USN (Ubiquitous Sensor Network)

1980년대부터 현재에 이르기까지 IT산업의 중심에 있는 PC, 휴대폰, 디지털가전 등의 기기에는 정보처리(프로세서), 정보저장(메모리), 정보표시(LCD)장치가 주류를 이루고 있다. 이러한 흐름은 점차 편리함을 너머 2010년대에는 사물 및 환경으로부터 여러가지 정보를 얻는 정보생성(센서)기능소자들이 매우 필요하게 될 것이며, 이는 IT를 기반으로 나노/바이오기술 등이 융합되고 또한 센서 네트워크로 연결되어 유비쿼터스 지능화사회로 발전하는데 크게 이바지 할 것으로 전망되고 있다. 본 Special Report에서는 유비쿼터스 센서의 응용사례 및 서비스 전망을 토대로 핵심소자기술, 관련 산업체 및 정책 동향 그리고, 정통부에서 추진하고 있는 기술개발 과제 중에 센서내용이 포함된 것을 개략적으로 소개하고자 한다.

I. 유비쿼터스 센서 개요

유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network/USN)는 주변환경 및 물리계에서 감지된 정보가 인간생활에 활용되도록 센서 노드간에 형성되는 유무선 통신기술 기반의 네트워크를 말하며 <그림 1>, 기본 동작 원리는 다음과 같다.

센서노드는 센서 네트워크로 전달된 서비스요구 또는 이미 설정한 조건에 따라 생성된 정보를 싱크노드로 전달하고 해당정보는 감지된 초기데이터 또는 주변 센서 노드간의 커뮤니케이션에 의해 가공된 형태로서 저전력을 소모하는 경로를 찾고, 싱크노드로 전달된 정보는 사용자의 서비스에 대한 응답으로 사용되거나 통계적 자료로 활용된다.

여기서 센서노드란 환경 물리계에서 감지된 정보를 통합적으로 처리한 결과 또는 초기데이터를 유무선 통신기술로 전달하는 시스템으로 데이터처리, 통신경로설정, 미들웨어처리 등을 수행하는 프로세서와 통신모듈을 포함하며, 싱크노드란 IP주소를 갖지 않는 센서태그 또는 센서노드가 외부 네트워크 와 통신하기 위해 접속하는 중계노드이며 베이스노드로 불리기도 한다.

1980년대에는 정보저장산업인 DRAM, 1990년대에는 정보출력산업인 TFT-LCD에 이어 2000년대부터는 정보생성산업으로서 USN용 소자산업이 태동되기 시작하여 21세기 기술의 한 축을 형성할 것으로 예측된다.

USN용 소자는 <그림 3>와 같이 물류/유통, 교통, 환경, 건강 등 사회 제반산업에 응용될 것이며 관련 핵심 소자기술로는 RFID, u센서, MEMS, Bio칩, SiP 등이 있다.

핵심소자 중의 하나인 u센서는 물리 또는 환경계의 현상을 정량적으로 측정하는 소자로서 센서 인터페이스에 따라 다양하게 정보화되며 반도체 기술을 바탕으로 3차원 미세가공기술인 MEMS기술이 종래의 크고 복잡한 구조의 기계식센서를 일괄생산 공정이 가능한 초소형, 초경량 전자식 반도체 센서로 대체되고 있으며 USN의 다양한 응용 영역에 따라 조도, 열, 습도, 가속도/지진강도, 음향, 지자기, 위치 등과 같은 다양한 종류의 센서를 필요로 한다.


II. 유비쿼터스 센서 종류

1. 국방(Military Surveillance)
- 센서 네트워크를 이용한 군사 영역 실시간 모니터링 및 무인 감시 정찰

2. 신선유지 유통(혈액유통 등)
- 혈액의 뒤섞임을 방지하고 신선도를 유지하기 위하여 온도센서를 부착하여 실시간 상태를 모니터링
※ 독일의 적십자 혈액원은 2005년 초부터 혈액 유통 온도 모니터링을 위한 실증 실험 수행

3. u-헬스 케어 (독거노인 관리 등)
- 환자나 정상인의 질병의 예방 및 건강관리를 위해 우리 몸의 생체정보를 수집 . 측정 . 분석하여 건강관리 프로그램과 연계

