月: 2023年11月

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.

진공계란?

진공계는 어떤 공간 내의 진공도를 측정하기 위한 센서입니다.

그 목적에 따라 분압진공계와 전압진공계 중 하나를 선택합니다. 또한, 측정 방식도 다양하며, 그 차이에 따라 측정 가능한 진공도 범위에 차이가 있는 것이 특징입니다.

진공계의 용도 예시

진공 공간에는 수분을 포함한 불순물이 극히 적기 때문에 고청정도가 필요한 제조 현장에서는 진공 공간을 많이 활용합니다. 그 중에서도 진공 도달도 관리가 필요한 챔버나 석영관 등에 연결된 유체 회로에 설치되는 것이 진공계입니다.

진공계의 용도로는 반도체 제조장치의 플라즈마 에칭 공간이나 야금, 유기합성 등의 실험설비에 설치되는 경우가 많습니다. 또한, 이온빔 장치나 증착 장치 등 대상물 표면의 가공 용도 등 표면 청결도가 요구되는 곳에서도 사용됩니다.

진공계의 원리

진공계의 종류와 측정 원리는 매우 다양합니다. 진공계는 극소량으로 존재하는 기체 분자의 운동량을 잘 측정하여 공간 내 기체 밀도 및 진공도로 환산합니다. 진공계 중 가장 널리 보급된 것은 ‘피라니 진공계’입니다.

피라니 진공계는 전기저항형 진공계로, 전류를 흘린 백금선에 기체가 충돌할 때 사라지는 열에너지로 전류를 계산하고, 그 값에서 압력을 역산합니다. 이 미세한 압력이 그대로 진공도에 해당하는 구조입니다.

진공계 선택 방법

진공계는 다양한 종류가 존재하기 때문에 목적에 맞는 진공계를 적절히 선택해야 합니다. 용도별 유형, 측정 방법에 따라 특징이 다르기 때문에 각각의 특징을 충분히 이해하는 것이 중요합니다.

또한, 각종 진공계도 여러 종류가 있으므로 측정하고자 하는 목적의 진공 공간의 진공도에 따라 선택해야 합니다. 최종 진공 도달도를 보장하고 싶다면 하나의 진공계로 충분하지만, 진공 펌프에 의한 배기 속도 등의 거동을 알고 싶다면 여러 개의 진공도를 설치해야 합니다.

진공계의 종류

진공계는 용도별, 측정 방법, 측정 범위에 따라 몇 가지 종류로 분류할 수 있습니다.

1. 용도별

• 분압진공계

  분압진공계는 개별 기체만의 진공도를 측정할 때 선택하며, 두 가지 이상의 기체가 혼합된 상태에서 각각의 기체가 나타내는 압력이 분압입니다.

  같은 압력이라도 가스의 종류에 따라 성질이 다르기 때문에 진공의 품질을 분석하는 데 사용합니다. 분압진공계로 가장 일반적인 것은 질량분석기입니다.

  질량분석기는 이온원, 분석부, 검출부 세 가지로 구성되어 있습니다. 전기장이나 자기장을 사용하여 특정 이온만을 관찰함으로써 각 기체의 압력을 알 수 있습니다.

• 전압진공계

  전압진공계는 공간 내 진공도를 단순하게 측정하고 싶을 때 선택합니다. 측정 방법에 따라 다양한 종류가 존재하므로 목적에 맞는 선택이 필요합니다.

2. 측정 방법

측정 방법은. ‘압력 자체를 감지하는 방법’, ‘기체의 수송 현상을 이용하는 방법’, ‘기체 내 이온화 현상을 이용하는 방법’ 크게 세 가지로 분류됩니다.

• 압력 자체를 감지하는 방법

  압력 자체를 감지하는 진공계로는 U자형 진공계가 있는데, U자형 진공계는 유리로 만든 U자형 튜브의 한쪽을 진공으로 배기하여 밀봉한 차압계입니다.

  압력차에 의해 발생하는 액체 기둥의 높이로 기체의 압력차를 읽을 수 있는데, U자형 진공계는 기체의 종류에 구애받지 않는 것이 특징입니다. 따라서 압력을 절대적으로 측정할 수 있어 다른 진공계의 교정 기준으로 사용되고 있습니다.

