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핀 헤더란?

핀헤더는 인쇄 회로 기판 위에 장착하여 사용하는 단자를 말합니다. 사용 예로는 브레드보드에 핀헤더를 장착하여 PICkit을 연결하고 PIC마이컴에 프로그램을 작성할 때 사용합니다.

단자는 금이나 주석으로 도금되어 있습니다. 길쭉한 형태가 많으며, 40개의 핀이 한 줄로 되어 있고, 한 개씩 분리할 수 있도록 되어 있는 경우가 많으며, 커터나 니퍼로 분리합니다. 핀헤더의 직경이 맞지 않으면 기판의 구멍에 끼워지지 않으므로 크기를 잘못 맞추지 않도록 주의해야 합니다.

핀헤더의 사용 용도

브레드보드나 범용 기판과 같은 기판에 부착하여 신호 입력이나 외부와의 연결을 용이하게 하기 위해 핀헤더가 이용되고 있습니다. 전선 대 전선 연결용이 많지만, 회로 전환용 커넥터로도 활용됩니다.

일반적인 2.54mm 피치의 것이 많이 사용되지만 크기와 길이, 한쪽이 L자형으로 구부러진 것 등 다양한 종류가 있습니다.

차량용 제어, 산업기기, 컴퓨터, 통신기기, 의료기기, 스토리지, 가전제품 등 다양한 전자기기의 내부 연결에 사용됩니다.

핀헤더의 원리

도체인 핀과 절연체인 하우징으로 구성되어 회로를 연결하는 역할을 합니다. 양측 모두 수형, 수-암형 등이 있는 커넥터입니다. 수-수형은 양 끝에 핀이 나와 있어 기판에 장착할 수 있습니다. 브레드보드는 꽂기만 하면 되지만, 범용 기판에서는 납땜을 해야 합니다.

재질은 황동이며, 주석 도금 또는 금도금이 되어 있습니다. 금도금은 방청효과가 더 높고 내구성이 더 좋습니다. 사용 온도 범위는 -40℃~105℃ 정도이며, 1열 타입과 2열 타입이 있어 용도에 따라 구분하여 사용합니다. 정격 전류, 정격 전압이 있으므로 초과하지 않도록 주의해야 합니다.

기판과 기판을 연결하는 핀헤더는 양단을 모두 납땜하여 사용합니다. 또한 보강판을 사용하여 플렉시블 기판에도 사용할 수 있습니다. 핀헤더를 이용하여 플렉시블 기판과 리지드 기판을 실장 연결하는 역할을 하기도 합니다. 또한, 암 커넥터를 이용하여 탈부착이 가능하도록 하기도 합니다.

압전 소자란?

압전 소자는 수정이나 석영 등의 유전체에서 발생하는 압전 효과와 역압전 효과를 이용하여 미세 동작 제어나 감지 등을 하는 수동 소자를 말합니다.

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

압전 소자의 사용 용도

압전 소자는 주로 산업용 미세 동작을 감지하고 제어하는 장치에 사용됩니다.

예를 들어 진동계에도 사용되며, 진동에 의한 미세한 힘의 변화를 압력으로 압전 소자에 입력하고, 압력이 가해진 압전 소자에 발생하는 전압을 출력으로 전압값을 얻어 진동의 크기로 수치화 하는 구조입니다.

또한, 정밀한 움직임이 요구되는 현미경이나 간섭계와 같은 장치의 스테이지 동작에 수반되는 구동계로도 사용되고 있습니다.

이러한 구동계의 압전 소자 부재는 압전 드라이버 또는 압전 액추에이터라고 불리며, 압전 소자를 여러 개 적층한 적층 액추에이터 등도 범용적인 부재로 사용되고 있습니다. 이들에서는 압전 소자에 미세한 펄스 전류를 가함으로써 미세한 동작을 실현하고 있습니다. 이처럼 높은 응답성과 정밀한 동작 제어가 필요한 장면에서는 압전 소자가 적합합니다.

1. 전자기기 냉각

PC 등 전자기기의 냉각은 DC 팬을 이용한 냉각 방식이 많이 사용되고 있지만, 압전 소자를 이용한 냉각 방식도 고안되고 있습니다.

구체적으로는 압전 소자의 역압전 효과를 이용하여 피에조 소자와 바람을 일으키는 블레이드가 일체화된 구조물을 진동시켜 바람을 발생시킵니다.

이 압전 소자를 이용한 냉각 방식은 DC 팬에 비해 소음이 적고, 에너지 절약형 구동이 가능합니다.

하지만 장시간 구동할 경우 압전 소자와 블레이드가 이탈하는 문제가 발생할 수 있기 때문에 장시간 구동할 수 있는 방안으로 지지판을 설치하여 구조물에 가해지는 응력을 분산시키는 방법을 취하고 있습니다.

2. 발전

압전 소자를 이용한 발전 시스템 개발도 이루어지고 있습니다.

예를 들어, 도쿄전력 동일본 연구개발센터 프론티어 서비스 연구소에서는 ‘바닥 발전 시스템’을 연구하고 있으며, 2006년부터 도쿄역에서 실증실험을 진행하고 있습니다.

구체적으로는 압전 소자를 가로 세로로 깔아 바닥처럼 만들어 그 위를 걸으면 압전 효과로 전기가 발생해 발전하는 구조’를 연구하고 있습니다.

일본 동경연구개발센터 프론티어 서비스 연구소에서는 2008~2009년 실증 실험 계획에서 발전량을 약 10W 초로 예상하고 있습니다.

이처럼 발전 능력이 그다지 높지 않아 비용에 맞는 발전량을 얻을 수 없다는 점과 압전 소자가 취성 소재이기 때문에 내구성이 낮다는 문제 등이 있지만, 현재 다양한 기업 및 연구기관 등에서 연구 개발이 진행되고 있으며, 실용적인 수준까지 발전이 가능한지 여부가 주제입니다.

3. 스피커

압전 소자를 이용한 스피커도 개발되고 있습니다.

압전 소자의 원리

압전 소자에 사용되는 재료는 주로 압전 세라믹이 사용되며, 압전체는 결정 내부에 전기적 왜곡인 극성을 가지고 있습니다.

