스마트 홈의 에너지 효율을 크게 향상시키는 레이더 센서

스마트 홈 애플리케이션과 연결된 장치의 수가 증가함에 따라 사용자들의 일상이 더욱 편리해지고 있습니다. 하지만 이러한 장치들이 항상 준비 상태를 유지하기 위해 지속적으로 활성화 상태이거나 대기 모드로 작동하기 때문에 높은 에너지 소비를 초래합니다 — 이는 아무도 사용하지 않는 상황에서도 마찬가지입니다. Infineon XENSIV™ 60-GHz 레이더 센서를 스마트 장치에 탑재하면 해당 장치들이 더욱 에너지 효율적으로 작동하므로 더 스마트하고 지속 가능하게 변화합니다.

스마트 빌딩과 스마트 홈이 점점 더 인기를 끌고 있으며, 향후 몇 년간 그 수가 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 이미 현재 전 세계 스마트 홈의 수는 2억 개 이상으로 추정되며, 예측에 따르면 이 숫자는 향후 몇 년 안에 5억 개를 초과할 것으로 전망됩니다(그림 1).

집은 점점 더 디지털화된 장치가 점점 더 기발한 기능을 갖추게 됨으로써 스마트해질 수 있습니다. 그러나 이는 높은 대가를 치러야 합니다. 에너지 수요가 증가하고 있으며, 이전의 대기 전력 소비가 꾸준히 감소하는 경향과 반대로 가고 있습니다. 스마트 장치는 "꺼져" 있을 때조차도 에너지를 필요로 합니다. 이는 대기 모드가 사용자 입력(예: 음성 제어)이나 스마트홈 및 웹에서 최신 정보를 즉각적으로 제공하기 위한 유일한 방법이기 때문입니다. 더 나아가, 아무도 없는 상황에서는 장치가 대기 모드로 작동하여 에너지를 소비하는 것이 전혀 필요하지 않은 경우가 많습니다.

이 문제를 해결하고 디지털화와 에너지 효율성 요구를 충족하기 위해 인피니언(Infineon)은 반도체 솔루션을 활용합니다. 그중 하나가 XENSIV™ 레이더 센서로, 거의 모든 스마트홈 기기에 적용될 수 있습니다. 레이더 센서는 높은 민감도를 가지고 있어 사람이 존재하는지 여부 및 기기가 준비 상태가 되어야 하는지를 감지할 수 있습니다. 이는 마치 마우스나 키보드 입력이 일정 시간 동안 없을 경우 PC 화면 보호기가 모니터를 비활성화하고 새 입력이 감지되면 즉시 활성화하는 것과 비슷합니다. 이러한 신뢰할 수 있는 존재 및 부재 감지를 통해 인피니언의 60GHz 레이더 센서는 진정으로 스마트하고 에너지를 절약하는 기기의 설계를 지원합니다.

사용자 존재에 의해 활성화된 활동 대 지속적인 활동 또는 대기 상태

2021년 독일에서 18세에서 64세 사이의 응답자 3,000명을 대상으로 실시된 Statista 설문조사에 따르면, 거의 4분의 3이 스마트 홈 기기를 최소 하나 이상 소유하고 있습니다. 미국에서도 이 수치는 유사하며(Figure 2), 중국에서는 스마트 홈 기기 사용자 비율이 무려 90%에 달합니다. 이러한 기기들은 조명; 보안 기기; TV, 노트북, 사운드바와 같은 소비자 전자제품; 주방 가전; 에어컨 등 다양하게 활용되는 만큼 종류도 다양합니다. 그러나 이러한 모든 기기는 에너지 수요를 증가시키며, 이는 바람직하지 않은 영향을 미칩니다. 특히 에너지 비용이 상승하는 시기에는 고객들이 에너지 절약적이고 지속 가능하며 친환경적인 기기를 선호합니다. 더불어, 전력망 인프라에 대한 부담도 증가하고 있습니다.

온도 조절기, 스마트 스피커, 디지털 비서와 같은 기기를 일반 대기 모드로 설정하는 대신, 에너지 소비를 줄이는 한 가지 방법은 아무도 없을 때 이를 “딥슬립 모드”로 전환하는 것입니다. 일부 기기의 경우, 이는 몇 와트 혹은 그 일부를 절약할 수 있습니다. 그러나 딥슬립 모드로 설정하거나 아무도 없을 때 이를 일시적으로 꺼 놓음으로써 100W 이상을 절약할 수 있는 경우도 있습니다. 예를 들어, TV 화면, 노트북, 오디오 시스템, 에어컨 등이 해당됩니다. 레이더 센서를 사용하면 이러한 기기가 사람의 존재나 움직임을 감지할 수 있습니다. 이러한 신호가 감지되지 않으면 레이더 기반 스마트 기기가 자동으로 절전 모드로 전환되어 에너지를 절약할 수 있습니다. 센서 및 구현 방법에 따라 레이더 모듈 자체는 몇 밀리와트의 전력 소비만 가져가며 최대 전력 소비는 0.1W로, 이는 많은 전자 기기의 “켜짐” 상태나 일반 대기 모드에 비해 현저히 낮은 에너지 요구량을 나타냅니다 (그림 3).

