스마트 센서, 감지뿐만 아니라 판단력도 탑재
MEMS·재료·SoC·임베디드 SW·AI 기술 요구
여러 대상 동시 검출하는 복합 센서 R&D 진행


기존 공장 자동화에서 더 나아간 개념인 스마트팩토리는 IoT 환경에서 빅 데이터 및 AI 분석으로 제어되는 지능형 공장을 의미한다.

스마트팩토리는 수집된 데이터를 기반으로 한 분석과 의사 결정이 가능한 공장 운영체계를 전제로 한다. 이를 통해 생산 현장에서 발생하는 현상과 문제의 상관관계를 파악하여 돌발 장애, 품질 불량 등의 원인을 알아내어 해결할 수 있다.

특히 산업현장의 다양한 센서와 기기가 무선 연결로 통합되어 알아서 정보를 취합하고, 취합한 정보를 분석하여 활용할 수 있는 AI 기반 생산시스템이 된다면, 기업은 제조 여건의 변화와 고객의 제품에 대한 요구에 실시간으로 대응할 수 있는 체계를 구축할 수 있다.

지난 3월, 강병현 고려대 전기전자공학부 연구원, 박용주 KETI 선임 연구원, 주병권 고려대 전기전자공학부 교수는 첨단센서 2025 포럼에 게재된 ‘스마트팩토리를 위한 센서 기술’이란 제목의 글을 통해 스마트팩토리와 관련한 스마트 센서 주요 동향을 소개하고 분석했다.


스마트 센서, 스마트팩토리 구현의 핵심
스마트팩토리에서 센서들이 차지하는 비중은 매우 크며, 최근 스마트 센서(Smart Sensor)라는 이름으로 연구 개발이 이뤄지고 있다.

기존 센서들은 특정한 물리, 화학, 기계적 변화를 감시하는 수준에 머물렀다. 현재의 센서들은 감지한 신호를 전달해 중앙처리장치가 어떠한 판단을 내리도록 지원하는 형태로 발전하고 있다.

가령 센서에 SoC 기술을 접목하여 데이터 처리, 자기진단, 의사 결정, 통신 등의 기능을 수행하게 함으로써 대상을 감지하고 사물이 반응하게 하는 기술은 스마트팩토리뿐만 아니라 IoT 전체의 핵심 요소로 주목받고 있다.

스마트팩토리 구현을 위한 센서에 사용이 되는 주요 핵심 기술은 MEMS 기술, 재료 기술, SoC 기술, 임베디드 소프트웨어, AI 기술 등으로, 각 기술의 결합을 통해 저전력/고정밀 센서를 원칩 형태로 구현할 수 있다.

센서가 활용되는 스마트팩토리 영역은 크게 3가지로 구분할 수 있다. ▲실시간으로 설비 상태를 모니터링하고 장비를 원격으로 제어하는 설비 제어 분야 ▲에너지 소비량과 환경 오염도 등을 파악하고 원인을 분석하는 에너지/환경 효율화 분야 ▲재고 수량 정보를 자동으로 전송하거나 적정 재고량을 분석하는 등의 물류 효율화 분야이다.


경량화, 복합화, 무선화 요구가 큰 스마트 센서
스마트팩토리를 구현하는 데 사용되는 센서는 센싱 소자와 신호처리가 결합하여 데이터를 처리하고, 자동보정, 자기진단, 의사 결정 기능을 수행하는 소형, 경량, 고성능, 다기능, 고편의성, 고부가가치 센서이므로 경량화, 복합화, 무선화 요구가 꾸준하다.

기존 산업용 센서는 벌크형 센서로, 크기에 상관없이 특정 기능만을 구현했다. 모바일 IT 시대 도래 이후에는 초소형 MEMS 센서가 중심이 되었다. 이후 벌크형 센서와 초소형 센서가 하나의 반도체 칩 안에 집적화된 센서, 하나의 칩으로 동시에 구현하거나 두 가지 센서를 하나로 통합한 융복합 센서가 중심이 되고 있다.

최근에는 공장 안의 미세 먼지를 모니터링하여 제품의 불량률 감소와 작업 환경 개선 역할을 하는 미세 먼지 센서, 온도와 습도 센서를 결합한 복합 센서 등이 스마트팩토리 구현을 위해 제품화되고 있다.

재료 측면에서 센서의 감도와 저전력 구동을 위하여 나노 입자, 나노 선, 나노 튜브, 나노 복합체 등의 재료를 감지 물질로 이용하는 센서들이 개발되고 있다. 또한, 가스 센서, 수질 센서, 바이오 센서, 광센서, 물리 센서 등 다양한 응용 분야로의 확대와 함께 고성능화되고 있다.

스마트팩토리에서 스마트 센서가 활용될 수 있는 다른 분야로는 재고 수량 정보 등을 필요로 하는 스마트 물류다. 스마트 물류는 RFID(Radio Frequency IDentification) 및 적외선 센서 기술이 결합된 물류 용기를 기반으로 상품의 이력 추적, 상품 품질 지표 기준, 다양한 물류 정보 서비스 등을 제공할 수 있는 친환경 첨단 물류 시스템이다.

