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​​소형 서보모터란?

소형 서보모터는 정밀한 위치 결정과 속도 제어가 가능한 모터입니다.

모터 내부에는 회전수나 토크의 제어 장치가 내장되어 있어, 지령값에 피드백을 주면서 제어함으로써 고정밀도의 제어를 실현하고 있습니다. 서보 모터의 ‘서보’는 그리스어의 Servus(노예)가 어원으로, 명령에 따라 정확하게 움직인다는 의미를 담고 있습니다.

기존에는 직류 전류로 구동하는 DC 서보 모터가 주류를 이루었으나, 현재는 내구성과 유지보수성이 우수하고 교류 전류로 구동하는 AC 서보 모터가 주류를 이루고 있습니다. 본 기사에서는 ‘소형’이라고 표현하고 있지만, 소형에 대한 명확한 구분은 정의되어 있지 않습니다.

각 모터 제조사의 라인업에 따라 대형, 소형, 정밀 등으로 구분하고 있습니다.

소형 서보 모터의 사용 용도

소형 서보모터는 정밀한 동작이 요구되는 생산라인이나 계측장비, 의료기기 등에 사용됩니다. 구체적인 예로는 공작기계 및 산업용 로봇, 정밀기기 및 전자부품, 액정 디스플레이, 반도체 제조장치, 검사장비, 바이오 기기 등이 있습니다.

자동차 제조 공장에서 활약하는 산업용 로봇의 경우, 부품의 피킹, 용접, 도장 등의 작업을 반복적으로 정확하게 수행할 수 있는데, 서보 모터를 통한 정밀한 제어를 통해 이를 실현하고 있습니다. 우리의 일상생활에서는 각종 OA기기, 자동차 등에도 서보모터가 사용되고 있습니다.

소형 서보 모터의 원리

서보모터는 여러 기기와 결합하여 정확한 동작을 가능하게 합니다. 서보 모터의 시스템은 사령탑인 컨트롤러, 제어부인 드라이버 또는 서보 앰프, 그리고 구동부인 모터로 구성됩니다. 또한, 모터의 실제 구동 상황을 파악하기 위한 검출기가 되는 것이 인코더입니다.

서보 모터가 동작할 때, 컨트롤러에서 드라이버로 위치, 회전수, 토크, 속도 등의 동작 조건이 전달됩니다. 드라이버가 전달받은 조건과 엔코더로부터 전달받은 모터의 회전 상태 등으로부터 모터에 최적의 전력을 공급하여 모터가 컨트롤러로부터 전달받은 목표 회전 조건이 되도록 엔코더로부터의 피드백을 바탕으로 제어됩니다.

또한, 서보 컨트롤러가 드라이버에 지령을 내릴 때의 제어는 속도 제어 시스템 또는 위치 제어 시스템 중 하나의 방식이 사용되는 것이 일반적입니다.

소형 서보 모터의 기타 정보

AC 서보 모터와 DC 서보 모터의 차이점

서보 모터뿐만 아니라 모터에는 직류 모터, 교류 모터, 펄스 모터가 있습니다. 이 중 서보 모터는 직류 모터인 DC 서보 모터와 교류 모터인 AC 서보 모터가 있다. 현재 가장 널리 사용되는 것은 AC 서보모터입니다.

AC 서보모터는 로터라는 회전축에 영구자석이 사용되며, 회전축 주위에 고정자로 철심과 코일로 둘러싸인 구조로 되어 있습니다. 교류의 주파수 타이밍에 맞춰 고정자의 코일에 전류를 흘려 자기장을 발생시켜 회전축의 영구자석과 인력과 반발력을 발생시켜 회전축을 회전시킵니다.

회전축은 코일 등에는 비접촉으로 동작하기 때문에 마찰 미끄럼을 하는 부분은 베어링뿐입니다. 고정자 쪽에 전류가 흐르기 때문에 발열하는 것은 모터 외부에 있는 고정자이며, DC 모터는 회전자에 전류가 흐르기 때문에 발열하는 것도 회전자입니다. 방열성 측면에서 보면, 모터의 바깥쪽인 고정자가 발열하는 AC 모터가 방열이 잘 되는 모터가 됩니다.

반대로 DC 서보 모터는 비교적 작은 크기로도 큰 토크를 얻을 수 있습니다. 제어성이 좋고 저렴한 것도 특징 중 하나다. 그러나 DC 모터는 브러시와 정류자가 직접 접촉하여 전기를 흐르게 하기 때문에 브러시 마모가 발생합니다. 마모에 대한 유지보수가 필요하며, 환경에 따라서는 브러시 마모 가루로 인해 스파크가 발생할 수 있는 것도 단점입니다.

소신호 다이오드란?

소신호 다이오드란 수백mA 이하의 비교적 작은 전류로 동작하는 다이오드를 말합니다.

교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류나 스위칭, 정전압 생성 등에 사용됩니다. 가장 잘 알려진 용도는 복조입니다.

복조는 고주파의 반송파(캐리어) 신호에 저주파의 음성 신호를 합성하여 발신하는 라디오의 전파를 다이오드의 저주파 신호만을 검출하는 특성을 이용하여 음성 신호로 음성 출력 장치에 출력하는 것을 말합니다.

소신호 다이오드의 사용 용도

소신호 다이오드는 전기기기나 정밀기기, 라디오 수신기 등 특히 고주파 용도나 스위칭 동작 등 소신호를 처리하여 전기적 동작을 하는 전자기기 제품에 사용됩니다.

작은 신호 동작으로 인해 다이오드의 최대 정격과 인가 가능한 바이어스에 주의하여 선택해야 합니다. 또한, 과도한 전류가 흐를 가능성이 있는 경우 보호회로 등을 설치하여 다이오드에 과도한 전류가 흐르지 않도록 회로를 구성해야 합니다.

소신호 다이오드의 원리

소신호 다이오드의 원리는 반도체 다이오드의 PN 접합 계면이나 금속과 반도체의 접합 계면에서 발생하는 물리적 현상을 이용하여 I-V 특성의 순방향과 역방향으로 발생하는 정류 작용을 이용한 특징적인 회로 동작에 있습니다.

소전기적 회로의 동작을 대표적인 기능인 스위칭 동작, 정류 회로, 정전압 발생으로 나누어 설명합니다.

1. 스위칭 동작

다이오드에 전압을 인가하면 일정한 방향으로만 전류가 흐르는 기능을 이용하여 스위치로 활용합니다. 순방향으로 전압을 인가하면 전류가 흐르는 것을 온 상태라고 하며, 역방향은 전압을 인가해도 전류가 흐르지 않으므로 오프 상태의 동작입니다.

쇼트키 배리어 다이오드나 PIN 다이오드는 작은 전류로 빠른 스위칭이 가능하기 때문에 비교적 동작 주파수가 높은 스위치 기능의 다이오드로 활용됩니다.

2. 정류 회로

정류는 다이오드의 특정 방향으로만 전류가 흐르는 특성을 이용하여 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 회로 동작을 말합니다. 보통은 마이너스 방향을 통하지 않는 반주파수의 전류가 되지만, 다이오드를 브리지 회로로 연결하면 교류의 마이너스 부분을 플러스로 변환하여 통전하기 때문에 전 주파수의 직류 전류로 변환할 수 있습니다.

3. 정전압 생성

제너 다이오드가 많이 사용되는 회로 동작입니다. 제너 다이오드는 역방향 전류에 관계없이 일정 범위의 정전압을 생성할 수 있는 다이오드입니다. 이 다이오드를 통해 정전압을 생성하는 회로 용도나 보호 회로로 활용되고 있습니다.

소신호 다이오드의 기타 정보

1. 소신호 다이오드의 구조 사례

소신호 다이오드의 구조는 크게 플래너형과 메사형으로 구분할 수 있습니다.

