초록 ▼

나. 핵심 기술
마이크로 압력센서 소자를 직접 설계 제작하고, 마이크로프로세서 설계기술을 도입하여 다양한 기능이 탑재도니 스마트 센서를 제작 기술
다. 사업화 배경
국외 센서 기술은 현재 반도체 기술 등 첨단기술과 긴밀하게 연계되어 초소형화, 집적화, 고성능화, 다기능화, 지능화, 융합화, 무선화등과 같은 다방면의 방향으로 계속적으로 진화하고 있는 실정이나 국내 센서 산업은 원천기술의 부재를 비롯하여 생산되는 센서의 사양도 범용센서의 생산에 그치고 있는 실정이다. 이러한 구조를 극복하고 국내 센서 시장의 수입제품 대

나. 핵심 기술
마이크로 압력센서 소자를 직접 설계 제작하고, 마이크로프로세서 설계기술을 도입하여 다양한 기능이 탑재도니 스마트 센서를 제작 기술
다. 사업화 배경
국외 센서 기술은 현재 반도체 기술 등 첨단기술과 긴밀하게 연계되어 초소형화, 집적화, 고성능화, 다기능화, 지능화, 융합화, 무선화등과 같은 다방면의 방향으로 계속적으로 진화하고 있는 실정이나 국내 센서 산업은 원천기술의 부재를 비롯하여 생산되는 센서의 사양도 범용센서의 생산에 그치고 있는 실정이다. 이러한 구조를 극복하고 국내 센서 시장의 수입제품 대체 효과와 센서 시장의 국산화 비율을 확대하기 위하여, 마이크로 압력센서 원천 특허를 기반으로 최신 기술인 스마트 센서를 직접 제작하고, 생산하고자 한다.
라. 최종 목표
본 사업의 최종 목표는 마이크로 압력센서소자를 이용한 스마트 콤팩트 압력 레벨 센서 제품 개발 및 양산하는데 목표를 두고 있으며 최종 결과물로 예상되는 스마트 센서의 구조는 다음과 같이 예상된다.
1) 측정부: 본 사업에서 도입되어 한층 더 업그레이드된 마이크로 압력소자를 사용할 것이다.
2) 제어부: 스마트 센서의 운영 기능(자가진단, 자체 Calibration, 운영 알고리즘 등)이 탑재되어 있는 스마트센서 제어용 PCB 보드가 사용될 것이다.
3) 인터페이스부:
가) 유선 인터페이스 : RS-232, RS-485, CAN, LAN, USB등 다양한 유선 확대 인터페이스 채택
나) 무선 인터페이스 : 블루투스, 와이파이, 무선 랜 등 최적화된 기술 채택
마. 사업화 내용 및 결과
1) 1차년도 기술 개발 내용 및 결과
가) 스마트 센서의 특성상 핵심소자인 마이크로 압력센서의 성능향상
① 추가적인 성능 보완을 위한 기술이전
부분별 단면적을 보정하여 곡선의 만곡도를 조절함으로써 출력 전류 값의 선형화를 도모하는 측정원리 적용한 한국기계연구원, 등록번호 제10-0828067호의 특허를 또한 한국기계연구원으로부터 추가 기술이전을 추진하였고, 2011년 12월 02일 통상 실시권으로 이전을 완료하였다.
② 센서 Size 변경과 그에 따른 정밀 해석
1차적으로 Silicon wafer의 사이즈를 6x6 으로 규정하고 이에 대한 3D 설계프로그램(CATIA)을 통하여 정밀 3D설계를 실시하였고 설계 결과물을 한국기계연구원이 보유하고 있는 동역학적 해석이 가능한 SAMCEF, ANSYS등을 통하여 압력에 따른 Silicon Wafer의 만곡도와 Stress 분포 데이터를 장시간 동안 여러설정에 따른 해석을 실시하였다. 해석 결과 1차적으로 t=0.015mm, g=0.08mm(Displacement 525um, stress 3.95GPa at 1MPa)의 결과 데이터를 얻었다.
