~배터리 구동식 '피코피코'를 현실로 만든 꿈의 기술,
초절전 메탄센서 개발~

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“피코피코” 개발

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개발자 인터뷰

배터리 구동식 "피코피코"를 현실로 만든 꿈의 기술,
초절전 메탄센서 개발

``피코피코''는 슬롯 머신 동영상 누출이나 불완전 연소로 인한 실내 공기 오염을 감지하여 알려주는 가정용 슬롯 머신 동영상 경보기입니다 출시 이후 개선을 거듭하며 많은 가정에 안전과 안심을 전해왔습니다
이것은 수년간 축적된 최고의 기술을 모아 16년이 걸린 배터리 구동식 "피코피코"용 가스 센서를 개발하는 프로젝트입니다 두 명의 개발자가 잇달아 발생한 어려운 문제를 어떻게 해결했는지, 꿈의 기술을 실현하게 된 과정 등 제품 개발 비결에 대해 이야기를 나눕니다

회원

에너지기술연구소

[부국장] 임원
Blisearcher (과학박사)
오니시 히사오
표면과학팀 [부장]
노나카 아츠시

사회의 요구에서 탄생한 고성능 가정용
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전력 절약에 대한 도전과 실패로 인한 우연한 발견

절전의 실현과 기다리고 있던 큰 장애물
높은 신뢰성 확립을 위한 기술 개발

사회의 요구에서 탄생한 고성능 가정용
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"피코피코"가 태어났을 때 말하는 알람은 여전히 드물었습니다

오니시: ``피코피코''는 1980년에 출시되었습니다 1세대 피코피코는 가스 누출을 감지했을 때만 삐삐 소리만 냈지만, 나중에는 "가스가 누출되었나요?"라고 경고음이 울리기 시작했습니다 각종 가전제품에서 나오는 전자음과 쉽게 구별할 수 있도록 하기 위함입니다 당시에는 말하는 기기나 가전제품이 아직 흔하지 않았지만, 우리는 소리와 메시지로 고객에게 경고하는 고급 기능을 가장 먼저 도입했습니다

배터리로 작동하는 "피코피코"는 전원 코드가 필요 없으며 디자인이 깔끔합니다 현재 기계에는 어떤 문제가 있었나요?

오니시: 현재 모델인 '피코피코'는 가스를 감지하는 센서가 많은 전력을 소모하기 때문에 100V AC 전원이 필요합니다 또한, 도시가스는 공기보다 가볍기 때문에 천장 가까이에 설치해야 합니다 처음 피코피코 판매를 시작했을 때는 주방 천장 부근에 환풍기 콘센트가 있는 집이 많았는데, 환풍기가 내장되면서 점점 바닥 가까이에 환풍기 콘센트를 설치하는 집이 많아졌습니다 특히 벽걸이형의 경우 가장 큰 문제는 바닥 근처에서 천장 근처까지 코드를 연결해야 한다는 점이었습니다 이로 인해 "전원 코드가 귀찮은데 왜 없애지 못하는 걸까요?"라는 문의가 늘어나고 있습니다

너무 많은 고객이 외관이 좋지 않아 "피코피코" 설치를 미루었습니다

오니시: 특히 새로 건축했거나 개조한 주택의 경우, 많은 가족들이 아름다운 새 주방의 벽에 보기 흉한 코드를 설치하고 싶지 않기 때문에 Pikopiko 설치를 주저한다고 들었습니다 가스사업자로서 고객의 안전과 보안을 지켜주는 피코피코를 이러한 이유로 설치하지 못하는 점은 매우 안타깝습니다 우리는 설치가 용이하도록 기술 연구를 수행하는 등 시대의 요구에 부응하는 제품을 지속적으로 제공합니다 배터리로 작동하는 "피코피코" 역시 "사용자의 관점에서 사물을 생각한다"는 당사의 기본 자세에서 탄생한 혁신적인 신제품입니다

``피코피코''는 35년의 역사를 가지고 있는데, 개발 배경은 무엇이었나요?

