[기계·설비 바이탈 사인 기반 설비 모니터링 및 예측진단용 IoT 센서] 스마트 제조, 스스로를 진단하는 감각 지능 알아봐요

​ ​[기계 설비 바이탈 사인 기반 설비 모니터링 및 예측 진단용 IoT센서]스마트 제조, 스스로를 진단하는 감각 지능 ​ ​ Feature의 자료_중소 벤처 기업부 ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​, 사물 인터넷(IoT)은 4차 산업 혁명의 핵심 기술 중 하나로 사물이 특정 목적을 위해서 네트워크에 연결되어 협업하는 기술이다. 그 중 센서는 IoT의 주요 기술 중 하나다. 기계∙설비 바이탈 사인 기반 설비 모니터링 및 예측 진단용 IoT 센서는 온도, 진동, 음향 등의 기계 설비 바이탈 사인을 측정하고 IoT 네트워크에서 빅 데이터를 수집하여 각종 기계 설비의 상태를 모니터링하여 고장 예측 진단을 실시한다.사물인터넷 시대, 갈수록 확대되는 적용분야 센서기술은 크게 시스템의 요구사항에 따라 발전해 왔으며 기존의 산업용 센서는 벌크형 센서이며 크기에 관계없이 특정 기능만을 실현한다.모바일 IT 시대가 오면서 초소형 센서(CMOS, MEMS)가 개발됐고 이후 벌크형 센서와 초소형 센서가 하나의 반도체 칩 안에 집적화된 iMEMS 센서 또는 두 센서를 하나로 통합하는 융복합 센서(Combo, Multi)로 발전했다.센서는 기계조작이나 창고관리, 공정제어 등 제조업에 중요한 역할을 하며 기계조작이나 창고관리에 있어서 충돌사고나 위험지역 예방용으로서 센서기술의 수요가 높다. IoT 시대가 도래하면서 센서 적용 분야가 소비/가전, 자동차, 의료/건강, 가정/빌딩, 항공, 도시/항공, 스마트공장 등으로 확대되고 있다.생산 설비 유지 관리 서비스 기술은, 기능에 의해서 생산 설비 모니터링 기술과 생산 설비 라이프 사이클 관리 기술로 크게 나눌 수 있어 기술 구성 요소에 의해서 세분화해, 여러가지 기술로 분류된다.생산설비 모니터링 기술은 센싱시스템 설계 구축기술, 설비상태 측정기술, 설비정보 인터페이스기술, 원격 모니터링 감시기술, 실시간 데이터 처리기술로 분류되며 생산설비 라이프사이클 관리기술은 생산설비 수명주기 측정정보화기술, 설비업체 협업기술, 라이프사이클 통합전사 관리시스템으로 분류된다.스마트 센서는 IT융합과 초연결 시대의 핵심 기반기술로 주목받고 있다. 나노·MEMS, SoC 기술, 비접촉·무선화, 기능화·자동화, 소형화·저가화, 소재 다변화 등의 기술이 융합되어 초소형, 고성능, 다기능(지능형) 센서로 발전하고 있어 사물인터넷(IoT)의 핵심기반이 되고 있다.생산설비 유지관리 서비스 기술을 공급망 시점에서 분류하면 탐사통합관리기술, 데이터 네트워크 구축 운영기술, 예방·진단 처방시스템으로 분류된다.탐사통합관리기술에는 온도, 습도, 중량, 속도, 응력 등의 다종 센서체계 구축 운용기술, RFID/바코드, 레이저 마커 연계기술, 탐사오류 통제관리기술 등을 포함한다. 데이터 네트워크 구축 오퍼레이션 기술에는 연동 디바이스 체계 구축 기술, PLC 기반 인터페이스 기술, 실시간 측정 데이터 분석 격납 기술, 데이터 네트워크 구성 최적화 기술, ERP/CRM 시스템 연동 기술, 부품별 수리/교환 주기 자동 이벤트 기술 등을 포함해 더욱 구체화되는 시장 질서 센서 분야는 예지 보전 소프트웨어 솔루션 기업이 활발하게 성장하고 있는 데 비해, 하드웨어의 선두 기업이 형성되지 않아, 중소기업의 기술력으로 단기간 내에 충분히 시장을 선점할 수 있다.스마트 공장에서 사용되는 기계·설비의 관리는 노동력의 감소로 인한 자동화 시스템의 도입, 첨단기술의 빠른 발전, 안전경영, 생산성 향상, 비용절감을 위해 필수적인 부분이 되었다. 