플래너형

플래너형은 가장 많이 사용되는 반도체 구조로, 실리콘 반도체 표면의 산화막 부근에 불순물 확산층을 형성하여 다이오드용 PN 접합을 만드는 구조입니다. 회로적으로 IC의 다양한 부분에 필요한 다이오드를 만들 수 있으며, 소신호 다이오드의 디스크리트 용도 외에도 IC 내부의 회로 블록으로 폭넓게 활용할 수 있는 구조입니다.

메사형

메사형은 PN접합을 산과 같은 수직형으로 형성하는 특징을 가지고 있으며, 특히 구조상 N형 부분의 면적을 넓게 할 수 있기 때문에 역방향 내압을 비교적 크게 할 수 있습니다. 이러한 특징을 살려 정류용 소신호 다이오드 등에 많이 사용되는 구조입니다.

2. 어레이형 소신호 다이오드

소신호 다이오드를 다양한 회로에 활용하는 경우, 여러 개의 다이오드를 사용하는 경우가 있습니다. 이러한 경우에 적합한 제품이 어레이형 소신호 다이오드입니다.

여러 개의 소신호 다이오드를 하나의 패키지에 집적시킨 제품이나 제너 다이오드와 쇼트키 배리어 다이오드를 복합 어레이화한 제품 등도 취급하고 있습니다. 회로면에서 다이오드의 Vf 전압을 분리하여 사용하고 싶을 때 등에 편리한 제품입니다.

압전소자란?

압전소자는 수정이나 석영 등의 유전체에서 발생하는 압전효과와 역압전효과를 이용하여 미세 동작 제어나 감지 등을 하는 수동소자를 말합니다.

동작에 기어나 모터 등을 필요로 하지 않는 단순한 구조이기 때문에 다른 미세 동작 기구 소자에 비해 소형의 소자가 됩니다.

압전소자의 사용 용도

압전소자는 주로 산업용 미세 동작을 감지하고 제어하는 장치에 사용된다. 예를 들어, 진동계에도 사용되는데, 진동에 의한 미세한 힘의 변화를 압력으로 압전소자에 입력하고, 압력이 가해진 압전소자에 발생하는 전압을 출력으로 전압값을 얻어 진동의 크기로 수치화하는 방식입니다.

또한, 정밀한 움직임이 요구되는 현미경이나 간섭계와 같은 장비의 스테이지 동작에 수반되는 구동계로도 사용되고 있습니다. 이러한 구동계의 압전소자 부재는 피에조 드라이버 또는 피에조 액추에이터라고 불리며, 압전소자를 여러 개 적층한 적층 액추에이터 등도 범용적인 부재로 사용되고 있습니다.

이들은 압전 소자에 미세한 펄스 전류를 가함으로써 미세한 동작을 실현하고 있습니다. 이처럼 높은 응답성과 정밀한 동작 제어가 필요한 장면에서는 압전소자가 적합합니다.

압전소자의 원리

압전소자에 사용되는 소재는 주로 압전 세라믹이 사용되며, 압전체는 결정 내부에 전기적 왜곡인 극성을 가지고 있습니다다.

그림 1과 같이 압전소자는 압전체를 양극 전극과 음극 전극으로 끼워 넣은 구조입니다.

그림 1. 압전소자 모식도

전극 사이에 전압을 가하면 압전체에 압력이 가해져 전압의 크기에 따라 파란색 화살표와 같이 신축하여 변위하고, 이 변위를 구동력 등으로 활용하고 있습니다. 또한, 반대로 압전소자를 변형시키는 압력을 가하면 전압을 감지할 수도 있습니다.

압전체 내부의 결정 격자는 그림 2와 같이 평상시에는 대기 중의 이온을 흡수하여 전기적으로 안정된 상태를 유지합니다. 그러나 전압이 가해지면 그림 3과 같이 쉽게 균형이 깨져 결정 내 극성이 변화하고, 결정 격자 자체가 화살표로 표시된 방향으로 신축하며, 이로 인한 변위가 압전체의 변위입니다.

그림 2. 압전체가 정상 상태의 모식도(왼쪽) / 압전체에 압전을 가한 상태의 모식도(오른쪽)

압전소자에서는 이 극성을 이용하여 전기 에너지를 효율적으로 소자의 변형 에너지로 바꾸기 위해 압전체를 전극으로 끼워 넣은 구조로 되어 있습니다. 이 전극 사이에 인가된 전압에 대해 압전체에 압력이 가해져 변형됩니다. 또한, 반대로 압력을 가하면 전압을 감지할 수 있습니다.

이때 압전체의 변형은 압전체가 가지고 있는 결정 격자의 전자적 극성을 이용한 왜곡 변형으로 인해 고작 수 마이크론 수준의 변형량이 됩니다. 따라서 일반적으로 수 미크론의 미세한 구동량만 표현할 수 있기 때문에 더 큰 구동량을 확보하기 위해서는 여러 개의 압전소자를 합체 적층해야 합니다.

압전소자 선택 방법

압전소자를 설치하여 동작시키는 물질의 구성이 질량부하인지 탄성부하인지에 따라 적합한 동작을 하는 압전소자를 선별해야 합니다.

특히, 스프링 등의 탄성부재를 통해 유지되는 실제 움직이는 구성물의 동작을 하는 경우 탄성부하 조건이 되는데, 압전소자로 하중을 가할수록 스프링의 탄성에 의해 압전소자에 의한 힘을 밀어내는 힘이 작용하여 힘의 전달방식이 달라지기 때문입니다.

구체적으로 그림 3과 같이 압전소자가 구동부재를 눌렀을 때 발생하는 힘을 그대로 실제 움직이는 구성품에 전달하는 경우를 질량부하라고 하며, 압전소자에 전압이 인가된 시점부터 파란색 화살표 방향의 일정한 힘이 계속 가해지게 됩니다.

그림 3. 질량부하 모식도

반면, 탄성부하는 그림 4와 같이 파란색 화살표로 표시된 압전소자가 구동부재를 눌렀을 때 발생하는 힘을 스프링 등의 탄성부재를 통해 실제 움직이는 구성품에 전달하는 경우를 탄성부하라고 합니다.

압전소자에 전압이 인가된 시점부터 빨간색 화살표로 표시된 스프링의 저항을 받으면서 가압하게 되고, 구성품에 가해지는 힘은 점차 커져 일정한 힘에 도달하게 됩니다.

그림 4. 탄성부하 모식도

따라서 스프링과 같은 탄성부재를 통해 압력을 가하는 경우, 압전소자가 일정한 전압만 가능한 소자에서는 동작의 전반부와 후반부의 이동량이 달라지게 됩니다.

또한, 압전소자에는 움직일 수 있는 스트로크가 정해져 있기 때문에 원하는 동작을 실현할 수 있는 스트로크를 가진 것을 선정하는 것이 중요합니다.

압전소자의 기타 정보

1. 압전소자 재료

압전 효과를 갖는 재료에는 세라믹계와 필름계가 있습니다.

압전 세라믹스

• 납 지르콘산 티탄(PZT)
  가장 널리 사용되는 압전 세라믹으로 다양한 용도로 사용되고 있으며, 부저, 진동센서, 액추에이터 등이 대표적인 제품입니다.
• 리튬 탄탈레이트 (LT)
  단결정으로 안정성이 좋아 전자기기에 사용됩니다. 가장 많이 쓰이는 용도는 SAW 필터라고 불리는 특정 전파만 통과시키는 전자 장치입니다. 휴대폰 등에 널리 사용되고 있습니다.

압전 필름

• 폴리불화비닐리덴(PVDF)
  압전 특성을 가진 수지 필름입니다. 변위량은 세라믹에 미치지 못하지만, 저렴하게 생산할 수 있고 다양한 형태로 가공할 수 있기 때문에 자력식 진공청소기의 근접센서, 터치센서 등 가전제품에 널리 사용되고 있습니다.

2. 압전소자가 사용된 제품 예시

라이터용 압전소자

압전소자는 충격을 가하면 고전압의 전하를 발생시키는 특성을 이용하여 전자 라이터나 가스레인지의 발화부에 사용되고 있습니다. 부싯돌(발화석)은 사용할수록 마모되지만, 전자 라이터에 사용되는 압전소자는 파손되지 않는 한 반영구적으로 사용할 수 있기 때문에 충전식 가스 라이터 등에 적합합니다.

