2016년 [반이아빠의 장난감 속 반도체]를 사랑해주신 앰코인스토리 독자 여러분께 감사하는 마음을 담아 새해 인사를 드립니다. “새해 복 많이 받으십시오!


2016년 12월 현재 네 살인 반이는 얼마 전 돌잔치를 치른 동생 찬이와 사이좋게 지내고 있답니다. (반이와 찬이 합쳐서 ‘반찬형제’입니다. ^^) 찬이는 아직 말문이 트이지 않았습니다. 그래서 반이형은 가끔 답답해합니다. 이제 막 찬이는 뽀로로 빠방이나 마이크를 가지고 놀기 시작했습니다. [반이아빠의 장난감 속 반도체] 초기에 소개했던, 반이 형이 가지고 놀던 그 장난감들입니다. 그러다가도 잘 알지도 못하는 반이 형의 장난감을 탐내다가 혼나기도 한답니다. 2016년도 [반이아빠의 장난감 속 반도체]는 반이가 가장 좋아하는 장난감 캐릭터인 ‘또봇’들과 함께한 해였습니다. 그래서 이번 호에는 한 해 동안 여러분께 소개해드린 내용들을 정리해 보았습니다.


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 1편 (바로가기) 

2016년 3월에 처음으로 또봇들을 소개하면서 또봇들의 에너지원인 태양전지에 대해 알아보았습니다. 반도체에 빛을 쏘이면 전기가 발생하는 ‘광기전력 효과’를 이용했지요.

 

▲ 태양전지의 원리

사진출처 : http://goo.gl/30KMUF


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 2편, 또봇C (바로가기

2016년 4월에는 또봇C의 초음파 공격인 하이퍼복스 에피소드를 통해 반도체 산업에서 사용되는 SAT, USG 등 초음파를 활용한 장비와 원리를 살펴보았습니다.

 

▲ 와이어본더의 트랜스듀서(변환기)와 캐필러리

사진출처 : 앰코코리아 와이어본딩 교육 자료 중


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 3편, 또봇D (바로가기)

2016년 5월에는 귀여운 또봇D의 홀로그램 기능을 이야기하다가 홀로그램의 광원으로 쓰이는 레이저의 원리와 레이저마킹, 레이저드릴 등의 반도체 공정을 소개하였습니다.


▲ LASER Marking

사진출처 : http://www.eotechnics.com / Amkor Laser marking 교육 자료


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 4편, 또봇D의 또키 (바로가기)

6월에는 또봇D 2탄으로, 반이네 차 열쇠에 감추어진 비밀에 대하여 알아보았는데요, 열쇠에 도난방지장치인 ‘이모빌라이저’가 담겨 있었고, 그 속에 트랜스폰더 칩이 핵심 부품으로 자리하고 있었습니다.


▲ 이모빌라이저 차 키

사진출처 : 필자가 직접 촬영


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 5편, 또봇D (바로가기)

7월에는 또봇D 3탄으로, 건드리면 소리가 나는 또봇D의 원리가 무엇인지 알아보았습니다. 바로 또봇D에 Touch sensor가 들어있던 것이었지요. 그리고 이러한 것이 심화하여 정밀화와 소형화가 필요하게 된다면 MEMS라는 개념의 시스템을 활용해야 한다는 것도 다루었습니다.


▲ 또봇D touch sensor


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 6편, 또봇W 놀이펜 이야기 (바로가기)

8월부터는 하늘을 나는 또봇W가 등장했습니다. 또봇W를 모델로 한 또봇놀이펜을 살펴보았는데요, 특정한 곳에 펜을 가져가면 저장된 MP3가 재생되는 방식이었습니다. 이에 MP3의 원리와 역사에 관해 이야기했었습니다.


