[4차산업 iot분석㉝] “사물인터넷”… 지능형 센서 소자 기술

[디지털비즈온 김맹근 기자] 최근 사물인터넷(IoT: Internet of ­ings), 인공지 능(AI: Arti‑cial Intelligence), 빅데이터가 산업의 큰 성장동력으로 주목 받으면서, 자동차, 모바일, 로봇을 필두로 한 제조업과 농업, 유통, 의료 등 다 양한 산업 분야에서 데이터 수집 및 활용의 가치와 중요성이 부각되고 있다. 이러한 산업변화 분위기 속에서 압력, 온/습도, 가속도 등의 물리량을 전기적 신호 및 데이터로 변환하는 센서의 수요가 폭발 적으로 증가하고 있다.

기존 센서 기술은 반도체 및 MEMS(초소형 정밀기계 기술) 기술, 유연 공정 기술 등 소재 및 공정 기술에 의존하는 소품 종 저가의 센서품목 중심으로 시장이 형성되어 왔으나, 최근 AI, 빅데이터 기술의 발전으로 센서 수 요가 급성장하면서 센서원가 상승의 부담을 줄이면서 다수의 센서기능을 통합하는 융·복합 센서 기술로 진화하는 중이다.

또한, AI 및 빅데이터 기술을 통해 새로운 고부가가치의 정보를 생산하기 위한 디지털 센서 기술로 인공지능 프로세서와 신호처리를 포함하는 지능형 모듈 형태로도 빠르게 발전하고 있다.

스마트제조, 스마트홈, 스마트팜, 스마트시티 등 수많은 스마트 IT 융합 서비스에 적용되는 지능형 센서 기술은 기존의 고성능 센서 기술을 뛰어넘어 인지, 추론, 판단의 과정을 거쳐 새로운 정보를 생산하는 IoT 시대 핵심 부품이 되고 있으며, 이를 위해 지능형 센서 소자는 소형화, 저전력화 및 융복합화, 유연/신축의 새로운 폼팩터화, 고해상도 센서 어레이 집적화 전략으로 개발이 가속화되고 있다.

지능형 센서 소자 기술 동향

소형화 및 융복합화 기술은 자율주행 자동차, 로봇, 무인항공기, 스마트폰 등 다양한 사물에 탑재되는 지능형 센서는 소자의 크기가 작을수록 유리하다. 이에 따라 하나의 칩에 센서와 반도체 회로를 집적한 System-in-Package (SiP) 형태의 지능형 센서가 활발히 개발되고 있다.

MEMS(초소형 정밀기계 기술) 기반 지능형 센서의 선두 그룹으로는 독 일의 보쉬(Bosch), 프랑스-이탈리아의 ST마이크로 일렉트로닉스(이하 ST), 미국의 인벤센스(Inven- sense) 등이 있다.

ST는 3축 가속도센서, 3축 자이로스코프를 신호 처리회로, 머신러닝코어와 결합한 저전력, 고정밀 모션센서칩(LSM6DSOX)을 2019년 출시하였다. ST의 모션센서 칩은 2.5×3×0.83mm 3의 크기이며, 내부 모션, 자유 낙하 같은 가속도 검출, 단일 또는 이중 탭 검출, 동작-무동작, 보행 수 카운터, 보행 검출 등 다양한 모션 감지 등의 처리가 가능하다.

이러한 지능형 모션센서는 스마트폰, 스마트워 치에 탑재되어 피트니스 트랙킹에 활용되고 있으 며, 칩상에서 효율적으로 모션 관련 계산을 수행하여 배터리 수명에 거의 영향을 미치지 않고 지속적인 추적을 가능하게 한다. 또한, 자율주행 자동 차, 협업 로봇 등에 활용되어 사물의 자동화와 지능화에 활용될 것으로 기대된다.

유연/신축 새로운 폼팩터 기술은 지능형 센서 소자의 소형화 및 융복합화 경향에 더불어, 첨단소재와 공정기술을 접목한 새로운 폼 팩터의 센서기술에 대한 연구가 활발하다. 다양한 자유곡면에 부착이 가능하고 고무처럼 늘어날 수 있는 형태의 유연/신축 센서 기술로, 기존의 딱딱하고 큰 부피의 센서 모듈이 접근할 수 없었던 곡면이나 가동부에 부착 또는 접합이 가능 할 뿐만 아니라 생체와의 인터페이스에도 유리하여 웨어러블, 임플란터블 디바이스의 형태로 헬스케어 분야를 지능화하고 있다.

또한 협동로봇, 간병로봇, 로봇의수 등과 같은 로봇의 전자피부에 활용되어 인간처럼 촉각을 인지하는 로봇에 활용될 것으로 기대되고 있다.

고해상도 센서 어레이 집적화 기술은 지능형 센서 소자는 미세한 픽셀 구조를 갖는 센서 소자를 고해상도로 어레이 집적화하여 정밀하고 복합적인 정보를 수집하는 기술로도 빠르게 진화하고 있다. 미국 메사추세츠공대(MIT)의 연구그룹은 548 개의 유연 압력센서 어레이를 장갑에 집적함으로써 다양한 형태, 재질, 무게의 26가지 물체를 잡는 동안의 손바닥 압력분포 데이터를 취득하고, 기계학습을 활용해 각 물체의 형태와 무게를 식별하는 데 성공하였다.

따라서 센서 픽셀을 고해상도로 어레이 집적화한 지능형 센서 기술은 인간의 섬세한 손 조작 메커니즘 의 이해를 돕고, 미래의 로봇 의수의 정밀함 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

결론적으로 지능형 센서 소자 기술은 AI, 빅데이터 기술의 발전으로 수요가 급증함에 따라 다수의 센서기능을 하나로 통합한 융·복합 센서 기술로 진화하고 있으며, 새로운 고부가가치의 정보를 생산하도록 인공지능 프로세서 및 신호처리가 집적된 지능형 모듈로 발전 중이다.