인공지능 스마트홈 개발 동향과 센서 및 관련 소재기술 전망

신 효 순_ 한국세라믹기술원 나노융합소재센터 센터장

정 현 성_ 한국세라믹기술원 전자융합소재본부 선임연구원

황 종 희_ 한국세라믹기술원 전자융합소재본부 본부장

1. 서언

스마트홈이란 TV, 냉장고, 세탁기 등 집 안에서 사용하는 다양한 기기들이 네트워크에 연결되어 지능형 서비스를 제공할 수 있는 주택을 의미한다. 스마트홈은 사물인터넷(IoT) 이전에도 존재하였지만 사물인터넷의 본격적인 상용화를 계기로 최근 더 많은 관심을 받고 있다. 사물인터넷은 평범한 사물들이 지능화(Intelligence)와 연결화(Connectivity)를 기반으로 서로 정보를 공유하므로 소비자를 위한 새로운 가치의 창출이 가능할 것으로 기대되고 있다. 이런 사물인터넷 개념이 스마트홈, 웨어러블 컴퓨터, 스마트카 등의 형태로 확산되고 있고 그 중심에 스마트홈이 있다. [1]

그림 1. 스마트홈(홈IOT) 생태계의 6대 구성요소
(자료 : 김영관, “스마트홈(홈IoT) 생태계 6대 구성요소”, 디지에코 보고서, 2014. 11. 26.)

스마트홈은 초고속 인터넷 기반 홈네트워크 단계, 스마트폰 기반 스마트홈 단계, IoT 기반 상황인지형 스마트홈 단계로 점차적으로 발전해 왔다. 1990년대 말 초고속 인터넷이 보급됨에 따라 기본 기능을 구현하는 수준의 홈네트워크가 이루어졌고 2000년대 후반에 스마트폰이 확산됨에 따라 스마트폰의 앱과 무선통신을 이용한 원격감시, 원격조정 등의 홈네트워크가 형성되었다. 2010년대 중반 이후 사물인터넷이 활성화되면서 상황인지가 가능한 스마트홈 시대가 열리기 시작하고 있으며 이것은 장기적으로 인공지능형 홈의 구현이나 홈이 곧 거대한 로봇이 되는 형태로 발전할 것으로 기대되고 있다.
스마트홈의 발전을 이끌고 있는 것은 IoT(Internet of Things, 사물인터넷)인데 이것은 인간과 사물, 서비스 등 분산된 구성 요소들 간에 인위적인 개입 없이 상호 협력적으로 센싱, 네트워킹, 정보 처리 등 지능적 관계를 형성하는 사물 공간 연결망을 의미한다. 최근 IoT는 자동차, 헬스케어, 교육, 보안 등 다양한 산업분야에 빠르게 접목되고 있으며, CES 2015년에 참여한 IT, 자동차, 헬스케어, 스포츠 등 모든 분야의 기업이 IoT를 기반으로 한 새로운 비지니스 형태의 제품을 출품하고 있어서 앞으로 보다 구체화된 모습으로 진화할 것으로 예상된다. 이 경우 IoT기술을 도입, 적용하려는 분야가 확대되는 가운데 가장 주목받는 분야의 하나가 스마트홈 이다. Gartner는 IoT로 연결되는 스마트홈 관련 디바이스 수가 ‘15년에 전년 대비 126% 늘어난 4.7억 대, ‘20년에는 69.6억 대에 달할 것으로 예상하고 있으며 McKinsey는 가정에 IoT 애플리케이션을 도입함에 따른 경제적 가치가 2025년 기준 연간 최대 약 3,500억$에 이를 것으로 추산하고 있다. [2]
본고에서는 위에서 언급한 사용자 환경의 다양한 변화에 따라 인공지능으로 급격히 진화하고 있는 스마트홈 기술의 개발 동향을 전반적으로 정리해보고, 이들 스마트홈을 구성하는 여러 요소 중 가장 대표적인 하드웨어인 센서와 이를 구성하는 센서 소재의 기술개발 동향 및 전망을 간략히 논하고자 하였다.

