회로
회로(circuit, 回路)는 전기적 성질을 갖는 소자, 디바이스와 도선(導線)의 조합이며 상호 결합시켜 도전로를 형성했을 때 희망하는 신호와 에너지 처리 기능을 실현할 수 있는 것이다. 물리학에서 회로란 전기회로(electric circuit)를 뜻한다. 전기회로는 전류가 흐르는 통로로서 여러 개의 회로소자 또는 회로요소(circuit element)를 서로 접속하여 구성한다.[1][2]
목차
인쇄회로기판[편집]
인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB, 印刷回路基板)은 도체와 절연체가 기판 형태의 적층된 구조로 되어있고 반도체, 커패시터, 저항 등 각종 부품을 장착할 수 있으며 부품 간의 전기적인 연결을 하는 역할을 한다. PCB는 전기 선로를 효율적으로 설계할 수 있도록 함으로써 전자기기 크기를 줄이고 성능 및 생산성을 높이는 역할을 한다.
형태[편집]
회로가 몇 층 겹쳐있느냐에 따라 단면, 양면, 4층, 6층, ...(n x 2)층 PCB 등으로 불려지고, 3층 이상 (다층)부터는 Rigid 보드 제작에 일반적으로 사용되는 원자재(FR-4)의 특성상 홀수 층의 PCB가 거의 없다. Flexible PCB의 층수는 상기 규칙의 예외다. 이렇게 여러 장의 기판을 겹쳐서 다층으로 만들게 되면 회로의 입체적 설계가 가능해진다. 예를 들어 2장의 기판이 겹쳐져 있으면 1층의 트레이스를 2층으로 이동시켜 1층의 다른 트레이스로 점프해서 피해갈 수 있게 된다. 당연히 층수가 많아질수록 그만큼 복잡한 회로를 작은 공간에 구현할 수 있게 되지만 가격은 상승한다. 현재 컴퓨터 메인보드에 사용하는 기판은 대다수가 6층 기판이다. 그래픽카드 등에는 8층이나 10층이 대세이다. 상업용으로 쓰는 네트워크 장비에는 수십 층짜리 PCB 기판이 쓰인다. 칩간의 통신에 시리얼 방식이 많이 사용되면서 양면으로 충분한 경우도 많다.
재질[편집]
도체를 제외한 기판이 절연체이고 유리섬유(Fiber glass)와 에폭시 플라스틱 결합의 수지(Prepreg, PP)를 다층으로 겹쳐서 기판을 구성한다. LED 조명 등 열 방출이 원활해야 하는 회로에서는 알루미늄에 절연 코팅을 입히고 그 위에 동박을 씌운 알루미늄 PCB를 사용하며, RF 회로 등 일부 특수 목적 회로에서는 세라믹 PCB를 사용하기도 한다. 유리섬유 강화 에폭시(FR-4) 외의 소재로는 페놀(베이클라이트)과 CEM 기판이 있다. 페놀 기판은 저비용 기기나 실습용/프로토타입용 기판에 사용되고 있다. 단점으로는 절연성, 내구성, 내열성에 취약하다. 그리고 2층 기판 이하에서만 사용된다. 유연성(Flexible) 기판에는 단단한 에폭시 대신 폴리이미드 등의 소재가 사용된다. 플렉서블 기판은 유연성이 필요한 공간 영역에서 많이 사용되고 있다. 완전히 유연하지 않은 Rigid-Flexible 기판에는 얇은 에폭시 소재가 사용된다.
선로를 구성하는 도체는 동판 표면 재질 그대로 카퍼가 기본이다. 그 위에 다른 금속 물질로 도금을 한다. 솔져를 도포한 HASL 도금, 니켈/금(Au) 도금, 니켈/은(Ag) 도금, 동박 표면에 알킬벤즈이미다졸이나 디-페닐이미다졸과 같은 물질만 도포하는 OSP(Organic Solderability Preservative), 니켈/주석의 Tin 도금 등이 있다. 투명전극이라 하여 빛이 투과하는 특성을 가진 선재가 필요할 곳에서는 그래핀을 사용하려는 시도도 이루어지고 있다. 그리고 현재도 투명 PCB가 있다. 인듐-갈륨 전극과 전선을 유리판에 증착하는 방식으로 인쇄해서 쓰고 있는데, 터치스크린이다. 하여튼 전기만 잘 통하면 뭐든 쓸 수 있다. 전기가 아닌 빛을 통과시키는 선재도 연구되고 있으나 아직 광섬유를 PCB화 한 물건은 찾아볼 수 없다.
