신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(1)-제1장 센서 소재-물리센서 소재기술(1)-집필 박인규(KAIST)

신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(1)-제1장 센서 소재-물리센서 소재기술(1)-집필 박인규(KAIST) - ‘센서’, 4차 산업혁명 핵심

기사등록 2019-03-18 12:57:10

재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 9번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘4차 산업혁명 대응소재’다. 센서, 3D프린팅, AI용 반도체, 빅데이터 이용 소재 개발 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2017’을 연재한다.

‘센서’, 4차 산업혁명 핵심

■ 기술의 정의 및 분류

물리 센서(physical sensor)는 온도, 습도, 압력, 유량, 빛, 힘, 가속도, 변위, 소리, 방사선 등 다양한 물리량을 정량적인 수치로 변환해 주는 장치(transducer)이다. 물리 센서는 이미 산업 전반에 폭넓게 쓰이고 있다. 대표적인 사례들로 스마트 팩토리(smart factory)에서 공정 모니터링에 사용되는 온도, 유량, 광센서가 있다. 화학 공정에서 온도 및 유량을 정밀하게 측정 및 제어하는 것이 필수적이며, 제품 생산 라인에서 부품의 정확한 위치 및 이동 측정을 위해 광센서(photocoupler)를 사용한다. 모든 스마트폰에는 사용자의 움직임 및 자세를 감지하는 모션 센서(motion sensor)가 장착돼 있다. 멤스(MEMS micro electro mechanical systems) 공정으로 제작된 가속도 및 자이로스코프(gyroscope) 센서가 사용자의 움직임을 감지한다. 병원에서 엑스레이(X-ray) 촬영을 할 때는 X-ray 감광 필름 대신 섬광체(scintillator)와 이미지센서 어레이(array)가 집적된 전자식 X-ray 패널을 사용하여, 정확하고 신속한 진단을 가능케 한다. 이와 같이 응용 분야가 무궁무진한 물리 센서는 4차 산업혁명 시대에 더욱더 폭발적인 성장을 할 것으로 기대된다.

■ 기술의 원리

물리 센서는 매우 다양한 종류가 있지만, 다음과 같은 6가지의 대표적인 원리들을 공통적으로 활용한다.

(1) 정전용량(electrical capacitance)의 변화 : 전극사이의 유전물질(dielectric material) 의 변화나 형상의 변화로 정전용량이 변화하는 특성을 이용한다.(예: 스마트폰 내에 장착된 MEMS 모션 센서는 관성력에 의해 질량이 움직이는 것을 고정전극-이동전극 사이의 중첩 영역의 변화에 따른 정전용량 변화를 측정한다.)

(2) 전기저항(electrical resistance)의 변화 : 전극사이의 센서 소재의 전기저항이 다양한 물리적 인자(인장률, 온도, 습도, 자기장 등)에 따라 변화하는 특성을 이용한다.(예: 스마트폰 내에 장착된 MEMS 압력 센서는 압력에 따라 발생한 박막의 변위를 가장자리에 부착된 압저항센서의 전기저항값 변화를 측정한다.)

(3) 기계적 압력에 의한 전압(piezoelectric voltage)의 발생 : 외부의 기계적인 힘 및 변형에 의해 압전 소재 결정구조 내의 전기 쌍극자 값이 변화가 생겨 전압이 발생되는 특성을 이용한다.(예: 자동차에 장착된 장애물 감지 센서는 압전소자를 사용해 초음파를 발생시키고, 장애물에서 반사된 초음파를 받아 발생된 전압을 측정하는 방식으로 장애물의 거리를 측정한다.)

(4) 빛에 의한 전도성(photoconductance) 변화 : 반도체 소재의 밴드갭(bandgap energy)보다 큰 에너지를 갖는 파장대의 광자(photon)에 의해 전자가 전도대(conduction band) 로 들떠 전도성을 높이는 특성을 이용한다.(예: 자외선∼가시광선∼적외선 영역대의 빛의 세기를 감지하는 센서는 해당 파장대의 광자 에너지와 비슷한 값의 밴드갭을 가지는 반도체 소재의 전기저항 변화를 측정한다.)

