[헬로티]

스마트 센서란 반도체, 나노/MEMS 등 제조기술의 접목을 통해 외부 환경 감지를 획기적으로 개선된 센서와 데이터 처리, 자동보정, 자가진단, 의사결정 등의 신호처리가 유기적으로 내장된 지능형 센서를 통칭한다. 이러한 스마트 센서는 제조업의 다양한 정보를 취합하여 스마트한 제조환경을 가능하게 하고 화학공장의 경우 안전사고를 방지하고 기계설비의 고장을 예지해 준다. 또한, 스마트 센서를 이용한 물류 관리의 자동화로 물류관리 상황이 한눈에 펼쳐진다. 이 외에도 스마트 센서를 통한 조립/테스트 자동화로 신뢰성을 향상하며 제품의 유연 생산 및 다품종 소량생산이 가능해진다. 이와 관련 DK이노텍 박효덕 대표는 최근 개최된 ‘스마트제조기술 컨퍼런스 2016’에서 스마트공장 활성화를 위한 스마트 센서 기술 및 산업 동향을 발표했다. 그 내용을 정리했다.

▲ DK이노텍 박효덕 대표

스마트 시대의 새로운 이슈는 ‘IoT’이다. IoT란 인간과 사물, 서비스 세 가지 분산된 환경 요소에 대해 인간의 명시적 개입 없이 상호 협력적으로 센싱, 네트워킹, 정보처리 등 지능적 관계를 형성하는 사물 공간 연결망을 의미한다. 

여기서 중요한 것은 유무선 통신 또는 네트워크를 통해 정보를 주고받는데, 그 정보를 확보하고 획득하기 위해서는 센싱기술이 필요하다는 점이다.

스마트 센서란

센싱기술은 전통적인 온도·습도·열·가스·조도·초음파 센서 등에서부터 원격 감지, SAR, 레이더, 위치, 모션, 영상 센서 등 유형 사물과 주위 환경으로부터 정보를 얻을 수 있는 물리적 센서를 포함하여 한 차원 높은 다중 센서기술을 사용하기 때문에 한층 더 지능적이고 고차원적인 정보를 추출할 수 있다.

센서의 단순 정의는 주변 물리, 화학, 생물학적 정보를 잘 감지해서 전기적 신호로 변환하는 모든 장치를 의미한다. 그리고 이 센서는 종류도 많고, 감지 대상, 감지 방식, 구현 기술, 적용 분야에 따라 용도가 다양하게 분류되고 있다.

그렇다면 스마트 센서란 무엇인가? 스마트 센서의 개념은 포괄적으로 생각할 수 있지만, 반도체, 나노/MEMS 등 제조기술의 접목을 통해 외부 환경 감지를 획기적으로 개선된 센서와 데이터 처리, 자동보정, 자가진단, 의사결정 등의 신호처리가 유기적으로 내장된 지능형 센서를 통칭한다. 

센서의 스마트화에 따른 발전 과정을 살펴보면, 1970~1980년대에는 주로 디스크리트 센서(discrete sensor)였다. 이때에는 센서 디바이스가 따로, 신호처리 회로가 따로 분리된 단순 소자에 불과했다. 1990~2000년대에는 초소형 기술 응용으로 센서와 신호처리 회로가 결합되고 점차 소형화됐으며, 디지털을 통해서 스스로 판단할 수 있는 스마트 센서가 나오기 시작했다. 예를 들어, 스마트폰의 경우 오토포커싱, 줌인, 라이트, 조도, 밝기 등을 컨트롤하는 센서가 내장돼 있다. 이것을 볼 때 스마트 센서의 가장 초기 버전은 이미지 센서 정도라고 할 수 있다. 2012년도부터 초소형 스마트 센서가 본격 등장하기 시작했고, 이들은 상황을 인지하고 스스로 판단하는 지능화된 스마트 센서로 더욱 발전하고 있다.

