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TMOS 기술로 PIR 센서의 한계 극복하기

Published Date
Author Alan Yoon

지난 수십 년 간 사람의 움직임과 존재 감지를 위해 사용돼 온 수동 적외선(passive infrared, PIR) 센서 기술을 개선할 수 있는 열 금속 산화물 반도체(thermal metal oxide semiconductor, TMOS) 기술이 떠오르고 있습니다. 이 센서의 핵심에는 열 복사를 감지할 수 있는 나노 가공 금속 산화물 트랜지스터와 모션, 존재 여부, 온도를 감지할 수 있는 디지털 처리 ASIC이 있습니다. 전력 소비가 적고 집적도가 우수하며 크기가 작기 때문에 TMOS 기술을 기반으로 한 적외선 센서는 스마트 시티, 스마트 홈, 스마트 차량 애플리케이션을 포함한 IoT 시장에 적합합니다.

본문에서는 기존 PIR 센서 기술을 기반으로 하는 TMOS 기술이 사람이 움직이거나 가만히 있어도 최소한의 적외선에 대한 매우 정확한 측정을 통해 어떻게 사람의 움직임과 존재를 감지하는지 알아보겠습니다.

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TMOS 기술로 PIR 센서의 한계 극복하기 (출처: Andrey Popov - stock.adobe.com)

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투명인간 효과

PIR 센서의 역사적 단점 중 하나는 ‘투명인간 효과(the invisible man effect)’입니다. 사람이 방에 들어오면 조명이 켜지는 동작 인식 조명을 사용해 본 적이 있다면 가장 부적절한 시간에 조명이 꺼진다는 것을 경험해 봤을 것입니다. 예를 들어, 드레스 룸에 들어가면 옷장의 조명이 자동으로 켜지지만 옷을 고르고 있는 동안 30초 후에 조명이 꺼질 때가 있습니다. 이 문제는 움직임을 감지하는 PIR 센서의 특성으로 인해 발생합니다. 시야(field of view, FoV)에 움직임이 없으면 센서가 사람의 존재를 감지하지 못합니다. 이 때문에 이른바 투명인간 효과가 발생하는 것입니다.

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PIR 기반 센서와 비교하면, TMOS 기술은 사람이 FoV에 들어오고 나갈 때 움직임을 감지할 뿐 아니라 존재 여부도 감지합니다(그림 1). 사람이 가만히 서 있으면 PIR 센서는 사람을 인식하지 못하고 즉시 출력 신호를 떨어뜨립니다. TMOS 기술의 장점이 드러나는 부분이 바로 이 순간입니다.

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그림 1. PIR과 TMOS를 사용한 존재 및 모션 감지의 차이점(출처: STMicroelectronics)

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TMOS 센서는 모션과 존재라는 두 가지 내부 알고리즘 또는 플래그를 제공합니다. 모션 플래그는 PIR 센서와 마찬가지로 FoV에 들어오고 나가는 사람을 감지합니다. 그러나 존재 플래그는 사람이 FoV에 남아 있는지를 감지합니다. 사람이 FoV 내에 있는 한 TMOS는 사람의 존재를 감지하고 출력 신호를 떨어뜨리지 않습니다.

디지털 TMOS 기술은 아날로그 신호를 ASIC이 처리할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 ASIC을 포함하고 있습니다(그림 2).

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그림 2. ASIC이 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 방법을 보여주는 ST마이크로의 IR 센서 블록 다이어그램(출처: STMicroelectronics)

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STHS34PF80 센서는 FoV 내의 물체가 방출하는 IR 복사량을 측정하고 ASIC이 신호를 디지털 처리하여 동작, 존재 여부 또는 과열 상태를 모니터링하도록 프로그래밍할 수 있게 설계되었습니다. 신호 처리는 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 개선하고, 불균일성과 오경보를 줄이며, 전력 소모를 최적화하고, 자체 보정을 포함하며, 자동 작동을 가능하게 할 뿐만 아니라 성능을 최적화 및 개선하기 위한 스마트한 알고리즘을 통합하고 있습니다.

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작동 방식

탁월한 감도 덕분에 STHS34PF80은 광학 렌즈 없이도 최대 4미터 거리까지 사람의 존재를 감지할 수 있습니다. 이 IR 센서는 스마트 디지털 알고리즘을 내장하고 있어 존재 감지, 모션 감지, 주변 온도 급변 감지 기능을 지원합니다.

이 IR 센서에서 존재 감지는 임계값을 PRESENSE_THS 및 HYST_PRES 레지스터에 프로그래밍함으로써 수행됩니다(그림 3). 이 센서의 ASIC 섹션에서, TMOS 감지 소자의 출력은 저역 통과 필터 LPF_P_M 및 LPF_P로 공급됩니다. 칩은 이러한 저역 통과 필터 간의 차이를 추적하고 그 값을 소프트웨어에서 설정된 두 개의 임계값인 PRESENCE_THS 및 HYST_PRES와 비교합니다. 필터링된 두 신호의 차이가 임계값을 초과하면 존재 감지 플래그 신호(PRES_FLAG)가 활성화됩니다.

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그림 3: TMOS 센서 다이어그램의 존재 감지 알고리즘(출처: STMicroelectronics)

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존재 알고리즘 외에도, STHS34PF80은 모션 및 주변 온도 변화에 대한 임계값을 설정하고 임계값이 넘으면 시스템 호스트 컨트롤러에 경고를 보낼 수 있습니다.

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TMOS 기술은 기존 PIR 센서의 한계를 해결함으로써 모션 및 존재 감지 분야에 혁신을 일으키고 있습니다. STHS34PF80은 스마트 시티, 스마트 홈, 스마트 차량 등 다양한 사물 인터넷(IoT) 애플리케이션의 판도를 바꾸는 혁신적인 TMOS 기술입니다. 움직임과 존재를 모두 감지하는 고급 알고리즘과 고감도 및 고효율 신호 처리 기능을 갖춘 TMOS는 더욱 강력하고 안정적인 감지 솔루션을 제공합니다. 세상이 점점 더 상호 연결되는 가운데, TMOS 기술은 보다 스마트하고 안전하며 반응성이 뛰어난 환경을 만드는 데 중요한 역할을 할 것입니다.