빌딩, 창고, 공항, 집, 공장의 미래를 상상해보자. 이러한 시설들이 스마트하고, 연결되어 있으며, 스스로 에너지 효율을 향상시키고, 스스로를 역동적으로 감지하는 모습을 그려보자. 반도체 산업의 발전 덕분에 이러한 시나리오가 현실이 될 날이 머지않았다. 몇 가지 시나리오를 통해 어떻게 반도체 기술이 이런 상상에 생명을 불어넣는지 살펴보자.

글 | 아마드 바하이 (Ahmad Bahai), 텍사스 인스트루먼트

창고의 모든 팔레트가 각 화물의 무게, 품질, 취급 이력을 자동으로 보고하는 것을 상상해 보자. 

스마트 창고는 각 팔레트에 적재된 내용물을 스스로 감지하고 모든 화물의 취급 이력을 추적할 수 있게 될 것이다. 스마트하고 연결된 태그를 포함한 이 기술은 화물을 추적하고 전체 공급 및 제조 과정에 걸쳐 공급 관리를 최적화하는 것이 중요하다.

무선 커넥티비티는 미래의 스마트 빌딩과 창고에서 또 다른 중요한 요소이다. 기계와 화물을 모니터링, 제어, 추적하기 위해서는 확장 가능한 무선 메시 네트워크가 필요하다. 또한 제어 루프의 실시간 요구는 무선 네트워크 프로토콜에 영향을 미친다. 무선 네트워크의 초기 애플리케이션인 자산 추적은 거리와 위치 파악과 같은 추가적인 요구 사항이 있다. 모든 애플리케이션은 공통적으로 적절한 로컬 프로세싱 성능을 갖춘 무선 노드의 전력 소모가 매우 낮아야 하고, 대부분의 애플리케이션은 무선 노드의 수명이 다할 때까지 배터리 교체를 할 필요가 없어야 한다. 

빌딩이나 공장 내의 기계나 밸브가 스스로의 상태나 고장 가능성을 보고하는 것을 상상해 보자. 그리고 밸브에 누수가 있거나 콘센트에서 1마이크로암페어의 전력이 낭비되고 있는 것을 스마트폰에서 편리하게 모니터링하는 것을 상상해 보자. 

예방적인 유지 보수는 기계의 가동 중단으로 비용이 발생하거나 사업에 영향을 주는 산업 및 상업용 시설에서 매우 바람직하다. 다양한 감지 방식과 첨단 알고리듬을 결합한 센서 기술이 스마트 팩토리의 신뢰성과 효율적인 운영을 제고한다. 최신 초음파 또는 전자기 유량계를 사용하면 액체나 가스 유량의 작은 변화를 검출할 수 있어 가스와 액체의 손실을 빠르게 감지해 해당 부분을 찾을 수 있다. 지능형 회로 차단기는 배선 상의 에너지 활용 프로파일이나 전류 누출을 보고할 수 있다. 예방적 유지 보수에 관한 자세한 내용은 최신 기술 원고에서 볼 수 있다.

사무실 창문의 스마트 유리가 투명한 태양광 패널이고, 에너지 사용을 최적화하는 ‘에너지 라우터’라고 상상해 보자.

스마트 빌딩은 효율적인 태양광 패널이나 플로 배터리(Flow Battery)와 결합된 연료 전지와 같은 다른 대체 에너지원을 사용해 에너지 소비를 최적화할 수 있을 것이다. 에너지를 효율적으로 생산, 소비, 저장하면 품질이나 생산성을 떨어트리지 않으면서도 에너지 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한 스마트 빌딩은 그리드 전기와 대체 에너지 소스를 결합해 전력을 공급하고, 에너지 변환이 빈번한 대용량 에너지 저장 시설과 결합될 것이다.

에너지를 절약하기 위해서는 변환 및 부하 인지에 대한 효율성이 중요하다. 고성능 컨버터 및 인버터는 효율적인 고전압 전력 트랜지스터와 지능형 드라이버 및 컨트롤러를 필요로 한다. 그리드에서 저장 장치로의 AC/DC 에너지 변환, 저장 장치에서의 DC/AC 에너지 변환, 태양광 패널에서 AC 부하로의 변환은 디지털 제어 루프가 있는 스마트 전력 솔루션의 사용이 유리하다.

새로운 디바이스는 고효율 양방향 에너지 변환을 가능하게 한다. 미래의 빌딩은 ‘에너지 라우터(Energy Router)’를 사용해 다양한 소스에서 제공되는 모든 형태의 에너지를 다른 부하로 전달할 수 있는데, 데이터 라우터가 데이터를 업로드 및 다운로드하기 위해 수행하는 일과 비슷한 것이다. 

마지막으로 난방, 조명, 환기, 회의실 공간 및 시청각 요구 사항을 빠르게 조절할 수 있는 스마트 오피스 빌딩을 상상해 보자. 빌딩의 외부 유리는 이동형 디스플레이로 쓰일 수도 있다.

반도체가 센싱 분야에서 두각을 나타내기 시작했고, 이러한 변화는 이미 스마트 빌딩에 적용되기 시작했다. 빌딩이 스스로 주변을 인지하고 자원을 역동적으로 추적 및 배정할 수 있게 되었다. 현대 상업용 시설에서 점유 센서, 열 및 화학 센서, 비전 센서, 유량 계측 및 다른 다양한 형태의 센서가 더욱 널리 사용되고 있으며, 보안과 안전성도 크게 향상되었다.

카메라, 초음파, 광학 및 레이더 센서 등의 비전 센서가 연결되어 스마트 빌딩의 사각 지대가 사라지고 있다. 또한 첨단 가스 및 열 센서는 유해한 화학 물질이나 누출을 추적하고 분석하여 매우 뜨거운 곳이나 위험한 누출을 정확하게 감지할 수 있다.

일반적인 스마트 빌딩에는 수천 개의 연결된 센서가 사용되며, 신뢰할 수 있는 모니터링 및 제어 기능을 달성하기 위해 센서를 조화롭게 연결하고 작동시켜야 한다. 일부 고전력 센서는 이더넷을 통해 연결되지만, 대규모로 구축하기 위해서는 서로 보완적인 무선 센서 네트워크가 필요하다. 

스마트 빌딩은 빅데이터 프로세싱, 초저전력 무선 메시 네트워크, 임베디드 센서 기술, 저전력 에너지 관리, 아날로그 및 임베디드 프로세싱 소자 등 다수의 혁신을 결합해 나날이 새로운 모습으로 발전하고 있다.

수많은 스마트 빌딩 설계자들이 높은 수준의 안전성과 보안, 생산성, 품질을 달성하고 상상 속의 스마트 빌딩을 현실화하기 위해 새로운 혁신적인 기술들을 도입하고 있다.