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스마트 빌딩용 센서 기술 현황 및 전망

최근 한국전자통신연구원(ETRI)는 ‘스마트 빌딩용 센서기술 현황 및 전망’ 보고서에서 지능형 센서 네트워크 기반의 첨단 IT 시스템을 이용한 실시간 환경 관리 및 보안 서비스를 제공하는 스마트 빌딩에서 다양한 빌딩내 환경 및 보안 정보를 감지하여 실시간으로 전달, 판단, 처리 및 제어할 수 있는 지능형 센서노드 플랫폼의 핵심 부품인 각종 센서의 제품 기술 동향을 분석하고 관련 센서 기술 및 산업의 미래 전망을 예측하였다.

최근 세계적 관심사가 되고 있는 에너지 자원의 소비절약 및 국제간 탄소 배출권 협약 등으로 의식주 생활 전반에 대하여 대량소비를 근간으로 하는 경제성장 패턴이 저소비, 친환경적 소비 패턴을 근간으로 하는 경제성장으로의 전환이 불가피한 실정이다.

특히 주거용 에너지 소비에 있어서 최소한의 에너지로 안전하고, 쾌적한 주거환경을 유지할 수 있는 기술들은 이미 상업적으로 스마트 빌딩 등에서 적용하고 있으나 지금은 국가가 정책적으로 자국의 에너지 소비의 효율성을 높여야 하는 문제로 일반 주거용 건물에도 향후 효율적인 에너지 소비와 안전성을 제공할 수 있는 스마트 홈 개념의 주거공간으로의 전환이 급속히 확대될 전망이다.

1. 환경관리 센서

스마트 빌딩 내의 쾌적한 환경을 유지하기 위한 필수 감지 항목은 온ㆍ습도와 사람 인체에 직ㆍ간접적으로 해를 입힐 수 있는 가스들이다.

실내환경에 있어서 가장 민감한 항목인 온도 감지의 경우, Matsushita, Motorola, Mikron, Siemens 등을 중심으로 다양한 산업 제조 공정상의 온도, 즉 고온을 감지하기 위해 공장에서 사용 가능하도록 기술 개발이 이루어져 왔다.

하지만, 최근 들어 실내환경감지나 안전관리 및 신재생 에너지 분야에서 많이 요구되고 있다. 국내에서는 중소기업을 중심으로 벌크형 온도 센서 제작 기술은 보유하고 있지만 ROIC가 일체화된 초소형 센서기술은 연구소의 개발단계 수준이다. 국외 주요 온도 센서 제품의 모델과 중요 사양을 에 나타내었다.

습도 센서는 저성능/저가의 저항형 습도 센서와 고성능/고가의 용량형 습도 센서가 생산되고 있으며, 성능 면에서 우수한 용량형 습도 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 감지재료별로는 고분자를 주재료로 한 유기재료계와 금속산화물을 주재료로 한 세라믹 복합재료가 있다.

습도 센서는 Coreci, Philips, Edgetech, Shinyei를 중심으로 활발히 제품 개발중이다. 국외 주요 습도 센서 제품의 모델과 중요 사양을 에 나타내었다.

온ㆍ습도 복합 센서의 경우, 스위스의 Sensirion은 USN용 저전력 초소형 칩을 생산 공급하고 있으며, 이 제품은 센서와 CMOS 회로를 SoC 형태로 일체화한 것으로 고집적화 및 저가격화에 용이한 장점이 있다. 또, ETRI 주관 하에 KETI 및 삼영S&C사가 공동으로 온ㆍ습도 단일 센서를 개발한 후, 온ㆍ습도 복합 센서 시제품을 개발중이며, (그림 1)에 나타내었다.

가스센서의 경우, 대기환경을 측정하기 위해서는 저농도의 가스를 감지해야 하지만, 빌딩내 환경을 측정하기 위해서는 고농도의 가스를 측정 가능하여야 한다. 가스 감지에 있어서 뛰어난 기술력을 보유하고 있는 일본의 Figaro, EU의 City Technology 등의 선진기업들은 기존의 고전적 방식의 가스센서 구조를 유지한 채 MEMS 기술이나 나노감지 물질 개발 등을 통해 USN 시스템 적용을 위해 초소형 저전력 특성향상에 주력하고 있으며, 나아가 가스센서를 이용한 새로운 응용제품 개발을 활발히 진행하고 있다.

