손병기
과학기술의 혁신으로 대전환을 겪고 있는 현대사회는 빠른 속도로 정보화사회에로 진입하고 있다. 여러 가지 신호나 정보가 센서에 의하여 감지 또는 채취되고, 각종 통신수단에 의하여 신속하게 전달되며, 컴퓨터에 의하여 빠르고 정확하게 처리되어 적시에 타당하게 필요한 정보로 제공되고 있다. 최근 정보의 채취, 처리, 전달, 활용 등이 폭발적으로 증대하고 있는데, 먼저 더 정확한 정보를 확보하는 이가 승자가 되고 있다.
이제 센서기술은 기초과학연구에서부터 산업공정제어 및 군사정보채취에는 물론 일상가정생활에 이르기까지 광범하게 활용되고 있다. 센서기술은 아주 학제적이고 복합기술적이며 고부가가치적이고 그 파급효과가 지대하다. 이 학제적이고 복합기술적인 센서기술의 특성이 센서기술의 혁신을 느리게 하였고, 고부가가치적이고 파급효과가 지대한 특성이 센서기술의 보호장벽을 높이고 기술이전을 기피하게 하고 있다. 세계의 센서기술의 90 % 이상을 점유하고 있는 미국, 일본, EU가 이 센서기술개발을 위하여 엄청난 투자를 서두르고 있으면서 기술보호정책을 강하게 펴나가고 있다. 그것은 센서기술이 정밀계측기술 및 자동화기술의 핵심이며 고도시스템기술의 관건이기 때문이다. 센서기술의 이러한 특성 때문에 시장규모가 급신장하고 있으며 첨예한 국제기술경쟁의 초점이 되고 있다.
센서기술의 국제적 기술보호장벽이 드높아만 가고있어 국가적 자력개발은 불가피한데 센서기술은 지극히 고부가가치적이고 아주 학제적이므로 이 기술개발을 위한 한국물리학의 선도적 역할은 절실히 요망된다. 특히 고품위의 센서개발을 위한 "디바이스 물리학(device physics)"의 선도가 절대적으로 필요하다. 센서기술은 현대 첨단과학기술의 충격적 영향으로 초소형화, 다차원화, 다기능화, 지능화, 시스템화의 경향을 뚜렷이 나타내고 있다.
여기서는 센서기술의 동향과 최첨단 반도체센서인 FET(field- effect transistor)형 마이크로센서에 대하여 요약적으로 살펴보고자 한다.
센서, 트랜스듀서 및 액추에이터
센서(sensor)라는 단어는 라틴어의 "sens(-us)"에서 유래된 것인데, 1967년 McGraw-Hill 출판사의 "English-German Technical and Engineering Dictionary"(2nd ed.)에 정의 없이 처음으로 출현하였다. 1974년, 이 출판사의 "Dictionary of Scientific and Technical Terms"(lst ed.)에 처음으로 정의를 넣어서 sensor라는 단어가 수록되었다.
아직도 센서의 개념이나 센서공학의 학문적 체계가 완벽하게 정립되어 있지 않은 상태이다. 그것은 센서기술이 아주 학제적이고 복합기술적이기 때문이라 생각된다. 넓은 의미로서의 센서란 외부로부터의 자극이나 각종 신호를 감지 검출할 수 있는 모든 수단이라고 생각할 수 있다. 그러나 일반적으로는 좁은 의미로 "센서란 검지대상의 양(量)을 선택적으로 포착하여 유용한 신호(주로 전기적 신호)로 변환·출력하는 장치(device)"라고 정의되고 있다. 센서는 원초적 정보를 채취하는 장치 또는 수단으로서 감지기(感知器) 또는 감지소자(感知素子)이고, 채취된 신호를 이에 대응하는 유용한 신호로 변환하는 수단은 변환기(變換器) 또는 변환장치(變換裝置)인데 이를 트랜스듀서(transducer)라 한다. 그러나 센서와 트랜스듀서는 분명하게 그 의미를 달리하고 있지만 가끔 혼용되고 있다. 그것은 센서와 트랜스듀서의 기능이 융합된 장치가 흔하게 개발되고 있기 때문에 최근 센서의 의미도 포괄적으로 원초적 신호의 감지·변환하는 장치라고 이해되는 경우가 많아졌다. 이 센서의 정의에서 포용된 변환의 뜻은 여러 가지의 신호를 전기적(드물게 광학적) 신호에로의 변환이라는 제한된 개념만으로 받아들여지고 있다.
