[ 시장 및 기술 동향 ]
‘고기능, 고정밀, 고부가가치’의스마트센서

스마트 센서는 측정 대상에 대한 정보를 취득하는 시스템의 최초 요소이며 시스템의 최첨단에 위치하여 정보처리 시스템의 성능을 좌우하는 요소인 만큼 미래 지능형 산업, 유비쿼터스 시대를 열어갈 최첨단 소자라고 할 수 있다. 응용 분야는 생산 공정 자동화를 비롯하여 환경 감시, 자동차, 우주, 항공, 군수 등 매우 다양하며 그 범위는 계속해서 확대되고 있다.

이대성 책임연구원 전자부품연구원 융합센서연구센터


센서란 측정 대상에서 물리적, 화학적 정보를 측정하여 관측자나 시스템이 읽을 수 있는 신호로 변환하는 정보 소 자이다. 센서의 적용 사례로는 흔히 볼 수 있는 수온 온도계(온도를 관측자가 읽을 수 있는 눈금으로 표시), 전압계, 유압계, 자동차 속도계에서부터 닌텐도 게임기, 풀터치폰, 보안경비시스템, 자동차 에어백 등을 들 수 있다. 또한 센서는 다음과 같이 다양하게 분류된다.

·감지대상별 : 물리 센서(힘, 온도, 전자기, 광학 등), 화학 센서(가스,이온, 수질, 바이오 등)
·감지방식별 : 저항형 센서, 용량형센서, 광학식 센서, 자기식 센서 등
·집적도별 : 단순 센서, 전자식 센서, 디지털 센서, 지능형 센서
·구현기술별 : 반도체 센서, MEMS센서, 나노 센서, 융복합 센서
·적용분야별 : 자동차용, 모바일용,가전용, 환경용, 의료용, 산업용, 국방용, 우주용



기존의 단순 센서가 기능이 단순하고 정밀도가 낮으며 사용하기 불편했다면, 스마트 센서는 센싱소자와 지능형 신호 처리가 결합되어 “데이터 처리, 자동 보정, 자가 진단, 의사 결정” 기능을 수행 하는“고기능, 고정밀, 고편의성, 고부가가치”센서이다.
스마트 센서의 주요 구현 기술은 MEMS 기술, 반도체 SoC 기술, 임베디드 소프트웨어이다. MEMS 및 반도체 일괄 공정을 이용하여 제작하므로 개발비는 높지만 양산 단가가 낮고 초소형화가 가능하며 저전력소모와 같은 장점 을 갖고 있다. 또한 여러가지 기능을 탑재할 수 있으며 우수한 센서 성능과 높은 신뢰성도 갖고 있다.
센서의 나노화 및 스마트화 경향은 MEMS 기술을 이용한 센서 제작을 가속화하고 있다. MEMS 기술은 반도체 공정 기술을 이용하여 마이크로 단위의 기계적 구조물과 전자 회로를 집적한 시스템을 의미하는 것으로, MEMS 공 정을 이용하여 제작된 전자 기계적인 미소 구조체를 이용해 물리적·화학적 정보를 전기적 정보로 변환하는 반도체 센서이다. 3차원 미세가공 기술인 MEMS 기술은 기존의 크고 복잡한 기계식 센서를 일괄 생산 공정이 가능한 초소형, 초경량 전자식 반도체 센서로 대치할 수 있도록 한다.
이렇게 제작된 MEMS 센서는 의료진단, 자동차 센서, 착용형 컴퓨터, 광통신 시스템, 군용 무기체계 등 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다.
정보통신용 MEMS 기술의 경우 세계 선진 업체가 마이크로 자이로 및 가속 도계, 압력 센서, 유량 센서 등 주로 물리량 측정 용도로 사용했으나 다양한 정보통신 서비스가 출현하고 초소형 이동 복합 정보기기가 발전함에 따라 RF MEMS, 광 MEMS 등의 구동기와 바이오 센서 및 화학 센서로 그 개발 범위가 확대됐다.
기존의 MEMS 소자도 IC 기술과 접 목함으로써 그 기능이 지능화되고 있으 며 USN, 인체친화형 실감통신 서비스 등은 MEMS 센서에 대한 시장을 확대 시킬 것으로 예측되고 있다.
MEMS 센서는 대표적인 아날로그 (센서)와 디지털(신호처리회로) 융합 기술로서 소재, 설계, 공정, 회로, SoC, SoP 및 SiP 기술이 융합된 복합 기술이며 단기간에 기술장벽을 극복하기는 어려운 분야이다.
응용 제품 또한 매우 방대하여 USN 구현을 위한 킬러 애플리케이션 창출에 어려움이 따른다. 즉, 지금까지 CMOS 및 MEMS 공정이 연계된 전용 양산 Fab 시설이 없어 산업체의 아이디어와 설계를 바탕으로 산업화 가능 성 여부를 타진하는 시제품을 제작하기 어려웠으며 양산화에도 걸림돌이 됐고, 센서 조립/패키징 기술이 낙후되 어 시제품의 신뢰성 확보가 지연됐다. 또한 패키징 가격 부담으로 인해 가격 경쟁력도 확보하기 어려웠다.
스마트 센서는 반도체 및 MEMS 공정을 이용하여 제조되는데, Wafer sawing과 Die Mount, Wire Bond, Si Coating, Molding, Lead Cut, Lead Finish, Testing, Packing 과정을 거쳐 제품이 생산된다.








