1.1 연구의 배경 및 목적

우리 사회는 2025년에 전체 인구의 65세 이상 연령대가 21%를 넘어서는 초고령 사회를 앞두고 있다⁽¹⁾. 고령자의 건강이 악화되면 국가적 수입은 줄어드는데 비해 의료복지 비용은 기하급수적으로 증가하는 뿐 아니라, 고령자의 삶의 질 저하와 사회단절 등의 문제로 연결되는 경제, 사회, 신체, 정신적 문제는 국가적으로 큰 부담이 될 수밖에 없다. 치료에서 예방으로, 병원에서 각 가정으로 이동의 필요성이 고조되면서 고령화 문제에 대한 대안 중 하나로 ICT 기술을 통해 고령자를 케어 하고자 하는 방안이 주목받고 있다.

4차 산업혁명으로 ICT 기술이 비약적으로 발전하면서, 사물인터넷(IoT) 기술이 중심이 되는 스마트홈은 인간의 삶에 밀접한 영향을 미치며 삶의 질을 높이고 있다⁽²⁾. 방범, 조명, 가스 등 단순히 주거공간 내 설비를 제어하는 홈오토메이션에서 나아가 센서를 통해 수집된 거주자의 건강, 생활패턴을 분석하여 최적의 생활지원 서비스를 제공하는 수준에 이르렀다. 집안의 가전, 가구를 포함한 스마트 기기들은 여전히 통신 규격에 따른 호환성의 문제가 있지만, 앞으로 주거 공간의 모든 요소가 서로 연결된 네트워크를 통해 고도화, 지능화, 자율화된 기능을 수행할 것이다⁽³⁾.

스마트홈에 적용되는 디바이스들은 점차 소형화가 진행되고 다양한 종류가 개발되고 있으며, 적용되는 위치도 다양하다. 특히 일상생활 전반에 걸쳐 건강관리가 이루어지는 헬스케어 서비스가 제공되면 센서의 중요도와 의존도는 더욱 높아질 수밖에 없기 때문에 앞으로 고성능의 센서의 종류와 수의 증가는 불가피할 것이다. 그러나 IT 분야에서 첨단 디바이스 개발이 빠른 속도로 이루어지고 있는 데에 비해 건축분야는 첨단 디바이스를 수용하고자 하는 속도가 늦다. 전선, 배관, 통신 설비가 벽체나 천장 내부로 매립되고 있으나, 여전히 IT 디바이스는 벽체나 천정 마감면에 덧붙여 장착되거나 가구로서 놓여지는 경우가 많다. 건축보다 사용연한이 짧은 디바이스가 주거공간에 설치되다 보니 미관적, 사용성, 시공성이 좋지 않은 결과물을 만들어 낸다. 특히 주거공간에서 헬스케어 서비스는 AAL(Ambient Assisted Living)의 관점에서 무구속, 무자각, 실시간, 양방향 케어가 이루어져야 하는 만큼, 다양한 센서와 IT기기들을 주거공간 마감재 내부에 매립하여 수용할 수 있는 인프라를 제공해야 한다.

이에 본 연구는 기존 실내 마감재의 구조재 역할을 하는 동시에 여러 디바이스에 전력과 통신신호를 공급하여 대량의 데이터를 전달할 수 있으며, 천장 및 벽체를 구분하지 않고 사용할 수 있는 통합형 AAL 프레임을 제시하고자 한다.

2.1 AAL 헬스케어 서비스와 디바이스

AAL(Ambient Assisted Living)은 첨단기술(Ambient Intelligence)과 생활보조(Assisted Living)의 주거, 사회 서비스의 분야적 특성이 조합되어 나타난 신조어이자 복합적인 개념이다⁽⁴⁾. 보다 구체적으로 설명하면, IoT 기술 등을 활용하여 거주자의 일상생활을 보조하고 건강을 관리하여 액티브 에이징(Active Aging)을 구현하고자 하는 개념으로 고령자가 주거공간에서 독립적인 삶을 유지할 수 있도록 지원하는 것을 주된 목표로 하고 있다. 이는 고령화가 진행되고 있는 EU국가들(23개국)을 중심으로 2007년 AAL JP(Joint Programme)의 명칭으로 연구가 시작된 데에서 비롯되었다⁽⁵⁾.

