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[4차 산업혁명과 스마트 센서 ①] 센서, 4차 산업혁명 추진의 첨병

스마트폰의 지문인식 센서부터 손쉬운 주차를 돕는 자동차 후방 센서, 자동문을 여닫기 위해 필요한 에어리어 센서까지. 크기가 작아 간과하기 쉽지만 센서는 일상 곳곳에, 제조 현장 구석구석마다 손가락 끝을 뻗고 있다. 또한 최근에는 기존의 센싱 기능에 통신이나 데이터 처리 기능 등이 추가된 스마트 센서가 등장해 4차 산업혁명 추진의 첨병으로 떠오르고 있다. 스마트공장은 물론 자율주행차, 로봇, 드론 등 다양한 분야에 있어 빼놓을 수 없는 센서의 현재와 미래에 대해 살펴본다.

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‘위’와 ‘아래’는 단순히 위치만을 나타내는 개념이 아니다. ‘위’라는 단어에서는 하늘, 우수, 진보 등의 의미가 연상된다. 반대로 ‘아래’는 땅, 열등, 주종관계에서의 종(從)과 같은 의미를 포함한다. 이러한 메타포는 구약성서 속 바벨탑부터 이집트의 피라미드, 오늘날의 마천루에 이르기까지 수천 년간 이어져 내려왔다.

자동화의 삼각형
자동화의 삼각형

자동화의 삼각형에서도 기기 수가 가장 많은 컨트롤 레벨(control level) 대신 SCADA나 MES, ERP 등이 속해 있는 사이트 레벨(site level)에 대한 고민이 가장 많이 이뤄진다. 마치 전체 체중의 2% 가량에 지나지 않는 두뇌가 인간의 본질로 여겨지는 것처럼 말이다. 데이터의저장이나 분석 등과 같은 두뇌 활동을 맹신하는 경향은 영화 <써로게이트>나 애니메이션 <공각기동대> 등 SF 장르에서 종종 볼 수 있는 ‘별도의 장소에 보관된 두뇌’라는 소재를 통해 표현된다.

그런데 ‘신체’라고 하는 연약한 틀에 구애받지 않고 두뇌에 영생을 선사하는 방법이 실제로 존재한다는 사실, 알고 있었는가. 바로 역설계(reverse engineering)를 통해 두뇌를 재현해 컴퓨터에 저장하는 것이다. 문제는 인간의 뇌를 평범한 전자현미경으로 찍기만 해도 그 데이터의 양이 제타바이트(1,012기가바이트) 수준에 이른다는 점이지만.

하지만 이는 곧 두뇌와 신체 간의 단절을 의미한다. 여기서는 물리학자인 미치오 카쿠(加來 道雄)가 저서인 『마음의 미래』에서 이야기한 ‘동굴인간원리(Caveman Principle)’에 대해 살펴볼 필요가 있다. 동굴인간원리에 따르면 하이테크(high-tech)와 하이터치(high-touch) 중 하나를 골라야 할 때, 사람들은 언제나 하이터치를 선택한다고 한다.

잘 쓰인 여행기와 실제로 그곳을 여행할 기회 중 한 가지를 골라야 한다면 대다수는 ‘여행’을 선택한다. 여행기로는 그 여행지의 역사나 문화 등 다양한 정보를 얻을 수 있지만 사람들은 노력과 돈을 들이더라도 두눈으로 직접 풍경을 보고 자신의 손끝으로 유적의 흔적을 느끼길 원한다는 것이다.

서 말의 구슬을 모으기 위해서는

동굴인간원리에는 또 하나 주목할 만한 사실이 숨어 있다. 동굴 속으로 들어간 인간, 그리고 컴퓨터에 저장된 두뇌는 더 이상 외부로부터의 자극을 수용하지 못한다는 점이다. 고인 물이 언젠가 썩는 것처럼 외부로부터의 자극이 차단된 상태에서의 데이터 분석은 언젠가 한계를 드러내고 만다. 많은 사람들이 자동화의 삼각형에 있어 데이터 저장이나 분석 등이 벌어지는 사이트 레벨을 중시하지만, 결국 그 못지 않게 중요한 것이 IoT 시대의 신경, 센서라는 의미다.

