스마트센서

스마트센서(smart sensor)는 측정 대상물로부터 압력, 가속도, 생체신호 등 정보를 감지해 전기적 신호로 변환시켜주는 지능형 센서이다. 스마트기기(smart device)의 일종이다. 인텔리전트 센서(intelligent sensor)와 거의 같은 뜻으로 쓰이고 있다.

개요

사물인터넷(IoT)의 핵심요소 중 하나인 스마트센서는 측정 대상물로부터 압력, 가속도, 생체신호 등 정보를 감지해 전기적 신호로 변환시켜주는 장치이다. 사물인터넷을 통해 구현되는 스마트 환경에서 스마트센서는 매우 중요한 역할을 맡는다. 기존의 센서의 개념은 '검출기'가 어떤 특정한 물체를 '감지'하는 수준에 머물렀지만, 현재의 센서는 감지 신호를 전달해 중앙처리장치가 어떠한 판단을 내리도록 하는 형태로 발전하였다. 사전에 설정된 값에 따라 기계적으로 실행하는 것이 아닌, 다양한 데이터를 분석해 맥락을 읽고 이에 따라 실행을 지시하는 수준으로 발전했다. 스마트센서는 SoC(System on Chip) 기술을 접목하여, 데이터 처리, 저장, 자동보정, 자가진단, 의사결정, 통신 등의 기능을 수행함으로써 대상을 감지하고, 반응하게끔 한다는 점에서 사물인터넷의 핵심 요소로서 주목받고 있다.

역사

시대별 센서의 특징 및 특성은 다음과 같다.

• 1세대, 디스크레이트센서(discrete sensor) : 온도, 압력, 가속도, 변위 등의 물리량을 전기적 신호로 변환하는 기능의 센싱 소지와 증폭, 보정, 보상의 신호처리 회로가 별개로 분리된다.

• 2세대, 인터그레이티드센서(intergrated sensor) : 센서의 잡음성능을 높이고 소형화하기 위해 센서와 신호처리 회로가 결합된 형태로 제작되었으며, 초소형 정밀기계 기술(micro electro mechanical systems, MEMS) 기술이 도입되었다.

• 3세대, 디지털센서(digital sensor) : CMOS 기술의 발전으로 아날로그 회로에 디지털 회로가 집적되면서 센서의 이득, 오프셋, 비선형 등을 디지털 방식으로 보정하고 보정데이터를 비휘발성 메모리에 저장하는 것이 가능해졌다.

• 4세대, 스마트센서(smart sensor) : MCU가 센서에 내장되고 SoC 기술이 접목되었다. MCU의 제어, 판단, 저장, 통신 등의 기능을 활용하여 센서의 성능향상과 다중센서, 네트워크센서, 유비쿼터스센서로 진화하였다.

특징

스마트센서를 사용했을 때 얻을 수 있는 장점은 다양하다. 먼저, 디지털센서 신호는 아날로그 센서보다 정확하다. 정확도가 높아 보아 보다 뛰어난 처리 및 공정제어를 실현하며, 연비와 생산량 그리고 생산성 등을 높일 수 있다. 또한 스마트센서는 많은 배선을 필요하지 않다. 특정 제품군마다 동일한 버스를 통해 통신할 수 있기 때문이다. 각 장치간의 연결이 줄어들면 장치의 신뢰성이 높아진다. 설치를 보다 단순화하고 배선을 줄여 시스템의 무게 및 부피를 줄이는 것도 장점이다. 디지털 출력 방식은 간헐 신호(intermittent signal)가 없다는 것도 스마트센서의 장점 중 하나다. 간헐 신호는 아날로그 센서에서 볼 수 있던 현상이다. 디지털 출력 신호는 있거나 없거나 두 가지 가능성밖에 존재하지 않는다. 이 점을 활용하면 문제를 해결하기까지 걸리는 시간을 줄일 수 있다.

