[신기술]인간처럼, 인간보다 더…오감五感 응용 스마트 센서

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[신기술]인간처럼, 인간보다 더…오감五感 응용 스마트 센서

2020년 9월 1일 (화) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2020년 9월호 - 전체 보기 )

인간처럼, 인간보다 더…오감五感 응용 스마트 센서
스마트 융합기술 활용성 높아 핵심기술로 급부상

4차 산업혁명의 핵심으로 손꼽히는 사물인터넷(IoT)과 인공지능(AI)의 시장이 확대됨에 따라 스마트(지능형) 센서 기술도 날로 발전하고 있다. 한국산업기술평가관리원이 발간한 ‘KEIT PD 이슈리포트’(2018년 5월 호)에 따르면 올해부터 연평균 센서 생산량이 1조 개에 달하는 트릴리언(trillion) 센서 시대에 진입할 것으로 예측했다. 이는 한 명당 주변에 분포하는 센서의 수가 평균 140여 개에 이르는 정도다. 이번 편에서 다양한 센서 기술의 면면을 살펴보았다. (KAIST 유재영 박사과정과 서민호 박사 연구팀이 개발한 대면적 7인치 투명 유연 포스터치 센서)

글 김수진 자료협조 KAIST, UNIST, 광주과학기술원

수많은 센서들과 이들의 연결이 이전과는 전혀 다른 세상을 만들어가고 있다. 하지만 센서들이 작동하기 위해서는 전원이 필요하다. 그 수가 늘어나는 만큼 센서의 전원은 중요한 화두로 떠오르고 있다. 이를 위해 에너지 하베스팅 기술로 센서의 독립전원을 만드는 기술과 더불어, 제어와 판단, 저장, 통신기능이 결합한 ‘스마트센서’를 개발하는 노력도 이루어지고 있다. 스마트 센서는 전력소모를 줄일 뿐만 아니라, 같은 성능의 프로세서로도 가용센서의 수와 종류를 늘릴 수 있어 AI나 IoT, 스마트카, 스마트기기 등 스마트 IT 융합 기술에 적용 가능하다는 장점을 갖췄다.

이에 따라 스마트 센서 시장이 폭발적으로 성장 중이다. 스마트 센서 시장은 2013년 899억 달러에서 2015년 1050억 달러로 증가했으며, 올해에는 1416억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. 특히 이미지와 바이오, 화학관련 비율이 월등히 높은데 음향, 적외선 센서 시장도 뒤이어 몸집을 키우고 있다. 최근 국내 연구진들도 스마트 센서 연구를 진행하며 유의미한 성과를 내고 있어 그 사례들을 살펴보았다. 센서는 오감(五感)을 모방하는 수준을 넘어서고 있으며 다양한 산업 분야에서 4차 산업혁명을 이끄는 기술로 자리할 것으로 기대를 모으고 있다.

투명하고 유연한 포스터치 센서

2018년 9월 플렉서블 기기에 적용할 수 있는 포스터치(Force touch) 센서를 개발한 사례가 있다. 한국과학기술원(KAIST)의 전기및전자공학부 유재영 박사과정과 서민호 박사 연구팀이 개발한 이 센서는 높은 민감도뿐만 아니라 투명하고 유연한 특징이 있다. 따라서 이 센서는 스마트폰을 비롯해, 다양한 곡률에서 사용되는 플렉서블 기기, 헬스케어 웨어러블 기기 등의 터치 인터페이스(touch interface)에 적용해 상용화가 가능하다는 평가를 받았다.

포스 터치 센서는 마치 촉각처럼 터치의 위치 정보와 압력의 크기를 인식한다. 최근에는 포스 터치 센서를 스마트폰 이외에 플렉서블 기기를 포함한 다양한 응용 제품에 적용하려는 노력이 이어지고 있다. 이때 마이크로-나노 크기의 미세 구조를 이용해 민감도와 유연성을 높이는 연구가 진행되고 있다. 그러나 기존의 센서들은 특정 성능만 향상된 경우가 많다.

KAIST의 연구팀이 개발한 센서는 민감도와 유연성, 투명도, 재현성, 다양한 사용 환경에서의 동작 신뢰성 등 총체적인 성능을 모두 충족한 것으로 평가된다. 연구팀은 공기를 포함한 간격을 갖는 기존의 포스 터치 센서와 달리 속이 가득 찬 센서를 개발하는 데 집중했다. 이를 위해 연구팀은 센서 내부에 압력에 따른 유전율 변화를 극대화할 수 있는 금속 나노 입자가 포함된 투명 나노 복합 절연층과, 가해진 압력을 집중시켜 민감도를 높일 수 있는 나노그레이팅 구조를 개발했다. 그리고 감지 전극을 감지층의 상하부에 조성하는 기존 방식에서 벗어나 동일 평면(기계적 중립면)에 배치함으로써 볼펜심 정도의 굽힘에서도 성능의 변화 없는 것을 확인했다. 또한, 이 센서는 대면적 균일성, 제작 재현성, 온도 및 장기 사용에 따른 신뢰성 등을 갖춤으로써 대량생산에도 용이할 것으로 기대를 모았다.

떫은맛 느끼는 ‘전자 혀’

올 6월, 울산과학기술원(UNIST)의 에너지 및 화학공학부 고현협 교수팀은 ‘떫은맛 감지 전자 혀’를 개발해 이목을 끌었다. 이 전자 혀는 맛의 객관적 정량화를 가능하게 할 뿐만 아니라, 감지 능력도 사람보다 10배나 뛰어나다.

연구팀은 떫은 맛 분자와 결합할 때 ‘소수성 응집체’가 만들어지는 ‘이온전도성 수화젤’을 이용해 전자 혀를 개발했다. 이는 혀 점막에서 일어나는 떫은 맛 감지 원리를 모방한 것이라고 한다. 이 고분자 젤은 혀 점막 단백질 역할을 하는 ‘뮤신’(Musin)과 염화리튬 이온을 포함하고 있으며 미세한 구멍(다공성)이 많다. 뮤신이 떫은 맛 분자와 결합하면 미세 구멍 안에 ‘소수성 응집체 네트워크’가 형성되는데 이는 염화리튬 이온의 전도성을 변화시켜 떫은맛을 전기적 신호로 검출할 수 있다.

연구진은 개발한 전자 혀로 와인과 덜 익은 감, 홍차 등으로 떫은 맛 감지 실험을 진행했다. 그 결과 레드, 화이트, 로제 등 다양한 와인의 떫은 맛 정도를 정량적으로 감별할 수 있었다. 특히 이번에 개발된 전자 혀는 검출해 낼 수 있는 떫은 맛 범위(최소 감지 농도 2×10-6 M~)가 넓을 뿐만 아니라 센서에 접촉 즉시 떪은 맛 정도를 알아낼 수 있었다. 실제로 훈련받은 전문가는 수십 마이크로몰(μM) 농도의 떫은맛을 검출할 수 있는데 반해, 이번에 개발한 전자 혀는 2~3 마이크로몰 농도 수준의 떪은 맛까지 검출이 가능하다.

보통 인공 혀에 활용되는 수화젤은 3차원 다공구조 내부에 다량의 수분을 함유하고 있어 안정성이 취약하다는 단점이 있다. 하지만 연구팀이 도입한 기능성 수화젤은 염화리튬 전해질이 이온 전도성 물질로서 화학저항을 측정할 수 있게 할 뿐만 아니라 흡습성까지 갖춰 건조를 막는다는 장점을 갖췄다. 또한 다량의 글로코실기(glycosyl group)가 있는 뮤신 덕분에 온도 변화(25~65°C)에도 안정적이다.

인간 혀의 떫은맛 감지 원리를 모방한 인공 혀 모식도

‘이미지 센서’…인공 눈 개발 활기

스마트폰 보급과 자율주행자동차 개발, 생체인식 및 증강현실 산업 확대 등으로 이미지 센서 관련 시장이 크게 성장하고 있다. 실제로 삼성전자가 2030년까지 비메모리 반도체에 133조 원을 투자하겠다며 밝힌 ‘반도체비전 2030’의 핵심에는 바로 이미지 센서가 있다. 특히 사람의 눈을 구현한 센서 개발 경쟁이 치열하다. 복잡한 사람의 눈을 구현할 수 있다는 것만으로도 이미지 센서 분야에서 최고 수준의 기술을 확보했다는 것을 의미하기 때문이다.

지난 6월 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀이 인공 망막에 적용가능한 반도체 ‘나노선 다발’의 광학적 현상을 규명했다. 또한 최적의 나노선 다발 구조를 대면적으로 제작할 수 있는 방법도 제안했다.

