 무선 신호 반사를 이용한 저전력 무선 pH 센싱 AI 시대에서 중요한 역할 기대 pH 계측은 헬스 케어, 환경 모니터링, 식품이나 화학제품의 생산 관리 등 다양한 분야에서 활용된다. 이에 유지 보수가 필요 없고(긴 수명, 무배터리) 어디든 설치할 수 있으며 IoT(Internet of Things) 디바이스로 활용할 수 있는 소형, 저소비전력 동작의 무선 pH 센서 모듈의 실현이 기대가 된다. 그러나 현재 보급되는 WiFi, Bluetooth, ZigBee, LoRa 같은 무선 통신 회로의 이용을 고려하면 수십 ㎽ 이상의 동작 전력이 필요하며 장기간 동작하는 데는 대용량 배터리 탑재가 필수다. 정기적인 교환과 충전도 필요하기에 모듈 수가 늘어나면 늘어날수록 유지 보수가 힘들어진다. 센서 모듈의 소비 전력을 크게 줄일 수 있는 기술로 최근 주목받고 있는 무선 신호 반사를 이용한 무선 센싱 기술을 소개하고 pH 센서로 응용한 사례를 제시한다.
정리 편집부
자료 IEEJ
주파수 변조형 저전력 센서 인터페이스 회로를 집적 회로로 사용해 시험 제작한 무선 pH 센서 모듈은 10 ㎼ 이하에서 동작한다. 그리고 무선 전력 전송 기술과 조합하면 배터리 없이 동작할 수 있다.
무선 신호 반사에 의한 센싱 환경에 있는 무수한 정보를 태양광의 반사 신호로 얻는다. 환경의 사물이나 생물에 의해 필터링된 가시광선 성분을 시각으로 받는 센싱 시스템이다. 사물이나 생물은 태양광 반사에 특별한 에너지를 필요로 하지 않는다. 태양광이 아닌 전파로 생각해 보면 [그림 1]과 같이 전파는 임피던스 변화로 반사가 생긴다. 많은 센서 디바이스는 정보 변화에 따라 임피던스가 변하기 때문에 센서 디바이스에 전파를 조사하면 임피던스 변화에 따른 반사 신호를 얻을 수 있다. 전파를 반사할 뿐이라 특별한 무선 회로는 필요치 않으며 센서 모듈의 소비 전력은 제로가 될 수 있다. 실제로는 센서 디바이스의 임피던스 변화가 작기 때문에 증폭 회로나 변조 회로가 필요하지만, 에너지 소비가 많은 고주파 무선 통신 회로는 필요치 않다. 즉 적은 소비 전력으로 센서 모듈을 동작할 수 있다. 무선 신호 반사 기술은 IC 태그 정보를 비접촉으로 읽고 쓰는 자동 인식 기술(RFID)로 이미 쓰이고 있으며, 센싱 시스템으로 응용하려는 연구 개발이 진행 중이다.
무선 신호 반사에 의한 센싱 회로 [그림 2]는 무선 신호 반사를 이용하는 센서 인터페이스 회로의 기본 구성이다. 센서는 온도나 변형을 검출하는 저항값 변화형(서미스터나 변형 게이지), 가속도나 압력을 검출하는 용량값 변화형(MEMS 센서), 광량(光量)을 검출하는 전류 출력형(포토다이오드), 화학 성분을 검출하는 전압 출력형(이온 센서, pH 센서) 등 다양한 유형이 목적에 맞게 쓰인다. 센서 인터페이스 회로에서는 우선 이러한 센서들의 정보를 전기 신호로 변환하기 위해 개개의 센서에 맞는 변환 회로(Z to V)를 통해 전압 신호로 변환한다. 그 후 신호를 증폭해 안테나에 접속된 저항값에 변화를 주면 안테나에서 입력된 무선 신호에 대한 반사 계수 가 변해 센서 신호에 따라 무선 신호를 반사할 수 있다. 안테나의 임피던스 Z0는 통상 50 Ω이기 때문에 [그림 2]의 식에서도 알 수 있듯이 이것보다 Rbs가 크면 안테나와의 접속점에서 신호가 같은 상으로 반사되고, 작으면 위상이 반전해 반사된다. 저항값으로 반사 신호의 진폭과 위상을 제어할 수 있다. 50 Ω(=0)을 최솟값으로 하고 저항값을 가변하면 반사 신호는 진폭 변조가 된다. 다만 진폭 신호는 무선 전달 시 환경의 영향을 받기 쉽다. 반면 진폭 회로 A 대신 전압 제어 발진기 VCO를 접속해 저항값을 스위칭하는 구성으로 하면 센서 정보를 주파수 변화로 보낼 수 있다. 신호 진폭의 변화에 대해 주파수 신호는 환경의 영향을 잘 받지 않는다. [그림 3]은 주파수 변조형 센서 인터페이스 회로다. CMOS 인버터 2단의 RC 발진 회로, 버퍼 회로, MOS 스위치 및 안정화 전원 회로로 이뤄진 간단한 구성이다. 발진 주파수 fsen은 저항 R과 용량 C의 시정수로 정해지며, 저항형 또는 용량형 센서를 접속하면 센서 정보를 주파수 변화로 포착할 수 있다. MOSFET 스위치는 발진 회로의 진폭이 일정한 fsen 신호에 의해 MOSFET의 드레인-소스 간 저항을 고저항값과 저저항값 두 개의 값으로 전환하는 스위칭 동작을 한다. ON일 때 저저항, OFF일 때 고저항이 되며 fRF에 대한 반사 강도를 변화시킨다. 반사 신호의 주파수 성분은 fRF±fsen이 된다. 센서의 상태 변화는 fsen의 변화가 된다. 회로의 소비 전력은 R 또는 C의 값을 크게 설정하고 동작 주파수대를 낮게 설정함으로써 줄일 수 있다. 50 ㎑의 발진 동작은 10 ㎼ 정도의 전력으로 할 수 있다.