4. 건물 및 구조물 안전관리
- 교량의 특정 지점에 기울기, 진동, 온도 센서 등을 설치, 실시간 데이터를 수집 . 분석 . 관리하여 재난 재해 방지 및 최소화

5. u-농촌 (식물원 실내외 환경 관리 등)
- 식물 생장에 필요한 수분∙온도∙광선∙영양분 등의 미세 기상 (microclimate) 제어하여 최적의 재배 환경 구현

6. 산불 방지 및 환경 관리
- 산불 방지를 위한 센서 네트워크 기반의 모니터링 시스템
※ 미 샌프란시스코 근방에서 2004년 10월 중순부터 말까지 2회에 걸쳐 필드 테스트 실시

7. 교통 (TPMS : 자동차 압력 경보 시스템)
- 타이어 내부에 압력, 온도센서가 내장된 통신 모듈을 장착하고 실시간 차 안의 수신기에 전송하여 주행 시 타이어 이상 발생을 알려주도록 설계된 안전 보조 시스템
※ 미국은 2003년부터 단계적으로 TPMS 적용 시행하여 2006년까지 100% 의무화


III. USN 핵심소자 및 기술

3.1 전자식별 (RFID: Radio Frequency IDentification)
사물에 전자칩을 부착하고 고유ID를 무선으로 인식하여 해당정보를 수집, 저장, 가공 및 추적함으로써 사물의 측위, 원격관리, 사물간 정보교환 등의 서비스를 제공하는 장치로 칩, 리더, 태그단말, 네트워킹, 플랫폼 등으로 구성되며 태그와 리더로 무선 센서네트워크 시스템을 구성하고 초고속 유선망, 이동망, 방송망 및 위성망 등과 연계하여 서비스를 제공한다. 점차 저가 RFID Tag를 이용한 유통, 교통, 보안, 요금징수시스템, 스마트카드, 우편 등에 응용 될 전망이다.

3.2 유비쿼터스 센서 (u-Sensor)
대상에 관한 정보를 인지하고, 이것을 물리적으로 떨어진 곳으로 전송하기 위해 신호로 변환하는 소자를 말하며, 센서가 요구되는 니즈로 인간생명의 안전확보, 환경보전, 인간감각의 모방, 인간의 오감을 초월한 감각, 극한 환경에의 진출 등 다양하다. 물리센서는 빛, 전기, 자기, 열, 역학에 관련된 물리량을 계측하고, 화학센서는 기체 및 액체상태의 화학성분의 양을 계측하는 것으로 감지의 대상이 다양하며 그 중 유기화합물의 종류는 엄청난 수에 이르며 그 감지에는 효소, 미생물 등의 분자식별 능력을 갖는 생체관련 유기화합물이 많다. 실용되고 있는 센서전체의 90%를 물리센서가 차지하고 있으며 기술적으로 성숙단계에 진입하고 있으나, 화학센서에 대한 수요가 점차 높아지고 있으며 특히, 의료, 환경 등 바이오화학 센서의 고성장이 예상된다.

세계시장규모는 2010년경 290억불에 이를 전망이며 응용분야별(시장규모비율)로는 텔레메틱스(55%), 홈네트워크(21%), 의료진단(20%), 생활환경 진단(4%)로 시작하여 2010년 이후에는 지능형로봇용 센서 및 차세대PC용 센서 등의 시장 성장이 클 것으로 전망된다. (출처: 세계시장, IDTechEx,2005) 미국, 일본, 유럽등의 선진국에서 각종 센서기술을 독점하고 있는 상황으로 국내 센서업계는 일부 센서를 개발 시판하고 있으나 품목의 다양화, 고기능화는 낮은 수준이다. 향후 센서기술의 전개방향은 물리센서는 지능화, 다원화로, 화학센서는 분자식별화, 다양화로 진행될 것으로 예상된다.

3.3 MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems)
Sensor 또는 Actuator 기능을 갖는 초소형 3차원 구조물 및 이를 포함하는 시스템 기술을 말하며, 디지털 정보감지, 대용량 정보저장, 초소형 디스플레이, 초소형에너지원, 유무선 통신 등 유비쿼터스 센서 네트워크 (USN) 분야에 핵심기술을 제공한다.

