차세대지능형사물인터넷 (IoX) 주요기술과 R&D 방향 박병주정보통신기술진흥센터수석 I. 서론 세계적으로 4 차산업혁명의시대를알리는디지털트랜스포메이션 (Digital Transformation) 이시작되고있고, 모든것을연결하는사물인터넷기술이그중심에있다. 2016 년다보스포럼에서니콜라스데이비스가 제 4 차산업혁명시대는기계가지능이필요한작업을수행하고, 인간신체에컴퓨팅기술이직접적용되고, 기업과정부그리고수요자간의소통을새로운차원에서향상시키는등기술이사회에자리잡는방식이새로워지는시대이다 라고상세히정의하고있다. 2017 년사물인터넷기기는전년대비 31% 증가한 84 억대를기록할것으로전망되고있으며, 2020 년에는 204 억대, 2030 년에는약 2 조대에이를것으로예측되고있다 ( 가트너, 2017). 또한, 사물인터넷을구성하는사물과연계한데이터양도폭발적으로증가하여 2020 년에는 2.3ZB 에이를것으로전망되고있다 (CISCO, 2016). 이러한환경에서기존의사물인터넷기술만으로는원하는서비스를실현할수없다. 기존사물인터넷은사물의연결성에초점을두고네트워킹을통한원격모니터링을실현하는데목적이있었던반면, 미래의사물인터넷은국가전반의생산성과효율성을높이고국가당면과제를해결하기위한지능화된기술로발전해나가야하는데이를위한기술이바로차세대지능형사물인터넷 (IoX) 이다. 차세대지능형사물인터넷 (IoX) 은물리공간상의수많은지능형사물들 (Cognitive Things) 이대규모로연결 (Massive Connectivity) 되어주어진상황에맞게자기조직화 (Self-Organization) 하고, 각자가자율성을갖고지능화 (Autonomy & Intelligence) 하여거대한디지털유기체 (Digital Organism) 를구축하는시스템으로정의하고자한다. * 본내용은박병주수석 ( 042-612-8142, bjpark@iitp.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 정보통신기술진흥센터 13
주간기술동향 2017. 12. 13. < 자료 > Gartner, 2017. [ 그림 1] Hype Cycle for Emerging Technologies(2017) 최근가트너에서는스마트더스트, 디지털트윈, 휴먼인터랙션등을 Emerging 기술로소개하고있으며, 새로운디지털경제패러다임으로인한효율성을높이기위해서는다양한기술이융복합되어야실현이가능하다. 이러한관점에서차세대지능형사물인터넷은사물들이데이터를통해학습하는지능형알고리즘을적용하는단계에서주변사물과상호통신하며공간, 상황에대한정보를통해협력, 예측운영이가능한다양한 IoT 서비스실현이가능할것으로보이는데, 이를위한주요기술로스마트더스트, 디지털트윈, 휴먼인터랙션이포함될수있을것이다. II. 차세대지능형사물인터넷 (IoX) 주요기술현황 1. 스마트더스트 가. 개요 스마트더스트란 1) 먼지크기의매우작은센서들을건물, 도로, 의복, 인체등물리적공간에 1) 1990 년대후반미국캘리포니아대학의크리스피스터 (Kris Pister) 교수가 1~2mm 크기의초소형센서를개발하고그이름을 스마트더스트 (Smart Dust) 라고지칭 14 www.iitp.kr
< 자료 > https://www.raconteur.net, 재구성 [ 그림 2] 스마트더스트개념및구성요소먼지처럼뿌려주위의온도, 습도, 가속도, 압력등의정보를무선네트워크로감지, 관리할수있는기술을말한다. 스마트더스트내에는센서, 센서제어회로, 컴퓨터, 양방향무선통신모듈, 전원장치등이내장되며, 현재의초고집적반도체기술과 MEMS 기술을통해모래알크기로작게구현이가능할것이다. 나. 시장전망 스마트더스트에대한구체적인시장전망은확인하기어렵지만, 이와유사한나노 IoT 시장 [IC 시장전망 ] [Trillion Sensor Roadmap] < 자료 > IC Insights, 2016. < 자료 > 스탠포드대학, 2013. [ 그림 3] IC 시장전망및 Trillion Sensor 로드맵 정보통신기술진흥센터 15
