[테마특강] 전자코 시스템-패턴 인식 신호처리 "냄새" 감별

인간의 감각은 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 등 오감으로 구성된다. 이 다섯가지의 감각을 통해 인간은 사물이나 현상을 인식하게 되는 것이다.

최근 과학기술이 발달함에 따라 인간의 오감을 대신할 수 있는 각종 센서 의개발이 상당한 진전을 보이고 있다. 그 중에서도 사람의 코(후각기능)를 모방한 "전자코"에 관한 연구는 뒤늦게 시작됐음에도 불구하고 이미 상당한 기술적인 발전을 보이고 있다. 전자코가 활용될 수 있는 분야는 무궁무진하 다할 만큼 넓기 때문이다.

전자코(Electronic nose)란 사람의 코의 후각세포에 해당하는 가스센서 어레이 array 와 다차원의 센서 어레이 신호를 패턴화하여 처리하는 패턴인식신호처리기술 을 이용해 가스나 냄새를 감별해내는 전자장치를 말한다. 여러가지 가스의 누설을 감지하거나, 음료.식료품의 냄새를 감별해내는 전자코는이미 부분적으로 활용되고 있다.

전자코는 사람의 뇌와 마찬가지로 "학습을 통한 인식"을 한다. 말하자면 일정한 정보를 학습시켜 주면 이를 토대로 냄새를 감별하기 때문에 그 응용 분야는 광범위하다고 할 수 있다. 서구에서는 이 전자코를 의학분야에도 활용 원격진료의 수단으로 이용하려는 계획을 가지고 있기도 하다.

전자코 시스템의 핵심은 냄새를 맡는 가스센서 어레이와 어레이가 추출한 데이터를 가공하는 패턴인식 신호처리기술이다. 가스센서는 특정 가스에 의 해소자의 표면 혹은 내부에서 일어나는 물리적.화학적 변화를 전기적 신호로 바꾸어주는 디바이스라고 할 수 있다. 이 전기적 신호가 어떻게 변화하는가 를 파악함으로써 대상이 되는 물질의 존재(냄새)를 파악할 수 있게 되는 것이다. 가스센서는 그 분류방법에 따라 여러가지로 나누어진다. 이용방법으로 보 면가스의 흡.탈착을 이용하는 센서, 가스의 반응성을 이용하는 센서, 가스가 선택 투과막을 통과하는 것을 이용한 센서 등 3가지로 분류된다. 가스의 측정방법으로 보면 전기 전도도 변화를 측정하는 센서, 정류 특성변화를 측정 하는 센서, 주파수 변화를 측정하는 센서 등으로 분류되며 소자의 형태에 따라서는 소결형, 후막형, 박막형 등으로 분류된다. 감지대상이 되는 물질에 따라서는 산화물 반도체 가스센서, 유기반도체 가스센서, 생체막 가스센서 등으로 분류된다.

이러한 가스센서가 제 기능을 다하려면 *감지하려는 가스에서 충분한 신호를 얻을 수 있도록 감도가 높아야 하고 *감지하려는 가스에 대해서만 반응하는 선택성이 좋아야 하며 *주변의 분위기(온도, 습도 등)에 영향을 받지않고 안정된 감도를 나타낼 수 있어야 한다. 또 *응답속도가 빠르고 반복 측정을 할 수 있어야 하며 *정밀도, 경제성, 유지성 등을 만족시켜야 한다.

일반적으로 단일 가스센서는 가스에 대한 선택성이 낮아 감지할 수 있는대상가스도 한정돼 있다. 그래서 전자코 시스템은 여러 개의 가스센서로 어 레이를 구성해 이들의 출력 패턴을 인식하는 형태로 가스나 냄새를 식별하는 것이 대부분이다.

LG전자기술원이 최근 국내 최초로 개발한 전자코 시스템에 적용된 가스센서는 가스의 흡.탈착을 이용하면서 전기 전도도의 변화를 측정하는 후막형및박막형 산화물 반도체 가스센서"이다. 산화물 반도체 가스센서는 대기중의 가스가 센서표면에 흡착할 때 전기 전도도가 변하는 원리를 이용한 가스센서 로 가스 검출 감도가 높고 소형이며 구동회로도 간단해 시스템의 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

또 채용된 가스센서 어레이는 후막형의 경우 단일센서를 여러개 배열시켜 구성하고, 박막형은 칩 하나에 4개의 센서를 집적시켜 구성했다. 이러한 산화물 반도체 가스센서는 일부 상업화되어 있는 상태이다.

센서 어레이의 출력패턴은 "패턴인식 시스템"을 사용해 분석된다. 패턴인 식절차는 보통 두가지 단계인데 첫째는 알려진 냄새에 대한 센서 어레이의 출력패턴을 수학적 규칙으로 패턴인식장치에 의해 교육하는 것이다. 둘째는미지의 냄새로부터 나온 응답이 지식기반에 의해 시험되고 예측되어 분류가 이루어지는 것으로, 다양한 패턴인식기술들이 가스나 냄새 감지용 어레이의 출력에 응용되고 있다.

냄새 감지용 어레이의 출력에 적용되는 패턴 인식 시스템중 주성분 분석, 판별 분석 등은 선형적인 기법이고 백 프로퍼게이션 뉴럴 네트워크는 비선형적인 기법이다. 후자의 경우 비선형적인 데이터들을 처리할 수 있고 센서신호의 편차나 노이즈에 강하기 때문에 더 매력적이다. 특히 신경망(예를 들면3층 백 프로퍼게이션 네트워크)은 확실하게 후각계를 흉내내고 있기 때문에더 매력적이다.

