IoT 기반 스마트시티 구축동향 ⑨

3)사물인터넷(Iot) 기술 개발 동향_2

(3) 사물인터넷 실현의 핵심기반 스마트 센서 동향

① 스마트 센서의 개념과 진화 동향

1970년대 센서의 개념은 단지 ‘검출기’가 어떤 특정한 물질을 ‘감지’하는 수준에 머물렀으나, 현재의 센서는 감지 신호를 전달하여 중앙처리장치가 어떠한 판단을 내리도록 하는 형태로 상용화되고 있다. 1980년대 이후 반도체 산업 및 나노 기술 또는 *MEMS(미세전자제어기술) 발전에 힘입어 크고 무거운 조립식 센서를 반도체 IC와 같은 실리콘 기판 상에 작게 구현하게 되면서 성장했다. ‘스마트 센서’ 또는 ‘지능형 센서’ 는 *MCU 내장 및 *SoC 기술 접목을 통하여 데이터 처리, 저장, 자동보정, 자가진단, 의사결정, 통신 등의 기능을 수행함으로써 대상을 감지하고, 사물이 반응하게 한다는 점에서 IoT의 가장 핵심적인 요소로 주목한다.

*MEMS(Micro Electro Mechanical System) : 반도체 공정기술을 기반으로 성립되는 마이크론( μm, 1mm의 1/1000)이나 mm크기의 초소형 정밀기계 제작기술.*MCU(micro Controller Unit) : 반도체칩 내에 특정 목적의 기능을 수행하는 SW를 이식한 전용 프로세서로 다양한 기능 발현, 가능 컴퓨터의 CPU에 해당
*SoC(System on Chip) : 여러 가지 기능을 가진 시스템을 하나의 칩으로 구현한 기술 집약적 반도체, 마이크로프로세서, 메모리반도체, MCU 등 개별 반도체를 하나의 칩에 통합 가능

표. 센서, 스마트 센서 및 지능형 센서의 개념

구분	정의 및 특징	출처
센서	- 측정 대상으로부터 물리/화학/생물학적 정보를 측정하여 관측자나 시스템에서 읽을 수 있는 신호로 변환하는 정보소자	NIPA & KETI (2014)
스마트센서 / 지능형센서	- 물리적 또는 화학적인 아날로그 정보를 얻는 감지소자와 논리기능, 판단기능, 통신기능을 갖춘 지능화된 신호처리 IC가 결합된 센서소자
	- 기존 센서에서 논리/판단/통신 기능이 결합되어 데이터처리, 자동 보정, 자가 진단, 의사 결정 기능을 수행하는 고기능, 고정밀, 고편의성, 고부가가치 센서 의미	Securitiy intelligence plan (2014)
	- 스마트 센서 정의 및 상용화 조건 : (i) 중앙처리장치(CPU) 내장/탑재, (ii) 초소형, (iii) 무선 통신 기능의, (iv) 충분히 낮은 단가 형성	B.F. Spencer, Jr 외 (2004)
	- (스마트 센서) 센싱 소자, 아날로그 인터페이스 회로, 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 버스인터페이스를 단일 하우징에 조합, 일반적으로 MCU는 ADC 및 직렬 인터페이스 기능을 위해 통합 - (지능형 센서) 하나 이상 기능을 달성하기 위해 스마트 센서에 정교한 CPU 부여한 센서, 자기 진단, 하드웨어 교정 및 소프트웨어 구성 기능을 포함	Gartner (2014)

출처: IITP

② 스마트 센서 개발과 활용

센서 제조업계 측면에서는 치열한 가격 경쟁에 돌입함과 동시에 틈새시장 탐색 및 해당 시장경쟁력을 선점하고, 고객의 수요에 맞는 지능화된 센서를 개발∙공급, 수익성을 확보하는 것이 관건이다.
가. 틈새시장 공략 및 선점

