Journal of the KSME

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3저널(10월호).ok 2014.10.7 4:58 AM 페이지31 DK

3저널(10월호).ok 2014.10.7 4:59 AM 페이지32 DK 스마트 센서와 지능형 자동차 강 경 태 한국생산기술연구원 수석연구원 ㅣ e-mail : ktkang@kitech.re.kr 이 글에서는 최근에 전 세계적으로 활발하게 연구가 진행되고 있는 스마트 센서와 센서 기술들을 이용한 지능형 자동 차 연구의 최신 연구 동향들을 소개하고자 한다. 스마트 센서 센서라는 용어는 1970년대 중반부터 널리 사용되었 다. 과거의 검출기 가 단지 특정 물질을 감지 하는 수 준에 머물렀다면, 센서 는 감지 신호를 전달하여 중앙 처리장치가 어떠한 판단을 내리도록 한다는 점에서 그 성격이 매우 다르다고 할 수 있다. 또한 스마트 센서는 기존의 센서가 발전된 똑똑한 센서, 즉 지능화된 센서 (intelligent sensor)로 측정 대상물의 물리 화학적 정보 를 감지하는 일반 센서기술에 나노기술 또는 MEMS기 술을 접목하여 데이터 처리, 자동보정, 자가진단, 의사 결정, 통신 등의 신호처리 기능을 내장하고 있다. 그림 2 모바일기기용 센서(이대성, IT융합을 위한 지능형 센 서산업 동향, 2010, C&I) 이러한 스마트 센서의 발달에는 제조기술 측면에서 는 1980년대 이후 반도체 산업의 발전과 더불어 급속한 발전을 이루고 있는 마이크로머시닝과 같은 미세 가공 기술이 종래의 크고 무거운 조립식 센서를 반도체 IC와 같은 실리콘 기판상에 작게 구 현할 수 있게 함으로써 가능하게 되었다. 실리콘 기판 상에 센서를 제조하기 때문에 반도체가 동시에 제조 공정이 가능하여, 메 모리 반도체, 시스템 반도체 등 반도체 회로 와 결합한 형태로 개발되고 있다. 이와 같 이 미세화된 스마트 센서는 컴퓨터가 갖는 우수한 데이터 처리 능력, 판단 기능, 메모 그림 1 스마트 센서의 구성 [이대성, IT융합을 위한 지능형 센서산업 동향, 2010, C&I] 32 기계저널 리 기능, 통신 기능 등을 내장하는 경우가 많기 때문에 종래의 센서에는 볼 수 없는

3저널(10월호).ok 2014.10.7 5:1 AM 페이지33 DK 1,508억 원을 투입하여 첨단 스마트 센서 원천기술과 유망제품을 개발하고 현장중심 의 기업맞춤형 고급인력양성 등을 통해 센 서산업의 글로벌 경쟁력을 적극 제고해 나 아가겠다고 밝힌 바가 있다. - 스마트 센서는 자동차, 모바일기기, 로 봇, 환경, 국방/보안, 의료기기, 가전기 기, 산업/계측기기 등 다양한 분야에 적 용되고 있다. - 센서산업은 센서 핵심부품의 기술력이 완성품의 기능과 성능을 결정하는 기술 그림 3 자동차용 센서(박효덕, 첨단 센서산업 현황 및 전망, 2014, 시스 템-반도체 포럼) 집약적 산업으로서, 타 산업에 적용되 어 기술들 간 융합의 매개체 역할을 함 으로써 기존 제품의 성능과 서비스를 첨단화시키고 부가가치를 창출한다. 최신 스마트폰에는 이미지센서, 터치센 서, 마이크로폰, GPS, 모션센서, 지자지센 서, 조도센서, 근접센서, 지문센서 등 10종 이상 20개의 스마트 센서가 적용 중이며, 자동차의 경우에는 30종 이상 160개의 다 양한 스마트 센서가 이미 사용되고 있다. 지능형 자동차 그림 4 한국산업기술진흥원(KIAT) 기술로드맵(2012)상의 지능형 자동차 (배진우, 스마트카 IP 활용 및 리스크 대응 이슈리포트, 2014) 지능형 자동차 또는 스마트 카의 정의는 자동차기술에 차세대 전기전자, 정보통신, 많은 장점을 갖는다. 일반인에게 이러한 스마트 센서의 기능제어 기술 접목을 통해 자동차의 내외부 상황을 실 효과를 가장 효과적으로 보여준 바가 Apple 사의 아이 시간 인식하여 고안전, 고편의 기능을 제공할 수 있는 폰를 비롯한 스마트폰이다. 스마트 센서의 지능화는 스 인간 친화적 자동차 이다. 이는 ICT 기술을 이용하여 마트폰 이외에도 지능형 자동차, 스마트 홈시스템, 웨 기존의 자동차보다 운전사와 탑승객에게 더욱 안전하 어러블 전자기기, 원격진료 시스템, 대규모의 환경감시 고, 더욱 편리한 자동차로 제작한 것으로서, 단순히 정 시스템, 사물인터넷 등으로 센서의 활용 영역을 넓히고 보통신 기술을 자동차에 적용하는 것이 중요한 것이 아 있다. 니라, 안전성과 편리성을 고려해서 적용하는 것이 핵심 스마트 센서는 다음과 같이 산업적으로 많은 장점을 이다. 따라서 운전사가 운전에 집중을 해야 하는 운전 가지고 있어서, 정부에서는 2015년부터 향후 6년간 총 상황 예를 들어서 급격한 조향을 하는 경우에는 운전자 2014. 10., Vol. 54, No. 10 33

