오랜만에 <반이아빠의 장난감 속 반도체>가 돌아왔습니다! 무려 10개월 만이네요. 정말 반갑습니다!


그동안 반이아빠는 무척 바빴답니다. 반이아빠의 회사가 이전했기 때문이지요. 새로운 조직도 구성되었고, 업무도 많이 늘었습니다. 아빠의 회사를 따라 반이네도 이사를 하였습니다. 집에서 회사에서 반이아빠는 눈코 뜰 새 없이 바쁜 나날의 연속이었습니다. 그래도 반이와 찬이 형제는 10개월 동안 큰 탈 없이 무럭무럭 자라주었습니다.


그러던 중 반이에게는 놀이방이 생겼습니다. 반이는 친가에서는 장손, 외가에서는 맏손자입니다. 그간 과분하게 많은 장난감 선물을 받아 왔는데요, 반이의 엄마아빠는 집이 좁아서 너무 어려서 가지고 놀기 어려운 장난감들을 상자에 차곡차곡 담아 보관해 왔습니다. 그리고 이번에 놀이방을 꾸며주면서 장난감들을 대폭 방출해주었네요.


그간 반이도 많이 커서, 한두 번 보고 어려워서 싫증 냈던 장난감들 중 흥미를 보이는 것들이 있습니다. 요즘은 그중 ‘뽀로로 컴퓨터’에 강한 관심을 갖네요. 뽀로로 컴퓨터는 한글, 영어, 숫자, 창의력 놀이 등으로 구성되어 있습니다. 아빠가 사용하는 노트북처럼 키보드와 앙증맞은 마우스 등, 있을 것은 다 있고요. 아빠의 바람은 아빠가 노트북을 사용할 때 반이와 찬이는 뽀로로 컴퓨터를 가지고 노는 것입니다. 하지만 아빠가 노트북을 펴는 순간 두 형제는 힘을 합쳐 아빠를 방해합니다. 자기들 장난감은 뒷전이고 아빠 노트북의 키보드를 두들기며 놉니다. 아빠는 하는 수 없이 노트북을 넘겨주고 뽀로로 컴퓨터를 관찰합니다.


뽀로로 컴퓨터건 아빠의 노트북이건 기본 구성은 같습니다. 크게 입력 장치, 연산 장치, 출력 장치, 이렇게 세 가지로 나눌 수 있습니다.




두 기기 모두 내부에 중앙처리장치인 CPU (Central Processing Unit)와 메모리의 일종인 RAM (Random Access Memory) 등의 연산 장치를 갖고 있습니다. 입력장치에는 공통적으로 키보드, 마우스가 있고, 출력장치에는 공통적으로 모니터와 스피커가 달려 있습니다. 뽀로로 컴퓨터에는 CDU 중앙 댄스장치가 하나 더 있네요. 엔터키를 누를 때마다 뽀로로가 춤을 추거든요. (^_^)


입력장치 중 특히 키보드는 아빠의 노트북이나 뽀로로 컴퓨터나 배열이나 기능이 거의 같습니다. 키보드는 마우스보다 오래전부터 컴퓨터의 입력장치로 사용해 왔습니다. 애초에 키보드가 쓰이기 이전에 존재했던 타자기의 자판 배열을 따 왔습니다. 이를 쿼티(Qwerty) 배열이라고 하는데요, 독자 여러분이 쓰시는 키보드의 배열도 아마 99% 이 배열일 것입니다.


▲ Qwerty 배열

사진출처 : 다음백과사전 http://100.daum.net/encyclopedia/view/55XXXXX17895


이 배열의 유래는 타자기 시대 때로 거슬러 올라갑니다. 타자기로 타자를 빨리 치는 경우 활자를 찍는 막대가 서로 엉키지 않게 하기 위해 자주 쓰이는 알파벳이 가급적 분산되도록 배치했다고 합니다. 그것을 사람들이 익숙하게 사용해 온 것이 이어져 지금은 굳이 바꿀 필요성을 느끼지 못하는 것이지요.


한편, 다른 배열로 드보락(Dvorak) 배열이 있습니다. 이 배열의 특징은 모음 a, e, i, o, u가 가운데 줄에 몰려 있고, 많이 쓰는 자음도 가운데 쪽으로 배치되어 있습니다. 타자 속도를 높이기 위해 고안된 것입니다. 개발자인 드보락의 이름을 따서 지어졌으며, 1936년 개발되어 1982년 미국 표준 협회(ANSI)에서 Qwerty 키보드의 대체 표준으로 채택하였으나 Qwerty처럼 많이 보급되어 있지 않습니다.


▲ Dvorak 배열

사진출처 : 다음백과사전 http://100.daum.net/encyclopedia/view/55XXXXXX9365


이번엔 한글 배열을 한번 살펴볼까요?