• 기체 수송 현상을 이용하는 방법

  기체의 수송 현상을 이용한 진공계가 열전도 진공계입니다. 기체의 열전도율은 압력에 따라 변화하는 성질을 이용한 진공계입니다.

  열전도 진공계에도 여러 종류가 있는데, ‘피라니 진공계’, ‘서미스터 진공계’, ‘열전대 진공계’ 등이 있습니다. 열전도 진공계의 주의점은 고진공이 되면 열전도율보다 열 복사의 영향이 더 커진다는 것입니다. 따라서 열전도 진공계는 고진공 측정에는 사용할 수 없다는 단점이 있습니다.

• 기체 중의 이온화 현상을 이용하는 방법

  기체의 이온화 현상을 이용한 진공관으로는 페닝 진공계(냉음극 이온화 진공계)와 이온 게이지(열음극 이온화 진공계)가 있습니다. 페닝 진공계는 진공 상태에서의 방전 현상을 이용하여 압력을 측정할 수 있습니다. 내구성이 뛰어나지만 기체 종류에 따라 감도가 크게 달라집니다.

  페닝 진공계는 회로 구성이 간단하다는 장점이 있습니다. 반면, 페닝 방전은 불안정할 수 있기 때문에 정밀한 측정이 어렵다는 단점이 있습니다. 또한, 표면의 오염이 심하면 음극의 전자 방출량이 적어져 방전이 되지 않는 점, 고진공 상태가 되면 방전을 시작하기가 어려운 점 등이 있습니다.

3. 측정 범위

압력은 저진공, 중진공, 고진공, 초고진공 등의 진공도로 구분되며, 진공계의 종류에 따라 측정 진공도가 다릅니다. 진공도는 JIS(일본공업규격)에 따라 다음과 같이 압력 범위에 따라 5가지로 분류되어 있습니다. 피라니 진공계는 저진공부터 중진공까지 측정할 수 있고, 전리진공계는 중진공부터 초고진공까지 측정이 가능합니다.

• 저진공 (low vacuum): 105Pa~102Pa
• 중진공 (medium vacuum): 102Pa～10-1Pa
• 고진공 (high vacuum): 10-1Pa～10-5Pa
• 초고진공 (ultra high vacuum): -5Pa～10-8Pa
• 극고진공(extremely high vacuum): 10-8Pa 이하

전위차계란?

전위차계는 회로의 두 지점 사이의 전위차에 의해 전위나 전압 등을 정확하게 측정할 수 있는 기기입니다.

대전된 도체 사이의 정전기 인력과 정전기 반발력을 이용하여 회로에서 전류를 흘려보내지 않고도 측정할 수 있습니다. 전위차계의 대표적인 형태로는 사분면 전위차계와 진동 용량 전위차계를 들 수 있습니다.

사분면 전위차계는 금속제 가동편(4개로 분할된 원판 사이가 철사로 매달려 있음)에 의해 측정하며, 전위 외에도 미세전류, 저전력률(공급 전력 중 소비전력의 유효 이용률이 낮음을 나타내는 지표) 등의 측정에 이용할 수 있습니다.

진동 용량 전위차계는 입력과 병렬로 연결된 전기 용량을 변화시켜 직류 입력을 교류로 변환한 후, 이를 증폭하여 출력을 읽어내는 방식입니다. 그러나 취급에 숙련된 기술이 필요하기 때문에 최근에는 디지털 멀티미터가 널리 사용되고 있습니다.

전위차계의 사용 용도

전위차계는 일반 전압계로 평가가 어려운 경우에 많이 사용됩니다. 구체적인 용도는 다음과 같습니다.

• 내부 저항이 높은 전원의 기전력을 측정하는 경우.결정체, 마찰전기 등 압전처럼 고전압이지만 전류를 흘릴 수 없는 경우
• 전류를 흘려도 양극과 음극의 분극이 발생하여 기전력의 정확한 값을 측정할 수 없는 경우

전위차계는 일반 전압계에 비해 입력 저항이 KΩ 정도로 매우 높습니다. 따라서 방사선, 정전기, 절연재료 등의 분야에서 전위, 절연저항, 전하, 미세전류 측정에 사용됩니다.