Honeywell은 최근 에너지 하베스팅 및 무선 네트워크 전문기업인 Greenpeak사의 무선 가스탐지 센서를 이용한 USN 기반의 저전력 빌딩안전시스템을 구축하였으며, JENNIC의 Commercial Building Automation은 인텔리전트 빌딩 곳곳에 설치된 센서 노드로 연기, 화재 발생위치, 공기의 환풍 기능, 빛의 세기, 온도 등을 실시간으로 감지하여 빌딩의 환경을 보다 더 쾌적하게 하고 안전하게 유지시키는 서비스를 제공하고 있다.

국내에서는 고감도용 나노 소재로 CNT나 그래핀 또는 금속산화물 등의 나노선을 이용한 가스센서 연구는 표준연구소나 ETRI 등 출연연과 고려대, 성균관대, 포항공대 등의 몇 개의 대학 및 국책사업단에서 주도적으로 수행중이다. ETRI에서는 NO2 가스를 감지하기 위해 금속산화물이나 CNT 나노 소재와 저전력 마이크로 히터를 기반으로 센서를 제작하고 있으며, 이를 바탕으로 블루투스 통신을 기반으로 한 실시간 가스감지 모니터링용 시제품을 개발하였다. (그림 2)에 개발한 실시간 가스감지 모니터링 모듈을 나타내었다.

빌딩내 센서들의 기술로드맵을 (그림 3)에 나타내었다. 각 센서들은 센서 소형화 기술의 성숙단계에 있으며, 향후 각각의 센서를 네트워크로 묶어 감지된 정보를 활용하는 USN의 장점을 살리기 위해서, 저전력으로 구동되는 저가의 초소형 복합센서 추세로 가고 있다. 이 초소형 저전력 센서 기술은 ROIC 일체형 센서 기술 단계인 신호처리용 ROIC 및 프로세서가 일체화된 ‘지능형’에서 에너지 하베스팅 기능이 추가된 ‘자가충전 지능형’으로 진화할 것으로 전망된다. 이미, Honeywell, Sensirion, Motorola 등은 RFID/USN 응용과 관련된 센서와 ROIC 및 프로세서 등의 일체화 연구를 활발히 진행중이며, ROIC 일체화된 one-chip형 센서를 개발중이다.

2. 보안 센서

실내용 보안시스템에는 일반적인 CCTV 이외에 (그림 4)와 같은 다양한 센서들이 이용된다. CCTV가 감시인력을 필요로 하는 반면, 센서는 자동감지 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다. 보안용 센서는 동작방식에 따라 능동형과 수동형으로 구분된다.

능동형은 다양한 형태(음파, 초음파, 전파, 광)의 에너지를 전파하고, 침입자에 의해 변동된 에너지를 감지한다. 반면, 수동형은 침입자가 방출하는 에너지(예: 적외선) 또는 침입자에 의한 환경변화(예: 진동)를 감지한다. 일반적으로 능동형 보다 수동형이 설치장소의 제약 및 소모전력이 적은 장점이 있다.

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보안용 센서는 감지범위에 따라 점방어형, 선방어형 및 공간방어형으로 구분되기도 한다. 주요 보안용 센서인 적외선 센서, 진동 센서, 음향 센서에 대해서 자세히 살펴보겠다.

적외선 센서에는 능동형과 수동형이 있는데, 주로 수동형이 사용된다. 능동형은 발광부인 LED에서 방출된 적외선이 수광부인 광반도체 소자(예: JFET, p-i-n diode)에 도달하는 광량의 변화로 물체 및 인체를 식별한다. 반면, 수동형은 온도에 따라 방출되는 적외선 광량의 차이를 감지하여 주위환경 보다 온도가 높은 인체를 식별한다. 수동형 적외선 센서는 동작원리에 따라 써모파일(thermopile)형, 초전(pyroelectric)형 및 볼로미터(bolometer)형으로 구분된다.