압전소자 사용 스피커

압전소자는 전기신호를 가하면 늘어났다 줄어들었다 하는 성질을 이용하여 발음 부품으로도 사용됩니다. 금속판에 압전 세라믹 박판을 붙이고, 확산 진동을 이용한 진동 진폭을 얻어 큰 소리를 낼 수 있습니다.

주로 가전제품의 알림음, 컴퓨터의 경고음, 시계의 전자음, 자동차 실내의 후진음이나 오디오의 클릭음 등에 사용됩니다.

일부 고급 오디오에서는 사람의 귀에는 거의 들리지 않는 20kHz 부근의 소리를 내는 트위터로 압전스피커를 탑재하여 클래식 음악 등에서 소리의 퍼짐 효과를 내는 경우도 있습니다.

압전 액추에이터

압전 소자는 전기 신호에 의해 늘어나고 줄어드는 성질을 이용하여 물체를 밀고 당기는 액추에이터(구동부)로도 적합합니다. 잉크젯 프린터의 구동부에 사용되어 고정밀도의 잉크 토출 기능이나 액체를 밀어내는 디스펜스 기능을 실현하고 있습니다.

압전소자를 사용한 액추에이터는 전자기 코일을 사용한 액추에이터에 비해 소형화할 수 있다는 장점이 있지만, 진동 진폭이 코일식에 미치지 못하기 때문에 미세하고 고정밀도의 구동 진폭이 요구되는 용도에 한정하여 사용되고 있습니다.

반도체 릴레이란?

반도체 릴레이는 입력 신호를 출력 회로에 전달하는 계전기 중 반도체를 이용한 무접점형 계전기를 말합니다.

일반적으로 높은 응답성과 높은 수명이 확립되어 있어 릴레이의 개폐 빈도가 높고, 빠른 응답이 필요한 경우에 적합합니다.

반도체 릴레이의 사용 용도

반도체 릴레이는 그 높은 응답성과 높은 수명을 최대한 활용할 수 있는 온도 조절 관리 시스템 등 온-오프 빈도가 높은 경우에 사용되고 있습니다.

또한, 일반 자력을 이용한 접점형 릴레이와 달리 기계적인 슬라이딩 접점이 존재하지 않습니다. 접점 개폐에 따른 소음이 발생하지 않기 때문에 소음에 취약한 제품에도 많이 탑재됩니다.

한편, 신호 전달에는 반도체나 다이오드를 통한 발광 현상을 이용하고 있습니다. 따라서 온도 상승의 영향이 적지 않거나, 출력단이 반도체 소자인 경우가 있습니다. 고전압, 고전류 제품에는 적합하지 않은 부분도 있으므로 주의가 필요합니다.

반도체 릴레이의 원리

그림 1. 반도체 릴레이의 원리

무접점형이라고 불리는 것처럼 입력측 회로와 출력측 회로는 물리적으로 분리되어 있으며, 신호의 전달은 포토커플러와 같은 광절연 소자를 통해 이루어집니다.

입력 측 발광 다이오드에 전류를 흘려주면 발광하고, 그 빛을 수광하는 회로가 출력 측에 있어 빛을 감지하면 출력 회로가 동작하는 구조입니다. 반도체 릴레이 공급업체에 따라 광수광 회로는 포토다이오드 어레이, 포토 커플러, 포토 트라이액 등이 사용되며, 출력부도 MOSFET, 트라이액 등 다양한 종류가 있습니다.

신호 전달에 빛을 사용하기 때문에 매우 빠른 응답성을 가지고 있습니다. 또한, 기계적 접점을 가지지 않기 때문에 접점 부분이 마모되지 않아 일반적으로 접점형 릴레이에 비해 수명이 깁니다.

그 외 입력과 출력 사이는 절연소자에 의해 완전히 절연되어 있기 때문에 입력 측에서 발생한 노이즈가 출력 측으로 전달되기 어려운 특징을 가지고 있습니다.

반도체 릴레이를 선택하는 방법

우선 릴레이가 필요한 회로에서 얼마나 높은 응답성이 필요한지, 신호 전달 빈도를 고려해야 합니다. 만약 그렇게 높은 응답성을 필요로 하지 않고 저주파수 신호 전달로 충분하다면 일반적인 접점형 릴레이가 더 작고 저렴한 경우가 많습니다.

반도체 릴레이가 필요한 경우 해당 입력 신호의 최대 전류 값도 확인합니다. 반도체 릴레이는 반도체를 이용한 출력 회로이기 때문에 과도한 전류가 흐르면 반도체 자체가 손상되어 더 이상 사용할 수 없게 됩니다.

반도체 릴레이의 기타 정보

1. 반도체 릴레이와 기계식 릴레이의 비교

그림 2. 반도체 릴레이와 기계식 릴레이

반도체 릴레이와 기계식 릴레이의 차이점은 무접점형인지 유접점형인지 여부입니다. 반도체 릴레이는 솔리드 스테이트 릴레이라고도 하며, 무접점 릴레이이고, 기계식 릴레이는 유접점 릴레이입니다.

무접점 반도체 릴레이는 전자 회로에서 기계적 개폐 없이 신호 전달만으로 ON/OFF를 전환합니다. 유접점 기계식 릴레이는 회로 내에 가동식 부품이 내장되어 있으며, 코일을 이용해 전자기력을 발생시켜 접점이 접촉하여 ON/OFF를 전환하는 방식입니다.

반도체 릴레이와 기계식 릴레이는 각각 다음과 같은 특징이 있기 때문에 필요에 따라 구분하여 사용합니다.

반도체 릴레이의 특징

• 소형, 경량
• 장수명
• 정숙함
• 동작이 빠르다
• 진동에 강하다
• 누설 전류가 있다
• 열에 약하다
• ON 저항이 있다

기계식 릴레이의 특징

• 고절연성, 고내압성이다.
• 누설 전류가 없다.
• ON 저항이 거의 없다.
• 동작음이 있다.
• 접점의 마모, 가동 단자의 고장이 있다.
• 외부 자기장의 영향이 있다.
• 차터링이 있다.

반도체 릴레이는 소형, 고속 개폐가 가능하고 기계식릴레이와 같은 접점 마모 및 고장이 없는 것이 강점입니다. 반면, 기계식 릴레이는 ON 저항이 거의 없어 고전압, 고전력 회로에서도 사용하기 쉽다는 것이 강점입니다.

2. 차량용 반도체 릴레이

자동차는 램프, 와이퍼, 오디오, 모터, 깜빡이 등의 작동을 제어하는 부품으로 많은 릴레이를 탑재하고 있다. 그리고 그 차량용 릴레이에는 일반적으로 기계식 릴레이가 사용되어 왔습니다.

그러나 기계식 릴레이는 접점 수명에 따른 한계와 탑재 공간이 크다는 단점이 있으며, 최근 자동차의 저연비, 저전력화 요구와 첨단 기술 탑재에 따른 다기능화로 인해 전기자동차에 탑재되는 기기들이 증가함에 따라 릴레이의 소형화, 경량화가 요구되고 있습니다.

차량용 반도체 릴레이

그림 3. 차량용 반도체 릴레이 사양 예시

이러한 기계식 릴레이의 단점을 극복하기 위한 릴레이로 반도체 릴레이가 차량용으로 개발되어 점차 대체되고 있습니다. 차량용 반도체 계전기의 사양 예는 그림 3과 같습니다.

반도체 릴레이를 사용함으로써 소형화, 경량화가 가능해져 차량 탑재 공간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 연비 향상에도 기여하고 있습니다. 또한, 반도체 기술의 발전으로 저온 저항을 실현하여 고전류화에도 대응할 수 있게 되었습니다.

광센서란?

