유비쿼터스와 세라믹스

유비쿼터스 환경에서의 부품·소재 기술

김 종 희 공학박사 요업(세라믹)기술원 시스템모듈사업단 단장

1. 산업혁명과 정보혁명의 유비쿼터스 환경
1960년대 이후의 컴퓨터 발명은 20세기와 21세기에 걸친 정보혁명시대를 여는 또 하나의 위대한 기술적 변혁이었다. 이러한 컴퓨터에 20세기 말 인터넷이라는 기술의 접목으로 세계가 모든 정보를 공유하는 시대를 열었으며, 21세기 초반에는 본고에서 다루어질 유비쿼터스 환경에 의해서 언제, 어디서나 끊김없이 컴퓨터를 활용할 수 있는 시대가 열린다. 이러한 정보혁명의 발전단계는 산업혁명의 그것과 교묘히 일치하고 있다. 19세기 산업혁명의 모태라고 할 수 있는 모터의 발명은 먼저 섬유산업의 발전을 가져왔으며, 20세기 초반의 기계 및 자동차 산업의 발전으로까지 이어진다. 이러한 모터는 처음에는 정미소나 방적공장에만 위치하던 것이 기차와 자동차의 발명에 의해서 세계의 모든 곳에서 볼 수 있게 되었으며 심지어 우리 주위의 모든 기기와  몸에 차고 있는 시계까지 모터는 세계 모든 곳에 스며들게 되었다. 유비쿼터스 시대의 컴퓨터도 모터의 경우와 마찬가지로 인터넷과 무선기술 등 몇 건의 기술적 변혁에 의해서 우리 주변의 언제, 어디서나 접할 수 있는 환경이 조성되게 된다.  결국 이러한 환경이 되면 우리 주변의 모든 곳에 컴퓨터의 기능들이 장치되고 심지어 인간의 몸에도 걸칠 수 있는 컴퓨터가 나오게 될 것이다.  이러한 상태를 유비쿼터스 computing 환경이라고 하며 이러한 환경이 조성되면 19세기의 산업혁명이 그러했듯이 정보혁명의 완성기로서 인류생활의 큰 변혁을 가져오게 될 것이며, 2010년도에는 4,660억 달러(466조원)에 이르는 새로운 유비쿼터스 관련 시장이 생겨나 인류 경제의 또 한번의 대도약이 예상되고 있다.
                           
2. 유비쿼터스 환경 실현을 위한 핵심기술
유비쿼터스 환경을 실현하기 위해서는 크게 5가지의 핵심기술이 필요하다. 첫째는 유비쿼터스 환경의 말단 입력 장치인 센서이며 두 번째는 센싱된 data를 분석, 처리하는 마이크로 프로세서 기술 그리고 세 번째 핵심기술은 근거리 무선 통신기술(Commu
nication)인데, 센서가 감지한 data를 마이크로 프로세서(processor)가 즉각 분석, 판단, 처리한 정보 및 결과를 인근 사물 또는 기기 간의 끊김 없는(seamle
ss) 통신을 지원하는 역할을 한다. 네 번째는 인간이 유비쿼터스 환경으로부터 정보를 직접 접하는 것을 지원하는 장치(wearable device, display 및 batte
ry)를 나타내는 유비쿼터스 appliance이며, 마지막으로 이 환경 하에서 새롭게 큰 issue가 되고 있는 기밀성과 인증기술에 해당되는 Security 등 5가지로 나눌 수 있다.
이러한 핵심기술들에 의해서 실현되는 유비쿼터스 환경은 다시 센서모듈, Interface와 광대역통신망 등 3단계의 거대한 system으로 구성되어 있다. 다양한 센서들과 프로세서와 더불어 일부의 근거리 통신(communication)까지 포함된 센서모듈은 유비쿼터스 환경의 최말단에 위치하는데, 예를 들면 건축자재에 내장되어 건물의 진동, 온도, 습도 및 소음 등의 물리적 data와 건물 구내의 침입자 감시 등의 다양한 정보를 감지하고 이를 전달하는 기능을 한다. 또는 거리의 교량, 도로, 가로등, 소화전 및 자동차에 장착되어 교통에 대한 전반적인 사항을 실시간으로 monitoring하여 교통의 흐름과 안전을 조절하는 기능을 갖게 된다. 인간의 건강상태를 감시하기 위해서 체온, 혈압, 혈당 등을 항시 monitoring이 가능하도록 초소형의 센서모듈을 체내에 implant시키는 경우도 생길 것이다. 이렇듯 정보가 필요한 모든 곳에 센서모듈이 내장되어 필요한 정보를 24시간 끊김없이 감지, 처리 및 통신을 하게 된다. 이러한 정보 data들이 사용자와 기기 또는 기기간의 원활한 연결을 위해서는 근거리 통신(communication)과 appliance를 포함하는  body network, home network 및 smart sensor network 등의 Interface network들이 필요하다.  마지막으로 이러한 센서모듈과 interface에서 처리된 data를 대량, 고속으로 전달하는 광대역 통신망(BcN)으로 이루어져 있다.  
본 고에서는 위에서 언급된 각 핵심기술에서 수행되어야 할 부품소재기술에 대해서 좀 더 자세히 서술해 보도록 하자.

