비용이 수반됩니다. 에너지에 대한 필요성은 대기 전력 소비가 꾸준히 감소하던 과거의 추세에도 불구하고 증가하고 있습니다. 스마트 기기는 "꺼져 있을" 때에도 에너지를 필요로 하는데, 이는 스마트 기기가 사용자의 입력(예: 음성 제어를 통한 입력)에 즉각적으로 반응하거나 스마트 홈 또는 웹을 통해 최신 정보를 제공하기 위해서는 대기 모드가 유일한 방법이기 때문입니다. 그리고 기기가 대기 모드로 작동해서 에너지를 소비할 필요가 전혀 없는 경우도 많은데, 주로 아무도 없을 때가 그런 경우입니다.
이 같은 문제를 해결하고 디지털화와 에너지 효율이라는 두 가지 요건을 충족하기 위해, Infineon은 자체 개발한 반도체 솔루션을 활용합니다. 그 중 하나가 XENSIV™ 레이더 센서로, 거의 모든 스마트 홈 기기에 이 센서를 적용할 수 있습니다. 레이더 센서는 매우 민감해서 사람이 있는지, 기기가 준비 상태여야 하는지 여부를 감지할 수 있는데, 이것은 마우스나 키보드 입력이 없이 특정 시간이 지나면 PC 모니터를 비활성화했다가 입력이 감지되자마자 다시 활성화하는 스크린 세이버와 비슷합니다. Infineon의 60-GHz 레이더 센서는 이렇게 존재와 부재를 안정적으로 감지함으로써 진정으로 스마트하고 에너지를 절약해주는 기기의 설계에 힘을 실어줍니다.
사용자 존재 시 활성화 VS 연속 활성화 또는 대기
2021년 독일에서 18세~64세의 응답자 3,000명을 대상으로 실시한 Statista 설문조사에 따르면, 응답자의 거의 3/4이 스마트 홈 기기를 최소 하나 갖고 있습니다. 미국의 경우 그 수치가 비슷한 반면(그림 2), 중국의 경우 스마트 홈 기기 사용자의 비율이 90%나 됩니다. 스마트 기기는 그 사용 분야 만큼이나 다양해서 조명, 보안 기기, TV나 노트북, 사운드 바 같은 가전 제품, 주방 용품, 에어컨 등이 여기에 포함됩니다. 하지만 이 모든 기기들은 에너지 요구량을 늘리고 있는데, 이러한 현상은 요즘처럼 에너지 비용이 증가해서 소비자들이 에너지를 절약해주고 지속 가능하며 친환경적인 기기를 선호하는 때에는 바람직하지 않은 현상입니다. 또한, 전력망 인프라도 부담이 커지고 있습니다.
온도 조절장치나 스마트 스피커, 디지털 어시스턴트 같은 기기들을 일반적인 대기 모드에 두지 않고도 에너지 소비를 줄이는 한 가지 방법으로 사람이 없을 때 이 기기를 “완전 절전 모드”에 두는 것이 있습니다. 일부 기기의 경우, 이렇게 해서 몇 와트나 1와트 미만을 절약할 수 있습니다. 그러나 아무도 없어서 필요하지 않을 때마다 기기를 완전 절전 모드에 두거나 잠시 꺼둘 경우 100W 이상을 절약할 수 있는 경우도 있습니다(예: TV 스크린, 노트북, 사운드 시스템, 에어컨). 레이더 센서를 사용하면 이런 기기들이 사람의 존재 여부나 움직임을 감지할 수 있습니다. 이러한 임펄스가 계속 부재한다면 레이더 기반 스마트 기기가 자동으로 절전 모드로 전환되어 에너지를 절약할 수 있습니다. 센서와 구현 방식에 따라, 레이더 모듈 자체는 전력 소비량이 몇 밀리와트에 최대 전력 소비량이 0.1W로, 많은 전자 기기의 "On" 상태나 표준 대기 모드 시의 에너지 요구량에 비해 훨씬 더 낮습니다(그림 3).
레이더 센서를 이용하여 에너지 효율을 높이는 방법
에너지를 절약하기 위해서는 기기를 항상 이용할 수 있어야 하고 기기가 항상 연결되어 있어야 한다는 접근 방식(전력 소모량이 많은 대기 모드도 포함)을 개혁해야 합니다. 우리는 정말 필요할 때 즉, 사용자가 있을 때에만 활성화되거나 대기 모드에 있는 기기를 원합니다. 이것은 우리가 방에 들어가면서 불을 켜거나 내부가 너무 더워질 때에만 에어컨을 수동으로 작동시키는 등 현재 우리가 "논스마트" 홈에서 하고 있는 것들입니다. 아직도 많은 기기에서는 타임아웃 같은 전기 절약 기능이 심지어 구현되어 있지 않거나 사용자가 이것을 비활성화해둡니다. 그 이유는 특히 불편하게 수동으로 재활성화를 하고 나면 우수한 기능성과 연계되어 있는 이러한 기능들이 부팅 시간을 길어지게 만들고 최신 정보를 얻지 못하게 돼서 고객 경험을 크게 악화시키기 때문인 경우가 종종 있습니다.
