진화를 거듭하는 자기센서 기술
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진화를 거듭하는 자기센서 기술
  • 온라인팀
  • 승인 2014.12.08 10:28
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“Switch your switch!”

기술이 점차 발달하면서 배터리식 적용분야에 필요한 자기(magnetic) 센서가 거듭 진화하고 있다. 컴팩트한 사이즈 및 보다 낮은 전력 소비량, 높은 감도를 제공하는 자기센서는 설계 엔지니어들이 보다 광범위한 선택을 가능하도록 했다. 하니웰(www.honeywell.co.kr) 제어기기사업부(Sensing & Control) 수석 마케팅 매니저인 조쉬 에드버그(Josh Edberg)로부터 끊임없이 진화하고 있는 자기센서의 변화에 대해 알아봤다.

자료제공 : 강명숙 / 제어기기사업부(Sensing and Control) 한국하니웰(주) / www.honeywell.co.kr

리드스위치, 홀 이펙트, 자기저항센서 등
배터리식 적용 센싱 기술 총정리

리드스위치(Reed Switch)

설계 엔지니어들은 수십 년 간 저전력 배터리식 기기에 리드스위치를 사용해왔다. 유리 캡슐 또는 튜브 안에 밀폐되어 있는 2개의 강자성 리드로 구성된 리드스위치는 자석이 스위치의 범위로 들어올 때, 접촉부가 닫히면서 스위칭 기능이 작동된다. 이런 기계식 리드스위치는 저전력 소비, 높은 감도, 저비용 등 많은 이점을 제공한다. 또한 이를 대체할 기술적 대안이 존재하지 않았기 때문에 가전제품, 계량기, 보안 기기, 의료 장비, 로봇 및 자동화 장비 등 특히 저전력 응용분야에서 많은 설계자들의 사랑을 받아왔다.

하지만 리드스위치는 제조 과정 및 충격, 진동이 발생하는 과정에서 종종 파손이 발생하며 안전성의 문제가 대두되고 있다. 이외에도 기계식 스위치로서의 한정된 수명, 크기도 리드스위치가 가진 단점에 포함된다.

▲ 그림 1. 홀 이펙트 센서

홀 이펙트 센서(Hall-effect sensor)

설계자들이 보다 높은 안정성 및 성능의 스위칭을 지속적으로 요구하는 동시에 홀 이펙트 기술이 개선되면서, 홀 이펙트 센서가 휴대폰, 랩탑, 백색 가전과 같은 일부 배터리식 적용분야에서 리드스위치를 대체하기 시작했다. 홀 이펙트 센서는 리드스위치와 같이 자석이 기기 감지 범위 내로 들어올 때 작동된다.

이 센서의 가장 큰 장점 중 하나는 고체 센서로, 마모 충격 및 진동에 강하다는 것이다. 또한 고체 센서 내에는 움직이는 부품이 없기 때문에 기기가 켜지고 꺼질 때 스위치 접촉부가 튕기는 ‘바운스’ 현상도 없다. 즉, 홀 이펙트 센서는 리드스위치보다 튼튼하며 보다 작은 크기로 동일한 적용 분야에 매우 적합하다.

이러한 장점에도 불구하고 홀 이펙트 센서는 많은 분야에서 리드스위치를 대체하지 못하고 있다. 많은 배터리식 기기에서 요구하는 저전력 소비 및 고감도 등의 사항을 충족시키지 못하기 때문이다.

▲ 그림 2. 홀 이펙트 센서와 자기저항센서

자기저항센서(Magnetoresistive Sensor)의 등장

최근 회로 설계의 발전으로 리드스위치를 대체할만한 컴팩트한 크기, 품질 및 내구성 증가, 배터리 수명 최대화를 실현시킬 수 있는 자기저항센서(MR센서)가 등장했다. 500나노 암페어(nA) 이하 범위의 전력 소비를 제공하면서 리드스위치와 동일한 가격대에서 높은 감도를 제공할 수 있는 새로운 MR 기술이 나타난 것이다.