레이더 센서를 사용하여 에너지 효율을 높이는 방법

에너지 절약을 위해, 기기가 항상 사용할 수 있고 연결되어 있어야 한다는 접근 방식 — 여기에는 많은 전력을 소비하는 대기 모드가 포함됩니다 — 은 재구성되어야 합니다. 우리는 오직 필요할 때만, 즉 사용자가 있을 때만 활성화되거나 대기 상태가 되는 기기를 필요로 합니다. 이것은 오늘날 우리가 "스마트하지 않은" 집에서 방에 들어갈 때 불을 켜거나 실내가 너무 더워질 때에만 에어컨을 수동으로 작동시키는 방식과 동일합니다. 하지만 여전히 많은 기기에서 타임아웃과 같은 에너지 절약 기능조차 구현되지 않거나, 사용자가 이를 비활성화하는 경우가 있습니다. 이는 주로 이러한 기능이 높은 기능성과 결합될 경우 긴 부팅 시간과 최신 정보 부족으로 이어질 수 있다는 점 때문입니다. 특히 불편한 수동 재활성화 이후에는 고객 경험이 크게 악화될 수 있습니다.

하지만 새로운 스마트 접근 방식이 많은 질문에 대한 답이 될 수 있습니다: 왜 온도 조절기 디스플레이는 항상 켜져 있어야만 하고, 왜 해당 장치 자체가 날씨 데이터를 다운로드하기 위해 항상 인터넷에 연결되어 있어야만 하는 걸까요? 왜 홈 보안 시스템의 카메라는 아무도 감시 구역에서 움직이지 않더라도 항상 켜져 있고, 데이터를 기록하고, 전처리하며, 클라우드로 전송해야만 하는 걸까요? 더 스마트하게 장치를 활성화하는 최선의 방법은 레이더 센서를 활용한 동작 감지를 구현하여 장치를 깊은 절전 모드에서 깨우는 것입니다.

예를 들어, 스마트 온도 조절기가 기본적으로 꺼져 있고 레이더 감지 모듈만 활성화될 수 있습니다. 레이더가 방 안에서 움직임을 감지하자마자, 온도 조절기가 활성화되어 집에서의 표준 데이터와 인터넷에서 제공되는 기상 데이터를 업데이트할 것입니다. 디스플레이는 사용자가 장치에서 1미터 반경 등 정의된 영역으로 들어올 때 켜지므로, 사용자가 화면을 터치해서 활성화하고 데이터를 업데이트한 뒤 결과를 기다릴 필요가 없습니다. 이 존재 감지 개념은 다른 여러 스마트 홈 디바이스 및 가전제품에 배치될 수 있습니다.

게다가, 공백 감지의 역원리를 적용하면 에너지를 더욱 많이 절약할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 이 경우 방 안에서 일정 시간 동안 움직임이 감지되지 않으면 TV, 스피커, 스마트 램프, 에어컨과 같은 기기들이 꺼질 수 있습니다. 이는 전력 소비를 크게 줄여줍니다. 공백 감지는 기기를 즉시 활성화하는 것이 아닌, 일정 시간 동안 아무도 주변에 없을 때 기기를 목표적으로 비활성화하는 것을 목표로 하기 때문에, 센서 모듈 자체는 비활성 상태를 유지하며 몇 초 또는 몇 분에 한 번씩만 체크를 수행할 수 있습니다. 따라서 이러한 센서 모듈은 스스로 적은 에너지를 소비하면서도 전체 시스템의 에너지를 대량으로 절약할 수 있습니다.

특히 HVAC 시스템이 있는 건물은 이 원칙을 통해 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 대부분의 에너지는 사람이 없는 상태에서도 난방과 냉방에 낭비되기 때문입니다. 설상가상으로 많은 경우 이러한 장치들은 자주 그리고 장시간 작동합니다. 그러나 진정한 스마트 홈은 일정 시간이 지난 후 해당 구역이 비워지면 즉시 이러한 시스템을 비활성화할 것입니다. 이 기능은 점차적으로 조명 시스템에서는 일반화되고 있지만, 에어컨이나 모니터, 주방 기기, 컴퓨터, 스피커 및 음향 시스템과 같은 다른 장치에는 아직 보편화되지 않았습니다.

사용자는 텔레비전과 같은 다른 애플리케이션에서도 공간 감지 기능의 혜택을 받을 수 있습니다. 예를 들어, Infineon의 BGT60LTR11AIP 레이더 센서(Figure 4)는 삼성의 Frame TV 2021(Figure 5)에 적용되었습니다. 이 레이더 센서는 사용자가 지정한 시간 동안 주변에 아무도 없을 때 TV를 Art Mode에서 Sleep Mode로 전환합니다. 이는 에너지를 절약할 뿐만 아니라 디스플레이의 수명도 연장시켜줍니다.

