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최근 어린이들의 전유물이었던 장난감이 어른들 사이에서 인기가 더 높습니다. 기술의 발전에 따라 최신 기술이 적용된 장난감들이 대거 출시되고 있기 때문이죠. 신기술이 집약된 장난감 속에서는 언제나 반도체가 함께 하는데요. 센서나 마이크로 칩 등 다양한 형태로 활용되고 있습니다. 장난감 속 반도체. 과연 어떤 원리로 어른들을 즐겁게 해주고 있는 것일까요? 영하이라이터들이 직접 알아봤습니다. 지금부터 함께 가볼까요!
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▲ 타요버스 무선자동차
어린이들과 어른 모두 무선조종자동차를 좋아합니다. 누구 한번쯤 갖고 싶어했던 무선 조종 자동차. 혹시 그 원리도 알고 계셨나요? 지금부터 최근 큰 인기를 누리고 있는 ‘타요버스 RC카’로 그 원리를 설명해보도록 하겠습니다. 먼저 타요버스의 작동 장면을 보실까요? 영상으로 준비했습니다.
▲ 타요버스 무선자동차가 작동하는 모습
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무선조종자동차는 주로 공중을 나는 전파를 활용한 ‘무선 조종의 원리’를 적용하여 만들어집니다. 이러한 무선조종자동차를 통상적으로 ‘RC(Radio Control) Car’ 라고 부르는데요. 전선이 없으면 통하지 않는 전기를 주파수에 따라 송신기에서 10kHz 이상의 전류의 흐름을 바꿔 신호를 수신기에 전달하는 원리로 본체를 조종합니다. 이를 흔히 전파라고 부르는 것입니다.
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▲ 무선조종의 원리
무선조종에는 세 가지가 관여를 하는데요. 손에 들고 조종할 수 있게 전자기 신호를 보내는 송신기(Transmitter), 송신기의 명령 전파를 받아들이는 수신기(Receiver), 그리고 수신기의 신호를 받아 직접 구동 되는 모터인 서보(Servo mechanism)로 구성됩니다. 무선조종의 원리는 생각보다 간단합니다. 먼저 송신기에서 보낸 명령 신호를 수신기로 받아들이고 받은 신호로 차량을 제어하는 서보로 구동시키는 것이죠.
타요버스 전격해부! 무선조종의 원리를 알아보자!
▲ 타요버스 전격해부! 타요버스 장난감의 송신기 부분
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무선조종에 대해 알았으니 이번엔 타요버스 장난감을 통해 더 쉽게 알아볼까요? 먼저 타요버스 장난감 조종기의 내부 모습입니다. 조종기의 상•하•좌•우 버튼을 누르면 정해진 주파수의 전파를 송신하게 되는데 이 때 주파수는 내부의 크리스탈에서 정해지게 됩니다.
크리스탈이란, 압전효과를 이용할 수 있는 대표적인 물질인데요. 압전효과란 특정 물질에 힘을 가하면 불규칙적인 흐름이 만들어지면서 전위차에 의해 전압이 생기게 되는 것을 말합니다. 이러한 효과를 이용하여 만들어진 주파수는 국내 승인 무선 조종 주파수를 따라야 하는데요. 만약 주파수에 혼선이 될 경우 크리스탈을 바꿔줘야 합니다!
▲ 수신부와 연결된 PCB판과 서브모터
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다음은 타요 버스의 내부입니다. 자세히 보면 은박지로 둘러싸인 수신부가 보이시죠? 그리고 수신부의 신호를 받는 회로기판(Printed Circuit Board)과 장난감을 구동시키는 서브 모터도 보이실 겁니다
송신기에서 보낸 전자 신호가 회로기판을 통해 서브 모터로 전달되는데요. 여기서 회로기판이란, 여러 가지 반도체 부품들과 기타 용도, 기능에 따라 저항, 콘덴서 등의 부품이 장착되어 있는 절연체(전기가 통하지 않는 물체)를 말합니다. 이러한 회로기판은 각종 부품을 바로 연결할 수 있으며 명령신호를 한번에 처리할 수 있습니다. 때문에 시간이 단축되고, 품질도 좋아지므로 무선 송수신기에는 필수 부품입니다.
최근에는 무선조종이 단순히 어린이 장난감에 그치지 않고, 무선조종헬기부터 무선조종잠수함 등 다양한 분야로 발전되어 활용되고 있답니다.
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이번엔 타요 버스와 함께 큰 인기를 누리고 있는 ‘로보카 폴리’에 대해 알아보려 합니다. 이 장난감은 본체와 경광봉으로 구성되어 있는데 봉을 흔들면 앞으로 달리고 버튼을 누르면 봉의 이동에 따라 움직입니다.
▲ 로보카 폴리 장난감이 작동하는 모습
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물체를 인지하는 적외선 센서의 원리
이렇게 신기한 로보카 폴리 속엔 바로 IRED 센서(적외선센서)가 있는데요. 그렇다면, 적외선센서가 무엇이며 원리는 어떻고 응용분야는 어떠한지 한번 살펴보겠습니다.
