알게 모르게 우리생활에 깊이 침투한 센서들. 올림픽을 계기로 그 위력을 과시했다.
서울올림픽 최대 다관왕을 목표로 했던 미국의 수영선수 '비온디'는 접영 1백m에서 뜻하지 않게, 수리남의 복병 '네스티'에게 일격을 당하고 5관왕에 머물고 말았다. 이 결과 서울올림픽 최대 다관왕은 동독의 '오토'에게 돌아갔고 올림픽 수영 사상 최초의 흑인 금메달리스트가 탄생한 것이다.
수영에서는 출발을 알리는 권총과 출발대 밑에 부착된 일종의 센서인 노란색판, 전광판 등이 모두 연결돼 있어, 출발점 리턴지점 결승점마다 선수들 기록이 자동으로 측정돼 전광판에 나타난다. 비온디의 마지막 스트록은 아주 미세한 차이로 결승점의 압력센서를 터치하지 못하고 헛손질하고 말았던 것. 이 사이에 네스티의 손은 노란색판 압력센서에 힘차게 닿았다. 아마 육안으로 우승선수를 가렸다면 논쟁의 소지가 충분한 상황이었다.
전자심판의 핵심은 센서기술
이번 서울올림픽에서 맹활약했떤 '전자심판'(electro n ic judge)은 수영경기에만 있었던 것은 아니다. 육상을 비롯해 사격 사이클 등 기록경기에서 보조심판의 역할을 톡톡히 해냈다. 그중에서도 육상은 최첨단센서를 활용한 계측장비들이 선을 보여 관중들의 관심을 끌었다.
육상 트랙경기에서는 결승테이프와 스톱워치가 없어진지 오래다. 출발신호인 권총에 음향감지기가 부착되어 출발신호가 타이밍컴퓨터로 보내지며 이는 중간 지점과 결승점에 설치된 카메라센서 및 광전자장치와 연결돼 래프타임과 최종기록이 즉시즉시 전광판에 나타난다. 물론 출발신호보다 먼저 출발한 선수가 있다면 선수의 발판에 설치된 검지기가 '삐삐'음을 발신한다.
필드경기도 마찬가지. 포환 원반 해머던지기나 멀리뛰기 세단뛰기 등의 경기에 줄자를 들고 뛰어다는 심판은 눈을 씻고도 찾아볼 수 없다. 착지점에 광파측정기의 핀을 꽂으면 자동으로 측정거리가 전광판에 나타난다.
이처럼 서울올림픽을 통해 우리들에게 가까와진 센서를 좀더 자세하게 살펴보자.
요즈음 가전제품의 광고에도 '센서'라는 말이 자주 쓰인다. 센서라는 말은 이제 생경하게 느껴지지 않는다. 센서는 무엇이고 그 역할은 무엇인지 살펴보는 일이 결코 무의미하지는 않을 것 같다. 앞서 언급한 기록 측정장치에 센서가 사용되어 더욱 정확한 기록의 측정을 가능하게 하기 때문이다.
센서라는 말을 듣기는 했는데 센서가 눈에 보이는 것이 아니어서 과연 무엇인지 알기가 쉽지 않다. 그래서 먼저 우리 주변에 있는 센서를 찾아 이야기를 이끌어 가는 것이 좋을 것 같다.
어디에 센서가 있는가?
그 해답은 '자동△△조절기'라는 말이 붙어 있는 가전제품에서 쉽게 발견할수 있다. 자동온도 조절기, 자동습도 조절기 등 자동이라는 말이 들어가는 기구에는 대부분 센서가 들어 있다. 이 말로 센서는 자동화의 기술에 중요한 역할을 할 것이라는 추측이 가능하다.
센서는 과연 무엇인가?
센서를 막연히 이야기하기 앞서서 먼저 다음과 같은 생각을 해보자. 지하철을 탈 때 우리는 차표를 자동판매기에서 산다. 그 과정을 생각해 보자. 목적지를 선택하고 동전을 넣는다. 그러면 신기하게도 들어간 동전의 종류를 판단해서 표를 내어주고 거스름돈을 내어준다.
이 일을 매표소에서 하면 어떻게 되는가? 먼저 목적지를 말하면 창구의 직원이 돈을 받아서 세고 표와 거스름돈을 준다. 결국 사람이 하는 일을 그대로 흉내내는 것이다. 즉 센서는 정확히 무엇인지는 모르지만 사람이 하는 일을 흉내낸다고 이야기할 수 있다. 그러면 센서는 인간의 어떤 행위를 흉내내는지 생각해 보아야겠다.
