◆ 학생용 워크북
고등학교
STEAM ⑩ 의료용 첨단 장비와 로봇센서
세상을 알려주는 정보(센서 Sensor란?)
센서(sensor)라는 단어가 생기기 훨씬 전부터 실제로 센서를 활용해 왔다. 실례로 나침반으로 방위를 감 지했고, 한란계를 만들어 온도를 측정하였다.
센서란 인간의 5감(본다, 듣는다, 냄새를 맡는다, 맛보다, 감촉하다) 대신에 그 역할을 다하는 기기이며, 또 인간의 5감으로 느낄 수 없는 현상, 예를 들면 적외선 등의 전자파, 에너지가 작은 초음파 등을 검출할 수 있는 기기이며, 또한 인간의 5감은 훨씬 넘는 에너지를 가지고 있는 현상도 검출할 수 있는 기기이다.
디지털방식의 공기압센서 압력센서를 사용한 저울
센서의 정의
센서가 과학, 기술면에서 이용되어 온 역사가 오래된 만큼 센서(sensor)에 대한 정의도 여러 가지 표현 으로 기술되어 왔다. 현재까지도 세계적으로 통일된 정의는 없지만 대체적으로
가. “측정 대상물로부터 정보를 검지 또는 측정하여 그 측정량을 인식 가능한 유용한 신호로 변하는 장치 (device)”
나. “물리, 화학량 등의 외계의 정보를 감지하여 신호처리하기 쉬운 전기나 빛의 신호로 변화하는 기능을 지닌 소자”
다. “신호나 자극에 반응하고 수신하는 장치”
라. “모든 정보 및 에너지의 검출 장치”라고 정의된다.
Sensor는 독립적인 기능은 없지만 다수의 검전기, 신호조절장치, 신호처리장치, 기억장치, 자료기록장 치, 작동장치와 같은 커다란 System에 일부가 된다. 장치에서 Sensor의 역할은 본질적이거나 부대적이다.
아마도 Sensor는 외부영향과 외부자극의 변화에 대한 신호 System을 감지하는 입력장치에 속할 것이다.
Sensor는 항상 다른 종류의 자료수집 장치에 일부분이다. 종종 각각의 System은 다양한 신호 반송 장치를 포함하고 있는 큰 제어 System의 일부가 될지도 모른다.
센서의 어원
센서를 이용한 역사는 인류역사만큼이나 오래된 것으로 볼 수 있으나, 센서라는 말이 언제쯤부터 사용되 게 되었는지는 정확히 알 수 없다. 다만, 지금부터 40~50여 년 전 자동화(Automation: Automatic op-eration) 관계서적을 보면 오늘날의 센서 대신 트랜스듀서(transducer)라는 용어가 등장하고 있다.
트랜스듀서란 변환기의 의미를 가지고 있다. 그리고 그 역할은 측정하고 싶은 양(예를 들면, 밝기나 따뜻 함)을 취급이 간단한 양(예를 들면, 전기, 힘, 길이 등)으로 바꾸는 의미로 사용되었다고 볼 수 있다. 오늘날 의 센서는 대부분의 경우 전기로 바꾸는 것을 의미한다.
센서라는 말은 결국 1960년대 초 무렵인 공업용 로봇이 생길 무렵부터 쓰이게 되었다고 짐작이 된다.
공업용 로봇의 부분들을 인간의 기능과 유사하게 작용할 수 있도록 만든 것이 바로 센서인 것이다
센서라는 단어는 라틴어의 “sens-(us)”에서 유래된 것인데, 1965년경까지도 문헌상에 나타나지 않았 다. 이 센서라는 낱말은 1967년 미국의 McGraw-Hill 출판사가 펴낸 “English─German Technical Engineering Dictionary”(2nd ed)에 정의 없이 최초로 출현하였다.
1974년 역시 McGraw-Hill 출판사가 “Dictionary of Scientific and Technical Terms”(1st ed)에 처음 으로 정의를 넣어서 [sensor]라는 단어를 수록하였는데, 그 정의는 “온도, 압력, 유량 또는 그들의 변화, 혹 은 빛, 소리, 전파 등의 강도를 감지하여 그 정보 수집시스템의 입력신호로 변환하는 디바이스(device)”라 고 되어 있다.