하지만 스마트한 새로운 접근 방식이 여러 가지 질문에 대한 답이 될 수 있을 것입니다. 온도 조절장치의 디스플레이가 왜 항상 켜져 있어야 하고, 기기 자체가 왜 항상 인터넷에 연결돼서 날씨 데이터를 다운로드해야 할까요? 홈 보안 시스템의 카메라는 모니터링 영역에 아무도 움직이고 있지 않은데도 왜 항상 켜져 있어서 데이터를 기록하고 전처리해서 클라우드로 전송할까요? 기기를 더 스마트하게 활성화하는 방식을 달성하는 최고의 방법은 레이더 센서로 활성화되는 모션 감지를 구현하여 기기를 완전 절전 모드에서 깨우는 것입니다.
예를 들어, 스마트 온도 조절장치를 레이더 감지 모듈이 작동할 때에만 기본적으로 꺼져 있게 할 수 있을 것입니다. 레이더가 방 안에서 움직임을 감지하자마자 온도 조절장치가 활성화돼서 집 안의 기본 데이터를 업데이트하고 인터넷을 통해 날씨 데이터를 업데이트하는 것입니다. 누군가가 정해진 영역 안으로 들어오면(예: 기기를 중심으로 1미터 반경 안에 들어오면) 디스플레이가 켜져서, 사용자가 화면을 터치하여 활성화한 후에 데이터가 업데이트되고 그 결과가 표시될 때까지 기다릴 필요가 없어지는 것입니다. 이 같은 존재 감지라는 개념을 다른 여러 스마트 홈 기기와 가전 제품에 적용할 수 있습니다.
또한, 공백 감지라는 그 반대의 원리도 적용할 수 있어서 에너지를 훨씬 더 많이 절약할 수가 있습니다. 이 경우, 특정 시간 동안 방 안에 아무런 움직임이 감지되지 않을 경우 TV나 스피커, 스마트 램프, 에어컨 같은 기기의 전원을 끌 수 있습니다. 그러면 전력 소비가 크게 줄어듭니다. 공백 감지는 기기를 즉각적으로 활성화하는 것이 아니라 일정 시간 동안 아무도 없을 때 기기를 비활성화하는 것이므로, 센서 모듈 자체는 계속 비활성화 상태를 유지하면서 몇 초나 몇 분 간격으로만 점검을 수행할 수 있습니다. 그 결과, 이러한 센서 모듈은 전체 시스템의 측면에서 상당한 에너지를 절약함과 동시에 모듈 자체적으로는 에너지를 거의 소비하지 않을 수 있습니다.
HVAC 시스템이 적용된 빌딩의 경우 아무도 없을 때에도 대부분의 에너지가 난방과 냉방에 쓰이기 때문에 이러한 원리의 혜택을 특히 많이 볼 수 있습니다. 설상가상으로, 많은 경우 이러한 기기들은 자주, 오랜 시간 동안 가동됩니다. 그러나 진정한 스마트 홈이라면 해당 영역에서 사람이 모두 나가면 곧바로 시스템을 비활성화할 것입니다. 이런 기능은 조명 시스템에 점점 더 많이 사용되고 있지만, 아직도 에어컨이나 그 밖에 모니터, 주방 기기, 컴퓨터, 스피커, 사운드 시스템 같은 기기에는 사용되고 있지 않습니다.
또한, 사용자는 TV 같은 여타 기기에서도 공백 감지 기능을 이용할 수 있습니다. 예를 들어, Infineon의 BGT60LTR11AIP 레이더 센서(그림 4)는 삼성의 프레임 TV 2021(그림 5)에 적용되었습니다. 이 레이더 센서는 사용자가 지정한 시간 동안 근처에 아무도 없으면 TV를 아트 모드에서 절전 모드로 전환합니다. 이를 통해 에너지를 절약할 뿐 아니라 디스플레이의 수명도 늘려줍니다.