먼저 생각할 일은 센서는 조그만 장치라는 것이다. 센서의 대표적인 기능을 이야기하기 위해서 센서의 정의를 직관적으로 내려보자. 정의는 바라보는 관점에 따라 달라질 수 있지만, 한마디로 어떤 물리량(빛 온도 습도 변위 등)을 다른 물리량(전류 전압 저항 등)으로 바꾸는 변환 장치라 말할 수 있다.
인간의 감각기관을 흉내내
그렇다면 센서가 흉내낸 일은 돈을 받아 구별하는 일이라 말할 수 있다. 여기에 거스름 돈을 계산하는 기능이 추가되어야 제대로 일이 되지만 센서는 구별 기능만 가졌다고 말한다면 인간의 감각 기관을 흉내낸 장치라 이야기할 수 있다.
인간의 감각기관을 생각해 보자. 인간은 5감(시각 청각 후각 미각 촉각)을 가지고 있다. 따라서 센서도 이와 비슷한 감지능력을 가져야 할 것이다. 시각은 빛의 명암, 색을 감각하는 것이고 이와 비슷한 일을 하는 센서들은 광센서, 컬러센서 등이 있다. 청각은 음파에 의한 음압을 느끼는 감각이고 이와 비슷한 일을 하는 센서들은 초음파센서 등이 있다. 후각은 어떤 물체의 냄새를 감각하는 것이고 이와 비슷한 일을 하는 센서들은 가스센서 등이 있다. 촉각은 압력의 변화, 온도 등을 감각하는 것이고 이와 비슷한 일을 하는 센서들은 온도센서, 압력센서, 습도센서 등이 있다.
센서가 변환하는 능력은 꼭 비례관계가 있는 것은 아니다. 따라서 그 변환관계를 그대로 이용하기는 어렵고 그 내용을 판단할 장치가 필요하다. 그 장치를 임시로 판단장치라 하자.
다시 인간에 대하여 생각해보자. 잔돈을 계산하는 일은 눈으로 본 손님이 낸돈에서 요금을 빼는 일인데, 이는 인간의 두뇌가 한다. 따라서 다음 그림과 같이 생각해 보면 좀더 쉬울 것이다.
즉 센서는 인간의 감각기관을 흉내내고 판단장치는 인간의 두뇌를 흉내낸다. 인간의 두뇌를 흉내내는 장치는 컴퓨터이므로 판단장치는 컴퓨터와 관련되어 있으리라 생각해도 전혀 틀린 생각은 아니다. 센서가 변환한 물리량은 대부분 전자공학과 관련된 양들이므로 컴퓨터는 보다 쉽게 인공두뇌의 역할을 할 수 있다.
센서공학도 탄생
센서의 역사를 이야기한다는 것은 불가능하다고 말하더라도 그리 과장된 것은 아니다. 변환을 기술하는 물리법칙이나 현상이 발견되는 것이 바로 새로운 센서의 탄생을 의미하기 때문이다.
또한 센서는 같은 감지 대상을 가지더라도 재질에 따라 개발된 시기가 각기 다르기 때문에 방대한 자료가 필요하다. 그러나 최근에 '센서 공학'이라는 분야가 생겨나서 관심을 끌게 된 것은 바로 컴퓨터 기술이 발전했기 때문이다. 센서와 컴퓨터가 결합되어 얻어진 결과가 자동화이기 때문이다.
센서의 기능을 설명하는 원리는 간단히 설명될 수 있는 것이 아니다.
센서의 변환방식을 일괄적으로 설명하는 것은 불가능에 가깝다. 공학이라는 분야가 대단히 많고 그것을 전자공학적 원리 등으로 한 곳으로 모을 수는 없다. 센서는 다 안다고 말하기 어려운 이유가 다양한 재료에 다양한 원리가 있기 때문이다.
따라서 우리 주변에서 흔히 발견할 수 있는 센서들에만 주목하더라도 그 원리는 매우 다양하고 이론적인 깊이가 있다. 이 글에서는 너무 학문적인 접근보다는 대략적인 서술로 원리를 이야기해야 할 것 같다.
(표1)은 가전제품에 관련된 센서들을 나타낸 것이다.
센서의 역할은 무엇인가?
