배터리 적용분야에 사용되는 자기센서가 점차 발전하고 있다. 작은 크기·낮은 전력 소비량·높은 감도 등의 장점을 가지고 있는 자기센서는 설계자 및 기술자들에게 보다 광범위한 선택을 제공한다. 하니웰 제어기기사업부 수석 마케팅 매니저인 조쉬 에드버그의 설명을 통해 끊임없이 진화하고 있는 자기센서의 변화에 대해 알아본다.
리드스위치
설계 엔지니어들은 수십 년 간 저 전력 배터리 방식 기기에 리드스위치를 사용해왔다. 유리 캡슐 또는 튜브 안에 밀폐되어 있는 2개의 강자성 리드로 구성된 리드스위치는 자석이 스위치 범위 내에 들어올 때 접촉부가 닫히면서 스위칭 기능이 작동되는 구조를 가지고 있다.
기계식 리드스위치는 저 전력 소비·높은 감도·낮은 비용 등 다양한 이점을 제공한다. 또한 지금까지는 이를 대체할 기술적 대안이 존재하지 않았다. 이로 인해 가전제품·계량기·보안·의료 장비·로봇·자동화 장비 등 각종 저 전력 응용분야에서 사랑을 받아왔다.
하지만 리드스위치는 제조 과정을 비롯한 충격·진동이 발생하는 공정 등에서 파손이 일어날 위험이 있다. 또한 안전성의 문제 역시 대두되고 있다. 이외에도 낮은 수명과 비교적 큰 크기 역시 단점으로 손꼽힌다.
홀 효과 센서
오늘날 설계자들은 보다 높은 안정성과 각종 성능의 전환을 지속적으로 요구하고 있다. 이에 부응하듯 홀 효과 기술 역시 개선을 이루었다. 그 결과 홀 효과 센서는 휴대폰·랩탑·백색 가전 등과 같은 일부 배터리식 적용분야에서 리드스위치를 대체하기 시작했다. 홀 효과 센서 역시 리드스위치와 같이 자석이 기기 감지 범위 내로 들어올 때 작동된다.
홀 효과 센서의 장점 중 하나는 고체로 이루어져 마모와 충격 그리고 진동에 강하다는 점이 있다. 또한, 고체 센서 내에는 움직이는 부품이 없기 때문에 기기가 켜지고 꺼질 때 스위치 접촉부가 튀는 ‘바운스’ 현상도 없다. 즉, 홀 효과 센서는 리드스위치보다 튼튼하며 보다 작은 크기를 자랑하므로 크기가 중요한 응용사례에 적합하다.
이러한 장점에도 불구하고 홀 효과 센서는 많은 분야에서 리드스위치를 대체하지 못하고 있다. 많은 배터리 구동방식 기기가 요구하는 저 전력 소비 및 고 감도 등의 사항을 충족시키지 못하기 때문이다.
자기저항센서
최근 회로 설계의 발전으로 작은 크기와 함께 높은 품질 및 내구성을 자랑하며 배터리 수명을 최대화할 수 있는 자기저항센서(MR센서)가 등장했다. 500㎁ 이하 범위의 전력 소비를 제공하면서 리드스위치와 흡사한 가격으로 높은 감도를 제공할 수 있는 새 MR 기술이 등장한 것.
MR센서는 홀 효과 센서처럼 고체 형태로 이루어진 자기센서이다. MR센서와 홀 효과 센서의 차이점은 홀 효과 센서처럼 감지 대상 물체와 수직이 아닌 평행방향으로 자기 감지가 이루어진다는 점이다. 이러한 감지방식은 일반적으로 감도가 더욱 뛰어나다고 알려져 있다. 이러한 특성으로 MR센서는 사실상 모든 배터리 방식 제품에 사용될 수 있다.
홀 센서 Vs. 자기저항센서
하니웰의 나노 시리즈 자기저항센서 IC는 기존의 홀 센서와 비교해 소비전력이 적고, 비용이 저렴하며, 감도가 높고, 설치가 간편하다.
저 전력 소비: 전력 소모 문제는 많은 배터리 방식으로 구동되는 기기의 관심사 중 하나다. 하니웰 자기저항센서는 310㎁ 및 360㎁ 사양으로 출시되었다. 구동에 드는 소비전력은 현재 사용하는 홀 효과 센서 중 가장 성능이 뛰어난 제품과 비교했을 때 1/16 수준에 불과하다. 따라서 설계자 및 기술자들이 배터리 수명을 절약하거나 동일한 전력 소비 수준에서 추가적인 저 전력 기술을 사용할 수 있다.
