지난 호 무선조종 엠버에 이어 이번 호에 소개할 반이의 장난감은 따라와! 폴리입니다. 브룸스타운 구조대의 리더 폴리는 언제나 용감하고 빠르기 때문에, 반이가 가장 좋아하는 캐릭터랍니다. 시리즈 주인공인 만큼 장난감으로도 가장 많은 종류가 판매되고 있습니다.


▲ 따라와! 폴리

사진출처 : http://goo.gl/mPnVst


따라와! 폴리는 로보카 폴리 본체와 경광봉으로 구성되어 있습니다. 폴리 머리 쪽에는 버튼이 있어서 이것을 누르면 로보카 폴리 주제가가 흘러나오면서 아래 영상처럼 폴리가 전후좌우로 신나게 춤을 춥니다. 경광봉으로는 두 가지 동작을 명령할 수 있는데요, 경광봉을 흔들면 폴리가 ‘삐요삐요~!’ 사이렌을 울리면서 악당을 추격하는 것처럼 앞으로 전속력으로 달립니다. 그리고 경광봉 중앙의 노란색 버튼을 누르고 있으면 일명 ‘따라와’ 기능이 발동하는데요, 폴리가 제자리에서 몇 차례 이쪽저쪽으로 회전하다가 곧 경광봉 쪽으로 따라오기 시작합니다.


▲ 따라와! 폴리 동작

사진출처 : http://goo.gl/CeAIiL


따라와! 폴리 언박싱 및 작동 모습

영상출처 : https://youtu.be/usAoBn1U7BY


그렇다면 폴리는 어떤 원리로 경광봉을 따라오는 것일까요? 아래 사진은 경광봉 내부기판 모습입니다. 오른쪽에는 건전지를 꽂는 부분이 있고, 중간 부분에는 희끄무레한 LED 3개가 보입니다. 노란색 스위치를 누르면 그 LED들에서 빨간빛이 나옵니다. 그런데 가만히 보니 왼쪽 끝 부분에 LED가 하나 더 보입니다. 하지만 노란색 스위치를 눌러도 이 LED에서는 빛이 나지 않습니다. 어떻게 된 것일까요?


▲ 따라와! 폴리 경광봉


이 LED에서는 우리가 볼 수 있다는 뜻을 가진 가시광선(Visibile light)이 아닌 적외선(IR : Infrared)이 나오므로 IRED(Infrared emitting diode)라고 합니다. 적외선은 우리 눈에 보이지 않습니다. 가시광선이 프리즘에 통과된 햇빛의 색깔, 즉 우리가 흔히 말하는 빨주노초파남보의 무지개색이라고 한다면, 적외선은 빨간색 아래 범위의 파장을 가진 광선입니다. 그래서 붉을 적(赤), 바깥 외(外), 줄 선(線)을 써서 적외선이라고 합니다. 비록 우리 눈에는 보이지 않지만 아래 영상과 같이 스마트폰 등의 카메라를 사용하면 적외선이 발광하는 것을 확인할 수 있습니다. 영상 속에서 일반 LED는 강한 붉은빛을 내뿜지만, IRED에서 작은 불빛이 반짝이는 것이 보입니다.


IRED 발광

영상출처 : https://youtu.be/Guu4GkRSwBk


한편, 이렇게 발광한 적외선은 어떻게 될까요? 아래 사진은 따라와! 폴리 본체 내부 모습입니다. 폴리의 앞부분을 자세히 살펴보니 이곳에도 LED처럼 보이는 것이 있네요. 경광봉에 있던 IRED가 적외선을 방출하는 ‘발광 다이오드’라면, 이것은 방출된 적외선을 받아들이는 ‘수광 다이오드’입니다.


