Society 5.0 등 사회 시스템 변혁에 대해 DX화의 요망이 있는 가운데, 필요 정보의 획득·전송·기록에 관련된 기반 기술로서 센싱 기술에 큰 기대가 집중되고 있다. 말할 것도 없이 센싱 기술은 도량형으로 시작되어 현재에 이르기까지 매우 오랜 역사를 가지고 있으며, 사회가 변천함에 따라 새로운 기능을 부가·실현하는 동시에 그 시대의 요청에 대응한 다양한 역할을 수행해 왔다.
제2차 세계대전 후 시작된 제조업의 기기 계측화·자동화 속에서 이른바 오토메이션의 실현에 크게 공헌했지만, 지금 다시 비제조업으로 적용 분야를 확대하는 기운이 높아지고 있어 센싱 기술의 복합 계측화, 예측 기술의 필요성이 논의되는 등 잠재적이지만 다량의 센싱 요구가 있다고 여겨지며 그 표면화가 주목받고 있다. 한편, 새로운 계측 시즈의 출현 등도 있어 그 사회 실장화가 요망되고 있다.
실제로 사회의 DX화에 있어 기반 기술을 담당하고 있으며, 이 글에서는 센싱 기술의 향후 역할과 장래 전망에 대해 개인적인 견해와 함께 설명한다.
DX 사회와 빅데이터, 그리고 센싱 기술
이미 알고 있듯이 DX(Digital Transformation)란 스웨덴의 우메오 대학 교수인 에릭 스톨터만(Eric Stolterman)씨가 2004년에 제창한 개념으로, ‘IT의 침투가 사람들의 생활을 모든 면에서 보다 좋은 방향으로 변화시키는 것’이라고 되어 있는데, 기업이 비즈니스 환경의 심한 변화에 대응해 데이터와 디지털 기술을 활용, 고객이나 사회의 요구를 바탕으로 제품과 서비스, 비즈니스 모델을 변혁하는 동시에 업무 그 자체나 조직, 프로세스, 기업 문화·풍토를 변혁하고 경쟁상의 우위성을 확립하는 것이기도 하다.
말할 것도 없이 데이터와 디지털 기술을 활용하는 점이 포인트로, 어떤 데이터를 어떤 디지털 기술과 연계시킬지가 문제를 해결하는 열쇠이며, 그것에는 광범위한 다양성과 가능성이 있다는 것은 상상하기 어렵지 않다. 따라서 사람들의 생활을 모든 면에서 보다 좋은 방향으로 변화시키는 것이 목적이라면 구호로만 끝나지 않도록 그 내용에 대해 깊이 생각하는 것을 잊어서는 안 된다.
즉, 센싱 기술에서 보면 실제로 빅데이터의 영역에 해당하는 것이 되고, 대상을 광의의 사회 시스템으로 가정해 그 상황·상태의 온라인적 파악을 목표로 해야 하는 것은 필연이다. 그렇다면, 거기에는 센싱 기술의 측면에서 생각해 잠재적이고 미개의 거대한 분야가 펼쳐져 있다고 할 수 있다.
이 점을 감안하면, DX를 실현시키는 핵심은 SoT, IoT, AI의 긴밀한 연계에 있다는 것을 알 수 있다.
· SoT(Sensor of Things) : 필요한 곳에 센서를 적극적으로 설치해 필요한 데이터를 온라인적으로 습득하는 개념으로, IoT와 병행하는 형태로 주장되고 있다.
· IoT(Internet of Things) : 인터넷을 통한 데이터의 효과적 전송․수집 시스템
· AI(데이터 활용) : 새로운 센싱 기술을 창출하는 다양한 알고리즘 개발
즉, 사람들의 생활을 보다 좋은 방향으로 변화시키는 데 기본이 되는 대상 시스템의 상황·상태를 온라인적으로 파악해(정보·데이터의 습득) 유기적으로 전송·수집하고, 수집된 데이터를 분석해 목적이 실현되었는지를 명확히 하는 인덱스에 의해 평가하는 체제를 갖추는 것이다. 그림 1은 그러한 개념을 그림으로 나타낸 것이다.
거대하고 잠재적인 센싱 기술 미개척 적용 분야
센싱 기술에서 볼 때 기기 계측화, 가시화, 정보화가 늦거나, 혹은 이들이 거의 실시되지 않은 영역·분야가 수없이 존재하고 있다. 오토메이션화 시대를 떠올릴 필요도 없이 이들이 자동화·생력화·효율화에 도움이 된다는 것은 분명하며, 더구나 인력 부족이 지적되는 가운데 이러한 종류의 움직임이 적은 것이 오히려 기이하다.
