1.1 연구의 배경 및 목적

스마트홈 (Smarthome)에서 건강을 관리하는 헬스케어 서비스에 대한 관심이 높아지면서 보다 복잡하고 다양한 센서(Sensor)의 사용이 증가하고 있다. 건강에 관련된 정보는 정확하고 다양한 상황에서 측정되기 때문에 고사양의 센서가 주거공간 안 다양한 위치에 설치될 수 있는 가능성이 높아지기 때문이다^[5].

건축적 요소보다 IT기기는 발전 속도로 인해 비교적 수명이 짧아서, 새로운 IT(Information Technology)기기 출현 시 대응이 비교적 느린 편이다. 그러다 보니 스마트 기기들은 주거공간 내부에 난잡하게 설치될 수밖에 없어 기기의 전선 및 통신선이 그대로 노출되고 기존 마감재를 훼손하는 경우가 발생한다. 이는 전문가에 의한 설치가 필요하며, 이에 따른 비용이 발생한다. 특히 난잡한 설치는 미관적으로 바람직하지 않다.

건축요소는 IT의 빠른 발전속도에 대응하여 기기를 주거공간 안에 수용할 수 있는 방향으로 개발되어야 한다. 기존 실내 마감법을 준수하면서 건축요소에 매립된 IT 기기에 전기 및 통신을 연결해야 하며, 기기의 교체와 유지관리가 용이한 방법이 적용되어야 한다. 특히 AAL(Ambient Assisted Living)은 무구속, 무자각, 실시간, 양방향 서비스를 추구하기 때문에 주거공간과 기기의 융합설계는 필수적이다.

이에 실내공간 모든 부위에 기기를 매립할 수 있으며, 전기 및 통신을 전달할 수 있는 통합형 장착시스템의 개발이 필요하다. 이 장착시스템은 규격화 및 장착성, 시공성을 확보하며, 거주자 특성과 센서의 사용목적에 따라 벽, 천장에 센서, 게이트웨이, 디스플레이, 조명, 음향장치을 매립하여 연동할 수 있다. 바닥의 경우, AAL 프레임에 걸음걸이 매트와 같은 판형센서가 장착되는 경우가 많아 장착모듈이 적용되는 부위는 벽체와 천장으로 한정하였다.

앞선 연구에서는 전기 및 통신선을 수용하는 인프라인 AAL 프레임을 설계하였다^[5]. 본 연구에서는 AAL 프레임과 연계되어 기기를 담는 공간모듈인 AAL 모듈을 설계하고자 한다. 본 연구에서는 기존 실내마감법을 고려하여 공간손실 없이 기기를 매립하는 위치를 검토하고 전기 및 통신이 전달되는 동시에 쉽게 탈부착이 가능한 모듈을 제안하고자 한다.

2.1 기존 벽면마감 고찰을 통한 센서 매립공간 검토

주거공간 내 벽체 마감법은 크게 목재나 경량철골로 벽의 구조체를 세워 마감재를 붙이는 건식과 콘크리트 벽체에 벽지나 페인트를 마감하는 습식의 두 가지 방식이 있다. 벽식 구조가 많은 우리나라의 경우, 비용적 측면에서 유리한 벽지마감이 많이 사용되지만, 벽면에 센서가 부착하게 되면 미관적으로 좋지 않을 뿐더러 전기 및 통신선 처리가 용이하지 않기 때문에, 센서가 매립되는 공간 확보를 위해 건식 마감법 고려가 필요하다.

건식 벽체는 구조형틀 역할을 하는 경량철골 부재(Stud)나 목재를 건물 구조면에 고정하여 석고보드와 같은 부재를 피스 등으로 고정하며, 가벽은 양면에 석고보드 등을 고정하여 벽체를 형성하게 된다. 마감면 안쪽은 구조형틀 부재의 깊이만큼 대략 50mm 내외의 여유 공간이 발생하며, 여기에 단열재, 흡음재, 전선이 매립되기도 한다(그림. 1).