반도체 소재 기반의 ‘수직형 나노선 어레이’는 우수한 기계적, 전기적, 광학적 특성을 기반으로 차세대 전자소자의 핵심소재로 주목받고 있다. 반도체 나노선 어레이는 거시세계에서 관찰 가능한 광 스펙트럼 현상을 기반으로 해 고효율의 태양전지, 이미지 센서, 레이저 등 소자로의 응용으로만 주로 연구돼 왔다. 하지만 대부분의 나노선 어레이는 수십 내지 수백 나노미터의 아주 작은 구조다. 따라서 전자빔 리소그래피(Lithography) 공정을 통해 제작돼 비용이 많이 들고 대면적 제작에 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 기존 연구의 한계를 극복하기 위해 리소그래피 공정 없이 실리콘 웨이퍼 전면에 고밀도의 매우 가느다란 갈륨비소(GaAs) 나노선 다발을 성장시켰다. 또한 성장한 나노선 다발을 투명한 폴리머인 PDMS 물질로 코팅한 다음, 면도날로 긁어내 실리콘 웨이퍼(반도체 재료가 되는 얇은 원판)에서 고밀도의 나노선 다발을 분리했다. 연구팀은 이런 과정을 통해 값이 싼 실리콘 웨이퍼 위에 성장시킬 수 있으며, 성장된 나노선 다발을 분리한 후 웨이퍼를 재활용할 수 있게 해 경제성도 높였다.

연구팀의 이번 연구결과는 사람의 눈 보다 훨씬 해상도가 높은 인공 망막 소재의 개발 가능성을 열었다는 의의가 있다. 또한 나노선 다발의 선택적 파장 흡수 특징을 활용하면 물리적으로 복제가 불가능한 보안 하드웨어와 고효율 태양전지에도 응용이 가능할 것으로 기대했다.

위)고밀도·불규칙한 갈륨비소 나노선 다발의 구조적·광학적 특성 및 (아래)응용분야. 고밀도에 불규칙한 갈륨비소 나노선 다발은 투명 폴리머인 PDMS내에 매립되어 있고, 이를 광학 현미경으로 관찰하면 파장에 따라 전혀 다른 색상의 점 패턴(dot pattern)이 관찰된다. 이는 나노선 다발 내에서 직경에 따라 선택적인 파장 흡수가 일어나기 때문이다. 이러한 현상을 이용한다면 맨 아래 그림과 같이 인공 망막과 경량·플렉서블 고효율 태양전지, 물리적 복제방지 하드웨어 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

곤충 눈 모사한 초박형 ‘디카’

디지털카메라의 크기가 작게 하면서도 시야각을 확보할 수 있는 기술개발도 이루어지고 있다. 2018년 한국과학기술원(KAIST)의 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀은 곤충인 제노스 페키(Xenos peckii)의 독특한 눈 구조를 모사해 초박형 디지털카메라를 개발했다.

전자기기 및 광학기기의 소형화로 초박형 디지털카메라에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만 기존의 카메라 모듈은 광학적 수차를 줄이기 위해 광축을 따라 복수의 렌즈로 구성돼 있어 부피가 매우 크다는 단점이 있다. 그런데 이런 모듈을 단순히 크기만 줄여 소형기기에 적용하면 분해능과 감도가 떨어지는 문제가 있다. 연구팀은 곤충의 일종인 제노스 페키(Xenos peckii) 시각구조를 응용해 이러한 문제를 해결했다.

곤충의 겹눈구조는 수백, 수천 개의 오마티디아(ommatidia)라 불리는 아주 작은 광학 구조로 이뤄져 있다. 일반적인 겹눈구조는 수백, 수천 개의 오마티디아에서 한 개의 영상을 얻지만, 제노스 페키는 다른 곤충과는 달리 각 오마티디아에서 개별의 영상을 획득할 수 있다. 또한 오마티디아 사이에 빛을 흡수할 수 있는 독특한 구조로 각 영상 간의 간섭을 막는다.

연구팀이 개발한 카메라는 2 ㎜ 이내의 매우 작은 크기로 제노스 페키의 겹눈구조를 모방해 수십 개의 마이크로프리즘 어레이(array)와 마이크로렌즈 어레이로 구성된다. 마이크로프리즘과 마이크로렌즈가 한 쌍으로 채널을 이루고 있으며 각각의 채널 사이에는 빛을 흡수하는 중합체가 각 채널 간 간섭을 막는다. 각각의 채널은 화면의 다른 부분들을 보고 있으며 각 채널에서 관측된 영상들은 영상처리를 통해 하나의 영상으로 복원돼 넓은 광시야각과 높은 분해능을 확보할 수 있다. 정기훈 교수는 “이 연구는 기존의 평면 CMOS 이미지 센서 어레이에 마이크로 카메라를 완전히 장착한 초박형 곤충 눈 카메라의 첫 번째 데모이며 다양한 광학 분야에 큰 영향을 미칠 것”이라고 기대했다.