◎ 미리생각해보기

핸드폰이나 태블릿의 일부 플립 커버를 열고 닫을 때 자동으로 화면이 ON/OFF되는 경우를 볼 수 있습니다. 이는 어떤 원리로 작동되는 것일까요?
바로 홀 센서가 탑재되어 있기 때문입니다. 홀센서는 자기장의 세기에 따라 전압이 변하는 소자로서 홀효과를 이용합니다. 홀효과는 도체에 전류가 흐르고 있을 때 전류방향과 수직으로 자기장이 형성되었을 때, 도체 내부에서 전류와 수직으로 전기장이 발생하는 현상입니다. 즉, 플립 커버가 열릴 때 자기장으로 인해 전위차가 발생하고 홀센서가 그것을 감지하여 화면을 켜게 되는 것입니다.

◎ 실험 전 주의사항!

1. 실험에 포함된 작은 부품이나 시약 등은 삼키지 않도록 주의합니다.

2. 실험에 포함된 준비물은 실험 외 다른 용도로 절대 사용하지 않도록 합니다.

3. 실험용 도구와 시약으로 절대 장난치지 않도록 합니다.

4. 날카로운 도구를 사용할 때는 다치지 않도록 주의합니다.

5. 실험 후에는 주변 지역을 정리하고 손을 깨끗이 씻습니다.

◎ 실험 전 반드시 확인하기!

반드시 회로도와 동일하게 회로를 구성하세요.

홀센서의 정확한 작동 법을 알기 위해 N극과 S극을 구분할 수 있는 막대자석을 준비하는 것이 좋습니다.

회로를 만든 후 작동을 확인해보고 헬리콥터를 완성하세요.

1. 회로도와 동일하게 회로를 구성하세요.

(주의! 전자부품을 연결하기 전에 탭 전선을 커넥터 하우징에 알맞게 밀어 넣어줍니다.)

(주의! LED의 긴 다리가 빨간색 전선을 향하도록 주의합니다.)

(주의! 스위치는 3개의 다리 중 2개의 다리만 꽂아줍니다.)

2. 제공된 자석의 극을 바꾸어 가며 홀센서 가까이에 가지고가 회로의 작동을 확인합니다. (주의! 준비한 막대자석을 이용하여 제공된 원형자석의 극을 구분하도록 합니다.)	3. 1/3정도의 길이를 잘라 낸 연결캡을 프로펠러 도안의 타공에 끼워줍니다.

4. 스위치 도안을 떼어내고 자석을 넣은 후, 양면테이프를 이용하여 스위치를 완성합니다.

(주의! 양면테이프가 붙여지지 않는 도안에 자석을 위치하도록 합니다.)

5. 도안을 떼어낸 후 LED와 스위치를 회로에서 빼내어 알맞은 자리에 끼워주고, 홀센서는 홀센서     에 쓰여있는 숫자면이 아래를 향하도록 부착합니다.

모터를 알맞은 위치에 배치하고 투명테이프로 고정합니다.

(주의! LED의 긴 다리가 빨간색 전선을 향하도록 주의합니다.)

(주의! 모터가 도안과 떨어지지 않도록 단단히 고정합니다.)

◎ 실험방법

SZ-F-R-005(Rev.3)                                                                                                      호기심의 시작 사이언스존                                                                                                     A4(210mm ×297mm)

6. 부착면의 번호를 확인하여 몸체를 완성합니다. 모터에 3번에서 만든 연결캡을 끼워줍니다.

의! 모터에 양면테이프를 붙여 연결캡의 고정력이 높아지도록 해줍니다.)

7. 꼬리와 다리를 알맞은 곳에 붙여 홀리콥터를 완성하고 자석의 극을 바꾸어가며 스위치를 홀센서에 가까이 가져가 봅니다.

<완 성>

◎ 실험결과 및 생각해보기

1.  자석의 극에 따라 LED와 모터가 작동하는 이유는 무엇일까요?

⇒ 회로 내의 홀센서(자기센서의 한 종류) 때문입니다.

2. 홀센서가 활용되는 실생활의 예에 대해 이야기해봅니다.

1) 자동차 엔진

자동차 엔진에서는 시그널 출력이 사인파로 나타나는 마그네틱 센서나 시그널 출력이 디지털이지만 부피가 큰 옵티컬 타입센서보다 디지털 출력이 가능하고 부피가 작은 홀센서를 입력축이나 출력축의 회전수, 자동차의 속도를 확인하기 위하여 사용됩니다.

2) 세탁기 빨래량 측정

모터에 달린 홀센서를 이용하여 전원이 공급 되다가 전원이 끊어지는 순간 원심력이 얼마나 발생하나를 판단하여 빨래의 무게를 측정합니다. 빨래량이 많으면 모터가 최초 좌우로 돌때 전원이 끊어짐과 동시에 빨래판이 정지하며, 빨래량이 적을 때에는 모터가 전원을 끊는 순간에도 빨래판이 원심력에 의해 조금 돌아가게 됩니다. 이때, 홀센서에서 발생되는 전압의 차에 의해 빨래량을 감지하게 되고, 이 때의 전압의 차만큼 물을 공급해 주어 적정 수준의 물이 세탁기 안에 공급되도록 해줍니다.