RFID는 주로 주파수 대역별로 분류가 되고 각각 주파수 대역별로 인식 거리, 가격, 투과성 등의 특징이 상이하고 이에 따라서 적용되는 산업 및 작업의 분야도 상이하다.

스마트 물류에 적용되는 RFID 및 센서의 경우 센서와 함께 연동되는 소프트웨어와 플랫폼을 함께 연구 개발해야 하므로 기존 단일 센서 업체와 달리 스마트팩토리의 수요, 센서 설계 그리고 소프트웨어 개발 업체가 동반으로 시장을 구축하는 것이 필요하다.

최근에는 단순히 재고 파악하는 수준에서 벗어나 무게 센서, 지게차와 연동하여 자동으로 제품의 적재와 상하차 등에 활용이 되고 있다. 또한, 온도 및 습도 센서와 연동하여 박스 또는 컨테이너 속 제품의 온도 및 습도를 실시간으로 모니터링하고 제품의 파손 등의 위험 요인을 사전에 탐지하는 파손 방지 목적으로 개발되고 있다.

스마트팩토리에서 센서들은 단순하게 환경 변화를 감지하고 대처하는데 제한되지 않고 기계 설비를 모니터링하고 예측하는 부분에도 활용되고 있다. 기계 내부의 위치와 속도제어, 온도 모니터링 등의 측정 기술, 기계 주변의 공구 및 공작물 확인, 공구의 부러짐 등을 모니터링해서 공정기능을 개선함은 물론, 동작의 편의성을 증가시킴으로써 생산 비용의 절감을 기대할 수 있다.

기계 설비를 모니터링하는 데 가장 많이 활용되는 적외선 센서는 물체로부터 발사되는 적외선을 감지해서 장애물을 감지하고 온도 및 습도를 측정하는데 활용할 수 있는 전자기기다. 스마트팩토리 산업에서는 지게차 같은 운송수단에 적외선 센서를 활용해서 창고 내부에서의 충돌을 방지할 수 있다. 그뿐만 아니라 발사되는 적외선량의 변화를 감지해서 움직이는 물체의 열을 측정하는 등 광범위한 분야에서 활용이 될 수 있다.

스마트팩토리 기술의 주요 이슈는 센서, 회로, 시스템 기술로 구분할 수 있다. 특히 센서는 감지방식과 감지구조가 핵심으로, 고성능화(기계/전기식, 광/전자 센서), 소형화(MEMS 센서), 다기능화(복합 센서), 저전력화(나노 재료) 등이 주요 이슈다.

앞으로는 SoC 형태의 MEMS와 CMOS를 직접 집적하는 iMEMS(integrated Micro Electro-Mechanical System)가 등장할 것이며, 나노 기술의 발전으로 소형화, 저전력 구동과 여러 대상물을 동시에 검출하는 복합 센서로의 연구 개발이 진행되고 있다.


IoT 센서 시장, 2023년까지 매해 33.6% 성장한다
마켓 앤드 마켓(Markets and Markets)에 따르면 2018년 IoT 센서 시장은 약 52억 8000만 달러 규모를 기록했으며, 2023년까지 매해 33.6%의 성장률을 기록할 것으로 예측된다.

특히 이미지 센서와 압력 센서가 가장 큰 시장 규모를 갖게 될 것으로 예측되며, 스마트팩토리의 로봇이나 안전 분야에서 적극적으로 활용될 것으로 예상된다.

하지만 센서 산업은 기술진입 장벽이 높아 선진국과 일부 기업이 산업의 경쟁력을 확보하고 독과점하고 있는 상황으로 미국, EU, 일본이 세계시장의 70%를 점유하고 있다.

텍사스 인스트루먼트, ST마이크로일렉트로닉스, NXP, 인피니언, 마이크로칩, 보쉬, 아나로그 디바이스, 퀄컴, 브로드컴과 같은 기업들이 대표적인 스마트 센서들을 생산하는 기업으로 꼽힌다.

국내 수요기업은 국내 제품의 신뢰성, 첨단센서의 성능문제 등으로 센서 수요를 해외 기업으로부터 조달하고 있지만, 최근에는 스마트폰 이미지 센서, 가스 및 수질을 측정하는 화학 센서, 광섬유를 이용하여 건물 안전을 진단하는 광학 센서 등은 국내 제품이 공급되고 있다.

국내 센서 기술 수준은 주요국 대비 65% 수준으로 평가받고 있는 수준이다.

4차 산업혁명 시대가 도래하며 시장이 빠르게 변하고 있다. 스마트 센서, AI, 빅 데이터 기술의 융합을 통한 제조업 혁신은 국제 경쟁력 확보 차원에서 큰 도움이 될 것이다. 특히 제조업 중심 국가인 한국에 특히 더욱 긍정적인 결과를 가져올 것이다.

박용주 KETI 선임연구원은 20일 있었던 첨단센서 2025 포럼의 온라인 기술 세미나에서 "4차 산업혁명 시대를 맞아 스마트팩토리 기술 개발과 표준 확립이 활발히 진행되고 있다"라며, "미국과 독일 기업이 관련 기술 및 표준을 독점하고 있어 우려스럽다"라고 말했다.

그러면서 "한국도 기업 수요 및 수준에 대한 면밀한 파악으로 국내 사정에 맞는 스마트팩토리 기술 개발을 지속해야 한다"라고 조언했다.