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

그림 1. 압전 소자 모식도

전극 사이에 전압을 가하면 압전체에 압력이 가해져 전압의 크기에 따라 파란색 화살표처럼 신축하여 변위하고, 이 변위를 구동력 등으로 활용합니다. 또한, 반대로 압전 소자를 변형시키는 압력을 가하면 전압을 감지할 수 있습니다.

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

그림 2. 압전체의 이상 상태 (왼쪽) / 압전체에 전압을 가한 상태 (오른쪽)

즉, 압전체의 변위는 결정 격자의 전자적 극성을 이용한 왜곡 변형으로 인해 수 마이크론 단위의 변형량이며, 일반적으로 압전소자 자체의 구동량은 수 마이크론 정도로 미미합니다.

따라서 더 큰 구동량을 확보하고자 하는 경우에는 여러 개의 압전 소자를 합체 적층한 적층형 액추에이터 등이 사용됩니다.

압전 소자의 기타 정보

1. 압전 소자를 이용한 스피커의 원리

이 역시 압전 소자의 압전 효과를 이용한 것으로, 그림 3과 같이 압전 소자의 신축 방향에 진동 부재를 접하도록 배치합니다.

그림 3. 압전 소자를 사용한 스피커

그리고 재생 장치에서 신호에 의한 전압이 가해지면 피에조 소자가 압전 효과로 파란색 화살표 방향으로 신축하며 진동하기 때문에 그 진동이 진동 부재로 전달되어 소리를 재생하는 구조입니다.

2. 구체적인 제품

이러한 압전 소자를 이용한 스피커로 TDK주식회사에서 PiezoListen™이라는 스피커를 판매하고 있습니다.

기본적인 구조는 압전 소자를 수지 필름으로 코팅하고 프레임과 배선용 단자를 부착한 구조입니다.

이 스피커는 고변위가 가능한 압전 소자를 사용함으로써 저음역의 출력을 높여 넓은 음역대의 출력을 실현하고 있습니다.

또한 압전 소자에 파인세라믹스를 사용함으로써 스피커의 소형화 및 박형화를 실현했습니다.

포토 MOS 릴레이란?

포토MOS 릴레이는 내부에 LED와 수광소자와 MOSFE를 갖추고 있으며, 이를 조합한 소자로 기존의 릴레이 부품과 유사한 동작을 하는 것입니다.

기존의 기계식 릴레이는 내장된 코일에 전류를 흘려 그 자력에 의해 전기적 접점을 작동시켜 ON/OFF를 제어하는 방식이었습니다. 반면 포토 MOS 릴레이는 내장된 LED에 전류를 흘려 발광시키고, 그 빛으로 수광 소자를 기전시킵니다. 그 기전 전압으로 MOSFET을 동작시켜 기존 릴레이와 같은 제어를 할 수 있도록 한 전자부품입니다.

포토 MOS 릴레이의 유사품으로는 포토 커플러, 포토 트랜지스터, 포토 트라이액, SSR(Solid State Relay) 등을 들 수 있습니다. 이들을 통칭하여 무접점 릴레이, 반도체 릴레이 등으로 불리며, 사용 용도 등에 따라 구분하여 사용하고 있습니다.

포토 MOS 릴레이의 사용 용도

포토 MOS 릴레이는 포토 커플러나 포토 트랜지스터 등의 용도보다 큰 전류를 필요로 하는 회로 또는 포토 트라이액이나 SSR이 교류의 ON/OFF를 잘하기 때문에 그 용도로 사용되는 경우가 많습니다.

포토 MOS 릴레이는 1차측에서 2차측으로의 신호 전달에 빛을 사용하고 1차측과 2차측이 전기적으로 완전히 절연되어 있기 때문에 마이컴 회로 등의 소신호로 상용전원이나 고전압 전원으로 구동합니다. 따라서 수A 정도의 비교적 큰 전력 부하를 ON/OFF하는 회로나 모터 드라이버 등의 브리지 회로 등에 사용되고 있습니다.

포토 MOS 릴레이의 원리

입력 단자에 신호 전류를 흘리면 LED가 발광하고, 수광 소자가 수광하여 기전 전압이 발생합니다. 이 전압에 의해 MOSFET의 게이트 전압이 상승하여 2개의 MOSFET의 소스-드레인 사이가 ON 상태가 됩니다.

그리고 출력 단자 간 전압 방향의 전압이 높은 쪽 MOSFET의 소스 드레인을 통과하여 다음 단계 MOSFET의 기생 다이오드를 통과하는 경로로 전류를 흘릴 수 있게 됩니다. 따라서 결과적으로 출력 단자 사이의 전기적 극성에 관계없이 출력 단자 사이에 전류를 흘릴 수 있습니다.

포토 MOS 릴레이의 구조

포토MOS 릴레이는 LED, 포토다이오드 등의 수광소자, MOSFET의 세 가지 요소로 구성되어 있습니다.

MOSFET을 서로 다른 방향으로 2개의 회로를 배치하고, 각각 기생 다이오드가 연결되는 구조로 되어 있는 것이 특징입니다.

포토 MOS 릴레이의 기타 정보

1. 풀 브리지 회로에 적용

예를 들어, 모터 드라이버를 만들려고 할 때 풀 브리지 회로 등으로 회로를 구성하는 것이 일반적입니다. 하지만 이 회로의 가장 큰 문제점은 부하의 양단에 전원 전압이 그대로 인가된 상태가 되었을 때, 위아래에 있는 FET 중 위쪽 FET의 소스 전압이 전원 전압과 같아진다는 것입니다. 이 상태에서 상단의 FET를 ON 동작시키기 위해서는 전원 전압보다 높은 전압을 별도로 준비하여 그 전압으로 상단의 FET의 게이트 전압을 제어해야 합니다.

하지만 포토모스 릴레이는 내장된 LED만 점등되면 동작하기 때문에 CPU에서 출력되는 몇 V 정도의 신호로도 직접 구동할 수 있습니다. 또한, 모터 구동용 전원과 제어용 전원을 완전히 분리할 수도 있습니다.

2. MOSFET의 종류

MOSFET에는 상시 OFF 타입과 상시 ON 타입의 두 가지 종류가 있습니다. 전자는 메이크 콘택트형 릴레이, 후자는 브레이크 콘택트형 릴레이로 사용할 수 있습니다.