▲ MP3의 원리

사진출처 : http://goo.gl/us3I2W


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 7편, 또봇W 세이펜 이야기 (바로가기)

9월에는 또봇W 2탄으로, 이전 달에 소개된 세이펜의 원리에 대해 알아보았습니다. 세이펜 앞부분에 IR sensor가 장착되어 있어, 교재 등에 인쇄된 특수한 패턴을 인식하여 그에 할당된 MP3를 재생하는 원리를 알 수 있었습니다.


▲ 또봇놀이펜 X-ray


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 8편, 또봇W 3부 (바로가기)

10월에는 또봇W 3부로, 반이아빠의 장난감 내부 탐험에 가장 큰 도움을 주고 있는 X-ray에 대해 알아보았습니다. X-ray로 촬영한 꽃들의 아름답고 신비로운 모습들도 덤으로 볼 수 있었습니다.


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

사진출처 : https://goo.gl/6NFTOQ


[반이아빠의 장난감 속 반도체] 변신자동차 또봇 9편, 또봇Z (바로가기)

그리고 끝으로 지난 11월부터는 또봇Z가 등장했습니다. Z가 담긴 박스와 Z의 몸체에 인쇄된 바코드, QR코드 등을 소개하고 원리를 알아보았습니다.


▲ 네이버 앱의 QR코드 인식을 통한 복권 당첨 확인


지금까지 2016년 동안 [반이아빠의 장난감 속 반도체]에 소개되었던 내용을 정리해 보았습니다. 사실 [반이아빠의 장난감 속 반도체]가 처음 연재되기 전에, 반도체 도서와 그 책에 담긴 내용을 소개하는 칼럼이 있었는데요, 내용이 다소 딱딱하고 반도체 종사자가 아니면 이해하기 힘든 부분이 있었습니다. 그래서 애초에 장난감이라는 단순하고 친숙한 소재를 통해서 앰코인들이 다루는 복잡하고 정밀한 반도체와 연관을 지어 풀어나가는 코너를 고려하게 되었습니다. 다만, 자칫 잘못하면 전문적인 반도체 부분이 부각되고 다시 딱딱해지고 재미가 떨어질 것 같다는 생각이 들었지요. 이에 편집자님과 상의하여 사외독자, 구체적으로는 반이엄마의 상식선에서 이해할 수 있는 수준으로 설정이 되었습니다. 원고를 작성할 때 이 조절이 가장 힘들고 어려웠던 것 같습니다.


연재를 처음 시작하고부터 반도체가 본격적으로 소개된 적은 몇 차례 없어서 칼럼 제목과 동떨어지고 장난감 회사 홍보가 지나치게 되는 것은 아니냐 하는 우려도 받았는데요, 원고마다 초반에 반이와의 에피소드를 넣어 자연스럽게 이론이나 주제가 소개되고자 했는데, 다소 억지스럽게 끼워 맞춘 경우도 많았답니다. (^_^) 그래도 이따금 재미있게 잘 보고 있다는 말씀을 들을 때마다, 필자로서 보람도 있고 뿌듯하기도 합니다. 앞으로도 많은 응원 부탁드리겠습니다.


2017년도에는 좀 더 다양한 장난감과 우리 생활 속에 숨겨진 반도체 소자와 과학적인 현상들로 이야기를 꾸릴까 합니다. 다음 호에는 ‘반도체가 없는 장난감 특집’ 편으로 만나뵙겠습니다. 새해 복 많이 받으시고 건강하세요!




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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반이는 오늘도 아빠가 퇴근하고 집에 돌아오기만 기다립니다. 반이의 또봇들은 자동차 모드로 나란히 주차해 있습니다. 반이아빠가 돌아와야 비로소 로봇으로 변신할 수 있기 때문입니다. 반이는커녕 반이엄마조차 또봇들을 변신시키지 못합니다. 예전에 반이아빠가 어렸을 때 가지고 놀던 로봇들(아래 사진에 보이는)은 두어 번 접고 결합해서 합체하면 되는 수준이었지만, 요즘 아이들이 가지고 노는 장난감들은 차원이 다릅니다. 완성된 형태의 자동차에서 온전한 로봇으로 변신한다는 것도 신기하지만, 그 변신 난이도는 반이아빠도 혀를 내두를 정도입니다. 정말 어느 분이 설계했는지 존경스럽습니다. (진짜 박사님인듯)


