月: 2023年12月

이미지 센서란?

이미지 센서는 빛의 정보를 전기 신호로 바꾸는 부품입니다.

이미지 센서(영문: Image sensor)라고도 합니다. 디지털 카메라나 촬영 장비 등에 탑재되는 CCD(Charge Coupled Device, 전자결합소자)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보형 금속산화막 반도체)가 이에 해당합니다.

이미지 센서는 기계의 ‘눈’과 같은 역할을 한다. 카메라에 사용되는 이미지 센서의 화소 수는 이미지 센서의 총 개수를 의미합니다. 각 센서는 빛의 강도를 감지하고, 빛의 강도는 수치화되어 전기 신호로 처리됩니다.

이미지 센서의 사용 용도

이미지 센서는 주로 대량 생산되는 제품의 생산 라인에서 사용된다. 예를 들어 자동차 부품, 식품 및 의료품, 전자기기, 액정 및 반도체, 수지 제품 생산라인에서 유용하게 쓰입니다.

이미지 센서의 역할은 사람의 눈으로 육안 검사를 대체하는 시스템이 되는 것입니다. 예를 들어, 수량 계수나 결품 여부를 확인하는 유무 검사, 흠집이나 결함을 확인하는 외관 검사에 적용되고 있습니다.

또한, 첨단 이미지 분석 기술과 결합하여 문자 판별(OCR: Optical Character Recognition)과 3차원 측정이 가능해졌습니다. 이미지 센서는 자동차의 자율주행 시스템에도 사용되고 있으며, 앞으로도 필수적인 장치입니다.

이미지 센서의 원리

이미지 센서의 핵심은 수광소자(포토다이오드)입니다. 이 반도체는 빛의 강약을 감지해 전하로 저장할 수 있습니다. 수광 소자에 빛이 닿으면 빛의 세기에 비례하는 양의 전자가 발생합니다.

반도체의 성질을 이용해 전자를 축적시키고 그 양을 수치화하는 것이 이미지 센서의 기본 원리입니다. 이미지 센서에서는 수광 소자에 축적된 전자를 어떻게 신호화하느냐에 따라 다양한 원리의 장치가 존재합니다. 대표적인 장치는 CCD와 CMOS입니다.

CCD는 CCD 전송로를 통해 전하를 전기 신호로 변환합니다. 이 전송로에서는 버킷 릴레이처럼 소자에서 소자로 전하가 이동하는데, CMOS는 수광소자 하나하나에 증폭회로(앰프)가 내장되어 있어 여러 개의 수광소자를 거치지 않고도 전하를 전송할 수 있습니다.

CMOS는 하나의 장치로 구동하기 때문에 전력 소모가 적고 처리 속도가 빠르다는 장점이 있습니다. 또한, CCD보다 제조비용이 저렴하다는 점도 주목받고 있습니다.

이미지 센서의 기타 정보

1. 이미지 센서의 크기

이미지 센서에는 여러 가지 크기가 있습니다. 일반적으로 센서의 크기가 커질수록 화질이 좋아집니다. 그 이유는 센서의 크기가 클수록 더 많은 빛을 집광할 수 있기 때문입니다.

찍을 수 있는 빛의 범위, 즉 다이나믹 레인지가 넓어짐에 따라 흰떨림이나 검은색 뭉개짐이 적은 이미지를 촬영할 수 있습니다. 또한, 같은 화소수의 이미지 센서라도 크기가 클수록 화질이 좋아지는 것은 1픽셀(1픽셀)당 수광 면적이 넓기 때문에 노이즈 저감 효과도 있기 때문입니다.

2. 이미지 센서에서 조명의 역할

FA용 이미지 센서를 보간하는 장비로 조명이 있습니다. 이미지 센서가 외란광의 영향을 받지 않고 안정적으로 공작물을 검출하기 위해서는 조명이 필요합니다. 조명의 대표적인 방식은 다음과 같은 세 가지가 있습니다.

• 정반사 방식
  워크의 비스듬히 위에서 조명을 비스듬히 조사하여 워크의 표면에서 반사된 상을 촬영하는 방식입니다. 금속판에 요철이 있는 공작물 등에서 평면 부분과 요철 부분의 대비를 쉽게 파악할 수 있습니다.
• 투과 방식
  워크의 뒤쪽에서 조사하여 표면의 상이 떠오르게 하여 촬영하는 방식입니다. 복잡한 형상의 워크의 윤곽을 보다 정확하게 촬영할 수 있습니다.
• 동축낙사 방식
  워크에 조사하는 조명 광축과 카메라의 광축을 동축으로 하는 방식입니다. 워크 전체를 균일하게 조사할 수 있고, 그림자 발생을 줄일 수 있습니다.

3. 이미지 센서의 가격

이미지 센서의 가격은 ‘시야’와 ‘정밀도’에 따라 결정됩니다.

• 시야
  일반적으로 이미지 센서는 픽셀 수가 클수록 더 미세한 것을 감지할 수 있습니다. 화소수가 커지면 센서의 크기도 커져 가격이 올라갑니다.

  또한, 데이터 전송에 시간이 걸리기 때문에 처리 시간도 길어지는 경향이 있습니다. 운영할 시스템의 택트에 맞는 센서를 선정하는 것이 중요합니다.

• 정확도
  고화소 이미지 센서일수록 정확도가 높습니다. 또한, 감지하는 물체에 따라 흑백 센서, 컬러 센서가 필요한데, 컬러 카메라가 더 비쌉니다.

저항계란?

저항계는 전기 회로의 저항값을 측정하기 위한 계측기입니다.

전자공학이나 전기 작업에서 없어서는 안 될 측정 기구 중 하나이며, 다양한 정밀도와 범위의 제품이 존재한다. 옴미터(영어: ohmmeter)라고도 합니다. 옴의 법칙을 이용하여 저항값을 측정하기 때문입니다.

일반적인 저항계 외에도 여러 종류가 있는데, mΩ 이하의 저항값에 특화된 것을 저저항계(밀리옴미터), 절연체의 저항값을 조사하는 것을 절연저항계, 접지된 도체와 대지 사이의 저항값을 측정하는 것을 접지저항계라고 합니다. 회로 등의 저항값을 조사할 때 간이 테스터를 사용하기도 하지만, 개발이나 제조 현장에서는 정밀도가 높은 저항계가 요구됩니다.

