반이아빠의 장난감 속 반도체 - 반이의 빠방 3편

지난 호 반이의 장난감 빠방에 가변저항을 달아서 소리의 크기를 조절해준 에피소드에서 이어집니다.

반이는 한동안 빠방의 소리를 줄였다 키웠다 하면서 가지고 노느라 정신이 없었습니다. 반이아빠는 반이와 조금 떨어진 곳에 자리를 잡고 작은 빠방들이 달리는 트랙을 조립합니다. 잠시 후 반이아빠의 작전대로 반이는 빠방을 내팽개치고 쪼르르 달려와 이것저것 참견을 합니다. 이제 더는 빠방 소리가 들리지 않아 다행입니다. 반이와 반이아빠는 트랙 주변으로 나무도 놓고 팻말도 놓고 신호등도 놓습니다. 이윽고 아기자기한 자동차 트랙이 완성됩니다.

반이가 이번에 관심을 보이는 것은 장난감 신호등입니다. 버튼을 누르면 녹색불, 노란불, 빨간불이 순서대로 켜집니다. 반이는 신호등의 버튼을 쉬지 않고 누르며 색깔을 바꿉니다. 반이아빠는 신호등과 관련된 유아용 에듀북(Edu-book)을 가져와서 반이에게 보여줍니다. 버튼을 누르자 에듀북이 말을 합니다. “띠디디디, 띠디디디, 신호등의 초록불이 켜졌어요~.”

▲ 장난감 신호등, 에듀북 ⓒ양원모

   

장난감 신호등과 에듀북의 신호등은 밝은 빛을 내며 버튼이 눌러질 때마다 색을 바꿉니다. 반이아빠는 장난감 신호등의 초록불을 켜고 말했습니다.

“반아, 빨간불 신호등에서는 멈추고 이렇게 초록불 신호등에서는 가는 거야.”

반이아빠는 작은 로봇들을 움직여서 에듀북 위에 그려진 횡단보도 위로 건너는 시늉을 합니다.

“빠방~초록~꼬~”

반이는 손에 들고 있던 빠방들을 움직여 횡단보도 그림 위로 통과시키려 합니다. 아마 초록불이니 빠방들도 지나가겠다는 뜻인 듯합니다. 횡단보도 신호등과 차도 신호등의 차이를 알려주기엔 반이는 아직 너무 어린 것 같습니다.

반이의 에듀북과 장난감 신호등, 그리고 실제 도로에서의 신호등을 밝게 비추는 것은 모두 LED를 사용하고 있기 때문입니다. LED는 Light Emitting Diode의 약자이며, 빛을 내는 발광(發光) 다이오드입니다.

우선, 다이오드에 대해 알아보겠습니다. 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 전자부품입니다. P형 반도체는 Positive semiconductor로서 ‘+전하’를 가진 정공이, N형 반도체는 Negative semiconductor로서 ‘–전하’를 가진 전자가 주요 운반자(캐리어)로 전류를 흐르게 합니다. 이 두 반도체를 접합시킨 P-N접합 다이오드의 P형 반도체 쪽에 전원의 ‘+극’을, N형 반도체 쪽에 ‘–극’을 연결해주면 (이를 순방향 바이어스라고 하지요) 전류가 잘 흐르지만, 반대(역방향 바이어스)로 연결하면 전류가 흐르지 않는 특성이 있습니다.

이러한 다이오드의 특성은 교류를 직류로 바꾸어 주는 정류회로에 주로 사용됩니다. 우리가 흔히 사용하는 스마트폰 충전기는 교류 AC 220V를 직류 DC 5V로 바꾸어 출력하는 정류회로를 포함하고 있습니다.

▲ 스마트폰 충전기에 표기된 입출력 전압 ⓒ양원모

   

LED에 순방향 바이어스를 걸어주면 ‘+극’에서 공급된 정공과 ‘–극’에서 공급된 전자가 PN 접합 부근에서 재결합하게 되는데, 이 과정에서의 에너지가 빛에너지로 전환되어 발산하게 됩니다. 이때 LED 내부의 반도체 재료나 불순물의 종류에 따라 빨간색, 녹색, 파란색 등 빛의 종류가 다양하게 나타납니다.

▲ LED 기호 및 구동 회로 ⓒ양원모

 

LED는 전기를 빛으로 변환하는 비율이 높아서 형광등의 1/2, 백열등의 1/8 정도의 전력을 소비합니다. 그리고 기존 전구보다 빛을 내는 물체인 광원(光源)이 작아서 작고, 얇고, 가볍게 만들 수 있으며 응답 속도가 빠른 장점도 있습니다. 또한, 벽시계 등에서 흔히 볼 수 있는 7-segment display, 자동차의 브레이크등, 적외선 LED를 이용한 리모컨 등에 다양하게 이용되고 있습니다.

▲ 장난감 신호등 속의 LED ⓒ양원모

▲ 여러 가지 LED와 구조 ⓒ양원모

   

▲ LED를 활용한 7 segment 표시 장치

사진 출처 : http://goo.gl/e4pMGy

▲ 「만화로 쉽게 배우는 반도체」 중

이것으로 ‘반이의 빠방’ 편을 마치고, 다음 시간부터는 ‘노래하는 반이’ 편이 이어집니다.

감수 / 연구소 연구1팀 정지영 부장