센서 및 트랜스듀서와 함께 널리 쓰이고 있는 단어로 액추에이터(actuator)가 있는데, 액추에이터란 신호처리기에 의하여 다듬어져 나온 신호에 대응하여 동작을 하는 장치 또는 수단이다. 즉 액추에이터란 입력된 신호에 대응하여 작동을 수행하는 작동기(作動器), 또는 명령신호에 따라서 작동하는 집행기(執行器)이다. 그러나 이들 감지기, 변환기, 작동기가 훨씬 넓은 의미의 감지기(感知機), 변환기(變換機), 작동기(作動機)로 수용되는 경우도 허다하다.
그러나 인류는 센서란 낱말이 생기기 훨씬 전부터 실제 센서를 여러 가지로 써왔다. 나침반으로 방위를 감지했고, 한란계를 만들어 온도를 측정하였다. 오늘날에는 센서라는 수단을 통하여 보고 들을 수 없는 적외선, 자외선, 초음파, X-선, 방사능 등을 감지할 수 있다. 넓은 의미로는 작아서 볼 수 없는 것을 전자현미경을 통하여 1천만배나 확대하여 보며, 전파망원경으로 100억광년(光年)이나 멀리 떨어져 있는 퀘이자(quasar)를 관측한다. 래이다를 이용하여 이동체의 움직임과 적기(敵機)의 접근을 미리 알아차릴 수도 있다. 또 센서기술을 이용하여 여러 가지 생물학적 신호도 감지해 내고, 곧 다가오는 재해도 미리 알아서 예방할 수 있는 수단으로서의 센서기술을 개발하고 있다.
센서는 기본적으로 감도(sensitivity), 안정도(stability), 복귀도(reversibility), 선택도(selectivity)가 우수하여야 하고, 동시에 기능성, 적용성, 규격성, 생산성, 보존성, 경제성 등이 좋아야 한다. 용액 중의 특정 이온이나 기체중의 특정 가스를 검출하고자 할 때 공존하는 다른 이온이나 가스들의 간섭효과를 배제하고 오직 측정대상의 이온이나 가스만을 선택적으로 감지해야 한다. 또 센서가 작동한 후에는 즉시 원상태로 복귀하여 다음 작동을 수행해야 하는데 일반적으로 원상회복하는데는 어느 정도의 시간을 소요한다. 이것은 센서의 이력특성이나 기억특성 때문이고 또 이 이력특성이나 기억특성은 센서의 반응속도와도 유관하다.
센서기술
센서기술은 기계장치에 감각기능을 부여하는 기술이며, 인간의 감각기능을 확장하는 기술이다. 만일 기계가 감각기능을 갖춘다면 그 기계는 필경 고가일 것이다. 이것은 기계장치에 센서기술이 접목될 때 엄청난 고부가가치를 유발하게 된다. 또 사람의 오감으로는 감지할 수 없는 것을 센서라는 수단을 통하여 감지해 낼 수 있다. 이렇게 센서기술은 인간의 감각기능을 확장할 수 있다.
센서기술은 계측기술 및 자동화기술의 핵심이며, 고도시스템기술의 관건이다. 모든 측정은 센서를 통해서 가능하고, 정밀계측기술 없이 고도의 제어기술 또는 고도의 자동화기술은 있을 수 없다. 그러므로 센서기술은 계측 및 자동화기술의 핵심이다. 21세기의 중추기술이 고도의 시스템기술이 될 것이다. 이 시스템기술은 통신기술, 컴퓨터기술 및 제어기술의 조화로운 결합으로 성취되는 것인데, 제어기술은 컴퓨터기술이나 통신기술에 비하여 훨씬 낙후해 있다. 제어기술의 혁신 없이는 고도의 시스템기술을 기대하기 어렵다. 제어기술이 낙후한 주된 이유는 센서기술이 상대적으로 낙후해 있기 때문이다. 그러므로 센서기술의 혁신여부가 고도시스템기술의 달성여부와 직결되어 있다. 센서기술의 이 핵심요소성과 관건성 때문에 국제기술경쟁의 초점이 되어 있고 그 기술이전이 극히 어렵게 되어 있어 센서기술의 자력개발은 불가피하다.