주간기술동향 2017. 12. 13. 혹은센서시장을통해관련분야시장을예측해볼수있다. 나노 IoT 시장은 2016 년에 40.26 억달러에서 2020 년 90.69 억달러로연평균 22.8% 성장할것으로예상되며 (MarketsandMarkets(2016)), 전세계센서시장은 2016 년 1,235 억달러에서 2021 년 2,403 억달러규모로연평균 15.9% 성장할것으로전망되고있다 (BBC Research, 2017). 한편, Allied Market Researh (2016) 는 2022 년기준 2,410 억달러규모의시장을형성할것으로전망하고있다. 또한, IoT 분야 IC 및센서분야성장률을살펴보면 IC 는연평균 14%, 센서는연평균 6.5~8.5% 성장이예측되고있으며, 최근미국에서운영중인 Trillion Sensor Roadmap 포럼에서는연간 56% 의성장을통해 2030 년이후수십조개의센서시장이형성될것으로전망하고있다. 다. 기술동향해외선진국에서는많은대학과연구기관에서스마트더스트연구를진행중에있으며, 미국 DARPA 는살아있는곤충에 MEMS 센서를이식하여군사용으로활용하려는곤충사이보그프로젝트를진행하였고, 미시건대학의 M3 프로젝트에서는 Smart dust 를위한 MCU 내장 SoC 시스템을 1 3 2mm 크기수준의시제품으로선보이기도하였다. 또한, UC 버클리는 2016 년에먼지크기의신체삽입형뉴럴센서 (3 1 2mm) 를개발하였다. 국내에서는산업부를중심으로센서산업고도화를위한첨단센서사업을통해스마트기기 / 자동차용 MEMS 및반도체센서국산화개발을추진중이며, MEMS 압력센서, MEMS 9 축모션센서, 마이크로폰, 복합광센서, 자기센서등이개발되고있다. [ 미시건대 M3 프로젝트 ] [UC 버클리신체삽입형뉴럴센서 ] < 자료 > > http://www.i4u.com < 자료 > http://www.deviceplus.com [ 그림 4] 스마트더스트개발사례 16 www.iitp.kr
2. 디지털트윈 가. 개요디지털트윈이란제너럴일렉트릭 (General Electric: GE) 에서만든개념으로, 현실세계의물리적사물이나시스템을다양한센서등을통해수집되는정보들로보강된동적소프트웨어모델로구성하는것을의미하며, 실제물리적인자산대신소프트웨어로가상화한자산의디지털트윈을만들어모의실험 ( 시뮬레이션 ) 을함으로써실제자산의특성 ( 현재상태, 생산성, 동작시나리오등 ) 에대한정확한정보를얻을수있다. 에너지, 항공, 헬스케어, 자동차, 국방등여러산업분야에서디지털트윈을이용하여자산최적화, 돌발사고최소화, 생산성증가등설계부터제조, 서비스에이르는모든과정에서의효율성을향상시킬수있다. 나. 시장전망 Mind Commerce(2017) 에서는전세계디지털트윈시장이 2017 년 31.8 억달러규모에서연평균 97.8% 증가하여 2022 년에는 960.9 억달러규모로성장할것으로전망하고있다. MarketsandMarkets(2017) 은 2017 년부터연평균 37.87% 의높은성장률을기록하여 2023 년에는 156.6 억달러규모의시장을형성할것으로전망하고있다. 2016 년에는전기전자 / 기계제조산업이디지털트윈시장중에가장높은점유율을기록하고있으나, 향후에는산업용기기, 컴퓨터, 프린터, 제너레이터, 모터등과같은제조장비분야가시장을주도할것으로전망되고, 농업, 소재, 화학, 소매및소비재산업이디지털트윈시장을주도할것으로예측하고있다. 다. 