사물인터넷(IoT) 기술동향과 전망

IoT 응용 및 적용사례

착용형 로봇(wearable robot)의 기술 현황

웨어러블 디바이스의 현재 가치와 미래

웨어러블 디바이스용 유연열전소자

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IoT 및 웨어러블 디바이스 기술담당위원 : 김동환 교수(서울과기대)

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사물인터넷(IoT) 기술동향과 전망0101공 만 식 고등기술연구원 수석연구원 ㅣ e-mail : mskong@iae.re.kr

채 홍 준 고등기술연구원 선임연구원 ㅣ e-mail : hjchae@iae.re.kr

유 보 현 고등기술연구원 선임연구원 ㅣ e-mail : zzigee@iae.re.kr

세상의 모든 사물들이 인터넷과 연결되고, 지능화되고 있으며, 이를 활용하여 사용자에게 유용한 서비스 제공을 목적

으로 하는 다양한 사물인터넷 기술들이 소개되고 있다. 이 글에서는 사물인터넷에 필요한 수많은 기술 중에서 특히

주목할 필요가 있는 기술들을 선정하여 현재 동향 및 향후 전망을 기술하고, 궁극적으로 사물인터넷 세상을 실현시키

기 위해 해결해야 할 방향을 제시하고자 한다.

개 요

케빈 애쉬톤(Kevin Ashtonin)은 1999년에 사물인터넷(IoT : Internet of Things)의 개념에 대해 최초로 정의하였고, 이는 유무선 네트워크에서의 엔드디바이스(end-device)는 물론 인간과 자연환경을 구성하는 물리적 사물 등이 모두 사물인터넷의 구성요소에 포함된다.이러한 기술은 현실 세계의 사물들과 가상 세계를 네트워크를 통해 P2P(People-to-People), P2M(People-to-Machine) 및 M2M(Machine-to-Machine) 방식으로 언제어디서나 서로 소통할 수 있는 인터넷 기술로, 다양한구성요소(유무선 네트워크 기기뿐만 아닌 인간, 차량,교량, 각종 전자장비, 문화재 및 자연환경을 구성하는모든 물리적인 사물)와 사물인터넷 망이 연결됨으로써RFID·USN(Radio Frequency Identification/UbiquitousSensor Network) 기반의 유비쿼터스(Ubiquitous) 및 초연결사회를 구현할 수 있는 기반을 제공하고 있다. 대표적인 예로서, 네스트(Nest)의 학습형 온도조절기는 집안의 온도를 자동으로 관리하는 장치로서, 집안 온도와 보일러의 가동내역을 기록하고 학습을 통해 사용자의 패

턴에 맞는 온도를 제어하는 온도 조절기이다. 독일의 지멘스의 암벡공장은 수만 개의 사물인터넷 기반 센서를사용하여 5,000만 개가 넘는 빅데이터를 실시간으로 분석하여 한 개의 라인에서 100종의 제품을 생산할 수 있는 지능형 제조설비를 갖추었다.

기술이 발전하고 기존의 산업 환경이 크게 변화할 때,우리는 이를‘산업 혁명’이라고 일컫는다. 전 세계적으로 제조업이 가장 발전한 독일에서는 현재 4차 산업혁명(Industry 4.0)을 선언하고 제조업의 부흥을 예견하고있다. 4차 산업혁명이란, 18세기 말 기계식 생산 설비의도입에 따른 1차 산업혁명, 20세기 초 컨베이어 벨트와같은 전기 동력에 의한 대량 생산 체계를 도입한 2차 산업혁명, 1970년대 부분 자동화가 도입된 3차 산업 혁명에서 이어지는 것으로, 4차 산업혁명은 사물인터넷의도입으로 기계와 사람이 인터넷으로 상호 연결되는 생산 패러다임을 말한다. 독일뿐만 아니라 미국에서도 비슷한 개념인‘Advanced Manufacturing 2.0’이라는 이름으로 혁신을 주도하고 있으며, 우리나라 또한‘제조업 혁신 3.0’전략으로 제조업과 IT 융합을 통해 제조업의 경쟁력을 획기적으로 업그레이드하고 신산업, 혁신

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투자 및 수출 확대 등을 통해 경제 전반의 활력을 제고하려는 노력이 이루어지고 있다. ‘Industry 4.0’시대의‘제조업 혁신 3.0’을 지원하는

솔루션은 기존 생산시스템과 연동되지 않고 독립적으로 운영 되던 MES(Manufacturing Enterprise System) 중심의 생산 자동화 솔루션을 사물인터넷 및 빅데이터 솔루션 기반의 실시간 데이터 기반의 예측 기술을 활용하여 실시간으로 상태를 예측하고 대응함으로써 실시간으로 변화하는 시스템에 최적화된 서비스를 제공하고

자 하는 기술개발 정책이 추진되고 있다.이 글에서는 사물인터넷의 핵심기술을

설명하고, 기존 국내외 기술개발 동향 및 시장동향을 설명한 후, 마지막으로 사물인터넷 산업의 파급효과 및 시사점 등에 대해 설명하고자 한다.

사물인터넷의핵심기술

1) 센싱 기술일반적인 센싱 기술은 온도, 습도, 열, 가

스, 위치, 속도, 및 조도 등과 같은 물리량을다양한 방법을 이용해 측정하는 기술로서,

사물인터넷에서는 센싱 모듈을 통해 수집된 정보를 인터넷을 통해 공유하기 위해 기본적인 신호처리 및 알고리즘 수행이 가능한 모듈을 포함한 내장된 스마트 센서기술이 필요하다.

2) 인터페이스 기술사물인터넷 서비스 인터페이스 기술은 사물인터넷의

주요 구성요소(인간·사물·서비스)를 통해 특정 기능을 수행하는 응용서비스와 연동하는 기술로서, 사물인

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그림 1 네스트(Nest)의 학습형 온도조절기

그림 3 제조업 단계별 발전 현황[출처 : Siemens Global Website]

그림 2 독일 Siemens Amberg Electronics Plant[출처 : Siemens

Global Website]

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터넷의 다양한 서비스 기능을 구현하기 위해서는 ① 정보의 검출, 가공, 정형화, 추출, 처리 및 저장기능 등‘검출정보 기반 기술’② 위치판단 및 위치확인 기능, 상황인식 및 인지기능 등‘위치정보 기반 기술’③ 정보보안및 프라이버시 보호기능, 인증 및 인가기능 등‘보안 기능’④ 온톨로지(Ontology: 인간이 보고 듣고 느끼고 생각하는 것에 대해 컴퓨터에서 처리할 수 있는 형태로 표현한 모델) 기술을 통해 다양한 서비스를 제공할 수 있는 인터페이스 역할을 수행할 수 있어야 한다.

3) 네트워킹 기술사물인터넷에서 네트워킹 기술은 분산된 환경에서

존재하는 다양한 디바이스들의 물리적인 연결을 수행하는 유무선 네트워킹 기술로서, WPAN(WirelessPersonal Area Networks), 와이파이(Wirelwss Fidelity),3G·4G·LTE(Long Term Evolution), 블루투스, 이더넷, BcN(Broadband convergence Networks), 위성통신등을 이용할 수 있다.

국내외기술개발동향

사물인터넷산업의 기술을 하드웨어와 소프트웨어로나눌 경우 하드웨어적인 기술로 칩(chip), 모듈 및 단말기 등과 같은 기술이 있고, 소프트웨어적인 기술로는 플랫폼, 솔루션, 네트워크 및 서비스로 나눌 수 있는데, 현재 각 기술별로 국내외 다양한 제품들이 개발되고 있다.국내 업체의 경우 주로 소프트웨어 기술 분야 제품을 생산하고 있는데, 특히 멜퍼, 페타리, 브레인넷, 엔티모아및 인사이드, M2M 등의 기업은 플랫폼 및 솔루션 분야에 제품을 개발하고 있으며, 네트워크 및 서비스 분야에선 이동통신 메이저 기업인 SKT, KT 및 LGU+가 포진돼있다. 각 핵심 기술 분야의 메이저 기업의 사업화동향을간단히 요약하면 먼저 칩 개발 분야의 선도 기업인 영국의 ARM은 스마트폰 및 태블릿 PC 등 스마트 미디어기기의 프로세서 시장을 주도하고 있는 반도체 벤더로서이를 기반으로 2013년 7월 영국 캠브리지 본사에 사물

인터넷 환경을 구축하고 사업을 개시했다. 이어 2013년8월 M2M 관련 기술을 보유한 센시노드(Sensinode)를인수하면서 사물인터넷 시장 주도권 확보를 본격화하고있다. 또한 모듈 및 단말 개발 분야의 선도 기업인 미국의 IBM은 2013년 4월 사물인터넷망과 연결을 위한 게이트웨이(Gateway)인‘메시지사이트(MessageSight)’를개발하는 등 사물인터넷 환경에서 대용량의 센싱 데이터를 효율적이고 신속하게 관리할 수 있도록 설계된 하드웨어로 평가받고 있다. 이와 함께 플랫폼 및 솔루션개발 분야의 선도 기업인 미국의 시스코는 현재 사물인터넷 환경이 제한적인 사물 간에만 구현되고 있으나 미래에는 사물은 물론 사람과 데이터를 포함한 모든 만물이 인터넷에 연결되는 이른바 만물인터넷(IoE : Internetof Everything) 시대가 도래할 것으로 전망하고 전방위적 전략을 전개하고 있다.