스마트 센서의 시장 현황

2010년을 기준으로 전 세계 센서 시장 규모는 552억 달러이고 연평균 5.4% 성장함에 따라 2015년에는 743억 달러에 이를 전망이다. 국내 센서 시장의 경우 전체 28억 달러 정도의 규모이며 연 평균 8.1%로 빠른 시장성장률을 보이고 있어 2017년에는 49억 달러에 이를 것으로 예측되고 있다.
현재 국내에는 120여개의 센서 업체가 있는데, 대부분 저가의 단순 센서 위주로 생산하고 있으며 주력 산업의 지 능화와 미래 신산업 수요에 필수적인 스마트 센서 위주의 시장 변화에 대응 하지 못하고 있는 실정이다. 이로 인해 미래 융·복합 산업의 경쟁력 저하는 물론, 국내 주력 산업의 성장이 오히려 센서 수입을 부추기는 부작용으로 되어 나타날 가능성이 높다.

주요 스마트 센서의 기술 현황

1. 스마트 레이더 센서
레이더는 마이크로파/mm-wave를 이용한 물체 감지 센서로, 군수에서 민수로 적용 범위가 넓어지고 있는 기술 분야이다. 중장거리 복합형 레이더(77 ∼81GHz 대역)가 개발됨에 따라 기존의 근거리 레이더 24GHz와 구분된다. 장애물투과형 레이더 센서도 개발됐다.
이 센서는 고집적 CMOS RFIC 기술, 다중 SOP 기판 기술, 마이크로파 /mm-wave 소자 기술이 결합된 복합 센서 기술로서 자동차안전시스템, 로봇, 군수장비, 국방보초, 보안, 재난방제용으로 응용되고 있다.
스마트 레이더 센서는 자동차 안전주행 시스템의 필수 센서로서 유럽, 북미, 일본 등 메이저 완성차 업체에서는 저가 보급형의 수요에 대비하여 GaAs/ SiGe MMIC를 중심으로 차량용 레이더 적용을 활발히 추진 중에 있다. 특히 유럽은 79GHz를 표준으로 채택하여 개발 중이며, 국내 연구기관에서는 CMOS로 77GHz IC를 개발하고 있다(DIGST, ETRI, KETI 및 고려대 등).




2. 스마트 물체 형상 인식 센서
물체 형상 인식 센서는 인체에 무해한 적외선광 또는 초음파를 이용하여 물체의 형태뿐만 아니라 깊이까지 측정 할 수 있는 센서로 Lidar, TOF 형상 인식 센서, 구조광 형상 센서 등이 있다. 1,560nm 파장을 가진 CMOS 기반의 고해상도 FPA와, 800∼900nm 파장을 가진 CMOS 기반 PMD 칩 및 형상 구현 소프트웨어가 핵심 기술이라고 할 수 있다. 이 센서는 자동차 충돌방지, 자율주행, 의료기기, 국방/보안, 로봇용 환경인지 센서, 정밀 형상 현미경 기술, 물체 형상 영상기기 등에 응용되고 있으며, 앞으로 레이더 시스템과 더불어 자동차 안전 시스템에 필수적인 부품이 될 것으로 예측되고 있다. 또한 로봇의 상황인지 시스템이나 보안시스템, 머신비전 등으로도 시장이 확대될 것으로 기대되고 있다.

3. 스마트 자기 IC 센서
스마트 자기 IC 센서는 자기저항, Hall 효과 등과 같은 현상을 이용하여 자기 세기를 측정하는 반도체 방식의 초소형 IC 센서를 말한다. 이 센서는 정밀각도, 회전속도, 개폐, 거리, 결함, 모양 등을 측정하는 기본 센서로서 반도 체 기판에 집적된 스마트 SoC 센서로 첨단 융복합 센서화가 가능하며 자동차 및 로봇, 가전 등의 다양한 분야에서 각도 측정, 거리 측정, 토크 측정에 사용되고 있다. 또한 지자기 센서, 네비게이션, 타코미터, 토크 센서, 위치 센서로 활용 되고 있다.