오니시: 1970년대부터 일반 주택의 창문에 알루미늄 샤시가 사용되기 시작하면서 주택의 기밀성은 급속도로 높아졌고, 작은 누출에도 실내 슬롯 머신 동영상 정체에 대한 사회적 우려가 부각되었습니다 이 때문에 주택단지 업계 일각에서는 '눈에 보이지 않는 슬롯 머신 동영상 누출을 자동으로 감지할 수 있는 장치가 없어 걱정이다', '슬롯 머신 동영상 위험하니까 사용하지 않는 게 좋을 것 같다'는 말도 나오기도 했다

이에 대응하여 오사카 슬롯 머신 동영상는 가정용 슬롯 머신 동영상 경보기의 연구 개발을 시작했습니다

오니시: 다른 기업들이 마이크로컴퓨터 미터를 이용한 간접 슬롯 머신 동영상 누출 감지 기술을 연구하고 있는 반면, 오사카 슬롯 머신 동영상는 실제로 슬롯 머신 동영상가 사용되는 장소에서 슬롯 머신 동영상 누출을 직접 감지할 수 있는 경보 장치의 실용화에 중점을 두고 연구 개발을 시작했습니다 이것이 여기에 소개된 슬롯 머신 동영상 센서 기술 개발의 원동력이 됐다 당시 실용화되고 있던 LPG 슬롯 머신 동영상 경보기를 기반으로 도시슬롯 머신 동영상의 주성분인 메탄을 검지하는 센서 기술 개발에 착수해 1980년 최초의 피코피코를 출시했습니다 이후 슬롯 머신 동영상 센서의 수명 연장을 목표로 슬롯 머신 동영상 검지 메커니즘과 슬롯 머신 동영상 센서의 성능 변화를 규명하고, 성능 보증 기간을 3년에서 5년으로 연장하는 등 업계 선도적인 연구 개발을 지속해 왔습니다

(오른쪽) 세계 최초의 배터리 구동 가정용 슬롯 머신 동영상 경보기 (왼쪽) 기존 모델

절전과 실패의 도전에서 탄생
우연한 발견

전원 코드가 없는 ``피코피코''는 고객들의 많은 요청을 받았습니다 무선으로 전환하기 위해 어떤 높은 장애물을 극복해야 했나요?

오니시: 도시슬롯 머신 동영상의 주성분인 메탄을 감지하려면 금속 산화물 반도체(산화주석) 센서를 400℃로 가열하여 메탄을 감지하는 반응을 일으키도록 해야 합니다 이는 배터리 구동 방식을 만드는 데 큰 장애물이었습니다 배터리로 수년간 작동하려면 현행 모델에 비해 전력 소모를 약 1/1000로 줄여야 했다

초기형 센서는 2~3mm, 전류 센서는 05mm입니다 지금도 그 규모는 아주 작습니다

오니시: 전력 소비를 줄이는 효과적인 방법은 센서를 더 작게 만드는 것입니다 초기 모델은 쌀알만한 크기에 약 1W의 전력을 소비했다 현재 AC 전원을 사용하는 센서의 부피는 초기 모델의 1/100 정도이고, 소비전력은 약 02~004W로 줄었다 단순히 센서를 작게 만드는 것만으로는 전력 소비를 3배로 줄이는 것은 어려울 것입니다 무선 슬롯 머신 동영상 경보기 제작은 단순히 기존 기술을 확장하는 것만으로는 불가능하기 때문에 오랫동안 '꿈의 기술'로 여겨져 왔습니다

전자현미경으로 본 메탄에 민감한 산화주석 박막의 단면

오사카 슬롯 머신 동영상뿐만 아니라 많은 가전제품 제조업체들이 슬롯 머신 동영상 센서를 더 얇게 만드는 데 도전해 왔습니다

오니시: 국내외 주요 반도체 제조사를 포함한 많은 제조사들이 센서를 근본적으로 더 얇고 작게 만들기 위한 연구를 진행해 왔지만 어느 하나도 성공하지 못했습니다 메탄에 대한 높은 감도를 얻기 어렵고, 감도가 변할 수 있기 때문에 박막형 슬롯 머신 동영상 센서의 실용화가 어렵다는 것은 업계의 상식이었습니다 당사 역시 높은 메탄 민감도를 안정적으로 달성하기 어려워 연구개발을 일시적으로 중단한 이력이 있습니다

