‘사물 인터넷(IoT)’이라는 용어가 등장한 지 20여년이 지난 오늘날 세상은 갈수록 더 연결성이 높아지고 있다. 그러기 위해서 수백만 개의 센서와 디바이스가 사용되고 있다.

각종 IoT 디바이스를 사용해서 삶을 더 편리하게 만들고 비용을 절감하고 삶의 질을 높이게 되었다.

점점 더 많은 사용자들이 스마트 기술이 편의성, 에너지 효율, 보안 측면에서 가져오는 이점을 누리고자 함에 따라서 스마트 디바이스와 이러한 디바이스를 활용한 애플리케이션에 대한 시장 수요가 빠르게 증가하고 있다.

Statista의 시장 조사에 따르면, 전세계 IoT 시장이 2025년에 1조6천억 달러에 이를 것이라고 한다.

이러한 성장을 가능하도록 뒷받침하는 한 가지 요소가 최근에 부상하고 있는 ‘직관적 센싱(intuitive sensing)’이라고 하는 것이다.

직관적 센싱은 사람이 그 어느 때보다 더 자연스럽고 매끄러운 방식으로 스마트 디바이스와 상호작용하도록 한다.

직관적 센싱을 구현하는 것은 자연스럽게 연결되는 범위내의 센싱 시스템을 기반으로 한다.

직관적 센싱을 활용해서 IoT 애플리케이션으로 혁신적인 인지 기능이 가능해진다.

IoT 애플리케이션이 자신의 주변 환경을 ‘보고’, ‘듣고’, ‘냄새 맡고’, ‘감지’ 할 수 있는 것이다.

그럼으로써 스마트 홈, 보안, 산업용 같은 다양한 분야들로 IoT 기술을 활용한 새로운 것들을 가능하게 한다.

■ 레이더 센서의 도입

IoT 시스템과 애플리케이션으로 레이더 센서는 하나 혹은 그 이상의 물체를 감지하고 추적하는 용도로 사용할 수 있다.

여타의 무선 주파수(RF) 기반 수동/능동 무선 센서 시스템과 비교해서 레이더 센서는 능동 시스템이다. 다시 말해서 펄스를 내보내고 이의 에코를 수신할 수 있다.

레이더 기술은 표적의 속도, 방향, 거리(레이더 트랜스미터/리시버로부터의 거리)를 계산하는 것이 가능하다.

어떤 레이더 센서는 높은 감도로 사람의 극히 미세한 움직임과 사람이 있는지 없는지를 감지할 수도 있다.

IoT 애플리케이션으로 고감도 레이더 기술은 다음과 같은 장점을 들 수 있다.

- 작은 크기 : 레이더 센서는 전체 IoT 시스템에 있어서 작은 부품 사이즈로 인해 IoT 시스템을 개발할 때 크기를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 작은 크기는 시스템 설계시 사용자의 눈에 거슬리거나 다른 부품과의 간섭에도 도움을 준다.

- 견고성 : 레이더 센서는 다양한 환경 조건이나 기상 조건으로 잘 작동한다. 예를 들어서 레이더 센서의 작동은 기본적으로 온도나 조명 조건이 변화되는 것에 따라서 영향을 받지 않는다.

- 제품 설계 유연성 : 레이더 센서의 가장 큰 특징은 제품 커버 아래에다 배치 할 수 있게 되어 IoT 제품의 설계와 구현의 유연성을 장점을 가진다. 레이더는 고주파수(24GHz 등)로 RF 신호를 사용하여 대부분의 소재(플라스틱, 유리, 목재 등)를 통과할 수 있다. 그러므로 벽이나 장애물 뒤에 있는 물체에 대해서 정확한 측정값을 가질 수 있다.

- 감도 : 레이더 센서는 호흡과 같이 극히 미세한 움직임까지도 감지할 수 있다. 사람이 있는지 없는지 감지하고 심장 박동 같은 생체 지표를 감지하는 것과 같은 흥미로운 IoT 활용 사례를 가능하게 한다.

- 전력 효율 : 레이더 센서는 비교적 적은 전력을 소모하므로 배터리 수명 연장이 가능하고, IoT 애플리케이션으로 자율성과 에너지 효율을 높이도록 한다.

■ 레이더 센서를 활용한 모션 감지

위와 같은 특징들에 의해서 레이더 센서는 다양한 용도에 활용할 수 있다. 하지만 무엇보다도 가장 널리 사용되는 애플리케이션은 사람, 자동차, 동물 같은 표적의 움직임과 있고 없음을 감지하는 것이다.

모션 감지(motion detection)는 보안 모니터링, 에너지 관리, 인간-컴퓨터 상호작용(제스처 인식 등), 의료 모니터링(심박수 및 호흡수 추적 등) 같은 다양한 IoT 애플리케이션으로 중요한 역할을 한다.

기존에 모션 감지를 위해서 사용되던 기술은 PIR(passive infrared) 센서이다. 어떤 공간에서 사람이 움직이는 것을 감지하기 위해서 PIR 모션 센서가 주로 사용되어 왔다.

