[테마기획]IT-NT 융합형 센서 및 액추에이터 기술 展望(전망)
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작성일 23-02-10 11:00
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궁극적으로는 소리를 감지하는 전단(Front-End) 부분과 신호를 증폭하고 디지털 변환하는 후단(Back-End) 부분이 일괄공정으로 한 기판에 제작되는 i-MEMS형으로의 기술 발전이 비용뿐 만 아니라 신호 잡음을 줄여서 민감도를 극대화할 수 있는 기술 방향이다. 현재 사용되는 마이크로폰은 소리의 진동을 감지할 수 있는 얇은 진동판과 이러한 미세 진동을 전기적 신호로 바꾸어주는 장치로 코일방식, 정전용량방식 혹은 압전 방식 등의 여러 방법을 사용하고 있다.
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현재 휴대폰 시장에서 고화질 카메라폰 시장이 급속하게 성장하고 있으며 이와 같은 개발 요구로 인해 자동초점 기능이 탑재된 고화소의 카메라 모듈이 적용되고 있다. 주시차를 이용한 입체영상 카메라에는 사람의 좌우 눈동자가 사물에 초점이 모아지는 것과 같은 역할을 하는 주시차 제어를 위한 액추에이터도 필요하며 평면 영상이 아니라 거리감, 입체감 등 자연스러운 3차원 입체 영상을 위한 알고리듬도 필요하다. 이러한 극미세 시스템에 적용되기 위해서는 기존의 센서 및 액추에이터를 작게 만드는 하향식의 접근뿐 아니라 나노 수준에서 생체의 조직의 메커니즘을 모방하는 분자 제어의 상향식 기술도 필요해질 것이다.
또한 이러한 나노 바이오 로봇이나 각각의 센서노드가 독립적으로 구동되기 위해서는 전력을 공급하는 장치가 절대적으로 필요하다.
1994년 서울대학교 물리학과 박사
설명
현재 정보저장시스템학회 이사 및 근접장 분과위원장
ISI톰슨 주관 SCI 논문 다인용상 수상(2000)
멀리 있는 전화 상대방에게 자신이 맡고 있는 봄꽃의 싱그러운 향기를 전달해주고 싶은 충동을 느낀 적이 많이 있을 것이다.
최근에는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 공정을 이용한 초소형의 다채널의 마이크로폰을 제작하여 다양한 주파수의 소리를 고감도로 감지하고 소리의 방향을 감지할 수 있는 기술이 개발 중에 있으며 이러한 소자들이 휴대 단말기에 장착되어 사람의 귀와 같은 수준의 고감도 실감통신 서비스가 될 展望이다. 이러한 기술이 발전되면 environment 감시, 식품 신선도나 종류 감별, 질병 탐지가 가능한 전자코가 가능하며 다양한 화학성분을 선택적으로 구분하여 감지하고 향기나 냄새를 내는 미세 발향 앰플이 감지한 성분과 유사한 성분을 방출하여 멀리 있는 사람이나 관객들에게 실감나는 향기를 전달하는 세상이 도래할 것으로 기대된다. 나노입자나 나노선을 사용할 경우에 이러한 센서의 감도를 획기적으로 증가시키며 정확도를 향상시킴으로써 비용과 시간을 단축할 수 있고 소량의 샘플로도 측정(測定) 및 진단이 가능하고 기존의 기기를 소형화하여 휴대형으로 제작이 가능해진다. 그러나 고감도의 센서의 크기가 매우 커서 휴대하기 어렵고 다양한 가스를 종류별로 감지하기 어려운 단점이 있어 왔다.
1989년 서울대학교 물리학과 석사
이러한 다양한 오감 및 바이오 센서 및 액추에이터는 점점 더 소형화, 고집적화, 저전력화될 것이다. 특히 정보기술(IT), 바이오기술(BT), 나노기술(NT), 인지기술(CT) 등의 융합은 기존의 상상 하지 못했던 새로운 서비스나 제품 등이 창출될 수 있고 이러한 연구개발을 통해서 새로운 기술 표준 및 지식재산권을 확보할 수 있다는 관점에서 선진 각국에서 활발히 개념 정립 및 기술 개발을 추진 중에 있다. 융합기술의 기술 확보 가능성, 시장규모, 상용화 시기를 고려하여 오감통신 도우미 서비스 및 피터팬의 팅커벨과 같은 지능형 에이전트 서비스, 궁극적으로는 치료용 나노 바이오 로봇 서비스 등 단계적인 전술 서비스를 도출하고 이에 적합한 核心 기술을 개발 중에 있다. 사람의 귀는 20∼2만㎐의 주파수 범위의 소리를 감지하며 음원의 크기 및 음색 그리고 방향을 감지하는 기능을 갖고 있으며 박쥐의 경우는 초음파도 감지하는 능력을 보유하고 있다. 현재까지는 대기에 존재하는 각종 environment 가스를 감지하는 센서들이 개발되었다.
pkh@etri.re.kr
순서
1987년 서울대학교 물리학과 학사
최근 미국의 NASA 연구소에서는 폴리머를 이용해 휴대형 전자코를 개발 중이며 부피에 비해 표면적이 매우 큰 나노선이나 나노입자 박막 등을 이용하여 센서의 감도를 키우고 감지부의 크기를 최소화해서 전력 소모량을 극소화하여 유비쿼터스 휴대형 단말기에 적용하는 연구가 ETRI에서 이루어지고 있다.
