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최신 지능형 시스템의 기본 요소: 센서

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글/GREG LEBSACK, 총괄 책임자, MENTOR, A SIEMENS BUSINESS

기본적인 센서가 최첨단 지능형 센서로 진화함에 따라 우리가 주변에서 유용한 데이터를 모으고, 그 데이터를 분석하여 의사 결정에 활용하고 거대한 지능형 시스템을 서로 연결하여 새로운 솔루션을 지원하며 전에는 절대 불가능했던 여러 가지 일들을 이루어내는 등 삶의 방식에 일대 혁명이 일어나고 있다. 이 때문에 기존 기업과 스타트업 기업을 막론하고 시장에 새로운 아이디어를 선보일 기회가 늘어났다. 센서 기반 제품 개발이라는 분야가 갑자기 다시 빛을 보기 시작했고, 설계 팀에서 새로운 솔루션을 개발하기 위해 IoT에서 산업용 IoT까지 다양하고 생소한 난제에 도전하는 사례가 비일비재해졌다.
최초의 지능형 전자 센서 제품은 1980년에 제안된 것으로 보인다(아이디어 고안자는 S. Middelhoek과 J.B.Angell). 이 제품은 MEMS 센서 한 개와 아날로그-디지털(A-D) 변환기로 구성되었으며 프로세서에 연결하는 방식을 새롭게 고안했다. 다만 당시에는 MEMS와 CMOS 기술 수준이 이러한 통합형 장치를 만들기에는 준비가 덜 된 상태였다. 하지만 지금은 기술을 충분히 이용할 수 있고, 지능형 센서야말로 혁신적인 IoT 시스템 개발의 비결이라는 사실이 명확하게 드러났다.
지능형 센서에 반드시 포함해야 하는 것으로 대다수가 동의하는 요소는 다음과 같다(그림 1 참조).

[그림 1] 기본형 센서와 지능형 센서의 비교

• 실재 세계에서 물리적 매개변수를 측정하는 감지 장치
• 프로세서나 DSP와 같이 감지 장치의 측정치를 분석하는 연산 블록
• 무선 송신기와 같이 대형 지능형 시스템과 정보를 교환하는 통신 블록
여기에 감지 장치의 신호를 지능형 센서가 사용할 수 있는 데이터로 변환하기 위해 신호 조절을 거쳐야 하기도 한다. 이러한 조절에는 증폭이나 신호 클린업(clean up) 또는 튜닝 등이 포함될 수 있다.
A/D 블록 변환기는 아날로그 감지 신호를 디지털로 변환해 프로세서와 소프트웨어가 정보를 활용하여 센서 보정을 수행할 수 있게 한다.

센서 시장

설계자가 전자 센서를 만들 때 실리콘 포토닉스, CMOS, 유체 칩과 LED 등 다양한 기술을 활용할 수 있다. 하지만 지능형 센서 시장에서 차지하는 범위가 가장 넓은 MEMS 센서 기술이 가장 흥미로운 탐구 대상이라 할 수 있다. Yole Développement에서 발간한 “2017년 MEMS 산업 현황” 보고서에 따르면 MEMS 센서 시장은 2016년에 매출 규모 110억 달러를 초과했다(그림 2 참조).

[그림 2] ASP(평균 판매 가격)가 점점 하락하는 MEMS 센서 시장

2003년에는 Knowles CorporationⓇ에서 제작한 업계 최초의 MEMS 마이크가 출시되었다. 이 제품은 폼팩터와 열에 대한 강한 저항력 때문에 표면 장착이 가능했고, 따라서 스마트폰 내부에 탑재되게 되었다.
이후 2005년에는 가속도계를 장착한 스마트폰이 출시되면서 최신 MEMS 센서 시장의 성장 속도가 한층 빨라졌다. 2016년에는 RF MEMS 필터 사용량이 급증했는데, Yole Développement 보고서에 따르면 4G/5G 통신의 복잡성 때문인 것으로 보인다. 하지만 센서의 평균 판매 가격(ASP)은 약 1달러 수준으로 떨어졌다(자세한 내용은 본문 뒷부분 참조). RF와 마이크가 출고 유닛 수량 면에서 1위를 차지했으며, 유형별 5가지 MEMS 센서가 그 뒤를 이었다(그림 3 참조).

[그림 3] 판매량에 따른 가장 보편적인 MEMS 센서 유형

전반적인 MEMS 및 센서 판매량을 살펴보면 스마트폰, 드론, 스마트 홈 디바이스와 웨어러블 장치 등을 포함한 소비재 시장이 MEMS와 센서 부문을 합해 압도적으로 가장 큰 시장이라 할 수 있다. 자동차 시장이 2위로, 자동차 제조 과정에는 운전자 보조 시스템, 안전 및 자율주행 기술 등 센서가 많이 쓰이는 기술이 크게 관련이 있다. 산업 시장의 경우 산업용 IoT 부문이 센서 구매량이 가장 많았다(그림 4 참조).

