테크 포커스

차세대 지능형 센서가 온다

현재 우리는 ‘스마트’라는 접두어가 붙은 여러 제품 혹은 서비스, 기술들 속에 살아가고 있다. 예를 들어 휴대폰, 자동차, 홈, 병원, 공장 등 많은 용어에 ‘스마트’를 붙여 아무런 거부감 없이 사용한 지 오래전이다. ‘똑똑한’, ‘영리한’, ‘맵시 좋은’의 뜻을 가진 ‘스마트’는 결국 우리 삶 속에서 각각의 요구에 얼마나 적절하게 또는 편리하게 대응하느냐에 따라 그 의미가 명확해질 것이다.

그렇다면 우리의 요구는 어디에서 시작되는 걸까. 그것은 ‘인간의 오감^五感’, 즉 시각·청각·촉각·미각·후각에서 비롯된다. 스마트폰, 스마트(자율주행)카, 스마트홈, 스마트병원, 스마트공장 등의 산업에 적용되는 기술에서 알 수 있듯이 가장 중요하고 없어서는 안 될 핵심은 바로 ‘센서’다. 그 센서들이 적용되는 분야에서 인간의 오감 만족을 위해 현실과 디지털 세상의 융합이 이뤄져 비로소 스마트화가 완성되는 것이다. 그 속에서 역할을 하는 센서가 바로 ‘스마트센서’다. 이는 물리, 화학 및 바이오 등의 정보를 감지 및 취득해 관측자나 시스템에서 읽을 수 있는 신호로 변환하는 정보 소자나 장치를 뜻한다.

이러한 센서들이 모바일 기기의 사용자 환경, 자동차의 전자 및 장비, 병원 등 여러 곳에서 적용돼 제품 기능을 향상시키거나 새로운 서비스를 만들 수 있다. 각각의 환경에서 요구되는 데이터의 처리, 의사 결정, 통신 기능 등이 결합해 자동 보정, 상황 판단, 네트워킹 등이 가능한 차세대 지능형 센서, 즉 스마트센서가 미래의 중심에 설 것으로 보인다.

일상에서 만나는 스마트센서

모바일 및 스마트 기기

모바일 등 스마트 기기가 대중적으로 보급되고 이제는 우리 생활의 일부분이 된 현재, 다양한 IT 기기가 연이어 출시되고 있다. 모바일 및 스마트 기기에 사용되는 센서의 수요는 그 활용 범위가 넓어지는 한편, 고성능, 융·복합화되는 추세다. 현재 모바일용으로 사용하는 가장 대표적 센서는 카메라 센서, 빛을 감지해 화면의 밝기를 자동 조정해주는 밝기 센서, 물체의 거리를 감지하는 근접 센서, 가속도 및 중력을 측정하는 자이로 및 가속도 센서 등이 있으며, 최근 새로운 기능이 추가됨에 따라 사용하는 센서도 늘어날 것으로 예상된다. 모바일 및 스마트 기기 속 대표적인 센서의 종류 및 역할을 살펴보면 다음과 같다.

❶ 가속 센서^{Acceleration Sensor}는 움직이는 속도의 변화나 충격 등 힘의 세기를 감지하는 센서로, 가로(X), 세로(Y), 앞·뒤(Z)로 좌표를 만들고 이 좌표의 움직이는 속도를 측정할 때 사용하는 모션 센서 중 하나다. 주로 움직이는 대상을 측정하며 러닝 및 라이딩의 기록용 애플리케이션에 쓰인다.

❸ 근접 센서^{Proximity Sensor}는 물리적 접촉 없이 사물에 가까이 있는지 없는지를 감지, 여러 가지 활용을 가능하게 해주는 센서다. 스마트폰 통화 시 불필요한 터치를 방지하기 위해 화면을 끄는 등 절전 효과를 얻을 수 있다.