AAL과 관련된 프로젝트는 유럽을 시작으로 활발히 개발되고 있다. 대표적으로 범용 및 표준화 된 IoT 기술을 통해 다양한 장치 및 통신 제품 서비스를 제공하는 플랫폼을 개발하거나, AAL 관련 건강관리, 스마트 홈 및 지역 서비스 기술을 제공하기도 한다. 그러나 현재 개발되고 있는 사례는 스마트홈으로써 고령자의 일상을 전반적으로 지원하기보다 한정된 상황과 용도로 개발되고 있는 한계가 있다. 전천후 생활보조가 이루어지기 위해서는 그만큼 많은 종류의 센서가 주거공간 안에 설치되어야 하는데, 이 과정에서 사용, 시공, 미관 측면에서 좋지 못한 결과물을 만들어 낸다.

2.2 선행 장착시스템의 문제점

앞서 최현철외^(6-7)은 벽체 및 천장 장착시스템을 제안한 바 있다.

그림 1(a) 에서 나타낸 바와 같이, 기존 벽체 장착시스템은 방문 옆 벽체의 전기소켓 전면부에 400mm의 폭과 200㎜ 깊이의 장착시스템을 부착하는 방식이다. 벽에 매립된 복합소켓에서 전력선과 네트워크 선을 장착시스템에 연결하고 양쪽 틀에 전기와 통신정보를 공급하게 되며, 사용자의 신체적 특성을 고려하여 디바이스를 원하는 위치에 삽입하는 구조이다.

그림 1(b) 의 기존 천장 장착시스템은 300㎜×300㎜의 그리드 모듈을 사용하여, 그리드가 교차하는 노드부에 전원 및 통신을 연결하였다. 디바이스 및 패널이 그리드에 장착되면서 노드부에 접하게 되면, 전기통신 신호를 전달받기 때문에 사용자 편의에 따라 어느 위치에도 설치가 가능하다.

Fig. 1. Previous study of Mount System

그러나 벽체와 천장을 각기 다른 공법으로 적용하였기 때문에 각 부위에 동일한 모듈을 적용하여 시공성과 장착성을 향상시킬 수 있는 방안이 요구된다. 특히 벽체의 경우, 한정된 위치에 장착시스템을 설치하기 때문에 센서의 설치위치에 제약이 많으며, 200mm 정도의 돌출부는 사용자에게 공간적으로 불편함을 야기한다. 또한 천장의 경우, 그리드 노드부분에 전원을 연결하기 위해 전문가에 의한 배선작업이 필요하며, 센서가 담기는 공간이나 패널을 격자에 부착하기 위한 방안이 고려되지 않았다.

2.3 기존 실내 마감법

기존 장착시스템의 문제를 극복하기 위해 기존 천장, 벽, 바닥부위의 실내마감법에 대한 고찰을 하였다^(8-9).

Fig. 2. Review of Interior finishing materials through residential space elements

그림 2와 같이, 주거공간 (1개 실 기준) 안에서 디바이스가 마감재 내부에 매립될 수 있는 공간을 확인하고, 이 공간을 충분히 활용하여 불필요하게 발생하는 공간손실을 줄이고자 하였다.

먼저 벽체의 경우, 벽면 구조재인 스터드(Stud) 부재의 깊이만큼(40-50mm) 마감재와 벽구조 사이 공간이 발생하며, 이 공간을 센서가 매립될 수 있는 공간으로 활용하고자 하였다. 다음으로 천장의 경우, 천장 슬래브 밑에 목재나 철재를 바로 대어 시공하는 경우에는 벽체와 마찬가지로 40-50mm 정도의 여유공간이 발생하며, 앵커볼트로 프레임을 매달아 천장마감을 하는 경우에는 150-300mm의 공간이 발생하고 있음을 확인하였다. 천정과 벽체의 경우, 센서가 매립될 수 있는 최소깊이는 40-50mm 정도이며, 두 면은 동일한 장착시스템 방법으로 적용될 수 있는 가능성을 보여주고 있다.