3저널(10월호).ok 2014.10.7 5:1 AM 페이지34 DK 스마트 센서와 지능형 자동차 의 전화 수신을 유예하는 등의 기능을 가질 수 있으며, 앞 차와의 거리 경고 및 차선 변 경 시의 옆 차선의 자동차 존재 경고 기능 등도 이미 실현되고 있다. 이러한 지능형 자동차를 구현하기 위해서는 스마트 센서, 액추에이터, 컴퓨터, 소프트웨어, 인간공학 등의 기술이 필요하다. 지능형 자동차와 스마트 센서 기술 무인 운전 자동차로 대표되는 미래 지능 형 자동차가 본격화되기 위해서는 그림 5에 그림 5 Google self driving car를 Toyota Lexus SUV모델에 적용한 예 (http://en.wikipedia.org/wiki/ Google_driverless_car) 나타낸 Google 사의 self driving car 상부의 레이저 센서와 같은 초고속 스마트 센서와 그림 6에 나타낸 것과 같은 기존의 다양한 스마트 센서가 필요하다. 이 글에서는 스마트 센서의 지능형 자동 차 적용을 개괄하였다. 스마트 센서는 컴퓨 터가 갖는 우수한 데이터 처리 능력, 판단 기능, 메모리 기능, 통신 기능 등을 내장하 는 마이크로 센서로 현재에도 스마트폰, 자 동차에 수십 개씩 적용되고 있어서 향후 발 전 가능성이 밝다. 무인 운전 자동차로 상 징되는 지능형 자동차가 본격화되면, 다양 한 스마트 센서가 더욱 많이 필요할 것으로 그림 6 지능형 자동차용 스마트 센서의 예(박효덕, 첨단 센서산업 현황 및 전망, 2014, 시스템-반도체 포럼) 34 기계저널 예상된다.

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3저널(10월호).ok 2014.10.7 5:2 AM 페이지39 DK 종이 바이오 센서 개발 기술 동향 이 상 호 한국생산기술연구원 마이크로나노공정연구그룹 수석연구원 ㅣ e-mail : sholee7@kitech.re.kr 이 글에서는 바이오 센서에 응용할 수 있는 종이 기반의 저가 센서 제작법과 검출방법에 따른 연구 동향을 간략히 소 개하고자 한다. 현재까지 바이오 센서 제작기술은 정확한 진단, 고감 종이 센서 제작 기술 도 검출을 목표로 고가의 검사 장비에 적합한 바이오 센서들이 주로 개발되어 왔다. 국내 마이크로 디바이스 종이는 친수 모재이므로 유체를 선택적으로 유도하 제조 기술 및 검출 기술 등은 선진 연구그룹 대비 상당 기 위해서 소수성 경계를 선택적으로 패터닝 하여야 한 한 수준에 도달해 있으나, 기존의 마이크로플루이딕칩 (microfluidic chip) 기반의 검사법은 복잡하고 바이오 센서의 크기에 비해 거대하고 비싼 유체 조작 시스템과 검출 시스템이 필요하다. 따라서, 일상 환경 및 산업 현 장에서 널리 사용하기 위해서는 사용법에 관한 전문적 인 교육이 필요하고, 비용적인 측면에서도 대중화되기 엔 어려운 실정이다. 최근, 마이크로 디바이스 공정기 술 기반의 바이오 센서 기술의 단점을 극복하고자, 종 이 기반의 분석칩(paper-based analytical chip)을 이용 한 바이오 센서 개발에 관한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다(Anal. Chem. 2010, 82, 3-10). 종이는 값이 싸고, 인쇄기법으로 바이오 검사시료의 고정화가 쉽고, 친수성과 모세관 현상에 의해 별도의 동력이 없 이 유체가 흐르고, 별도의 분석 장비 없이도 육안 식별 이 가능한 색변화 검출법에 유용하게 사용될 수 있다 (Anal. Chem. 2010, 82, 3-10). 적용 분야도 단백뇨 검 사, 독성 가스 검출, 중금속 이온 검출, 말라리아 검사 등 의료분야에서부터 환경 분야까지 걸쳐 다양하게 확 장되고 있다.(Lab Chip 2013, 13, 22110-2251; PNAS, 2008, 105, 19606-19611) 그림 1 (A) 종이 마이크로플루이딕칩 제작 개념도; (B,C) SU-8 포토레지스트 패터닝 기반 마이크로채널 형성 법; (D,E) 왁스 프린팅을 이용한 마이크로 채널 형성 법(Anal. Chem. 2010, 82, 3-10) 2014. 10., Vol. 54, No. 10 39