❺ 밝기 센서^{Light Sensor}는 주변 빛의 밝기를 감지해 디스플레이의 밝기를 자동으로 조절하는 센서로 조도 센서라고도 한다. 화면을 보는 동안 눈의 피로를 줄이고 가독성을 높여주는 역할을 한다.

❼ 지자기 센서^{Geo-magnetic Sensor}는 지자기라고 하는 지구 표면 및 그 주위에 있는 자기장을 감지해 방위 정보를 알 수 있는 센서다. 관련 애플리케이션을 이용해 방위를 정확하게 측정할 수 있으며, GPS와 조합해 위치 기반 서비스를 구현하는 데 사용된다.

❷ 자이로 센서^{Gyro Sensor}는 가속 센서와 함께 대표적인 모션 센서다. 움직이는 방향을 측정할 때 사용하며, 레이싱게임 등에서 기기의 기울임에 따라 진행 방향이 바뀌어 실감 나게 게임을 즐길 수 있다.

❹ RGB 센서^{RGB Sensor}는 RGB, 즉 빨강^RED, 초록^GREEN, 파랑^BLUE 세 종류의 광원에 대해 주변 빛의 밝기에 따라 화면의 색을 자동 보정해주는 센서다. 노란색 빛이 있는 곳에서 스마트 기기를 사용할 때 노란색을 낮추고 초록색과 파란색을 더 밝게 해 자연스러운 색을 구현토록 한다.

❻ 지문 인식 센서^{Fingerprint Recognition Sensor}는 문자 그대로 사람 각각의 지문 패턴을 감지해 읽을 수 있는 센서다. 지문의 구조상 선 모양으로 나타나는 ‘융선’과 그 사이에 파인 부분인 ‘골’의 패턴을 읽어내는 기능을 한다. 다양한 애플리케이션의 보안 및 인증 수단으로 사용된다.

❶ 가속 센서^{Acceleration Sensor}는 움직이는 속도의 변화나 충격 등 힘의 세기를 감지하는 센서로, 가로(X), 세로(Y), 앞·뒤(Z)로 좌표를 만들고 이 좌표의 움직이는 속도를 측정할 때 사용하는 모션 센서 중 하나다. 주로 움직이는 대상을 측정하며 러닝 및 라이딩의 기록용 애플리케이션에 쓰인다.

❷ 자이로 센서^{Gyro Sensor}는 가속 센서와 함께 대표적인 모션 센서다. 움직이는 방향을 측정할 때 사용하며, 레이싱게임 등에서 기기의 기울임에 따라 진행 방향이 바뀌어 실감 나게 게임을 즐길 수 있다.

❸ 근접 센서^{Proximity Sensor}는 물리적 접촉 없이 사물에 가까이 있는지 없는지를 감지, 여러 가지 활용을 가능하게 해주는 센서다. 스마트폰 통화 시 불필요한 터치를 방지하기 위해 화면을 끄는 등 절전 효과를 얻을 수 있다.

❹ RGB 센서^{RGB Sensor}는 RGB, 즉 빨강^RED, 초록^GREEN, 파랑^BLUE 세 종류의 광원에 대해 주변 빛의 밝기에 따라 화면의 색을 자동 보정해주는 센서다. 노란색 빛이 있는 곳에서 스마트 기기를 사용할 때 노란색을 낮추고 초록색과 파란색을 더 밝게 해 자연스러운 색을 구현토록 한다.

❺ 밝기 센서^{Light Sensor}는 주변 빛의 밝기를 감지해 디스플레이의 밝기를 자동으로 조절하는 센서로 조도 센서라고도 한다. 화면을 보는 동안 눈의 피로를 줄이고 가독성을 높여주는 역할을 한다.

❻ 지문 인식 센서^{Fingerprint Recognition Sensor}는 문자 그대로 사람 각각의 지문 패턴을 감지해 읽을 수 있는 센서다. 지문의 구조상 선 모양으로 나타나는 ‘융선’과 그 사이에 파인 부분인 ‘골’의 패턴을 읽어내는 기능을 한다. 다양한 애플리케이션의 보안 및 인증 수단으로 사용된다.

