4차 산업혁명시대와 함께 사람과 지능화된 사물, 환경 등이 네트워크로 서로 연결되어 새로운 가치를 생산하며 국민의 삶의 질을 향 상시키고, 사물과 환경이 스스로 인간의 오감을 대신하여 상황을 인지하고 처리하는 스마트한 지능형 시대가 도래하고 있다. 이를 가능케 하는 산업이 센서 산업이다.

스마트함의 토대, SoC기술 

센서는 반도체 제조기술 발전에 힘입어 어떤 특정한 물질을 감지 하는 수준이 아니라 감지신호를 중앙처리장치가 어떤 판단을 할 수 있는 수준으로 발전, 진화하고 있다. 이렇듯 최근에는 스마트 센서 또는 지능형(Intelligent) 센서가 상용화되고 있다. 이 센서는 대부분의 전자제품에 채용되고 있으며, 반도체칩 내에 특정 목적의 기능을 수행하는 SW를 이식한 전용 프로세서로 다양한 기능의 발현이 가능한 MCU(Micro Controller Unit) 내장 및 여러 가지 기능을 가진 시스템을 하나의 칩으로 구현한 기술집약적 반도체로서 마이크로 프로세서, 메모리반도체, MCU 등 개별 반도체를 하나의 칩에 통합한 SoC(System on Chip)기술의 접목으로 데이터 처리, 저장, 자동 보정, 자가진단, 의사결정, 통신 등의 기능을 수행함으로써 대상을 감지하고, 사물이 반응하게끔 하는 센서로 IoT(사물인터넷)의 가장 핵심적인 요소이다. 

스마트 센서 또는 지능형 센서의 시장규모는 전세계적으로 2019 년 216억 달러 규모이고, 이중 CMOS 등 이미지 센서를 제외한 사물별로 적용되는 센서의 시장규모는 2020년에 39.96억 달러에 이를 것으로 전망된다. 이러한 스마트 센서는 유럽의 경우, 자동차 산업에서 시장성장을 견인하는 반면, 시장규모 2위인 북미지역에서는 의료와 가전부문에서의 수요가 증가하고 있다. 

스마트 센서의 대표적인 활용은 스마트폰과 태블릿 PC에 사용하 는 CMOS 등의 이미지 센서가 시장점유율 30~40%를 차지하고 있다. 자동차, 모바일 기기, 로봇, 환경, 보안, 의료 및 건강, 스마트홈, 가전 등 다양한 분야에서 스마트 센서는 활용되고 그 수요도 급속히 증가하는 추세이다.

스마트폰 및 웨어러블 센서, 헬스케어 비용절감에 큰 기여 

여러 사용분야 중에서도 의료 및 건강 분야에서의 센서 산업의 현황과 적용사례를 살펴보자. 의료 및 건강분야에서 활용도가 높은 주요 센서는 체온센서, 혈압계, 심전도, 심박센서, 뇌파센서, 당뇨센서, 지문·홍채 인식센서 등이 있다. 최근 국내 스타트업인 그래메디스㈜에서는 가스센서를 활용한 스마트 기저귀를 개발 완료한 사례도 있다. 모바일 헬스케어는 스마트 센서와 연계하여 급속히 성장하고 있다. 시장조사업체인 가트너에 의하면 2020년 전 세계적으로 9억 3,500만 달러 수준으로 시장이 형성될 것으로 예측되고 있다. 스마트폰 또는 웨어러블 기기에 내장된 센서를 통하여 신체활동 즉, 심박, 심전도, 혈압, 당뇨 등을 측정 분석하여 개인의 건강관 리에 이용되고, 피트니스 손목 밴드형 등으로 생체정보를 모니터링 하는 기기가 센서 산업의 발전으로 성장해 왔다. 이러한 모바일 헬스케어 센서 및 기기가 헬스케어 비용의 커다란 절감효과(2015년 기준 약 2,900억 달러)를 가져올 것으로 전망된다. LG전자와 아이리버는 Valencell사의 심박계 센서를 적용한 피트니스용 이어폰을 출시한 바도 있다. 

2017년 Econsultancy에 따르면 질병에 기초한 의료서비스분야에서 실시간으로 모니터링함으로써 홈케어 및 만성질환관리에 적용 할 수 있는 10개 기술을 발표했다. 이 기술분야는 [표1]과 같다.

다재다능 바이오센서, 사업기회 무궁무진해

의료 및 건강 분야의 센서는 바이오센서(Biosensor)를 주로 사용한다. 바이오센서(Biosensor)는 유전공학으로 처리된 미생물과 실리콘 칩을 더해 만든 것으로 단백질, 효소, DNA, 항원, 항체 등 다양한 생체분자들의 결합을 전기적 신호로 변환하여 측정하는 장치라 할 수 있다. 다시 말해서 암세포, 바이러스 등 분석대상을 선택 특이성이 있는 생체 수용체(Bio-Receptor)와 반응시키고 신호변환기로 측정하여 특정물질의 존재나 양을 확인하고 측정하는 센서이다. 바이오센서는 의료·헬스케어 뿐만 아니라 환경, 산업공정, 군사(화학전), 식품 등 다양한 분야에 적용된다. 

