세계 센서 시장 2020년 1,544억불, 연평균 10.1% ↑

■ 국내 산업 및 시장 동향

1) 시장규모 및 전망

자동차, 휴대폰 속의 스마트 센서의 수요가 점점 늘어남에 따라서 국내 센서 시장의 규모도 커지고 있다. 대표적으로 물리센서가 많이 들어간 제품군으로는 스마트 자동차를 생각할 수 있다. Strategy Analytics에 따르면 전 세계 스마트 자동차 소비자 수요가 계속 증가함에 따라 국내 스마트 자동차 시장도 2010년 21억 달러에서 2019년 37억 달러로 성장할 것이라고 전망했다. 또한 산업부의 첨단센서 육성사업에 대한 기획재정부의 예비타당성조사를 통과하게 됨에 따라 2025년까지 센서산업 고도화를 통해 시장 규모도 대폭 상승할 것이다.

2) 기업 현황

통계청의 자료에 의하면, 국내 센서 업체는 2011년 이후로 140여 개 내외로 계속 감소하거나 유지되는 경향을 보인다. 국산의 품질이 아직 해외의 센서를 따라가지 못하기도 하였고 그런 위험부담을 가지면서 국산 제품을 사용하지 않으려는 이유 때문에 대부분의 센서는 해외에서 수입해 오는 실정이다. 다른 이유로는 기술자체의 개발이 국내에서 어려운 상황을 뽑을 수 있다.

저가의 물리센서들은 업체들의 꾸준한 개발로 근접센서, 온도센서, 압력 센서, 광센서 등은 국산화가 상당히 진행되어 국내시장에서 외산 제품을 대체하고 있으나 고가의 센서는 대부분이 수입에 의한 단순 조립기술에만 의존하고 있다.

■ 해외 산업 및 시장 동향

1) 시장규모 및 전망

세계 센서 시장의 규모는 2014년 863억 달러, 2020년에는 1,544억 달러로 연 평균 10.1% 이상의 연평균성장률을 예상한다.

세계 시장에서는 IT기술의 확장 및 스마트 기기의 첨단화, 예를 들어 스마트 자동차, 스마트 디바이스 등을 통해 제품에 대한 활용도가 커지면서 물리 센서의 규모도 더불어 성장하고 있는 추세이다.

산업적으로 자동차, 소비, 가전, 항공, 도시, 환경 등 다양한 분야에서 온도/습도, 진동/소음, 유량, 공기압 센서 등 다양한 물리 센서가 활용되고 있다. 특히 물리 센서 중에서도 압력 센서는 연평균 성장률 7.2%로 소방시설, 급수장치, 냉동기 등의 넓은 분야에서 활용되고 있다. 또한 스마트 디바이스와 헬스케어 분야의 확대로 일반소비재 산업의 점유율이 증가할 것으로 전망한다. 2012년 기준으로 북미지역이 224억 달러 규모로 점유율이 33%로 가장 크고, 유럽이 29%, 아시아-태평양이 25%로 그 뒤를 잇고 있다.

2) 기업 현황

물리 센서 중에서 자동차 부품 관련 센서가 거리, 방향, 속도, 온도 등의 다양한 물리량을 얻기 위한 개발이 많이 되고 있다. 이러한 자동차 센서 부품 제조 기업들이 글로벌 기업으로 성장하고 있다.

자동차 센서 부품 관련 주요 제조 기업으로 독일의 Robert Bosch, Continental AG, 일본의 Denso Corporation이 글로벌 규모의 주요 센서 제조 기업으로 존재한다.

센서 기술과 IT 기술이 접목된 스마트 센서에 대한 수요는 점점 더 커지고 있음과 동시에, 평균 센서의 가격은 점차 감소하고 있다. 최근 기존 센서 제조 기업들이 IT업계 파트너를 선택하여 혁신을 선도할 것인가 독자적인 노선으로 센서를 개발할 것인가 새로운 영업 모델을 구축하는 시기이다.

韓 고가 센서 대부분 수입 의존 단순 조립 현실

센서산업 고도화 통해 늘어나는 시장 대비 필요

■ 미래의 연구방향

1) 자가발전 기반 센서, 무전원 센서

스마트폰, 웨어러블 디바이스 (wearable device)에 집적되는 센서는 낮은 전력소모를 필요로 한다. 인체 내에 삽입하는 센서는 정기적으로 배터리의 교체가 필요 없이 생체 에너지로부터 전력을 공급받을 필요가 있다. 또한 원격지에서 환경감시를 수행하는 센서의 경우도 자체적으로 전력을 생산하여 동작하는 기능이 필수적이다. 따라서, 자연적으로 발생되는 진동, 바람의 힘, 온도의 차이, 물체간의 마찰, 태양광 및 태양열 등에 의해 자가발전이 가능한 압전, 열전, 마찰전기, 광전 소재 기반의 자가발전 센서가 최근 활발히 연구되고 있다. 여전히 자가발전 소자의 전력밀도가 크지 않아 독립적인 센서 모듈 및 시스템 레벨의 운용에는 충분하지 않지만, 향후 발전 효율이 획기적으로 개선이 되면 자가발전, 무전원 방식의 센서가 실용화될 수 있을 것으로 예상된다.