2. 스마트홈 동향

초기 단계의 스마트홈 기술은 주로 주택을 건설하는 건설사들의 관심사였다. 주로 단일 가정의 네트워크 형성 정도에 그치는 것이었기 때문이다. 그러나 IoT 기반으로 기술이 진화하면서 다양한 기술의 복합화가 필연적인 요구사항 되었다. 아래 그림 1은 스마트홈 생태계를 구성하는 6대 주요 구성요소를 정리한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 기본적으로 하드웨어인 유무선 네트워크, 스마트 디바이스 및 컨트롤 디바이스가 확보되어야 하고, 이를 운용하기 위한 컨텐츠, 운영 플렛폼이 소프트웨어적으로 지원되어야 한다. 그리고 다양한 형태의 사물을 하나의 스마트홈에 연결하고 확장하기 위하여 필수적인 통신 표준의 문제 또한 반드시 해결되어야 한다. 이러한 조건이 확보될 때 IoT기반 스마트홈 기술의 상용화가 보다 급격히 이루어질 수 있을 것으로 예상된다.

그림 2. 스마트 디바이스 개발 현황 (자료 : Trend Spectrum, 2014.11.)

현재 스마트홈 관련 디바이스의 개발 현황을 정리하면 아래 그림 2와 같다. 그림 2에서 보는 바와 같이 사용 용도에 따라 lighting, home security, thermostats/alarm systems, smart appliance 등으로 분류할 수 있다. 이러한 분야는 쉽게 접근할 수 있는 하드웨어가 이미 출시되고 있기 때문에 가능하다. Lighting이나 home security의 경우 국내에서도 신규 건설되는 아파트에 적용되고 있으며, smart appliance 분야의 가전제품도 각 사가 경쟁적으로 제품을 출시하고 있다. 특히, 온도조절기의 경우 대표적으로 Nest사의 제품은 1주일간의 생활환경과 사용자의 생활 패턴을 data화하여 이를 이용하여 사용자의 생활 습관에 따른 온도조절이 가능하게 할 수 있다. 또한, Ecobee3의 경우는 스마트폰과의 정보를 공유함으로써 사용자의 현재 상황과 위치에 따른 온도 제어가 가능하게 하는 지능형 온도조절기 이다. 이러한 사용자 환경과 패턴을 분석하고 위치를 감안하여 자동 제어되는 시스템이 좀 더 발전하면 사용자의 모든 data를 수집하고 이를 크라우딩 시스템을 이용하여 관리하며 big data 분석을 통하여 사용자 맞춤형의 스마트 홈이 실현될 수 있다.
미래 스마트홈은 사용자에 맞춤형으로 대응하는 하나의 로봇이 될 것이지만 이를 실현하기 위해서는 위에서 언급한 생태계를 구성하기 위한 많은 요소들이 갖추어져야 하고, 특히, data의 생성 주체가 되는 수많은 센서와 이들을 망으로 연결하는 센서 네트워크가 이루어져야 한다.
아래 표 2는 대표적인 IT 기업들의 스마트홈 관련 대응 전략, 목표, 제품, 운영체계 및 특성을 정리한 것이다. 각 기업들의 전략을 비교해 보면 애플의 경우 스마트폰의 경험을 살려 폐쇄형의 플랫폼을 지향하고 있으며, 구글과 삼성전자, LG전자 등은 오픈 플랫폼을 지향하고 있다.
각 기업은 나름대로의 장점을 살려 차별화된 목표를 가지고 움직이고 있다. 구글은 안드로이드를 스마트홈의 중심으로 만드는 것을 지향하고 있고, 애플의 경우 아이폰, 아이패드를 중심으로한 생태계 확립을 목표로 한다. 하드웨어 가전을 생산하는 삼성전자와 LG전자는 소비자에게 접근성과 다양성을 제공하는 방향으로 스마트홈 사업을 추진하고 있다. 현재 추진 현황은 Google사가 I/O에서 가정 내 모든 가전기기를 안드로이드 중심으로 묶은 제품을 출시하고 있으며, 애플은 플랫폼 서비스 HomeKit을 공개하였고, 삼성전자는 스마트폰, 무선인터넷, 클라우드 등 IT기술을 가전과 결합해 가고 있으며, LG전자는 홈챗을 이용하여 사용자가 프리미엄 가전을 채팅방식을 통해 제어할 수 있는 제품을 제공하고 있다. 또한, 각 회사별로 Android@Home, iOS8, 타이젠, 웹 OS 등 운영체계를 각각 다르게 운영하고 있어서 이들이 표준화 과정을 통하여 하나로 통일될 수 있어야 급격한 스마트홈 활용의 시대가 앞당겨질 것이다.
아래 표 3은 스마트홈 관련 IT 기업들의 2014년 관련 기업 인수 현황을 정리한 것이다. 현재, 스마트홈 분야는 전체적으로 플랫폼을 장악하는 것이 중요하므로 각 기업이 관련 기업을 공격적으로 인수하면서 시장 지배력을 확보하려는 경쟁이 매우 치열하게 전개되고 있다.
아래 표 4는 스마트홈 관련 IoT 표준화 경쟁 현황을 정리한 것이다. 스마트홈은 곧 IoT 기술이고 이 기술은 통신 네트워크를 이용하는 것이기 때문에 표준의 장악은 엄청난 경쟁력을 확보하는 것과 같다. 그러나 아래 표에서 정리한 바와 같이 다양한 형태의 네트워크가 제안되고 경우에 따라서는 복합적으로 적용될 수 있기 때문에 각 기업들은 이들 표준기구에 가입하여 IoT 기술을 접목하고자 하고 있다. 표에서 보는 바와 같이 삼성전자의 경우 기기 간 및 플랫폼 간 연결은 OIC에 가입하여 있고, Thread Group과 스마트융합가전포럼에도 동시에 가입하여 활동하고 있다.
아래 그림 3은 스마트홈 관련 시장규모에 대한 Strategy Analytics의 예측 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 스마트홈 구축 가구 수와 시장 규모가 모두 급격하게 증가할 것으로 예상되며 2019년 기준 시장 규모는 1100억$ 수준이고 스마트홈 구축 가구 수는 2억 가구를 상회할 것으로 보인다. 이 그림에서는 절대적인 수치도 중요하지만 시장과 적용 가구 수가 급격히 증가할 것으로 예상된다는 것이다. 이 또한, 추측에 불가하고 만약, 표준화가 잘 이루어지고 IoT 기술을 접목한 다양한 디바이스가 급격하게 증가할 경우 더 폭발적인 시장 증가가 예상된다.