바이오센서의 환경분야 적용사례를 보면 환경호르몬(다이옥신), 폐수의 BOD, 중금속, 농약, 방사능 등 환경관련 물질검출 및 확인에 사용된다. 산업공정 분야에서는 화학, 정유, 제약, 생물발효 등 다양한 생화학물 제조공정에서 나오는 특정 물질에 대한 분석에 사용하고, 군사 분야에서는 사린, 탄저균, 신경가스 등 대량 살상무기를 탐지하는데 사용하고, 의료·헬스케어 분야에서는 혈당, 혈중가스, 임신, 암세포, 심전도, 콜레스테롤, 젖산, 요소 등 다양한 생체 물질 및 생체신호 분석에 사용하고 있다. 기타분야에서는 생체물질간의 상호작용을 측정하여 생분자에 대한 다양한 정보를 확보하는데 사용하고, 단일분자 진단과 측정 등 새로운 분석기능을 제공하며, 식품에 포함되어 있는 잔류농약, 항생제, 병원균, 중금속 등과 같은 유해물질 및 부패촉진 물질검출에 사용된다. 우리나라에서도 바이오센서가 의료, 발효공업, 식품공업, 농림수산업, 환경보존 등 다양한 분야에서 폭 넓게 활용되고 있다. 또한 바이오센서가 나노기술과 결합되면 암 진단에도 획기적인 진전이 있을 것으로 전망된다.

한편 국내 주요 상장회사의 바이오센서 개발 및 적용 사례를 보면 성감염병 진단, 말라리아 진단, 혈당측정기, 자가 혈당측정기 및 혈액분석기, 알레르기 진단, 산소포화도 측정기, 투명지문인식, 유전자와 분자진단검사, 혈구분리 질병진단, 치매진단 등 다양한 분야에서 바이오센서를 개발해 왔다. [표2 참고]

한편 바이오센서 관련 반도체 부품 제조회사와 헬스케어 기기제조 및 정보 서비스사업을 하는 소프트웨어회사로는 비트컴퓨터, 인버디, 유비케어 등 10여개 업체들이 있다. 비트컴퓨터의 경우, 모바일 병원솔루션을 삼성전자와 공동으로 개발하고 있으며, 인바디는 체성분 분석기를 개발하고, 유비케어는 기업 임직원의 종합건강관리서비스 시스템을 구축하고, 아이엠텍 등의 반도체 부품업체는 새로운 분야인 바이오센서 개발사업에 진출하고 있다.

바이오센서, 체외진단기기 시장 꽃피워

바이오센서의 핵심기술은 구조체를 제작하여 이를 통해 바이오특성을 활성화시킬 수 있도록 다중화 집적시스템을 구현하는 것이다. 스마트폰의 대중화와 더불어 진단기술의 발전으로 인해 바이오센서의 대표적인 상용 사례가 바로 '체외진단기기'이다. 체외진단기기는 폭발적인 성장세 보이고 있는데, 글로벌 체외진단기기 시장은 2017년 기준 647억달러(약 70조원) 규모로 추정된다. 최근에는 편의성과 정확성을 개선한 체외진단기기가 잇따라 등장하면서 향후 5년 내 두 배 이상 성장할 것이라고 전망하고 있다. 체외진단기기의 글로벌 시장점유율과 연평균성장률로 보면 면역 화학적 진단, 자가혈당측정, 현장진단, 분자진단 분야가 글로벌 기술시장을 주도하고 있다. 2017년 기준, 글로벌 시장점유율은 미국이 24.0%(154억9,000만 달러), 서유럽 21.4%(138억4,000만 달러), 아시아태평양 12.3%(79억5,000만 달러)를 기록하고 있다. 연평균 시장점유 성장률을 보면 아시아태평양 지역이 11.5%로 가장 높은 상황이다. 2015년 기준, 체외진단기기 글로벌시장은 상위 4개 기업인 지멘스(Siemens), 로슈(Roche), 에보트(Abbott), 다나허(Danaher)가 전체 시장의 약 48.5%를 점유하고 있으며, 체외진단 분야에서 가시적인 성과를 내고 있는 국내기업은 셀트리온, 마크로젠, 씨젠, 바디텍메드, 랩지노믹스, 바이오니아 등 80여개의 업체가 있다.

바이오센서 산업은 각종 인체 피부, 유전자, 혈액 등을 통하여 특정 성분이나 정보를 확인 측정하는 진단기기 및 의료기기 산업으로 확산되고, 바이오센서에 의한 유전자 정보 등 다양한 질병에 대한 특정치를 기반으로 한 모바일 헬스케어 정보관리 플랫폼구축사업과 정보제공 서비스사업이 확대 일로에 있다. 이처럼 바이오센서는 반도체 부품제조기술의 향상과 더불어 인구고령화 시대를 맞이하여 의료 및 건강분야의 새로운 트렌드 등 다양한 시장 성장요인에 의해 성장가능성이 매우 높은 유망한 산업이다.