자기센서, 어디까지 왔나
자기센서, 어디까지 왔나
  • 신현성 기자
  • 승인 2018.10.02 14:15
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리드스위치·홀 센서 잇는 진화 … 새로운 세대 열다

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.

현재 많은 응용분야에서 시스템의 평균 전류를 500㎁ 이하까지 감소시키기 위해 시스템 전원을 켜고 끄는 외부 시계 또는 전기회로망을 사용하여 전자 센서를 전력 순화시키는 설계를 채택하고 있다. 나노파워 자기저항센서 IC는 전력을 내부적으로 순환시키는 시계를 사용하기 때문에 단순한 기기 설계를 실현한다.
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
리드스위치는 최대 10암페어횟수(AT)에 도달할 수 있다. 이때 자석 양극은 스위치 바로 위에서 약 10G에 달한다. 스위치를 구동하는 데에 전력이 소모되지 않으며 감도가 높은 리드스위치는 수도계량기 및 보안시스템과 같이 고 감도를 요하는 배터리식 적용 분야에서 효과적이다. 
 
하지만 리드스위치는 유연한 금속 리드로 구성되어 일반적으로 유리 캡슐 안에 포장되어 있다. 따라서 설치과정 중 리드를 구부릴 때, 혹은 큰 충격 및 진동으로 인해 장치가 파손될 위험이 있다. 또한 10AT 리드스위치는 적용 분야에 비해 상대적으로 크기가 큰 경우도 있으며, 기본적으로 기계식 스위치로 구성되어있어 시간이 지남에 따라 마모를 겪게 된다. 

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.

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