[정보통신신문=서유덕기자]

건강한 감각 기관이 원활한 신체 활동을 뒷받침하듯, 첨단 시설·장비의 고도화된 관리·제어를 위해서는 물질의 양이나 물체의 움직임, 온도, 소리, 조도 등을 더 정교하게 감지하는 ‘센서(감지기)’가 요구된다. 디지털 전환으로 시설·장비에 요구되는 기술적 수준이 한층 높아지면서 이에 설치되는 센서 또한 스스로 데이터를 처리하고 판단할 수 있도록 ‘스마트화’하고 있다.

스마트센서, 디지털 시대 원천 기술

스마트센서는 마이크로프로세서와 무선통신 모듈을 내장해 데이터 처리 및 전송까지 가능한 센서로, △측정 △구성 △검증 △통신의 네 가지 기능을 중심으로 작동한다.

먼저 ‘물리적 신호를 감지해 전기 신호로 변환’(측정)함으로써 교통량, 온·습도 같은 주변 환경 정보를 모니터링할 수 있다. 또한, 센서가 ‘설치 오류를 인식하거나 정렬’(구성)할 수 있는 기능을 제공하며, 센서에 구현된 감독 장비·회로를 통해 ‘센서의 정상 동작 여부를 지속 확인’(검증)한다. 아울러 센서에 내장된 마이크로프로세서나 외부 컨트롤러, 서버 등과 통신한다.

스마트센서의 디지털 신호는 아날로그 센서 신호보다 정확도가 높아 정밀한 제어에 이롭다. 상대적으로 소비전력이 적고 센서의 크기가 작으며, 일부는 유연성까지 갖춰 점차 작아지는 스마트기기의 추세에 적합하다. 같은 크기의 전자기기에 센서를 설치할 때도 센서의 수와 종류를 늘릴 수 있어 성능 개선에 이바지한다.

이에 스마트센서는 정보통신기술(ICT)과 융합한 신서비스의 확산을 부추겨 인간 삶의 질을 대폭 제고하는 디지털 전환의 원천 기술로 조명받는다. 스마트홈에서 사람의 움직임을 감지해 조명을 켜거나 실내 온·습도를 조절하고, 집중호우 시 하천의 수위를 측정해 차단기 또는 배수펌프 등을 작동시키는 등 생활·산업·안전을 아우르는 광범위한 분야에 응용할 수 있다.

시장조사기관 마켓앤마켓(MarketsandMarkets)에 따르면, 2020년 약 366억5000만달러(한화 약 47조1000억원)였던 세계 스마트센서 시장 규모는 2025년 약 875억8000만달러(한화 약 112조5000억원) 수준에 이를 전망이다.

국내 스마트센서 시장도 2020년 약 21억5000만달러(한화 약 2조7000억원)에서 2025년 약 49억4000만달러(한화 약 6조3000억원) 규모로 성장할 것으로 기대된다.

소형화하는 센서, LPWA에 주목

스마트센서 요소 기술은 네트워크, 소자, 알고리즘, 신호 처리 회로 및 모듈화, 집적 플랫폼 등 하드웨어(HW)·소프트웨어(SW)를 망라한다.

특히 센서 통신 네트워크는 다수의 센서 모듈에서 수집된 데이터를 클라우드 서버로 전송, 통합하기 위해 LTE-M, 협대역 사물인터넷(NB-IoT), 로라(LoRa), 시그폭스(SigFox) 등의 저전력 광역 통신 기술(LPWA)이 활용된다.

LTE-M과 NB-IoT는 기존 이동통신망의 대역폭을 줄여 장거리 저전력 통신 네트워크를 구현하는 방식이다. 기존 인프라를 활용하기 때문에 초기 투자 비용이 적지만, 사용 요금을 계속 지급해야 한다.

특히 LTE-M은 우리나라가 일찌감치 전국 서비스를 개시해 안정화에 접어든 4세대 이동통신(4G)의 기존 LTE 주파수와 장비를 활용할 수 있어 통신사업자 중심으로 서비스에 탄력을 받았다. 국내에서도 KT와 SK텔레콤이 지난 2016년과 2018년 각각 LTE-M 서비스를 내놓은 바 있다.

