충분히 주의한다면 소비자 가전 제품 설계의 이점을 취할 수 있는 산업 시스템

대량 소비자 가전 시장 제품의 설계와 산업 응용 분야용 제품의 설계 간에는 흥미로운 관계가 존재합니다. 하드웨어 측면에서 보면 산업 설계자는 소비자 가전 제품 분야의 다양한 부품 특성을 활용하여 이점을 얻을 수 있습니다. 그중에는 저전력, 저전압 IC, 대량 생산, 저비용 수동, 능동 및 패키징 부품은 물론, 작으면서도 유연한 사용자 인터페이스 옵션(디스플레이 및 키패드)이 포함됩니다.

소프트웨어 측면에서는 드라이버, 연결, 사용자 인터페이스와 같은 I/O 기능 처리용 "모듈화" 루틴, 시스템과 링크 보안 및 암호화 루틴, 숫자 및 수학 함수 등이 포함됩니다.

이러한 이유 때문에 산업 응용 제품을 설계하는 엔지니어가 소비자 가전 제품 부품 및 기타 리소스를 활용하는 것은 꽤나 자연스러운 일입니다.

하지만 이 두 분야 사이에는 큰 차이가 존재하며, 대량 시장 제품 설계 지침 및 목표가 가지는 심리적 경향과 요구 사항에 지나치게 의존하면서 생기는 단점도 존재합니다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같습니다.

1) 범위: 산업 제품은 한 가지 또는 소수의 일을 신뢰성 높게 처리하는 데 중점을 둡니다. 대부분의 산업 제품에는 '적을수록 좋다'는 개념이 통합니다. 다른 말로 하면 적은 수의 기능을 제공하며, 유연성이 다소 떨어지더라도 안정적인 소프트웨어와 일관된 하드웨어로 구현하는 것이 중요합니다. 이와 반대로, 일부 소비자 가전 제품은 이와 비슷한 특성을 가지기도 하지만 너무 많은 기능이 추가되는 경우가 많습니다.

2) 사용자 인터페이스: 소비자 가전 제품은 다층 드롭다운 메뉴, 많은 사용자 옵션, 지속적인 운영 체제 쿼리 등으로 너무 복잡한 경우가 많습니다. 이와 반대로 산업 제품의 사용자 인터페이스는 직관적이고 간결해야 하며 사용자 선택 역시 꼭 필요한 것으로 제한됩니다.

3) 키패드 복잡성: 산업 제품에는 운영 모드 도중 시스템 소프트웨어에 의해 정의되고 재정의되는 "소프트 키"가 아니라 우선 순위 높은 기능에 전용으로 사용되는 단일 기능 키가 사용됩니다.

4) 규제 의무 사항: 소비자 가전 제품은 EMI/RFI 방출 사양에 의해 엄격하게 규제되며 이는 대부분 전원 공급 장치의 와트 기능에 적용됩니다. 산업 설계 역시 방출 규정을 충족해야 하지만 작동 환경을 볼 때 상대적으로 덜 엄격한 경우가 많습니다. 하지만 산업 시스템의 전압이 높아질수록 PC 기판 회로 레이아웃의 공간거리와 연면거리 치수를 포함한 물리적 설계 및 안전 설계에 더 엄격한 요구 사항이 적용됩니다.

그림 1: Panasonic AFPX-C14R PLC는 심미성을 고려하는 것이 일반적인 소비자 가전 기기와는 구분되는 산업 설계를 가지고 있습니다. (이미지 출처: Panasonic)

5) 보호: 산업 제품은 ESD, 스파이크, 잡음, 과전압 및 환경에 내재된 기타 다양한 특성으로부터 보호되어야 합니다. 하지만 소비자 가전 제품은 일반적으로 이러한 요소에 대한 보호 수준이 높지 않아도 됩니다.

6) 열 문제: 소비자 가전 제품 대다수는 자연 대류를 통한 냉각만으로 충분합니다. 따라서 일반적으로 커버에 냉각 구멍이 뚫려 있는 경우가 많고 이 경우 사용자는 이 구멍을 막지 않아야 합니다. 이와 반대로 대다수의 산업 응용 제품은 대기 환경의 온도가 더 높을 것으로 가정하며, 경우에 따라 자연적인 공기 흐름이 거의 없는 밀폐된 캐비닛에서 사용되기도 합니다. 따라서 시스템 설계에 강제 냉각을 적용해야 합니다.

7) 외관: 소비자 가전 제품의 경우 시각적 외관이 기능과 편리성만큼 중요하므로 버튼이 작고 라벨도 읽기 어려운 경우가 많습니다. 반면에 산업 설계에서는 외관보다는 사용 편의성과 기능이 중요하기 때문에 제품 인클로저, 폼 팩터, 라벨링이 심미성보다는 제품의 주요 기능에 의해 정의되는 경우가 많습니다. 이러한 특성은 불필요한 부분을 최소화한 패키지, 기본적인 사용자 디스플레이, 접근이 쉬운 전선 연결 단자가 채용된 Panasonic AFPX-C14R와 같은 PLC(프로그래밍 가능 로직 컨트롤러)에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다(그림 1).

