"물체의 3차원 위치측정, 3D 홀 센서가 가장 적합해"

2020.08.26 11:45by 이수민 기자

자동차, C.A.S.E 트렌드에 센서 집합체로 변모
자기 센서, 비접촉으로 물체 변위 측정 가능
인피니언 3D 홀 센서, 저전력 기능 다수 탑재

자기(磁氣)는 전하에 의해 발생하는 물질들이 서로 끌어당기거나 밀어내는 현상이다. 보이진 않지만, 우리는 자기를 띠는 자석을 주변에서 쉽게 접할 수 있으며, 세기도 어렵지 않게 측정할 수 있다. 지구 자체가 이미 거대한 자석이다.

자동차를 포함한 다양한 산업에서 자동화, 원격 제어, 예지보전 등을 접목하는 사례가 현저히 늘면서 물체의 움직임과 위치를 측정하는 센서의 활용이 두드러지고 있다. 그러면서 자기 센서의 채택도 늘어나고 있다.

자기 센서는 물체의 위치와 움직임을 측정하는 데 유용하며, 그중에서도 3차원(3D) 홀 센서는 복잡한 움직임을 파악하는 것에 최적이며, 설치 위치 제약도 덜해 활용도가 높다고 할 수 있다.

▲ 인피니언 코리아 박주일 상무 [사진=이수민 기자]

인피니언 테크놀로지스 코리아에서 자동차용 센서 반도체 부분을 담당하고 있는 박주일 상무를 만나 자기 센서의 특징과 활용성, 향후 전망 등에 관해 물었다.

Q. 자동차에 반도체가 탑재되는 비율이 높아지고 있습니다. 특히 운전자의 안전과 편의를 위한 센서들이 많이 탑재되고 있는데요. 최근 차량용 센서 시장의 트렌드는 어떻습니까?
A. 최근 자동차는 기존과 다른 개념의 자동차로 변화하고 있습니다. 자동차 기술 변화의 물결은 크게 4가지로 나누어 볼 수 있는데, 흔히들 ‘C.A.S.E’라고 줄여 부르는 연결(Connectivity), 자율주행(Autonomous), 공유/구독(Sharing/Subscription), 전기구동(Electrified powertrain)이 그것입니다.

새로운 트렌드는 자동차 부품시장에 새로운 요구사항과 기능을 요구하고 있습니다. 이에 부합하기 위해서는 다양한 센서를 많이 사용해야 하므로 센서의 중요성과 시장 크기는 날로 증가하고 있습니다.

자율주행 쪽에서 레벨 3 자율주행 기능을 구현하기 위해 레이더, 라이다, 카메라 센서의 채택 비율이 올라가고 있습니다. 또한, 자동차 외부 소리를 감지하기 위해 기존에는 요구되지 않았던 MEMS 소리 감지 센서도 새롭게 채택되는 추세입니다. 앞으로 자동차는 움직이는 센서 집합체가 될 것입니다.

4가지 변화의 물결로 인해 오히려 시장에서 입지가 줄고 있는 센서도 있습니다. 내연기관에 적용되는 MAP, 크랭크각, 캠각 센서 등은 강화되는 환경규제에 따라 전기차 보급이 확대되며 입지가 줄어들 것으로 예상됩니다.

전기차 시장의 확대로 자기 센서는 모터 등지에서 로터 위치 및 전류 센서로 활용될 것이며, 압력 센서는 배터리 모니터링등의 애플리케이션으로 전이될 것으로 예상됩니다. 그 외에도 수소차 시장의 성장과 함께 수소 센서 시장도 성장할 것으로 전망됩니다.

Q. 센서의 종류가 다양한데, 그중 자기장을 감지하는 자기 센서의 원리는 무엇이고, 어떤 애플리케이션에 주로 사용됩니까?
A. 현재 상용화된 자기 센서는 홀 효과(Hall effect)를 사용하는 방식과 자기저항(Magnetoresistive; MR) 효과를 사용하는 방식으로 나뉩니다. MR 방식은 또한 구현 원리에 따라 AMR, GMR, TMR 방식으로 나뉩니다.

지금까지 이 모든 방식이 공존하는 이유는 자기 센서 측정원리에 따라 장단점이 존재하기 때문입니다. MR 방식의 경우에는 고감도 실현에 유리하지만, 자기측정 범위에 제약이 있습니다. 하지만 홀 효과 방식은 자기 측정범위에서 상대적으로 자유롭습니다.

