지구온난화에 따른 기후변화로 한반도는 갈수록 뜨거워지고 있다. 국립기상과학원에 따르면 우리나라 연평균 기온은 20세기 초 30년(1912~1941년) 12.6도에서 최근 30년(1988~2017년) 14.0도로 높아졌다. 점점 아열대화 하고 있는 것이다. 올해는 111년 만의 폭염이 찾아다. 올 겨울은 지난해 보다 혹독한 추위가 올 것이라는 전망도 나오고 있다. 이상기후가 일상화 되고 있는 것이다.

2015년 195개 국가가 파리 기후변화협약에서 지구 평균기온 상승폭을 산업혁명 이전 대비 2도 미만으로 억제하기 위해 온실가스 배출량을 줄이기로 약속했다. 우리나라는 2030년까지 배출전망치 대비 37% 감축을 선언했다. 우리는 기간 안에 온실가스 저감 목표를 달성해야 한다. 하지만 폭염과 혹한이 반복되는 속에서 무조건 에너지 절약만 외칠 수는 없는 상황이다.

이런 가운데 우리나라에서 주택의 에너지·건강·쾌적성을 최적화할 수 있는 기술이 개발되고 있어 주목받고 있다. 단국대학교 건축공학과 문현준 교수는 인공지능(AI), 빅데이터, IoT를 활용해 재실자의 라이프 스타일을 파악하고 수면·휴식·운동 등 상황에 맞는 주거환경을 스스로 제어하는 기술을 개발했다. 이 기술은 지난해 한국공학한림원이 주관하는 ‘2025년, 대한민국 산업을 이끌 미래 100대 기술’에 선정됐다. 우리가 생활하는 공간들을 IT가 직접 수요·관리를 해줌으로써 생산성은 높이면서 에너지를 효율적으로 관리할 수 있게 되는 것이다.

문 교수는 “기후나 환경이 변화함에 따라 공간에서 필요로 하는 디바이스들이 많아질수록 사람이 제어하는 게 어려워지고 에너지 절감에도 한계가 있다”며 “이 기기들을 통합적으로 제어해 최적의 환경을 만들면서 수요관리를 통해 효율적으로 에너지를 절감해야 한다”고 강조했다. 지난 8월 22일 경기도 단국대죽전캠퍼스에서 문 교수를 만나 해당기술에 대해 들어봤다.

‘인공지능 기반 라이프 스타일 맞춤형 건강·쾌적 환경 제어 기술’이란 무엇인가요?

“최근 폭염으로 더워서 깨는 일 많으셨죠? 전기료 부담에 에어컨을 풀로 가동할 수도 없고, 시간 설정해두면 어느새 더워져서 다시 틀고 자기도 하구요. 더운데다가 습기도 많아서 제습기도 가동해야 하고, 실내 공기 질을 위해 공기청정기도 한 번씩 돌려놔야 안심이 되죠. 이렇듯 현재는 사용자가 직접 보일러, 에어컨, 공기청정기, 가습기 등의 온·오프 및 온도제어를 수행해야 합니다. 하지만 집안에서 가동 필요성이 있는 환경조건이 되면 각 기기들이 스스로 작동한다면 어떨까요? ‘인공지능 기반 라이프스타일 맞춤형 건강·쾌적 환경 제어 기술’은 건물 및 공간에서 발생하는 수많은 데이터를 활용해 에너지를 적게 사용하면서도 쾌적하고 안전한 환경을 만드는 시스템입니다. 단순히 온·습도나 미세먼지농도 등 환경·기후정보만을 고려하는 것이 아니라 재실자의 행동패턴도 고려한 제어를 수행합니다. 예컨대 사람이 집에서 다양한 활동을 하는데 그때마다 쾌적함을 위한 조건들이 다르죠? 수면하거나 앉아서 활동하거나 운동하는 등 상황별로 냉난방, 환기 등 시스템이 달리 가동돼야 하는 것입니다. 건물 내 재실자의 활동에 따른 최적의 환경을 제공하면서 에너지 소비를 최소화하고 온실가스 저감에 크게 기여할 수 있는 미래기술입니다.”

이 기술 개발을 위해서 어떤 연구를 해 왔나요?