저항계의 사용 용도

저항계는 전기 회로의 저항값을 측정하는 데 사용되는 계측 기구입니다. 다음은 저항계의 사용 용도의 일례입니다.

1. 고장 부위 파악

전기회로의 고장 부위 파악에 도움이 됩니다. 전기회로의 각 부분의 저항값을 측정하여 정상 범위에서 벗어난 부분을 파악할 수 있습니다. 이처럼 전기회로의 유지보수 및 보안에 필수적인 측정 기기입니다.

2. 회로 설계 및 전기기기 개발

회로 설계에도 사용됩니다. 회로를 설계할 때 소자의 정확한 저항값 측정이 필요합니다. 저항계 중에는 기본 정밀도 0.02%, 분해능 1µΩ과 같은 고정밀 제품도 존재하며, 이러한 저항계를 이용하여 전자기기 설계 및 제조, 품질관리 등을 수행합니다.

또한, 전기기기 개발에도 중요한 역할을 합니다. 제품으로서의 전기기기 역시 정확한 저항값이 필요하며, 저항계로 전기기기 내부의 저항값을 측정하여 개발합니다.

3. 연구개발 및 교육

기초소재 연구개발 분야에서도 사용됩니다. 저항계를 사용하여 재료와 회로의 특성을 조사합니다. 교육용으로도 사용되는데, 전기공학이나 전자공학을 배울 때 저항계를 사용하여 회로를 측정합니다. 이를 통해 학생들은 회로의 특성과 저항값을 측정하는 방법을 이해하게 됩니다.

저항계의 원리

저항계는 옴의 법칙을 사용하여 저항을 측정합니다. 옴의 법칙은 전류와 전압의 비율인 저항값이 일정하다는 것을 나타내는 법칙입니다. 이 법칙을 통해 회로의 저항 값을 구할 수 있습니다.

저항계 내부에는 전원 공급 장치와 측정 회로가 내장되어 있습니다. 측정용 전원은 일반적으로 배터리나 AC 어댑터에서 공급됩니다. 또한 측정 회로에는 측정 대상의 회로 전류를 감지하는 암페어미터와 회로의 전압을 측정하는 볼트미터가 내장되어 있습니다.

대부분의 정밀 저항계는 접촉식 4탐침 방식으로 측정하는데, 4개 중 2개는 대상에 일정한 전류를 흐르게 하고 나머지 2개는 볼트미터로 전압을 측정합니다. 일정한 전류가 흐를 때 발생하는 전압을 측정함으로써 옴의 법칙에 따라 저항값을 구할 수 있습니다.

간이 테스터에서는 가격이 저렴하고 구조가 간단한 2단자 방식을 사용하며, 4단자 방식은 측정 리드의 저항이나 접촉 저항의 영향을 받지 않기 때문에 2단자 방식에 비해 정확한 저항값을 측정할 수 있습니다.

저항계의 종류

저항계는 용도 등에 따라 다양한 종류가 판매되고 있습니다. 다음은 저항계의 종류 중 일부입니다.

1. 아날로그식 저항계

아날로그식 저항계는 아날로그 바늘로 저항값을 표시하는 저항계입니다. 회로에 흐르는 전류에 따라 바늘이 진동하여 저항값을 나타낸다. 비교적 저렴한 것이 특징이지만, 측정 대상 회로의 저항 범위에 따라 적절한 범위를 선택해 사용해야 합니다.

2. 디지털 저항계

디지털식 저항계는 7개의 세그먼트 표시로 저항값을 표시하는 저항계입니다. 고정밀 측정이 가능하며, 범위 자동 전환 기능이 있는 경우가 많다. 전압 측정 기능이나 전류 측정 기능을 가진 테스터 등도 디지털 저항계의 일부입니다.

3. 클램프식 저항계

클램프를 끼워 회로 주변에 자기장을 발생시켜 저항값을 측정하는 저항계입니다. 측정 대상 회로에 접촉하지 않고 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 접지 저항계로 많이 사용됩니다.

4. 절연 저항계

절연 상태를 진단하기 위한 저항계입니다. 한쪽 단자를 접지하고 고전압을 인가하여 누설되는 전류를 측정하여 절연 저항을 측정합니다. 계통의 전압에 맞춰 DC1,000V 정도의 고전압을 인가할 수 있는 절연저항계도 판매되고 있습니다. 생산 현장의 유지보수에 널리 사용되는 저항계입니다.

피에조 드라이버란?

피에조 드라이버(영어: Piezo driver)는 피에조 소자를 안정적으로 동작시키고 제어하기 위한 전원 및 제어 장치를 말합니다.

피에조 소자는 압전 효과, 역압전 효과를 이용하여 기계적 변위를 전압 값으로 변환하는 기능이나 인가된 전압을 기계적 동작으로 변환하는 장치로 압전 소자라고도 합니다. 특히 역학적 동작으로 변환할 경우, 서브마이크론 단위의 매우 미세한 제어를 고속으로 수행할 수 있습니다.

피에조 드라이버는 이러한 피에조 소자에 의한 정밀한 동작을 제어할 때 전원 및 제어 장치로서의 역할을 담당하고 있습니다.

피에조 드라이버의 사용 용도

피에조 드라이버는 미세한 위치 정렬이 필수적인 현미경이나 정밀 가공용 공작기계 등 미세한 동작 제어가 필요한 곳에 널리 사용되고 있습니다. 광학 현미경의 경우, X-Y 스테이지와 대물렌즈의 구동에서 피에조 드라이버를 활용하면 정확한 위치 결정을 고속으로 수행할 수 있습니다.

예를 들어, 살아있는 세포 내의 역동적인 현상을 고속 3차원 영상으로 촬영하는 경우와 같은 용도에 매우 적합합니다. 선반 등 공작기계에서도 서브마이크론 단위의 고정밀도가 요구되는 정밀한 작업을 할 때 피에조 드라이버가 많이 활용되고 있습니다.

피에조 소자를 사용한 액추에이터 장치의 성능을 충분히 발휘하기 위해서는 그 동작 제어를 담당하는 피에조 드라이버의 성능이 중요합니다.

