d라이브러리

주변을 둘러보라.그러면‘앗, 이런 곳에도 센서기술이 숨어 있다니’하고 느낄 만한 것이 많이 있다. 센서덩어리라 해도 과언이 아닌 자동차에는 수많은 센서가 내장돼 있고,VCR에는 습도센서가, 전기청소기에는 압력센서가 들어있다.

고층건물 앞에서 안으로 들어가려고 하는데 회전문이 자동으로 휙 돌아가 당황한 적이 있는가. 남자화장실에 들어가 소변기 앞에 서자 갑자기 ‘쏴’하는 물소리에 놀란 적은 없는가. 아니면 현금지급기를 이용하려고 은행에 갔는데 터치스크린인줄 모르고 누를 버튼을 찾느라 헤매다가 그냥 온 기억은?

현대기술을 시시각각 느끼며 살아가는 사람이라면 이런 경험이 없을 것이다. 하지만 이들이 처음 등장했을 때는 누구나 겪었을 만한 상황이다. 요즘이라도 외딴 시골에 살던 먼 친척이 아주 오랜만에 도시에 왔다면 겪을지도 모를 일이다. 이 모두가 문명의 이기 속에 숨어있는 센서 때문이다.

현재 센서는 알지 못하는 사이에 일상생활 속으로 깊숙이 들어와 있다. 다만 우리가 공기처럼 흔하게 접하는 탓에 느끼지 못할 뿐이다. 주변에서 사용하는 제품이나 장비를 한번 둘러보라. 센서가 포함되지 않은 것을 찾기가 힘들다.

예를 들면 가정용 비디오 카메라나 감시카메라에는 CCD라는 이미지센서가 들어있고, VCR에는 습기가 많으면 작동하지 못하게 하는 습도센서, 비디오테이프를 일정한 속도로 돌아가게 하는 모터의 속도센서가 포함돼 있다. 휴대용 카세트나 핀 마이크에는 음향센서인 마이크로폰이, 리모콘으로 작동하는 VCR, 텔레비전, 오디오와 같은 전자기기에는 적외선센서가 내장돼 있다. 셔터만 누르면 잘 찍히는 자동카메라에는 빛을 감지하는 광센서 이외에도 자동으로 초점을 맞추기 위한 거리센서가, 전기청소기에는 먼지를 빨아들이는 흡인력을 조절하기 위한 압력센서가 숨어있다.

장갑 낀 손으로도 작동 가능

요즘 은행에서 사용되는 현금지급기 중에는 별도의 버튼없이 모니터 화면만 있는 것이 많다. 바로 터치스크린이다. 손가락으로 화면 위에 나타나는 메뉴 중 원하는 정보에 접촉하기만 하면 되는 이 장치는 지하철 구내에서 역을 알아보거나, 대형서점의 도서를 찾는 안내시스템에서 쉽게 발견할 수 있다. 복사기, 팩스 등의 사무용기기와 공장자동화 장비, 그리고 병원에서 진단기록, 처방관리 등에 사용되는 기기 등에서도 사용된다.

사실 터치스크린은 컴퓨터나 휴대용 정보단말기(PDA)의 화면에 등장하는 입력장치 중 하나다. 키보드나 마우스 없이도 누구나 쉽게 손이나 펜으로 화면 위에 접촉해서 정보를 입력하는 터치스크린은 컴퓨터 사용자에게 매우 편리한 인터페이스다. 터치스크린을 장착한 제품은 향후 정보통신시대의 하이테크제품으로 각광받을 것이다.

그렇다면 터치스크린은 어떤 원리로 작동하는 것일까. 터치스크린은 일종의 센서다. 터치스크린의 핵심은 화면의 특정부위에 손이나 펜으로 접촉할 때 이 사실을 어떻게 알아내느냐 하는 문제다. 이를 구현하기 위한 기술에는 전기용량, 저항, 적외선, 초음파, 장력 등을 이용하는 다양한 방식이 있다. 이 가운데 주변에서 흔히 볼 수 있는 방식이 사람의 전기용량을 이용한 접촉식과 저항막을 이용한 저항막 방식이다.

