디지털화와 에너지 효율에 대한 요구를 충족하기 위해 인피니언은 자사의 반도체 솔루션을 활용한다. 이 중의 하나가 XENSIV™ 레이더 센서이다. XENSIV™ 레이더 센서는 거의 모든 스마트 홈 디바이스에 활용될 수 있다. 레이더 센서는 감도가 높고, 사람이 있는지 없는지를 감지하고 그에 따라서 디바이스를 기동시킬 수 있다. 



스마트 홈 애플리케이션과 커넥티드 디바이스 수가 늘어남으로써 생활을 편리하게 만들고 있다. 하지만 이것은 에너지 소비를 증가시키는 것으로 이어진다. 특히나 사람이 없는데도 이러한 디바이스를 계속해서 켜 두거나 언제든 다시 사용하려고 대기 모드로 둘 때 그렇다. 스마트 디바이스에 인피니언의 XENSIV™ 레이더 센서를 활용함으로써 에너지 효율을 높이고 지능화를 이루고 지속가능성을 높일 수 있다.

스마트 빌딩과 스마트 홈의 인기가 점점 높아지고 있으며, 그 수가 앞으로 몇 년 사이에 빠르게 증가할 것으로 예상된다. 오늘날 이미 전 세계적으로 스마트 홈 수가 2억 가구 이상에 달하고 있으며, 이 수치는 몇 년 안에 5억을 넘을 것으로 전망된다(그림 1).
 

집을 스마트하게 만들기 위해서 점점 더 많은 디지털 디바이스와 점점 더 정교한 기능들이 도입되고 있다. 하지만 여기에는 대가가 따른다. 에너지 소비량이 그만큼 늘어나는 것이다. 대기 전력이 꾸준히 낮아지고 있기는 하지만 말이다.

스마트 디바이스는 꺼져 있을 때도 에너지를 필요로 한다. 사용자 입력(음성 명령 등)에 즉시 응답하기 위해서 또는 스마트 홈이나 웹으로부터 최신 정보를 받기 위해서 대기 모드로 있어야 하기 때문이다. 집에 아무도 없는데도 계속해서 대기 모드로 있으면서 쓸데없이 에너지를 낭비하는 경우도 많다.

이러한 문제를 해결하고 디지털화와 에너지 효율에 대한 요구를 충족하기 위해 인피니언은 자사의 반도체 솔루션을 활용한다. 이 중의 하나가 XENSIV™ 레이더 센서이다. XENSIV™ 레이더 센서는 거의 모든 스마트 홈 디바이스에 활용될 수 있다.

레이더 센서는 감도가 높고, 사람이 있는지 없는지를 감지하고 그에 따라서 디바이스를 기동시킬 수 있다. PC의 화면 보호 기능이 특정한 시간 동안 마우스나 키보드 입력이 없을 때 모니터를 껐다가 새로운 입력이 감지되면 다시 켜는 것과 같은 원리이다. 인피니언의 60GHz 레이더 센서가 사람이 있는지 없는지를 정확히 감지함으로써 에너지를 절약하는 진정한 스마트 디바이스를 설계할 수 있도록 한다.

사람이 있을 때만 켜는 것과 계속해서 켜 두거나 대기 모드로 있는 것

Statista가 2021년에 독일에서 18세~64세 연령의 3000명을 대상으로 실시한 조사에 따르면, 응답자의 거의 3/4이 최소한 한 가지의 스마트 홈 디바이스를 소유한 것으로 나타났다. 미국도 이 수치가 비슷하고(그림 2), 중국은 스마트 홈 디바이스 사용자 비율이 거의 90퍼센트에 육박한다. 디바이스들은 각각의 용도만큼이나 다양하다.

대표적인 것으로서 조명, 보안 디바이스, TV, 랩톱, 사운드바, 부엌 가전, 에어컨을 들 수 있다. 이러한 모든 디바이스가 에너지 수요를 높이고 있다. 그런데 에너지 요금이 인상되고 있어서 소비자들이 에너지를 절약하는 지속가능하고 친환경적인 디바이스를 찾게 되었다. 전력망 인프라로 부담이 가중되고 있다는 점 또한 한 요인이다.