Fig. 1. Method of Indoor Wall Construction

이와 같이 벽체 마감부 내 여유공간을 활용하여 센서를 매립하게 되면, 공간낭비 없이 센서가 매립될 수 있다. 기존에 매립되어 있던 단열재나 흡음재는 두께가 얇으면서 성능이 좋은 재료로 대체가 가능하다.

2.2 기존 천장마감 고찰을 통한 센서 매립공간 검토

천장은 전기, 조명, 환경조절 등의 설비가 이미 매립되어 있기 때문에 센서매립을 위한 공간은 여유로운 편이다.

벽체와는 달리, 건물구조면에 마감용 형틀을 바로 고정하지 않고 매달기 방식으로 천장면을 구성하기 때문에 마감재 내부에 여유공간(150-300mm)을 충분히 활용할 수 있다. 한편 일반 오피스와는 달리 공동주택의 경위, 많은 수의 세대를 수용해야 하는 경제성으로 층고는 인간이 생활하기 위한 최소 높이로 구성되어 있다. 따라서 상부 슬래브 면에 페인트 또는 벽지로 마감을 하거나, 목재나 철재를 대어 석고보드 또는 판재로 마감(50mm)을 하여 바닥에서 천장면 까지의 높이(천장고)를 최대화하고 있다(그림. 2). 그러나 최근 건설되고 있는 아파트는 천정에 시스템에어컨이나 전열교환기 등의 덕트, 스프링클러(일정 층수 이상) 설비를 도입하고 있어 천장마감 내 여유공간을 확보하는 추세이다.

Fig. 2. non-suspended ceiling(Left), suspended ceiling(Right)

장착시스템은 두 가지 천장마감법 모두 적용될 수 있는 최소 여유공간 50mm를 센서를 매립할 수 있는 공간으로 설정하여 설계할 필요가 있다.

2.3 기존 센서 및 기구장착의 문제점

건축물을 포함하여 주거공간은 건축된 후에 거주자의 라이프 사이클(Life Cycle)의 변화에 따라 리모델링(Remodeling) 등의 수법을 통해 건축물의 변형이 발생한다. 건축물보다 생애주기가 짧은 것으로 여겨지는 센서 및 기구 등은 보다 빠른 교체가 이루어지며, 건축물에 추가적으로 부착되는 경우가 많다. 대표적으로 천장은 환풍구 및 스프링클러, 조명기구가 설치되는 것 외에도 방범을 위한 적외선 센서나 보안카메라, 움직임을 파악하는 키네틱(Kinetic)센서, 와이파이(Wi-Fi) 신호를 송출하는 단말기, 가스 및 화재 탐지기 등 수많은 센서 들이 부착되며, 기술 발전에 따라 어느 위치에 어떠한 센서가 부착될지는 예측하기 어렵다(그림. 3).

Fig. 3. Attached Sensors on Finishing Surface of Indoor Environment

필요에 따라 매번 설치를 하게 되면, 기존에 설치된 마감재를 손상하게 되며, 난잡하게 부착된 센서로 미관상 좋이 않을뿐더러 설치를 할 때마다 전문인력이 투입되어야 하는 단점이 발생하기 때문에 필요한 곳에 언제든 사용자가 손쉽게 장착할 수 있는 방안이 필요하다. AAL 헬스케어 기기 뿐 아니라 기존 센서나 기기를 수용할 수 있도록 주거공간 안에 전기와 통신이 매립된 인프라 구축이 필요하며, IoT(Internet of Things) 기술 발전에 따라 모든 기기들이 상호 연결되어 작동하는 스마트홈 역할을 수행하는데 도움을 줄 것이다.