센서 응용 IoT 제품 및 서비스 개발 업체에서는 아이디어를 현실화하고, 부가가치를 극대화하기 위해 제품 및 서비스 개발 단계에서부터 센서 제조업체와의 협업이 필요하다. 소니는 TV사업 분사, PC사업 매각 이후 가전에서도 발을 떼면서 스마트폰과 태블릿 PC 카메라에 들어가는 적층형 CMOS 이미지센서 시장을 장악했다. 애플, 삼성전자, 샤오미 등에 이미지 센서를 제공하고 있다. 소니는 2015년 자동차용 이미지 센서로 사업을 확대하며 약 1조원 규모를 투자할 계획이다. 삼성전자는 2016년의 신 사업 분야로 스마트헬스와 IoT를 적극 육성할 계획이며, 최근 센싱 역량 강화를 통한 의 시장 진출을 모색 중이다. 2015년 초 삼성벤처투자를 통해 이스라엘 의료용 센서 스타트업인 ‘얼리센스’에 1천만 달러(약 100억 원) 가량을 투자하고, MCU 제조사 ‘아트멜’, 비메모리 제조사 ‘프리스케일’에도 관심을 갖고 있다.
나. 융합센서와 센서 허브 활용

‘센서 융합’은 여러 개의 센서에서 전송하는 데이터를 지능적으로 결합하여 애플리케이션이나 시스템의 성능을 개선하는 SW로, 일반적으로 HW인 ‘센서 허브’ 와 결합하여 솔루션을 구축, 복수의 센서에서 나오는 데이터를 취합하여 개별 센서의 결함을 수정하고 오차 범위를 줄여 보다 정교한 정보를 결과 값으로 연산한다. 그러나 센서 허브를 통해 다른 센서들과의 연결이 용이, 데이터 처리에 필요한 전력 공급이 가능하나 단일 센서나 MCU에 비하여 전력 소모량이 많은 편이다. ‘12년 센서 업체인 ‘프리스케일’은 32비트 MCU를 사용하여 기압, 온도, 주변 광 감지 센서를 융합한 윈도우8 OS용 센서 플랫폼을 공개했다. 프리스케일은 센서 융합 플랫폼에 대하여 MS로부터 최초로 윈도우8 인증을 받은 회사가 되었으며, 향후 윈도우8용 IoT 응용 프로그램, 임베디드 프로세싱을 수행하는데 유리한 위치를 선점했다.
다. 창의적인 IoT형 센서응용 제품 및 서비스 개발

삼성전자는 2014년 3월 생체 신호를 인식해 결제할 수 있는 인증 기능 관련 특허를 국내와 미국 특허청(USPTO)에 출원하면서 헬스케어용 시장 뿐 아니라, 핀테크 기술을 확보했다. ‘생체신호를 이용하여 사용자 인증을 수행하는 착용형 기기 및 그 기기의 인증방법’ 에 관한 특허로, 실제 ‘기어 S’ 등 스마트 손목시계에 심박수나 산소포화도 등을 측정하는 센서를 장착했다. 3D 기반 실감 BIM 기수 선도 업체인 ‘버츄얼빌더스’는 국내 최초 비콘 기술(비콘 센서+애플리케이션)을 적용하여 보다 정확도 높은 공간정보를 획득함으로써 본업의 서비스 제공 질을 향상시켰다.

표. 센서 접목 제조 제품 사례 및 부가가치 변화(예)

구분	주요내용	부가가치 변화
스마트 운동화	운동화에 센서를 내장하여 운동거리, 운동량을 측정	일반 운동화 100달러 → IoT 운동화 150달러
스마트 체중계	사용자 인식 센서를 내장, 가족별 체중, 근육량, 지방량 등 정보 자동 관리	일반체중계 30 달러 → IoT 체중계 150달러

출처: 미래창조과학부

③ 스마트센서 시장 전망

IDC의 2015년 5월 자료에 따르면 센서와 모듈 관련 기술 분야가 전체 IoT 매출의 30% 이상을 차지할 것으로 전망한다. 만물의 센서 탑재, 사물 간 연결성 구축, 기기의 지능화, 서비스의 개인화 등 IoT 시대가 요구하는 기술 요건이 더욱 다양화될 것으로 예상되는 만큼 센서 업계에 새로운 비즈니스 기회가 창출될 것으로 기대한다. PwC가 1,500여 업체의 경영진을 대상으로 한 설문조사에 따르면 응답 업체의 20%가 센서에 투자, 응답 업체의 14%는 센서 기술이 타 IoT 유망 기술에 비해 조직에서 가장 중요한 전략적 위치를 가질 것으로 인식하고 있다. 
- 미래부는 K-ICT의 9대 전략산업 중 하나인 IoT 산업과 관련하여, 관계부처 간 ‘센서 산업 육성’ 에 협력하고 IoT 산업 활성화에 필요한 인프라 구축에 나설 계획이다. 