사물인터넷의 실제 적용 대상으로서 스마트 팩토리가 최근 침체되고 있는 제조업의 효율향상을 통한 제조업 경쟁력 강화의 일환으로 전 세계적으로 급격하게 부상하고 있다. 스마트 팩토리란 작업공정 모니터링과 기록을 센서와 SW가 통합 관리하면서 공장이 스스로 제품을 생산하고, 공정을 통제 및 수리, 작업장 안전 관리등을 스스로 제어하는 기능을 갖춘 생산시스템을 일컫는다. 스마트 팩토리 구현에 있어 사물인터넷 기술을 통한 정보 수집과 이를 통해 수집된 방대한 정보를 분석하여 협력을 촉진하고 정확한 의사결정을 위한 빅데이터기술이 필수적으로 요구된다. 이러한 스마트 팩토리의도입으로 생산 공정을 최적화하고 공정의 유연성과 성능을 업그레이드 할 수 있다. 스마트 팩토리는 전세계에서 국가 차원의 전략으로 추진되고 있는데, 특히 독일은2006년부터 스마트 팩토리 구축을 목표로‘하이테크 전략 2020(Hightech Strategy 2020)’을 기반으로 한‘인더스트리 4.0’을 진행하고 있으며 지멘스의 암벡공장은스마트 팩토리의 가장 훌륭한 적용 사례로 평가 받고 있다. 미국은‘어드벤스드 매뉴팩처링 2.0(AdvancedManufacturing 2.0)’, 중국은‘인텔리전트 매뉴팩처링2025(Intelligent Manufacturing 2025)’를 추진하고 있으

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며, 우리나라도 스마트 팩토리의 중요성을 인지하여‘제조업 혁신 3.0’전략을 발표하고 미래창조과학부와산업통상자원부가 스마트 팩토리 시범 구축 사업을 실시하고 있다. ‘제조업 혁신 3.0’은 2020년까지 중소·중견 공장을 대상으로 1만 개의 스마트 팩토리 구축이목표이며 이는 중소·중견 공장 중 33%에 해당하는 수치이다. 국내 SW 및 제조업계에서 스마트 팩토리를 도입하였거나 도입을 준비하고 있지만, 선진국 대비 제조업의 정보화가 낮은 상태에서 스마트 공장을 바로 적용하기에는 많은 어려움이 있는 것으로 조사되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 정부에서는 사물 인터넷을 포함한 스마트 팩토리 8대 기술을 선정하고 각 기술별로정부사업을 통해 지원하는 전략 로드맵을 수립하였다.

시장동향

현재 시작 단계인 사물인터넷 산업은 홈 어플라이언스 및 제조업 분야에 대한 향후 수요를 예측한 정부의지원이 확산되면서 점차 시장성장 단계로 접어들 것으로 예상된다. 컴포넌트 및 프로세스 등 모든 ICT 리소스를 포함한 전 세계 사물인터넷 관련 기술 및 서비스 매출 규모가 전 세계적으로 2012년 4조 7,000억 달러에서연평균 8.8%의 성장을 지속해 2017년에는 7조 3,000억달러, 2020년에는 약 8조 9,000억 달러의 대규모 시장을

형성할 것으로 예상되며, 인터넷에 연결 가능한 다양한기계 및 통신장비와 같은 사물(things)은 2014년 약 37억 개, 2015년 약 48억 개에서 2020년에는 250억 개까지증가해 사물인터넷 인프라의 급격한 확대를 예고하고있다. 또한, 현재 전세계에 분포한 각종 사물(things) 중99.4%가 아직 인터넷에 연결돼 있지 않아 향후 사물인터넷의 성장 가능성은 매우 높게 볼 수 있다. 이처럼 사물인터넷 인프라 확대와 기업 및 소비자의 수요 증가에힘입어 관련 시장규모는 지속적인 성장세를 유지할 것으로 예상된다.

사물인터넷산업의시사점

미래에는 사물인터넷의 개념을 활용한 다양한 형태의 제품 및 서비스가 가능할 것이며 무인주행차량 개발등 자동차산업 분야에서도 사물인터넷 기술이 적극적으로 활용될 것으로 예상된다. 사물인터넷의 잠재력과파급효과를 올바르게 이해하고 관련 산업의 발전을 도모하기 위해서는 사물인터넷에 대한 신뢰 기반의 이성적이고 효율적인 수용방식을 찾아야 할 것이다. 즉, 사물인터넷에 관한 정확하고 이해하기 쉬운 데이터베이스를 구축하고 사물인터넷의 실정에 맞는 개인정보보호 정책 등을 개발할 필요가 있다. 이는 사물인터넷의태동기라고 할 수 있는 현 단계에서 구체적인 수준의 정

그림 4 8대 스마트 팩토리 제조기술

[출처 : http://www.industrysolutions.co.kr/]

그림 5 사물인터넷(IoT) 분야별 기기 증가 전망

(단위:대)>[출처 : 사물인터넷아이디어센터]

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책을 논의하는 것은 아직 이르지만, 향후 사물인터넷 관련 정책 수행 및 모니터링을 위해서는 빅데이터(Bigdata) 문제를 해결하는 동시에 필요한 정보를 공유해 정보의 흐름을 수평적으로 변화시키는 노력이 필요하다.

G20 국가들을 대상으로 실시한 사물인터넷 준비 지수(G20 Internet of Things Index) 조사결과에 의하면 미국이 1위, 한국이 2위에 랭크된 것으로 나타났다. G20사물인터넷 지수는 정보와 관련된 주요 12개 지표(GDP, 비즈니스 환경, 스타트업 절차, 특허출원, 인구,에너지 사용, 이산화탄소 배출, 브로드밴드 사용자수,인터넷 사용자수, 모바일 사용자수, 시큐어 서버, IT 지출규모)를 조사·분석해 사물인터넷(IoT)의 기회에 대한 준비 정도에 따른 G20 국가들의 순위를 산출한 인덱스다. 이는 사물인터넷 기술을 통해 새로운 사업화 모델을 모색하고자 시장에 진입하는 벤더들이 지속적으로늘어나고 있다는 것을 시사하고 있으며 사물인터넷을글로벌화하려는 벤더들에게 유용한 지표가 될 것으로보인다.

맺음말

사물인터넷 기술은 사용자의 위치측정 기술과 결합

되면서 생활공간 자체를 스마트하게 변화시킬 수 있는첨단 서비스 시대를 예고하고 있다. 실내외 위치기반 서비스는 모바일 서비스의 새로운 가능성을 제시하면서지금까지 활성화되지 못했던 사용자 맞춤형 서비스로부상하게 될 것으로 예상된다. 아울러 사물인터넷을 통한 이른바 지능통신(Intellectual communication)이 인간의 삶의 질 향상에 필요한 정보의 가치를 높이고 불확실성을 줄이는 필수 인프라가 될 것으로 기대된다.

사물인터넷 산업을 활성화시키기 위해서는 다음과같은 기술 분야의 핵심기술을 조기에 개발해 미래 인터넷 거버넌스에 대응할 필요가 있다. 사물인터넷 시스템·플렛폼·네트워크의 사용자 인증 및 인가, 접근제어, 키 관리, 식별자 관리, 신뢰도 및 평판 관리, 프라이버시 보호와 같은 다양한 보안기술을 강화할 필요가 있으며, 아울러 사물인터넷 환경에서의 수집되는 데이터를 각각의 어플리케이션에 맞는 빅데이터의 처리 및 분석기법 등에 대한 연구가 필요하다. 마지막으로, 사물인터넷 기술이 전 세계적으로 스마트 홈 및 스마트 팩토리산업의 새로운 성장 동력으로 주목받고 있는데, 글로벌경쟁력을 향상시키기 위해 사물인터넷 기술 관련 전후방 핵심 지재권 확보가 절실하며, 이를 위해서는 산·학·연·관·민의 공동노력이 필요하다.

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THEME02IoT 응용 및 적용사례0202

김 영 진 워너투 대표 ㅣ e-mail : trocad@seoultech.ac.kr

김 동 환 서울과기대 기계시스템디자인공학과 교수 ㅣ e-mail : dhkim@seoultech.ac.kr

이 글에서는 최근 IoT에 관한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 각종 사물에 센서와 통신기능을 내장하여 인터

넷과 연결하여 사용을 하는 새로운 정보 기술에 대한 시장이 창출되고 있으며, 제조, 헬스, 의료, 에너지, 홈, 자동차,

교동 등의 분야 등으로 확산되고 있다. 한 가지 예를 들자면 TV가 통신이 가능하면 사물 인터넷이지만 TV속의 부품

하나가 통신할 수 있으면 만물 인터넷이라는 개념으로 볼 수 있다. 현재 스마트한 다양한 IT 제품들이 출시되고 있으

며 조금 더 편리하고, 스마트한 실생활을 위해 스마트 카와 스마트 홈의 개발이 한창이며, 웨어러블 디바이스와 함께

뜨거운 반응을 있는 사물인터넷의 적용 사례에 대하여 소개하고자 한다.