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3저널(10월호).ok 2014.10.7 9:48 PM 페이지41 DK (A) 그림 5 (A) PCDA-HBO/PCDA-HBA; (B) PCDAHBO/PCDA-pBA(1/1) liposomes 코팅된 종이 센 서의 HCl, HF, H3PO4, 신경가스 diethylchloro phosphate(dcp)와 diisopropyl fluorophosphate (DFP)에 30초 노출 후 색변화 사진.(Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1632-1638) (A) (B) 그림 7 (A) 체류인자 분석법의 개념도; (B) 왁스 프린팅법으 로 제작된 종이 센서(한국생물공학회지 2013, 28(4) 254-259) (B) 그림 6 (A) 종이기반 분석칩의 개략도; (B) 컷팅과 잉크젯프린터로 제작된 종이 단백질 분석 어레이칩.(2013 년 KMEMS 학술대회, 103) 도를 지닌 센서를 만들 수 있다고 보고하였다.(그림 4) 그림 8 스크린 프린팅법으로 제작된 전기화학 검출 종이 센 서.(Anal. Chem. 2009, 81(14), 5821-5826) 2012년 Jiseok Lee 등은 신경가스를 160ppb까지 감 하여 종이 센서를 제작하였으며, BSA에 의한 TBPB의 지할 수 있는 종이 센서를 개발하였으며, 독성 가스의 색이 변화된 길이와 용제의 이동 거리의 비율을 체류 양을 추적하여, 30초 이내에 푸른색에서 핑크색으로 바 인자로 정의하고, 샘플의 용제가 이동한 거리와 BSA가 뀌도록 색변화기구를 개발하였다.(그림 5) 이동한 거리의 비율을 농도로 환산하여 외부 이미지 분 2012년 한국생산기술연구원에서는 잉크젯 프린팅법 석 장비 없이 정량 분석이 가능하다는 것이다.(그림 7) 과 기계적 커팅법을 이용한 종이 센서 제작법을 국내에 서 처음 개발하였다. 종이를 커팅 후 UV 경화 레진을 전기화학 검출 종이 센서 잉크젯 프린팅하여 소수성 경계층을 형성하는 기술을 개발하였으며, 10 pl의 단위 부피로 잉크젯 프린팅 횟수 를 조절하여 분석시료의 농도를 변화시켰다.(그림 6) 전기화학 검출법은 휴대용 분석기기 제작에 유리하 여 널리 사용되는 검출법으로서, 스마트 IT 기기와도 쉽 충남대학교 이창수 교수 연구팀은 체류인자를 이용 게 기능적으로 결합이 가능하다. 전기화학 검출을 위해 한 정량적 분석이 가능한 종이 센서 제작 기술을 선보 서는 표준 전극(reference electrode), 작업 전극 였다. 왁스 프린팅 기술과 잉크젯 프린팅 기술을 이용 (working electrode), 상대 전극(counter electrode)을 2014. 10., Vol. 54, No. 10 41