(5) 열에 의한 전압(thermoelectric voltage)의 발생 : 온도에 따라 자유전자의 밀도가 달라지는 현상에 기반해 전압이 발생하는 특성을 이용한다.(예: 화학공정, 반도체 공정 제어에 사용되는 열전대 온도 센서는 이종 금속 접합부의 온도와 기준 온도의 차이에 따라 발생한 열전 전압을 측정하여 온도를 계산한다.)

(6) 전자기 유도(electromagnetic induction) 현상 : 자기장의 변화에 따라 인접한 전기 도선에서 유도 전류가 발생하는 패러데이 원리(Faraday’s Law) 를 이용한다.(예: 선형 액츄에이터의 정밀 위치 측정을 위한 선형 가변 변위 변환기(LVDT)는 자석코어의 위치에 따라 전기코일에 유도되는 전류의 차이를 측정함으로써 변위를 계산한다.)

■ 4차 산업혁명 관점에서 기술의 중요성

4차 산업혁명은 현재 산업의 가장 중요한 패러다임이다. 4차 혁명의 핵심은 초연결화, 초지능화이다. 초연결화는 사람, 사물, 환경, 인프라 등의 상태를 센서가 측정하고, 이를 네트워크를 통해 모두 연결하는 것을 뜻한다. 한편, 초지능화는 센서에서 측정, 수집한 데이터를 인공지능을 이용해 처리하고, 유용한 정보(진단, 예측, 제어)를 생산하여 인간의 삶과 사회를 더 편리하고 안전하게 만드는 것을 말한다.

4차 산업혁명의 핵심적인 기술 중 하나가 사물인터넷(Internet of Things, IoT)이다. IoT는 커넥티드 카(connected car), 스마트홈(smart home), 스마트팩토리(smart factory), 헬스케어(healthcare) 등 우리 생활에 깊이 연관되어 있다. IoT는 다양한 세부기술로 구성되어 있는데, 센서 기술, 마이크로프로세서(microprocessor)를 통한 센서 및 회로 컨트롤, 소프트웨어를 통한 신호처리, 무선통신 등이 계층을 이루어 형성된다. 그 중에서도 센서 기술은 IoT 응용분야를 위한 뿌리 계층에 해당한다. 센서는 실제 세계에 가장 밀접하게 닿아 있으며, 하나의 노드(node)에서 특정 물리량을 측정하여 최종적으로 전기 신호의 형태로 전달함으로써 우리가 원하는 정보를 얻고, 다시 해당 노드에 상호작용을 하는 근간을 마련한다.

스마트 헬스케어 및 커넥티드 카는 4차 산업혁명과 IoT를 구성하는 대표적인 응용분야들이다. 스마트 헬스케어 제품 중 하나인 e-Healthcare Sensor Platform에서 사용하는 물리 센서들을 살펴보면, 가속도계를 이용해 특정 방향으로의 가속도를 거리로 환산하여 환자의 상대적 위치를 가늠할 수 있고, 유량 센서를 이용해 환자 호흡량을 잴 수 있다. 커넥티드 카는 차량이 인터넷과 모바일 기기 등에 연결되어 운전자에게 교통정보, 지도, 날씨, 차량상태 등 다양한 정보를 제공해 주는데, 센서를 통해 차량상태를 실시간 모니터링 하여 원격진단을 하는 것을 포함한다. 여기서 사용된 물리 센서는 이상 진동 모니터링을 통해 부품 손상을 미연에 방지하기 위한 진동센서, 오일 유압 측정 센서, 타이어 공기압 측정센서, 시트 삽입 힘센서 등을 들 수 있다. 이렇게 물리 센서들은 4차 산업혁명의 다양한 응용분야에서 핵심적인 역할을 수행한다.