“이 기술은 여러 가지 센서와 에너지소비패턴 등을 시스템이 학습해 예측, 판단함으로써 적절하게 환경을 조성합니다. 이는 단일 기술이 아니고 공간의 데이터를 수집하는 기술, 빅데이터 해석 및 행동패턴 예측기술, 관련 하드웨어 개발 등의 연구가 필요합니다. 기존에는 사용자가 스스로 냉난방 온도를 조절했다면, 이제는 사용자가 어떤 환경을 원하는지를 알아서 제어를 해줄 수 있는 알고리즘에 대한 연구를 했습니다. 이 연구는 공간에 사람이 있는지 없는지, 몇 명이 있는지, 어떤 활동을 하는지 등 재실자에 대한 파악이 선행돼야 합니다. 카메라가 아닌 다른 방식을 이용해 공간에서 일어나고 있는 활동을 추적해, 그 환경에 맞게 디바이스들을 제어해 주는 연구를 합니다. 실제 에어컨이나 환기시스템을 연결해서 운전도 하고 제어기 등의 제품도 만들고 있습니다.”

최근에 출시된 에어컨은 사용자의 패턴을 스스로 학습해 온도나 습도 등을 자동으로 조절하기도 합니다. 이 기술도 같은 맥락으로 보면 될까요?

“가전제품을 만드는 회사에서는 에어컨, 냉장고, 보일러 등 개별 시스템에 특화된 기술 개발을 주로 한다면, 저희는 통합한 시스템을 개발한다고 보시면 됩니다. 예컨대 겨울에 보일러를 틀면 온도만 올라가면서 상대습도는 떨어지기 때문에 실내가 건조해 집니다. 보일러에는 가습기능이 없어 따로 가습기를 켜야 합니다. 이런 디바이스들을 같이 연동해서 자동으로 제어해준다면 실내 환경이 훨씬 좋아지겠죠? 단위 제품에서 못하는 것들을 다룬다고 보시면 될 것 같습니다.”

이 기술을 개발하게 된 계기가 있나요?

“건축설비를 전공했고, 컴퓨터 사이언스를 부전공했습니다. 건축공학 중에서 환경설비를 주로 연구했는데 이것은 보일러나 냉난방 등에 대한 연구입니다. 주로 데이터를 기반으로 시뮬레이션을 합니다. 데이터들을 활용해 ‘어떻게 하면 사람들이 쾌적하고 건강한 환경을 편리하고 안전하게 유지하면서 에너지를 줄일 수 있는 건물을 만들 수 있을까’에 대한 고민을 했습니다. 에너지 효율이 높은 제품들은 많이 나오지만, 그런 여러 제품들이 한 공간 안에서 관리가 잘 되지 않는다면 전체적인 공간 에너지 효율이 나빠집니다. 건물은 사람이 활동하는 공간이기 때문에 사람 중심의 환경이 만들어져야 합니다. 에너지는 적게 쓰는데 환경이 안 좋은 건물들이 있습니다. 에너지 절감만 강조하다 보면 그 안에서 활동하는 사람들의 생산성이 떨어질 수 있기 때문입니다. 재실자가 요구하는 환경을 알아냄으로써 적절한 시스템을 가동한다면 생산성과 에너지 효율을 동시에 높일 수 있다고 생각했습니다.”

인공지능(AI)에 대한 관심이 높습니다. 건축 분야에 있어 AI가 어떤 역할을 하나요?

“이 기술은 건축분야에 SW/IT 기술을 도입한 융합연구로서 새로운 연구기반을 구축한 의미가 큽니다. 평소 실내의 적정 온도를 맞추는 것이나 열대야 때 어느 시점에 에어컨을 끄고 자야 시원함이 유지될지 등을 판단하는 것이 쉽지는 않습니다. 디바이스가 많아질수록 그런 고민은 커지죠. 하지만 인공지능을 활용하면 쉽게 문제를 해결할 수 있습니다. 30분 후에 집에 들어갈 것을 인공지능이 알고 있다면 미리 온도를 조절해 줄 수 있겠죠. 미리 활동을 예측해서 결과를 산출한다면 적절한 시점에 시스템 등을 조절할 수 있게 됩니다. 제어하는 과정에 머신러닝이나 딥러닝을 적용합니다. 이렇듯 인공지능이 사람들의 생산성을 떨어뜨리지 않으면서 에너지를 절감할 수 있도록 도와줄 것입니다.”

이 기술이 우리 생활을 어떻게 변화시킬지 궁금합니다.