3. 유비쿼터스 센서모듈
유비쿼터스 센서모듈(이하 U-sensor)은 유비쿼터스 환경 안에서 외부 변화를 감지하는 말단 입력장치로서 시각은 물론 냄새, 촉각, 온도, 압력 등 물리, 화학적 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 센서부와 이러한 정보를 적절하게 data화하는 processor, 정보를 송신하고 명령을 수신하는 송수신부로 구성되어 있다. 기존의 smart sensor와 U-sensor Module과의 차이점은 smart sensor에 송수신기능이 부가된 점이다.
이러한 U-sensor가 갖추어야 할 요건으로는 어디에서나 구현되고 내장되기 위해서는 소형화가 필요하며, 상시 끊김없이 사용되어야 하므로 저전력화가 요구된다. 또한 많은 수의 sensor module이 환경 내의 곳곳에 위치하여야 하므로 저가화도 매우 중요하게 고려되어야 할 점이다.
이러한 U-sensor Module의 종류는 수동형과 능동형으로 나누어지는데, 수동형 센서는 각 사물에 내재되어 각 사물만의 고유한 식별자를 reader기가 감지하는 형태로서 여기에는 Bar-Code, RF-ID 및 Active Batch 등이 속한다. 능동형 센서는 센서자체에 센서부, processor 및 송수신부와 battery까지 포함하여 센서가 환경을 감지하고 조절하며 이에 대한 정보가 송수신도 가능한 형태를 하고 있는데 최근 많은 관심을 끌고 있는 Smart dust가 여기에 속하며  앞에서 언급된 대부분의 U-sensor Module도 여기에 속한다. 센서부의 센싱소재로서 다양한 세라믹 소재에 대한 연구가 오랜 기간 수행되어 왔으며, 초소형의 물리센서들은 MEMS공정을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.

