Update2024.05.20 (월)
“센서 구동원리에 충실하라”
■ MEMS 기반 센서 중에서 가장 많이 쓰이는 가속도 센서를 설명해 달라.
가속도 센서가 측정하는 것을 정확하게 표현하자면 ‘중력’가속도이다. 지구상에 있는 질량이 있는 물질들은 지표면에 수직한 방향으로 중력이라는 힘을 받기 때문에 질량을 가진 물체를 MEMS 센서 구조체 안에 두고 휨 정도를 통해서 3차원 측정, 즉 X,Y,Z축 방향으로 움직임을 감지해 낼 수 있다.
알다시피 MEMS가 센서에 적용되기 시작한 시기는 1990년대 말 경으로 가속도 센서 자체는 MEMS로 구현하기 이전에도 다양하게 출시가 됐다. 기본이 되는 가속도 센서의 원리를 가장 잘 이해하고 제품에 적용한 사례가 애플의 ‘화면전환’기능이다. 대부분의 기업들은 변위를 측정하거나 전화기를 흔들면 LED 색을 바뀌는 정도 기능에 불과해 소비자들에게 필수 기능으로 어필되지 않았다.
화면전환 기능을 자세히 살펴보면 전화기의 화면이 중력방향으로 위 아래를 유지해 사용자가 화면을 보기 위해서 몸을 틀거나 고개를 돌릴 필요가 없게 만든다. 바닥에 놓여 있는 전화기의 경우 Z축방향으로만 중력가속도가 1이 작용하고 있고, X,Y축 방향으로는 0값을 가르키는 것처럼 말이다.
하지만 개발자들에게 불행히도 사용자들은 전화기를 수직 혹은 수평으로 정확하게 들고 있지 않고, 45° 혹은 30° 정도 기울여 사용하게 된다. 그럴 경우 Z축의 힘은 1보다 작아지고, Y축은 0보다 커지는 힘으로 분산된다. 그것을 통합정보로 인식해 기기의 기울어짐에 따라 화면전환이 일어나도록 하는 것이 화면전환 기술의 핵심이다.
때문에 가속도 센서의 스펙은 4G, 8G, 16G 등의 중력 가속도의 몇배를 인식할 수 있느냐로 정밀도를 가늠하게 된다.
이것을 구조적으로 구현하는 방법은 센서회사들 마다 다를 것이다. ST는 질량 M인 물체가 양쪽에 스프링을 달고 있는 구조로 중력을 측정하는 개념을 차용하고 있다. 간단히 예를 들자면 그림2처럼 수평에서는 양쪽으로 스프링 길이가 같은데, 이것이 90°회전해서 중력방향으로 위치하게 되면 아래쪽 스프링은 짧아지고, 위쪽 스프링은 길어지는 차이를 보인다. 이 형상이 3축에 대해 모두 존재하는 것이 3축 가속도 센서가 된다.
ST는 반도체 회사기 때문에 이 MEMS 센서가 실리콘 기반 반도체 구조물로 제작됐다.
■ 스프링으로 구현됐다면 진동이나 노이즈 등의 제어가 필요할 것 같다
그렇다. -90°에서 0°도, 90°로 기울었을 때의 값을 각각 -1, 0, 1로 볼 때, 움짐임이 심할 때는 이 값이 진동하게 된다. 이런 데이터를 ‘정보’화 하기 위해서는 값을 증폭할 필요도 있고, 걸러내는 작업도 필요하며, 해당하는정보에서는 어떤 움직임을 보이라는 명령어의 입력도 필요한데, 이것이 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)부분에서 처리할 일이다.
■ 반복된 사용에 대한 스프링 피로도로 MEMS가 훼손될 가능성도 있어 보인다
그런 내구성에서 신뢰를 주는 것이 또한 ST가 오랫동안 사랑받는 이유다. MEMS 구조체를 만들 때 질량이 큰 물질로 기준을 잡거나 스프링의 피로도가 1만회에서 발생하면 휴대전화처럼 사용빈도가 높은 전자기기의 칩으로 사용하기가 어려울 것이다. 구조체의 두께, 모양설계, 재료, 가공방법, ASIC, 패키징 등 모든 단계가 센서의 최종 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다.
