레이다 센서가 스마트 홈의 에너지 효율성을 크게 향상시키는 방법

스마트 홈 애플리케이션과 연결된 기기의 수가 증가하면서 사용자들의 일상생활이 더욱 편리해지고 있습니다. 그러나 이러한 기기들은 항상 사용 준비 상태를 유지하기 위해 지속적으로 활성화되거나 대기 모드에 있는 경우가 많아 높은 에너지 소비를 초래합니다. Infineon XENSIV™ 60-GHz 레이더 센서를 스마트 기기에 장착함으로써, 이 기기들은 더욱 에너지 효율적이며 따라서 더 스마트하고 지속 가능해집니다.

스마트 빌딩과 스마트 홈은 점점 더 인기를 얻고 있으며, 향후 몇 년 동안 그 수가 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 현재 전 세계적으로 스마트 홈의 수는 2억 개를 초과하는 것으로 추정되며, 예측에 따르면 이 수치는 향후 몇 년 내에 5억 개를 넘어설 것으로 보입니다(그림 1).

집은 점점 더 디지털화된 장치와 점점 더 기발한 기능을 통해서만 스마트해질 수 있습니다. 그러나 이는 높은 대가를 수반합니다: 대기 전력 소비가 꾸준히 감소하는 이전 추세에도 불구하고 에너지 필요성이 증가하고 있습니다. 스마트 기기는 "꺼져 있는" 상태에서도 에너지가 필요합니다. 대기 모드는 사용자 입력(예: 음성 제어)을 즉각적으로 반응하거나 스마트 홈이나 웹에서 최신 정보를 제공하는 유일한 방법이기 때문입니다. 게다가, 장치가 대기 모드로 작동하는 것이 완전히 불필요하여 에너지를 소비하지 않아도 되는 많은 경우—특히 아무도 없을 때—가 있습니다.

이 문제를 해결하고 디지털화 및 에너지 효율성 요구 사항을 충족하기 위해 Infineon은 자사의 반도체 솔루션을 활용합니다. 그 중 하나가 XENSIV™ 레이더 센서로, 거의 모든 스마트 홈 기기에 적용할 수 있습니다. 레이더 센서는 매우 민감하여 사람이 있는지 여부와 장치가 준비 상태가 되어야 하는지를 감지할 수 있습니다. 이는 마치 마우스나 키보드 입력 없이 일정 시간이 지나면 PC 모니터를 비활성화하고 새 입력이 감지되면 즉시 재활성화하는 화면 보호기와 유사합니다. 이러한 신뢰할 수 있는 존재 및 부재 감지를 통해 Infineon의 60GHz 레이더 센서는 진정한 스마트 에너지 절약 장치 설계를 지원합니다.

사용자 존재에 의해 활성화된 활동 대 지속적인 활동 또는 대기 상태

Statista가 2021년 독일에서 18세에서 64세 사이의 응답자 3,000명을 대상으로 실시한 설문 조사에 따르면, 거의 4분의 3이 최소한 하나의 스마트홈 기기를 소유하고 있습니다. 미국에서도 수치는 비슷하며(Figure 2), 중국에서는 스마트홈 기기 사용자의 비율이 90%에 달합니다. 이러한 기기의 종류는 용도만큼 다양합니다: 조명, 보안 기기, TV, 노트북, 사운드바와 같은 소비자 가전, 주방 가전제품, 에어컨 등을 포함합니다. 그러나 이러한 기기들은 에너지 수요를 증가시키는 부정적인 영향을 미치며, 특히 에너지 비용이 상승하는 시기에 소비자들은 에너지 절약형, 지속 가능하고 친환경적인 기기를 선호하는 경향이 있습니다. 게다가 전력망 인프라에 대한 부담도 점점 커지고 있습니다.

온도 조절기, 스마트 스피커, 디지털 어시스턴트와 같은 장치를 일반적인 대기 모드로 설정하는 대신, 에너지 소비를 줄이는 한 가지 방법은 아무도 없을 때 장치를 "딥 슬립 모드"로 전환하는 것입니다. 일부 장치의 경우, 이는 몇 와트 또는 그 일부를 절약할 수 있습니다. 그러나 TV 화면, 노트북, 사운드 시스템, 에어컨처럼 아무도 없을 때 딥 슬립 모드로 전환하거나 일시적으로 꺼둘 경우 100 W 이상을 절약할 수 있는 사례도 있습니다. 레이더 센서를 사용하면 이러한 장치는 사람의 존재나 움직임을 감지할 수 있습니다. 이러한 신호가 감지되지 않을 경우, 레이더 기반의 스마트 장치는 자동으로 슬립 모드로 전환되어 에너지를 절약할 수 있습니다. 센서와 구현 방식에 따라, 레이더 모듈 자체의 전력 소비량은 몇몇 밀리와트 수준이며 최대 전력 소비량은 0.1 W로, 이는 많은 전자 기기의 "켜짐" 상태 또는 표준 대기 모드의 에너지 요구량보다 현저히 낮습니다 (그림 3).