세계시장규모는 2010년경 150억불로 추정되며 (출처: Cahners In-Stat Group, 2005) 전기, 기계, 화학, 의료 등 다양한 분야의 잠재적 사용자에게 MEMS 제품 및 설계/양산 서비스가 제공되고 통신 및 센싱 등의 복합기능을 구현하기 위하여 SoC기술의 바탕위에 MEMS기술이 융합된 MEMS-SoC로 발전될 전망이다.

3.4 Bio칩
바이오공학과 전자공학 간의 경계에서 전개되는 Bio-electronics 의 연구개발물로서 유리, 실리콘 등의 재질로 된 작은 기판위에 생물학적 활성을 가지고 있는 분자를 공유 또는 비공유 결합 형태로 부착시킨 반도체칩 형태의 혼성소자를 말하며, 구현방식에 따라 다음과 같이 분류된다.

바이오센서 (biosensor)는 생체물질과 기존의 물리, 화학 및 광학적 신호변환기를 조합하고, 단백질칩(protein chip)은 효소나 항체/항원 등과 같은 단백질을 사용한 칩이며, LOC(Lab-on-a Chip)은 생체삽입용 칩, 시료의 전처리, 생화학 반응, 검출 및 자료해석 기능까지 소형으로 집적화한 칩을 말한다.

세계시장규모는 2010년경 130억불로 전망되며 (출처: BioInsight, 2005) 바이오칩 기술은 인류의 질병예측과 진단, 신약 개발 및 Genome 연구에서부터 차세대 전자소자 개발에 이르기까지 새로운 부가가치를 가진 국가 기반산업의 창출 및 산업구조 개편에 영향을 줄 것으로 전망된다.

3.5 SiP (System in Package)
기술 IC, 수동소자, 커넥터, 안테나 등 다수의 소자를 표준포멧 3차원 극소형 패키지로 집적하는 기술을 말하며, SiP는 시스템 단위 제조과정에서 표준 컴포넌트로 사용될 수 있는 하나의 기능블럭 또는 모듈을 형성한다. SiP는 여러 가지 Die 기술 (Si, GaAs, SOI, MEMS, Optical 등)의 집적과 Compatibility를 갖는 장점을 가진다.

세계시장규모는 2010년경 125억불( ’10)로 추정되며 (출처: Semiconductor Int’l, 2005), 모바일용 SiP제품군은 ’07년 12억개로 성장 전망되고 고성능 차세대PC 부품, 무선통신용 부품뿐 아니라, MEMS, 카메라폰 모듈 등에서도 SiP 기술을 도입하고 있으며 미국(모토롤라, TI, Amkor, 인텔) 및 일본(도시바,히다치, 미쓰비시)이 SiP기술을 선도하고 있다. SiP 기술은 SoC와 더불어 차세대 정보통신기기 기술의 핵심이므로 SiP에 대한 핵심기술과 주도권을 갖는 것이 중요하며, 특히 대만과 중국 등 assembly 업체가 시장에 진입하기 전에 기술우위를 점하는 것이 필요하며 SiP기술은 Time-to-Market 기간이 짧고, 가격대성능비가 적절하며, 다품종 소량생산 실현이 용이한 특성을 갖는다.


IV. 산업체 및 정책 동향

MEMS 기술을 이용하여 단일 칩에 복수의 동종 센서를 집적한 멀티화, 다른 종의 센서를 집적한 다기능화, 전자회로를 집적한 지능화로 IT-BTNT 기술이 융합되어 가는 추세이며 특히, 자동차의 전장화 추세가 가속화 되면서 차량의 동적제어를 위한 가속도, 엔진제어용 압력, 타이어 압력, 자이로, mass흐름, 공기량센서 등 스마트 센서의 적용비율이 꾸준히 증가하고 있다. 미국과 일본의 센서 개발동향은 <표 3>과 같다.