[테마기획]IT-NT 융합형 센서 및 액추에이터 기술 전망
박강호 한국전자통신연구원(ETRI) IT융합부품연구소 IT-NT그룹 나노융합센서팀장
현재 활발히 진행되고 있는 동종 기술 간 또는 서비스 부문간 융합을 넘어 보다 혁신적이고 미래 파급效果가 큰 이종 기술 간 융합이 큰 기술 트렌드로 자리 잡고 있는 상황이다. 미국의 벨 연구소에서는 액체의 표면장력에 의한 형태 變化(변화)를 이용한 자동초점 렌즈 기술을 보유 중이며 ETRI에서는 자기무게의 40배 이상의 무게를 들어올릴 수 있는 이온 전도성 폴리머를 이용한 경량의 저전력 고변위 자동초점 액추에이터의 원천 기술을 보유하고 있다.
센서는 우리가 일상생활에서 접하는 다양한 물리, 화학, 바이오 정보를 전기적인 신호로 바꾸어주는 도구로서 정보를 감지하고 생성하는 중요한 기능을 담당한다. 초소형 마이크로폰의 감도를 키우기 위해서는 진동판의 구조적인 부분과 소재적인 측면에서의 기술이 매우 중요하다.
1993년 동경대학교 고체물리연구소 방문 연구원
다. 최근에 이러한 단점을 극복하기 위해서 압전소자, 액체렌즈, 폴리머 액추에이터를 사용하는 기술이 개발되고 있다. 디지털 데이터를 가공·처리하는 것으로서 획득된 데이터에 의미를 부여하여 입출력장치에 보낼 뿐만 아니라 디지털 데이터 저장 및 전송을 위하여 다양한 포맷의 데이터 압축 및 복원을 할 수 있는 기능을 가진 SoC 칩이 필요하다.[테마기획]IT-NT 융합형 센서 및 액추에이터 기술 展望(전망)
2003∼2006년 과학기술부 IT-NT 신기술융합사업단장
사람의 눈은 동공, 수정체 그리고 이를 움직이는 모양체 섬유근육, 그리고 피사체의 영상이 맺히는 망막과 시신경으로 이루어져 있고 이와 유사하게 현재의 카메라는 렌즈와 자동초점 및 줌 기능을 위한 액추에이터 그리고 망막 및 시신경의 역할을 하는 이미지 센서로 이루어져 있다.
음향센서와 병행해 스피커도 다채널로 구성되면 음색 및 방향 지향성의 성능 구현이 가능하다. 다양한 화학 성분을 감지하기 위해서는 특정한 화학성분에 선택적으로 反應(반응)하는 센서 기술 개발이 필수적이다. 또 다채널을 구성하면 다양한 주파수의 소리를 감쇠 없이 감지할 수 있는 advantage(장점) 이 있다. 이러한 융합 트렌드에서 가장 중심적인 역할을 수행할 기술 분야가 센서 및 액추에이터 기술이다. 주름구조나 유연힌지 구조 등의 기술을 이용해 작은 소리에도 민감하게 진동하는 진동판의 설계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 생채 내의 대사에너지를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 연구분야와 외부에 존재하는 운동(진동)에너지, 열에너지 등을 전기에너지로 변환시키는 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 현재 카메라폰에 사용되고 있는 자동초점 액추에이터는 코일과 자석으로 이루어진 모터나 VCM(Voice Coil Motor) 등의 액추에이터가 담당하고 있으나 그 부피가 크고 무게는 무거울 뿐 아니라 사용되는 전력소모가 큰 단점이 있다. 음식의 맛도 미각이 아니라 후각이 더 결정적이라는 것은 잘 알려져 있다. 소자의 크기를 고려하거나 소자가 생체 내에서 구동한다는 것을 감안한다면 무선 전원장치에 대한 연구는 매우 중요하다. 특히 유비쿼터스 environment에서 다양한 종류의 오감 센서 데이터를 효율적으로 처리하기 위하여 재구성형 기반의 유니버설 칩(U-Chip)이 요구된다. 최근에는 측정(測定) 된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 인터페이스 및 다양한 용도에 맞게 정보를 가공하고 제어하는 알고리듬을 포함하는 신호처리 모듈까지를 포괄적으로 센서라고 부르기도 한다. 냄새를 감지하고 이를 분석하고 다른 사람에게 전달하는 기술은 오감기술 중에서 가장 어려운 기술이며 실감 전달의 궁극적인 경지이다. 또한 현재의 카메라가 단일카메라에 의한 평면 영상 위주의 기능을 갖고 있지만 사람이 실제로 보는듯한 실감나는 영상 및 대화를 위한 입체 카메라 기술이 조만간에 적용될 것으로 기대된다.
