기획특집 사물인터넷응용을위한스마트환경센서기술동향 김영민이사 / 큐빛 kym@miofab.co.kr 머리말사물에센서를부착한후인터넷을통해실시간으로데이터를주고받는기술또는환경을일컫는사물인터넷 (IoT, Internet of Things) 에대한관심과필요성이증대되면서, 사물인터넷실현을위해필요한기술들인주변환경에대한정보수집을위한센싱기술, 인간과 사물, 서비스를연결시킬수있는유무선통신및네트워크인프라기술, 사물인터넷서비스인터페이스기술에대한요구가증대되고있다. 특히인터넷구현을위해가장중요한주위환경으로부터정보를수집하기위한센서기술은 MEMS 첨단센서및스마트센서화실현을위해센서강국들을비롯하여우리나라에서도첨단스마트육성사업등을추진하고있다. 실내생활환경수질환경대기환경 아파트, 빌딩병원, 공공기관교통수단 - 버스, 지하철등 상수원, 하수도등상수원, 하천, 댐등 온습도, 기압황사, VOC 자외선, 방사능 그림 1. 주요환경분야 112 계장기술
사물인터넷응용을위한스마트환경센서기술동향 최근대기오염및기상이변등으로인해주변환경과삶의질에대한관심이높아짐과함께인간이편리하고쾌적한삶추구에대한요구가증대되면서주변환경에대한실시간환경모니터링뿐만아니라중요한역할을하고있는스마트환경센서에대한연구개발이활발히진행되고있다. 주변환경에대한실시간모니터링을위한환경센서네트워크는그림 1과같이생활환경, 대기환경및생태환경등모니터링하고자하는공간이나지역에여러개의센서노드를설치하고, 센서노드에서관측된정보를유무선통신등을통해수집, 처리, 분석을수행하여서비스하는전체시스템을말한다. 본고에서는삶의질향상과쾌적한실내환경등과같은라이프케어 (Life-care) 구현을위해실시간환경모니터링에필요한스마트환경센서중온습도센서및압력센서대한국내외기술동향에대해살펴보고자한다. 스마트환경센서센서란우리가살고있는환경속에서, 물리적화학적정보를전기적신호로변환하여제공해주는기능을하는것으로, 측정대상물을감지또는측정하여그측정량을전기적인신호로변환하는장치, 즉압력, 속도, 온도, 습도, 주파수, 소리, 빛등의정보를감지하여유용한전기신호로변환하는소자또는장치를의미한다. 스마트센서는측정대상물의물리화학적정보를감지하는센싱기능에데이터처리, 자동보정, 의사결정, 통신등이결합되어신호처리기능을내장한지능화된센서로, 스마트폰을비롯하여지능형자동차, 스마트홈, 환경실시간감시, 사물인터넷등다양한분야에서활용영역을넓히고있다. 2013년 TSensors Summit 발표에서향후 10년내에매년 1조개의센서가필요할것으로전망하는 1조개센서시대의비젼과로드맵을제시했으며, Microelectronics 100,000,000,000,000 10,000,000,000,000 풍요 ( 백만달러 ) 25,000 CAGR 14% 1,000,000,000,000 100,000,000,000 10,000,000,000 1,000,000,000 100,000,000 222%/Y 56%/Y 21%/Y 20,000 15,000 10,000 5,000 9,517 10,964 12,341 14,613 16,735 18,798 20,687 10,000,000 2007 2012 2017 2022 2027 2032 2037 그림 2. (a) 1 조개센서시대의비전과로드맵 (Source : T Sensor Summit, 2013. 10) 0 11 12 13 14 15 16 17 (b) MEMS 센서시장전망 (Source : STMicroelectronics, TI, 우리투자증권 ) 2016. 7 113
스마트공장을위한솔루션과대응방안 (2) 사의조사에따르면 MEMS 센서시장은 2014년 146억달러규모로연간 14% 성장할것으로예상하고있다. 서화를위한연구개발이활발하게진행되고있다. 스마트환경센서는환경매체 ( 온습도, 대기, 수질등 ), 인간, 생태계에서의환경오염물질의영향등에대한실시간감시모니터링을위한사물인터넷시대의도래와함께환경정보를수집하고, 실시간및연속데이터확보를위해소형, 정밀고감도, 저전력및고속측정에대한센싱기술에대한중요성이증대되고있다. 