새로운 배움 — 홀 효과(Hall Effect) — Part 3
Zurich Instruments사의 홀 효과 측정용 Lock-In Amplifier의 강점
홀 효과를 공부하면서, 필연적으로 Lock-In Amplifier라는 장비의 우수성에 대해 다시 한번 더 상기하게 되었다. 동시에 Zurich Instruments라는 회사가 정말로 전자 측정 및 계측 업계에서 엄청난 강자라는 생각을 다시 한번 더 하게 되었다. 홀 효과와 이 현상을 측정함에 있어, 이 회사의 장비가 어떠한 강점을 갖는지에 대한 내용을 학습 중 부가적으로 접할 기회가 많았다. 굳이 이를 글로써서 다루어야하나 싶었지만, 그래도 전자공학에서 내가 가장 관심있는 분야인 디지털 신호 처리 영역에서 가장 잘 나가는 회사와, 그 회사의 대표적인 기술에 대해 배우는 것은 충분히 가치있는 일이라는 생각이들었다.
그래서 이번 글에서는 Zurich Instruments사의 MFLI라는 시그니쳐 Lock-In Amplifier장비가 어떠한 장점을 갖는지, 또 이 장비를 사용해 홀 효과 현상을 어떻게 효과적으로 측정할 수 있는지에 대해 간략하게 정리해 보기로했다.
홀 효과 측정에 있어 MFLI사용의 강점
높은 정밀도: 매우 작은 신호까지 추출 가능
홀 효과의 측정은 소음에 묻힌 작은 신호를 얼마나 정확하게 측정할 수 있느냐에 달려있다. 홀 효과의 전형적인 저항은 100Ω 혹은 그 이하이다. 20nA 정도의 전류를 통해 이는 몇 uV 정도의 물질 샘플 전압인 Vxx와 몇 백 uV 정도의 홀 전압 Vxy를 발생시킨다. SNR을 증가시키기 위해 Pre-amplifier는 매우 좋은 도구가 될 수 있다. Broadband 소음의 증폭 및 필터링을 통해 SNR을 증가시킬 수 있기 때문이다. 두 전압의 측정은 자기장의 모든 영역을 커버하기 위해 MFLI의 높은 동적 범위를 필요로한다. 이는 신호의 작은 부분까지 캡쳐하기위해 필수적인 요소이다.
효과적 소음 제거: SNR 최대화
효과적인 소음 제거는 높은 SNR을 얻기 위해 매우 중요하다. MFLI는 8차원 필터를 내장하여 측정된 신호에서 수백배 더 큰 규모의 소음까지 제거할 수 있다. 이는 측정 속도 및 정확도를 최적화하기위한 충분한 공백을 제공한다. 또한, 저온에서 측정이 이루어질 경우, Lock-In 입력에서 발생하는 소음이 샘플의 전기적 온도에 영향을 주고 전체 소음을 증가시킬 수 있다. MFLI는 시장에 존재하는 동류의 제품들 중 가장 낮은 전력 산일(dissipation) 성질을 보여주어 가장 경쟁력 있는 솔루션으로 평가받고 있다. 따라서, 장비는 필터링 시간 상수가 짧다. 또한, 짧게는 하루에서 길게는 한 주 단위로 걸릴 수 있는 측정 시간을 10분의 1 정도로 줄일 수 있게 해주어, 효과적인 소음 제거를 가능하게 하고 측정을 빠르게할 수 있게한다.
높은 정확도: 고성능 전류 감지
전류 IR을 상수로 가정할 수 없는 상황을 가정한다. 즉, 전류가 가변적이라고 가정하자. 이때, 전류 IR을 정확하게 측정하여 정확한 저항값을 측정할 수 있어야하고, 장비의 시스템적 에러를 최대 10%까지 피할 수 있어야한다. 장비가 지원하는 MF-MD 옵션을 통해 하나의 Lock-In Amplifier 장비로 이러한 문제를 해결하고, 전류와 홀 전압을 동시에 측정할 수 있다. 사용자에게는 여러 장비를 사용하지 않아도되니 실험 환경을 준비하고 측정을 수행하는것이 더 용이할 수 밖에 없다.
효율적인 Workflow: LabOne 소프트웨어의 활용
LabOne은 MFLI 장비의 기능을 최대한 효율적으로 활용할 수 있고, 그에 걸맞는 효율적인 workflow를 구성할 수 있도록 지원하는 소프트웨어이다. 직관적인 유저 인터페이스는 유저에게 실험 결과를 빠르게 열람할 수 있도록 해주며, 취득한 데이터에 대한 깊고 넓은 분석을 할 수 있는 다양한 기능 및 도구를 지원한다. 예를 들어, 입력 신호를 Oscilloscope로 직접 받아 데이터를 기록하고, 복조된 출력 신호는 Plotter(스펙트럼 분석기)를 활용해 시간/주파수 범위에서 시각화될 수 있다.
만약 측정 환경이 하나 이상의 장비를 필요로 할 경우, MDS(Multi-Device Synchronization) 기능을 활용할 수 있다. MDS는 모든 장비의 참조 클락을 동기화하고, 기록된 데이터의 timestamp를 정렬할 수 있게 해준다. 이러한 측정은 LabOne 유저 인터페이스의 한번의 세션으로 수행할 수 있다.
만약 측정을 자동화해야할 필요가 있거나, 현재 구성한 실험 환경에 MFLI를 설치해야할 경우, LabOne API를 활용해 LabView, Matlab, Python, .NET(C#) 혹은 C 등의 프로그램 및 언어와 연동할 수 있다.
결론: 홀 효과 측정에 있어 매우 유용한 MFLI
오늘날 홀 효과 측정은 거의 모든 연구분야와 많은 산업용 어플리케이션에서 범용적으로 활용되고 있다. 대부분의 경우, Lock-In Amplifier의 AC 측정 방식을 활용해 최적화된 소음 제거 기법으로 높은 정확도와 SNR을 얻을 수 있다.
Zurich Instruments사의 MFLI는 최신 기술의 하드웨어 및 소프트웨어를 내장한 Lock-In Amplifier로써, 고성능의 디지털 신호 처리 기법과 쉬운 사용법을 자랑한다. 설정된 주파수에서 홀 전압을 측정하는 단순한 측정부터, 여러 장비를 활용하여 복잡한 실험 환경을 준비하는 것까지 MFLI를 활용해 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, DC 상에서 주파수를 500 kHz에서 5 MHz로 증가시키거나, 3개의 복조기를 추가해 입력 전압과 입력 전류를 동시에 정확하게 측정할 수 있다. 이러한 가변적인 환경에서도 정밀도 높은 측정이 가능한 MFLI는 분명 신호 측정 작업을 수행 함에 있어 현실에서 찾을 수 있는 가장 좋은 솔루션 중 하나일 수 밖에 없다.
참조:
