PIR 센서

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1. 개요
2. 동작 방식
- 2.1. 차동 감지
- 2.2. 초점 조절
3. 종류
4. 응용 분야
참조

1. 개요

PIR 센서는 절대 영도 이상의 물체가 방출하는 적외선을 감지하여 움직임을 감지하는 센서이다. 주로 방범 경보, 자동 조명 시스템 등에 사용되며, 플라스틱 창 덮개나 렌즈, 거울 등을 이용하여 감지 범위를 조절한다. 센서 소자의 구성 방식에 따라 차동 감지, 초점 조절 등의 기능을 수행하며, 열형(비냉각형), 양자형(냉각형) 등 다양한 종류가 있다. 응용 분야로는 자동 조명, 보안 시스템, 근적외선 카메라, 열화상 장치, 적외선 탐색 추적 시스템 등이 있다.

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PIR 센서
기본 정보
수동 적외선 센서 다이어그램
종류	적외선 센서
감지 대상	적외선
관련 용어	초전 효과 프레넬 렌즈
상세 정보
작동 원리	물체에서 방출되는 적외선 에너지 변화 감지
주요 구성 요소	초전 소자 프레넬 렌즈
장점	낮은 전력 소비 비교적 간단한 구조
단점	환경 변화에 민감 감지 거리에 제한
활용 분야
보안 시스템	침입 감지기
조명 제어	자동 점멸 시스템
자동문	접근 감지
기타	가전 제품 산업 자동화

2. 동작 방식

절대 영도 이상의 온도를 가진 모든 물체는 열 에너지를 전자기파 형태로 방출한다. 이 복사는 주로 적외선 파장에서 방출되어 사람의 눈으로는 보이지 않지만, PIR 센서를 통해 감지할 수 있다.^[11] PIR 센서는 주로 사람, 동물 또는 기타 물체의 움직임을 감지하는 데 사용되며, 방범 경보기와 자동으로 활성화되는 조명 시스템에 주로 사용된다.^[1]

PIR 센서는 센서 앞 물체의 온도 및 표면 특성에 따라 달라지는 적외선 복사량의 변화를 감지한다.^[2] 사람과 같은 물체가 벽과 같은 배경 앞을 지나갈 때, 센서 시야의 해당 지점 온도는 실내 온도에서 체온으로 상승했다가 다시 내려간다. 센서는 들어오는 적외선 복사의 변화를 출력 전압의 변화로 변환하여 움직임을 감지한다.^[3]

PIR은 다양한 구성으로 제공된다. 가장 일반적인 모델은 다수의 프레넬 렌즈 또는 거울 세그먼트를 가지며, 약 10미터(30피트)의 유효 범위와 180° 미만의 시야를 갖는다. 360°를 포함한 더 넓은 시야를 가진 모델은 천장에 장착하도록 설계되었다. 일부 더 큰 PIR은 단일 세그먼트 거울로 만들어져 30m 이상 떨어진 적외선 에너지 변화를 감지할 수 있다. 또한 광범위한 커버리지(110° 넓이) 또는 매우 좁은 "커튼" 커버리지를 허용하거나 개별적으로 선택 가능한 세그먼트를 사용하여 커버리지를 "형성"할 수 있는 반전 가능한 방향 거울로 설계된 PIR도 있다.

PIR 센서는 일반적으로 센서 자체의 신호를 해석하는 데 필요한 전자 장치를 포함하는 인쇄 회로 기판에 장착된다. 전체 어셈블리는 하우징 내에 포함되어 있으며, 센서가 모니터링할 영역을 커버할 수 있는 위치에 장착된다.

하우징에는 적외선 에너지가 들어갈 수 있는 플라스틱 "창"이 있다. 이 창은 가시광선에 대해서는 종종 반투명하지만, 적외선 복사에는 투명하다. 플라스틱 창은 이물질이 센서의 시야를 가리는 것을 막고, 오경보를 줄여준다. 또한, 이 창은 필터로 사용되어 인체에서 방출되는 적외선 복사와 가장 가까운 8-14 마이크로미터로 파장을 제한한다.

2. 1. 차동 감지

센서 소자 쌍은 차동 증폭기의 반대쪽 입력으로 배선될 수 있다. 이러한 구성에서, PIR 측정은 서로 상쇄되어 시야의 평균 온도가 전기 신호에서 제거된다. 전체 센서에 걸쳐 IR 에너지의 증가는 자체 상쇄되어 장치를 트리거하지 않는다. 이는 장치가 짧은 섬광이나 전반적인 조명에 노출되었을 때의 변화에 대한 잘못된 신호에 저항할 수 있게 해준다. (지속적인 고 에너지 노출은 여전히 센서 재료를 포화시켜 센서가 더 이상 정보를 등록할 수 없게 만들 수 있다.) 동시에, 이 차동 배열은 공통 모드 간섭을 최소화하여 장치가 근처의 전계로 인해 트리거되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 이러한 구성에서 차동 쌍의 센서는 온도를 측정할 수 없으므로 동작 감지에만 유용하다.

