자기장 센서 – 터널자기저항(TMR)

터널자기저항(TMR) 기술은 양자역학적 효과를 기반으로 합니다. 자기저항(MR) 효과에서 자기장의 변화는 전기 저항의 변화로 이어집니다. 그 결과, 자기장과 전기 변수는 서로의 관계에 따라 측정될 수 있습니다. TMR은 터널 효과로 인해 자기장이 가해지면 저항이 훨씬 더 크게 변하는 특수한 형태의 MR 기술입니다. 결과적으로 TMR 센서는 더 높은 감도와 정확성이라는 이점을 제공합니다.  

TMR 센서의 경우 자성체 스택이 전기 절연체, 즉 터널 장벽에 의해 분리되어 있습니다. 자유층의 자기화 방향은 외부 자기장에 따라 달라집니다. 고체층의 방향은 변하지 않습니다. TMR 소자의 저항은 자유층과 고체층 사이의 상대 각도에 비례합니다.

그림 1: TMR 기술의 기능 원리

현대의 TMR 센서는 이방성자기저항(AMR) 기술과 1990년대 초반에 개발된 거대자기저항(GMR) 기술에서 발전했습니다. 이러한 기술을 기반으로 하는 소형 부품 덕분에 하드 드라이브에 대형 전기기계식 헤드에서 벗어나 미세 MR 판독 헤드를 채택하게 되었고, 그 결과 저장 밀도가 더 높아졌습니다. CMOS와 유사한 제조 공정을 활용하는 TMR 기술이 더욱 발전하면서 실리콘 웨이퍼에 다양한 층이 증착되고 패턴이 형성할 수 있게 되었습니다. 그 결과, TMR 저항 소자들을 직렬로 연결하여 하나의 저항 소자를 형성할 수 있습니다. 이러한 저항기는 일반적으로 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로처럼 4개씩 그룹으로 배열됩니다. 이러한 유형의 상호 연결은 자동차 기술에서 공통적인 전기 신호를 생성하며, 이 신호는 직접 평가되거나 다운스트림 전자장치(ASIC IC)를 통해 평가될 수 있습니다.

소자의 저항 변화율은 MR 비율이라는 값으로 표현됩니다. 기존 AMR 소자와 GMR 소자의 MR 비율은 각각 약 3%와 12%인 반면, TMR 소자의 MR 비율은 100%입니다. 비자성 금속(Cu 등)이 두 개의 강자성 층 사이에 끼어 있는 GMR 소자에서 전자의 이동은 금속의 전기 전도 형태로 발생합니다. 그러나 TMR 소자에서는 전자의 이동이 양자역학적 터널 효과 형태로 발생합니다. 이런 이유로 핀층과 자유층이 반평행(Antiparallel)일 때, 전자가 “움직이기 어려운(Hard to move)” 특성을 가진 GMR과 달리 TMR 소자는 전자가 “전혀 움직이지 않는(Cannot move)” 극단적인 특성을 갖게 됩니다. 이로 인해 TMR 소자는 "예 또는 아니오"나 "1 또는 0"과 같은 양분적 특성을 출력에 부여할 뿐 아니라 극도로 큰 MR 비율을 가집니다.

이는 TMR 소자가 오늘날 HDD의 고감도 읽기 소자로 활용되는 이유이기도 합니다. 따라서 이러한 고감도 TMR 소자를 자기 센서로 사용하면 매우 높은 출력을 얻을 수 있습니다. 실제로 TDK TMR 센서의 출력은 AMR 센서보다 20배, GMR 센서보다 6배 더 큰3,000mV에 달합니다. 그림 3에서는 AMR 소자, GMR 소자, TMR 소자를 이용한 자기 센서의 특성을 비교하고 있습니다(5V 전압 적용 시인가시).

그림 2: AMR 소자, GMR 소자, TMR 소자를 이용한 자기 센서의 특성 비교

TMS 센서는 광범위한 온도에서 안정적으로 작동할 수 있습니다. 이러한 이유로, 높은 정밀도와 신뢰성을 요구하는 자동차 부품에 사용되는 경우가 늘고 있습니다. 전력 소모량이 낮다는 특징도 있기 때문에 자동차뿐만 아니라 로봇, 스마트폰과 같은 소비자 제품을 포함한 광범위한 분야에 사용됩니다.

자동차 응용분야에 있어서 중요한 매개변수 중 하나는 센서 출력 전압으로, 추가적인 증폭기 회로, 저항기, 커패시터 없이 기존 마이크로 컨트롤러에서 해당 출력을 직접 읽을 수 있어야 합니다. TMR 기반 각도 센서, 속도 센서 및 선형 센서는 파워 스티어링 시스템, 와이퍼, 클러치 및 기어박스 액추에이터, 페달 및 스로틀 밸브, 그리고 기타 여러 엔진 및 위치 관련 기능을 구현하는 데 사용할 수 있습니다. 설계가 간단한 TMR 센서는 기능적 안전성을 제공하는 높은 신뢰성, 작동 중 센서 동작에 대한 탁월한 모니터링 등 많은 장점이 있습니다.

TMR 센서는 자동차 산업에서 ISO 26262의 가장 높은 안전 수준(ASIL D 레벨)을 준수하는 데 사용될 수 있습니다. 따라서 전기식 파워 스티어링과 브레이크 등에 설치할 때 적용되는 안전 기준을 충족합니다. 또 다른 중요한 특징은 TMR 센서로 달성할 수 있는 매우 높은 각도 정확도입니다. 자기장 강도에 따라 차량 수명(17년) 기간 동안 칩 온도 허용 범위(-40°C~175°C)에서 최대 약 0.2도의 각도 정확도를 달성할 수 있습니다. 이러한 성능은 특히 전기식 브러시리스 DC 모터(BLDC) 제어의 효율성 향상 및 소음 감소에 반영됩니다.