전위차계의 원리

전위차계는 정전기를 측정하는 표면 전위 측정기의 경우 정전기 유도 현상을 이용하여 대전된 물체로부터 유도된 전하를 전류로 변환하여 교류 전압 값으로부터 대전 전위를 측정합니다.

표면전위 측정기의 측정부인 표면전위 센서는 정전기 유도 현상을 이용하고 있습니다. 정전기 유도 현상은 전하를 띤 물체를 도체에 가까이 했을 때, 전하를 띤 물체에 가까운 쪽에 전하를 띤 물체와 반대 극성의 전하가 끌어당겨지는 현상을 말합니다.

전위차계에서 정전기장 강도(전기장의 세기를 나타내는 값으로, 대전된 물체의 전위에 비례한다)를 검출 전극이 받으면 유도전하가 발생합니다. 이 정전기장 강도를 진동전극으로 주기적으로 변화시키면 유도전하도 동조하여 주기적인 변화를 일으켜 검출전극에서 접지(접지극)로 변위전류가 흐르게 됩니다. 이때 흐르는 전류를 저항을 통해 교류 전압 신호로 변환하여 충전된 물체의 충전 전위를 측정할 수 있습니다.

측정되는 값은 거리, 물체의 크기, 환경 조건(온도, 습도 등)에 영향을 받기 때문에 이러한 요인을 일정하게 유지한 상태에서 비교 검토를 해야 합니다.

전위차계의 기타 정보

1. 인체 전위 측정기에 대하여

전위차계 중에서도 특히 인체의 전위를 정확하게 측정하기 위한 장비가 인체전위 측정기입니다. 인체전위측정기를 사용하면 측정한 전위값을 바탕으로 작업자가 가지고 있는 전자기기의 충전이나 공구류의 방전 전류로 인해 전자기기가 파괴될 수 있는지 여부를 판단할 수 있습니다.

또한 인체전위 측정기를 통해 손목밴드, 정전기 매트, 정전기 신발 등의 정전기 대책이 인체의 전위를 어느 정도 감소시킬 수 있는지를 평가할 수 있습니다.

2. 산화환원전위계의 주의점

전위차계 중에서도 산화환원전위계의 경우, 전극의 염화칼륨이 침전되어 전극 끝부분의 구멍을 막게 되므로 전극 끝부분이 마르지 않도록 주의해야 한다. 물을 평균화하기 위해 전극으로 물을 저어주면서 측정합니다.

만약 산화환원전위계의 수치가 비정상적인 경우, 물때나 산화막 등의 부착이 원인일 가능성이 높습니다. 물때가 센서에 묻었을 때는 부드러운 솔 같은 것으로 끝부분을 가볍게 문질러서 수돗물로 씻어냅니다.

그래도 산화환원전위 수치가 비정상적으로 나오면 중성세제를 희석한 것을 부드러운 브러시 등에 묻혀서 세척하면 좋습니다. 산화막이 센서에 부착된 경우에는 감지극 연마제를 사용해야 합니다.

운송 중 흔들림으로 산소가 발생하기 때문에 구입한 지 얼마 되지 않은 제품도 산화막이 생길 수 있습니다. 또한 깨끗한 물을 측정하는 경우 산소량이 많기 때문에 산화막 형성에 주의해야 합니다.

UV 광원이란?

UV 광원이란 자외선(UV)을 조사하는 기구입니다.

시중에 판매되는 UV 광원 장치는 자외선을 발생시키는 광원부 외에 냉각장치와 자외선을 이용하기 쉽도록 렌즈를 통해 직선광으로 만드는 광학계가 세트로 되어 있는 것이 있습니다. 종류에 따라 발진되는 자외선이 다릅니다.

3종류의 광원이 있으며, 365nm(나노미터) 파장의 자외선을 발산하는 ‘고압 수은형’, 200~400nm의 자외선을 발산하는 ‘메탈할라이드형’, 254nm, 185nm의 파장을 발산하는 ‘저압 수은형 램프’로 구분됩니다. 조사할 수 있는 자외선의 종류는 기기의 기능에 큰 영향을 미치므로 목적에 맞는 자외선 광원을 선택해야 합니다.

