산업부가 첨단센서산업 육성을 위해 개발 및 국산화하기로 한 10대 핵심 센서 소자의 경쟁력은 어느 정도 확보될 것인가.
 
정부는 올해부터 2020년까지 총 1,508억 원(국비 1,148억 원)을 지원하여 영상센서, 자기센서, 관성센서, 압력센서, 레이더센서, 환경 센서, 광학센서, 적외선센서, 음향센서, 바이오 의료센서 등을 집중 육성한다는 방침이다. 
 
이들 센서의 개발 현황 및 개발 목표를 살펴봄으로써 국내 센서 산업의 경쟁력을 가늠해 보았다. 이번 주에는 센서산업 고도화 기술개발에 선정된 기술 중 ▲9축 스마트 모션센서 ▲대사량 측정 시스템 ▲초소형 유해가스 센서 ▲광센서 등을 소개하고, 다음주에 2부로 ▲차량용 션트저항 전류센서 ▲자율주행 자동차용 라이다 센서 ▲차량용 79GHz 레이더 센서 기술을 소개한다. 
 
6축 9축 스마트 모션센서, 크기와 가격 낮춰 
 
첨단 스마트 모션센서 개발로 해외 3대(InvenSense, ST, 보쉬) 기업과 경쟁한다.
 
9축 스마트 모션센서 핵심 요소기술 개발은 신성씨앤티가 주관기관으로 서울대, 크레파스 테크놀러지스 등 10여 개 학교와 기관이 참여했다. 
 
이 과제는 세계 최소형 9축 스마트모션센서의 파일롯 규모 시제품 제작, 세계 최소형 반도체 TSV 기반의 싱글칩 6축 관성센서의 파일롯 규모의 시제품 제작, 세계 최소형 3축 지자기센서의 파일롯 시제품 제작으로 해외 경쟁사 대비 크기와 단가를 10%~30%를 낮춘다는 목표이다. 
 

▲스마트폰은 각종 첨단 센서의 집합체가 되었다. 사진은 전시회에서 최신 스마트폰을 살펴보는 참관객들 모습.

해외 경쟁사와의 차별화 핵심에는 반도체 TSV 기술이 존재한다. 3대 해외기업과 마찬가지로 다공간 밀폐 웨이퍼간 패키지 가속도/자이로 적용과 자이로 센싱부 x, y 자이로 z자이로 적용, MEMS-SoC 웨이퍼간 적층형 패키지 등이 적용되지만, 반도체 TSV 기반의 MEMS 자이로스코프로 차별화한다는 전략이다.  
 
또한 6축 관성센서 기술도 해외 경쟁사 대비 패키지 크기를 30%, 소비전류를 10%, 제조원가 30% 줄일 계획이다. 3축 자이로스코프, 6축 관성센서 및 9축 스마트모션센서는 스마트폰 및 자동차의 필수 부품으로 기술 난이도가 높아 그 동안 국내업체의 진입이 어려웠다. 이들 센서가 성공적으로 상용화되면 수입대체 및 큰 폭의 수출 증대 효과를 가져 올 수 있다는 분석이다.  
 
향후 9축 센서를 수입 대체하여 국내 대기업에 공급

신성씨앤티의 김용국 연구소장은 “이 같은 목표치를 달성하기 위해서는 6축 관성센서 초소형화에 따른 감도저하 문제나 소형화에 따른 MEMS 공정오차 및 외부환경변화 감도편차 문제, WB패드 사이즈 공간 및 멀티칩 패키지 제조비용 문제, 센서 커패시턴스 값 저하 문제 등을 해결해야한다”고 말했다. 
 
또한, 김 소장은 “현재 국내에서 9축 센서를 개발하는 기업이 없어, 센서 부분을 향후 기업성장의 핵심 분야로 선정하고 9축 센서 개발부문에 20억 원을 투자할 것”이라고 밝혔다. 이 기업은 향후 9축 센서를 수입 대체하여 국내 대기업에 공급한다는 계획을 세웠다. 
 
㈜동국이노텍은 1000개 이하 세포샘플의 다변수(pH, 용존산소, 열량) 동시 분석이 가능한 대사량 측정 시스템 개발의 주관기관이다. 이 사업은 세포 대사측정 다변수 센서 시스템 개발을 수행하여 3년내 응용 상용화가 목표이다. 이 제품 기술은 BioMEMS와 Microfluidic 기술로 고감도 pH, O2 및 열량 센서를 개발하고 체계 통합하여 제품화하는 것이다. 
 