그림 3. 글로벌 스마트홈 시장 규모 전망 (자료 : Strategy Analytics, 2014.7.)

설명한 바와 같이 시장 규모의 증가는 곧 각 국가 간의 치열한 경쟁을 불러일으키고 있다. 아래 표 5는 각국의 스마트홈 관련 국가 정책동향을 정리한 것이다.
미국의 경우 2013년 12월 백악관 직속으로 Smart America Challenge를 출범하고 Cyber-Physical Systems(Iot+system control)의 고용, 신규 비즈니스, 사회경제적 수혜 창출 효과 제시를 목표로 연방정부가 R&D에 연간 1억불 이상을 투자하고 있다. 대표적으로 Home/Building 분야에 ‘Convergence of Smart Home and Building Architecture’와 ‘Smart Home/Business Gateway Platform’ 등에 다양한 팀이 만들어져 활동하고 있다. 유럽의 경우 2015년 5월 유럽위원회는 사물인터넷 투자 및 성장 전략을 제시하는 정책 제안 보고서(Definition of a Research and Innovation Policy Leveraging Cloud Computing and IoT Com-bination) 발표하였고, 2020년까지 유럽의 사물인터넷 생태계 조성 전략 및 이를 구현하기 위해 추진해야 할 권고안들을 제시하였는데 스마트홈은 그 중 하나로 포함되었다. 중국은 2013년 9월, 공업정보화부 등 14개 부문이 공동으로 ‘국가 사물인터넷 발전 특별 행동계획’ 발표하였고 그 중 스마트홈을 전략적 신흥사업으로 선정하여 9대 중점영역 응용 시범 프로젝트에 포함하였다. 한국은 미래부에서 2013년 12월 국가정보화기본계획, 정보통신진흥 및 융합 활성화 기본계획, 2014년 5월 사물인터넷 기본계획, 2015년 3월 K-ICT 전략 등을 순차적으로 발표하였고 스마트 홈 추진을 위한 추진전략 및 핵심과제를 제시하였다. 그러나 시장 규모 등에서 열세인 우리는 좀 더 적극적인 정부 주도의 스마트홈 활성화 정책을 추진해야 선진국와의 경쟁이 가능할 수 있을 것으로 판단된다.
아래 그림 4는 스마트홈을 포함하는 IoT 기반의 시스템, 산업 및 표준화 영역을 도식화 한 것이다. 스마트홈은 별개의 사업이나 시스템 영역이 아니라 IoT를 기반으로 하는 사회전반의 인공지능화의 일부이며 이들은 디바이스, 네트워크, 플랫폼 및 서비스가 유기적으로 연결된 것이다. 또한, 이 시스템은 네트워킹을 기반으로 하기 때문에 보안 문제가 심각하게 대두될 수 있다. 이 복잡한 미래 환경에서 소재 기술은 주로 IoT 디바이스에 집중되며, 이 중에서도 센서 부품이나 디바이스에서 혁신적인 기술개발을 요구하고 있다.
3. 스마트센서 개발 동향