사물인터넷, 인공지능, 빅데이터 분석 등의 첨단기술이 스마트공장 내 기계·설비와 융합되어 최적생산을 위한 관리가 가능해지고, 센서를 통해 기계·설비에서 발생하는 데이터를 수집하여 고장 예측 진단에 활용하여 고장으로 인한 보수비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 안전에 대한 위협을 최소화하고 경제적 손실 저감 및 생산성을 향상시킬 수 있다.세계 센서 시장은 IT융합의 진전으로 센서 사용이 급증하여 센서의 첨단화에 따라 시장이 급성장하고 있으나, 국내 산업의 경쟁력은 선진국에 비해 매우 취약한 상황이다. 국내 센서기업의 주요 생산품목은 자동차, 모바일, 가전, 바이오산업 분야에서 압력, 적외선, 이미지센서 등의 품목을 주로 생산한다.센서 산업은 개별 시장마다 독과점 구조가 강해 신규 진입이 매우 어려운 데다 소자 설계부터 부품 생산까지 가치사슬을 통합한 IDM(Integrated Device Manufacturer) 회사가 시장을 장악하고 있다.산업 인터넷 시장의 밸류 체인은 크게 반도체, 연결, 애플리케이션, 플랫폼, 비즈니스, 솔루션 분야로 구성된다. 후방 산업은 스마트 센서에 사용되는 주요 요소 기술인 MEMS 기술, SoC 기술, 임베디드 소프트웨어 등이 있다.EAM(Enterprise Asset Management)산업의 후방 산업은 소프트웨어 및 데이터베이스 플랫폼 분야로 다른 산업과 비교하여 연구 개발이나 지적 노동의 투입비율이 높은 지식 집약적인 고부가 가치 산업에서 세계 소프트웨어 시장이 반도체 시장의 4배, 자동차 시장의 1.5배 수준의 대규모 시장임에도 불구하고 현 국내 소프트웨어의 글로벌 경쟁력과 성장 모델은 아직 미진한 상태이며 Microsoft, Oracle, IBM등 글로벌 대기업의 영향 하에 아직 해외 의존도가 높은 산업이다.소프트웨어 산업은 지식화·지능화에 수반해, 사회 전반에 걸쳐서 영향력이 증대해, 산업 범위가 지속적으로 확대되고 있어 리얼타임에 발생하는 대용량 데이터를 분석하는 빅 데이터, 하드웨어와 소프트웨어 자원을 가상화해 서비스를 제공하는 클라우드, 스스로 학습·판단해 과업을 실시하는 AI, 가상·증강현실을 제공한 실감 소프트웨어 등 산업 전반을 혁신하는 융합 기술이 지속적으로 발전하고 있다.​​

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전방 산업은 보안, 스마트 공장 등으로 구성된다. 스마트공장 분야에서는 다양한 센서나 기기를 통해 수집되는 대량의 데이터를 처리, 분석하여 센싱정보융합기반 가상센서기술을 활용하여 이종센서정보의 데이터 변환 및 연결기술을 활용하여 스마트공장 제어공정의 신뢰성 향상 및 결합내성을 향상시킨다.EAM 산업의 전방 산업은 석유화학, 전력, 가스, 자동차/반도체 제조업 등 생산 설비를 유지 관리할 필요성이 있는 대부분의 산업이라고 말할 수 있다. 사물인터넷과 클라우드 등 IT기술의 융복합 및 스마트공장 육성정책, 설비자산의 효율적 운영에 대한 인식 전환 등에 힘입어 EAM에 대한 수요는 계속 증가할 전망이다.이에 따른 시장 성장도 주목된다. IDC는 2017년, 전 세계의 사물 인터넷 관련 지출 규모가 2016년 대비 16.7%증가한 8,000억달러를 넘는 것으로 예상하며 사물 인터넷 관련 HW, SW서비스나 커넥티비티에 대한 기업의 지속적인 투자에 2021년에는 1조 4,000억달러 규모에 이를 것으로 예측했다.BCC·리서치에 따르면, 센서, 세계 시장 규모는 2016년 130조 원에서 2021년 220조원에 이를 전망(대한 상의 브리프, 2017.8.7)이다.국내 사물 인터넷(IoT)시장은 2016년 5,800억원에서 2023년 2조 5,990억원 규모로 성장할 것이라고 내다봤다. 