물리센서, 응용분야 무궁무진 4차 산업혁명시대 폭발적 성장 기대
박인규 KAIST 교수·심우영 연세대 교수·최경근 NINT 박사 등 활발

■ 나노소재/구조 응용 물리센서 기술

1) 국내 동향

KAIST 박인규 교수 연구팀에서는 탄소나노튜브(carbon nanotube)와 실리콘(silicone) 탄성체의 복합재를 활용하여 다방향의 압력을 측정할 수 있는 변위센서를 개발 하였다. 탄소나노튜브/실리콘 탄성체 복합재를 사출 성형(injection molding)하여 3차원 형상의 감지부를 제작하였고, 이때 압력이 가해짐에 따라 탄소나노튜브의 비등방성 비저항 변화를 임피던스 토모그래피(impedance tomography) 방법을 활용하여 측정하였다. 센서의 제조방법이 간단하고 저렴하여 대량생산에 유리하며, 실제 제작한 센서를 활용하여 로봇 손을 구동하는데 응용하는 가능성을 보여주었다.

연세대학교 심우영 교수 연구팀에서는 접촉에 의한 압력이 발생할 때 접촉부의 색깔이 변화하여 시각적으로 접촉부를 확인할 수 있는 인터렉티브(interactive) 센서를 개발하였다. 흑연 나노입자와 실리콘 탄성체로 이루어진 복합재가 압력에 의해 하부의 도선과 접촉하면 줄 발열(Joule heating)하고, 이에 따라 가열체 상부의 열 감응형 염료의 색이 변하는 원리를 활용한다. 이는 종래에 없던 센서-시각 인터페이스 기술을 제공했다는 점에서 큰 의의를 갖는다.

고려대 한창수 교수 연구팀에서는 나노 크기의 미세 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 활용하여 세포의 이온 채널(ion channel)을 모사한 압력 센서를 개발하였다. 이온 전해질 사이를 다공질의 폴리카보네이트(polycarbonate) 멤브레인이 가로막고 있고, 이때 압력이 주어지면 미세한 기공 사이로 이온이 확산되어 전해질의 전기전도도가 변하는 원리를 통해 압력을 측정하였다. 손목의 미세한 맥박도 측정할 수 있을 만큼 낮은 압력 범위에서의 감도가 뛰어난 특징을 갖는다.

나노융합기술원의 최경근 박사팀에서는 그래핀 산화물(graphene oxide)을 활용한 진공영역 기압 센서를 개발하였다. 진공 수준의 매우 낮은 기압에서 그래핀의 변형에 따른 면저항 변화를 측정하였다. 탄성과 기계적 강도가 뛰어난 그래핀 소재를 활용하여 다양한 온도범위에서의 진공 기압을 정밀하게 측정할 수 있음을 검증하였다.

2) 해외 동향

미국 조지아텍의 Zhong Lin Wang 교수 연구팀에서는 나노선 소재의 마찰전기 나노발전기(Triboelectric nanogenerator) 기술을 활용하여 다양한 센서 개발에 활용하고 있다. 대표적으로 풍차의 회전에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 풍량계와 가속도계가 대표적이다.

UC버클리의 Ali Javey 교수 연구팀에서는 탄소나노튜브를 활용한 다양한 전자소자를 개발하였다. 이중 단일벽 탄소나노튜브를 채널로 하는 박막 트랜지스터(thin film transistor)를 활용한 압력센서 연구가 활발하다.

유연 기판상에 탄소나노튜브 박막 트랜지스터를 롤-투-롤(roll-to-roll)방법으로 제작하고 전도성 고무 소재를 박막 트랜지스터와 직렬로 배치하여 압력 변화에 따른 전도성 고무의 전도성 변화를 트랜지스터로 측정하였다. 대면적으로 집적된 탄소나노튜브 박막 트랜지스터 플랫폼은 압력 센서 뿐만 아니라 광센서, 유연 디스플레이 등에도 널리 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

일본 오사카대 Katayama 교수 연구팀에서는 탄소나노튜브로 제작된 박막트랜지스터와 압전 고분자를 활용한 압전형 압력 센서를 개발하였다. 탄소나노튜브의 정공 도핑을 제어를 통하여 압전 효율을 키울 수 있었다.