그림 2:  TMR 센서의 자동차 응용 사례

자동차 응용분야에 어떤 유형의 센서를 사용해야 할지 결정할 때는 각 센서의 특성에 따라 용도가 결정되어야 합니다.

CMOS 홀 센서는 단일 칩에 비용 효율적인 일체형 홀 소자와 회로소자가 통합되어 있습니다. 이러한 특성으로 인해 비용에 민감한 응용분야나 더 강한 자기장을 감지하는 데 이상적입니다.

다른 기술(홀/AMR/GMR)을 기반으로 하는 자기장 센서와 비교했을 때 TMR 센서는 신호 대 잡음비가 더 뛰어나고 매우 뛰어난 정확도와 매우 낮은 전력 소모를 자랑합니다. TMR 센서는 온도와 센서 수명 기간 전반에 걸쳐 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능을 제공합니다. 결과적으로 TMR 센서는 매우 까다로운 응용분야에서 선호됩니다.

많은 경우 두 기술을 결합하면 매우 유익할 수도 있습니다. 예를 들어, 전류 센서 모듈에서 TMR 센서는 약한 전류를 측정할 수 있는 반면 홀 센서는 높은 전류를 감지합니다. 따라서 더 높은 측정 정확도로 측정 범위를 대폭 확장할 수 있습니다. 두 기술을 모두 사용하는 두 번째 응용분야는 브러시리스 전기 모터(BLDC)의 회전자 위치를 파악하는 것입니다. 이 경우, 고정밀 TMR 센서를 이중화 홀 센서와 결합하여 전체 시스템 안정성을 ASIL-D 레벨까지 높일 수 있습니다. 이 응용분야에서는 각도 인코더가 필요 없습니다.

홀 효과 센서 또는 TMR 센서를 사용하든지 아니면 둘 다를 사용하든지 간에 각 센서 유형의 기술은 다른 전용 센서를 사용하는 경우에 비해 자동차 설계의 전체 소재 및 제작 비용을 줄일 수 있습니다. 엔지니어는 각 센서 유형의 기술과 응용분야를 더 잘 이해함으로써 더 나은 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있으며, 이를 통해 더 안전하고 신뢰할 수 있는 설계를 구현할 수 있습니다.

TDK는 세계 최초로 자동차용 TMR 센서를 상용화하여 2014년부터 출시한 바 있습니다. TDK의 TMR 센서는 점점 더 자동화 및 전기화되고 있는 자동차, 먼지와 오염이 많은 환경에서 자주 사용되는 산업 장비, 소형이고 전력 소모가 낮아야 하는 소비자 제품을 포함한 광범위한 응용분야에서 사용됩니다.

감지 기술은 자동차의 연비 향상에 크게 기여하고 있습니다. 자동차 엔진에서 크랭크 각도 센서나 캠 각도 센서는 엔진 ECU(전자 제어 장치)에서 연료 분사의 최적 타이밍과 분사량을 계산하기 위한 정보를 얻는 데 사용됩니다.

크랭크 각도 센서나 캠 각도 센서에는 여러 유형이 있지만, 마모나 먼지에 강한 비접촉식 자기 센서가 주류를 이루고 있습니다. 자성체로 만들어진 톱니기어 펄사(펄사 로터)를 크랭크 샤프트 또는 캠 샤프트에 부착하고, 바이어스 자석에 의해 자기장이 적용된 비접촉식 자기 센서가 펄서를 향하도록 배치합니다. 엔진이 시동되고 기어 펄사가 회전하면 기어 톱니의 돌출부와 함몰부에 의해 자석에서 나오는 자기 플럭스 밀도가 교대로 변화합니다. 자기 센서는 이를 펄스 신호 형태로 추출하고, 단위 시간당 펄스 수를 기반으로 회전 속도를 감지합니다. 이런 메커니즘 때문에 이러한 센서를 기어 톱니 센서라고도 합니다.

TDK TMR 센서는 홀 소자를 사용하는 센서에 비해 매우 높은 감도와 높은 출력을 선사하며 ABS(안티록 브레이크) 시스템용 휠 속도 센서로서 탁월한 감지 성능을 구현합니다. 그 뿐만 아니라 배터리의 충전과 방전을 제어하여 에너지를 절약하는 전류 센서로도 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

최근 들어 자동차 전자 장비, 산업 장비, 가전 제품 등의 분야에서 자기 센서에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 센서 소자의 특성이 다소 떨어지더라도 그것을 어떻게 사용하느냐에 따라 그러한 부족함을 보완할 수 있다는 사고방식이 있습니다. 그러나 센서는 일종의 변환기이기 때문에 여전히 좋은 변환 효율이 필요합니다. 또한, 보다 안전하고 편안한 운전을 실현하기 위해 자동차용 센서에 요구되는 감지 정확도는 기존 센서의 약 2배가 될 것으로 예측됩니다. TDK TMR 센서는 엄격하고 까다로운 시장 요구 사항을 충족시키기 위해 높은 출력, 높은 정확도, 낮은 온도 드리프트 및 낮은 노화 열화를 특징으로 하는 혁신적인 제품입니다. 이러한 특성은 미래의 엄격한 정확도 요구 사항도 쉽게 충족할 수 있을 것입니다.

TDK는 독보적인 수준의 각도 정밀도를 갖춘 TMR 센서를 통해 전 세계의 고정밀 감지 수요를 충족할 수 있으며, 다양한 응용분야를 지원할 수 있도록 제품 라인업을 더욱 확장하기 위해 노력하고 있습니다.