또한, 포토 MOS 릴레이는 두 개의 MOSFET 소스를 서로 마주보고 연결하여 교류의 스위치로도 사용할 수 있습니다. 광 MOSFET의 도통 특성은 입력 전류량에 의존하지 않기 때문에 미세한 입력 전류에서도 전류의 ON/OFF 제어가 가능한 것이 특징입니다.

바리스터란?

바리스터는 인가하는 전압에 따라 저항값이 변하는 두 개의 전극을 가진 반도체 소자 중 하나입니다.

변화하는(Variable) + 저항(Resistor)으로 ‘변화하는 저항’이라는 뜻입니다. 따라서 비직접저항 또는 전압 의존성 저항이라고 부르기도 합니다.

전압과 전류는 비례관계가 없는 것이 특징이며, 바리스터에 걸리는 전압이 작을 때는 저항값이 높고, 전압이 클 때는 저항이 낮아집니다.

바리스터의 사용 용도

바리스터는 전압에 따라 저항값이 변합니다. 이 특성을 활용하여 정전기 등으로부터 IC 소자 등을 보호하거나 번개 서지로부터 전자기기를 보호하는 등의 목적으로 사용되기도 합니다.

만약 IC 등의 소자나 전자기기에 이상 전압이 인가되면 오작동이나 파괴로 이어질 수 있습니다. 또한 바리스터에 고전압이 인가되면 바리스터의 저항값이 낮아집니다. 이로 인해 회로에 전류가 흐르기 쉬워지고, 라인 임피던스에서 전압 강하가 발생하여 전자기기의 부하를 줄일 수 있습니다. 다른 용도로는 주로 정전기로 인한 방전 방지, 비산 방지 등이 있습니다.

1. 정전기 방전 방지

우리가 흔히 사용하는 휴대폰, 음악 플레이어, USB 등 외부 인터페이스 단자를 가진 전자기기는 정전기 차폐가 어렵기 때문에 정전기를 방지하는 부품을 사용해야 합니다. 이들은 제조상의 기술적 고도나 어려움으로 인해 정전기 방전이 발생하기 쉽고, 파괴되기 쉽기 때문입니다.

기존에는 정전기 방지를 위한 방법으로 제너다이오드라는 안정적이고 일정한 전압을 얻을 수 있는 소자를 사용하였으나, 소형화 및 저가의 적층 칩 바리스터가 개발되면서 바리스터가 사용되기 시작했습니다.

2. 비산방지

전기 모터 및 전력기기의 총칭인 전동기 중 흐르는 전류를 회전 위상에 따라 전환하고 회전축의 힘을 일정한 방향으로 유지하기 위한 기계적 정류자와 브러시를 가진 것이 정류자 전동기입니다.

정류자 전동기의 하나로 브러시라는 직접 전류가 흐르는 부품이 있는 브러시형 DC 모터가 있는데, 간헐적으로 회전하는 정류자에 의해 고전압이 발생하여 스파크가 발생하면 브러시가 마모되거나 소음이 발생하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 바리스터가 사용됩니다.

바리스터의 원리

바리스터는 산화아연을 주성분으로 하는 세라믹 반도체를 두 개의 전극으로 끼워 넣은 구조입니다. 바리스터 특성은 전류를 I, 전압을 V라고 하면 I=KV^α와 같이 나타낼 수 있습니다. 이때 K는 소자 고유의 상수이고, α는 전압 비선형 계수(α 계수)입니다.

전압 비선형 계수는 저저항에서 고저항으로 넘어가는 지점인 굴절점 이후의 곡률을 나타내는 계수입니다. 바리스터의 등가회로는 제너다이오드를 거꾸로 2개 연결한 것에 커패시터를 병렬로 연결한 회로입니다.

이를 통해 바리스터에는 커패시터 성분이 있기 때문에 바리스터에 걸리는 전압이 낮고, 바리스터가 고저항일 때는 소량의 커패시턴스가 있다는 것을 알 수 있습니다.

일정 전압까지는 높은 저항을 보여 전류를 흐르지 않는 구조로 되어 있지만, 일정 전압 이상의 부하가 걸리면 저항력보다 전압이 높아지기 때문에 양자 역학적인 터널 효과에 의해 큰 전류를 흐르게 됩니다. 따라서 소자나 전자기기에 고전압 부하가 걸렸을 때 바리스터가 정전기를 접지 등에 흘려보내는 역할을 하는 구조로 되어 있습니다.

바리스터의 기타 정보

바리스터의 특징

바리스터에는 수명이 있습니다. 바리스터에 걸리는 전압, 바리스터의 내량, 서지 파형이라고 불리는 출력을 방출한 상태와 단락시킨 상태의 결과가 규정된 선형 그래프를 바탕으로 수명을 적절히 판단할 수 있는 것을 선택해야 합니다. 규정을 크게 초과할 경우 파손이나 비산을 일으켜 부상 등을 초래할 수 있습니다.

또한 비슷한 구조로 제너다이오드가 있지만, 전류-전압 특성이 대칭으로 되어 있어 극성을 갖지 않는다는 점에서 약간의 차이가 있습니다.

사이리스터란?

사이리스터는 정류 작용을 하는 반도체 소자로, SCR(Silicon Controlled Rectifier) 또는 실리콘 제어 정류자라고도 합니다. 정류 작용이란 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 것을 말합니다. 정류 작용을 하는 대표적인 전자부품은 다이오드입니다.

다이오드와 사이리스터가 다른 점은 게이트 단자입니다. 사이리스터는 게이트라는 단자를 가지고 있으며, 게이트 단자에 전류를 흘릴 때만 정류 작용을 합니다.

사이리스터의 사용 용도

사이리스터는 산업용으로 소다 산업, 전기 도금 등에 사용됩니다. 소다 산업은 바닷물을 전기분해하여 가성소다와 수소를 생성하는 산업입니다. 가성소다는 비누와 세제의 원료로 사용됩니다. 소금물을 전기분해하기 위한 직류 대전류를 사이리스터로 생성합니다.

일상생활에서는 LED 조명의 조광용 등으로 사용되는데, LED에 흐르는 전류를 사이리스터로 제어하여 조명을 조광하며, LED 조명을 제어하는 장치를 LED 드라이버라고 하는데, 반드시 사이리스터가 탑재되어 있습니다.