일본 동경대 Shimoyama 교수 연구팀에서는 실리콘 기판상에 합성된 유기 나노필러(nano-pillar)를 합성하여 근적외선 센서로 활용하였다. 넓은 표면적을 갖는 유기 나노필러를 통해 근적외선을 흡수 효율을 증대시킬 수 있었다.

네덜란드 델프트 공대 Peter Steeneken 교수 연구팀에서는 그래핀의 우수한 기계적 물성(탄성, 유연성, 강도)을 활용한 진공 수준에서의 기압센서를 개발하였다.

기압변화에 따른 그래핀의 공진 주파수 변화를 측정하였으며 기존의 MEMS 기반의 기압센서와 비교하여 감도는 5∼45배, 감지부의 면적은 25배 감소되었다.

오스트리아 비엔나 공대 Thomas Mueller 교수 연구팀에서도 그래핀의 광-전기적 특성을 활용한 광센서를 개발하였다. 그래핀의 우수한 광열전(photothermoelectric) 효과 특성을 활용하면 기존의 다이오드 방식의 광센서의 감도를 향상시킬 뿐만 아니라 광흡수 대역의 조절도 가능함을 증명하였다.

■ 유연/신축성 물리센서 기술

1) 국내 동향

국내 KAIST의 박인규 교수팀은 고신축성의 탄성중합체인 Polydimethylsilane(PDMS)와 은 나노선의 복합체 구조를 기반으로 고신축성/고감도 변형률 센서를 개발하였다.

은 나노선들이 탄성중합체 내부에서 3 차원으로 연결되어 있어 안정적인 전기적 연결을 이루고 있으며 탄성중합체에 인장이 발생하면 은 나노선들의 배열이 틀어지고 그것들의 전기적 연결이 점차 끊어지면서 저항이 증가하는 것을 활용하여 변형률을 감지하는 원리를 가진다. 연구팀은 이를 장갑에 적용하여 손가락 굽힘의 정도를 실시간으로 보여주는 스마트 장갑(smart glove)을 개발하였다.
한국기계연구원 부설 재료연구소(KIMS)의 이혜문 박사 연구팀은 마이크로 채널(microchannel)구조의 탄성중합체와 전도성을 가지는 이온성 액체(ioninc liquid)를 이용하여 신축성 변형률 센서를 개발하였다.

이온성 액체를 탄성중합체 마이크로 채널에 주입하여 제작된 센서는 인장 환경 하에서 채널의 기하학적 구조 변화에 인해 채널에 채워져 있는 이온성 액체의 전기저항이 바뀌는 것을 이용하여 변형률을 감지해낸다. 연구팀은 탄성중합체 마이크로 채널을 유선형으로 제작하여 센서가 매우 우수한 이력특성을 가지게 하여 인체에 부착되었을 때 매우 정확하게 동작을 감지할 수 있도록 하였다.

국내 KAIST의 박인규 교수팀은 3차원의 미세기공 네트워크 구조를 가진 다공성 탄성체를 압력센서의 유전층으로 도입하여 정전용량식의 압력센서를 개발하였다.

이 경우, 속이 꽉 찬 유전층에 비해 강성이 감소하여 동일 압력에 대해 큰 변형이 유도되며, 이와 동시에 미세기공이 채워짐에 따라 유효유전상수가 증가하여 추가적인 정전용량 변화량의 증가효과를 얻음으로써 고감도의 압력센서가 구현되었다.

국내 서울대학교 서갑양 교수팀은 백금이 코팅된 전도성의 폴리머 나노섬유 어레이가 형성되어 있는 두 개의 얇은 탄성중합체 필름을 맞붙인 형태의 압저항식 압력센서를 개발하였다.