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사물인터넷개념

사물인터넷은 RFID 태그를 통한 사물(thing)의 지능화 개념으로부터 시작되었다. 유럽에서는 제7차 프레임워크 프로그램 FP7(The Seventh Framework Programme of the European Union)을 중심으로 사물인터넷 연구에 적극적이며 독일에서는 스마트 공장을 지향하는 Industry 4.0을 추진하고 있다. 미국에서는 SmartAmerica Challenge 프로그램에서 국가 차원의 사물인터넷 프로젝트를 추진하고 있다. 중국에서는 중국 발전개혁위원회에서 스마트 그리드 스마트 교통 스마트 홈등의 10대 분야 사물 인터넷 발전 12차 5개년 계획을 수립하고 추진하고 있다.

사물인터넷(IoT: Internet of Things)은 사물(object)에정보를 수집하기 위한 센서 시스템, 물리적 자동을 위한하드웨어 플랫폼, 인터넷에 연결하기 위한 네트워크 플랫폼을 통해 사람과 사물, 사물과 사물 간에 상호 소통하고, 상황 인식 기반의 지식이 결합되어 지능적 서비스를 제공하는 글로벌 인프라이다. 스마트 디바이스, 모바

일, 클라우드, 빅데이터 기술 등과 융합하여 개방과 공유를 지향하는 초연결사회의 핵심이 되어 신산업 창출,생산성, 효율성 제고, 사회현안 해결, 삶의 질 향상 등에크게 기여할 것으로 전망된다. 한국 정부는 사물인터넷분야의 초기 성공 사례를 창출하기 위해 2017년까지 총1,300억 원을 투자할 계획이며. 제조, 헬스·의료, 에너지, 홈, 자동차·교통 등 6개 전략 분야를 선정하고, 관계부처와 공동으로‘사물인터넷 추진단’을 구성해 시제품 개발과 사업화를 지원할 예정이다. 스마트 디바이스의 핵심 기술 개발을 지원하고 국내 기술의 표준화를추진할 예정이다. IoT 혁신센터, IoT 오픈랩 등 사물인터넷 확산을 위한 기반 강화에 628억 원이 투입되며. 정부는 이를 통해 2020년까지 총 57조 원의 생산유발 효과와 42만 명의 고용유발 효과가 발생할 것으로 기대하고 있다. 사물과 사물을 인터넷으로 연결하는 사물인터넷 분야에서 패권을 잡기 위한 국내외 업체들의 경쟁 또한 치열하다. 글로벌 IT 기업인 삼성전자와 구글, 애플뿐 아니라 이동통신업체들의 IoT 전략이 하나 둘씩 실체를 드러내고 있다. 특히 IoT를 국가 성장 산업으로 보

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고 있는 정부도 관련 산업의 육성을 힘을 쓰고 있다.IoT 플랫폼이란 인터넷에 연결된 모든 기기를 하나의시스템 안에서 통합 관리할 수 있는 운용체계다. 플랫폼이 있으면 IoT로 연결된 수많은 기기들을 플랫폼을 통해 스마트폰에 설치된 소프트웨어(앱) 하나로 간편하게조작할 수 있다.

하지만 플랫폼이 없으면 IoT로 연결된 각각의 기기를다룰 많은 앱을 스마트폰에 설치해야 한다. 그만큼 불편하고 기기 간 충돌이 일어날 수 있다. 따라서 앞으로 폭발적으로 IoT 기기가 늘어나는 점을 감안하면 이들을한꺼번에 통합 관리할 수 있는 플랫폼 개발이 필수다.업계에서는 마이크로소프트(MS)의 윈도나 구글의 안드로이드처럼 플랫폼의 승자가 IoT 세계를 주도할 것으로본다.

사물인터넷은 실세계와 가상세계에 존재하는 사람,사물, 공간, 데이터, 정보, 프로세스 등 모든 것이 인터넷으로 연결되어 상호 소통하고, 작용하며, 정보 생성,수집, 공유, 활용되는 지능형 서비스인프라이다. IoT는사물지향(Things-oriented) 식별 및 센싱, 인터넷지향(Internet-oriented) 연결성, 시멘틱지향(Semantic-oriented) 지식화 기술 등으로 구성되며, IoT 서비스를제공하기 위한 IoT 디바이스(사물의 정보수집, 동작),

IoT 네트워크, IoT 플랫폼(사물과 연결, 협업, 분석) 등가치 사슬 전반에 걸치는 산업 생태계를 통해 서비스를실현하며, 현재 글로벌 기업들은 자신의 핵심 역량을 바탕으로 경쟁 중이나 아직 지배적 기업은 없다. 그림 1은사물 간의 상호 연결 관계를 보여주는 예이다.

사물인터넷(IoT: Internet of Things)의 Thing은 물리적 세계 또는 정보 세계(가상사물)의 객체로서 실별 및통신 네트워크에 통합이 가능하며, 인간의 개입 없이 유

그림 1 국내 사물인터넷 가치사슬별 주요 업체현황

그림 2 사물인터넷의 상호 연결 관계

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선 또는 무선의 네트워크를 통해 연결되며, 고차원적인지능시스템에 의해 관리되는 개체를 의미한다. 2020년에 인터넷에 연결되는 사물의 수는 약 260억 개까지 증가할 것으로 전망되고 있으며 향후 다양한 응용 분야에접목될 것이다.

사물인터넷적용사례

2014년 1월, 구글이 네스트라는 기업을 3조 4,000억원(32억 달러)에 인수하면서, 네스트에서 개발한 온도조절장치에 대한 관심이 집중되었다. 네스트는 애플에서 2001~2008년 재직하면서 아이팟의 아버지로 불렸던토니 파델(Tony Fadell)과 맷 로저스(Matt Rogers)가2010년 공동 창업을 한 회사로 무선랜을 지원하여 학습

기능 및 프로그래밍이 가능한 네스트 학습형 온도조절기(Nest Learning Thermostat)를 개발하였다. 네스트의 학습형 온도조절기(그림 3)는 주변 환경과 사람의 생활 패턴을 학습하여 지능적으로 냉·난방을 제어하는 장치로 집안의 온도 조절장치를 바꾸면 수동 조작 없이 자동으로 적당 온도를 조절해주는 인공지능 냉난방 조절장치이다.예를 들면, 아침에 일어날 때 쯤 되면 집을더 따뜻하게 만들어주고 비어 있던 집으로퇴근할 때면 적당한 온도로 맞춰주는 역할을 하며, 움직임 감지 센서가 있어서 집안에사람의 움직임이 없으면 자동으로 절전모드로 전환하는 기능을 가지고 있다. 온도조절기는 와이파이를 지원하며, 와이파이는스마트폰을 통해 외부에서 온도를 조절할수 있고, 날씨 정보를 받아와 온도조절에 적용하고, 내장된 소프트웨어를 업그레이드하는데 사용한다. 네스트 학습형 온도조절기는 한마디로 집집마다 있는 일종의 보일러 온도조절장치이다. 그 조절장치에 스마트 개념을 더했다. 우리나라는 보일러를 켜

면 온도가 올라가고 끄면 내려가는 난방 중심의 온도조절이 일반적이지만, 미국에서는 난방과 냉방이 한꺼번에 이뤄진다는 점에서 다소 차이가 있다. 네스트 학습형온도조절기는 난방과 냉방을 적절히 조절해 사람이 거주하기에 최적의 온도를 찾아준다. 뿐만 아니라 사람이미처 신경을 쓰지 않아도 알아서 효율적인 에너지 관리를 도와준다.

바이탈리티(Vitality) 사의 스마트 약병‘GlowCap’은약을 먹는 시간을 알려주는 약병을 개발하였다. 처방 받은 약을 빠뜨리지 않고 제때 복용하는 일은 치료의 기본이지만, 이를 지키기란 생각처럼 쉽지 않다. 아예 약을먹어야 한다는 사실을 잊어버리기도 하고, 때로 시간을놓치는 일도 생긴다. ‘글로캡(Glowcaps)’은 제 시간에약을 복용할 수 있도록 도와주는 영리한 약병이다. 그림

그림 3 네스트 학습형 온도조절기의 적용 예

그림 4 바이탈리티(Vitality) 사의 스마트 약병‘GlowCap’

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4는 바이탈리티사의 스마트 약병을 보여주고 있다.복용 시간이 되면 약병 뚜껑이 소리와 불빛을 내며 환

자에게 이를 알린다. 만일 이중의 알람에도 불구하고 여전히 약병이 닫혀 있다면, 이제는 환자에게 전화가 걸려올 차례다. 이처럼 강력한 알람 기능이 가능한 까닭은

‘글로캡’이 무선으로 바이탈리티의 네트워크와 연결되어 있기 때문이다. 바이탈리티는 이를 위해 AT&T와 무선망 사용 계약을 맺었다. 사용자 관찰 결과 실제로‘글로캡’사용자들의 복약률은 98%까지 높아졌다고 한다.사용자의 복약 여부는 바이탈리티의 보안 네트워크로전송되어 저장되고, 이렇게 매일 차곡차곡 쌓인 복약 내역은 주간, 월간 단위로 정리되어 환자, 보호자, 주치의에게 제공된다. 한편 바이탈리티는 아이패드용 어플리케이션‘글로캡 대시보드’를 통해, 복약 행동의 패턴을이해하고 예측하는 데 도움이 될 자료들을 공유할 예정이다.

