센서는 물리·화학 변화를 감지하는 기기다. 온도·습도·혈압·맥박·음향·가스·움직임·파손·전자기파를 감지해 표시하고, 위험 요소가 있을 때 경고(신호)함으로써 일상생활을 편리하고 안전하게 하는 역할을 한다. 스마트센서는 감지 기능 외에 소형 기억장치와 프로세서를 내장하고 있으며, 데이터망과 통신할 수 있는 표준화된 연결 기능을 갖춘 기기다. 이에 따라 스마트센서는 일반 센서와 달리 감지된 신호를 저장하고 해석할 수 있으며, 신호를 조절할 수 있고, 인터넷을 통해 디지털 정보를 전송할 수 있다.
스마트센서는 동작 명령을 수행하는 액추에이터와 조합을 이뤄 감지한 환경 변화의 성격을 파악하고, 그에 대응하는 기능을 한다. 스마트폰에 장착돼 있는 광학센서는 밝기를 측정해 화면 밝기를 자동으로 제어하는 것은 물론 사진 촬영 시 조리개 조절과 셔터 속도를 제어, 최적의 영상을 얻도록 해 준다. 스마트폰에만 해도 광학센서를 포함해 위치정보센서, 음성센서, 회전센서, 배터리센서 등 여러 개의 스마트센서가 들어 있다. 전자기기로도 부르는 자동차는 스마트센서 집합체이며, 자율주행차는 스마트센서 기술 결정체가 될 것으로 전망된다. 이스라엘 회사가 개발한 첨단 시각 기반의 운전자 보조 시스템인 모빌아이는 복잡한 대상 물질을 인식하는 신경세포형 컴퓨팅 플랫폼이며, 값이 저렴하고 전력 소모가 매우 적은 것이 장점이다. 자율주행차에 설치된 스마트센서와 도로 시설물에 설치된 스마트센서가 획득한 실시간 정보를 인공지능(AI)이 처리해 도로 위에 있는 위험 물체를 찾아내고, 브레이크를 동작시켜 차를 멈추게 한다.
스마트센서는 사물인터넷(IoT)을 구성하는 핵심 요소다. 기계에 설치된 스마트센서가 기계 변화를 감지해서 초고속 인터넷을 통해 가상물리체계(CPS)로 전송하면 AI가 데이터를 처리하고 이상 유무를 판단한다. 이상이 있는 것으로 확인될 경우 이상 상태 수준에 따라 적절한 처리를 할 수 있도록 주변기기(부품) 운전을 제어하고, 해당 부품의 교체 시기를 결정한다. IoT 보급이 가속되면서 2010년 60억개, 2015년 160억개 스마트센서가 판매됐다. 내년에는 약 300억개 판매가 예상된다. 이렇게 스마트센서 사용량이 폭증하면서 소모 전력 축소, 원활한 데이터 통신, 센서 응용별 시스템 통합이 이슈로 떠오르고 있다. 경제 측면에서는 가격 파괴와 함께 특수기기가 금방 일반화되는 일이 일어나고 있다. 스마트센서 기술이 빠르게 발전해 온 이면에는 마이크로전자, 미세전자기계시스템(MEMS), 패키징 기술과 첨단 소재 기술의 뒷받침이 있었다.
향후 스마트센서는 첨단 나노소재 지원을 받아 여러 변화를 동시에 정확하게 모니터링하는 멀티센싱이 일반화돼 환경 변화에 더욱 효과 높게 대응하게 될 것이다. 교체 시에는 센서 표준값을 스스로 조정, 자동 교체가 가능하게 될 것이다. 스마트센서는 4차 산업혁명이 추구하는 완전 디지털화에 필요한 데이터를 현장에서 수집해 전달하는 말초감각 기관 역할을 하게 될 것이다. 또 4차 산업혁명의 특징인 자율화에 요구되는 환경 변화에 즉각 스스로 반응해 최적 상태를 유지함으로써 효율 극대화와 대형 사고 예방을 하는 자율신경계 역할을 하게 될 것이다. 4차 산업혁명의 뇌와 신경망에 해당하는 AI 및 인터넷에 말초신경이 연결됨으로써 4차 산업혁명은 외부 환경 변화를 스스로 감지하고 반응하는 생명체 기능을 갖추게 될 것으로 전망된다. 스마트센서는 4차 산업혁명의 눈, 귀, 코, 피부가 되어 스스로 진화하는데 필요한 정보의 통로가 될 것이다.
다음 주에는 4차 산업혁명 시대의 핵심 수단이 될 모바일기기에 대해 알아본다.
박종구 나노융합2020사업단장, '4차 산업혁명 보고서' 저자
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