[특허로 본 유망 미래기술⑫] 센서(Sensor)

특허뉴스 선우정 기자 | 기사입력 2019/07/19 [10:26]

[특허로 본 유망 미래기술⑫] 센서(Sensor)

특허뉴스 선우정 기자

| 입력 : 2019/07/19 [10:26]

센서는 칩, 패키지, 모듈, 시스템의 단계를 거쳐 대부분의 산업에 활용된다. 특히 IT융합의 발전으로 센서 사용이 급증하고 센서의 첨단화 추세에 따라 시장이 급성장하고 있다. 차세대 센서 시장 및 특허 동향을 분석해본다. <편집자>

센서산업과 사물인터넷(IoT)

센서산업은 센서 제조를 위한 소재산업, 소재를 이용해 고유 기능이 구현된 소자산업, 여러 개의 소자를 사용해 조립한 모듈 및 시스템형 산업을 포함된다. 센서는 최종재화로써 사용되기보다 특정 어플리케이션을 제공하기 위해 정보를 취득, 센싱하는 도구로써 중간재 성격을 가지므로 전형적인 부품산업으로 볼 수 있다.

▲ 센서 산업의 범위(한국전자부품연구원) © 특허뉴스

센서는 칩, 패키지, 모듈, 시스템의 단계를 거쳐 대부분의 산업에 활용된다. 칩 생산이 중요하며, 패키지, 모듈은 활용산업의 혁신제품 개발에 영향을 주고 있다. 센서는 대부분 세트제품의 기능을 다양화, 첨단화 시키는 핵심요소로, 편리·안전·인간과 기기의 원활한 인터페이스를 위해 반드시 필요하다.

다품종·소량 생산으로 응용분야에 따라 재료기술, 설계기술, 공정기술 등이 다르기 때문에 글로벌 전문기업 육성에 적합하며, 주로 대기업인 수요기업과의 상생 협력이 중요한 분야이다. 기반산업, 융합기술, 첨단 지식산업의 특성으로 양질의 일자리 창출 등 창조경제 생태계 조성에 적합한 업종이다.

센서응용 IoT(사물 인터넷)는 센서 기반의 기기 및 사물들이 네트워크로 연결됨으로써 유기적으로 데이터를 수집ㆍ학습ㆍ활용하며, 정보의 공유를 통해 상호작용하는 지능형 네트워킹 기술 및 환경을 의미한다. IoT에 대한 정의는 국제기관별 다양하나 궁극적인 목적은 인간의 직접적인 개입을 줄이거나 또는 없이 사물들 끼리 정보를 공유하거나 통신하기 위한 제반 기술을 포함한다. 위키에서는 각종 사물에 컴퓨터 칩과 통신기능을 내장해 인터넷에 연결하는 기술로 정의하고 있다. IoT는 M2M(사물통신) → IoT(사물인터넷) → IoE(만물인터넷) 단계로 개념이 확장되고 있다.

범국가 차원의 센서산업 육성

센서가 대부분 기기의 핵심 부품으로 확대되면서 센서산업의 경쟁력 확보가 국가 산업경쟁력 강화의 필수 요소가 되고 있다. 센서산업 자체만으로도 향후 IoT 진전으로 높은 성장이 예상되며, 센서산업은 파급력이 커서 전략산업으로 육성할 필요가 있다.

세계 센서시장은 IT융합의 진전으로 센서 사용이 급증하고 센서의 첨단화 추세에 따라 시장이 급성장하고 있으나, 국내 산업의 경쟁력은 매우 취약한 것으로 파악된다. 국내 기업은 첨단 센서에 대한 기술력 부족과 일반 센서의 가격경쟁력 취약으로 인해 미국·독일·일본 등 선진기술 보유국과 가격경쟁력을 앞세운 중국의 중간에 위치한 샌드위치 상태이다.