피에조 드라이버의 원리

피에조 드라이버의 원리는 피에조 소자의 구동용 전원과 (압전 효과, 역압전 효과를 활용하기 위한) 미세한 전위를 정밀하게 다루는 제어 회로 기능을 가지고 있다는 점에 있습니다. 피에조 소자 자체는 커패시터로서의 성질을 가지고 있으며, 커패시터의 충전과 방전에 따라 이를 구동하는 전원부(피에조 드라이버 측)에는 출력 전류를 흡입 및 토출할 수 있는 증폭기형 전원으로서의 특성이 필요합니다.

피에조 소자는 극히 미세한 전압 변화에도 반응합니다. 만약 입력이 없는 정상 상태에서 회로 내의 전압 변화를 감지하면 아무것도 하지 않았는데도 피에조 소자가 구동되는 불량이 발생하므로 노이즈 성분에 주의해야 합니다.

피에조 드라이버의 전압 공급은 충분히 안정적이어야 합니다. 전원으로서의 안정성을 확보하기 위해 션트 레귤레이터 등을 내장하여 피에조 소자에 가해지는 전압을 모니터링하고 항상 피드백을 주고 있습니다.

이렇게 오동작이나 드리프트 노이즈를 최소화함으로써 피에조 소자의 정전 용량을 채우기에 충분한 전류를 안정적으로 공급하고, 입력으로 입력되는 제어 전압의 급격한 상승에 대해 단 몇 마이크로초 만에 구동을 완료할 수 있습니다.

피에조 드라이버의 기타 정보

1. PWM 제어형 피에조 드라이버

최근 SDGs로 대표되는 에너지 절감 추세에 따라 오디오 앰프가 PWM(Pulse Width Modulation: 펄스폭 변조) 제어를 활용하여 고효율화를 꾀하고 있는 상황에서 피에조 드라이버에도 PWM 제어형 앰프를 적용하는 업체들이 등장하고 있습니다.

전용 오디오 앰프와 달리 피에조 소자에 적합한 독자적인 저전류 고전압 타입의 PWM 제어형 앰프 개발로 소형 고효율의 피에조 드라이버가 제품화되고 있는 상황입니다.

2. 이어폰 및 스피커에 적용

압전소자 자체는 이전부터 음향 분야에서 사용되어 왔으나, 압전 스피커 등의 사용에 머물러 있었다. 하지만 최근 고음질 재생용 등 고급 이어폰에는 피에조 드라이버가 채용되고 있습니다. 피에조 드라이버에 전압을 가하면 피에조 소자는 압력을 발생시킵니다. 이 특성을 이용해 음악 신호를 전압으로 피에조 드라이버에 가하면 그에 따라 진동판이 진동합니다. 즉, 전압이 음성으로 변환되는 것입니다.

피에조 드라이버를 이어폰에 사용하는 장점은 다이나믹형처럼 코일로 음악 신호를 자력으로 변환하여 진동판을 진동시키는 신호 변환 과정이 없다는 점입니다. 또한 피에조 드라이버가 직접 진동판을 진동시키기 때문에 매우 빠른 속도로 작동하기 때문에 초고역 재생 능력이 매우 뛰어납니다. 따라서 고해상도 음원의 풍부한 초고역 정보를 재현하는 데 적합합니다.

다만, 피에조 드라이버를 채용한 이어폰은 그 성능을 살리기 위해 다른 중저음용 드라이버 등도 고급스러운 것을 채용하고 있어 제품 가격이 비쌉니다. 피에조 드라이버 스피커의 구조도 피에조 드라이버 이어폰과 거의 비슷합니다. 하지만 한 업체에서 출시한 피에조 스피커는 매우 얇고 유연한 구조로 다양한 물체를 진동시켜 소리를 낼 수 있습니다.

또한 기존 압전 스피커보다 넓은 음역대, 특히 취약했던 저음역대의 출력이 강화되어 있다. 최근 액정 TV는 매우 얇아져 기존 스피커를 탑재할 수 없는 경우가 많아지고 있습니다. 이러한 박형 TV에 위와 같은 필름형 박형 피에조 드라이버 스피커는 적합하며, 앞으로도 더욱 고음질화가 기대되는 상황입니다.

션트 레귤레이터란?

션트 레귤레이터(Shunt regulator)는 회로의 입력 전압을 모니터링하여 출력 전압을 일정하게 유지하도록 피드백을 주는 집적회로(IC)입니다.

일반적으로 집적회로 내 전압은 온도 변화, 부품의 개체 차이 등 다양한 요인에 의해 편차나 변동이 발생합니다. 반면 션트 레귤레이터는 높은 정밀도로 전압을 제어할 수 있어 기준 전압원으로 많이 사용되기 때문에 기준 전압 집적회로라고도 합니다.

선형 레귤레이터나 스위칭 레귤레이터와 같은 전압을 안정화시키는 회로에 비해 높은 정밀도로 전압을 제어할 수 있는 것이 특징입니다.

션트 레귤레이터의 사용 용도

션트 레귤레이터는 전자기기의 고정밀 제어에 따라 AD/DA 컨버터, DSP의 Ref용 기준 전압원 등 고정밀 기준전원이 필요한 용도에 널리 사용되고 있습니다.

션트 레귤레이터는 고정밀 전압 제어가 가능하지만, 부하와 병렬로 정전압화 기능을 수행하기 때문에 효율이 매우 낮으며, 특히 고전류 하에서 동작할 때 효율이 매우 낮습니다. 따라서 그 낮은 효율을 무시할 수 있는 저전류 부하 조건에서 기준 전압원으로 사용되며, 그 후단에 고전류의 다른 레귤레이터를 직렬로 연결하여 구동할 목적으로도 사용됩니다.

예를 들어, 비교기와 같이 두 개의 전압을 비교하는 논리 회로의 경우, 비교 대상으로 기준 전압을 사용합니다. 만약 기준 전압의 드리프트가 발생하면 의도한 회로 동작 자체가 붕괴될 수 있기 때문에 기준 전압 값은 최대한의 안정성을 가져야 합니다.

션트 레귤레이터의 원리

그림 1. 션트 레귤레이터의 원리

션트 레귤레이터의 동작 원리는 그 구성요소인 부하와 병렬로 연결된 오차 증폭기(오류 증폭기)와 트랜지스터를 통해 입력 전압의 변동을 보정하고 부하 전류를 일정하게 유지하는 역할을 함으로써 고정밀도의 전압값을 얻을 수 있다는 점에 있습니다.

