센서와 MEMS의 이해
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센서와 MEMS의 이해
  • 신동윤 기자
  • 승인 2019.07.09 13:57
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감각을 계측할 수 있는 신호로 변환하는 4차산업혁명의 핵심요소

[테크월드=신동윤 기자] 센서(Sensor)는 감각을 의미하는 센스(Sense)라는 말에서 비롯한 것으로 일반적으로 계측할 수 없는 주관적인 가치 척도를 갖고 있던 인간의 감각을 기계가 이해할 수 있도록 변환해 주는 역할을 하는 부품을 말한다.

위키피디아에서는 ‘특정한 종류의 에너지를 관측이 용이한 다른 종류의 에너지로 바꾸는 장치들의 총칭. 대부분 신호 처리에 유리한 전기 에너지로 바뀌는 경우가 많지만, 수은 온도계나 용수철 저울처럼 전기 에너지를 쓰지 않는 경우도 있다’고 정의하고 있다.
사람들은 자신의 감각을 대체하거나 혹은 자신이 느낄 수 없는 감각을 느끼기 위해 다양한 도구를 활용해 왔다. 밤에 도둑을 지키기 위해 개를 가축화한 것은 물론, 유독가스를 확인하기 위해 카나리아를 들고 들어간 것 역시 원시적인 센서라고 할 수 있으며, 짐승을 잡는 덫이나 함정 등도 이런 원시적인 센서를 적극적으로 활용한 것이라고 볼 수 있다.
이외에 따뜻하다, 차갑다, 혹은 무겁다와 가볍다 정도의 주관적인 측정 방법에서 벗어나기 위해 주변의 환경을 계측하려는 노력은 센서 발전의 원동력이 됐다. 온도계를 통해 막연한 따뜻하다, 차갑다는 감각을 정밀하게 측정하고 모두가 납득할 수 있는 수치로 표현할 수 있게 된 것이다. 다시 말해 주변 환경을 인지하고 이를 수치화함으로써 감각을 공유하고 공감할 수 있도록 발전해 왔으며, 전자적인 형태의 센서는 이를 사람뿐 아니라 기계들도 같이 공유할 수 있게 한다는 것에서 의미를 찾을 수 있다. 이처럼 사람만이 인지할 수 있었던 감각을 수치 데이터화해 전자기기가 확인할 수 있는 전자신호로 만들어 전달하는 것이 바로 우리가 최근 활용하고 있는 센서다.
예를 들면 일반적인 스마트폰에 내장되고 있는 온도센서, 기압센서, 지자기센서, 자이로센서, 광량센서, 근접센서, 터치센서, 가속도센서, 습도센서 등 또한 사람이 느낄 수 있는 감각, 혹은 사람이 인지할 수 없지만 유용한 감각을 센서라는 작은 전자부품으로 구현하고 있다.

센서의 분류
센서는 여러가지 형식에 따라 분류가 된다. 동작 에너지에 따라, 출력 신호에 따라, 그리고 측성 대상에 따라, 센서 재료에 따라, 변환 현상에 따라, 용도에 따라 서로 다른 방식으로 분류할 수 있으며, 이외에도 여러 기준에 따라 분류된다.

센서의 일반적인 분류
센서의 일반적인 분류

우선 출력 신호에 따른 분류로는 아날로그 센서와 디지털 센서로 구분할 수 있으며, 아날로그 센서는 출력값이 연속적으로 변하는 진폭의 형태로 아날로그 신호를 출력한다. 디지털 센서는 신호의 출력을 디지털화된 형태로 제공하기 때문에 전송이 용이하고 재현성이 우수하며, 신뢰도가 높다는 장점이 있다.
센서는 이외에도 검출 대상에 따라, 센서의 재료에 따라, 변환현상에 따라 분류할 수 있으며, 이외에도 기능이나 용도에 따라 분류하기도 한다.
우리 주변에서 볼 수 있는 가장 대표적인 센서로는 온습도 센서, 초음파 센서, 가속도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 자기 센서, 유량 센서, 광 센서, 전류 센서 등을 찾아볼 수 있다. 이런 센서의 대부분은 우리 주변에서 매우 쉽게 찾아볼 수 있는데, 현관의 센서등에서부터 간단한 장난감, 자동차, TV나 모니터, 카메라, 노트북이나 스마트폰은 물론이고 공장의 대형 기계나 산업용 로봇, 인공위성에서 비행기나 선박에 이르기까지 센서가 적용되지 않은 전자제품을 찾는 것이 오히려 더 어려울 정도로 폭넓게 보급돼 있다.
특히 최근에는 IoT나 인공지능, 빅데이터와 같은 새로운 IT 이니셔티브가 등장하면서 센서의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 다시 말해 센서를 서로 연결해 IoT를 구현하고, 이런 센서에서 수집된 데이터로 빅데이터 기술로 수집 관리하고, 이를 인공지능 기술로 분석해 의미있는 결과를 도출해 낸다는 것이다.
따라서 센서는 이전에도 중요했지만, 4차산업혁명이 진행됨에 따라 더욱 다양화되고 가능성을 높여 나갈 것으로 기대되고 있다.