이를 다시 세대 간의 기술 진화로 보면 1세대, 2세대, 3세대, 4세대로 나눠볼 수 있다. 1세대(디스크리트 센서)는 측정 대상물로부터 감지 및 검출한 측정량을 계측과 판별 가능한 신호로 변환하여 주는 센싱 소자와 증폭·보정·보상 기능의 신호처리 회로가 분리되어 있는 형태였다. 2세대(통합 센서)는 센싱 소자와 신호처리 회로가 결합되었으나 에러 보정 폭이 제한적이고 비선형성 에러에 대한 보정 기능이 약했다. 3세대(디지털 센서)는 디지털 방식의 보정을 통해 넓은 보정폭과 비선형성 에러에 대한 보정이 가능해졌으며, 디지털 인터페이스 및 네트워킹이 가능했다. 4세대(스마트 센서)는 SoC(System -on-a-Chip) 기술의 도입과 MCU (Micro Controller Unit)가 센서에 내장되면서 논리제어 및 처리, 메모리, 통신기능을 동시에 가진 차세대 센서라고 할 수 있다.

대표적인 적용 분야

대표적인 적용 분야로 자동차를 예로 들 수 있다. 자동차용 센서는 현재 30종 160여 개가 적용되고 있다. 특히 충돌방지 센서는 거리 및 공간 스캔 기능을 갖는 센서를 융복합화 하여 3차원 공간을 정밀 스캐닝하며, 높은 거리 분해능을 가지는 광학 시스템 설계 기술과 장애물 검출을 위한 고속 영상처리 기술 등의 융합기술이 집적된 첨단 센서이다. 

현재 우리나라 산업구조는 자동차 1차 벤더들을 보면 대부분 센서 칩은 수입하고 그것을 어셈블리 해서 모듈 형태로 센서를 만들어 왔다. 그러다 보니 뭔가 칩을 이용해서 업그레이드 하고 싶어도 할 수 없는 상황이며, 위기 대응이나 새로운 제품을 만들어 낼 때 순발력, 효율성이 매우 떨어지는 산업구조라고 말할 수 있다.

두 번째 적용 분야로는 스마트폰을 들 수 있다. 스마트폰 센서는 현재 5종 이상 적용되고 있으며, 차세대폰으로 갈수록 더 많은 센서가 내장될 것으로 보인다. 특히 모바일 기기용 스마트 10축 콤보 센서는 복합 모션 감지가 가능한 10축(3축 가속도·자이로·지자계+1축 압력) 초소형 저전력 센서로 최근 스마트 모바일 기기 인터페이스 구현을 위한 핵심 센서가 되고 있다. 스마트폰 시대가 도래하면서 센서는 대량 다품종으로 개념이 바뀌게 됐다.

2013년 미국에서 열린 ‘T센서 서밋’ 포럼 내용을 보면, IoT 시대가 되면 센서의 수량은 조 단위가 될 것으로 예측했다. 그리고 미국의 컴퓨터 제조업체 IBM은 5년 안에 컴퓨터가 인간처럼 촉각, 시각, 청각, 미각, 후각 등의 오감을 갖게 될 것이라는 전망을 했다. 현재 IBM은 오감 기능을 스마트폰에 채용하기 위해 연구 중이다.

▲ 센서의 스마트화에 따른 발전사

센서 산업 동향

센서 산업은 칩, 패키지, 모듈의 단계를 거쳐 대부분의 산업에 활용되고 있다. 또한, 센서는 대부분 Set 제품의 기능을 다양화 및 첨단화하는 매개체로서, 대부분 산업의 핵심 부품이기도 하다. 따라서 자동차, 모바일 기기, 로봇, 의료 기기 등 산업 경쟁력 제고에 매우 중요한 역할을 한다.

자동차의 경우, 1980년대에는 산소·압력·유량·배기가스·온도센서가 전부였는데, 해가 갈수록 용도에 따라 센서가 융·복합화 되고 하이브리드화 되면서 새로운 정보를 주는 시대로 바뀌고 있다. 

최근엔 자율주행차 생산이 본격화될 것으로 예상하고 있어 지능형 충돌방지·레이더·자율주행 센서의 수요는 더욱 많아질 것이다. 또한, 자동차는 세이프티, 환경문제에서 더 중요한 이슈가 남아있기 때문에 앞으로 센서 산업은 더 발전할 것으로 보인다.

