이미 존재하는 전자 센서 시스템의 미래 청사진

  • 2018-08-06
  • 토마스 라이너(Thomas Riener) 색채 및 스펙트럼 센싱 담당 수석부사장 ams AG




토마스 라이너(Thomas Riener)
색채 및 스펙트럼 센싱 담당 수석부사장 ams AG


오늘날의 칩 스케일 센서 시스템은 빠른 속도로 점점 더 복잡해지며 정교해지고 있다. 실제로 센서는 거의 모든 종류의 전자기기에서 놀라울 정도로 사용이 늘고 있으며, 모바일 기기와 가전제품, 자동차 시스템 및 기타 제품을 생산하는 제조회사의 설계 엔지니어들은 이러한 센서를 활용하여 많은 유용성과 가치를 창출하고 있다.

이처럼 전자 시스템에서 센서의 역할이 달라지게 된 데에는 다음과 같은 다양한 요소들이 작용하고 있다.

• 많은 센서 시스템 부품들의 극소형화: 일례로, 광학 애플리케이션에서 ams는 멀티 채널 스펙트럼 센서를 위한 온 웨이퍼 간섭계형 광필터와 초소형 광원 및 광검출기용 마이크로 옵틱 렌즈 어레이 제작을 선도해 왔다.

• 모든 전자기기에서 첨단 컴퓨팅 리소스의 가용성 증가: 이는 실제로는 컴퓨터가 아니지만, 스마트폰과 같은 제품에서 방대한 양의 센서 데이터를 처리하고 지능적으로 이용할 수 있는 능력을 가리킨다.

• 사물인터넷(IoT)의 탄생: 사물인터넷은 보고, 듣고, 느끼고, 냄새 맡으며 이러한 ‘지각’을 클라우드 기반 모니터링과 제어 시스템에 보고할 수 있는 능력을 필요로 하는 새로운 종류의 연결된 자율 기기를 등장시켰다.

• 기후 변화: 기후 변화는 OEM이 에너지 절약 혁신을 발 빠르게 추진하도록 촉구하고 있다. 많은 혁신은 전자기기에 의해 발생하는 발열이나 잡음, 진동과 같은 실제 세계의 현상에 대한 보다 정밀하고 적절한 정보를 수집하는 데 달려 있다.



이러한 요소는 센서 및 센서 시스템 제조회사가 개발 노력을 강화하고 가속화하도록 만들었으며, 그 결과 칩 스케일 센서의 특징에 근본적인 변화를 가져왔다. 이전에 센서들이 주로 단순한 단일 기능의 아날로그 기기로서 마이크로컨트롤러나 다른 디지털 기기를 통해 구현되는 애플리케이션을 지원했다면, 이제는 스스로 심박수 측정, 공기질 모니터링 또는 색 일치와 같은 정교하고 유용한 기능의 전체 애플리케이션을 구현하는 복잡하고 지능적인 시스템에 가까워졌다.

이러한 변화는 새로운 종류의 센서 시스템 사례에서 잘 드러난다. 그 중 하나가 3D 이미징 센서 솔루션으로, 이 솔루션이 사용되는 가장 대표적인 예시가 스마트폰에 탑재되는 사용자 얼굴 인식 기능이다.

얼굴 인식 시스템의 핵심은 고전적인 아날로그 광학 센서로서, 사용자의 얼굴로부터 반사를 검출하기 위한 포토다이오드들이다. 하지만 이 시스템이 효과적으로 작동하려면 다음과 같이 훨씬 더 많은 것들이 필요하다.



• 정교한 LED 광원: 종종 ‘구조화 조명(structured light)’으로 구성되며, 복잡한 패턴으로 방사돼 수천 개의 점으로 구성되는 얼굴에 대한 상세하고 정교한 뎁스 맵(Depth Map)을 생성할 수 있고 주변광과 기타 광원으로부터 받는 간섭의 영향을 극복할 수 있다.
• 광원으로부터 나오는 빛에 초점을 맞춰 반사를 포착할 수 있는 매우 작고 얇은 마이크로 옵틱
• 반사된 광 신호를 뎁스 맵(Depth Map)으로 변환하고 얼굴 인식을 수행하기 위해 뎁스 맵을 분석하는 로직 회로와 알고리즘

모든 하드웨어 요소는 원활하게 함께 동작하기 위해 정밀하게 특성화할 필요가 있다. 시스템 소프트웨어 역시 센서 솔루션의 동작에 절대적으로 필요한 요소이다. 따라서 이처럼 복잡한 시스템을 구현하기 위해 실제로 OEM이 실행할 수 있는 유일한 방법은 모듈형 솔루션을 활용하는 것이다. 얼굴 인식 기능을 예로 들면, 얼굴의 3D 뎁스 맵핑이 하나의 모듈에 구현된 완벽한 솔루션을 선택하면 된다.

모듈형 센서 시스템의 통합은 새로운 OEM 설계 프로젝트에서 점점 더 일반화되고 있다. 광학 감지, 오디오 감지, 이미징 및 환경 감지와 같은 ams의 주력 분야에서는 물체 감지 및 거리 측정, 가스 및 오염 감지, 모바일 분광 및 색 분석, X선 스캐닝, LED 조명의 컬러 튜닝 등 특정 애플리케이션을 위한 센서 시스템을 채택하는 OEM 고객이 급격히 늘고 있다.

이처럼 정교하고 새로운 센서 솔루션의 개발 덕분에, 이전에는 상상조차 할 수 없었던 새로운 애플리케이션들이 가능해졌다. 일례로 칩 스케일 스펙트럼 센서가 놀라울 정도로 상세하고 정교하게 반사된 빛의 스펙트럼 콘텐츠를 분석할 수 있게 되면서 휴대기기 등에서 섬유, 재료, 코팅의 색 일치에 사용이 가능해졌다.

색 분석은 다른 많은 동작에도 강력한 도구이다. 하나의 예로 세탁기에서 배출되는 폐수의 오염도를 평가하는 것이다. 만약 세탁물이 깨끗해진 것을 세탁기가 감지한다면, 사용자가 미리 설정한 프로그램 시간까지 세탁기 가동을 계속하지 않고 세탁 동작을 조기에 종료함으로써 전기와 물, 시간을 절약할 수 있다.

이 밖에 다른 많은 칩 스케일 분광 애플리케이션들 역시 원래의 포토다이오드 신호를 색 좌표로 변환하는 펌웨어를 포함하는 완벽한 분광계 모듈을 활용하는 것이 효과적이다.

센서의 미래는 바로 이러한 모습일 것이다. 복잡하고, 정교하며, 애플리케이션 중심적이면서, 종종 모듈형 솔루션으로 공급되는 시스템의 모습 말이다. 센서의 미래가 어떻게 펼쳐질지 생생하게 그려볼 수 있는 충분한 사례들이 전자업계에는 이미 존재하고 있다.
 

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