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TECH M

오감 확장하는 센서, 인간 능력 극대화

2016-11-29이대성 전자부품연구원 센터장




우리는 보고 듣고 맛보고 느껴야 생각하고 말하고 행동할 수 있다. 아무런 정보와 자극 없이는 나무토막이나 돌과 같을 것이다. 인간에게 시각, 청각, 미각, 후각, 촉각의 오감이 있듯이 기계장치에는 센서가 그 역할을 대신한다.

진단하고 제어하기 위해서는 현재 상태를 정확히 알아내야 하고 그 일을 센서가 하고 있는 것이다.
센서란 “감지하다”, “느끼다”로부터 나온 말로 물리, 화학, 바이오 등의 정보를 기계장치가 알 수 있는 신호로 변환하는 장치를 말한다.

최근 기존의 단순센서에 미세전자기계시스템(MEMS), 시스템반도체, 소프트웨어가 결합돼 다기능 스마트 센서로 발전하고 있고 상당한 수준의 데이터 처리와 이를 바탕으로 상황 판단까지 할 수 있게 됐다.

다기능 스마트 센서로 발전

2007년 스티브 잡스가 아이폰을 잡고 흔들어 화면을 회전시키고 터치로 화면에서 직관적인 입력을 하는 모습을 선보이면서 새로운 소비자를 사로잡고 퀀텀 점프와 같은 스마트폰 시대가 시작됐다.

이를 계기로 반도체 및 MEMS 기반 스마트 센서의 수요가 급증하고 스마트폰 사용자가 전 세계로 확산되면서 2012년까지 매년 222%의 폭발적인 성장률로 센서 시장이 성장했다.

프랑스 시장조사기업 욜(Yole)에 의하면, 센서 시장은 앞으로도 연간 21% 이상 높은 성장을 예상하고 있다. 가속도센서, 지자기센서, 음향센서 등 7~8개의 센서가 탑재됐던 1세대 스마트폰에서 최신폰의 경우 지문인식센서, 온습도센서, 자이로센서, 제스처 인식센서 등 20여개 이상의 센서가 적용되고 있고 각종 제어와 새로운 다양한 서비스를 가능케 하고 있다.

사물인터넷(IoT)은 센서 시장이 제3의 퀀텀 점프를 하게 하는 패러다임이 될 것이다. 인터넷에 연결된 모든 사물에서 정보를 취득하고 빅데이터 기반의 스마트 홈, 스마트 팩토리, 스마트 시티 등 새로운 서비스가 실현되는 그 핵심에 스마트센서가 자리할 것으로 많은 사람들이 전망하고 있다.

미국의 ‘1조 센서 서밋’에서는 IoT뿐만 아니라 원격진료, 웨어러블 기기 등의 신규 산업의 활성화를 통해 앞으로 2030년에 이르면 약 100조 개의 센서가 필요할 것으로 전망하고 있다.

이를 대응하기 위해서는 센서가 더욱 초소형화 및 초저가화(10센트 수준) 돼야 한다고 주장하고, 현재 반도체 및 MEMS 기술에서도 표준화를 통한 개발기간 단축과 저가격화 등 획기적인 발상의 전환이 이뤄지고 추진돼야 한다고 제안하고 있다.

센서의 데이터 처리성능 향상과 인공지능(AI) 기술이 발전함에 따라 오감인식 기술이 점차 진보하고 있다. 오감인식 기술은 사람의 표정과 음성에서 기분 상태를 인식하는 등 기계와 사람 사이의 상호교감을 구현하는 연구를 촉진하고, 인간의 의도를 미리 파악하는 맥락인식, 즉 디지털 육감을 구현하는 것을 앞당기고 있다.

오감 중 촉각, 후각, 미각 분야는 시각과 청각과 달리 연구개발 단계에 있으며, 사람의 것을 흉내내기에는 아직 미흡한 수준이다. 로봇 손가락 접촉이나 사람 근육의 움직임을 인식하는 촉각센서는 출시됐으나, 사람의 손을 모방하는 촉각센서는 신축성 있는 소재로 접촉 여부뿐만 아니라 압력, 재질 등을 감지할 수 있는 전자피부 연구가 추진 중이다.

사이언스어드밴스에 게재된 UNIST 고현협 교수팀의 생체모사전자피부 연구 내용

(사이언스어드밴스에 게재된 UNIST 고현협 교수팀의 생체모사전자피부 연구 내용)


후각과 미각의 경우 기존 모스전계효과트랜지스터(MOFET) 반도체나 진동자 어레이 센서를 통해 냄새나 맛과 관련된 분자를 흡착해 감지하는 전자센서 방식으로 개발했다.

6~24개의 어레이된 센서 각각의 셀이 특정 분자를 인식하고 가지고 있는 데이터베이스와 비교해 판별하는 방식으로 아직 센서의 가격이 매우 비싸고 감지할 수 있는 맛과 냄새가 한정적이며, 혼합돼 있는 경우 분별력이 떨어지는 단점이 있다.

따라서 최근에는 인간의 후각 및 미각 수용체를 모방하는 바이오 센서 방식으로 연구를 추진하는 경향이다.

시력을 잃은 사람에게 빛을 감지하고 더 나아가 사물 형태를 인식할 수 있게 하기 위해 미국 사우스캘리포니아대에서는 20여년 연구개발 끝에 망막색소변성증(RP) 환자를 위한 인공눈 ‘아르구스(Argus) 2’를 개발해 미 식품의약국(FDA)의 승인을 받고 시판 중에 있다.

이 인공눈 센서의 방식은 안경에 부착된 카메라로 찍은 영상신호를 무선으로 눈에 부착된 수신기에 보내고, 수신기에서는 전기신호로 변환해 망막에 부착된 전극어레이에 전달하고, 망막에 있는 눈신경이 전극의 신호를 뇌로 전달해 인식하는 것이다.

현재 망막 전극픽셀은 60개 정도여서 아직 어렴풋한 느낌 정도이나 향후 더욱 발전할 것으로 기대된다. 뇌파센서를 활용하여 아바타 로봇를 구현하기 위한 연구도 시도되고 있다. 인간의 뇌파를 감지해 로봇에 전달하면 사람의 생각대로 로봇이 움직이게 하는 것이다.

센서는 인간의 오감과 같이 기계의 감각기관이다. 정보를 취득하고 이를 바탕으로 인식하고 제어하고 표현하는 데 있어서는 센서가 필수적이고 그 중요성은 두말할 필요가 없다.

스마트폰에서부터 자동차, 로봇, IoT 등 다양한 분야에서 센서는 최전선에서 인간의 오감을 확장해 인간의 능력을 극대화하는 첨병 역할을 다 하고 있다.

살펴본 바와 같이 시각과 청각 분야는 인간보다 더 나은 성능까지도 구현되고 있으나 촉각, 후각, 미각 분야는 아직 미약해 한계가 있다. 따라서 센서 연구개발의 여지는 충분히 있고 센서 선진국인 미국, 독일, 일본을 뛰어넘을 수 있는 기회는 열려 있다.

<본 기사는 테크M 제43호(2016년 11월) 기사입니다>