최근 환경과 안전에 대한 관심이 커지면서 모니터링 제품에 대한 사용도 증가하고 있다. 본고에서는 실내외에서 이용되고 있는 모니터링 제품에 적용되는 부품에 대하여 알아본다.

실외용 기기와 원격지에 사용되는 전자 부품이 크게 늘어남에 따라 각종 기기와 관련된 환경 모니터링의 필요성이 더욱 중요해지고 있다. 일반적으로 이러한 유형의 원격 설치 환경에서 전자 장치는 방습 용기 안에 밀봉하거나 온도 조절 기능이 있는 밀실에 설치하기 마련이다. 그러나 혹독한 날씨에 견디는 용기나 원격 밀실에 있는 환경을 물리적으로 점검하는 작업이 항상 수월하거나 경제적인 것만은 아니다. 이러한 위치에 원격 RH(Relative Humidity: 상대 습도) 및 온도 감지 기능을 추가하면 저렴한 비용으로 해당 전자 장치에 대한 환경 조건을 모니터링하고 수분 또는 온도 침투로 인한 기기의 손상을 방지할 수 있다.
또한 일반 홈 모니터링 제품에서도 환경 감지 기능을 활용할 수 있다. 부모와 보호자는 자녀 관리 및 보호용 모니터링 제품을 사용하면 홈 실내 습도 및 온도 상태에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있어 주택 내부의 환경 조건을 더욱 더 안심하고 신뢰할 수 있다.
실리콘랩스(Silicon Labs)에서 제공하는 Si701x/2x 센서 제품군(그림 1)과 같은 통합 RH 및 온도 센서를 활용하면 간편하고 경제적인 방식으로 고정밀 습도 및 온도 감지 기능을 전자 설계에 추가할 수 있으므로, 특수한 보정 장비를 사용하고 설계를 더 복잡하게 만들거나 부품을 크게 늘리지 않아도 된다.

실외 및 원격용 전자 장치

실외에서 작동하는 전자 장치에는 다양한 기상 조건에서 올바르게 작동하기 위해 필요한 특수한 설계 관련 고려 사항을 적용해야 한다. 예를 들어 폭넓은 온도 범위를 수용할 뿐 아니라 물과 먼지가 해당 부품을 오염시키지 않도록 주의해야 한다. 또한 전자 장치가 습도가 높은 상태에서 지속적으로 작동하면 디바이스 단말기가 부식되어 결국 디바이스에 장애를 일으킬 수도 있다. 이러한 장애 요인을 방지하려면 해당 부품을 보호 덮개 안이나 밀봉된 용기 안에 배치하면 된다. 실외에서 사용하는 전자 애플리케이션의 예로는 감시 카메라, 현금 자동 인출기, 자동판매기, 조명 및 관개 컨트롤러, 지진파 계측기, 기상대, 긴급 구조 요원용 무선 설비 및 군용 장비 등이 있다.
또한 전자 장치는 서비스 센터에서 멀리 떨어진 곳에 있는 원격 설치 환경이나 좀처럼 액세스되지 않거나 사용되지 않는 밀실에 배치해야 할 수 있어야 한다. 보통 이러한 설치 환경에는 운영 환경의 보호를 유지하기 위한 온도 조절 시스템이 있다. 이 같은 설치 환경의 예로는 원격 서버, 데이터 센터, 원격 통신 장비 및 휴대 전화 기지국 시스템 등이 있다. 이러한 설치 시스템은 원격지에 있으므로 환경 조건을 정기적으로 직접 모니터링하는 것은 현실성이 없을 수도 있다.
오랫동안 사용되어 왔던 저가의 서미스터 및 온도 센서 디바이스를 이용하면 원격 온도 감지 기능을 전자 설계에 손쉽게 추가할 수 있다. 온도 감지 기능을 통해 실외 및 원격용 전자 장치의 상태를 간편하게 모니터링할 수 있지만 온도 데이터 하나만으로 이러한 유형의 제품에 대한 환경 조건을 완전하게 파악할 수 없다. 방습 용기의 밀봉과 개스킷(gasket)은 언제든 문제가 생길 수 있고 이 경우 용기 안으로 물이 침투할 수 있다. 마찬가지로 원격 장비실의 문틀과 창틀 또는 배관을 통해 설치 환경 안으로 물이 새어 들어올 수 있다. 어떤 경우든 수분 때문에 부식이 발생하거나 기기가 물에 잠길 수도 있어 값비싼 기기가 고장날 수도 있다. 이 문제는 온도 감지 기능만으로 조기에 미리 탐지할 수 없다.
온도 감지 기능 외에 원격 RH 감지 기능을 추가하면, 원격 밀폐 환경에 기기 손상을 일으킬 수 있는 습기가 차 있다고 알리는 조기 경고를 제공할 수 있다. 많은 경우에 이러한 감지 정보를 활용하면 기기가 크게 고장 나기 전에 충분한 시간을 두고 손상된 밀봉이나 배관을 보수할 수 있다. 원격 기기실의 RH가 비정상적인 수준이 되는 것도 온도 조절기가 잘못 작동하고 있다는 신호일 수 있다. RH 센서로 이러한 조건을 조기에 감지하면 기기가 고장 나기 전에 필요한 수리 작업을 완료할 수 있다.


