기술이 점차 발달하면서 배터리식 적용 분야에 필요한 자기(magnetic)센서가 거듭 진화하고 있다.
콤팩트한 사이즈와 보다 낮은 전력 소비량, 높은 감도를 제공하는 자기센서는 설계 엔지니어들이 보다
광범위한 선택을 가능하게 했다. 끊임없이 진화하고 있는 자기센서의 변화를 알아본다.

리드스위치
 
설계 엔지니어들은 수십 년간 저전력 배터리식 기기에 리드스위치(Reed Switch)를 사용해왔다. 유리 캡슐 또는 튜브 안에 밀폐된 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, 보안기기, 의료 장비, 로봇 및 자동화 장비 등 특히 저전력 응용 분야에서 많은 설계자의 사랑을 받아왔다.
하지만 리드스위치는 제조 과정 및 충격, 진동이 발생하는 과정에서 종종 파손이 발생하며 안전성 문제가 대두되고 있다. 이외에도 기계식 스위치로서의 한정된 수명, 크기도 리드스위치가 가진 단점이다.

그림 1. 홀 이펙트 센서 ‘SL353LT’
 

홀 이펙트 센서
 
설계자들이 보다 높은 안정성 및 성능의 스위칭을 지속적으로 요구하는 동시에 홀 이펙트 기술이 개선되면서, 홀 이펙트 센서가 휴대폰, 랩탑, 백색 가전과 같은 일부 배터리식 적용 분야에서 리드스위치를 대체하기 시작했다. 홀 이펙트 센서(Hall-effect sensor)는 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 센서(좌)와 자기저항센서

 
자기저항센서의 등장
 
최근 회로 설계의 발전으로 리드스위치를 대체할만한 콤팩트한 크기, 품질 및 내구성 증가, 배터리 수명 최대화를 실현시킬 수 있는 자기저항센서(MR센서)가 등장했다. 500나노암페어(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 자기센서이다. 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 사용할 수 있다.
특히, 한국하니웰이 업계 최초로 출시한 나노파워 시리즈 자기저항센서 IC는 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℃에서 85℃이다. 또한, 대부분 배터리 방식 제품보다 뛰어난 성능을 보이는 스위치 제품이다. 
 
홀 이펙트 센서 vs 한국하니웰 나노파워센서 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.

1. 저전력 소비
많은 배터리식 기기의 경우, 전력 소모 문제는 가장 큰 관심사 중 하나이다. 일반 310nA 및 360nA으로 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 응용 분야에서는 시스템의 평균 전류를 500nA 이하까지 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 작동 시 7가우스(G), 최대 작동 시 11G) 및 매우 낮은 전류 소비(일반 작동 시 360nA)를 요하는 응용 분야에 적합하게 설계되었다. 이보다 약간 낮은 수준의 자기저항성(일반 작동 시 14G 및 최대 시 20G)을 요하는 응용 분야의 경우, SM353LT는 더 낮은 전력 소비(일반 작동 시 310A)를 제공할 수 있다.

2. 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.
또한, 제조사들은 줄어든 부품 수로 인해 더욱 간편해진 조립 공정, 향상된 신뢰성 및 솔루션 비용 절감 등의 이점을 누릴 수 있다.

그림 3. 한국하니웰 나노파워 자기저항센서 IC

3. 고감도
나노파워 자기저항센서 IC는 홀 이펙트 센서보다 더욱 향상된 감도를 제공한다. 일반 동작 시 7G 및 14G에서 이 센서들은 현재 상용되는 홀 센서 제품보다 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. 또한 희토류 자석의 가격이 공급 부족으로 인해 대폭 상승하고 있는 현시점에서 더욱 큰 의미가 있다 할 수 있다.
고감도의 MR센서를 사용할 경우, 자기성 목표물과 센서 사이의 넓은 공극을 가질 수 있으므로, 설계 측면에서 더욱 뛰어난 유연성을 제공한다. 이는 설치 공간이 한정되어 있거나 센서의 위치가 감지 대상으로부터 몇 밀리미터 이상 떨어져 있는 것이 많은 분야에서 유용한 기능이다.

4. 간편한 설치와 시스템 디자인
나노파워 자기저항센서 IC의 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 갖는 고민거리이므로 이를 최소화하기 위해 반드시 자석 강도의 편차, 제조 과정에서의 센서 및 자석의 배치, 센서의 감도 편차 등을 고려해야 한다.
하니웰의 나노파워 자기저항센서 IC는 ±15G 정도인 다른 고감도 홀 이펙트 센서보다 낮은 감도 편차를 제공함으로써 이러한 문제에 도움을 줄 수 있다. SM351LT는 일반 동작 시 7G(± 4G 최소/최대), SM353LT는 일반 동작 시 14G(-8G 최소, +6G 최대)의 감도를 제공한다. 
 
‌리드스위치 vs 한국하니웰 나노파워센서 IC
 
리드스위치는 최대 10암페어 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 때나 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.

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

1. 저전력 소비·고감도
나노파워 자기저항센서 SM351LT는 엔지니어들에게 배터리식 제품에 리드스위치 대신 사용할 수 있는 대안을 제시하기 위해 개발됐다. 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 가스계량기를 포함한 가장 전력에 민감한 배터리식 제품에도 사용할 수 있다.
 
2. 솔리드 스테이트 설계를 통한 마모 개선
높은 감도 및 나노파워뿐 아니라 하니웰의 SM351LT 자기저항센서 IC는 고체 스위치로, 내부에 기계적인 부품이 없으며, 이는 센서가 마모되지 않음을 의미한다.
 
3. ‌견고한 플라스틱 패키지를 통한 크기 개선과 내구성 향상
업계 표준인 SOT-23 플라스틱 패키지는 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.

4. 소형화로 응용 분야 개발 기회 제공
리드스위치와 동일한 감도를 제공하는 신형 자기저항센서를 비교했을 때, 리드스위치는 2.9mm×2.8mm×1.45mm 크기로 SOT-23 패키지보다 훨씬 크다. 이러한 크기는 제품 소형화에 어려움을 초래한다. 상대적으로 작은 사이즈의 자기저항센서 IC는 소형화 트렌드를 지속할 수 있게 하며 비용 절감과 새로운 응용 분야를 개발할 기회를 제공한다.

적용 분야
 
하니웰이 새롭게 출시한 나노파워 자기저항센서 IC는 원격 감지기기와 작동 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기타 배터리식 제품 분야의 판세를 바꾸고 있다. 예를 들면, 휴대용 파워툴, 수도 및 가스계량기, 산업용 화재 감지기, 운동 기구, 보안 시스템, 소형 컴퓨터 및 스캐너를 포함한 다양한 배터리식 기기에 사용할 수 있다.
또한, 세척기·전자레인지·세탁기·냉장고·커피머신과 같은 백색가전 및 의료용 침대·약물 분배 캐비닛·주입 펌프와 같은 의료장비, 노트북·태블릿·무선 스피커 등과 같은 소비자용 전자 제품에 사용할 수 있다.

조쉬 에드버그 하니웰 제어기기사업부 수석 마케팅 매니저