먼저 적외선이 무엇인지 알아볼까요? 적외선(Infrared)은 사람의 눈으로 볼 수 있는 가시광선보다 더 긴 파장으로 우리 눈에 보이지 않는 전자기파를 말하는데 통상 가시광선 이상의 파장으로 1um 이상을 이야기 합니다. 실제로 우리가 쓰는 적외선 파장영역은 1.5um이하와 3~5um대가 많이 이용되고 있는데요. 이 파장을 이용하여 물체를 인지하는 센서가 바로 적외선 센서입니다.
▲ 전자파의 파장 (출처 : 네이버 지식백과 살아있는 교과서)
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적외선 센서는 크게 발광 센서와 수광 센서로 나누어지는데, 발광 센서는 적외선을 방출하고 수광 센서는 적외선을 감지합니다.
먼저 발광 센서는 적외선을 내보내는 특수한 LED(발광다이오드)에 해당하며 다이오드의 특성을 그대로 가지고 있습니다. 즉, 센서에 걸리는 전압과 센서의 극성이 일치할 때 적외선이 나오고 그렇지 않으면 적외선을 발생하지 않습니다. 수광 센서는 받아들인 적외선의 양에 따라 전류의 양이 변하는 원리를 이용하며 빛의 수신 정도를 파악하는데 이를 통해 물체의 유무 또는 거리 등을 알 수 있습니다.
▲ 적외선 센서 (발광다이오드&수광다이오드) (출처 : ic114)
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나만 따라와! 로보카 폴리 전격해부
▲ 로보카 폴리 속 적외선 센서 (발광다이오드&수광다이오드)
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▲ 로보카 폴리 속 적외선 센서 (발광다이오드&수광다이오드)
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그렇다면 로보카 폴리엔 적외선 센서가 어디 있을까요? 먼저 경광봉에는 적외선을 방출하는 발광 다이오드 IRED가 있고, 본체 앞부분엔 수광 다이오드가 있습니다. 여기서 우리는 수광 다이오드가 두 개인 것을 발견할 수 있는데요. 이는 신호를 받아들이는 두 개의 다이오드가 각각 받은 신호에서 거리를 인지하고 보정하는 역할을 하여 좀더 물체를 정확하게 인지합니다.
경광봉에 있는 발광다이오드는 버튼을 누르면 고유한 주파수의 적외선을 내보내고 수광 다이오드는 이 신호를 받아들여 본체의 기판회로로 전달하게 됩니다. 이후 회로는 주어진 신호를 읽어낸 후 본체가 경광봉을 따라가도록 모터를 돌리게 되고 이 명령에 따라 본체가 움직이게 됩니다.
이러한 적외선 센서는 우리 일상생활 곳곳에서 다양하게 사용되고 있습니다. 그 예로 텔레비전, 에어컨의 리모컨과 자동 개폐문, 엘리베이터의 자동문, 온도계 등 여러 제품에 쓰이고 있습니다. 그뿐만 아니라 위급한 상황을 감지해야 하는 방범. 화재 경보 등에도 쓰이고 있으며 최근엔 자동차 앞부분에 적외선 센서가 사용되어 차간거리 유지, 인체 인식 등에도 활용되고 있습니다.
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▲ 뽀로로 마이크와 악기세트
타요 버스, 로보카 폴리에 이어 이번엔 말하는 소리보다 훨씬 크게 들려주어 어린이들을 깜짝 놀라게 해주는 인기 장난감, 뽀로로 마이크의 원리를 알아보겠습니다.
소리를 증폭시키는 전자기 유도의 원리
마이크로폰(Microphone), 줄여서 마이크(Mic)라고 부르는 이것에 입을 갖다 대고 노래를 부르면 소리가 증폭되는 걸 느낄 수 있습니다. 여기서 말하는 증폭이란 입력 신호에 비례해서 출력 신호를 수백 배까지 증가시키는 것을 말합니다.
▲ 다이나믹 마이크 (출처 : 브리테니커)
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우리가 노래를 부르면 공기에 의해 마이크 내부의 진동판이 움직이게 됩니다. 이 진동판 안에는 코일이 감겨 있는데 외부 진동에 의해 코일이 움직이면서 코일을 둘러싼 영구자석을 통해 교류전류가 흐르게 됩니다. 이 현상을 ‘전자기 유도’라고 하며 다른 말로는 최초 이 법칙을 발견한 물리학자 페러데이의 이름을 따 ‘페러데이의 전자기 유도 법칙’이라고 부릅니다.