사물인터넷구현을위해주변의환경을수집하는기술인센싱기술에대한중요성이증대되면서주변환경센싱을위해센서도소형, 저전력화를위한 MEMS 공정기술개발이지속적으로이루어지고있으며, 센서적용분야확대및첨단센서의요구증대등, 시장의요구에맞추어센서강국을중심으로 MEMS 센서및스마트센 스마트환경센서기술동향인간의삶의질향상과쾌적한실내환경에유지하기위해온도및습도, 대기압, 공기질등을실시간으로모니터링할수있는스마트환경센서를탑재한제품들과기술들에대한관심이증가하고있는상황이다. 특히스마트폰의급속한보급및증가는소형, 저전력스마트센서개발을가속화하고있으며, 실시간환경측정을위해스마트폰에적용되었거나, 적용되어있는온습도복합센서와압력센서에대한국내외기술동향을살펴보고자한다. 인간이생활하는공간에서가장중요한환경조건이 IST AG [ 스위스 ] C30%RH : 150pF±50pF@23 감도 : 0.25 pf/%rh@15~90%rh 측정범위 : 0~100%RH 동작온도 : -50 ~150 응답시간 : t 63<6 sec@50~0%rh 선형성오차 <1.5%RH@15~90%RH 히스테리시스 : <1.5%RH 모델명 : P14 2FW Thermo 패키지 : LEAD PIN TYPE 온도센서 : (Pt100) 크기 : 5 * 3.8mm E+E ELEKTRONIK [ 오스트리아 ] C0%RH : 70pF 감도 : 0.25 pf/%rh 측정범위 : 0~100%RH 동작온도 : -40 ~140 응답시간 : t 63<6 sec 선형성오차 <±2%RH@20~80%RH 히스테리시스 : <1.85%RH 모델명 : HCT01 패키지 : DFN-8 Package 온도센서 : (Pt1000) 크기 : 5 * 5 * 0.95mm 온습도센서모듈 초소형 / 고성능 / 저전력화 디지털출력 Sensor Wire Bonding PCB Sensor ROIC ROIC 아날로그출력모듈 ( 주파수출력 / 전압 ) Two-Chip Package Source : www.ist-ag.com DFN Package(One-Chip) (www.sensirion.com) 그림 3. 온습도복합센서발전방향 114 계장기술
사물인터넷응용을위한스마트환경센서기술동향 ( 주 ) 삼영에스앤씨 Sensirion Silicon Labs STMicroelectronics 모델명 패키지형태공급전압측정온도범위온도정확도측정습도범위습도정확도 HumiChip 6 * 4 * 0.9mm 3 SMD Package 2.3~5.5V -40 ~125 ±0.3 @20~40 0~100%RH 2 * 2 * 0.75mm 3 DFN Package SHTC1 Si7034 HTS221 2 * 2 * 0.75mm 3 OFN Package 2 * 2 * 0.9mm 3 IIL GA-6L Package 1.62~1.98V 1.67~1.98V 1.7~3.6V -30 ~100-40 ~125-40 ~120 ±0.4 @-10~85 ±0.3 ±0.5 @15~40 0~100%RH 0~100%RH 0~100%RH ±2%RH@20~80%RH ±3%RH@10~90%RH ±3%RH@0~80%RH ±3.5%RH@20~80%RH 그림 4. 온습도복합센서모델및성능발전방향 Sensirion Products [ 스위스 ] Chip Size Package 방식 공급전압 공급전류 인터페이스 SHT15 7.5 * 4.9 * 2.6mm 3 3 * 3 * 1.1mm 3 2 * 2 * 0.75mm 3 1.3 * 0.7 * 0.5mm 3 SMD DFN DFN WLCSP 2.4~5.5V 2.1~3.6V 1.62~1.98V 1.62~1.98V 소비전력 3mW@measuring 200~330μA @measuring 385~465μA @measuring 385~465μA @measuring Digital (2-wire Interface) I 2 C, PWM, SDM I 2 C I 2 C 그림 5. 온습도복합센서발전모델 (Source : Sensirion) 온도라는인식에서보다쾌적한환경및에너지절감의중요성이대두되면서온도와함께습도관리의필요성이증대되고있다. 이러한온습도관리에필요한센서는그림 3에서보여주는것처럼온도센서와습도센서를별도의제작및모듈화를진행해왔으나, 반도체및 MEMS 공정기술의발전과더불어온도센서내장형 CMOS ROIC 개발과함께습도센서를일체화한 One- Chip 또는별도의습도센서를패키징한 Two-Chip 복합센서에대한연구개발및출시를하고있다. 