환경 센서 시장, 전체 센서 시장의 15% 차지
국내기업의 내수 센서 시장 점유율, 1할에 불과
국산 센서 품질보증 평가기관 구축 필요하다


코로나19 대유행으로 전 세계의 경기와 산업이 침체하는 가운데 의도치 않게 나아진 부분이 있다. 바로 대기질이다. NASA는 지난 3월, 위성 사진을 분석한 결과 코로나19 이후 중국의 이산화질소 농도가 다른 해에 비해 최소 10~30% 줄었다고 밝혔다.

국립환경과학원은 지난해 11월, 우리나라의 하늘을 더럽히는 초미세먼지의 32%가 중국에서 온다는 보고서를 발표했다. 중국의 대기질이 맑아지면서 우라나라의 대기질 또한 맑아졌다. 좋은 소식임은 분명하지만, 코로나19가 진정된다면 다시금 대기질은 나빠질 것이다.

한국산업기술평가관리원(KEIT) 변기영 스마트전자 PD와 전자부품연구원(KETI) 신규식 책임은 KEIT PD 이슈리포트 2020-4월호에 ‘공기산업을 선도하는 스마트 센서기술’이란 제목의 보고서를 통해 국내 공기산업용 스마트센서 산업이 맞닥뜨린 과제를 어떻게 해결해야 하는 지에 대해 논의했다.

공기산업은 공기 오염의 원인을 규명하고 오염도를 측정하여 실내외의 나빠진 공기를 정화하고 이를 평가하는 제품, 시스템, 서비스를 통칭하는 말이다. 공기산업용 스마트센서는 대기나 실내의 환경변화를 감지하는 작고 연결된 소자 및 모듈 형태의 센서를 의미한다.

공기산업용 스마트센서는 환경 분야에서 대기오염, 자동차 배기, 토양 진단, 수질 관리 등과 같은 용도로 사용되고 있으며, 전자식 형태의 소형 및 고성능 센서가 많이 사용되고 있다.

환경 센서 시장은 전체 센서 시장의 약 15%를 차지하고 있다. 특히 대기오염물질 측정용 가스 센서 시장규모는 2017년 36억 달러에서 2022년에는 240억 달러, 2027년에는 300억 달러를 넘어설 것으로 추정된다.

국내 센서 관련 내수시장은 2012년 약 54억 달러 규모에서 2020년 99억 달러 규모로 연평균 10.9% 성장이 전망된다. 하지만 국내기업의 내수시장 점유율은 2017년 기준으로 11.2%에 그치고 있다. 특히 세계 시장에서 국내기업의 생산액 비중은 2017년 기준 2.1%로 매우 낮은 수준이다.

이를 유의미한 수준으로 높이기 위해선 기존 공기산업용 센서들의 문제점을 보완할 수 있는 쪽으로 개발 방향을 잡아야 한다.


기존 공기산업용 센서의 한계점들
저자들은 공기산업용 스마트센서의 분야를 크게 ▲미세먼지 농도 및 성분분석 ▲유해가스 분석 ▲실시간 부유 미생물 검출 ▲생활 방사선 검출 분야 등 4개로 나눠 기술적 현황 및 문제점을 분석했다.

먼저 미세먼지 농도 및 성분분석 분야의 경우, 기존의 크고 비싼 입자 분석 장비로는 조밀한 모니터링망 구축이 어려워 시공간에 따라 급격히 변화하는 미세먼지 분포를 실시간으로 파악하기 힘들다고 분석했다. 현재 상용화된 미세먼지 센서는 대부분 광산란 기법을 활용하여 미세먼지 질량농도를 추정하는 데 그치고 있다.

이러한 센서는 환경부 검증 결과 실제 미세먼지 농도와의 오차가 40~90%로 신뢰도가 매우 낮다. 수농도, 질량농도, 크기 분포, 화학적 조성 등 미세먼지의 다양한 특성을 측정할 수도 없다. 따라서 이러한 미세먼지의 특성을 현장에서 실시간으로 측정할 수 있는 솔루션이 필요하다고 저자들은 조언했다.