[그림 4] 시장 부문별로 살펴본 MEMS 및 센서 판매량

이윤 창출

MEMS 센서의 평균 판매 가격(ASP)은 단위당 약 60센트에 불과한 수준인 지금, 공급업체에서는 어떻게 해야 IoT 시장에서 이윤을 창출할 수 있을까? 시장을 선도하는 기업이고 수십억 대의 센서를 출고한다면 생산량이 많을수록 매출도 늘어난다. 또는 합병이나 인수를 통해 시장을 넓히는 방법도 있다. 하지만 공급업체에서 매출을 창출하는 데는 다른 방법도 있다. 그중 한 가지는 센서 융합이다.
센서 융합이란 여러 개의 센서와 지능형 소프트웨어를 조합하여 사용하는 제품을 개발해 센서를 별도로 사용하는 것보다 훨씬 고부가가치 시스템을 만드는 것을 말한다. 이러한 방법을 사용한 좋은 예가 세계 최초의 통합형 7축 MotionTracking™ 장치인 InvenSense (TDKⓇ) ICM-20728이다(그림 5 참조). 이 장치에는 3축 자이로스코프 한 개, 3축 가속도계와 압력 센서 한 개가 싱글칩 플랫폼 솔루션에 포함되어 있으며 온보드 디지털 모션 프로세서와 펌웨어 알고리즘으로 작동한다.

[그림 5] TDK 센서 시스템 온 칩(SoC)(출처. TDK)

소프트웨어는 새로운 수익 창출을 위한 길을 열어주는 문과 같다. 예를 들어 공급업체에서는 여러 가지 용도별 제품으로 구성된 포트폴리오를 각기 다른 기준 소매 가격으로 제공하여 하드웨어를 동일한 것으로 유지하되 지능형 센서 기능은 전적으로 소프트웨어에서 제어하게 만들 수 있다. 센서가 다른 센서와 인터넷에 연결되는 방식이기 때문에 공급업체는 서비스 영역으로 진출할 수 있다. 이러한 서비스에는 시스템 최적화를 위한 데이터 융합이나 원격으로 센서 시스템을 보정하여 데이터를 분석하는 서비스, 또는 원격 진단과 유지관리를 수행하는 서비스 등이 포함된다.
기술 발전의 최전선에 선 TANNER

취미로 설계 또는 개발을 하거나 크고 작은 기업에 속해 있는 설계자들은 시장에 참신한 IoT 아이디어를 선보이기 위해 지능형 센서를 유리하게 활용하고 있다. 차세대 설계자들의 등장과 함께 하드웨어 설계가 다시 대세로 떠오르고 있는 추세이다.
이러한 차세대 설계자들은 설계 플로우를 다시 정립하며, 기존 설계자들과의 기대치 수준도 다르다. 이들은 주로 소규모 팀에서 일하며 통합형 설계 플로우를 이용해 특정 기능을 하는 장치를 빠르고 간편하게 저비용으로 만드는 것을 목표로 한다. 이들이 IoT 시장에서 주어진 기회를 활용하려면 시스템 검증을 위한 개념 증명을 할 수 있어야 한다. 설계 팀에서는 센서 중심적 IoT 개별 장치에 필요한 모든 부분을 신속하게 개발할 수 있도록 하는 통합형 설계 플로우를 사용해 빠른 속도로 제품을 구현해야 한다. 예를 들어 감지 장치 요소, 아날로그 회로 인터페이스, 아날로그-디지털 변환 논리, 디지털 논리와 RF 등 모든 부분을 기존 IC 및 시스템 설계에 비해 적은 원가로 확보해야 하는 것이다.
대다수의 설계 팀에서는 Tanner에서 제공하는 통합형 IC 설계 및 검증 솔루션을 이용하여 지능형 센서 기반 IoT 시스템을 제작하고 있다. 그 이유는 무엇일까? 센서 기반 IoT 개별 장치(그림 6)를 만들기 어려운 이유는 여러 가지 설계 영역이 서로 관여하기 때문이다. 그러나 기존의 CMOS IC 플로우를 사용한 전자 장치와 MEMS 센서를 동일한 실리콘 다이에 결합한 개별 장치를 만드는 것은 불가능해 보일 수 있다. 사실 많은 IoT 개별 장치는 여러 개의 다이를 하나의 패키지로 결합한 것이므로 MEMS 설계와 전자 장치가 분리되어 있다.

[그림 6] 복수의 영역 설계를 포함한 전형적인 IoT 개별 장치

Tanner AMS IC 설계 플로우는 성공적인 IoT 개별 장치 설계와 검증을 위해 하나 이상의 다이 기술을 적용한다. Tanner는 IoT에 적합한 탑다운 방식의 단일 설계 플로우(그림 7)를 제공하여 아날로그, 디지털, RF와 MEMS 설계 영역을 하나로 통합한다. 설계하는 IoT 장치가 싱글/멀티 다이인지 상관없이 Tanner 설계 플로우를 이용해 설계, 시뮬레이션, 레이아웃 및 검증에 이용할 수 있다.

[그림 7] 여러 영역을 포함한 설계와 검증에 쓰이는 탑다운 방식의 단일 설계 플로우

Mentor에서는 조기에 IoT 개별 장치가 차세대 설계자들을 위한 기회를 열어줄 것임을 알아보고, 이들의 요구 사항에 따라 맞춤 제작한 고유한 솔루션을 제공하고 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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