스마트센서의 또 다른 장점은 마이크로프로세서를 사용해 출력 신호에 정보를 삽입할 수 있다는 것이다. 여기서 정보란, 센서 및 센서 네트워크를 관찰하고 평가할 수 있는 정보를 말하며, 교정·편차 보상·오류 감지 등에 사용할 수 있다. 장비의 고장 혹은 공정 상의 변형을 조기에 감지하면 유지보수 계획을 세우는 데 도움이 된다. 장비를 수리하기 위한 정지시간을 낭비하는 것보다 바람직하다. 스마트센서 중 일부는 개방적인 디지털 통신 프로토콜을 활용하고 있기도 하다. 이를 통해 스마트센서를 다양한 제어장치와 함께 사용할 수 있다. 또한 I/O를 추가할 필요를 낮춘다. 더불어 센서 자체에서 신호를 조절하고, 신호를 사전에 처리할 수도 있다. 이는 기존에 신호를 처리하던 제어장치가 다른 작업을 처리할 수 있게 됨을 의미한다. 이를 통해 보다 빠른 처리 속도 혹은 보다 많은 처리량을 실현한다. 스마트센서는 아래 표와 같이 분류된다.

구분	센서 종류
감지대상	물리 센서(힘, 온도, 전자기, 광학 등) 화학 센서(가스, 이온, 수질 등) 바이오 센서(혈당센서, 단백질 센서, DNA 센서, 세포칩)
감지방식	저항형 센서, 용량형 센서, 광학식 센서, 자기식 센서 등
집적도	단순 센서, 전자식 센서, 디지털 센서, 지능형 센서
구현 기술	반도체 센서, MEMS 센서, 나노센서, 융복한 센서 등
적용 분야	자동차, 모바일, 가전, 환경, 의료, 산업, 국방, 우주

종류

스마트 압력 센서

타이어 공기압 자동 감지 시스템 애플리케이션은 타이어 펑크로 인한 사고가 많이 발생한 후 지속적으로 성장했는데 이 애플리케이션은 편리성과 안정성 때문에 중형차 이하의 범주로 진출을 하고 있다. 타이어 압력 이외에 스마트 압력 센서는 타이어의 온도 및 센서 모듈의 배터리 전압을 측정한다. 가속 센서는 시스템을 모니터링하고 휴지 상태의 물리적 동작을 보고한다. 이러한 유형의 압력 센서는 이미 자동차에 널리 사용되고 있으며 자동차 애플리케이션용 센서의 개발에 대한 향후 추세와 수요는 고신뢰성, 낮은 시스템 원가, 열악한 작동 조건, 소형 풋프린트, 고정밀도에 대한 요구에 의해 결정된다.

스마트 관성 센서

스마트 관성 센서는 가속도를 측정하는 관성센서로, 초소형 정밀기계 기술이 적용된 고집적 첨단 센서이다. 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서가 복합되어 모션 센서, 항법(IMU) 센서로 확장되고 있으며, 초소형화 초소형 정밀기계 기술과 고기능 SoC가 집적된 스마트 마이크로 센서의 대표적이라고 할 수 있다. 이 센서는 모바일 핸드폰, 자동차 자세 제어, 로봇, 군수(미사일), 우주항공 등에 응용되고 있으며, 최근 게임 및 스마트폰 등에서 폭발적으로 사용되고 있다. 2013년부터 자세 제어(ESC)가 의무장착됨에 따라 시장확대 되었다. 특히 모바일 디바이스와 게임 디바이스들에 사용되고 있는 모션 센싱 기술들은 IR 센서 및 관성센서에서부터 가속도계와 자이로가 합쳐진 콤보 디바이스에 이른다. 시장에 이미 나와 있던 닌텐도 위(Wii)와 애플의 아이폰(iPhone) 덕분에 모션 센싱 기술들은 많은 새로운 애플리케이션들을 기능하게 하고 있다.