▲ 전자기 유도의 법칙 (출처 : 멀티스페이스)
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마이크 안에 흐르는 교류 전류는 엠프를 통해 증폭되며 엠프 안에는 반도체의 한 종류인 트랜지스터가 들어있는데요 반도체를 세 겹으로 뭉친 트랜지스터는 전자회로를 구성하는 요소로 전류나 전압의 흐름을 조절하여 증폭과 스위치 등의 역할을 합니다. 기존의 증폭기 역할을 했던 진공관과 원리는 비슷하지만 효율 측면에선 훨씬 좋습니다. 부피 역시 진공관보다 훨씬 작고 전력 소모가 적을 뿐만 아니라 수명도 반영구적입니다.
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▲ npn형, pnp형 트랜지스터 구조 출처 : encyber.com
트랜지스터는 크게 PNP형과 NPN형 두 가지 종류로 나뉘게 되며 세부적으로는 에미터, 베이스, 컬렉터로 구성되어 있습니다. 에미터(E)는 총 전류를 흐르게 하고 베이스(B)는 전류의 흐름을 제어하는 역할을 합니다. 그리고 증폭된 신호는 컬렉터(C)로 흐르게 됩니다. NPN형의 경우에는 컬렉터 단자에서 에미터 단자 쪽으로 전류가 흐르게 됩니다. 반대로 PNP형은 에미터에서 나가는 방향으로 전류가 흐르게 되는데 이때 베이스 단자의 전압을 변화시키면 전류의 크기가 비례하여 수백 배로 변화하게 되고 이것을 증폭이라고 합니다.
트렌지스터가 숨어 있는 뽀로로 마이크의 원리
▲ 다양한 트랜지스터(왼쪽)와 트랜지스터의 원리(오른쪽) 출처 : 엔지니어 블로그 사이트 / 위키피디아
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그렇다면 트랜지스터가 ‘뽀로로 마이크’의 어디에 숨어 있는지 찾아볼까요? 뽀로로 악기세트에는 스네어 드럼, 심벌즈, 베이스 드럼, 마이크 등으로 구성되어 있답니다. 마이크에는 전자기 유도 법칙에 의해 교류 전류를 흐르게 해주고 베이스 드럼에는 스피커가 달려 있는데 이 스피커는 앰프 역할을 하며 마이크로부터 변환된 교류 신호를 트랜지스터를 통해 증폭시켜 큰 소리를 내게 됩니다.
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▲ LED가 사용되는 장난감의 모습 출처 : 뽀로로 홈페이지
다음으로 살펴볼 장난감 속 반도체, 바로 발광 다이오드(LED)입니다. 뽀로로 드럼 세트, 기타 마이크 장난감 등 시중에 판매되고 있는 다양한 장난감에 LED가 사용되고 있는데요. 이 역시 반도체가 사용되고 있다는 것 알고 계셨나요? 그 원리에 대해 알아보겠습니다.
파장의 길이에 따라 색이 변하는 LED의 원리
▲ 5mm 크기의 RGB LED 모습 출처 : 위키피디아
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먼저 이름부터 살펴보겠습니다. 빛을 내주는 반도체 LED는 영어로 Light Emitting Diode, 즉 ‘빛을 방출하는 다이오드’라는 뜻입니다. 우리나라에서는 ‘엘이디’ 또는 ‘발광 다이오드’라고 부르는데요. LED는 순방향으로 전압을 가했을 때 빛을 내는 다이오드 반도체 소자의 일종으로 현재 장난감은 물론 다양한 곳에 쓰이고 있습니다.
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▲ LED 및 다이오드의 전기기호 모습 출처 : 픽사베이
LED의 발광 원리는 전계 효과로, 어떤 반도체에 전계를 걸어주었을 때 반도체 내의 자유전자 또는 정공들이 인가된 전계에 따라 전기를 흘릴 수 있는 채널을 만들어 주는 효과를 의미하는데요. 즉, 쉽게 말해 (+)쪽에는 (-)인 전자가 모이고, (-)쪽에는 (+)인 정공이 모여서 전극이 생겨나는 원리입니다.
기본적인 원리는 앞서 살펴본 트랜지스터의 원리와 매우 유사하죠? 하지만 전자와 정공의 차이(에너지 띠)에 따라 에너지가 달라지는 만큼 다른 색상의 빛을 띤다는 점이 다릅니다. 대표적으로 빨간색은 610~700nm, 노란색은 570~590nm, 초록색은 500~570nm이며 이처럼 파장의 길이와 재료에 따라 여러 가지 색상을 갖는 것이 바로 LED입니다.
지금까지 장난감 속의 여러 반도체를 알아보았는데요. 우리가 흔하게 접할 수 있는 장난감에 다양한 반도체가 쓰이고 있다니 정말 놀랍죠? 장난감 속에 숨어 있는 반도체를 만날 때마다 영하이라이터들은 너무도 반갑고 즐거웠는데요. 앞으로 반도체 기술이 발전함에 따라 더 신기하고 놀라운 장난감이 등장할 것을 기대하며 반도체의 무한 발전을 기대해봅니다!
