이수민
(주)스마트솔루션 대표이사
한국과학기술정책연구회 이사

서론
미국 벨 연구소(Bell Labs)의 존슨(John B. Johnson)에 의해 1926년에 발견된 저주파 노이즈(low frequency noise)는 최근 급격히발전하고 있는 센서 및 시스템 반도체의 민감도에 큰 영향을 미치고 있다. 미국에서는 1990년대 이전부터 첨단센서 및 저주파 노이즈에 대해 인식하고 이에 대한 연구를 꾸준히 지원하고 있다. 특히육해공군 연구소 소속 연구원들이 직접적으로 핵심 기술의 연구를 진행해왔다. 예를 들면 2005년 미국 MRS 학회에 육해군 연구소소속 연구원들이 공동으로 자기 센서의 저주파 노이즈를 감소시키는 연구를 진행하여 발표하였다. 또한 해군 연구소 소속 연구원들은 2004년에 미국 물리학회 저널에 탄소 나노 튜브 소자의 저주파노이즈에 관한 연구 결과를 발표하였다. 공군연구소는 오클라호마대학에 지원하여 미사일 핵심센서인 적외선 센서의 저주파 노이즈의 감소에 대한 연구를 지원하였다. 미 국방성은 1999년에 UCLA대학에 지원하여 파워반도체 소자의 저주파 노이즈에 대한 연구를진행하였으며, 2009년에는 저주파 노이즈가 적은 비냉각형 적외선센서의 개발을 지원하였는데, 이러한 저주파 노이즈 관련 사례는미국 SPIE 학회 홈페이지에 실린 여러 논문을 통해서도 볼 수 있다.


저주파 노이즈의 개념 정의
그렇다면 저주파 노이즈는 과연 무엇인가? 한국의 경우, 전자파내성, 전자파 차폐 등에 대해서는 많은 사람들이 인식하고 있지만저주파 노이즈의 개념에 대해서는 아직 대부분의 사람들이 인식하지 못하고 있다. 즉, EMI(Electro MagneticInterference)는 ‘전기전자 기기로부터 방사또는 전도되는 전자파가 다른 기기의 전자기 수신 기능 장애를 주는 현상’으로 정의되는데, 때로는 전자파 전문가조차도 전자파의 저주파 영역과 혼선하여 저주파 노이즈를 전자파의 저주파 영역과 같다고 착각하기도 한다. 전자파인 경우에는 [그림 1]과 같이 반도체 칩, 전자보드 또는 전기 전자 장비에서 발생하여 외부로 나오는 전자기파를나타낸다. 이러한 전자파의 크기를 [그림 2]와 같은 전자파 차폐룸에서 평가하는 것을EMI 측정이라고 한다.

하지만 저주파 노이즈는 전자파와는 엄연히 다르다. 저주파 노이즈는 센서나 반도체칩 밖으로 방사되는 것이 아니고 센서나 칩내부의 신호에 포함된 noise를 정확히 측정해야 하므로 [그림 3]과 같이 정밀한 측정 방법을 사용해야 하는 것이다.

저주파 노이즈 시험분석의 중요성
스마트폰이 등장한 시점으로부터 우리의일상에는 많은 변화들이 일어나고 있다. 특히 센서 기술의 급격한 발전에 따라 이전에는 상상하지 못했던 많은 응용기술이 가능해지고 있다. 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 발전으로 이전에는 DSLR 수준이었던1600만 화소 이미지 센서가 현재 대부분의스마트폰에 적용되고 있다. 또한 지자기 센서분야 감도의 발전으로 사진 찍을 때의 미세한 손떨림을 감지하여 이를 보정함으로써사진의 해상도를 높이는 기술이 스마트폰에사용되고 있다. 고감도 지자기 센서는 다양한 응용분야를 갖고 있으며, 고성능 미사일이나 탄환인 경우에는 날아가는 동안 지자기의 변화를 감지하여 날아간 거리를 정확히 측정하여 원하는 지점에 떨어지도록 하거나 원하는 지점 위에서 폭발하도록 하는수준에 이르고 있다. 이와 같이 센서의 민감도가 증가함에 따라 센서는 다양한 응용분야를 창출하거나 기존 응용분야에서의 정밀도를 높이는 효과를 만들어내고 있다. 그런데 센서의 감도가 좋아진다는 것은 센서의신호 대비 noise의 크기가 점차 증가한다는것을 나타내며, 특히 감도가 낮을 때 중요하지 않았던 저주파 노이즈가 민감도가 높을수록 매우 중요해지고 있는데, 이는 [그림 4]
에서 잘 나타내고 있다.