▲ 따라와! 폴리 본체 내부


경광봉 버튼을 누르는 동안 발광 다이오드에서는, 경광봉을 따라오라는 명령이 포함된 고유한 주파수의 (약 37[㎑] : 이 주파수가 외부의 적외선이나 조명의 영향을 거의 받지 않고 해당 명령을 전송할 수 있다고 합니다) 적외선이 나오고, 수광 다이오드는 이를 받아들여서 폴리 본체 내부의 기판 회로로 전달합니다. 회로에서는 받아들인 신호에서 ‘따라오라는 명령’이 들어 있는 것을 읽어내고, 경광봉 쪽으로 폴리가 움직이도록 모터를 돌려주는 명령을 내려주게 되는 것이지요. 경광봉의 위치는 두 개의 수광 다이오드가 각각 받은 신호에서 멀고 가까운 것을 인식하고 보정해서 알려주게 되어 있습니다.


그러고 보니 이러한 동작은 우리가 생활하면서 많이 접해 본 것 같네요. 바로 TV, 에어컨 등의 리모컨을 작동할 때로군요! 대부분 리모컨도 따라와! 폴리와 같이 IRED 방식으로 작동합니다. 또한, 지금처럼 스마트폰이 보급되기 이전의 휴대전화에서는 적외선 통신 포트가 있었는데요, 두 대의 휴대전화를 나란히 놓아 포트를 마주 보게 하고 파일을 주고받았던 적도 있었지요.


한편, 최근의 스마트폰에서는 아래 사진처럼 리모컨 앱을 설치하고 별도의 리모컨 동글을 부착하면 스마트폰을 리모컨으로 사용할 수 있습니다. 이 리모컨 동글에도 IRED가 들어 있어 적외선을 쏠 수 있기에 가능한 기능입니다.


▲ 스마트폰 리모컨 동글

사진출처 : http://goo.gl/kXLukW



연재를 처음 시작할 때 “엄마! 아빠!”를 부르는 것이 고작이었던 반이가 열 달이 지난 지금은 노래도 하고 피아노도 치고 레슬링으로 아빠를 넘어뜨린 후 “빅토리!”를 외칠 정도로 훌쩍 자랐습니다. 엊그제에는 예쁜 동생도 생겼답니다. 올 한 해 각 가정의 반이들을 키우느라 고생 많으신 반이아빠, 반이엄마, 그리고 졸필이나마 [반이아빠의 장난감 속 반도체]를 읽어주신 독자 여러분 가정에 2016년 행복과 사랑이 넘치길 기원합니다.



감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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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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그간 7개월간에 걸쳐 반도체 기술의 뼈대가 되는 전자부품들과 관련된 기초이론에 대해 살펴보았습니다. 반도체는 결국 물리나 화학과 같은 온갖 과학기술이 집대성된 결정체라는 것을 알 수 있습니다. 오늘날 반도체가 쓰이지 않는 곳은 거의 없다고 해도 과언이 아닌데요, 그간 반도체가 쓰이지 않았던 곳이라고 해도 기술의 발달에 따라 센서(Sensor)나 마이크로 칩(Microchip), 그 밖에 다양한 형태로 활용도가 점차 높아지고 있습니다.


이번에 소개할 반이의 장난감은 로보카 폴리 도미노입니다. 로보카 폴리는 우리나라의 로이비쥬얼이란 곳에서 제작한 어린이 대상 애니메이션으로, 브룸스타운이라는 가상의 섬에 사는 변신로봇 구조대가 다양한 직업을 가진 자동차들의 크고 작은 사고를 해결한다는 에피소드를 그린 작품입니다. 구조대는 리더인 민첩한 경찰차 폴리, 힘이 센 소방차 로이, 똑똑한 구급차 앰버, 유머가 넘치는 헬리콥터 헬리, 이렇게 네 대의 변신로봇으로 결성되어 있으며, 위험에 빠진 자동차 친구들을 구해내는 과정이 흥미진진하게 펼쳐집니다.


