이 시각 주요 뉴스

여백

[기고] 초정밀 기술을 이용한 지능형 센서 산업동향

산업을 넘어 일상생활에도 깊숙이 침투한 스마트 센서
석주원 기자l승인2020.01.21 10:09:58l수정2020.01.21 10:24

크게

작게

메일

인쇄

신고

[글=박세환 Ph.D. | 기술법인 엔펌(ENF) 전문위원(Chief Consultant) | 한국CCTV연구소 영상보안CCTV산업발전연구회 회장 | 한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램 전문위원 | 용인시정연구원 비상임연구위원]

나노/피코 단위의 초정밀 기술은 학문 간 경계가 없는 학제간(Interdisciplinary) 연구를 통해 높은 기술 집약도, 고부가가치를 지닌 경제성, 환경 친화성, 자연 친화성 등을 구현하고 있다. 이러한 초정밀 지능형 센서는 스마트폰 등과 같이 초정밀/지능형 기술을 요구하는 분야에서 필수적으로 사용되고 있다. 이번 시간에는 세계 최초로 국내 기술력으로 개발한 바 있는 초정밀 지능형 센서의 특징과 다양한 산업적 적용분야 및 핵심 분야별 기술경쟁력에 대해 설명한다.
 



■ 초정밀 지능형 센서의 특징

비접촉 반응물질을 이용한 초정밀 지능형 센서가 세계 최초로 국내 기술력으로 개발된 바 있다. 이 방법은 통합적으로 융합(광학ㆍ화학ㆍ전자ㆍ소프트웨어ㆍ메커니즘 등)된 기술 집약형 기술로서 다양한 산업 분야에 응용되고 있다. 초정밀 지능형 센서를 이용한 반응데이터 중에서 가장 활용도가 높은 초정밀 지능형 온도 센서의 특성을 간단히 요약하면 다음과 같다.

열전대(thermocouple) 온도 센서
-기본적으로 두 개의 막대와 서로 다른 금속으로 제조되며, 끝에서 이들이 만나는 전선으로 구성된다. 특정 시점에서 온도 변화는 양 끝 간의 기전력의 변화로 나타난다.
-온도가 상승하게 되면 써모커플의 출력은 상승하지만 반드시 선형특성을 나타내지는 않는다.
-열전대의 두 개의 서로 다른 금속(금속 쌍)은 J, K, T, E, N, R, S, B, C, G, D와 같이 다양한 타입이 있으며, 각 타입에 따라 온도 범위와 기전력 대 온도 값이 다르게 나타난다.

RTD(Resistance Temperature Detector) 온도 센서
-물질의 온도가 변하면 전기저항도 변한다는 사실을 이용한 저항 온도 센서이다.
-RTD는 금속의 저항변화에 의존하며, 저항은 온도에 따라 선형적으로 상승한다.
-써미스터는 반도체의 저항변화에 근거하며, 온도가 상승하면 저항은 비선형으로 떨어지게 된다.

적외선 온도계
-적외선 센서는 물질이 방사하는 열복사량을 측정하여 온도를 추론한다.
-측정 물체의 방사율과 측정거리에 따라 측정 정밀도가 달라지나, 측정 대상에 접촉할 수 없는 경우에 사용되는 비접촉식 온도 센서이다.

바이메탈 온도온도 센서
-바이메탈 장비는 서로 다른 금속 간의 열팽창율의 차이를 이용한다.
-두 금속막대가 함께 결속된 설계로서 측정단이 가열되면 한쪽이 다른 쪽보다 더 팽창하고 구부러지는 원리를 이용하여 기계적으로 연결된 눈금으로부터 온도를 판독한다.
-휴대용으로서 전원공급은 필요 없으나, 써모커플이나 RTD에 비해 정확도가 낮은 편이다.

액체 팽창 온도 센서
-학교나 가정에서 흔히 사용하는 유리구 온도계로, 보통 수은과 유기 액체의 두 가지 유형이 있다. 액체 대신 기체를 사용하는 것도 있다.
-수은은 환경유해 물질로 규정되어 있어 이제 수은 온도계는 거의 사용되지 않는다.
-전력이 필요하지 않으며, 폭발위험이 없고 반복적으로 사용해도 안정적이다.
-기록 및 전송 데이터를 편리하게 생성하지 못하며, 지점 측정을 하지 못하는 단점이 있다.