사이리스터의 원리

사이리스터는 p형 반도체와 n형 반도체로 구성된 PNPN의 4중 구조로 되어 있습니다. 중간 n형 또는 p형 반도체에서 게이트 단자를 뽑아낸 구조로 되어 있으며, 각각 N게이트, P게이트라고 부릅니다.

4중 구조를 가지고 있기 때문에 3개의 접합부를 가지게 됩니다. 양극(애노드)쪽에서 음극(캐소드)쪽에 걸쳐 접합부를 보면, 첫 번째와 세 번째 접합부가 순방향 바이어스가 되어 있습니다. 반면 두 번째 접합부에서는 역방향 바이어스가 되어 있습니다. 이 상태에서 애노드 쪽에서 캐소드 쪽으로 전류를 흐르게 하려고 해도 거의 흐르지 않습니다.

하지만 사이리스터에 순방향 전압을 걸어 게이트 단자에 전류를 흐르게 하면 아발란스 브레이크다운이라는 현상이 발생하여 양극-음극 사이가 전도됩니다. 이를 사이리스터의 점호 또는 턴온이라고 합니다.

사이리스터가 켜진 후 양극에 흐르는 전류가 0이 되면 도통이 끊어집니다. 이를 턴오프 또는 소호라고 합니다. 교류에는 주기적으로 전압이 0이 되는 순간이 있기 때문에 사이리스터의 턴오프는 자연스럽게 발생합니다.

사이리스터에 대한 추가 정보

사이리스터의 응용 사례

사이리스터를 사용하면 큰 전력을 제어할 수 있습니다. 사이리스터는 큰 전력을 제어하는 기기의 전력부에 사용됩니다. 구체적인 예는 다음과 같습니다.

1. 정류기
정류는 교류를 직류로 변환하는 것을 말합니다. 정류 회로의 핵심 부품인 정류기에는 다이오드와 사이리스터가 사용됩니다. 사이리스터를 이용한 정류기는 다이오드 정류기보다 작고 가볍지만, 고주파에 의해 전원 시스템에 노이즈가 발생합니다. 최근에는 고조파를 억제할 수 있는 트랜지스터에 의한 정류기가 개발되고 있습니다.

2. 교류 모터 제어
교류 모터의 회전 속도를 제어하는 장치를 VVVF 장치라고 하는데, VVVF 장치 내부에는 컨버터부와 인버터부가 있습니다. 컨버터부는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 부분입니다. 컨버터 부분에는 주로 다이오드가 사용됩니다.

인버터부는 정류의 역작용으로 직류전원을 교류전원으로 변환하는 장치입니다. 인버터 내부에서는 일단 교류 전원을 직류 전원으로 변환합니다. 직류 전원을 사이리스터 등으로 고속 전환하여 교류 전류를 발생시킵니다.

MMIC란?

MMIC는 주로 마이크로파의 증폭, 스위칭, 믹싱 등의 기능을 하나의 반도체 기판에 집적화한 집적회로(IC)를 말합니다.

‘Monolithic Microwave Integrated Circuit’의 약자로 모놀리식 마이크로웨이브 집적회로를 뜻한다. 집적회로에는 하이브리드 집적회로와 모놀리식 집적회로 두 가지가 있는데, 필요한 소자를 하나의 기판에 집적하여 기능을 부여한 것을 모놀리식 집적회로라고 합니다.

반면, 하이브리드 집적회로는 모놀리식 집적회로 등을 고밀도로 집적하여 마더보드나 모듈 기판 위에 하나의 집적회로로 만든 것입니다.

MMIC의 사용 용도

MMIC는 스마트폰으로 대표되는 휴대단말기, 센서를 활용한 RFID 등 통신, 기지국용 송수신 IC, 위성방송 수신기 등 주로 마이크로파를 통신에 사용하는 용도로 활용되고 있습니다. 기존의 개별 부품을 조합해 만드는 MIC(마이크로파 집적회로)에 비해 납땜 부분 등이 없어 고장 발생 빈도가 낮은 것이 특징입니다.

또한, 부품 수가 적기 때문에 MMIC를 활용하면 소형화, 경량화, 저비용화에 기여할 수 있습니다.

MMIC의 원리

MMIC의 원리는 마이크로파 집적회로를 구성하는 데 적합한 재료인 GaAs, SOI 등의 반절연성 반도체 기판 위에 수동소자인 인덕터와 커패시터를 형성하여 고주파 손실을 억제하고, 동작속도가 우수한 능동소자인 바이폴라 트랜지스터 등을 이용하여 아날로그 집적회로를 만드는 점에 있습니다.

MMIC에서 자주 사용되는 능동소자로는 MESFET, HEMT, HBT, MOSFET 등이 있으며, GaAs, GaN, SOI와 같은 화합물 반도체 재료나 절연성이 우수한 반도체 기판에서 만들어지는 경우가 많습니다.

반도체 재료에 따라 전자의 이동도나 밴드갭 에너지가 다르기 때문에 동작 주파수나 내압 등 요구되는 사양에 적합한 물성의 반도체를 선택하면 고출력이나 고주파에 대응할 수 있습니다. 수동 소자를 사용하는 목적은 주로 인덕터, 커패시터, 저항이 마이크로파 회로의 임피던스 정합을 위해 사용됩니다.

인덕터는 고임피던스 선로와 나선형 인덕터가 많이 사용됩니다. 커패시터는 유전체-대향전극이 샌드위치와 같은 구조를 취한 MIM 구조와 빗살형 전극을 늘어놓은 구조를 가진 것 등이 있습니다.

MMIC의 기타 정보

1. 마이크로웨이브용 MMIC의 사례

마이크로웨이브용 MMIC의 대표적인 사례로는 GaAs 기판상의 MMIC, SOI-CMOS나 SiGe 기판상의 MMIC 등을 들 수 있습니다. 스마트폰에 사용되는 셀룰러용 고주파 전력 증폭기나 저잡음 증폭기, WiFi 통신용 고주파 전력 증폭기나 안테나 주변의 송수신 경로 전환용 스위치는 일반적으로 GaAs 기판상의 MMIC나 SOI-CMOS의 MMIC가 많이 사용되고 있습니다.