4. 스마트 관성 센서
스마트 관성 센서는 각가속도를 측정 하는 관성 센서로, MEMS 기술이 적용 된 고집적 첨단 센서이다. 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서가 복합되어 모션 센서, 항법(IMU) 센서로 확장되고 있으며 초소형화 MEMS와 고기능 SoC가 집적된 스마트 마이크로 센서의 대표격이라고 할 수 있다. 이 센서는 모바일 핸드폰, 자동차 자세 제어, 로봇, 군수(미사일), 우주항공 등에 응용되고 있으며 최근 게임, 스마트폰 등에서 폭발적으로 수량이 급증하고 있고, 특히 자동차에 ESC(자세제어)가 의무장착 (2013년)됨에 따라 시장 확대(국내 1,000만 대/년)가 예상되고 있다.



5. 스마트 압력 센서
압력 센서는 자동차의 제동 및 안전 관련 부품, MEMS 기술을 적용한 고집적 첨단 센서로 엔진 압력과 에어콘 압 력, 브레이크 압력 센서 등 특수 압력 모니터링에 적용되고 있다. 이 센서 또한 초소형화 MEMS와 고기능 SoC가 집적 된 스마트 마이크로 센서의 대표격이라고 할 수 있으며 에어콘, 가전제품, 자동차 제어, 로봇, 군수장비 등에 응용되고 있다.



6. 스마트 영상 센서
스마트 영상 센서는 인간의 시각 기능을 모방하거나 한계를 극복하는 고성능 이미지 센서[HD(High Definition) 센서, WR(Wide Range) 센서] 및 신개념 이미지 센서(다중파장 센서, 생체 모방 시각 센서)이다. 이 센서는 모바일 영 상기기, 의료용 내시경, 의료기기, 국방, 로봇용 초소형 비전 시스템, 현미경 기술 등에 응용되고 있으며, 현재 이미지 센서의 용도별 추세를 보면 기존의 카메라폰, 디지털 스틸 카메라가 주종을 이루고 있지만, 앞으로는 보안시스템, 머신비전, 바이오메트릭 분야의 시장이 확대될 것으로 예측되고 있다.



7. 스마트 Optics 센서
지능형 광학 센서는 Fiber Optic 센서 및 광 센서, 적외선 센서 등이 융복합 된 센서를 말한다. 온도, 스트레인, 변 형, 굴절률, 습도, 대기오염물질, 환경유 해가스, 독성가스 및 폭발성가스 등을 측정하는 데 적용할 수 있어 모바일 영상기기, 의료용 내시경, 의료기기, 국방, 로봇용에 응용되고 있으며 건강 및 질병 관련 광기반의 의료바이오 센서 기술로 일반화, 대중화되고 있다.
국내 지능형 광센서의 경우 현재 세계 시장점유율이 1% 미만인데, 2017년 10% 이상 증가될 것으로 전망되고 있다. 의료/바이오분야 광 센서의 경우에는 국내 u-Health 서비스 시장의 평균 성장률이 12.5%라는 점에서 수요가 증가할 것으로 예상되고 있다. 또한 국내 정보가전기기용 광센서 시장은 2020년까지 연평균 15%의 규모로 급성장하다가 2020년 이후 센서 가격이 하락함에 따라 8% 성장에 머무를 것으로 예측되고 있다.



8. 스마트 바이오메디컬 센서
스마트 바이오메디컬 센서는 전자공학·물리학·화학·생물학·재료공학, IT, NT 등 과학 기술 전반에 걸친 기반 기술들과 융합된 신개념 바이오메디컬 센서로, 반도체 기술과 나노기술이 바이오 기술과 접목되면서 고감도, 비표지, 전기신호측정 방식의 바이오반도체 센서를 활용할 수 있게 됐다.
이 센서는 개인맞춤형 의료진단기, 유헬스케어용 센서 등 차세대 의료분야에 적용되고 있으며, 앞으로 영상 이미 지를 통한 병원 중심의 의료 서비스에서 환자 중심의 개인 휴대형 및 맞춤형으로 전환됨에 따라 의료 패러다임이 바뀔 것으로 기대되고 있다. 또한 기존의 바이오칩 성능이 향상되면서 바이오 반도체 SoC로 발전함에 따라 시장 창출이 예상되고 있다.