▲ 3단 합체 84태권브이와 또봇Z 변신 설명서

사진출처 : (좌)뽀빠이과학/(우)영실업


아래 사진에서 보이는 또봇 어드벤처Z(이하 또봇Z)는 자동차 모드일 때 국산 자동차인 소렌토R의 모습을 하고 있습니다. 아무래도 SUV 차량이다 보니 로봇 모드에서는 또봇X나 또봇Y보다 덩치도 크고 근육질처럼 보입니다.


▲ 또봇Z와 파일럿 권세모

사진출처 : 영실업


그리고 또봇들 중에서도 또봇C와 더불어 극악의 변신 난이도로 악명 높습니다. 또봇Z의 관절들은 인체와 비슷하게 구성된 것 같으면서도 변신의 용이성을 위해 다양하게 설계되어 있습니다. 일부 관절은 뽑을 수 있기도 하고, 다른 관절에 합치기도 합니다. 아귀가 조금이라도 맞지 않으면 다음 단계로의 변신이 되지 않습니다. 잠시 후, 반이아빠는 로봇으로 변신시킨 또봇Z를 반이에게 건네주며 반이엄마에게 말했습니다. “Z는 나도 변신시키기 힘들어. 여보는 이걸 보고 천천히 해 봐.”


반이아빠는 또봇Z의 운전석 쪽(아래 그림 참조)에 스마트폰을 가져다 대었습니다. 그러자 스마트폰에서는 또봇Z의 변신 방법을 설명하는 동영상이 자동으로 재생되기 시작했습니다. 반이엄마는 신기해하며 반이와 함께 동영상을 시청했습니다.


▲ 또봇Z 운전석 쪽에 인쇄된 QR코드

사진출처 : 영실업


또봇 어드벤처Z 변신 설명 영상

영상출처 : https://youtu.be/GVSKyWXcH_g


반이아빠가 스마트폰으로 비춘 Z의 운전석에는 QR (Quick Response) 코드가 인쇄되어 있습니다. 우리가 흔히 마트에서 물건을 살 때 계산대에서 스캐너로 찍는 바코드 (Bar code)보다 발전된 코드 체계입니다.

기존 바코드는 굵기가 다른 수직 막대들의 조합으로 이루어져 있습니다. 이 코드를 광학스캐너를 통해 인식하면, 시스템에 구성된 DB(데이터베이스)와 대조하여 상품명이나 가격 등의 정보를 제공합니다. 따라서 판매량과 재고 등의 정보까지도 편리하게 집계할 수 있습니다. 일전에 소개한 버스카드 등에 사용되는 RFID (http://www.amkorinstory.com/1469 참조)보다 거의 비용이 들지 않는 수준이기 때문에 아직은 RFID로 대체가 어렵습니다.


한편, 우리나라에서 사용하는 바코드 체계 KAN (Korean article number)에는 아래쪽에 13개의 숫자가 있는데, 앞쪽 3자리 숫자는 국가별 식별코드로 우리나라는 항상 880으로 시작합니다. 다음의 4자리 숫자는 업체별 고유코드, 그다음의 5자리 숫자는 제조업체 코드를 부여받은 업체가 자사 상품에 부여하는 코드입니다. 마지막 숫자는 바코드가 정확히 구성되어 있는가를 검사하기 위한 일종의 패리티 체크(Parity check) 코드로, 인식한 바코드의 신뢰도를 높여줍니다. 아래 그림에서 보이는 바코드는 또봇Z의 상자에 인쇄된 바코드입니다. 880으로 시작하는 대한민국 제품임을 볼 수 있습니다.