그 이유는 기지국으로의 수 GHz 대역의 마이크로파 전파 전송을 위해 수 W급 전력을 증폭하여 출력해야 하기 때문에 높은 증폭률과 고효율을 겸비한 트랜지스터를 형성할 수 있고, 고주파수용 정합(매칭) 회로에 사용되는 커패시턴스 및 스파이럴 인덕터 도 높은 Q값을 확보할 수 있는 GaAs 기판이나 SOI 기판상의 MMIC가 적합하기 때문입니다.

또한, 트랜지스터는 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)가 많이 사용됩니다. 이는 MOCVD 성막 기술을 활용하여 상대적으로 변동성 제어가 용이하고, HEMT 소자처럼 음극 바이어스가 필요하지 않기 때문입니다.

2. 밀리미터파 애플리케이션용 MMIC의 사례

MMIC가 아니면 구성이 까다로운 애플리케이션으로는 5G의 특히 밀리미터파 통신용 사례와 충돌방지 차량용 레이더용 밀리미터파 애플리케이션을 들 수 있다. 이 경우 액티브 소자는 주파수 특성이 우수한 GaAs의 HEMT 디바이스나 InP 계열의 HBT, Si 계열의 미세 SOI-CMOS나 SiGe HBT를 사용하는 것이 일반적입니다.

소자의 특성을 가늠할 수 있는 성능 지표로 컷오프 주파수(fT)나 최대 발진 주파수(fmax)를 많이 사용하지만, 차세대 통신 표준인 Beyond5G나 6G를 위한 Sub-THz 영역 등의 경우 이 주파수를 증폭할 수 있는 반도체 소자는 매우 제한적입니다. 예를 들어, D-band 140GHz를 다루는 반도체 소자로서 fT는 적어도 두 배 이상인 300GHz 정도가 필요합니다.

패시브 소자도 밀리파 대역의 경우 전송 손실이 매우 커지기 때문에 개별 구성보다는 MMIC화하여 집적화함으로써 각 회로 블록 간의 전송 손실을 최대한 억제하는 기술이 필수적입니다. 밀리미터파 대역의 애플리케이션에서는 그 전력을 얻기 위해 빔포밍이라는 안테나 어레이 기술도 MMIC와 함께 사용되고 있으며, Beyond5G나 6G 통신을 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있는 상황입니다.

프로그래머블 딜레이 라인이란?

프로그래머블 딜레이 라인(영문: Programmable delay line)은 전기 신호의 전파 시간을 지연시키는 전자회로의 일종으로 딜레이 라인이라고 합니다.

지연시키는 시간을 프로그램에 의해 변경할 수 있습니다. 이 외에도 수동소자만으로 구성된 패시브 딜레이 라인과 외부 IC를 구동할 수 있는 액티브 딜레이 라인이 있습니다.

신호를 임의의 시간만큼 지연시킴으로써 다른 신호와 타이밍을 맞추거나 의도적으로 시간차를 두는 것이 가능합니다. 통신기기를 비롯해 다양한 전자기기에 사용되고 있습니다.

프로그래머블 딜레이 라인의 사용 용도

프로그래머블 딜레이 라인은 데이터 신호와 클록 신호의 타이밍을 맞추기 위해 사용됩니다. 특히 속도가 빨라질수록 미세한 타이밍의 오차가 문제가 되기 때문에 정확한 조정이 중요합니다.

그 외에도 신호의 펄스폭 변환이나 발진 회로, 주파수 멀티플라이어, 주파수 디스크리미네이터 등의 용도로도 사용된다. 응용 분야는 의료, 방송, 군사, 우주 등입니다. 각종 감지기기나 통신기기 등에서 정확한 타이밍을 맞춰야 하는 경우에 사용됩니다.

프로그래머블 딜레이 라인의 원리

프로그래머블 지연 라인은 인덕턴스 L과 커패시턴스 C로 전기 신호의 전파를 지연시키는 간단한 원리입니다. 공정, 온도, 전압 등의 조건이 변해도 규정된 지연 시간을 정확하게 구현하는 딜레이라인을 만드는 것은 어렵다고 알려져 있습니다.

정확도를 높이는 한 가지 방법으로 피드백을 들 수 있습니다. 규정된 지연시간에 대한 오차를 구하고, 그 오차가 작아지도록 지연라인에 피드백을 주는 것입니다. 전원 전압 조절 등을 통해 지연 시간을 제어합니다. 전압을 높이면 지연 시간을 줄일 수 있습니다.

지연 오차를 구하는 방법으로는 전압을 주파수로 변환하는 방법이 있습니다. 딜레이 라인의 출력을 반전시켜 입력에 피드백하면 지연시간의 1/2에 해당하는 주파수가 출력됩니다. 이 메커니즘을 전압 제어 발진기(VCO)라고 합니다.

프로그래머블 딜레이 라인의 구조

프로그래머블 딜레이 라인은 신호를 지연시키는 딜레이 라인과 임의의 지연 시간을 선택하는 멀티플렉서로 구성됩니다. 딜레이 라인을 구성하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 현재 가장 많이 사용되는 것은 인덕턴스 L과 커패시턴스 C의 사다리형 전송 회로망입니다.

N단 사다리형 회로의 지연 시간은 구간당 √(L×C), 전체적으로는 N×√(L×C)이다. 또 다른 구성으로는 로직 게이트의 전파 지연 시간을 전원 전압으로 제어하는 전압 제어 지연 라인(VCDL)을 사용하는 방법도 있습니다.

멀티플렉서에서 사다리형 회로의 임의의 단을 주소 신호로 선택하면 원하는 지연 시간을 얻을 수 있습니다. 프로그래머블 딜레이라인을 사용하는 경우, 지연시간의 정확성, 주파수 특성 및 위상 특성의 우수성, 낮은 손실, 우수한 온도 특성 등의 특성을 고려하여 용도에 따라 필요한 성능 및 비트 수를 충족하도록 하는 것이 중요합니다.

프로그래머블 딜레이 라인의 기타 정보

1. 특성 임피던스

딜레이 라인은 동축 케이블과 같은 전송로이며 고유한 전송 임피던스를 가지고 있습니다. 특성 임피던스는 회로 내 인덕턴스와 용량에 따라 달라지는 파라미터입니다. 파형 왜곡을 적게 전송하기 위해서는 특성 임피던스가 딜레이 라인 내에서 균일한 것이 중요합니다.