가. 수동형 유비쿼터스 센서(RF-ID)
초기의 유비쿼터스 환경에서 가장 핵심제품으로 각광을 받고 있는 RF-ID는 RF기술을 적용하여 Tag와 Reader간에 비접촉으로 data를 송수신하게 함으로써 사물 또는 사람을 식별하는 장치이다. 현재는 출입관리, 재고관리 및 도서관리 등에 사용되고 있으며, 물류 및 수하물 관리 등에 사용가능한 센서 network에 적용될 예정이다. 이러한 RF-ID는 Tag, Reader기 및 Data base로 구성되어 있는데, Tag는 coil 안테나 또는 칩으로 구성되어 있으며, 고유의 ID정보를 reader기에 송수신 가능한 tag 또는 lable형태를 하고 있다. Reader기는 tag와의 정보 송수신에 의해 tag의 ID를 식별하고 이를 computer에 전송하는 역할을 한다. 세 번째 단계인 computer system은 전체 system을 integration하는 부분이며 tag와 reader기를 control하면서 reader기로부터 전송되어진 정보를 data base화 한다.(그림 2)
tag중에서도 좀 더 복잡한 기능, 즉 단순한 ID기능 이외에 부분적인 센싱기능과 이에 대한 control기능까지 갖는 tag는 MCU(Micro Control Unit), detector, Modulator 및 memory 등이 포함될 수 있는데 이 경우에는 MCU, detector, modulator와 memory를 하나의 복합모듈이나 SoC로 제조가 가능하다. 또한 reader기는 RF의 Rx 및 Tx부분이 있으며, Micro-processor block으로 구성되는데, 이들도 하나의 복합모듈이나 SoC로 가능하며, 주파수에 따라 FR-4, LTCC 또는 SoP(System on Package)에 의한 복합모듈 개발이 필요한 부분이다.
최근 tag의 소형화 추세는 미국의 Pittsburgh대학에서 antennae on chip 기술을 개발하여 PENI-tag라고 불리우는 소형칩 개발에 성공하였으며, 일본 히다치사에서는 0.3mm×0.3mm의 초소형 칩을 뮤칩이라 명명하고 상용화하였는데, 그 가격도 개당 20센트 이하의 저가로서 실용화에 한 발 앞서가고 있는 실정이다.
그러나 Silicon기반 반도체칩기술의 가격 한계성이 상존함으로 여러 가지 대안기술의 개발도 세계 각지에서 활발히 진행되고 있다. 그 대표적인 예는 Infinion사에서 개발 중인 polymer 반도체를 사용한 plastic transistor를 들 수 있는데, 아직 실용화 단계까지는 와 있지 못한 상황이다. 또한 미국의 Inkoda사를 중심으로 개발이 진행되고 있는 1센트 이하의 저가화가 가능한 chip-less RF-ID tag이라는 기술이다. 이 기술은 종이나 Plastic에 매우 미세한 금속 fibre를 내재시켜 전파의 투과와 산란을 유도하여 고유한 식별자를 형성하는 새로운 기술이다.

나.  능동형 유비쿼터스 센서
     모듈 (Smart Dust)
능동형 U-sensor module은 sensing부 이외에 processor와 송수신부까지 포함하여 환경을 감지하고 조절하는 기능을 가지고 있으며, 이때의 정보를 사용자나 system에 송신하고 명령을 수신하는 기능까지 가지는 센서이다. 이러한 능동형 센서의 개발은 중장기 과제로 추진되고 있는데, 그 대표적인 것이 Smart Dust라고 할 수 있다. 이 것은 미국 Buckley대학 Cris Peters교수가 처음 제창하였으며, IDC의 향후 9대 핵심기술 중의 하나로 채택되기도 하였다. Smart Dust란 아주 작은 센서 또는 모트(mote)들이 공중에 떠다니면서 대기 중의 온도, 습도, 가속도, 진동, 주변광 및 기압 등 다양한 물리적 화학적 정보를 실시간으로 monitoring하여 송신함으로써 시각적으로 현상을 파악할 수 있게 하는 센서모듈이다. 각각의 mote들은 sensing부, processing circuit, 무선의 송신부와 수신부가 있으며 이들을 움직이는 동력부도 내장되어 있어 고도의 지능을 갖춘 센서모듈이다.(그림 3)
이러한 Smart Dust는 유비쿼터스 컴퓨팅과 network 실현에 필수적인 환경 monitoring, Human Interface 및 군사 분야에 매우 활용도가 높을 것으로 생각되고 있다. 국내에서도 정부 주도로 ‘유비쿼터스 지향형 어플라이언스 기술’ 개발사업으로 진행되고 있다. 내용은 10mm3이하의 초소형이며 저전력으로 동작하는 Smart Dust를 목표로 하고 있다. 이 칩은 완전히 자율적인 센싱과 통신 platform을 갖추고 있는 초소형 computer system으로 수천, 수만개의 먼지들이 스스로 공간을 인식하여 통신함으로써 유비쿼터스 환경을 구축하여 언제, 어디서나 끊김없는 정보서비스를 받을 수 있게 하는데 결정적인 역할을 할 것으로 예상하고 있다.
위에서 언급된 바와 같이 10mm3이하의 초소형 부피 내에 일종의 computer system을 내재하기 위해서는 Digital회로, RF회로 및 Sensor회로가 하나의 모듈에 내장되는 신 개념의 System Module을 고려해야 한다. 종래에는 각자의 모듈로 존재하던 Digital, RF, Opto 및 Sensor모듈들을 하나의 package내에 내장하는 개념의 SoP(System on Package) 기술에 대한 관심이 최근 급격히 고조되고 있으며, 이에 대한 실제적인 개발이 시작되고 있다.
이러한 개발을 위해서는 각 회로의 passive 부품들을 기판에 내장(embedded)시켜야만 system module의 소형화가 가능하므로 이에 맞는 기판소재의 개발이 최우선적으로 선행되어야 하며, 또한 이 신소재에 대응되는 신 공정기술 개발의 선행도 조속히 진행되어야 할 것이다. 또한 모듈 기판 상에 위치하는 active 부품과 기판과의 interconnection은 종래의 정밀도를 훨씬 상회하여야 하므로 MEMS기술 등의 초정밀 방식의 packaging기술이 요구되고 있다. 그리고 여러 회로가 하나의 module에 내장되므로 각 회로간의 연결을 위한 mixed signal 설계기술이 새롭게 필요하게 된다. 이러한 차세대 System Module기술은 유비쿼터스 환경 하에서의 모든 기기에 적용되는 digital convergence를 실현하는데 필수적인 기술로서 적기에 시장선점을 하기 위해서는 산학연 공동의 대형과제로 선행개발하는 것이 절실히 요구되는 시점이다.
 