이와 달리, LoRa와 SigFox는 사설 게이트웨이 설치가 필요한 만큼 초기 망 구축 비용이 발생한다. 그러나 통신망 인프라를 구축한 후에는 별도의 사용 요금이 없다. 사설망으로 운용할 수 있어 데이터 보안성을 높일 수 있는 것도 장점이다.

한편, 소자는 크기를 소형화하거나 신축성을 갖추는 방향으로 개발되고 있다.

자율주행차, 로봇, 무인항공기, 스마트폰 등에 탑재되는 스마트센서는 소자의 크기가 작을수록 유리하다. 따라서, 하나의 칩에 센서와 반도체 회로를 집적한 시스템인패키지(SiP)나 반도체 미세 공정을 활용해 하나의 작은 칩 안에 여러 센서 기능을 집적한 미세전자기계시스템(MEMS)이 주류를 이룬다. 유럽 반도체 기업 ST마이크로일렉트로닉스에 따르면, 센서 소형화 기술의 발달로 가속도 센서의 칩 크기는 10년간 9배 작아졌다.

유연·신축 소재의 연구·개발(R&D)도 활기를 띠고 있다. 지난 8월 연세대학교와와 공주대학교, 홍익대학교 공동연구팀은 2차원 반도체 소재 합성에 필요한 온도를 기존 600℃에서 150℃ 수준으로 낮추는 데 성공했다. 이 기술을 통해 플렉시블 전자소자 제작을 전보다 원활하게 할 수 있다. 곡면이나 가동부에 부착·접합이 가능할 뿐만 아니라 생체와의 접촉에도 유리하도록 고무처럼 늘어날 수 있는 형태를 보다 수월하게 갖출 수 있게 될 것으로 기대된다.

주요국 기술 선점 ‘각축전’

디지털 전환에 속도가 붙으며 스마트센서에 필요한 핵심기술을 확보하려는 기술 강국의 움직임이 활발하다.

세계 스마트센서 소자 시장은 퀄컴, 아나로그디바이스(ADI), 텍사스인스트루먼츠, 온세미, ST마이크로, 인피니언테크놀로지스 등 외국 기업이 대부분을 점유하는 상황이다. 특허출원 건수도 꾸준히 증가하는 추세로, 센서 소자 기술이 전체의 53.5%로 가장 높은 비중을, 이어 센서 모듈이 31.5%를 차지하고 있다.

국내에서는 센서 통신 네트워크 기술의 특허출원이 전체의 약 23%를 차지하고 있다.

이 같은 상황에서, 미래 유망 분야인 스마트센서 산업의 경쟁력을 확보하기 위해 정부와 기업의 과감한 투자가 필요하다는 공감대가 형성되고 있다.

정부는 성공적인 디지털 전환을 뒷받침할 핵심 센서 기술 확보를 위해 ‘K-센서 기술개발’ 사업을 지난해부터 추진하고 있다.

이 사업을 통해 정부는 2028년까지 국비 1585억4000만원을 포함해 총 1865억원을 투입, 모바일·자동차·바이오·공공 등 4대 주요 분야의 수요 기반 기술개발과 성장 인프라 구축을 통한 센서 경쟁력 강화에 나설 계획이다.

구체적으로는 시장경쟁형, 미래선도형, 센서플랫폼의 3대 R&D를 지원하고, 제조혁신 플랫폼 확보를 추진하며, 해외 마케팅 지원을 병행할 방침이다.

이 중 시장경쟁형 R&D를 통해서는 4대 주요 분야의 단기·중기 경쟁력 확보가 가능한 수요연계 기술개발을 지원, 국내 기업의 글로벌 센서 시장 진입을 촉진한다.

미래선도형 R&D로는 인공지능(AI), 재난 안전 및 환경, 항공우주·국방 등 미래 기술 발전 방향을 예측하고, 이를 바탕으로 차세대 센서 소자 핵심기술 확보를 지원한다.

센서플랫폼 R&D를 통해서는 폼팩터 프리(Form-factor free), 커넥티드, AI, 저전력, 융복합 등 미래 산업수요 및 융복합 기술 발전에 대응하기 위한 센서 기반 기술을 개발한다. 기반 기술로는 앞서 언급한 유연 소자 소재와 함께 통신용 시스템온칩(SoC), 에너지 관리, SW 등이 거론된다.

2023년도 K-센서 기술개발 사업은 신규과제 8개에 81억9000만원, 계속과제 24개에 195억2000만원을 포함 총 277억1000만원을 투입해 진행된다.

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