초전형 적외선 센서는 적외선 흡수시 물질 내의 분극(polarization) 변화로 전하가 유기되어 기전력이 발생하는 초전효과를 이용한 것으로 움직이지 않는 대상물을 감지하기 위해서는 적외선을 단속하는 차퍼(chopper)가 필요한 단점이 있다. 구조에 따라 벌크형, 박막형 및 MEMS형으로 구분되는데, (그림5)과 같은 박막형이 주로 사용된다. 온도 분해능은 감지재료의 초전 특성 및 센서 구조에 의존하지만, 박막형의 경우는 통상 0.1~0.3℃ 정도로 써모파일보다 우수하다. 초전형 적외선 센서는 Panasonic, Murata 등에서 생산중이나, 국내에서는 가격 경쟁력 문제로 제조하는 회사가 없는 실정이다.

볼로미터는 적외선 흡수시 온도 상승에 따른 물질의 저항 변화를 감지하며, MEMS 센서와 CMOS ROIC를 SoC 형태로 일체화하는 iMEMS 기술로 제조된다. 온도 분해능은 감지재료의 TCR 및 잡음 특성, 센서의 구조 및 크기, 패키지의 진공도 등에 의존하지만 통상적으로 0.05℃ 이하로 써모파일은 물론 초전형 보다 우수하다.

보안용 적외선 센서는 일정 영역에 인체의 존재여부를 식별하는 저가의 단일 센서를 주로 사용한다. 그러나, 영역별 인체 감지 및 침입자 숫자 파악 등의 고급 정보 입수를 통한 지능형 보안 시스템 구축을 위하여 고가의 센서 어레이를 이용한 제품이 점차 증가하고 있는 추세이다.

진동 센서는 가속도 센서의 일종으로 주로 MEMS 기술로 제조된다. 동작원리는 스프링에 의해 매달려서 진동하는 질량체가 가속도, 즉 힘을 받으면 변위가 발생하는데, 이를 전기 신호로 변환하여 감지한다. 신호검출방식에 따라 압저항(piezoelectric)형, 압저항(piezoresistive)형 및 정전용량(capacitive)형으로 분류되는데, 각각의 방식에 따른 주요 특성을 에 정리하였다.

또한, 가속도 센서는 진동하는 질량체를 제조하는 MEMS 기술에 따라 몸체가공(bulk micromachining)형과 표면가공(surface micromachining)형으로 구분된다. 소자를 제조하는 방식에 따라서는 MEMS 센서와 CMOS 신호처리회로를 별도로 제조하는 SiP형(또는 이중칩형)과 동시에 제조하는 SoC형(단일칩형)으로 구분되기도 하는데, 각각의 장ㆍ단점을 에 요약하였다.

보안용 진동 센서로 응용되는 고감도 가속도 센서 제품은 미국의 Applied MEMS사와 프랑스의 Trionic’s사 등에서 생산되고 있다. 국내에서는 SML전자(최근 (주)바른전자에 인수됨), Microinfinity, ETRI에서 용량형 가속도 센서 시제품을 개발하고 있으며, 특히 ETRI는 (그림 7)과 같은 고감도 저전력 ROIC 기술을 적용한 시제품을 발표하였다.
음향 센서 또는 마이크로폰은 응용 분야에 따라 free field, pressure field 및 random incident field형으로 구분된다. 건물 내의 보안/감시용 음향 센서의 경우 다중 방향에서 입사되는 미세한 음장 변화를 감지하기 위해서 pressure field형이 적합하다.

또한, 주변의 벽 등에서 반사되어 들어오는 음장 변화에 의한 잡음 성분을 줄이기 위하여 위상 검출이 가능한 음향 센서 어레이와 디지털 음향 센서가 요구된다.

MEMS형 음향 센서의 경우에는 미국의 Knowles Acoustics사와 Akustica사가 선도하고 있으며, 일본의 야마하 등도 개발하고 있다. 2006년 시장의 90%를 Knowles Acoustics사가 독점하고 있는 실정이다. 주요 제조사별 제품의 모델과 중요 사양을 에 정리하였다.

음향 센서와 유사한 보완용 센서로는 초음파 센서가 있다. 초음파 센서는 초음파를 수신만 하는 수동형과 초음파를 발생하고 반사파를 감지하는 능동형으로 구분된다. 능동형 센서는 다시 개방형, 방적형, 고주파형으로 분류되는데, 침입방지용으로는 압전 세라믹의 굴곡진동을 이용하고, 음압 레벨이 높고, 감도가 좋은 개방형이 주로 사용된다. 최근에는 MEMS, 나노 등의 첨단 기술을 이용한 제품이 선보이고 있다.

아이씨엔 매거진 2010년 01월호

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