온도조절기, 스마트 스피커, 디지털 비서 같은 디바이스를 표준 대기 모드로 전환하는 것이 아니라, 사람이 없을 때 “딥 슬립 모드”로 전환함으로써 더 많은 에너지를 절약할 수 있다. 어떤 디바이스는 이렇게 해서 절약할 수 있는 전력이 수 와트 혹은 수분의 일 와트에 불과하나, 또 어떤 디바이스는 사람이 없을 때 딥 슬립 모드로 전환하거나 디바이스를 완전히 끔으로써 100와트 이상을 절약할 수도 있다.

TV 화면, 랩톱, 사운드 시스템, 에어컨을 들 수 있다. 레이더 센서를 활용해서 이러한 디바이스들이 사람이 있는지 없는지를 감지하고 더 나아가서 사람이 움직이는지 감지할 수 있다. 이러한 자극이 감지되지 않으면 레이더 기반 스마트 디바이스가 자동으로 슬립 모드로 전환하고 에너지를 절약한다. 센서와 구현 방식에 따라 다를 수는 있으나, 레이더 모듈 자체의 전력 소모는 수 mW에서 최대 0.1W에 불과하다. 이것은 많은 전자 디바이스가 켜져 있을 때 또는 표준 대기 모드로 있을 때의 에너지 요구량보다 훨씬 낮은 것이다(그림 3).




레이더 센서를 활용한 에너지 효율 향상

에너지를 절약하기 위해서는 디바이스를 계속해서 켜놓거나 연결시켜 놓는 것에 대해서 전면적인 재고가 필요하다. 여기에는 전력 소모적인 대기 모드도 포함된다. 정말로 필요할 때만 다시 말해서 사람이 감지될 때만 디바이스를 켜거나 대기 상태로 두는 것이다.

이것은 “스마트하지 않은” 집에서 우리가 이미 하고 있는 방식이다. 우리는 방에 들어갈 때 전등을 켜고 실내가 더울 때 에어컨을 켠다. 그런데 여전히 많은 디바이스가 타임아웃 같은 절전 기능조차 갖추지 않았거나 기능을 갖췄더라도 사용자가 기능을 꺼버렸을 수 있다. 이것은 기능성을 높이면서 많은 기능들로 인해 부트 시간이 오래 걸리거나 사용자가 다시 켜야 해서 불편하게 느끼기 때문일 수 있다.

스마트화가 많은 질문에 대한 답이 될 수 있다. 왜 꼭 온도조절기의 디스플레이를 계속해서 켜놓아야 할까? 날씨 데이터를 다운로드하기 위해서 왜 디바이스를 항상 인터넷에 연결해 두어야 할까? 모니터링하고자 하는 구역에 움직임이 없는데도 왜 보안 시스템의 카메라를 계속해서 켜놓고, 데이터를 기록하고, 전처리를 하고, 클라우드로 전송해야 할까? 디바이스를 스마트하게 만들기 위해서 가장 좋은 방법은 레이더 센서를 활용해서 모션을 감지하고 움직임이 감지되면 디바이스를 딥 슬립 모드에서 기동시키는 것이다.

예를 들어서 스마트 온도조절기를 디폴트로 꺼져 있게 하고 레이더 감지 모듈만 살려둘 수 있다. 그러다가 레이더가 실내에서 움직임을 감지하면 온도조절기를 기동시켜서 집안의 데이터와 인터넷으로 날씨 데이터를 업데이트할 수 있다. 디바이스의 반경 1미터 이내 같이 지정된 범위 안으로 누군가 들어오면 디스플레이가 켜진다. 그러므로 사용자가 화면을 터치해서 기동하고 데이터를 업데이트하고 결과를 디스플레이에 표시할 때까지 기다릴 필요가 없다. 이러한 재실 감지 개념은 많은 스마트 홈 디바이스와 가전기기에 적용될 수 있다.

