디지센서스 시대를 견인하는 스마트 센서

새로운 형태의 첨단 센서란 나노, MEMS 기술이 접목되어 측정 대상물의 물리적 및 화학적 정보를 획기적으로 감지하는 센서, 그리고 데이터 처리와 자동 보정, 자가진단, 의사 결정 등의 신호처리 기능이 기존 모듈 형태가 아닌 센서에 내장된 지능형 센서를 통합한 것이다. 이와 같은 최신 센서는 모바일기기, 로봇, 환경, 국방/보안, 의료기기, 가전기기, 산업/계측기기 등 우리 주변 실생활에서뿐만 아니라 산업 전 분야에서 활발히 적용되고 있다.

홍성민  전자부품연구원 차세대융합센서연구센터




전통적인 센서란, 물리·화학·바이오 등의 정보를 감지 및 취득함으로써 센서를 이용하는 시스템이 사용할 수 있는 신호로 변환하는 정보 소자나 장치라고 정의된다.
예를 들면 빛의 세기, 온도, 압력 등 원하는 양을 효과적으로 검출하여 얻은 신호는 전기적 신호로 변환되어야 하므로 그 과정이 필요하다.
때문에 센서는 변환 기능을 가진 물질 또는 소자의 단독 혹은 복수의 조합으로 구성된다.
센서를 이용하는 시스템의 경우, 인간이 오감에 의해 주위의 상태와 모습을 파악하는 것처럼, 센서는 시스템에서 감각기관의 역할을 담당하게 된다.

산업 간 융합의 핵심 매개체

센서 산업에는 ① 센서를 위한 소재, ② 소재를 활용하여 웨이퍼칩 단계에서 센서 요소를 생성하는 소자, ③ 리드프레임 위에서 칩-와이어-커버몰딩 작업을 통해 만들어진 모듈, ④ 다양한 회로들과 함께 조립 공정을 거친 센서 시스템, ⑤ 이를 이용한 서비스 등이 포함되어 있다.
특히 현재 다양한 산업 간 경계가 무너지고 IT와 주력 제조업, 통신과 금융, 의료와 바이오 등 이종산업 간의 융합이 확산됨에 따라 새로운 제품과 산업 영역이 창출되고 있다.
따라서 센서 산업의 경우에도 타 산업으로의 응용이 빠른 속도로 확대되고 있는데, 특히 센서는 융합의 핵심 매개체로서 부품이나 모듈로 제품에 내재되어 제품의 서비스 및 공정 혁신을 통해 새로운 산업을 도출하거나 부가치를 창출하고 있다.
IBM은 “5년 안에 컴퓨터가 인간처럼 촉각·시각·청각·미각·후각 등의 오감(五感)을 갖게 될 것”이라는 전망을 제시했다(표 1).
예를 들면, 사용자가 스마트폰의 스크린을 터치하는 것만으로 물체의 질감을 느낄 수 있게 되고(촉각), 자기공명영상(MRI)이나 엑스레이, 초음파 등 의료영상기기를 읽어내 자료를 더 정확히 판독할 수 있게 된다(시각). 또한 인간이 듣지 못하는 미세한 소리까지 감지해 천재지변을 미리 예측할 수도 있고(청각), 식재료를 분자 단위로 분석해 건강 식품을 만들어내며(미각), 인간이 숨을 쉴 때 나오는 냄새로 건강 상태와 질환의 위험을 미리 진단할 수도 있다(후각).


