왜 센서인가?

4차 산업혁명의 핵심이 빅데이터라는 사실은 잘 알려져 있다. 그런데 빅데이터가 기능을 수행하게 해주는 소자(부품)가 바로 센서(Sensor)이다.

센서는 주변 환경의 전압, 전류, 전자파, 빛 등 전자기적 물리 신호뿐만 아니라 온도, 압력, 속도, 가속도, 회전속도, 힘 등 기계적 신호도 측정한다. 더 나아가 화학적 감지 기능으로 기체의 종류, 기체의 양, 불순물 농도 등 화학적 감지 기능을 갖기도 한다.

김정호 카이스트 교수

이러한 센서 내부에는 기본적인 감지 회로뿐 아니라, 감지 회로 출력인 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 아날로그-디지털 변환회로(ADC, Analog-Digital-Converter), 초단 디지털 프로세서, 메모리, 배터리 그리고 유무선 통신회로로 구성되어 있다.

최근에는 배터리를 제외한 전체를 1개의 반도체로 구현해서 가볍고, 작고, 저전력이고 값싸게 구현하려고 하고 있다. 그래야 언제 어디서나 누구에게나, 모든 사람과 사물에 설치할 수 있다. 그럼 무한대의 센서가 설치되고 무한대의 데이터가 양산된다.

특히 4차 산업혁명 시대에는 자율주행차가 스마트폰 다음으로 등장하는 빅데이터 생산 플랫폼으로 등장한다. 센서들은 자동차의 자율 주행을 위한 위치와 주변 정보를 포함해, 자동차의 운전 상태, 운전자의 감정, 건강, 욕구 상태 등 무한한 정보를 생산할 수 있다. 자동차 안에서의 대화, 전화 통화, 눈 빛의 변화까지 데이터가 된다. 이처럼 자율주행 자동차에 설치되는 센서의 숫자도 급속히 늘어날 전망이다.

자동차 내부와 외부에 운전자 편의를 위해 설치된 센서들. [출처: Slide Share]

센서의 원재료가 되는 반도체 

센서를 반도체로 구현하면 장점이 많이 있다. 일단 작고, 가볍고, 전력 소모가 적다. 그리고 대량 생산이 가능하다. 그러니 무수히 많은 수의 센서를 설치해서 빅데이터를 수거하는 목적에 딱 제격이다. 

반도체에는 기본적으로 트랜지스터가 센서의 초단 감지 기능을 한다. 트랜지스터에 전압을 걸면 전류가 흐른다. 이 트랜지스터의 전압-전류 특성 곡선(I-V Curve) 특성이 가장 중요한 성질이다. 그런데 이 전압-전류 특성 곡선이 주변의 전압, 전류, 전자파, 빛, 온도, 불순물 등 환경에 영향을 받는다. 그래서 주변의 환경을 감지 할 수 있다.

특히 주변의 전압, 온도, 압력 등에 큰 영향을 받는다. 더불어 주변의 작은 화학적 변화도 전류와 전압 변화로 바꾸어 신호를 만든다. 트랜지스터는 이러한 작은 영향을 감지하고, 다음 단계에서 감지 신호를 증폭하는 기능하기도 한다. 그 다음 단계로 증폭된 아날로그 신호를 디지털로 바꾼다. 그리고 디지털 프로세서에서 불필요한 잡음과 신호를 제거한다. 이 디지털 프로세서에서 추후 통신과 메모리 저장의 효율을 위해서 디지털 신호 압축도 하고 코딩(Coding)도 한다.

실리콘 트랜지스터의 전류-전압 특성 그래프. [출처: Wikipedia]

그런데 이러한 트랜지스터 특성만으로는 기계적인 구동을 감지하는 센서는 만들기가 어렵다. 이유는 자동차의 속도, 가속도, 회전 속도 등의 물리적 현상은 본질적으로 전기적인 현상이 아니라 기계적 현상이기 때문이다. 그래서 반도체 내에서 센서에서 물체의 이동이나 회전을 전류나 전압 신호로 바뀌어야 한다.

일반적인 반도체로는 기계적인 구동 센서를 구현하기가 어렵다. 그러기 위해서는 반도체 내에 기계적인 구동 센서를 위해서 일종의 발전기를 반도체 내에 만들어야 한다. 직진 운동이나 회전 운동을 전기 신호로 변환해야 한다. 그러려면 전기장(Electric Field)을 이용하거나 자기장(Magnetic Field)을 이용해야 한다. 그러고 나면 이 신호를 트랜지스터로 증폭한 다음 디지털 회로로 보내게 된다. 이처럼 기계적인 운동을 전기적으로 바꾸어 주는 대표적인 반도체를 MEMS(미세전자기계시스템, Microelectromechanical Systems) 센서라고 한다.

반도체 기술 이용해 제작되는 매우 작은 기계를 의미한다. 바로 이 MEMS 센서가 기계 세계와 전자 세계를 연결하는 반도체 센서 부품이 된다. 그래서 이 MEMS 센서가 스마트폰 뿐만 아니라 자율주행차의 핵심 센서 부품이 된다.

다양한 구동 구조로 이루어진 MEMS(전자 구동 센서)센서의 전자 현미경(SEM) 사진. [출처: Machine Design]

기계 부품의 모습을 가진 MEMS(전자 구동 센서)센서의 전자 현미경(SEM) 사진. [출처: Microwaves and RF]

미래 센서에는 인공지능 기능 탑재될 것

미래의 센서는 화학 감지 기능이 지금보다 발전해야 한다. 기존의 센서가 사람의 눈과 귀, 촉각을 대신해서 더 발전했다고 본다면 미래의 센서는 사람의 혀와 코를 대체해야 한다. 그래서 공기의 성분을 실시간으로 분석할 수 있으면 좋다. 또한 미세 먼지도 쉽게 감지하면 더욱 좋다. 음주 정도나 차량의 배기 가스 오염도를 쉽게 측정하면 용도가 많다. 혈액 속의 혈당도 쉽게 측정하면 의료 기술의 발전에 도움이 된다. 모두 지금의 반도체 센서가 잘 측정하지 못하는 분야이다.

한 걸음 더 나아가 미래에는 이러한 센서에 인공지능 기능도 포함될 전망이다. 그러면 센서가 인공지능 판단까지 내리게 된다. 그러면 '인공지능 센서' 시대가 된다. 지금은 클라우드 시스템에서 데이터를 모으고 인공지능으로 처리한다면, 미래에는 센서 자체에서 이러한 일들이 바로 일어날 수 있다. 그러면 데이터도 극단적으로 분산되고, 인공지능도 분산된다. 이러한 센서에 의한 데이터의 분산과 클라우드에 의한 데이터 집중이 경쟁하면서, 협력하면서 진화할 것으로 예측한다.

얼마 전 고등학생들이 일산화탄소 중독으로 아까운 생명을 잃는 안타까운 사건이 있었다. 방 안에 일산화탄소 센서가 있었다면 희생을 방지할 수 있었을 것이다. 1만원 정도의 일산화탄소 센서만 설치되어 있어도 사고를 방지할 수 있었다. 미래에 그 센서가 스마트폰 안으로 들어가면 더 안전한 서비스를 창출할 수 있다.

4차 산업혁명 시대에 센서는 빅데이터 생산자의 핵심 부품 이면서 동시에 인간의 안전과 건강 유지에 지대한 역할을 할 전망이다.

joungho@kaist.ac.kr  

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]