레이더 센서를 이용해 에너지 효율을 증가시키는 방법

에너지를 절약하기 위해, 항상 사용 가능하고 연결된 상태를 유지하는 접근 방식 — 여기에는 대기 모드와 같은 많은 전력을 소모하는 상태도 포함됩니다 — 는 재설계되어야 합니다. 사용자들이 존재할 때만 기기들이 활성화되거나 대기 상태로 들어가는 기기가 필요합니다. 다시 말해, 정말 필요한 순간에만 활성화되거나 대기 모드로 전환되는 장치가 필요합니다. 이는 우리가 오늘날의 "비스마트" 가정에서 방에 들어갈 때만 불을 켜거나 내부 온도가 너무 뜨거워졌을 때만 에어컨을 수동으로 켜는 것과 같은 방식입니다. 하지만 많은 장치에서 시간 초과와 같은 에너지 절약 기능이 구현되지 않았거나 사용자에 의해 비활성화되고 있습니다. 이는 종종 이러한 기능이 높은 기능성과 결합될 때 긴 부팅 시간과 최신 정보 부재를 초래할 수 있기 때문입니다. 특히 불편한 수동 재활성화 이후로, 고객 경험을 크게 악화시킬 수 있습니다.

하지만 새로운 스마트 접근 방식이 많은 질문의 해답이 될 수 있습니다: 왜 온도 조절기의 디스플레이가 항상 켜져 있어야 할까요, 그리고 왜 기기 자체가 항상 인터넷에 연결되어 날씨 데이터를 다운로드해야 할까요? 왜 가정 보안 시스템의 카메라는 항상 켜져 있으며 데이터를 기록하고, 사전 처리하고, 클라우드로 전송해야 할까요, 심지어 감시되고 있는 영역에서 아무도 움직이고 있지 않은 경우에도 말입니다? 기기를 더 스마트하게 활성화하는 가장 좋은 방법은 레이더 센서를 활용하여 모션 감지 기능을 구현해 깊은 수면 모드에서 깨우는 것입니다.

예를 들어, 스마트 온도 조절기는 기본적으로 꺼져 있을 수 있고, 레이더 감지 모듈만 활성화될 수 있습니다. 레이더가 방 안에서 움직임을 감지하는 즉시 온도 조절기가 활성화되어 집에서의 표준 데이터와 인터넷에서 받은 날씨 데이터를 업데이트할 것입니다. 누군가 기기에 1미터 반경 등 정의된 구역에 들어오면 디스플레이가 활성화되며, 사용자가 화면을 터치하여 활성화하고 데이터를 업데이트한 후 결과를 확인하기 위해 기다릴 필요가 없게 됩니다. 이러한 존재 감지 개념은 다른 스마트 홈 기기 및 가전제품에도 적용될 수 있습니다.

또한, 공실 감지의 역원리를 적용하여 에너지를 더욱 절약할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 이 경우, 텔레비전, 스피커, 스마트 램프, 에어컨과 같은 장치들은 일정 시간 동안 실내에서 움직임이 감지되지 않으면 전원이 꺼질 수 있습니다. 이는 전력 소비를 크게 줄여줍니다. 공실 감지는 장치를 즉각적으로 활성화하는 것이 아니라, 일정 시간 동안 아무도 주변에 없을 때 목표적으로 비활성화하는 데 초점이 맞춰져 있으므로, 센서 모듈 자체는 비활성 상태로 유지되며 몇 초 또는 몇 분마다 한 번씩만 감지를 수행할 수 있습니다. 그 결과, 이런 센서 모듈은 시스템 전체에 대해 막대한 에너지를 절약하면서도 스스로는 매우 적은 에너지를 소비하게 됩니다.

HVAC 시스템이 있는 건물들은 특히 이 원칙에서 혜택을 받을 수 있습니다. 대부분의 에너지가 아무도 없는 상황에서 난방 및 냉방에 낭비되기 때문입니다. 더욱이, 많은 경우 이러한 장치들은 빈번히 그리고 장시간 작동됩니다. 그러나 진정한 스마트 홈은 해당 구역이 일정 시간 동안 비워졌을 때 이러한 시스템을 즉시 비활성화할 것입니다. 이 기능은 조명 시스템에서는 점차 일반화되고 있지만, 아직 에어컨 및 모니터, 주방용 기기, 컴퓨터, 스피커, 사운드 시스템 같은 다른 장치들은 그렇지 않습니다.

사용자는 텔레비전과 같은 다른 애플리케이션에서도 빈 공간 감지 기능의 혜택을 누릴 수 있습니다. 예를 들어, Infineon의 BGT60LTR11AIP 레이더 센서(Figure 4)는 삼성의 Frame TV 2021(Figure 5)에 구현되었습니다. 이 레이더 센서는 사용자가 지정한 시간이 지나도록 주변에 아무도 없을 경우 TV를 Art Mode에서 Sleep Mode로 전환합니다. 이는 에너지를 절약할 뿐만 아니라 디스플레이 수명을 연장시켜 줍니다.