이 기술은 수십 년 전부터 등장해 있었으며 현재는 보편화되어서 조명 기구, 보안 시스템, 자동문을 비롯해서 생활 곳곳에 사용되는 것을 볼 수 있다.

그런데 PIR 센서는 구현이나 사용에 있어서 중대한 제한점들을 수반한다. 애완동물이나 여타 적외선 방사 요인들로 인한 잘못된 경보, 동일한 주파수 대역으로 동작하는 다른 소스들(TV 리모컨 등)로부터 간섭, 제한적인 센싱 거리, 방향 정보를 제공하지 못하는 점을 들 수 있다.

특히나 PIR 센서는 모션을 감지하기 위해서 직선으로 시야에 들어와야 하며, 감지 거리가 센서 바로 앞의 영역으로 제한적이다.

또한 PIR 센서는 감지를 위해서 동작이 커야 한다. 예를 들어서 스마트 홈 디바이스로 명령을 이해시키기 위해서 사용자가 PIR 센서 앞에서 손을 크게 흔들어야 하는 경우가 종종 있다.

레이더 기술은 모션 감지로 위와 같은 한계점들을 완화한다.

예를 들어서 레이더 센서는 사람이 아무리 빨리 그리고 아무리 많이 움직이더라도 상관없이 IoT 애플리케이션으로 실내에 사람이 있는지 없는지를 정확하게 알려줄 수 있다.

뿐만 아니라 레이더 센서는 매우 정밀해서 사람의 호흡이나 심장 박동도 감지할 수 있다. 이것은 PIR 센서로는 할 수 없는 것으로 PIR센서는 자신의 시야로 물체가 통과할 때 온도가 변화되는 것만 감지할 수 있기 때문이다.

■ 60GHz 레이더 기술

레이더 센서는 다양한 주파수로 동작한다. 많은 레이더 기술이 24GHz로 동작하며 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 동작을 위해서 ISM(산업용, 과학용, 의료용) 대역 내에서 최대 250MHz에 이르는 대역폭을 사용한다.

이 기술은 주로 야외 활용 사례에 널리 사용된다. 높은 감지 거리가 가능하고 환경적 영향(습도 등)에 대해서 매우 견고하기 때문이다.

24GHz 대역은 ISM 대역으로 제한되나, 60GHz 부근에서는 7GHz의 비인가 대역폭을 사용할 수 있다.

그러므로 좀 더 강력한 애플리케이션과 제품을 구현하기 위해서 60GHz 레이더 기술로 개발이 이루어져 왔다.

특히 높은 대역폭으로 동작하고 가까운 거리에서 근접 센싱을 필요로 하는 애플리케이션으로 그렇다.

60GHz 레이더 기술은 24GHz 기술에 비해서 더 미세한 입도와 더 우수한 정확도로 모션과 복잡한 제스처를 감지할 수 있다.

그러므로 60GHz 기술은 일정한 거리에서 점유 감지, 사람 추적 및 구분, 소재 분류, 사람의 생체 지표 감지 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

뿐만 아니라 60GHz 레이더 기술은 미세한 모션 감지가 가능하므로 메타버스의 토대가 되는 증강 현실(AR)과 가상현실(VR) 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

이러한 이유에서 이미 많은 제조사들이 HMD(Head Mounted Display)로 60GHz 레이더 칩셋을 채택하고 있다.

■ 스마트 홈 애플리케이션으로 레이더 기술 활용

스마트 홈은 IoT 시장에서 가장 빠른 성장세를 보이고 있는 부문이다. 스마트 홈으로 레이더 기술을 활용해서 애플리케이션의 기능성, 정확도, 에너지 소모, 비용을 향상시킬 수 있다.

특히 최근 들어서는 저비용 저전력 레이더 센서들을 이용할 수 있게 됨으로써 보안과 안전을 향상시키는 것에서부터 편의성과 쾌적성을 향상시키는 것에 이르기까지 새로운 세대의 스마트 홈 애플리케이션이 가능하게 되었다.

스마트 홈으로 레이더를 사용해서 가능한 것으로서 대표적인 것들로 다음을 들 수 있다.

- 자동 도어 제어 : 레이더 센서를 활용한 직관적 센싱은 모션을 감지할 뿐만 아니라 가까워지고 멀어지는 움직임도 감지할 수 있다. 이것은 자동 도어 제어 애플리케이션을 가능하게 한다. 표적이 계속해서 가까이 다가오는 것으로 감지될 때만 문을 열고 다른 종류의 모션이 감지될 때는 문을 열지 않는다.

- 재실 감지 : 스마트 디바이스로 레이더 센서를 채택함으로써 사람이 있고 없는 것을 감지하고 움직임을 감지할 수 있게 되고 다양하게 최적화가 가능하다. 예를 들어서 실내에 사람이 아무도 없으면 레이더 기반 스마트 디바이스가 자동으로 슬립 모드로 전환하고 에너지를 절약할 수 있다.

- 구분 및 추적 : 사운드 시스템 같은 디바이스로 레이더 센서를 활용해서 스마트 기능을 추가할 수 있다. 예를 들어서 사운드 시스템이 듣는 사람의 위치를 추적하고 지속적으로 그에 따라서 음량과 사운드 파라미터를 최적화할 수 있다.