③ 마이크로 압력센서 제작에 필요한 실리콘 Diaphragm 두께 조절
참여기관 전남대학교에서 제작 공정에서 핵심요소인 Silicon 두께조절 최대한 정확하고 편리하게 제작하기위하여 우선적으로 고가로 판매되고 있지만 두께 조절 측면에서 매우 편리한 SOI wafer를 우선적으로 적용하여 Silicon 식각등과 같은 공정을 거쳐서 Test 제품을 제작하였다. 이러한 공정 가운데 전남대학교에서는 센서의 압력변화에 따른 정확한 저항변화(ITO)의 출력을 가져오고자 다양한 ITO 배열에 대한 실험을 지속적으로 수행하였으며 그중 가장 성능이 좋을 것으로 예상되는 등 간격 배열, 분포도 해석에 따른 배열, 원형배열, 단층배열을 다방면으로 제작에 도입하여 ITO가 탑재될 Glass에 설계 탑재를 하여 1차 센서소자를 제작하였다.
④ 센서소자 지그 Assay 제작 및 테스트
㉮ 3D 전문 소프트웨어 CATIA를 통한 마이크 압력센서의 Assay 설계
㉯ 정적, 동적 해석에 널리 쓰이는 ANSYS 프로그램을 통한 기구부 Stress 해석을 통한 최적의 마이크로 압력센서 Assay 설계 변경
나) 스마트 센서 기술 중 소프트웨어적인 Function등을 개선
① Main Control Unit의 성능 향상
㉮ 32bit Microprocessor Cortex-M3 도입
현재 기존 시스템들은 8bit의 Microprocessor의 구성으로 최대 구성 가능 Hz가 16MHz의 구성으로써 빠른 처리 속도가 요구되는 시스템의 경우 여러 어려움이 발생하는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 현대 들어서 가장 널리 활용되고 있는 32bit Microprocessor Cortex-M3를 채택하여, Maximum Hz로 72MHz를 확보함으로써 RTOS(Real Time Operating System)가 운영될 수 있는 스마트센서 시스템의 원활한 운영을 도모할 수 있게 되었다.
㉯ 연산 속도의 향상
32bit의 체계에서는 다양한 Library가 주기적으로 갱신되면서 제공되고 있고, 다양한 센서의 Calibration과 Data Conversion에 꼭 필요한 Float 연산과 Math Function등이 손쉽게 구성이 가능하여 월등한 연산속도를 확보함으로써 Smart sensor의 구성을 간략하고 효과적으로 구성이 가능하도록 되었다.
② 다양한 기능의 소프트웨어적 & 하드웨어적인 Function등을 추가
32bit Cortex-M3의 경우 다양한 Universal Serial Asynchronously Receiver / Transmitter (USB, CAN, SPI, I2C, USART 등) 같은 다양한 통신 인터페이스를 CPU 내부의 Special Register로 구성하고 있으므로 별도의 회로가 필요하지 않도록 되었고, 특히 CAN 통신의 경우 Noise와 통신 거리등에 많은 이점을 발휘함으로써 스마트 센서에서 반드시 도입되어야할 통신 수단이다. 또한 Cortex-M3의 경우 기본적으로 RTC(Real Time Clock) Register를 채택하고 있으므로 별도의 회로나 IC의 구성이 없이 스마트 센서의 스케줄 기능과 데이터 로그 기능에 아주 적합한 구조를 채택하고 있다.
③ MEMS 구조를 다양한 센서 채택으로 인한 Self_Calibration 기능의 강화
MEMS 구조의 센서를 채택함으로써 SPI or I2C와 같은 디지털 통신 방식을 취하게 되고 MEMS 구조의 센서의 경우 자체의 Calibration 데이터를 저장 할 수 있는 구조를 갖추고 있다. 이러한 이점을 이용하여 별도의 저장 장치나 구조를 취하지 않고서도 구성된 센서의 Self Calibration Function의 구성이 쉽고 또한 시스템의 구조도 간소화 될 수 있다는 이점을 가지므로 전기적 화학센서 이외의 대부분의 센서는 MEMS 구조를 채택하였다.
다) 스마트 센서 기술 중 하드웨어적인 시그널 프로세싱 기술 개선
① 다양한 센서의 MEMS 기반으로의 구성 전환
초기 널리 사용하던 Analog voltage type의 센서 체제에서 MEMS 기반으로 구조가 바뀌면서 데이터의 전송 방식이 주로 SPI or I2C형식으로 바뀌게 되어 디지털화 되었다. 이로 말미암아 PCB 보드 내에서 대부분의 센서의 처리가 가능하게 되었고 고속의 센서 데이터 처리가 이루어 질 수 있다.
② Analog Sensor를 위한 하드웨어적인 시그널 프로세싱 기술 적용
㉮ 다양한 필터 기술 도입
아날로그 방식 중 외부 환경의 영향에 둔감한 전류 방식을 많이 응용하여 시스템의 시그널을 안정적으로 처리함과 동시에 시스템에 알맞은 필터 설계기술을 도입하여 신빙성 있는 신호의 확보를 위한 회로를 스마트센서에 도입하였다.