일반 홈 환경 모니터링

일반 고객은 주택 내부의 환경 조건을 파악하는 데 지속적인 관심을 갖고 있다. '베이비 모니터(Baby Monitor)'는 아이가 집 안의 다른 방에서 잠을 자거나 노는 동안 주기적으로 감시하려는 부모들이 많이 찾는 인기 제품이다. 부모들은 베이비 모니터에 원격 RH 및 온도 센서를 추가(응용 사례는 그림 2 참조)해 활용하면 아이가 안전하고 쾌적한 환경에 있도록 보살필 수 있어 더욱 안심할 수 있다. 또한 RH 측정값을 살펴보면 아이의 건강을 유지하기 위해 방 안에 가습기가 필요한지 여부를 알 수 있다.
거주지에서 멀리 떨어진 주택 소유자는 흔히 동작 탐지기와 감시 카메라를 사용하여 가택 침입, 절도 및 각종 파손 사고를 감시한다. 홈 보안 모니터링 제품에 RH 및 온도 감지 기능을 추가하면 파손 가능성이 있는 창문이나 문을 나타내기 위한 추가 데이터 지점을 제공할 뿐 아니라 HVAC 장치 고장을 알리는 경고를 생성할 수 있다. 이는 결빙 온도가 될 때 배관이 파손될 수 있는 한랭 기후와 높은 습도로 곰팡이가 자라날 수 있는 습윤 기후에서 중요한 조기 경고 기능에 해당한다. 홈 RH 및 온도 감지 기능을 인터넷 지원 모니터링 애플리케이션과 결합해 사용하면 모든 인터넷 연결 디바이스 또는 전화기에서 시간에 상관없이 측정값에 액세스할 수 있어 그 가치를 더욱 향상시킬 수 있다.

상대 습도 센서 추가와 관련된 설계상의 과제
기존의 RH 센서는 별도의 저항성 또는 용량성 감지 요소를 비롯해 감지 솔루션을 MCU에 연결하기 위한 외부 구동 회로로 구성되어 있다. 최근까지 RH 감지 기능을 PCB 설계에 추가하는 프로세스는 다음과 같은 이유로 인해 쉽지 않았다.

- RH 감지 요소는 보통 크기가 크기 때문에 SMT(Surface Mount Technology) 픽 앤드 플레이스(Pick and Place) PCB 조립 프로세스와 호환되지 않는다.
- 별도의 RH 센서가 폭넓은 온도 범위에서 작동할 것으로 예상되는 경우, 센서 반응의 온도 보정을 수행하려면 추가 부품이 필요할 수도 있다.
- 정확도를 크게 높이려면 보통 특수 장비를 사용한 라인 종단 보정이 필요하다.
- 작업 도중 별도의 RH 센서는 진동과 충격의 영향을 받을 수 있다.
- 회로 설계에 관련된 수많은 아날로그 부품들로 인해 기존의 RH 센서는 정확성의 장기 드리프트 문제를 겪을 수 있어 센서의 정확도가 더 떨어질 수 있다.