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사람의 귀속에는 소리를 감지하는 진동판으로서의 고막과 이와 연결된 이소골 및 청신경이 존재한다.
각각의 기술은 장단점이 존재하고 용도에 따라 사용될 예정이지만 궁극적으로는 생체의 기능을 모방하는 미세 인공 근육을 이용하는 방식으로 진화할 것으로 예측된다. 칵테일 파티 장소나 혼잡한 거리에서 본인의 목소리만 잘 전달되기를 바란다면 자신의 음색에 해당하는 부분만 전달을 하는 기술이나, 지하철 혹은 버스 안에서 주변 사람들에게 피해를 주지 않고 음악을 감상하거나 영상 대화를 하기 위한 방향 지향성 스피커 기술은 유용한 서비스가 될 것이다.
다양한 오감센서에서 다양하게 발생하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꿔야 하며, 바꾸어진 디지털 데이터를 용도에 따라 적절하게 가공·처리해야 된다. 이러한 기술은 미국의 마이크로소프트사가 5∼10년 후 상용화할 것으로 발표한 미래 10대 신기술에도 포함되어 있다.
오감정보 뿐 아니라 생물의 혈액이나 조직의 유전자 정보나 단백질 정보와 같은 바이오 정보를 체계적으로 분석하여 질병의 진단이나 신약 개발에 응용하는 연구가 활발하게 진행 중이다. 모재료인 압전소재 박막의 생산비용 절감 및 이를 가공하는 기술 개발이 상용화에 있어 관건이 되고 있는 상황이다. 압전 방식의 경우, 압전계수가 큰 신소재를 사용하면 그 성능이 향상되는데, 이를 테면, PMN-PT와 같은 단결정 소재는 기존에 사용중인 PZT소재 보다 압전 계수가 4배 이상 좋아서 음향센서의 민감도를 키울 수 있는 좋은 소재로 각광받고 있다.
1994년∼현재 한국전자통신연구원 책임연구원, 나노융합센서팀장
현재 정보통신부와 IITA가 지원하는 IT-NT 융합기술 개발 사업내용에는 초소형 저전력 고감도 오감센서 뿐 아니라, u단말 플랫폼 및 유니버설 칩 기술, 센서 인터페이스, 고효율 및 급속충전 플렉시블 전원장치 기술이 포함되어 있다. MEMS 공정을 이용한 초소형의 마이크로폰의 제작은 일괄공정으로 인해 제작비용이 절감된다. 또 각종 전자제품, 휴대단말뿐 아니라 로봇 및 의료기, 스마트 센서 노드에 장착되어 사용될 것이며 궁극적으로는 인간의 몸 안의 조직 및 혈관 내에서 질병 등을 진단하고 치료하는 나노 바이오 로봇에도 사용 가능할 것이다. 특히 초소형 MEMS 구조의 무선전원장치가 외부로부터 오는 초음파에 의해 공진이 되어 전원을 발생시키는 기술은 인체 삽입형 소자에 응용성이 매우 뛰어나며 공진을 이용하므로 효율이 극대화되는 advantage(장점) 이 있는 기술이다. 그 외에도 음향센서 및 스피커 기술은 소리뿐 만 아니라 초음파 및 진동 감지 센서로서도 응용 가능하므로 군사 감시용이나 의료기 등에도 다양하게 활용될 수 있다. 나노기술은 센서의 크기를 소형화, 집적화하고 전력소모를 최소화하며 신호처리칩의 크기와 성능을 향상시켜 다기능화, 지능화하는데 크게 기여하고 있다.
[테마기획]IT-NT 융합형 센서 및 액추에이터 기술 展望(전망)
[테마기획]IT-NT 융합형 센서 및 액추에이터 기술 전망
융합기술은 학제간 및 이종기술 간의 상승적 결합을 통해 확보되는 혁신기술로 정이될 수 있다. 곤충의 눈이나 귀 그리고 동물의 후각을 연구하고 이를 적용하는 기술도 요구되어 질 것이며 기존의 액추에이터 원리가 아닌 고분자나 탄소나노튜브(CNT)등 나노복합소재를 사용하는 나노기술 융합 액추에이터가 사용되어야만 할 것이다. 오감에 있어서 후각이 차지하는 비중은 무시할 수 없다. 다양한 오감 정보뿐 만 아니라 environment 및 바이오 정보를 감지하고 처리하는 데 있어 새로운 나노소재 및 구조의 원리가 적용되고 있으며 살아있는 생물의 감각 기능을 모방하는 혁신적인 성능 구현이 가능해지고 있다.