▲ 두벌식 자판

사진출처 : 위키백과 https://ko.wikipedia.org


영어의 Qwerty처럼 한글 자판 배열의 표준이며 가장 많은 사람이 쓰고 있는 두벌식 자판입니다. 자음을 좌측에 모음을 우측에 배열했다는 특징이 있습니다.


▲ 공병우 세벌식 자판

사진출처 : 위키백과 https://ko.wikipedia.org


세벌식 자판 가운데 가장 유명한 공병우 세벌식 자판입니다. 첫소리를 오른손 자리, 가운뎃 소리(홀소리)를 왼손 자리의 오른쪽, 끝소리(받침)를 맨 왼쪽 두는 배열 방식을 기본 특징으로 한다고 합니다. 세벌식은 익숙해지면 타자 속도가 두벌식보다 빠르고 피로감이 적다고 합니다만, 숫자배열까지 손가락을 이동하는 단점이 있습니다.


영어의 Qwerty 배열과 마찬가지로 한글 두벌식에 익숙해진 사람들은 세벌식의 장점에도 불구하고 공들여 바꾸려고 하지 않았습니다. 세 살 버릇이 여든까지 간다고 습관이 쉽게 바뀌긴 어렵겠지요. 그리고 혼자만 쓰는 상황에서라면 모를까 그렇지 않은 곳에서는 두벌식을 매번 세벌식으로 설정을 변경해야 하는 것도 불편할 것입니다. 그러고보니 반이와 찬이 형제들이 처음 접한 자판도 Qwerty에 두벌식이군요. 선택권이 없네요!


자, 다음 시간에는 키보드 아래에 감추어진 속살을 한번 들여다 볼까 합니다.




WRITTEN BY 양원모

초등학교 때 꿈은 과학자가 아니면 야구선수였고 중학교 때 꿈은 작가였다. 고교에서는 전자과를, 대학에서는 문예창작학과를 졸업했다. 지금은 연구소 실험실에 근무하면서 주말에는 사회인야구를 하고 이제 사보에 기고하게 되었으니 어지간히 꿈을 이루고 사는 편이다.



 

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(지난 호에서 이어집니다) 며칠 동안, 등에 스티커가 붙은 또봇들과 잘 놀던 반이가 아빠를 찾습니다. 세이펜을 가져다 대어도 소리가 안 난다고 합니다. 저녁 준비를 하던 반이엄마가 오전부터 소리가 안 났다며 배터리가 떨어진 것 같다고 일러주었습니다.


“아빠, ‘빠떼리’가 떨어진 거 같아요!”

“반아, ‘빠떼리’가 아니라 ‘배러리’라고 하는 거야.”

“아니에요. 엄마가 ‘빠떼리’라고 했어요!”


반이아빠는 반이엄마를 쳐다보았습니다. 반이엄마는 킥킥거리더니 ‘사랑의 빠떼리’라는 유행가를 흥얼거렸습니다. 반이아빠는 이 상황을 어떻게 넘겨야 할지 난감합니다. 반이는 아빠를 빤히 쳐다보고 있습니다. 반이아빠는 반이를 데리고 집 앞 마트로 향합니다.


반이와 반이아빠는 배터리를 사서 집으로 돌아왔습니다. 반이아빠는 세이펜과 또봇놀이펜의 뒤편 덮개를 열고 배터리를 교체해 주었습니다. 그러면서 반이에게 얼마 전에 찍은, 또봇놀이펜의 X-ray 사진을 보여주었습니다. 반이는 예전에 기침이 심해 병원에서 X-ray를 찍어본 적이 있습니다. 반이의 태블릿에 설치된 병원놀이 앱에서도 캐릭터의 X-ray를 찍는 놀이가 있습니다. 그래서인지 반이는 X-ray 사진에 관심이 많습니다. “뜯어봐 주세요, 아빠!”



▲ 또봇놀이펜 X-ray와 병원놀이앱의 X-ray 촬영


반이는 반이아빠가 보여주는 X-ray 사진을 볼 때면 종종 분해해서 속에도 똑같은지 확인하곤 합니다. 반이아빠는 반이가 내민 또봇놀이펜을 받아 들었습니다. 반이아빠는 오늘도 반이의 부탁을 들어주느라 쉴 틈이 없습니다. 반이 아빠는 절대로 동물의 X-ray는 보여주지 않아야겠다고 다짐했습니다.


독일의 과학자 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)은 음극선을 연구하기 위해 음극선을 금속판에 쏘는 실험을 하다가, 음극선관에서 종이도 뚫고 지나가는 강한 빛이 방출되는 것을 우연히 발견했습니다. 이 광선은 음극선과 달리 전기장이나 자기장을 주어도 휘지 않고, 거울이나 렌즈에서도 쉽게 반사되거나 굴절되지 않았습니다. 뢴트겐은 이 광선의 정체를 알 수 없었기에 X-ray라는 이름을 붙였습니다. 뢴트겐은 이 X-ray의 발견으로 훗날 노벨물리학상을 받았습니다.


