[첨단 헬로티]
사물인터넷(IoT, Internet of Things)로 구현되는 모든 스마트 시스템에서 센서의 기능은 매우 중요하다. 기존에 센서의 개념은 단지 '검출기'가 어떤 특정한 물질을 '감지'하는 수준에 머물렀으나, 현재의 센서는 감지 신호를 전달해 중앙처리장치가 어떠한 판단을 내리도록 하는 형태로 상용화됐다. 이로 인해 센서로 가스와 미세먼지를 감지해 공기청정기가 작동하고, 조도를 파악해서 조명의 밝기가 바뀌는 등의 스마트홈을 구현할 수 있게 된 것이다.
‘스마트 센서’또는 ‘지능형(Intelligent) 센서’는 MCU(Micro Controller Unit) 내장, SoC(System on Chip) 기술 접목을 통해 데이터 처리, 저장, 자동보정, 자가진단, 의사결정, 통신 등 의 기능을 수행함으로써 대상을 감지하고, 사물이 반응하게끔 한다는 점에서 IoT의 가장 핵심적인 요소로 주목받고 있다.
센서의 사용 확대는 단순히 센서 기술의 발달 자체에 의해서만 가능해 진 것이 아니라, 스마트폰과 같은 모바일 컴퓨팅의 진화, 네트워크 인프라 확대, 클라우드 컴퓨팅의 보편화 등이 함께 구축되면서 IoT를 가능하게 만들었다.
IoT 시장 성장은 센서의 매출 성장을 빠르게 증가시키고 있다. 시장조사기관 IC인사이츠에 따르면 센서의 경우에는 2010년부터 꾸준히 성장해 오면서 2017년 전년 대비 17.5% 성장해서 139억 달러를 기록했다고 밝혔다. 특히 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술로 만든 센서·액추에이터의 판매는 2017년 18.5% 증가해 116억 달러가 예상된다.
특히 센서 허브 시장은 2017 년에서 2023 년 사이 연평균 성장률의 20.9 %에 달하는 2023 년까지 미화 337 억 7 천만 달러로 성장할 것으로 예상되고 있다. 센서 허브의 주요 업체는 텍사스인스트루먼트, ST마이크로일렉트로닉스, NXP, 인벤시스센스, 인텔, 인피니언, 마이크로칩, 보쉬, 아나로그디바이스, 퀄컴, 브로드컴 등이 있다.
센서 사용의 비중은 자동차 산업(24%)과 제조산업(18%)이 가장 높은 비중을 차지하고 있지만, 스마트홈, 스마트빌딩에서 적용되는 센서의 비중은 빠르게 증가하고 있는 중이다. 일본 닛케이베리타스 전망에 따르면, 10년 후 세계 센서 수요는 현재보다 100배인 1조개로 늘어날 것으로 보고 있다. 이는 지구촌 인구가 약 72억 명인 경우로 계산하면 한 사람당 약 140개의 센서가 주변에 있다는 것을 의미해 그 수량이 어마어마하다는 것을 알 수 있다.
센서 유형별로 사용빈도를 살펴보면 이미지와 압력센서, 바이오센서 순으로 비중이 큰 것으로 나타났다(BCC 리서처). 가장 큰 비중을 보이는 이미지 센서는 주로 스마트 기기, 디지털 카메라, 드론, 로봇청소기, 의료영상기기 등에 사용되고, 압력 센서는 압력계, 진공계, 소방시설, 급수장치, 냉동기, 기타 등이다. 세 번째로 큰 비중을 보이는 바이오센서의 경우 측정 특정 원인 검출 및 검사장치로써 주로 혈당(압), 심전도, 임신유무 등의 의료용 장비에 가장 많이 사용되고 있다.
▲ 마이크로칩의 센서
스마트홈 구축에 필요한 센서는?
스마트홈의 IoT 디바이스에 주로 사용되는 센서는 온도·습도 센서, 진동·소음 센서, 접촉·터치 ·압력 센서, 마이크로폰, 카메라 근접 센서, 조도 센서, 색감 센서, 가속도 센서, 지자기계·자이로스코프, IR 동작·체온 센서 등이 대표적이다.
1. 스마트 도어를 위한 ‘모션 센서’
모션 센서는 영역 내의 움직임을 감지한다. 모션 센서를 문과 창문에 부착하면, 사람들이 집안에 언제 퇴장하는지 알 수 있고, 문을 열고 닫을 때 조명을 켜고 끌 수도 있다. 창문의 움직임으로 침입자를 감지하게 되면, 무선 기술을 통해 휴대 전화로 곧바로 알림을 받을 수 있게 한다. 또한 모션 센서를 비디오에 연결하면 센서가 비디오 녹화를 활성화해 침입 장면을 캡처 할 수 있다.
모션 센서는 에너지 절약에도 도움 된다. 모션 센서를 조명이나 서모 스탯에 연결하면 방의 크기에 따라 에너지 사용을 제어 할 수 있다. 예를 들어 아무도 방에 없다면 조명을 끄거나 방을 사용할 때는 에너지 효율이 높은 온도로 조정할 수 있다.
이런 기능을 구현하기 위해서는 모션 센서는 다른 종류의 센서와 결합이 필요하다. 시장조사기관 IHS에 따르면, 두 개 이상의 센서를 하나의 패키지로 구현한 복합센서 시장은 2012년을 시작으로 본격적으로 확대돼 2016년에는 모션센서 분야 시장의 약 50%에까지 이를 것이라고 전망한 바 있다.