2. 2. 초점 조절

적외선 에너지를 센서에 집중시키기 위해 다양한 방법이 사용된다.

플라스틱 창 덮개는 여러 면으로 성형될 수 있는데, 각 면은 프레넬 렌즈 역할을 한다.^[3]

일부 PIR 센서는 내부의 분할된 포물면 거울을 사용하여 적외선 에너지를 집중시킨다.^[3] 이 경우 플라스틱 창 덮개에는 프레넬 렌즈가 성형되지 않는다.

이러한 초점 조절을 통해 탐지기의 시야는 빔 패턴을 형성한다.^[3] 특정 각도에서는 PIR 센서가 거의 방사 에너지를 감지하지 못하고, 다른 각도에서는 집중된 양의 적외선 에너지를 감지한다. 이러한 분리는 동작 감지기가 넓은 범위의 조명과 움직이는 물체를 구별하는 데 도움이 된다.^[3]

사람이 한 각도에서 다른 각도로 이동할 때 탐지기는 간헐적으로만 사람을 감지한다. 이는 빠르게 변화하는 센서 신호를 발생시켜 경보를 울리거나 조명을 켜는 데 사용된다. 반면 천천히 변화하는 신호는 전자 장치에 의해 무시된다.

이러한 존의 수, 모양, 분포 및 감도는 렌즈 및/또는 거울에 의해 결정된다. 제조업체는 각 응용 분야에 가장 적합한 감도 빔 패턴을 만들기 위해 노력한다.^[3]

3. 종류

적외선 센서는 동작 원리에 따라 크게 열형(비냉각형)과 양자형(냉각형)으로 분류된다.^[7]

적외선 검출기의 종류^[7]
동작 원리			검출 파장	소자 소재
양자형(냉각형)	외부 광전 효과	광전관	자외선 ~0.9µm	은산화 세슘 (Ag-O-Cs) 갈륨 비소・세슘 (GaAs-Cs)
	내부 광전 효과	광전도형	3〜5µm	텔루르화 카드뮴수은 (HgCdTe) 안티몬화인듐 (InSb)
		광전도형	8〜12µm	텔루르화 카드뮴수은 (HgCdTe) 갈륨 비소 (GaAs)・알루미늄 갈륨 비소 (AlGaAs) 양자 우물형 적외선 검출 소자 (QWIP)
		광기전력형	3〜5µm	백금 실리콘 (PtSi) 안티몬화인듐 (InSb)
		광기전력형	8〜12µm	텔루르화 카드뮴수은 (HgCdTe) 게르마늄실리콘 (GeSi)
열형(비냉각형)	압전 효과	압전 소자형	1〜3µm	황화 납 (PbS)
	압전 효과	압전 소자형	8〜12µm	티탄산 바륨스트론튬 (BST) 티탄산 지르콘산 납 (PZT)
	열전 효과	열전쌍형		다결정 실리콘 (Poly-Si)
	온도에 따른 전기 저항의 변화 효과	볼로미터형		산화 바나듐 (VOx) 거대 자기 저항 효과 (CMR) 이트륨계 초전도체 (YBCO) 비정질 실리콘 (a-Si)

열형(비냉각형)과 양자형(냉각형)에 대한 자세한 설명은 각 하위 섹션을 참조하면 된다.

3. 1. 열형 (비냉각형)

적외선을 수광하여 열로 변환하고, 이 열에 의해 센서가 따뜻해지면서 발생하는 소자 온도의 상승에 따른 전기적 성질 변화를 감지한다.

양자형(냉각형)에 비해 감도와 응답 속도는 낮지만, 파장 대역이 넓고 상온에서 사용할 수 있다는 특징이 있다. 열전 효과를 이용한 열전 소자(서모파일 등), 강유전 효과를 이용한 강유전 소자(PZT 등), 온도에 따른 전기 저항의 변화를 이용한 볼로미터 등이 있다. 또한, 온도에 따라 가역적으로 변색되는 감온 액정 마이크로캡슐을 도포한 촬상 소자에 의한 적외선 이미지 촬상 방법도 있다.