레이더 센서는 스마트 홈 기기에 가장 적합한 감지 옵션입니다
현재 제공되고 있는 모든 모션 감지 솔루션 가운데, 레이더 센서는 사람의 눈에 보이지 않는 가장 작은 움직임까지도 감지할 수 있는 최고의 감도를 자랑합니다. 감도 면에서 PIR 센서는 경쟁 상대가 되지 않습니다. 그리고 레이더는 능동 감지 기술이기 때문에 PIR 센서처럼 물체의 열에 의존하지 않습니다. 따라서 사람이 거의 움직이지 않고 있거나 전혀 움직이지 않더라도 감지할 수 있습니다. 그러나, 논쟁의 여지가 있기는 하지만 가장 큰 장점 중 하나는 비전도성 물질을 관통해서도 감지가 된다는 점입니다. 적외선, 초음파, 카메라 및 기타 이미지 기반 센서들은 가려지면 안 되거나 제품 하우징에 개방된 부분을 필요로 하지만, 레이더 센서는 기기 안에 완벽하게 숨길 수 있습니다. 따라서 제품 설계 시 어떠한 타협도 할 필요가 없으며, 관련 수정을 감안한 하우징을 위한 추가 제조 단계와 비용을 피할 수 있습니다.
또 다른 가능성은 이미 적절한 이미지 센서가 장착되어 있는 카메라나 TV, 노트북 및 기타 기기에 카메라 기반 모션 감지를 구현하는 것입니다. 이미지 시스템은 전력 소비가 매우 높지만 그래도 주변 조명 조건이 좋아야 할 것이며, 영상에서 움직임을 감지하기 위해 이미지 처리가 필요하고 이를 위해서 더 많은 에너지를 필요로 합니다. 카메라 기반 시스템은 사적인 공간을 침범하기 때문에 사생활이 침해된다는 점도 문제점으로 종종 언급되며, 그래서 사용자들이 이 시스템을 전적으로 신뢰하지는 않습니다.
또한, 가전 제품의 가격이 하락하고 있다는 점은 구성품에 대한 비용 압력을 증대시키고 있습니다. 따라서 존재 감지를 위해 3D ToF(Time-of-Flight)와 카메라 센서를 구현하는 것은 비용이 너무 많이 드는 경우가 많습니다. 제품 하우징의 설계에 영향을 미칠 뿐 아니라 Fresnel 렌즈, 증폭기, 제어기 등을 추가로 필요로 하는 강력한 PIR 솔루션의 경우에도 BOM 비용이 증가합니다. 반면에 Infineon의 BGT60LTR11AIP 레이더 센서는 특히 자율 작동 시에는 최소한의 지지 구성품만 있으면 되기 때문에 시스템 비용에 미치는 영향이 가장 적습니다. 그리고 레이더 센서는 크기가 작기 때문에 작고 얇은 전자 기기에 통합하는 것도 가능합니다.
또한, 레이더 센서는 일부 레이저 기반 ToF 센서나 기타 이미지 기반 센서들이 감지 성능이 감소할 수 있는 먼지, 연기, 또는 습기가 많은 곳에서도 강한 면모를 보여줍니다.
레이더 센서가 가능하게 해주는 그 밖의 스마트 기능
기기를 잘못 다루면 불필요한 전력 소비가 발생하게 됩니다. 사용자들이 이 사실을 항상 인지하고 있는 것은 아니어서 잠시 집을 비울 때 기기를 끄거나 설정을 조정하지 못해서 의도치 않게 에너지를 낭비하게 되기도 합니다. 그러나 레이더 센서를 이용하면 이것을 자동으로 조절할 수 있어서 사용자가 이 점에 대해 생각할 필요 없이 에너지를 낭비하고 있지 않다고 안심할 수가 있습니다.
레이더 센서는 존재 또는 부재 감지기로 사용되기도 하지만 스마트 기기, 예를 들어 에어컨 시스템에 또 다른 기능을 추가해줄 수 있습니다. 이 경우, 레이더 센서는 온도 및 CO2 센서와 결합되어 시스템이 필요한 경우에 작동될 때 효율이 가장 높습니다(예: 방 안에 누군가 있을 때, CO2 레벨이 너무 높을 때, 온도가 설정 한도를 넘어설 때). 다른 감지 기술들은 존재나 부재 같은 바이너리 정보만을 제공하곤 하지만, 레이더 센서는 방 안에 있는 사람의 수를 확인하고 그에 따라 더 일찍 레벨을 조절할 수도 있고 심지어 사람들의 위치와 거리를 체크하여 바람의 방향을 제어할 수도 있습니다.
그 밖에 여러 가지 사용 사례들이 가능합니다. 사운드 시스템이 청취자의 위치를 추적하여 그에 따라 음량과 사운드 매개변수들을 지속적으로 최적화하거나, 어린이 보호 기능이 있는 TV가 시청자의 거리를 측정하여 어린이가 화면에 너무 가까이 있으면 경고를 하거나, 또는 노인이나 도움을 필요로 하는 사람을 위한 기기(예: 경보 시스템)가 사용자가 넘어졌을 때 도움을 요청하는 등의 사례를 예로 들 수 있습니다. 그러므로 레이더 센서를 이용하면 노력을 거의 들이지 않고도 스마트한 환경 속에서 에너지를 절약할 수 있고 사람들의 편의는 물론, 건강과 안전에 기여할 수 있습니다.
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