“미세먼지가 심한 날, 황사가 심한 날, 비가 오는 날 등에 우리는 많은 고민에 직면하게 됩니다. 미세먼지가 높을 때는 창문을 닫고 공기청정기를 틀 것입니다. 공기청정기를 언제까지 틀어야 할까요? 창문을 계속 닫고 있으면 실내 공기질이 나빠집니다. 그렇다면 언제까지 환기를 해야 하는지 또 판단을 해야 합니다. 이렇게 집안에 있는 가습기, 공기청정기, 제습기, 환기시스템 등을 제어하기 위해서는 사용자가 판단을 계속해야 하고 제어를 제각각 해야 합니다. 하지만 제어할게 너무 많아 안하거나 할 줄도 모르는 경우가 많습니다. 이런 판단을 인공지능이 대신해주고 디바이스들을 연결해 통합 제어 하도록 하는 것입니다. 최종적인 목표는 ‘공간이 나한테 맞춰주는 것’인데요, 내가 수면을 취하고 있으면 가장 깊게 잠이 들 수 있도록 만들어주고, 운동 할 때는 운동에 가장 적합한 환경으로 만들어 주는 공간이 될 수 있을 것입니다.”

최근 들어 이동통신사에서 ‘스마트 홈’ 제품이 줄줄이 출시되고 있습니다. 이들과 무엇이 다른가요?

“현재 스마트 홈을 출시하는 회사들은 자신들의 플랫폼에 기기를 맞추게 되어있습니다. 해당 회사와 제휴한 제품들만 연결할 수 있는 것이죠. 예컨대 SKT의 스마트 홈을 사용하고 있는 집에서는 샤오미 공기청정기를 스마트 홈에 연결할 수가 없습니다. 이런 한계를 해결하기 위해, 어떤 제품이든지 연결해서 통합 제어할 수 있는 오픈 플랫폼을 만들려는 것입니다.”

스마트 홈에만 국한되나요?

“그렇지 않습니다. 향후에는 주택 외에도 업무시설, 집합시설, 상업시설, 병원, 요양원 등 다양한 용도로 확장할 계획입니다. 스마트단지, 스마트시티 등 도시 전체의 환경을 제어할 수 있을 것입니다.”

현재 이 기술의 개발 상황은 어떤가요?

“기본적인 알고리즘에 대한 개발은 완료된 상태이며, 제품화 하는 중입니다. 먼저 재실자의 행태를 파악하는 연구가 선행됐고, 다음 단계에서는 활동을 미리 예측하는 연구가 진행됐습니다. 현재 대략적으로 주거환경에서 일어나는 행위는 찾아낼 수가 있습니다. 재실자 유무, 수면 상태 등은 파악이 가능합니다. 재실자의 행태를 미리 예측하는 연구도 끝난 상태입니다. 올해 안에 시제품이 출시될 예정입니다.”

예측 정확도는 어느 정도 되나요?

“테스트 결과 90% 이상의 정확도를 보이고 있습니다.”

카메라를 찍지 않고 어떻게 재실자의 활동에 대한 정보를 얻을 수 있나요?

“각 공간마다 생활 데이터(에너지 소비, 가스 소비, 물 사용 데이터 등)에 대한 모니터링 시스템이 갖춰져 있기 때문에 알 수 있습니다. 데이터 패턴을 보면 되는 것이죠. 사람이 자고 있다면 조명에너지가 떨어질 수도 있고, 샤워를 한다면 물 사용량이 늘어나는 등의 변화가 있겠죠. 이런 활동 데이터들을 통합해 분석한다면 사람이 있는지, 어떤 행동을 하는지 등의 구분이 가능해집니다.”

재실자가 다수인 경우에는 어떻게 제어를 할지 궁금합니다.

“재실자가 다수인 경우 제어방식에 대한 연구도 진행했는데 같은 공간에 있어도 개인별로 쾌적도는 다를 수 있습니다. 한 사람은 춥다고 느끼는데 다른 사람은 덥다고 생각할 경우 웨어러블 기기를 통해 여러 가지 신체정보를 파악하고 쾌적도를 알아낼 수 있습니다. 이 경우 시스템은 덥게 느끼는 사람 쪽으로 찬바람이 많이 갈 수 있게 제어 할 수도 있습니다.”

이 기술이 제품화 한다면 경제적 부담은 어느 정도 될까요?