지역의 인구 감소와 고령화가 겹치면서 산업의 상실을 우려하는 측면도 대두되고 있으며 큰 사회 문제이다. 그렇기 때문에 DX화가 더욱 필요하고, 그 돌파구로서 새로운 센싱 기술의 개발이 요구되는 것이다.
세계적으로 여러 가지 지적되고 있는 것을 정리하면서 그러한 영역·분야를 나열해 본 것이 그림 2이다. 이 경우 중요한 것인데, 이른바 계측 기술이 미개척인 분야에 계측 기술을 적용할 때 이미 있는 센서나 계측기기를 오른쪽에서 왼쪽으로 전개하면 되는 것이 아니라, 안전 관리나 환경 감시, 구조물의 노후화, 가축이나 양식어의 성육 상태·건강 상태, 재해에 의한 피재 상황, 감염 방지와 밀집 회피 등 지금까지의 시점과는 다른 관점에서 모니터링·평가하는 것이 요구되어 새로운 센싱 방식의 개발이 필요하다.
따라서 새롭게 진출해 가는 분야가 다양하고 넓으면 넓을수록 요구되는 센싱 기술의 다양성·가능성의 폭은 넓으며, 더욱이 현 단계에서는 잠재적 요구이므로 내용이 불분명한 점을 유의해야 한다. 그러나 한편으로는 거기에는 거대한 요구가 숨어 있다고 예상할 수 있다. 그런 것을 좀 더 구체적으로 생각해 볼 수 있는 예로, 감염 확대 방지 대책을 위한 모니터링 시스템을 들어 본다.
이미 알고 있듯이 코로나바이러스의 감염 확대 방지 대책의 하나로서 3밀(밀폐·밀집·밀접)을 피하는 것이 지적됐으며, 구체적인 대책으로서 환기 시스템이 주목받았다. 환기 시스템의 대표적인 예는 공기청정기이며, 최근에는 이 공기청정기에 CO2 센서가 탑재되어 있어 폐쇄 공간의 밀집 상황을 CO2 농도로 관리해 합리적으로 환기 시스템을 동작시키고 있다. 인간 거주 공간의 쾌적성을 유지하기 위해서는 과도한 환기 동작을 피해야 하며, 여기에는 감염 확대 방지뿐만 아니라 쾌적성 환경 확보의 일환으로도 센서가 활용되고 있다.
그림 3은 상황에 따라 환기가 필요하다고 생각되는 대상의 예를 나타낸 것이다. 이러한 대상 모두에 CO2 센서를 탑재한 공기청정기가 장비되면, 철도 차량, 승용차, 강의실, 일반 가정 등 그 수는 매우 많으며, 거대한 잠재 수요가 존재한다. CO2 센서 이외의 것이라도 유사한 상황을 예상하기 어렵지 않으며, 이 센싱 기술 미개척 분야를 적극적으로 경작하는 사고가 필요하다.
새로운 분야로 전개하는 데는 왜 새로운 센싱 기술이 필요할까
SoT, IoT, AI의 긴밀한 연계에 의한 DX화가 시작되는데, 이와 함께 센싱 기술은 새로운 분야로 전개하는 상황에 직면하게 된다. 여기서 중요한 것은 새로운 분야는 단순히 지금까지와는 다른 분야 이상으로, 그 분야에 있어서도 새로운 ‘것’을 시작한다는 의미로, 이는 세상을 변화시켜 가는 것이다. 또한 새롭다는 것은 어떤 의미에서는 새로운 기능이 제공되거나, 지금까지 이상의 성능 향상이 도모되거나 하는 것이다. 따라서 세상을 변화시키기 위해서는 그 나름의 새로운 기능·성능을 갖춘 시스템의 실현이 요구된다.
더욱이 새로운 기능·성능을 가진 시스템이 실현됐는지를 객관적으로 확인·보증하는 것도 중요하며, 이를 위해서는 적당한 관점의 객관적 평가가 필수이다. 이 역할을 담당하는 것이 바로 센싱 기술이다.