상온에서 사용할 수 있고, 냉각 조치를 필요로 하지 않기 때문에 소형, 경량화할 수 있지만, 그 반면 소자의 열용량에 영향을 받기 때문에 해상도나 계조, 잔상, 감도 등 화질은 냉각형과 비교했을 때 떨어진다.^[8]

열형(비냉각형) 적외선 센서에 의한 촬상 소자의 경우, 열원과 배경의 적외선 방사량 차이가 없으면 아무것도 감지할 수 없다. 즉, 배경과 열원의 온도차가 작을 경우 배경과 열원을 구별하기 어려우며, 온도차가 없을 경우에는 원리적으로 촬영할 수 없다. 또한, 상온에서도 작동하지만, 열잡음의 영향 제거에 의한 감도 향상을 위해 펠티어 소자 등 냉각 조치가 도입되는 경우도 있다.

3. 2. 양자형 (냉각형)

양자형(냉각형) 적외선 센서는 빛 에너지를 통해 발생하는 전기 현상을 감지하는 방식이다. 적외선 영역에 감도를 가지며, 좁은 밴드갭을 가진 포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토IC 등이 사용된다.

원리적으로는 일반적인 디지털 카메라에 사용되는 CCD 이미지 센서나 CMOS 이미지 센서와 유사하며, 광자가 PN 접합에 입사할 때 발생하는 전하를 검출한다.

열형(비냉각형)에 비해 검출 감도가 높고 응답 속도가 뛰어나며, 100~1000배의 검출 능력을 가진다. 감도는 사용하는 반도체의 종류와 적외선의 파장에 따라 달라진다(파장 의존성). 인공적인 경우 수십 도, 핏 기관으로 열 영상 시야를 가진 뱀 등은 수 도의 차이를 감지할 수 있다.

그러나 원리적으로 열잡음의 영향을 받기 쉬워, 촬상 소자 자체가 방출하는 열을 검출하므로 촬상 소자를 피사체보다 충분히 저온으로 유지해야 한다. 진공 케이스에 수납되어 극저온으로 유지되며, 용도나 요구 수준에 따라 다르지만, 온도는 일반적으로 60K~100K(-213℃~-173℃)이다. 냉각이 필요하므로 작동에 시간이 걸린다.

냉각에는 줄-톰슨 효과나 스터링 냉동기가 사용된다. 적외선 우주 망원경의 경우 냉각재가 손실되는 시점이 사실상의 수명이며, 최근에는 냉각재 손실 후 다른 관측기로 관측을 전환하여 운용하는 경우가 많다.^[7]

3. 3. 형태에 따른 분류

수광 소자의 배치에 따라 광전 변환 소자를 단독으로 사용하는 '''단독 소자형''' 센서가 초기에는 주류를 이루었다. 그러나 최근에는 미세 가공 기술의 진보로 집적 회로화가 진전되면서, 고체 촬상 소자화된 센서(Focal Plane Array: '''FPA''')도 많아지고 있다.

촬상 소자는 일차원적으로 배치된 '''직선형'''과 이차원적으로 배치된 '''면형'''으로 나뉜다. 일차원 촬상 소자는 거울 등으로 주사하거나, 기상 위성이나 지구 관측 위성 등의 인공 위성에 탑재되는 경우 인공 위성 자체의 회전이나 이동을 통해 주사한다. 일반적으로 이차원 촬상 소자보다 일차원 촬상 소자가 더 높은 분해능을 얻을 수 있다.

4. 응용 분야

PIR 센서는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

보안 시스템: PIR 센서는 방범 경보기에 주로 사용된다. 움직임을 감지하면 릴레이를 작동시켜 경보를 울린다. 센서 배치 시에는 창문이나 HVAC 통풍구 근처를 피하는 등 제조사의 권장 사항을 따라 오작동을 방지해야 한다. 애완동물에 의한 오작동을 막기 위해 감도를 조절하거나 바닥 감지를 제외하기도 한다. PIR 기반 보안 시스템은 실외 보안 및 동작 감지 조명에도 유용하며, 낮은 전력 소비 덕분에 태양광 발전으로도 작동 가능하다.^[5]

자동 조명: PIR 기반 모션 감지기는 사람이나 동물의 움직임을 감지하여 자동으로 조명을 켜고 끄는 데 사용된다. 야간에 범죄자를 억제하거나 어두운 곳에서 편의를 제공하는 등 실용적인 목적으로 활용된다. 공중 화장실, 복도 등 자동 조명 제어가 필요한 곳에 사용되어 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다.