특징[편집]
인쇄회로 기판은 견고성, 저비용, 양산성 등이 특징이다. 설계나 레이아웃에 리드 타임과 초기 비용이 있지만 대량 생산시 단가를 극단적으로 낮추며 높은 생산성을 유지 가능하다. 컴퓨터, 휴대폰에서 시작하여 인공위성에 이르기까지 모든 전자 장비에 사용되고 있는 필수 부품이다. 소형 저전류 모터는 스테이터 코어들의 선로를 간편하게 하기 위해서, 일부 충전기의 변압기는 크기를 줄이기 위해 PCB를 사용하기도 한다. 회로 구성보다는 도선의 역할에 중점을 둔 것이다. 일부 회로에서는 인덕터(코일), 안테나, 열선, 스위치 접점, SMD 부품의 방열판을 PCB로 구현하기도 한다. 큰 전력을 전송하거나 노이즈나 레이턴시(선로 길이) 혹은 임피던스(교류 저항값)에 민감한 회로를 구성할 때에는 포인트 포인트 형태로 직접 연결해야 하는 경우도 있다. 고전류가 필요할 경우 다층 PCB로 파워플레인화, 선로 폭을 확장, 트레이스 틴닝, 부스바, 절연 전선이나 에나멜선 추가연결 방법 등이 있다. 트레이스 틴닝이 양산시 가장 저렴한 방법이다. 고전압이 필요한 부분에는 배선 간격을 넓히거나 슬롯 형태를 추가 하여 Air Gap / Creepage를 주어야 한다. 디퍼렌셜 페어 고주파 선로들은 트레이스를 곡류(Meander) 형태로 주어 Skew 보정이나 선로 길이 매칭을 해준다. 9khz 이상의 선로 경우 EMI/EMC에 대처한 PCB 설계 방법론이 필수 적이다. EMI/EMC 전자파 인증도 필요하다.[3]
전기회로[편집]
전기회로(Electric Circuit)는 전기가 흐를 수 있도록 설치된 닫힌 회로다. 회로에는 저항기, 축전기, 코일 등 다양한 전기적 소자가 전기 전도체인 전선에 의해 연결된다. 건전지, 전선, 저항을 나란히 이어 만든 폐회로는 가장 간단한 전기회로의 예라고 할 수 있다. 전기회로는 회로에 공급되는 전기의 종류에 따라 크게 직류회로와 교류회로로 나뉘며 각각의 회로에서 저항, 축전기, 코일 등을 연결하여 다양한 전기회로를 만들 수 있다. 전기회로는 전류의 순환회로를 의미하며, 단순히 회로라고도 한다. 전기회로 내 전류의 흐름을 수학적으로 표현하는 두 가지 기본법칙은 옴의 법칙과 키르히호프의 법칙이다.[4][5]
전류는 전기의 흐름이며, 전기가 흐르도록 만들어 준 길을 전기회로라고 할 수 있다. 전기회로는 일반적으로 전류의 흐름을 제어하는 회로요소를 우선 배치하고, 이 회로요소들을 도선들로 연결함으로써 이루어진다. 전기회로를 구성하는 이유는 회로에 전기에너지를 가해 주고 원하는 형태의 에너지로 다양하게 변환시키거나, 전기적인 신호를 원하는 대로 처리하기 위함이다. 회로를 구성하는 기본 요소로는 가해 주는 전기에너지에 해당하는 전원(power), 전기에너지를 받아 원하는 기능을 수행하는 부하(load), 이 둘을 연결해주는 전선(conducting wire) 등이 있다. 회로는 일상생활에서 사용되는 수많은 전자 및 전기 제품에서 널리 사용되고 있다.[6]
전자회로[편집]
전자회로(電子回路, electronic circuit)는 다이오드, 저항기, 유도자, 콘덴서, 트랜지스터와 같은 개별적인 전자 부품들(electronic components)로 구성된 전기회로이다. 전자공학에서 주로 능동소자를 활용한 회로로 해석하지만 능동소자만으로 회로 구성을 할 수 없으므로 수동소자를 같이 사용한다. 연산 증폭기는 능동소자로 구성된 회로이므로 전자 회로이며, 이의 해석을 한다. 수동소자만으로 구성된 회로는 회로 이론(영어: network analysis)에서 해석하고, 전자 회로와는 구별된다. 능동소자는 이론적 측면에서는 소자자체로는 해석이 불가능하므로 수동소자와 전압 소스 그리고 전류소스로 모델링하여 변환 후, 회로 이론으로 해석한다. 증폭기 등, 주파수에 의해서 저주파와 고주파로 나누어 모델링하고 해석하는 경우도 있다. 증폭기를 설계하는 경우가 많으므로 이의 회로와 해석을 기본으로 한다. 단순 신호를 증폭하는 단순 증폭기, 필터회로 등과 결합한 복합 회로도 가능하다. 그리고 각종 신호 발생기 등의 응용 분야도 있다. 