㉯ 저항성 센서의 정확한 측정을 위한 회로 구성 도입
온도변화 측정을 위한 온도센서는 주로 저항체의 변화 값을 획득하는 것이므로 회로를 정전류 방식으로 전환하여 선간 저항과 같은 저항요소에 둔감하고 정확한 데이터를 받아 올 수 있도록 하드웨어를 구성하였다.
㉰ 센서와의 연결거리의 영향을 최소화하는 Amp 회로 도입
주로 신호 증폭과 같은 하드웨어에서는 DC 전압 구성이 아닌 주파수 응답특성을 갖는 AC 전압의 주파수 구성으로 될 수 있도록 Amp 하드웨어 설계 기술을 구축하였다. 이로 말미암아 스마트 센서의 시그널 프로세싱에서 도출되던 문제가 많이 상쇄가 되었으며, 보다 나은 신호를 안정적으로 확보 할 수 있게 되었다.
2) 2차년도 기술 개발 내용 및 결과
가)스마트 센서 기술 중 지원 인터페이스 기술(유선화) 개선
① 지원 인터페이스의 유선화를 위한 기술개발
국내의 센서 사용 환경을 살펴볼때 현재까지도 다양한 센서의 데이터 전달을 위하여 유선화를 많이 사용하고, 그 이유는 정확한 정보의 전달과 높은 전달 속도를 사용하고자하는 사용자가 많기 때문이다. 반면 다수의 센서를 사용시에는 설치공간 및 배선의 문제와 각종 노이즈의 문제가 발생하여 많은 부수적인 작업이 수반되기 한다. 본사는 이번 과제를 통하여 최대한의 노이즈 차폐를 하면서 통신의 오차를 최소로 하는데 목표를 두과 기술 개발을 하였고, 또한 다양한 사용자 요구에 부흥하기 위하여 다양한 유선 프로토콜을 테스트 구성 하였다.
② RS-232, RS-485, CAN, LAN, USB 아날로그 기술 적용 및 보완
㉮. RS-232C(USB to Serial) : 단일 정보 전달에는 많은 이점이 있으나, 전달 배선의 길이와 다수 센서 정보 전달이 불가능하므로 단일 센서의 경우만 지원하도록 하였다.
㉯. RS-485(RS-422) : Single, Multi 모두 가능한 통신 프로토콜이다. 그러나 본 개발의 스마트 센서와 같은 다수의 정보전달에 있어서 전달 속도가 많이 떨어지는 면이 있었다. 본 프로토콜의 Low Speed의 Multi Sensor 구조를 채택하는 System구조에 적용해야할 것으로 판단되었다.
㉰. CAN : Car Area Network은 네트워크 구성에 회로와 Firmware Protocol 구성이 복잡한 감이 있으나, 데이터 전송 속도와 Multi 센서에서의 데이터 안정성이 뛰어남을 확인하여, 다중 센서를 사용하며 빠른 데이터전송과 데이터 안정성을 요구하는 시스템에 적용해야할 것으로 판단되었다.
㉱. LAN : Local Area Network은 TCP/IP Protocol을 사용하여 구성하였으나, 시스템 구성에서도 많은 회로가 필요하며, 다른 회로 구성보다도 전력소비 측면에서 많은 소비가 발생함을 확인하였다. 그러므로 이 프로토콜은 상시 전원 공급이 이루어지는 시스템에 Ethernet Network 구조를 채택하는 시스템에 적용해야 할 것으로 판단되었다.
나)스마트 센서 기술 중 지원 인터페이스 기술(무선화) 개선
① 지원 인터페이스의 무선화 기술 중 양산화에 최적화된 기술 적용
현대에 들어서 많은 시스템이 무선화 환경으로 구성되어지고 있으며, 해외의 경우 많은 센서시스템에서 무선 Protocol을 제공하는 추세이다. 이러한 시대에 알맞도록 수많은 무선 프로토콜중 현재 가장 널리 사용하는 프로토콜을 선별하여 우선적으로 사용자에게 제공하는데 목표를 두었다.
② Bluetooth, Wifi, Zigbee중 최적화된 기술 성능 테스트 및 적용
(무선은 센서가 Battery 탑재형일때에 많은 이점을 가진다.)