한편, 센서 인터페이스 회로는 변환 회로의 전압 출력을 아날로그 디지털 변환 회로(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환하고 그 디지털 신호로 무선 신호의 반사를 제어하는 구성도 생각할 수 있다. 디지털화로 강건성(robustness)을 강화할 수 있는데 ADC 같은 디지털 처리 회로가 필요해 그만큼의 동작 전력이 필요하다.
센싱 회로의 집적 회로화 센서 모듈의 소형화를 위해서는 인터페이스 회로의 집적 회로화가 유용하다. 일반적인 고주파 무선 통신 회로는 ㎓의 고주파 동작에서 많은 전력을 소비한다. 이에 고속에 구동 능력이 높은 첨단 집적 회로 기술을 도입해 회로의 저소비전력화를 도모해 왔다. 그런데 [그림 3]의 센서 인터페이스 회로의 동작 주파수는 1 ㎓의 천 분의 1 이하인 저주파 동작으로 충분하다. 그래서 저비용인 레거시 기술로도 저소비전력화가 가능하다. [그림 4]는 최소 가공 치수가 0.7 ㎛인 CMOS 기술로 시험 제작한 센서 인터페이스 IC 칩과 이를 탑재한 평가 모듈의 사진이다. 칩 사이즈는 1.2 ㎜×0.9 ㎜다. 모듈에는 베어 칩(bare chip)을 프린트 기판 위에 직접 탑재하고 수지 밀봉했다. [그림 5-(a)]는 센서 미접속 시 전원 전압 Vdd와 발진 주파수 fsen, 소비 전류 Idd의 관계를 측정한 결과다. IC에는 발진 회로부에 전원 안정화 회로를 내장했으며, Vdd가 0.7 V를 넘으면 발진 주파수 fsen은 53 ㎑ 정도로 안정화된다. 이때 소비 전력은 3.6 ㎼@0.7V였다. [그림 5-(b)]는 안테나 단자에 시판 RFID 리더로 920 ㎒의 fRF 신호를 입력했을 때 반사 신호의 주파수 스펙트럼이다. fRF의 신호에 ±fsen의 신호가 중첩되는 것을 알 수 있다. 이 신호를 모니터링하면 센서의 상태를 알 수 있다. [그림 5-(c)]는 용량형 센서의 접속을 상정해 추가한 센서 용량 C와 발진 주기 Tsen(fsen의 역수)의 관계를 평가한 결과다. Tsen은 C에 비례하므로 반사 신호 성분의 Tsen을 계측하면 센서의 용량값을 알 수 있다.
pH 센싱 응용 수소 이온 지수 pH는 수질 상태(산성, 알칼리성)를 정량적으로 나타내는 유용한 파라미터로, 계측에는 ① 시약, ② 유리 전극, ③ 이온 감응막 전극 등이 쓰인다. ③의 디바이스는 모듈의 소형화에 유용한데, 반도체 제조 기술을 사용해 게이트 전극에 감응막을 형성한 전계효과 트랜지스터 ISFET나 Ir/IrOx에 의한 니들형 전극 등이 있으며 의료 분야 응용에 적합하다. [그림 6]은 Ir/IrOx 전극의 pH 센싱 특성으로, pH 변화에 대해 60 ㎷/pH의 전압 변화를 얻었다.