인류는 아주 오래전 나침반부터 시작해서 자기 센서를 다양한 분야에 사용하고 있습니다. 자기 센서 수요는 지속해서 증가할 것으로 예측됩니다. 자기장은 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 물리량이기 때문입니다. 또한, 접촉하지 않고서도 기계적 변위를 측정할 수 있어서 내구성과 신뢰도가 높아 자동차를 포함한 산업 전반에서 활용되고 있습니다.

Q. 자기 센서 중 홀 효과를 이용하는 홀 센서는 어떤 센서이며, 3D 홀 센서와 홀 센서의 차이점은 무엇입니까?
A. 홀 센서는 자석의 접근 여부를 판단하는 홀 스위치 센서, 외부 인가되는 자기장을 연속적으로 측정하는 리니어 홀 센서 등에 활용됩니다.

우리가 실제 세상에서 접하는 자기장은 3차원 벡터입니다. 즉 직교좌표계 기준으로 x축, y축, z축 성분으로 자기장 벡터 성분을 분해할 수 있습니다. 기존 리니어 홀 센서는 홀 플레이트 표면과 수직인 성분의 자기장 성분만 측정할 수 있습니다. 따라서 1차원(1D) 자기 센서라 부릅니다.

3D 홀 센서는 1D 리니어 홀 센서를 x, y, z축 방향으로 각각 한 개씩 위치시킨, 즉 3개의 1D 리니어 홀 센서를 하나로 구현한 센서입니다. 따라서 3D 홀 센서는 인가되는 자기장의 3차원 벡터를 측정할 수 있습니다.

Q. 3D 홀 센서가 각종 애플리케이션에서 유용할 것이라 보시는 이유는 무엇입니까?
A. 자기 센서는 물체의 변위를 비접촉으로 측정하기 위해서 쓰입니다. 하지만 물체의 변위는 애플리케이션마다 다릅니다. 직선운동, 회전운동, 직선과 회전이 결합한 운동 등을 할 수 있는데, 복잡하고 복합적인 운동일수록 자유도가 더 높습니다.

3D 홀 센서는 자유도가 높은 운동의 변위 측정에 적합합니다. 자유도가 높은 운동의 변위를 파악하기 위해서는 많은 정보가 필요하기 때문입니다. 특정 지점에 자석의 변위로 인한 자기장이 줄 수 있는 최대 정보는 3차원 자기벡터입니다. 3D 홀 센서는 이러한 3차원 자기 정보를 모두 획득할 수 있습니다.

1D 홀 센서는 1D 리니어 홀 플레이트와 수직 방향으로 자석을 변위시키면 자석의 직선 변위를 측정할 수 있습니다. 하지만 2차원 변위(x, y)를 가지는 자석의 운동을 측정하기는 어렵습니다. 측정된 하나의 자기량에 여러 위치가 매핑되어 측정된 자기량과 변위 간의 1:1 대응이 되지 않기 때문입니다.

3D 홀 센서는 측정된 3차원 자기장과 다양한 위치를 1:1 대응시킬 수 있습니다. 이것은 자석의 위치 변위로 인한 자기장을 측정함으로써 역으로 위치 벡터의 변위를 계산할 수 있다는 뜻입니다. 수학적으로 1:1 대응 함수의 경우에는 역함수가 항상 존재하기 때문입니다.

1D, 2차원(2D) 자기 센서의 복합체인 3D 홀 센서는 두 센서보다 자유도가 높은 움직임을 쉽게 측정할 수 있고, 센서 위치선정 자유도도 높아 기구적인 설계에 구속 조건이 많은 애플리케이션에 적합합니다.

더 나아가 센서에 인가되는 모든 3차원 자기장 벡터 정보를 획득할 수 있어서 위치측정과 동시에 정상적이지 않은 자기장 벡터를 측정한 경우, 고장진단과 같은 부가적인 기능 및 서비스를 수행할 수 있다는 장점이 있습니다.

Q. 인피니언의 3D 홀 센서 제품군의 타사 제품 대비 강점은 무엇입니까?
A. 인피니언의 3D 홀 센서 제품군은 소비자부터 자동차까지 폭넓은 애플리케이션 영역을 지원합니다. 또한, 모바일 애플리케이션에 적합하도록 설계된 WLP(Wafer level package)도 지원합니다.

기능적인 특징으로는 초저저력을 지원합니다. 대기상태에서 7nA 수준의 전류만 소비하며, 자기장 측정 시 1ms 미만의 순간에만 3.4mA 정도만 소비하기 때문에 저전력 구현이 가능합니다. 가령 100Hz마다 지속적인 측정을 할 경우, 평균 소비 전류는 수십 uA 수준입니다.