박막 형성 실험 중에 매우 중요한 "우연한 발견"을 했다고 들었습니다

오니시: 어느 날 실험을 계속하던 중 메탄에 매우 민감한 것을 발견했습니다 전자현미경으로 산화주석박막의 단면을 관찰한 결과 신비한 주상구조를 가지고 있는 것을 발견하였다 이는 압력 변환의 실수로 인해 발생한 '우연한 발견'이었습니다

압력 변환 오류의 원인은 무엇입니까?

오니시: 진공 중에 소량의 아르곤 슬롯 머신 동영상를 주입하여 산화주석 박막을 제조하는 연구를 진행하고 있었습니다 어느 날 실수로 아르곤을 너무 많이 주입했더니 수많은 작은 기둥으로 이루어진 나노 크기의 기둥 구조를 지닌 산화주석 박막이 형성됐다 그 무렵, 전 세계적으로 압력 단위가 SI 단위계로 표준화되고 있었는데, 기존의 Torr(mmHg) 단위를 Pa(파스칼)로 변환할 때 계산에서 한 자리 실수를 했습니다 잘못된 조건에서 제작된 것을 보통 사람들이 측정하지 않을 거라 생각하는데, 우연을 소중히 여기고 측정을 하다 보니 큰 발견이 생겼습니다 이를 기회로 삼아 박막 제조 조건을 최적화하여 감도가 매우 높고 장기 안정성이 뛰어난 산화주석 박막을 얻는 데 성공했습니다

오래 전에는 뜨거운 사케를 마실 때 슬롯 머신 동영상 경보기가 울리는 경우가 있었습니다

노나카: 당시 센서는 알코올이나 수소에도 반응했습니다 한때 효고현에는 오경보가 많았고, 조사 결과 '이카나고노 쿠기니'가 범인이라는 사실이 밝혀졌다 센서가 미린에 반응했습니다

허위 경보를 억제하는 기술을 개발하는 과정에서 '우연한 발견''이 있었다는 소식을 들었습니다

오니시: 원래 우리는 메탄과 수소를 모두 감지하는 센서를 개발하려고 했습니다 이 센서는 메탄과 수소에 대해 동일한 감도를 가져야 하기 때문에 메탄과 수소를 같은 정도로 통과시킬 수 있는 촉매층을 연구 중이었는데, 촉매를 합성할 때 우연히 100도 이상 높은 온도에서 구웠어요 그 결과, 메탄 이외의 물질을 산화 및 제거하는 성능은 뛰어나고, 메탄을 산화시키는 능력은 상실된 촉매를 얻었다 메탄 이외의 물질을 선택적으로 산화하고 제거하는 촉매를 발견한 뒤, 메탄만을 감지하는 센서 개발에 착수하기로 결정했습니다 또한 오경보를 발생시키는 부품의 감도를 대폭 줄이는 것이 가능해졌습니다

노나카: 다시 한번, 우리는 우연의 가치를 소중히 여기고 '우연의 행운'이 가져오는 획기적인 가능성을 깨달았으며 이는 연구 개발의 중요한 단계로 이어졌습니다

절전의 실현과 기다리고 있던 큰 장애물

전력 절감을 위해서는 MEMS 기술이 필요하다고 들었는데, 일반적으로 MEMS 기술이란 무엇입니까?

오니시: MEMS는 Micro Electro Mechanical Systems의 약자입니다 반도체 센서를 더 작게 만드는 방법이 많이 사용되며, 게임기 리모컨이나 스마트폰 스피커의 움직임을 감지하는 센서에도 사용된다

어떻게 우수한 MEMS 기술을 보유한 센서 제조사와 공동으로 제품을 개발하기로 결정하셨나요?

