06 센서, 엑추레이터, 네트워크

06 센서, 엑추레이터, 네트워크

사물인터넷을 구성하는 기술적 요소에는 어떤 것들이 있을까요? 여기 사물인터넷을 활용한 '스마트팜'이 있습니다. 스마트 팜이란 스마트폰 등으로 농작물을 원격 관리하는 체계를 갖춘 농장을 말합니다.

한 밤에 기온이 내려가고 토양의 수분이 줄어들자 비닐하우스가 알아서 히터를 틀고, 스프링클러를 가동하네요. 그러고는 농부의 스마트폰으로 이러한 처리 결과를 전송해 줍니다. 어떤가요? 혹시 너무 단순한 거 아냐, 라는 생각이 드시나요?

사물인터넷의 기술은 사람의 개입 없이 기계학습의 결과로 스프링클러가 가동되는 것이 가능하게 하는 것입니다. 그러나 비닐하우스 내부의 온도와 토양의 수분을 측정하기 위해서 센서는 끊임없이 비닐하우스 내부를 센싱하고 있어야 하며, 수집한 데이터를 무선통신망을 통해 서비스 플랫폼과 통신을 해야 합니다. 서비스 플랫폼은 이러한 데이터를 처리하여 온도를 얼마만큼 올리고, 물을 얼마만큼 주어야 할지를 결정하게 됩니다. 물론, 이 외에도 비닐하우스 내의 히터를 틀고, 스프링클러를 가동시킬 수 있는 액추에이터도 필요하겠지요. 한 명의 주연 배우가 멋진 연기를 하기 위해 그 뒤에는 수많은 스텝이 존재하는 것처럼, 사물인터넷 역시 그 뒤에 수많은 기술들이 뒷받침 되어야만 가능해 집니다. 가장 중요한 것은 센서가 생성한 데이터입니다. 이번 시간에는 이렇게 사물인터넷을 구성하는 기술 요소 중에서 센서와 액추에이터, 그리고 무선 센서 네트워크에 대해 살펴 보겠습니다.

센서와 액추에이터

1. 센서

센서와 엑츄에이터이번 시간에는 먼저 센서와 액추에이터에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 센서는 ‘감각하여 알아내는 장치’이며 액추에이터는 ‘시스템을 움직이거나 제어하는 기계장치’를 말합니다. 센서와 액추에이터 모두 에너지 변환기의 일종입니다.

먼저, 센서에 대해 알아보도록 하겠습니다. 사물인터넷의 사물들은 모두 센서가 포함되어 있습니다. 이러한 센서는 인지에 있어서 중요한 데이터를 제공합니다. 온도, 습도와 같은 기본적인 환경정보가 데이터입니다.

이 그림은 센서 허브의 알고리즘을 나타낸 것입니다. 최근 스마트폰에 탑재되는 센서의 수는 점점 증가하고 있는데, 이러한 센서를 어떻게 제어하는가 하는 것이 중요한 과제로 떠오르면서 센서 허브 소프트웨어 또한 중요해지고 있습니다. 지금까지 허브 프로세서로서 여러가지 전력 절약 마이크로 컴퓨터코어가 이용되고 있습니다. 센서 허브는 기본적인 센서 교정이나 센서 퓨전뿐 아니라 고도의 어플리케이션 레벨의 데이터 처리, 사용자 활동의 모니터링, 상황 인식, 보행자의 내비게이션까지 다방면에 적용되고 있습니다.

2. 센서의 효과와 종류

다양한 센서들은 다양한 효과를 지니고 있습니다. 센서의 효과에는 홀 효과, 압전 효과, 광전 효과, MEMS, 그 밖에 열전 효과와 코리올리 효과가 있습니다.

간략하게 살펴보자면, 홀 효과는 전류와 자기장에 의해 모든 전도체 물질에 나타나는 효과 이며, 압전 효과는 기계적 일그러짐을 가함으로써 유전 분극을 일으키는 현상을 말합니다. 광전 효과란 금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상을 말합니다. MEMS는  나노기술을 이용해 제작되는 매우 작은 기계를 의미하며 소형경량화라고도 합니다. 열전 효과는 열전 현상이라고도 하며, 열과 전기의 상관현상과 관련된 효과를 총칭하는 것입니다. 코리올리 효과란 전향력 또는 코리올리 힘이라고도 하며, 회전하는 계에서 느껴지는 관성력을 뜻합니다.