▲ X-ray의 발견자 빌헬름 뢴트겐과 그의 부인의 손 X-ray 사진

사진출처 : https://goo.gl/ZWCweU


X-ray는 파장이 짧은 전자기파이기 때문에 투과성이 강합니다. 이 덕분에 우리의 몸 속 구조나 물질의 내부 구조를 볼 수 있습니다. X-ray는 의료와 산업 분야에서 특히 발전하였습니다. 반도체 분야에서 X-ray는 SAT(http://amkorinstory.com/1368)와 더불어 대표적인 비파괴 검사 방법입니다. 반도체 공정에서는 통상 수차례의 접합 공정을 거칩니다. 이때 기준에 맞게 접합이 되었는지를 검사하기 위해 아래 사진에서처럼 X-ray는 유용하게 쓰입니다.

 

▲ 반도체 분야의 X-ray 검사 image

사진출처 : http://www.seceng.co.kr/application_xray


이 사진들을 보면 다이(Die)와 리드(Lead)를 이어주는 와이어본딩(Wire Bonding), 보드(Board)와 솔더볼(Solder ball)의 접합 상태, 커넥터(Connector) 내부의 결선 상태, 보드의 배선 상태(Trace) 등의 구조를 볼 수 있습니다.


한편, 우리가 일상생활을 하면서도 외계로부터 오는 광선들이나 자연에 존재하는 방사성 물질에 의해 방사선에 노출되게 되는데요, 이러한 양은 일반적으로 연간 약 2~5mSv 정도라고 합니다. 고산지대에서는 해수면 높이에 사는 사람보다 연간 약 1.5mSv 정도의 방사선에 더 노출되며, 비행기 여행을 하면 약 0.3mSv 정도의 방사선에 더 노출됩니다. 병원에서 가장 흔히 촬영하는 단순 흉부 방사선 촬영은, 촬영 시에 노출되는 방사선 조사량은 약 0.1mSv로 일상생활을 하면서 우리가 약 10일간 노출되는 정도의 미미한 양으로, X선을 이용한 검사를 받음으로 인한 방사선 노출의 위험과 검사를 시행함으로써 얻게 되는 이득을 따져 보았을 때 큰 해를 유발하지 않는 정도의 양입니다.


아래 사진을 한번 볼까요? X-ray로 촬영하여 색을 입힌 예술 작품들입니다. 늘 익숙하게 보아 오던 사물을 다른 관점에서 보니 색다릅니다.


▲ 외국 작가 Steven N. Meyers의 X-ray로 촬영한 예술 작품들

사진출처 : https://goo.gl/6NFTOQ




WRITTEN BY 양원모

초등학교 때 꿈은 과학자가 아니면 야구선수였고 중학교 때 꿈은 작가였다. 고교에서는 전자과를, 대학에서는 문예창작학과를 졸업했다. 지금은 연구소 실험실에 근무하면서 주말에는 사회인야구를 하고 이제 사보에 기고하게 되었으니 어지간히 꿈을 이루고 사는 편이다.




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(지난 호에서 이어집니다) 반이도 여느집 아이들과 마찬가지로 장난감에 금방 싫증을 냅니다. 또봇놀이펜도 처음 잠시뿐이었고, 함께 들어있던 교재는 이미 달달 외워서 이제 펜을 갖다 대기도 전에 답을 말해버리곤 합니다. 처음 사 왔을 때 집중력 있게 가지고 노는 모습을 보며, 반이아빠와 반이엄마는 재미와 교육의 두 가지 토끼를 다 잡았다고 좋아했습니다. 그러나 이제 반이는 또봇들이 등장하는 페이지에만 조금 관심을 보이고 또봇들의 멘트가 나오는 곳에만 펜을 갖다 댑니다. 반이엄마는 괜히 비싼 돈 주고 사줬다며 투덜댑니다. 그제야 반이아빠는 비장의 무기를 꺼냅니다. 바로 세이펜입니다.


반이아빠는 또봇 애니메이션에서 반이가 특히 좋아하는 몇 가지 장면의 소리 음원(音源)을 추출하였습니다. 그리고 그 음원을 MP3(지난 호에 MP3 관련 참조 http://amkorinstory.com/1579)로 변환하고 약간의 작업을 거친 후에 세이펜 메모리에 복사해 넣었습니다. 그리고 특수한 스티커를 또봇 장난감들의 등에 붙여주었습니다.


반이는 처음에 또봇놀이펜이 아닌 세이펜을 받아 들고는 의아해합니다. 이내 반이아빠가 세이펜을 스티커에 가져가자, 애니메이션에서 나왔던 또봇들의 대사가 나옵니다. 반이는 교재 안의 그림 또봇이 아닌 장난감 또봇에서 말이 나오는 것이 재미있나 봅니다. 반이엄마도 또봇들이 실제로 말을 하는 것 같다고 신기해합니다. 반이아빠는 이미 “하이퍼 스매시!”라던가 “스파이더 건!” 같이 또봇들이 기술을 사용할 때 외치는 공격 구호도 복사해 두었습니다. 반이는 세이펜을 또봇들에게 가져다 대며 신나게 전투 놀이를 했습니다. 반이아빠는 ‘얼마간은 잘 가지고 놀겠군.’하는 생각을 했답니다.