▲ 또봇Z 바코드


기존의 1차원적인 바코드에서 발전한 2차원 코드의 대표로 QR코드를 들 수 있습니다. QR코드는 ‘빠른 응답’을 뜻하는 Quick Response code의 약자이며, 정사각형에 흑백 격자무늬 패턴을 특징으로 하고 있습니다. 기존의 바코드는 20글자 내외의 정보를 담을 수 있었는데, QR코드는 한글 1,700자 또는 숫자 8,000개 분량의 정보가 들어 있습니다. 게다가 문자 외에 소리나 사진, 동영상까지 담을 수 있습니다. 통상 입력된 웹사이트로 연동되어 정보를 제공하는 것이 보편적인 사용법입니다. QR코드는 세 곳의 모서리에 돌아간 각도를 확인할 수 있는 심볼이 있어서 360도 어느 각도에서 스캔해도 정확한 정보를 얻을 수 있습니다. 또한, 오류 복원 기능이 있어서 코드 일부분이 손상되거나 오염되어도 최대 30%의 정보를 얻을 수 있습니다.


아래 보이는 것은 앰코인스토리의 QR코드입니다. 스마트폰에서 QR코드 전용 앱이나 다음, 네이버 등 포털사이트 앱을 실행하고 카메라를 통해 코드를 비추면 사용할 수 있습니다.


▲ 앰코인스토리 QR코드


한편으로, QR코드로 무분별한 스캔을 하면 사용자의 스마트폰, 태블릿 등이 악성코드에 노출되거나 유해 사이트로 이동할 수 있기에 세심한 주의가 필요합니다. 홍보나 광고 목적의 QR코드를 스캔하기 전에는, 믿을 수 있는 기업의 QR코드인지 확인합니다. 타인의 QR코드를 스캔할 때에도 주의해야 합니다. 이처럼 QR코드는 누구나 간단하게 만들 수 있고 프린트해 사용할 수 있는 큰 장점이 있고 다양한 생활밀착형 서비스를 제공할 수 있기에 QR코드의 생명력은 당분간 계속 유지될 것으로 예상합니다. 반이아빠는 가방 속에 뒹굴던 한참 지난 복권을 꺼내어, 네이버 포탈 앱에서 QR코드를 활용해 당첨되었는지 확인해 보았습니다. 7등에 당첨되었네요!


▲ 네이버 앱의 QR코드 인식을 통한 복권 당첨 확인




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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“고! 고! 렛츠고 또봇! 고! 고! 렛츠고 또봇!”

요즘 반이가 가장 많이 부르는 노래는 바로 <또봇>의 초창기 주제가입니다. 또봇은 변신하는 자동차 로봇들로, 2010년에 1기로 시작하여 얼마 전 19.5기까지 방영된 3D 로봇 애니메이션의 주인공들이자 유명 완구회사에서 제작 판매하는 장난감입니다. 지난 1월호까지 소개했던 <로보카 폴리> 시리즈 변신 자동차들보다는 아래 장면에서와같이 좀 더 복잡하고 정교하며 세련된 모습을 하고 있습니다.


▲ 로봇 상태의 또봇, 좌측부터 Z, X, Y

사진출처 : 또봇 애니메이션 중


특히 또봇은 자동차 회사와의 라이센스를 통한 실제 차량을 모델로 합니다. 이를테면 아래 장면과 같이 또봇X는 쏘울, Y는 포르테쿱, Z는 스포티지R 등의 모습을 하고 있어서 현실감이 매우 높습니다. 이제 네 살이 된 반이는 거리에서 차의 뒷모습만으로 해당 차량의 모델명(물론 또봇의 모델명)을 맞히곤 합니다.


