가전제품 안전성 향상을 위한 새로운 방향

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 가정에서 매일 또는 주기적으로 해야 하는 일을 단순화해 스트레스 없이 집안일을 할 수 있도록 도와주는 많은 가전제품이 시장에 나와 있다. 제대로만 작동한다면 훌륭한 도우미지만, 일부 가전제품은 고장이 날 경우 안전성이 떨어지고 화재 등 심각한 문제를 야기할 수 있다. 국제전기기술위원회(IEC)는 가전제품이 안전하게 설계되도록 하기 위해 기계·전기 설계의 기능 안전성에 관한 IEC 60730 클래스 B 표준을 정립했고, 미국 보험협회 안전 시험소(Underwriters Laboratories)도 해당 표준을 승인했다. 레인지와 조리대뿐 아니라 세탁기와 기타 다양한 가전제품 사용 시 더 안전한 사용자 경험을 제공하는 새로운 터치스크린 집적회로(IC)는 이 표준을 충족하도록 인증된 기능 안전성이 내장돼 설계됐다.

가전제품의 심각한 문제 발생 방지

비영리 국제 기구인 미국 국립화재예방협회(NFPA)가 발표한 연구 보고서에 따르면, 가정 내 조리 중 발생하는 화재의 62%는 레인지나 조리대가 원인으로 나타났다. 실제로 보고서에는 ‘조리 중 자리를 비우는 것은 조리 중 화재나 부상의 가장 큰 원인’이라고 구체적으로 적시돼 있다.

또한 NFPA의 연구 결과에 따르면, 2013년에서 2017년까지 조리 기구로 인한 사망 원인 1위 역시 레인지와 조리대(46%)였다. 미국 국토안보부의 연방재난관리청(FEMA) 산하 연방소방국(USFA)은 2018년 이후의 최신 데이터(미국 내 데이터로 국한)를 발표하고 있는데, [그림 1]에서 보듯 여전히 조리는 주택 화재의 가장 큰 원인이다.

1999년에 연방소방국이 국가화재사고보고시스템(NFIRS)을 도입한 이후 다른 수많은 영역에서 상당한 기술적 발전이 이뤄졌음에도 불구하고 가정 내 조리로 인한 화재는 꾸준한 증가세를 보였다. 이러한 추세를 감안할 때, 가전제품 제조사는 이 수치를 줄이기 위해 레인지와 조리대의 안전 문제 해결을 목표로 삼아야 한다.

가전제품 기능 안전성을 위한 안전 규정

국제전기기술위원회(IEC)는 가전제품에 안전성 확보의 필요성을 인식하고 ‘가정용과 이와 유사한 용도의 장치에 사용되거나 그와 같은 장치와 연관해 사용되는’ 자동 전기 제어 장치에 대한 IEC 60730-1 표준을 정립했다. 해당 표준은 1986년 처음 공개돼 정기적으로 수정과 개정을 거쳤으며, 가장 최근의 수정은 2020년 4월에 이뤄졌다. 미국 보험협회 안전실험소(UL)도 본 규격을 정식 승인했다.

기능적 안전의 근거는 모든 전자·기계 시스템이 궁극적으로 실패할 것이라는 점에 있다. 설계 단계에서 고장이 발생할 가능성 자체를 제거할 수 없으므로, 이에 따라 차선책은 고장이 나더라도 보다 안전하게 고장 나도록(fail-safe) 하는 것이다. IEC/UL 60730 규격은 세 가지 안전 등급을 규정하고 있는데, 클래스 A는 안전 측면에 의존하지 않는 제품을 대상으로 하며, 클래스 C는 특수한 위험 방지를 목적으로 하는 제품을 대상으로 한다.

이 두 등급 사이에는 IEC/UL 60730 클래스 B, 또는 간단히 말해 클래스 B가 있다. 클래스 B 분류 대상은 레인지/스토브, 세탁기, 건조기, 식기 세척기, 냉장고, 냉동고 등 주요 가전제품을 모두 포함한다. 클래스 B는 가전제품에 고장이 발생할 경우 위험을 예방하는 소프트웨어와 제어 기능을 요구한다. 일례로 열 차단이나 자동 도어 잠김, 조리 기구나 세탁 가전이 안전하지 않은 상태에서는 동작을 중지하는 기타 기능 등이 이에 포함된다. 현재 미국과 유럽에서는 자동 세척 기능이 있는 모든 조리 가전과 도어 자동 잠김 메커니즘 관련 제어 장치가 장착된 세탁 가전의 경우 클래스 B 인증이 필수 요건이다.