지난 호에서 소개한 바와 같이 또봇놀이펜 기능의 모태는 ‘세이펜’입니다. 특정 부위에 펜을 가져다 대면 코드를 읽고, 그 코드에 해당하는 MP3 음원 파일을 재생하는 원리라고 설명한 바 있습니다. 다만, 추가로 반이아빠는 아래에 보이는 ‘세이렉 스티커’라는 것을 사용하였습니다. 이 스티커는 원래 어학공부를 할 때 자신의 발음 등을 녹음하고 재생하기 위한 용도로 만들어졌습니다. 하지만 (저작권 등의 문제가 있어서 자세한 설명을 해드릴 수는 없으나) 약간의 작업을 거치면 자신이 원하는 음원파일을 세이펜에서 재생하게 할 수 있습니다.


▲ 세이렉 스티커

사진출처 : http://saypen.com


세이펜이 스티커를 인식하는 원리는 다음과 같습니다. 아래에 보이듯, 세이펜 앞부분에는 IR-sensor가 부착되어 있습니다. 일종의 적외선 카메라입니다. 이곳을 통해 교재나 세이렉 스티커에 있는 코드를 읽어냅니다. 읽어낸 코드와 내장된 MP3 파일명에는 특수한 약속이 되어 있어서, 코드와 일치하는 MP3 파일을 빠르고 정확하게 스피커를 통해 재생합니다.


▲ 또봇놀이펜 X-ray


한편 교재나 세이렉스티커를 자세히 보면, 단순한 그림이 아닌 특수한 점들(dot)이 무수히 많이 찍혀 있는 것을 볼 수 있습니다. 아래 사진과 같이 이를 확대해 보면 더 정확히 알 수 있는데요, 이 점들은 개체마다 각자 특수하면서도 일정한 패턴을 형성하고 있습니다. 즉, 고양이에 인쇄된 검은 점 패턴은 고양이 머리나 꼬리 부근이나 동일하지만, 또봇W하고는 다릅니다. 따라서 고양이 머리에 펜을 대거나 꼬리에 대거나 모두 고양이에 할당된 MP3가 재생되고, 또봇W의 팔, 다리, 머리 어느 곳에 펜을 대어도 또봇W에 할당된 MP3가 재생되는 것이지요.


▲ 또봇놀이펜 교재 확대


교재나 스티커 점들은 몇 가지 다양한 색으로 인쇄되어 있지만, IR-sensor를 통하면 검은 점만 접사하여 읽어낼 수 있습니다. 그렇게 얻어진 점들의 좌표와 패턴을 벡터해석하여 코드화하는 것이 이 기술의 핵심이라고 합니다. 반이아빠는 반이가 앞으로 얼마나 더 또봇에 흥미를 유지할지가 궁금해집니다. ^_^


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장




WRITTEN BY 양원모

초등학교 때 꿈은 과학자가 아니면 야구선수였고 중학교 때 꿈은 작가였다. 고교에서는 전자과를, 대학에서는 문예창작학과를 졸업했다. 지금은 연구소 실험실에 근무하면서 주말에는 사회인야구를 하고 이제 사보에 기고하게 되었으니 어지간히 꿈을 이루고 사는 편이다.




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▲ 로보카 폴리 출동!

사진출처 : EBS (http://goo.gl/rMRajt)


지난 호 폴리 도미노에 이어 이번 호에 소개할 반이의 장난감은 무선조종 엠버입니다. 경찰차 폴리가 브룸스타운 구조대의 리더라면, 엠버는 조용한 조력자라고 할 수 있겠네요. 엠버는 상냥하고 똑똑한 구급차입니다. 그래서 브룸스타운에서 다친 자동차들의 상처를 치료해주기도 하고, 어려운 사건이 생겼을 때 곧잘 실마리를 찾아내곤 한답니다. 폴리와 마찬가지로 로봇에서 구급차로, 구급차에서 로봇으로 변신할 수 있습니다. 폭발적인 순발력이나 강력한 힘은 없지만 지구력이 강해 끈기 있게 사건을 해결하려고 노력합니다.


▲ 변신구급차 엠버

사진출처 : EBS (http://goo.gl/BtXqfc)


무선조종 엠버는 위와 같이 구급차 상태의 엠버와 무선조종기가 한 세트로 구성되어 있습니다. 엠버 구급차는 전원 스위치를 켜고 버튼을 누르면, 머리 리본과 보조개에서 반짝반짝 빛도 나고 사이렌 소리도 난답니다. 그리고 조종기의 우측 파란색 직선 화살표를 누르면 엠버 구급차가 직진 운전을 하고, 좌측 빨간색 회전 화살표를 누르면 후진하면서 우측으로 회전을 합니다. 아래 영상에 링크된 주소에서 엠버 구급차의 작동하는 영상을 확인할 수 있습니다.


