스마트 센서 기술 동향

2014-10-13
김창수 기자, cskim@elec4.co.kr

최근 사물 인터넷에 대한 관심이 높아짐에 따라 스마트 센서에 대한 관심도 더욱 커지고 있다. 이글에서는 스마트 센서의 전반적인 기술과 이슈에 대해 알아본다.
센서 기술 발전방향
센서는 온도와 기압, 가스, 이미지 등 주변 환경 정보를 사람이 감지할 수 있는 전기적 신호로 변환하는 소자 부품이다. 최근에는 사람을 포함한 다양한 정보를 감지하기도 한다. 센서는 이런 주변 환경 정보를 전기적 정보로 전환하는 변환원리에 따라 크게 4가지로 분류할 수 있다. 먼저 압력 및 가속도 등의 물리 센서와 CIS, IR, 조도 등의 광 센서, CO2와 NOx, PH 등의 화학 센서, DNA와 단백질 등의 바이오 센서가 있다.

센서의 구성은 센서부와 신호처리부, 제어부로 나뉜다. 센서부는 기본적으로 정보를 감지하고 이후 신호처리부에서 개별적으로 아날로그나 디지털 등의 전기적 신호로 변환하면 제어부에서 이런 전기적 신호를 소프트웨어를 활용해 고급 정보를 얻거나 다른 디바이스와 연결해 바로 구동하게 된다.
센서기술은 크게 시스템의 요구사항에 따라 발전했다. 기존의 산업용 센서는 벌크형 센서(Discrete)로 크기에 상관없이 특정 기능만 구현했다. 하지만 모바일 IT 시대가 도래하면서 무엇보다도 초소형의 센서(CMOS, MEMS)가 요구됐다. 이후 벌크형 센서와 초소형 센서가 하나의 다이 안에 집적화된 iMEMS 센서, 하나의 칩으로 동시에 구현하거나 두 가지 센서를 하나의 다이에 통합하는 융복합 센서(Combo, Multi)로 발전했다.

한국전자통신연구원의 양우석 부품소재연구소 부장은 “최근에는 모든 신호를 디지털로 변환 후 소프트웨어와 MCU를 활용해 더욱 지능화된 정보를 추출하는 시대”라며 “이 단계에 중요한 기술이 바로 스마트 센서”라고 말했다. 그는 “앞으로 스마트 센서는 나노 기술이 접목되면서 더 많은 센서를 하나의 칩에 탑재하는 스마트 SoC 멀티 센서로 발전해 USN(Ubiquitous Sensor Network)/사물 인터넷(Internet of thing) 등의 분야에 활용됨은 물론, 더 나아가 로봇이나 의료 분야에 도입될 것”이라고 덧붙였다.
스마트 센서의 종류
자이로 센서(Gyro Sensor)는 가속 센서와 함께 모션 센서에 활용되는 대표적인 센서로 X, Y, Z 좌표에서 움직이는 방향을 측정할 때 사용한다. 자이로 센서를 이용하면 스마트폰을 바닥에 놓고 있다 집어 올렸을 때 특정한 앱을 실행하거나 기능을 동작할 수 있다. 지자기 센서(Geo-magnetic Sensor)는 지구의 자기장을 탐지해 방위각을 알 수 있는 센서로 위치 추적과 3차원 입체 게임 등의 용도로 사용되며 내비게이션 항법장치, GPS 등에 활용된다.

가속(Accelerometer) 센서는 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서로 출력신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정한다. 이 센서는 보통 자이로 센서와 함께 사용된다. 중력 센서(G-sensor)는 중력이 어느 방향으로 작용하는지 탐지하고 그 상황에 맞춰 각종 기기의 사용자 편의를 돕는 기능을 수행하며 사용자가 기기를 들고 있는 방향에 따라 자동으로 회전하거나 차량 충돌 시 방향을 기록하는 등에 활용된다. 광/조도 센서(Light Sensor)는 빛을 감지하여 이를 다시 처리가 쉬운 양으로 변환하는 변환기(Transducer)이다. 근접 센서(Proximity Sensor)는 어떤 물체가 센서에 근접했는지 알 수 있으며 보통 스마트폰의 앞면에 위치한다.

주요 이슈

센서 기술의 주요 이슈는 센서와 회로, 시스템 기술로 살펴볼 수 있다. 먼저 센서는 감지방식과 감지구조가 핵심이며 주요 이슈로는 고성능화(기계/전기식, 광/전자 센서), 소형화(MEMS 센서), 다기능화(복합 센서), 저전력화(나노 센서)가 있다.