반대로 공간이 비어 있는 것을 감지하는 것도 가능하다. 이 접근법은 에너지를 절약할 수 있는 잠재력이 더 크다. 예를 들어서 실내에서 특정한 시간 동안 움직임이 감지되지 않으면 텔레비전, 스피커, 스마트 램프, 에어컨 등을 끌 수 있다. 그럼으로써 전력 소모를 크게 줄일 수 있다. 공간이 비어 있는 것을 감지하는 것은 디바이스를 즉시 기동시키기 위한 것이 아니라 정해진 시간 동안 주변에 아무도 없을 때 디바이스를 끄기 위한 것이므로, 센서 모듈 자체를 꺼둘 수 있고 수초 혹은 수분에 한 번씩만 확인하면 된다.

그러므로 센서 모듈 자체가 매우 적은 에너지를 소모하면서 전체 시스템이 상당한 에너지를 절약하도록 한다. 이러한 접근법은 HVAC 시스템을 가동하는 빌딩에 특히 유용하다. 사람이 없는데 냉난방을 가동하느라고 많은 에너지가 낭비되기 때문이다^[1]. 더욱이 이러한 디바이스들은 자주 사용되고 장시간 사용된다^[2]. 진정한 스마트 홈은 어떤 장소가 정해진 시간 동안 비어 있을 때 이러한 시스템들을 즉시 끌 수 있다. 이 기능은 조명 시스템으로는 점차 보편화되고 있으나, 에어컨이나 모니터, 부엌 가전, 컴퓨터, 스피커, 사운드 시스템 같은 여타 디바이스로는 아직이다. 

텔레비전 같은 애플리케이션도 사람이 없는 것을 감지할 수 있다. 예를 들어서 인피니언의 BGT60LTR11AIP 레이저 센서(그림 4)를 채택한 삼성의 프레임 TV 2021(그림 5)을 들 수 있다. 이 TV는 지정한 시간 동안 주변에 아무도 없는 것으로 감지되면 TV를 아트 모드에서 슬립 모드로 전환한다. 이것은 에너지를 절약할 뿐만 아니라 디스플레이 수명을 연장한다.

   

스마트 홈 디바이스에는 레이더 센서가 가장 적합한 센싱 옵션

이용할 수 있는 모든 모션 감지 솔루션 중에서 레이더 센서가 감도가 가장 높다. 그러므로 아주 작은 움직임까지 감지할 수 있으며, 어떤 경우에는 사람 눈에 보이지 않는 것도 감지할 수 있다. PIR 센서는 감도 면에서 경쟁이 되지 않는다. 또 레이더는 능동 센싱 기술이므로 PIR 센서처럼 체열에 의존하지 않는다. 그러므로 거의 또는 전혀 움직이지 않는 사람도 감지할 수 있다.

하지만 무엇보다도 가장 큰 장점은 비전도성 물질을 통과해서 감지할 수 있다는 것이다. 적외선, 초음파, 카메라, 여타 이미지 기반 센서는 제품 하우징으로 가려지지 않아야 하고 구멍을 내야 하는데, 레이더 센서는 디바이스 안에 완전히 숨길 수 있다. 그러므로 제품 디자인을 타협할 필요가 없고 하우징을 필요에 맞게 만들기 위한 추가적인 제조 공정과 비용을 피할 수 있다.

또 다른 기술로서, 카메라, TV, 랩톱 같이 이미지 센서를 이미 탑재하고 있는 디바이스에 카메라 기반의 모션 감지를 사용할 수도 있다. 그런데 이미지 시스템은 전력 소모가 매우 높고, 주변 빛 조건이 좋아야 하고, 비디오로부터 모션을 감지하기 위해서 이미지 프로세싱을 필요로 한다(이미지 프로세싱을 위해서 추가적으로 많은 에너지를 필요로 한다) 또 카메라 기반의 시스템이 개인 공간에 들어와 있으므로 프라이버시 보호 문제가 불거질 수 있다.