▲ 무선조종 엠버의 구성

사진출처 : http://goo.gl/B8Tt43


실제 작동 영상, 로보카폴리 무선조종 시리즈

영상출처 : https://goo.gl/W4Znfe


그런데, 잠깐. 위 영상의 중간쯤에 재미있는 장면이 나오네요.


아래와 같이 두 꼬마 친구가 구조대를 조종하는데, ‘서로 다른 채널로 4대 동시 조종 가능!’이라는 자막이 있습니다. 폴리, 엠버, 로이, 헬리, 네 대가 한꺼번에 제각각 움직일 수 있다는 뜻인 것 같습니다. 그렇다면 이렇게 한꺼번에 제각각 움직이는 것이 원래는 불가능하다는 것일까요?


▲ 4대 동시 조종 가능 장면

이미지출처 : https://goo.gl/nfS7Ah


우선, 무선조종 엠버의 원리를 알아볼 필요가 있습니다. 무선조종을 보통 RC(Radio Control)라고 합니다. 무선의 전자기파를 가지고 멀리서 조종한다는 뜻이지요. 무선조종은 크게 조종기, 수신기, 서보(servo mechanism)로 구성됩니다. 조종기는 엠버에게 직진 혹은 후진이라는 명령을 송신하는 역할을 하므로, 송신기, 트랜스미터(Transmitter)라고도 하며, 수신기는 그 명령을 받는 역할을 하므로 리시버(Receiver)라고도 합니다. 서보는 리시버에서 받은 명령이 직접 구동되는 모터를 의미합니다.


원래 전기는 전선이 없으면 흐를 수 없으나 1초 동안에 약 10,000번 이상 전류의 흐름이 바뀌게 되면, 즉 약 10㎑ 이상의 교류가 되면 전선 없이도 공중을 날아갈 수 있으며, 이것을 전파라고 하며 무선조종을 할 수 있는 매개체가 됩니다. 반면, 위에서 예를 든 10㎑라는 주파수를 임의로 조절하여 전파를 발사시킬 수도 있는데, 이렇게 되면 전파의 혼선을 일으키거나 무선통신에 해를 끼칠 수 있으므로 전파관리법으로 전파사용을 규제하고 있습니다.


아래 사진은 무선조종 엠버 조종기 내부 모습입니다. 조종기의 전진-후진 버튼을 누르면 정해진 주파수의 전파를 송신하는데, 이때 주파수는 구성된 회로와 크리스탈에 의해 정해집니다. 크리스탈은 특정 물질에 힘을 가해 변형을 주면 표면에 전압이 발생하고, 반대로 전압을 걸면 소자가 이동하거나 힘이 발생하는 현상인 압전효과 (Piezoelectricity)를 이용할 수 있는 대표적인 물질입니다. 조종기의 크리스탈에는 27.145㎒라고 표기되어 있으며 이것은 조종기와 수신기 사이의 교신 주파수를 의미합니다.


▲ 무선조종 앰버 내부


만약, 두 대의 수신기가 동일한 주파수로 설정되어 있다면 하나의 송신기에서 명령을 내리게 되더라도 수신기는 각각 명령을 받들어 똑같이 움직이게 됩니다. 로보카 폴리 구조대처럼 작고 귀여운 장난감들이라면 그리 큰 문제가 생기지 않겠지만, 예를 들어 RC 헬기 같은 경우 통제를 잃거나 추락하는 과정에서 프로펠러 등에 큰 사고가 발생할 수도 있을 것입니다. 이와 같은 상황을 방지하기 위해, 아래 표에서처럼 국내 승인 무선 조종 주파수와 같이 허가가 완료된 정해진 주파수를 서로 겹치지 않게 사용하도록 법으로 정해져 있습니다. 또한, 여러 사람이 모이는 무선조종 비행장이나 무선조종 대회 등에서는 주파수 게시판을 운영하여 서로의 주파수가 겹치지 않도록 합니다.


▲ 국내 승인 무선 조종 주파수


무선조종 엠버는 위 표에서 27.145㎒ 주파수를 사용하고 있으니, 폴리, 로이, 헬리는 27.095㎒나 27.195㎒ 등 다른 주파수들을 사용하고 있으므로 동시에 4대가 각각 혼선 없이 조종될 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 귀여운 장난감 속에 숨겨진 작은 과학들! 파면 팔수록 알아낼 정보가 참 많지요?


그럼, 또 다음 호에서 만나요!