회로 기술은 신호를 더 깨끗하게 추출하기 위해 저잡음화, 소형화 저전력화, 디지털화, 지능화가 주요 이슈로, 특히 기존 PCB 형태로 만들던 회로를 ROIC(Read Out IC)로 구현함은 물론, ADC를 활용해 디지털화하고 있다. 앞으로는 여러 가지 중요한 소프트웨어를 처리하기 위해 MCU까지 통합되는 형태로 발전할 전망이다.

시스템 분야는 소형화와 대량생산화 등의 패키지 분야의 이슈가 크다. 벌크 시스템 형태에서 SiP(System in Package)로 발전했으며 이런 패키지를 층층이 쌓는 MCP(Multi-Chip Package)가 등장했다. 앞으로는 SoC 형태의 MEMS와 CMOS를 직접 집적하는 iMEMS 패키지가 등장할 것이며 특히 나노 기술이 접목되면서 급격히 소형화 및 멀티 센서로 진행될 것으로 보인다.

융복합 센서

앞서 언급했다시피 스마트 센서는 다양한 기능이 탑재된 융복합 센서이다. 이 중 센시리온(Sensirion)의 온습도 센서는 온도 센서 기능을 하는 CMOS 위에 폴리머로 된 습도 센서 구조체를 함께 통합해 온도와 습도를 동시에 측정하는 제품을 출시했다. 또한 신크라(Synkera)는 e-Nose는 8 x 8 어레이로 64개의 센서가 하나의 어레이 형태로 종합적인 가스 정보를 감지한다.

이같이 어레이를 활용하면 굉장히 칩의 소형화가 가능하다. 특히 융복합 센서 중 가장 대표적인 센서로 꼽히는 모션 센서는 3축 가속도계와 3축 자이로스코프, 3축 지자기를 통합해 소비자 가전 시장에서 많은 주목을 받고 있다.
양우석 부장은 “융복합 센서는 전반적인 보드 공간과 비용을 절감하고 수많은 제품에 적용할 수 있어 제조업체에 매우 큰 이점을 제공할 수 있다”고 설명했다.

신기능 센서

신기능 터치 센서는 기존 멀티 터치에서 더 나아가 여러 신호를 필터하고 RISC(Reduced Instruction Set Computer)로 소프트웨어를 처리해 기능을 구현한다. 이 같은 신기능 터치 센서는 결국 터치가 아닌 리모트 터치(Remote touch), 동작인식 터치(Hovering touch), 방수 터치(Waterproof touch), 제스처 터치(Gesture touch) 기술의 개발로 언제 어디서나 원하는 방향으로 터치할 수 있게 될 것이다.
최근에는 플렉서블과 웨어러블이란 기술적 화두로 섬유형이나 인쇄형 센서 기술이 결합되고 있다. 비보메트릭스(VivoMetrics)의 라이프 셔츠(Life Shirt)는 개인용 PDA 단말기가 유선으로 연결되어 의류 속 센서와 PDA를 통해 30가지 이상의 바이오 정보기록 및 모니터링이 가능하다. 라이프 셔츠는 말초시신경 디바이스를 통해 혈압과 혈류 내 산소함유량, EEG, EOG, 피부온도 등을 측정하여 PDA를 통해 지속해서 사용자의 생리 데이터를 콤팩트 플래시 메모리 카드로 전송한다.
또한 필립스의 인텔리전스 바이오 메디컬 의류(Intelligent Biomedical Clothing)는 무선으로 사용자의 바이오정보를 컴퓨터로 전송해 건강상태를 체크한다. 패브릭으로 제작된 바이오센서를 이용하여 운동 시 사용자의 몸 건강상태를 체크할 수 있도록 생체신호 감지가 가능한 섬유형 바이오센서 스포츠 의류이다. 탈믹 랩스(Talmic Labs)는 사용자 손의 모션을 측정할 수 있는 묘 암밴드(Myo Armband)를 출시해 게임 등의 인터페이스에 활용하고 있다. 이와 같은 웨어러블 섬유형 센서는 더 나아가 사람의 신체에 직접 부착하거나 이식할 수 있는 센서로 개발 및 출시되고 있다.