- 산업부는 세계 센서시장이 ‘12년 796억 불 에서 ‘20년 1,417억 불 (연평균9.4%)로 성장할 것으로 전망했으며, ‘센서산업발전전략(지경부, ’12.12월)’ 의 후속조치로 향후 6년 간 1,508억 원을 투입하여 ‘첨단 스마트센서’를 육성할 계획을 세웠다. 센서 자체에 논리 기능, 판단 기능, 통신 기능을 갖춘 지능화된 신호처리 IC가 결합된 ‘스마트 센서’ 소자를 적극 개발해 나갈 계획이다. 다품종 소량 생산이 요구되는 스마트 센서 수요 특성에 따라, 정부는 다수의 경쟁력 있는 스타트업과 중소기업이 스마트 센서를 개발할 수 있도록 지원한다.
-산업통상자원부는 6년 간 첨단센서 분야에 총 1,508억 원, 특히 기술개발에 1,400억 원의 예산을 배정하고 ‘25년까지 센서 4대 강국 진입, 세계 센서 시장 점유 5%의 목표를 설정했다.

- 미래창조과학부는 올해 중소기업 등을 선발하여 스마트센서 사용제품 제작(센서 설계보완, 센서-MCU-통신모듈 간 인터페이스 개발, 패키징 개선 등) 및 품질개선, 평가∙인증을 지원할 계획이다.(2015.4 발표)

세계 센서 시장 점유율 2위인 일본은 기업∙대학 등에서 신규 센서 기술 개발을 활발히 추진하며 IoT 시대에 대비, 센서 시장 선도를 위한 노력을 지속하고 있다. 

출처: IDC

그림. 2014년 2020년 세계 IoT 시장 관련 기술별 매출 비중 전망

표. 2020년 사물별 적용 센서 유형 및 시장 규모 전망

사물	센서 유형									2020년 시장규모 전망(백만불)
	관성 센서	자기 센서	압력 센서	온도 센서	음향 센서	화학 센서	습도 센서	질량 유량 센서	기타 센서
자동차	○	○	○	○		○	○	○	○	2,622
도시 (환경관리)			○	○	○	○	○		○	320
온도조절 장치				○			○		○	267
완구	○	○	○							227
흡연/탄소센서(소비자용)				○		○	○	○	○	176
헬스케어 모니터링 (소비자용)	○	○	○	○		○	○			122
스마트 워치	○	○							○	100
스마트 의류	○	○	○	○	○		○		○	92
스마트 전자소켓 및 어댑터		○		○			○		○	70

출처: 가트너

Transparency Market Research에 따르면 세계 스마트/지능형 센서 시장은 2012년 90억 달러에서 2019년 216억 달러 규모로 성장할 것으로 전망했다. 지역별로 보면 2012년 기준, 가장 큰 스마트/지능형 센서 시장은 유럽이며 특히 자동차 산업이 유럽의 스마트/지능형 센서 시장 성장을 견인을 하고 있다. 시장 규모 2위인 북미 지역에서는 의료와 가전 부문에서 스마트/지능형 센서 수요 증가세 이다. 유형별로는 스마트폰과 태블릿PC 제품의 채용 증가에 따라 현재 이미지 센서가 스마트/지능형 센서 시장의 선봉을 차지하고 있다. 자동차 모바일 기기, 로봇, 환경, 보안, 의료 및 건강, 스마트홈, 가전 등 다양한 분야에서 스마트 센서 활용 증가가 전망된다.

IoT 기반 스마트시티 구축동향 ⑧

3) 사물인터넷(IoT) 기술 개발 동향

(2) 사물인터넷용 디바이스별 동향

① IOT홈(스마트홈/가전)용 사물인터넷 디바이스

 스마트홈은 현실적으로 가장 빠르고 다양하게 IoT가 적용되고 있는 분야이다. 이미 광범위한 다양한 디바이스가 존재하고 있으며, 사업 참여자도 구축되어 있기에 가능한 것으로 분석된다.