고강도 자외선 광원은 장치 자체가 고온이 되기 때문에 냉각장치가 부착되어 있습니다. 사용 시에는 이취를 동반한 오존이 발생하거나 주변 유기물을 분해할 수 있으므로 취급에 주의해야 합니다.

UV 광원의 사용 용도

목적에 따라 다른 UV 광원을 사용합니다. 종류별 사용 용도는 다음과 같습니다.

1. 고압 수은형 램프

UV 수지, 도료의 경화에 많이 이용됩니다.

2. 금속할라이드형 램프

단파장의 자외선으로 경화되는 수지, 도료에 이용됩니다. 고압수은형에 비해 금속할라이드형 램프는 발진되는 자외선이 연속적인 파장이기 때문에 UV 수지, 도료의 경화 시 총 에너지가 강합니다.

3. 저압 수은형 램프

254nm의 단파장을 자외선 살균 등에 이용하고, 254nm/185nm의 다중 파장은 살균 외에도 물의 항산화 처리 및 UV 세척에 사용합니다. 또한 오존도 발생하기 때문에 실리콘 기판 등에 부착된 유기물 세정에도 사용할 수 있습니다. 단, 장시간 사용하면 산화막이 형성되기 때문에 주의가 필요합니다.

UV 광원의 원리

UV 광원은 기체 상태의 수은을 방전시켜 자외선을 방출하는 장치로, UV 광원은 양 끝에 전극이 달린 유리관에 수은(Hg)과 희가스를 봉입한 구조로 되어 있습니다.

전극에 흐르는 전류에 의해 내부에서 열에너지가 발생합니다. 이 열에너지에 의해 이미터(전자방출물질)가 전자를 방출하고, 전자는 전극 사이를 한 방향으로 이동합니다. 이 이동 중에 전자는 내부에 존재하는 Hg 분자와 충돌하고, Hg 분자는 그 충격으로 자외선을 방출하는 것입니다.

자외선은 유리를 통과할 때 도장된 형광물질에 접촉, 흡수되면서 파장이 변화하여 원하는 파장의 자외선으로 조사됩니다. 즉, 자외선의 파장을 결정하는 것은 유리의 재질과 유리에 도장된 형광물질의 차이입니다.

고압 Hg 램프와 메탈할라이드형 램프에는 석영유리가 사용되는 반면, 저압 Hg 램프에는 합성 석영유리가 사용됩니다. 또한, 저압 Hg 램프는 내부에 오존이 봉입되어 있는지 여부에 따라 파장을 더욱 변화시킬 수 있습니다.

UV 광원의 기타 정보

1. UV 광원의 LED화

일반 백열등이나 형광등은 10년 이상 전부터 LED로 교체가 진행되고 있습니다. 하지만 UV 광원은 앞서 언급했듯이 여전히 수은을 사용한 UV 광원이 일반적으로 널리 사용되고 있습니다.

UV 광원의 LED화를 가로막는 요인으로 수지의 경화나 잉크나 도료의 건조에 사용하기에는 출력이 낮고 작업 시간이 오래 걸린다는 점을 꼽을 수 있습니다. 하지만 각 LED 광원 제조사들의 노력으로 최근에는 고출력 LED (UV) 광원도 등장하고 있습니다.

일반 UV 광원을 LED 광원으로 교체하면 소비전력 감소로 전기료 절감 효과를 기대할 수 있고, 수명이 길고 전원 ON/OFF에 따른 열화도 적어 광원 교체 횟수가 줄어드는 등의 장점이 있습니다. 또한 UV 광원인 자외선 램프는 수은을 사용하기 때문에 인체와 환경에 악영향을 미치는 수은 사용량을 줄인다는 측면에서도 LED 광원화에 대한 장점은 매우 큽니다.

2. UV 광원으로 UV 경화되지 않는 원인

UV 광원의 활용 사례로 수지의 경화에 사용되는 경우가 있는데, 사용 상황이나 환경, 수지 재료의 조합에 따라 수지가 굳지 않는 경우가 있습니다. 주요 원인은 다음과 같습니다.