스마트 센서는 기능이 단순하고 정밀도가 낮으며 사용이 불편한 이전의 센서에 비해 센싱 소자와 신호처리가 결합하여 데이터 처리, 자동 보정 자가 진단, 의사 결정 기능을 수행하는 ‘소형, 경량, 고성능, 다기능, 고편의성, 고부가가치의 센서’를 의미한다. 스마트 센서는 기존의 센서가 발전하여 지능화된 센서(intelligent sensor)로 측정 대상물의 물리·화학적 정보를 감지하는 일반 센서기술에 나노기술 또는 MEMS 기술을 접목하여 데이터 처리, 자동 보정, 자가 진단, 의사 결정, 통신 등의 신호처리 기능을 내장하고, 주변 환경 정보를 전기적 정보로 전환하는 변환원리에 따라 압력 및 가속도 등의 물리 센서, 이미지, 적외선, 조도 등의 광 센서, CO2와 NOx, PH 등의 화학 센서, DNA와 단백질 등의 바이오 센서 등 크게 4가지로 분류할 수 있다. [3]
센서는 아래 표 6과 같이 발전단계를 통하여 진화해 왔다. 1세대의 경우 센서는 물리량을 전기적 신호로 단순히 변화할 수 있는 단계이며, 2세대는 물리량을 측정하는 센서와 신호처리 부가 결합된 형태로 MEMS 기술이 도입되었다. 그리고 3세대의 경우 아날로그 회로에 디지털 회로가 집적되면서 디지털 방식으로 측정된 신호를 보정하고 이 데이터를 메모리에 저장할 수 있는 수준이며, 4세대는 스마트 센서라 불리며 MCU가 센서에 내장되어 제어, 판단, 저장 및 통신 등의 기능을 포함하여 다중센서 및 네트워크 센서로 진화하였다.
현재 상용화된 대표적인 센서를 표 7에 정리하였다. 아래 센서들은 이미 항상 주위에서 쉽게 볼 수 있는 센서들이다. 화재센서, 가스센서, 방범센서 등은 스마트홈이 아니라도 이미 거의 모든 가정에 채용되고 있는 것이다. 그리고 온도센서, 검침센서, 지문인식 센서, 근접센서 및 조도 센서도 이미 신규 아파트들에 채용되고 있는 상황이며, 원격진료의 경우 사회적인 이슈가 되고 있다. 이처럼 이미 많은 센서들이 우리 생활에 근접해 있는 것이다.
미래의 센서 기술은 다양한 분야로 진화될 것이다. 그 분야나 방법에 대하여 예측하는 것은 거의 불가능할 것이다. 그래서 이들을 어떤 패턴 내에서 쉽게 정의하기도 어렵다. 그러므로 센서는 다양한 방법으로 분류하고 다양한 측면에서 검토되어야만 할 것이다. 센서는 무궁무진 할 수 있으며, 이들을 구분하는 방법은 표 8에 정리한 것과 같이 감지대상별, 감지방식별, 집적도별, 구현기술별 및 적용분야별 등이 있을 수 있다. 이러한 다양한 카테고리 내에서 더욱 새로운 센서가 제안되고 개발되고 IoT 기능이 추가되어 스마트홈 내에 스마트 센서로 적용될 수 있다.
국내외 주요기업의 센서기술 현황은 센서 산업의 특성상 제품의 종류가 너무 다양하기 때문에 간단히 정리하기 어렵다. 세계적으로 Bosch, Novasensor, Honeywell, Areescale, Analog Device 등 글로벌 기업들이 전반적으로 센서 및 스마트 센서 R&D를 주도하고 있다. 자동차용 센서의 경우는 Bosch, Freescale, Analoge Device, BEI Tech 등 현재 약 40개 이상의 글로벌 기업이 있으며, 가격, 신뢰성, 크기, 정밀도 등에서 서로 경쟁하고 있다. 의료용 센서의 경우, Novasensor, Honeywell, Measurement Specialities 등의 기업이 전세계 시장의 50% 이상을 차지하고 있으며, 안전 승인, 장수명, 신뢰성, 정밀도, 가격 등이 핵심 경쟁요소 이다. 항공/군수용의 경우, Honeywell, BEI Tech, Colibrys 등 현재 약 15개 이상이 R&D 및 생산에 참여하고 있으며, 검출범위, 충격 방지, 저전력, 장기 안전성 등이 핵심 요소이다. 민수용 센서는 Analog Device, ST Micro, Freescale, Hitachi, Bosch 등 현재 약 15개 이상의 글로벌 기업이 대표적이다.