출처: 컨슈머인사이트 [갈 길 먼 홈 Io, 잘 모르고 비쌀 것 같아서...], 2016.9

그림. IoT(사물인터넷) 인지도

스마트홈용 디바이스는 TV, 조명, 냉장고, 에어컨, 도어락, 스마트폰, 스마트 워치, 태블릿 등 다양하며 가정에 보급되어 있는 주방기기, 정수기, 공기청정기, 로봇 청소기, 심지어 침대까지도 IoT 디바이스로 진화 중이다.

출처: 컨슈머인사이트 [갈 길 먼 홈 Io, 잘 모르고 비쌀 것 같아서...], 2016.9

그림. IoT(사물인터넷) 기대측면

 이에 따라 사업자간 IoT 허브의 주도권 다툼과 협업 사례가 급증하고 있다. 

 퀄컴은 사물인터넷 플랫폼인 ‘올조인(Alljoyn)’ 개발을 통해 미래 가정의 모습인 ‘Connected Smart Home’ 제시한다. 올조인을 활용하면 스마트폰과 태블릿을 통해 가정 내 조명과 TV, 시계, 스피커 등을 조절 할 수 있다. 올조인은 운영체제(OS)나 애플리케이션 프로세서(AP)가 탑재 되지 않는 조명이나 에어컨에서도 구현이 가능하도록 되어 있으며, 각 가전제품에 탑재되는 와이파이 칩에 올조인이 소프트웨어 형태로 통합돼 있어 별도의 칩을 필요로 하지 않는다. 퀄컴은 다른 제조사에서 만들어진 조명 스마트 워치 냉장고, 에어컨, 도어락, 스마트폰, 태블릿이 ‘올조인’이라는 허브를 통해 연결되고 소통하는 것을 지향하고 있으며, 이를 위해 LG 전자, 파나소닉, 하이얼 등 25개 업체가 참여하고 있는 ‘ALLSEEN ALLiance’ 를 주도 하고 있다.

  유럽의 NXP사는 6LoWPAN 기반의 JenNet-IP 기술을 이용하여 네트워크 재구성과 self-healing 기능을 갖는 네트워크를 통해 최대 500개 노드를 무선 IP와 연결할 수 있으며, 다양한 형태의 램프를 지원할 수 있는 IoT 기반 지능형 조명 솔루션을 개발했다. 또한 NXP사는 광범위한 색재현율을 가지며 650 Lumen을 제공하는 IoT 기반 RGB Lamp를 개발했다.

② IoT 의료, 헬스케어용 웨어러블 디바이스

 스마트 폰과 연동하여 IoT 서비스를 제공할 수 있는 다양한 형태의 웨어러블 디바이스는 또 다른 성장 산업으로 주목받고 있고, 많은 업체에서 새로운 디바이스가 개발 및 출시되고 있다. 

 미국 Fitbit사는 개인 활동량을 측정할 수 있는 IoT 웨어러블 디바이스인 핏비트 플렉스를 개발하였다. 이 제품은 걸음 수 같은 같은 개인 활동량부터 섭취∙소모 칼로리 같은 식생활 습관까지 데이터화해 사용자가 한눈에 볼 수 있게 그래픽으로 보여주는 대표적 웨어러블 디바이스로, 작은 센서와 무선통신칩이 들어 있어 사람의 활동량을 실시간으로 측정할 수 있다. 

 미국 iHealthLab 사는 스마트폰에 동글 형태의 센서를 부착하여 당을 측정할 수 있는 ‘Smart Gluco-Monitoring System’ 을 포함하여 블루투스를 통해 스마트폰 앱과 연동 되어 실시간으로 혈압을 모니터링 할 수 있는 ‘무선 혈압 모니터’등을 개발하여 출시했다. 