MR센서는 홀 이펙트 센서처럼 고체 상태의 자기 센서이다. 이 두 가지 센서의 차이점은 홀 이펙트 센서처럼 수직이 아닌, 센싱 물체와 평행방향으로 자기 감지가 이루어지며, 이는 일반적으로 감도가 더욱 뛰어나다고 알려져 있다. 이러한 특성으로 MR센서는 사실상 모든 배터리식 제품에 사용될 수 있다.

▲ 그림 3. 자기저항센서

한국하니웰, 나노파워 자기저항센서 IC

특히 한국하니웰이 업계 최초로 출시한 나노파워 시리즈 자기저항센서 IC 는 큰 공극, 작은 자기장 및 낮은 전력을 필요로 하는 다양한 분야에 활용할 수 있도록 설계된 초고감도 센서이다. 나노파워 시리즈는 자기 감도 유형에 따라 두 가지로 분류할 수 있는데, 초고감도 SM351LT 및 고감도 SM353LT는 1.8Vdc에서 각각 360nA, 310nA만을 소모한다. 이 센서는 초소형 SOT-23 실장 패키지로 제공되며, 작동 온도는 -40°C에서 85°C이다. 또한 대부분의 배터리 방식 제품에 뛰어난 성능을 보이는 스위치 제품이다.


홀 이펙트 센서 VS 한국하니웰 나노파워 자기저항센서 IC

기존의 홀(hall) 센서와 비교해봤을 때, 하니웰의 나노시리즈 자기저항센서 IC는 저전력 소비, 시스템 비용 절감, 고감도, 더욱 간편한 설치 및 시스템 디자인 등 매우 독특한 특징을 가지고 있다.

▶저전력 소비

많은 배터리식 기기의 경우, 전력 소모 문제는 가장 큰 관심사 중 하나이다. 일반 310nA 및360nA으로 출시된 하니웰 자기저항센서는 현재 사용하는 홀 이펙트 센서 중 가장 성능이 뛰어난 제품과 비교했을 때, 1/16 수준에 이르는 전력만을 소비한다. 이러한 기술은 설계 엔지니어들이 배터리 수명을 절약하거나 동일한 전력 소비 수준에서 추가적인 저전력 기술을 사용할 수 있게 한다.

현재 많은 응용분야에서는 시스템의 평균 전류를 500nA이하까지 감소시키기 위해 시스템 전원을 켜고 끄는 외부 시계 또는 전기회로망을 사용하여 전자 센서를 전력 순화시키는 디자인이 채택되고 있다. 나노파워 자기저항센서 IC는 전력을 내부적으로 순환시키는 시계를 사용하기 때문에 단순한 기기 설계를 가능하다.

제조사들은 특정 분야의 요구를 맞추기 위해 설계를 미세하게 조정할 수도 있는데, 이는 센서가 가진 2개 이상의 특징을 조금 절충함으로써 가능하다. 가장 일반적인 경우는 전력 소비량에 견주어 감도를 조절하는 것이다. 예를 들어 하니웰의 SM351LT는 초고도 자기 감도(일반 작동시 7 가우스(G), 최대 작동시 11G) 및 매우 낮은 전류 소비(일반 작동시 360nA)를 요하는 응용 분야에 적합하게 설계되었다. 이보다 약간 낮은 수준의 자기저항성(일반 작동시 14 가우스(G) 및 최대시 20G)을 요하는 응용 분야의 경우, SM353LT는 더 낮은 전력 소비(일반 작동시 310A)를 제공할 수 있다.

▶시스템 비용 절감

에너지 절감 효과뿐만 아니라, 나노파워 자기저항센서는 CMOS 출력 회로를 사용하여 외부 풀업 저항기가 필요 없다. MR 센서는 또한 홀 이펙트 기기에서 흔히 쓰이는 초퍼 회로(chopper circuit)가 생성하는 전자 소음 여과를 위한 별도의 구성요소를 필요로 하지 않는다. 이 때문에 센서 조립체의 물리적 공간이 줄어들게 되어 공간의 제약이 있는 분야에서 더욱 용이하다. 또한제조사들은 줄어든 부품수로 인해 더욱 간편해진 조립 공정, 향상된 신뢰성 및 솔루션 비용 절감 등의 이점을 누릴 수 있다.