오니시: 실제로 우리가 개발한 기술을 실용화하기 위해 당시 경보기와 센서를 만들고 있던 여러 제조업체에 접근했을 때, 모두 ``이건 결코 쓸모가 없을 것입니다'', ``박막 센서를 대량 생산하는 것은 어려울 것입니다''라는 식으로 우리를 거절했습니다 따라서 경보용 슬롯 머신 동영상 센서로서의 실용화 개발은 쉽게 진행되지 않았습니다 그러나 우리가 개발한 '고선택적으로 메탄을 검출할 수 있는 박막 센서'가 당시 환경 중의 미량 메탄을 측정하는 프로젝트에 국립 환경 연구소에 채용되었다는 기사가 신문에 게재되자, MEMS 기술을 이용해 미세한 부분만 국부적으로 가열할 수 있는 마이크로 히터 기술을 개발한 후지전기가 주목을 받게 되었습니다 얼마 지나지 않아 우리는 Fuji Electric으로부터 두 회사의 기술을 결합하여 절전 센서를 개발하는 데 관심이 있는지 묻는 제안을 받았고 공동 개발로 이어졌습니다

이번 공동 개발을 통해 탄생한 절전형 센서 칩은 꽤 작죠?

노나카: 센서 칩은 둥근 실리콘 판 내부에 작은 부품의 구성을 구축한 다음 조각으로 분리하여 만들어집니다 CD 한 장 크기의 영역에 수천 개의 칩이 줄지어 있는 것처럼 느껴집니다 오른쪽 사진은 그중 하나를 확대한 사진이다 칩 중앙의 둥근 부분에 얇은 산화주석막이 있고 그 면적은 머리카락 한 올 정도입니다

절전 센서 칩의 확대 사진
칩 아래에 있는 것은 사람의 머리카락입니다(두께 약 01mm)

왜 그렇게 작아야 했나요?

오니시: 에너지 절약형 센서는 머리카락 크기 정도의 작은 면적에 얇은 원주형 산화주석막을 갖고 있으며 그 위에 촉매층이 배치되어 있습니다 이 민감한 부품의 크기를 약 100μm로 줄임으로써 국부적으로 400°C까지 가열하여 필요한 전력을 줄일 수 있었습니다 기존 기계는 제품을 가열하기 위해 지속적으로 전류를 흐르게 하며, 가열 후 400°C에 도달하는 데 몇 초가 걸립니다 이에 비해 새로 개발된 센서는 순간적으로 400°C까지 가열될 수 있으며 슬롯 머신 동영상를 안정적으로 감지할 수 있습니다 또한 슬롯 머신 동영상 누출 여부를 확인하기 위해 분당 몇 번씩만 일시적으로 전류를 인가하고 그 외의 시간에는 전류를 인가하지 않습니다 이렇게 센서 구동 패턴을 변경함으로써 가열 시간을 획기적으로 단축할 수 있었습니다 결과적으로, 가열 전력은 기존 센서에 비해 약 1/600로 감소됩니다

절전을 위해 열심히 노력하셨을 거라 생각합니다 그런데 제품이 알람이라 큰 어려움은 없었나요?

오니시: 경보는 보안 장치입니다 슬롯 머신 동영상 감지가 불가능해져서는 안 되며, 반대로 슬롯 머신 동영상 누출이 없는데도 자주 경보가 울리면 고객에게 큰 불편을 끼칠 수 있습니다 따라서 결함 발생률을 철저히 낮은 수준으로 유지하는 것이 필요합니다

가전제품에 비해 알람 실패율이 상당히 낮나요?

오니시: 예를 들어, 가전제품에는 고장률이 있는데, 이는 1년 동안 고장이 발생할 확률의 백분율로 표시됩니다 그러나 경보장치의 품질은 1/100만 PPM 수준으로 관리되어야 하며, 설치 후 3~5년 동안 성능이 보장되어야 한다 1980년 출시 이후 시장현상과 설치 후 수거된 제품의 분석 결과를 바탕으로 개선이 이루어졌으며, 현재의 슬롯 머신 동영상 누출 경보기의 고장률은 일반 산업용 제품에 비해 극히 낮은 수준에 이르렀습니다