8) 전원 공급 장치: 산업 설계에서 전원 공급 장치는 시스템 신뢰성, 안정성 및 내구성의 기초입니다. 산업 전원 공급 장치의 설계에서는 부품 허용 오차 범위, 온도 범위, 잡음, 장기적 성능 및 전체적 견고성을 강조합니다. 소비자 가전 제품은 필요한 정도만 공급하며, 낮은 비용과 긴 사용 시간(배터리 사용 시)을 중요시하고 내구성도 길지 않은 공급 장치를 사용하는 경우가 많습니다. 따라서 1년 정도 지나면 커패시터가 말라버리거나 부풀어서 공급 장치가 고장 나고 이에 따라 제품을 사용하지 못하게 되는 경우를 많이 볼 수 있습니다.

그림 2: AVX의 THH9476M063W0250W와 같은 산업 응용 제품용 커패시터는 더 높은 온도 허용 오차 범위와 더 긴 수명을 강조합니다. (이미지 출처: AVX)

이와 반대로 산업 전원 공급 장치의 BOM(부품 명세서)에서는 더 높은 온도, 더 긴 수명의 커패시터를 지정하는 경우가 많습니다. 예를 들어 AVX THH 계열의 THH9476M063W0250W 커패시터는 12mm × 12.50mm × 6mm의 47µF 탄탈룸 벌크 부품으로 230⁰C에서 1000 또는 2000시간(접미사에 따라), 200⁰C에서 10,000시간의 정격을 가집니다(그림 2). 실제로 이러한 온도에 도달하는 산업 응용 제품은 많지 않지만, 높은 온도 수준에서의 이러한 수명은 실온에서 표준 등급 장치가 갖는 1000시간보다 훨씬 길다는 것을 의미합니다.

9) 물리적 연결: 소비자 가전 제품에는 여러 개의 케이블과 커넥터가 필요하지만(USB Type-C 때문에 변화하고 있기는 하지만) 소비자 가전의 커넥터는 견고하지 않으며 걸쇠 기능도 없습니다. USB, HDMI 및 전원 공급 장치 어댑터용 배럴 커넥터를 생각해 보면 알 수 있습니다. 이와 반대로 산업 설계에서는 더 견고한 커넥터를 사용하며 잠금 메커니즘과 리테이너를 채용하기도 합니다.

기본적인 트랜스듀서 I/O 배선의 경우 소비자 가전 제품에는 채용될 수 없는, 사용(연결 및 연결 해제)이 쉽고 단순하면서도 신뢰도 높은 단자대를 사용하기도 합니다. Amphenol Anytek의 VI0921550000G가 일반적인 경우입니다. 이 제품은 삽입된 전선에 스크루 다운 잠금 장치가 있는 9-위치 전선-기판 단자대이며, 삽입 전에 전선을 적절하게 벗기면 전선 컨덕터가 노출되지 않습니다(그림 3).

10) 보안: 로우엔드 비디오 카메라 또는 도어벨과 같은 대다수의 소비자 가전 제품에는 해커로부터의 보호 기능이 거의 없거나 전혀 없습니다. 해커가 내부 정보에 액세스하거나 제품 라인을 망가뜨릴 수 있는 산업 시스템에서는 이러한 상황이 허용되지 않습니다. 이에 대해서는 더 설명할 필요가 없을 것입니다.

그림 3: 산업 응용 분야에서는 단순하면서도 신뢰도 높은 단자대가 널리 사용되지만 소비자 가전 제품에는 사용이 어려운 경우가 많습니다. (이미지 출처: Amphenol Anytek)

11) 현장 업그레이드: 최근 소비자 가전 제품에는 인터넷 액세스 기능이 일반적이어서 경우에 따라 벤더에서 소비자의 명시적 승인이 없어도 업그레이드를 다운로드하기도 합니다. 그 결과 사용자가 선택하지 않거나 사용자가 변경의 영향을 이해하지 못한 채 기능 등이 변경될 수 있습니다. 이 "업그레이드" 기능은 베타 버전 제품의 출하를 상쇄하기 위해 사용되기도 합니다. 출하 후 현장에서 수정할 수 있기 때문입니다.

하지만 산업 분야에서는 이러한 상황이 허용될 수 없습니다. 제품은 출하 시 완벽하게 테스트되어야 하며, 업그레이드는 꼭 필요한 경우에만 사전 설명 후, 사용자가 지정한 시간에 수행되어야 합니다.

12) 수리 및 단종: 소비자 가전 설계의 신제품 출시 비율은 몇 년 내에 단종되는 경우가 많음을 의미합니다. 3 ~ 5년 내에 단종되는 경우도 매우 많습니다. 그 후에는 교체용 PC 기판을 사용할 수 없고(수리가 가능하더라도) 부품 역시 공급되지 않을 수 있습니다.

이와 반대로 산업 제품은 10년, 15년 혹은 그 이상 사용되는 경우가 많습니다. 따라서 이 기간 동안에는 모양이나 기능이 대등한 교체용 기판을 사용할 수 있어야 합니다. 이는 벤더가 산업 시장의 긴 수명에 대한 요구를 준수할 의사가 없는 경우 산업 제품에는 최신 IC가 적절한 선택이 아닐 수 있음을 의미합니다.

결론

소비자 가전 제품의 설계는 설계 과제와 목표에 대한 매력적인 해결책을 제시할 수 있으므로 산업 설계자는 소비자 가전 제품의 설계에 사용되는 부품과 접근법 일부의 사용을 충분히 조사하고 고려해야 합니다. 하지만 소비자 가전 제품과 산업 제품 간의 우선 순위 차이를 인식하고, 소비자 가전 제품의 성능 표준 및 부품을 사용할 경우 산업 제품의 고유한 요구 사항이 충족되지 않을 수 있는 분야를 파악하는 것이 중요합니다.