먼저 이야기했던 감각기관에 대응되는 역할이다. 우리의 감각기관을 다시 생각해 보자. 우리 감각기관은 어떤 감지대상의 유무, 강도 등을 감각한다. 마찬가지로 센서는 감지대상의 유무, 수준, 양적 변화 등을 감지한다.
지금까지 센서에 대해 가질 수 있는 문제들을 간단히 생각해 보았다. 이제 센서들을 그 종류별로 살펴보고 어떻게 이용되는지 알아보자.
□센서의 재료
센서의 재료는 반도체 재료, 전자 세라믹스 재료가 주류를 이룬다. 또한 이재료를 어떤 형상으로 쓰느냐에 따라 박막형, 후막형 등의 구분을 하기도 한다. 이 센서의 재료는 센서의 정확도, 가격, 크기 등을 결정하는 요소이기도 하다.
□센서의 종류
● 광센서/자동출입문이나 필드경기의 거리기록 측정
광센서는 빛을 감지대상으로 한다. 빛에는 파장에 따라 구별이 있으므로 가시광선을 감지하면 가시광센서라 하고 그외의 파장을 감지하면 적외선센서 등으로 구분한다.
광센서의 원리는 여러가지가 있고 이를 설명하려면 반도체 이론부터 시작해야 되겠지만 너무 어려우므로 간단히 생각해 보자.
빛은 에너지를 가진 입자이다. 이 빛이 반도체에 조사되면 그 에너지가 변환되어 전기전도(전류를 흐르게 하는 일)를 일으킨다. 이에 따라 변환된 양은 전류의 변화나 저항의 변화 등으로 나타난다. 몇가지 광센서를 소개하면 다음과 같다.
CdS광센서는 빛에 의해 센서의 저항이 감소하는 광전도효과를 이용한 센서이다. 이 센서는 가시광센서이며 사진기의 자동노출 장치에 쓰이고 있다. CdS광센서는 광량을 감지하며, 노출이 충분한지를 판단장치가 판단하여 셔터가 눌러지도록 하는 일을 한다. 이 센서는 응답시간(빛이 저항변동을 일으키는데 걸리는 시간)이 길기 때문에 SPC(silicon photo cell) 광센서로 바귀어 가고 있지만 가격이 싸기 때문에 다른 용도로 많이 쓰인다.
특별한 제어동작을 일으키는데 가시광센서를 쓴다면 그 동작이 일어날 수 있으므로 적외선 광센서 등을 쓴다. 광센서를 쓰는 방식은 다양하지만 대표적인 방법은 광원과 광센서를 서로 바라보게 설치하고, 그 사이에 어떤 물체가 끼어들면 동작이 일어나게 하는 방법이다. 자동문이 바로 그런 경우. 자동문의 위를 보면 돌출된 부분이 있는데 여기에 광센서가 쓰인다. 문앞에 사람이 서면 빛이 차단되어 문이 열리는 것이다.
또다른 방법은 광원과 광센서를 나란히 두고 물체에 의해 반사된 광을 검출하는 방법이다. 남자 화장실의 자동세척기가 바로 그런 방법을 이용한다. 이용자가 소변기 앞에 서면 광이 감지되고 자리를 뜨는 순간 물이 쏟아지게 된다. 또다른 방법은 반사경을 설치하여 광원에서 나온 빛이 반사경을 통해 반사되어 광센서에 감지되는 방법이다. 올림픽의 투척경기에서 기록측정을 하는 방법도 이와 비슷하다. 광원을 지향성이 좋고 회절이 적은 레이저로 하고 선수가 투척한 것이 떨어진 자리에 반사경을 설치하면 빛이 반사되어 돌아오는 시간의 반이, 그 거리까지 진행한 시간으므로 광속에다 시간을 곱하여 거리를 측정한다.
텔리비전의 리모콘도 광센서를 이용한다. 리모콘에 광원이 있어서 다이얼이나 음량조절, 스위치 ON/OFF 등의 정보를 광을 통해 보내면 광센서가 이를 감지해서 조정작용을 한다. 이 광센서의 대표적인 것은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터 등이다.
●컬러센서/인쇄물 색채관리
'색'은 인간의 감각 중 매우 친근한 감각이다. 인간의 두뇌에 전달되는 정보중 많은 것이 시각에 의한 정보이고 이중에서도 색의 정보가 많다. 그런데 우리의 색에 대한 감각은 주변의 환경에 따라 미묘한 차이를 일으킬 수 있다. 따라서 정밀한 색채조정을 요하는 일에 컬러센서가 사용된다. 컬러센서는 2중구조로 되어 있는데, 컬러 필터와 포토다이오드로 이루어져 있다. 빛은 편광이므로 컬러 필터는 특정한 편광 이외에는 통과하지 못하는 재질이며 여기를 통과한 빛이 포토다이오드를 통해 감지된다.