제품 안전에 대한 사회의 요구는 해마다 증가하고 있습니다

오니시: 이 센서 개발 과정에서 소비자 제품과 관련된 심각한 사고가 잇달아 발생하면서 제품 안전에 대한 사회적 관심이 높아졌습니다 이에 따라 제품의 안전성과 신뢰성에 대한 사회적 요구가 급격히 높아졌습니다 실제로 연구를 시작한 지 약 5년 만에 장기간 배터리 구동 절전이 가능하다는 사실이 확인됐고, 회사에서는 이를 즉시 실용화하기 위해 노력하고 있었다 그러나 회사 내에서는 '시장 실적이 없는 새로운 센서를 채택하면 지금까지 구축해 온 경보 시스템의 높은 신뢰성이 훼손될 수 있다'는 목소리가 커져 상용화 계획이 무산됐다 이러한 상황을 극복하기 위해서는 시판에 앞서 장기 신뢰성을 충분히 확립하는 것이 필요하며, 실험실에서 단기간에 시장에서의 장기 신뢰성을 평가할 수 있는 방법의 개발도 필요하다 엄격한 제품 안전에 대한 사회적 요구는 우리 개발자들에게 큰 장애물이었지만, 팀으로 협력하고 지속적인 연구개발을 통해 이를 극복할 수 있었습니다

높은 신뢰성 확립을 위한 기술 개발

상온에서 순간적으로 400℃로 가열되면 센서가 성능이 저하되거나 오작동합니까?

오니시: 일반적으로 실온에서 400℃까지 순식간에 온도를 올리는 것은 많은 스트레스를 줍니다 기존 센서는 기판 위에 다양한 재료를 쌓아두었기 때문에 반복되는 급속 가열과 냉각에 따른 열충격과 기타 응력이 복합적으로 작용해 센서가 손상될 수 있다는 사실이 밝혀졌다 5년 동안 작동시키려면 수백만 번의 열충격을 겪게 되기 때문에 이를 견딜 수 있는 적층 구조와 제조 방법을 고안해 이를 견딜 수 있는 소자를 개발해야 했고, 이 문제를 해결하기 위해 많은 시간을 투자했습니다

개발 중인 센서를 일본 전역의 가정에 설치하고 장기적인 신뢰성을 평가하기 위해 데이터를 수집했다고 들었습니다

노나카: 앞서 말씀드린 바와 같이 이 무렵 제품 안전에 대한 사회적 관심이 높아지면서 국가 연구개발기관인 신에너지산업기술개발기구(NEDO)가 주도하여 신뢰성이 높고 배터리로 장기간 작동할 수 있는 센서를 개발하는 '차세대 고신뢰성 슬롯 머신 동영상 센서 기술 개발' 프로젝트가 시작되었습니다 본 사업에서는 전국 약 660가구에 센서를 설치하고, 주기적으로 센서를 수집하여 특성 변화를 조사하였다 저희도 최대한 많은 현장에서 센서 평가를 진행하고 싶어서 이번 기회에 프로젝트에 참여하기로 결정했습니다

전국 660가구에 설치하였습니다
다양한 실제 환경의 특성 변화 조사

홋카이도에서 오키나와까지 660가구는 놀라운 숫자입니다 실제 가정에서 현장 설치 테스트를 진행하면서 어떤 발견이 이루어졌나요?

오니시: 6개월에 한 번씩 설치된 제품을 수집하여 센서 성능이 어떻게 변화하는지에 대한 데이터를 수집했습니다 일반 제품에는 없는 온습도 센서와 환경물질을 포집하는 흡착제 등을 탑재해 세밀한 조사를 진행했다 우리가 상상한 환경과 실제 주방 환경에는 약간의 차이가 있다는 것을 발견했습니다 온습도 측면에서 보면, 놀랍게도 겨울에는 홋카이도 등 추운 지역에 비해 기온이 많이 떨어지지 않습니다 항상 뜨거워지기 때문이죠 그리고 오키나와의 기온은 그리 높지 않고 습도도 매우 높았습니다

가족 구조와 집에서 시간을 덜 보내는 사람들을 포함하여 다양한 유형의 가족이 있습니다 현장 설치 평가와 실험실 평가의 평가가 크게 달랐나요?