3저널(10월호).ok 2014.10.7 5:2 AM 페이지42 DK 종이 바이오 센서 개발 기술 동향 종이 위에 형성해야 한다. Dungchai 등은 2009년에 Ag 페이스트와 carbon 잉크를 이용하여 종이 마이크로플 루이딕칩 위에 전극을 형성하는 종이 센서에 관한 연구 를 보고하였다(Anal. Chem. 2009, 81 (14), 5821-5826). 포토리쏘그래피 공정을 이용하여 종이 마이크로플루이 딕칩을 제작하였고, 스크린 프린팅을 이용하여 표준 전 극, 작업 전극, 상대 전극을 인쇄하였다.(그림 8) 2010년 Zhihong Nie 등은 전기화학 종이 센서를 상 용 전기화학 측정기를 이용하여 분석하는 연구 결과를 발표하였다. 왁스 프린팅법을 이용하여 종이 마이크로 플루이딕칩을 제작하고, Ag 페이스트와 graphite 페이 스트를 스크린 프린팅하여 전극을 형성하였다(그림 9). 제조 단가는 기존 플라스틱 기반 센서 스트립 가격의 1/30 이하로 제조 가능하다고 밝혔다. 그림 9 (A) 왁스 프린팅법과 전극 스크린 프린팅법을 이용 하여 제작된 종이 센서; (B) 기존의 플라스틱 전기화 화 센서 스트립과 제작된 종이 전기화학 센서 스트 립과의 비교 사진; (C) 상용 전기 화학 측정기에 장 착된 모습.(Lab Chip 2010, 10, 3163-3169) 기계용어해설 바이오에탄올(Bio-Ethanol) 알코올계 연료인 바이오에탄올은 친환경 대체연료로서 사탕수수나 옥수수, 밀과 같은 농작물의 발효 및 농축, 증 류과정을 통해 제조할 수 있으며, 온실가스의 발생을 억 제할 수 있는 친환경 대체연료로 주목 받고 있으며, 높은 옥탄가와 산소함유율(35%)로 불꽃점화방식 엔진의 압축 비를 증가시켜 열효율을 증가시킬 수 있고 CO의 배출량 이 낮은 특성을 보임. 42 기계저널 반응면 기법(RSM) 정해진 몇 가지의 실험점을 이용하여 설계공간을 모사하 는 기법 볼텍스 튜브(Vortex Tube) 1개의 입구와 2개의 출구로 구성되어 있고, 압축기체가 접선방향의 노즐로 들어가서 한쪽 출구로는 고온이 되어 나오고, 다른 한쪽 출구로는 저온이 되어 나오는 장치.

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3저널(10월호).ok 2014.10.7 5:2 AM 페이지44 DK 인쇄 스마트 패키지 센서태그 초저가의 스마트 패키징 센서태그 제조가 가능할 것으로 전망된다. 전자 잉크 전자잉크 구현을 위한 핵심 요소 기술은 크게 잉크합성, 분산, 최적화, 특성제어 기 술로 나뉜다. 잉크 합성/분산 기술 잉크의 소재(유기, 무기)에 따라 다양한 그림 2 하이브리드 연속 생산 공정 기반으로 제작되는 광 센서 소재를 용액형태로 합성하는 기술은 인쇄 전자에서 가장 핵심적인 기술이다. 무기물 기반의 잉크의 경우 무기물 나노 입자 또는 구조체를 제조하여 용액형태로 제조하는 기술이 요구되며, 유기물 기반의 잉크의 경 그림 3 전자잉크용 나노 소재 우 고분자 또는 단분자 형태로 합성하는 기 술이 요구된다. 특성 제어 기술이 매우 중요하다. 일반적으로 인쇄된 잉크는 여러 형태의 유기물(분산재, 용매, 등)을 포함하 인쇄최적화 및 matching 기술 고 있으므로 이를 효과적으로 제거함으로써 기능의 향 합성된 잉크는 궁극적으로 높은 인쇄성을 가지고 있 상을 얻을 수 있다. 어야 한다. 특히 잉크 소재는 매우 다양한 기판에 여러 가지 인쇄공법을 이용하여 구현될 수 있을 때 가장 유 인쇄전자에 사용되는 인쇄장비 용하나, 실제의 경우 각 경우마다 공정 최적화 기술 개 발이 필요하다. 즉 기판에 따라 다른 표면 에너지를 가 인쇄전자에 적용되어 컨셉트 제품 및 시제품 제작에 지며, 인쇄공법에 따라 요구되는 잉크의 기본 특성이 사용되고 있는 인쇄장비(그림 4)는 스크린, 잉크젯, 그 달라진다. 이러한 부분은 기존의 진공 공정과는 크게 라비아 등 여러 가지 종류의 기계가 사용되고 있으나 대별되는 부분으로, 각 경우마다 소재/공정/장비를 최 스마트 패키징과 같이 연속 공정에 적용하기에는 롤투 적화하고 matching하는 기술이 필요하다. 롤 그라비아 인쇄방법이 가장 적합한 인쇄방법이다. 롤투롤 인쇄장비의 미세선폭 구현 및 초정밀 중첩 인 기능특성 제어 기술 쇄 기술 개발이 인쇄전자 소자 산업화에 핵심 요소기술 합성된 잉크는 최종적으로 요구되는 전기적, 광, 또 로 부상하고 있다. 미세선폭의 경우 롤투롤 그라비아로 는 그 외의 여러가지 특성을 구현해야 한다. 많은 경우 수 μm 패턴까지 인쇄한 샘플이 보고되고 있으나, 적층 잉크로 형성된 박막 또는 구조체는 진공공정을 통해 얻 인쇄 및 양산 수율을 고려했을 때 현재로서는 수십 μm 은 재료에 비해 기능이 크게 떨어지므로 소자 측면에서 패턴이 한계로 여겨지고 있다. 롤투롤 그라비아 장비의 44 기계저널

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