홀 효과는 ‘자장에 비례하여 기전력이 발생하는 물리적 현상’입니다. 전류가 흐르는 도체, 반도체 또는 전해질용액의 양단에 자기장이 걸리면, 자기장 내 움직이는 전하는 움직이는 방향에 수직한 힘을 받게 됩니다. 도체 양측에 플러스, 마이너스의 전하가 약간 이동하게 됨으로써 전류 및 자기장에 수직으로 도체 양단에 전기장이 발생하게 되는 것입니다. 따라서 홀 효과는 전하 운반자 밀도나 자기장을 측정하는데 유용하며 이러한 효과를 이용한 것이 홀 센서 입니다. 다시 말해, 홀 센서는 자기장 세기에 따라 전압이 변하는 소자라고 할 수 있습니다.

홀 센서는 일반적으로 스위치 형으로 사용하는 홀 IC센서를 사용하는데, 이 센서의 특징은 자속밀도 따라 출력이 ON, OFF되며, 그에 따라 마이컴 등 디지털적인 용도로 사용됩니다. 출력이 자속밀도에 비례하여 아날로그적인 용도로도 사용됩니다. 우리가 흔히 알고 있는 '나침반'도 일종의 자기센서라고 할 수 있으며, 모터를 포함한 기계장치의 회전수 및 위치측정에도 활용되고 있습니다.

압전 효과는 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것입니다. 반대로 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것을 역압전 효과라고 합니다. 전기쌍극자를 가진 재료에 물리적인 힘을 주었을 때에는 결정을 구성하는 분자 간 혹은 이온 간 상태변화가 발생합니다. 재료가 힘을 받으면 결정 구조가 찌그러지면서 전기쌍극자의 크기의 변화를 일으켜 주변의 전기장이 바뀌게 되는 것입니다.

이 때 플라스틱계의 PVDF 필름을 이용하는데, 이것들은 압전 효과를 이용한 센서에 사용되고 있습니다. 이러한 압전 세라믹스는 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전계가 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자입니다.  이에 따라 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환이 가능하며  변환효율이 매우 높은 재료입니다. 또한 압전 효과를 이용하여 초음파를 발생시키거나 검출합니다. 초음파 센서는 음향에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 장치로서 20[kHz] 전후 이상의 음향에너지의 검출 소자라고 합니다.

초음파 센서는 압전 세라믹 진동자의 비약적 발달로응용 대상분야는 특수, 수중탐사, 공업계측, 의료계측 및 자동차 등에서의 활용도가 높아지고 있습니다.

거리 측정용 초음파 센서는 물체 초음파 센서와 사용 방법은 똑같지만, 물체검출용이 반사해서 돌아오는 데까지의  시간차를 이용하는데 반해 물체용은 반사시간과 거리가 비례하는 것을 이용해서 거리 H를 측정하는것입니다.

거리를 계산하는 식은 화면과 같습니다. 여기서 V는 0˚C(도씨)에서의 음속, T는 측정시의 기온, h는 측정거리, t는  송파에서 수파까지의 도달하는 시간을 나타냅니다. 거리 측정용 초음파 센서는 카메라의 거리 조절용, 적설량의  측정 등에 이용됩니다.

광전효과란 금속 등의 물질에 특정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 금속의 표면에서 전자가 튀어 나오는 현상을 말합니다.  이 때 광센서는 빛에 의해 물리량이 변하는 광전 효과 등을 이용하여 빛의 세기, 물체의 움직임 등을 감지하는 장치로서,  화재 탐지기, 자동문, 도난 경보기, 속도 측정기 등에 이용됩니다.

광다이오드는 흔히 사용하는 광센서의 일종으로, p-n 접합 구조로 되어 있어 p-n 접합부에 빛을 비추면 광전 효과로  전류가 흐릅니다.

MEMS는 마이크로, 일렉트로닉, 메카니컬, 시스템으로 나노기술을 이용해 제작되는 매우 작은 기계를 의미합니다. 말 그대로  전자기계 소자를 육안으로 보이지 않을 정도로 작은 크기로 제작하는 기술입니다. 하지만 단순히 기존의 기계를 축소하는  기술은 아닙니다.