스위스의 Sensirion, Silicon Labs, STMicroelec tronics 등을중심으로 One-Chip 화및소형복합화, 저 전력화를통한센서시스템화에대한연구개발및상용화가이루어지고있으며, 국내기업으로는삼영에스앤씨사가 CMOS 공정을이용한온도내장형디지털출력칩에습도센서를패키징한 Two-Chip 형태의온습도복합센서를양산화했으며, 지속적인연구개발을진행하는것으로알려지고있다. 국내외의온습도복합센서제품에대한센서사이즈및성능을그림 4에나타내었다. 그림 5는스위스 Sensirion 사의온습도복합센서크기및성능변화를보여주는것으로, 특히 SHTW1은스마트폰등에적용을위해 WLCSP(Wafer level Chip Scale Package) 방식을적용하여칩크기를최소화한 2016. 7 115
스마트공장을위한솔루션과대응방안 (2) 450 μm Vacuum cavity Substrate Vacuum cavity Substrate APMS(Advanced Porous Silicon ) 공정을이용한절대압센서 (Source : Bosch) Cavity 345.5 μm VENSEN 공정을이용한 Cavity 형성공정 (Source : STMicroelectronics) ASIC MEMS LPS3331AP 3 3 0.99mm 3 그림 6. 압력센서공정기술모델및성능 Measurement Specialties Omron STMicroelectronics Bosch Sensortec Sensirion 모델명 MS5637-02BA03 2SMPB-01-01 LPS22HB BMP280 SPT-BX 패키지형태측정방식인터페이스공급전압소비전류압력범위 3 * 3 * 0.9mm 3 QFN Package 압저항방식 I 2 C 1.5~3.6V 0.1μA @25, 3V Standby 300~1200hPa [0.3~1.2bar] 3.8 * 3.8 * 1mm 3 QFN Package 500μA @25, 2.5V 0.3μA @sleep mode 300~1100hPa [0.3~1.1bar] 2 * 2 * 0.76mm 3 HLGA Package 15μA @1Hz 압온측정 1μA @power-down 260~1260hPa [0.26~1.26bar] 2 * 2.5 * 0.95mm 3 LGA Package 압저항방식 압저항방식 압저항방식 정전용량방식 I 2 C 2 C, SPI I 2 C, SPI I 2 C 2.25~3.6V 1.71~3.6V 1.71~3.6V 1.8V 2.7μA @ 1Hz 압온측정 2.7μA @1Hz 압온측정 0.1μA @sleep mode 0.1μA @sleep mode 300~1100hPa [0.3~1.1bar] 1.4 * 1 * 0.6mm 3 300~1100hPa [0.3~1.1bar] 그림 7. 압력센서모델및성능 복합센서개발및출시한것으로보이며, 센서가일반가전뿐만아니라자동차, 스마트폰등다양한분야에적용되기위해서는소형저전력, 고성능첨단센서가요구되고있다. 압력센서시장은분석기관마다조금씩차이가있지만 Research & Market 에따르면 2014년전세계매출규모가 $6.53 billion USD로 2014~2020년사이에 6.2% 성장률을보일것으로예상하고있으며, MEMS 압력센서기술을보유하고있는선진기업들은신공정기술을이용하여다기능, 고성능및저전력화를구현한초소형센서제품개발을추진하고있다. 국내압력센서및관련분야의상황은원천기술및기반시설이취약한상태로, 압력센서에대한연구개발보다는대부분해외수입에의존하고있는실정이다. 116 계장기술