일반적인 션트 레귤레이터는 내부 기준 전압 단자, 오차 증폭기, 트랜지스터로 구성되어 있으며, 회로 내 부하에 대해 병렬로 연결됩니다. 입력 전압이 상승하면 이에 따라 출력 전압도 함께 상승하려고 합니다. 하지만 오차 증폭기가 이를 감지하여 트랜지스터에 흐르는 전류를 증가시킴으로써 부하에 흐르는 전류가 감소하여 출력 전압의 상승을 억제하는 구조입니다.

가장 간단한 션트 레귤레이터의 예는 제너 다이오드 레귤레이터입니다. 제너 다이오드는 일반 다이오드와 달리 역방향으로 전압을 가하면 일정한 임계치를 넘어서면 큰 전류가 흐르기 시작하는 특성을 가지고 있다. 이때의 전압 임계값을 제너 전압이라고 합니다. 흐르는 전류의 크고 작음에 상관없이 일정한 값이 되며, 제너 전압은 PN 접합부에 불순물을 첨가하여 정확하게 설계할 수 있습니다.

이 다이오드의 특성을 잘 활용한 션트 레귤레이터는 다이오드만으로 정전압을 얻을 수 있기 때문에 회로의 단순화 및 비용 절감으로 이어집니다. 그러나 온도 변동이 크기 때문에 온도 특성을 중시하는 경우에는 오차 증폭기나 트랜지스터로 구성된 션트 레귤레이터를 이용해야 합니다.

션트 레귤레이터의 기타 정보

1. 시리즈 레귤레이터와 션트 레귤레이터의 차이점

리니어 레귤레이터는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 만드는 DCDC 컨버터인데, 그 종류는 시리즈 레귤레이터와 션트 레귤레이터의 두 가지 방식으로 분류할 수 있습니다.

션트 레귤레이터는 전압 강하 발생용 저항을 이용한 DCDC 컨버터로 부하에 대한 제어를 하는 제어소자가 병렬로 들어가는 방식이며, 병렬 제어형이라고도 합니다. 이에 반해 직렬 레귤레이터는 부하에 대해 제어 소자가 직렬로 들어가는 방식이며 직렬 제어형이라고도 합니다.

션트 레귤레이터는 직렬 레귤레이터와 달리 설정된 전류를 계속 흐르게 하는 것이 특징이다. 무효전력이 커지기 쉬우므로 큰 전류의 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

2. 3단자 레귤레이터와 LDO

션트 레귤레이터와 달리 대전류용으로도 사용되는 직렬 레귤레이터는 삼단자 레귤레이터와 LDO(Low Dropout Regulator)로 구분할 수 있습니다. 3단자 레귤레이터는 입력, 출력, GND의 세 단자로 디바이스가 구성되어 있습니다. 일반적으로 직류 전원 회로에는 효율이 좋아 스위칭 레귤레이터가 사용되지만, 3단자 레귤레이터는 노이즈가 적고 외부 부품이 적으며 가격이 저렴하기 때문에 애플리케이션 용도에 따라 사용되는 경우도 있습니다.

LDO는 입출력의 전위차가 작아도 동작이 가능한 직렬 레귤레이터로, 범용 직렬 레귤레이터에 비해 전력 손실이 적다는 장점이 있습니다. 그러나 동작상 입력 전압값의 제한이나 부하 조건 등 사용상의 주의 사항도 있으므로 사양 확인이 중요합니다.

SAW 필터란?

SAW 필터는 특정 주파수를 가진 전기 신호를 선택적으로 추출할 수 있는 필터입니다.

표면 탄성파 필터를 의미하는 ‘Surface Acoustic Wave Filter’의 머리글자를 따온 것입니다. 압전소자를 통해 전달되는 표면파를 이용하여 기계적 진동을 필터링함으로써 가파른 주파수 의존 특성을 만들어 특정 주파수 성분을 통과시키거나 차단할 수 있습니다. 표면파는 매체의 표면을 통과하는 파동으로, 표면에서 내부로 갈수록 급격히 진폭이 감쇠하는 것이 특징입니다.

SAW 필터는 전기신호를 입력하면 압전소자에 의해 기계적 진동으로 변환되어 특정 진동수만 선별하여 다시 전기신호로 되돌려 출력합니다.

SAW 필터의 사용 용도

SAW 필터는 손실이 적고 컷오프 특성이 우수하여 스마트폰 등 휴대용 단말기, TV 튜너, 무선랜 등 무선통신기기에서 송신(Tx) 수신(Rx) 전환용 필터인 듀플렉서(Duplexer) 용도 등에 매우 많이 사용되고 있습니다.

가파른 공진 특성을 활용하여 불필요한 주파수 대역의 노이즈를 줄이는 목적으로 사용되어 휴대폰 통화 시 음질 향상 등에 기여하고 있으며, SAW 필터는 저비용으로 소형화, 박형화가 용이하여 휴대단말기의 고기능화에 없어서는 안 될 필수 요소입니다.

또한, 휴대단말기에서 사용하는 통신 주파수의 단말기 당 대역수도 해마다 증가하고 있기 때문에 SAW 필터를 이용한 주파수 대역(Band) 선별은 무선통신 기술의 핵심이라고 할 수 있습니다.

SAW 필터의 원리

SAW 필터는 탄탈륨 탄탈레이트 등의 압전 기판 위에 형성된 빗살형 전극에서 탄성 표면파가 있는 진동 모드를 공진기로 활용함으로써 필요한 주파수 성분 이외의 신호를 가파르게 필터링하여 감쇠시키는 전기적 필터 특성을 가지고 있습니다.

실제 SAW 필터는 압전 기판 위에 전극을 빗살 모양으로 배치한 구조를 가지고 있습니다. 여기에 구동용 전극을 가지고 있으며, 입력된 고주파 전기 신호에 의해 전압이 발생하면 빗살 모양으로 배열된 전극들 사이의 간격에 따라 진동이 발생하는 구조입니다.

이 진동은 여러 개의 빗살형 전극에 의해 공진을 일으키기 때문에 점점 증폭됩니다. 이 때의 진동이 표면파가 되어 최종적으로 검출용 전극으로 전파된다. 여기서 기계적 진동을 다시 전기적 신호로 변환하여 필터 기능을 갖는 장치가 됩니다.