ST는 새로운 제품군을 출시할 때마다 전화기의 6면 낙하실험, 심지어는 (12선)모서리, (8점)꼭지점 낙하시험을 각 1만회씩 거쳐 신뢰성 테스트를 거친다.
■ 지자계 센서의 원리에 대해서 말해달라
가속도 센서 다음으로 A사가 아웃도어 시장에서 지도를 구현하기 위해서 도입한 것이 지자계 센서이다. 북두칠성을 보고 자신의 현위치를 찾아낼 수 있었던 것처럼, 동서남북의 방향을 알 수 있는 것은 지도나 길찾기 기능에서 빠질 수 없는 것이다. 모두가 알다시피 지구 표면에는 자기장이 형성돼 있어 해당하는 위도에 따라서 나침반이 가리키는 방향은 달라진다.
기본적으로 지자계 센서는 지구 자기장(Earth magnatic field)을 측정하는 센서다. 원리는 만드는 회사마다 MR(magneto resistance), GMR(Giant magneto resistance 거대자기저항), AMR(Anisotro pic Magneto－Resistive, 이방성 자기저항) 등 여러 가지 방식을 차용할 수 있다.
■ 각속도 센서(자이로)에 대해 말해달라.
기본적으로 자이로스코프는 코리올리의 힘을 이용한 것이다. 원점을 기준으로 계에 돌림힘(토크)가 작용하지 않으면 각운동량은 0이된다. 이를 기본으로 회전하는 좌표계 내에서 운동하는 물체의 반지름 변화로 각속도를 측정한다.
이것은 2축까지는 만들기가 쉽다. 같은 구조물을 가지고 x,y축으로 회전성을 구할 수 있기 때문이다. 문제가 3축 자이로를 구성하는 일이다. 디자인을 해내는 일이 매우 어렵고, 이 또한 회사마다 다른다. st의 경우는 하나의 구조체에 3축 자이로 측정이 가능하도록 만드는 방법을 채택하고 있다. 이는 구조별로 장단점이 있을 수 있다고 보는데, 경쟁사의 경우 각 축별로 구조물을 별도로 만들어서 각속도를 측정한다.
공간 절약 면에서는 하나의 구조물에 3축을 넣는게 좋겠지만, 충분히 작은 구조물로 한 축씩 측정할 수 있는 별개의 센서를 만든다면 얘기는 달라진다. 구조적인 문제 보다는 진동 프리퀀시에서 화잿거리가 생긴다.
3축에서 각속도를 측정하기 위해서 신호를 계속 보내게 되는데, x,y,z축별 방향이 다른데, 한 방향에서 가해준 진동으로 3축 센싱을 할 경우 노이즈, 오차를 어떻게 처리할 것인가 하는 문제가 생긴다. st는 이것의 해결이 가능했기 때문에 하나의 구조물에 3축 측정이 가능한 구조를 택했다.
■ 환경센서의 원리에 대해서 설명해 달라.
흔히 환경 센서로 온도와 습도를 측정하는 센서가 있다. 온도나 습도는 가만 생각해 보면 상대적인 수치다. 온도의 기준점을 물이 어는 순간을 0℃로 잡고 끓는 점을 100℃로 두고 100등분을 한것처럼 이들 환경센서는 비교 대상이 필요하다.
그래서 대부분 레퍼런스(기준)가 되는 것과 현재의 환경을 측정하는 지표 두가지로 구성해서 센싱하는 금속이나 물질이 온도에 따라서 휨 정도, 혹은 연성 변형 정도를 측정하는 방법으로 온도센서를 만들게 된다. 마찬가지로 습도 센서도 레퍼런스 물질과 비교해서 부피변화 등을 측정해서 온도를 측정한다. 압력센서도 이와 일맥상통하다.
ST는 반도체 회사기 때문에 별도의 신소재를 사용하지는 않고 실리콘 기반으로 이 모든 센서들을 구성했다. 따라서 구조적인 디자인과 ASIC을 통한 정보 산출 능력 등이 정밀한 센서의 기능을 좌우한다고 본다. 물론 패키징 능력도 무시할 수 없다.