2. 상승 시간

딜레이 라인의 고유한 상승 시간은 최소 전송 펄스 폭을 제한합니다. 펄스 폭이 좁으면 높은 주파수 성분을 가지게 되므로 빠른 상승 시간이 요구됩니다.

지연라인을 무리 없이 통과하는 펄스 폭은 지연라인이 가진 상승시간의 3배 이상이어야 합니다.

리모콘 수광모듈이란?

리모컨 수광모듈은 TV 등 AV기기를 비롯해 다양한 상황에서 기기를 제어하기 위해 사용되는 리모컨 송신기의 광신호를 수신하는 장치입니다.

구체적으로는 리모컨 송신기로부터 광신호를 수신하여 이를 전기 신호로 변환하는 동시에 신호를 증폭하여 디지털 신호로 변환합니다. 이 신호를 출력으로 하여 후단에 내장된 기기 제어용 마이크로 컴퓨터 등에 신호를 송출합니다.

리모콘 수광모듈의 사용 용도

리모컨 수광모듈은 리모컨 송신기와 쌍으로 사용되며, 가전제품이나 음향기기 등에도 폭넓게 사용되고 있습니다. 대표적인 용도는 TV, 블루레이 및 HDD 레코더, 플레이어 등 AV기기와 AV 콤포넌트 등 오디오 기기를 비롯해 에어컨, 조명기구 등 가전제품입니다.

일반적인 TV의 경우, 전원 켜기/끄기, 볼륨 조절, 채널 선택, 입력 전환, 메뉴 표시 및 선택 등 기기가 가지고 있는 거의 모든 기능을 리모컨 송신기로 제어할 수 있습니다. 따라서 이러한 기능을 송신기로부터 받은 신호를 바탕으로 TV 본체의 제어용 마이컴에 신호를 출력하기 위해 리모컨 수광모듈에서 빛에서 전기적 신호로 변환하는 역할을 합니다.

리모콘 수광모듈의 원리

리모콘 수광모듈의 원리는 리모콘 송신기로부터 전송되는 변조된 광신호를 수신하여 복조 동작 후 후단의 마이컴에 제어 신호를 전달하기 위해 수신된 광신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 기능을 가지고 있다는 점에 있습니다.

리모컨 수광 유닛에 조사되는 빛의 파장은 일반적으로 940nm 또는 960nm의 근적외선입니다. 리모컨 송신기는 리모컨의 배터리 수명을 늘리기 위해 신호가 켜져 있는 기간을 몇 퍼센트로 줄이기 위해 원래의 신호를 37.9KHz로 변조하여 전송합니다. 리모컨 수광 모듈에서 수신하는 것은 이 변조된 빛입니다.

리모컨 수광모듈은 수광소자에서 수신한 후 이 신호를 증폭하여 37.9KHz의 변조파를 다시 복조하여 3~6V 정도의 디지털 신호로 출력합니다. 이는 후단에 연결되는 마이크로컴퓨터 등의 전원 전압의 동작 전압을 맞추기 위함입니다. 리모컨 신호를 수신한 마이크로 컴퓨터는 신호의 내용을 분석하고 그 결과에 따라 기기를 제어합니다.

리모컨 신호에 사용되는 데이터 포맷은 여러 종류가 있습니다. 모든 포맷은 비슷한 빛의 파장과 변조 주파수를 사용하지만, 데이터 구조가 다르기 때문에 서로의 신호가 간섭하여 오작동하지 않도록 배려하고 있습니다.

리모컨 수광 모듈의 특징

리모콘 수광모듈의 특징으로 꼽히는 항목에는 EIAJ에서 규정한 밴드Ⅰ에 대응하는 수신회로를 지칭하는 경우가 많지만, 밴드Ⅲ에 대응하는 것을 포함하는 경우도 있다. 리모컨 송신기에서 보내오는 근적외선 변조광을 수광하는 포토 다이오드의 출력은 원거리 또는 벽의 반사광을 검출하는 경우에는 미약한 신호가 되지만, 기기의 근거리에서 조작하는 경우에는 매우 큰 신호가 됩니다.

따라서 그 신호를 받는 증폭 회로에는 80dB 이상의 넓은 다이내믹 레인지가 요구되며, 이를 실현하는 것이 내장된 AGC입니다. 조명기구가 발산하는 빛을 받으면 그것이 노이즈로서 악영향을 미치기 때문에 포토 다이오드는 가시광선 차단 특성(근적외선은 투과)을 가진 수지로 덮여 있어 조명기구의 빛의 영향을 제거할 수 있습니다.

또한, 고주파로 깜빡이는 인버터 형광등의 영향을 피하기 위해 가파른 통과 특성을 가진 대역 통과 필터를 적용했다. 또한, 리모콘 수광 모듈의 출력단은 오픈 컬렉터 구성이 일반적이지만, 이는 출력 신호를 받는 프로세서 측의 전원 전압에 맞추기 위한 것으로, 프로세서의 입력 단자에 풀업 저항을 설치하여 신호를 수신합니다.

리모컨 수광 모듈의 기타 정보

1. 리모콘 수광모듈의 노이즈 대책

리모콘 수광모듈이 사용되는 환경에 잡음원(인버터 형광등 등의 외란광 노이즈, 전원 리플, 전원 회로의 전자기 노이즈 등)이 있는 경우, 그 영향으로 리모콘의 수신 거리가 짧아질 수 있습니다. 따라서 이를 피하기 위한 노력이 필요합니다.

전원 리플이나 전원 회로의 노이즈 혼입은 회로 설계상 대응할 수 있지만, 형광등의 영향을 방지하기 위해서는 천장 방향의 빛을 차단하는 등 구조적인 고안이 필요합니다.

2. 리모컨 수광모듈 사용 시 주의사항

리모콘 수광모듈은 매우 높은 게인을 가지고 있기 때문에 노이즈에도 민감하게 반응합니다. 따라서 차폐 케이스가 있는 리모콘 수광모듈이라면 반드시 GND에 연결하는 것이 중요합니다.