기술동향디지털트윈은디지털변환 (Digital Transformation) 을통한전산업적변혁의핵심기술로써, 세계적선도기업들은에너지, 항공, 헬스케어, 자동차등다양한산업분야에서디지털트윈을활용하여생산성과사용효율성을높이고, 장치오류, 감가상각, 돌발변수와같은예측불가요인을미리대처할수있는기술적인기반을마련하기위해활발히연구중에있다. 제조분야세계적선도기업인 GE 는자사가생산하는모든제품과장비를디지털트윈화할것을천명했으며, 자사가개발한 IoT 클라우드인 PREDIX 플랫폼을기반으로 55 만개이상의디지털트윈화를완료한상태이다. 또한, 세계최대공장자동화기업인독일 SIMENS 도디지털트윈플랫폼 ( 마인드스피어 ) 을개발하여장비설계 / 개발 / 유지시실시간적물리시스템연동을통해 정보통신기술진흥센터 17
주간기술동향 2017. 12. 13. [GE90 엔진디지털트윈 ] [ 지멘스로봇암생산공장디지털트윈 ] < 자료 > http://middleeast.geblogs.com < 자료 > http://m.it.chosun.com [ 그림 5] 디지털트윈적용사례 기계데이터를수집하고시뮬레이션을통해생산성을극대화하는데활용하고있다. 3. 휴먼인터랙션 가. 개요휴먼인터랙션은인간과컴퓨터간상호작용에대해연구하는 HCI(Human-Computer Interaction) 에서발전하여사람-사물간능동형교감인터랙티브가가능한 IoTH(Internet of Things-Human) 를통해사람의원초적 (primitive) 내면상태 ( 명시적 / 묵시적의도, 대표감정등 ) 및고등 (complex) 내면상태 ( 만족, 공감, 교감, 관심등 ) 를사물이인지하고교감하여오감기반의능동적인터랙션태스크를수행하는사람-사물교감형 IoT 기술로정의한다. 나. 시장전망휴먼인터랙션을대표하는시장으로 BCI(Brain Computer Interface) 분야시장에대해살펴보면, 전세계 BCI 시장은 2014 년 7 억 2,360 만달러규모에서연평균 10.0% 성장하여 2022 년에는 15 억 5,100 만달러규모가될것으로예측하고있다 (Grand View Research, 2016.). 2014 년기준으로헬스케어시장이전체시장의 50% 이상을차지하고있으며, 미래에도파킨스병, 뇌전증, 알츠하이머를진단 치료하기위한제품이시장성장을견인할것으로예상된다. 한편, KBV Research(2016) 는 2016 년부터연평균 12% 성장세를기록하여, 2022 년에는 17 억 9,040 만달러규모가될것으로예측하고있으며, 2015 년기준으로북미시장이가장많은시장을차지하고있는데, 이러한기조는 2022 년까지이어질것으로전망하고있다. 18 www.iitp.kr
< 자료 > Grand View Research, 2016. [ 그림 6] 전세계 BCI 시장전망 다. 기술동향인간의다양한감각을자유롭게이용하려는욕구가커지면서기계에인간을맞추려는기술과제품으로변화가활발히추진중이다. 키보드, 마우스, 터치스크린등제한된인터페이스기기를사용하는한계를탈피하고음성, 동작, 감성등인간이가지고있는다양한감각을활용하는스마트인터랙션 (Smart Interaction) 연구가확대되고있어, 스마트인터랙션기술기반의제품및서비스는모바일정보기기뿐만아니라게임 / 엔터테인먼트, 의료 / 재활및치료등다양한산업으로의연계및파급효과가클것으로기대된다. 최근애플, 구글, 삼성등글로벌 IT 기업을중심으로 VR(Virtual Reality) 의대중화와활용확장성이보편화되면서인간-기기간, 특히스마트폰을중심으로한상호작용기술이점차진화하는중이다. [ 영화마이너리티리포트의동작인식인터페이스활용장면 ] [ 동작인식스마트반지 ] < 자료 > 융합정책연구센터, 2016. [ 그림 7] 휴먼인터랙션사례 정보통신기술진흥센터 19