3) 디지털 카메라

Hall element의 위치에서 측정된 개체의 변위에 비례하는 자속 밀도의 변화로 인해서 홀센서의 출력전압이 변화하게 됩니다. Hall sensor는 물체에 직접적인 접촉이 없기 때문에 접촉에 의한 마찰을 줄일 수 있고, 광 디바이스 보다 먼지와 같은 미세 입자에 대한 저항력을 가지고 있고 소형화가 가능합니다. 그렇기 때문에, 이를 이용하여서 디지털 카메라의 손 움직임 보상, lens units, zooming 기능, AF 기능 등을 홀센서를 이용하여 실현 시키고 있습니다.

4) Switch on/off

홀센서를 이용하여서 문을 열었을 때, 불이 자동적으로 들어오게 하고, 문을 닫았을 때는 불이 자동적으로 꺼지게 할 수 있습니다. Hall effect sensor와 문에 붙어 있는 자석과의 전기장 크기에 의해서 홀센서에 의해 발생되는 전압의 크기가 변화합니다. 이 전압 크기가 일정 수준이상이면 불이 들어오게 되는 원리입니다.

◎ 원리이해

1. 홀효과(hall effect)

홀효과란 전류와 이에 직교하는 자기장이 존재할 경우, 양쪽에 직각 방향으로 기전력이 발생하는 현상입니다. 도체에 전류를 흘리고 전류와 수직인 방향으로 자계를 가하면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 전류와 자계 양쪽으로 직각인 방향으로 로렌츠의 힘을 받아 하진 캐리어는 편향됩니다. 도체 편에서는 전류와 자계의 양쪽으로 직각인 방향으로 기전력이 생기고, 양옆의 중앙 점에 설치한 전극에서 홀 전압으로서 꺼낼 수가 있습니다. 이 홀 효과는 미국의 Johns Hopkins 대학의 대학원생 Edwin Herbert Hall에 의해 1879년에 발견되었습니다. 홀 효과는 캐리어의 종류의 판별이나 캐리어 농도, 캐리어 이동도의 산출 등 고체의 물리적 성질 측정이라든가, 홀 소자, 자기저항 소자 등의 자기센서에 응용되고 있습니다.

2. 홀센서(hall sensor)

2-1. 자기센서

자계의 세기 등 자기적인 양을 검지하여 전기적인 양으로 변환하기 위해 사용하는 부품. 홀 소자나 자기 저항 소자 등을 사용합니다. 최근에는 조셉슨 효과를 이용한 것도 있으며, 또 광섬유를 사용한 자기 센서도 연구되고 있습니다.

2-2. 홀센서

홀 센서는 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어 주면 전류와 자기장에 수직 방향으로 전압이 발생하는 홀 효과를 이용하여 자기장의 방향과 크기를 알아냅니다. 이때 발생된 전압은 전류차가 발생하는 효과를 이용하는 센서입니다. 이때 발생된 전압은 전류와 자장의 세기에 비례하며, 전류가 일정할 경우 자장의 세기에 비례하는 출력을 발생하지만 전압이 약하기 때문에 증폭하여 사용합니다.

2-3. 홀센서의 활용

1) 자동차 엔진: 회전수, 자동차 속도를 확인하기 위한 센서입니다.

2) 세탁기 빨래량 측정: 원심력을 바탕으로 홀센서의 전압의 차에 의해 빨래량을 감지하여 적정수준의 물이 세탁기 안으로 공급되도록 합니다.

3) 디지털 카메라: 센서의 크기가 작아 소형화가 가능하므로, 손 움직임 보상, 줌, AF기능에 홀센서를 사용합니다.

4) switch on/off: 플립 케이스에 기본적인 원리로써 문에 붙어 있는 자석과의 전기장 크기에 의해서 발생되는 전압의 크기가 변화하고 이 전압 크기가 일정 수준 이상이면 불이 들어옵니다.

학습목표

홀효과와 홀센서(자기센서)를 이해하고,

홀센서를 이용한 헬리콥터를 만들어봅니다.

실험날짜          년      월      일

학년   반    이름 :

핸드폰이나 태블릿의 일부 플립 커버를 열고 닫을 때 자동으로 화면이 ON/OFF되는 경우를 볼 수 있습니다. 이는 어떤 원리로 작동되는 것일까요?

◎ 미리생각해보기

9V건전지 1개, 스냅 1개, 홀센서 1개, 4구커넥터 1개, 3구커넥터 1개, 2구 커넥터(전선有) 1개, 저항(1kΩ) 1개, 저전류모터 1개, LED(7색) 1개,연결캡(2Φ) 4개, 연결캡(2.5Φ) 1개, 스위치 1개, 양쪽탭전선(검정) 2개, 한쪽탭전선(검정) 1개, 한쪽탭전선(빨강) 1개, 페라이트자석(15Φ) 1개, 도안 1장, 양면테이프

(직접준비하세요! 가위, 막대자석)

◎ 실험준비물

1.  자석의 극에 따라 LED와 모터가 작동하는 이유는 무엇일까요?

2. 홀센서가 활용되는 실생활의 예에 대해 이야기해봅니다.

◎ 실험결과 및 생각해보기

◎ 새롭게 알게 된 사실

◎ 느낀점