레이더 센서는 스마트 홈 기기에서 가장 적합한 센싱 옵션입니다

사용 가능한 모든 동작 감지 솔루션 중에서 레이더 센서는 가장 작은 움직임까지도 감지할 수 있는 최고의 민감도를 제공합니다. 일부 움직임은 인간의 눈으로는 보이지 않을 정도입니다. PIR 센서는 이러한 민감도 면에서 경쟁할 수 없습니다. 또한 레이더는 PIR 센서가 의존하는 체열에 의존하지 않습니다. 레이더는 능동 감지 기술이기 때문입니다. 이를 통해 사람이 거의 움직이지 않거나 전혀 움직이지 않더라도 감지가 가능합니다. 하지만 아마도 가장 큰 장점 중 하나는 비전도성 재료를 통해 감지할 수 있다는 점일 것입니다. 적외선, 초음파, 카메라 및 기타 이미지 기반 센서는 제품 외장에 구멍이 필요하거나 덮이지 않아야 하지만, 레이더 센서는 장치 내부에 완전히 숨겨질 수 있습니다. 결과적으로 제품 디자인에서 어떠한 타협도 할 필요가 없으며, 이에 적합한 외장이 필요한 추가 제조 단계와 비용을 피할 수 있습니다.

Another possibility is camera-based motion detection — for example, for cameras, TVs, laptops, and other devices that already have a suitable image sensor. Image systems have very high power consumption, though they may need good ambient light conditions, and there is a need for image processing to detect motion from a video, which further requires a lot of energy. Lack of privacy is often also cited as a concern, as camera-based systems invade private spaces, so users do not fully trust them.

게다가 소비자 전자 제품의 가격 하락은 구성품에 대한 비용 압박을 증가시키고 있습니다. 따라서 3D Time-of-Flight(ToF) 및 카메라 센서는 존재 감지에 구현하기에 비용이 너무 비싼 경우가 많습니다. 강력한 PIR 솔루션도 제품 하우징 디자인에 영향을 줄 뿐만 아니라 추가적인 프레넬 렌즈, 증폭기, 컨트롤러 등이 필요해 자재비를 증가시킵니다. 이에 비해 Infineon의 BGT60LTR11AIP 레이더 센서는 특히 자율 운영 시 최소한의 보조 구성품만 필요로 하여 시스템 비용에 가장 작은 영향을 미칩니다. 또한, 작은 크기로 인해 레이더 센서는 소형 및 얇은 전자 기기에 통합될 수 있습니다.

게다가 레이더 센서는 일부 레이저 기반 ToF 센서나 기타 이미지 기반 센서들이 탐지 성능이 저하될 수 있는 먼지 많거나, 연기가 자욱하거나, 습기가 많은 환경에서도 견고한 성능을 제공합니다.

레이더 센서로 구현된 추가 스마트 기능

기기를 잘못 다루는 것은 불필요한 전력 소비를 초래하기도 합니다. 사용자들은 이를 항상 인식하지 못하지만, 기기를 끄지 않거나 잠시 자리를 비울 때 설정을 조정하지 않는 경우 의도치 않게 에너지를 낭비하게 됩니다. 그러나 레이더 센서의 도움으로 이 문제를 자동으로 조정할 수 있어 사용자들은 신경을 쓰지 않아도 에너지를 낭비하지 않는다는 확신을 가질 수 있습니다.

레이더 센서는 단순히 존재 여부를 감지하는 데 사용되는 것 외에도, 스마트 기기에 다른 기능을 추가할 수 있습니다 — 예를 들어, 에어컨 시스템에 활용되는 경우가 있습니다. 이러한 응용 분야에서 레이더 센서는 온도 및 CO2 센서와 결합할 때 가장 효과적으로 작동합니다. 이를 통해 시스템은 필요에 따라 활성화됩니다 — 예를 들어, 누군가 방에 있을 때, CO2 농도가 너무 높을 때, 또는 온도가 미리 설정된 한계를 초과할 때 활성화됩니다. 다른 센싱 기술이 종종 존재 유무와 같은 이진 정보를 제공하는 것에 그치는 반면, 레이더 센서는 방에 있는 사람 수를 확인하여 초기에 수준을 조정하거나, 사람들의 위치와 거리를 확인하여 공기 흐름 방향을 제어할 수도 있습니다.

다양한 활용 사례가 많습니다. 예를 들어, 청취자의 위치를 추적하고 볼륨과 음향 매개변수를 지속적으로 최적화하는 사운드 시스템, 시청자의 거리를 측정하여 아동의 눈이 화면에 너무 가까이 있으면 경고를 주는 아동 보호용 TV, 또는 낙상 시 도움을 요청하는 경보 시스템과 같은 고령자나 돌봄이 필요한 사람들을 위한 기기 등이 있습니다. 이처럼 약간의 노력만으로 레이더 센서는 에너지를 절약하고 사람들의 편안함뿐만 아니라 스마트 환경에서 개인의 웰빙과 안전에도 기여할 수 있습니다.