유리문 앞에서 멈춰 선 사람 — 자동문은 무엇을 보고 여는가

여름 오후 두 시, 편의점 유리문 앞에서 누군가 서 있습니다. 손을 흔들지는 않고, 발은 반쯤 들어 올린 채 멈춰 있습니다. 문은 열리지 않습니다. 안쪽에서 직원이 손을 들어 인사를 하자 그제야 문이 스르륵 밀립니다. 같은 자리에 서 있는데 왜 어떤 때는 열리고 어떤 때는 열리지 않을까요.

'사람이 있으면 연다'는 설명은 어디까지 맞나

가장 흔한 설명은 '자동문 위에 달린 적외선 센서가 사람 몸에서 나오는 열을 감지해서 연다'입니다. 절반은 맞습니다. 문 위에 붙은 하얀 반투명 창 아래에 있는 소자는 실제로 8~14마이크로미터(micrometer, 100만분의 1미터)의 원적외선을 받아 전압을 만듭니다. 사람 피부온도 약 33도의 물체가 방출하는 복사 에너지는 이 파장대에 몰려 있고, 여름철 아스팔트나 유리벽도 비슷한 온도라서 이 대역만 걸러 받으면 '따뜻한 것'과 '사람'을 대충 구분할 수 있습니다.

그런데 이 설명대로라면 가만히 서 있는 사람은 더 크게 감지되어야 합니다. 실제는 그 반대에 가깝습니다. 적외선만 보는 문은 정지한 사람에게 종종 잠깐 열렸다가 서비스 시간(보통 몇 초)이 끝나면 닫힙니다. 문을 실제로 여는 신호는 '온도'가 아니라 '온도가 바뀌는 순간'입니다.

온도 차이 4도가 만드는 신호의 크기

숫자로 확인해 봅시다. 37도의 피부를 가정하고 플랑크 법칙으로 8~14마이크로미터 대역의 복사 휘도를 적분하면 약 200W/(m²·sr)입니다. 흔히 말하는 '체온 33도'는 피부 표면 기준인데, 그 경우 같은 대역이 약 189W/(m²·sr)로 5.6퍼센트 줄어듭니다. 반대로 36.85도와 33도 사이의 차이는 같은 대역에서 겨우 5퍼센트 남짓입니다. 즉 사람이 손을 흔들든 가만히 서 있든 '총량'은 거의 같습니다.

사람이 낼 수 있는 신호를 키우려면 온도를 올리는 수밖에 없는데, 피부온도는 조금만 올라도 땀이 나고 체온은 거의 변하지 않습니다. 그래서 센서 설계자들은 다른 길을 택했습니다. 신호의 크기 대신 신호의 '변화'를 증폭하는 것입니다. 5퍼센트의 차이도 0.2초 만에 5퍼센트에서 0퍼센트로 떨어지면 검출기에는 확실한 파형으로 보입니다.

감지창 앞면의 렌즈 모양을 살핀 흔한 실내용 수동 적외선 감지기 — Jack LaRosa, Public domain (Wikimedia Commons)

프레넬 렌즈가 시야를 '칸칸이' 자르는 이유

문 위 하얀 창은 단순한 덮개가 아니라 프레넬 렌즈(Fresnel lens, 렌즈 두께를 줄이려고 동심원 홈을 낸 렌즈)입니다. 이 렌즈는 둥근 시야를 하나의 부드러운 상으로 맺지 않고, 수십 개의 좁은 빔으로 잘라서 검출기에 나눠 보냅니다. 그래서 감지 영역은 매끄러운 천장 조명이 아니라 손가락을 편 부채처럼 여러 칸의 '감시 구역'이 됩니다.

검출기 안에는 초전 효과(pyroelectric effect, 온도가 변할 때 결정 표면에 전하가 생기는 현상)를 쓰는 얇은 소자 두 개가 반대 극성으로 붙어 있습니다. 두 소자는 서로의 출력을 빼도록 연결되어 있어서 주변 온도가 서서히 오르내리는 일은 상쇄됩니다. 하지만 한 칸에서 다른 칸으로 열원이 옮겨가면 두 소자 사이의 차이만 남아 증폭되고, 회로는 그 순간을 '문 앞에 뭔가 지나갔다'로 읽습니다. 움직이는 물체가 필요한 이유가 여기에 있습니다.

문 위의 도플러 센서와 '손 흔들기'가 통하는 조건

유리문을 끼운 상업용 자동문은 대개 적외선 센서와 함께 마이크로파 도플러 센서를 답니다. 24GHz 안팎의 전파를 문 앞에 쏘고 반사파의 진동수를 비교하면, 다가오는 사람은 물결이 압축되어 진동수가 높아지고 멀어지는 사람은 낮아집니다. 문은 이 두 신호를 함께 보고 판단합니다.