주간기술동향 2017. 12. 13. III. 차세대지능형사물인터넷 (IoX) 주요 R&D 추진 ( 안 ) 1. R&D 추진방향차세대지능형사물인터넷은지금까지사물의상태를전달하는연결형사물인터넷의제한된기능에서발전하여사물의상황정보와지식처리까지가능한디지털트윈기능을포함하여지능형 / 자율형사물인터넷기술을고도화하고사회문제를해결하는차세대서비스기술로발전해야한다. 이를위해서는제조업, IT 분야, 헬스케어 / 의료, 교통, 재난 / 재해, 스마트시티등다양한환경에서엄청난수의사물을연결하고상호데이터전송이보장되어야하며, 수요와목적에따라데이터및정보 / 지식흐름이자율적으로제어되어초대규모사물의연결성을보장하는기술이개발되어야한다. 또한, 물리적사물과환경에대한정보가센싱 / 가공 / 분석 / 저장되며, 센싱데이터에대한지능적처리를통해지식과자율성을갖추고, 기존에사물과서비스를연결하는플랫폼에서특정산업에서필요로하는지능형트윈플랫폼으로진화하는기술개발이이루어져야한다. UN 에서는 2030 년까지지구의 지속가능한발전 을달성하기위해필요한사항으로서총 17 개의지속가능발전목표 (Sustainable Development Goals: SDG) 를세웠으며, 차세대지능형 < 자료 > https://sustainabledevelopment.un.org/ [ 그림 8] UN 의 17 개의지속가능발전목표 20 www.iitp.kr
사물인터넷기술개발을통해제시된 SDG 17 개목표중에서많은부분을해결할수있을것으 로보인다. 2. R&D( 안 ) 주요내용상기제시한주요기술인스마트더스트, 디지털트윈, 휴먼인터랙션에대한 R&D 주요내용에대해서살펴보고자한다. 첫번째로인간이접근하기어려운지역 ( 감염지역, 산악, 지하, 우주, 인체 ), 그리고정밀한데이터수집이필요한지역에대량배포가가능한저가의극초소형 ( 수 mm 수준 ) 의스마트더스트 R&D 가필요할것으로보인다. 이를위해서는스마트더스트내장용초소형, 저전력나노센서기술, 경량형고효율에너지하베스팅기술, 스마트더스트초소형 / 저전력 SoC 기술, 스마트더스트나노로봇기술개발등세부연구가이루어져야할것이다. 또한, 스마트더스트간자율적협업을통해최적의임무를수행하고지능을발전시키는분산협업지능기술도필요할것으로보인다. 이를통해국방, 수자원, 해양, 산악등다양한분야에서스스로자율적인운용과지능화를수행할뿐만아니라, 환경이복잡하고열악한도심지내빌딩, 교통인프라, 방대한기반시설물 ( 상 / 하수, 통신, 에너지수송등 ) 의유지관리를위해서도매우유용할것으로보인다. [ 표 1] 기존초소형 IoT( 스마트더스트 ) R&D 와의차별성 AS-IS - 안테나제외한수 cm 2 이상크기, 고가, 일회성불가 - 외장센서, 외장안테나 - 비친환경배터리 / 패키징 < 자료 > IITP TO-BE - 안테나를포함한수 mm 2 미만크기, 저가, 초저전력, 일회용 - 안테나, 온도 / 위치센서내장 - 친환경소재, 에너지하베스팅 두번째로사물, 인간, 공간등물리시스템에대한디지털공간내정밀모사가가능한디지털트윈모델링과서비스구현을위한디지털지능트윈플랫폼기술개발이필요할것으로보인다. 세부연구내용으로는지속적학습을통해스스로보정할수있는디지털지능트윈공통플랫폼기술, 초복잡계디지털트윈모델화와상호연결성기반의자기성장형자율적트윈기술, 인간중심의디지털트윈공간지능화기술등이연구되어야할것이다. 또한, 시스템의오류나성능요구사항이만족되지않을경우사고, 사망, 환경파괴등의문제를야기할수있는 Mission/Safety-Critical 환경에적용하기위해요구되는디지털지능트윈기 정보통신기술진흥센터 21