특정 분야의 요구를 맞추기 위해 설계를 미세하게 조정할 수도 있다. 센서가 가진 2개 이상의 특징을 서로 조율할 수 있는 것. 가장 일반적인 경우는 전력 소비량에 견주어 감도를 조절하는 것이다. 예를 들어 하니웰의 SM351LT는 초고도 자기 감도(일반 작동 시 7G·최대 작동 시 11G) 및 매우 낮은 전류 소비(일반 작동 시 360㎁)를 요하는 응용 분야에 적합하게 설계되었다. 이보다 약간 낮은 수준의 자기저항성(일반 작동 시 14G 및 최대 작동 시 20G)을 요하는 응용사례의 경우, 더 낮은 전력 소비(일반 작동 시 310A)를 제공한다.
시스템 비용 절감: 나노파워 자기저항센서는 CMOS 출력 회로를 사용하므로 외부 풀업 저항기가 필요 없다. MR센서는 또한 홀 효과 기기에서 흔히 쓰이는 초퍼 회로(Chopper Circuit)가 생성하는 전자 소음 여과를 위한 별도의 구성요소가 불필요하다. 따라서 물리적 공간이 줄어들게 되고, 공간의 제약이 있는 분야에서 더욱 용이하다.
고 감도: 나노파워 자기저항센서 IC는 기존 홀 효과 센서보다 향상된 감도를 제공한다. 상용 홀 센서 제품에 비해 동일한 자석을 2배 이상 먼 거리에서 감지할 수 있다. 이는 직접적으로 시스템 비용과 연결된다. 설계자들이 더욱 작은 크기의 자석 또는 서로 다른 재질로 만들어진 자석을 사용할 수 있기 때문이다. 이러한 강점은 희토류 자석의 공급 부족으로 인해 가격이 대폭 상승하고 있는 현 시점에서 빛을 발한다.
또한, 고 감도의 MR센서를 사용할 경우, 자기성 목표물과 센서 사이의 넓은 공극을 가질 수 있어 설계 측면에서 더 나은 유연성을 제공한다. 설치 공간이 한정되어 있거나 센서의 위치가 감지 대상으로부터 수 ㎜ 이상 떨어져있는 등 많은 분야에서 유용한 기능이다.
간편한 설계 및 설치: 시스템 설계는 설계 기술자들이 항상 갖고 있는 고민거리다. 이를 최소화하기 위해서는 자석 강도의 편차·제조 과정에서의 센서 및 자석의 배치·센서의 감도 편차 등을 고려해야 한다. 나노파워 자기저항센서 IC의 옴니폴라 특성은 더욱 간단한 설치를 실현한다. 또한 제조 단계를 한층 더 축소시킨다. 유니폴라 홀 센서와 달리, MR센서는 자석의 양극 중 하나에 반응하기 때문에 자석의 극성을 확인하기 위한 센서 설치 및 이전의 단계가 필요 없다.
리드스위치 Vs. 자기저항센서
저 전력 소비·고 감도: 나노파워 자기저항센서 SM351LT는 평균 7G·최대 11G의 감도를 통해 리드스위치와 동일한 거리는 물론, 보다 먼 거리에서도 목표 자석을 감지할 수 있다. 평균 360nA의 센서 소비 전력은 수도 및 가스계량기 등 전력에 민감한 배터리 방식 제품에도 사용할 수 있다.
마모 개선: 나노파워 자기저항센서는 고체 스위치로 형태를 띠고 있다. 따라서 내부에 기계적인 부품이 없다. 이는 센서가 마모되지 않음을 의미한다. 고체 설계를 통해 마모를 개선한 셈.
플라스틱 패키지를 통한 크기·내구성 향상: 업계 표준인 SOT-23 플라스틱 패키지는 리드스위치에 사용되는 유리 패키지보다 작은 크기와 높은 견고성을 자랑한다. 더 작은 제품을 제조할 수 있음은 물론, 설치 시 파손을 줄이며, 충격 및 진동이 발생하는 응용사례에서도 제대로 작동할 수 있게 한다.
하니웰S&C(Sensing and Control) 사업부 수석 마케팅 매니저 조쉬 에드버그는 “MR센서를 사용함으로써 기계적 리드스위치 및 홀 효과 센서의 제약에서 보다 자유로워질 수 있다”며, “MR센서는 산업과 의료 그리고 가전제품 분야에 대한 저 비용은 물론 효율적인 솔루션을 제공하며 많은 제품의 설계 및 제조 방식을 변화시키고 있고, 앞으로도 그럴 것”이라고 밝혔다.