응용분야

스마트 센서의 응용분야 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 스마트폰이다. 스마트폰은 기존 가속도나 각속도, 지자기, 오토포커스, 지능 인식 센서 등이 이미 탑재됐으며 스마트폰으로 직접 영상을 쏘는 피코 프로젝터(Pico Projector), 헬스케어 기능을 위한 바이오 케미컬, 자외선을 측정하는 UV 센서, 홍체 인식 센서 등이 탑재되고 있다. 또한 앞으로는 에너지 저장이나 IR 센서, 라이다(LIDAR) 등이 탑재될 전망이다.
양우석 부장은 “스마트폰에 탑재된 MEMS 제품의 주요 특징은 이미 대량 생산되고 있으며 앞으로 새로운 MEMS가 추가 탑재됨에 따라 다양한 성능을 구현함은 물론, 가격 측면에서 더욱 장점을 보일 것”이라고 설명했다.
오토모티브 분야에서도 스마트 센서의 비중이 커지고 있다. 오토모티브는 크게 파워트레인과 세이프티, 바디로 구성되며 그 중에서도 세이프티 분야가 스마트 센서의 주 타깃이다. 기존 오토모티브는 세이프티 분야에 주로 벌크형 센서를 사용해왔다. 하지만 최근에는 가속도와 각속도 등의 관성 센서와 압력 센서, IR 센서, RF 센서가 다양하게 탑재되고 있다.

예를 들면 내비게이션이나 운전자의 자세에 관여하는 관성 센서, 에어백이나 타이어에 사용되는 압력 센서가 본격적으로 탑재됐고 헤드램프에서 사용되는 IR 센서가 적용 중이다.

특히 오토모티브의 가장 큰 이슈인 ADAS(Adavanced Driver Assistance Systems)는 적응식 정속주행 시스템(Adaptive Cruise Control), 차선이탈 경고 시스템(Lane Departure Warning) 사각지대 검지 장치(Blind Spot Detection), 나이트 비전(Night Vision) 등의 비전 디바이스가 본격 탑재함에 따라 애플리케이션별로 비전이나 레이더(Radar), 라이더(Lidar), 초음파 등의 스마트 센서가 각각 타깃되어 개발 중이다. 하지만 라이더와 IR 센서는 기술적으로 완성도가 높지만, 고가이기 때문에 제조사가 쉽게 채택하긴 어려울 전망이다.
양우석 부장은 “스마트폰이나 오토모티브 분야는 시장에서 요구하는 스마트 센서가 서로 다르다”면서 “컨슈머 산업의 스마트폰은 무엇보다 스마트 센서의 가격과 소형화, 저전력을 꼽을 수 있고, 오토모티브는 가격 자체가 비싸 기능과 제품의 수명 즉, 신뢰성을 보장할 수 있는 스마트 센서가 필요하다”고 말했다. 그는 “컨슈머 산업군은 시장 진입이 쉽지만, 오토모티브 분야는 산업 특성상 쉽게 벤더를 바꾸지 않아 시장 진입이 어렵다”고 덧붙였다.

가장 큰 기회인 사물 인터넷

스마트 센서의 가장 큰 기회는 분명 사물 인터넷이 될 것이다. 사물 인터넷은 우리 생활에 사용되는 다양한 디바이스에 스마트 센서를 탑재해 네트워크를 통하여 관련 정보를 활용한다. 이미 사물 인터넷에는 다양한 스마트 센서가 사용되고 있지만, 아직 시장 규모가 작고 불확실성이 크다. 하지만 사물 인터넷은 여전히 많은 기업의 미래 시장으로 판단하고 개발 중이다.
사물 인터넷에서 사용될 스마트 센서는 크기가 크면 부착하기 어려우므로 우선 초소형이어야 하고 센서노드에 장착이 쉬워야 한다. 또한 센서노드가 궁극적으로 유선이 아닌 무선으로 연결될 것이기 때문에 배터리 교체 시 발생하는 비용 문제로 인해 저전력화가 중요하다.

특히 스마트 센서는 모듈화를 통해 애플리케이션에 장착이 쉬워야 한다. 예를 들어 센서노드 외에도 RF 송수신 기능과 여기에 필요한 안테나, 에너지 저장 등을 쉽게 적용할 수 있는 모듈화 기술이 필요하다. 따라서 앞으로 스마트 센서는 더욱 특화된 성능과 서비스 등으로 발전할 전망이다.

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