❼ 지자기 센서^{Geo-magnetic Sensor}는 지자기라고 하는 지구 표면 및 그 주위에 있는 자기장을 감지해 방위 정보를 알 수 있는 센서다. 관련 애플리케이션을 이용해 방위를 정확하게 측정할 수 있으며, GPS와 조합해 위치 기반 서비스를 구현하는 데 사용된다.

이러한 센서들은 융합, 결합, 퓨전을 통해 우리가 원하는 새로운 기능에 적합한 센서로 지능화된다. 인간의 오감을 대신하는 스마트폰 적용 센서들에 대해 스마트폰 대표 기업들의 지능형 기술 적용이 증가하는 추세다. 이전 스마트폰에 사용되던 센서는 10여 개 수준에 불과했지만, 향후 더 많은 센서는 물론 다양한 기능이 탑재된 센서가 사용될 것으로 보인다.

스마트(자율주행)카

자율주행차는 인공지능, 센서, 통신 등 ICT(정보통신기술) 첨단 기술의 집약체로 자동차가 운행 환경을 감지하고 경로 등에 필요한 데이터를 스스로 결정해 주행하는 차를 의미한다. 자율주행차의 운행은 사람이 운전할 때의 사고 흐름과 동일한 ‘인식, 판단, 제어’로 이뤄진다. 이 과정에서 센서가 인지하고 상황 판단에 따라 제어해 목적지까지 이동할 수 있게 하는 역할을 한다. 자율주행차에 적용되는 센서는 일반 차량에 적용되는 센서 외에 자율주행차 스스로의 위치를 인식하기 위한 센서와 주행 환경에 존재하는 다양한 물체를 인식하기 위한 센서로 구성된다. 위치 인식을 위해 관성측정장치^IMU, 위성항법시스템^GPS, 카메라, 라이다 등이 사용되고, 물체 인식을 위해서는 카메라, 라이다, 레이다 등이 사용된다.

그중 대표적인 자율주행 차량용 센서인 라이다 센서는 빛을 발사해 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 계산해 거리를 측정하며, 이러한 정보를 수집하는 기능을 수행한다. 차량 주변 환경에 대해 가상공간에서 현실의 물체를 묘사하거나 모습을 만들어내 자율주행차를 둘러싼 범위 내의 장애물을 탐지할 수 있다. 또 레이다 센서는 송신기를 통해 발사된 전파가 물체에 반사돼 수신기로 돌아오는 과정에서 물체의 위치, 방향, 속도 등을 식별, 사전에 사고를 대비할 수 있다.

향후 자율주행차는 하나의 스마트 기기가 되어 운행 중 수집한 데이터를 실시간 통신으로 제공하고 처리하는 서비스 플랫폼으로 발전할 것으로 전망된다. 현재 자율주행차에는 초음파, 라이다, 레이다, 노면 감지 등을 위한 센서 시스템을 적용하고 있다. 사고 예방·회피·경감 등의 안전 기술은 개별 시스템 수준을 넘어 향후 뇌파 등을 이용한 생체 정보 인식, 운전자 행동 예측, 운전자·탑승자 상태 인식 및 인증 등 적응형 사용자 인터페이스 기술 등과 결합해 운전자 편의 및 안전도를 향상시킬 것으로 예상된다.

미래 자율주행차의 모습.