• 높은 습도
  재료 및 경화제의 조합에 따라 습도가 높은 경우에는 수지의 경화 속도가 현저하게 저하되는 경우입니다. 이러한 환경에서 작업이 필요한 경우에는 첨가제를 사용함으로써 개선될 수 있습니다.
• 파장이 맞지 않음
  재료나 경화제마다 경화를 위해 조사하는 최적의 UV 파장이 존재합니다. 재료나 경화제의 스펙을 확인하여 최적의 광원을 사용하고 있는지 확인하시기 바랍니다.
• 광원의 출력 부족
  LED 광원에서는 출력이 부족하여 부재의 깊숙한 곳까지 빛이 닿지 않아 경화가 이루어지지 않는 경우가 있습니다. 수은 램프와 같은 설정으로는 경화가 잘 되지 않을 수 있으므로 광원을 변경하는 등의 노력이 필요합니다.

산업용 저울이란?

산업용 저울은 농림수산업, 산업을 막론하고 제품 생산 및 개발 현장에서 사물의 무게를 측정하기 위한 계측기입니다.

산업용 저울은 화학물질 분석 등 실험실에서 사용하는 정밀 계량에 사용되는 전자저울이라는 제품부터 바닥에 매립되어 대형 트럭 한 대 분량을 측정하는 플로어 스케일이라고 불리는 타입까지 다양한 제품이 있습니다. 또한, 분말을 계량하는 방진 사양, 액체의 경량화를 위한 방수 사양, 폭발성 가스가 발생하는 등 위험 장소에서의 계량을 위한 방폭 사양 등 사용 용도나 측정 환경에 따라 다양한 제품이 있습니다.

산업용 저울의 사용 용도

산업용 저울은 다양한 산업에서 무게를 알기 위해 각각의 필요에 맞는 제품이 사용되고 있습니다. 구체적으로 화학 분야의 연구실에서의 연구개발 및 분석, 농림수산업, 공산품 생산 공장, 물류업계의 창고 등에서 사용되고 있습니다.

생산 및 물류업계에서는 제품의 수량을 파악하기 위한 수량계로 활용되고 있습니다. 예를 들어, 작은 나사 제품의 수량을 계산하기 위해 미리 100개 정도의 무게를 산업용 저울에 기억시켜 놓으면 저울에 올려놓기만 하면 제품의 수량을 알 수 있습니다.

이 외에도 액체나 분말의 자동 충진, 충진량 검사, 배치 처리를 위한 계량, 조제, 분주 등 일련의 자동화된 제조 공정에 산업용 저울이 내장되어 있습니다. 제약, 화장품, 화학, 식품 산업 등 산업용 저울이 사용되는 분야는 매우 다양합니다.

산업용 저울의 원리

일반적인 저울에는 후크의 법칙을 이용한 용수철 저울, 지렛대 원리를 이용한 저울 등이 있지만, 산업용 저울은 주로 전자기식, 로드셀식, 음차식 측정 원리가 사용됩니다.

1. 전자기식 산업용 저울

전자기식 산업용 저울의 내부 구조는 저울의 구조와 유사합니다. 시료가 막대 한쪽에 놓여 있고, 지점을 사이에 두고 막대 반대편에 전자기 코일이 배치되어 있습니다.

시료의 무게에 대해 평형을 유지하는 데 필요한 전자기력을 측정하고, 전자기력을 무게로 환산합니다. 전자기식에서는 높은 정밀도로 측정이 가능하며, 분석 저울 등 미량의 시료를 측정하는 저울에 적합한 방식입니다.

2. 로드셀식 산업용 저울

무게에 의해 왜곡이 발생하는 기왜곡체(기왜대)와 기왜곡체의 왜곡을 감지하는 왜곡 게이지로 구성된 계량기입니다. 기왜곡체의 한쪽은 고정되어 있고, 그 반대편에 시료를 올려놓습니다.