얼마나 많은 주파수를 투과시키는지 등을 나타내는 필터 특성은 압전체의 물성값과 전극 구조에 따라 달라집니다. 표면파의 전파 속도는 재료마다 다르기 때문에 어떤 압전소재를 사용하느냐에 따라 필터의 성능이 크게 좌우됩니다.

SAW 필터의 기타 정보

1. SAW 필터의 시장

최근 스마트폰에서는 계속 증가하는 통신 전송 용량에 대응하기 위해 변조 대역폭을 확대하기 위한 다양한 방식도 있지만, CA(Carrier Aggregation)나 MIMO라고 불리는 다중 대역화 대응이 점점 더 두드러지게 나타나고 있습니다. 그 중에서도 4G(LTE)나 5G로 대표되는 FDD 변조 방식은 시분할 다중화인 TDD 방식과 달리 송신과 수신을 동시에 수행합니다.

따라서 Tx(송신) Rx(수신) 주파수 구분에 필수적인 필터는 그 탑재량이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 하이엔드 기종의 경우, 그 단말기는 글로벌하게 세계 각지에서 사용 가능해야 하기 때문에 모듈화를 통한 소형화 요구가 두드러집니다.

하나의 통신 모듈에 여러 대역 대응 필터가 탑재되고, 그 통신 모듈이 주파수 카테고리별로 여러 개가 탑재되면서 SAW 필터의 시장(시장)은 계속 확대되고 있습니다. 로우엔드 모델에서는 모듈화가 아닌 디스크리트 제품을 단말기에 탑재하는 경우도 많지만, 여기에서도 주파수 확대의 물결은 계속되고 있으며, 수량, 매출 규모 모두 증가 추세입니다.

SAW 필터는 취급하는 업체도 매우 많으며, 일본계 전자부품 업체들이 그 존재감을 드러내고 있습니다.

2. BAW 필터와의 차이점

SAW 필터는 압전체 기판 위의 탄성 표면파를 활용하는 필터 소자이지만, BAW 필터는 이와는 다른 원리를 가지고 있으며, BAW 필터에는 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)형과 SMR(Solid Mounted Resonator)형이 있습니다. 

FBAR은 공진기 하단에 공동(캐비티)을 만들어 압전막을 자유롭게 진동시키는 구조입니다. 또 다른 SMR은 음향 다층막을 공진기 아래에 설치하여 탄성파를 반사시키는 구성을 취하고 있습니다.

SAW 필터는 비용면에서 매우 우수하여 600MHz 대역부터 2GHz 부근의 주로 Low Band라고 불리는 주파수 대역에서 널리 사용되는 필터입니다. 반면 BAW 필터는 공정이 복잡하고 비용도 높은 편이지만, SAW 필터에 비해 높은 Q와 가파른 필터 특성을 얻기 쉽다는 장점을 가지고 있으며, 일부 1,800MHz 대역의 미국향 Band와 2GHz 이상의 높은 주파수 영역에서 주로 사용되고 있습니다.

또한, SAW 필터에는 온도 특성을 제어 보상하는 TC-SAW 필터라는 필터가 있으며, 저비용과 더불어 온도 제어를 통한 주파수 관리가 필요한 애플리케이션에 사용되고 있습니다.

3. SAW 필터와 5G

5G 시장에서는 UHB(Ultra High Band)나 Sub6GHz와 같은 3~6GHz 대역의 대응이 많은데, 이 시장에서는 WiFi와의 공존 및 높은 주파수에서의 손실 증가에 대한 보상을 위해 보다 가파른 높은 Q값의 필터 특성이 요구되기 때문에 BAW 필터의 존재감이 큽니다. 특히 미국 업체(Broadcom, Qorvo)가 BAW 필터의 점유율을 차지하고 있는 상황입니다.

DRAM이란?

DRAM은 반도체 소자를 이용한 휘발성 저장장치(메모리)의 일종입니다.

Dynamic Random Access Memory의 약자로 주로 컴퓨터에 탑재됩니다. 내부 회로가 전하를 저장하는 콘덴서와 FET(전계효과 트랜지스터)를 갖는 매우 단순한 구조로 FET의 반도체 공정 미세화에 따른 대규모 집적화에 적합하지만, SRAM 등 다른 저장 매체에 비해 저장 용량 단가가 낮은 것이 특징입니다.

DRAM의 사용 용도

DRAM의 주요 사용 용도는 컴퓨터입니다. 기억 부분이 콘덴서와 FET(전계효과 트랜지스터)를 사용한 간단한 구조로 되어 있고, 저장용량 대비 단가가 저렴하게 제조할 수 있어 저렴하고 대용량의 메모리가 필요한 컴퓨터나 산업기계의 제어장치 등에 사용되고 있습니다.

DRAM은 콘덴서의 축적된 전하로 정보를 저장하는 구조상 전하를 유지하기 위해 끊임없이 정보를 쓰고 읽는 리프레시 작업을 하기 때문에 소비전력이 커서 스마트폰이나 휴대단말기 등 소형 장치에는 잘 사용되지 않습니다.

DRAM의 원리

DRAM의 원리는 내부 회로의 콘덴서의 축적 전하가 있으면 1, 없으면 0이라는 2진수로 방대한 데이터를 저장 매체로 취급하며, DRAM은 그 내부에 다량으로 존재하는 메모리 셀이라고 불리는 FET와 콘덴서 한 쌍의 회로로 구성됩니다.

데이터를 기록할 때는 콘덴서에 FET를 통해 전하를 축적시켜 전압이 높아진 부분을 1, 축적되지 않은 부분을 0으로 설정합니다. 데이터를 읽을 때는 해당 부분의 전하를 해제하고, 쓰기와 반대의 동작으로 커패시터에 축적된 전하 상태에서 0과 1을 구분합니다. 이를 무수히 반복하여 디지털 데이터를 저장하고 표현하는 구조입니다.

이러한 구조에서 알 수 있듯이 D램은 커패시터에 전하를 축적하기 위해서는 전압을 인가해야 하기 때문에 전기가 흐르는 동안만 정보를 유지할 수 있습니다. 이 때문에 D램은 휘발성 메모리로 분류됩니다.

DRAM의 기타 정보

1. DRAM과 SRAM의 차이점

일반적으로 컴퓨터의 메모리 용량을 늘리고 싶을 때 비교하는 것은 DRAM과 SRAM이다.