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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지난 6월호에서 반이는 뽀로로 드럼세트에 달린 마이크에 대고 신 나게 노래를 했었습니다. 마이크는 공기의 파동인 반이의 노랫소리를 받아서 전기 신호로 바꾸어 주는 역할을 했는데요, 이 전기 신호는 7월호에 소개된 앰프를 통해 크게 증폭되었고, 이번 호에는 그 전기신호를 소리로 바꾸어주는 스피커에 관해 이야기해보겠습니다.


스피커의 기본 구조는, 아래 그림과 같이 영구자석, 도선을 감아 놓은 코일, 진동판 등으로 구성되어 있습니다. 코일의 양 끝은 음성신호 전류가 흐를 수 있게 되어 있지요.


▲ 스피커 구조

이미지출처 : http://goo.gl/sn4NcV


지난 6월호에서는 코일 안으로 자석을 집어넣었다 빼면서 자기장의 변화를 일으키면 코일에 전류가 흐른다는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 대해 알아본 바 있습니다. 마이크 내부 구조에서는 영구자석을 둘러싸고 있는 코일이 소리라는 파동에 의해 앞뒤로 진동하게 됩니다. 이때 아래 그림과 같이 오른손의 엄지, 검지, 중지를 서로 수직이 되게 펴고 엄지를 코일이 움직이는 방향, 검지를 자기장 방향으로 향하게 하면, 코일 속에 발생하는 유도 전류는 중지의 방향으로 흐릅니다. 이를 플레밍의 오른손 법칙이라고 하며, 물리적인 움직임을 전기 신호로 바꾸는 발전기와 마이크의 원리가 이 법칙을 따르고 있습니다.


▲ 플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙

이미지출처 : http://goo.gl/pQq5Mq


그와 반대로, 감아 놓은 코일 안에 자석을 두고 코일에 전류를 흘리면, 전류의 방향과 크기에 따라 코일이 받는 힘이 바뀌면서 움직이게 됩니다. 코일은 진동판에 붙어 있기 때문에 진동판이 진동하며 공기의 파동을 만들어 내고, 이 파동은 결국 우리가 들을 수 있는 소리로 나타납니다. 이때에는 왼손을 펴서 검지를 자기장 방향으로, 전류를 중지의 방향으로 향하게 하면 코일은 엄지 방향으로 움직입니다. 이를 플레밍의 왼손 법칙이라고 하며 전기 신호를 물리적인 움직임으로 바꾸는 모터의 기본 원리가 되며 스피커나 도어락(door-lock)의 전자석 등에도 이 법칙이 응용되어 있습니다.


정리하자면, 움직이는 장치를 이용하여 전기신호를 얻는 것은 모두 플레밍의 오른손 법칙이 적용되고, 전기신호를 이용하여 장치를 움직이게 하는 것은 모두 플레밍의 왼손 법칙이 응용된 것이라고 할 수 있습니다.


가만히 살펴보면 플레밍의 오른손 법칙을 따르는 마이크나 왼손 법칙을 따르는 스피커가 비록 구조는 다르고 정반대의 작용을 하지만 원리는 같다는 것을 알 수 있습니다. 결국, 마이크와 스피커는 진동하는 재질과 흐르는 전기의 크기만 다를 뿐 나머지는 같은 원리로 만들어진 것이지요.  따라서 아주 급한 경우에는 음질은 그다지 좋지 않더라도 스피커를 마이크 대신 사용할 수도 있습니다. 그러나 반대로 마이크를 스피커 대신 사용할 경우, 전기 용량의 차이로 마이크의 코일이 끊어지게 됩니다.


한편, 항공기의 조종실과 같이 주변의 소음 정도가 심하거나, 사용자가 양손을 자유롭게 유지할 필요가 있는 곳에서, 또는 청취자가 움직이거나 타인에게 방해를 주지 않고 듣기를 원할 때 사용하는 헤드폰(Headphone)이나 이어폰(Earphone)도 결국 작은 스피커의 일종입니다.



▲ 이어폰과 우퍼 스피커

사진출처 : (좌) https://goo.gl/R11wmT (우) https://goo.gl/GMUtiw


사람의 귀로는 대략 16~20,000㎐(헤르츠)의 주파수 영역을 들을 수 있습니다. 1㎐는 1초에 1회 진동한다는 의미입니다. 주파수가 낮을수록 저음이, 높을수록 고음이 나게 되는데, 이 주파수 영역에 따라 스피커를 각각 고역, 중역, 저역을 담당하도록 트위터(Tweeter), 스쿼커(Squawker), 우퍼(Woofer)로 구분하여 사용하기도 한답니다.


다음 호에는 <로보카 폴리 1편 - 폴리 도미노>와 만나보겠습니다!


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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(지난 호 트랜지스터의 증폭작용에서 이어집니다) 트랜지스터는 증폭작용 이외에도 다른 중요한 일을 할 수 있습니다.


