최근 국내 전기, 전자 분야를 보면 반도체를 응용한 제품이 많다. 이러한 제품은 지금도 수없이 많이 개발되고 있다. 이러한 상황에서 전기, 전자, 반도체 관련 기술자들은 반도체의 종류와 응용 기술에 대해 숙지하고, 응용하는 것이 중요해 보인다. 따라서 이 글에서는 반도체의 종류와 그 응용 기술에 관해 살펴본다.
반도체의 종류를 알아보자
그림 1에 반도체의 종류를 분류했다.
이러한 분류 외에도 집적도, 용도 및 재질, IC Package에 따라 여러 가지로 나눌 수 있다. 이 글을 쓰는 목적은 전기전자 회로 설계, 회로 분석과 응용을 위한 것이므로 위의 분류를 토대로 분석하려 한다.
1. 아날로그 반도체
아날로그 반도체는 빛, 소리, 압력, 전기 등의 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환 및 관리하는 반도체이다. 다음과 같은 종류가 있다.
■전력관리IC(PMIC) : 전자기기의 전력 소모를 최소화하는 반도체이다. 일례로 휴대폰을 사용하지 않을 때 LCD화면이 꺼지게 하는 IC를 들 수 있으며, 대표적 기업으로 텍사스인스투르먼츠(TI)와 실리콘 마이터스를 꼽을 수 있다.
■조명용 LED구동 IC : LED 조명에 전원을 연결하는 반도체이다. 일례로 LED 조명의 세기를 조절하는 IC를 들 수 있으며, 대표적인 기업으로 엘디티와 다윈텍을 꼽을 수 있다.
■CIS IC(CMOS Image Sensor) : 눈에 보이는 아날로그 이미지를 캡처하는 반도체이며, 카메라폰에서 사진을 촬영하는 IC를 예로 들 수 있다. 대표 기업으로 삼성전자와 ST마이크로일렉트로닉스를 꼽을 수 있다.
■자동차용 반도체 : 자동차에 쓰이는 반도체로서 점차 그 규모가 증가하고 있다. 자동차용 반도체에는 디지털 반도체의 종류가 많다. 자동차 애플리케이션용 IC를 예로 들 수 있으며, 현대오트론, 텍사스인스트루먼트, 도시바, 인피니언, 르네사스, 프리스케일이 대표 기업이다.
■센서 : 자연 상태의 값과 유사하게 각종 신호들을 인식하는 반도체로서, 많은 반도체 회사들이 지속적으로 연구·개발하고 있는 분야이다. 일부 회사에서는 사운을 걸고 센서 반도체 개발에 주력하고 있다(그림 2).
■OPamp : 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 증폭기를 말하며, 증폭, 적분, 가산, 파형 변환 회로에 사용한다. 대표 기업으로 Microchip Technology, Analog Devices를 꼽을 수 있다.
2. 디지털 반도체
■마이크로컨트롤러 : 현재 각광받고 있는 영국의 ARM사를 비롯하여 미국, 일본의 여러 반도체 회사에서 마이크로컨트롤러를 제조하고 있다. 한국에는 삼성이 마이크로컨트롤러를 제조하고 있다.
■메모리 : 많은 데이터를 저장하는 반도체 기술이다. 한국은 반도체 후발주자의 단점을 극복하고 이 메모리 반도체 분야에서 세계 정상의 기술과 능력을 확보하고 있다. 최근에는 세계적으로 데이터를 이동시키는 회로의 선폭을 줄이려는 기술 경쟁이 치열하다.
■AP(Application Processor) : 마이크로컨트롤러가 주로 PC 및 그 응용기기에서 사용하는 것이라면 AP는 이동통신기기에서 사용하는 일종의 마이크로컨트롤러이다. 미국 퀄컴사의 스냅드래곤 AP가 현재 가장 많이 이용되고 있는데, 한국의 삼성에서도 전략적으로 이 분야에 대한 연구개발을 지속해왔다. 그 결과, 현재 갤럭시S6에 삼성전자 자체 AP인 엑시노스를 사용한다. 앞으로 AP 분야는 세계적인 경쟁이 치열한 것으로 예상된다.
■기타 : 아날로그 반도체가 하는 거의 모든 기능과 효율을 향상시키는 디지털 반도체가 지속적으로 개발되고 있다.
3. 혼성 반도체
아날로그와 디지털이 혼성된 반도체이다. 최근에는 성능을 높이기 위해 점차 혼성 반도체가 늘어가는 추세이다.
반도체의 응용 분야를 알아보자
1. 응용 분야
반도체는 다음과 같이 여러 가지 종류가 있다. 반도체 회사의 품질 개선 노력에 의해 지속적으로 응용되어 출시되고 있는 추세다. 다음은 응용 분야이다.