각각 특징이 있으며, 저장 성능은 SRAM이 더 우수합니다. 가장 큰 차이점은 저장 방식이 동적인지 정적인지 여부로, DRAM은 끊임없이 정보를 읽고 쓰는 반면, SRAM은 그 반대입니다. 빠른 읽기/쓰기 속도와 저전력 소비가 장점이지만, 내부 회로가 복잡해 대규모 집적화가 어렵다는 단점이 있습니다. 작고 저렴한 대용량의 메모리가 필요한 경우, DRAM에서 적절한 크기의 메모리를 선택하는 것이 중요합니다.

2. D램과 플래시 메모리의 차이점

DRAM과 유사한 기능을 가진 반도체 제품으로는 플래시 메모리를 들 수 있습니다. 양자는 그 특성으로 인해 컴퓨터에서 서로 다른 역할을 수행합니다.

DRAM은 전원을 공급하지 않으면 휘발되는 특성이 있지만, 처리 속도가 빠르기 때문에 컴퓨터의 주 기억 장치로 연산 처리에 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 용도로 사용됩니다. 반면 플래시 메모리는 비휘발성이라는 특성으로 데이터를 유지하기 위해 지속적으로 전하를 공급할 필요가 없기 때문에 주로 데이터를 장기적으로 저장하는 용도로 사용됩니다.

플래시 메모리와 DRAM의 데이터 읽기/쓰기 속도를 비교하면 DRAM이 더 빠르지만, 그만큼 DRAM의 가격이 더 비쌉니다. 플래시 메모리는 데이터 장기 저장 용도로 사용되는 자기 테이프나 HDD에 비해 데이터 읽기/쓰기 속도가 빠르며, 최근에는 가격도 하락하는 추세여서 최근에는 SSD나 USB 메모리 등의 저장용 제품으로 사용되고 있습니다.

3. DRAM의 리프레시 동작에 대하여

DRAM은 지속적으로 전원을 공급하지 않으면 기억이 사라지는 휘발성 장치이기 때문에 주기적으로 전하를 보충해 주어야 합니다. 이 전하를 보충하는 동작을 리프레시 동작이라고 합니다. 이 간격을 ‘리프레시 사이클’이라고 합니다. 보통 15마이크로초~60마이크로초 정도의 간격으로 리프레쉬가 이루어집니다.

리프레시 동작 중에는 메모리에 접근할 수 없기 때문에 가능한 한 짧은 시간 내에 리프레시 동작을 해야 합니다. 리프레시 동작을 짧은 시간에 할 수 있는 메모리가 더 고성능이라고 할 수 있습니다.

4. DRAM의 저장 용량 추이

일본 업체들이 주력이었던 1990년대, DRAM은 1M비트에서 4M비트까지 매 세대마다 4배씩 저장 용량을 늘려왔습니다. 하지만 2000년대 들어서는 1G비트에서 2G비트 정도로 증가폭이 둔화되었고, 2020년대 들어서는 16G비트보다 적은 양으로 증가세를 이어가고 있습니다.

D램의 저장 용량 증가 추세에 기여하는 것은 반도체 FET의 미세화 공정 기술이다. 반도체 공정의 최첨단 공정 노드는 수 nm까지 진화하고 있으며, 세계 유수의 기업 및 연구기관에서 활발한 개발 경쟁을 벌이고 있습니다.

퓨즈 홀더란?

퓨즈 홀더는 전기 회로에 퓨즈를 장착하기 위한 기구입니다.

고정용 걸쇠와 전기 회로와의 연결용 단자로 구성됩니다. 퓨즈를 쉽게 교체할 수 있도록 설계되었습니다.

퓨즈는 과전류로 인한 기기의 고장을 방지하는 데 활용됩니다. 퓨즈 재질과 배합 상태에 따라 적합성이 있으며, 상황에 따라 선택합니다.

퓨즈 홀더의 사용 용도

퓨즈 홀더는 전기 회로의 보호 기능을 향상시키기 위해 널리 사용됩니다. 다음은 퓨즈 홀더의 사용 용도의 일례입니다.

• TV 등 가전제품
• 가정용 또는 산업용 조명기구
• 자동차용 오디오 및 ETC용 차량용 장치

가전제품에는 퓨즈 홀더를 사용하는 제품도 많은데, 이상 발생 시 퓨즈가 끊어져 전기 회로를 보호함으로써 안전성을 확보할 수 있습니다. 차량용 제품에도 퓨즈 홀더가 널리 사용되어 차량의 전기 회로를 보호하며, LED 조명이나 고정밀 전자 기판에도 많이 사용됩니다.

퓨즈 홀더의 원리

퓨즈 홀더의 원리는 퓨즈의 원리와 밀접한 관련이 있습니다. 퓨즈는 정상 상태에서는 회로에 전원을 공급하기 위해 저저항 상태입니다. 그러나 전류가 비정상적으로 높아지면 퓨즈의 열팽창으로 인해 퓨즈가 끊어져 회로를 차단할 수 있습니다.

퓨즈 홀더는 이 퓨즈를 회로에 고정하기 위한 기구입니다. 퓨즈를 고정하는 걸쇠와 전기 회로 연결용 단자가 있습니다.

회로에 연결된 퓨즈 홀더 안에 퓨즈를 꽂아 사용합니다. 퓨즈 홀더는 다양한 라인업이 있으며, 퓨즈의 크기에 따라 크기를 선택합니다.

퓨즈 홀더의 종류

퓨즈 홀더는 용도에 따라 다양한 종류가 있습니다. 다음은 퓨즈 홀더의 종류 중 일부입니다.

1. 패널 장착형

패널에 장착하여 사용하는 퓨즈 홀더입니다. 패널에 구멍을 뚫어 고정하고 퓨즈를 꽂는 형식이 일반적이다. 패널 장착형에는 설치 나사가 있는 제품, 클립으로 패널에 고정하는 제품 등 다양한 종류가 판매되고 있습니다.

2. 인라인

전기 회로에 직접 사용하는 퓨즈 홀더입니다. 퓨즈를 꽂는 형태, 스위치처럼 ON/OFF할 수 있는 형태 등 다양한 라인업이 있습니다. 또한, 인라인 타입은 스루홀, 와이어 리드 등 연결 방법도 다양합니다.