MEMS기술로 만들어진 기계는 뇌와 신경에 해당하는 논리회로, 시각 또는 청각 등을 담당할 각종 센서,  팔과 다리 역할을 할 기계 장치, 그리고 이들을 유기적으로 움직이게 할 수 있는 구동기까지 완벽하게 갖춘, 느끼고  생각하면서 운동하는 하나의 통합 시스템으로 발전하고 있습니다. MEMS는 반도체칩의 제조공정과 유사한 방식으로, 각종  전자와 기계 소자들을 칩 위에 모은다는 개념입니다. 단지 반도체칩처럼 많은 회로를 좁은 면적에 2차원적으로 얇게 집적하는 공정 방식을 택한 것이 아니라 3차원적으로 공간을 마련해 회로를 배열한다는 점이 다릅니다.

고집적 회로가프로세서에 의한 ‘신호 처리’, 메모리에 의한 ‘기억’기능을 수행한다면, 멤스는 외부세계와의‘인터페이스’역할을 하는것입니다. 즉, 대규모 집적회로가 인간의 두뇌라면 멤스 디바이스는 눈, 귀, 피부 등에 해당한다고 할 수 있습니다.이러한 특징 때문에 저렴하게 생산 가능한 반도체 공정 외에도 다양한 응용 분야에 사용되고 있습니다.Bridge to Nanotechnology는 나노 기술과 연결되는 분야입니다. MEMS센서, 액추에이터가 자동차 분야에 많이 응용되고, 통신분야에서도 중요 부품으로 사용됩니다

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이 그림은 MEMS를 이용해 BOSCH(보쉬)사에서 제작한 각속도 센서 및 응용제품입니다. 가속도 센서와 자이로 센서 등을  이용하여 자동차 게임의 핸들처럼 사용하는 응용을 보셨을 것입니다.  모형 자동차를 조정하는 게임패드처럼 사용할 수 있는 것은 이런 센서들 때문에 가능한 것입니다.

오늘의 핫 이슈! 오늘의 핫 이슈는 스마트 폰에 사용되는 MEMS 센서 부품들입니다. 여러분이 사용하고 있는 스마트 폰 안에 얼마나 많은 MEMS 부품들이 사용되고 있는지 알고 계시나요? 터치나 지문 인식, 촉각 센서는 물론이고, 주위의 밝기를 인식하는 센서로 액정의 밝기가 자동 조절됩니다. 모션 인식은 카메라와 연동되어 셀카를 찍을 때 버튼을 누르지 않아도 사진이 찍히며, 신체 건강 측정이나 오염물질 탐지 등의 기능까지 갖추고 있습니다. 이렇게 스마트 폰에 내장된 센서들을 이용하여 다양한응용을 만들 수 있습니다.

텍사스 인스트루먼트 사에에서 1986년에 발명한 MEMS 액추에이터입니다. 16미리미터 곱하기 17미리미터 크기의 마이크로 미러들 전기 신호로 움직여 빛을 반사시키는 반도체입니다. 이런 작은 거울이 800곱하기 600개가 빛을 반사시키어 프로젝션하여 벽에 영상을 만들어 내는 것입니다.

원리는, 전기를 가하면 팽창 및 수축하는 성질을 지닌 거울과 그 거울을 움직이는 마이크로 머신을 그림과 같이 반도체 공정으로 만듭니다. 마이크로 머신이 빛을 반사하는 하나의 화소이고 이런 구조를 가로방향으로 800픽셀, 세로방향을 600픽셀로 배열하면48만 개의 화소을 표현하는 하나의 MEMS 액추에이터가 됩니다.

3곱하기3화소를 그림으로 표현한 것입니다. 거울이 빛 반사 각도를 변화시키는 표현한 그림입니다. 빛의 반사 각도에 따라서 어두운 부분과 밝은 부분을 표현하는 것입니다. 자세히 살펴보면, 어두운 부분에서는 MEMS 엑추에이터가 움직이지 않으며, 밝은 부분에서는 거울 판의 각도가 변화한 것을 볼 수 있습니다.

MEMS의 또 다른 응용 분야에는 어떤 것이 있을까요?

미래에는 DNA 서열을 분석을 PCR, 전기영동, MEMS로 구현할 수 있습니다. 이런 바이오 센서 역시 마이크로 머신 기술과 물리현상을 이용합니다. 이런 바이오 센서들이 앞으로 많이 개발되고 이용될 것입니다.

3. 센서 융합

센서 융합에 대해 살펴보겠습니다. 센서 융합이란 개별 센서를 복합하여 센싱하는 기술로, 각각의 센서의 단점을 보완하여 성능을 개선하는 효과가 있습니다.