- 노인 케어 시스템 : 레이더 기술을 활용해서 혁신적인 노인 케어 애플리케이션을 개발할 수 있다. 예를 들어서 침대 이탈 시스템은 사람이 침대에서 벗어나서 몇 분 안에 돌아오지 않을 때 이것을 알려줄 수 있다. 마찬가지로 의자 이탈 시스템은 어떤 사람이 의자를 떠나서 정해진 시간 안에 돌아오지 않는 것을 알려줄 수 있다.

- 난방 제어 시스템 : 레이더를 활용해서 바닥 난방 시스템 제어가 가능하다. 실내에 사람이 있는지 없는지 감지하고 그에 따라서 난방을 켜고 끌 수 있는 것이다. 또는 실내에서 사람의 거리와 위치를 추적하고 에어컨의 팬 속도와 날개 방향을 조절할 수도 있다. 이러한 활용 사례는 점유자들의 쾌적성을 높일 뿐만 아니라, 환경적 영향과 지속가능성을 향상시킨다.

- 낙상 감지 : 레이더 기반 시스템은 낙상 감지에도 활용할 수 있다. 이 경우에는 벽이나 천장에 레이더를 설치하고 지속적으로 신호를 방사한다. 그러다 사람이 침대 아래로 떨어지면 자세가 바뀜으로써 반사되는 파장이 변화된다. 레이더 시스템이 이 변화를 감지하고 이것을 낙상으로 판단할 수 있다.

- 생체 지표 모니터링 : 레이더 기술을 활용해서 호흡 패턴과 심박수를 모니터링 하는 것도 가능하다. 시간에 걸쳐서 이 정보를 사용해서 심박 패턴으로 이상을 감지할 수 있다. 이러한 심박 패턴 신호는 심장 부정맥이나 여타 질환을 나타내는 것일 수 있다. 심박 패턴 감지는 심장 박동에 있어서 불규칙성을 식별함으로써 유아 치료나 노인 치료를 통해 생명을 구하는 혁신적인 애플리케이션을 가능하게 한다.

이러한 기능들 대부분이 일정한 거리에서 인체의 움직임을 감지하는 것을 기반으로 하며 나쁜 조명 조건에서도 가능하다.

뿐만 아니라 사람들을 방해하지 않는 방식으로 이러한 기능들을 제공해야 한다. 사람이 집안에서 자유롭게 움직이면서 벽이나 천장에 설치된 광학적 모션 감지기가 잘못된 경보를 울리지 않아야 한다.

■ 직관적 센싱의 시대

레이더 기술이 빠르게 발전함으로써 생활 곳곳으로 파고드는 사용자 친화적 IoT 애플리케이션으로 새로운 것들이 가능해지고 있다. 그럼으로써 직관적 센싱의 시대가 열리고 있다.

직관적 센싱은 모든 종류의 스마트 디바이스와 단순하고 쉬우면서 자연스러운 상호작용을 가능하게 한다.

직관적 센싱은 사용자를 성가시게 하지 않는 애플리케이션이 가능하도록 강력한 토대를 제공해야 한다. 그럼으로써 삶을 더 편리하고, 안전하고, 친환경적이고, 효율적이도록 만든다.

인피니언은 자율적이고 크기가 작고 사용자 친화적인 레이더 솔루션을 통해서 직관적 센싱을 선도하고 있다.

여기에는 24GHz와 60GHz 솔루션을 모두 포함한다. 인피니언의 XENSIV™ 센서 제품군은 다양한 구성의 극히 정밀한 레이더 센서 제품들을 제공한다.

이들 제품은 자동차, 산업용, 컨슈머 시장의 다양한 애플리케이션에 사용하기에 적합하고, XENSIV™ 제품을 사용한 구현은 개발 시간을 단축하고 에너지 효율을 높일 수 있다. 그럼으로써 고객의 수익성을 높이고 지속가능성 목표를 달성하도록 기여한다.

최근 들어서 레이더 기술 전반이 빠르게 발전함으로써 정확하고 사용자 친화적이고 직관적인 차세대 IoT 애플리케이션을 가능하게 하는 토대를 만들고 있다.

이러한 IoT 애플리케이션을 통해서 기능성을 높이고 환경적 영향을 개선할 수 있으며, IoT 디바이스 제조사나 솔루션 통합 회사들이 애플리케이션을 설계하고 개발할 때 레이더 기술을 배재 할 수 없을 것이다.

※ 기고
인피니언 테크놀로지스(Infineon Technologies Korea Co., LLC)

인피니언 테크놀로지스는 전력 시스템 및 IoT 분야의 글로벌 반도체 리더이다. 인피니언의 제품 및 솔루션은 탈탄소화 및 디지털화를 선도한다. 2022년 회계년도(9월30일 마감) 기준 전 세계 약 5만6,200명의 직원들과 함께 142억유로 매출을 달성했다. 인피니언은 프랑크푸르트 증권거래소(거래 심볼 : IFX)와 미국 장외시장 OTCQX International Premier(거래 심볼 : IFNNY)에 등록돼 있다.