쾌적한 환경에 대한 욕구가 증가하면서 환경센서의 중요성이 커지고 있다. 환경센서는 수질·대기 등 환경매체뿐만 아니라 생태계에서의 환경오염 물질을 정밀하게 측정하고 실시간 모니터링하는 기술이다.
IoT가 대두되면서 온·습도 및 신호처리 회로가 내장되어 있는 고성능, 초소형 복합센서 모듈에 대한 요구가 증대되고 있으며, 실용화를 위해서는 소형화, 저전력화, 다기능화된 센서가 개발되어야 한다. 삼영에스앤씨 김영민 연구소장이 스마트 센서 세미나에서 발표한 ‘환경센서 개발과 상용화 방안’에 대한 강연 내용을 정리했다.

▲삼영에스앤씨 김영민 연구소장

센서기술 트렌드가 급격히 바뀌고 있다. 센싱 소자와 신호처리 회로 분리 형태를 띤 1세대의 디스크리트 센서(Discrete Sensor)에서 MEMS 기술 도입으로 센싱 소자와 신호처리 회로가 결합한 2세대의 인티그레이트 센서(Integrate Sensor)로, 다시 혼합신호 CMOS 기술이 도입되면서 디지털 방식을 채용한 3세대의 디지털 센서(Digital Sensor)로 발전했다. 최근에는 SOC 기술이 도입되고 MCU가 센서에 내장되면서 더욱 지능화된 4세대의 인텔리전트 센서로 진화하고 있다.
IoT가 대두되고 스마트폰, 자동차 등에서 센서들이 활발하게 적용되면서 소형화, 집적화, 고성능화도 이루어지고 있다. 처음엔 단일 센서 소자 또는 2차원 구조의 PCB 모듈 상태였지만, CIMOS 기술 도입으로 센서 크기가 작아졌다. 또한, 어레이 복합소자와 3차원 구조 시스템의 원칩(One-Chip)화가 진행됐다. 원칩화 요구가 커지는 이유는 스마트폰에 넣기 위해서 센서의 크기가 작아져야 하고, 작아지려면 소비전류도 낮아져야 하기 때문이다.

환경센서 필요성 대두

환경센서란 수질·대기 등 환경매체뿐만 아니라 생태계에서의 환경오염 물질을 정밀하게 측정하고 실시간 모니터링하는 센서를 의미한다. 환경센서에는 온·습도센서, 먼지센서, 수질센서, 자외선센서, 압력센서 등 다양한 센서들이 있다. 이러한 요소들은 우리의 건강을 위해 센서들이 적절하게 반응하고 모니터링해서 삶의 질을 높이는데 필요하다.
실용화를 위해서는 결국 환경센서를 개발해야 한다. 칩을 얼마나 작고, 성능을 높이느냐가 센서 개발을 위한 중요한 요건이 됐다. 이를 위해서 센서 신호처리 및 제어 회로 개발뿐만 아니라, ASIC·SOC·패키징과 같은 센서 제어칩, 앱 개발·서비스 플랫폼 등의 유무선 통신 및 네트워크 기술 등도 지속적으로 개발해야 한다.
예를 들어, 갤럭시S4에 온·습도센서가 들어가게 되면, 그것과 관련해서 필요한 게 앱 개발이다. 온·습도센서가 역할을 제대로 수행하기 위해서는 앱이 열어주어야 하기 때문이다.
환경센서의 주요 응용 분야는 기상청 및 환경 관제 센터, 농작물 관리 시스템, 비닐하우스 시스템, 농작물 및 농경지 관리 DB, 환경 관리 시스템 등에 적용될 수 있다.