▲ 자동차 상태의 또봇, 좌측부터 X, Y, Z

사진출처 : 또봇 애니메이션 중


또봇은 작년에 돌풍을 일으킨 <터닝메카드>라는 장난감이 나오기 이전까지 남자아이들이 가장 선호하는 장난감 1순위였습니다. 7년여간 방영된 탓에 등장인물과 또봇의 종류만도 무척 많은데요, 오죽하면 엄마들의 입에서 “새로운 캐릭터의 변신자동차가 또 나와서 또 사줘야 하니까 또봇이다.” 라는 우스갯소리가 나올 정도였다고 합니다.


또봇에겐 중요한 특징이 몇 가지 있는데요, 그중 하나가 바로 태양 에너지(Solar energy)를 에너지원으로 사용한다는 점입니다. 애니메이션상에서 또봇은 ‘차도운’ 박사가 만든 것으로 되어 있는데, 차 박사가 또봇의 파일럿인 아이들의 미래를 생각하며 그린 에너지 시스템을 개발, 친환경 에너지인 태양 에너지를 사용하게 됩니다. 애니메이션 3기에서는 악당들이 거대한 구름으로 대도시(극 중 배경이 되는 실제 도시(city)의 이름이 대도市입니다. ^^) 전체를 가려버리자, 태양 에너지를 쓸 수 없게 된 X, Y가 합체한 또봇인 타이탄의 에너지가 바닥나 고전하는 내용을 담고 있습니다.


▲ 태양 에너지를 충전하는 또봇 타이탄의 모습

사진출처 : 또봇 애니메이션 중


태양 에너지는 크게 빛에너지와 열에너지로 나눌 수 있습니다. 그중 Solar cell이라고 불리는 태양전지는 태양이 방출하는 빛에너지를 이용하여 전기를 만들어 냅니다. 태양전지는 반도체에 빛을 쏘이면 전기가 발생하는 원리를 이용하는데, 이를 광기전력 효과라고 합니다. 이러한 반도체 재료로서는 실리콘, 갈륨비소, 황화카드뮴 혹은 이들을 복합물질 등이 이용됩니다. 태양전지의 작동원리는 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 LED의 반대라고 생각하면 됩니다. (LED 관련 지난 기사를 참조해보세요 http://amkorinstory.com/724)


태양전지는 아래 그림과 같이 보통 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 되어 있습니다. 원자 속의 전자가 전도띠로 갈 수 있는 빛에너지를 흡수하면, p형 반도체와 n형 반도체 속에 정공(+)과 전자(-)가 생성됩니다. p-n 접합에서 만들어진 전기장에 의해 전자(-)는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 정공(+)은 p형 반도체 쪽으로 이동합니다. 이때 p형 반도체와 n형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전기에너지를 얻을 수 있습니다.



▲ 태양전지의 원리

사진출처 : http://goo.gl/30KMUF


태양전지는 필요에 따라 직렬, 병렬로 연결하여 사용하는데, 기본 단위를 셀(Cell)이라고 하며 이 셀들을 연결하여 필요한 전력을 얻기 위한 모듈(Module)을 형성합니다. 이 모듈들을 연결하여 설치하면 태양발전 어레이(Array)가 됩니다. 태양전지로 전력을 확보하기 위해서는 큰 어레이와 넓은 설치 면적이 필요합니다. 소규모 태양발전 어레이의 경우에도 보통 건물의 옥상을 이용하며 창문이나 벽에 설치하는 방법도 등장하고 있습니다.


기존의 태양전지와 다른 종류로는 염료 감응형 태양전지 (dye-sensitized solar cell)라고 하여 식물의 광합성을 모사하여 염료의 화학적 반응을 이용한 태양전지와 기존의 실리콘 대신 유리와 같은 값싼 기판 위에 박막 형태의 태양전지를 증착함으로써 전기를 만드는 박막 태양전지 (Thin film solar cell) 등이 있고, 각각 효율과 가격 등에 따른 장단점을 갖고 있습니다. 태양광 발전이 종래의 화석이나 원자력 발전과 경쟁하기 위해서는 kWh당 발전비용을 현재의 4분의 1 수준으로 낮추어야 한다는군요. 그 방법은 효율을 높이거나 값이 싼 새로운 소재를 찾아내야 하는 것이겠지요.