또한, 시스템 레벨에서의 저전력 구현을 위해 웨이크업(Wake-up) 기능을 지원합니다. 인피니언의 3D 홀 센서는 호스트 시스템이 저전력 모드나 대기상태일 때 정해진 주기마다 스스로 자기장을 측정하다 움직임 이벤트가 감지되면 호스트 시스템에 인터럽트로 이벤트를 알립니다.

애플리케이션 운용 편의성을 위해 다양한 측정 모드도 지원합니다. 가령 센서 스스로 자기장을 지정 가능한 주기마다 측정하고, 측정이 완료되면 호스트 MCU에 인터럽트로 측정 완료 신호를 보낼 수도 있습니다. 또한, 호스트 MCU는 필요할 때마다 센서에 자기장 측정을 요청할 수도 있습니다.

더불어 I2C 통신을 지원하므로 최대 4개의 센서를 하나의 버스에 연결하여 사용할 수 있습니다. 즉 MCU 포트 확장 없이 최대 4개의 센서를 동시에 사용할 수 있다는 것입니다.

자체 온도 센서를 내장하고 있어 주변 온도 변화에 따른 자기장의 온도 보상을 애플리케이션에서 구현할 수 있게끔 합니다. 또한, 자동차의 고신뢰성 애플리케이션을 위해 자체 고장진단 정보도 제공합니다.

3D 홀 센서는 다양한 형태의 운동 변위를 측정하는데, 만약 자기장 벡터 정보를 센서에 내장된 DSP에 이미 지정된 연산으로 가공하면 애플리케이션의 자유도가 하락하고 추가 DSP 내장으로 가격도 오릅니다.

반면, 인피니언의 3D 홀 센서는 내부 구조가 단순하고 부가적인 연산을 MCU가 처리하므로 사용자의 설계 및 응용 자유도가 높고, 가격이 낮으며, 신뢰성이 높습니다.

Q. 자기 센서를 탑재한 애플리케이션을 보다 빨리 개발하기 위해 고객이 갖춰야 할 환경이나 역량이 무엇이라 생각하십니까?
A. 자기 센서를 활용하여 물체 변위를 측정하기 위해서는 가장 최적화된 자기회로 설계가 필수입니다. 자기회로라고 함은 측정하고자 물체 변위와 측정되는 자기장과의 관계를 설계하는 것을 의미합니다. 이러한 자기회로의 설계는 자기 센서 애플리케이션 핵심 역량입니다.

그 이유는 많은 위치 센서들의 경쟁력과 차별화는 애플리케이션에 최적화된 자기회로 선정과 자기 정보를 처리하는 알고리즘 부분에 많이 의존하기 때문입니다. 최적의 자기회로 선정은 시스템 레벨에서의 가격구성과 성능, 신뢰성에도 많은 영향을 미칩니다.

이 영역은 반도체 개발 영역이기보다 애플리케이션 개발자의 핵심 아이디어가 빛을 발하는 영역입니다. 자기회로와 센서 및 알고리즘 선정 이후에는 그에 알맞은 하드웨어 및 소프트웨어 설계가 뒤따릅니다.

따라서 자기회로 설계를 뒷받침해 줄 부가적인 역량으로 자기장을 계산하기 위한 시뮬레이션 툴의 활용력이 필요합니다. 기존에 보편적으로 널리 쓰이는 자기회로와 알고리즘을 다시 사용하면 시뮬레이션 툴은 없어도 되지 않을까요? 대체로 그렇지 않습니다.

기존 자기회로 콘셉트를 사용한다고 하더라도, 애플리케이션의 구속 조건에 따라 최적화가 필요하므로 자기회로 시뮬레이션의 활용은 자기 센서 애플리케이션 개발에 있어서 여러모로 중요합니다. 더욱이 3D 홀 센서는 자기회로의 설계 자유도가 높아 복잡한 운동을 측정할 경우, 시뮬레이션의 중요도와 비중이 다른 자기 센서보다 높습니다.

Q. 향후 자기 센서 시장에서 인피니언의 목표와 계획은 무엇입니까?
A. 인피니언은 고객의 관점에서, 또한, 자기 센서를 포함한 애플리케이션의 견지에서 P2S(Product to System) 기반의 서비스 제공을 지향합니다.

인피니언은 자기 센서 활용 아이디어를 고객과 공유하고 있으며, 고객과 시장의 피드백을 즉각 수용하고 있습니다. 더 나아가 이러한 협업을 기반으로 자기 센서 기술을 선도하는 반도체 공급자가 되고자 노력하고 있습니다.

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