레이다 센서는 스마트 홈 기기에 가장 적합한 감지 옵션입니다

모든 사용 가능한 동작 감지 솔루션 중에서 레이더 센서는 가장 작은 움직임조차 감지할 수 있는 최고 수준의 민감도를 자랑하며, 일부는 인간의 눈으로도 감지할 수 없을 정도로 미세합니다. PIR 센서는 민감도 측면에서 레이더 센서와 경쟁할 수 없습니다. 또한, 레이더는 활동 감지 기술이기 때문에 PIR 센서와 달리 신체의 열에 의존하지 않습니다. 이는 사람이 거의 움직이지 않거나 전혀 움직이지 않을 때에도 감지가 가능함을 보장합니다. 그러나 가장 큰 장점 중 하나는 비전도성 소재를 통해 감지할 수 있다는 점입니다. 적외선, 초음파, 카메라 및 기타 이미지 기반 센서는 제품 외부에 노출되거나 제품 하우징에 개구부를 요구하는 반면, 레이더 센서는 기기 내부에 완전히 숨길 수 있습니다. 그 결과 제품 디자인에서 타협할 필요가 없으며, 해당 적응이 요구되는 하우징 제조를 위한 추가 절차와 비용을 피할 수 있습니다.

또 다른 가능성은 카메라 기반 동작 감지입니다. 예를 들어, 카메라, TV, 노트북 및 적합한 이미지 센서를 이미 갖춘 기타 장치에서 이를 사용할 수 있습니다. 이미지 시스템은 매우 높은 전력 소비를 가지며, 양호한 주변광 조건이 필요할 수 있습니다. 또한, 비디오에서 동작을 감지하기 위해 이미지 처리가 필요하며, 이는 추가로 많은 에너지를 요구합니다. 카메라 기반 시스템은 사적 공간을 침해하므로 사용자가 이를 완전히 신뢰하지 못한다는 점에서 사생활 침해 문제가 자주 제기됩니다.

게다가, 소비자 전자제품의 가격 하락은 부품에 대한 비용 압박을 증가시키고 있습니다. 따라서, 3D 비행 시간(ToF) 및 카메라 센서는 존재 감지를 위해 구현하기에는 종종 너무 비쌉니다. 제품 외관 디자인에 영향을 미칠 뿐만 아니라 추가 Fresnel 렌즈, 증폭기, 컨트롤러 등도 필요로 하는 강력한 PIR 솔루션조차도 자재 명세서 비용을 증가시킵니다. 반면에, Infineon의 BGT60LTR11AIP 레이더 센서는 특히 자율 작동 시 최소한의 지원 부품만 필요로 하여 시스템 비용에 미치는 영향을 최소화합니다. 크기가 작기 때문에 레이더 센서는 소형 및 얇은 전자 기기에 통합될 수도 있습니다.

또한, 레이더 센서는 일부 레이저 기반 ToF 센서나 다른 이미지 기반 센서가 감지 성능이 저하될 수 있는 먼지 많거나, 연기가 있거나, 습도가 높은 환경에서도 견고하게 작동합니다.

레이더 센서로 구현되는 추가 스마트 기능

장치를 제대로 다루지 못하면 불필요한 전력 소모로 이어질 수 있습니다. 사용자들은 항상 이를 인식하지 못하지만, 장치를 끄지 않거나 잠시 자리를 비울 때 설정을 조정하지 않으면 의도치 않게 에너지를 낭비하게 됩니다. 그러나 레이더 센서를 활용하면 이를 자동으로 조절할 수 있어 사용자는 이를 신경 쓰지 않아도 에너지를 낭비하지 않는다는 확신을 가질 수 있습니다.

레이다 센서는 존재 여부 감지기로 사용되는 것 외에도 공기 조절 시스템과 같은 스마트 디바이스에 다른 기능을 추가할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서 레이다 센서는 온도 및 CO2 센서와 결합되었을 때 가장 효율적으로 작동하여 시스템이 필요한 경우에만 활성화됩니다. 예를 들어, 누군가 방에 있을 때, CO2 농도가 너무 높을 때 또는 온도가 사전 정의된 한계를 초과할 때 활성화됩니다. 다른 센싱 기술이 종종 존재 여부와 같은 이진 정보를 제공하는 반면, 레이다 센서는 또한 방에 있는 사람 수를 확인하고 초기 단계에서 대응 수준을 조정하거나, 사람들의 위치와 거리를 확인하여 공기 흐름의 방향을 제어하는 기능도 제공합니다.

예를 들어, 청취자의 위치를 추적하여 지속적으로 볼륨과 사운드 매개변수를 최적화하는 사운드 시스템, TV가 어린이의 눈이 화면에 너무 가까울 경우 경고를 주면서 시청자의 거리를 측정하는 어린이 보호 기능, 또는 추락 사고 시 도움을 요청할 수 있는 경보 시스템과 같은 노인 및 간호가 필요한 사람들을 위한 장치와 같이 다양한 활용 사례가 있습니다. 따라서 레이더 센서를 사용하면 노력 없이도 에너지를 절약할 수 있으며 스마트 환경에서 사람들의 편안함뿐만 아니라 개인의 웰빙과 안전에도 기여할 수 있습니다.