광센서는 수광소자라고도 하며, 반도체 소자이기도 합니다. 다양한 빛의 성질을 전기신호로 변환하여 감지하는 보조기기의 하나로 기계를 구성하는 부속기기이다. 빛을 감지하는 방법으로 광센싱이라는 기술이 사용되고 있습니다. 그리고 모든 상황에 대응하기 위해 다양한 종류의 광센서가 존재합니다. 빛의 대상이 규정치 안에 들어왔는지를 감지하여 ON이면 합격, OFF이면 불합격으로 판정하여 알려주는 종류부터 단일 광자를 감지할 수 있는 고감도 센서까지 다양하게 개발되고 있습니다.

자동문의 인감 센서에도 광센서가 사용되고 있습니다. 센서의 응답이 빠르기 때문에 불필요한 시간 지연이 발생하지 않는다. 또한, 빛을 감지하여 작동하기 때문에 사람이나 사물이 접촉할 필요가 없고, 감지하는 대상물의 오염을 유발하지 않습니다. 따라서 안심하고 사용할 수 있습니다. 이러한 이유로 산업용이나 민수용으로도 광센서가 사용되고 있습니다.

빛에는 눈에 보이는 ‘가시광선’과 눈에 보이지 않는 ‘자외선’, ‘적외선’ 등이 있습니다. 따라서 광센서를 선택할 때는 파장에 맞는 센서를 선택해야 합니다.

광센서에는 포토다이오드 등 반도체를 사용하는 타입과 광전자배증관을 사용하는 타입이 있습니다.

광센서의 사용 용도

최근 일상 생활에서 기기의 자동화가 진행되면서 광센서의 용도가 확대되고 있습니다. 대표적인 것으로는 TV나 오디오의 리모컨이 있는데, 이 리모컨은 적외선에 반응하여 움직이기 때문에 적외선용 광센서가 사용되고 있다. 또한, 카메라의 자동 초점이나 이미지 센서에도 사용됩니다. 그 외에도 세면대 수도꼭지에도 광센서가 사용되어 사람의 손을 감지하여 자동으로 스위치가 켜지고 꺼지도록 되어 있습니다.

집 밖으로 한 발자국만 나가면 우리 생활 곳곳에 광센서가 사용되고 있습니다.

현금자동입출금기(ATM)에서는 ‘카드 감지’, ‘지폐 감지’, ‘내부 기구 감지’에 광센서가 사용됩니다. 매표기에서는 ‘동전 감지’, ‘티켓 감지’, ‘지폐 감지’에 사용됩니다. 화장실에 들어가면 인감 센서에 의해 조명이 켜지거나, 사람이 없을 때는 조명을 꺼서 에너지 절약에 기여하고 있습니다.

과일류의 당도 검사에도 광센서가 사용되고 있는데, 과일을 손상시키지 않고 당도를 측정할 수 있어 수요가 늘고 있습니다. 과즙에 녹아있는 당분이나 산 성분이 많을수록 빛의 굴절률이 커진다는 원리를 응용해 당도를 측정할 수도 있습니다.

또한 천문학에도 응용되고 있는데, 예전에는 사진건판에 천체 이미지를 기록했지만 1990년대 들어 전하결합소자(CCD)가 채택되기 시작하면서 천체 관측에 활용되고 있습니다.

광센서 기술

최근 들어 광센서 기술은 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 산업용 분야에서는 사물을 파괴하지 않고 대상물의 상태를 검사할 수 있는 검사법으로 비파괴 검사가 있습니다. 이 검사 방법에서는 대상물에 방사선이나 초음파를 조사하여 흠집이나 손상 정도를 대상물을 깨뜨리지 않고도 검사할 수 있습니다. 광센서에도 이러한 검사 방법과 유사한 원리로 근적외선 분광법이라는 방법이 채택되고 있습니다. 근적외선 분광법은 근적외선 분광 센서에 사용되며, 관찰하는 대상물에 영향을 주지 않는 구조로 되어 있습니다. 적외선은 ‘근적외선’, ‘중적외선’, ‘원적외선’으로 분류되는데, 이 중 근적외선 분광 센서에서는 근적외선을 다루고 있습니다.

근적외선 분광 센서는 무기물부터 유기물까지 폭넓게 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, 기계학습 분야와 연계하여 무기물에서는 콘크리트의 열화 여부를 확인하는 데 사용되고, 유기물에서는 사람이나 물고기의 체내 지방량을 관찰하는 데 사용되고 있습니다.

이렇듯 한 분야뿐만 아니라 더 많은 기술을 접목하여 광센서 기술은 지금도 계속 진화하고 있습니다.

광센서의 원리

광센서의 감지 방식은 여러 가지가 있습니다. 그 중 대표적인 것은 투과형과 회귀반사형입니다. 투과형은 빛을 발산하는 투광기와 수광기가 필요하며, 그 사이에 방해물이 있으면 반응합니다. 회귀반사형은 투광기와 수광기가 일체형으로 투광부에서 나온 빛이 반사판에서 튕겨져 나오는 빛의 차단을 감지합니다.

또한, 원리적으로는 내부 광전효과를 이용한 센서와 외부 광전효과를 이용한 센서가 있습니다.

내부 광전 효과

포토다이오드로 대표되는 반도체를 이용하고 있으며, 광기전력 효과 또는 광전도 효과를 이용하고 있습니다. 실리콘 셀은 가시광선 영역, 게르마늄 셀은 자외선~적외선 파장에 대응합니다. 카메라에 많이 사용되는 CCD는 가시광선 영역입니다.

외부 광전 효과

빛이 조사되면 음극에서 전자가 튀어나와 양극에 모여 증폭하여 검출합니다. 광전자증배관을 이용하는 센서는 진공 자외선 영역부터 1700㎛까지 넓은 영역을 감지할 수 있습니다. 광전관을 이용한 센서도 자외선부터 가시광선까지 감지할 수 있습니다.

광센서 제품 특징

광센서 제품은 감지 대상에 맞게 설계하여 광로에 특징을 가진 다음과 같은 유형이 있습니다.

1. 투과형 광센서

발광소자가 발산하는 빛이 일정한 간격을 두고 수광소자에 닿도록 양측 소자가 마주보는 ㄱ자형 구조로 되어 있습니다. 발광소자의 빛이 차폐물에 의해 변화하는 수광소자의 출력으로 측정합니다.

2. 분리형 포토센서

발광 소자와 수광 소자가 분리된 패키지로, 긴 센서 간 거리를 확보하여 임의의 설정이 가능합니다.

3. 반사형 포토센서

발광소자와 수광소자를 같은 방향으로 배열하거나 일정한 각도로 설치합니다. 발광소자에서 나오는 빛을 특정 감지물에 비추고, 거기서 반사된 빛을 수광소자로 측정합니다.

4. 프리즘 포토센서

발광 소자와 수광 소자를 같은 방향으로 나란히 설치한 광센서로, 발광 소자와 수광 소자 사이에 프리즘을 통해 측정합니다.

5. 액추에이터 광센서

투과형 포토센서에 회전 동작을 하는 액추에이터(레버)를 결합하여 레버로 차단하여 기계적으로 판별합니다.

로드 스위치 IC란?

로드 스위치 IC는 전원 공급을 ON/OFF하는 온저항이 낮은 MOSFET과 FET를 구동하는 기능 외에 각종 보호 기능과 이상 상태를 IC 외부로 출력하는 기능이 통합된 집적회로 입니다.

로드 스위치 IC를 사용하면 개별 전자부품을 조합하여 같은 기능을 구현할 때보다 부품 수를 줄일 수 있어 공간 절약에도 도움이 됩니다.

로드 스위치 IC의 사용 용도

로드 스위치 IC는 전자기기 내의 전원 공급 회로에 사용됩니다. 로드 스위치 IC의 정격 전류는 0.5A에서 5A의 제품이 많기 때문에 모터나 솔레노이드 등을 동작시키는 산업기기보다는 컴퓨터 본체, PC 주변기기, 모바일 기기 등의 정보통신 기기에 많이 사용됩니다.