▲ 브룸스타운 구조대

사진출처 : http://goo.gl/FwIUpG

 

로보카 폴리 도미노는, 폴리 모형에 도미노 칩을 채운 칩대를 꽂은 후 출발 버튼을 누르면 폴리가 전진하면서 뒤편으로 도미노 칩을 차례차례 늘어 세우는 장난감입니다. 물론 도미노를 다 세운 후 맨 앞에 있는 것을 넘어뜨리면 맨 끝까지 주르륵 넘어지는 과정을 지켜보는 것이 도미노의 진정한 재미입니다.


▲ 로보카 폴리 도미노

사진출처 : http://goo.gl/x0A6VE


로보카 폴리 도미노 작동 동영상

ⓒ양원모 (https://youtu.be/GDpexX8H4Ko)


이제 폴리 도미노의 내부를 들여다보겠습니다. 아래 필자가 직접 찍은 사진에서 보면, 폴리 머리의 빨간색과 파란색 버튼이 있는 아랫부분에는 IC와 전자부품들이 실장된 PCB가 바로 배치되어 있음을 알 수 있습니다. 또한, 지난 호에서 소개한 플레밍의 왼손법칙 원리를 활용한 모터와 스피커가 좌측과 우측에 자리 잡고 있네요. 파란색 버튼을 눌렀을 때 스피커에서는 폴리 주제가가 흘러나오며, 모터는 폴리의 바퀴를 굴려서 나아가게 하는 동시에 상단부 칩대에서 칩을 꺼내고 뒤편으로 줄지어 세워주는 역할까지 맡고 있습니다.


▲ 폴리 도미노 내부 모습

 

PCB를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 아래 사진은 PCB의 앞뒷면을 보여줍니다. Q1과 Q2는 지난 8월호에 소개된 트랜지스터네요. 파랑 버튼을 누르면 Q2가 스위칭 동작을 하도록 되어 있어서 IC에서 폴리 주제가 출력신호를 스피커 단자(SP-, SP+)를 통해 스피커로 보내주도록 동작합니다. 빨강 버튼을 누르면 Q1이 모터단자(M-, M+)를 통해 모터가 회전하는 신호를 IC로부터 보내주도록 동작합니다.


▲ PCB의 앞뒷면


맨 아래쪽 DOMINO-B라고 PCB의 이름이 쓰인 바로 윗부분의 검정 동그란 부분이 IC가 있는 위치입니다. 스피커와 모터를 동작시키는 등 다양한 기능을 총괄하는 IC는 주로 얇은 웨이퍼 상태로 사용되는 경우가 많으므로 외부의 물리적 충격이나 온도, 전기나 화학적인 자극으로부터 보호될 필요가 있습니다. 따라서 열을 가하면 굳어지는 성질을 가진 열경화성수지(Thermosetting) 용액을 사용하여 코팅(Coating)경화(Cure)시키는 공정을 거치는데, 이러한 기법을 이전에는 Glob-top coating 혹은 Glob-top Encapsulation이라고 불렀으며, 지금은 통칭 LE (Liquid Encapsulation)라고 합니다.


▲ 옆에서 본 PCB와 Glob-top encapsulation으로 보호된 IC

  

▲ PCB X-ray image

 

아래 사진에서는 적당한 굵기의 바늘(Needle)을 이용하여 용액을 주입하는 장면을 보여주고 있습니다.


▲ Glob-top encapsulation

이미지출처 : (좌)http://goo.gl/1xMF63 (우)http://goo.gl/NbkGzF


다음 호에서는 ‘반이아빠의 장난감 속 반도체 - 로보카 폴리 2편 – 무선조종 앰버’ 편이 이어집니다.


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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  1. 강상구 2015.10.29 17:56 신고 Address Modify/Delete Reply

    좋은글 감사합니다


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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최근에 말문이 트이기 시작한 반이는 노래 부르는 것을 좋아합니다. 오가는 차 안에서 동요를 틀어주면 곧잘 따라부르곤 합니다.

“하얀 자동차가~삐뽀삐뽀 ♪ 내가 먼저 가야 해요~삐뽀삐뽀 ♪”

자동차에 관심이 많은 반이는 자동차가 등장하는 동요에 더욱 신이 납니다. 아직 발음이 완전치 않아 다 따라 하지는 못하지만, ‘삐뽀삐뽀’하는 부분만큼은 유독 큰 소리로 따라 합니다.