선진국과 기술 격차가 적은 BioMEMS 기술 선점

동국이노텍의 이종목 연구소장은 “해외 선진 기업의 제품과는 달리 열량까지 측정한다는 점이 경쟁력”이라며, “기존에 없던 세포 대사와 관련된 주요 변수 3종을 동시에 실시간 측정하기 때문에 특허등록 전망이 밝다”고 말했다. 이 기술을 통해 센서 유지 보수 및 소모품 구매 비용에 대한 큰 부담을 센서의 소형화 및 집적화로 가격을 낮추고, 최소 10000개 이상의 세포가 필요한 기존 기술에 비해 적은 수의 세포로 실험이 가능하게 만든다. 폐쇄적 실험 조건으로 교환 및 CO2 공급이 불가하여 세포 유지 등에 대한 제약과 불편함도 미세유체 기술을 적용하면 해소할 수 있다는 점이다. 
 
이종목 소장은 “선진국과 기술 격차가 적은 BioMEMS 기술로 신규 바이오 센서 시스템을 개발하는 효과가 있다”며, “특히, 다변수 측정이라는 차별성과 약물 스크리닝에 특화된 기능성을 강조하고 경쟁사 대비 저가에 안정적으로 소모품을 공급, 즉각적인 기술 지원이 가능하며 경쟁사 대비 자동화 기능 등의 차별성을 강조하고 있다”고 말했다. 
 
U센서, 즉 공중부유형 다종 나노소자 기반 초소형 유해가스 센서 시스템 기술 개발은 울산과학기술대학교의 이윤식 교수가 연구책임자로 나섰다. U센서는 글로벌 경쟁력을 확보한 센서 기술과 제품을 총칭하는 것으로 소자, 소재, 칩, 모듈, 플랫폼을 포함한다. 9종 유해가지 감지 기능으로 세계 최고 기술을 지향한다. 
 
IoT 트렌드에 따라 모바일 가스 센서, 차량 공기질 모니터링, 산업단지 환경 모니터링 등 글로벌 시장 기회가 확대됨에 따라 초소형, 감도, 단순 공정, 저가, 저소비전력, 고선택성과 고신뢰성의 U센서 기술 개발이 불가피해졌다. 
 
공중 부유형 나노센서 플랫폼은 기존 나노단위 정렬의 어려움으로 양산성이 제한되고,  제한된 표면적 사용과 기판의 영향(오염, 열)으로 성능이 하락하던 기판 부착형 나노구조를 개선한 기술이다. 정렬 정밀도가 10um 이하인(기판 부착형 나노구조는 100nm) 공중부유형 나노구조는 일괄공정(MEMS) 기반 선택적 패터닝으로 높은 양산성을 나타내고 표면적 전체를 사용하여 감도를 높인 특징이 있다. 
 
이윤식 교수는 “MEMS 일괄공정 기술로 양산성 문제를 극복하는 것은 물론 복합 센서 어레이를 이용한 반도체식 센서의 부족한 선택성을 해결했다”며, 센서 신뢰성 문제에 대해서는 “피독가스 및 온습도에 따른 센서 수명과 성능 저하 문제를 해결하는 기술을 확보했다”고 말했다. 그는 특히 관련 센서제품을 상용화해 본 경험은 연구개발 성공 가능성의 가장 큰 요소라고 강조했다. 
 
주파수 영역의 OFDR 센서 수입 대체할 것

한국광기술은 광센서 개발을 진행한다. 노병섭 주관책임자는 100k급 측정 유효점을 갖는 분포형 광 역산란 계측센서용 주파수 영역 기반 핵심소자 기술 개발을 주도한다. 계측센서용 핵심소자를 개발하는 배경은 센서 계측이 포인트를 넘어 데드존(Dead Zone)이 없는 분포형 계측이 필요한 분야가 출현했기 때문이다. 분포형 계측을 위한 연속성이 확보되는 무전원 무신호선 계측 고속 센서 개발이 필요하다. 
 
광섬유 기반 분포형 센서는 다양한 산업 분야에서 확장되는 추세이다. 주파수 영역의 OFDR 센서는 핵심 부품에 대한 원천기술력 부족으로 전량 수입에 의존하고 있다. 
 
이에 연구진은 100k 급 측정 유효점을 갖는 분포형 OFDR 센서용 핵심소자 기술을 개발하여 핵심소자 및 부품 모듈 제품을 7가지 개발, 최종 시스템 제품 2가지를 내놓는다는 목표이다. 사업단은 높은 측정 유효점용 장거리 OFDR과 온도 변형률 동시 계측용 OFDR이 필요하다고 판단하고 있다. 
 
노병섭 박사는 “아직까지는 큰 시장은 아니지만 사업이 성공하면 국내 분포형 광학센서를 수입대체하는 효과를 가져올 것”이라며, “플랜트, 방산, 건성 등 타 분야 안전 모니터링에 의한 선업 가동률 증가에 따른 생산성이 높아질 것으로 기대한다”고 말했다. <2부는 다음주로 이어짐>