아래 그림에서 보면, (가)회로의 PNP 접합 트랜지스터를 보면 왼편의 P-N 접합은 인가된 전원으로부터 순방향이어서 전류가 흐를 수 있지만, 오른편의 N-P 접합은 전원의 +극성이 Negative에, -극성이 Positive 쪽으로 역방향 연결된 상태라 전자의 이동이 없어 전류가 흐를 수 없습니다.


하지만 (나)회로와 같이 전원 회로를 하나 더 연결하여 전압을 추가하면 오른편의 P-N접합도 순방향이 되므로 전자의 이동이 발생하여 전류가 흐를 수 있습니다. 이처럼, 추가 전원의 연결 여부가 전류의 흐름을 결정하는 것을 트랜지스터의 스위치 작용이라고 합니다.


▲ 트랜지스터의 스위치 작용 ⓒ양원모


스위치 작용은 주로 컴퓨터를 만들 때 사용합니다. 요즘에는 대부분 전기용품이 컴퓨터로 이루어져 있지요. 컴퓨터 속에는 디지털 회로가 들어 있는데, 이 디지털 회로의 작동 원리는 2진수의 원리 즉 ‘0’과 ‘1’이라는 두 가지 신호로만 작동되도록 설계된 것입니다.


두 가지 신호란, 예를 들어, 스위치를 올려서 형광등에 불이 켜진 ON 상태를 ‘1’, 스위치를 내려서 형광등의 불이 꺼진 OFF 상태를 ‘0’이라고 하는 것과 같습니다. 이러한 두 가지의 상태를 트랜지스터가 조절할 수 있는데, 아래 그림에서처럼 베이스와 연결된 전류를 ON, OFF 함으로써 이미터와 컬렉터 사이에 흐르는 전류를 ON, OFF로 조절할 수 있다는 것입니다.


▲ 베이스 전류에 따른 Ic-Vc 변화


즉, 아래 그림과 같이 베이스 전류 Ib를 흐르게 하면 컬렉터 전압은 거의 이미터 전압이 되어 ON 상태의 스위치로서 기능하고, Ib를 흐르지 않게 하면 거의 전원 전압이 되어 OFF 상태의 스위치 기능을 하게 되지요.


▲ 베이스 전류에 따른 스위치 작용


현대사회에서 없어서는 안 될 스마트폰, TV 등의 각종 전기용품 속에는 디지털 회로가 들어가 있는데요, 이 디지털 회로를 구성하는 트랜지스터가 스위치 작용을 할 수 있도록 설계되어 있답니다.


한편, 트랜지스터는 크게 바이폴러 트랜지스터(Bipolar Transistor)와 FET(Field Effect Transistor)로 나누고 FET는 JFET(Juction FET)와 MOS(Metal Oxide Silicon FET)로 구분합니다. 윌리엄 쇼클리가 발명한 트랜지스터가 바이폴러 트랜지스터이고, 그 후 JFET, MOS가 순차적으로 발명되었습니다.


쇼클리가 트랜지스터를 발명했을 당시에는 그냥 트랜지스터였는데, 이후 FET가 생겨나니 FET와 구분하기 위해서 바이폴러 트랜지스터라고 불렀습니다. FET도 추후 MOSFET가 발명되면서 이와 구분하기 위해 JFET라고 부르게 되었습니다. MOSFET은 보통 MOS라고 많이 부르고 있지요. MOS는 다시 PMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 PMOS 기술, NMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 NMOS 기술, 그리고 이 두 가지 모두 사용하는 CMOS 기술로 발달해 왔습니다.


트랜지스터의 작용은 반도체의 가장 기초적이면서도 중요한 역할을 합니다. 이 동작의 개념을 이해하면 반도체의 핵심에 상당히 근접했다고 할 수 있답니다. 기회가 된다면 나중에 FET와 IC에 대해서도 알아보도록 하겠습니다. (다음 호에는 잠시 가벼운 내용으로 ‘노래하는 반이 3편, 스피커’ 편이 소개됩니다)


참고도서 / 「반도체 제대로 이해하기」, 「만화로 쉽게 배우는 반도체」, 「쇼클리가 들려주는 반도체 이야기」

감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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지난 호 반이가 뽀로로 드럼세트에 연결된 마이크로 신나게 노래하는 에피소드에서 이어집니다


반이의 노랫소리가 아무리 크다 해도 마이크를 통해 변환된 전기 신호는 스피커를 울리기엔 턱없이 부족합니다. 이 때문에 이 신호를 증폭시키는 장치가 필요하게 되는데, 이 장치를 앰프(amplifier)라고 합니다.


앰프에는 여러 종류가 있으며, 반도체 산업의 초창기에는 주로 진공관이라는 소자가 핵심 부품으로 사용되었습니다. 하지만 진공관은 부피를 많이 차지하면서도 발열 문제가 심하고 예열 시간이 필요하며, 전력도 많이 소모하는 등의 단점이 있었습니다.