그러나 바닥의 경우, 바닥난방이 사용되는 경우가 많아, 앞의 두 가지 방법과는 달리 여유공간이 발생하지 않는다. 그러나 바닥 슬래브 온수 파이프와 바닥 슬래브 마감재 사이에 80mm 정도의 두께로 보호몰탈이 매설되고 있으며, 보호몰탈 안에 온수파이프의 간섭이 발생하지 않는 30mm 정도에서 AAL 프레임이 매설되면 난방과 기존 마감면의 변동 없이 장착시스템을 적용할 수 있음을 확인하였다.

2.4 통합형 장착시스템의 방향

주거공간에 적용될 센서의 종류와 위치는 다양하며, 앞으로 사용목적과 방향에 따라 유연하게 바뀔 수 있는 여지가 크기 때문에 확장가능성을 고려해야 한다. 또한 무구속, 무자각, 실시간, 양방향 케어가 이루어지기 위해 디바이스가 주거공간에서 식별되지 않게 내부에 매립하여야 한다. 그리고 다양한 스마트홈 디바이스를 연동하고, 대량의 데이터를 전송하기 위해 주거 공간의 물리적 환경과 정보통신 기기들을 하나로 통합하는 인프라가 구축되어야 한다.

특히 무자각, 무구속은 사용자의 관점에서 이루어져야할 필요가 있다. 일반적으로 고령자는 헬스케어 디바이스를 신체에 착용하는 것을 불편해하는 경향이 있기 때문에, 주거공간 안에 센서를 매립함으로 사용자 중심에서 보다 무자각, 양방향 통신을 구현하고자 하는 요구가 주거분야에서 증가하고 있다. 물론 이와 같은 방식은 접촉식으로 측정되는 웨어러블 디바이스에 비해 정확도가 떨어질 수밖에 없지만, 초음파 센서 등과 같은 비접촉 센서나 일상생활 과정에서 발생하는 접촉행위를 통해 최소한의 건강정보를 수집할 수 있으며, 앞으로 기술발전에 의해 극복될 수 있는 가능성이 있다.

또한 스마트홈이 무선통신 중심으로 발전하고 있는 추세이지만, 유선통신선을 인입함으로 무선통신을 지원하지 않는 디바이스를 지원하거나 영상정보와 같은 대용량의 빠른 속도의 데이터 전송을 위해 통신선 인입은 불가피하다. 이 또한 기술발전에 의해 극복될 수 있는 가능성이 있지만, 현재 유무선 통신을 모두 수용하기 위해서는 유선도 고려되어야 한다.

장착시스템은 건축과 달리 기술의 발전에 따른 주기적인 디바이스의 교체와 유지관리의 주기가 짧기 때문에 이에 대응할 수 있는 시공기법과 공법이 적용되어야 한다. 또한 벽, 천장, 바닥에 공통적으로 적용할 수 있도록 통합형 장착시스템을 규격화함으로 사용성, 시공성, 경제성을 고려해야 한다. 이를 위해서는 전기 배선 및 정보 통신 케이블이 하나로 통합되고, 어느 위치에서도 조명과 스마트 그리드 등을 쉽게 장착할 수 있도록 계획되어야 할 것이다.

따라서 본 연구에서는 스마트 조명, 센서, 통신기기 등 다양한 디바이스가 벽, 천장, 바닥 등의 주거공간에 장착할 수 있도록, 통합형 장착시스템을 제안하고자 하며, 이에 기본이 되는 AAL 프레임을 제시하고자 한다. AAL 프레임은 주거공간 마감재 내부를 지탱하는 역할을 수행하는 동시에 프레임 내부에 전기와 통신선이 매립되어 있어 신호를 전달하는 역할을 하기 때문에 프레임이 위치하는 곳에 디바이스를 자유롭게 설치 할 수 있다. 벽체, 바닥, 천장에 공통적으로 AAL 프레임이 적용되면, 프레임에 센서가 담기는 모듈이 장착되어 마감재를 구성하게 된다.