일반적인 리모콘 수광모듈은 실내에서 사용하는 것을 전제로 합니다. 실외에서 사용할 경우, 포토다이오드에 햇빛이 들어오면 포토다이오드의 전류 출력이 매우 커져 이를 받아들이는 증폭기 회로가 포화되어 리모컨 송신기의 근적외선을 수신할 수 없게 됩니다.

따라서 야외에서 사용하는 기기(예: 카메라 등 촬영 장비)에서는 태양광에 의한 포화 대책이 적용된 사양의 리모컨 수광 모듈을 채택합니다.

프로그래머블 게인 앰프란?

프로그래머블 게인 앰프는 프로그램에 의해 사용자 측에서 게인의 크기를 바꿀 수 있는 앰프를 말합니다.

연산 증폭기를 이용한 증폭기이며, 일반적으로 비반전식 구성입니다. 프로그램 게인 앰프는 프로그래밍을 통해 게인을 변경할 수 있기 때문에 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하는 시그널 체인에서 변경 가능한 여지를 남길 수 있습니다.

신호의 수신 강도를 높이고 싶다는 고객이나 사용자의 요구에 대해 나중에 게인 변경을 통해 유연하게 대응할 수 있기 때문에 유연한 제품 개발이 가능합니다.

프로그래머블 게인 앰프의 사용 용도

프로그래머블 게인 앰프는 주로 통신기기나 감지기, 분석기기 등 신호나 노이즈를 수신하는 부분의 장치에서 신호의 증폭 용도로 사용됩니다. 구체적으로 휴대폰 등의 기지국이나 수신기, 초음파 레이더, 무선 통신, 음성 분석 정도입니다. 그 외에도 모터 제어 등의 애플리케이션에도 사용됩니다.

프로그램 이득 증폭기의 사양을 선택할 때, 프로그램 가능한 이득의 범위와 종류, 임피던스의 크기, 이득의 정확도 등을 고려해야 합니다.

프로그래머블 게인 앰프의 원리

프로그래머블 게인 앰프는 연산 증폭기의 부귀환 회로부의 저항을 래더 구성으로 하고, 디지털 회로의 레지스터 값 제어를 통해 스위치 동작을 통해 이 저항 값을 전환합니다. 이에 따라 광범위한 다이내믹 레인지를 갖는 게인 스위칭, 증폭기 동작을 실현하고 있습니다.

부귀환 회로부의 저항값 외에 연산 증폭기에 인가하는 내부 전압을 프로그램에 의해 변경함으로써 연산 증폭기의 증폭률 자체를 가변적으로 변경하여 이득의 크기를 변화시키는 것도 하나의 방법입니다. 의료 기기나 과학 실험 등에 사용되는 기기의 프로그램 게인 앰프는 넓은 다이내믹 레인지의 증폭률이 요구되며, 노이즈가 적고 온도 안정성이 우수해야 합니다.

따라서 저항이나 커패시터 등을 프로그램 게인 앰프에 탑재하여 저역 통과 필터를 형성하여 고주파 노이즈를 제거할 수 있는 메커니즘을 탑재한 제품도 있습니다. 또한, 여러 개의 연산 증폭기를 프로그램으로 동작 가능한 스위치로 연결하여 필요에 따라 연산 증폭기를 프로그램에 의해 동작시켜 효율적으로 큰 증폭을 할 수 있는 제품도 출시되고 있습니다.

프로그래머블 게인 앰프의 기타 정보

1. 센서 용도로 사용되는 프로그램 이득 증폭기

센서를 이용한 시스템 설계에서는 다양한 종류의 센서의 출력 범위와 후단 A-D 컨버터의 입력 범위를 조합하여 일치하도록 설계하지만, 반드시 시스템상의 입출력 범위가 일치하는 것은 아닙니다. 이러한 경우, 센서의 매우 미약한 저레벨 시 출력 범위를 커버하고 A-D 컨버터의 입력 범위에 맞추기 위해 센서와 A-D 컨버터 사이에 프로그램 게인 앰프를 사용해야 합니다.

센서 애플리케이션의 경우, 그 애플리케이션적 역할로 인해 당연히 노이즈 레벨에 주의를 기울여야 합니다. 계측 증폭기(인스트루멘테이션 앰프)도 많이 사용되지만, 프로그램 게인 앰프는 계측 증폭기의 후단에 게인 가변 기능을 추가한 것으로 볼 수 있습니다.

2. 프로그래머블 게인 앰프(PGA)와 가변 게인 앰프(VGA)의 차이점

둘 다 게인을 변경 조정할 수 있는 증폭기라는 점에서는 동일합니다. 프로그램 게인 증폭기(PGA)의 경우 아날로그적인 연속적인 조정이 아닌 4x, 8x, 16x와 같이 디지털 제어로 비트 전환이 가능하기 때문에 이산적인(정확한) 값의 게인 조정 용도로 사용됩니다.

조정용 레지스터의 비트 수만큼의 게인 설정에 대해서만 조정 분해능이 있다는 점에 유의해야 합니다. 반면, 가변 이득 증폭기(VGA)는 아날로그 방식으로 연속적인 이득을 제어하기 때문에 상대적으로 응답이 빠르며 AGC(자동 이득 제어) 동작이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

리튬 배터리란?

리튬전지는 화학반응을 통해 전력을 뽑아내는 화학전지의 일종입니다. 리튬이온전지와 이름이 비슷해 혼동하기 쉽지만, 리튬이온전지는 음극에 리튬이온을 저장할 수 있는 탄소 소재를 사용한 인터카레이션 반응에 기반한 이차전지입니다.

반면 리튬 배터리는 음극에 금속 리튬 또는 리튬 합금을 사용한 것을 말하며 일반적으로 충전이 불가능한 일차 전지입니다.

리튬이온 배터리에 대한 자세한 설명과 36개 제조사 목록은 여기

리튬전지의 양극에는 이산화망간, 불화흑연, 이황화철 등이 사용되지만, 이산화망간을 사용한 것이 주류이며, 단순히 리튬전지라고 하면 일반적으로 이산화망간 리튬전지를 지칭하는 경우가 많습니다.