■ 이번 i-SEDEX에 환경센서를 이용한 에너지 하베스팅 기술을 선보였는데 설명해 달라. 全 센서 탑재 키트 선, 응용처 다변화 모색
SPV1050 칩이 별도의 배터리나 구동 전력 없이 센싱을 연속적으로 수행할 수 있도록 KIT를 구성하는데 쓰였다. 초기 미세 전류를 받으면 패널에 붙은 서로 다른 열 전도성과 비열을 갖는 두 금속 사이에 온도차가 발생하고 이 온도차가 다시 전류를 발생시키는 원동력이 된다. 이를 통해 구동하는 온습도 센서로는 HTS221이 쓰였고, 이들은 모두 STM8L052에서 연산된다.
이와 비슷하게 태양에너지를 받아 태양광 패널을 이용해 사용자는 추후 별도의 배터리 교체나 충전을 신경쓰지 않고도 온·습도에 대한 정보를 업데이트 해서 쾌적한 환경을 유지할 수 있는 시스템도 갖춰졌다.
제품 개발시 소비자 ‘편리함’ 고려해야
마찬가지로 태양에너지를 바로 전류로 변환하는 포토다이오드를 쓴다던지 센서가 구동되는데는 매우 미미한 전류가 필요하므로, 자가발전을 위해서는 그리 큰 비중을 차지하지 않고도 자동센싱 시스템을 구축할 수 있다.
온습도 센서 도입 초기에는 휴대전화에 도입하는 방식으로 완전한 IoT라고 보기 어려웠다. 매번 휴대전화를 통해서 제어가 가능하다는 것은 사용자가 의식적으로 뭔가를 수행해야 한다는 점 때문이다. 최근에는 휴대전화도 방진, 방수 기능을 갖추면서 표면에 노출돼야 환경 센서의 특성상 부착이 불가능해 졌다. 이에 따라 집안 내부에 부착하는 온습도 센서와 이들 센서의 정보를 통신 모듈로 넘겨받아 에어컨이나 보일러, 가습기 등 인간에게 쾌적함을 줄 수 있는 솔루션을 개발하는 방식으로 점차 변화하고 있다.
■ ST는 소비자의 발전을 위해 어떤 노력을 기울이나.
ST의 제품으로 개발할 수 있는 솔루션을 제안한다. 센서 뿐만 아니라 최근 100W LED 도로 조명이나, 무선 충전 솔루션 등을 선보인 바 있다.
기존 도로 조명은 에너지 절약을 위해서 하절기와 동절기에 맞춰 시간이 되면 자동 소·점등 되도록 설계됐다.
ST의 STLUX385A는 태양광 밝기에 따른 LED 밝기 조절과 원격조정(리모트 컨트롤), 디밍 시스템 등이 모두 가능하도록 Wi-Fi, PLM(power line module), PC, 블루투스, 직비 등에 연결된다.
이런 기술은 기존에 없던 기술들이 아니다. ST는 소비자들과 함께 앞선 IT 시대를 내다보면서 ST의 제품으로 구현가능한 미래를 선보인다. 이것이 곧 동반성장으로 이어진다고 본다.
■ ST에서 이런 다양한 센서들을 가지고 최종적으로 보여주고자 하는 바는 무엇인가
이번 i-SEDEX(국제 반도체 대전)에서 웨어러블 솔루션이라고 9축 MEMS 센서인 LSM9DS0과 디지털 마이크, 배터리 충전기 칩 등을 하나로 묶고 이들을 모두 하나의 칩인 32bit MCU칩에서 구동할 수 있는 STM32F4를 탑재한 기기를 선보였다.
스마트폰 사이즈에 우리의 모든 기술을 집약한 것은 이 모든 센서들의 정보를 연산할 수 있는 MCU를 자랑하고 싶은 마음도 있었지만, 이런 KIT를 통해서 소비자가 구현하고 싶은 무엇이라도 시험을 해봄으로써 새로운 ‘편리함’을 찾아내고자 함이었다.
반도체를 기반으로 한 부품 기업으로서 최종 솔루션을 제시할 수 있지만, ST의 상상력을 뛰어넘는 솔루션을 소비자들은 찾아낼 것이라고 본다.
우리는 소비자들이 무엇인가를 상상하면, 그것이 가능하도록 지원 해주는 역할을 담당하고 있다고 생각한다.