집에 돌아와도 반이는 노래를 따라 부르던 여흥이 채 가시지 않는지 장난감 드럼세트를 찾습니다. 뽀로로와 친구들이 그려진 드럼세트의 버튼을 누르면 드럼 소리도 나고 동물 소리도 나지만, 반이가 특히 좋아하는 것은 ‘마이크’입니다. 반이가 버튼을 누르자, 동요 반주가 연주되기 시작합니다. 반이는 마이크를 들고 신나게 노래를 부릅니다.


▲ 반이의 장난감 드럼세트와 마이크 ⓒ양원모


“정글숲을 지나서 가자~엉금엉금 기어서 가자 ♪ 늪지대가 나타나면은 악어 떼가 나온다~악어 떼!”


반이는 웅얼웅얼 노래를 따라 하다가, ‘엉금엉금’과 ‘악어 떼!’ 부분에서는 마이크에 대고 목청을 높여 소리를 지릅니다. 마이크를 타고 들어간 반이의 노랫소리는 큰북 앞쪽에 있는 스피커를 통해 큰 소리로 흘러나옵니다. 반이엄마가 깜짝 놀라며 귀를 막자, 반이는 그 모습이 재미있었는지 더 크게 소리를 지릅니다. 스피커에서는 가뜩이나 큰 반이의 목소리가 더 크게 터져 나옵니다. 아빠가 ▼ 버튼을 눌러서 볼륨을 낮춰보지만, 반이는 이내 ▲ 버튼을 눌러서 다시 소리를 키웁니다. 오늘도 최후의 승자는 반이로군요.


마이크의 정식 명칭은 마이크로폰(Microphone)입니다. 소리 신호를 전기 신호로 바꾸어 주는 장치입니다. 마이크의 종류는 여러 가지이나, 가장 보편적인 다이내믹 마이크(Dynamic microphone)의 원리는 다음과 같습니다. 소리는 공기가 진동함으로써 전달됩니다. 반이가 노래를 하면 노랫소리는 공기를 진동시키고 그 공기는 마이크 안에 있는 진동판을 움직이게 합니다. 진동판에는 코일(Coil)이 붙어 있고 코일은 영구자석을 둘러싸고 있는데, 코일이 자석의 앞뒤로 움직이게 되면 코일에는 교류 전류가 흐르게 됩니다.


▲ 뽀로로 마이크 구조 ⓒ양원모


이것은 도선을 감아 놓은 코일 안으로 자석을 집어넣었다 빼면서 자기장의 변화를 일으키면 코일에 전류가 흐르게 되는 원리로, 이러한 현상을 처음 증명한 사람의 이름을 따서 패러데이의 전자기 유도 법칙(Faraday’s law of induction)이라고 합니다. 이 법칙은 물리적인 움직임을 전기신호로 바꾸는 데 활용됩니다. 마이크 이외에도 수력, 화력, 원자력 등에 의해 터빈(turbine)이라는 날개를 돌려 전기를 만드는, 발전기의 주요한 원리이기도 합니다.


▲ 패러데이의 전자기 유도 법칙

사진 출처 : http://goo.gl/RbSpD0


한편, 마이크에서 변환된 전류는 세기가 약해서 스피커(Speaker)에서 큰 소리로 듣기 위해 앰프(Amplifier)를 통해 증폭해야 합니다. (스피커 출력 관련 내용은 지난 4월호 참조하세요 클릭) 이 앰프에는 트랜지스터(Transistor)라는 핵심 부품이 들어가는데, 이것은 지난 호에 소개했던 PN접합 다이오드 2개를 PNP 혹은 NPN 순으로 3개의 극성을 갖도록 접합해 놓은 것입니다. 

(다음 호에 ‘반이의 노래 2편 - 트랜지스터’ 편이 이어집니다)


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 부장


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