여기서 앞의 센서 인터페이스 모듈은 RC 발진 회로를 쓴다는 점에서 용량형 또는 저항형 센서를 직접 접속할 수 있는데 Ir/IrOx 전극의 경우는 전압 출력이다. 전압을 용량으로 변환해 접속해야 한다. [그림 7]은 변환 회로를 나타낸 것이다. 가변 용량 다이오드로 전압을 용량으로 변환하는 구성이다. pH 센서의 출력 저항은 [그림 6]의 등가 회로에서 보듯이 10 ㏀ 정도로 높고 전류 출력은 거의 얻을 수 없다. 전압 신호를 효율적으로 받아 변환하기 위해 100 ㏀의 고저항을 입력에 추가했다. 출력은 1000 pF 정도의 대용량에서 직류 성분을 컷해 발진 회로의 용량 성분을 제어한다. 이 변환 회로는 전력을 소비하지 않는다. [그림 8]은 변환 회로와 안테나를 탑재한 무선 pH 센서 모듈의 사진이다. 안테나는 길이 48 ㎜, 지름 8 ㎜의 920 ㎒대 스터비 안테나를 사용했다. pH 특성 평가는 표준 수용액으로 했다. [그림 9]는 pH 센싱 결과를 나타낸 것이다. 발진 주파수는 440 ㎑@pH=7로 설정해 2 ㎑/pH의 감도를 얻었다.
[그림 9-(b)]는 반사 신호의 주파수 스펙트럼으로, pH=4의 발진 주파수 447 ㎑를 관측할 수 있다는 것을 알 수 있다. 모듈의 소비 전력은 7.2 ㎼였다.
자계 공명형 전력 전송에 의한 무배터리 동작화 모듈의 소비 전력이 10㎼ 수준이 되면 무선 급전이 용이해진다. 급전 방법으로는 빛, 전파(마이크로파), 전자계 결합 등을 이용하는 방법이 있다. ① 빛 에너지는 태양전지로 손쉽게 전기 에너지로 변환할 수 있다. 1 ㎝×2.5 ㎝의 소형 태양전지로 옥내 조명이나 손전등의 조도(500 lx 정도)를 이용해 10 ㎼의 전력을 확보할 수 있다. 다만 빛이 없는 야간이나 밀폐 공간에서는 사용할 수 없다. ② 전파의 이용은 무선 신호 반사에 쓰는 신호를 에너지원으로 활용하면 좋다. 이미 RFID는 이 방식을 채택하고 있으며 920 ㎒에서 1 W의 전력을 송신했을 때 10 ㎼를 수전할 수 있는 영역은 5 m 정도가 된다(0 dBi의 송신/수신 안테나를 상정). 수전 회로는 승압 회로와 정류 회로에 의해 교류의 무선 신호를 직류로 변환해 쓴다. 이 구성의 모듈 사이즈는 [그림 8]의 사진에서 알 수 있듯이 안테나에 의해 제한된다. 모듈의 소형화를 고려한 급전 방식으로는 ③ 자계 공명 방식을 통한 전력 공급을 생각할 수 있다. 휴대 단말 등의 충전에 쓰이며 저주파 신호에서 급전이 가능하다. [그림 10]은 이 방식을 이용한 센싱 시스템의 구성을 나타낸 것이다. 무선 안테나 대신 코일을 사용한 구성이다. 정보 수집 단말 측의 송전 코일 Lt와 모듈의 코일 Ls에 용량(Ct, Cs)을 접속하고 개개의 공진 주파수를 같게 설정해 공명 동작으로 고효율의 전력 전송을 할 수 있다. 센서 정보는 발진기의 출력 신호로 모듈의 공진 회로의 임피던스를 변화시키면 반사 신호가 생성되고 정보 수집 단말 측으로 보내진다. 이 반사 신호를 코일 Lm으로 모니터링해 센서의 상태를 관측한다.
 무배터리 동작을 실험하기 위해 시험 제작한 센서 모듈은 [그림 11-(a)]와 같다. 기판 3장을 스택(stack)한 구성으로, #1의 기판 위에 스파이럴 코일 Ls를 배선으로 형성하고 용량 Cs와 정류 IC를 탑재했다. 또한 충분한 전력 공급이 가능하다는 점에서 수전 확인을 위한 발광 다이오드도 탑재했다. #2에는 [그림 4]의 센서 인터페이스 IC를, #3에는 [그림 7]의 변환 회로를 탑재했다. 발진 회로의 주파수는 pH=7일 때 28 ㎑로 설정했다. 전력 공급 신호 주파수는 시험적으로 5.8 ㎒를 사용했다. [그림 11-(b)]는 정보 단말 측에서 수신한 반사 신호의 주파수 스펙트럼이다. 5.8 ㎒의 전력 공급 신호에 대해 33 ㎑ 이조(離調)한 센서 신호(pH=9.5)를 얻었다. pH에 대한 감도는 1.9 ㎑/pH였다.
한편, 모듈 사이즈는 기판 회로의 최적화로 더욱 소형화할 수 있을 것으로 기대된다. pH 센싱의 응용 사례로 무선 신호 반사를 이용한 저전력 무선 센싱 기술을 소개했다. 현재 발전하고 있는 AI(인공지능)에 의한 선진 시스템에서는 빅데이터를 필요로 하며, 이를 떠받칠 기술 중 하나로 무선 신호 반사를 이용한 센싱 기술이 앞으로 중요한 역할을 할 것이다.
<Energy News>
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