먼저 접촉식 전기용량 방식은 전하를 흡수할 수 있는 사람 몸의 전기용량을 이용한다. 접촉식 터치스크린 센서는 유리의 양면에 얇고 투명한 특수 전도성금속(주석안티몬 산화물)을 코팅하는 방법으로 만들어진다. 이때 일정량의 전류를 유리 표면에 흐르게 한다. 그러면 사용자가 코팅된 유리 표면을 접촉할 때 전류의 일부가 사용자의 체내에 흡수된다. 따라서 터치스크린 센서는 전류의 양이 변경된 부분을 인식해 접촉된 부분을 확인하게 된다. 하지만 접촉식 터치스크린은 장갑을 낀 손이나 플라스틱, 나무 등의 비전도성 물체에는 반응하지 않는 단점이 있다. 사람의 몸이 전류를 흡수할 수 없기 때문이다.

접촉식의 단점을 보완한 터치스크린이 저항막 방식이다. 즉 손에 장갑을 낀 상태로나 기타 각종물체로도 접촉할 수 있다. 또한 외부 정전기나 노이즈에 강해 열악한 환경에서도 무리없이 작동된다. 특히 뛰어난 정확성과 전송속도 때문에 공장자동화 장비, 의료장비 등에 많이 쓰인다. 이처럼 저항막 방식 터치스크린은 기술이 안정되고 사용에 무리가 없기 때문에 가장 널리 애용된다.

저항막 방식(그림1)은 유리판 위에 저항막(저항성분을 갖는 전극)을 입히고 그 위에 특수필름(폴리에스테르 필름)을 덮어씌운 형태다. 유리판과 특수필름간의 간격은 40분의 1mm다. 또한 특수필름 안쪽에도 저항막을 입히고, 특수필름과 유리면이 닿지 않도록 일정한 간격으로 절연봉을 세운다. 이때 저항막의 양단에 일정한 전류를 흘려주면, 손이나 펜으로 접촉할 때 특수필름의 저항막이 유리면에 닿는다. 그러면 접촉부분의 전압이 변하기 때문에 이를 통해 접촉위치를 감지할 수 있다. 이때 비전도성 물체로 접촉해도 저항막이 유리면에 닿으면서 전압이 변하기 때문에 저항막 방식의 경우 장갑 낀 손으로도 작동이 가능하다.

적외선으로 인간 감지

출입문에 다가가면 문이 저절로 열리고 손잡이없는 수도꼭지 밑에 손을 대면 물이 나오는 모습을 요즘은 흔하게 볼 수 있다. 또한 첨단 전시장에는 전시물에 다가가면 자동으로 조명이 켜지고 전시물을 설명하는 음성안내가 나오기도 한다. 이 모두가 사람을 감지하는 ‘인간 센서’의 활약이다.

사람의 존재를 어떻게 감지할까. CCD 카메라를 통해 영상을 분석하거나, 물체의 크기, 중량, 체온 등에 대해 종합적으로 분석할 수도 있다. 하지만 가장 확실한 방법은 인체에서 나오는 적외선을 감지하는 방법이다. 사람은 보통 7-14μm(1μm=10-6m)의 적외선을 방출한다. 따라서 이 파장대의 적외선을 검출하는 적외선센서를 이용하면 된다.

적외선 센서는 다른 말로 표현하면 어떤 물체에서 나오는 적외선 에너지, 즉 미소한 온도 변화를 감지하는 장치다. 그러므로 적외선센서의 핵심기술은 ‘온도 변화에 민감하게 반응하는 재료를 어떻게 구현하는가’ 하는 것이다.

적외선센서는 재료의 작동 원리에 따라 양자형(photon)과 열형(thermal)으로 나눌 수 있다. 양자형은 주로 반도체를, 열형은 반도체 이외의 재료를 사용한다. 반도체는 성능이 뛰어나지만 액체 질소로 냉각해야 하는 온도(영하 1백93℃)에서 작동한다는 단점이 있다. 반면 열형 재료는 성능이 반도체에 비해 다소 떨어지지만, 대부분 상온에서 동작한다는 장점이 있다.

양자형은 적외선이 반도체에 입사될 때 광전자가 방출되는 원리를 이용하는데, 반도체를 낮은 온도로 냉각해야 하기 때문에 냉각형이라고도 한다. 냉각형에 사용되는 반도체는 소자를 제조하는 것뿐만 아니라 온도를 내리기 위해 진공 용기와 함께 조립하는 것도 어렵기 때문에 가격이 매우 비싸다. 하지만 감도가 좋고 응답속도가 빠르기 때문에 성능을 위주로 하는 군수용, 의학용이나 천체관측용으로 사용된다.