즉, 센싱 기술이 새로운 분야로 전개됨에 따라 새로운 평가의 관점에 선, 새로운 측정 항목에 대한 대응(평가 인덱스의 창출과 평가 알고리즘의 정비)이 요구되며, 여기에는 새로운 시스템이 새로운 측정 항목을 요구하고 새로운 측정 항목이 새로운 시스템의 탄생을 보증하는 양방향 인스피레이션(inspiration) 관계가 성립된다. 이것은 ‘센서를 제어하는 자가 시스템을 제어한다!’라는 말로도 표현되고 있다.
또한 분야가 다른 것에 의한 측정 항목 등의 차이를 제조업(예를 들어 프로세스 산업)과 비제조업(예를 들어 사회 인프라 ; 도로 교량)에서 비교한 예가 그림 4이다.
새로운 센싱 기술에 의한 DX 사회가 가져오는 것
이미 다루었듯이 DX 사회에서는 데이터와 디지털 기술, 일부 센싱 기술과 디지털 신호 처리의 연계가 효용을 가져올 것으로 기대된다. 많은 효용을 예상할 수 있지만, 지면 사정도 있고 필자가 깊이 관심을 가지고 있는 것에 대해 다루어보기로 한다.
1. 디지털 데이터·디지털 기술의 특징
효용 논의에 들어가기 전에 효용을 창출하는 디지털 데이터·디지털 기술의 특징에 대해 다루고 싶다.
① 검색 가능성 : 우선 첫 번째로 디지털 데이터는 아날로그 데이터와 달리 검색 가능성을 가진 것이 큰 특징으로, 다량의 정보 속에서 필요한 정보를 쉽게 꺼낼 수 있다.
② 정보(데이터)의 병렬 전송·기록, 공유 : 세세한 점은 제쳐두고 실용적인 의미에서 디지털 정보는 동일한 하나의 정보를 여러 곳에 동시 병렬적으로 전송·기록할 수 있으며, 그 공유에 의한 상호 감시·관찰·정보 관리를 하는 것이 가능하다.
③ 연계를 통한 빠짐없는 정보 지원 : 정보 간의 연계 관계를 명확히 할 수 있고, 하나의 안건에 대해 고려해야 할 항목을 모두 빠짐없이 정비해 둘 수 있다.
2. 작업의 세 가지 활동 형태
세상에 여러 가지 활동이 이루어지고 있다는 것은 이미 알고 있지만, 그것을 대담하게 분류하면 다음의 세 가지 형태이다.
① 제조 작업 : 제조업으로 대표되는 제조설비를 이용하는 제조 작업
② 사회 인프라 작업 : 교통 인프라 등 사회 인프라 설비를 이용해 실현되는 작업
③ 인간 작업 : 행정 활동을 비롯해 인간의 판단·행동에 기초해 이루어지는 서비스 작업
이 중 ①은 과거 오토메이션화 실적도 있어 DX화가 가장 진전돼 있는 작업이다. 물론 앞으로도 진화를 목표로 더욱 지속적인 개발이 이루어지기를 기대한다. 한편, ②는 최근 세간의 검토 대상이 되어 다양한 기술 개발도 이루어지고 앞으로 그 사회 실장이 기대되고 있다. 또 다른 한편 ③은 DX화가 가장 늦어져 있는 미개척의 작업 분야로, 이것을 개척함으로써 크게 세상이 변혁될 것으로 생각된다.
3. 인간 작업의 분석과 DX화의 과제
인간 작업 분야의 DX화를 생각하기 위해 행정 등 서비스업 등 분야에 대한 센싱 기술의 도입을 예로 들어 그 과제를 그림으로 나타낸 것이 그림 5이다.
자연재해(제방 붕괴) 발생에 따른 피난 유도 지시 등을 이미지하면서 생각하면 생각하기 쉽지만, 인간 작업의 핵심은 (재해)상황의 판단과 그에 이어지는 의사결정(행정 지지 등)의 연쇄이다. 이러한 인간 작업을 지원하기 위해서는 가능한 한 신속하게 상황을 알리고, 그에 따라 적확하고 빠뜨리는 일 없이 작업을 실현하는 데 도움이 되는 것이다.
이를 위해서는 적확한 상황 모니터링과 판단·의사결정을 추진하는 데 적합한 객관적인 평가 지표 제시가 필요하다. 따라서 센싱계는 지능화는 말할 것도 없고 인식·관찰의 성격을 띠게 된다. 결과적으로 인간 작업의 리드 타임이 단축된다.
4. DX화의 효용 : 생산성 향상 1.0 ⇒ 2.0
과거 오토메이션 시대는 디지털 기술의 활용은 적었지만 DX화를 알리는 예고였다. 여기서는 결국 주로 제조업의 생산성 향상이 도모되어 세상이 크게 변화됐다.