2) 나노 복합소재 기반 다기능 복합 센서

앞서 2절의 ‘연구개발 동향’에서 설명한 바와 같이 신체 착용/부착/삽입이 가능한 신축성/유연성 물리 센서는 앞으로 더욱 더 기술 발전을 가속화해 실용화에 가까워 질 것이다. 신체 착용/부착/삽입형 센서는 인체의 움직임 (예:피부/관절의 인장, 압축, 굽힘 등), 체온, 접촉을 통한 전단력, 인체 분비 물질, 생체 신호 (예: 근전도, 심전도, 뇌파 등) 등의 다양한 물리량을 측정해야 한다. 이를 위해서는 착용이 편리한 신축성/유연성 기판 위에 다종의 센서 어레이가 잘 집적되어야 하며, 기계적/전기적인 신뢰성과 정확성, 안정성이 보장될 수 있는 최적의 구조를 이루어야 한다. 또한, 각 물리량에 대한 선택성이 높고, 다른 방해인자에 의한 간섭효과가 최소화 되어야 한다. 예를 들어 인체 움직임 감지를 위한 스트레인 센서 (strain sensor)의 경우 온도/습도 등 주변 환경에서 받을 수 있는 영향을 최소화해야 하며, 인장/압축/전단력에 대해 선택적으로 분리할 수 있는 센서 구조 설계가 이루어져야 한다. 이를 위해 선택적인 센싱 성능이 우수한 나노소재의 탐색, 신축성 기판소재와의 복합소재 형성, 3차원 다기능 복합 센서의 최적 구조 설계 및 제조 공정 연구 등이 필요하다.

3) 생체 내 분해 가능한 헬스케어용 물리 센서

생분해성 전자 소자(Transient electronics, 전이 전자소자)는 생체 환경 내에서 분해되고 인체에 무해하게 흡수 혹은 배출될 수 있도록 제작된 전자 소자를 의미한다. 이는 특히 인체 내에 삽입한 후 기능을 수행한 뒤, 자연적으로 분해되어 별도의 제거 수술이 필요하지 않아, 인체 삽입형 전자 소자는 목적으로 활발한 연구개발이 진행되고 있다. 대표적인 전극 물질로는 망간(Mn), 철(Fe), 텅스텐 (W), 몰리브덴 (Mo) 등이 이용되며, 기판 물질로는 PVA, PVP, PLGA, PLA 등 고분자 물질이 있다.

생분해성 전자 소자 물질을 이용하여 체내 전력 전송용 안테나, 배터리, 메모리, 치료용 임플란트 소자 등의 용도도 개발되고 있다. 체내에 있는 물리(압력) 센서의 경우 체내 수분과 직접적으로 접촉이 없어 현재 알려진 생분해성 물질 및 소자 구조로 제작될 수 있다. 그러나 생분해성 소재 기반 화학, 바이오센서는 체내 수분과 직접적으로 접촉되면서 수분으로 인해 생분해성 물질이 부식 및 분해가 된다. 또한, 현재 알려진 생분해성 소재로는 2주 이내로 생분해가 발생해 실질적으로 중장기적 센서 활용에 제약사항이 있다. 따라서, 소자의 동작 안정성이 확보될 수 있는 생분해성 물질 혹은 소자 구조를 개발해야 한다.