노나카: 우리는 실험실에서 수년 동안 센서 성능이 안정적인 것을 확인한 후 현장에 설치했지만 자세히 관찰한 결과 약 2년 후에 일부 센서의 성능이 변화하는 징후가 관찰되었습니다 가장 놀랐던 점은 다세대 주택에는 일반적인 주방 환경에서는 볼 수 없는 환경적 요소가 다량 존재한다는 점이었습니다 여러 가지를 조사한 결과 그 집은 특수 용제를 다루는 사람들의 집이었고 거기에 많은 양의 폐기물이 보관되어 있다는 것을 발견했습니다 하루 종일 증기가 센서에 닿는 집도 있었습니다
실험실에서 우리는 어떤 종류의 성분이 센서 표면을 오염시킬 것으로 예상해야 하는지에 대해 많이 고민했지만, 현장에서 우리는 상상을 초월하는 많은 놀라움과 발견을 만났습니다

현장에서 회수된 센서를 사용하여 어떤 종류의 것들을 분석했습니까?

노나카: 먼저 현장에서 회수된 센서에서 발생하는 변화를 확인했습니다 어떤 화학물질이 이런 변화를 일으키는지, 무엇이 이런 변화를 일으키는지 자세히 분석해봤습니다 이러한 성능 변화를 방지하기 위해 센서도 개선했습니다

향상된 센서는 어떻게 테스트되었습니까?

노나카: NEDO 프로젝트의 설치 기간은 3년입니다 개선된 센서로 현장 설치 테스트를 다시 반복하는 것은 불가능합니다 이에 우리는 단시간에 실제 작업 현장의 스트레스를 재현할 수 있는 테스트 방법을 개발하기 위해 노력했습니다
이 테스트는 가속 평가라는 방법입니다 변화를 일으키는 스트레스를 파악하고 이를 센서에 적용해 짧은 시간 안에 비슷한 변화를 일으킬 수 있는지 알아보는 작업을 진행했습니다 다양한 조건에서 테스트를 진행했는데, 20번의 테스트 중 단 한 번만 맞았습니다 게다가, 적절한 테스트 조건을 알고 있다고 하더라도, 실험실에서 테스트한 제품이 현장에서 테스트한 제품과 동일한 성능 변화 현상을 보이는지 확인하고, 이것이 몇 년에 해당하는지 현장에서도 확인해야 합니다 우리는 3년 동안 현장에서 일어날 일을 약 한 달 안에 재현하는 데 필요한 조건을 조정하기 위해 특정 스트레스의 강도를 다양하게 변경하여 수많은 테스트를 수행했습니다

오니시: 우리의 노력은 결실을 맺었고 우리가 개발한 새로운 방법을 사용하여 개선된 센서의 장기적인 신뢰성을 검증할 수 있었습니다

이 개발 과정에서 어떤 어려움에 직면했습니까?

노나카: 박막을 이용한 세계 최초의 센서 기술입니다 세상에는 롤모델이 없었습니다 센서의 성능이 어떻게 영향을 받고 변화하는지에 대한 선례가 없었기 때문에 우리 스스로 상상하고 파악하는 것이 어려웠습니다

오니시: 저는 이전에는 불가능하다고 생각되었던 도전에 도전하는 것을 흥미롭게 생각하는 사람이기 때문에 기술적인 측면에서는 특별한 어려움이 없었다고 생각합니다 즉, 고객의 요구가 강한 제품임에도 불구하고 여러 가지 난관을 극복하고 실용화되기까지는 오랜 시간이 걸렸습니다 사실 더 이상 개발을 이어갈 수 없을 것 같은 위급한 상황에 처할 때도 많았지만, 다행히도 이 기술을 실용화하는 것이 나의 주요 임무라는 믿음으로 어려운 상황을 극복할 수 있었습니다 무사히 발매일을 맞이할 수 있었던 것은 위기에 처할 때마다 응원해주신 모든 분들 덕분입니다