이처럼 아직까지는 태양전지의 에너지 효율이 떨어지는 편인데, 이를 극대화하여 사용할 수 있는 곳이 있습니다. 바로 인공위성입니다. 개발 초기 태양전지의 효율은 4%에 불과했다고 하네요. 하지만 이것은 어디까지나 지구에서의 수치였고, 우주에서는 사정이 완전히 다릅니다. 대기에 의한 에너지 손실도 없을 뿐 아니라 지구 뒤편의 그늘로 들어가지 않는 이상, 태양전지판의 방향과 위치를 조절하는 것만으로 온종일 최대 효율로 전기를 생산할 수 있기 때문입니다.


▲ 통신위성 인털샛 5호의 태양전지

사진출처 : http://goo.gl/6Tew1b


한편 일상생활에서 태양전지는 바로 아래와 같이 탁상용 전자계산기나 손목시계 등에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 그리고 오른쪽 사진처럼 조금은 엉뚱한 것 같아도 알고 보면 정말 값어치 있게 쓰이는 곳도 있습니다.


▲ 탁상용 전자계산기와 낙타 등에 설치된 Solar cell 

사진출처 : https://goo.gl/dM4Y25


낙타 등위에 설치한 태양전지로 작동하는 친환경 냉장고입니다. 과연 어떤 상황에 사용하길래 태양전지까지 설치해 놓았을까요? 이 프로젝트는 오지에 사는 원주민들의 건강 증진을 위해 노력해 온 케냐의 한 단체에서 제안한 것으로, 태양광을 이용하는 소형 냉장고를 만들어 낙타 등에 싣고 다니면서 오지에 사는 원주민들에게 백신이나 의약품을 전달해 주려는 목적이라고 하네요. 태양광이 인류복지를 위해 쓰이는 예라고 할 수 있습니다.


많은 종류 중에서 과연 어느 또봇을 먼저 소개해야 할지 막막하지만, 다음 시간부터 하나씩 하나씩 차례대로 만나보면서 또봇들에게 숨겨져 있는 반도체들을 만나보도록 하겠습니다! 즐거운 하루 되세요.

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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  1. 유현 2016.04.09 18:08 Address Modify/Delete Reply

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2015년 3월, <반이의 빠방>이라는 에피소드로 연재를 시작한 지도 어느새 1년이 되었습니다. 반이는 무럭무럭 자라서 작년 여름부터는 어린이집을 다니기 시작했고, 연말에는 귀여운 동생을 보았으며, 장난감은 더욱 많아졌습니다. 게다가 다음 주에는 반이의 생일을 앞두고 있어 또 한 무더기의 장난감 식구들이 늘어날 것입니다. 요즘 반이아빠는 쌓여가는 장난감들을 보며 슬슬 이사 준비를 해야겠다고 다짐합니다.


이번 호에서는 지난 1년간의 꼭지들을 돌아보고, 앞으로 펼쳐질 새로운 장난감들과 반도체의 만남을 소개하는 시간을 갖도록 하겠습니다.


<반이의 빠방 1편>에서는 반이의 장난감 자동차 내부의 스피커 배선이 끊어져 소리가 나지 않는 것을 다시 납땜하여 고쳐주는 에피소드로, PCB, IC, 전자부품 등의 정의를 알아보며 PCB 기판의 X-ray 사진 속에서 부품들의 배치를 확인할 수 있었습니다.


▶ 반이의 빠방 1편 (바로가기)


<반이의 빠방 2편>에서는 반이의 장난감 자동차에서 나오는 소리를 줄이기 위해 가변저항인 VR, Volume을 추가로 연결했고, 저항값을 조절함으로써 전류를 제어하여 소리를 줄이는 것을 통해 저항의 정의와 성질 및 전류와 전압과의 관계에 대해서도 알아보았습니다.