• 패시브 적외선(PIR) : 체온(적외선 에너지)을 감지한다. 이들은 홈 보안 시스템에 가장 널리 사용되는 센서다. 패시브 적외선은 열과 움직임을 감지해 보호 그리드를 만든다. 움직이는 물체가 여러 격자 구역을 차단하고 적외선 에너지 레벨이 변경되면 센서가 작동된다.
• 마이크로웨이브(MW, MircoWave) : 센서가 이동하는 물체의 반사를 측정하기 위해 마이크로파 펄스를 전송한다. MW 센서는 적외선 센서보다 많은 면적을 차지하지만 비싸고 전기적 간섭에 취약하다.
• 듀얼 기술 모션 센서 : 듀얼 기술 모션 센서는 패시브 적외선(PIR)과 마이크로웨이브(MW)와 같은 여러 기술을 사용해 영역을 모니터링한다. 알람을 작동시키기기 위해서는 두 센서가 모두 작동해야 허위 알람을 줄이는 데 도움이 된다.
▲ 필립스 휴의 모션 센서
• 영역 반사(Area Reflective Type) : LED의 적외선을 방출한다. 이 광선의 반사를 사용한 센서는 사람 또는 물체까지의 거리를 측정하고 물체가 지정된 영역 내에 있는지 감지한다.
• 초음파(Ultrasonic) : 초음파 펄스를 보내고 움직이는 물체의 반사를 측정한다.
• 진동(Vibration) : 진동을 감지한다. 이 범주에는 가속도계와 압전기 장치가 주요 센서 유형으로 속한다.
▲ Fibaro의 워터 센서
2. 수도요금 절약하는 ‘누출·습기 감지 센서’
추운 겨울 수도가 얼거나 아무도 없는 집에 수도꼭지를 제대로 잠그지 않아 물이 세는 경우, 또는 파이프 손상으로 인해 누출이 발생한 경우를 사전에 방지할 수 있게 한다. 이 센서는 온수기, 식기 세척기, 냉장고, 싱크대, 기름 통 펌프 등 물과 관련된 곳에 설치할 수 있다. 센서가 원치 않는 물을 감지하면 알림이 전송되므로 집에 서둘러 문제를 확인하고 해결할 수 있다. 또 이로 인해 발생할 수 있는 수도요금 폭탄을 사전에 막을 수 있다.
▲ 누출·습기 감지 센서들
3. 언제나 쾌적한 집안 환경 ‘온·습도, 가스 센서’
온·습도 센서와 연결된 스마트 온도조절장치(Smart Thermostat)를 사용하면 집 안팎에서 온도와 습도를 모니터링해 집안의 난방과 냉방을 제어 할 수 있다. 또 방 안에서 사람의 행동에 따라 온도를 조절할 수 있고, 아무도 방안에 없을 때는 에너지 절약 모드로 기본 설정돼 비용을 절약 할 수 있다.
건물에 위치한 화재 감자기는 연기를 징후로 신호음을 울리고 있지만 여기서 더 나아가 가스 센서는 연기와 일산화탄소를 감지하면 위험 경고를 보내 화재로 인한 피해를 막을 수 있다. 뿐만 아니라 집안의 전체 대기 품질을 모니터링하고 먼지, 그을음, 꽃가루, 온도, 습도, 공기부패, 미립자와 같은 오염 물질을 감시 할 수 있다.
4. 집안의 센서를 한 곳에서 관리하는 ‘인터콤, 허브’
스마트홈을 만들기 위해 여러 센서를 집안 곳곳에 설치했으면, 이제 한 곳에서 모든 것을 관리해야한다. 스마트홈 허브와 인터콤 시스템을 사용하면 가정의 모든 통신 시스템인 스마트홈 센서에 접속할 수 있고, 버튼 하나만으로 긴급 또는 수리 서비스를 요청할 수 있다.
IoT 시대에 센서 기술력 확보 중요
센서가 대부분 기기의 핵심 부품으로 확대되면서 센서산업의 경쟁력 확보가 국가 산업경쟁력 강화의 필수 요소가 되고 있다. 센서산업 자체만으로도 향후 IoT 진전으로 높은 성장이 예상되기 때문이다.
그러나 스마트·지능형 센서 기술은 주로 유럽과 미국을 중심으로 개발되고 있다.
국내의 센서 핵심기술의 수준은 55%로, 미국(95%), 유럽(98%)에 비해 매우 낮은 수준이며, 국내 수요의 대부분을 수입에 의존(약 80% 이상)하고 있는 상황이다.
그러나 국내 대기업(IT제조사, 자동차업체, 통신사업자)들을 중심으로 빠르게 대응 중이지만, 중소기업의 자발적인 움직임은 아직은 미흡하다.
▲ 표 1. 국가별 센서기술 수준 분석 (자료: CHO Alliance(2015))
그만큼 센서는 기술면에서 진입장벽이 높은 분야라는 것을 뜻한다.
ETRI 연구원은 “국내 기업은 첨단 센서에 대한 기술력 부족과 일반 센서의 가격경쟁력 취약으로 인해 미국·독일·일본 등 선진기술 보유국과 가격경쟁력을 앞세운 중국의 중간에 위치한 샌드위치 상태다”라고 설명했다.
이에 따라 정부는 ‘첨단 스마트 센서 육성사업’에 2015년부터 6년간 1508억 원을 투자할 계획이며, 2020년 기준 42억 달러 생산과 21억 달러 수출을 달성할 것을 목표로 하고 있다.
또 2025년까지 센서 산업 고도화를 통해 센서 4대 강국에 진입하는 것을 목표로, 핵심 센서 10개 국산화, 세계 센서 시장점유율 5.0%, 세계 최고 수준의 중견 센서 기업 20개 육성을 향후 비전으로 설정한 상태다.
▲ 센서 허브