㉮. Bluetooth : 현재 스마트폰에도 탑재되어 데이터 통신에 많이 사용되고 단일모듈 칩으로 많이 생산되고 있어서 손쉽게 적용이 가능한 프로토콜이다. 그러나 Bluetooth 2.0 버전까지는 다중 센서로 연결 가능한 것이 5대가 최대였으며, 또한 전체 데이터를 얻어오는데 많은 스캔시간이 요구되는 프로토콜이다.
㉯. Wifi : 현재 우리나라에서는 아주 널리 사용되고 있는 무선 통신 프로토콜이다. 그러나 Bluetooth에 비해서 사용되는 소자들의 단가와 회로 구성에 있어서 많은 단점을 가지고 있다. 또한 데이터 송출시 많은 소비전력을 요구해서 무선용 스마트 센서에 적용시에는 많은 고려할 점이 있어야할것으로 판단되었다.
㉰. Zigbee : 다중센서의 연결에서 많은 이점이 있는 프로토콜이다. 그러나 데이터의 전송속도 측면에서는 세가지 프로토콜중 제일 느린 문제점이 있었다. 그러므로 이 프로토콜은 빠른 스캔타임을 요구하지 않는 시스템에 적용하면 알맞을 것으로 판단된다.
다)스마트 센서 기술을 적용한 응용제품 생산
1차년도의 결과 보고 후 본사는 스마트 센서의 제작 기술과 마이크로 압력센서의 제작 기술의 응용 제품으로 압력 스위치와 압력 레벨센서를 구상하였었다. 그러나 초기 구상과는 다르게 시장성이 많이 떨어짐을 시장성 조사 결과 파악하게 되었고 다방면으로 응용제품을 모색한 결과 다음과 같은 분야에 접목하게 되었다.
① 사람이 접근하기 위험한 곳에 설치 운영되는 스마트 감시 센서 제작((유) 성문)
② 골프와 같은 다양한 관절과 근육을 사용하는 운동에 접목하여 휴트니스 시스템에 접목 가능한 무선 모션센서로 스마트폰을 통하여 실시간 모션을 확인 자신의 움직임을 확인할 수 있는 무선 모션센서 개발(Golf Studio)
본 과제를 통하여 성능 향상을 꾀한 마이크로 압력센서를 바탕으로 1차년도의 목표로 했던 다양한 형태의 시제품을 제작할 수 있었으며, 또한 이러한 과정 속에서 스마트 센서의 구성과 소프트웨어적인 기술 향상을 가져 올 수 있었다. 이런 기술을 바탕으로 스마트센서 등과 마이크로 압력센서의 Marketing을 진행한 결과 현재 국내시장에서 스마트 센서의 필요성이 계속적으로 증가하고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 2차년도에는 이러한 시장 상황에 알맞도록 다양한 유,무선 통신 인터페이스를 개발하여 적용의 폭을 확대하는데 주력하였으며, 이러한 센서의 시장진입에 가장 큰 핵심이 될 단가 경쟁에서 우의를 차지하기 위하여, 본 사내에 자체 생산 설비 구축을 최우선으로 하여 과제 진행한 결과 현재 본사내에서 센서 Assay의 모든 부품을 설계, 가공, 제작, 조립의 단계를 모두 소화할 수 있는 설비를 갖출 수 있게 되었다.
바.핵심개발 기술의 의의
1) 반도체형 압력센서가 미래 수요를 주도할 것으로 예상되나, 현재 국내에서는 전량 수입에 의존하고 있으며, 선진국은 기술 공개 및 이전을 기피하고 있음에 따라 센서칩 설계 및 제조공정 관련하여 국내 독자기술력 확보가 시급함.
2)국산화가 필요한 상황이며, 최근부터 가까운 미래에는 스마트 압력센서의 수요가 산업분야에서 광범위하게 사용될 수 있는 핵심부품이지만, 현재 국내외에서 일부 자동차분야에만 적용될 뿐 대량의 소비 시장을 창출하지 못한 관계로 인해 지금까지 스마트 압력센서 기술은 선진국의 일부 글로벌 기업들이 독점적으로 시장 및 마켓이 형성되었고, 국내에서 스마트 센서 생산 업체는 전무한 상태임.
3) 대상기술은 기체․액체의 단계별 압력 검출이 가능한 레벨센서로써, 신호증폭용/온도보상용 회로기술이 불필요한 센서 칩 원천기술로써, 탄성 변형된 전도성 다이어프램과 압력스위치 어레이와의 물리적 접촉에 의한 전기저항 변화를 이용하여 압력을 검출하며, 압력스위치 어레이의 저항체 사이간격을 조절하여 단계별 측정값의 조절 및 선형화가 가능한 시작품제작이 완료되어 성능평가가 이루어진 파일럿단계에 진입하려는 신방식의 마이크로압력센서 원천기술임.