“주거환경에 따라 부담 정도는 다를 수 있습니다. 아파트의 경우는 가정마다 월패드(비디오 도어폰 기능뿐 아니라 조명·보일러·가전제품 등 가정 내 각종 기기를 제어할 수 있는 단말기)가 있기 때문에 거기에 알고리즘을 넣으면 됩니다. 하드웨어를 만들 필요가 없어 추가로 비용이 들지 않습니다. 다만 단독주택이나 사무실처럼 월패드가 없는 경우에는 제어기를 별도로 설치해야 합니다. 제어기와 각각의 디바이스를 연결해야 하는데, 와이파이 등의 무선을 이용하는 경우 통신부담은 없어 제어기 비용만 내면 됩니다. 제어기 비용은 20만원 이하로 예상됩니다. 유선의 경우는 통신비가 함께 들 수 있습니다.”

에너지 효율은 어느 정도 되나요?

“온도제어를 비롯해 습도, 미세먼지, 오염물질 등을 모두 파악해 제어하기 때문에 에너지 효율 면에서 뛰어납니다. 에너지를 최적화해 사용하므로 운영비용도 절감이 될 수 있습니다. 테스트 결과 쾌적도는 약 25% 상승하고, 에너지는 약 30% 절감하는 것으로 파악됐습니다.”

이 기술이 상용화 하기 위해서는 어떤 부분이 개선돼야 할까요?

“우리나라 가전제품 회사들의 제품 개발력은 뛰어나지만 운영 면에서 해외에 비해 폐쇄적인 편입니다. 디바이스 마다 프로토콜(통신 시스템이 데이터를 교환하기 위해 사용하는 통신 규칙)이 다 달라서 호환이 잘 안 된다는 것입니다. 하지만 스마트 홈이나 스마트 기술이 발전하기 위해서는 IoT 표준 프로토콜로 수렴을 하는 것이 필요하다는 생각이 듭니다. 오히려 중국이나 유럽 제품들이 스마트 홈 디바이스에 연결하는 것이 쉽습니다. 우리나라가 하드웨어적인 부분은 잘 갖춰져 있으니 소프트웨어(알고리즘, 통합제어) 측면에서 개선이 된다면 스마트 산업도 더 빠르게 발전할 수 있을 것 같습니다.”

해당 기술은 지난해 한국공학한림원이 주관하는 ‘2025년, 대한민국 산업을 이끌 미래 100대기술’로 선정됐습니다. 미래 100대 기술로서 왜 중요하다고 생각하시나요?

“인공지능 기반 라이프 스타일 맞춤형 건강·쾌적 환경 제어 기술은 우리나라가 미래의 방향으로 삼고 나아갈 건강하고 안전한 사회 및 스마트 도시 구현을 위한 기초적인 기반을 제시할 수 있을 것으로 보여집니다. 장수 사회의 도래와 더불어 개인적인 다양성이 확대된 사회로 발전해 가면서 인공지능을 활용해 개별적인 라이프 스타일을 반영한 최적의 건강·쾌적 환경 제공이 가능하게 될 것 입니다. 사회 구성원들의 건강이 향상되고 생산성이 증대돼 지속적인 성장이 가능한 미래 도시 개발에 기여할 것입니다. 고령화시대 및 일인 세대 구성원의 증가에 따라 사회적 변화에 유동적으로 대처할 수 있으며 에너지뿐만 아니라 건강 안전망 구축에도 기여 할 것입니다.”

이 기술이 우리나라에 꼭 필요한 이유는 무엇인가요?

“우리나라 사람들은 환경에 민감한 편입니다. 폭염에는 에어컨이 많이 팔리고, 미세먼지 문제로 공기청정기가 많이 팔리고 최근에는 제습기를 구입하는 가정도 늘어나고 있습니다. 한 가정에 디바이스들이 많아질수록 제어하기가 힘들어질 것입니다. 환경 변화에 따라 사람들의 요구는 더 커질 것으로 보여지는데요. 민감한 재실자들이 요구하는 수준을 맞춰주면서 에너지는 더욱 적게 써야 합니다. 현재 우리나라는 기후변화협약으로 온실가스 저감 목표를 맞춰야하는 상황입니다. 에너지 효율을 높이든 에너지를 줄이든지 해야 하는데 옛날처럼 무작정 에너지를 안 써서 맞출 수는 없습니다. 결국엔 수요관리가 중요해지는 것이죠. 생산성을 높이면서 효율적으로 에너지를 절감하는 방법들을 찾아내야 하기 때문에 이 기술이 꼭 필요하다고 생각합니다.

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문현준 교수는?

(미) 조지아텍 박사

한양대학교 석사

한양대학교 학사

원전하나줄이기 실행위원 (서울시)

부회장 (사)한국건축친환경설비학회

Oak Ridge National Laboratory 연구원

Lawrence Berkeley Laboratory 객원연구원