인체에 악영향을 끼치는 유해가스 종류로는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 산화물(Oxidant), 탄화수소, 휘발성 유기화합물 (VOCs), 불소화합물, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아 등이 있다.

현행 실내공기 측정은 기본적으로 다중이용시설 실내환경 기준의 6개 항목(미세먼지, CO2, HCHO, CO, 총 부유 세균, 온습도)에 대해 실시하며, 현행 측정 대행기관에서 현장 측정 및 실험실 분석을 통해 데이터를 수집하고 있다.

이에 시간적, 경제적 비용의 부담을 줄이고 인증 관리 효율 증대를 위해 새로운 센서 모듈 및 측정기를 이용한 대상시설 연속 모니터링 및 관리시스템이 필요한 시점이라고 저자들은 내다봤다.

실시간 부유 미생물 검출 분야의 경우, 우리 정부에서 주요시설의 총 부유 세균 농도를 의무규제하고 있으나 그 실효성이 거의 없는 것으로 저자들은 보고 있다. 세균의 농도는 시간에 따라, 환자의 상태에 따라, 그리고 습도에 따라 실시간 연속적으로 변하고 있으나, 이를 측정할 수 있는 장비가 전무한 실정이다.

기존 세균 포집 장비인 에어 샘플러(Air Sampler)는 미생물의 포집률이 현저히 떨어지며, 세균의 배양률은 배지와 세균 종류에 따라 크게 달라지는 등 그 검출률이 크게 문제시되고 있다.

또한, 기존 측정 장비는 수동식이며, 검출 결과를 얻는 데 48시간 또는 3주일의 시간이 필요한 사후처리용 분석 장비다. 따라서 이를 보완할 수 있는 포집률이 높고 신속히 결과를 얻을 수 있는 솔루션 개발이 필요하다.

생활 방사선 검출 분야의 경우, 현재 상용화된 측정기기로는 방사선 측정 에너지 영역대 범위 안에서 방사성 동위원소가 구분되지 않고 통합적으로 검출되기 때문에 노출되는 방사성 원소에 대한 정확한 정보가 제공되기 어렵다고 저자들은 보고 있다.

상용화된 라돈 측정 장비들은 온도 및 습도에 영향을 받기 때문에, 전처리 단계에서 해당 요인들을 제어해야 하는 불편함 및 소모품 교체 등의 이슈가 발생하고 있다.

환경요인에 따라 변하는 생활 방사선에 대한 신뢰성 높은 측정결과를 통해 실내 거주 인원에게 시각적, 심적 안정감을 제공하기 위해서는 동위원소 구별이 가능한 고감도 및 정밀 측정이 가능해야 한다. 이를 위해서 방사선 측정 에너지 영역대의 다채널화를 통한 구분이 필요하며, 채널별 측정 감도 향상이 필요하다고 저자들은 말했다.


핵심 소자의 해외 의존도를 줄이려면
국내 센서 시장에서 주요 핵심 소자기술은 외산 제품이 모두 차지하고 있으며, 국내기업의 경우 핵심 소자를 수입하여 조립 생산하는 방식을 사용하고 있다.

또한, 수요기업인 대기업 등에서는 국산 센서의 신뢰성 및 성능을 신뢰하지 않아 사용을 꺼리는 현상이 있다. 이에 저자들은 이를 극복하기 위해 국산 센서의 성능을 평가 및 품질보증을 할 수 있는 평가기관의 구축이 필요하다고 제언했다.

환경 측정 장비의 핵심인 센서기술의 개발이 중요하나 센서 개발에 있어서 가장 큰 애로사항은 정부의 정책적인 지원이 미비하여 개발자들의 연구 개발비에 대한 부담이 가중되는 것이 가장 큰 문제라고 저자들은 지적했다.

센서 개발은 고급 기술을 이용한 정밀한 기초 기술로서, 환경뿐만 아니라 전 산업에 연계 효과가 있고 정부에서는 체계적인 지원과 장기적인 프로그램 개발이 필요한 분야다. 따라서 국내뿐만 아니라 수출 산업에도 기여할 수 있다는 인식이 필요하다고도 덧붙였다.