센서 종류별 동작 원리 및 활용 사례

1. 물리 센서 (Physical Sensors)

  • 물리적 에너지(열, 힘, 빛, 전자기)를 전기 신호로 바꾸는 센서들

1.1 저항 변화형

  • 외부 자극에 의해 물질의 전기 저항(\(R\))이 변하는 성질을 이용함
  • 저항의 변화는 열적 기초(RTD)에 따른 것과 역학적 기초(스트레인 게이지)에 따른 것이 있음

  • 기타 다양한 저항 변화형 센서들은 두 가지의 응용 및 소재 변경 형태

  • 대표적인 센서
    • RTD (Resistance Temperature Detector, 저항 온도 감지기)
      • 온도가 올라가면 백금선 내부의 전자들이 더 심하게 요동쳐서 흐름을 방해(저항 증가)하는 원리
      • 금속의 온도 계수(\(TCR\))를 이용
      • 백금(\(Pt\))은 온도와 저항이 매우 선형적인 관계를 가져 고정밀 측정이 가능함
      • 활용: 정밀 공정
        • 석유화학 플랜트 온도 측정, 고정밀 실험 장비, 산업용 정밀 온도 제어, 실험실 표준 온도계
    • 스트레인 게이지 (Strain Gauge)
      • 물체가 늘어나면 그 위의 금속선도 얇고 길어져서 저항이 커지는 원리
      • 도체의 기하학적 형상 변화에 따른 저항 변화(\(R = \rho \frac{L}{A}\))를 측정
      • 활용: 하중/인장 측정
        • 교량 및 건물 안전 진단, 전자저울(로드셀)

1.2 기전력/전압 발생형

  • 외부 자극을 받으면 스스로 전압을 만들어내는 능동형 센서들

  • 대표적인 센서

    • 열전대 (Thermocouple)
      • 서로 다른 두 금속을 붙이고 한쪽만 뜨겁게 하면 전기가 만들어지는 현상을 이용
        • 두 금속 접점의 온도 차에 의해 열기전력이 발생하는 제베크 효과(Seebeck Effect)
      • 활용: 용광로 고온 측정, 가스레인지 불꽃 감지
    • 피에조 전기식(압전) 압력 센서
      • 특정 결정(수정 등)을 꾹 누르면 순간적으로 전압이 튀어나오는 원리
      • 결정 구조의 비대칭성 때문에 기계적 왜곡이 생길 때 표면에 전하가 유도되는 압전 효과를 이용
      • 활용: 라이터 압전 소자, 초음파 발생기, 악기용 픽업
    • 홀 효과 센서 (Hall Effect Sensor)
      • 전기가 흐르는 곳에 자석을 갖다 대면 전기가 옆으로 밀려나며 전압 차가 생기는 원리
      • 자기장 속을 흐르는 전하가 로런츠 힘을 받아 한쪽으로 쏠리면서 발생하는 홀 전압(\(V_H\))을 측정
      • 활용: 스마트폰 커버 개폐 감지, 모터 회전수(RPM) 측정

1.3 정전용량 및 자기 유도형

  • 비접촉 방식으로 물체를 감지하는 센서들

  • 대표적인 센서

    • 정전용량식 압력 센서 / MEMS 가속도 센서(Accelerometer)
      • 두 금속판 사이의 간격이 변하면 전기를 머금는 양이 변하는 것을 이용
      • \(C = \epsilon \frac{A}{d}\) 식에서 간격(\(d\))의 변화에 따른 정전용량 변화를 측정
      • 가속도 센서는 내부에 매달린 질량체가 움직이며 이 간격을 변화시킴
      • 활용: 터치스크린, 에어백 전개 시스템
    • LVDT (Linear Variable Differential Transformer, 선형 가변 차동 변압기)
      • 원통 속에서 철심이 움직이면 코일에 유도되는 전기가 달라지는 원리
      • 상호 유도 현상을 이용
      • 철심 위치에 따라 2차 코일에 유도되는 기전력의 차이를 측정
      • 활용: 정밀 가공 기계의 위치 제어

2. 화학 및 바이오 센서 (Chemical & Biosensors)

  • 분자나 이온의 화학적 반응을 전기 신호로 바꾸는 센서들

  • 대표적인 센서

    • 금속 산화물 반도체(MOS) 센서 / 자동차 배기가스 센서
      • 가스 분자가 센서 표면에 달라붙으면 전기가 흐르는 길이 뚫리거나 막히는 원리
      • 반도체 표면에 산소 이온이 흡착되어 있다가 가스와 반응하며 전자를 내놓거나 뺏는 과정에서 저항이 변화
      • 활용: 음주 측정기, 주방 가스 누출 경보기
    • 전기화학 센서 / 생체 내 Glucose(혈당) 센서
      • 특정 화학 반응이 일어날 때 나오는 전자의 흐름(전류)을 직접 측정
      • 전극 표면에서 일어나는 산화-환원 반응에 의한 전류(\(I\))나 전위차(\(V\))를 측정
      • 혈당 센서는 효소를 매개로 이 반응을 일으킴
      • 활용: 혈당계, 수질 오염(중금속) 측정
    • 생체 모방 바이오센서 (Biosensor)
      • 우리 몸의 항체나 효소처럼 특정 물질과 ‘열쇠-자물쇠’처럼 딱 맞는 성질을 이용해 감지
      • 생체 수용체(Receptor)가 타겟 물질과 결합할 때 발생하는 물리/화학적 변화를 트랜스듀서로 변환
      • 활용: 임신 테스트기, 마약 검사 키트

3. 환경 센서 (Environmental Sensors)

  • 물리/화학 원리를 종합하여 주변 환경 상태를 측정

  • 대표적인 센서

    • 적외선 센서 (비접촉 온도 센서)
    • 모든 물체는 온도가 있으면 적외선을 내뿜는데, 이 빛의 양을 측정해 온도를 알아냄
    • 플랑크의 복사 법칙에 따라 물체에서 방출되는 적외선 에너지를 열전퇴(Thermopile) 소자로 감지

    • 활용: 비접촉 체온계, 야간 투시경

    • 미세먼지 광산란 센서
    • 먼지에 레이저를 쏘면 빛이 사방으로 흩어지는데, 그 흩어지는 정도를 보고 먼지 양을 계산
    • 미 산란(Mie scattering) 원리를 이용
    • 수광 소자에 들어오는 산란광의 펄스 개수와 강도를 분석

    • 활용: 공기 청정기, 대기 질 측정기

    • 습도 센서 (정전용량식)
    • 공기 중 수분이 많아지면 센서 내부 물질의 전기 머금는 성질이 변하는 것을 이용
    • 고분자 흡습막이 수분을 흡수하면 유전율(\(\epsilon\))이 변하는 원리 (정전용량식 압력 센서와 뿌리가 같음)
    • 활용: 기상 관측, 제습기 제어