4) 극한 환경 물리센서

에너지 부족 문제가 더욱더 심각해짐에 따라 신재생 에너지의 개발뿐만 아니라 기존의 에너지 시스템 (화력발전, 원자력 발전 등)의 효율 향상도 매우 중요하게 인식되고 있다. 또한, 자동차, 항공기, 선박 엔진도 연비를 향상시키고, 환경오염도 최소화 하는 기술 개발이 중요하다. 이를 실현하기 위한 핵심 기술 중 하나가 에너지 시스템 내의 물리량 (온도, 압력, 유량, 방사선량, 구조 변형, 진동, 화학적 조성 등)을 실시간으로 모니터링 하는 기술이다. 예를 들어 항공기 터빈 내 곳곳에 설치된 센서 어레이가 실시간 온도와 압력, 유량 등의 수치를 측정하여 엔진 피드백 제어로 엔진 효율을 극대화할 수 있다. 또한 터빈 블레이드에 부착된 스트레인 센서를 통해 터빈의 변형 모니터링이나 파괴 예측 등을 할 수 있어 사고를 방지할 수 있다. 그러나, 이러한 센서들은 수백∼수천℃ 이상의 매우 높은 온도와 수∼수백 atm 의 높은 압력, 고에너지의 방사선, 화학적 활성이 높은 액체/기체 분자와의 접촉 등에 의해 쉽게 센서의 성능이 나빠지거나 심각한 노이즈에 노출되어 신호의 정확성이 떨어지거나, 센서의 파괴가 발생할 수 있다. 고온/고압, 방사선, 독성 화학물질 등에 노출된 극한 환경에서 안정적으로 성능을 구현하는 센서 소재 개발이 필요하다.

5) 스마트 센서

현재 센서 시장의 대부분은 아날로그 방식의 단일 물리량 측정 센서가 주류를 이루었다. 예를 들어, 온도나 압력 변화에 따라 아날로그 전압을 출력하는 센서가 개별적으로 존재하였다. 그러나, 앞으로는 단일 물리량만을 측정하지 않고, 다양한 물리량을 동시에 측정할 수 있는 다종 복합 센서가 모듈 (module) 혹은 집적 칩 (chip) 형태로 구현될 것이다. 다종 복합 센서의 집적을 통해 여러 물리량을 측정할 뿐만 아니라, 다종 센서 신호의 융합 (sensor fusion) 기술, 기계학습 (machine learning) 기반의 데이터 해석 기술 등을 통해 다양한 물리량 간에 발생할 수 있는 간섭효과를 보상하고, 정확하고 신뢰성 높은 센서 신호 처리가 가능하다. 또한 센서를 구동하고, 신호를 처리하고, 잡음을 제거하며, 센서 데이터를 저장하고, 무선 통신을 통해 데이터를 전송할 수 있는 시스템 레벨의 기능이 초소형 모듈, 더 나아가서는 초소형 칩(system on chip)에 집적될 수 있을 것이다. 이를 구현하기 위해서는 초소형, 저전력, 고집적 마이크로/나노 센서 설계 및 제작관련 기술, 전자 회로와 다종 센서의 집적 제조 공정이 확립되어야 한다. 또한, 저전력 무선통신, 초소형 배터리 기술 등도 동시에 발전되어야 한다.

■ 정책 제언

센서 기술 분야에서 우리나라는 아직 선진국 대비 열위에 있다. 국내의 많은 센서 관련 기업들은 열악한 개발 환경과 산-학-연 네트워크의 부족으로 인해 어려움을 겪고 있다. 4차 산업혁명이 국가의 중요한 화두로 논의되고 있는 이 시점에 정부차원에서 센서 관련 기업들에 대한 전폭적인 지원이 필요하다. 센서 분야의 스타트업 (start-up) 회사들을 위해 공간과 기술적인 지원을 제공할 수 있는 센서 기업 육성 센터, 센서 개발 스튜디오, 센서 제작 파운드리 (foundry) 서비스, 전문적인 경영/회계/법 분야의 지원 등을 통해 우수한 기술이 있는 센서 분야 스타트업 회사들이 성장할 수 있는 환경을 제공해 주는 것이 필요하다. 또한 출연연, 학교 등 연구기관에서는 센서 기술에 대한 원천 연구뿐만 아니라, 센서의 상용화를 위한 모듈, 시스템 레벨의 응용 연구, 센서의 신뢰성 및 표준화에 대한 폭넓은 연구 개발 사업이 지원이 필요하다.

▲ <표 3-1-1-7>국내 센서시장 규모 및 전망(단위 : 백만 달러)

▲ <그림 3-1-1-18>국내 스마트 센서 시장 전망

▲ <표 3-1-1-8>국내 센서 사업체(단위 : 억 원)

▲ <그림 3-1-1-19>국내 기업의 취급 센서

▲ <표 3-1-1-9>세계 유형별 센서 시장 전망(단위 : 백만 달러)

▲ <표 3-1-1-10>응용 분야별 센서 시장 전망(단위 : 백만 달러)

▲ <표 3-1-1-11>자동차 센서 제조 기업(단위 : 만 달러)

▲ <표 3-1-1-3>나노소재/구조 응용 물리센서 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 3-1-1-4>나노소재/구조 응용 물리센서 기술 - 해외 선도연구기관

▲ <표 3-1-1-5>유연/신축성 물리센서 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 3-1-1-6>유연/신축성 물리센서 기술 - 해외 선도연구기관