가전제품 안전에 대한 기존의 접근방식

과거의 솔루션은 주방이나 세탁실 내 가전제품의 안전에 대한 우려를 해소하기 위해 기존에는 가전제품이 기계식이든 정전용량식이든 관계없이 버튼, 슬라이더, 휠에 마이크로컨트롤러(MCU)를 널리 사용해 왔다. MCU에는 정전식 터치 기술의 안전성과 상태를 모니터링하는 소프트웨어 라이브러리가 탑재돼 있다. 오늘날 가전제품은 이러한 표준을 준수하기 위해 안전 라이브러리가 내장된 별도의 MCU로 제어되는 정전식 터치 버튼을 갖춘 정전식 터치스크린을 사용하고 있다.

사용자 인터페이스를 구성하는 일부 버튼은 제품의 안전한 동작과 주택 화재 등의 위험 방지를 위해 특히 중요하다. 예를 들어, 미주나 유럽 지역으로 출하되는 자가 세척 기능이 탑재된 조리 기구는 두 번 누르면 세척 모드가 동작하고 한 번 누르면 정지하도록 만들어야 한다. 자가 세척 기능이 있는 오븐은 위험할 정도로 매우 높은 섭씨 500도(화씨 900도)에 도달한다는 점에 유의해야 한다. 이 정도 온도에서는 자가 세척 모드에서 오븐 내의 물품에 불이 붙을 수 있기 때문에 IEC/UL 60730 클래스 B 규격은 자가 세척 기능이 있는 가전제품에 대해 두 번 누르면 작동, 한 번 누르면 정지할 수 있는 기능을 필수 요건으로 규정하고 있다. 해당 요건의 목적은 자가 세척 모드를 시작할 때 두 번 누르게 함으로써 두 번째 터치 시 안전하게 시작되는지 재확인하도록 유도하는 데 있다. 예를 들어, 사용자가 연기 냄새를 맡은 후 한 번의 터치로 중지 또는 취소 버튼을 사용해 이 모드를 종료하는 것이다. 중지 버튼이 안전하게 동작하는 것은 사용자의 안전에 매우 중요하다. 따라서 중지 버튼은 모든 환경에서 반드시 정확하고 확실하게 작동해야 한다. 여러 번 누를 필요 없이 최대한 빨리 자가 세척 모드를 중단할 수 있어야 위험한 화재를 피할 수 있다.

단일 아날로그 주변장치 모니터링은 MCU를 사용하면 쉽고 간단하다. 주변장치는 통합 다중화된 몇 개의 버튼을 모니터링한다. 하나의 주변장치로 일련의 버튼을 스캔할 수 있다. 해당 기능은 MCU에 내장돼 있지만 가전제품 제조사는 추가로 안전 기능을 개발하고 인증해야 할 책임이 있다.

가전제품 안전에 대한 새로운 접근 방식

가전제품에 기능 안전성 요건이 적용된 지 여러 해가 지났지만 이제서야 현대식 터치스크린 인터페이스에 고전적인 안전 수칙을 적용해 이 요건을 충족할 수 있는 옵션이 생겼다. 이는 터치스크린을 구현하거나 업그레이드할 때 새로 출시된 제품을 클래스 B 인증 규격에 맞게 설계할 수 있는 이상적인 방법이다.