RH 감지 기능을 PCB 설계에 추가할 때 고려해야 할 다수의 요인을 감안한다면, 설계자가 시스템의 장기적 안정성을 절대적으로 확신하지 않는 한 추가 작업을 주저하는 것도 당연한 일이다.



통합 상대 습도 및 온도 센서를 통한 설계 단순화

실리콘랩스의 Si701x/2x 제품군 같은 새로운 통합 RH 및 온도 센서 솔루션 덕분에 이제 견고하고 안정적인 RH 및 온도 감지 기능을 PCB 설계에 추가하는 프로세스는 비교적 간단하고 쉬워졌다. 최신 통합 센서는 별도의 RH 센서 요소와 별도의 온도 센서 요소의 모든 기능, 관련된 인터페이스 회로 및 온도 보정 기능을 그림 3과 같이 단일 통합 회로로 결합한다.
업계 표준 I2C 인터페이스를 활용하면 MCU에 연결할 때 전용 ADC(Analog-to-Digital Converter) 입력을 사용할 필요가 없다. 업계 표준 DFN 패키지로 제공되는 이러한 통합 RH/온도 센서는 SMT 픽 앤드 플레이스 조립 프로세스와 완벽히 호환되며 진동에 민감한 영향을 받지 않는다. 배터리 구동 제품에 대해 통합 RH 및 온도 센서는 별도의 센서 제품보다 더 적은 전력을 소비한다. 무엇보다도, 이 디바이스는 공장에서 완벽히 보정되므로 비용이 많이 드는 라인 종단 보정을 거칠 필요가 없다.
이전의 설계자들은 실외용 전자 애플리케이션과 원격용 기기에 온도 센서를 포함했지만, 이제는 PCB와 관련해 단점을 감수하거나 제조 과정을 복잡하게 만들지 않고 RH 감지 기능을 추가하는 것이 더 실용적인 방법이다. 이를 통해 실외용 전자 장치의 경우 장치를 물리적으로 검사할 필요 없이 밀봉된 용기의 내부 상태를 상시적으로 파악할 수 있다.
원격 설치 시스템에 대해 통합 RH 및 온도 센서를 사용하면 원격 환경을 물리적 검사를 수행하는 경우보다 훨씬 더 자주 모니터링할 수 있다. 두 활용 사례에서 유지 관리 비용이 절감되고 기기 고장의 위험성이 낮아지는 것을 고려한다면 온도 감지 외에 RH 감지 기능을 추가함으로써 약간의 비용을 더 지불하는 것은 합리적인 선택이다.
일반 소비자용 제품을 설계할 경우 통합 RH 및 온도 센서를 통해 베이비 모니터 및 보안 시스템과 같은 일반 홈 모니터링 제품에 RH 및 온도 감지 기능을 쉽게 추가할 수 있다. 통합 RH 및 온도 센서를 사용할 경우 매우 작은 PCB 공간과 무시해도 될 정도의 재료 비용 및 업계 표준 디지털 I2C 인터페이스만 필요하므로, 총 시스템 비용은 조금만 상승하면서 홈 모니터링 제품에는 상당한 가치가 더해진다. 이 센서는 저전력을 소비하므로 원격 센서는 저렴한 코인 셀 배터리 하나만으로 수년 동안 작동할 수 있다.

요약

설계자가 실외 애플리케이션, 원격지 또는 일반 홈 모니터링용으로 전자 장치를 설계할 때 해당 제품에 통합 RH 및 온도 감지 기능을 추가하면 온도 감지 기능 하나만 추가한 경우에 비해 환경 조건을 더욱 완벽하게 파악할 수 있다. RH 및 온도 감지 기능을 통해 실외용 전자 장치 및 원격 설치 시스템에서 큰 비용을 소모하는 기기 고장을 방지할 수 있다.
일반 홈 모니터링 디바이스의 경우, RH 및 온도 감지 기능은 해당 디바이스를 사용할 부모와 보호자에게 부가 가치를 제공한다. 실리콘랩스의 Si701x/2x 센서 제품군 같은 새로운 통합 RH 및 온도 센서 덕분에, 비용을 적게 들이면서 PCB 조립 중 복잡하고 값비싼 보정 작업을 거칠 필요 없이 RH 및 온도 감지 기능을 신형 임베디드 설계에 쉽게 추가할 수 있다.