18세기 영국에서부터 시작된 산업혁명 이래, 3차례의 산업혁명을 거쳐 현재 4차 산업혁명의 시대 속에 살아가고 있다. 이전 3차례의 산업혁명이 각각 증기기관, 전기 에너지, 컴퓨터/인터넷과 같은 특정 유형의 기술에 기인한 산업 및 사회 전반의 변화였다면, 4차 산업혁명은 이들을 종합적으로 활용/발전시켜: 1) 사람과 사물이 고도로 연결되고 (ex) IoT), 2) 더욱 지능화된 기능 및 솔루션을 제공하고 (ex) AI), 3) 사람과 사물 간의 교류에 있어 신뢰 (ex) block chain)를 증진하며, 4) 친환경, 건강증진, 안전 등 (ex) 나노기술) 다방면으로의 발전을 꾀하고자 한다. 즉, 특정 유형의 기술에 의존하는 것이 아닌, 다분야의 기술을 복합적으로 활용하여 초연결, 초지능, 초신뢰, 초생명성 사회를 구현하겠다는 것이다.
4차산업혁명의 구현기술엔 ICT (정보통신기술)가 절대적인 비중을 차지한다. 특히 ICBM (IoT, Cloud, Big data, Mobile) 및 AI는 핵심 기술이자, 다양한 매체로부터 접해본 적이 있을 것이다. 비록 ICT 기반으로 구축된 기술이지만, IT (정보기술)에서 DT(데이터 기술)로 트랜드가 변화해 가고 있으며, 해당기술들은 데이터의 수집/저장/분석/활용/시각화 등을 핵심 활동 및 use case로 설정하고 있다. 다시 말해, 4차 산업혁명의 성공적인 실현에 있어 데이터의 중요성은 그 어느 때 보다도 중요해졌다고 볼 수 있다.
이러한 데이터를 획득하는 수단은 사람 간 커뮤니케이션, 파일 등의 문서, 채팅 기록 등 매뉴얼한 접근에서부터 시작하여 실시간 machine to machine 통신에 기반한 자동화된 방법까지 실로 다양하다. 여기서 자동화된 방법 및 실제 세계의 물리현상과 연관된 데이터 획득에 초점을 맞춘다면, 센서는 이를 위한 가장 보편적이고 핵심적인 수단이다.
물론 센서에 대한 이해도가 제고되었다 해서 4차산업혁명 관련 use case의 성공적인 구현을 보장하진 않는다. 센서 요소기술에 더해 4차산업혁명 제반 기술에 대한 Big picture 내지 방향성에 대해 공유가 되어있지 않다면 상호 연계로 인한 시너지 효과는커녕 유의미한 효과를 얻지 못할 공산이 크다.
실제 4차산업혁명 개별 요소기술들에 대해 다루는 책은, 분야별로 정도의 차이는 있지만, 국내외적으로 상당히 출판이 활발하나 이들을 효과적으로 엮을 수 있는 방향성 내지 가이드를 제시한 책의 경우 적어도 국내에선 많지 않은 실정이다. 이에 저자는 2022년 상반기에 이를 다룬 저서 “디지털트윈의 이해”를 출간하여, 4차 산업혁명과 관련된 제반 요소기술을 디지털트윈 중심으로 엮어내는 작업을 하였다.
아울러, 센서 분야의 서적들을 보면 개별 유형 센서에 대한 근본 원리 등은 섬세하게 기술되어 있는 경우가 많으나, 관련하여 실제 산업계에서 활용하는 센서에 대한 종합적인 소개 및 해당 제품들에 대한 datasheet를 보는 방법, 기재된 내용에 대해 설명해줌으로써 실제 실무자가 관련 market 제품에 대한 이해 및 datasheet를 분석하는 데 도움을 줄 수 있도록 기여하는 부분은 상대적으로 약하다.