▲ 그림 4. 내부 전원 순환용 시계를 사용하는 하니웰 SM351LT MR 센서의 회로도
▶고감도

나노파워 자기저항센서IC는 홀 이펙트 센서보다 더욱 향상된 감도를 제공한다. 일반 동작시 7G 및14G에서 이 센서들은 현재 상용되는 홀 센서 제품에 비해 2배 이상 먼 거리에서 동일한 자석을 감지할 수 있다. 이는 직접적으로 시스템 비용과 연결되는데 설계자들이 시스템에 더욱 작은 크기의 자석 또는 서로 다른 재질로 만들어진 자석을 사용할 수 있게 한다. 이는 희토류 자석의 가격이 공급 부족으로 인해 대폭 상승하고 있는 현 시점에서 더욱 큰 의미가 있다 할 수 있다.

또한 고감도의 MR센서를 사용할 경우, 자기성 목표물과 센서 사이의 넓은 공극을 가질 수 있으므로, 설계측면에서 더욱 뛰어난 유연성을 제공한다. 이는 설치 공간이 한정되어 있거나 센서의 위치가 감지 대상으로부터 몇 밀리미터 이상 떨어져있는 것이 많은 분야에서 유용한 기능이다.

▶간편한 설치 및 시스템 디자인

나노파워 자기저항센서IC의 옴니폴라(omnipolar) 특성은 더욱 간단한 설치를 가능하게 하며 적용 시 품질 문제를 초래할 수 있는 제조 단계를 더욱 축소시킬 수 있다. 유니폴라 홀 센서와 달리, MR 센서는 자석의 양극 중 하나에 반응하기 때문에 자석의 극성을 확인하기 위한 센서 설치 이전 단계가 필요 없다. 이외에도 자석을 잘못 배치하여 생기는 문제점을 감소시킬 수 있으며, 제조 시 필요한 공정을 축소시킨다.

시스템 설계는 설계 엔지니어들이 항상 갖고 있는 고민거리이므로 이를 최소화하기 위해 반드시 자석 강도의 편차, 제조 과정에서의 센서 및 자석의 배치, 센서의 감도 편차 등을 고려해야 한다. 하니웰의 나노파워 자기저항센서IC는 ±15G 정도인 다른 고감도 홀 이펙트 센서에 비해 낮은 감도 편차를 제공함으로써 이러한 문제에 도움을 줄 수 있다. SM351LT는 일반 동작시 7G(± 4G 최소/최대), SM353LT는 일반 동작시 14G (-8G 최소, +6G 최대)의 감도를 제공한다.

리드스위치 VS 한국하니웰 나노파워센서 IC

리드스위치는 최대 10 암페어 횟수(AT)에 도달할 수 있으며 이는 자석 양극이 스위치 바로 위에서 약 10G에 해당한다. 스위치를 구동하기 위해 전력이 소모되지 않는다는 점과 함께 높은 감도는 수도 계량기 및 보안 시스템과 같이 고감도를 요하는 배터리식 적용 분야에서 매우 효과적이다.

반면, 유연한 금속 리드로 구성되어 일반적으로 유리 캡슐 안에 포장되어 있는 리드스위치는 설치과정 중 리드를 구부릴 때 또는 큰 충격 및 진동으로 발생하는 파손은 가장 많이 발생하는 문제 중 하나이다. 10AT 리드스위치는 또한 적용 분야에 비해 상대적으로 크기가 클 수 있으며 기계식 스위치로서 시간이 지남에 따라 마모를 겪게 된다.

▶저전력 소비ㆍ고감도

나노파워 자기저항센서 SM351LT는 엔지니어들에게 배터리식 제품에 리드스위치 대신 사용할 수 있는 대안을 제시하기 위해 개발되었다. 평균 7G, 최대 11G의 감도는 가장 뛰어난 리드스위치와 동일하거나 더 먼 거리에서 목표 자석을 감지할 수 있게 한다. 또한 평균 360nA의 센서 소비 전력은 수도 및 가스 계량기를 포함한 가장 전력에 민감한 배터리식 제품에도 사용할 수 있다.

▶솔리드 스테이트 설계를 통한 마모 개선

높은 감도 및 나노파워 뿐 아니라 하니웰의 SM351LT 자기저항센서 IC는 고체 스위치로, 내부에 기계적인 부품이 없으며, 이는 센서가 마모되지 않음을 의미한다.