시료의 무게로 인해 발생하는 기수형체의 왜곡을 왜곡 게이지로 저항값으로 뽑아 무게로 환산합니다. 구조가 비교적 간단하고 가격이 저렴하다. 정확도 요구가 높지 않은 중량물 등의 측정에 적합한 방식입니다.

3. 음차식 산업용 저울

음차식 산업용 저울은 음차 두 개를 연결한 진동자에 시료의 하중을 가하여 변화하는 진동수를 측정하여 무게로 환산하는 방식입니다. 비교적 역사가 짧은 측정 원리이며, 측정 정확도는 전자기식과 로드셀식의 중간 정도입니다.

산업용 저울의 기타 정보

1. 대저울

계량대라는 받침대 모양의 평면 위에 고정된 물체를 올려놓고 무게를 측정하는 ‘계량기’를 총칭하여 ‘받침대 계량기’라고 부릅니다. 받침대 부분이 올려놓은 물건의 무게에 따라 가라앉아 그 양을 무게로 측정하는 구조로 되어 있습니다.

가정용 체중계, 주방용 저울, 상점용 저울, 프로판 가스의 양을 측정하는 저울, 바닥면이 계량대 구조로 되어 있어 대형 차량 등이 자력으로 올라갈 수 있는 ‘트럭 스케일’ 등 다양한 용도와 용량으로 다양한 제품이 있습니다.

또한 내부 구조도 용수철을 이용한 아날로그식 외에도 로드셀, 전자기식 등의 센서를 가지고 디지털 숫자로 표시하는 디지털식, 방수 구조나 방폭 구조 등 용도, 용량, 가격대에 따라 다양한 제품이 있습니다.

2. 계량대

질량을 측정하는 ‘저울’의 측정할 물건을 올려놓는 계량접시, 플랫폼 부분의 명칭입니다. 제조업체에 따라 ‘계량대’의 제품 명칭으로 계량대라고 부르기도 합니다.

3. 전자저울

전자저울은 주로 질량을 측정하는 ‘전자저울’을 말합니다. 저울 구조가 내장된 모델과 저울 구조가 없는 원블록 구조의 제품이 있습니다. 전자저울의 측정 방식은 전자기력 평형 방식, 로드셀 방식, 음차 진동 방식 등이 있습니다.

초기 전자저울은 전자기력 평형식이 주류를 이루었으나, 최근에는 스트레인 게이지식 로드셀을 사용한 제품이 널리 보급되고 있습니다. 측정 정확도는 전자기력 평형식이 로드셀식보다 높은 것이 일반적입니다.

레이저 현미경이란?

레이저 현미경은 광원에 레이저 빛을 주사하여 시료를 관찰할 수 있는 광학 현미경의 일종입니다.

일반적으로 공초점 광학계를 채택하여 공초점 레이저 현미경 또는 CLSM이라고도 합니다. 레이저 현미경은 공초점 광학계에 의해 비초점면의 빛을 배제할 수 있기 때문에 수평 방향인 XY 방향뿐만 아니라, 높이 방향인 Z 방향의 공간 해상도가 높습니다.

따라서 높이 방향으로 시차를 두고 현미경 이미지를 측정하여 3차원 이미지나 전초점 이미지를 얻을 수 있습니다.

레이저 현미경의 사용 용도

레이저 현미경은 빛을 이용한 측정이기 때문에 시료를 만질 필요가 없습니다. 따라서 산업 분야에서는 반도체, 전자부품 등 정밀기기의 3차원 형상 관찰, 표면 형상 관찰을 위해 사용되며, 생명과학 분야에서는 형광물질로 표지된 세포나 생체조직의 관찰에 활용되고 있습니다.

또한, 제조사에 따라 레이저 현미경의 측정 스테이지를 커스터마이징할 수 있기 때문에 대형 평판 디스플레이 등 대형 시료에 대한 측정도 가능합니다.

레이저 현미경의 원리

레이저 현미경 비교

그림 1. 레이저 현미경 비교

레이저 현미경은 렌즈와 거울과 같은 일반적인 현미경의 구성과 유사하지만, 레이저를 광원으로 사용하며 공초점 광학계로 설계되어 있습니다. 레이저 광은 방출되는 빛의 파장, 위상이 일치하며 단색성, 지향성, 직진성이 우수한 것이 특징입니다.