 4. 유비쿼터스 환경 하에서의 Communication
    (Bluetooth, Zigbee, UWB)
유비쿼터스 환경 하에서 센서로부터의 전송되는 신호를 사용자가 인근사물 또는 기기간의 상호 연결을 원활하게 하는 지원기능으로 근거리 무선망이 이에 속한다. 이러한 용도로 활용이 예상되는 무선 network로서 크게 세 가지가 고려되고 있다. (표 1)
Bluetooth는 기존의 휴대전화기를 기반으로 하여 여러 가지 디지털기기의 network을 형성하는데 활용되고 있다. 특히, 휴대폰의 Bluetooth viewer를 computer 또는 TV에 연결하여 휴대폰 상에 있는 영상을 display하도록 하는 기능이 주를 이룰 것으로 보이며, 휴대폰과 게임기기를 연결하여 다양한 게임을 휴대폰으로 즐길 수 있는 기능도 있다. 그러나 Bluetooth는 사용거리가 짧고 전송속도가 느리다는 단점을 가지고 있어 유비쿼터스 환경이 본격화 될 때의 상용성에 불리함을 가지고 있다. Bluetooth Module의 소형화는 현재 많이 진행이 되어 있으며, 특히 사용주파수가 기존 휴대폰보다 높아짐에 따라 전송손실이 적은 LTCC 소재를 이용한 module 개발이 관심을 모으고 있다. LTCC module에는 필터 및 캐패시터 등 discrete 수동부품들이 내장되어 있다.
Zigbee는 건물 내의 디지털기기의 networking에 활용될 수 있는 무선망으로서 온도유지, 전등, 먼지, 전력소비 관리 등 건물 내의 여러 기능을 wireless node에 의해서 mesh화하고 이를 gateway server로 조절하는 구성을 가지고 있다. Zigbee는 사용거리가 30m로 비교적 긴 편이나 전송속도가 느린 단점이 있어 많은 정보량과 실시간 조절이 필요한 환경 하에서의 실용화에 약간의 문제를 가지고 있다. 각 wireless node는 크기를 작게 하는 것이 유리하므로 앞에서 언급된 LTCC모듈이나 차세대 System Module(SoP)기술에 의한 소형화가 요구되는 부문이다.
UWB는 system이 상기된 다른 network보다 간단하여 여러 가지 반도체 칩형태로 개발되고 있으나 반도체공정의 cost면에서 불리함 때문에 이 부문도 여러 가지 module화의 요구되고 있다. 주파수가 다른 network에 비해 높아서 기존의 FR-4기판으로 양호한 성능의 소형 device를 제조하기에 어려운 점이 있어 LTCC소재에 의한 저가의 module개발을 시도할 필요가 있다고 생각된다. UWB는 전송속도 면에서 월등하게 우수하여 유비쿼터스 환경이 본격화되는 시점에서는 가장 신뢰성을 가진 network system으로 평가받으리라는 예상이다. 그리고 본격적인 유비쿼터스 환경이 조성되기 전까지는 이상의 3가지 network system이 공존하며 시장을 형성할 것으로 보여 각 wireless node는 휴대폰의 multimode처럼 복수의 network를 동시에 사용할 수 있는 multimo
de type이 유행할 것으로 예상된다. 따라서 이러한 여러기능이 하나의 device에 내장되는 multimode node의 소형화가 요구되며 이를 위해서는 SoP와 같은 system module기술이 더욱 필요하게 될 것으로 보인다.

