MEMS 기술이 발전함에 따라 스마트폰에 수많은 스마트 센서들이 탑재되고 디바이스와 사용자 간 상호작용, 사용자 인터페이스가 계속 확장되고 있다. 주변 환경을 센싱하고 그에 맞는 UI를 제공하면서 UX를 극대화시키는 것이 현 상황이라면, 앞으로는 사용자의 신체 변화와 감정 상태까지 인지하는 오감 센싱이 가능한 스마트폰으로 진화하하면서 인간과 감성을 교감하는 개인화된 모바일 아바타 시대가 올 것으로 전문가들은 전망하고 있다.

아이폰이 국내에 도입되기 전, 국내 스마트폰 이용자는 1%에 불과했다. 그러나 2009년 아이폰이 국내에 출시된 후 약 4년 만에 스마트폰 이용자가 37배 증가함에 따라 2009년 81만 명 수준이었던 가입자가 2014년 10월 기준 4천만 명을 넘어섰다. 보급률도 빠르게 증가하여 2014년 10월, 80%에 달하며 세계 최상위 수준이 됐다.

이러한 스마트폰의 폭발적인 확산은 우리 삶의 변화뿐 아니라 모바일 중심의 산업 성장 및 스마트 혁명을 촉발하는 계기가 됐다.

그림 1. 스마트 센서 구성(예)

그림 2. 멀티터치 및 자동 회전 UI

그림 3. 대표적인 모션 센싱 센서

이와 같이 스마트 혁명을 몰고 온 스마트폰의 폭발적인 확산에는 다양한 UX(User eXperience)를 가능하게 하는 디바이스와 사용자 간 상호작용, 그리고 주변 환경과 상황을 인지할 수 있는 스마트 센서가 핵심적인 역할을 담당했다.

여기서 센서는 외부 환경(빛, 압력, 가스, 온도, 진동, 힘)을 인식하여 전기적 신호로 변환하는 소자이다. 1990년대 센서가 반도체를 기반으로 하는 마이크로 센서였다면, 최근 스마트폰 등에 탑재되는 센서는 단순한 소자 개념을 넘어 센싱 소자와 지능형 신호처리가 결합함으로써 ‘데이터 처리, 자동 보정, 자가 진단, 의사 결정’ 기능을 수행하는 스마트한 센서이다.

스마트 센서의 주요 구현 기술은 MEMS 기술, 반도체 SoC 기술, 임베디드 SW 기술 등이 있다. 1980년대 이후 급속한 발전을 이루고 있는 MEMS 기술은 실리콘 기판에서 센서를 제조하므로, 초소형 스마트 센서 제조가 가능해졌다.

그림 4. 웨어러블 기기에 적용된 근조도 센서(Silicon Labs의 Si1132)

그림 5. 대표적인 위치 인식 센서

그림 6. 헬스케어 시스템을 위한 스마트 센서

그림 7. 생체 정보 측정을 위한 스마트 센서

다양한 스마트 센서로 이루어진 모바일 디바이스

그림 8. 온/습도 복합 센서와 쾌적도 알리미 UI

그림 9. 자외선 센서 및 자외선 측정 웨어러블 밴드

그림 10. 웨어러블 디바이스용 센서 기술 로드맵

모바일 디바이스로 하는 모든 행위는 센서와 함께 이뤄진다. 처음에 화면을 터치하는 순간부터 터치 센서가 반응해 명령을 수행한다. 

기존 저항막 방식의 필름 타입 감압식 터치 센서에서 글래스 기반 정전용량 방식의 터치 센서를 탑재한 아이폰이 출시됨에 따라 사용자에게 기존 터치 센서에서 경험해보지 못한 부드러운 터치감과 멀티터치 UI를 제공하며 스마트폰의 확산에 크게 기여했다.

모바일, 웨어러블 디바이스의 움직임을 실시간으로 파악하는 데에는 가속도, 중력, 자이로 센서가 사용된다. 가속도 센서는 3축(X, Y, Z축) 각각에 대한 가속도를 측정하고 중력 센서는 중력이 작용하는 방향과 크기를 측정하며 자이로 센서는 3축에 대한 각속도를 측정하여 변화된 각도 정보를 제공하는 역할을 한다. 

가속도와 자이로 센서가 통합된 6축 센서가 많이 활용됐으나, 최근에는 중력 센서까지 합쳐진 9축 센서가 등장하여 보다 복합적인 동작 측정에 사용되고 있다.