각종 보호 기능이 있어 부하의 단락 고장이나 FET의 이상 발열 시 주변 회로나 하네스를 보호하고자 하는 경우나 USB로 대표되는 전원을 켠 채로 연결기기를 삽입할 수 있는 용도에 적합합니다.

로드 스위치 IC의 원리

1. 부하에 전원 공급

로드 스위치 IC는 내부의 P채널형 FET 또는 N채널형 FET를 사용하여 부하에 전원 공급을 ON/OFF합니다. 로드 스위치 IC 내부의 FET 구동 회로가 FET의 게이트 전압을 제어하고, FET의 드레인-소스 간 저항값이 변화하여 부하에 대한 전원 공급 ON/OFF 기능을 실현합니다.

2. 과전류 보호

로드 스위치 IC가 출력하는 전류가 규정 이상일 경우 부하에 전원 공급을 OFF합니다. 로드 스위치 IC의 출력 단자가 GND와 단락되거나 부하에 전류가 흐르는 경우 로드 스위치 IC를 보호할 수 있습니다.

예를 들어, 부하 구동용 FET에 과전류가 흘렀을 때 과전류 보호 기능이 없으면 과전류가 계속 흐르게 됩니다. 그 결과 FET가 고장나거나 배선이 끊어지지만, 과전류 보호 기능이 있는 경우 부하에 대한 전원을 OFF하기 때문에 FET가 고장나거나 배선이 끊어지는 일은 발생하지 않습니다.

3. 과열 보호

로드 스위치 IC 내부의 반도체 접합부 온도가 규정 이상일 때 부하에 대한 전원 공급을 OFF합니다. 외부 환경의 이상 발열 시 또는 부하 전류가 예상보다 큰 경우 로드 스위치 IC를 보호할 수 있습니다.

예를 들어, 부하가 고장나서 FET에 예상보다 큰 전류가 흐를 경우, 과보호 기능이 없을 때는 FET가 계속 발열하여 FET가 고장납니다. 반면, 과열 보호 기능이 있으면 부하에 대한 전원을 OFF하기 때문에 FET가 고장나지 않습니다.

4. 저전압 보호

로드 스위치 IC에 입력되는 전원 전압이 규정 이하로 떨어졌을 때 부하에 대한 전원 공급을 OFF합니다. 전원회로의 고장으로 전원 전압이 저하되었을 때 부하의 오동작을 방지할 수 있습니다.

예를 들어, 전원 회로가 고장나서 전원 전압이 동작 보증보다 낮은 전압이 되었을 때, 저전압 보호 기능이 없으면 부하에 계속 전원을 공급하기 때문에 부하가 오작동하게 됩니다. 반면, 저전압 보호 기능이 있으면 부하에 대한 전원을 OFF하기 때문에 부하가 오작동하지 않습니다.

로드 스위치 IC의 기타 정보

로드 스위치 IC의 단자

로드 스위치 IC의 대표적인 단자는 VCC, GND, EN, FLG, VOUT의 5핀입니다.

1. VCC 단자

VCC 단자는 로드 스위치 IC의 전원 입력 단자입니다. 부하에 공급하는 전원선을 연결하고, VCC 단자와 GND 단자 사이에는 바이패스용 세라믹 커패시터를 연결합니다. 바이패스용 세라믹 커패시터는 단자 근처에 배치해야 효과가 있습니다.

2. VOUT 단자

VOUT 단자는 전원 출력 단자로 부하의 전원선을 연결합니다. 로드 스위치 IC 내 MOSFET의 기생 다이오드는 비활성화되어 있기 때문에 VOUT에서 VCC로 역방향 전류가 흐르지 않습니다.

3. EN 단자

EN 단자는 로드 스위치 접점의 전원 출력을 ON/OFF 제어하는 입력 단자이며, EN 단자와 마이크로컨트롤러의 출력 포트를 연결하여 부하에 대한 전원 공급을 제어할 수 있습니다.

로드 스위치 IC에 따라 EN 단자의 로직과 전압 레벨이 다르므로 데이터시트를 확인하여 적절한 로직, 전압을 연결합니다.

4. FLG 단자

FLG 단자는 로드 스위치 IC의 상태를 나타내는 출력 단자입니다. 로드 스위치 IC가 정상일 때와 비정상일 때 FLG 단자의 전압이 변화합니다.

FLG 단자를 마이크로 컴퓨터의 입력 포트에 연결하여 로드 스위치 IC의 상태를 모니터링할 수 있습니다. 일반적으로 FLG 단자는 오픈 드레인 출력이므로 외부에 풀업 저항을 연결하고, FLG 단자를 사용하지 않을 때는 단자를 미연결 상태로 만듭니다.

펠티어 소자란?

펠티어 소자(영어: Peltier element)는 서로 다른 두 종류의 금속에 전류를 흘리면 접합부에서 열이 이동하는 펠티에 효과를 이용한 소자입니다.

현재 실용화되고 있는 효율적인 펠티에 소자는 두 가지 금속이 아닌 n형 반도체, 금속, p형 반도체의 세 가지 재료로 만들어집니다. 열의 이동을 이용해 보통은 냉각장치로 활용되지만, 전류의 방향을 바꾸면 열의 이동 방향도 바뀌기 때문에 가열장치로도 활용할 수 있습니다.

펠티어 소자는 히트펌프 등과 달리 전류를 흘려보내는 것만으로 냉각 효과를 얻을 수 있기 때문에 소음이나 진동 등이 발생하지 않는 장점이 있습니다. 또한, 냉매가 불필요하고 부식성 액체 등을 사용하지 않기 때문에 환경 부하가 적은 냉각 장치입니다.

펠티어 소자의 사용 용도

펠티어 소자는 청정 냉각소자로서 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.

1. 식품 분야

펠티어 소자는 작고, 깨끗하고, 안전합니다. 식품 쇼케이스, 소형 음료 케이스, 우유 냉각기, 호텔 빵 등에 사용됩니다.

2. 산업 분야

산업분야의 기기는 예외 없이 물에 취약하지만, 온도를 조절하여 결로 발생이 적은 냉풍을 공급하거나 결로 배수구를 내장하는 등의 대책을 마련하고 있습니다. 조작반 냉각, 감시카메라 냉각, 제어반 내부 부품의 국부 냉각, 성형 금형 냉각, 항온항습공기 공급장치 등의 용도가 있습니다.

3. 광학 분야

한정된 공간에서 장치의 냉각을 위해 펠티에 소자가 많이 사용됩니다. 발열원의 직접 냉각, 소형 중계함의 냉각, 광검출 소자의 온도 제어, 레이저 다이오드의 온도 제어, CCD 카메라, 프로젝터, 복사기, 감시 카메라의 냉각, 레이저 등의 냉각수 등입니다.

4. 민생 분야

진동과 소음이 전혀 없고 냉각기구가 작다는 장점을 살려 병원이나 호텔 객실용 상업용 냉장고로 펠티에가 사용됩니다. 소형 냉장고, 쿨러박스, 맥주 서버, 와인셀러, 수조의 물 온도 관리, 컴퓨터 CPU 냉각, 제습기, 공기청정기, 건조기, 미용기기의 음이온 발생장치 등입니다.

5. 기타 분야

계측 및 분석 분야, 반도체 분야, 의료 및 이화학 분야 등에서도 펠티에 소자가 냉각 및 가열에 사용됩니다.

펠티어 소자의 원리

펠티어 소자는 현재 금속이 아닌 p형 반도체와 n형 반도체를 사용합니다. 에너지 레벨이 낮은 p형 반도체에서 에너지 레벨이 높은 n형 반도체로 전자의 이동이 일어나려면 외부에서 에너지를 흡수해야 하는데, 이때 흡열이 일어나 온도가 낮아집니다.

이때 전류를 흘리는 방향을 반대로 하면 이번에는 에너지가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전자의 이동이 일어나기 때문에 잉여 에너지를 방출하는 발열이 일어납니다. 따라서 펠티에 소자는 흐르는 전류의 방향에 따라 냉각장치로도, 가온장치로도 활용할 수 있습니다.