열형은 상온에서 작동하기 때문에 비냉각형이라고도 불리고, 양자형에 비해 가격이 저렴해 실생활에서 많이 사용된다. 현재 성능이 우수한 비냉각형 재료를 개발하기 위해 많은 연구가 진행중이다. 뿐만 아니라 비냉각형인 열형 재료는 입사한 적외선에 의해 재료 내부의 특성이 바뀌기 때문에 반응한 후에는 빨리 원래의 상태로 되돌아가야 한다. 그러므로 발생된 열을 외부로 빨리 내보낼 수 있는 구조여야 한다. 최근에는 이런 구조를 구현하기 위해 미세가공기술(MEMS)을 이용해 두께가 매우 얇은 박막 형태를 개발하고 있다.

대표적으로 널리 사용되는 열형 적외선센서는 초전 효과(pyroelectric effect)를 이용한 초전형 적외선센서다. 초전 효과란 전기장을 가하지 않아도 자발적으로 극성을 갖는 강유전체에 적외선을 비추면 온도변화로 인해 표면전하가 방출되는 현상이다.

초전형 적외선센서는 파장이 0.2-20μm인 광범위한 적외선을 감지한다. 발광소자가 필요없이 온도를 갖는 모든 물체를 감지할 수 있는 것이다.

실온에서 동작하는 초전형 적외선센서는 자동문, 전자레인지, 침입경보기, 화재감지기와 같은 전자장치와 비접촉 온도측정, 제품검사 등의 생산공정 제어와 자동화에 쓰인다. 앞으로 로봇의 시각이나 근접각 센서, 또는 인공위성의 사진촬영, 이미지센서, 의학용 비접촉 피부검사에 널리 응용돼 수요가 급증할 전망이다. 다만 초전형을 인간 센서로 쓰고자할 때는 필터를 이용해 사람이 내는 적외선만을 감지하게 만들어야 한다.

센서덩어리 자동차

현대인에게 가장 많이 이용되는 자동차와 지하철은 한마디로 센서의 덩어리다. 이들 곳곳에는 많은 센서가 사용되며, 이로써 좀더 안전하고 쾌적한 운송수단으로 일상생활에 깊숙이 파고들었다. 특히 일반 자동차에는 약 20개의 센서가 쓰이며, 고급차종일수록 사용되는 센서의 수는 최대 1백개 정도로까지 많아진다.

자동차에 사용되는 센서 중 여러분은 어떤 것을 알고 있는가. 자동차 열쇠를 이용하지 않고 버튼 하나로 문을 여닫는 장치를 생각하는가. 물론 이 장치에 센서가 달려 있다. 또 한겨울에 이불 속에서 집밖에 있는 자동차의 시동을 거는 장치에도 센서가 있다. 자동차 도난 방지 장치에도 차의 흔들림을 감지하는 센서가 내장돼 있다.

에어백에는 어떨까. 최근에 자동차의 안전도에 대한 관심이 높아지면서 정면 충돌시 운전자와 승객을 보호하기 위해 개발된 안전장치가 에어백이다. 이 에어백에 들어가는 핵심소자가 바로 자동차용 가속도센서다.

현재 사용되는 가속도센서는 거의 모두가 기계식인데, 자동차의 충돌 과정에서 발생한 가속도에 의해 이동체가 코일 내에서 움직일 때 나타나는 자장의 변화를 측정하는 방식이 대표적 예다. 이런 기계식 가속도센서는 구조가 복잡하며 크고 무겁다. 또한 규격화하기 힘들고 가격이 비싸므로 활용이 제한된다. 그래서 등장한 것이 바로 실리콘 가속도센서다.

1979년 로이랜스가 아이디어를 처음 발표한 실리콘 가속도센서는 탄성이나 복원성과 같은 기계적 성질이 우수한 실리콘을 사용하고 기존에 알려진 반도체 집적회로 공정기술을 이용한다. 이 때문에 규격화할 수 있는 소자를 작고 가벼우며, 저렴하게 대량으로 생산할 수 있다. 실리콘 가속도센서는 미세가공기술로 제조될 수 있고, 하나의 칩 위에 신호 제어 회로를 포함하도록 집적화시킬 수 있다는 장점도 있다.