근적외선 카메라: 근적외선은 연기나 얇은 천을 투과하여 반대편 물체를 촬영하는 데 사용될 수 있다.^[1] 야행성 동물 촬영이나 방범 용도로 활용되며, 감시 카메라는 거리 감시, 요금소 게이트, 가정용 인터폰 등 다양한 분야에 사용된다.^[1]

열화상 장치: 원적외선 영역을 감지하는 열화상 장치는 열원(물체, 생물)을 촬영하는 데 사용된다. 외부 광원이 없어도 인식 가능하며, 온도 분포를 파악하여 열화상을 생성한다. 열선 영상 장치의 일종인 전방 감시형 적외선(FLIR) 장치가 대표적이다.

적외선 탐색 추적 시스템 (IRST): 열화상 카메라와 달리, IRST는 대상을 점 목표로 취급하여 탐색·추적한다.^[9]

기타 응용: PIR 원격 온도계는 원격 물체의 온도를 측정하는 데 사용될 수 있다.^[6]

4. 1. 자동 조명

PIR 기반 모션 감지기는 사람, 동물 또는 기타 물체의 움직임을 감지하는 데 사용된다. 이는 일반적으로 방범 경보기와 자동으로 활성화되는 조명 시스템에 사용된다.^[2]^[1]

움직임이 감지되면 PIR에 연결된 조명을 켜도록 설정할 수 있다. 이는 주로 야외에서 범죄자를 억제하거나(보안 조명) 어두운 곳에서 열쇠를 찾을 수 있도록 현관 조명을 켜는 등 실용적인 목적으로 사용된다.

추가적인 용도로는 공중 화장실, 식료품 저장실, 복도 또는 조명의 자동 제어가 유용한 모든 곳에서 사용될 수 있다. 이를 통해 조명이 필요한 경우에만 켜지며, 사용자가 해당 지역을 떠날 때 조명을 끄는 것을 기억해야 할 필요가 없으므로 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다.

4. 2. 보안 시스템

PIR 센서는 일반적으로 방범 경보기에 사용된다. PIR 센서가 움직임을 감지하면, 센서 출력 핀에서 처리되는 신호는 릴레이를 작동시킨다. 이 릴레이의 접점은 PIR 신호에 따라 닫히거나 열리며, 연결된 방범 경보 제어 패널의 감지 입력 존에 연결되어 경보를 울린다. 시스템은 평상시에는 릴레이 접점이 닫혀 있다가(NC, Normally Closed), 움직임이 감지되거나 전선이 분리되면 회로가 열려 경보가 작동하도록 설계된다.^[4]

제조사들은 오작동(침입자가 아닌 다른 요인에 의한 감지)을 방지하기 위해 센서 배치에 대한 권장 사항을 제공한다.

창문: PIR 센서가 창문 밖을 향하지 않도록 설치해야 한다. 센서가 감지하는 적외선 파장은 유리를 잘 통과하지 못하지만, 차량 헤드라이트나 햇빛과 같은 강한 적외선원은 센서를 과부하시켜 오경보를 유발할 수 있다.
HVAC 통풍구: 난방, 환기 및 에어컨(HVAC) 통풍구 근처에 PIR 센서를 설치하지 않는 것이 좋다. 통풍구에서 나오는 뜨겁거나 차가운 공기가 센서 덮개에 닿으면 플라스틱 온도가 변하여 오경보를 유발할 수 있다.

또한, 센서의 감도 임계값을 높이거나, 바닥을 감지 범위에서 제외하여 애완동물에 의한 오작동을 방지하기도 한다.

PIR 센서는 최대 10m의 범위를 가지므로, 입구가 하나뿐인 방에서는 입구 근처에 단일 감지기를 설치하는 것으로 충분하다. PIR 기반 보안 시스템은 실외 보안 및 동작 감지 조명에도 유용하며, 낮은 전력 소비 덕분에 태양광 발전으로도 작동 가능하다.^[5]

4. 3. 근적외선 카메라

근적외선은 적외선 필름이나 이미지 센서 등을 이용하여 육안으로 보이는 영상과는 다른 영상을 촬영할 수 있게 한다. 파장이 길어 가시광선에 비해 산란되기 어려운 성질을 이용, 연기나 얇은 천 등을 투과하여 반대편 물체를 촬영하는 데 사용 가능하다.^[1] 이러한 특징은 수영복을 투과하는 도촬 행위에 악용되기도 하여, 적외선에 투과되지 않는 소재를 사용한 수영복이 판매되기도 한다.^[1] 일반적으로 근적외선 카메라로 얻을 수 있는 이미지는 흑백 이미지인데, 이는 적외선 필름이나 대부분의 촬상 소자가 흑백 카메라와 유사한 구조로 다른 파장에 대응하지 않기 때문이다.^[1]