▶ 반이의 빠방 2편 (바로가기)


<반이의 빠방 3편>에서는 에듀북과 장난감 신호등에 부착된, 빛을 내는 발광다이오드 LED의 정의와 구조에 대해 살펴보며 <반이의 빠방> 시리즈를 마무리하였지요.


▶ 반이의 빠방 3편 (바로가기)


이어진 시리즈는 <노래하는 반이> 편으로, 1편에서는 마이크에 대고 소리를 지르는 반이의 에피소드를 통해 마이크의 구조와 원리, 그리고 패러데이의 법칙을 배울 수 있었습니다.


▶ 노래하는 반이 1편, 뽀로로 마이크 (바로가기)


<노래하는 반이 2편>에서는 20세기 가장 위대한 발명품으로 꼽히는 트랜지스터의 구조와 기능을 소개하면서, 어떻게 마이크로 들어간 소리가 스피커를 울리는 큰 신호로 증폭되는지 알아보았습니다.


▶ 노래하는 반이 2편, 트랜지스터 (바로가기)


이어진 <트랜지스터 2편>에서는 트랜지스터의 스위치 작용을 알아보았고, 


▶ 노래하는 반이 3편, 트랜지스터의 작용 (바로가기)


<노래하는 반이 3편>에서는 스피커의 구조와 플레밍의 오른손 법칙과 왼손 법칙을 통해 물리적인 움직임을 전기 신호로 바꾸거나 그 반대의 동작을 하는 원리를 소개하였습니다.


▶ 노래하는 반이 4편, 스피커 (바로가기)


가을로 접어들면서는 <로보카 폴리> 시리즈를 시작하였습니다. <폴리 도미노> 편에서는 브룸스타운 구조대인 폴리와 친구들을 소개하고, 반도체 IC를 보호하는 Liquid Encapsulation 기법에 대해 알아보았네요.


▶ 로보카 폴리 1편, 폴리 도미노 (바로가기)


<무선조종 앰버> 편에서는 RC라고도 불리는 무선조종 Radio Control의 원리와 무선조종에 필요한 무선 주파수에 관련된 이야기를 나누었고요,


▶ 로보카 폴리 2편, 무선조종 엠버 (바로가기)

 

<따라와 폴리> 편에서는 IRED에서 나오는 적외선을 활용한 경광봉과 폴리의 재미있는 움직임을 볼 수 있었습니다.


▶ 로보카 폴리 3편, 따라와! 폴리 (바로가기)


지난 호 <오토 폴리 디럭스> 편에서는 충전지의 종류와 특징에 대해서 알아보며 브룸스타운 구조대 폴리와 친구들을 만나는 시간을 마무리하였습니다.


▶ 로보카 폴리 4편, 오토 폴리 디럭스 (바로가기)


아직은 반이가 어려서인지 막상 가지고 노는 장난감들을 열어보면 흔히 ‘반도체’라고 일컬을 수 있는 IC는 중요한 기능들을 축약시켜 놓은 1개나 2개 정도가 대부분입니다. 그리고 그 구조는 대체로 IC를 기판에 부착하여 전기적으로 연결 후 열경화성수지로 감싸, 외곽을 경화시킨 형태 혹은 단순한 DIP 형태를 보입니다. 아래 그림에 보이는 package는 Plastic Dual In-line Package로 약어로 PDIP라고 부르며, 열경화성수지인 Mold Compound로 내부회로를 보호하고 두 열의 핀이 나란하게 배치된 특징이 있는 매우 단순한 package 구조로 되어 있습니다.


▲ Dual In-line Package


반이가 자라면서 가지고 노는 장난감의 부피도 커지고 정교해지고 있답니다. 아마 숨어 있는 반도체들도 조금씩 많아질 것으로 기대되네요. 다음 호부터는 <변신 자동차 또봇!> 시리즈로 찾아뵐게요!


사진출처 : http://goo.gl/2F7j5V


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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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


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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