스마트센서엑스포 정항근 위원장
스마트센서엑스포 정항근 위원장

지난 6월호 ‘4차 산업혁명과 산업용 이더넷’ 특집에서 로크웰오토메이션 코리아의 이순열 상무는 “이제 제조업계의 가장 중요한 자산은 데이터 자산이 되었다”며 “데이터를 더 가치 있는 정보로 만들기 위해서는 데이터를 수집하고 연결할 수 있는 인프라 구축이 우선”이라고 강조했다.

즉 단순히 MES를 도입하고 잘 보이는 곳에 모니터를 설치하는 수준에 그칠 것이 아니라, 신속 정밀하게 수집한 데이터를 인포메이션 단계로 수월하게 올려보낼 수 있도록 인프라를 정비해야 한다. ‘구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배’라는 속담의 전제는 결국 ‘서 말의 구슬을 모아야 한다’는 사실인 것처럼.

스마트 센서란?

이러한 흐름 속에서 최근 스마트 센서가 4차 산업혁명 추진의 첨병으로서 많은 주목을 모으고 있다. 센서는 물리적 변화, 화학적 변화, 바이오 변화 등을 측정해 인식 가능한 신호로 변환해주는 장치다. 물리적 변화로는 온도, 속도, 압력 등의 변화가 있으며 화학적 변화로는 가스 유출이나 습도 변화 등을 들 수 있다. 센서는 거의 모든 산업군에서 다양한 종류의 변화 측정에 활용되고 있다. 그런데 여기서 그치지 않고 최근에는 스마트 센서(첨단센서)가 등장해 4차 산업혁명의 중심으로 떠오르고 있다.

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우선 스마트 센서를 둘러싼 다양한 정의에 대해 살펴보자. 전자부품연구원(KETI)은 스마트 센서를 가리켜 ‘센서의 단순 기능 이외에도 논리제어기능, 통신기능, 판단기능을 추가로 갖춘 센서’라고 일컬었다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 스마트 센서를 ‘센싱 기능에 데이터 처리, 의사 결정, 통신기능 등이 결합되어 자동보정, 상황판단, 네트워킹 등이 가능한 차세대 센서’라고 정의했다. 미국의 리서치 기업인 가트너(Gartner)는 ‘센싱 소자, 아날로그 인터페이스 회로, 아날로그 디지털 변환기(ADC) 및 버스 인터페이스를 단일 하우징에 조합한 것’이 스마트 센서라고 보았다.

세 기관 모두 ‘통신기능’을 강조한다. 실제로 최근 적지 않은 기업에서 통신기능이 적용되어 수집한 데이터를 상위 단계로 즉시 올려보낼 수 있는 스마트 센서 제품군을 내놓고 있다.

센서의 통신을 책임지는 IO-Link

통신기능이 탑재된 이들 스마트 센서는 대부분 ‘IO-Link 통신을 지원’한다는 사실을 전면에 내세운다. IO-Link는 국제 표준 IEC 61131-9를 따르는 통신 기술로, 자동화의 삼각형에 있어 하위 레벨에 위치한 센서나 액추에이터, 밸브 등을 포인트 투 포인트(point-to-point) 방식으로 연결해 이들 장비에서 발생한 데이터를 상위 레벨로 올려 보낸다.

IO-Link의 시스템 아키텍처
IO-Link의 시스템 아키텍처

지난 6월호에 게재된 ‘4차 산업혁명과 산업용 이더넷’ 특집에서는 EtherNet/IP와 PROFINET, CC-Link/IE, POWERLINK, EtherCAT 등 다양한 이더넷 기반 통신 프로토콜이 소개되었다. 각 통신 프로토콜들은 컨트롤 레벨과 프로세스 레벨, 사이트 레벨 중 어떤 레벨 간 연결을 지원하느냐에 따라 서로 다른 특성을 보인다. IO-Link는 위 프로토콜들과 마찬가지로 산업용 이더넷을 기반으로 하지만, 하위 레벨에 위치한 센서나 액추에이터 등을 연결하는 데 특화되어 있다는 점에서 차이를 보인다.