 삼성전자는 미국의 자전거 제조업체 트렉(Trek)사와 협업해 갤럭시 노트3와 연동한 ‘커넥티드 자전거’를 개발했다. 자전거 프레임에 설치된 센서가 실시간으로 주행 속도, 운행 거리 등을 축정하여 자전거는 핸들 중앙에 거치되어 있는 스마트폰으로 자신의 운동량이나 주행 거리 등을 파악할 수 있으며, 갤럭시 기어와도 연동돼 여러 정보를 자전거 주행 중에 쉽게 볼 수 있다. 

 LG 전자는 사용자의 움직임을 추적해 칼로리 소모량과 걸음 수, 움직인 거리 등 신체 활동량을 측정하는 손목 밴드 형태의 웨어러블 디바이스인 ‘라이프밴드 터치’를 개발했다.

출처: 2016, 웨어러블 스마트 디바이스 국제포럼

그림. IoT 웨어러블 디바이스 시연

출처: 2015. Tractica

그림. 글로벌 시장의 웨어러블 디바이스 출하량 증가 추이

③ IoT 에너지(스마트 에너지)용 사물인터넷 디바이스

스마트 미터는 IoT 에너지 분야의 대표적인 디바이스 영역으로 지난 몇 년간 미국 전력회사들은 최신 스마트 미터를 설치해 왔으며 많은 다른 나라들도 스마트 미터 기술을 보급중이다. 스마트 미터는 거의 실시간에 가깝게 에너지소비에 관한 실시간 전력요금 데이터를 생성할 수 있다. 스마트미터는 전력소비자들로 하여금 그들의 에너지소비 데이터 에 접근할 수 있도록 함으로써 스스로 에너지 이용을 보다 잘 관리 할 수 있도록 한다.

LS산전의 스마트 미터 기술은 수용가가 원하는 요금제를 선택할 수 있고, 이에 따른 에너지 사용량을 실시간으로 감시할 수 있으며, 또한 전력 피크 시간대에 부하를 자동으로 제어해 전력요금을 줄일 수 있는 기능을 포함하고 있다. 수용가 단위의 에너지 측정을 위한 스마트 미터뿐만 아니라 가전기기별 에너지 소비량 측정을 위해 벨킨사의 ‘위모’와 같은 다양한 형태의 스마트 플러그 제품이 개발되고 있는데 이러한 제품은 웹포털을 통한 원격제어가 가능하다.

LS산전, 전력IT Solution 카탈로그, 2016

그림. 원격검침시스템 (AMR: Automatic Meter Reading System) 구성도

 빌딩용 조명, 공조용 IoT 디바이스의 경우 BACnet/IP, KNX, Dali, Lontalk, CoRE, 6LoWPAN, Roll, oBIX, eMIX 등의 기술이 적용되고 있으며 Web 기반 인터넷 액세스가 가능한 구조로 개발되고 있다. 특히 스마트 조명의 경우 다양한 통신 방식(WiFi, Bluetooth, Zigbee 등)을 통해서 스마트폰의 어플리케이션으로 전구의 빛 세기부터 색상 조절까지 가능한 제품들이 개발되고 있다. 또한 구글이 인수한 네스트랩스 제품은 사물인터넷의 개념을 담고 있는 대표제품으로 볼 수 있다. 네트스랩스의 제품은 사용자의 생활습관 학습을 통해 가정용 에너지를 효율적으로 사용하기 위해 상호작용 할 수 있다. 네스트랩스의 제품으로는 스마트 온도조절장치 및 화재경보장치 등이 있다. 

④ IOT 커넥티드카(스마트카) 디바이스

자동차와 사물인터넷 간의 만남은 하나의 빅이슈로 대두되고 있다. 커넥티드카가 진화하여 스마트홈처럼 새로운 IoT 허브의 가능성을 실험하고 있으며, 자동차 자체가 하나의 IoT용 디바이스임을 보여주고 있다. 

BMW는 삼성 갤럭시 기어를 이용해 차량 상태 확인 및 잠금 등 원격 제어가 가능한 ‘i리모트 애플리케이션’을 공개했다. 갤럭시 기어 내에서 BMW i3 의 전기 충전량, 차량의 관리 상태, 썬루프와 문 잠김, 창문 개폐여부 등을 한 눈에 확인 할 수 있다. 또한 S보이스 기능을 탑재하여 음성으로 내비게이션에 주소지 입력, 차량제어도 가능하도록 되어있다. 