5. 유비쿼터스 환경 하에서의 Appliance
   (wearable device, flexible display)
유비쿼터스 환경에서는 많은 양의 정보가 빠른 속도로 송수신되는 환경이므로 만족할 만한 환경 구현을 위해서는 사용자가 예전에 비해 많은 기능을 갖추고 있는 computing 단말기의 휴대가 매우 중요한 issue가 될 수 있다. 가능한 한 휴대하기 간편하여 사용자의 mobility를 떨어뜨리지 않아야 하는데, 이를 위해서는 종래의 hand-held의 단순한 휴대에서 옷이나 시계, 목걸이, 안경처럼 몸에 착용(wearable)하는 개념이 각광을 받고 있으며, 향후에는 옷감 안에 내장시키는 방법(smaer fabric)이나 몸에 이식(implant)
하는 개념도 고려되고 있다.
Display기기 휴대의 간편성을 위해서는 flexible display인 e-paper(그림 4) 개발이 각광을 받고 있는데, 이것은 일종의 반사형 display로서 기존의 종이와 잉크와 같은 높은 해상도, 넓은 시야각, 밝은 흰색 배경으로 우수한 시각특성을 가지며, 플라스틱, 금속, 종이 등 어떠한 기판 상에도 구현이 가능하고, 전원을 차단한 후에도 화상이 유지되고 back light전원이 없어 이동통신 기기의 battery 수명이 오래 유지되므로 cost 절감 및 경량화에 쉽게 적용이 가능하다는 장점이 있다. e-paper를 구현하는 방법은 크게 display
방식과 종이방식 등 두 가지로 나뉘어지는데, display
방식은 기존 평판 display에 유연성을 부가한 경우이고,  종이 방식은 기존 인쇄물과 같이 직경 0.1mm이하의 잉크 볼이나 캡슐을 이용하는 방법이다.

6. 맺음말
앞으로 5년 후인 2010년경에는 유비쿼터스 환경이라는 또 한번의 기술적 대변혁을 맞아 상상으로만 생각했던 언제, 어디서나, 끊김없는 여러 가지 multi
media service를 받으며 생활하게 될 것이다. 이에 필요한 많은 수의 system과 device들의 새로운 등장이 예견되는데 이때의 새로운 device들은 대부분 소형이며, 가벼워서 휴대하기 편하고, 저가(low cost)와 저전력화가 요구되고 있다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 우선 system 설계기술과 이에 맞는 새로운 소재와 신공정의 개발이 동시에 개발되어야만 하는데 이때 필요한 소재 및 공정들의 많은 부분이 세라믹 관련 기술들이다. 5년 후의 유비쿼터스 환경 하에서 적절하게 대처하고 이에 따른 부가가치 높은 산업을 형성하기 위해서는 시급히 산학연이 consortium을 이루어 다양한 idea를 갖고 수많은 시도를 집중적으로 수행해야만 할 것이다.

그림 1. 유비쿼터스 환경의 구성도
그림 2.  RF-ID의 구성도
그림 3. Smart Dust의 Mote 구성도

그림 4. Flexible display의 한 예

필자약력
·동경공대 무기재료공학과 박사
·University of Washington, MSE 석사
·한양대 재료공학과  학사
·삼성전기 중앙연구소, 연구임원(상무)
·KIST 세라믹스부 Post-Doc
·뉴세라믹스연구소 선임연구원
·국방과학연구소 연구원

<본 사이트에는 일부 표를 생략하였습니다. 원문을 보시려면 월간세라믹스를 참조바람>