그렇다면 실리콘 가속도센서의 기본 원리는 무엇일까. 이 가속도센서는 실리콘 박막으로 압저항체(압력을 가하면 저항이 변하는 물체)를 형성해 외부의 가속도에 따른 압저항의 변화를 측정하는 센서다. 쉽게 생각해보자(그림2). 센서 안에는 질량이 m인 진동 물체가 스프링에 매달려 있다(진동물체나 스프링 모두 실리콘으로 만들어진다). 이 센서가 가속도 a로 움직이면, 관성력에 의해 진동 물체는 상대적으로 x만큼 위치가 변화한다. 즉 가속도에 의해 압저항이 변화한 것이다. 이 변화량이 전기적 신호로 측정된다. 결국 이 신호를 마이크로프로세서가 인식해 에어백의 동작 여부를 결정하게 된다.

에어백은 시속 40km 이상의 속도에서 차량에 충격이 가해질 때 작동한다. 에어백의 가속도센서가 충격을 감지하면, 가스가 에어백을 팽창시켜 운전자와 승객을 보호한다. 이 모든 상황이 0.06초 내에 이뤄져야 한다. 이처럼 에어백은 높은 정밀도가 요구되는 첨단부품이다.
 

가속페달 밟았는지 확인하기도

가속도센서는 자동차의 다른 부분에도 많이 사용된다. 가속도센서는 전자식 엔진제어시스템, ABS(브레이크를 밟아 차가 정지할 때 바퀴가 미끄러지지 않고 효율적으로 멈추도록 하는 제동장치), 지능형 현가장치(차체와 차축 사이를 연결하고 노면으로부터의 충격이나 진동을 흡수해 승차감을 좋게 하는 장치), 조향 장치(steering system), 자동잠금장치, 후진할 때 앞뒤나 좌우의 움직임을 감지하는 장치 등에 핵심부품이다.

이 밖에 자동차에 사용되는 센서는 어떤 것이 있을까. 간단히 생각하면, 차의 속도를 측정하는 차속센서, 차의 실내 온도를 감지하는 온도센서가 있다. 운전자가 가속페달을 밟았는지, 아니면 밟지 않았는지, 또는 밟았으면 얼마만큼 밟았는지를 감지하는 스로틀(기화기 조절판) 위치센서도 있다. 엔진과 관련된 센서에는 엔진의 회전수를 체크하는 크랭크 위치센서, 현재 바퀴와 연결된 크랭크를 움직이는 실린더가 몇번인지를 확인하는 홀센서가 있다.

자동차의 센서는 자동차의 비정상적인 움직임을 방지하기도 한다. 예를 들어 엔진의 실린더 안에서 연료가 비정상적으로 연소되면서 금속을 두드리는 것과 같은 소리를 내는 현상이 노킹인데, 이 현상이 발생했는지 안했는지를 판단하는 녹센서가 있다. 이 센서는 압력의 변화를 전기로 변화시키는 압전소자와 진동판이 내장돼 있기 때문에 노킹의 여부를 알아낼 수 있다.

앞으로 자동차 센서는 지능형 교통시스템이라 불리는 새로운 교통시스템에서도 중요한 역할을 할 것이다. 지능형 교통시스템은 기존의 교통체계를 정보통신, 전자, 제어, 컴퓨터 등의 첨단기술과 접목시켜 교통환경을 혁신적으로 개선하는 시스템이다. 예를 들어 길거리와 차량에 위치센서가 여럿 부착돼 차량의 이동에 따라 센서신호를 주고받음으로써 현재 차량의 위치와 다른 많은 정보를 제공해준다.

차량항법시스템은 지능형 교통시스템 중 가장 먼저 상용화 단계에 있는 분야다. 이 시스템은 자동차 내 단말기(일종의 특수컴퓨터)에 전자지도, 위성항법장치(GPS), 항법소프트웨어 등을 갖춘 것이다. 전자지도에 운전자의 현재 위치를 표시해주는 것은 물론 필요할 경우 최단경로, 최적경로로 목적지를 안내해줄 수 있다. 뿐만 아니라 실시간 교통정보를 수신해 쾌적한 운전환경 제시는 물론 더 나아가 도로이용의 효율화를 구현할 수 있다. 차량항법시스템을 효율적으로 운용하기 위해서는 지구자기를 측정해 방위를 알아내는 방위센서, 주행거리를 측정하는데 사용되는 차속센서가 필요하다.