센서기술은 고부가가치적이고 그 시장규모가 급신장하고 있다. 센서기술력의 확보는 고도기술력 확보의 길이요, 고부가가치 제품 생산력 확보의 교두보이다. 고급제품일수록 센서의 가치비중이 더 높고, 센서의 품질이 그 제품 가격의 기준이 되고 있다. 정보화사회에로 진입할수록 센서시장규모는 커지고 있는데 현재 세계센서시장규모는 거의 지수함수적으로 급신장하고 있다.
센서기술은 소량, 다품종형이지만 그 파급효과는 지극히 크다. 센서는 참으로 다양하다. 센서기술은 가정에서부터 산업현장에까지, 학교연구실에서부터 군사작전이나 우주탐사에까지 대단히 광범하게 활용되고 있다. 또 센서는 그 운용방식이나 사용처에 따라서 얼마든지 그 활용범위가 확장될 수 있다. 그래서 센서기술의 파급효과는 지극히 크다.
센서기술은 기초과학기술에 뿌리를 내리고 센서소자기술에서부터 센서시스템기술, 센서응용기술 등으로 전개된다. 센서소자기술은 물리센서, 화학센서 및 바이오센서로 크게 분류되고, 센서시스템기술은 인터페이스기술, 신호처리기술, 지능화기술 및 시스템화기술로, 그리고 센서응용기술은 공공응용, 민생응용, 산업응용 및 특수응용으로 대별될 수 있다.
1984년 세계 센서시장규모는 200억불을 약간 상회할 정도였으나, 1990년에는 그 규모가 640억불을 기록했고, 1992년에는 1,100억불을 상회하였으며, 2000년에는 2,400억불을 넘어 설 것으로 예상된다. 그런데 1990년의 경우 국가별 센서수요를 보면 총 640억불 중 미국이 38.7 %, 일본이 23 %, 서독이 13 % 등이고 한국은 1.5 %에 불과하다. 1990년에는 미국과 일본 두 나라가 세계센서기술의 약 75 %를 점유하고 있었는데, 1996년에는 EU가 약 30 %를 점유하는 것으로 나타났다. 이것은 EU가 센서기술을 바탕으로 하는 중추기술개발에 얼마나 심혈을 기울이고 있는가를 나타내고 있다. 미국과 일본의 센서기술개발 투자가 크게 늘어나고 있는데도 EU의 점유율이 이렇게 높게 나타나는 것에 주목하지 않을 수 없다.
센서기술은 센서의 특성을 개선해 나가거나, 새로운 센서를 개발하거나, 새로운 신호처리 및 센서응용기술의 개발 등에 의하여 그 발전이 이뤄진다. 그러나 최근에는 기초과학의 눈부신 발전과 신소재기술, 정밀제조기술, 반도체집적회로기술, 인공지능기술 등 첨단기술의 충격적 영향으로 센서기술은 엄청난 속도와 규모로 그 혁신이 이뤄지고 있다. 이 놀라운 센서기술혁신은 그 새로운 발전동향을 분명하게 표출하고 있다. 최근의 센서기술은 가격저렴화, 양산화, 규격(표준)화의 방향에서 다시 폭발적 기술혁신으로 초소형화(超小形化), 다차원화(多次元化), 다기능화(多機能化), 지능화(知能化), 시스템화 등의 새로운 발전경향을 뚜렷이 나타내고 있다.