국내 사물 인터넷 시장 규모는 상대적으로 적지만 같은 기간 세계의 사물 인터넷 시장의 연평균 성장률(15.0%)보다 높은 24.0%의 성장률을 보였으며 이는 국내의 풍부한 IoT관련 자원 때문으로 분석된다.기술과 주요기업 동향 센서기술은 크게 시스템의 요구사항에 따라 발전해 왔으며, 기존의 산업용 센서는 벌크형 센서이며, 크기에 관계없이 특정 기능만을 실현한다. 센서기술의 주된 화제는 센서와 회로, 시스템 기술로 구분할 수 있으며 센서는 감지방식과 감지구조가 핵심이 되며 주된 화제는 고성능화(기계/전기식, 광/전자센서), 소형화(MEMS센서), 다기능화(복합센서), 저전력화(나노센서) 등이 있다.시스템 분야는 소형화, 대량생산화 등 패키지 분야의 과제가 크고 벌크시스템 형태에서 SiP(System in Package)로 발전해 패키지를 겹겹이 쌓아가는 MCP(Multi-Chip Package)가 등장했다. 앞으로는 SoC형 MEMS와 CMOS를 직접 집적하는 iMEMS가 등장해 나노기술을 접목하면서 소형화와 멀티센서로 진행할 것으로 기대된다.센서 수요의 증가 및 사용자의 요구 다양성으로 인해 스마트공장 하위 레벨에 속하는 센서의 성능이 데이터 검출에 머무르지 않고 분석, 고속, 고정밀 등 기술적 요소에 대한 사용자 요구가 꾸준히 증가하고 있다.각 센서 레벨을 짜는 과정에서 무선에 대한 요구도 증가하고 있다. 유선이나 설비에 대한 제약조건이 있는 장소에서 무선을 통해 간편한 통신의 요구가 있으며, 공장 설계에 있어서 기구적·설계적인 어려움을 개선하는 데 무선통신이 용이하게 사용된다. 현재까지 온도, 압력, 유량 등에 대해 모니터링 하는 분야에 무선 도입이 많이 적용됐으며 컨트롤 분야의 도입도 점진적인 증가 추세다.제조업 분야에서 90년대의 공장 자동화로 발전하면서 현재의 스마트의 제조에 이르기까지 스마트 센서에 대한 관심과 중요도가 증대되고 있지만 MEMS가속도계를 이용하고 오작동을 일으킬 수 있는 베어링 결함 및 기타 일반적인 원인을 조기 감지 연구가 활발하다.적외선 센서는 주변 환경의 물체를 감지하는 데 사용되는 전자 감지 기기로 적외선을 발사하거나 물체에서 적외선을 감지한다. 적외선 센서는 장애물 감지, 가스 측정 및 감지, 온도와 습도 측정에 활용되거나 지게차와 같은 운송수단에 적외선 센서를 활용해 창고 내부 충돌을 방지한다. 가공업에서 온도 모니터링 및 조절을 위해 주로 사용되고 움직이는 물체의 열을 측정하는 등 광범위하게 활용된다. 적외선분광광도계(FTIR)는 매우 민감하고 윤활유가 낮은 습도도 감지 가능하다.가스 센서 기술은 산업보건 및 안전성, 산업공정 제어용으로 사용되는데 산업용 가스 감지 기술의 주요 방식으로는 전기화학 센서, 금속산화물 반도체 센서, 적외선 센서, 촉매 비드 센서, 광이온화 센서가 있다. 이 기술은 자동차 배기가스, 보일러 자동제어, 채광, 소방/감지, 실내외 대기오염 모니터링 등 광범위하게 사용된다.​​

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이 분야에 대한 세계 주요 기업들의 움직임도 활발하다. 하니웰 센싱(Sensing)&IoT사업부는 링마그넷엥코ー다의 속도, 방향이나 위치를 감지할 수 있는 4 핀 AMR(이방성 자기 저항)센서 IC(집적 회로)’VM821Q1’을 발매했다. 이번 제품은 새로 선 보이는 AMR센서 IC 4종 중 첫번째 4 핀 패키지 일체형 IC센서에서 링마그넷 회전 속도와 방향을 오픈 컬렉터의 형태의 크오도우로쵸 출력에서 제공한다.GE는 터빈 엔진 등 산업용 중대형 장비, 부품에 센서를 부착해 수집된 데이터를 분석해 현장 문제를 해결했다.퀄컴은 IoT 센서용 신형 SoC를 개발하고 관련 SW도 제공하지만 비전 인텔리전스 플랫폼을 만들어 산업 및 생활용 감시카메라 등에 응용할 수 있게 했다.