나노 섬유 다발의 상호 작용의 형태에 따라 달라지는 전기저항 변화량의 차이를 통해 압력, 미끌림(shear), 비틀림(torsion) 등의 물리량을 구분하였으며, 손목에 부착하여 피부의 미세한 변화를 감지하여 맥박을 측정에 응용하였다.

국내 성균관대학교의 이내응 교수팀은 전도성 및 온도 반응성의 그래핀 산화물(R-GO) 나노 시트(nano sheet)를 탄성중합체 폴리우레탄 매트릭스(polyurethane matrix)에 삽입하여 형성한 복합 재료를 온도 감지 층으로 이용하여 신축성 있는 투명한 온도센서를 개발하였다.

개발된 온도센서는 70 % 까지의 높은 변위에서 높은 감도 및 우수한 신뢰성을 나타내었다.

국내 연세대학교의 김종백 교수팀은 카본 나노튜브와 그래핀의 이종 집적을 통해 유연하면서 고성능의 투명 광센서를 개발하였다.

기존 투명한 유연 광센서가 가지는 작은 흡수량, 광 여기된 전하들의 빠른 재결합 속도 등의 문제점을 개선시키면서 50 % 크기의 변형에도 안정적인 성능을 가진다.

2) 해외 동향

중국과학기술대학의 Shu-Hong Yu 교수 연구팀에서는 그래핀 나노시트(graphene nanosheet)가 코팅된 폴리우레탄 스폰지 기반의 압저항식 압력센서를 개발하였으며, 압력 감응 구조체의 파단된 미세 구조 설계를 통해 저압범위(2kPa) 미만에서 고감도를 나타내었다.

호주 모나시대학의 Wenlong Cheng 교수 연구팀에서는 두 개의 얇은 PDMS 기판 사이에 금나노 와이어가 함침된 티슈 페이퍼(tissue paper)를 끼워 넣은 형태의 초박형/대면적 패터닝이 가능한 압저항식 압력센서를 개발하여 고감도의 센서를 구현하였다.

미국의 Massachusetts Institute of Technology(MIT)의 Jian-Bin Xu 교수 연구팀에서는 나노 와이어/그래핀 헤테로 구조(nanowire/graphene hetero structure)에 기반한 정적 측정을 위한 압전식 압력 센서를 개발하였다.

이 연구에서는 압전 나노 와이어에서의 변형-유도 분극 전하(strain-induced polarization charges)와 그래핀에서 발생하는 캐리어 산란(carrier scattering) 변화의 시너지 메커니즘에 기반하여 동적압력 뿐만 아니라 정적압력을 측정한데에 의의가 있다.

싱가포르 난양공대 Pooi See Lee 교수 연구팀에서는 PDMS 모재에 임베딩(embedding)되어 있는 3차원으로 구겨진 그래핀을 온도 감응 물질로 이용한 서미스터(thermistor) 온도 센서를 개발하였다. 모재의 신축성에 의해 50%까지 인장이 가능하며 ln(R)과 1/T의 관계가 높은 선형성을 보였다.

유연 광센서는 미래의 대면적 굽힘형 디스플레이나 우주/도시공학 등과 같이 다양한 분야에 응용될 수 있는 가능성을 지니고 있어 가볍고 굽힙성이 있는 플라스틱 기판을 활용하는 방법으로 많이 개발되고 있다. 중국 칭화대(Tsinghua University)의 Gaoquan Shi 교수 연구팀은 Perovskite 고분자와 narrow-bandgap-conjugated-polymer의 이중층 복합체 박막 구조를 PET 기판에 형성시켜 유연하면서 UN-Vis-NIR 대역의 광을 감지할 수 있는 광센서를 개발하였다.

연구팀은 기존 Perovskite polymer를 활용한 광대역 유연 광센서가 가지는 복잡한 제작과정 및 단가의 문제를 해결하면서 향상된 스펙트럼 응답특성(spectral responsivity)와 특이 감지성(specific detectivity)을 가지는 광센서를 개발하였으며 기계적 안정성과 환경영향에 안정적인 특성을 가지는 결과를 보여주었다.