빠른 성장세 보이는 스마트 센서 시장

최근에는 스마트공장 구축 외에도 자율주행차, 모바일 기기, 웨어러블 기기, 의료기기 등의 분야에서도 스마트 센서를 필요로 함에 따라 반도체, 나노, 램스 등의 공정 기술과 아날로그·디지털 회로 기술 등 다양한 기술이 접목되면서 센서의 첨단화가 급속도로 진행되고 있으며 이에 따라 스마트 센서 시장 규모 역시 빠른 성장세를 보이고 있다.

세계 센서 시장은 2012년 1,600억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. (자료: BCC Research 기반으로 산업통상자원부 발표)
세계 센서 시장은 2012년 1,600억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. (자료: BCC Research 기반으로 산업통상자원부 발표)

주요 품목을 기준으로 세계 센서 시장의 성장세를 살펴보면 2015년 913억 달러, 2016년 1,006억 달러 가량이던 시장 규모는 2021년 1,664억 달러까지 성장할 전망이다. 2012년부터의 연성장률은 10.6%에 이른다. 센서 시장 성장의 주된 이유로는 IoT에 대한 수요 증가를 들 수 있다.

2020년 스마트 센서 비중은 일반 센서와 비슷한 수준에 이를 것으로 보인다. (자료: IC insight, iSuppli, Yole 등 기반으로 산업통상자원부 발표)
2020년 스마트 센서 비중은 일반 센서와 비슷한 수준에 이를 것으로 보인다. (자료: IC insight, iSuppli, Yole 등 기반으로 산업통상자원부 발표)

다음으로는 전체 센서 시장 가운데 스마트 센서가 차지하는 비중을 살펴보자. IC insights, iSuppli 등의 조사를 기반으로 한 산업통상자원부의 발표에 따르면 2010년에는 세계 센서 시장 가운데 레이다, CIS, MEMS 등의 스마트 센서가 차지하는 비중이 19%에 지나지 않았으나, 2020년에는 49%까지 대폭 성장해 일반 센서와 비슷한 비중을 점할 것이라고 한다.

제조 현장과 센서

제조 현장에서는 온도 센서, 비전 센서, 레이저 변위 센서 등 다양한 종류의 센서가 활용되고 있다. 이들 센서는 제품과 가장 가까운 위치에 설치되어 데이터를 수집해 제품의 생산성을 향상시키거나, 제조 현장의 조건 변화를 감지해 예지보전을 실현한다. 그렇다면 제조 분야 종사자들은 센서를 통한 빅데이터 수집으로부터 어떤 효과를 기대하고 있을까.

닛케이 모노즈쿠리의 조사(중복 응답 가능)에 따르면 가장 큰 기대 효과는 ‘제품의 품질 향상(59.6%)’으로 나타났다. 실제로 제품의 품질 검사 과정에 있어 센싱 속도가 빠르고 정밀도가 높은 센서를 적용할 경우, 전수조사가 가능해져 보다 철저한 품질 관리가 가능하다. 다음으로 많은 응답은 ‘예지보전의 실현(53.2%)’이었다. 이외에도 ‘고객이 원하는 제품을 기획할 수 있음(45.0%)’, ‘새로운 서비스 창출(40.4%)’, ‘애프터 서비스의 효율화(35.8%)’ 등의 응답이 많았다. 이처럼 센서를 통한 데이터 수집은 제조 공정에서부터 서비스 부문에 이르기까지 넓은 범위의 생산성 향상에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

그렇다면 제조 현장에 적용 가능한 스마트 센서로는 어떤 것들이 있을까. 다양한 기업에서 선보인 스마트 센서 제품들에 대해 간단히 살펴보도록 하자.

[4 산업혁명과 스마트 센서] 연결기사 보기
①센서, 4 산업혁명 추진의 첨병
②원활한 데이터 수집을 위한 센서의 진화
③센서 분야의 가능성, 그리고 과제

About 송해영 기자

제조업이 꼭 어려울 필요 있나요? 쉽지만 깊은 기사를 쓰기 위해 노력하고 있습니다:)