주간기술동향 2017. 12. 13. [ 표 2] 기존디지털트윈 R&D 와의차별성 AS-IS - 단순기계수준의트윈화 - 물리시스템상태예측 - 소규모공간정밀모사 < 자료 > IITP TO-BE - 초소형사물, 인간, 공간등트윈화 - 물리시스템실시간최적제어 - 생체다중공간정밀모사 + 학습지능 + 복잡계문제해결 술개발이필요하다. 이를통해복잡도가높은대규모시스템환경에서신뢰도와정확도를제공하면서최적의효율성을보장할수있을것이다. 마지막으로휴먼인터랙션 R&D 분야에서는사람의멀티모달 / 멀티스케일상태정보의지능형처리 ( 취득, 학습, 데이터베이스관리, 지능증강 ) 를통해원초적이고고등적인내면상태를인식하고이를이용하여사람과능동적으로교감하는인터랙티브 IoTH(Internet of Things-Human) 가필요할것으로보인다. 이를위해서는사람의멀티모달정보기반의원초적 (primitive) 및고등 (complex) 내면상태인지기술, 사물의교감능력증강을위한자가성장형인간화 (Humanized) 기술, 사람-사물간능동형및자가보정형교감인터랙션구현기술등의세부연구가이루어져야할것이다. 또한, 자연스럽고편리한의도전달 UI/UX 기반의사람의인지및신체상태를공유하는디지털휴먼트윈기반 Social Networking 기술개발과지능형 IoT 기술을매개체로한의사소통중재자및다자간효율적인의사전달을위한상용기술개발도필요할것으로보인다. [ 표 3] 기존휴먼인터랙션 R&D 와의차별성 AS-IS TO-BE - 사람의명시적의도에수동적반응 - 사람의명시적 / 묵시적내면상태인지, 능동적교감 < 자료 > IITP IV. 시사점 제 4 차산업혁명시대의지능정보사회에서는기존 ICT 기술의한계를극복하고타산업과융합이가능한 IoT 기술의중요성이대두되고있어, 이에대한대응이시급한시점이다. 특히, IoT 는물리공간과디지털공간을하나로연결하여, 보다지능화된미래사회로의변화를가져올 4 차산업혁명의핵심기술로써, 국가차원의체계적인대응전략이요구된다. 2017 년 IITP 가발표한 2016 년 ICT 기술수준조사에따르면, 국내 IoT 기술수준은미국대비 22 www.iitp.kr
81.0% 로 1.2 년의기술격차를보이고있다. IDC(2017) 는 G20 국가를대상으로 IoT 발전을위한준비지수를조사하여발표하였으며, 우리나라가 2013 년과마찬가지로 2016 년에도 2 위를기록하였다. 또한, 일본총무성이발표 (2017.3.) 한 IoT 분야글로벌경쟁력지수도, 미국이 1 위를차지한가운데중국 일본에이어우리나라는 4 위를차지하였다. 세계각국에서는스마트홈 시티, 재난 안전, 교통, 제조등다양한산업분야에지능형 IoT 서비스제공을위한프로젝트를추진중이다. 특히, 디지털트윈기술은 GE 등글로벌기업이제조설비나기계류등을중심으로적극적인투자를하고있으며, 제반산업분야로적용범위확대를모색하면서각시장분석기관들은 2017 년하반기에디지털트윈을부상하는신기술로발표하고있다. 새정부는 2017 년 7 월에 20 대국정전략-100 개국정과제를발표하였다. 이중에서고령화, 도시집중화, 의료, 환경등다양한사회문제해결을위한기술로 IoT 기술활용에대한관심이고조되고있어, 이에적합한 IoT 서비스개발이절실히필요하다. 이러한시점에기존기술과의차별성을유지하면서글로벌시장에도전할수있는차세대지능형사물인터넷 (IoX) 기술개발에대한정부의선제적투자가무엇보다도중요하며, 이를통한국내 IoT 기술경쟁력강화와고부가가치신산업창출은차세대지능형사물인터넷기반의융합서비스산업시대로진입하는데큰역할을할것으로기대된다. [ 참고문헌 ] [1] 2016 년 ICT 기술수준조사보고서, IITP, 2017. [2] Cisco Global Cloud Index: Forecast and Methodology, 2015 2020, 2016. [3] 문재인정부국정운영 5 개년계획, 국정기획자문위원회, 2017. 7. [4] 박천교, 스마트더스트 (Smart Dust), ITFIND, 정보통신산업진흥원, 2004. 4. [5] 이아름, 융합 Weekly TIP( 스마트인터랙션기술 ), 융합연구정책센터, 2016. 3. 정보통신기술진흥센터 23