센서는 어떤 상태를 감지하는 것으로서 센서의 삽입이 감지코자하는 대상의 상태에 교란함이 있어서는 안된다. 즉 센서의 도입이 원상태에 미치는 영향을 최소화하여야 한다. 어떠한 환경에서나 신속한 반응을 하며, 사용자가 원하는 정보를 타당하게 제시할 수 있는 지능적이고 다차원 또는 다기능적인 센서의 개발이 활발히 추진되고 있다. 혹자는 이러한 지능을 갖춘 센서를 스마트센서(smart sensor)라고 부른다. 현재와 같은 급격한 센서기술혁신이 지속된다면 머지않아 센서기술은 상당히 높은 수준으로 발전하고, 고도의 시스템기술도 찬란히 전개될 것이다. 언젠가는 인간의 감각기관과 유사한 또는 그 이상의 수퍼센서시스템이 출현할 것으로 기대되고 있다.
FET형 마이크로센서
FET형 마이크로 센서란 반도체집적회로공정과 같은 미세가공기술에 의하여 제조되는 초소형으로서 FET(field-effect transistor)와 같은 원리에 의하여 동작하는 센서를 총칭한다. 이 FET형 센서는 신소재기술, 정교한 미세가공기술, 전자회로집적기술, 인공지능기술 등과 같은 첨단기술과 접목되어 제조되는 것으로서 센서의 초소형화, 다차원화, 다기능화, 지능화, 시스템화 등에 많은 장점을 가지고 있다. 이 FET형 마이크로센서는 단일 칩상에 많은 센서소자를 집적할 수 있고, 여러개의 같은 종류의 센서를 배열함으로써 다차원화하고, 여러 가지 종류의 센서를 함께 집적함으로써 다기능화하며, 지능회로와 함께 집적함으로써 지능화하고, 관련회로나 장치들을 함께 집적함으로써 시스템화 할 수 있어서 최첨단센서로서 크게 각광을 받고 있다.
이 FET형 센서는 1970년대에 들어와서 발아되기 시작하였다. FET형 센서 중에서 가장 대표적인 것이 ISFET(ion sensitive field-effect transistor)인데, 이는 ISE(ion selective electrode)와 MISFET를 교묘하게 결합시킨 반도체 마이크로센서로서 종래의 ISE에 비하여 월등한 장점(빠른 반응, 초소형 초경량, in-vivo 및 in-situ 측정가능, 단일칩 스마트화 등)을 가지고 있다. 수소이온센서인 H-ISFET는 최초의 FET형 센서로서 이미 pH미터용으로 실용화되고 있다.
그림 2는 ISFET의 단면구조를 나타낸 것인데, MOSFET의 게이트 전극이 이온감지막과 기준전극 그리고 피측정용액으로 대치된 것 외에는 MOSFET와 같다. 실재 ISFET와 MOSFET의 동작원리가 아주 흡사하다. 용액과 감지막 계면의 전기화학적전위차가 용액 중의 이온농도에 따라서 변하는데 이 전위차의 변화가 문턱전압(threshold voltage, Vt)의 변화를 낳고 즉 유효게이트전압(effective gate voltage, Vg-Vt)의 변화를 유발하고, 이는 전장효과에 의하여 채널컨덕턴스를 변화시킴으로써 드레인전류의 변화를 일으킨다. 이 드레인전류의 변화분을 측정함으로써 용액 중의 특정이온농도의 변화를 감지하게 된다. 특정이온에 선택적으로 민감한 이온감지막을 교체형성함으로서 각종 ISFET를 개발할 수 있다.
ISFET를 트랜스듀서로 하고 그 게이트 위에 특정 생체기능성막을 형성하여 FET형 바이오센서를 제조할 수 있다. 예로서, H-ISFET의 게이트위에 GOD(glucose oxidase)고정화막을 형성함으로써 FET형 포도당센서를 얻을 수 있다. 이 경우 포도당과 GOD의 효소반응에서 수소이온이 생성되는데 이를 H-ISFET가 감지함으로써 포도당을 감지할 수 있다. 이 FET센서는 아주 작기 때문에 혈관에 직접 삽입하여 혈당치를 현장현시적으로 측정 또는 모니터링할 수 있다. 이렇게 효소고정화막이나 다른 특정기질에 민감한 수용체(receptor)가 될 수 있는 각종 생체기능성막을 형성함으로써 여러 가지 바이오FET를 개발할 수 있다.