이 컬러센서는 잉크 안료의 색채관리, 인쇄물 벽면 카핏의 색측정 등에 사용된다.
●초음파센서/태아의 성별검사
초음파는 인간의 귀로는 들을 수 없는 음파이다. 이 초음파는 매질이 달라지면 반사되거나, 감쇄되므로 이 성질을 이용하여 비파괴 검사, 초음파 진단장치 등에 이용된다. 초음파를 발사하여 구조물 내부의 균열정도 등을 측정하며 인체에 쏘이면 내부 장기 등이 위치나 구조를 알아낼 수 있다. 태아의 성별검사도 초음파센서를 활용한다.
초음파 센서는 엄밀히 말하자면 압력의 변화를 감지하는 센서이다. 그 감지원리는 압전현상이다. 즉 압력에 의해 변형이 일어날 때 전압을 발생하는 현상을 이용한다. 주로 PbTiO₃와 같은 압전 세라믹스로 만들어진다. 병원에서 사용되는 초음파 진단장치는 초음파를 발생시켜 우리의 몸 내부에 보내면 장기의 매질이 틀리므로 속도차나 반사파가 일어난다. 이를 초옴파 센서로 감지하여 화면상에 표시한다.
●가스센서/연탄가스 경보기
요즈음 산업체나 가정에서 유독가스나 폭발성가스를 사용하는 빈도가 높아졌다. 따라서 중독방지, 폭발위험 경고 등의 용도로 가스센서가 사용된다.
가스센서의 재료도 반도체 박막형세라믹스 등으로 다양하며, 가스가 이온 변화를 일으켜 전자공학과 관련된 물리량이 출력된다. 도시가스 센서의 경우 도시가스의 주성분이 메탄과 반응하여 전기전도도가 변화하는 반도체 재료가 사용된다. 그 외에도 감지하는 가스에 따라 다양한 가스센서가 시장에 나와 있다.
●압력센서/올림픽 수영경기
압력 센서는 압력의 변화를 감지하는 센서이다. 스트레인 게이지(strain guage)는 압력의 변화를 저항의 변화로 출력하는 센서이다.
이 압력센서가 이번 올림픽에서 수영 경기장에 사용되었다. 즉 선수가 도착하는 순간에 정해진 힘 이상이 가해지면 기록이 계측되는 것으로 수영기록을 즉시 전광판에 나타내었다. 또한 전자 혈압계 같은 기구에 압력센서가 쓰이고 있다.
●온도센서/전기밥솥 에어콘 냉장고 등
인간과 불은 매우 친근한 관계이고 불을 사용하면서 온도라는 개념이 생겨났으니까 온도센서의 역사는 상당히 오래되었다고 말할 수 있을 것이다.
온도를 눈에 보이는 다른 양으로 변화시킨다는 관점에서 보면 온도계도 일종의 센서라고 말할 수도 있을 것 같다. 온도 센서는 온도의 변화를 변위나 기전력의 변화, 저항의 변화로 바꾸는 센서이며, 최근에는 비접촉식으로 적외선을 감지하는 온도센서도 개발되었다.
온도의 변화를 변위로 바꾸는 센서로 바이메탈이 있다. 바이메탈은 팽창계수가 서로 다른 두 금속을 붙여 놓아서 온도가 올라가면 선팽창률이 작은 쪽으로 휘어지게 되는 센서이다. 이 바이메탈은 정밀한 온도조절이 필요치 않은 커피포트 전기밥솥 등에 사용된다.
온도 변화를 기전력의 변화로 바꾸는 센서에는 열전대(thermo couple)가 있다. 열전대는 '제벡'효과를 이용한다. 서로 다른 두 금속선의 한쪽 끝을 한덩어리로 만들고 남은 쪽에서 전압을 제어, 온도를 측정한다.
온도 변화를 저항의 변화로 바꾸는 센서에는 써미스터가 있다. 이 써미스터는 양의 온도계수를 갖는 PTC, 음의 온도 계수를 갖는 NTC, 특정 온도에서 저항이 크게 변하는 CTR 등 세가지 종류가 있다. 이 써미스터는 에어콘, 냉장고 등에 사용된다.