상태 변화 온도 센서
-온도라벨 및 온도라커와 같이 특정 온도에 도달하면 모양이 변하는 액체결정으로 구성된다.
-측정대상에 부착하고 측정대상이 특정 온도를 초과하면 부착된 센서 라벨의 하얀점이 검은색으로 상태가 변하는 방식이다.
-응답시간이 수 분 정도 걸리기 때문에 단기적인 온도변화에는 반응하지 않는다. 정확도는 다른 유형의 센서들보다 낮은 편이다.
-상태의 변화는 액체결정 디스플레이의 경우를 제외하고는 비가역적 특성을 갖는다. 따라서 이 온도 센서는 제품이 배송되는 동안 물질의 온도가 특정 수준을 넘지 않았는지 확인해야 하는 경우 유용하다.



■ 초정밀 지능형 센서 적용 분야

나노 바이오 분야
나노기술은 바이오산업에 적용되어 다양한 고분자 시료의 상변이를 나노그램 단위의 적은 양으로도 매우 민감하게 측정할 수 있으며, 소형화가 용이한 효과를 나타내고 있다.

[표 1] 나노기술의 바이오산업 적용분야(자료: 나노융합산업협력기구(2018.02)/재구성)

 

국방기술 분야
나노기술은 군사용 부품에 적용되어 군사용 부품의 성능을 크게 개선하고 가격을 크게 낮출 수 있을 것으로 예상되는 바, 나노 복합 재료는 군사용 부품의 높은 강도, 낮은 무게 및 새로운 기능을 갖게 될 것이다. 아울러 나노 기공 재료는 군사용 부품의 필터와 분급기능을 크게 개선할 것이다. 특히 나노 스케일의 전극은 군사용 부품의 매우 미세한 신호를 관측하고 감지할 수 있어 나노 시스템이 부착된 군사용 부품 칩(chip)은 매우 작은 부품에 다기능을 부여하는 역할을 할 수 있는 것으로 평가받고 있다.

[표 2] 나노기술의 국방기술 적용분야(자료: 허선무(2016.01), 나노융합산업협력기구(2018.02)/재구성)

 

 


■ 나노 바이오 분야 기술 경쟁력

국내외 제품화 동향
-미국 Michigan대학은 생물학적인 손상을 최소화하고 세포에 독성작용을 유발하지 않으면서 특정한 물질을 감지할 수 있는 PEBBLE 바이오 센서를 개발하였다.
-한국생명공학연구원에서는 N형 ISFET 바이오 센서를 이용하여 특정 분자에 의해 유발되는 단백질의 구조적 변화를 측정하는 연구를 진행하고 있다.
-인간의 생체대사를 검지하는 화학/바이오 센서로 ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor)를 활용하는 센서기술이 활발하게 연구되고 있다.

국내외 기업 동향
-자가혈당측정기 세계 시장 점유율은 Johnson&Johnson이 1위를 차지하고 있다.
-Abbott Labs, Medtronic, Siemens Healthcare Diagnostics 등 소수의 대기업들이 글로벌 기술시장을 주도하고 있으며, 신규 업체들이 지속적으로 늘어나고 있는 추세이다.
-한국의 인포피아는 스마트폰을 이용하여 당뇨측정이 가능한 당뇨폰과 같은 폰 헬스 시스템 등을 출시한 바 있다. 1년 이상 시장검증을 통해 매출증가세가 뚜렷한 대륙별 주요 거점에
해외지사를 설립할 예정이다.
-한국의 디지털바이오테크놀로지는 서울대학교 산학협력단과 공동으로 초정밀 마이크로 칩을 적용한 Flow Cytometry 핵심 기술을 개발한 바 있다.
-미국과 일본이 글로벌 기술시장을 주도하고 있는 가운데 세계 시장 점유율은 Life Scan과 Roche Diagnostics가 23%로 1위를 차지하고 있다. 기타 Abbott, Nameto, Medisense 등이 글로벌 기술시장을 주도하고 있다. 특히, 나노/피코 단위의 초정밀 기술을 개발하고 있는 국내 대표 기업으로는 에스디바이오 센서, 인포피아, 아이소텍 등이 포지셔닝 되어 있다. 대부분 기업규모는 작으나 나노 센서, 무선 융복합 등의 신기술 개발을 통해 제품경쟁력이 있는 것으로 평가받는다.

국방기술 분야 경쟁력
나노기술은 나노미터 수준에서 설계, 제조 및 제어, 활용될 수 있을 때 경쟁력을 발휘할 수 있다. 기존의 제조방식인 topdown 방식과, bottom-up 방식에 의해 원자나 분자 수준에서 물질을 제조하여 새로운 성질과 기능을 가진 시스템을 구현할 수 있다.

top-down 방식
-재료를 가공하여 나노미터 크기로 소형화하는 것으로서 기존 기술을 이용하므로 상대적으로 용이한 방법이다. 하지만 크기가 작아질수록 기술 적용에는 근본적인 한계가 있다.
-현재는 반도체 제조공정 중 리소그래피 공정과 같이 물리학이나 공학에서 주로 이용되고 있다. 반도체 미세가공 기술에서 10nm 이하의 한계에 부딪치고 있다.

bottom-up 방식
-원자나 분자를 블록처럼 쌓아 올리는 자기조립방식으로 물질의 최소 단위인 원자나 분자를 자유자재로 조작하여 원하는 기능과 구조체를 형성하는 방법이다. 생물학이나 화학 분야에서 주로 응용하고 있다.
-비용 및 자원 문제가 해결될 수 있는 장점이 있으나 아직 개념이 정립되지 않은 새로운 기술이다. 따라서 많은 시간이 소요되며, 성공확률은 크지 않으나 성공 시 파급효과는 매우 크다.