리튬전지의 사용 용도

리튬은 금속 중 가장 양이온화 경향이 크고 가장 가벼운 금속입니다. 이 때문에 리튬 배터리는 높은 전압, 가벼운 무게, 높은 에너지 밀도가 특징입니다. 블루레이 및 DVD 레코더, 디지털 카메라, 게임기, 밥솥, 통신기기 등 다양한 가전제품의 시계 및 메모리 백업용 내장 전원으로 널리 사용됩니다.

또한, 안정적인 방전 특성과 장기적인 신뢰성을 가지고 있으며, 고온에서의 보존성이 우수한 종류도 있어 수도, 전기, 가스 각종 계량기 및 스마트 계량기, 화재경보기, 보안기기, 의료기기 등 중요 기기의 전원으로 폭넓게 사용되고 있습니다.

리튬전지의 원리

리튬전지는 양극에 이산화망간, 불화흑연, 이황화철 등을 사용하고, 음극에 리튬 금속, 전해질로 리튬염을 유기용매에 녹인 유기 전해액 등이 사용됩니다.

음극의 금속 리튬은 전해질과 접하는 부분에서 이온화되어 리튬 이온이 되어 전해질에 용해되고, 리튬 원자 1개당 1개의 리튬화에 따라 1개의 전자가 발생합니다. 그리고 전자는 도선, 리튬이온은 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동하여 양극재와 화학반응을 일으킵니다.

리튬전지의 특징

알카라인 건전지와 같은 다른 전지에 비해 리튬전지는 다음과 같은 특징이 있습니다.

1. 가볍고 높은 전압

알카라인 건전지가 1.5V의 공칭 전압인 반면, 일반적으로 보급된 이산화망간형에서는 3V의 높은 공칭 전압을 얻을 수 있습니다. 가볍고 고전압이기 때문에 에너지 밀도가 높아 두 개 이상 필요했던 배터리 수를 한 개로 줄일 수 있어 보다 소형화된 기기에 사용할 수 있는 것이 특징입니다.

2. 자기방전이 적고 장시간 사용 가능

리튬전지의 양극은 화학적으로 안정된 물질이기 때문에 열화가 적고, 10년 동안 보관해도 90% 이상의 용량을 유지할 수 있습니다.

또한, 비교적 큰 전류를 필요로 하는 기기(촬영장비 등)에서의 배터리 수명을 비교하면 알카라인 건전지 대비 리튬전지는 2배 정도의 수명을 기대할 수 있습니다. 리튬 배터리는 건전지에 비해 가격이 비싸지만, 배터리 교체 빈도가 낮아지기 때문에 큰 전류를 필요로 하는 기기에서는 총 비용 측면에서 유리할 수 있습니다.

그러나 소비전류가 적은 기기, 예를 들어 계산기나 TV 리모컨 송신기 등에 사용하는 경우에는 건전지와의 수명 차이가 적어 장점이 없습니다.

3. 넓은 온도 범위

건전지로 널리 사용되는 알카라인 건전지 등은 전해질이 수용액이기 때문에 저온 환경에서는 반응 활성이 떨어지고, 전해액이 얼면 배터리로서의 기능을 상실한다. 이 때문에 알카라인 배터리의 권장 사용 온도 범위는 5℃ ~ 45℃로 정해져 있습니다.

반면 리튬 배터리는 유기 전해질을 사용하기 때문에 빙점이 매우 낮습니다. 또한 고온에서도 비교적 안정적이기 때문에 넓은 온도 범위에서 전력을 공급할 수 있습니다. 일반 제품도 -30~70℃, 내열 타입의 경우 -40~125℃의 사용 온도 범위를 표방하고 있습니다.

위와 같은 특성으로 인해 설산 등반 시 장비의 전원, 사진 및 동영상 촬영용 카메라 등의 전원으로 많이 사용되고 있습니다.

리튬 배터리의 종류

일반적으로 리튬 배터리라고 하면 충전과 방전이 불가능한 일차전지를 떠올리기 쉽지만, 충전과 방전이 가능한 리튬 이차전지도 존재합니다. 각각에 대해 소개하겠습니다.

리튬 일차전지

시중에 판매되는 리튬 일차전지를 모양으로 분류하면 원통형 리튬 전지, 동전형 리튬 전지, 핀형 리튬 전지의 세 가지로 나뉩니다.

1. 원통형 리튬 전지

원통형 리튬전지는 자기방전이 적고 큰 전력을 출력할 수 있는 것이 특징입니다. 양극 재료로 불화흑연 또는 이산화망간이 주로 사용되며, 출력 전압은 모두 공칭 전압이 V이다. 불화흑연은 장기 보존성이 뛰어나 가스, 수도 등 스마트 미터의 전원으로 채택되고 있습니다. 이산화망간은 큰 전류 공급에 적합해 카메라 등 촬영 장비에 사용된다. 또한 황화철을 양극 재료로 사용한 리튬전지는 출력 전압이 1.5V 정도이므로 AA나 AAA 건전지를 대체할 수 있는 용도로 판매되고 있습니다.

2. 코인형 리튬 배터리

코인형 리튬전지의 양극 재료는 불화흑연 또는 이산화망간입니다. 얇고 작은 것이 특징이며, 전기제품, 정보기기 등의 메모리 기능이나 시계 기능의 백업용 전원으로 사용됩니다. 또한 자동차의 키리스 엔트리 시스템, 초소형 조명 등에도 사용됩니다.

3. 핀형 리튬 배터리

핀형 리튬전지는 길쭉한 소형의 리튬전지로, 양극 재료는 불화흑연입니다. 주로 낚시용 전기 미끼, 소형 전파 발신기 등에 사용됩니다.

리튬 이차전지

일반적인 리튬전지는 충전이 불가능한 일차전지이지만, 바나듐이나 티타늄 등의 화합물을 양극, 리튬 금속 또는 알루미늄, 티타늄 등의 리튬 화합물-합금을 음극으로 사용하여 충전이 가능한 리튬 이차전지도 있으며, 모양은 동전 모양입니다.

리튬 일차전지와 같은 우수한 특성뿐만 아니라 충방전 사이클 특성도 우수합니다. 리튬 배터리를 중간에 교체하고 싶지 않거나 교체할 수 없는 기기에 적합하다. 사용 예로는 손목시계의 태양열 시계, 백업 전원 등에 사용됩니다.