MEMS란 무엇인가
이외에도 최근에는 MEMS(MicroElectroMechanical System)이라는 미세전자기계시스템 방식의 센서가 많은 관심을 모으고 있다. 이는 마이크로머신(MicroMachine) 혹은 MST(Micro System Technology)라고 부르기도 한다. 1970년대에 이미 실리콘 기반의 센서를 만드는 것이 시도되기도 했었으며, 1980년대에 접어들면서 반도체 생산 공정을 이용한 간단한 기계 부품의 제작히 시작됐다.
MEMS는 반도체 기술의 발전에 의해 개발된 방식으로, 일반 반도체 생산 방식인 증착(Deposition), 포토리소그래피(Photolithography)를 통한 패터닝(Patterning), 그리고 필요한 형태를 제작하기 위한 에칭(Etching) 과정을 거쳐 만들어진다.
MEMS는 용도나 구현해야 할 기능에 따라 실리콘이나 폴리머, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 만들어지며, 이렇게 만들어진 MEMS는 마이크로미터 수준의 크기에서 기계와 같은 구동 방식을 제공함으로써 새로운 기능과 역할을 해 내고 있다.

전자현미경으로 본 MEMS로 구현된 마이크로 캔틸레버의 공진자료: Pcflet01 at English Wikipedia
전자현미경으로 본 MEMS로 구현된 마이크로 캔틸레버의 공진자료: Pcflet01 at English Wikipedia

주변에서 볼 수 있는 가장 대중화된 MEMS는 잉크젯 프린터의 헤드를 들 수 있지만, 이외에도 스마트폰의 마이크와 자동차 에어백을 위한 충돌 감지 센서, 그리고 스마트폰에 최근 많이 적용되고 있는 가속도 센서, 자이로 센서 등이 대표적인 예다.
다시 말해, MEMS는 미세한 크기의 기계 부품으로 다양한 기능을 수행하고 있지만, 최근에는 센서 부분에서 매우 큰 가치를 제공하면서 스마트폰과 같은 전자제품, 의료, 화학 등의 분야에서도 더욱 많은 관심을 모으고 있다.

주요 센서 소개
가장 대표적인 센서를 꼽으라고 하면, 아마도 온도/습도 센서를 가장 먼저 생각하게 될 것이다. 일반 가정 집에서도 에어컨이나 가습기, 혹은 시계나 전자식 체온계, 보일러, 그리고 심지어 스마트폰이나 노트북, 데스크톱 PC 내부에도 수많은 온도 센서가 들어가 있다.
온도센서는 온도 변화를 감지해 이를 전기 신호로 전달하는 센서로 일반적으로 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다. 접촉식은 탐침 등을 이용해 실제 측정 대상에 접촉시켜 온도값을 측정하는 방식이고, 비접촉식은 물체로부터 방사되는 열선, 혹은 적외선을 측정해 이를 수치화한다. 예를 들면 체온계나 스마트폰, PC 등에 들어가 있는 대부분의 센서는 접촉식이며, 공항 등에서 사용하는 체온측정용 카메라나 공장, 제철소 등에서 사용하는 열화상 카메라 등이 바로 비접촉식 온도 센서를 활용한 제품이다.
반면 습도 센서는 공기 중의 수증기 양을 측정하는 센서로, 주로 화학적인 방법이나 공기중의 이온량 변화를 통한 기전력이나 전류 변화 등을 통해 습도를 검출한다.