세계 센서 시장은 2011년 약 722억 달러 규모이며, 수요 급증으로 연평균 9.4% 이상 성장하고 있다. 국내 센서 시장 규모는 2011년 약 48억 달러이고, 연평균 성장률 10.5%로 세계 시장에 비해 고속 성장 중이다. 2015년 국내 센서 시장은 약 71억 달러 규모였으며 2020년에는 98억 달러에 이를 전망이다. 그중 자동차용 적용센서는 2015년 37억 달러에서 2020년 48억 달러, 휴대폰용 적용센서는 2015년 17억 달러에서 2020년에는 27억 달러로 성장이 예상되며, 이 2가지 분야가 전체 센서 시장의 70% 이상을 차지하고 있다.

국가별 세계 센서 생산 규모에서는 미국, 일본, 독일이 70% 이상을 점유하며 세계 시장을 주도하고 있다. 한국은 중국에 이어 7위 수준이며, 2025년까지 시장 점유율 5%(생산액 5조원)를 목표로 하고 있다.

국내 생산 규모 추이를 보면, 2008년까지 첨단센서 기술 부족으로 인한 생산량이 감소했으며, 2009년도에 5000억원 이상 급증한 것은 국내 핸드폰용 이미지 센서 수량이 증가했기 때문으로 분석된다. 2010년 이후에는 이미지 센서 외 신규 성장동력 센서 제품 부재로 인한 정체가 지속됐다. 스마트공장 제조혁신을 하면서 좋은 버전의 센서들이 많이 나왔으면 한다.

특히, MEMS 센서, CIS, 레이더 SoC 등 첨단센서가 전체 센서시장 성장을 주도하고 있는 가운데, 국내기업은 첨단센서의 기술력 부족과 일반센서의 가격 경쟁력 취약으로 샌드위치 상태이다. 

첨단센서 국내 생산은 2011년 11.5억 달러로 세계 시장 1.6%, 국내 시장의 24%에 불과하다. 더욱이 센서시장은 IoT 시대의 도래에 따라 소비자의 안전성, 편의성 등의 요구 증대로 첨단센서 비중이 높아지고 있어 센서산업 육성이 필요하다.

▲ 표 1. 센서 시장 규모 예측

스마트 사회 구현  핵심 기술

센서는 일상생활의 편리성과 IT의 지능화에 따라 소형, 복합, 지능화되고 있다. 또한, 산업 간 융합화 및 인간과 기기 간의 매개체로서 스마트 사회 구현을 위한 핵심 요소기술로 자리잡고 있다.

몇 가지 예를 들면, 지구온난화 대비 IoT 재해재난, NDMS 연계를 통한 재난대응기술, 스마트 IoT 센서 기반 안전 코리아, 지능형 차량 관제, 자동차용 충돌방지 센서, 스마트 팜, 스마트 홈 등이 있다. 

또한 스마트공장에서도 스마트 센서는 핵심기술로 적용되고 있으며 스마트 자동차, 모바일, 의료 등 다양한 분야에도 활용되고 있다. 최근엔 사물인터넷, 에너지 절감 등 기술의 발전에 따라 사용 범위가 더욱 확대되고 있다.

이러한 스마트 센서는 화학공장의 경우 안전사고를 방지하고 기계설비의 고장을 예지해 준다. 

예를 들면, 임베디드 스마트센서로 제조공정 환경감지 및 분석하고, 웨어러블 센서로 작업자 태 확인/이상 유무를 자동 전송하며, 오감센서 내장 드론기술로 유해환경, 설비의 발열 상태, 크랙 유무, 과다 진동, 액체 유출, 크기 이상 감지를 할 수 있다.

또한, 스마트 센서를 이용한 물류 관리의 자동화로 물류관리 상황이 한눈에 펼쳐진다. 이 외에도 스마트 센서를 통한 조립/테스트 자동화로 신뢰성을 향상하며 제품의 유연 생산 및 다품종 소량생산이 가능해진다.  

정리 : 임근난 기자 (fa@hellot.net)