[헬로티]
사물 인터넷(IoT), 산업용 사물인터넷(IIoT), 산업 4.0이 가속화하면서 갈수록 더 많은 데이터를 포착하고 갈수록 더 자동화된 분석을 할 수 있게 되었다. 소프트웨어, 알고리즘, 머신 러닝이 진화함에 따라서 센서 네트워크를 대부분 시간에 자율적으로 가동하고 사람의 개입은 시스템이 문제를 감지하고 통보할 때만 필요하게 되었다.
이와 같은 정교한 센서 네트워크와 데이터 처리 능력을 스마트 빌딩에서부터 제조에 이르기까지 다양한 분야에 활용할 수 있다. 센서로부터 주어진 입력을 분석하고 그에 따라서 조절을 함으로써 환경이나 프로세스가 스스로를 최적화할 수 있다. 많은 산업 분야에서 이와 같은 자동화를 통해서 효율을 비약적으로 끌어올릴 수 있게 되었다.
나노기술 시대로 진입
많은 이들이 사물 인터넷을 언급하면서 나노기술을 떠올리기는 쉽지 않을 것이다. 하지만 나노기술이 이미 데이터 최적화에 기여하고 있으며, 미래에는 상업적으로 사용되는 것을 보게 될 것이다. 특히 센서와 데이터 교환을 위한 네트워크에 활용될 수 있다. 그렇다면 이 두 영역으로 나노기술이 어떤 영향을 미칠 수 있는지 보자.
사물 인터넷의 핵심으로서 센서 향상
사물 인터넷, 산업용 사물인터넷, 산업 4.0의 핵심적 요소는 정보를 수집하는 센서이다. 이러한 센서로 나노기술이 큰 차이를 만들어낼 수 있다. 나노기술을 활용해서 센서로 취하는 측정의 정밀도를 높일 수 있기 때문이다. 이와 더불어서 소프트웨어와 데이터 분석 기법이 계속해서 진화함으로써, 센서 정밀도가 높아지는 것에 따라서 시스템으로 갈수록 늘어나는 양의 데이터를 처리할 수 있게 되었다. 원시 데이터 리딩이 정밀해질수록 전체적인 시스템도 그만큼 더 정밀해질 것이다.
다수의 문헌들에서 센싱에 나노소재를 활용함으로써 더 높은 효율을 달성할 수 있는 것으로 나타나고 있다. 특히 그래핀 같은 2D 소재는 소재의 크기가 매우 작기 때문에 환경으로 변화를 감지하기 위해서 활용할 수 있는 표면적이 늘어난다.
센싱 방식도 여러 가지가 있을 수 있다. 어떤 것은 원격적으로 작동하고, 또 어떤 것은 분자 흡착이나 물리적 변화에 대한 반응을 활용한다. 무엇보다도 나노소재의 특성들을 활용해서 센싱 메커니즘을 좀더 효과적으로 만들 수 있다. 이것은 원거리의 광학적 변화를 측정하거나, 표면으로 원자를 흡착하거나, 수축하고 신장하고 휘어지는 것을 측정하는 것일 수 있다. 적합한 나노소재를 선택함으로써 이 중의 한 가지 혹은 이 모두를 다 할 수도 있다.
이들 소재로 감도를 높일 수 있는 것은 이들 소재가 전기 전도도와 전하 캐리어 이동도가 높기 때문이다. 무언가 감지되면 센싱 메커니즘으로 나노소재의 전기 전도도가 변화되고 이것을 측정할 수 있다. 전도도와 전하 캐리어 이동도가 높은 나노소재를 활용하면 극히 높은 센서 감도를 달성할 수 있다. 그러면 소재의 전도도가 아주 미미하게 변화되는 것까지도 감지할 수 있다.
나노 사물인터넷(IoNT)의 태동
사물인터넷과 산업용 사물인터넷으로 나노기술을 활용해서 가능한 것은 이뿐만 아니다. 나노기술을 활용해서 데이터 교환을 위해서 나노 차원에서 통신하는 장비들을 사용한 물리 네트워크를 구현할 수 있다. 이러한 개념을 나노 사물인터넷(IoNT, Internet of Nano Things)라고 한다. 나노 사물인터넷은 아직 사물인터넷만큼 개발된 것은 아니지만, 의료와 통신 분야를 비롯한 업계로부터 관심이 고조되고 있다. 활용 사례로는 원격지 센싱을 필요로 하거나 인체 내부 부위들을 측정하고자 하는 애플리케이션을 들 수 있다.
나노 사물인터넷은 어떻게 작동하는가?
나노 사물인터넷은 두 가지 방식으로 통신하는 다중의 장비들로 이루어진다. 두 가지 방식이란 분자 통신(분자로 정보 인코딩)과 전자기 나노 통신(전자기 파장을 통해서 데이터 전송)이다. 정보를 전달하기 위한 이들 장비는 크게 4개 범주로 구분할 수 있다. ▲나노 노드 ▲나노 라우터 ▲나노 마이크로 인터페이스 디바이스 ▲게이트웨이다.
나노 노드는 가장 작고 단순한 장비로서 기초적인 나노머신이다. 나노 노드는 데이터를 전송하고 기초적인 연산을 수행할 수 있다. 하지만 크기와 사용할 수 있는 에너지가 제한적이므로, 소량의 메모리만을 포함하고 데이터를 멀리까지 전송할 수 있는 능력이 제한된다. 나노 노드를 특정한 위치에 설치하고 이 데이터를 인근의 나노 라우터로 전송할 수 있다. 그리고 여기서 다시 더 먼 거리로 데이터를 전송할 수 있다.
나노 라우터는 훨씬 더 강력한 나노머신으로서, 다중의 나노 노드들로부터 데이터를 모으고, 이들 노드들 사이에 교환 명령을 제어하고, 데이터를 나노 마이크로 인터페이스 디바이스로 전송한다. 그러면 인터페이스 디바이스는 다중의 나노 라우터들로부터 데이터를 모으고, 이것을 다시 나노 통신이나 전통적인 네트워크 프로토콜을 통해서 마이크로스케일로 전송한다. 끝으로 게이트웨이는 전체 시스템의 컨트롤러로서, 인터넷을 통해서 정보를 액세스할 수 있도록 한다.
나노기술의 미래
사물 인터넷, 산업용 사물인터넷, 산업 4.0이 가속화함에 따라서 앞으로 어느 시점에는 데이터 센싱을 더 정밀하게 하고 지금보다 훨씬 크기가 축소된 아키텍처를 통해서 정보 전송을 해야 하게 될 것이다. 이러한 시점에 이르면 나노기술과 나노 사물인터넷 장비를 찾는 수요가 폭발적으로 늘어날 것이다. 이런 날이 올 것에 대비해서 세계의 많은 엔지니어들이 연구를 계속하고 있다.
글 : 마크 패트릭(Mark Patrick) 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics) EMEA기술 마케팅 관리자