벤츠의 Pebble은 차량의 주차 위치나 도어 잠김 여부, 주유 상태 등을 파악할 수 있는 손목시계 형태의 웨어러블 디바이스로 자동차 제어 및 각종 정보 제공 등 운전자가 계기판을 보지 않고도 주행에 필요한 대부분의 정보를 얻을 수 있다.

출처: 2014, 전자신문

그림. 커넥티드카 구성 요소별 운전자 니즈

⑤ 생활밀착형 사물인터넷 디바이스

IoT 디바이스는 개인 및 가정의 일상생활에도 점점 파고들고 있다. 프랑스의 Kolibree사는 가속계가 내장되어 있어 얼마나 효과적으로 양치질하는지를 측정하는 스마트 칫솔을 개발했다. 측정된 데이터는 블루투스를 통해 스마트폰으로 전달되는데, 관련 앱이 이를 분석해 사용자가 충분히 오래, 입안 구석구석 양치질을 했는지 그래프를 통해 확인 할 수 있다. 홍콩 HapiLabs사는 사용자가 음식을 먹는데 투입하는 속도와 포크질 횟수 등을 측정해 다이어트에 필요한 식습관을 제안할 수 있는 100달러짜리 해피포크(HAPIfork)를 개발하였으며, 측정된 기록은 블루투스를 이용해 스마트폰이나 컴퓨터에 동기화 할 수 있다.

표. 웨어러블 스마트기기의 세계시장 규모

(단위: 백만유로)

구분	2011년	2016년	성장률   (‘11→’16)	2021년	성장률   (‘16→’21)
Fashion & Entertainment	21.5	97.0	35.2%	472.0	37.2%
Sports & Fitness	29.0	79.0	22.2%	211.0	21.7%
Medical & Healthcare	11.5	42.0	29.6%	640.0	72.4%
Transportation	27.0	103.0	30.7%	215.0	15.9%
Protection & Safety/Military	57.2	130.0	17.9%	310.0	19.0%
Home/Architecture/Other	42.0	74.0	12.0%	96.0	5.3%
합 계	188.2	525.0	22.8%	1,944.0	29.9%

출처: 웨어러블 스마트 기기 기술동향과 산업전망 (2016. 03)

표. 헬스케어 웨어러블 시장규모 및 전망

[단위 : 억 달러, 억원]

구분	2015년	2016년	2017년	2018년	2019년	2020년	CAGR[%]
세계시장	24.5	33.2	44.3	59.7	90.1	120.1	30
국내시장	750	672	1,410	1,989	2,730	3,606	30

출처: KISTI 마켓리포트, 헬스케어 웨어러블 디바이스 (2016)

⑥ 산업 및 환경용 사물인터넷 디바이스

고 신뢰성이 요구되는 산업용 시설 및 안전 설비의 모터, 펌프, 밸브, 튜브배관과 같은 IoT 디바이스의 경우Wireless HART, ISA100 등의 기술이 적용되고 있으며, IEEE802.15.4e/k/g 기술의 경우 초기 도입단계 이다. HOneyWell 사의 ‘OneWireless Solution’은 플랜트의 생산성과 안정성을 개선함과 동시에 네트워크 구성에 필요한 설치비용을 절감할 수 있는 혁신적인 솔루션, 필드에서 컨트롤 시스템에 이르기까지 단순한 구성으로, 안전한 설치, 운영 및 관리가 용이하며, FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 기술을 적용하여 뛰어난 보안성을 가지고 있다. 또한, Wi-Fi, Modbus, HART, Foundation Fieldbus 등의 산업표준 프로토콜을 적용하여 기기 간 상호호환성이 보장된다. 환경 모니터링용 IoT 디바이스의 경우 저전력 장거리 통신이 지원되면서 높은 수준의 전송 신뢰성을 만족하는 Weightless 및 IEEE802.15.4g/e 등의 기술을 시도 하고 있다.

출처: 4차 산업혁명 스마트팩토리의 시대(유진투자증권, 2017)

그림. 스마트팩토리 관련 산업 분야 및 적용사례

출처: Market and Markets, 2013

그림. 스마트 팩토리 국내시장 및 부문별 국내시장 전망