2013년 12월 세계적인 가전업체인 필립스(Philips)가출시한 휴(hue)는 새로운 조명 연출이 가능한 전구와사용자가 지시하는 전용 앱, 그리고 이들 사물 간 소통을 담당하는 브릿지를 통해 조명을 조절하도록 구현하였다. 휴 전구는 1,600만 개 이상의 다양한 색상 구현이가능하도록 설계 되었으며, 휴 브릿지는 원형 모양의 무선 조명제어시스템으로 지그비(Zigbee) 통신을 통해 인터넷에 접속하고 일반 공유기와 LAN 케이블 연결로 스

마트폰과 태블릿 PC 등의 어플리케이션으로 조명의 밝기와 색상, 패턴 등을 컨트롤 할 수 있는 LED 스마트 조명시스템이다.(그림 5)

미국 최대의 가전제품 박람회인 2014년 CES에서는 모바일 기기와 가전기기의 연동을 통해 원격으로 가전기기 정보를 확인하고 조작할 수 있는 스마트 홈 관련 제품이 다수 전시되었다. 이들 전시된 가전기기들의 주요 기술적인 트렌드로는, 가전기기들이 인터넷에 연결돼 무선 네트워크상에서 정보를 공유하고 가전기기 사이에소통하는 소위‘사물인터넷’이다.

Whirlpool은 이번 전시회에서 세탁기, 건조기, 냉장고, 오븐, 식기세척기 등 주방 가전제품들이 연결돼 스마트폰 등 모바일기기와 커뮤니케이션하는‘ConnectedSuite’를 선보였다. 예를 들어 사용자가 스마트폰으로오븐을 작동시키거나 세탁기에 세탁물 정보를 전송하면 세탁기가 자동으로 적정 온도와 세탁 모드(Mode)를설정한다. 또한 스마트폰 상에서 건조기도 원격으로 가동할 수 있다. 냉장고는 냉장고 안에 어떤 음식이 있는지 정보를 전송하며 세탁기와 건조기는 작업이 완료됐다고 스마트폰에 알려준다. Whirlpool은 스마트키친도시연하였고 인터액티브(Interactive)한 터치스크린 화면을 띄울 수 있는 전기레인지를 선보였다. 전기 레인지는주방에 구비돼 있는 재료들을 알려주며 이 재료를 이용해 만들 수 있는 요리와 레시피를 표면에 표시해준다.

그림 5 필립스의 스마트 조명장치 체험

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또한 전기레인지 표면 어디에나 솥이나 프라이팬을 놓아도 스위치가 표시돼 작동시킬 수 있으며 내용물을 더저어야 하거나 물을 첨가해야 한다면 알림 기능이 표면에 표시된다.

BMW, 아우디, 메르세데스 벤츠, 토요타, 포드, 마쓰다, 기아 등 9개 글로벌자동차 업체들이 참여, 역대 CES쇼에서 가장 많은 자동차 업체가 참가해 다양한 IT 기술을 자동차 플랫폼에 구현하였다. 자동차산업에서의 기술트랜드는 자동차산업과 IT산업의 경계가 흐려진 컨버전스(Convergence)가 될 것으로 보인다. 특히 인포테인먼트(infotainment), 다양한 모바일기기와 차량과의 연결(Connected Car), 무인자동차(Self-Driving) 기술이 대거 등장하였다. 인포테인먼트란 정보(information)와 오락(entertainment)이 합쳐진 말로서 여기서 정보란 운전자가 주행 시 필요한 정보(Driver Assistance)를 의미하며 주유 및 충전 시기, 타이어 압력 등 차량 상태 관련정보, 내비게이션, 제한속도, 날씨, 도로 상태, 주행하고있는 지역 관련 정보 등이 포함된다(그림 6). 한편 오락이란 운전자가 주행 시 페이스북, 트위터 등 소셜 네트워크 애플리케이션과 판도라(Pandora) 등 인터넷 라디오 애플리케이션, 뉴스 피드(Feed)를 비롯한 다양한 애플리케이션을 차량 내부에서 사용할 수 있도록 하는 것을 말한다.

최근 ARM 사의 저전력 모바일 전용 CPU 플랫폼의

발전으로 스마트 기기가 눈부신 발전을 이루었다. 이러한 반도체의 기술을 통하여 정보통신 기술 또한 급속도로 발달하고 있다. 우리는 4G(4세대 이동통신)의 시대를 넘어 현재 LTE-A 시대에 살고 있다. 몇 년 전만해도꿈도 꿀 수 없는 엄청난 통신 속도를 통하여 정보를 제공받고 있다. 이러한 기술의 실현으로 인하여 기계와 기계, 기계와 사람 간 정보를 교환할 수 있는 시대에 접어들고 있다. 그동안 우리는 인터넷이라는 공간에서 인간이 만들어내는 다양한 정보를 공유하여 왔다. 하지만 최근 들어 다양한 디바이스들에서 만들어지는 정보들이사람과 사물 간에 공유될 수 있는 사물인터넷에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 이 글에서는 현재 적용된 사물인터넷이 적용된 다양한 사례를 살펴보았다. 이러한사물 인터넷이 이용 가능한 영역들은 점점 더 지속적으로 확대될 것이며 그 내용 또한 구체화될 전망이다. 스마트폰이 현재 모든 사람들의 생활의 일부가 되었듯이사물인터넷 또한 사람들의 생활의 일부가 될 것이다. 사람과 사람이 말로 대화하는 것과 같이 사람과 사물이 대화하고 그 대화를 통하여 정보를 획득하고 사용하는 시대가 도래할 것으로 본다. 기계공학에서 사물인터넷의응용 및 적용은 점점 더 진화해 나아갈 것이고 이에 대한 연구개발을 철저히 해야 하는 것이 기계공학이 다시한 번 확고한 위상을 가지는 기회가 될 것이다.

그림 6 (a)아우디의 인포테인먼스 디스플레이, (b)벤츠 차량과 연동된 스마트워치 및 스마트글라스

(a) (b)

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착용형로봇(wearable robot)의기술 현황0303

장 재 호 한국생산기술연구원 로봇그룹 수석연구원 ㅣ e-mail : jaeho@frtechnology.com

송 우 근 한양대학교 대학원 융합시스템학과 석사과정 ㅣ e-mail : wksong@kitech.re.kr

이 글에서는 착용형 로봇(wearable robot)의 정의, 활용 분야 및 국내외 기술동향에 대해 소개하고자 한다.

THEM

E

개 요

착용형 로봇(wearable robot)이란 인간의 운동을 보조해주는 외골격 로봇 시스템(exoskeleton robot)을 말하며, 이는 착용자의 운동 의도를 기반으로 하여 액추에이터를 구동시키고 고하중/고기동성 및 운동 지속성을지원해주는 로봇을 의미한다. 이는 군용/재난방재/재활뿐만 아니라 다양한 민수분야에 응용될 수 있으며, 산악

지형이나 험지 등 비정형 환경에서 고하중의 부하 상태에서도 인체-기계 반응 제어를 통해 기동성을 유지하고작업영역의 확장 및 재난 상황에서의 긴급 대처능력을증대시킬 수 있다.

차량이나 장비의 진입이 불가능한 재난 현장이나 화재 현장의 경우, 구조임무를 수행하는 소방관, 구조원이고하중의 부하나 환자를 운반해야 하는 경우가 빈번하게 발생한다. 그러나 육체적 한계로 인해 장시간의 구조

그림 1 착용형 로봇의 활용분야

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활동이나 임무 수행이 힘들고, 작업 가능 범위 또한 제한될 수밖에 없다. 따라서 착용형 로봇은 위와 같은 상황에서도 장시간 임무수행이 가능케 하며, 육체적 한계를 극복하고 작업 가능 범위를 늘려 작업 효율성을 증대시켜준다.

군사용 착용형 로봇의 경우, 고령화와 저출산으로 인해 군 인력 자원이 점점 감소하는 반면, 병사 개인이 휴대해야 하는 무기나 장비의 중량이 증대되고 다양한 환경에서 작전수행이 이루어지는 미래 전장 환경에서 로봇은 병사의 임무수행 능력 및 기동력 향상에 기여할 수있다.

뿐만 아니라 재활용/보행 보조용 로봇에 대한 기술연구가 진행 중이다. 그러나 이는 비정형 환경에서 운용되는 재난 대응용, 군사용과 달리 실내 환경에서 노약자의근력 지원 혹은 편마비 환자의 보행 지원 등을 목적으로연구가 주로 수행되고 있다.