USN의 다양한 응용영역에 따라 조도, 열, 습도, 가속도/지진강도, 음향, 지자기, 위치 등과 같은 일체식의 다양한 종류의 센서가 필요하게 된다. 국내의 센서기술 경우 대부분 중소 센서 업체들로 구성되어, 주로 장치 감지 및 제어 등의 용도로 센서를 개발하고 있어 크기, 전력 소모, 감도 등 센서노드에 적용하기에는 한계가 있으며 센서관련 무선통신 소자기술은 KAIST의 미세정보시스템(MICROS) 프로젝트에서 오백원짜리 크기의 칩을 개발한 바 있다. 현재 삼성종합기술원과 함께 IEEE 802.15.4의 표준에 준하는 통신모듈을 개발 중이다.

다양한 응용 서비스의 특성에 따라 요구되는 센서 종류가 다양화 되고 있으며 감도 및 신뢰성을 높이기 위한 기술개발 또한 활발하다. 미국, 일본 등 국외에서는 고감도화뿐만 아니라 각 센서 제조기술을 기반으로 각종 센서를 신호회로와 집적하여 시스템에 연결하여 사용할 수 있는 회로일체형 센서 개발에 집중하고 있다. 특히, USN에서는 다양한 종류의 센서들이 소형의 센서노드에 집적되어 다양한 물리 및 환경 정보를 제공하여야 하므로 동종 및 이종 센서 간, 신호 회로와의 집적화가 중요하게 되며 관련 업체동향은 <표 4>와 같다.

국내 산업체 경우는 중소기업, 대기업의 MEMS 센서의 다품종 소량생산, 시장의 미성숙 등으로 장기적 연구 개발과 대규모 시설 투자가 저조하며 주로 휴대 장치, 자동차, 건물 안전 등에 관련된 센서 개발이 일부 진행 되고 있다. 오토닉스, 한영전자, 카스 등 국내 업체들의 꾸준한 연구개발로 근접센서, 온도센서, 압력 센서 등은 국산화가 진행되고 있고, 초소형, 첨단 MEMS형 물리 센서는 상용 수준까지 1~2 개 제품을 제외하곤 개발된 것이 적으며, 바이오센서나 화학센서는 연구 초기 단계에 있다. <표5> 참고

관련 정책동향을 간략히 살펴보면, 미국에서는 전미과학재단(NSF : National Science Foundation)과 DARPA가 중심이 되어 전체 미국수준의 과학기술 추진시책인 "NITRD계획" 에 입각하여 다양한 프로젝트를 실시하고 있다. NSF에서는 센서분야 기술개발을 다방면이 상호 연계된 연구 분야로 간주하고 ’03년 4,600만 달러, ’04년 3,100만 달러를 투자 하였고, DARPA에서는 센서 및 센서 네트워크에 대한 기초적인 연구는 끝내고 응용 분야로의 적용을 중점 방향으로 전환하고 있다.

유럽에서는 USN을 "사용자에 친근한 정보사회 창출"을 위한 IST (Information Society Technologies) 분야로 인식하여 "e-Infrastructure" 구축으로 광범위한 지식 기반 사회의 건설을 목표로 DNA 체인의 검지나 리모트 센싱, 비접촉형 센싱 등 센서재료에 대해 연구에 집중하고 있으며 안전한 미래 AmI(Ambient Intelligence) 환경 구현에 필요한 신뢰수준, 위험관리 등의 주요과제를 선정하여 2012년까지의 중장기 연구개발 계획을 수립하였다.

일본에서는 도로교통 정보, 대기 및 하천오염 모니터링, 기계경비 서비스 등 기존의 센서 네트워크 기술을 통한 보급사례가 북미보다 많으며, 일본 총무성은 USN 어플리케이션의 구체적인 향후 이미지를 "안전, 안심" , "쾌적, 여유, 오락", "최적, 효율"의 3가지 축으로 정리하고 13가지 응용 서비스를 목표로 선정하고 센서 네트워크의 향후 비전 실현을 위하여 비즈니스 사례를 분석, 단일 주체, 공동 이용, 정보교환, 기술 우위, 패키지, 공공 지원을 위한 6개의 구체적 비즈니스 모델을 예시하고, 요소기술 연구개발을 진행중이다.



V. 센서기술 관련 추진과제

5.1 과제별 센서기술 및 응용분야
정통부에서 추진하고 있는 선도기술기반 과제 중에 센서개발 내용을 포함하고 있는 과제별 센서기술 및 응용분야는 <표 6>과 같다.