통신회로에 사용하는 필터와 같은 응용 분야 등도 전자회로를 사용한다. 논리 회로 분야는 논리 회로(디지털 회로), 아날로그-디지털 변환회로, 디지털-아날로그 변환회로로 나눌 수 있다. 이것은 주로 능동소자의 스위칭 기능을 활용 한다. 증폭기나 응용분야에서 주파수에 의해서 저주파 회로, 고주파 회로로 나누는 경우도 있다. 초고주파 응용 분야에선 Si 소자를 벗어나 다른 소재의 반도체를 사용하기도 한다. 신호 처리를 위해 능동소자가 주로 취급하고 이와 수동소자(저항기, 코일, 축전기)가 결합하여 회로를 구성 한다.[7]
집적회로[편집]
집적회로(集積回路, Integrated Circuit)는 반도체에 만든 전자회로의 집합을 말한다. 칩(chip), 반도체 칩(semiconductor chip), 마이크로칩(microchip)이라고도 한다. 집적회로는 많은 전자회로 소자가 하나의 기판 위 또는 기판 자체에 분리 불가능한 상태로 결합하여 있는 초소형 구조의 복합적 전자소자 또는 시스템을 말한다. 집적회로는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 등 복잡한 전자부품들을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어넣은 것이다. 즉, 개개의 반도체를 하나씩 따로따로 사용하지 않고 실리콘의 평면상에 몇천 개 몇만 개를 모아 차곡차곡 쌓아놓은 것이다. ‘모아서 쌓는다’ 즉, 집적한다고 하여 집적회로라는 이름이 붙게 된 것이다. 집적회로는 1958년 미국 텍사스 인스트루먼츠(TI)의 기술자, 잭 킬비(Jack Kilby)에 의해 발명된 것으로, 기술이 발전함에 따라 하나의 반도체에 들어가는 회로의 집적도 SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI 등으로 발전하여 오늘날 첨단 반도체 제품이 등장하게 되었다.[8]
분류[편집]
SSI, MSI, LSI[편집]
처음 개발된 집적회로는 트랜지스터 몇 개만 들어가 있었다. 소규모 집적이라는 뜻의 SSI(small-scale integration)라고 불리는 디지털 회로는 수십 개의 트랜지스터만을 포함할 수 있었고 소수의 논리게이트를 구현했다. 예를 들어, 초기 리니어 IC는 2개의 트랜지스터밖에 없었다. 대규모 집적이라는 말은 IBM의 연구원인 롤프 란다우어가 이론적인 개념을 설명할 때 처음 사용했고, 그것에서 SSI나 MSI, VLSI, ULSI가 유래했다. 집적회로의 다음 단계의 발전은 1960년대 후반, 중간 규모의 집적이라는 뜻의 MSI(Middle Scale Integration)라고 불리는 한 칩에 수백 개의 트랜지스터를 포함하는 기기가 소개되면서 일어났다. MSI는 100~1,000개의 트랜지스터를 포함하고, 좀 더 복잡한 기능을 수행하는 인코더(encoder), 디코더(decoder), 카운터(counter), 레지스터(register), 멀티플렉서(multiplexer) 및 디멀티플렉서(demultiplexer), 소형 기억 장치 등의 기능을 포함하는 부류다. MSI 소자는 SSI 소자보다 생산하는데 비용이 조금 더 들지만, 작은 회로 기판과 적은 조립작업으로 더 복잡한 시스템을 구현할 수 있기 때문에, 경제적으로 매력적이었다. 1970년대 중반, 한 칩에 수만 개의 트랜지스터를 포함하는 LSI가 MSI와 같은 이유로 개발되었다. LSI는 메모리 등과 같이 하나의 칩에 1,000~10,000개에 이르는 등가 게이트를 포함하는 부류이다. 1 Kb 램이나 계산기 칩, 세계 최초의 마이크로프로세서 같은 1970년대 꽤 많이 생산되었던 집적회로들은 4천 개 이하의 트랜지스터를 포함했다. 만 개에 가까운 트랜지스터를 포함한 LSI 회로는 1974년쯤에 컴퓨터의 메인메모리와 2세대 마이크로프로세서에 쓰이기 위해 생산되기 시작했다.[9]
VLSI[편집]