센서기술은 미국, 독일 등 일부 선진국을 중심으로 디지털 센서 단계를 지나 스마트 센서에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 첨단센서의 경쟁력을 타 산업분야 경쟁력의 핵심으로 인식해 집중 지원하고 있다. 기술경쟁력은 국가별 기술수준은 미국·독일·일본 등이 최고 수준을 보유하고 있다.

산업부는 ’25년까지 센서산업 고도화를 통해 센서 4대 강국에 진입하는 것을 목표로, 핵심센서 10개 국산화, 세계 센서 시장점유율 5.0%, 세계 최고 수준의 중견 센서기업 20개 육성을 향후 비전으로 설정했다. 현재 추진 중인 13개 ‘산업엔진 프로젝트’ 중 웨어러블 스마트 디바이스, 자율 주행 자동차 등과 같이 첨단 스마트센서의 활용도가 높은 과제들과 연계해서 향후 개발될 스마트센서의 상용화 및 해외시장 진출가능성을 제고할 계획이다. 정부 차원에서 첨단 스마트센서를 본격 육성하기 위한 최초의 시도인 만큼, 향후 업계 및 학계의 의견을 적극 반영해 사물인터넷(IoT) 시대를 대비한 미래 먹거리 산업으로 발전시켜 나갈 계획이다.

차세대 센서 특허 기술 동향

▲ 센서산업의 발전 방향(정보통신산업진흥원) © 특허뉴스

센서는 측정 대상물로부터 압력, 온도, 가속도, 생체신호 등 정보를 감지해 전기적 신호로 변환시켜 주는 장치(Device)로 IoT의 핵심요소이다. 인간이 오감을 통해 주위 환경을 인지하고 파악하는 것처럼 다양한 전자기기는 센서를 통해 정보를 취득하고 분석하므로, 센서는 인간의 감각기관 역할 수행에 비유되고 있다.

스마트 센서(첨단센서)는 단순 센싱 기능 이외에 데이터 처리, 의사결정, 통신기능 등이 결합되어 필요한 정보를 얻고 스스로 의사결정 및 정보처리가 가능한 지능화된 센서를 의미한다. 첨단센서의 비중은 ’14년 19%에서 ’20년에는 49%로 급속히 확대될 것으로 예상되고 있다.

MEMS 기술의 도입으로 센서가 더욱 소형화되고, 단일센서 모듈 → 복합센서모듈 → One-Chip 복합센서로 복합화되고 지능화가 진전되고 있다.

한국센서연구조합에 따르면 센서 연구의 주요 방향은 ①이전에는 센싱할 수 없었던 영역의 센싱, ②센서의 제조공정, 작동원리 혁신(예: 3D프린팅을 활용한 Flexible 형태 센서 개발), ③전력소비 향상을 통한 가용성 확대(예: 운동에너지 변환을 통한 자가발전), ④기존 센서의 정확도와 정밀도 향상(예: 미세동작 감지센서) 등으로 구분 가능하다.

▲ Apple의 3D 입력 디바이스 © 특허뉴스

실제로 Apple은 단순 터치 및 누름 입력 방식이 아닌 사용자에게 다양한 UI 제공을 위해 3차원 입력 방식에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. Macbook 노트북에는 Track Pad 하단에 4개의 압력감지 센서를 장착해 터치 동작에 따른 Cursor 이동을 Track Pad 상의 움직임으로 제어하고, 선택 등의 입력은 Track Pad의 누름 동작에 의한 압력 센서의 출력신호를 이용한다.

핸드폰과 같은 모바일기기에는 2015년 iPhone 6S에 디스플레이 하단부분에 90여개 이상의 압력센서 어레이를 배치해 터치 및 입력 하중에 의한 동작을 구현함으로써 3D 입력에 대한 제품을 출시했다. 스마트 폰과 같은 모바일기기에 하중 인식을 포함한 3D 입력을 적용한 최초의 제품이나, 하중 인식 단계 수가 적어 모바일 기기의 다양한 Applications에 적용하기에는 기능적으로 다소 부족한 부분이 많으며, 그 이후에 출시되는 제품에는 이러한 3D 하중 인식에 대한 기능을 추가하지 않은 형태의 제품을 출시하고 있다.