비접촉식 온도센서는 열이 있는 물체에서 나오는 적외선을 감지하는 온도센서이다. 이를 초전도형 적외선센서라고 한다. 열추적 미사일이라는 이야기를 들은 적이 한번쯤 있을 것인데 비행기에서 내뿜는 열기를 추적하는 미사일이며 온도센서가 필요하다.
●습도센서/가습기 전자레인지
습도는 인간의 감정에 영향을 주는 요소이며, 너무 습도가 높으면 불쾌감을 느끼게 된다. 이 습도를 감지 대상으로 하는 센서가 바로 습도 센서이다. 습도 센서는 보통 다공질 세라믹스나 박막형이 많다. 다공질 세라믹스 습도센서를 살펴보면 세라믹스 기판에 많은 구멍이 있는데 그 구멍에 수분이 부착되어 전기 저항의 변화를 일으킨다. 이 습도 센서는 새로운 습도를 측정하기 위해서는 클리닝이 필요하다. 즉 가열하여 수분을 증발시켜야 습도 측정이 가능하다. 습도 센서가 사용된 기구들에는 자동습도조절기, 전자레인지 등이 있다.
먼저 자동습도조절기를 살펴보자. 쾌적한 습도보다 건조한 상태일 때 습도센서가 감지하여 가습기를 가동시켜 습도를 높여주고, 적정한 습도가 되면 가습기를 끊는다. 전자레인지의 경우 조리기능을 담당하는 것이 습도 센서이다. 일반적으로 음식물의 조리가 끝날 무렵에는 상대습도가 백%가 되므로 이를 감지하여 스위치를 끊는다. 이 습도센서는 가전제품에 널리 사용되고 있다.
●계측용 자동차용 및 바이오센서
힘 중량 길이 속도 등을 측정하는 센서들이 이미 개발되어서 널리 사용되고 있다. 이에 대한 개괄적인 설명만 하려 하더라도 많은 시간이 걸리기 때문에 각양의 측정에 사용되는 센서들의 이름만 간단히 이야기하겠다.
힘의 측정에는 스트레인 게이지 또는 로드셀(load cell)이 사용된다. 중량의 측정에는 로드셀 자기저울 등이 사용되며, 길이의 측정에는 레이저간섭계가 도플러 효과를 이용하여 사용된다.
자동차에는 운전자에게 편리함을 주기 위해서 여러가지 센서가 부착되어 있다. 엔진 제어용 센서(압력 유량 위치 회전 산소 센서)가 가장 많다. (과학동아 88년 6월호 참조)
최근에는 특정한 성분만을 검출하는 선택성이 뛰어난 센서가 개발 되었는데, 주로 생체내 물질(인슐린 혈당 등)을 측정 대상으로 삼고 있어서 바이오센서라고 불리운다. 이 바이오센서는 생체내의 특정 이온에 민감한 막과 이 막에 모인 이온을 감지하는 트랜스듀서인 ISEFT(Ion Sensitive Field Effect Transistor)등으로 구성되어 의학 분야에 이용되고 있다.
컴퓨터기술과 결합
센서를 마음대로 이용할 시기가 올 것 인가?
센서는 홀로는 아무런 역할도 감당하지 못한다. 적절한 판단창치와 결합해야 하는 것이다. 물론 센서의 가격도 비싼 편이지만, 판당장치를 만드는 일이 힘들기 때문에 가격이 더 올라가게 된다. 센서와 판단장치를 결합하는 기술을 센서 인터페이싱이라고 부르는데 어려운 기술이다.
앞서 이야기한 센서들을 적절한 판단 장치와 결합시키면, 자동조절장치를 꾸밀 수 있다. 그래서 요즈음은 발달된 컴퓨터 기술을 이용하여 판단장치에 소형 컴퓨터를 채용하는데, 컴퓨터 기술이 개발됨에 따라 돌발적인 상황에 대응할 능력이 있는 센서 및 판단장치가 개발되어질 것이다.
센서는 인간을 모방한 과학기술의 산물이고 앞으로 우리의 실생활에 널리 이용될 것이다. 센서는 결코 우리와 멀리 떨어져 있던 장치는 아니었다. 다만 우리가 느끼지 못했을 뿐이다. 앞으로 우리의 생활에 더 많은 센서들이 사용되어 편리함을 더해 줄 것이다.
