사물인터넷(IoT) 기술이 확산됨에 따라 온/습도 센서, 가스, 압력 센서 등 환경센서의 수요도 급격하게 증가하고 있다. 다양한 IoT 응용 분야에서 사물정보를 수집하기 위해 초소형 저전력 등의 요구사항을 충족하는 센서의 수요가 급증하고 있기 때문이다. 특히 스마트 환경 센서는 센싱 소자와 지능형 신호처리가 결합되어 데이터 처리, 자동보정, 자가진단, 의사결정 기능을 수행하는 고기능, 고정밀, 고편의성, 고부가가치의 센서이다. 환경 센서는 온도/습도 센서, 가스/압력 센서를 비롯하여 먼지, 자외선 센서, 수질 센서 등이 있으며 이들 센서는 수질, 대기 등 환경 매체, 인간, 생태계에서의 환경 오염물질의 영향 등에 대한 실시간 환경 모니터링을 지원한다.
센서리온, 보쉬, ST마이크로 등 초소형, 저전력, 고성능화 앞장
반도체 기술과 MEMS 기술을 이용한 복합 첨단 센서 증가
사물인터넷(IoT) 기술이 확산됨에 따라 온/습도 센서, 가스, 압력 센서 등 환경센서의 수요도 급격하게 증가하고 있다.
다양한 IoT 응용 분야에서 사물정보를 수집하기 위해 초소형 저전력 등의 요구사항을 충족하는 센서의 수요가 급증하고 있기 때문이다. 특히 스마트 환경 센서는 센싱 소자와 지능형 신호처리가 결합되어 데이터 처리, 자동보정, 자가진단, 의사결정 기능을 수행하는 고기능, 고정밀, 고편의성, 고부가가치의 센서이다.
환경 센서는 온도/습도 센서, 가스/압력 센서를 비롯하여 먼지, 자외선 센서, 수질 센서 등이 있으며 이들 센서는 수질, 대기 등 환경 매체, 인간, 생태계에서의 환경 오염물질의 영향 등에 대한 실시간 환경 모니터링을 지원한다.
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센서리온(Sensirion)은 지난해 가스와 압력 센서를 통합한 초소형 센서를 선보였다.
먼저, 온도센서는 사용방법에 따라 접촉식과 비접촉식으로 나누는데, 접촉식(contact temperature sensor)은 센서를 측온 대상의 물체(고체, 액체, 기체)에 직접 접촉시키면 측정 점의 온도가 열전도에 의해서 센서에 전달되는 방식으로 RTD, 서미스터(NTC,PTC), IC온도센서 등이 있다.
비접촉식(noncontact temperature sensor)은 멀리 떨어져 있는 센서가 측온 대상으로부터 방사(radiation)되는 열(적외선)을 검출하여 온도를 측정하는 방식으로 서모파일, 초전온도센서 등이 있다.
온도 및 습도 센서 등 복합센서 늘어
특히 IC 온도센서는 열관련 설계에 관한 지식이 거의 없더라도 사용이 가능한 센서로 개발자들이 최종 애플리케이션에 보다 많은 기능을 추가할 수 있는 유연성을 위한 여러 기능들이 내장되어 있다. 비교적 저렴하고, 전체 솔루션의 크기가 매우 작고, 전력소모가 적으며 다양한 출력 형태의 센서가 있다.
스위스의 센서리온(Sensirion)를 필두로, TI(TMP112-Q1), ST마이크로(STTS751), 실리콘랩스(Si7053) 등의 업체들이 대표적이다. 이들 업체는 높은 온도 정확도와 온도 범위, 응답시간, 인터페이스를 바탕으로 시장을 이끌고 있다.
▲ST마이크로일렉트로닉스의 디지털 온도센서(STTS751)
습도센서 또한 감습 물질의 이온활성도가 주변 환경 및 수분의 흡착 양에 따라 변화하면서 발생하는 저항(Impedence) 변화를 감지하는 저항형 습도센서와 감습 물질의 유전율과 수분의 유전율의 변화에 따른 정전용량값 변화를 감지하는 정전용량형 습도센서로 나뉜다.
온도와 습도 측정이 가능한 온습도 센서도 시장의 한 주류를 이루고 있다. 온습도 센서 모듈은 초소형/고성능/저전력화로 디지털 출력이 가능한 형태로 출시되고 있으며 스위스의 IST AG(P14 2FW Thermo)나 삼영에스앤씨(HumiChip), 센서리온(SHT1x), ST마이크로(HTS221) 등이 대표적인 제품을 만들고 있다.
