관성, inertia, '물체가 외부 힘을 받지 않는 한 정지 또는 운동의 상태를 지속하려는 성질'을 일컬으며, 한문으로는 '慣(익숙할 관)性', 즉 바로 직전 상태의 연장선으로 익숙한 성질입니다. 달리는 오토바이가 장애물 등에 의해 급정거, 혹은 충돌을 하게 되면, 오토바이를 타고 있던 사람이나 실려있던 물건은 정지 직전의 속도를 유지하려는 성질, 즉 관성이 있기에 앞쪽으로 튕겨나가게 되죠.
물이 담겨있는 컵 위에 종이를 놓고, 종이 위에 동전을 올려놓은 다음에 종이를 빠른 속도로 당겨서 빼내면 동전은 관성에 의해 컵 안의 물 속으로 떨어지는 것도 동일한 현상입니다. 이와같이 질량을 가진 물체 등이 본래에 유지하고 있던 운동 상태가 변할 때 이에 저항하려는 경향을 지님을 '관성의 법칙'으로 정의하며, 이는 뉴턴의 온동법칙에서 '제 1법칙'이기도 합니다.
뉴턴의 운동 법칙에서 제 2법칙은 '가속도의 법칙', 제 3법칙은 '작용과 반작용의 법칙'으로 알려져 있죠. 제 1법칙인 '관성의 법칙'은 물체의 질량 중심이 외부로부터의 힘이 작용하여도 원래의 속도를 유지하려고 하는 현상이며, 제 2법직, 즉 '가속도의 법칙'은 물체의 질량과 가속도의 곱은 그 물체에 작용하는 힘과 같음, 혹은 물체에 힘이 작용할 경우 그 물체의 속도가 변하며, 이 때 발생하는 가속도의 크기는 질량을 비례 계수로 하여 작용한 힘의 크기에 비례함으로 풀어쓸 수 있습니다. 이는 뒤에 설명한 가속도 센서의 동작 원리가 되죠. 제 3법칙인 '작용 반작용의 법칙'은 물체가 또 다른 물체에 의해 힘을 받게 되면, 또 힘을 받은 물체는 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 동시에 발생시킨다고 표현할 수가 있습니다.
관성의 원리와 메카니즘을 이용하면 물체의 움직임, 즉 가속도와 각속도 등을 측정할 수가 있으며, 이와같이 관성을 이용하여 물리량을 측정하는 가속도-각속도-(지자기) 복합 센서를 관성 측정 장치, inertial measurement unit (IMU)이라 부릅니다.
관성 측정 장치에 방위를 측정할 수 있는 자기장 센서(나침반), 그리고 고도계까지 더해지면 4종 10개 센서로 10개의 자유도(Degree of Freedom, Dof)를 갖는 완벽한 모션-위치 측정 및 추적 센세 시스템이 완성됩니다. 즉, 물체 혹은 물체를 탑재, 보유한 모빌리티나 사람의 움직임에 대한 모든 정보를 얻을 수가 있죠.
이러한 관성 측정 장치(IMU)는 MEMS 기술의 도입을 통하여, 무게와 부피, 소비 전력, 성능과 가격 등을 극도로 개선시킬 수 있으며 따라서 웨어러블 기기, 스마튼 폰부터 탈 것들에 이르기까지 그 응용 범위의 무한 확장이 가능합니다.다만 각속도 측정 등에서 볼 때 광섬유나 링레이저 등과 같은 정확도면에서 한발 앞서는 기술들이 존재하지만 MEMS 기술의 꾸준한 발달로 MEMS형 관성 측정 장치의 성능 개선 또한 꾸준하게 이루어지고 있습니다.
현재 MEMS형 관성 측정 장치의 적용 범위는 가전, 산업 영역으로부터 국방 영역까지 확장되었으며 특히 움직이는 아이템들을 대상으로 발전과 적용 속도는 매우 빠릅니다.
3축 가속도와 각속도 센서들은 동일한 칩 위에도 제작이 가능하여 단일칩 패키징은 물론, 가속도와 각속도 센서들을 별도의 칩으로 제작하여 함께 패키징을 하는 투칩 원패키지도 생산되고 있죠. 이에 더하여 나침반으로 사용되는 자기 센서와 고도계용 압력(기압) 센서들까지 함께 패키징을 한 멀티칩 원패키지 구조도 일반화되어 있습니다.
동시에 검출되는 가속도, 각속도, 방위, 고도 관련 신호들은 보상, 증폭 그리고 퓨전화되어서 가치있는 데이타를 제공하고, 또한 통신칩까지 내장될 경우 외부로의 자율적 전송이 가능하죠. 물론 온도와 습도 센서 등 신호 보정을 위한 부가 센서들도 함께 탑재가 되며 여기에 에너지의 자율 공급을 위한 태양 전지 등의 에너지 하베스터 관련 부품들도 집적화 혹은 하이브리드화 될 수가 있습니다.
관성 측정 장치의 시장은 MEMS 기술의 발전과 응용 분야의 확장을 통하여 연평균 성장률이 5 ~ 10% 이상으로 증가하고 있으며, 2020년도에 34억불 규모에서 2027년도에는 48억불 규모까지 상향될 것으로 예측하고 있습니다. 물론 이러한 시장 예측에 걸맞게 관련 기업들도 속속 등장, 시장에 뛰어들고 있죠.
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