주성분 분석은 다변량 데이터의 분석 방법으로서는 가장 기본적인 것이므로많이 사용되고 있는 방법인데 이 분석 방법의 목적은 어떤 다차원 데이터 를가능한한 정보 손실이 없게 저차원(2차원 혹은 3차원)의 데이터로 압축하는것이다. 이 분석법의 장점은 이미지화시키기 어려운 다차원 정보를 알기 쉬운 2차원적인 산포도로 투영하는 것이 가능하고 데이터 사이의 상호 관계를시각적으로 표현하는 것이 가능하다는 것이다.

에러 백 프로퍼게이션(Error back propagation) 알고리듬은 86년에 루멜하 트등에 의해 제안된 이후 실제로 다양한 네트워크의 응용 분야에 이용되어왔다. 루멜하트 등은 최종 층과 그 앞의 층 사이의 결합 하중밖에 학습되지 않는 퍼셉트론의 결점을 극복하고 다층의 네트워크 전체의 학습을 행하는 것이가능하도록 확장된 델타(δ) 규칙을 제안하였는데 이 학습법이 에러 백 프로퍼게이션 알고리듬(일반화 델타규칙)인 것이다.

전자코 시스템은 가스나 냄새가 발생되는 가스 발생 부위, 기준 공기와 대상가스의 흐름을 제어할 수 있는 솔레노이드 밸브, 센서 어레이가 장착되어 있는 센서 셀, 유량 구동을 일으키는 펌프, 유량 비율의 변화로 인한 변동을 억제하기 위한 압력 버퍼 밸브, 유량을 지시할 수 있는 유량계, 센서의 출력 신호를 처리하는데 필요한 인터페이스 카드(CPU, AD, DA, DI, DO) 및 PC 등으로 구성되어 있다.

전자코 시스템은 이미 많은 분야에서 실용화 단계에 있고 이로 인해 인간 의생활이나 기업활동에도 커다란 영향을 미치고 있다.

현재 구체적으로 응용되고 있거나 준비되고 있는 분야도 많다. LPG.LNG.프 로판가스, 그리고 여러가지 유독가스의 누설을 감지하는 것은 물론 대기오염 측정이나 배기가스 분석 등에 전자코 시스템은 유익한 기능을 수행할 수 있다. 또 공기정화기, 에어컨, 전자레인지 등 가전제품에도 활용할 수 있고 고기 생선 야채, 과일 등의 신선도 혹은 부패정도를 확인할 수도 있다. 주류 (술)의 품질관리 및 종류, 숙성도, 생산지 파악 등에도 활용되고 나아가 주 류의발효공정을 관리하는 데에도 전자코 시스템은 탁월한 성능을 발휘할 수있다. 생활의 구석구석에 전자코가 활용될 수 있는 분야는 무궁무진한 것이다. 뿐만 아니라 향수나 커피, 담배 등의 원료와 종류를 구분해내고 마약, 독약 폭약 등 위해물질을 검색해내는 데에도 전자코는 활용될 수 있다.

단일 가스센서를 이용한 여러가지의 가스 측정기는 이미 상업적으로 계속 생산되고 있다. 하지만 이러한 장치들은 특정한 가스의 농도를 감지할 수는있으나 단일센서로 구성되기 때문에 전자코라고 부르지는 않는다. 상업적으 로판매되고 있는 전자코는 영국의 "아로마 애널라이저"와 프랑스의 "인텔리 전트 노즈"가 대표적이다. 가격은 한화로 약 4천만원대에 이른다.

아로마 애널라이저는 32개의 전도성 폴리머 재료로 이루어진 가스센서 어 레이를 사용했고, 인텔리전트 노즈는 6개의 산화물 반도체 센서로 구성되어 있다. 두 장치 모두 가스센서 어레이를 교정하고 운용하기 위해서는 PC가 필요하다. 때문에 보통의 경우 전자코 시스템의 곁에는 PC가 놓여 있기 마련이다. 이러한 전자코의 개발에 힘입어 현재 비슷한 유형의 전자코 시스템이 계속 연구되고 있으나 인간이 꿈꾸고 있는 완전한 전자코를 만들기에는 아직도 많은 연구가 필요하다. 전자코를 구성하고 있는 가스센서 어레이와 신호처리기 술 중 신호처리분야는 음성인식이나 문자인식등 관련분야의 연구에 힘입어많은 기술적 기반이 다져져 있는 상태이지만 가스센서분야는 아직도 해결할 과제가 많은 것이다.

결국 전자코의 성능은 이러한 가스센서의 성능과 직결된다고 할 수 있다.

많은연구인력이 집증적으로 연구하고 있는 분야도 바로 이 분야인 것이다.

전자코가 일상화되려면 많은 시간이 필요할 것이다. 하지만 인간의 오감을 대행하는 여러 센서들과 함께 전자코가 일상생활의 깊은 곳까지 들어오게 된다면 인간은 여러 위험한 일로부터 벗어남은 물론 보다 편리하고 안락한 생활에 한층 가까이 갈 수 있을 것이다. 전자코는 인간이 꿈꾸는 미래의 멀티미디어사회 정보사회를 여는 또하나의 열쇠가 될 것이기 때문이다.