국내 센서 산업의 경우 삼성전자 등 일부 대기업을 제외하고는 대부분의 기업이 영세하고 상당수의 기업이 수입된 센서를 기반으로 제품의 후 가공, 조립, 패키징에 의한 모듈 생산에 의존하고 있다. 일부 품목을 중심으로 칩과 프로토타입이 국내에서 개발되고 있지만, 기술 격차는 아직 상당한 수준이다. [3] 아래 표 9는 다양한 센서를 생산 개발하는 국내 대표적인 기업들을 정리한 것이다. 그러나 다양한 센서 종류 중 아직 국내에서 대응할 수 있는 것은 일부 센서에 국한되어 있다는 것이 큰 문제이다. 특히, 바이오센서 등 차세대 센서 분야는 이제 초기 개발단계에 있는 것이 대부분이다.
표 10은 다양한 대표적인 센서가 적용될 수 있는 사물에 대하여 센서의 채용 종류와 2020년 기준 시장 규모를 정리한 것이다. 현재는 가장 많은 센서가 적용되고 있는 것이 자동차가 될 것이다. 자동차 역시 자율주행과 스마트카가 이슈가 되고 있어서 센서의 증가가 급격히 일어날 것이고, 2020년 기준 26억$ 수준이 될 것으로 예측되고 있다. 스마트홈의 경우 자동차, 도시(환경관리), 온도조절장치, 완구, 헬스케어 및 스마트 전자소켓 등 거의 모든 분야에 적용되는 센서가 활용될 수 있고, 그 융합 기술의 한계는 예측하기 어렵다. 특히, 안전과 보안 관련되는 것이나 에너지 및 바이오 관련 센서가 다양한 형태로 개발 및 적용될 수 있다.
센서 관련 세계 주요국의 연구개발 지원 동향을 정리한 것을 아래 표 11에 나타내었다. 미국의 경우 미국과학재단(NSF), DARPA(Defense Advanced Research Project Agency) 및 DOE(Department of Energy) 등에서 MEMS 분야의 연구를 지원하고 있으며 산학연간 긴밀한 연계로 체계적인 기술개발 및 연구개발 투자를 하고 있다. 유럽은 CATRENE, ITEA(ICT 서비스 중심), EURIPIDES(패키징), ETP, EPoSS(스마트 시스템) 등의 유레카 클러스터 기반의 협력 활동을 수행하고 있다. 또한, FP7(7th Framework Programme for Research Technological Development)를 진행하여 종합적 센서 개발 지원체계를 구축하고 있다. 일본은 METI(Ministry of Economy, Trade and Industry)에서 Micromachine Technology project를 진행하여 관련 지원체계를 구축하였으며, 중국의 경우 MEMS Preliminary Initiatives에서 전자부품 5개년 계획을 수립하여 MEMS/NEMS 센서 개발 체계를 구축하였다.
위에서 본 바와 같이 세계 주요국들은 국가적 차원에서 연구개발 project들을 지원하여 국가의 주요 산업으로 센서 산업을 육성하고 있다. 우리도 국가 차원에서 센서 개발 전략을 추진하고 있지만, 원천적인 센서 기술개발에 대한 지원이 충분히 이루어지지 않고 있으며, 세계시장을 대상으로 센서 비즈니스를 추진할 수 있는 기업이 거의 없다는 것이 가장 큰 문제이다.