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스마트 빌딩용 센서 기술 현황 및 전망

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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. < 편집자 주>
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 < 표 1>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 < 표 2>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.
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 < 표 3>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 < 표 4>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 < 표 5>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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힐셔, 산업용사물인터넷 지원 netIOT 활용방안 제시

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힐셔 netIOT

산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 11월 2일(금), 인터컨티넨탈 서울 코엑스에서 기자 간담회를 개최하여 힐셔의 혁신적인 netIOT 전략 및 netIOT 인터페이스의 다양한 솔루션을 활용한 IoT 기술 활성화 방안에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

힐셔 netIOT

netIOT

힐셔 프로덕트 매니저인 크리스토프 훙어(Christof Hunger)는 “IoT 시장이 성장함에 따라 설비 제조업체들은 필드 디바이스의 정보를 기반으로 예방적 유지보수, 상태 모니터링과 같은 새로운 클라우드 기반의 부가가치 서비스를 구현하고자 한다”며 “힐셔는 디바이스 제조업체들이 힐셔의 netIOT 인터페이스 솔루션을 이용해서 산업용 이더넷, 트랜스페어런트 이더넷(Transparent Ethernet)과 함께 OPC UA 서버 및 MQTT 클라이언트 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 더욱 집중하였고, 힐셔 솔루션을 통해 고객들이 스마트 팩토리를 구축하는데 도움이 되길 바란다.” 라고 말했다.

인더스트리 4.0과 IIoT는 4차 산업혁명으로 센서에서 클라우드까지 지속적인 통신을 요구한다. 힐셔는 이를 산업용 클라우드 통신이라 칭하고 고객들이 Industry 4.0, 스마트팩토리 및 IoT를 구현하도록 돕기 위해서 힐셔 netIOT 제품군이라는 솔루션을 구축하고, 지속적으로 프로모션을 진행하고 있다. netIOT는 netIOT 서비스(Service), netIOT 엣지(Edge), netIOT 인터페이스(Interface)와 같이 총 3개의 영역으로 구분된다. 특히 netIOT 인터페이스는 IoT 기능을 갖는 netX기반의 통신제품으로 netIC IOT와 같은 모듈형 제품을 생산 및 공급하고 있다.

힐셔 넷프록시

netPROXY

 

netIC IOT는 필드 디바이스용 지능형 멀티 프로토콜 모듈로 하나의 하드웨어만으로 모든 Real-Time Ethernet 슬레이브 프로토콜을 지원한다. OEM 고객들은 엔지니어링 툴을 이용하여 고객 어플리케이션 소프트웨어에서 한번만 개발하면 되는 고객 디바이스용 프로토콜 독립형 객체 모델을 생성한다. 네트워크 프로토콜 변경은 툴 내에서 ‘Build Process’를 통해 전적으로 진행되기 때문에 어플리케이션에 필요한 네트워크 별 조정이 없으며 OEM은 정확히 하나의 하드웨어와 소프트웨어 설계로 진정한 멀티 프로토콜 디바이스를 구현할 수 있다.

힐셔코리아 원일민 지사장은 “스마트 팩토리의 구축에 있어 가장 중요한 포인트는 IT영역과 OT영역의 연결에 있다”고 언급하며, “힐셔는 netIOT를 통해 시스템 설치시 발생할 수 있는 리스크를 최소화시킬 수 있게 하고자 한다. 기존OT영역의 사용자들이 IT영역으로 데이터를 전송하거나 클라우드에 연결함에 있어서 사용자의 실수나 의도치 않은 수고를 덜어줄 수 있는 제품과 서비스를 지원하고 있어 시스템 설계나 설치시 발생할 수 있는 오류나 리스크를 최소화 시켜준다”고 덧붙혔다.

힐셔 netIOT 제품에 대한 자세한 설명은 홈페이지 https://www.hilscher.com/products/product-groups/industrial-internet-industry-40/ 에서 확인할 수 있다.