사물인터넷응용을위한스마트환경센서기술동향 8-pin metal-lip 2.5 * 2.5 * 0.93mm 3 LGA Package 8-pin metal-lip 3.0 * 3.0 * 0.95mm 3 LGA Package 그림 8. (a) 온습도 / 압력복합센서, (b) 온습도 / 압력 / 가스복합센서 (Source : bosch-sensortec.com) 소형화 반도체및 MEMS Sensor 공정개발 Multi-Chip Package 기술개발 MEMS Sensor 기술력향상 대량생산및생산수율향상 : 양산장비성능향상 저가격화 7.5 * 4.9 * 2.6mm 3 공정비용절감 : 4inch 6inch 8inch, Wafer 당 Chip 수량증가 1.3 * 0.7 * 0.5mm 3 Source : Sensirion 고성능화 센서단품 스마트센서화 자동차실내환경모니터링 스마트폰을이용한실시간환경모니터링 스마트홈환경모니터링 CMOS-MEMS 기술로센싱소자와신호처리회로결합시스템 One-Chip 화 (Sensor+ROIC) 사물인터넷 (IoT) 시대웰빙환경구현 그림 9.. 스마트환경센서발전방향 압력센서는인가되는유체의압력, 즉센서에가해지는힘의크기를물리량으로받아들이고, 이를전기적인신호로변환시켜출력해주는센서로써, 검출방식에따라기계식, 전기식, 반도체식압력센서로, 반도체식압력센서의경우압력감지방식에따라크게압저항형과정전용량형으로분류하고있다. 을이용한초소형정밀센서로발전하고있으며, ME MS 압력센서가현위치의고도 ( 기압 ) 를실시간으로모니터링이가능한스마트폰등휴대기기에채용되면서절대압센서에대한수요증대로 MEMS 압력센서분야는초소형화, 고기능및신공정기술에대한연구가활발히진행되고있다. 압력센서는기계식에서전자식, 반도체 MEMS 기술 Measurement Specialties, Bosch Sensortec, Omron, 2016. 7 117
스마트공장을위한솔루션과대응방안 (2) STMicroelectronics 등선진기업들이기술력과노하우를바탕으로대부분의시장을점유하고있으며, 그림 7 은선진업체들의압력센서제품모델에따른성능을예시로보여주고있다. 특히스위스의 Sensirion 사는스마트폰에온습도복합센서를적용했던경험을토대로 ±1Pa 상대압정확도와 ±200Pa 절대압정확도를갖는정전용량방식의초소형압력센서를개발한것으로알려지고있다. 양산화가가속화될것으로예상되고있다. 시장조사기관인 HIS에따르면, 두개이상의센서를하나의패키지로구현한콤보센서시장은 2012년을시작으로본격적으로확대되어 2016년에는모션센서분야시장의약 50% 까지이를것이라고예상하고있다. 맺음말 사물인터넷시대의인간이웰빙환경구현을위해소형, 저전력스마트센서들에대한요구가증대할것으로예상되며, 스마트폰과같이한정된공간에보다많은기능의센서들을채용하기위해여러개의센서들이결합되는콤보센서시장에대해세계적인리서치전문업체인 Yole Development 의조사에따르면, 콤보센서는 MEMS 센서시장이평균성장률 (13.8%) 을웃도는높은성장률을보일것으로예상하고있다. Bosh Sensortec은스마트폰등휴대기기에적용이가능할수있도록 2.5mm 2.5mm크기에두께가 0.93 mm를가지는온습도 / 압력복합센서제품 (BME280) 을 2014년발표를시작으로온습도 / 압력 / 가스복합센서제품 (BME680) 등을 LGA Package 방식으로소형, 저전력복합센서모듈들을개발및상용화하고있다. 인간이편리하고쾌적한삶을추구하기위한사물인터넷 (IoT) 에대한중요성이증대되면서, 인간과기기간의상호작용심화에따라주변환경센싱을위해센서도소형, 저전력화를위해 MEMS 공정기술에대한개발이지속적으로이루어지고있으며, 사물인터넷구현을위해중요한센싱기능에데이터처리, 의사결정, 통신기능등이결합되어자동보정, 상황판단, 네트워킹등이가능한회로기술등다양한기술을접목한 MEMS 센서및스마트센서화가가속화되고있다. 선진기업들이기술력과노하우를바탕으로스마트센서에대한다양한솔루션을제공하고있지만, 국내기술수준은선진국대비 63% 정도이며, 사물인터넷적용등을위한스마트센서는국내수요의대부분을수입에의존하고있다. 자동차실내환경모니터링, 스마프폰을이용한실시간환경모니터링, 스마트홈환경모니터링등인간이쾌적한삶을추구하기위해향후미래형환경센서발전방향은반도체및 MEMS 공정기술과 Multi- Chip Package 기술개발의발전으로더욱소형저전력화가이루어지고, 기존의단일센서모듈에서관련센서들이하나의패키지를이루는콤보센서에대한개발및 인간의삶의질향상과행복한웰빙생활환경구현을위한대부분기기의핵심부품으로스마트센서의중요성이커짐에따라, 국내센서업체들의스마트센서에대한연구개발및상용화를통해선진기업들과의센서산업경쟁력을확보해야하며, 이를위해서는센서관련업체, 학교, 연구소간의협력이중요하며, 국가의적극적인지원또한필요하다고생각한다. 118 계장기술