본 저서는 “디지털트윈의 이해” 상의 Big picture 및 기존 센서 관련 서적들이 가진 한계를 고려하여, 센서 기술 관점에서 보다 상세한 내용을 전개하고자 한다. 구성으로는 크게 센서의 정의, 종류, 센서의 동작에 활용되는 물리 현상, 각 센서 별 세부 유형 및 원리, 예시 제품에 대한 소개로 되어 있다.
본 저서는 관련 도메인의 전문가와 더불어 ICT 기술에 직/간접적으로 연관이 있는 일반 독자를 주 대상으로 만들었다. 최대한 다양한 독자분들이 읽을 수 있도록 지나치게 상세하거나 지엽적인 내용은 과감하게 덜어내려고자 하였다. (특히 센서를 둘러싼 다양한 물리현상에 대한 깊은 이해, 수식 등) 이에, 상세한 수식기반 설명보단 원리와 설명, 그리고 그림 자료 위주로 설명을 전개를 하려 최대한 노력하였다. 또한 특정 도메인에 국한하진 않았으나, 국내 산업에서 제조업의 비중이 높은만큼 제조업 위주로 전개함을 미리 밝힌다.
본 책은 집필하면서 앞으로 배울 것도, 해야 할 것도 많음을 느낀다. 현업에 매진하면서 틈틈이 신기술에 대해 관심을 가지고 계속 정진해 나가면서 동시에 이를 체계화하고자 한다. 해당 과정을 통해, 저자 자신의 발전과 더불어 모두가 같이 성장하는 데 조금이나마 보탬이 되었으면 한다. 아울러 이 책을 읽는 모든 독자에게 행운과 행복이 함께 하기를 기원한다.

서문 11
1 압력 센서 14
1.1 압력 센서의 개요 및 분류 14
1.2 스트레인 게이지 19
1.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 24
1.3 정전용량식 압력 센서 31
1.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 32
1.4 변위 측정을 활용한 압력 센서 36
1.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 39
1.5 압전기 활용한 압력 센서 42
1.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 45
1.6 광학식 압력 센서 48
1.7 압저항식 압력 센서 48
1.7.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 52
2 속도 센서 58
2.1 속도 센서의 개요 및 분류 58
2.2 자속 변화 기반 유도기전력 활용 직선 속도 센서 60
2.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 62
2.3 도플러 효과 활용한 직선 속도 센서 67
2.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 74
2.4 자속 변화를 활용한 각속도 센서 81
2.5 광학식 각속도 센서 86
2.6 자기장, 홀 효과, 그리고 자기저항효과를 활용한 속도 센서 88
2.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 93
3 가속도 센서 102
3.1 가속도 센서의 개요 및 분류 102
3.2 압전효과 활용한 가속도 센서 108
3.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 111
3.3 변위 변화를 활용한 가속도 센서 115
3.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 118
3.4 정전용량 변화를 활용한 가속도 센서 123
3.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 125
3.5 암페어 법칙을 활용한 가속도 센서 129
3.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 132
3.6 압저항 효과를 활용한 가속도 센서 133
3.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 135
3.7 3 축 가속도 센서의 원리 139
4 자이로스코프 센서 146
4.1 자이로스코프 센서의 개요 및 분류 146
4.2 회전식 자이로스코프 149
4.3 진동식 자이로스코프의 원리 150
4.4 진동식 MEMS 짐벌형 자이로스코프 154
4.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 158
4.5 진동 링 기반 자이로스코프 167
4.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 170
4.6 튜닝 포크 기반 자이로스코프 174
4.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 177
4.7 동적 튜닝 자이로스코프 179
4.7.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 181
4.8 링 레이저 기반 자이로스코프 184
5 힘/토크 센서 194
5.1 힘/토크 센서의 개요 및 분류 194
5.2 로드 셀 200
5.3 스트레인 게이지의 개념 ? 상세 200
5.4 로드 셀의 유형별 동작 개념 204
5.5 압전식으로의 응용 218
5.6 스트레인 게이지 기반 토크 센서 219
5.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 224
5.7 광학식 토크 센서 228
5.7.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 230
5.8 자기식 토크 센서 232
6 촉각 센서 236
6.1 촉각 센서의 개요 및 분류 236
6.2 저항식 촉각 센서 239
6.3 정전용량식 촉각 센서 241
6.4 압전식 촉각 센서 243
6.5 광학식 촉각 센서 245
6.6 촉각과 지문센서의 연관성 247
7 레벨 센서 249
7.1 레벨 센서의 개요 및 분류 249
7.2 부력 활용 레벨 센서 250
7.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 252