이제 다시 DX화가 요구되어 제조업 분야를 넘어 일반 사회를 중심으로 인간 작업과 관련된 리드타임 단축을 핵으로 하는 새로운 생산성 향상이 도모되고 있다. 이 점을 인식하지 못한 사람이 많을지도 모르겠지만, 이것은 결과적으로 사회에 큰 영향을 미치는 요인이 될 수 있는 것이다. 즉, 리드타임의 단축은 ‘사물·작업’의 변화 속도 그 자체이며, 비즈니스 경쟁의 원점이기도 하다.
오토메이션화 시대의 생산성 향상을 ‘생산성 향상 1.0’이라고 부른다면, 새로운 생산성 향상은 ‘생산성 향상 2.0’이라고 부르는 것이 적합하다. 또한 그림 6은 양쪽을 비교해 그 특징을 그림으로 나타낸 것이다.
복합 계측화와 예측 계측 기술의 필요성
앞에서 DX화의 일환으로 센싱 기술은 생산성 향상 2.0 실현에 기여하는 역할을 해야 한다고 말했는데, 이를 위해 센싱 기술 자체의 성격도 변화할 필요가 있으며 이에 관해 이하의 두 가지 점, 복합 계측화와 예측 계측 기술의 필요성에 대해 지적하려고 한다.
1. 복합 계측화의 추진
앞으로의 센싱 기술이 바뀌어야 할 큰 방향 중 하나는 복합 계측화라고 생각된다. 그림 7은 그 개략적인 내용을 그림으로 나타낸 것이다.
복합 계측화에서는 문자 그대로 여러 개의 센서 출력을 이용하는 것이 기본이 되는데, 경우에 따라서는 넓은 영역에 걸친 관련 정보, 장기간의 관측 데이터, 다차원 시공간 데이터 등이 대상이 될 수도 있다.
데이터는 신호 처리, 통계 처리 등이 실시되고 상황에 따라 커스텀 알고리즘에 의한 분석을 실시하며, 가시화 기법의 고안을 더해 예측, 진단, 행동 지시, 식별 등으로 이어지는 효과적인 인덱스로 만들어진다.
또한 요망되는 정보는 이제 물리적 정보의 단계를 넘어 적확한 판단·의사결정으로 이어지는 정보로, 센서 데이터와 적정한 알고리즘 연계에 의해 효과적이고 현장에서 이해하기 쉬운 인덱스가 되도록 유의해야 한다.
2. 예측 계측 기술의 필요성
복합 계측 시스템의 개발은 이미 시작되었고, 구체적인 예는 여러 분야에서 많이 생각할 수 있다. 중요한 전형적인 예로는 자연재해를 줄이기 위한 예측 기술과 피난 유도를 위한 지원 시스템이 있다. 그림 8은 그 개요를 설명한 것이다.
그림에서 볼 수 있듯이 주된 자연재해의 대상으로서 토사 재해, 홍수 침수, 해일 침수가 생각되는데, 우량계, 수위계를 비롯해 경사면 계측 감시나 Web 카메라 등의 화상기기, 나아가 인공위성이나 드론에 의해 많은 관측 데이터가 수집되고 AI 등의 분석 기술을 활용해 토사 재해나 하천의 범람 예측이 실현된다.
예측 정확도를 높이기 위해서는 그 나름의 관측점이 필요하며, 관측망의 계획적 정비는 아직 계속돼야 한다. 이 점은 최근 일기 예보의 신뢰성 향상과 관측 체제의 충실한 경과를 생각하면 분명하며, 침수 피해 대책을 위해서도 동일하게 적용된다. 특히 최근의 게릴라성 호우 상황을 고려하면, 재해를 줄이기 위한 대책 강화는 필수적이며 DX화의 관점에서도 재검토하는 것은 효과적이다.
또한 미래에는 해저드 맵 등을 고도화한 적절한 피난 유도 지시 시스템의 구상도 논의되고 있다.
더욱이 적정한 예측이 가능해진다는 것은 재해를 줄이기 위한 준비·대책(피난도 포함)·계획(예산 계획도 포함)에 대해 시간적 유예를 초래한다는 것이 중요하며, 시간적 유예를 만들어내는 것이 포인트이다. 시간적 유예가 있을수록 기회를 놓쳐 도망치지 못하는 경우를 줄일 수 있다는 점, 피난의 효과가 나타난다는 것은 분명하다.