▶견고한 플라스틱 패키지를 통한 크기 개선 및 내구성 향상

업계 표준인 SOT-23 플라스틱 패키지는 또한 리드스위치에 사용되는 유리 패키징보다 크기는 더욱 작으면서 더욱 높은 견고성을 제공한다. 이는 더 작은 제품을 제조하고, 설치 시 파손 발생을 줄이고 충격 및 진동이 발생하는 적용 분야에서도 제대로 작동할 수 있게 한다.


한국하니웰 나노파워센서 IC의 적용 가능 분야

▶가스, 수도 및 전기 계량기(변조 방지(anti-tamper) 스위치): 미터 계수 기능을 늦추거나 정지시킬 경우, 센서가 큰 외부 자석을 포함한 계량기에 적용된 자기장의 존재 검출한다. 낮은 작동 전력은 긴 배터리 수명을 가능하게 하는 반면 높은 감도는 더욱 넓은 범위 감지 가능하다.

▶가스 및 수도 계량기(계수): 유량 감지를 위한 계수 기기로 사용되며, 나노파워센서는 일반적으로 7년에서 10년 이상의 긴 배터리 수명을 가능하게 한다.

▶시큐리티 센서의 창호 위치: 문 또는 창문이 열리거나 닫혀있을 때를 감지하여 신호를 무선 모듈로 전송하는 이 모듈은 해당 신호를 중앙 제어부로 전달해 처리한다.

▶빌딩 내 화재 탐지기: 빌딩의 화재 탐지기에 사용된 백업 배터리가 정상적으로 작용하는지 확인하기 위한 테스트 스위치로 사용된다.

▶백색 가전 제품: 냉장고, 전자레인지, 세탁기, 건조기, 자동 세척 오븐 및 문/뚜껑 잠금 탐지를 위한 위치 센서를 필요로 하는 기타 가전 제품에서 문/뚜껑 잠금 상태 감지하는데 사용된다.

▶의료 시스템: MR 센서의 고감도성 및 초저전력 사용은 주입 펌프의 카트리지 검출과 같은 배터리 식 의료 장비에 적합하다.

▶소형 및 이동형 기기: MR 센서의 초저전력 소비 및 작은 크기는 절전을 위해 제품을 휴면 모드로 전환을 위한 뚜껑 감지 기능을 사용하는 배터리식 가전제품에 적합하다.

하니웰 S&C(Sensing and Control) 사업부 수석 마케팅 매니저 조쉬 에드버그(Josh Edberg)는 “설계자들은 MR센서를 사용함으로써 기계적 리드스위치 및 홀 이펙트 센서의 제약에서 보다 자유로워질 수 있다”며, “MR센서는 산업, 의료 및 가전 제품 분야에 대한 비용은 물론 효율적인 솔루션을 제공하며 많은 제품의 설계 및 제조 방식을 변화시키고 있고, 앞으로도 그럴 것”이라고 밝혔다.

하니웰 S&C사업부 수석 마케팅 매니저, 조쉬 에드버그(Josh Edberg)가 제시하는
나노파워 자기저항센서, 리드스위치를 대체할 ‘혁신 4가지 기술’

배터리 탑재형 제품의 자기저항(MR) 센서 분야에서 큰 변화가 일어나고 있다. 그동안 설계 엔지니어들은 가정용 및 산업용 기기, 컴퓨터, 핸드폰, 전동공구 등 다양한 제품에 적용되는 센서 분야에서 대부분 리드스위치를 사용해 왔지만, 이보다 더욱 진보된 기술의 MR센서가 등장하면서 MR 센서에 대한 관심이 증폭되고 있다.

최근 초절전ㆍ고효율의 MR 센서를 개발, 엔지니어들에게 소개하고 있는 하니웰의 S&C(Sensing and Control)사업부 수석 마케팅 매니저인 조쉬 에드버그(Josh Edberg)는 배터리식 가전기기에서 기존 리드스위치(Reed Switch)를 MR센서로 교체 해야 하는 이유로 4가지 근거를 제시, 관심을 받고 있다. 기계식 리드스위치에 비해 MR센서는 ▲높은 감도 ▲저전력소비 ▲작은 크기 ▲솔리드 스테이트 스위칭 등 4가지 이유로 장점을 들고 있다.