즉 가속계, 자이로 스콥, 자기 탐지기, 압력 센서 등 개별 센서는 싸고, 정밀도가 떨어지지만, 두 개 이상의 센서를 융합하여 정밀도를 경제적으로 개선하거나 없었던 새로운 기능을 구현할 수 있습니다.

4. 엑추에이터와 공압 시스템

액추에이터와 공압시스템에 대해 알아보겠습니다.다음 그림은 다양한 액추에이터를 나타낸 것입니다. 액추에이터란 시스템을 움직이거나 제어하는데 쓰이는 기계 장치를 말하는데, 전기나 유압, 압축 공기 등을 이용하는 원동 구동장치를 두루 일컫는 용어로 사용됩니다. 일반적으로 전류, 작동유압, 기력압 형태로 된 에너지원으로 작동하며 이 에너지를 어떠한 종류의 움직임으로 변환하는 기능을 합니다. 액츄에이터의 종류로는 전기식 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 등이 있습니다. 전기식 엑추에이터는 전기모터와 솔레노이드로 나뉘는데, 전기모터가 대표적이며 DC 서보모터, AC 모터, 스테퍼 모터 등이 있습니다. 예를 들어, 로봇의 관절들은 직선운동과 회전운동을 만들어 내는 액츄에이터로 전기모터를 이용합니다.

유압식 액추에이터와 공압식 액추에이터는 신호에 따라 기체 또는 유체의 압력을 조절하여 왕복운동을 만들어 냅니다. 굴삭기의 실린더는 유압을 이용한 대표적인 액추에이터입니다. 펌프로 공기압을 만들고 직선 왕복운동을 하는 공압 시스템입니다. 공압 시스템은 전동기나 원동기(내연기관)로 공기 압축기를 작동하여 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 변환시키고, 이 공기 압력을 제어하여 액추에이터에 공급함으로써 각종 기계적인 일을 하게 합니다. 이들 일련의 기기 요소를 공기압 기기라 하고 이들 결합체를 공압 장치라고 하는 것입니다.

무선 센서 네트워크

1. 센서와 액추에이터의 연결

무선 센서 네트워크무선 센서 네트워크는 WAN, PAN 등 다양한 네트워크가 망라되어 있습니다. 응용 분야에 따라서 다양한 기술들이 동원됩니다. 협의 센서 네트워크는 센서들의 연결로만 볼 수 있지만, 센서들이 인터넷을 통하여 서버에 데이터를 전달하고 서버에서 인터넷을 통하여 엑츄에이터에 명령하는 모든 데이터 흐름의 관점으로 무선 센서 네크워크를 생각합니다.

이런 망은 새로운 기술로 구축하기 보다는 인터넷의 표준 기술로 준용하여 경제적으로 구축합니다.

무선 센서 네트워크의 관점으로 좁혀서 생각하면 스스로 자가 조직화하는 특성을 가져야 합니다.

또 센서 노드의 수가 많아지는 경우 멀티 홉이 필요하고 노드들이 베터리로 6개월 이상 동작하는 등의 저전력 요구 조건이 있습니다. 무선은 또한 보안이 이슈사항입니다. 이런 요구 조건을 만족하는 기술들이 필요합니다.

2. WSN VS. MANET

무선 센서 네트워크와 모바일 애드혹 네크워크는 전력 소모량에 대한 다른 요구조건을 가지고 있습니다. 무선 센서 네트워크는이동성이 중요하고 모바일 애드혹 네트워크는 센서노드의 전력 소모량을 최소화하는 것이 중요한 요소입니다. 보안측면도 무선 센서 네트워크는 전력소모량이나 자원의 한계로 보다 간단한 암호기술을 사용합니다. 전력소모량에 대한 요구 조건으로 인하여 라우팅도 무선 센서 네트워크의 자유도가 낮습니다. 무선 센서 네트워크는 보다 대규모의 노드를 지원하여야 하며, 각 노드는 제한된 자원을 사용하여야 합니다.

무선 센서 네트워크의 응용

1. 무선 센서 네트워크의 응용 분야

무선 센서 네트워크의 응용무선 센서 네트워크는 다양한 응용 분야가 존재합니다. 국제조약에 의한 핵사찰이나 스마트 더스트, 군사용부터 환경감시 같은 대규모에서 실내의 분위기 조정을 위한 공기의 질을 감시하는 분야까지 다양합니다. 공기의 질을 감시하는 경우, 개별 객체,개체 식물을 센싱하는 경우도 있고 서식지 같은 구역, 지역이 대상인 경우도 있습니다. 무선 센서 네트워크는 저전력, 제한된 메모리량, 제한된 크기로 인한 제한 사항 등이 있고, Ad-Hoc 방식은 자기 조직화의 설정 방법이 요구됩니다. 이렇게 서로 다른 요구조건을 만족하여야 하기 때문에 기존의 방식이 아닌 다른 네트워크가 필요한 것입니다.