2.4 장수명건축으로 부터의 시사점

장수명 건축은 건축물의 내구성, 가변성, 수리 용이성을 극대화하고자 하는 연구로 사용자의 주거생활 양식과 건물 사용연한을 구분하여 경제성과 친환경성을 추구하고자 하는 연구이다[3]. 주요이론인 오픈 하우징(Open Housing)은 주거공간의 레벨을 도시 > 가구(District) > 단지 > 주호 > 방 단위 순으로 구분하여, 사용연한에 따른 가변요소를 서포트(Support) 요소와 인필(Infill)요소로 구분하고 있다^[4].

서포트는 구조체, 공용설비나 시설 등 공공의 의사에 의하여 결정되는 부분으로 상대적으로 수명이 긴 부분을 지칭하며, 인필은 거주자 의사에 의해 결정되는 단위세대 내 건축요소로 시대 변화, 거주자 변화, 가족구성 변화, 생활주기나 생활양식 변화에 유연하게 대응할 수 있도록 가변성을 갖추어야 할 뿐만 아니라, 설비나 내장의 노후화, 고장 등에 대비하여 점검, 보수, 교체 등의 유지관리가 쉽게 이루어질 수 있도록 수리 용이성에 대응하고 있다.

통합형 장착시스템은 장수명 건축이 추구하는 방향과 유사하다. 그러나 전기 및 통신이 결합된 IT 기기와 건축요소의 결합은 주호보다 짧은 사용연한이 적용되기 때문에 오픈 하우징에서 구분한 방의 단위보다 세밀한 단계의 적용이 이루어져, 보다 쉽고 간단하게 탈부착이 될 수 있는 장착시스템 개발이 필요하다. 나아가 가변성, 시공성 뿐만 아니라 전기와 통신이 일체화 되어 IoT 환경의 인프라를 제공할 수 있는 환경을 구축해야 하며, 가장 중요한 점은 장착모듈 교체가 가전교체와 같이 사용자 중심의 사용편의성이 더 발전되어야 할 필요가 있다.

3.1 AAL 장착모듈 개요

앞서 검토한 기존 마감법 고찰을 통해 센서가 매립될 수 있는 공간을 검토하였으며, 전기 및 통신이 건축과 일체화되어 기기를 쉽게 장착할 수 있는 AAL 장착모듈을 설계하였다.

통합형 장착시스템은 AAL 프레임과 AAL 장착모듈이 결합된 것이다. AAL 장착모듈은 건축요소에 기기와 융합될 수 있도록 고안된 것으로 센서 및 기기를 담는 역할을 하며, 사용자가 직접 손쉽게 기기와 장착시스템을 설치할 수 있다.

AAL 장착모듈은 매개모듈과 센서모듈의 2가지로 구분되어 있다(그림. 5, 그림. 6). 매개모듈은 AAL 프레임에 결합되며(그림. 4), 기기에 전기 및 통신을 전달하는 역할을 한다. 센서모듈에는 기기가 담겨있으며, 매개모듈에 장착하여 전기 및 통신을 공급받는다.

Fig. 4. Section View(Left) and 3D View(Right) of AAL Frame^[5]

Fig. 5. Intermediation Module

Fig. 6. Sensor Module

장착모듈은 AAL 프레임의 모듈간격과 동일하게 가로 세로 300mm 정도의 크기로 벽과 천장에 동일하게 적용할 수 있다.

3.2 AAL 프레임

앞서 선행연구에서 전기 및 통신을 전달할 수 있는 구조체인 AAL 프레임을 설계하였다^[5]. AAL 프레임은 주거공간의 마감재를 지탱하는 구조재에 전기 및 통신선이 인입되어 IT 기기에 신호를 공급할 수 있는 인프라 역할을 한다. 경량 철골부재와는 다르게 전선 및 통신선을 담을 수 있고 건물 구조체에 앵커볼트로 고정하며 센서가 담긴 무거운 장착모듈도 지탱할 수 있도록 단면이 설계되어 있다.