3. 스루홀

퓨즈 홀더의 단자가 구멍 모양으로 되어 있는 퓨즈 홀더입니다. 퓨즈를 스루홀에 끼워 넣기 때문에 퓨즈와 퓨즈 홀더의 접촉 면적이 큰 것이 특징입니다. 따라서 접촉 저항이 적고 신뢰성이 높다는 장점이 있습니다.

4. 클립식

클립으로 퓨즈를 고정하는 퓨즈 홀더입니다. 퓨즈를 꽂는 형태가 아니라 클립을 열고 퓨즈를 끼워 사용하는 방식입니다. 퓨즈를 쉽게 분리할 수 있어 교체가 용이하다는 장점이 있습니다.

5. 퓨즈 박스

퓨즈를 수납하는 박스 형태의 퓨즈 홀더입니다. 퓨즈를 수납하는 상자와 퓨즈와 전기회로를 연결하는 단자가 일체형으로 되어 있습니다. 방진 및 방수 기능이 뛰어나 야외에서 사용하기에 적합합니다.

퓨즈 홀더 선택 방법

퓨즈 홀더를 선택할 때는 크기, 종류, 정격 전류, 연결 방법 등을 고려해야 합니다.

1. 크기

먼저 퓨즈의 크기에 맞는 퓨즈 홀더를 선택해야 합니다. 퓨즈 홀더에 퓨즈를 장착하기 때문에 크기 일치 여부는 필수입니다.

2. 종류

또한, 다양한 종류 중에서 적합한 제품을 선정하는 것도 필요합니다. 퓨즈의 종류에 따라 퓨즈 홀더를 올바르게 선정합니다. 퓨즈와 홀더가 일치하지 않으면 전기 회로에 제대로 도입할 수 없습니다.

3. 정격 전류

다음으로 정격 전류를 선택하고 전류에 따라 적절한 퓨즈를 선택하여 퓨즈 홀더에 설치합니다.

4. 연결 방법

퓨즈 홀더의 단자부에 연결되는 배선의 종류에 따라 적절한 연결 방법을 가진 퓨즈 홀더를 선택합니다.

리니어 가이드란?

리니어 가이드는 직선 운동의 마찰을 줄여 부품을 안내하는 기계 요소로, JIS 용어로는 ‘볼[롤러] 순환 리니어 베어링'(영어: recirculating ball [roller] linear bearing), 공작기계공업회에서는 ‘리니어 가이드웨이’라고 부르고 있습니다. THK주식회사에서는 LM 가이드(Linear Motion Guide)라고 부르며, 등록 상표로 등록되어 있습니다.

마찰을 줄이기 위해 일반적으로 금속 볼을 사용합니다. 롤러나 고기능성 엔지니어링 플라스틱을 사용하는 것도 있습니다. 볼은 반송대와 직선 레일 사이를 회전하며 무게를 지탱하면서 레일 위를 이동한다. 볼은 반송대 안에서 순환할 수 있도록 되어 있습니다.

리니어 가이드는 작은 힘으로 부드럽게 움직일 수 있습니다. 정밀 가공된 가이드 레일과 볼은 덜컹거림이 적고, 볼의 회전이 정확하게 반송대 이동에 전달되어 높은 위치 결정 정밀도를 얻을 수 있습니다. 리니어 가이드 자체에는 추진력이 없기 때문에 반송대를 원하는 방향으로 이동시키기 위해 볼스크류나 실린더 등의 기구와 조합하여 사용합니다.

리니어 가이드의 사용 용도

리니어가이드는 정확한 직동안내가 필요한 곳에 사용됩니다. 공작기계 등의 테이블, 반송장치, 검사기, 로봇 등에 사용됩니다. 또한, 목재 가공기, 건설기계, 자동화 기계 등에도 사용되고 있습니다. 직선 운동부의 롤러화는 메카트로닉스 기기의 고정밀화, 고속화, 노동력 절감 등 기계 성능을 향상시키고 있습니다.

액정 제조라인, 철도차량, 복지차량, 의료용 기기, 고층빌딩 및 주택의 면진제진장치, 놀이기구, 드론, 프린터 등에도 사용이 확대되고 있습니다. 정확한 직선 운동이 필요한 경우에는 2개의 가이드 레일을 사용합니다. 그리고 리니어 가이드의 설치면은 정밀하게 가공되어 있어야 합니다.

리니어 가이드의 원리

리니어 가이드는 가이드 레일, 반송대 블록, 볼 및 볼 리테이너, 리턴캡 등으로 구성됩니다. 구조부재에 장착된 가이드 레일 위를 반송대 블록이 볼에 의한 구르는 운동으로 이동합니다.

가이드 레일의 구름면에 볼의 직경과 유사한 R자형 홈을 설치합니다. 구름면과 볼의 접촉이 점접촉에서 면접촉에 가까워져 허용하중과 수명이 크게 향상됩니다. 여러 줄로 볼을 받는 구조로 급격한 가감속 시 모멘트 하중이나 장시간 연속 운전 등 가혹한 가동 조건에서도 정밀도를 유지할 수 있습니다.

가동 시 볼이 굴러가면서 볼 사이의 거리가 변화하여 가동에 불균형이 생기는 것을 방지해야 합니다. 이를 위해 리테이너를 설치하여 볼 간 거리를 일정하게 유지하면서 가동할 수 있도록 하였습니다. 리니어 가이드에는 볼과 가이드 레일의 정밀도에 따라 등급이 나뉘어져 있습니다.

정확도 등급이 높아질수록 사용 환경이 제한되므로 사용 시 하중을 계산하여 정격 수명을 고려하여 사용해야 합니다. 가이드 레일의 볼이 굴러가는 홈의 형태가 오프셋 고딕 아치형 홈인 것도 있습니다. 정적 하중 용량이 높은 장점이 있습니다.

리니어 가이드의 종류

리니어 가이드에는 ‘미니어처 타입’과 ‘중/중하중 타입’ 등이 있습니다.

1. 미니어처 타입

가이드 레일의 궤도면과 4점에서 접촉하는 볼을 2열로 배치한 타입입니다. 특별히 큰 하중이 걸리지 않는 상황에서 사용됩니다.

