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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