3.1 AAL 프레임 개요

AAL 프레임은 기존 실내 마감법에 적용되는 구조부재에 전기와 통신선을 매입한 프레임이다. 마감재를 고정할 수 있는 적절한 크기와 형태를 갖추는 동시에 다바이스에 전기 및 통신을 공급할 수 있도록 소켓이 내장되어 있어야 한다.

그림 3과 같이, AAL 프레임의 장축방향의 측면은 각각 전기(좌), 통신선(우)이 매입되어 있다. 통신선이 전기선에 인접함에 따라 발생할 수 있는 노이즈를 최소화하기 위해 프레임 안에서 두 선의 간격을 최대한 이격하였다. 노이즈의 발생여부는 시작품 제작 이전 단계에서 검증할 예정이며, 프레임 자체를 차폐재로 사용하거나 쉴드케이블의 적용을 검토하고 있다.

AAL 프레임은 두 개의 프레임에 하나의 패널이 걸쳐 전기와 통신선과 연결될 수 있도록 구성되어 있다. AAL 프레임의 직교방향에 놓인 부재는 AAL 프레임의 간격을 지지하는 역할을 하여 디바이스가 담긴 패널이 폭에 맞게 결합될 수 있게 도와준다.

Fig. 3. Concept of AAL Frame

벽체 및 천장은 300×300간격의 모듈, 바닥은 사용자의 신체 폭을 고려하여 600×600 간격의 최소 모듈이 결정되며, 프레임의 1개 모듈에 장착되는 패널 및 장착시스템은 사용목적과 용도에 따라 크기와 위치가 다양하게 적용될 수 있다. 300mm 단위의 모듈을 사용한 것은 건축설계 분야와 모듈러 건축에서 적용되고 있는 단위를 차용한 것이다⁽¹⁰⁾.

AAL 프레임 소재는 알류미늄 또는 강화 플라스틱 등으로 제작공법과 경제적인 측면을 고려하여 선택될 수 있으며, 패널을 디스플레이로 두고 뒷면에 센서를 두게 되면, 천장이나 벽면 등 활용하고자 하는 면 전체를 디스플레이로 활용할 수 있다.

3.2 AAL 프레임 상세구조

그림 4와 같이, 전선 및 통신선 인입 프레임으로 기존 부재를 개선하고 전선인입을 위해 별도 단면을 설계하였다.

Fig. 4. Section Details (Left) and 3D View(Right) of AAL Frame

기존 구조재 역할만 하였던 Stud의 역할을 확장하여, 철재의 변형이 일어날 수 있는 ㄷ자 형태에서 보다 안정적으로 장착시스템의 무게를 지탱할 수 있는 H 형태(40×40)의 단면의 형태를 설계하고 전선 및 소켓과 건물 구조체에 확실히 고정하기 위해 2겹의 앵커볼트 지지구조를 두었다.

특히 장착시스템을 AAL 프레임에 고정하여 전기 및 통신을 연결할 수 있는 소켓부를 두었다. 또한 AAL 프레임에 인입되는 전선 및 통신선은 피복재에 싸여 있는 형태로 프레임 틀 크기에 맞게 끼워지며, AAL 프레임에 끼워진 전선 및 통신선은 갈고리 형태의 프레임으로 쉽게 빠지지 않게 설계되었으나, 필요하면 도구를 이용하여 교체가 이루어질 수 있도록 설계되었다.

그림 4의 오른쪽은 AAL 프레임의 장축방향 일부만 표현할 것으로 측면에 피복선이 매입되고 소켓이 삽입되고 있는 것을 이미지로 보여주고 있다.