고유 안전 관련 기능을 갖춘 ATMXT336UD-MAUHA1 맥스터치(maXTouch) 컨트롤러 제품군은 별도의 버튼을 추가할 필요 없이 터치스크린의 ‘소프트’ 버튼을 통해 차단 기능을 구현할 수 있다. 버튼을 제거하고 비용을 절감하면서도 필요한 기능을 유지할 수 있는 역량은 가전제품 제조사에게도 충분히 이점으로 작용하겠지만, 단순화된 인터페이스는 사용자에게 더 매력적으로 다가갈 것이다. 통합된 접근방식은 간단하면서도 더 직관적이다. 또한 불필요한 것들을 제거하고 별도의 버튼 제작에 비용을 들일 필요가 없기 때문에 더 편리하다. 이보다 더 중요한 특징은 세계 각국의 고객에게 맞게 차단 기능을 사용자의 모국어로 변경할 수 있다는 점이다[그림 2].

연기 감지기는 수십 년 전에 주택 안전의 새 역사를 선도했다. 클래스 B 기능 안전성 인증 터치스크린은 연기 감지기와는 달리 경보를 울리는 동시에 필요한 조치를 취할 수 있다. 주변에 연기나 위험한 무언가를 감지하기도 전에 사람의 개입 없이도 선제적 방지 기능을 수행한다.

요리하는 사람의 개입 없이도 클래스 B 터치스크린이 자체적으로 해결할 수 있는 안전 항목의 예를 들어보자. 무거운 냄비를 뜨거운 인덕션 버너 위에 떨어뜨리면 대개의 경우 두꺼운 유리가 버너를 보호하지만, 바로 아래에 있는 인듐 주석 화합물(ITO)로 만들어진 얇은 터치 센서는 상대적으로 약하기 때문에 깨질 수 있다. 이렇게 깨질 경우 터치스크린의 특정 부위에 국한된 터치 기능이 소실될 수 있고, 더 심각한 경우에는 센서 전체가 고장날 수도 있다.

클래스 B 인증 컨트롤러는 터치 센서의 상태를 자동으로 실시간 모니터링한다. 센서가 터치 스캔을 하지 않고 있을 때는 IC가 백그라운드로 터치 센서 자체를 스캔해 다른 문제가 없는지 확인한다. 터치스크린 센서에 금 간 곳이 있거나 문제가 감지되면, 컨트롤러는 호스트 CPU에 보고해 버너를 자동으로 차단한다. 이와 같은 기능은 사람이 개입하지 않아도 진행되므로, 안전한 기기 동작이 가능하다.

이와 같은 기능은 이전에도 가능했으나, 호스트가 터치스크린 IC의 입력을 유발하거나 상태 확인을 해야 했다. 지금은 이 기능을 IC가 직접 수행하며, 문제가 발생할 때마다 호스트에게 메시지를 보낸다. 시스템 호스트 CPU의 인터럽트 핀에 연결되어 있는 IC의 특수 I²C 버스 메시지나 범용 입출력(GPIO) 핀은 자동으로 경보를 보내 차단 기능이 시작되도록 한다. 내장된 자체 구동 안전 기능은 주방 화재로 이어질 수 있는 상황을 예방하는 수단이 된다[그림 3].

클래스 B 인증을 취득하기 위해서는 터치스크린 IC에 대한 몇 가지 기능 안전성 테스트를 통과해야 한다. 주요 테스트 중 하나는 메모리 테스트다. 터치스크린 IC에는 해당 애플리케이션에서 필요한 기능을 수행하기에 충분할 정도의 소량의 RAM과 플래시 메모리가 들어 있다. 임베디드 환경에서 폐쇄형 시스템은 고객 코드를 실행하지 않는다. 클래스 B 인증 규격을 충족하기 위해 메모리 테스트 주기를 결정하는 규칙이 있다. 예를 들면, 패턴 테스트 형태로 일련의 워킹 1(Walking 1)과 워킹 0(Walking 0)을 백그라운드로 실행하면서 IC의 RAM 고장 여부를 확인한다[그림 4].

이런 프로세스는 프리 RAM의 상태가 양호한지 검사하는 테스트로 시작된다. 소량의 메모리는 대부분 데이터로 차 있기 때문에 애플리케이션 코드의 일부를 테스트가 끝난 부분으로 이동해 공간을 만든 다음 테스트한다. 테스트 프로세스는 RAM 전체를 테스트할 때까지 계속된다. 테스트를 실행하면서 동시에 애플리케이션 코드를 셔플링함으로써 메모리 전체를 순차적으로 테스트할 수 있다.