2. 센서의 미래

센서의 미래는 어떤 모습일까요? 스마트 홈에서 센서가 가전제품을 제어할 것입니다. 그리고 스마트 오피스에서는 경제적, 효율적, 감성 측면에서 보다 좋은 조명, 난방을 할 것입니다. 또한 헬스 감시 분야에서는 심박수, 혈당,암 세포 탐지들의 바이오 센서가 광범위하게 확산될 것입니다. 병원에서는 맥박, 호흡, 체온, 혈압과 같은 생명 징후를 센싱하는 센서가 이상 징후를 감시하고 기록할 것입니다.

산업현장에서 RFID가 물류관리, 자산관리에 응용되고, 도로의 센서들이 실시간으로 교통정보를 제공하기 위하여 트래픽을 감시하게 될 것입니다.

또한, 군대를 바꿀 것입니다. 스마트 더스트를 적지에 살포하여 적의 이동을 감시합니다. 스마트 더스트란 먼지 크기의 매우 작은 센서들을 건물, 도로, 의복, 인체 등 물리적공간에 먼지처럼 뿌려 주위의 온도, 습도, 가속도, 압력 등의 정보를 무선 네트워크로 감지, 관리할 수 있는 기술입니다.

오랜만에 대형 마트에 장을 보러 나선 30대 주부 A씨. 정문에 들어서자 진동과 함께 휴대폰 화면에 환영 메시지가 나타납니다. ‘감사합니다’라는 메시지와 함께 현재 할인중인 물품들의 정보가 뜨고, 물건 앞을 지날 때 마다 자동으로 관련된 할인 쿠폰이 제시됩니다. A씨가 식료품 코너를 지나자 채소, 과일의 입고 날짜가 찍히고, 조미료의 성분과 조리 방법이 안내됩니다. 그 뿐만이 아닙니다. 화장품 코너를 지나자 ‘워터프루프 화장법’이라는 광고와 함께 새로 출시된 아이라이너 제품 정보가 전달됩니다. 예전처럼 쇼핑을 위해 각종 할인 쿠폰을 챙기고, 물품간의 성분을 비교하여 따져보며, 음식에 대한 조리법이나 화장품 사용법을 따로 찾아보지 않아도 다양한 정보를 한 번에 편리하게 이용할 수 있습니다. 어떻게 이런 일이 가능할까요? 바로 ‘비콘’이라는 기술 때문입니다. 사물인터넷의 핵심으로 ‘비콘(Beacon)'이 주목받고 있습니다. 비콘은 원래 거리를 측정하는 등대 같은 기술을 말하는데 최근 들어서는 스마트폰의 블루투스를 이용해 거리를 측정하는 근거리 통신 기술로 통하고 있습니다. 비콘은 나의 위치를 파악해 모바일 기기 애플리케이션에 이 신호를 전달하고 정보를 받은 앱은 사용자의 위치를 모니터링해 파악합니다. 이같은 방식으로 비콘 단말기가 설치된 매장에 방문한 고객이 근처에 가면, 자동으로 스마트폰 앱에 제품 관련 정보가 나타나는 것입니다. 애플이 iOS7을 발표하면서 ‘아이비콘’을 소개한 것에서 시작됐습니다. 아이폰을 이용해 거리를 측정하고, 근거리에서 알림을 주거나, 특정 정보를 제공할 수 있는 기술에 대한 관심은 빠르게 현실화 되어 나타났으며, 점차 그 영역을 넓혀가고 있습니다. 비콘의 가능성은 무궁무진할 전망입니다. 일상생활에서는 쿠폰 안내, 제품 정보 제공 등의 광고 플랫폼으로 이용하지만 재난 시 탈출경로를 안내하는 실내 측위 서비스로도 사용할 수 있습니다. 하지만 보안성이 떨어지며, 개인정보유출에 대한 우려의 문제가 있습니다. 또한 소비자가 원하지 않는 정보가 자동으로 제공된다는 것도 스팸 메시지로 간주될 소지가 있어 해결 방안 모색이 필요합니다.