모든 첨단 센서는 기본적으로 저주파 노이즈를 가지고 있다. 따라서 국방에서 사용되는 대부분의 첨단 센서에서는 저주파 노이즈를 갖고 있다고 보아야 한다. 또한 센서의 민감도 자체가 증가하거나 동작 전압이나 전류를 높여 민감도를 증가시키고자 하는 경우 저주파 노이즈 역시 증가하기 때문에 민감도의 향상을 기대하기 어렵다. 그 결과 저주파 노이즈의 값과 유무는 센서 오작동의 주요 요인이 될 수 있다. 센서 오작동은기기와 인간의 안전한 교감을 방해하는 불청객이며, 자칫 돌이킬 수 없는 큰 사고로 이어질 수 있다.

결국 센서에서 발생하는 다양한 오작동을방지하고 첨단 센서의 성능을 향상시키기위해서는 반드시 센서에 내재된 저주파 노이즈 자체를 시험하여 평가하고 이를 개선시켜나가야 한다.

저주파 노이즈가 중요한 또 다른 이유는센서에 저주파 노이즈가 내재되어 있을 때,외부 영향에 더욱 민감하게 된다는 것이다.

[그림 5]와 같이 첨단센서에서 저주파 노이즈가 내재되어 있을 때, 외부 noise 영향에 의해 저주파 노이즈 값이 100 배 이상 증가할 수 있는 특성을 나타내고 있다. 비록 내재된 noise가 센서의 감도에 영향을 미치지않는 수준이더라도 센서가 외부의 전자파나전자기파에 의해 영향을 받는 경우에는 센서 블럭에서 발생하는 저주파 노이즈가 센서 자체의 신호보다 커져서 치명적인 오작동을 불러일으킬 수 있다. 예를 들어, 국방용 첨단 센서가 예측하지 못한 상황에서 오작동을 일으켜 무기의 폭발이나 발사 등이일어났을 때, 치명적인 피해를 초래할 수 있다. 또한 EMP 등에 의해 외부 전자기파에노출되는 경우에도 오작동 발생의 가능성이매우 커지게 된다. 따라서 고감도의 첨단센서를 개발할 때에는 센서 자체에 내재된 저주파 노이즈를 정확히 시험 분석하여 필요이상의 노이즈 값을 반드시 제거하고, 이를바탕으로 저주파 노이즈 수준을 개선시켜그 양을 최소화 하는 것이 매우 중요하다.

앞에서 언급한 것처럼, 이미 미국에서는1990년대 이전부터 그 중요성을 인식하고관련 연구를 활발히 진행해오고 있다. 하지만 국내에서는 아직까지도 저주파 노이즈에대한 개념인식이 정확히 되어 있지 않으며그 중요성에 대한 인식조차 매우 초기 단계라고 할 수 있다. 2013년부터 글로벌 시장에진출하고 있는 민간 기업에서 ㈜스마트솔루션에 저주파 노이즈 측정 데이터의 필요성을 요구하였고, 필요성을 요구한 기업들은주로 미국이나 독일, 일본의 고객사에서 센서 부품에 대한 저주파 노이즈 데이터를 요구하였기 때문에 수동적으로 인식된 경우라고 할 수 있다.


첨단센서에서 발생하는 저주파 노이즈는이제 간과할 수 없는 매우 중요한 요소가 되고 있다. 대부분의 첨단센서는 저주파 노이즈를 기본적으로 가지고 있기 때문에 원치않은 센서의 내부 노이즈의 수치를 얼마만큼 낮출 수 있느냐에 따라서 센서 오작동의횟수도 얼마든지 줄일 수 있음을 많은 사람들이 이제라도 능동적으로 인식해야 할 것이다.