2. 중/중하중 타입

가이드 레일의 궤도면과 2점 접촉하는 볼을 4조 열로 배치한 타입입니다. 중절삭을 하는 공작기계 등에 사용됩니다. 볼이 회전하는 홈을 가이드 레일에 설치하여 허용 하중이 커집니다.

3. 기타 타입

볼을 사용하지 않는 타입도 있습니다. 롤러, 고기능성 엔지니어링 플라스틱, 오일리스 메탈 등이 슬라이딩부에 사용됩니다. 볼 방식에 비해 내하중이 크고, 먼지 등 이물질 환경에 강하다는 특징이 있습니다. 단점은 마찰력이 크다는 점입니다.

또한, 직선 레일 외에도 크로스 가이드, R 가이드 등의 종류가 있습니다. 또한, 고강성을 필요로 하지 않는 경우에는 스테인리스 강판을 U자형으로 정밀 성형하여 궤도부와 설치면을 일체화한 소형, 경량, 저가격의 정밀 볼 슬라이드가 있습니다.

리니어 가이드의 기타 정보

리니어 가이드의 특징

순환 볼 타입의 리니어 가이드는 높은 강성, 긴 수명, 높은 정밀도, 조용하고 부드러운 작동, 우수한 진동 특성 등의 특징을 가지고 있습니다. 볼을 사용하지 않는 슬라이딩 방식의 리니어 가이드는 볼 방식에 비해 최대 40% 정도 저렴합니다. 유지보수가 필요 없고, 윤활유가 필요 없으며, 분진이나 습기에 강하고, 내식성이 우수하고, 위생적이며, 저소음, 경량화 등의 장점이 있습니다.

적외선 LED란?

적외선 LED는 적외선을 발광할 수 있는 LED입니다.

IR은 ‘Infra-Red’의 약자로 적색보다 파장이 긴 광선을 의미하며, LED는 ‘light-emitting diode’의 약자로 전압을 인가하면 발광하는 다이오드입니다. 따라서 적외선 LED는 파장이 700~1,500nm 정도의 근적외선을 방출할 수 있는 LED를 말합니다.

적외선은 투과성이 매우 높아 장애물 등의 영향을 잘 받지 않는 특성이 있습니다. 사람의 눈에는 보이지 않기 때문에 신호 송수신이나 각종 센서 광원 등에 많이 사용되는 빛입니다. 적외선의 발생원으로는 레이저 등도 있지만, LED는 대량 생산이 가능하다는 점이 특징입니다. 수명이 길고 충격에 강하며 가격도 저렴하다는 장점이 있습니다.

적외선 LED의 사용 용도

적외선 LED는 일상생활을 포함한 모든 분야에서 사용됩니다. 다음은 적외선 LED의 사용 용도입니다.

• TV나 에어컨 조작용 리모컨
• 보안 카메라의 광원
• LiDAR 및 TOF 카메라의 광원
• 시료의 수분 측정
• 야간 투시 카메라의 광원
• 골프 거리 측정기
• 스마트폰이나 휴대폰의 통신용

일상생활에서 가장 친숙한 제품은 TV나 에어컨 등의 리모컨입니다. 사람에게 인지되지 않고 투사 가능하며, 인체에 악영향을 끼치지 않아 생활용품에도 적용되고 있습니다.

또한, 적외선은 투과율이 높고 장애물의 영향을 받지 않아 측정광으로 많이 사용되는데, LiDAR는 ‘Light Detection And Ranging’의 약자로, 적외선 LED를 이용한 거리 측정 센싱 방식을 말합니다. 자동차의 자율주행 등에 응용하기 위해 개발되고 있습니다.

적외선 LED의 원리

LED의 발광 원리는 파장에 관계없이 공통적으로 반도체의 p-n 접합에 의한 것으로, p형 반도체에는 전기장을 가하면 정공(홀)이 이동하고, 반면 n형 반도체는 전자의 이동이 일어납니다. 에너지적으로는 n형 반도체에 존재하는 전자가 더 높기 때문에 p형 반도체의 정공이 존재하는 에너지 밴드와 갭이 생깁니다.

여기에 전기장을 가해 전자와 정공에 섭동을 주면 n형 에너지 밴드에서 p형 에너지 밴드로 전자의 전이가 일어납니다. 그 결과 전자와 정공이 충돌하여 에너지 갭에 해당하는 빛과 열을 발생시켜 소멸합니다. 에너지 밴드의 갭은 반도체의 구성에 따라 달라지기 때문에 재료를 조합하면 발광 파장을 조절할 수 있습니다.

근적외선 대역의 파장을 출력하기 위해 알루미늄 갈륨 비화물(AlGaAs)이 많이 사용됩니다. 일반적으로 적외선 LED는 가시광선 영역의 LED에 비해 발광 효율이 낮다는 단점이 있습니다.

적외선 LED의 기타 정보

1. 적외선 LED 조명

적외선 LED를 사용한 조명이 시판되고 있습니다. 다양한 종류가 판매되고 있지만, 모두 나이트스코프용으로 사용되는 제품입니다.

투광기 타입은 야간에도 사용하는 야외 시설의 조명에 사용된다. 적외선 LED를 여러 개 사용하는 타입이 많으며, 고출력 타입을 20개 이상 탑재한 제품도 판매되고 있습니다.

적외선 LED를 이용한 손전등도 판매되고 있다. 적외선 LED의 특징인 어두운 곳에서의 투과성을 최대한 활용할 수 있으며, 40개 이상의 적외선 LED를 사용한 제품도 있지만 무게가 가볍다. 점등 개수를 전환할 수 있는 제품도 판매되고 있습니다.

소형 암시등도 판매되고 있다. 촬영용으로 사용하기 때문에 빛이 고르지 않게 한 개만 고출력인 경우가 많다. AA 건전지 1개로 작동하며, 최대 15m까지 조사할 수 있는 성능입니다. 본체 무게는 60g이 채 되지 않는 휴대성이 뛰어난 타입입니다.

2. 적외선 LED 테이프

야간투시경의 보조 조명용으로 적외선 LED 테이프가 판매되고 있다. 테이프에 일정 간격으로 적외선 LED를 부착하여 점등하는 제품으로, 반대편이 점착면으로 되어 있어 쉽게 부착할 수 있습니다. 좁은 장소에서도 사용할 수 있도록 3mm 이하로 얇게 제작된 제품 등 다양한 종류가 판매되고 있습니다.