이 테스트를 관리하는 것만으로도 상당히 복잡한 프로세스인데, 멀티 핑거 터치 이벤트를 동시에 실시간으로 전달하는 클래스 B IC 기능에 포함돼 있다. 백그라운드로 RAM과 센서를 테스트하는 동안에 60헤르츠(㎐), 즉 초당 60회 이상의 진동이 발생하면 IC가 호스트에게 터치가 발생했음을 알린다. 이와 유사한 테스트를 통해 비휘발성 플래시 프로그램 코드 스토리지 메모리 셀을 검사한다.

컨트롤러의 CPU 레지스터를 테스트해 제대로 동작하고 있는지 확인해야 한다. 이 테스트를 수행하기 위해 CPU 레지스터의 현재 값을 읽고 저장한 후, 그 데이터를 현재 테스트하고 있지 않은 다른 레지스터에 저장한다. 이어서 CPU 레지스터를 토글(toggle)해 신규 세팅이 유지되고 있는지 확인한 다음, 초기값을 복구한다. 이로써 CPU 레지스터를 정확한 값으로 제대로 구성하고 재구성할 수 있다.

내부 클럭 테스트를 통해 클럭이 제대로 동작하고 있는지 확인한다. IC 안에는 여러 가지 클럭 트리가 있고, 테스트를 통해 클럭 트리가 제대로 분할돼 실행되고 있는지 확인한다. 여기에 모든 테스트를 망라할 수는 없으나, IC가 수행하는 테스트에 어떤 종류가 있는지 가늠할 수 있다.

안전 측면에서 신제품 IC의 또 다른 특징은 시스템 호스트 CPU와 터치 컨트롤러 간 통신을 개선하기 위해 I²C 버스를 대폭 업그레이드했다는 점이다. 터치 컨트롤러의 I²C 통신은 디바이스가 주고받는 모든 데이터의 무결성을 확보하기 위해 두 가지 메커니즘을 활용한다. 첫째, 순번(sequence number)을 사용한다. 또한 데이터 손상(비트 에러) 여부를 확인하기 위해 버스에 순환 중복 검사(CRC)를 처음으로 추가했다. 가전제품은 전기적으로 노이즈가 발생하는 환경이기 때문에 이 검사를 통해 호스트에 수신되는 좌표가 전송 중 손상되지 않았으며 신뢰할 만하다고 확신할 수 있다. 그리고 I²C 메시지에 순번을 추가했기 때문에 이제는 호스트에 좌표를 보낼 때마다 호스트가 빠진 데이터 패킷이 없는지 확인해 적절한 조치를 취할 수 있다. 인터넷 접속이 가능한 경우, 사용자가 집에 없어도 휴대폰이나 스마트워치로 문제 발생을 통보하도록 프로그래밍할 수도 있다.

앞에서 언급했듯이 클래스 B 표준 안전 테스트를 통해 터치 컨트롤러에 지능을 추가해 자가 진단과 센서 진단 기능을 정기적으로 수행하도록 할 수 있고, 이를 통해 터치 서브시스템의 무결성을 지속적으로 모니터링할 수 있다. 이와 같은 스마트 진단 기능은 GPIO 출력 트리거를 사용해 호스트에게 전달할 수 있는 구성 가능한 하트비트(제대로 작동하는지 여부를 알리는) 신호 출력을 지원할 수 있다.

마지막으로, 터치스크린 안전 칩에서 기능 안전성이 이미 검증된 상황에서는 호스트 CPU에 터치스크린 안전 관리를 위한 소프트웨어를 추가할 필요가 없으므로 사용자의 시스템 레벨 인증 프로세스가 대폭 간소화된다. 이는 신규 기능을 검토하고 구현하고자 하는 가전제품 제조사에 큰 동기부여가 될 것이다.