국내기술동향

한양대학교 한창수 교수팀은 하지뿐만 아니라 상지의 특정한 관절의 근력 지원을 위해 다양한 종류의 외골격 로봇에 대한 연구를 수행 중이다. HEXAR-cr50(하지외골격 로봇)의 경우 최대 보행속도 6.5km/h, 무게26kg, 가반하중 40kg, 구동시간 6시간의 사양을 가진다. 또한 상/하지 분리가능한 모듈형 전신 외골격 로봇,근경도 센서를 이용하여 착용자의 의도를 인식하는 연구 등을 수행 중이다.

국방과학연구소(ADD)에서는 평지에서의 일정한 보행속도 구현을 위한 연동제어 연구를 통해 군사용 웨어러블 로봇 기술구현의 가능성을 확인하기 위한 연구를수행하였다. 또한 산업통상자원부와 방위사업청의 공동주관으로 군사용 및 재난 대응을 위한 험지 적응형 하지근력 고반응 제어기술 개발에 대한 연구를 주관하여

수행하고 있으며, 비정형 험지 환경에서착용자의 보행능력증강을 위한 인체-기계 고반응 제어기술및 인체 대사에너지효율성 증대 및 착용자 운동의지 예측을위한 연구를 진행 중이다.

한국생산기술연구원(KITECH)은 산업현장에서 노동자의작업능률 향상을 목적으로 유압식 구동기를 이용한 고출력외골격 로봇 슈트(HyPer)를 개발하였으며, 이를 바탕으로조 선 소 근 로 자 용그림 3 HyPer 시리즈(한국생산기술연구원)

그림 2 HEXAR 시스템즈의 외골격 로봇(HEXAR Systems)

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HyPer-2를 개발하여 착용형 로봇 기술의 산업현장 적용기술로 확대시켰다. 또한 HyPer-3과 화재 진압을 위한소방관용 HyPer-3.5를 개발 중이다.

국외기술동향

미국의 경우 10년 전부터 DARPA 펀드를 통해BLEEX, HULC 및 XOS2와 같은 군사용 외골격 로봇을개발하고 있다. HULC는 현존하는 외골격 로봇 중 최고의 기동 속도를 가지고 있으며, 개량 모델에 대한 야전운용시험 후 아프가니스탄에 배치될 계획이다. 최근에는 NASA에서 우주에서 비행사들의 근력을 유지하도록돕고, 지구로 귀환했을 때 약해진 근력을 보조해 빨리걷도록 도울 목적의 외골격 로봇 X1, 장애인을 위한 보행 보조 기구 EKSO 등 민수용 외골격 로봇에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다.

일본의 경우에는 주로 민수용 외골격 로봇이 개발되고 있다. Cyberdyne에서 2003년에 하지 외골격 로봇HAL-3, 2006년에 전신 외골격 로봇 HAL-5를 개발하였으며, HAL은 착용자의 근전도 신호(EMG)를 이용하여 착용자의 동작 의도를 파악하는 것이 특징이다. HONDA에서는 착용자의 체중지지 및 보폭관리를 목적으로 두가지 형태의 보행 보조장치 WAD를 개발하였으며,WAD는 노약자들이 더 빠른 속도로 오랜 시간 보행이가능하도록 도와준다. Panasonic 계열의 Activelink에서는 유압기반의 고가반하중용 착용식 로봇인 PowerLoader를 개발하였다.

유럽은 하반신 마비 환자의 보행 보조도구로서 뇌-신경-컴퓨터 인터페이스기술을 적용한 마인드워커(Mindwalker) 프로젝트를 진행하고 있다. 마인드워커프로젝트는 뇌-신경-컴퓨터 인터페이스(BNCI: Brain-neural-computer interface) 기술에 기반하여 로봇 외골

그림 4 미국에서 개발 중인 착용 로봇(왼쪽부터 U.C. Berkeley, Lockheed Martin, Raytheon, EKSO bionics, NASA)

표 1 착용 로봇 국내 기술현황 요약

기 관

명 칭

착용부위

가반하중

이동속도

구 동 기

동 력 원

한양대 생기연 현대차/로템 국과연 한양대 LG전자

HEXAR-CR50 HyPER2-i - - HEXAR-WA20 -

하지 하지 전신 하지 고관절 상지

40kg 40kg 40kg 45kg - -

6.5km/h - 3km/h 4km/h 3km/h -

전기 유압 전기 유압 전기 -

배터리 배터리 외부전원 배터리 배터리 배터리

적용분야 군사용/산업용 재활훈련용/생활보조용

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격 시스템을 적용하고, 가상현실 환경을 결합한 것이다.착용자의 뇌졸중 환자의 재활이나 혹은 우주공간에서머물다가 귀환한 우주비행사의 근육 재활운동에 사용될

수도 있다. 현재는 건강한 사용자를 대상으로 한 시험종료 후, 세인트 루시아 재단으로 보내져서 척수 부상을가진 지원자를 대상으로 임상 평가를 수행하고 있다.

그림 5 일본에서 개발중인 착용 로봇(왼쪽부터 Cyberdyne, Honda, ActiveLink)

그림 6 프랑스에서 개발 중인 착용 로봇(RB3D, Argo Medical Technologies)

표 2 군사/산업용 착용 로봇 국외 기술현황 요약

국 가

명 칭

착용부위

가반하중

이동속도

구 동 기

동 력 원

미국 미국 미국 프랑스 일본

BLEEX2 XOS2 HULC HERCULE Powerloader

하지 하지 전신 하지/상지 전신

68kg 91kg(상지) 90kg 100kg -

7.2km/h - 16km/h 8km/h -

유압 유압 유압 전기 유압

배터리 외부전원 배터리 배터리 배터리

적용분야 군사용/산업용

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프랑스에서는 국방부와 무장청(DGA: DirectorateGeneral Armaments)의 지원으로 2011년에 RB3D에서군용 및 민수용 목적의 전기식 외골격 로봇 HERCULE을 개발하였다. 이스라엘의 Argo Medical Technologies에서는 하지 중증 장애인용 개인 직립 보조 및 보행 보조장치인 ReWalk를 개발하였다.

요소기술별기술동향

착용형 로봇의 주요 요소기술로는 크게 인간-로봇 인터페이스(HRI: Robot-Human interface), 외골격 메커니즘 등으로 분류할 수 있다. 이는 각 연구개발의 적용분야 및 활용 목적에 맞게 연구되고 있다.

HRI 기술의 경우 인간과 로봇의 상호작용을 측정하는방식으로 이루어지며, 크게 인지 상호작용과 물리 상호작용으로 분류된다. 일반적으로 인지 상호작용의 경우 재활/치료 목적의 로봇에 주로 사용되며, 뇌전도, 심전도,근전도 등의 생체신호를 이용한 다양한 연구가 진행되고있다. 물리 상호작용의 경우 군사용/산업용/재난방재용로봇에 주로 사용되며, 힘 센서를 이용하여 착용자와 로봇간의 힘을 측정하고, 이를 제어에 활용한다. 그러나 최근 힘 센서를 사용하지 않고 로봇의 정확한 모델링을 통하여상호작용력을 추정하는연구가진행되고있다.

외골격 메커니즘은 크게 Anthropomorphic과 Quasi-Anthropomorphic, non-Anthropomorphic 구조로 분류되는데, Anthropomorphic 구조는 인체와 정확히 일치하

는 기구적 특성과 단순한 구조를 지니며, 주로 재활 및의료용 착용로봇에 적용된다. Non-Anthropomorphic 구조는 인체와 로봇의 구조가 불일치하도록 설계하는 방법으로 로봇의 다양한 가능성을 가질 수 있으며 용도에맞는 구조를 가지도록 설계할 수 있다. Quasi-Anthropomorphic 구조는 앞의 두 구조를 절충한 형태이다. 로봇의 개발 목적에 따라 성능의 증가를 목표로 하는방법으로 최근 다양한 종류의 Quasi-Anthropomorphic구조가 시도되고 있다.

맺음말

착용형 근력증강 로봇은 선진국에서는 10년 이상 국방/민수 사업으로 활발히 연구되고 있는 분야이지만, 국내에서도 기술 역량을 확보함에 있어서 선진국 수준으로의 진입이 가능할 것으로 판단된다. 향후 기술 경쟁및 수출을 통해 국가 경쟁력을 강화시킬 수 있는 분야이며, 이를 위해서는 착용형 로봇의 핵심 기술인 초경량외골격 메커니즘, 고성능 액추에이팅 기술, 센서 최소화를 통한 착용자 의도 파악 알고리즘 및 로봇 제어 기술등에 대한 연구가 필요한 실정이다. 뿐만 아니라 군사용/산업용 및 재난 재해환경에서 실질적으로 활용되기 위해서는 시스템의 보급화가 필요하며 이를 위해서는 경량화/생산단가의 절감 및 시스템의 신뢰성 확보, 제품화인증을 위한 성능평가 기준 또한 마련되어야 할 것이다.

