당신을 사랑합니다. 마주보면서(시각), 내 목소리가 들리나요. 네, 속삭여주세요(청각), 좀 더 가까이, 당신의 체취가 느껴지도록(후각). 그리고 손을 잡아주세요. 따뜻한 손길(촉각)... 그리고 긴 입맞춤, 초콜릿처럼 달콤한(미각). 인간은 다섯 종류의 센서(sensor)를 가지고 있습니다.
혹은 여섯 종류일 수도 있지요. 그대 마음까지도 느껴진다면(심각?). 센서는 인간의 감각을 실현하는 것으로부터 시작이 되었죠. 시각은 이미지 센서, 청각은 마이크로폰, 촉각은 터치 센서, 미각은 전자 혀, 후각은 가스 센서나 전자 코로... 그리고 마음 심, 심각은 인공지능이라면 가능할 겁니다.
초기에는 측정만 하였어요. 관심있는 신호를 감지하여서 이 값을 디스플레이나 기록계, 혹은 다른 형태의 데이터로 전달하고, 우리에게 알려주었죠. 정보 취득을 위해서. 그러다가 측정된 신호들에 의해 다시 작동기(actuator)를 가동시킵니다. 화재가 낚다고 가정해보죠. 온도 센서가 열을 감지하고, 이 데이터를 제어기로 보내면 제어기는 살수기(splinkler)를 가동시켜 불꽃을 잡습니다.
이러한 구도로 하나의 계측 제어 시스템, 폐루프가 완성됩니다. 즉, 가양한 신호들을 감지하고 이를 조사, 분석하여서 이 신호들에 대응하는 행동을 유도하는 시스템이죠. 완성도가 높을수록 스마트 홈, 즉 집은 똑똑해지고, 생산 현장에서 작업자의 필요성은 줄어들며 인간이 하여야만 하는 일들은 점점 더 줄어갑니다. 괜찬하요. 남는 시간은 시간 부족으로하지 못하였던 일들, 취미와 예술 활동에 쓰면 되니까
두가지 용어가 나왔어요. 센서와 작동기. 센서는 주로 입력부에 존재하고 작동기는 출력부이죠. 센서가 신호를 감지하고 작동기는 이 신호에 의존하여 동작을 하죠. 센서건 작동기건간에 하나의 신호를 다른 신호로 바꿔준다는 의미에서는 같습니다. 다만, 센서의 경우 데이터를 전송하고 장치들이 읽을 수 있게 하려면 감지된 신호를 전기적인 신호로 변환하여야겠네요. 센서와 작동기, 둘 모두를 묶어서 변환기(transducer)라고 총칭합니다. 용어 그대로 신호를 변환한다는 의미이죠. 센서의 출력은 전기적 신호, 작동기의 입력도 전기적 신호이겠죠. 센서의 입력과 작동기의 출력은 필요에 따라 달라지겠고.
누군가 이야기를 하면, 즉 음성 신호를 보내면 이를 전기 신호로 바꿔주는 변환기는 마이크로폰, 즉 센서입니다. 전기 신호들은 전파를 타고 어딘가로 보내져서 다시 음성 신호로 바꾸죠. 누군가가 이야기를 들을 수 있도록. 이 변환기는 스피커, 즉 작동기가 되죠.
변환기들은 신호들간의 변환을 위해서 실로 다양한 원리를 사용합니다. 자기장은 가기장에 의해 신축이 일어나는 자기 변형(magnetostriction) 효과로 기계적인 진동을 만들 수 있고, 기계적인 진동은 압전 효과에 의해 전압을 발생시킬 수 있으며, 전압은 에너지원이 되어 자기장을 유도할 수 있죠. 이러한 과정을 통하여 센서와 작동기들은 만들어지며, 고유의 역할을 하게 됩니다.
우리가 늘 곁에 두는 스마트 폰에서 사진 촬영을 위한 카메라 센서, 말하고 들을 수 있는 마이크로폰과 스피커, 화면을 움직이거나 신호를 넣을 수 있는 터치 센서 등이 이러한 센서와 작동기들이죠. 스마트 폰에 신호를 넣어 멀리있는 집의 문을 개폐하는 스마트 홈의 기능, 그리고 공장 굴뚝에서 뿜어나오는 연기 성분을 측정하여 이산화질소와 같은 유해 성분들을 감지, 신고하여 환경 정화에 기여하는 착한 행동들도 변환기들, 즉 센서와 작동기들이 있기에 가능하죠. 이렇게 재미있고 유익한 변환기들, 특히 센서에 관하여 이야기를 풀어가봅니다.
센서, sensor, 1960년대 이전에는 detector, 즉 검출기라는 용어를 사용하였죠. 그러다가 1960년대에 들어서면서 sensor라는 용어가 활발히 사용되기 시작하며, 1970년대부터는 비약적으로 많이 사용되어 이제는 너무도 흔한 용어가 되었습니다. 검출기가 다룰 수 있는 신호들이 급속도로 증가하고, 여기에 반도체 기술이 접목되면서 그 종류와 사용량이 급격하게 확산되는 과정을 통하여 등장한 센서!입니다. 센서는 변환기에 속하지만 센서 안에 내부적으로 변환 기능을 가지고 있기도 하죠. 즉, 측정하고자 하는 신호를 단번에 전기 신호로 바꿀 수 없다면 두 번의 과정을 거치기도 합니다. 예를 들어 이산화탄소의 농도를 측정하기 위하여 적외선을 송신하는데, 이 경로에서 이산화탄소의 농도에 따라 적외선의 흡수 정도가 영향을 받고, 따라서 적외선의 변화가 수신부인 광다이오드에서 출력되는 전기 신호의 변화를 유도하죠. 변환기가 센서 내부에 존재하건, 외부에 있건 개념 자체는 신호 변환이므로 정의에는 변화가 없습니다만.
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