최근 스마트홈 영역에서 ‘조명’도 주요 기술로 떠오른 가운데 Google이 지난 2014년 출원한 자동화 조명 특허(공개번호 US20160189491)는 사용자 위치를 기반으로 자동으로 조도를 조정한다. 가정 내 설치된 다양한 센서가 사용자 위치를 읽어내고 사용자 위치에 따라 조도가 결정시스템은 사용자가 센서를 기준으로 근접한 위치에 있을 경우 이에 해당하는 정도로 밝기를 조정하고 사용자가 위치를 이동해 해당 영역을 벗어날 경우 조명도 자동으로 밝기를 낮춘다.

삼성전자가 보유한 ‘이동 통신 단말의 터치 센서 자동 감도 조절 장치 및 방법’ 특허는 이동통신 단말의 터치 센서 자동 감도 조절 장치 및 방법에 관한 기술이다. 충전 겸용 차량용 거치대와, 터치스크린 또는 터치 패드용으로 사용되는 터치 센서로 구성된다. 차량용 거치대에 선택적으로 거치되는 이동통신 단말기와 거치대에 장착되었는지 감지하는 감지 수단을 포함한다.

이동통신 단말을 차량에 거치시와 휴대시에 이를 감지해 자동으로 터치 센서의 감도를 조절하기 때문에 단말을 휴대시에는 원치 않는 키 입력 동작이 수행되지 않는다. 반대로 거치시에는 신속하고 가벼운 터치만으로 키 입력이 수행되어 결과적으로 단말기 사용 편의성이 향상된다.

글로벌 센서시장 동향

미국은 세계 최초로 무인자동차 허용법안 제정(’12.10월), 원격의료법 시행(’09.1월) 등 법 제도 마련을 통한 신산업 집중 육성을 추진한다. 유럽은 스마트센서 분야를 국가핵심 산업으로 집중 육성하기 위해 원천기술, 자본, 설비, 인력 등 성장 인프라에 대한 투자 지원정책을 추진하고 있다. LETI(프랑스), IMTEK(독일), CSEM(스위스) 등 대학연구소 및 국가지원연구소를 중심으로 스마트센서 연구결과 공동 활용 추진하고 있다. 일본은 신성장동력 창출원으로써 인간 중심의 스마트센서 정책 전개 및 스마트 센서를 통해 고령화 및 의료인력 부족에서 발생하는 각종 문제를 해결하기 위해‘i-japan 2015’의 일환으로 의료개혁을 추진한다.

세계 센서 시장은 ’10년 65조원에서 ’16년 130조원으로 연평균 12%의 고성장을 지속하고 있으며, 향후 ’21년 220조원으로 성장할 것으로 예상된다.(BBC 리서치, ‘13년)

BCC Research는 ’13년에 ’16년 전망치를 107조원으로 전망했으나, 이후 130조원으로 22% 상향 조정하는 등 성장세가 당초 예상보다 더 빨라지고 있다.

’12년 기준으로 북미지역이 224억 달러, 점유율 33% 가장 크고, 유럽, 아·태지역 순으로 형성되어 있으나 ’19년 기준으로 중국을 포함한 아·태지역이 유럽을 제치고 2번째 큰 시장을 형성할 것으로 예상된다. 센서 유형별 시장은 이미지센서, 압력센서, 바이오센서 등 순으로 시장 비중이 큰 것으로 조사된다.

주요 산업별 비중을 살펴보면, 자동차산업(24%)과 장치산업(18%)이 가장 높은 비중을 차지하고 있으며, 모바일 등 소비재 산업(17%)과 의료산업(11%)에 적용되는 센서 비중이 높아지고 있다. 이외에도 기계 및 제조업, 건설산업, 항공기 및 선박건조 등 다양한 산업 분야에 센서 적용이 확대되고 있다.

일본 닛케이베리타스 전망에 따르면 ’10년 후 세계 센서 수요는 현재보다 100배인 1조개로 늘어날 것으로 보고 있다.

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