7.3 중량측정식 레벨 센서 260
7.4 압력식 레벨 센서 261
7.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 263
7.5 정전용량식 레벨 센서 269
7.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 271
7.6 초음파식 레벨 센서 274
7.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 275
7.7 도전율 활용 레벨 센서 278
7.7.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 279
7.8 열전달 활용 레벨 센서 280
7.9 광 활용 레벨 센서 281
7.9.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 283
7.10 마이크로파식 레벨 센서 285
7.10.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 288
7.11 방사선식 레벨 센서 294
7.11.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 294
8 유동 센서 299
8.1 유동 센서의 개요 및 분류 299
8.2 차압식 유량계 303
8.2.1 오리피스 판 305
8.2.2 벤츄리 관 310
8.2.3 플로우 노즐 313
8.2.4 웨지 315
8.2.5 V-cone 316
8.2.6 Pitot 관 317
8.2.7 가변면적식 유량계 320
8.2.8 정류용 배관 322
8.2.9 차압 유량계 325
8.2.10 유형별 비교 326
8.3 질량식 유량계 328
8.3.1 열 질량식 유량계 329
8.3.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 333
8.3.2 코리올리 유량계 338
8.3.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 341
8.3.3 방사능식 질량 유량계 344
8.3.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 345
8.4 체적식 유량계 348
8.4.1 자기장 활용 체적 유량계 348
8.4.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 351
8.4.2 초음파 활용 체적 유량계 354
8.4.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 359
8.4.3 터빈 활용 체적 유량계 363
8.4.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 368
8.4.4 소용돌이 (Vortex) 체적 유량계 370
8.4.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 375
8.4.5 양변위 유량계 382
8.4.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 385
8.4.6 타겟 (힘) 유량계 390
8.4.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 391
9 방사능 센서 395
9.1 방사선 센서의 개요 및 분류 395
9.2 기체 충전형 방사능 센서 400
9.2.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 406
9.3 신틸레이터 기반 방사능 센서 411
9.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 418
9.4 반도체 소자기반 방사능 센서 422
9.4.1 다이오드 기반 방사능 센서 424
9.4.2 포토다이오드 기반 방사능 센서 425
9.4.3 MOSFET 기반 방사능 센서 426
9.4.4 SRAM 기반 방사능 센서 429
9.4.5 NAND 플래시 기반 방사능 센서 430
10 화학 센서 433
10.1 화학 센서의 개요 및 분류 433
10.2 습도 센서 434
10.2.1 기계적 특성 변화 중, 고전적인 방식을 활용한 습도계 436
10.2.2 기계적 특성 변화를 활용한 타 유형의 센서 440
10.2.3 임피던스 변화를 활용한 습도 센서 445
10.2.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 449
10.2.4 적외선 및 광학식 습도 센서 455
10.3 가스 센서 460
10.3.1 반도체 소자 활용한 가스 센서 461
10.3.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 465
10.3.2 전기화학식 가스 센서 467
10.3.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 469
10.3.3 NDIR (Non-Dispersive InfraRed) 식 가스 센서 472
10.3.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 473
10.3.4 촉매 활용 가스 센서 475
10.3.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 476
10.3.5 열전도도 활용 가스 센서 479
10.3.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 480
10.3.6 광전리 및 광음향식 가스 센서 482
10.3.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 484
10.3.7 자기장 활용 가스 센서 490
10.4 이온 센서 494
10.4.1 이온 선택 전극 기반 이온 센서 495
10.4.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 497
10.4.2 고체 상태 이온 센서 500
참조 문헌 502