센서에 가해지는 힘의 크기를 물리량으로 받아들이고 이를 전기적인 신호로 변환시켜 출력해 주는 압력센서(Pressure Sensor)도 확대되고 있다. 특히 MEMS 압력센서 분야는 유럽, 일본, 미국이 대부분의 기술을 보유하고 있으며 초소형화, 고기능 및 신공정 기술에 연구가 활발히 진행 중이다.
압력 감지 방식에 따라, 압저항형(Piezoresistive)과 정전용량형(Capacitive)으로 나뉜다. 압저항형 압력센서는 반도체 공정으로 얇은 박막을 형성하고 박막과 기판의 경계에 실리콘 압저항체를 형성하여 압력에 의해 박막이 변형되면 압저항체의 저항이 달라지는 것을 감지하여 압력을 측정한다. 정전용량형 압력센서는 서로 마주보고 있는 전극판의 간격을 외부로부터의 응력에 의하여 변화되어 전극간의 정전용량이 변화하는 것을 감지하여 압력을 측정한다.
압력센서 분야에는 Omron, ST마이크로(LPS22HB), 보쉬 센서텍(BMP280) 등이 대표적으로 활동하고 있으며 특히 보쉬는 온도/습도/압력 복합센서를 소형화, 저전력화, 고성능화 시켜 첨단 복합센서를 구현하였다.
선택성이 우수한 가스센서 개발중
가스 센서(Gas Sensor)는 기체 중에 함유된 특정 화학물질을 검지하여 그 농도를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 디바이스로 반도체식 가스센서가 대표적이다. 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 반도체식 가스센서는 대부분의 유독가스, 가연성 가스를 감지하며 센서 제작이 용이하고 검출 회로의 구성이 간단하다. 다만 감지하려는 가스만을 감지할 수 있는 선택성이 우수한 가스센서는 적고 아직도 연구개발 중이다.
가스센서도 온도와 습도, 압력 등을 복합적으로 감지하는 복합센서가 CO2Meter(미국), 보쉬 센서텍(독일)을 중심으로 제품이 나오고 있다.
▲보쉬 센서텍은 압력, 온습도, 가스 센서 등을 통합한 콤보 MEMS 솔루션을 출시했다.
먼지센서(Dust Sensor)는 에어컨이나 공기 청정기 등의 공조기 안에 센서 모듈로 포함되어 센서 안을 통과하는 기체 속의 먼지 농도를 광산란 검출 방식으로 측정하는 센서이며, 자외선 센서(UltraViolet Sensor)는 가시광선보다 짧은 파장으로 눈에 보이지 않는 자외선을 감지하는 센서로 실리콘 기반의 자외선 센서와 GaN 기반의 자외선 센서가 있다. 실리콘 기반의 자외선 센서는 ST마이크로(UVIS25), 실리콘랩스(Si1132) 등이 출시하고 있으며 GaN 기반의 자외선 센서는 국내의 GenUV가 대표적이다.
이처럼 환경 센서는 반도체 기술과 MEMS 기술을 이용한 센서가 주를 이루고 있다. 센서 재료 및 센서 공정기술과 초소형, 저전력, 고성능 센서 등이 개발되고 있다. 특히 복합 첨단 센서개발에 따른 센서 신호처리 및 제어칩 개발이 한창이다. 복합 환경 센서의 신호처리 ROIC 개발과 온도에 따른 센서 특성 보정, 다양한 출력 형태를 지원하는 목적이다.
다시 말해, MEMS 센서 공정과 멀티칩 패키지 기술로 소형화시키고 있고 대량생산 및 생산 수율을 올려 저가격화에 지향하고 있으며 시스템 원칩화로 스마트 센서의 고성능화에 집중하고 있다.
한국산업기술협회(KITA)의 미래형 스마트센서 세미나에 참석한 큐빛의 김영민 이사는 “환경 미래형 센서로 온습도 유지 또는 먼지 측정 위한 자동차 실내 환경 모니터링, 각종 환경 센서가 장착되는 모바일/웨어러블 기기 등이 더욱 각광받을 것으로 보인다”며, “웰빙 라이프 구현을 위하여 생활 환경 분석이 가능한 환경센서 및 신호처리 모듈, 환경 모니터링 및 제어 서비스를 위한 클라우드 연동형 서비스 플랫폼 기술이 활발하게 이뤄질 것”이라고 말했다.