센서 기술은 단순한 아날로그 센서에서 디지털 센서, 간단한 상태 인식형 스테이트 머신을 내장한 인터럽트형 센서, 프로세서와 신호 처리 기능을 갖춘 상황 인식형 스마트 센서 형태로 진화하고 있다.
앞으로는 단순한 아날로그/디지털 센서에서 더 나아가 센서 전용 저전력 초소형 프로세서, 상황 인식형 신호 처리 소프트웨어, UX 밀착형 저전력 디지털 인터페이스가 시스템 내부에 구현된 센서로 진화해야 할 것이다.
센서 디바이스 기술은 HW＋SW＋UX 결합형 센서 클러스터 시스템으로 가속도, 각속도, 지자계, 압력, 음향 등 다양한 형태의 신호를 감지하고 저전력 유무선 센서 네트워크로 결합되어 서로 연결된 디바이스 간 상호 작용을 수행하는 기술로 발전될 전망이다.
또한 센서 전용 프로세서의 경우 높은 수준의 멀티 센서 퓨전 알고리즘을 이용하여 다양한 센서 출력을 가공한 “상황 인식” 데이터를 출력하는 형태로 개발되고 있다.

센서 시장, 연평균 9%로 꾸준한 성장

전 세계 센서 시장을 살펴보면, 2011년에 약 722억 달러 규모였던 것이 제품 수요가 급증함에 따라 연평균 9% 이상 급속하게 성장할 것으로 예상된다.
특히 최근 모든 분야에서 첨단화가 요구됨에 따라 첨단 센서의 비중이 2010년 19%에서 2020년 49%로 급격히 확대될 전망이다.
센서가 첨단화되고, 사용량도 급증함에 따라 글로벌 센서 시장은 계속해서 성장하고 있지만, 국내 센서 시장의 경우 경쟁력이 매우 취약한 실정이다. 국내 센서 생산 기업은 저가 센서에서 첨단 센서 생산으로 사업을 전환하지 못해 저성장에 머무르고 있으며, 따라서 주력산업의 지능화가 오히려 센서 수입을 주도하여 무역역조를 심화시키고 있다.
특히, 첨단 센서를 기반으로 하는 로봇산업 등 미래 산업이 성장함에 따라 수입은 더욱 더 확대될 것으로 예상되며, 모바일용 센서(연 14.5%), 자동차용 센서(연 12.5%) 등의 경우 지속적으로 수입이 증가하고 있는 추세이다.

토털 솔루션으로 거듭나는 스마트 센서

세계 각 국에서는 첨단 센서의 경쟁력이 다른 산업 분야의 경쟁력과 밀접한 관계가 있다고 판단함에 따라, 현재 센서 시장의 선도 기업을 중심으로 스마트화 및 고기능화된 스마트 센서 솔루션을 개발, 출시하고 있으며 아날로그/디지털/소프트웨어를 모두 포함한 “토털 솔루션” 형태의 기술을 개발하고 있다.
또한 우리 사회가 인간 중심으로 급속히 진화됨에 따라, 센서가 디지센서스(DigiSensus : 기계와 인간이 센서 등을 통해 감각을 공유함으로써 감성을 서로 교감하는 현상)의 핵심 매개체[무한 경쟁하는 넷맥(NET-vein) 시대의 새로운 에너지원인 스마트 센서 활용(출처 : 세너지, 정순원)]로 진화하고 있어 관련 기술에 대한 총체적인 투자와 개발이 진행되고 있다.
그러나, 국내 산업은 첨단 센서에 대한 기술력이 낮으며, 소자를 수입하여 모듈화하는 업체가 대부분이므로 글로벌 센서 시장에서 경쟁력이 매우 취약한 상태이다.
그러므로 차세대 센서 시스템의 지능화를 위한 핵심 기반 기술을 개발하는 것이 무엇보다도 시급하며, 국내의 열악한 센서 산업 구조, 높은 기술 진입 장벽, 센서 기술 보호주의 강화 등을 감안했 때, 순수 시장 기능만으로는 이와 같은 어려움을 극복하는 데 한계가 있다. 따라서 국가적 차원의 지원이 적극 필요하다.
특히 선진국에서는 센서 개발 기간을 장기간으로 보고 투자하고 있으며 센서 분야에 집중적인 지원을 아끼지 않고 있어 기술 격차가 점점 더 커질 것으로 예상되므로, 국가 차원의 역량 결집이 시급한 실정이다.