수정 발진기란?
수정 발진기는 석영이 가지고 있는 압전 현상을 이용한 석영 진동자(석영)에 의한 기계적 공진에 발진 회로를 내장하여 일정한 주파수를 발생시키는 장치를 말합니다.
석영 이외의 발진 회로에는 LC 발진, CR 발진, 세라믹 소자를 이용한 발진 등이 있습니다. 석영 발진의 경우 ppm 오더(100만 개 중 1개 불량도 허용하지 않는 엄격한 품질관리가 가능)의 높은 정밀도를 얻을 수 있지만, 그 외에는 %의 정밀도를 허용할 수 있는 회로에 한정된다는 점에서 석영 발진이 우수합니다.
석영이 전자회로 소자로 사용될 수 있는 이유는 석영에 압전효과가 있기 때문입니다. 트랜지스터나 IC가 발명되기 훨씬 이전인 19세기부터 석영은 소자로 사용되어 온 역사가 있습니다.
수정 발진기의 사용 용도
석영의 진동을 기반으로 한 석영 발진기는 통신기기 등의 주파수 신호원, 시계(쿼츠)의 타이밍 소스, TV의 컬러 버스트 신호원으로 사용되어 왔다. 최근에는 디지털 회로의 고정주파수 클록 소스로서 엄청난 숫자가 사용되고 있습니다.
IC나 LSI(IC에 비해 집적도가 높고 복잡한 회로를 집적화한 집적회로)에는 클럭 기준 신호가 필수적이며, 수정 발진기는 클럭 생성에 필요한 높은 주파수 안정성과 무조정, 소형화를 실현하고 있습니다.
따라서 기존의 통신기기, TV, 시계 등에 그치지 않고 위성통신, 자동차, PC, DVD 기기 등 정보 가전 분야까지 수정 발진기의 사용 용도는 매우 광범위합니다.
수정 발진기의 원리
수정 발진기는 수정 진동자(석영)라는 공진기를 기준 공진으로 사용하여 발진 회로에 의해 기준 주파수가 되는 신호를 생성하는 장치입니다. 석영 진동자에서는 석영이 가지고 있는 압전 현상을 이용하지만, 석영 진동자만으로는 공진 주파수의 필요한 진폭을 계속 유지할 수 없습니다.
그래서 수정 발진기에서는 내부에 발진시키는 회로를 추가로 추가하여 공진기의 공진 주파수를 활용하여 기준 주파수 신호의 강도와 주파수를 제어하고 있습니다. 이것이 바로 수정 발진기의 작동 원리입니다. 수정은 석영(Sio2: 이산화규소)으로 이루어져 있지만, 수정 발진기에 사용되는 것은 인공 수정입니다. 이 인공 수정은 라스카라는 천연 석영을 원료로 합니다.
알칼리 용액을 채운 용광로(오토클레이브) 안에 라스카를 넣고 고온, 고압으로 녹여 온도를 조절해 자연 대류를 발생시켜 고순도로 재결정된 큰 인공 결정체를 만든다. 이를 얇게 잘라내어 수정 발진기로 만듭니다.
수정 발진기의 기타 정보
1. 수정 발진기의 진동 모드
결정축에 대해 잘라내는 각도에 따라 주파수의 온도 특성, 진동 모드 등이 달라지는데, MHz대역의 수정이 가장 많으며, 그 중에서도 ‘AT컷’이라 불리는 것은 넓은 온도 범위에서 편차가 작은 것이 특징입니다.
예를 들어 손목시계 등에 사용되는 경우에는 체온이나 실온에 가까운 온도에서 온도 계수가 음성으로 변하는 각도로 잘라내는 등, 사용 목적에 따라 잘라내는 방법도 달라집니다.
진동 모드는 수정이 가지고 있는 기계적 진동 형태를 말하며, AT컷 ‘두께 미끄러짐 진동’이라고도 하며, 도마 위에 두부를 올려놓고 흔드는 것과 같은 진동입니다. 이처럼 발진 주파수는 절단면의 두께가 어느 정도인지에 따라 결정됩니다.
