지자기센서(geo-magnetic sensor)는 지구의 자기장을 측정하는 센서이다. 측정 단위는 마이크로 테슬라(μT)이다. 지자기센서는 지구상에서 가장 많이 팔리는 센서 중 하나로, 스마트폰부터 인공위성까지 안 쓰는 데가 없다. 차량에도 지자기(地磁氣)의 방향을 검출하는 지자기센서를 이용한다. 멀티 커뮤니케이션 시스템이나 전자 방위계에서는 이 센서를 사용해서 차량의 진행 방향(방위)을 산출하고 있다.
개요
지구는 자기로 둘러싸여 있으며, 이를 지자기라고 한다. 지자기센서는 이러한 지구의 자력을 검출하는 센서이며, 전자 컴퍼스라고도 한다. 지자기센서는 지자기를 검출함으로써, 방위 정보를 얻을 수 있다.
기압센서, 가속도센서, 자이로스코프센서 이외에 또 다른 방식으로 움직임을 감지할 수 있는 센서가 바로 지자기센서(Geo-magnetic sensor)이다. 이 센서는 원리가 비교적 간단하여 스마트폰 초창기부터 적용이 되었으며 꾸준히 성능이 개선되고 있다. 과학사를 연구하는 역사학자들에 의하면 바늘 자석을 이용한 나침반이 기원전 13세기에 이미 중국에서 사용되었다고 한다. 1600년에 길버트(William Gilbert)에 의해 지구도 하나의 거대한 영구자석이라는 사실이 실험적으로 증명이 되었다. 과학자들은 지구 중심부에 있는 대류 전류에 의해 지구가 자석의 성질을 가지고 있다고 생각하고 있다.
아래 그림과 같이 지자기 S극은 지구의 지리적 북극으로부터 약 1,300마일 떨어져 있으며, 지자기 N극은 지구의 지리적 남극으로부터 약 1,200마일 떨어져 있다. 이러한 지자기의 S극과 N극은 시간에 따라 변하고 있다고 알려져 있지만, 이 변화는 매우 천천히 진행이 되고 있기 때문에 시간에 따른 보정은 필요 없다. 지구 표면에서의 지구 자기장의 크기는 20~80μT(0.2 ~ 0.8Gauss) 정도이며, 한국에서는 약 50μT 정도이다. 이러한 지구 자기장은 수만 킬로미터 상공까지 그 영향을 미치고 있으며, 지표면에서부터 높이에 따라 약간씩 자기장의 세기가 작아진다. 이러한 지자기를 측정하기 위한 스마트폰용 지자기센서에는 보통 2종류의 센서가 사용되고 있다. 하나는 자기저항효과(Magnetoresistor effect, 줄여서 MR효과라고도 함)와 홀효과(Hall effect)라고 하는 물리 현상을 이용한 센서이다.
MR효과는 자기장에 따라 반도체 또는 금속재료의 저항이 변하는 현상으로, 자기장과 저항의 관계로부터 지자기를 유추할 수 있다. 홀효과는 반도체 재료에 자기장의 수직한 방향으로 전류를 흘리게 되면, 자기장과 전류의 방향에 수직인 방향으로 전압이 발생하며, 이렇게 생성되는 전압을 홀전압이라 한다. 홀전압을 측정하여 역으로 자기장을 유추하는 방법이다. 현재는 홀효과를 이용한 센서가 많이 사용하고 있다. 3차원(x, y, z축)의 지자기를 측정하고자 하면, 지자기센서를 3종류 방향으로 배열하면 3차원의 지자기를 측정할 수 있다. 2015년 6월에 일본의 전자부품업체인 로옴사에서 기존 홀센서 대비 정밀도를 7배 이상 높인 신제품을 발표하였다. 이 센서는 MR효과를 응용한 것으로 ‘비정질 와이어’라는 신소재를 코일로 사용하여 자기장에 따른 저항변화가 생기는 원리이다. 로옴사는 소비전력을 기존 대비 20분의 1 이하로 줄일 수 있으며, 잡음도 기존 제품 대비 7분의 1로 줄였기 때문에 위치 정확도를 크게 향상시켰다고 발표하였다.
원리
홀 효과에 의한 감응을 기초로 한다.
직교하는 전도체 내의 전류와 자기장에 의해 전자가 편향되면서 도체 양단에 전압이 발생하는데 이것은 선형 값이므로 저 전압(홀전압이라고 한다)을 측정하면 현재 입사된 자기장의 크기를 알 수 있다.
종류
- 3축 지자기 센서 : 휴대폰에 많이 들어간다. 나침반 기능이 대표적. 또한, 지자기센서는 금속을 탐지하므로(금속탐지기의 것과 비슷한 방식으로) 금속 탐지 소프트웨어에서도 쓰인다.
- 지자기 이미징 센서 : Magnetometer 라고 있는데, 원리 자체는 홀 센서와 비슷하나, 이것은 반송되는 값의 편향을 사용하여 계측하는 것으로, 이 센서를 사용해 광역 스캔을 하면 이미지를 구성할 수 있다.(당연히, 이 센서는 그냥 센서로, 이미지를 만드는 기능따윈 없다.)
이런 느낌(오른쪽 그림)으로 이미지가 생긴다. 여기서 해상도를 더 높이고 색깔 좀 바꿔주면 판독하기 좋아진다. 이 이미지를 통해 고대 유적(당연히 철로 된 것)을 발굴하기도 한다.
다른 용도로는 대잠헬기 같은 종류들. 대잠헬기가 금속을 발견하는 데에는 두가지 방법이 쓰이는데, 하나는 가속도변화를 계측하는 것이고 나머지는 Magnetometer를 사용해 근처에 쇳덩어리가 있느냐 없느냐를 찾는 방식이다.
여담으로 일부 보급형 스마트폰에는 이 센서마저 들어가지 않는다. 갤럭시 J 시리즈 참고.
참고자료
같이 보기
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