적외선은 눈에 보이지 않으므로, 야간에 피사체를 근적외선 광원으로 비춰도 피사체가 눈치채지 못하고 촬영할 수 있다는 장점이 있다.^[1] 이는 야행성 야생 동물 촬영이나 방범 용도로 상대를 자극하지 않고 촬영하는 데 유용하다.^[1] 최근 세계적인 치안 악화로, 근적외선까지 감도 분포를 갖는 CCD와 적외선 LED 조명을 사용한 감시 카메라가 거리 감시, 각종 요금소 게이트, 가정용 인터폰 등 폭넓게 이용되고 있으며, 100m 밖의 물체를 비출 수 있는 광원도 존재한다.^[1] 군사용 야간 투시경에서도 라이트나 별에서 방출되는 미세한 가시광선 외에 근적외선을 증폭하여 선명한 이미지를 얻는다.^[1]

적외선 카메라는 가시광선을 차단하는 적외선 필터를 통해 사용한다.^[1] 적외선은 가시광선에 비해 유리에 대한 굴절률도 작아 촬영 시 초점 거리를 크게 해야 하는 경우도 있어, 일부 렌즈에는 일반 광선으로 초점을 맞춘 후 적외선으로 초점을 맞추기 위한 눈금이 표시되어 있기도 하다.^[1]

4. 4. 열화상 장치

원적외선 영역을 감지하는 영상 장치를 사용하면, 열원이 되는 물체나 생물이 발산하는 원적외선을 감지하여 촬영할 수 있다. 피사체 자체가 발광체로 인식되므로, 외부 광원이 전혀 없는 상태에서도 인식할 수 있다. 원적외선은 근적외선보다 파장이 더 길기 때문에 투과성 등이 크고, 반사면의 표면이 다소 거칠더라도 반사되지만, 영상 장치로서는 매우 분해능이 낮아, 동영상을 촬영하는 경우 가시광선 카메라에 비해 잔상이 오래 남는다. 원적외선의 강도를 분석하여 온도 분포를 파악하여 표시한 이미지가 열화상이다. 일반적으로 고온 부분을 빨간색으로, 저온 부분을 파란색으로 표시하는 경우가 많다. 이를 생성하는 장치를 열선 영상 장치라고 하며, 전방 감시형 적외선(FLIR) 장치가 대표적이다.

4. 5. 적외선 탐색 추적 시스템 (IRST)

AN/AAQ-40 EOTS와 같이 FLIR와 IRST를 적절히 전환하여 사용할 수 있는 시스템도 등장하고 있다^[10]. 열화상 카메라와 달리, IRST는 대상을 점 목표로 취급하여 탐색·추적하는 장치이다^[9].

4. 6. 기타 응용

PIR 원격 온도계는 원격 물체의 온도를 측정하는 데 사용될 수 있다.^[6] 이러한 회로에서는 비차동 PIR 출력이 사용된다. 출력 신호는 관찰할 특정 유형의 물질의 IR 스펙트럼에 대한 보정에 따라 평가된다. 이러한 방식으로 비교적 정확하고 정밀한 온도 측정을 원격으로 얻을 수 있다. 관찰되는 물질 유형에 대한 보정이 없으면, PIR 온도계 장치는 온도 변화에 직접적으로 해당하는 IR 방출의 변화를 측정할 수 있지만, 실제 온도 값은 계산할 수 없다.

참조

_[1] 서적 Product Specification for PR150-1L/PR180-1L http://www.leviton.c[...] Leviton 2014-09-06
_[2] 웹사이트 How Infrared motion detector components work http://www.glolab.co[...] Glolab Corporation
_[3] 웹사이트 PIR sensor technology http://www.ecosirius[...] 2014-02-01
_[4] 웹사이트 PIR Sensor Output Pulse Generation https://commons.wiki[...]
_[5] 웹사이트 Passive Infrared Sensors: A Brief Overview https://www.inhomesa[...] In Home Safety Guide 2016-05-06
_[6] 논문 Pyroelectric infrared sensor-based thermometer for monitoring indoor objects 2003-12
_[7] 서적 兵器と防衛技術シリーズ2 防衛用ITのすべて防衛技術協会
_[8] 웹사이트 MEMSマテリアルの最新技術 https://books.google[...] 2010-08-30
_[9] 서적 電子戦の技術拡充編東京電機大学出版局
_[10] 웹사이트 F-35 LIGHTNING II EOTS - Superior Targeting Capability http://www.lockheedm[...] 2016-01-02
_[11] 웹인용 Passive Infrared Sensors: A Brief Overview https://www.inhomesa[...] In Home Safety Guide 2016-05-06

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