일반적인 빛은 위상과 파장이 제각각이기 때문에 광로가 정렬되지 않고, 시료에 조사되어 발생하는 반사광에는 산란광이 겹쳐져 깨끗한 이미지를 얻을 수 없습니다. 반면, 레이저 현미경은 렌즈의 투과, 시료의 반사를 거쳐 반사광이 집광되는 위치에 핀홀을 설치하여 산란광 등 불필요한 빛을 제거할 수 있습니다. 따라서 윤곽이 뚜렷하고 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.

또한, 레이저 현미경으로 2차원 이미지를 얻을 때는 스테이지를 움직이는 방식과 레이저 기구를 움직이는 방식이 있습니다. 각각의 특징은 다음과 같습니다.

• 스테이지를 움직이는 방식
  넓은 범위를 측정할 수 있지만, 스테이지의 크기에 한계가 있기 때문에 큰 샘플을 측정할 수 없습니다.
• 레이저 기구를 움직이는 방식
  다양한 크기의 시료를 측정할 수 있으며, 표면의 미세 구조를 측정할 수 있습니다.

레이저 현미경의 스캐닝 방법

그림 2. 레이저 현미경의 스캔 방법

레이저 현미경으로 스캔을 하는 방법은 다양합니다. 예를 들어 갈바노 미러에 의한 스캐닝은 기계적으로 미러를 움직이는 방식이지만, MEMS 스캐너나 레조넌트 스캐너 방식에 의해 고속화하기도 합니다.

스피닝 디스크 방식은 고속 측정에 대응하고 있으며, 다수의 마이크로 렌즈, 핀홀 어레이가 배열된 디스크에 레이저 광을 쏘아 시료에서 반사된 다수의 빛을 동시에 포착하는 방식입니다. 이 방법은 한 번에 많은 정보를 얻을 수 있지만, 어느 정도 확산되어도 충분한 강도를 가진 고출력 레이저가 필요합니다.

레이저 현미경의 기타 정보

1. 레이저 현미경과 전자현미경의 차이점

그림 3. 레이저 현미경과 전자 현미경의 차이점

고배율 현미경으로 레이저 현미경 외에 전자 현미경을 들 수 있는데, 이 두 장비의 원리는 동일하지 않습니다. 레이저 현미경은 빛을 이용하지만, 전자현미경은 전자를 이용하기 때문에 관찰 배율, 설비, 측정 기술이 크게 다릅니다.

전자는 파장으로 변환하면 가시광선에 비해 매우 짧기 때문에 전자현미경의 해상도가 매우 높아 주사형 전자현미경(SEM)은 수 나노미터의 구조까지 관찰할 수 있습니다. 반면 레이저 현미경은 파장보다 짧은 영역의 구조를 관찰할 수 없고, 해상도가 수백 나노미터에 불과합니다.

레이저 현미경과 전자 현미경은 장비가 크게 다르며, 전자 현미경은 전자선을 사용하기 때문에 진공 상태에서 측정해야 합니다. 또한, 절연성이 높은 물질을 전자현미경으로 측정할 경우, 전자선에 의해 표면에 전하가 축적되어 영상이 왜곡되는 등의 제약이 있어 시료 고유의 물성이 어떤 것인지에 대한 주의가 필요합니다.

또한, 측정 기술로서도 전자현미경은 표면 절삭과 관찰 조건의 최적화 등 숙련된 기술이 요구됩니다. 반면, 레이저 현미경은 전하가 축적되지 않고, 표면의 절삭도 정밀도가 요구되지 않기 때문에 전자현미경에 비해 범용적으로 사용할 수 있습니다.

2. 레이저 현미경으로 표면 거칠기 측정

공초점 레이저 현미경은 비접촉으로 시료 표면의 거칠기를 측정할 수 있습니다. 시료 표면의 거칠기를 측정하는 방법으로는 원자간력 현미경이 있지만, 공초점 레이저 현미경은 비접촉으로 측정할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 반면, 원자간력 현미경과는 해상도가 다르기 때문에 시료 표면의 거칠기에 따라 적절한 장비를 선택해야 합니다.