센서의 응용 분야와 역할
센서의 응용 분야와 역할

초음파 센서는 실제 귀로는 들리지 않는 초음파 펄스를 발산하고, 이 초음파가 반사돼 돌아오는 시간과 양을 측정해 사물까지의 거리, 그리고 눈에 보이지 않는 사물의 내부 등을 파악하는 용도로 사용할 수 있다. 주로 사용되는 용도는 구조물의 비파괴검사나 의료 진단용이다.
가속도/자이로 센서는 주로 스마트폰에 많이 사용됨으로써 많이 알려진 센서로, 가속도나 진동, 충격 등을 파악하기 위한 용도로 주로 사용되며, 움직이는 물체의 자세를 측정하기 위한 방법으로도 활용된다. 두가지 센서 모두 위치와 자세를 파악하기 위해 사용하지만, 가속도 센서는 움직이는 상태에서만 측정할 수 있고, 자이로 센서는 정지된 상태에서도 자세를 파악할 수 있다는 점에서 차이가 있다. 그러나 자이로센서는 정지된 상태에서도 지속적으로 오차가 발생하지만, 가속도 센서는 이런 문제점이 없기 때문에, 최근에는 두가지 센서를 동시에 사용하면서 서로를 보정하는 방식을 주로 사용한다.
적외선 센서는 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선을 감지하기 위한 센서로, 주로 리모컨이나 방범, 화재감지 등에 주로 사용된다. 하지만 이외에도 최근에는 홍채인식이나 얼굴 인식과 같은 또 다른 용도로 적외선 센서를
활용하고 있다.
눈에 보이지 않는 빛을 감지하는 적외선 센서와는 달리 눈에 보이는 가시광선을 인지하기 위한 센서도 있다. 일반적으로 이미지 센서라고 하는 이 센서는 주로 디지털 카메라에 사용된다. 다른 센서들이 각각의 하나의 센서로 이뤄지거나, 혹은 많아야 서너 개의 센서 어레이로 구성되는 것이 비해 이미지 센서는 수만 개에서 많으면 수백 만 개의 센서를 연결해 사용한다는 점에서 차이가 있다. 이미지 센서는 방식에 따라 CCD(Charged Couples Device), CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)로 구분된다. CCD는 광 다이오드 소자를 기반으로 만들어지며, CMOS 또한 광다이오드를 사용하는 것은 마찬가지지만 제조 공정과 신호를 읽는 방법에서 차이가 있다. 일반적으로 CMOS 방식이 전기 노이즈가 적고, 소비 전력이 적으며, 제조 단가가 저렴하다는 평가를 받고 있어, 최근에는 CCD를 제치고 일반적인 카메라용 이미지 센서로 주로 사용되고 있다.
자기 센서는 자기장의 영향으로 전기 저항이 커지는 자기저항효과(Magnetoresistance Effect)나 자기장에 의해 반도체에 흐르는 전류에 변화가 발생하는 홀 효과(Hall Effect)를 이용해 자기장을 파악한다. 대표적인 사용처는 하드디스크의 헤드라고 할 수 있지만, 이외에도 스마트폰의 나침반, 금속탐지기 등도 모두 자기 센서를 사용한 기능이다.

인피니언 테크놀로지의 자기 센서
인피니언 테크놀로지의 자기 센서

이외에도 압전효과를 이용하는 압력 센서, 도관 내부를 흐르는 유체의 양을 측정하는 유량 센서, 빛의 존재 여부와 양, 변화량을 측정하는 광 센서, 각종 유해 화학물질을 검출하는 가스 센서 등 무수한 센서가 존재한다.
또한, 일반적으로 센서로 분류하지는 않지만, 위치를 파악하기 위한 용도로 사용하는 GPS 또한 어찌보면 위치 파악을 위한 위치 센서라고 분류할 수 있을 것이며, 우리 주변 환경의 변화에 따라 점점 더 다양한 센서가 등장하게 될 것이고, 이를 어떻게 활용하느냐, 그리고 어떻게 조합하느냐에 따라 새로운 기능과 가능성을 제시하게 될 것이다.


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