5.2 주요과제 센서개요 및 내용
1) 유비쿼터스 단말용 부품/모듈
지능형 실감센싱/표현 단말기술은 인간 친화형 휴대단말 기술로서 초고속, 대용량, 모바일 환경에 맞는 미래 지향적인 정보통신 서비스 구현이 가능하며, 실감통신 기능을 강화하고 사용자의 입체영상 서비스 요구에 부합하기 위하여 차세대 휴대단말기에서 입체 영상정보 획득이 가능한 양안 및 다안식 시각센서 기술이 요구된다.

시각센서 분야는 CCD(chargecoupled devices) 기술이 중심이 되어 왔으나, 최근에는 CMOS 기술을 이용한 CIS(CMOS Image Sensor) 기술이 광학 마우스, PC 카메라, 휴대폰, 고성능 디지털 카메라 등 광범위한 분야에 적용되고 있으며 특히 CMOS 기술을 이용하여 아날로그, 디지털 신호 처리부터 픽셀 레벨까지 함께 집적화가 가능하게 됨으로써 인간-기계 통신, 감시카메라, machine vision, 생명공학 분야 등 새로운 형태의 시각센서 응용 분야들이 나타나고 있다.

휴대단말에서 음성정보는 서로간의 대화가 가능한 품질 이상의 음향품질 서비스가 필요하며, 보다 감도가 좋은 상태에서 자연의 소리나 음악을 전달하고 이를 재현하기 위해서는 고감도 음향센서가 요구된다.

저전력 초소형 환경센서 모듈의 기술은 기존의 PDA와 같은 차세대 디지털 정보기기 산업에 접목시킴으로서 첨단 개인용 환경 감지기기, 밀폐 공간(지하철, 고속터미널 등) 내의 대기 환경 감지기기 시스템, 작업장의 환경 감지기기 시스템 구축 등과 같이 환경산업 및 정보통신 산업의 발전과 함께 인류의 건강증진 및 복지 증대, 환경에 대한 의식 고취 등에 기여할 수 있는 핵심기술이다.

기존의 환경 계측 장치들은 가격이나 부피 등에서 볼 때 개인용 기기에 탑재되기에는 적합치 않아 초소형, 저가격, 신뢰성, 정확성 등을 만족시키는 새로운 대기 환경 감지 장치에 대한 수요가 예상되며 기존의 환경 계측 방식에 사용되는 기술들은 제한된 용도에 적합한 방식으로 거대한 시장 규모에 걸 맞는 제품을 개발하기 위해서는 나노 기술 등 첨단 기술과의 결합을 통해 최적화된 솔루션을 제공해야 한다.

고성능 센서 인터페이스기술 분야는 센서, 인터페이스 회로 및 디지털 회로로 구성되고 신호를 증폭, 축적, 조작 등을 거쳐 컴퓨터가 인식할 수 있는 신호의 형태로 바꿔주는 응용시스템으로 미래의 유비쿼터스 단말기에 적용되어 실감영상, 입체음향, 대기환경 등 사용자 생활환경 정보와 인체정보 신호 등을 검출하여 생활의 편의성을 높여줄 수 있는 서비스를 제공할 수 있을 것이다. 유비쿼터스 정보통신 환경 하에서 사용자 요구사항을 자가 진단하고 seamless 정보통신 서비스를 제공하기 위한 지능형 IT-핵심 부품기술 경쟁력 강화를 위하여 자가진단 서비스와 실감 멀티미디어 데이터 서비스 구현을 위한 센서소자 기술 및 센서 인터페이스 신호처리 SoC 기술 개발이 필요하다. 또한 미래형 휴대형 단말기에는 현재 핸드폰에 적용된 카메라의 고도화를 통한 실감영상 서비스뿐만 아니라 고성능 입체음향 (오디오) 감지기능과 대기의 유해물질을 인식하는 환경감지 등 여러 센서들이 복합적으로 구비될 것으로 예상되며, 이러한 다양한 센서신호를 동시에 효과적으로 처리할 수 있는 통합 칩 개발이 필요하다.