온·습도센서, 원칩모듈로 진화

그러면 습도센서란 무엇인가. 습도센서는 감습재료의 수분 흡/탈착을 이용해 습도를 검출하는 원리를 이용한다. 우선 습도센서에 전기적 신호를 가해서 수분을 흡착한다. 그리고 폴리머라는 감습막을 통해서 저항과 용량이라는 전기적 신호를 내보낸다. 내보낸 것을 아나로그 회로나 디지털 회로를 이용해서 습도를 표시하게 된다.
결국 이러한 고분자 형태에서 수분이 들어가면 수분들이 차증이 되어서 저항이 바뀌든지 용량이 바뀌게 되는데 고분자막 습도센서의 장점은 소자의 저가격화와 소형화가 가능하다는 점이다. 또한, 응답 속도가 빠르며, 넓은 습도의 영역에서도 사용할 수 있다. 단점은 고온·고습에서 안정한 특성을 얻기 힘들며, 유기용제에 약하고 가습과 제습 과정에서 히스테리시스가 있다는 것이다.
습도센서는 저항 변화를 감지하느냐, 용량값 변화를 감지하느냐에 따라 저항형 습도센서와 정전용량형 습도센서로 나뉜다.
먼저, 저항형 습도센서는 감습 물질의 이온활성도가 주변 환경 및 수분의 흡착 양에 따라 변화하면서 발생하는 저항 변화를 감지하는 방식이다. 저항형은 박막 프린트 방식이기 때문에 가격이 저렴하다. 또한, 상호 교체가 가능하며 캘리브레이션이 필요 없다. 사용 온도 범위는 -20~85℃이다.
정전용량형 습도센서는 감습 물질 유전율과 수분 유전율의 변화에 따른 정전용량 변화를 감지하는 방식으로서, 주로 반도체 공정에 적용한다. 정전용량형은 내구성이 뛰어나며 직선성, 민감성, 히스테리시스, 응답 시간이 우수하다. 또한 온도(보정) 계수가 낮으며, 사용 온도 범위는 -40~140℃이다.
온·습도 센서의 기술도 발전하고 있다. 처음엔 센서 단품만 나오다가 PCB 형태의 모듈이 만들어졌고, 이를 ROIC 구현해서 하나의 칩 형태인 모듈이 나왔다. 최근엔 IoT 대두로 초소형 복합센서 모듈에 대한 요구가 많아지면서 원칩 모듈 형태가 등장했다.
응용 분야도 제습기·가습기에서 생활가전, 자동차, 스마트폰으로 확대해 갔다. 자동차의 경우, 과거 온도센서만 탑재하던 것이 쾌적한 실내 환경을 위해 지금은 습도센서까지 적용하고 있다. 삼성전자 갤력시S4도 온·습도센서를 탑재해, 주변의 온도와 습도를 측정하여 실시간으로 현재의 환경이 쾌적한지, 온도가 높은지 낮은지를 알려주는 쾌적도 알리미 서비스를 제공하고 있다. 현재 탑재되어 있는 원칩 사이즈는 2mm×2mm이며, 더 작은 사이즈도 나오고 있다. 애플의 아이폰 6은 다양한 기압센서를 탑재해, 대기압으로 높낮이를 측정할 수 있게 했다.

먼지센서, 소형·경량화로  활용성 높여

습도센서가 습도를 검출하는 원리라면, 먼지센서는 기체 속의 먼지를 검출하는 원리이다. 먼지센서는 에어컨이나 공기 청정기 등의 공조기 안에 센서 모듈로 포함되어 센서 안을 통과하는 기체 속의 먼지 농도를 광산란 검출 방식으로 측정하는 센서이다.
먼지센서는 담배연기나 집먼지까지 1μm 이상의 입자를 고감도로 안정적 검출한다. 특장점으로는 소형(W59×H45×D22mm)·경량(약 24g)으로 설치가 용이하며 내장기류 발생기에 의하여 외부 대기를 스스로 흡인한다. 또한, 유지 관리가 간단하며 오래되어도 센서 특성을 유지한다.

환경센서 상용화 방안

환경센서가 상용화되기 위해서는 첫째, MEMS 공정기술, 패키지 기술, 원칩 기술 등 센서 제조 기술을 확보해야 한다. 둘째, ASIC 전문기업과 협업을 통한 환경·수질·가스·SoC 등 센서 특성에 최적화된 ROIC를 개발해야 한다. 셋째, 시장성과 수요기업 요구사항을 반영한 목표를 설정해야 한다. 넷째, 정확도·민감성·반응시간 등 센서 기본 특성을 확보한 시제품 제작을 해야 한다. 다섯째, 상용화 기술을 통한 핵심·응용 특허를 발굴하고 신뢰성 인증기관과의 공동 연구를 통해 제품을 검증할 수 있어야 한다.

정리 임근난 기자 (fa@hellot.net)