일상생활에 숨어있는 다양한 센서 탐험

K군은 우리생활 속에 다양한 센서를 알아보기 위해 집 주변의 현대식 건물을 방문했다. 자동카메라를 들고 다니며 센서가 있을 만한 곳을 사진으로 찍었다. 집으로 돌아와 그 건물에서 만났던 센서내장장치를 그림으로 그려봤다. 자 여러분도 함께 찾아보자. 어디에 센서가 숨어있을까. 또 어떤 장치들에 같은 원리의 센서가 들어있을까.

자동차
자동차는 센서덩어리라고 해도 과언이 아니다. 보통 자동차에는 20여개, 고급차종일수록 1백여개의 센서가 내장돼 있기 때문이다. 자동차에는 에어백, ABS 등에 사용되는 가속도센서, 온도센서, 습도센서, 초음파센서, 거리(속도)센서, 경사센서, 광센서, 압력센서, 가스센서 등이 포함돼 있다.

터치스크린
화면 위에 손이나 펜으로 접촉하면 접촉지점을 감지해 반응하는 장치가 바로 터치 스크린이다. 터치스크린 센서는 전기용량, 저항, 적외선, 초음파, 장력 등을 이용한다. 이 가운데 주변에서 흔히 볼 수 있는 방식이 사람의 전기용량을 이용한 접촉식과 저항막을 이용한 저항막식이다.

감시카메라
감시카메라는 CCD라는 이미지센서가 든 장치로 CCD카메라라고도 한다. CCD 이미지센서는 일종의 광센서로 주위의 모습을 화상신호로 변환한다. CCD 이미지센서는 가정용 비디오카메라를 비롯해 각종 감시카메라, TV전화 등에 사용된다.

전기청소기
청소기 자체는 먼지를 빨아들이는 흡인력이 강할수록 좋지만 너무 세면 흡인구가 바닥면에 붙어 잘 움직이지 않는 단점이 생긴다. 이를 방지하기 위해 전기청소기에는 흡인력을 조절하는 압력센서가 사용된다. 청소기의 흡인력을 적당하게 하려면 압력센서를 통해 풍량이나 풍압을 검지해 흡인기 모터를 자동제어하면 된다.

자동문
자동문은 사람에게서 나오는 적외선을 감지한다. 그 결과 문이 자동으로 열리고 닫힌다.

리모컨으로 켜는 텔레비전
무심코 사용하는 리모컨은 대부분 적외선 리모컨이다. 리모컨은 텔레비전, VCR, CD 플레이어, 에어컨 등에 사용된다. 리모컨에는 적외선을 내는 발광 다이오드가 쓰이고, 텔레비전에는 리모컨에서 나오는 적외선을 감지하는 적외선센서가 내장돼 있다.

바코드 리더
바코드 리더에는 발광다이오드와 광센서의 일종인 포토다이오드가 사용된다. 즉 발광다이오드에서 나온 빛이 렌즈로 집속돼 레이저광이 되고 이 레이저광은 바코드에 비춰져 다시 반사된다. 반사된 레이저광은 포토다이오드에서 감지돼 바코드의 정보를 판독하게 된다.

자동 수도꼭지
수도꼭지가 없고 손만 갖다대면 물이 나오는 자동 수도꼭지 역시 적외선을 감지한다. 구체적으로 말하면 인체에서 나오는 적외선을 감지하는 적외선센서가 들어있다.

소형 카세트
녹음이 가능한 소형 카세트에는 음향센서의 일종인 소형 마이크로폰이 들어있다. 보통 평판전극을 마주보게 한 콘덴서의 원리를 응용한 콘덴서형 마이크로폰이다. 소리에 의해 판이 진동하면서 콘덴서의 용량이 바뀌어 축적된 전하가 변한다. 결국 음향신호가 전기신호로 바뀐다. 또한 이런 종류의 소형 마이크로폰은 넥타이 또는 옷깃에 부착돼 텔레비전 대담 프로그램에 많이 이용된다.