표 3 재활/보조용 착용 로봇 국외 기술현황 요약

국 가

명 칭

착용부위

자체중량

이동속도

구 동 기

동 력 원

미국 미국 미국 일본 일본 뉴질랜드 이스라엘

EKSO e-Legs X1 HAL-5 WAD REX ReWalk

하지 하지 하지 하지/상지 하지/고관절 하지 하지

- 20kg 26kg23kg(전신)

- 39kg 18kg15kg(하지)

- 3.2km/h - - - 3m/min 3km/h

전기 전기 전기 전기 전기 전기 전기

배터리 배터리 배터리 배터리 배터리 배터리 배터리

적용분야 재활훈련용/생활보조용

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THEME04

웨어러블디바이스의현재가치와미래0404

편 석 준 오컴(occam) 대표 ㅣ e-mail : occam@occam.kr

이 글에서는 웨어러블 디바이스 중에서 가장 대중화 된‘워치 및 밴드 형태’제품의 비즈니스 전략 방법론을, 워치(밴

드)의 가능한 기능 중심으로 다각도로 검토해보고자 한다.

THEM

E

웨어러블 기기(wearable device)는 들고 다니는 스마트폰을 넘어 항상 신체에 밀착해 사용 가능한 기기를 일컫는다. 초기에는 스마트폰의 보완재(complementarygoods)로 개발됐으나, 기술 발달로 자체 네트워크 접속이 이루어지면서 무한한 사용 가능성이 전망된다. 소비자 편의성 관점에서 보면 손과 주머니에 휴대해야 하는것보다, 들고 다닐 필요 없이 몸에 두르기만 하면 되는웨어러블 디바이스가 편하다.

웨어러블 디바이스에서 가장 대중화된 것은스마트워치이다. 2012년 12월부터 애플에서‘i-Watch’란 이름의스마트워치가 출시할 거란 소문이 돌았다. 소문의 진원

은 소형 디스플레이와 저전력 블루투스 4.0을 만들던 중국의 제조업체 리텍이었다. 구글에서도 2012년 10월에

‘Nexus-Watch’란 이름으로 스마트워치 관련 특허를 취득했음이 알려졌다.

3년의 기다림 끝에, 2015년 4월 24일에 애플에서는 드디어‘애플워치’란 이름으로 스마트워치를 출시했다. 음성통화, 메시지 송수신, SNS 알림, 심장박동 측정, 운동량측정, 음성명령 인공지능 시리(Siri)와 연동, 이미지 기반SNS인 인스타그램과 O2O 콜택시 서비스인 우버 앱 실행기능 등이 있었다. 하지만, 배터리 문제는 여전히 있었다. 1회 충전 시 최대 18시간 만 사용이 가능했고, 전력

소모가 많은 서비스를 사용할 때는 배터리 소진이 더 빨리 되었다.

또, 무엇보다 애플워치는 아주비싼 스마트워치였다. 애플워치는크게 세 가지 유형이 있는데 기본애플워치, 애플워치 스포츠, 그리고 애플워치 에디션이다. 물론, 애플워치 에디션은 18K금으로 도금한 한정판이긴 하지만 그 최대 가격은 1만 7,000달러였다. 이는 다른명품 브랜드의 시계 가격 이상이다. 더 놀라운 중국의 떠오르는 메그림 1 비교표 : 애플워치·명품시계·샤오미 미 밴드[출처: 애플 및 샤오미 홈페이지]

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이커인 샤오미의 미 밴드 가격은 한화 기준으로 1만 5,000원 내외로 그 가격이 100배 이상 차이 난다. 물론, 애플워치가 미 밴드보다 더 많은 기능과 예쁜 디자인을 제공하기는 하지만, 이와 같은 가격의 넓은 스프레드 자체가 아직 웨어러블 디바이스 시장이 확실히 정립된 상태가 아님을말해주는방증이다.

시장조사기관 스트래티지 애널리틱스가 2015년 7월에 발표한 2분기 스마트워치 시장 현황 자료를 보면, 애플워치가 출시되기 전에는 삼성전자가 73.6%의 시장점유율(’14년 2분기)을 갖고 있다가, 애플워치가 출시된다음에는 애플이 시장점유율을 73.6% 가져갔다.

사람들은 여전히 스마트워치를 유용하다고 생각하지않는다. 모 기관의 조사에 따르면, 유용하지 않다고 말한 비중이 61%(복수응답 기준)이고, 너무 비싸다고 답한 비중이 40%로 스마트워치의 구매 전 반응에 대한 답변에서 1, 2위를 차지했다.

우리는 정말 스마트워치 등의 웨어러블 디바이스로무엇을 할 수 있을까?

첫째는, 기존 모바일 디바이스에서 적용되던 기능들중 작은 화면에서 사용함에 불편함이 없는 기능들이다.즉 작은 화면 크기에서 괜찮은 유저 인터페이스를 제공할수 있는 애플리케이션 구동이나 GPS를 활용한 기능 네비게이션이나 검색 기능, 또 MIM(Mobile Instant Message,카카오톡 등의서비스)나문자 수신같은기능들이다.

둘째는, 결제 기능이다. 2015년 ICT 업계의 최대 화두중 하나인 핀테크는 이제 웨어러블 디바이스와 결합하고 있다. 결제 서비스는 그 속도와 편리성이 생명이다.신용카드나 스마트폰을 꺼내지 않게 하는 결제 서비스

가 나올 수 있다면 그것은 성공이다. 호주의 BendigoAdelaide 은행은 2014년 10월에 삼성전자의 갤럭시 기어에서 사용 가능한 QR코드 기반 모바일 결제 서비스인‘레디’를 출시했고, 북미 1위의 모바일 결제 회사인페이팔은 2014년 11월부터 스마트워치 업체인 페플(Pebble)에 지급결제 앱을 탑재했다.

하지만, 최근 무엇보다 가장 화제가 된 것은 삼성전자가 인수한 루프페이(LoopPay)이다. 2015년 8월 이후로나오는 삼성전자의 신형 스마트폰에는 루프페이가 기본 탑재될 예정이다. 루프페이는 미국의 벤처기업으로마그네틱 보안전송(Magnetic Secure Transmission) 기술을 활용해, 즉 신용카드를 카드리더기에 긁지 않고 마그네틱에 담긴 신용 정보를 카드리더기에 전송해 결제케 하는 기술을 갖고 있다. 루프페이 동글을 스마트폰이어폰 잭에 꽂고, 앱을 실행시킨 상태에서 가맹점에 있는 보통의 카드리더기에 갖다 대면 결제가 되는 것이다.

4월 10일 전 세계에 동시 출시된 갤럭시 S6와 S6 엣지에는 당장 루프페이 기술이 내장화돼 있지 않았다. 신용카드사들과 제휴를 완료하고 Tokenization 기술(OTP 같은 1회용 암호화 기술) 및 지문인증 기술 등을 통해 보안을 강화해 2015년 내로‘삼성페이’란 이름으로 출시할것으로 전망된다. 루프페이 기술은 한국에서는 여신전문금융업법 상 카드복제에 해당되기 때문에, 보안 강화가 필요한 것이다. 기존에 우리가 플라스틱 신용카드를스마트폰에 등록해 사용하던 모바일 카드는, 카드회사의 전산 상 개별적인 카드로 처리되기 때문에 해당 이슈가 없었다. 루프페이 방식의 최대 장점은 가맹점들이 카드리더기 교체 없이 바로 적용할 수 있다는 것이다. 몇

년 전부터 NFC(근거리무선통신)를 활용한 모바일 결제에대한 장밋빛 전망이 이어졌지만, 가맹점의 카드리더기 교체 문제 때문에 지지부진했던것을 고려하면 분명 큰 장점이다. 실제, 미국 내 루프페이가맹점 수는 1,000만 개로 애그림 2 <2015년 2분기 스마트워치 출하량 및 시장점유율 현황>[출처: 스트래티지 애널리틱스]

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플페이 가맹점 22만 개보다 월등히 많다. NFC를활용하는애플페이는가맹점의카드리더기를교

체해야 한다는단점이 있지만, 아이폰을 사용하고 있는 글로벌 이용자 수가 워낙 많기 때문에 가맹점들은 이용자에게결제편의성을증대해주는대가로매장수익을늘릴수있다고 판단할 수도 있다. 또, 애플페이는 세계 최고 결제정보 집결지 중 하나인 아이튠즈에 등록한 신용카드 정보를 그대로 쓰고 별도의 앱을 실행할 필요도 없기 때문에,편의성측면에서는루프페이(삼성페이)보다조금낫다.

웨어러블 디바이스의 세 번째 주요 기능은 헬스케어를 포함한 사물인터넷 기능이다. 기본적으로는 우리가흔히 아는 운동관리 기능이다. 사실, 웨어러블 디바이스에는 스마트워치만 있는 것이 아니다. 일단, 안경 형태로 우리가 잘 아는 구글 글래스도 있다. 현재, 구글 글래스는 의료용·방범용·군사용 목적으로 주로 쓰이며,사생활 및 저작권 침해 논란 때문에 사용이 제한적이다.또, 2014년 1월 구글은 당뇨병을 측정할 수 있는 스마트콘텍트렌즈 샘플을 발표했다. 2014년 4월 미국 텍사스오스틴 대학교 연구진은 머리카락보다 얇은 e-skin 또는e-tatoo 형태를 발표했고, 일본 MTI 사의 카라다핏은 머

리끈 형태의 웨어러블 디바이스이다. 부품의 소형화, 데이터 무선통신 처리, 저전력화의 문제가 있지만 점차 해결되며 새로운 형태의 디바이스는 계속 출시될 것이다.