스마트 헬스케어 센서

헬스케어는 다른 분야보다 훨씬 더 우리 삶의 질과 직접적으로 연관되어 있기 때문에, 센서를 활용한 관련 제품 개발에 있어서도 가장 관심이 크다. 스마트 헬스케어 센서가 활발하게 사용되는 영역은 주로 진단, 검사용 의료기기이다. 과거에는 정기건강검진 혹은 실제로 질병의 징후가 나타났을 때 시행하는 사후적인 성격에 국한되었다. 하지만 최근에는 질병의 경험하는 과정에서 직면하는 여러 가지 문제를 해결하는 사전적이고 예방적인 성격으로 변했다. 이제는 환자 또는 건강한 개인으로 확대되고 있는데 진단 및 검사가 진행되는 장소와 시점도 병원에 방문한 특정 시점이 아닌 가정, 모바일 환경 등 언제 어디서나 가능한 형태로 바뀌고 있다. 혈당 센서와 전자코와 같이 정교하고 소형화된 스마트센서의 등장으로 언제 어디서나, 전문가가 아닌 개인도 쉽게 사용할 수 있는 기기의 개발이 이뤄졌다. 바이오·나노 기술과의 융합은 센서의 민감도 및 측정의 정확도를 향상시켰고, 반도체 및 초소형 정밀기계 기술의 도입으로 초소형의 독자적 판단력을 지닌 제품 개발이 가능해졌다. 이런 변화는 헬스케어 영역에서의 센서의 역할을 보다 증대시키는 배경으로 작용하고 있다. 유비쿼터스 헬스케어를 구현하는 핵심 기술은 인체 신호를 감지하는 센서 기술, 통신 네트워크 기술, 데이터 처리 기술 기반의 표준화된 임상 치료 기술 등이라고 할 수 있는데, 이 중 고도화된 센서의 개발은 가장 먼저 해결되어야 할 필수 과제이다.

전망

마켓앤드마켓(Markets and Markets)의 조사 결과에 의하면 지난 2018년 사물인터넷(IoT) 센서 시장은 약 52억 8,000만 달러 규모를 기록했으며, 2023년까지 연평균 33.6%의 높은 성장율을 기록하면서 2023년 224억 8,000만 달러의 시장을 형성할 것으로 예측됐다. 특히 이 기간 동안 이미지 센서와 압력 센서가 가장 큰 부분을 차지할 것이며, 이미지 센서는 스마트폰이나 가전, 자동차, 로봇 등 다양한 분야에, 그리고 압력 센서는 내연기관 자동차의 온실가스 감축을 위한 규정을 충족시키기 위한 진단용으로 많은 부분이 사용될 것으로 내다봤다.

또 다른 시장조사기관인 오비스 리서치(Orbis Research) 또한 비슷한 예측을 내놓고 있다. 오비스 리서치는 사물인터넷 센서 시장이 2017년 80억 달러 규모를 형성했으나, 2023년까지 연평균 23.9%의 높은 성장세를 유지하면서 277억 달러 규모로 성장할 것이라 예측했다. 특히 이 기간동안 브로드컴(Broadcom), 센시리온(Sensirion), 옴론(Omron) 등의 업체들이 두각을 드러낼 것이라 예측했는데, 이는 많은 부분이 자율주행과 차량의 안전 기능의 발전, 그리고 배기가스 규제 등의 이유로 센서의 사용이 크게 증가할 것이라고 예상했다. 이외에도 제조업 분야의 유지비 절감, 그리고 스마트 시티의 구축을위한 전 세계 정부의 이니셔티브 등으로 사물인터넷 센서 시장의 성장 잠재력이 매우 크다고 판단했다.

특히 센서 허브 시장은 2017년에서 2023년 사이 20.9%에 달하는 연평균 성장율을 기록하면서 337억 7,000만 달러의 시장을 형성할 것으로 예측했다. 센서 유형별로 사용빈도를 살펴보면 이미지와 압력센서, 바이오센서 순으로 비중이 큰 것으로 나타났다. 가장 큰 비중을 보이는 이미지 센서는 주로 스마트기기, 디지털 카메라, 드론, 로봇청소기, 의료영상기기 등에 사용되고, 압력 센서는 압력계, 진공계, 소방시설, 급수장치, 냉동기 등에 적용되고 있다. 세 번째로 큰 비중을 보이는 바이오 센서의 경우 특정 원인 검출이나 검사장치로써 주로 혈당(압), 심전도, 임신유무 등의 의료용 장비에 가장 많이 사용되고 있다.

참고자료

• 〈스마트 센서〉, 《지식백과》
• 〈스마트 센서〉, 《센서용어사전》
• 신동윤 기자, 〈IoT를 위한 미래의 센서, 스마트센서〉, 《테크월드》, 2019-04-01
• 윤진근 기자, 〈스마트 센서란 무엇인가?〉, 《엠에스디》, 2018-03-25
• 정보통신산업진흥원, 〈스마트 센서 R&D 동향 분석〉, 《정보통신산업진흥원》, 2012-05
• 박선택 외 2인, 〈스마트 센서: 투명 유연 센서〉, 《한국전자통신연구원》, 2012

같이 보기

• 사물인터넷
• 모바일기기
• 4차 산업혁명

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