한편으로는 컨수머 전자기기의 가격이 낮아지고 있기 때문에 부품 비용에 대한 부담이 높아지게 되었다. 3D ToF(time of flight)나 카메라 센서는 많은 경우에 재실 감지에 사용하기에 너무 비싸다. PIR 솔루션은 제품 하우징 디자인에 영향을 미칠 뿐만 아니라 추가적인 프레넬 렌즈, 증폭기, 컨트롤러 등을 필요로 하고 BOM 비용을 증가시킨다. 이와 비교해서 인피니언의 BGT60LTR11AIP 레이더 센서는 최소한의 지원 부품만을 필요로 하므로(특히 자율 동작) 시스템 비용으로 미치는 영향이 최소한이다. 뿐만 아니라 크기가 작기 때문에 작고 얇은 디바이스에 사용하기에 적합하다.

또한 레이더 센서는 먼지, 연기, 습도에 대해서 견고하게 동작한다. 일부 레이저 기반 ToF 센서나 여타 이미지 기반 센서는 이러한 환경 조건에서 감지 능력이 떨어질 수 있다.

레이더 센서를 활용한 추가적인 스마트 기능들

디바이스를 잘못 취급하는 것이 생각지 않게 불필요한 전력 소모로 이어질 수 있다. 사용자들이 잠시 자리를 비우면서 디바이스를 끄거나 설정을 변경하는 것이 귀찮아서 의도하지 않게 에너지를 낭비할 수 있다. 이 점에 있어서도 레이더 센서를 활용해서 기능을 자동으로 제어하도록 함으로써 사용자가 일일이 신경 쓸 필요 없이 낭비되는 에너지를 절약할 수 있다.

사람이 있거나 없는 것을 감지하는 것 외에도, 레이더 센서를 활용해서 스마트 디바이스에 여타의 기능들을 추가할 수 있다. 예를 들어서 에어컨 시스템으로 온도 센서와 CO₂ 센서에다 레이더 센서를 더함으로써, 실내에 사람이 있거나 CO₂ 농도가 너무 높거나 온도가 지정된 한계를 넘을 때 시스템이 켜지도록 해서 효율을 극대화할 수 있다. 또한 여타의 센싱 기술은 사람이 있는지 없는지 여부만 알 수 있는데, 레이더 센서는 실내의 인원 수를 감지하고 그에 따라서 조절하거나 몸의 자세나 거리까지 감지해서 바람 방향을 제어할 수도 있다.

그 밖에도 다양한 활용 사례가 가능하다. 예를 들어서 사운드 시스템이 듣는 사람의 자세를 추적하고 그 추적 데이터에 따라서 음량과 사운드 파라미터를 조절할 수 있다. TV는 어린이 보호 기능을 사용해서 시청자의 거리를 측정하고 어린이가 화면에 너무 가까이 다가가서 보고 있을 때 경고를 할 수 있다. 또 노인이나 돌봄이 필요한 사람들이 사용하는 디바이스들로 낙상이 감지되었을 때 도움을 요청할 수 있다. 그러므로 레이더 센서는 에너지를 절약하고 생활의 편의성을 높일 뿐만 아니라 사람들의 웰빙과 안전을 향상시키는 역할도 할 수 있다.


참고 문헌
 
[1] Martani, Claudio; et al.: ENERNET: Studying the dynamic relationship between building occupancy and energy consumption. Energy and Buildings, 2011, http://senseable.mit.edu/papers/pdf/20120401_Martani_etal_EnernetStudying_EnergyBuildings.pdf
[2] Norford, L.K; et al.: Two-to-one discrepancy between measured and predicted performance of a ‘low-energy’ office building: insights from a reconciliation based on the DOE-2 model. Energy and Buildings, 1994, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0378778894900051?via%3Dihub 


저자 약력

번트 쾰러(Bernd Kohler)는 물리학(석사학위)을 전공하고 MBA를 수료하고 2020년에 인피니언의 레이더 팀에 합류했습니다. 제품 마케팅 책임자로서, 스마트 홈과 스마트 빌딩 시스템을 비롯해서 산업용, 컨슈머, IoT 관련 레이더 애플리케이션용으로 인피니언의 24GHz 및 60GHz 레이더 센서를 맡고 있습니다.