물류 기업 Fedex는, 기온, 습도 등에 취약한 물품을 안전하게 배송하는 노하우를 결집해, “Senseaware”라고 하는 기기를 개발했다. 환경이나 위치 센서로 구성된 Senseaware는 배송하는 물품에 부착되어 실시간으로 정보를 수집하여 이상징후 발견시에 즉시 조치할 수 있는 솔루션 비즈니스와 연동한다.나노엔지니어드 애플리케이션(Nano Engineered Applications Inc.)은 고체 상태의 전기 감지와 나노물질을 결합시킨 칩으로 가스를 감지할 수 있는 누마(Numa)를 개발 중이다. 늪통합칩 플랫폼은 비행 중 실시간으로 가스를 ppb의 농도로 감지할 수 있으며, 늪칩 기기는 차세대 나노기술 기기로 가스를 감지하기 위한 단일 벽탄소 나노튜브를 포함하고 있다. 또 늪칩은 실시간으로 대기오염 수준을 감지하기 위해 스마트워치와 같은 스마트 웨어러블로 통합됐으며 칩 기반의 가스 감지는 위험지역 산업노동자들에게 가스 누출 또는 방출을 실시간으로 감지할 수 있도록 하는 웨어러블 시스템을 강화했다.중소기업 특허전략 수립 방향 및 시사점 국가별 특허활동지수(AI)를 비교한 결과 기계설비 바이탈사인 기반 진단 분야의 핵심 요소기술에 대한 주요국의 연구개발 구조는 다른 것으로 분석되며 한국과 일본은 부품 수명 예측과 비파괴 진단기술에 집중하고 있는 반면 미국은 공장 네트워크, 센서 통합기술에 더 집중도가 높은 것으로 분석됐다.한국은 센서 통합, 공장 네트워크, 계측 진단 알고리즘 기술에 대해서는 상대적으로 특허출원의 집중도가 낮은 반면 부품 수명 예측, 비파괴 진단 분야에 상대적으로 특허출원이 집중돼 있었다.개별 특허의 평균적인 시쟈은 료크이 전체 평균을 넘는 국가는 다츄루우오은 상위 6개국 중 미국 중국 프랑스이므로 특허의 평균적인 질적 수준이 높은 특허를 보유한 나라는 미국이었다. 한국은 개별 특허의 평균적인 시쟈은 료크이 상위 6개국 중 가장 낮은 것으로 나타났으며 시쟈은 료크 총량도 일본에 뒤지는 것으로 분석됐지만 개별적 특허의 평균적인 질적 수준은 상위 6개국 중 두번째로 일본보다 높았다.기계·설비 바이탈 사인 기반 모니터링 및 진단기술 분야의 주요 경쟁기술은 무선 공장 네트워크, 이종 센서 통합 및 연결기술이며, 공백기술은 산업 IoT, 계측 진단 알고리즘 및 부품의 수명 예측기술이다.기계·설비 바이탈 사인 기반의 모니터링 및 진단기술 분야에서 무선공장 네트워크 기술이 가장 경쟁이 치열한 분야이며, 산업 IoT 기술 분야는 아직까지 출원이 활발하지 않은 공백기술 분야인 것으로 나타났다.​​

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국내 특허 동향을 보면, 비파괴 진단, 부품 수명 예측, 이종 센서 통합, 무선 공장 네트워크 기술 분야는 대기업 중심으로 특허가 출원되고 있으며, 계측 진단 알고리즘과 산업 IoT 기술 분야는 대기업, 공공·대학 중심으로 특허가 출원되고 있다.기계·설비 바이탈 사인 기반의 모니터링 및 진단 기술 분야에서 중소기업의 역할 확대를 가장 기대할 수 있는 분야는 계측 진단 알고리즘 분야와 산업 IoT 분야라고 판단된다. 센서통합, 공장네트워크 분야는 특허출원이 집중되어 있어 대기업의 특허출원이 활발한 분야이며 중소기업 진입시 상대적으로 높은 경쟁환경과 진입장벽이 존재하는 반면 기계학습 등을 이용한 계측진단 알고리즘 분야와 산업IoT기술 분야는 상대적으로 특허출원수가 적으며 국내에서는 아직 중소기업이나 공공, 대학 등에서 특허가 주로 출원되어 있어 상대적으로 중소기업에 기회가 열려 있는 분야라 생각된다. 선택과 포기를 통한 수출 특화 품목 육성을 고려할 필요가 있다. 기계 요소의 분야에서 우리 나라는 최근 10년간’비교 우위 수출 특화’을 가진 품목이 없으며 일본이나 중국보다 열위를 벗어나지 않기로 선택적 육성을 통한 도약의 발판을 마련해야 한다.