센싱의 새로운 시즈에 대한 기대
이상 DX화에 있어 센싱 기술이 담당하는 역할은 크며, 그에 따른 효용에 기대하고 싶다. 다만, 원래 센싱 정보 활용의 논의로, 센싱 기술의 적정성을 전제로 하고 있다. 센싱 기술은 앞으로도 지속적으로 진화·발전해 갈 것이지만, 그런 의미에서 중요한 두 가지 동향에 대해 이하에 간단하게 다루고자 한다.
1. 양자 센싱계에 대한 기대
지금까지 양자역학적 현상의 센싱 기술에 대한 응용이라고 하면, 조셉슨 효과(Josephson effect)를 응용한 조셉슨 전압 표준이나 초전도 양자 간섭계 : SQUID(superconducting quantum interference device), 터널 효과를 이용한 STM(주사형 터널 현미경) 등이 대표적인 것이었다.
이에 대해 최근의 화제는 다이아몬드 NVC(질소-빈구멍 중심)에 의한 초고감도 자기 계측이나 양자 관성 센서가 있어 그 동향이 주목받고 있다(그림 9).
NVC는 질소를 혼입시켜 다이아몬드를 제조하면 생기는 격자 결함의 일종이다. 이 빈구멍은 전자를 포획(트랩)해 음으로 대전하기 쉽지만, 포획된 전자의 스핀에 관한 에너지 준위의 성질에 기초해 자기 계측이 이루어진다. 즉, 외부 자계가 없는 상황에서는 스핀의 에너지 준위가 축퇴(縮退)하고, 자계가 더해지면 제만 효과(Zeeman effect)에 의해 축퇴가 풀려 스펙트럼이 분리된다. 이 경우의 분리 폭이 외부 자계의 크기에 비례한다. 이 분리 폭은 핵자기공명(ODMR : optically detected magnetic resonance)법과 같은 광학적 기법으로 검지할 수 있으므로 자기 계측이 실현된다. NVC는 스핀이 가지는 양자 특유의 ‘중첩 상태’를 실온에서도 오래 유지시킬 수 있으며, 극저온 기구에 의존하지 않고 실온에서 자기 계측을 실현할 수 있는 것이 지금까지의 SQUID와 크게 다른 점이다. 또한 NVC는 자기 이외에 전기장, 온도, 변형에 대해서도 높은 감도를 나타낸다고 한다.
2. 새로운 소재의 출현
한편 센서에 있어 물성형 센서의 단어에서 볼 수 있듯이 신규 센서 재료의 개발은 중요하며, 항상 새로운 센서 재료의 출현을 고대하고 있다. 이 점에서 흥미로운 것은 메타메테리얼, 그래핀＆카본나노튜브(CNT)로 볼 수 있는 새로운 소재의 출현이다.
메타메테리얼이란 예를 들어 음의 굴절률을 가진 물질을 창출하는 등 자연계의 물질에는 없는 거동을 하는 인공 물질을 말하며, 다른 한편으로 그래핀이나 카본나노튜브(CNT)는 탄소의 단원자 시트나 단원자 관(튜브)을 말한다.
모두 지금까지 없었던 물성의 소재를 제공하는 것으로, 메타메테리얼은 ‘슈퍼 렌즈’, CNT는 가스 센서 개발에 응용 등이 기대되고 있다.
이러한 물성은 소재의 혼합비로 결정되는 물성이 아니라, 벽돌을 하나하나 쌓아 만들어진 것처럼 구성 원자의 기하학적 배치법으로 결정되는 미크로한 구조적 특징에 기초한 것이 흥미롭다. 이러한 것을 생각하면 완전히 새로운 타입의 크로마토그래피가 실현될 가능성도 기대할 수 있다(그림 10 참조).
맺음말
이상, 센싱 기술의 적용 분야가 급격히 확대될 것으로 예상되는 가운데, 센싱 기술과 디지털 기술의 연계라는 관점에서 DX화의 문제를 고찰해 보았다.
센싱 기술에 종사하는 입장에서 보면, 거대하고 잠재적인 센싱 요구의 존재는 몸이 굳어지는 긴장감을 느끼게 하며 다시 개발 체제의 현상을 되돌아보게 한다.
센싱 기술에 대한 새로운 이해와 오픈 마인드의 개발 지원이 무엇보다 중요하며, 이 점에 DX화의 성패도 관련된다고 생각한다.