■ 특허를 통해 본 기술경쟁력 분석

가속도 센서 및 각속도 센서 분야인 관성 센서의 경우 2000년 이후 출원 건수 및 출원인이 증가했으나 2005년 최고치에 이른 뒤 잠시 주춤하는듯 정체를 보였다. 최근 스마트폰 등에 다양한 센서 기술이 적용되면서 응용기술의 발전이 이루어진 것으로 보이며, 특허 출원율이 소폭 증가하였으나, 다시 감소하고 있는 상황이다. 이는 기존 특허 네트워크가 넓게 형성되어 있어 특허 출원율이 높지 않으나, 주요 출원인의 연구개발이 계속되어 특허출원이 꾸준히 이루어지고 있기 때문인 것으로 판단된다.

특히 자기 센서 분야의 경우 특허수가 많지 않아 글로벌 시장 선점을 위한 적극적인 특허전략과 아울러 연구개발 투자가 필요한 것으로 사료된다. 지능형 초정밀 센서 기술 분야의 최첨단 기술인 스마트 센서의 경우 일본 국적 출원인의 특허 출원율이 높은 것을 보면 미국 및 한국 시장의 진출의지도 강한 것으로 보인다. 이에 국내 관련 기업의 보다 적극적인 특허전략이 요구된다.



■ 나노산업의 가치분석

[표 3] 초정밀 지능형 센서산업 SWOT 분석


4차 산업혁명 시대가 도래하면서 나노산업 분야의 융ㆍ복합 기술이 확대되고 연구개발에 대한 글로벌 경쟁이 가속화되고 있다.

나노소재 분야
-탄소ㆍ나노소재 분야는 기존의 소재(탄소나노튜브, 그래핀 등) 산업화 촉진을 위한 저가화, 고성능화, 고온 고강도화 기술과 미래 산업(우주항공, 바이오 등) 성장에 따른 수요 대응 복합소재에 대한 연구를 진행하고 있다.
-글로벌 시장규모는 2017년 930억 달러에서 연평균 32.4%의 고성장을 지속하여 2021년에는 18억 2857억 달러의 대규모 시장이 형성될 것으로 전망된다.

나노소자 및 시스템 분야
-대용량화, 고속화 차세대 메모리로의 시장전환에 따라 고기능, 고성능, 저전력 소자 및 시스템 개발을 확대하고 있다.
-나노소자 관련 글로벌 시장규모는 2017년 8982억 달러에서 연평균 35.0%의 고성장을 지속하여 2021년에는 2조 9833억 달러의 대규모 시장이 형성될 것으로 예상된다.

나노바이오 보건 분야
-나노입자를 활용한 나노의약품 등 나노기술을 적용한 질병 진단ㆍ치료 중심으로 바이오산업이 확대될 전망이다.
-나노바이오 관련 글로벌 시장규모는 2017년 4538억 달러에서 연평균 13.9%의 성장을 지속하여 2021년에는 7649억 달러의 대규모 시장이 형성될 것으로 보인다.

나노 기반 분야
-미세공정기술을 통한 기존 메모리반도체 기술고도화 등 초정밀 제조ㆍ측정장비의 기술개발이 확대되는 추세다.
-나노공정ㆍ측정ㆍ장비 관련 글로벌 시장규모는 2017년 1101억 달러에서 연평균 8.9%의 성장을 지속하여 2021년에는 1552억 달러의 대규모 시장이 형성될 것으로 판단된다.



■ 나노기술 산업화 전략

정부는 나노기술 산업화의 글로벌 리더 도약을 위해 혁신적 원천기술개발, 기반확충, 나노산업화 확산전략을 추진하고 있다. 정부의 나노기술 산업화를 위한 주요 정책목표는 다음과 같다.