바이오 및 헬스케어(의료 & 건강)

코로나19 바이러스의 유행과 빠른 고령화사회 진입 등 시대가 변화함에 따라 의료 분야는 기존의 단순 질병 치료나 예방 관리를 넘어 개인 맞춤형 의료 및 실시간 환자 관리 등 개인과 환자 중심의 서비스를 제공하는 산업으로 빠르게 성장하고 있다. 바이오 및 헬스케어는 생명공학, 의·약학 지식에 기초해 인체에 사용되는 제품을 개발하거나 생체 진단 서비스를 제공하는 기술 분야다. 최근에는 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷^IoT 등 ICT 융합기술을 적용한 스마트센서 기술이 사용자 맞춤형 의료서비스에 활발히 응용되고 있다. 여기에 사용되는 센서로 가속도, 온도, 음향, 광, 심전도, 맥박, 혈당 센서 등이 있다. 이를 통해 몸 상태에 대한 정보를 수집하고 분석해 사용자에게 전문가 수준의 정밀한 의료 정보를 실시간으로 제공한다. 또 병원에 입원하거나 외래진료가 필요 없이 실시간 정보를 수집하고 장시간 관찰할 수 있는 부착 또는 착용하는 웨어러블 형태의 스마트센서 기술이 개발되고 있다. 이를 통해 병원이나 의료센터에서 실시간으로 원거리에 있는 환자와 의사가 정보(환자의 상태·분석, 의사의 진료 등)를 공유해 처방을 내릴 수 있다.

우리의 건강과 관련된 여러 기능이 있는 바이오센서는 생체 신호를 감지하고 측정하는 데 사용되는 혁신적 기술 중 하나로, 화학적 원리를 기반으로 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다. 이 기술은 생물학적 물질의 특이적 상호작용과 전기화학적 변화로 생체 정보를 감지해 의학 분야는 물론 환경 변화 감지, 식품 안전 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다.

생활을 더욱 편리하고 효율적으로 만드는 기술

미래에는 내 손안에서 모든 것을 할 수 있게 될 것이다. 우리의 일상을 편리하고 효율적으로 만들어주는 역할을 하는 기술의 주된 요소는 IoT와 센서 기술이다. 모든 사물에 인터넷이 연결돼 정보를 주고받고, 이를 통해 스마트한 기능을 수행하는 IoT 기술 그리고 감지 대상, 감지 방법, 구현 기술, 적용 분야 등의 기준에 따라 기능을 달리하는 스마트센서 기술이 적용되면 어떤 일상이 펼쳐질까. 우리가 생활하는 도시 곳곳에서, 집에서 그리고 공장이나 농장에서의 미래의 모습을 상상할 수 있다.

① 스마트시티: 교통량을 실시간으로 모니터링해 교통신호를 조절하고, 교통체증을 줄이는 데 도움을 준다. 또 주차 공간을 실시간으로 안내하는 시스템, 대기오염 및 수질, 재난 감지 및 경보 시스템 등 도시 환경 모니터링 등에 이용된다.

② 스마트홈: 스마트폰 앱을 통해 집 안의 조명을 제어하고, 자동으로 조명의 밝기를 조절하거나, 일정 시간에 맞춰 켜고 끌 수 있다.

③ 스마트헬스: 웨어러블 디바이스를 통해 건강관리, 원격 진료, 환자 모니터링 등이 가능하다.

④ 스마트공장: 제품 생산 공정 모니터링, 유지보수 예측, 공장 전력 제어, 신재생에너지 관리 등에 이용된다.

⑤ 스마트농업: 작물, 생육 환경 모니터링, 자동 급수·급비 시스템 등이 가능하다.

우리가 원하는 많은 애플리케이션이 한층 더 빠른 인터넷과 연결되고 내 몸에 부착하거나 입을 수 있는 여러 장치로 지능적 연결고리가 만들어지면, 그 안에서 중요한 역할을 하는 스마트센서는 더욱 첨단화될 것이다. 온습도, 가스, 초음파, 레이다, 라이다, 위치, 모션, 영상 센서 등 각각의 센서들이 사물과 주위 환경으로부터 정보를 수집·적용하는 분야에서 점점 지능적이고 고차원적 정보를 얻게 될 미래가 기대된다.