웨어러블 디바이스는 사물인터넷의 핵심 비즈니스섹터인 헬스케어와 동반 성장할 것으로 보인다. 당장에는 전문성의 부족과 의료산업군과의 마찰 때문에, 예방·진단보다는 피트니스에 주로 쓰일 것이다. 세계 최초로 심박 센서를 스마트폰에 탑재한 삼성전자의 갤럭시 S5는 헬스케어 기능을‘레저용’으로 했기 때문에, 식약처의 가이드라인을 맞출 수 있었다.

일단, 현대인들은 건강 및 뷰티 관리에 대해 관심이 많다. 대학내일 20대 연구소가 조사한 바에 따르면, 대학생의 40.8%는 자신이 뚱뚱한 편이라고 여긴다. 또, UN은2009년에‘호모 헌드레드(homo-hundred)’란 말을 처음사용했다. 머지 않아 대다수의 사람이 100세 이상의 삶을 사는 시대가 온다는 것이다. 인구 중 65세 비중이 7%가 되면 고령화, 14%에 이르면 고령, 20%에 도달하면 초고령 사회로 본다. 인구 고령화 추세는 구조적으로 정부예산 부담을 증가시킨다. 한국의 정부예산 중 보건복지예산이 차지하는 비중은 2002년 7.1%에서 2012년 10%까지 증가해, 2012년에 22조 2,000억 원까지 이르렀다.

헬스케어를 비롯한 사물인터넷 기술은 특히 노령자에대해 개인 응급응답 시스템(PERS: Personal EmergencyResponses Systems)을 손쉽게 구축할 수 있을 뿐 아니라, 만성질환 관리에도 기여할 수 있다. 물론, 만성질환의 형태는 국가와 인종 별로 다르기 때문에 커스터마이징 해야 한다. 한국정보화진흥원(NIA)에 따르면, 당뇨와 비만 등의 신진대사 모니터링이 필요한 비중이 미국은 39%, 일본과 중국은 각각 12%이다. 또한, 고혈압, 관상동맥, 심부전증 등의 질환에 모니터링이 필요한 비중이 미국은 47%, 중국은 79%이다.

헬스케어를 비롯해 모든 사물인터넷 기술은 센서를통한 데이터의 정확한 측정이 가장 중요하다. 스마트폰의 센서보다 몸에 부착된 웨어러블 디바이스가 더 정확한 데이터를 수집할 수 있음은 물론이다. 가령, 운동관리에 있어 스마트폰으로 하는 것보다 입는 웨어러블 디

그림 3 웨어러블 디바이스 착용지점 선호도[출처: 모바일 트

렌드 매거진 ]

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바이스 같은 Numetrex 사의 제품이 훨씬 뛰어난 측정성능을 갖고 있다.

Numetrex는 사람들이 운동을 하더라도 최소한 innerwear는 착용한 채 운동한다는 데 착안하였다.Numetrex의 센서는 sports wear에 붙어서, 이 옷을 착용하고 있는 동안 지속적으로 심박수를 측정함에 따라운동하는 사람에게 어떤 운동방식이 효과 있는지 정보를 제공한다. 2008년에 아디다스에 인수된 뒤에는miCoach라는 서비스까지 개발해 운영하고 있다.

miCoach는 운동하는 사람의 상태에 따라 실시간 음성 코칭 및 운동프로그램을 안내해주는 서비스. 즉, 현재 miCoach서비스에는 약 400여 개 가량의 운동프로그램이 저장되어 있고, 지금까지 수행한 운동종류 등을 바탕으로 효과적인 운동 프로그램을 안내한다. 단순히 운동관리 서비스를 넘어 트레이너들이 하던 운동 컨설팅까지 구현한 것이다.

웨어러블 디바이스의 네 번째 주요 기능은 다른 사물인터넷 제품을 컨트롤 하는 역할이다. 사물인터넷의 최종 목표는 인간의 개입 없이 사물들이 인간의 업무 효율성과 일상의 편리함을 추구하는 것이다. 하지만, 전체자동화가 되기 전까지 인간은 스마트폰이나 웨어러블디바이스를 이용해 사물을 통제할 것이다. 2015년 국제가전박람회(CES2015)에서 삼성전자는 갤럭시 기어를통해 BMW 자동차를 주차시키거나 운전자가 서 있는곳까지 부르는 모습을 시현했다. 스마트카는 스마트홈,헬스케어와 더불어 대표적인 사물인터넷의 영역이다.메르세데스 벤츠 또한 구글과 협력하고 있다. 또한, 웨어러블 디바이스를 통해 집 안의 에너지 통제뿐 아니라문과 형광등 등 거의 모든 것을 통제할 수 있다. 집 안의물건들이 사물인터넷화(化)만 된다면 말이다.

현재 디바이스 시장에서 가장 큰 주목을 받고 있는 기업은 중국의 샤오미(小米)이다. 레이 쥔 회장을 비롯한창업자들이 좁쌀 죽을 먹을 각오로 시작했기 때문에 붙인 사명이다. 하지만, 2015년 1월 리커창 중국 총리는

“좁쌀(小米)’에 불과했던 샤오미가 이제는‘큰 쌀알(大米)’이 됐다.”고 말했다. 사람들이 가장 놀라는 점은 샤

오미가 단지 중국 스마트폰 시장 점유율에 2014년 3분기부터 2051년 2분기까지 4분기 연속 1위를 기록했다는통계적 사실 때문만은 아니다.

애플워치가 거의 모든 면에서 미 밴드를 앞서지만, 단하나 앞서지 못하는 것이 있다. 그것은 바로 가격이다.샤오미는 스마트 하우스 전략을 바탕으로, 가전제품들도 하나씩 출시하고 있다. 스마트폰과 연계되는 소물(小物) 헬스케어 제품이라고 할 수 있는 체중계 미 스케일(Mi Scale)은 가격이 2만 원 대이며, 혈압을 측정할 수 있는 아이헬스(iHealth)의 가격은 3만 원 대이다. 고성능을자랑하는 UHD TV인 밀레 TV2(Mi TV2)도 70만 원대의가격에 내놓았다. 뿐만 아니라, 에어컨, 공기청정기,LED 전등 제품 등을 훌륭한 가성비로 계속 내놓고 있다.

샤오미의 가격파괴 전략은 스마트폰을 비롯해 가전업계에 진출하기 위한 목적도 있지만, 나름의 사물인터넷비전을 갖고 있기 때문이기도 하다. 샤오미는 스마트 하우스 전략 아래, 스마트 하드웨어 생태계를 구축하는데필요한 25개 회사를 인수(CCTV, 스마트 혈압계 등)했다.1만 5,000원 내외의 미 밴드는 퍼스널 ID 기기로 사용되어 집안의 스마트 가전을 제어하는 기능도 갖고 있다.

시장조사기관 Statista에 따르면 전 세계 웨어러블 기기 시장규모는 2014년 기준 51억 6,600만 달러를 기록해 전년 동기 대비 약 205% 성장했다. 또, 2018년까지2014년 연간 규모의 2.4배에 달하는 126억 달러 규모 증가가 전망되는 등 급격한 성장 추세에 있다. 하지만, 현재 디바이스 시장은 체감 성능의 평준화로 가격 전쟁이벌어지고 있다. 그래서 웨어러블 디바이스 시장에서는단지 판매 마진으로만 미래 경쟁력을 확보할 수 없다.웨어러블 디바이스의 비즈니스 미래는 결제, 헬스케어,스마트홈 등의 생태계와 연동해, 동반 성장해야 디바이스로서의 가치를 온전히 실현할 수 있을 것이다.

* 편석준대표 : 저서로『스타트업코리아』, 『구글이달로가는

길』, 『사물인터넷』등이 있으며 현재 비영리 목적의 스마트

시티형 사물인터넷 제품과 어린이 IT교재 출시 프로젝트를

진행중임.

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THEME05웨어러블디바이스용유연열전소자0505

이 수 현 한국기계연구원 나노역학연구실 위촉연구원 ㅣ e-mail : shlee2@kimm.re.kr

우 창 수 한국기계연구원 나노역학연구실 책임연구원 ㅣ e-mail : cswoo@kimm.re.kr

한 승 우 한국기계연구원 나노역학연구실 책임연구원 ㅣ e-mail : swhan@kimm.re.kr

이 글에서는웨어러블디바이스용유연열전소자의연구그룹별연구현황과소자의발전성능에대해소개하고자한다.