• ‘제4기 나노기술종합발전계획(2016~2025)’을 통해 나노기술 혁신 및 산업현장 확산으로 제조업 활로 및 미래동력 확보
• 나노기술 활용 확산, 미래 나노기술 발전 주도, 나노기술과 산업의 지속 발전을 구현하기 위해 3대 분야별 미래수요 대응, 건강한 삶 구현, 지속가능사회 실현 등 관련 선도기술로 전략적 추진
• 혁신주도 나노산업화 확산, 미래선도 나노원천기술 확보, 나노혁신 기반 확충
• 성숙도 높은 기술영역의 산업화, 기업의 기술사업화 지원, 나노융합 확산 인프라 강화 등 산업화 촉진
• 30대 미래 나노기술 나노소자 6개, 나노바이오 5개, 나노 에너지ㆍ환경 7개, 나노소재 6개, 나노공정ㆍ측정ㆍ장비 6개 개발, 4대 나노챌린지 프로젝트 에너지 한계극복 미래 반도체, 생체 삽입 부착형 나노 바이오소자 등 집중투자를 통해 5~10년 내 가시적 성과를 창출할 수 있는 전략기술 임무완성형 통합연구 추진 등 혁신적 나노기술을 위한 투자 지속



■ 스마트 사회 구축을 위한 필수 요소

초정밀 지능형 센서산업의 최첨단 기술인 스마트 센서를 기반으로 한 제조업 혁신은 스마트 사회의 조기 구현에 기여할 수 있을 것이다. 스마트 사회는 IoT(사물인터넷) 기술과 맞물려 모든 사물, 시스템 그리고 인간 간에 지능을 부여하여 구현되어 가고 있다. 스마트 사회를 구축하기 위해서는 주변 정보를 스스로 감지, 인식하여 처리할 수 있는 센서가 필수불가결한 요소다. 아울러 보안, 에너지효율, 보건/의료, 방재 등 국민의 삶과 밀접하게 관련된 다양한 분야에 적용되어 제조업 혁신을 견인하고 있으며, 나아가 사회 시스템의 질적 향상에 기여하고 있다.

IoT 기술 기반의 초정밀 지능형 스마트 센서는 외부 자극을 인식하고 반응하는 본연의 기능 외에 인간과 교감을 통해 발전함으로써 새로운 서비스로 확대되고 있다. 또한 스마트 센서는 인간의 오감 대체 기능의 영역을 넘어, 인지기술(CT)과 융합됨으로써 인간과의 감성적 교류(interaction)를 통해 개인 맞춤형 콘텐츠 활성화에 기여하고 있다.

나노/피코 단위의 지능형 센서를 제조하기 위해서는 공학적 원리와 방법을 적용하여 해당 기술 분야의 새로운 현상 및 사실을 탐구하고 이를 산업현장에 적용할 수 있어야 한다. 아울러 나노기술의 기본적인 요건은 ▲00nm 크기를 다루어야 하고 ▲분자구조의 물리적 화학적 특성들을 근본적으로 제어할 수 있음을 증명하는 공정 과정을 통해 설계해야 하며 ▲보다 큰 구조물을 형성하기 위한 결합이 가능해야 한다.

나노기술은 재료의 고강도화, 경량화 및 신기능 부여로 군사용 부품의 고성능화, 가격의 저렴화를 가능케 할 것이다. 또한 나노 시스템이 부착된 칩의 개발은 매우 작은 부품에 다기능을 부여하는 역할을 할 것이며, 소형, 경량, 고성능의 플랫폼, 군용기, 무인기/로봇, 병기, 지휘통제, 개인병사전투, 병사의능력 및 웰빙 등에 적용될 경우 파괴적인 혁명(disruptive innovation)을 촉진할 것이다.

#센서#지능형#스마트#초정밀#나노#페코#사물인터넷#온도#바이오#4차 산업혁명#

석주원 기자  jwseok@cctvnews.co.kr
<저작권자 © CCTV뉴스, 무단 전재 및 재배포 금지>

석주원 기자의 다른기사 보기
기사 댓글
첫번째 댓글을 남겨주세요.
0 / 최대 400byte

숫자를 입력해주세요

욕설등 인신공격성 글은 삭제합니다.
여백
여백
여백
여백
매체소개공지사항보안자료실기사제보광고문의불편신고개인정보취급방침청소년보호정책이메일무단수집거부    [기사ㆍ기고 문의 : desk@cctvnews.co.kr]
(주)테크월드 08507 서울특별시 금천구 가산디지털1로 168, 1012-1호 (가산동, 우림라이온스밸리 C동)  |  제호: 씨씨티브이뉴스  |  발행일: 2009년 2월 19일
대표전화 : 02)2026-5700  |  팩스 : 02)2026-5701  |  이메일 : webmaster@techworld.co.kr  |  청소년보호책임자 : 박지성
통신판매업신고번호 : 제 2008-서울금천-0415 호  |  발행·편집인 : 박한식  |  인터넷신문등록번호 : 서울, 아 00607  |  등록일 : 2008.06.27
Copyright © 2020 CCTV뉴스. All rights reserved .