하나의 프레임 단면의 좌우측은 각각 전기 및 통신선이 매립되어 있으며, 1개 장착모듈이 2개의 프레임에 걸쳐 신호를 공급받게 된다. 300mm 정도가 1개 장착모듈이 장착되는 범위로 프레임 정면에 연결단자가 삽입된다. 프레임의 길이는 벽체높이와 천장 폭을 고려하여 300mm의 배수로 결정되며, 여분공간은 보충부재로 대체되어 벽체 및 천장의 프레임과 연결된다.

3.3 AAL 장착모듈 설계

먼저 센서모듈과 프레임을 연결해주는 매개모듈은 클립형태의 연결단자가 AAL 프레임에 고정되며, 연결단자를 통해 전기와 통신을 공급받는다(그림. 5, 그림. 6).

그러나 센서모듈에 장착되는 매개모듈에 경우에는 매개모듈이 프레임에 장착되는 것보다 쉽게 탈부착이 될 수 있도록 나선형 홈에 끼워지는 방식으로 고안되어 있다. 매개모듈의 나선형 홈의 끝부분은 클립형태로 고정이 되는 방식으로 이 부분을 통해 센서모듈에 전기 및 통신을 전달한다(그림. 7).

Fig. 7. Combination Image of Mounting System (Sensor Module + Intermediation Module + AAL Frame)

그림. 5, 그림. 6은 각각 매개모듈과 센서모듈의 정면, 배면, 측면도를 나타내고 있다. 형태가 비슷해 보이지만, 매개모듈에 센서모듈이 결합되어 동일한 면으로 맞추어 지도록 설계되어 있다.

센서모듈은 직경 200mm, 깊이 40mm 정도의 공간에 센서가 매립된다. 센서에 매립된 IT 기기는 센서모듈에 달린 전원과 통신단자와 연결되며, 센서모듈은 매개모듈에 결합된다. 특히 센서모듈 베셀부는 측면에 돌출형태의 구조가 있어 매개모듈의 나선형 홈을 따라 맞물려 본체가 고정이 되며, 돌출부를 통해 전기 및 통신신호가 전달된다. 센서모듈의 베셀부는 패널부 베셀부와 분리되어 공회전을 하도록 구성되어 있기 때문에, 사용자는 센서모듈을 회전시킬 필요가 없이 누르는 힘에 의해서 손쉽게 결합된다(그림 7).

한편 매개모듈의 연결부는 굴곡이 있는 형태로 AAL 프레임에 내장되어 있는 고정클립부 안에 삽입되어, 본체를 고정하고 AAL 프레임으로부터 전기 및 통신을 전달받는다(그림. 8). 본체를 탈착을 할 경우에는 AAL 프레임의 탈착버튼을 누르면 고정클립부 내 클립이 매개모듈 연결핀을 고정하는 힘이 해제되어 쉽게 분리할 수 있다(그림. 8).

Fig. 8. Section View of AAL Frame and Intermediation Module (Before and After Combination)

3.4 통합형 장착시스템 사용예시

통합형 매개모듈은 벽체나 천장에 AAL 프레임을 고정하고 매개모듈을 두 AAL 프레임에 걸쳐서 결합한 후, 기기가 담긴 센서모듈을 매개모듈에 끼워 넣으면 한 개의 통합형 장착시스템이 완성된다. 이러한 통합형 장착시스템이 벽면이나 천장면 전체에 AAL 프레임을 따라 장착이 되며, 센서가 들어가지 않아도 되는 위치에는 비용절감을 위해 매개모듈과 센서모듈 대신 일반 패널로 장착이 가능하다.

다양한 사용목적에 따라 벽체 및 천장은 디스플레이, 조명, 전원단자, 각종 센서 등이 사용될 수 있으며, 천장은 기존 설비용도로 활용이 가능하다(그림. 9-그림. 11).

Fig. 9. Combination Procedure of Mounting System

Fig. 10. Example uses of Mounting System(Wall)

Fig. 11. Example uses of Mounting System(Ceilling)