세탁실 안전

클래스 B 터치스크린 컨트롤러는 주방 외 영역에서 사용되는 가전의 안전 상황에도 대처할 수 있다. 미국 국립화재예방협회(NFPA)의 통계에 따르면, 세탁기나 건조기로 인한 주택 화재 진압을 위해 소방서에서 출동하는 건수는 연평균 1만 5970건(미국 내 기준)으로 추정된다. 이런 화재의 발생 원인은 다양하지만, 안전성 설계 문제도 전체 수치에 상당한 영향을 미친다고 할 수 있다.

세탁실과 관련해서는 세탁기에 대한 클래스 B 요건이 마련돼 있다. 고속 모터가 장착된 세탁기, 특히 드럼 세탁기는 잠금 장치가 있어서 세탁기가 동작하는 동안 부주의로 문이 열리는 일이 발생하지 않아야 한다. 자동 잠금 장치는 기기를 켤 때 안전 기능이 개시되도록 하는 전자기계 디바이스의 형태로 장착돼 있다. 잠금 장치를 터치스크린으로 제어하는 경우 별도의 버튼, MCU, 센서는 없어도 된다.

수동 도어 잠금 해제 기능을 사용하면 세탁기나 건조기의 동작이 시작된 후에도 세탁물을 추가하거나 빼낼 수 있다. 이 기능 역시 안전 표준을 준수해야 한다. 클래스 B 인증을 요구하는 미국과 유럽은 이 기능을 세탁 가전에 대한 법적 요건으로 규정하고 있다. 새로 출시된 대안은 이 모든 기능을 터치스크린에 통합하며, 과열 가능성이 있는 세탁기와 건조기에 적용된다. 또한 드럼 세탁기의 경우 물이 흘러 넘치지 않도록 문이 열리기 전에 탈수돼야 한다. 안전은 사람이 어느 정도 통제할 수 있는 일상생활의 한 부분이기 때문에 이에 대한 관심은 갈수록 높아지고 있다.

특정 지역에서는 특정 제품에 클래스 B 인증을 요구할 수 있으나, 가전제품 제조사는 요건을 일단 만족하고 나면 해당 기능을 갖춘 제품을 다른 어떤 지역에도 판매할 수 있다. 또한 경쟁력 제고를 위해 터치스크린 안전 기능을 추가해 제품의 강점으로 홍보할 수도 있다. 이는 이미 검증된 효과적인 접근방식이다. 이 접근방식은 유럽, 미주, 그 외 지역에서 통용되는 글로벌 모델로 활용할 수 있으므로 제조사는 한 가지의 클래스 B 가전제품만 만들면 된다.

더 안전한 가전제품을 위해

선도적인 가전제품 제조업체의 의견을 바탕으로 시작된 고객 주도형 클래스 B 터치스크린 컨트롤러 설계와 개발은 개념 정립에서 현실화까지 수년이 걸렸다. 전 과정에서 고객의 피드백을 받아 이를 토대로 클래스 B 기능을 미세 조정했다. 이는 확실히 공급업체가 제공하고자 하는 기능이자 고객이 고급 가전제품에 포함되길 원하는 기능임에 틀림없지만, 일부 가전제품 제조사는 모든 고객이 최고로 안전한 가전제품을 사용할 수 있도록 보급형 설계에도 클래스 B 안전 규격 적용을 검토하고 있다.

제조사들이 새롭게 출시된 클래스 B 표준 준수 기능과 관련 비용 절감에 익숙해지고 표준 인증을 받은 가전제품을 만들기 시작하면, 이런 기능이 마케팅 상에 필수가 아닌 기기나 가전제품에도 적용하는 안을 검토하게 될 것이다. 안전을 중요시하는 소비자 대상의 마케팅과 브랜드 차별화 전략의 일환으로, 안전에 민감한 가전제품 라인업 전체에 적용할 수 있다. 가전제품과 인간 간 안전한 인터페이스를 위해 클래스 B 터치스크린 컨트롤러는 오븐, 레인지, 세탁기, 건조기, 식기 세척기, 냉장고, 전자레인지, 컨벡션 오븐 콤보, 레인지 배기 후드 등 다양한 가전제품에도 안전한 선택이 될 것이다.

글: 채드 솔로몬(Chad Solomon) 휴먼 머신 인터페이스 사업부 엔지니어
자료제공: 마이크로칩테크놀로지(www.microchip.com)