센서와 액츄에이터에 대해 설명해보세요.

(1) 센서

센서란 모든 정보 및 에너지를 물리적, 화학적, 생물학적 수단을 사용하여 검출하는 부품을 통칭하는 말로 출력정보는 일반적으로 전기 신호를 사용한다. 전기화학 센서는 세 개의 타입으로 분류된다. 전위차 측정형(potentiometric), 전류 측정형 (amperometric) 및 전도율 측정형(conductometric) 이다. 이들 각 타입은 작업모드나 특정 영역의 응용에 의해 다른 타입의 센서로 더 분리된다.

가. 전위차 측정형 센서

4가지 타입이 있으며 기준 전극에 대한 표면에서의 전위차를 상대적으로 측정하는 방식이다. 이 방식은 일반적으로 1Volt 범위에서 1mV resolution으로 전압계를 작동해야 한다. 이런 타입의 센서를 개발하는 연구자들은 센서 표면에서 흡수되는 이온의 산화/환원 전위를 측정하기 위해 일반적으로 cyclic voltametery와 linear sweep voltametery를 사용한다.

나. 전류 측정형 센서

전류 측정형 센서는 많은 형태와 응용 영역에서 발견되며 이것은 전위가 생기면 흡수된 이온이 생성되는 전류량을 변화시킨다는 원리로 작동한다. 알고있는 전위를 적용하고 결과로 생기는 전류를 측정하거나 또는 스캐닝한 전위를 적용하고 전류를 측정함으로써 흡수된 종에 따라 명확한 측정이 가능하다. 이들 센서는 일반적으로 chronoamperometry(시간과 적용된 전류의 함수로 측정된 전류)를 이용하며 100nA~100mA 또는 1mV resolution의 1Volt 범위에서 상대적으로 전류를 측정해야 한다.

다. 전도율 측정형 센서

전도율 측정형 센서는 관심 분자가 존재함으로써 전도도가 영향을 받는 필름이나 다량 물질의 전기적 전도율의 변화에 의존한다. 가장 일반적인 방법은 직류(DC) 값의 변화를 측정하는 것이다. 다른 방법은 국소(local) 전기화학 임피던스를 측정하는 것이다. 응용 영역은 O₂나 H₂S, 전기적 노이즈, 습도, 탄화수소, 생체센서 등을 측정하기 위한 얇은 필름 센서를 포함한다. 직류 측정을 위해서는 기준전극이 불필요하며 개발이 쉽고 측정을 위해 일반적으로 전도도 미터가 필요하다.

최근에는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술이 센서 분야의 핵심으로 자리잡았다. MEMS 센서는 반도체 공정을 이용하여 마이크로미터 수준의 초소형 기계 구조와 전자회로를 하나의 칩에 집적한 것으로, 가속도·각속도·압력·온도·습도 등을 측정한다. MEMS 센서 시장은 2024년 약 194억 달러 규모이며, 2031년까지 약 340억 달러로 성장이 전망된다. 자율주행과 로봇 공학의 성장에 주목할 수 있는데 LiDAR용 스캐너 등 광학과 기계 구조를 결합하여 자율주행 로봇(AGV/AMR)의 눈 역할을 하는 MEOMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)등이 있다.

특히 IoT(사물인터넷)와 Industry 4.0 시대를 맞아 스마트팩토리에서 '스마트 센서'의 역할이 확대되고 있다. 스마트 센서는 기존 센서의 측정 기능에 AI 기반 자가진단·통신·의사결정 등 부가기능을 결합한 것으로, 2024년 Bosch Sensortec가 출시한 BHI380은 AI 기능을 센서 하드웨어에 직접 내장하여 클라우드 연결 없이도 로컬에서 동작·제스처 인식이 가능하다.

(2) 액츄에이터

동력을 공급받아 이 동력을 힘 또는 토크 등의 기계적 출력으로 변환하여 밸브의 부하를 원격운전 혹은 자동제어 할 수 있도록 하는 기계를 액츄에이터라 말한다. 이러한 액츄에이터는 여러 가지 동력을 이용하여 작동되는 것으로 사용하는 동력에 따라 액츄에이터의 구조가 크게 달라지므로 동력에 따라서 크게 전동식 액츄에이터, 공압식 액츄에이터, 유압식 액츄에이터 등으로 분류하고 있다.

이것은 유체압력과 마찰에 의해 발생하는 밸브의 조작부하에 대하여 전력을 사용하여 전동기를 돌려 회전력과 추력을 출력하도록 하는 것을 전동식 액츄에이터라 하고, 압축공기 혹은 압축가스를 사용하여 실린더 또는 베인 모터 등의 장치를 통하여 구동력을 출력하도록 하는 것을 공압식 액츄에이터, 압축오일의 물리적 에너지를 사용하는 것을 유압식 액츄에이터라고 말한다.

각각의 액츄에이터는 장단점 및 특징이 있어 사용목적, 용도, 제어성, 안전성 및 원가 등을 고려하여 선정한다. 이밖에 이러한 동력을 복합적으로 사용하는 전동공압식, 전동유압식 엑츄에이터 등이 있다.

밸브의 구동부인 액츄에이터는 크게 손으로 작동하는 수동식과 외부로부터 힘을 받아 작동하는 자동식, 그리고 유체의 흐르는 힘과 밸브 내에 설치된 스프링이나 파이롯트 밸브장치에 의해 작동되는 자주식으로 나뉜다.

수동식은 크게 레버식, 휠식, 기어식으로 나눌수 있다. 레버식은 대개 작은 크기의 버터플라이 밸브나 볼밸브, 플러그 밸브등 90도 회전하는 밸브에 많이 사용되고 휠식은 수직형으로 움직이는 게이트, 글로브 밸브 중 큰 사이즈의 밸브에 사용한다.

또한 기어식은 밸브의 크기가 커서 직접 핸들 휠로는 작동이 곤란할 때 감속기어를 사용하여 휠로 작동한다. 감속기어에는 감속 비율을 크게 할 수 있는 웜기어와 감속 비율이 낮은 베벨기어가 있다.

액압 펌프식은 힘을 많이 필요로 하고 작동이 빈번하지 않은 밸브에 유압 기기를 설치, 유압에 의해서 개폐한다. 자동식은 공기식 다이아후램, 피스톤식, 전기 유압식, 고정도 서보, 일렉트로 메카니칼식, 자기구동부 등으로 나눌 수 있다.