하지만 펠티에 소자를 이용한 열변환은 전력 소비에 비해 효율이 좋지 않아 대규모의 냉각이나 가열에는 적합하지 않습니다. 효율적인 냉각을 위해서는 핀이나 팬을 이용한 방열, 배기 메커니즘과 함께 사용하는 것이 효과적입니다.

펠티어 소자의 기타 정보

1. 전자식 냉각의 장점

일반적으로 냉각 장치는 냉매라는 냉각 가스를 사용하여 열 교환을 합니다. 이 냉매는 지구 온난화에 적지 않은 영향을 미치는 온실가스 중 하나이기 때문에 환경적 부담을 무시할 수 없습니다.

반면, 펠티에 소자를 이용한 전자냉각은 냉매를 사용하지 않기 때문에 환경 부하가 적은 냉각 시스템이라고 할 수 있습니다. 또한, 냉매를 사용하는 냉각장치에서는 압축기가 필요하기 때문에 소음과 진동이 발생할 수밖에 없는데, 전자냉각은 이러한 걱정이 없습니다.

2. 펠티어 소자의 냉각 기능

펠티어 소자의 특성을 이용하여 냉각 기능을 실현할 수 있습니다. 펠티어 소자에 직류 전류를 흘리면 저온 측에서는 흡열이, 고온 측에서는 발열이 일어납니다. 이 현상을 이용한 것이 펠티에 소자의 냉각 기능입니다.

시중에서 판매되는 제품은 마이너스 온도까지 냉각이 가능합니다. 보냉 박스나 컴퓨터의 CPU 냉각 등에 활용됩니다.

3. 웨어러블 디바이스에 적용

펠티어 소자의 특성을 이용한 웨어러블 디바이스가 개발되고 있습니다. 현재 판매되고 있는 웨어러블 디바이스 중에는 목을 따뜻하게 하거나 차갑게 할 수 있는 디바이스가 있습니다.

이 장치는 목에 닿는 위치에 있는 패널의 온도를 조절하여 따뜻함과 차가움을 느낄 수 있습니다.

프로버란?

프로버는 프로브(바늘)를 임의의 위치에 고정하기 위한 장치로, 프로브 스테이션이라고도 합니다. 주로 반도체 웨이퍼 제조 공정이나 IC 설계 개발에서 전 공정에서 반도체 웨이퍼의 전기적 항목 측정을 위해 측정장치의 접촉부 프로브를 반도체 전극의 정확한 위치에 연결하는 위치 결정 장치입니다.

반도체의 전극 부분은 그 면적이 매우 작기 때문에 검사장치의 접촉부 프로브를 정확한 위치에 맞춰야 합니다. 위치 결정에 있어 매우 정밀한 제어성이 프로버에 요구됩니다.

반도체 칩 외에도 PCB 기판이나 센서, 필터 등 각종 박막 기판, LTCC 등 세라믹 기판 패키지의 전기적 특성 평가 등에도 많이 사용되는 장비입니다.

프로버의 사용 용도

프로버의 사용 용도는 일반적으로 반도체나 박막 기판, 패키지 기판 등의 전기적 특성을 검사할 때 사용됩니다. 연구개발용으로 사용하는 경우에는 노이즈 제거 및 신호 누설(크로스토크)을 방지할 수 있는 기능을 갖추고, 높은 정밀도로 측정할 수 있으며, 측정 방식에 있어서도 가능한 한 다재다능하고 유연하게 사용할 수 있는 기종이 필요합니다.

한편, 양산용으로 사용하는 경우에는 빠르고 빠른 처리를 정확하고 대량으로 처리할 수 있는 기능이 가장 중요하기 때문에 다양한 프로버 모델 중에서 용도에 맞게 적절히 선택해야 합니다.

온도 특성 평가 시, 고온 및 저온 상태에서 제대로 동작하는지 확인하기 위해 프로버 측에도 온도에 대한 내성이 요구됩니다. 또한 파워 디바이스용 반도체 측정 등에 사용하는 경우에는 고전압, 저임피던스 대응이 가능한 프로버가 필요합니다.

프로버의 원리

가장 대표적인 실리콘 웨이퍼 용도의 프로버를 설명하면 다음과 같습니다. 프로버는 실리콘 웨이퍼를 고정하기 위한 웨이퍼 척, 웨이퍼 척을 XY 방향으로 이동시키기 위한 스테이지, 검사를 위한 여러 개의 프로브가 장착되어 있으며, 스테이지에 대하여 Z 방향으로 이동하는 접촉판, 위치 결정을 위한 카메라 등으로 구성되어 있습니다. 등으로 구성되어 있습니다.

이러한 메커니즘 외에도 실리콘 웨이퍼를 이동시키기 위한 이송 시스템도 프로버의 제품에 포함되어 있는 경우가 많습니다. 작동 원리는 실리콘 웨이퍼를 세팅하면 웨이퍼 체크 위치까지 실리콘 웨이퍼가 이송되어 고정됩니다.

이후 스테이지에 의해 XY 방향의 위치 결정이 이루어지고, 측정용 프로브와 실리콘 웨이퍼 상의 반도체 전극의 위치가 조정된 상태에서 콘택트 플레이트가 Z 방향으로 움직여 프로브와 전극이 접촉하게 된다. 이 과정을 통해 반도체의 전기적 특성을 검사 장비로 검사할 수 있습니다.

프로버의 기타 정보

1. 반도체 소자의 소형화와 프로버에 대한 요구사항

최근 반도체 소자의 소형화에 따라 미세전류 측정은 반도체 소자의 제조 품질을 평가하는 중요한 지표가 되고 있습니다. 반도체 소자의 설계 및 제조에서 소자의 재료 및 결정 성장 파라미터와 지오메트리의 변경은 일반적으로 누설전류라고 불리는 예상치 못한 소자 내부의 전류 경로를 생성할 수 있습니다.

누설 전류의 증가는 격자 결함, 게이트 산화물 구조, 기판 선택 등에 의해 발생하며, 과도한 전력 소비를 유발하고 경우에 따라서는 항복 전압을 낮추기도 합니다. 최근 반도체 디바이스의 FET의 게이트 길이, 바이폴라 트랜지스터의 이미터 크기 등이 매우 미세화되어 구동에 필요한 전압이 낮아지고 있는 반면, 누설전류는 증가하는 추세입니다.

따라서 품질 평가의 관점에서 프로버를 이용한 고정밀 전류 측정이 요구되고 있습니다. 그 정확도를 높이기 위한 방안 중 하나로 극저온 프로브의 개발 등이 진행되고 있습니다.

2. 프로버의 위치 결정 정밀도와 포지셔너

프로버의 접촉 위치 정밀도는 측정 정밀도에 그대로 영향을 미칩니다. 프로빙이 제대로 이루어지지 않은 상태에서 각종 평가를 실시하면 무엇을 평가하고 있는지 알 수 없게 됩니다.

예를 들어, 반도체 디바이스의 특성평가를 하고 싶은데 웨이퍼의 위치에서 벗어나 절연체 위에 프로빙을 했다면, 기대했던 결과와 큰 차이가 발생하여 평가 결과가 NG가 되는 것은 상상하기 어렵지 않습니다.

평가 대상에 요구되는 정밀도를 이해한 후, 그 정밀도를 향상시키는 데 집중해야 합니다. 프로버의 위치 결정 정밀도를 결정하는 것은 포지셔너(매니퓰레이터)라는 부재입니다. 요구 사양에 적합한 포지셔너를 올바르게 선정하는 것에 따라 위치 결정 정밀도는 크게 달라집니다.

포지셔너의 사양은 ① 이동량 ② 이동 분해능 ③ 조정 감도 ④ 외형 치수의 4가지로 거의 결정됩니다. 각 사양의 내용은 아래를 참고해 주십시오.