즉, 센서 시스템은 집적화, 스마트화, 다기능화를 지향하면서 다수의 센서를 관리하고, 센서의 자동 오차조정 등을 할 수 있는 고기능/다중센서 통합 인터페이스 칩 형태로 진화하고 있으며 특히 오감센서를 이용한 인간 친화적 정보 서비스가 가능한 차세대 휴대 단말기 구현을 위하여 저전력/고감도/고분해능의 사용자 적응형 다중센서 인터페이스 신호처리 기술 및 회로기술 개발이 긴요하다.

유비쿼터스 단말기는 기존 단말기들에 비해 많은 기능들이 집적되면서 부품의 소형/저전력 요구가 증대되고 있으며, 이미지 혹은 시각센서 인터페이스도 소형화/저전력화가 지속적으로 심화되어야 하며, 이미지센서 인터페이스는 칩 비용과 면적, 고해상도를 동시에 지원하고 잡음제어를 효과적으로 할 수 있는 저전력 ADC 기술 및 CDS (Correlated Double Sampling) 회로를 포함하는 인터페이스 구조기술 개발이 핵심이다. 현재 이미지센서 모듈에서 큰 부피를 차지하는 부분 중의 하나가 AF(Auto-Focus)/Zoom을 위한 액추에이터 모듈이며, 유비쿼터스 단말기의 소형화/저전력화를 만족하기 위하여 액추에이터 모듈의 소형화가 필요하다.
고품질 음향신호를 얻기 위해서는 고감도 음향센서의 개발과 함께 센서 신호의 손실을 최소화 하여 디지털로 전달할 수 있는 음향센서 인터페이스 회로의 역할이 중요하며 구현하고자 하는 센서가 기존의 단일 진동판 구조 가 아닌 다중 진동판구조로 되어 있어 인터페이스 회로도 단일 채널이 아닌 다중 채널 신호처리를 위한 구조로 설계되어야 한다. 따라서 인터페이스 회로에서 소비하는 전력 및 회로 복잡성도 증가하며, 저전압/저잡음/고선형 회로기법을 적용하여 소비전력 및 칩 면적을 최소화시킬 수 있는 인터페이스 설계기술이 크게 요구된다. 가스량을 주로 감지하는 환경센서는 감지 정보의 정확도를 위해 다수의 센서 어레이로 구성되며, 이를 위한 환경센서 인터페이스는 다중 센서 신호를 동시에 처리할 수 있는 12비트 이상의 저전압/협대역 신호변환 기술, nA~pA 수준의 전류량을 증폭할 수 있는 저잡음 신호증폭 기술, 센서간의 옵셋을 보정할 수 있는 옵셋 보상 기술 등이 개발되어야 한다.

2) 유비쿼터스 건강관리용 모듈/시스템
u-헬스 서비스를 목적으로 질병 스크리닝 센서 등 요소기술들이 개발이 전세계적으로 활발하게 진행되고 있으며, 현재 실용화된 서비스는 주로 맥박, 혈압 등 기본적인 vital sign에 근거하고 있으나 요소기술들이 개발되면 u-헬스 서비스의 기능이 확대되고 시장형성에 기폭적인 역할을 할 것이다.

또한 라이프케어 서비스를 위한 핵심 요소 기술인 혈중성분감지센서기술, 환경성분감지기술, 생체신호분석기술, 행위추적기반 일상생활관리기술 등에서 IT가 활발하게 접목되어 연구가 진행 중에 있다. 라이프케어 요소기술 중, 바이오센서 기술의 나노 기술 융합 분야는 세계적으로 미국의 Harvard 대학, Nanomix Inc., 및 유럽의 Delft 대학 등에서 활발히 수행하는 연구 주제이나 아직은 기초연구 수준의 단계이며 CMOS 공정 기반의 nano-FET 기술은 비표지식, 실시간(전기식) 고감도 검출이 요구되는 나노 바이오 센서의 실용화에 유리하므로 실리콘 나노채널 공정, 실리콘 표면 화학처리, 신호검출 및 구동 처리 등의 체계적인 연구가 필요하다.

출처 : http://www.ehrc.re.kr/webzine/pds/list.asp?page=2&code=series