그림 3은 저자의 연구실에서 개발하였거나 개발중인 여러 가지 FET형 센서를 나타내고 있다. ISFET를 위시해서 GASFET(gas sensitive FET), PSFET(pressure sensitive FET), HSFET(humidity sensitive FET), OSFET(optically sensitive FET), TSFET(thermally sensitive FET) 등과 ISFET가지 및 GASFET가지 그리고 H-ISFET를 바탕소자로 한 여러 가지 FET형 바이오센서-bioFET-등에 관한 연구가 수행되고 있다. 그림에서 끝이 열려있음은 훨씬 더 광범위하게 전개될 수 있음을 나타낸다. ISFET가지처럼 다른 FET형 센서도 다양하게 전개될 수 있다.
화학센서나 바이오센서의 경우 센서는 초소형으로 제조할 수 있다고 해도 마이크로센서로 활용하기 위해서는 동시에 마이크로기준전극이 개발되어야 한다. 또 센서를 어느 정도라도 스마트화하기 위해서는 FET센서 신호처리 회로가 단일 칩으로 집적되어야 하며, 여러 가지 센서, 기준전극, 신호처리회로 등을 단일 칩에 집적하기 위해서는 해당 집적회로의 설계 및 공정기술이 개발되어야 한다. 마이크로기준전극, FET센서 인터페이스회로, 웨이퍼단위 제조공정관련 기술이 상당한 수준으로 확보 또는 개발되고 있다. FET형 센서기술에 대한 연구는 그 높은 기술적 가능성과 잠재력 때문에 전세계가 엄청난 투자와 정열을 쏟아 붓고 있다. 그래서 머지 않은 장래에 높은 수준의 연구결과들이 쏟아져 나올 것이고 FET형 마이크로센서기술이 찬란한 고도 센서기술을 선도하게 될 것이다
그림 4는 센서기술의 진화과정을 요약적으로 나타낸 것인데, 현 상태에서는 주로 센서가 독립적으로 개발되고 그 출력신호는 정제되어 A/D컨버터를 거쳐 마이크로프로세서에 입력되어 처리되는 형식을 취하고 있으나 다음단계로 발전하면서 그 과정들이 차츰 집적되고 종국에 가서는 센서에서부터 마이크로프로세서까지 전체가 하나로 집적되는 것을 보여 주고 있다. 그 이후로는 각 과정이 더 높은 수준으로 개발되고 그들의 집적된 결과는 아주 고도의 센서시스템으로 발전해 갈 것이다. 그림 5는 3차원집적기술에 의하여 앞으로 실현될지 모를 다층구조를 가지는 지능형 영상센서(image sensor)의 개념을 나타내고 있다.
센서기술은 자동제어기술의 핵심이며 21세기 초의 중추기술이 될 고도 시스템기술의 관건으로서 아주 고부가가치적이고 파급효과가 지대하기 때문에 첨예한 기술경쟁의 초점이 되고 있다. 그 기술보호장벽은 계속 높아만가고 기술이전은 기대하기 어렵게 되고 있어 국가적 자력개발은 불가피하다. 이 학제적이고 복합기술적인 센서기술은 기초학에서부터 응용기술에 이르기까지 집단적으로 협력하고 국민적 이해와 정부의 강한 지원의지가 융합될 때 그 효율적 기술혁신이 이뤄질 것이다.
참 고 문 헌
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손병기 교수는 경북대학교 물리학과에서 박사학위를 취득하였고, 1965년부터 경북대학교에 재직하고 있다. 경북대학교 대학원장, 공과대학장 및 공학연구원장, 한국센서학회장, 대한전자공학회 부회장, 대학우수연구센터소장협의회장, University of Arizona 객원교수 등을 역임했다. 현재 경북대학교 전자전기공학부 교수, 센서기술연구소(ERC) 소장 및 과학기술장관회의 총괄조정위원이다.(bksohn@ee.kyungpook.ac.kr) |
http://cgi.postech.ac.kr/cgi-bin/dept/ce/nano/spboard/board.cgi?id=board01&action=view&gul=99&page=5&go_cnt=1