그래서 '손을 흔들면 열린다'는 것도 조건부입니다. 손을 감지 구역 안에서 움직여야 하고, 두 센서의 시야가 겹치는 높이(보통 가슴에서 머리 사이)에 있어야 합니다. 바닥에 앉아 있거나 문에서 아주 낮은 자세로 접근하면 빔 사이를 지나가거나 겹치는 구역이 줄어들어 문이 열리지 않습니다. 아이를 키우는 집이나 휠체어를 쓰는 사람이 자동문 앞에서 답답함을 겪는다는 이야기는 감도 설정이 아니라 이 시야의 기하학에서 비롯되는 경우가 많습니다.

유리문이 안 열리는 세 번째 이유 — 차폐와 여름철

여름철 오작동과 미작동의 절반은 온도가 아니라 빛입니다. 강한 햇빛이 유리문에 반사되면 도플러 센서의 수신기가 센 전파를 받아 문이 저절로 열리기도 하고, 반대로 문 앞 사람의 반사파가 햇빛 속에 묻혀 사라지기도 합니다. 또 두 겹으로 붙인 로이유리(low-emissivity glass, 열반사를 막는 금속 박막 코팅 유리)는 원적외선을 문 밖으로 되돌려 보내지 못하고 흡수합니다. 사람의 복사열이 유리에 막히듯 가려지면 적외선 센서의 신호는 5퍼센트에서 몇 퍼센트로 더 줄어듭니다.

여기에 문틀 안쪽에 금속판을 붙인 리모델링, 센서 앞에 장식 화분이나 에어컨 바람이 지나가는 간판을 세우는 것도 같은 효과를 냅니다. 센서 앞쪽 시야에 뜨거운 공기 흐름이 끊임없이 오가면 이번에는 반대로 '계속 움직임이 있다'고 읽혀 문이 열린 채 닫히지 않습니다. 같은 장치가 두 방향으로 틀릴 수 있다는 점이 이 감지 방식의 한계입니다.

움직임에 반응했을 때 빨간 표시가 켜지는 수동 적외선 센서 — Geom, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

이 설명이 틀리는 경우

초음파 센서를 쓰는 문에는 위의 이야기가 거의 들어맞지 않습니다. 공기의 압력을 내보내 돌아오는 시간을 재는 방식이라 빛과 유리 코팅의 영향을 받지 않지만, 대신 강한 바람이나 문 옆 커다란 옷걸이가 움직여도 반응하고, 반대로 사람의 옷이 소리를 흡수하면 감지가 늦어집니다. 또 카메라와 영상 인식으로 사람을 판별하는 문은 온도나 움직임이 아니라 모양을 보므로, 이 글의 온도 계산과는 무관하게 동작합니다.

그리고 문이 '닫히는' 과정은 별개의 문제입니다. 열림에는 사람 감지 센서가, 닫힘에는 문 앞 바닥에 띠 모양으로 깔린 별도의 근접 센서가 관여합니다. 문틈에 다리를 넣는 순간 문이 다시 열리는 것은 위쪽 센서가 아니라 이 바닥 센서가 반응한 결과입니다.

생활에서 이 원리를 적용하는 판단

첫째, 자동문이 안 열리면 손을 흔드는 것보다 제자리에서 몸을 조금 움직이며 옆으로 반 걸음을 옮겨 보는 편이 빠릅니다. 빔과 빔 사이를 가로지르게 만드는 것이 감지의 핵심이기 때문입니다. 둘째, 감지기가 유리에 반사된 햇빛을 향하고 있다면 문 앞보다 설치 각도를 의심해야 합니다. 바닥에서 5분쯤 손을 든 채로 서서 열리지 않는다면 사람이 문제가 아니라 센서 시야가 문제입니다.

셋째, 자동문 옆에 큰 화분이나 광고 입간판을 놓을 때는 감지창이 보는 방향을 먼저 확인하세요. 물건을 하나 옮겼을 뿐인데 문이 너무 자주 열리고 닫힌다면, 온도나 습도가 아니라 그 물건이 센서 앞 시야에서 계속 뜨거운 공기나 움직임을 만들고 있을 가능성이 큽니다.

독자에게

혹시 지금까지 한 번도 열린 적 없는 자동문 앞에서 일부러 손을 흔들어 본 적이 있나요? 그 문 앞에서 문이 열리지 않았을 때, 여러분은 무엇이 문제라고 짐작하셨는지 궁금합니다. 센서인지 사람인지 유리인지, 혹은 그저 문이 늦게 반응한 것인지 말이죠.

참고 자료

· 플랑크 법칙을 이용한 8~14마이크로미터 대역 복사 휘도 계산(본문 수치는 300~313K 구간 단순 적분, 스테판-볼츠만 법칙으로 전 온도 복사 기준 약 37도 890W, 33도 844W)
· Wikimedia Commons: File:Front-Fresnel type.JPG (Jack LaRosa, Public domain), File:PIR Sensor Visonic Next+MCW.jpg (Geom, CC BY-SA 4.0)
· 초전 효과와 프레넬 렌즈를 이용한 수동 적외선 감지의 일반 원리는 여러 센서 제조사 기술 자료에서 공통으로 설명되는 내용을 정리했습니다.