THEM

E

웨어러블 디바이스(wearable devices)는‘신체에 부착해 컴퓨팅(computing) 행위를 할 수 있는 모든 것’을지칭하는데, 이런 기기들의 한계점 중 하나로 짧은 배터리 수명이 있다. 국내 스마트와치(smart watch)의 배터리 용량은 315mAh인데, 기존 스마트폰 배터리 용량의1/10 수준이며, 웨어러블 디바이스가 블루투스(Bluetooth)를 사용할 때, 블루투스 4.0 평균 전력소비가 1.4~2mW 정도 소비된다. 그래서 웨어러블 디바이스에 사용되는 배터리는 장시간 사용이 가능하며, 신체에 부착해 사용하기 때문에 휘어지는 유연성(flexibility)이 요구된다. 유연열전소자(flexible thermoelectricdevices)는 체온을 이용하여 발전을 하기 때문에 장시간사용이 가능하고, 따로 배터리충전을 하지 않아도 된다.또한, 유연하며, 에너지 하베스팅(energy harvesting)을통한 발전으로 친환경적이라는 장점이 있다. 열전소자는 소자의 구조가 열의 흐름과 전기의 이동방향에 따라수직형(vertical) 열전소자와 수평형(lateral) 열전소자로구분된다. 수직형 열전소자는 전기와 열이 수직한 방향으로 이동하고 수평형 구조는 평행하게 이동한다. 이러한 구조를 갖는 유연열전소자를 만들어 발전성능을 평가한 연구결과들이 활발히 보고되고 있다.

수직형유연열전소자

스위스 취리히공대 Christofer Hierold 교수 연구팀에서는 전기화학적 증착법(Electrochemical deposition)을이용하여 N-type Cu, P-type Ni을 증착했고, SU-8을 이용하여 수직형 열전소자를 제작했다. 표 1은 Cu와 Ni로만든 유연열전소자의 디자인에 따른 소자의 저항과Power factor를 나타낸다. 그림 1은 표 1에 제시된 디자인으로 만든 소자의 면적당 전력성능을 나타낸 그래프이다. 제백계수는 Ni/Cu가 20.6/K, Bi-Te는 400/K이다. 제백계수가 더 높은 Bi2Te3 열전물질로 만든 유연열전소자는 T=40일 때, 최대전력이 19.089로 나타났다.

KAIST 조병진 교수 연구팀에서는 N-type CoSb3, P-type ZnSb 열전물질을 Paste로 제작하여 Screenprinting 기술을 이용해 Al2O3 기판으로 수직형 열전소자를 제작했다. 제작된 열전소자는 T=50에서 최대전력이 100로 나타났다. 현재 가장 높은 발전성능을갖는 유연열전소자를 조병진교수 연구팀에서 개발했는데, T=50에서 최대전력이 11,400이다. N-typeBi2Te3, P-type Sb2Te3 열전물질을 Paste로 제작하여Glass fabric에 지름 1.8의 원형, 두께는 ~500으로

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Screen printing하여 열처리했다. Al2O3 기판을 이용해제작한 열전소자와 Glass fabric과 PDMS로 제작한 유연열전소자의 발전특성평가를 그림 2에서 비교해 나타냈다. 열전소자의 무게에 따른 전력량을 비교했을 때, T=50에서 Al2O3 기판 열전소자는 2/g이고, Glassfabric 유연열전소자는 28/g으로 전력효율이 1,400%증가했다. 이는 유연열전소자의 무게가 더 가볍고, 같은

온도차에서 Al2O3 기판에 열에너지가 손실되기 때문에열전물질로 들어갈 열에너지가 줄어들기 때문이다.

수평형유연열전소자

일본 규슈공업대학 Koji Miyazaki 교수 연구팀에서는Coaxial-type vacuum arc evaporation 방법으로 PI films

그림 2 Al2O3 기판 및 Glass fabric/PDMS를 사용한 유연열전소자 성능비교

그림 1 다양한 열전소자에 따른 전력성능

표 1 유연열전소자의 디자인 유형에 따른 성능

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위에 N-type Bi2Te2.7Se0.3, P-type Bi0.4Te3Sb1.6 열전물질을 증착해 유연열전소자를 제작했다. 제작된 소자는

T=130에서 최대전력이 100이다. 그림 3은 유연열전소자의 사진이다.

일본 산업기술총합연구소 Jun Akedo 박사 연구팀은Aerosol deposition(AD) 방식을 이용해 PET기판(두께0.5) 위에 (Bi0.15Sb0.85)2Te3(두께 200)을 증착해 유연열전소자를 만들었다. T=34에서 출력전압은129.77, 내부저항은 77.4Ω, 최대전력은 54.77로 나타났다. PET 기판과 (Bi0.15Sb0.85)2Te3 열전물질의 접착을 좋게 하기 위해 Adhesion layer로 AD 방식을 이용해CoSb3를 1 증착했다. 그림 4는 유연열전소자와 온도차 별 출력전압과 전력량 그래프이다.

이탈리아 CNR-IMM연구소의 P. Siciliano 박사 연구팀은 50의 두께를 갖는 Kapton 기판 위에 RF그림 3 유연열전소자

그림 4 PET기판 유연열전소자와 온도차에 따른 출력특성

그림 5 Kapton 기판 위에 제작된 유연열전소자와 온도차에 따른 출력전력

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magnetron co-sputtering을 이용해 열전물질을증착했다. N-type Bi2Te3, P-type Sb2Te3를 증착했다. 그림 5는 Kapton 기판 위에 제작된 유연열전소자의 사진 및 도식도와 유연열전소자의성능평가 그래프를 나타냈다. T=40에서최대전력은 0.032이고, 출력전압은 430이다.

미국 캘리포니아 버클리캠퍼스 James W.Evans 교수 연구팀은 Bi0.5Sb1.5Te3 잉크(Inks)를볼밀러(Ball-mill)로 제작하고, Dispenserprinter로 Polyimide 기판을 위에 유연열전소자를 만들었다. 열전물질 특성을 알아보기 위해,Bi0.5Sb1.5Te3 박막에 Te를 2~10wt% 추가로 첨가하여 열전성능이 어떻게 변화했는지 실험했다. 결과는 그림 6과 같다.

Bi0.5Sb1.5Te3 열전합금막에 Te를 8wt% 추가했을 때, ZT는 0.2이다. 유연열전소자는 T=50에서 최고출력전력은 20.5, 0.15,130를 각각 나타냈다. 그림 6 Bi0.5Sb1.5Te3 열전합금막에 Te를 wt%별 추가한 열전특성 : (a)전

기전도도; (b)제백계수; (c)캐리어농도; (d)Power factor

그림 7 수평형 FPCB 유연열전소자의 발전특성그래프 ; (a)전류-전압, (b)저항-전력

표 2 Co-evaporation으로 증착한 열전박막의 열전특성

Bi-Te

Sb-Te

2 : 3.872 20.444 -137.593 30.83 0.614

2 : 3.404 19.77 215.109 14.648 3.158

CompositionThickness

(μm)

Seebeck Coefficient

(μV/K)

Resistivity

(μΩ.m)

Power factor

(/m·K)

(a)(b)

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한국기계연구원 한승우 박사 연구팀에서는 FlexiblePrinted Circuit Board(FPCB) 기판에 Co-evaporation을이용하여 N-type Bi-Te, P-type Sb-Te를 증착하였다. PIfilms 위에 Cu 전극을 도금하여 패터닝(Patterning)된FPCB기판을 만들고, 기판온도 150에서 P-type Sb-Te,N-type Bi-Te를 증착하였다. 유연열전소자가 증착된 열전박막의 열전특성을 분석해 표 2에 정리했다.

유연열전소자의 발전성능은 T=50에서 출력전압은 22.2, 최대출력전력은 1.936가 나왔다. 그림 7은유연열전소자의 발전성능 그래프이다.

이와 같이 여러 연구그룹에서 유연열전소자를 연구하고 있으며, 다양한 방법으로 유연열전소자 연구개발이 진행되고 있다. 지금까지 소개한 연구그룹의 발전성능 결과가 T에 따라 최대 전력이 다르기 때문에 발전성능을 단순비교하기가 어렵다. 그래서 유연열전소자의 최대 전력에 열이 흘러가는 방향의 소자 Leg의 단면적으로 나눈 Power density를 정리하여 표 3에 정리하였다. KAIST의 조병진 교수 연구그룹에서 제작한 수직형 유연열전소자의 발전성능인 Power density가

28,013.68/cm2으로 가장 높았는데, 이는 세라믹기판을 제거함으로써 기판으로 흐르는 열 손실을 줄여서 T를 크게 하였기 때문이다. 스위스 Christofer Hierold교수 연구그룹에서도 세라믹기판을 제거한 유연열전소자를 제작하였지만 KAIST 조병진 교수 연구그룹보다는Power density가 낮았다. 이는 열전소재의 증착방식이달라서 소재 성능이 낮아졌기 때문이라고 생각된다.

웨어러블 디바이스의 발달에 따라 배터리의 장시간전력유지와 유연성의 요구는 커지고 있다. 이에 유연열전발전소자의 연구는 더욱 활발해질 것이다. 하지만 기존 배터리보다 낮은 발전효율은 해결해야 할 매우 중요한 도전과제로서 지속적인 연구가 이루어져야 할 부분이다. 제백계수와 전기전도도 특성은 증가시키고, 열전도도 특성은 감소시키는 방향으로 열전재료의 연구개발이 이루어져야 하며, 유연열전소자의 구조는 기판에서 손실되는 열에너지를 줄이고, 같은 온도에서 T를증가시키는 구조로 연구가 이루어져야 할 것이다. 이러한 방향으로 발전함에 따라 유연열전소자연구에 대한가치는 더욱 증가할 것으로 기대된다.

표 3 유연열전소자의 발전성능 정리표

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