4) 본 기술은 기존 국내/국외 특허와는 전혀 다른 압력/하중 검출 방식으로써, 증폭기 및 보상회로 배제로 인한 제조공정 단가 감소에 따른 기존 센서 대비 30% 생산가격으로 가격경쟁력에서 우위성을 확보할 수 있으며 막대한 수입대체 효과와 더불어서, 1,472백만불(2010년 기준)의 센서 시장에 진입 가능성 큼.
5) 상기 압력 레벨센서는 반도체형 MEMS 기술 및 일반 기계가공에 의해서도 구현가능하며, 사용압력 등은 다이아프램 두께 설계에 따라 조절가능하고 전기적 신호증폭기가 불필요하기 때문에 심플한 구조로 자체진단 및 데이터 전송 등이 가능하기 때문에 기존센서(수위센서, 하중센서)보다 기술성 및 가격경쟁력에서 우위 확보가 가능함.
이 모든 상황을 고려해보면, 센서 시장의 빠른 진입과 센서 시장에서의 우의를 갖기 위해서는 반드시 센서 소자의 원천기술이 있어야 하며, 이러한 기술을 바탕으로 현대에 맞는 다양한 설계, 제작 기술을 확보하고 있어야 한다는 점을 알 수 있다. 이러한 측면에서 본 과제에서의 핵심 기술은 범용 센서 & 스마트 센서 국내 시장의 활성화와 세계 센서 시장을 선점하고 있는 선진국의 독점 처제에서 벗어날 수 있는 원천기술 및 선진 센서 설계 & 제작 기술의 확보에 큰 의의를 둘 수 있으며, 또한 센서 시장에서 국내 입지를 크게 확대할 수 있을 것으로 예상된다.
사. 적용 분야
1) 마이크로 압력 센서
가) 각각의 자동화 공정의 다단 압력 Limit Switch로 활용
나) 유압과 공압 시스템에서의 근접스위치와 같은 Limit Switch 역할로 활용
다) 완전 방수 구조의 레벨 리미트 스위치로 활용 가능
라) 스프링 타입의 기계적 리미트 스위치 대체 활용 가능
2) 스마트 센서
가) 일정공간의 환경을 체크하는 환경 모니터링 시스템
나) 시스템의 종합적인 상태를 체크할 수 있는 시스템 진단용 센서
다) 실시간적으로 상태 모니터링이 필요한 시스템의 데이터 취득 센서
라) 화재 예방과 같은 안전 관리 시스템의 모니터링 센서
마) RTC 기반의 스케줄 기능이 탑재되어 독립 전원으로 동작되는 무선 스마트 센서로 활용 가능

목차 Contents

• 제 출 문 ... 1
• 2011년 연구개발특구 특구기술사업화사업 최종보고서 초록 ... 2
• 2011년 연구개발특구 특구기술사업화사업 주요 성과 ... 29
• 목 차 ... 33
• 제 1장 서론 ... 34
• 제 1 절 과제의 개요(개발기술 사업화의 중요성 및 필요성) ... 34
• 1. 산업의 시장 트랜드 ... 34
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 54
• 1. 산업의 특성 ... 54
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 60
• 1. 기술적 파급 효과 ... 60
• 2. 경제적 파급 효과 ... 60
• 제 2장 과제 수행의 내용 및 결과(사업화 기술개발 내용 및 방법) ... 61
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 61
• 1. 주관기관(JCA몬트롤(주))기술개발의 목표 및 내용 ... 61
• 2. 참여기관(한국기계연구원)기술개발의 목표 및 내용 ... 62
• 3. 참여기관(전남대학교)기술개발의 목표 및 내용 ... 65
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 69
• 1. 연차별 사업화목표 및 내용 ... 69
• 제 3 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 73
• 제 3장 결과 및 사업화 계획 ... 74
• 제 1 절 사업화기술개발 최종 결과 ... 74
• 1. 사업화 추진일정 ... 74
• 2. 사업화기술개발 추진 실적 ... 76
• 제 2 절 사업화 추진 체계 ... 112
• 1. 추진전략 및 체계 ... 112
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 118
• 1. 시장규모 ... 118
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 128
• 끝페이지 ... 133