3.3 AAL 프레임의 설치방법

AAL 프레임의 장축은 실내 공간의 크기에 따라 길이가 결정된다. AAL 프레임의 장축은 벽면, 바닥, 천장으로 이어진다. 장축 300mm을 하나의 모듈로 사용하는 프레임은 실내공간의 요소별로 길이가 결정된다. 예를 들어, 2300mm의 벽면높이의 경우, AAL 프레임 7개가 사용되어 2100mm 의 길이로 설치되며, 남은 200mm의 공간에는 프레임을 대신하는 부재가 설치되어 공간을 매우는 동시에 천장에 설치되는 프레임으로 전기와 통신선을 연결한다.

천장, 바닥으로 하나로 연결되는 AAL 프레임은 프레임의 단축 방향으로 모듈 간격인 300mm 만큼 수평이격 되어 배치되는데, 이들 프레임을 수평으로 전기 및 통신선이 전달되도록 구성되어 있다.

이처럼 실내 공간 안에 전기 및 통신이 연결될 수 있는 인프라를 구축한 후에 센서가 담긴 모듈이나 패널 등으로 마감을 하게 되면, 센서를 매립함에 따른 실내 마감도가 높아지며, 설치위치와 종류의 제약 없이 사용자가 거주 중에도 손쉽게 설치가 가능하다. AAL 프레임에 결합되는 모듈은 디바이스를 담을 수 있으며, 패널은 일반 실내마감재의 역할만 수행하는데 프레임 소켓부에 클립방식으로 고정됨으로 설치가 가변적이다.

벽면, 천장과는 달리 바닥의 경우, 센서의 종류가 매트 등의 센서로 한정되어 센서매립 공간이 불필요하기 때문에 AAL 프레임의 단축 길이가 짧다. 그림 5와 같이, 바닥 장착시스템은 구조체면 위에 프레임이 놓여지지 않고 바닥 보호몰탈 속에 AAL 프레임을 담는 틀 안에 매립되어 설치되기 때문에 깊이가 20mm 정도로 얇다. 무엇보다 바닥 난방을 사용하는 경우에는 구조체와 마감재의 간격이 있으면 열전달에 불리하기 때문에, 보호몰탈 안 난방배관에 간섭이 없으면서 바닥마감에 간격이 없도록 매립된다.

통합형 장착시스템의 경우, 기존 시공방식에 기능을 더하였고 기존 시공방식과 유사한 시공방식을 취하고 있기 때문에 타공정과 간섭이 발생하지 않는 장점이 있다. 습식벽체인 경우, 벽체면 바로 위에 설치가 되지만, 공간을 구분하는 가벽의 경우, 2개의 AAL 프레임을 양쪽으로 고정하여 양면을 사용할 수 있도록 가벽이 설치된다. 천장 내부에는 전기, 배관, 공조덕트 등과 같은 설비가 매립되어 있지만, AAL 프레임 자체가 기존 M-Bar의 기능을 대체하고 두께도 50mm이내의 최소폭으로 만들어져 있기 때문에 간섭이 발생하지 않도록 계획되어 있다.

Fig. 5. Section Details (In Case of floor)

3.4 기존 실내마감재와 AAL 프레임의 비교

AAL 프레임은 기존 실내마감 프레임에 전기, 통신선을 추가하고 마감재가 쉽게 고정될 수 있는 역할을 수행한다. 기존 프레임보다 제작단가에서 가격차이가 발생하지만, 사용자가 직접 모듈을 설치할 수 있으며, 센서가 매립되기 때문에 미관성을 확보할 수 있기 때문에 설치 및 유지관리 전체를 포함하면, 기존 방식대비 V(value index) = F(fuction) / C(cost) 가 우수할 것으로 판단된다. 특히 AAL 프레임이 대량생산 보급화가 이루어진다면, 기존방식 대비 경제적 효과가 커질 것으로 예상한다.

경제성 외에도 기존 실내 마감법과 기능, 미관성, 시공성 등의 비교를 통한 AAL 프레임의 장점은 이하 표 1과 같이 나타낼 수 있다.