■A/D 변환, D/A 변환 IC
■전원 회로 IC
■인터페이스 회로 IC
■에너지 회로 IC
■기계 변위 회로 IC
■타이밍 회로 IC
■디지털 신호 처리 회로 IC
■신호 발생 회로 IC
■PLL(Phase-Locked Loop : 위상 동기) 회로 IC
■모터 구동 회로 IC
■OP 앰프 회로 IC
■전력 제어 회로 IC
■전력 증폭 회로 IC
■드라이브 회로 IC
■계측 회로 IC
■통신 회로 IC
■고주파 회로 IC
■음성 합성, 음성 인식 IC
■비디오 회로 IC
■센서 IC
■자동차용 회로 IC
■항공기용 회로 IC
■선박용 회로 IC
■보안감시 회로 IC
■로봇 회로 IC
■RF IC
좋은 기술자가 되기 위해서는 자신의 목적에 맞는 반도체가 어느 회사에서 생산하고 있으며, 어떤 기능을 하는지 파악하고 있는 것이 좋다. 일반적으로 중견급 이상의 회사에서는 구매부가 별도로 있어서 개발자가 요청을 하면 용도에 가장 좋은 역할을 하는 반도체를 골라줄 수 있다.
하지만 벤처회사나 소규모의 회사의 경우에는, 개발자들도 자신이 원하는 반도체를 스스로 고를 수 있어야 한다.
현재 여러 반도체 회사들은 인터넷으로 제품 판매 정보를 제공하고 직접 판매를 하기도 한다. 인터넷에서 반도체 정보를 제공하는 대표적인 검색 사이트는 http://www.digikey.kr, http://www.alldatasheet.com 등이 있다. 이 사이트에서 원하는 반도체를 확인한 후 그 응용회로를 파악하면 원하는 회로를 구성할 수 있다.
비슷한 IC라도 규격이 다른 경우가 있으니 반드시 원하는 규격의 IC를 선택해야 한다. 회로를 제작하기 전에 회로 시뮬레이션을 해 보고, 시제품을 제작하여 동작이 제대로 되는지 확인하는 것은 기본이다.
실전에서 반도체 회로를 응용해보자
1. 응용 분야…로봇 회로
로봇을 제작하기 위해서는 우선 그 로봇이 무슨 목적을 하는지를 파악해야 한다. 만일 사람과 같은 로봇을 만들고자 한다면 사물을 인식하는 인식회로(카메라, 기타 인식수단 등), 대화를 하기 위한 음성인식회로, 그리고 말하는 회로가 필요할 것이다. 더불어 손발을 움직이거나 걷기 위하여 모터 구동회로가 있어야 할 것이며, 기본적인 판단을 하기 위해서는 CPU, 임베디드 OS, 임베디드 시스템, 마이크로컨트롤러 등이 필요할 것이다.
이 외에도 각종 사물들을 인식하기 위한 센서 및 반도체가 필요하다. 그리고 음성 또는 영상을 저장하기 위해 메모리 등 저장장치가 필요할 것이다. 또한 얻은 신호를 디지털 처리하기 위하여 A/D 변환 회로가 필요할 것이다. 이와 같은 회로들을 하나하나 맞춰 가면서 로봇을 제작해 나가야 한다. 이처럼 많은 반도체와 IC가 필요한데, 이러한 종류를 파악하고 있다면 시간과 노력을 대폭 단축할 수 있을 것이다.
원하는 IC를 검색하는 방법은 http://www.digikey.kr, http://www.alldatasheet.com 등에서 “모터 구동” 또는 “motor driver"를 검색하거나 구글에서 “motor driver ic" 또는 "motor driver semiconductor"를 검색하면 된다.
2. 응용 분야…감시용 회로
감시를 전문으로 하는 장비나 로봇을 사용할 때 어떠한 장치가 필요한지 알아보자. 우선 감시를 하기 위해서는 눈에 해당하는 장치가 좋아야 할 것이다. 즉, 사람 눈보다 좋은 영상을 획득하기 위해 카메라 및 감시 장비를 사용해야 한다. 또한 획득한 영상을 파악·분석해야 하므로 CPU가 있어야 하고, 마이크로컨트롤러 또한 필요할 것이다.
그리고 신호처리를 위해 신호처리 회로가 필요할 것이다. 영상을 저장하기 위해 메모리 등 저장장치도 필요하다. 또한 얻은 신호를 디지털 로 처리하기 위하여 A/D, D/A 변환 회로가 필요할 것이다. 더불어 화재, 가스 사고를 예방하기 위해 열 감지 센서, 가스 센서 등 각종 센서 회로 또한 필요할 것이다.
3. 응용 분야…첨단 기능 회로
요즘 떠오르는 분야인 드론 기술에 특수 목적을 가미한 ‘첨단 드론 응용회로’를 제작한다고 한다. 이러한 기기를 제작하기 위해서는 기본적으로 드론에 대해 잘 알아야 하겠고, 특수 목적을 위해 응용기기에 적합한 역할을 하는 반도체에 대해 잘 숙지하고 있어야 한다(그림 3).
앞에서와 마찬가지로 http://www.digikey.kr, http://www.alldatasheet.com 등에서 “드론”, 또는 “drone"를 검색하거나 구글에서 “drone ic" 또는 "drone semiconductor"를 검색하면 원하는 IC를 찾을 수 있다.
만약 드론을 이용해 농약을 살포한다면, 원격장치에서 농약살포기기의 기능을 on, off 할 수 있는 기능을 추가해야 한다. 또한 드론을 이용해 카메라 촬영을 하려면, 원격으로 카메라를 조절하기 위한 카메라 촬영 on, off 기능이 필요할 것이다. 물론 촬영을 전문적으로 하기 위한 응용 기술 또한 필요하며 그 목적에 적합한 반도체를 확인·사용해야 할 것이다.
윤덕하 객원전문기자 아이에셋