• 이동량
  XYZ 방향의 이동 가능량입니다. 보통 mm 단위로 기재되는 경우가 많습니다.
• 이동 분해능
  회전당 이동량으로 정의됩니다.
• 조정 감도
  최소 조정 가능한 거리로 정의합니다. 보통 μm 단위로 규정되는 경우가 많습니다.
• 외형 치수
  포지셔너의 크기입니다. 일반적으로 크기에 비례하여 가격이 상승합니다.

3. 고주파 대응 프로버

반도체 트랜지스터의 고주파(RF) 대응 평가 및 디바이스 모델링에는 RF 평가에 적합한 프로버가 필요합니다.

일반적으로 전용 캘리브레이션 기판을 사용하는 GSG 프로브(신호용 패드 양쪽에 접지(GND)가 구비된 바늘)를 사용하지만, 측정하는 주파수에 따라서는 프로브뿐만 아니라 네트워크 분석기나 각종 측정 장치로 연결되는 RF 케이블에도 주의가 필요합니다. 이 케이블의 휨 등이 RF 측정 결과에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

마이크로파보다 높은 주파수의 밀리미터파 대역에서는 전용 VNA 익스텐더를 사용하지만, 프로버 구성 자체가 측정에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 장비 구성은 전용 제조업체와 상세히 논의해야 합니다.

인쇄 회로 기판이란?

인쇄기판은 전기공작에 없어서는 안될 필수적인 부품입니다.

절연체(플라스틱) 표면의 주로 구리 배선 패턴에 트랜지스터, 저항 등의 부품을 배치하고 납땜을 하여 전자회로를 제작할 수 있습니다. 거의 모든 전자기기(휴대폰, 스마트폰, 가전제품)에 인쇄기판이 사용되고 있으며, 기기에 내장된 전자회로는 인쇄기판에 의해 작동되고 있습니다.

일본에서는 1936년경 세계 최초로 특허를 취득하며 기술 개발이 진행되었다. 그래서 1990년경에는 일본이 생산액 기준으로 세계 1위였습니다. 최근에는 중국, 아시아로 전자기기 생산이 옮겨가고 있으며, 중국, 아시아에서 대량 생산되고 있습니다.

인쇄기판의 사용 용도

인쇄기판은 전자 공작은 물론, 컴퓨터, TV, 전기기기의 배선 기판으로 활용되고 있습니다.

이러한 특히 정밀한 전기기기의 인쇄기판에는 기판 자체에 이미 필요한 회로 패턴이 형성되어 있어 부품을 올려놓기만 하면 전자 회로가 완성됩니다. 또한, 보다 고밀도에 대응하기 위해 한 장의 기판 안에 여러 층의 회로를 겹겹이 쌓아 올린 다층 기판도 있으며, 스마트폰, 마트폰 등의 전자기기에 사용되고 있습니다.

또한 용도에 따라 다양한 종류의 재료가 있으며, 그 종류는 수백 가지에 달한다. 일반적으로는 딱딱한 소재가 주를 이루지만, 최근 스마트폰 등 모바일용으로는 부드러운 플렉시블 기판이 많이 사용되고 있으며, 유연한 소재(필름)의 사용도 증가하고 있습니다.

인쇄 회로 기판의 제조 방법

인쇄기판은 절연성 판에 작은 구멍을 뚫고 그 구멍에 구리 등으로 도금을 합니다 (이를 스루홀, 비아홀이라고 합니다). 작은 구멍에 전자 부품과 전선을 납땜하여 전기가 흐르게 함으로써 회로를 구성할 수 있습니다. 다층 기판의 경우 스루홀, 비아홀을 통해 내부의 신호가 다른 층과 연결됩니다.

인쇄 회로 기판에는 단면, 양면, 다층 기판이 있으며, 다층일수록 회로를 많이 넣을 수 있어 공간 절약이 가능합니다.

사용되는 재료

인쇄기판의 기판은 가전제품(냉장고, 세탁기)에서는 종이에 페놀수지를 함침시킨 종이 페놀 기판이 주류를 이루고 있습니다. 스마트폰, 자동차, 측정기기 등 신뢰성이 필요한 것은 유리 에폭시 기판(유리 천에 에폭시 수지를 함침시킨 것)을 사용하며, 방열성이 요구되는 것은 유리 에폭시 기판(유리 천에 에폭시 수지를 함침시킨 것)을 사용합니다.

또한 방열성이 요구되는 곳에서는 방열성이 좋은 알루미늄 기판을 사용하기도 합니다. 요즘은 자동차의 경량화에 따라 대전류화가 진행되고 있어 수요가 증가하고 있습니다.

또한, 얇은 폴리이미드나 폴리에스테르 필름을 기판으로 하는 플렉시블 기판도 등장했습니다. 플렉시블 기판은 기계적 강도가 약한 반면, 유연성이 있어 구부릴 수 있습니다. 이러한 기판의 소재는 난연성(불이 붙어도 잘 타지 않는 성질)이 요구된다. 따라서 할로겐계 물질이 사용되고 있으며, 환경을 위해 할로겐 프리를 요구하는 고객사도 있어 이에 대한 대응이 요구되고 있습니다.

최근에는 회로의 패턴 형성 방법도 자동화되어 소형화, 고밀도화에 대응하는 제품 개발이 진행되고 있습니다.

인쇄기판의 구조

인쇄기판은 목적에 따라 몇 가지 종류가 있으며, 각각 구조, 재질 등이 다릅니다.

단면 기판

패턴면에만 동박이 있는 기판을 말합니다. 비교적 간단한 패턴만 구현할 수 있습니다. 인쇄회로기판의 제조비용이 가장 저렴하여 자작 인쇄회로기판에 가장 많이 사용되는 유형입니다.

양면 기판

인쇄기판의 앞면과 뒷면 양면에 동박이 있는 기판을 말합니다. 앞면과 뒷면에 각각 패턴을 그릴 수 있어 단면 기판보다 복잡한 패턴을 구현할 수 있습니다. 조금 고도의 기술이 필요하지만 자체 제작도 가능합니다. 앞면과 뒷면의 패턴이 어긋나지 않도록 주의해야 한다. 또한 베타 어스 패턴 기판은 스루홀도 필요합니다.

다층 기판

양면 기판으로 구현할 수 없는 복잡한 패턴(컴퓨터 보드 등)이나 기판 크기의 제약으로 패턴을 겹쳐야 하는 경우(휴대폰, 휴대용 오디오 기기 등) 등에 사용됩니다. ～최대 8층까지 다층 기판이 사용되고 있습니다. 대량 생산이 요구되는 기판의 경우, 월 생산량 수십만 장 등 제조할 경우 1대당 수억 원에 달하는 장비를 조합하여 제조해야 하므로 설비산업으로 자리 잡고 있습니다.

인쇄기판의 재료

인쇄기판의 재질은 아래와 같이 몇 가지 종류가 있으며, 각각 성질이 다릅니다. 목적에 맞는 것을 선택하여야 합니다.

종이 페놀 기판

기판에 종이를 사용하고, 접착 수지는 페놀 수지입니다. 베이크 기판, 베이클라이트라고도 합니다. 오래전부터 사용되어 왔습니다. 가격이 저렴하고 가공성이 높지만 기판이 휘어지기 쉽고 내열성, 흡습성이 좋지 않습니다. 또한 절연 저항, 고주파 특성이 나쁘고 설홀을 형성할 수 없습니다.

종이 에폭시 기판

종이를 기판으로 사용하고 에폭시 수지를 접착제로 사용하는 기판입니다. 종이 페놀 기판과 유리 에폭시 기판의 중간 특성입니다. 단면 기판으로 만들어집니다. 종이 페놀 기판에 비해 내열성, 흡습성, 전기적 특성이 우수하지만 유리 에폭시 기판보다 열등합니다.