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[포토] PTC, 3D CAD에 증강현실 접목해 디지털 트윈 현실화

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'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

(사진. PTC 코리아)


PTC코리아가 10월 18일 개최한 ‘2018 코리아 CAD 서밋’에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다. PTC의 3D CAD 소프트웨어 크레오(Creo®) 5.0은 디지털 트윈 솔루션을 현실화한 세계 최초이자 유일한 기술로 제품의 면면에 증강현실을 적용하여 물리적 세계와 디지털 세계를 연결한다. (사진. PTC 코리아)

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2016 스마트테크쇼, 6월 8~10일 코엑스서 개최

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인공지능 시대를 전망하고 사람을 위한 스마트 기술을 소개하는 ‘2016 스마트테크쇼(Smart Tech Show 2016)’가 6월 8일부터 10일까지 코엑스에서 개최된다. 

본 행사는 ‘Smart Tech for Human’라는 슬로건 아래, ▲드론/로봇 ▲가상/증강현실 ▲에듀테크 ▲스마트 모빌리티 ▲리테일테크 ▲3D프린팅 등 주요 이슈를 선정하여 국내 대표 스마트 기술 컨퍼런스 및 전시회를 개최하며, 관련 산업 간의 시너지를 창출할 수 있는 비즈니스의 장을 마련한다. KT, LG전자, ADT 시큐리티, 프로차일드, 한국과학기술원, 경북대학교 산학협력단 등 각 분야별 주요 기업·기관 125개사 400부스 규모로 이루어질 예정이다. 

유통과 IT산업의 융합을 위한 자리로 스마트 기기 체험과 첨단 리테일 솔루션을 접목한 리테일&테크 특별관이 구성되어 IT/유통산업 관계자를 대상으로 앞으로의 IT 리테일샵이 나아갈 방향을 제시한다. 더불어 한국마이크로소프트와 SGA임베디드 주최로 ‘스마트 리테일에 최적화된 MS IoT 솔루션 세미나’를 개최하여 리테일에 스마트한 혁신을 가져올 솔루션을 소개하는 자리를 마련한다. 

◇인공지능 시대, 일자리 전망 콘퍼런스 개최 

본 전시회와 더불어 ‘인공지능 시대의 일자리 창출과 직업능력 개발’을 주제로 분야별 전문가를 초빙하는 전문 콘퍼런스가 6월 8일과 9일 이틀간 열린다. 

첫째 날은 IBM 김연주 상무와 국내 대표 뇌공학자인 카이스트 정재승 교수의 기조강연과 핀란드 미래학자 마르쿠 윌레니우스(Markku wilenius) 교수의 특별강연을 시작으로 스마트기술의 산업과 일자리에 대해 블록체인OS 박창기 대표와 한국직업능력개발원 김영생 박사의 강연이 이어질 예정이다. 

둘째 날은 ‘새로운 일자리 창출 엔진으로서의 VR 그리고 교육훈련 플랫폼으로서의 가능성’에 대한 한국VR산업협회 현대원 회장의 발표와 ‘에듀테크가 가져올 교육의 혁명적 변화를 주제’로 휴넷 조영탁 대표의 기조연설 후에 스타트업 케이스 스터디를 통해 스마트시대에서 일하기 위한 우리의 성공 전략을 짚어볼 예정이다. 

◇드론에 스마트 기술의 미래를 담다 

드론 관련 신기술 촉진과 국내 드론산업 활성화를 목적으로 6월 대규모 드론 이벤트가 열린다. 드론톤은 우수한 엔지니어와 창의적인 메이커들이 드론 관련 기술을 뽐내는 자리로, 4인 1조로 팀을 꾸려 드론을 직접 제작하고 완성된 기체로 드론 게임을 진행하여 완성도와 비행능력을 종합하여 우승자를 가리게 된다. 

드론 조작에 능숙한 유저라면 도전해 볼 만한 대회도 있다. 다양한 장애물 통과 미션을 통해 드론 실력자를 가리는 ‘드론챌린지’가 9일 개최된다. 우승자에게는 최신 스마트 모빌리티가 수여되며, 참가를 원하는 이는 한국FPV협회 홈페이지를 통해 신청 가능하다. 

그밖에 스마트카, O2O, 핀테크 등 분야별로 이루어지는 테크니컬 세미나와 국내 대표 엑셀러레이터간 의 공동 데모데이를 통해 참가기업과 바이어 간의 비즈니스 기회를 마련한다. 

본 행사는 홈페이지에서 온라인 사전등록 시 무료로 관람할 수 있다.

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