▲ 진공관들의 모습

사진 출처 : https://goo.gl/1BOs64

 

이후 1948년 미국의 벨 연구소에서 윌리엄 쇼클리와 존 바딘, 월터 브래튼, 이렇게 세 명의 과학자에 의해 트랜지스터(Transistor)가 발명되었는데, 이는 진공관의 단점들을 획기적으로 개선할 수 있었습니다. 부피는 진공관의 약 220분의 1로 줄어들었고, 수명도 많이 늘어났습니다. 이렇게 발명된 트랜지스터는 진공관을 대체하였고, 오늘날까지 앰프의 핵심 부품으로 사용되고 있습니다.


이 트랜지스터를 발명한 공로로 쇼클리 등은 1956년 노벨물리학상을 받게 됩니다. 참고로 트랜지스터는 ‘변화하는 저항을 통한 신호 변환기(transfer of a signal through a varister 또는 transit resistor)’로부터 나온 조어라고 합니다.


트랜지스터는 지난 5월호(바로 가기)에 소개한 P-N접합다이오드에 P형 또는 N형 극성이 하나 더 추가된 형태입니다. 아래 그림과 같이, 추가된 극성에 따라 N-P-N형과 P-N-P형 트랜지스터로 구분합니다.


▲ 트랜지스터와 그 구조 ⓒ양원모


트랜지스터는 각각의 극성에 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라는 3개의 다리 구조로 되어 있습니다. 트랜지스터의 기호는 위의 그림과 같으며, 이미터와 베이스 사이의 화살표 방향으로 N-P-N형과 P-N-P형을 구분합니다.


▲ 트랜지스터와 그 기호

사진 출처 : https://goo.gl/PPww8D


이미터는 ‘방출하다, 놓아주다’라는 뜻이고, 컬렉터란 ‘끌어모으다’라는 뜻입니다. 이미터에서 방출한 자유전자(N-P-N형) 혹은 정공(P-N-P형)을 컬렉터가 끌어모아 주는데, 이를 위해서는 N-P-N형 트랜지스터는 컬렉터에 (+) 전압을 걸어주고, P-N-P형 트랜지스터라면 (-) 전압을 걸어주어야 합니다. 앞서 여러 차례 소개한 대로, 자유전자는 (+) 전압으로 이끌리고, 정공은 (-) 전압으로 이끌리기 때문이지요. 트랜지스터를 만들 때는 베이스 영역의 폭을 아주 얇게 만듭니다. 베이스는 이미터에서 방출한 자유전자나 정공이 이곳을 잘 빠져나가 컬렉터에 잘 도달할 수 있도록 힘을 실어주는 장소로 쓰입니다.


이러한 트랜지스터의 역할은 크게 두 가지가 있는데요, 그중 증폭작용에 대해 잠시 알아보겠습니다.

아래 그림과 같이 트랜지스터가 포함된 전기회로에 전압을 걸면, 아래쪽의 P-N 접합에서는 이미터에서 베이스 쪽으로 정공이 이동합니다. 그래서 화살표 방향으로 전류가 흐르게 되지요. 이때 위쪽의 N-P 접합 사이에 아래쪽보다 더 높은 전압을 걸어 주면, 이미터에서 베이스로 이동하던 정공이 컬렉터 쪽의 높은 전압에 이끌려 대부분 컬렉터 쪽으로 이동하고 소수의 정공만이 베이스 쪽으로 이동합니다.


즉, 대부분 전류가 컬렉터 쪽으로 흐르고 소량의 전류만이 베이스 쪽으로 흐르게 됩니다. 그래서 순방향 전압에 의한 베이스 전류(Ib)를 약간만 변화시켜도 컬렉터 전류(Ic)는 더 크게 변화시킬 수 있습니다. 마이크를 베이스에 연결하고, 스피커를 컬렉터와 연결하면 이미터에 입력된 작은 신호가 컬렉터에서 큰 신호로 출력되도록 제어할 수 있는 것입니다. 이러한 트랜지스터의 역할을 증폭작용이라고 합니다.


▲ 증폭 작용

그림 출처 : 「쇼클리가 들려주는 반도체 이야기」


한편, 일본의 소니(Sony) 사는 1955년 8월 이 기술을 이용한 트랜지스터라디오(TR-55)를 개발하여 큰 성공을 거두었습니다. 세계 최초의 트랜지스터라디오인 미국 레전시 사의 TR-1보다 비록 10개월 늦었지만, 뛰어난 성능과 싼 가격으로 수출의 물꼬를 트며 이때부터 ‘전자제품의 왕국 일본’의 신화를 써내려가기 시작했습니다.


트랜지스터의 역할 중 다른 하나는 스위치 작용입니다. 이것은 디지털 회로를 구성하는 가장 기초적이고 중요한 역할입니다. 다음 시간에는 트랜지스터의 스위치 작용에 대해 알아보겠습니다!


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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