유리 에폭시 기판

유리섬유에 에폭시 수지를 함유하여 제조한 인쇄회로기판입니다. 현재 가장 많이 사용되는 다층 기판은 대부분 유리 에폭시 기판이며, 0.2mm의 얇은 것부터 전력기기용, 마더보드 등 2.4mm까지의 판 두께 등 폭넓게 사용되고 있습니다. 치수 변화가 적고 내구성이 우수합니다. 동시에 전기적 특성, 기계적 특성이 우수합니다. 단, 가공성이 좋지 않아 전용 공구가 필요합니다. 비용은 높아지지만 기능성은 향상됩니다.

이처럼 인쇄 회로 기판에는 다양한 종류가 있고, 다양한 재료를 사용합니다. 인쇄 회로 기판의 종류에 따라 설계 규칙도 크게 다르므로, 고민이 있을 때는 전문 제조업체에 문의해 보시기 바랍니다.

포토 커플러란?

포토커플러(영문: Photo Coupler)는 신호를 입력측에서 출력측으로 전달할 때 입력측 회로와 출력측 회로를 전기적으로 절연된 상태로 전달할 수 있는 소자입니다.

옵토 아이솔레이터(영문: Opto Isolator), 광 아이솔레이터 등으로도 불립니다. 포토 커플러는 입력된 전기 신호를 발광 소자를 통해 일단 광 신호로 변환하고, 그 광 신호를 수광 소자로 전기 신호로 다시 변환하여 출력 신호로 만듭니다.

이는 출력측 회로와 입력측 회로가 전기적으로 연결되지 않은 상태에서도 신호를 전달할 수 있다는 것을 의미하며, 이 높은 절연성이 포토커플러를 이용하는 가장 큰 이유입니다. 또한, 신호 전달 수단으로서는 비교적 수명이 긴 것도 특징 중 하나입니다.

포토커플러의 사용 용도

포토커플러는 절연성과 긴 수명이라는 특성으로 인해 높은 신뢰성이 요구되는 기기에 사용되고 있습니다. 구체적으로 의료용 전자기기 등이 있습니다.

저소음이 요구되는 음향기기나 통신기기에서는 디지털 회로에서 아날로그 회로로 신호를 전송할 때 포토커플러를 통해 아날로그 회로로 노이즈가 유입되는 것을 방지할 수 있습니다.

또한, 모터를 구동하는 기기에도 사용되고 있습니다. 최근에는 인버터 제어의 모터가 널리 사용되고 있지만, 회전 속도 제어에서 노이즈 발생을 피할 수 없습니다. 이 노이즈가 기기에 유입되어 오작동을 일으킬 수 있기 때문에 포토 커플러를 통해 신호를 전달함으로써 모터의 노이즈를 차단합니다.

또한, 서로 독립된 전원으로 동작하는 기기 간의 신호 전달에도 활용됩니다. 특히 플로팅 상태의 기기와 연결할 경우 감전 위험이 있지만, 포토커플러를 통해 연결하면 플로팅 상태의 기기로부터 절연되어 안전성을 확보할 수 있습니다.

포토커플러의 원리

포토 커플러는 앞서 설명한 바와 같이 발광 다이오드 등의 발광 소자와 포토 트랜지스터 등의 수광 소자를 조합한 유닛으로, 외부로부터의 빛을 차단하는 패키지에 이들 소자를 봉쇄한 구조로 되어 있습니다. 발광 소자와 수광 소자는 근접하게 설치되어 발광 소자를 점등하면 수광 소자는 OFF 상태에서 ON 상태로 변화하는데, 이것이 포토커플러에 의한 신호 전달의 원리입니다.

신호를 출력하는 기기는 포토커플러의 입력 단자에 연결하여 발광소자를 점등/소등합니다. 신호를 수신하는 기기는 포토커플러의 출력 단자에 수 Ω의 풀업 저항을 통해 전원과 연결합니다. 이 구성으로 포토커플러의 출력단자는 발광소자가 소등 시에는 전원전압과 같고, 발광소자가 점등되어 있는 동안에는 0.1V~0.3 정도가 됩니다.

즉, 신호를 출력하는 기기에 의한 발광소자의 점등/소등에 따른 펄스가 나타나기 때문에 수신측 기기는 이 펄스를 받아 신호처리를 진행하게 됩니다. 이처럼 포토커플러는 입력측과 출력측의 회로 사이를 빛을 통해 결합하지만, 양측 사이에는 전기적 연결이 없어 절연된 상태입니다.

포토커플러의 종류

포토커플러도 용도에 따라 다양한 소자가 있습니다. 대표적인 소자는 다음과 같습니다.

1. 트랜지스터 출력 포토커플러

포토커플러의 기본적인 구성입니다. 현재도 저렴한 가격, 높은 범용성 등으로 시장에서 가장 많이 사용되고 있습니다. 고변환 효율, 고내압, 저입력 구동 등 다양한 특징을 가진 제품이 있습니다. 기능적으로도 다양하며, 주요 용도로는 신호 절연, 피드백 감지, 절연 스위치 등이 있습니다.

2. IC 출력 포토 커플러

고속성이나 특정 기능을 구현하기 위해 수광 소자를 집적회로로 만든 것입니다. 트랜지스터 출력 타입이 기껏해야 수kHz~수십kHz의 신호 전송이 가능한 반면, 1~50MHz 정도의 고속 신호 전송이 가능하며, IC 출력 포토커플러는 크게 세 가지로 분류할 수 있습니다.

• 로직 신호의 고속 전송을 목적으로 하는 제품군
• 외부 파워 소자의 드라이버 기능을 가진 제품군
• 전류/전압의 피드백 기능을 가진 제품군

3. 트라이액 출력 포토 커플러

가정, 사무실, 공장 등에서 사용되는 100V 또는 200V 상용전원에 직접 연결되는 모터, 솔레노이드 등의 AC 부하를 직접 제어하는 절연 스위치로 사용됩니다. 소자 내압이 큰 트라이액(Triac)을 이용하여 전기적으로 절연하면서 수십mA 정도의 미세한 전류로 AC 부하를 ON/OFF 제어할 수 있습니다.

소자 단독으로는 100mA 정도의 AC 전류만 제어할 수 있지만, 외부 트라이액 드라이버로 사용하면 수A 정도까지 AC 전류를 제어할 수 있습니다.

4. MOSFET 출력 포토 커플러

출력단에 소스 커먼으로 연결된 2개의 MOSFET을 탑재하여 기계식 릴레이와 동등한 기능을 가진 소자로, MOSFET이 전압-전류 특성에서 선형적인 출력 특성을 가지고 있기 때문에 단순한 스위치로서의 기능뿐만 아니라 아날로그 신호의 스위칭 스위치로 동작할 수 있는 것이 특징입니다.

포토커플러의 기타 정보

포토커플러의 출력 변동과 수명

포토커플러의 특성 파라미터로 전류 전달률(CRT)이 있습니다. 전류 전달률은 트랜지스터의 직류 전류 증폭율(hFE)에 해당하는 것으로, 입력 순방향 전류(IF)에 대한 출력 전류(IC)의 비율인데, 다음과 같은 특징이 있습니다.

• IF에 따라 값이 변한다.
• 주변 온도의 영향을 받는다.
• 시간이 지남에 따라 점차 작아진다.

회로 설계 시 이러한 점을 고려해야 합니다. 즉, 환경 변화나 시간 경과에 따라 전류 전달률이 변동하면 출력 전류가 변화하여 회로가 오작동할 수 있습니다. 따라서 신호 레벨의 변동이 영향을 미치지 않도록 IF의 값이나 풀업 저항의 저항값 등을 잘 살펴보는 것이 중요합니다.

또한, 장기간 사용하면 전류 전달률이 점차 낮아져 충분한 신호 출력을 얻을 수 없게 됩니다. 이때가 포토커플러의 수명이 되는데, 전류 전달률이 저하되는 주된 원인은 LED의 열화가 진행되어 발광 효율이 저하되는 것이 주요 원인입니다.

포토커플러의 수명은 소자 제조사의 자료에 명시되어 있으므로 이를 참고하여 기종과 사용조건을 결정해야 합니다.