첫째, 배터리식 장비는 높은 감도를 필요로 한다

고감도 자기 센서는 제조사들이 더욱 작거나 더욱 강력한 자석을 사용할 수 있게 하여, 비용 절감 및 소형 설계를 가능하게 했다. 이는 희토류 자석의 가격이 상당히 높아짐에 따라 지난 몇 년간 큰 이슈가 되어왔다. 또 다른 장점은 더욱 넓은 공극으로 설계자들이 센서를 자석에서 더욱 멀리 떨어뜨리면서도 안정성을 유지할 수 있게 함으로써 뛰어난 설계 유연성을 제공한다는 것이다.

MR센서는 홀 이펙트 센서처럼 고체 상태의 자기 센서이다. 이 두 가지 센서의 차이점은 홀 이펙트 센서처럼 수직이 아닌, 센싱 물체와 평행방향으로 자기 감지가 이루어지며, 이는 일반적으로 감도가 더욱 뛰어나다고 알려져 있다.

둘째, 배터리식 장비는 극도의 낮은 전력 소모를 필요로 한다

배터리식 기기에 사용되는 리드스위치의 주요 장점 중 하나는 작동을 위한 전력이 필요하지 않다는 점이다. 이러한 기술은 배터리식 장비에서 매우 이상적이다. 2000년대 초까지 자기 센서는 모두 밀리암페어 범위의 전력을 사용, 어떠한 저전력 소비 적용 분야에서도 고려 대상이 아니었다. 이때 전기 엔지니어들이 CMOS 기술을 사용하기 시작하면서 자기 센서 설계자들이 기기 내에 내부 시계를 추가하여 휴면/활성 모드를 통해 센서의 전력 소비량을 낮출 수 있게 되었다.

셋째, 크기 또한 중요한 이슈이다

리드스위치의 상대적으로 큰 크기는 제품 소형화에 있어 어려움을 초래한다. 리드스위치와 동일한 감도를 제공하는 신형 자기저항센서를 비교했을 때, 리드스위치는 2.9 mm x 2.8 mm x 1.45 mm 크기로 SOT-23 패키지보다 훨씬 크다. 상대적으로 작은 사이즈의 자기저항센서는 소형화 트렌드를 지속할 수 있게 하며 비용 절감 및 새로운 응용 분야를 개발할 수 있는 기회를 제공한다.

넷째, 리드스위치는 여러 단점을 내재하고 있다

리드스위치는 여러 단점을 내재하고 있는데, 이는 ‘접촉부 바운스’로 인한 문제뿐만 아니라 설치 시 충격 또는 진동이 발생하는 기기에 사용되었을 때 파손될 가능성이 있으며, 스위치의 기계적 특성으로 인한 낮은 견고성과 한정된 수명 등을 포함하고 있다. 리드스위치 사용자에게 있어 안정성과 내구성은 큰 장애물이 되고 있다.

리드스위치의 리드(lead)가 회로로 용접될 경우, 구부러지고 스위치의 유리 잠금 장치에 금이 가게 돼 스위치를 무용지물로 만들 수 있다. 사실 이러한 경우처럼 제품 상에 상당한 파손 위험이 있기에 리드스위치 제조사들은 이러한 파손을 줄이기 위해 매우 상세한 설치 지침을 제공하는 경우가 자주 발생한다. 해결책 중 한 가지 방법은 리드스위치를 플라스틱 케이스에 넣는 것이지만 이는 스위치의 비용과 크기를 증가시킨다.

리드스위치는 또한 충격과 진동에 영향을 받고 이는 스위치의 접촉부를 분리시켜 해당 부품의 안정성을 저해하게 된다. 기계식 리드스위치는 시간에 따라 마모되게 된다. 이에 휴대폰 설계 엔지니어들은 처음으로 홀 이펙트 센서를 도입하기 시작하였다. 자기 센서는 움직이는 부품이 없는 솔리드 스테이드 방식이기 때문에 시간이 지나도 마모되지 않는다. 또한 자기 센서는 유리 튜브 또는 잠금장치를 사용하는 리드스위치와는 달리 플라스틱 재질의 패키지로 제공된다.