국내에서는 1982년 국어대사전에 센서라는 단어가 처음으로 등장하였다. 이 센서는 인간의 감각 능력 을 확대하기 위한 기술적 수단으로서 목표물로부터 반사 또는 방출되는 에너지에 의하여 지세, 군사적 표 적의 여부, 기타 인공 및 자연물의 활동 사항을 탐지, 지적해 내는 데 쓰이는 장비라고 되어 있다. 그러나 아 직도 센서란 낱말의 개념이 명확하게 정의되어 있다고는 할 수 없다.
왜냐하면 아직은 사용자나 분야에 따라서 약간씩 그 개념의 차이를 나타내고 있다. 이것은 센서 기술이 수요 지향적으로 성장해 왔고, 그 특성이 아주 학제적이고 복합적 기술이기 때문이다. 센서를 좁게 보느냐, 넓게 보느냐에 따라서 그 개념적 차이가 상당히 클 수 있다고 할 수 있다.
센서의 분류
① 구성방법에 의한 분류 : 기본센서, 조립센서
② 측정 대상에 의한 분류 : 광센서, 방사선 센서, 기계량 센서, 전자기 센서, 음파⋅초음파 센서, 온도센 서, 습도센서, 성분센서
③ 검출방법 : 역학적 센서, 전자적 센서, 광학적 센서, 전기 화학적 센서, 미생물학적 센서
④ 검지 메커니즘 : 구조형 센서, 물성형 센서
⑤ 검출량의 변환에 관계하는 형상 : 물리 센서, 화학 센서, 생물 센서
⑥ 구성재료의 종류 : 반도체 센서, 금속 센서, 세라믹센서, 고분자(유기) 센서, 효소 센서, 미생물 센서
⑦ 작용형식: 능동형 센서, 수동형 센서
⑧ 출력형식 : 아날로그형 센서, 디지털형 센서
⑨ 변환에너지 공급방식 : 에너지 변환형 센서, 에너지 제어형 센서
수동형 Sensor는 외부 자극에 반응하는 전기적 신호를 직접 만들어 낸다. 즉 자극에 의한 입력 에너지는 추가적인 동력 없이 Sensor에 의해 출력에너지로 전환된다. 열전지, 초전기적 검전기, 압전기 Sensor가 그 예다.
능동형 Sensor는 전압이라는 외부 동력이 요구된다. 전압은 출력 신호를 만들어 내는 Sensor에 의해 전 환된다. 때때로 능동형 Sensor는 외부 영향에 반응하여 자기만의 특성으로 변화하기 때문에 Parametric (매개변수)이라고 일컬어지고 결과적으로 이 특성들은 전기적 신호로 변환 될 수 있다. 예를 들면 Thermister는 온도에 민감한 저항체다. 어떤 신호가 발생하지 않음에도 불구하고, 전압을 통해 전류가 통 과함으로써 저항은 Thermister를 통과한 전압과 전류에서 탐지된 변화량에 의해 측정될 수 있다. 저항에 서 출력된 이러한 변화량은 온도에 직접적으로 연관된다.
센서 공학의 전망
센서기술 자체가 단일 기술이 아닌 여러 기술의 복합과 조화의 바탕에서 형성되는 복합 기술이고 다학문 적이기 때문에 센서로서의 구비조건을 가지는 소자가 출현되기까지에는 긴 시일이 소요되었기 때문이다.
현재의 센서기술은 특정한 물리량이나 화학량 등을 검출해 내는 데는 인간의 능력을 초월하고 있다. 그 러나 감각기관의 경우에는 인간의 능력을 초월하지 못하고 있다. 이와 같은 문제점을 안고 센서의 개발 방 향은 생체모방화가 필요하다. 즉 이를 달성하기 위해 센서연구는 하드웨어적으로는 기능과 재료의 발달을 목표로, 소프트웨어적인 측면에선 지능화를 목표로 하고 있다.
< 시대의 센서 네트워크>
위 동영상에서 언급한 센서의 기능에 대해 생각해 봅시다.
인간의 오감과 센서와의 관계에 대해서 발표해 봅 시다.