2. 수정 발진기의 정확도
일반적인 수정 발진기의 정확도는 1/10,000~1/100,000 정도의 오차입니다. 이 정밀도를 다른 발진기와 비교하면 실리콘 발진기의 약 1,000배, 세라믹 발진기의 약 100배로 실리콘 발진기나 세라믹 발진기보다 정밀도가 높지만, 원자시계에 사용되는 세슘 발진기에는 미치지 못합니다.
수정 발진기에는 더 정밀도를 높인 제품도 있는데, 온도 보증 수정 발진기(TCXO)라는 유형의 제품입니다. 이 유형의 제품에는 온도 보증 회로라는 회로가 내장되어 있습니다. 온도 보증 회로는 수정 발진기의 온도 특성을 상쇄하는 회로로, 이 회로를 내장함으로써 보다 넓은 온도 범위에서 안정적인 성능을 발휘할 수 있게 됩니다.
3. 수정 발진기식 시계의 구조
수정 발진기식 시계, 즉 쿼츠식 시계는 수정 발진기가 만들어내는 고정밀 진동을 IC가 분주하여 1초 간격의 주파수로 변환하여 시계로 작동합니다. 아날로그식(바늘이 있는 타입) 시계는 이 1초 간격의 주파수로 스텝 모터를 구동하여 초침, 분침, 시침을 움직입니다. 반면 디지털 시계는 마찬가지로 수정 발진기에서 생성된 1초 간격의 주파수로 액정 패널을 구동해 숫자를 표시합니다.
쿼츠 시계가 기계식 시계와 비교했을 때 장점은 단순히 시간 정확도가 더 높다는 것만이 아닙니다. 배터리로 구동할 수 있기 때문에 오랜 시간 동안 유지보수 없이도 계속 움직일 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 배터리가 방전되더라도 배터리를 교체하면 이전과 동일한 정확도로 계속 작동할 수 있습니다.
배터리 교체가 필요 없는 쿼츠식 시계로는 태양전지를 탑재하거나 발전기를 탑재한 시계 등도 출시되고 있으며, 이러한 시계는 더 오랜 기간 동안 시계를 계속 움직일 수 있습니다.
4. MEMS 발진기와의 비교
수정 발진기의 역사는 1950년대 일본 시계 제조사가 쿼츠식 시계를 만든 이후 급속도로 확산되어 현재는 통신기기, TV, 정보 가전 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다. 하지만 최근에는 소형화, 가격, 성능 면에서 MEMS(미세전자기계시스템) 발진기라고 불리는 발진기가 주목받고 있습니다.
MEMS 발진기는 반도체 제조 공정을 응용한 제조 공법을 사용하기 때문에 전자회로에 쉽게 내장할 수 있고, 소형화에도 유리합니다. 특성 면에서도 주파수 조정이 용이하고 소비전력 면에서 유리한 제품도 출시되고 있어, 향후 개선에 따라 수정 발진기의 시장 점유율을 능가할 가능성도 있습니다.
5. 고주파수화에 대한 노력
최근의 정보통신용 디바이스는 그 정보 통신량의 확대에 따라 통신용 변조 대역을 넓게 확보하고, 취급하는 클럭 주파수를 빠르게 하고자 하는 요구로 인해 통신의 세대와 함께 취급하는 주파수가 높아지고 있습니다. 따라서 기준 주파수 생성용 수정 발진기도 당연히 고주파수 대응에 대한 요구가 있습니다.
PLL 등 아날로그 회로 기술의 발전으로 어느 정도 주파수를 회로 측면에서 높이는 것은 가능합니다. 그러나 이 경우 위상 노이즈나 온도 특성 등의 문제가 발생하기 때문에 기준 주파수인 수정 발진기의 발진 주파수를 높이기 위해 현재는 수정 진동자 자체의 개선과 발진 회로의 고주파 대응으로 100MHz의 고주파수 대응 제품도 출시되고 있습니다.