디바이스의 배터리를 절약하고 가독성도 개선하기 위해 주변 빛의 양을 수집하는 조도 센서 역시 많은 모바일, 웨어러블 디바이스에 적용되고 있다. 최근 출시되는 디바이스에는 조도 센서와 비슷한 원리의 근접 센서(물체와의 거리 감지)를 통합한 근조도 센서도 탑재되고 있다.

그림 11. 홍채 인식과 지문 인식 센서 기반의 자가 인증 시스템(개념도)

그림 12. ECG 기반의 자가 인증 센서(Bionym의 Nymi)

GPS, 지자기, 나침반(Compass) 센서 등의 위치 인식 센서도 많이 사용되고 있는 대표적인 스마트 센서이다. 내비게이션으로 활용하거나 인터넷 지도를 이용할 때 정확한 자신의 위치를 파악할 수 있으며, 소셜 네트워크 서비스(SNS)와 다양한 위치 기반 서비스(LBS) 확산에도 공을 세웠다. 최근에는 여기서 한 발 더 나아가 지면 높이에 따른 기압 변화를 감지해 높이를 인식하는 기압 센서(경사도를 인식하고, 대기의 압력을 측정한다)와 연동된 제품이 출시됐다.

평소의 맥박/운동 정보를 수집하고 모니터링하여 일상적으로 건강 상태를 체크할 수 있는 헬스케어 시스템에 대한 사회적 관심이 점점 증대되고 있으며, 이에 따라 모바일 및 웨어러블 디바이스에서 관련 센서를 활용하는 비율도 증가하고 있다.

운동 정보의 경우, 3축 가속도 센서(또는 6축 가속도＋자이로 센서)와 기압차를 통해 경사도를 측정하는 기압 센서(Barometer)를 통해 획득할 수 있으며, 맥박은 광전맥파(Photoelectric Pulse Wave) 기반의 심박(Heart Rate) 센서를 통해 측정한다.

그림 13. 스마트 센서를 이용한 디바이스 응용 분야

심박 센서와 더불어 생체 정보를 측정하는 센서도 모바일 디바이스에서 사용되는 비율이 계속 증가되고 있다. 최근에는 피부의 건조도나 사용자의 운동량 정보 등을 측정하기 위해 습윤(Perspiration) 센서, 피부 온도(Skin Temper-ature) 센서가 적용된 디바이스가 출시되기도 했다.

헬스 케어뿐만 아니라 라이프 케어(Life-care)에 대한 사회적 관심이 높아지고 있는 요즘, 모바일 및 웨어러블 디바이스에서는 라이프 케어 구현을 위한 환경 정보 측정 센서를 점점 더 많이 사용하고 있다. 환경 정보란, 사용자가 위치한 곳의 온습도나 자외선, 대기질 분석(미세 먼지, 이산화탄소 농도 등) 등을 의미하며, 개별 센서 혹은 복합 센서 형태로 적용되고 있다.

웨어러블 디바이스 인증 시스템의 핵심

웨어러블 디바이스는 현재 액세서리형이 주류를 이루고 있지만, 가까운 미래에는 피부 부착형으로 발전할 것으로 예상되며, 이에 따라 센서도 부착형 웨어러블용으로 활용할 수 있는 스마트 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 부착형 웨어러블 스마트 센서는 유연성과 신축성을 지닌 소재에 심전도 검사(ECG)/근전도 검사(EMG), 온도 측정, 스트레인 측정, 무선 통신 기능 등이 내장된 소자를 의미한다.

웨어러블 디바이스에 대한 인증 시스템도 스마트 센서에서 활발히 연구되고 있는 분야이다. 구글 글래스와 같은 안경 형태의 디바이스에서는 홍채 인식 센서, 밴드 형태의 디바이스에서는 지문 인식 센서 및 ECG 기반의 자가 인증 센서를 적용하는 연구가 진행되고 있으며, 스타트업 기업인 Bionym에서 출시할 예정인 Nymi는 대표적인 웨어러블 자가 인증 센서로 평가되고 있다.

스마트 센서는 인공 지능 기술과의 융합, 빅데이터 분석 등을 통해 내부 정보뿐 아니라 외부 정보와 연계하여 상황 인지 연동 서비스를 제공하는 방향으로 발전할 것으로 보인다.

김건년 센터장, 오해관 박사 전자부품연구원 차세대융합센서연구센터

정리 : 임재덕 기자 (eled@hellot.net)