VLSI(Very Large Scale Integration)는 발전과정의 마지막 단계인 1980년대 시작해서 지금까지 이어지고 있다. VLSI는 10,000~1,000,000개의 트랜지스터를 포함하는 대규모 칩이다, 대형 마이크로프로세서, 단일 칩 마이크로프로세서(single-chip microprocessor) 등을 포함한다. 이 발전은 1980년대 초기 수십만 개의 트랜지스터로 시작해서 2009년 수십억 개의 트랜지스터를 넘어서 발전하고 있다. 이 정도로 조밀성을 높이기 위해서는 여러 단계의 발전이 필요하다. 생산기업들은 수율을 유지하면서 더 많은 트랜지스터를 포함하는 칩을 만들 수 있도록 세밀한 설계와 깨끗한 생산시설을 추구했다. 공정 향상은 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor, 국제 반도체 기술 로드맵)로 요약할 수 있다. 설계 도구는 이런 설계를 합리적인 시간에 끝낼 수 있도록 발전했다. CMOS는 에너지 면에서 더 효율적이기 때문에, 전력 소비의 증가를 피하면서 NMOS(N-channel metal oxide semiconductor, N형 금속 산화막 반도체)와 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor, P형 금속 산화막 반도체)를 대체했다. 1986년에 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 최초의 1Mb 크기의 랩이 소개되었다. 1989년 마이크로프로세서 칩에는 백만 개가 넘는 트랜지스터가 들어갔고, 2005년에는 십억 개의 트랜지스터가 들어갔다. 기술의 발전은 조금도 수그러들지 않고, 2007년에는 수백억 개의 메모리 트랜지스터가 들어간 칩이 개발되었다.
ULSI, WSI, SOC[편집]
복잡성이 더욱 커진 것을 반영하는 ULSI(Ultra-Large-Scale Integration)는 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 초대규모 집적회로을 의미한다. 트랜지스터를 1,000,000개 이상 포함하고, 인텔의 80486이나 펜티엄이 ULSI에 해당한다. VLSI와 ULSI를 정확하게 구분하기는 어렵다. 웨이퍼 규모 집적은 한 개의 "슈퍼 칩"을 만들기 위해 전체 실리콘 웨이퍼를 사용하는 매우 큰 집적회로를 만드는 것을 의미한다. WSI(Wafer-Scale Integration)는 큰 규모와 줄어든 패키징을 통해 특히 병렬 슈퍼컴퓨터 같은 일부 시스템에서 매우 급격히 비용을 줄였다. WSI라는 이름은 WSI가 개발되었을 때의 기술의 발전단계인 VLSI에서 유래되었다. SOC(System-On-a-Chip)는 컴퓨터나 다른 시스템에 필요한 모든 소자가 한 개의 칩에 포함된 집적회로이다. 이런 기기의 설계는 매우 복잡하고 비용이 들며, 한 조각의 실리콘에 모든 이질적인 소자들을 포함시키는 것은 특정 소자의 효율성을 희생시킬 수도 있다. 하지만 이런 결점들은 적은 제조 비용과 조립 비용, 상당히 줄어든 전력 소모로 상쇄될 수 있다. 소자들 간의 모든 신호가 한 개의 실리콘에서 교환되기 때문에, 훨씬 적은 전력이 필요하다. 3차원 집적회로는 한 개의 회로에 수직과 수평으로 집적된 2개 이상의 활성 전자 소자의 층이 있다. 층간의 통신은 한 개의 실리콘에서 일어나는 신호를 이용하며 결과적으로 전력 소모가 분리된 동일한 회로보다 더 적게 든다. 짧은 수직 회로 선을 이용하는 것은 더 빠른 작동을 위해 전체 회로 선의 길이를 상당히 줄일 수 있다.
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈전기 회로〉, 《위키백과》
- 〈전자회로〉, 《위키백과》
- 〈집적 회로〉, 《위키백과》
- 〈회로〉, 《나무위키》
- 〈인쇄 회로 기판〉, 《나무위키》
- 〈회로〉, 《네이버 지식백과》
- 〈회로(Circuit)〉, 《네이버 지식백과》
- 〈전기회로〉, 《두산백과》</ref>
- 〈(반도체 용어 사전) 집적회로(IC)〉, 《삼성전자》
같이 보기[편집]
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