정보 통신의 사회에서 센서는 우리에게 다양한 편익을 가져다줍니다.
센서는 다양한 신호를 감지한 후 이를 전기 신호로 바꾸고, 이들 전기 신호는 여러 통신 방식을 통해 근거리나 원거리로 전달이 되며, 전달된 신호는 메모리에 저장되거나 시스템 반도체를 거쳐서 처리(연산, 변환, 해석, 제어 등)된 후 디스플레이에 표시되거나 여러 작동기(actuator)들을 통해 변환됩니다.
데이터의 저장과 처리
실리콘 반도체에 있어서 메모리 반도체는 정보를 저장하는 역할, 시스템 반도체는 연산이나 변환처럼 정보를 처리하는 역할을 하게 되죠. 메모리는 휘발성과 비휘발성으로 나뉩니다. 즉, 전원이 끊어질 때 저장된 데이터가 사라짐과 유지됨으로 구분하죠.
메모리에서 가장 많이 회자되는 램(Random Access Memory, RAM)은 휘발성 메모리로서 데이터나 프로그램을 일시적으로 저장하는 역할을 합니다. D(Dynamic)램과 S(Static)램으로 세분되며, D램은 정기적으로 리플레시를 하여야 데이터가 소실되지 않고, S램은 리플레시가 필요 없죠. S램이 사용은 편하나 셀면적이 크다는 단점이 있는 반면에 D램은 커패시터로 이루어져 셀 면적이 작아 고집적, 대용량화에 유리합니다.
전원을 끊어도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리에는 롬(Read Only Memory, ROM)과 플래시 메모리가 있습니다. 롬은 읽기 전용 메모리로 수정할 필요가 없는 프로그램이나 데이터의 저장에 사용됩니다. 제조 과정에서 이미 데이터가 기록되기도 하고, 혹은 사용자가 직접 기록할 수 있는 P(Programmable)롬 등이 있죠. 사용자가 데이터를 지우고 다시 쓸 수 있는 E(Erasable)P롬이 대표적으로 미완성 프로그램의 일시적인 저장 등에 사용됩니다. 플래시 메모리는 데이터를 전기적으로 쓰고 지우는 E(Electrically)EP롬의 일종으로, 데이터를 쓰기만 하는 롬과 읽고 쓰는 램의 중간형으로도 보고 있습니다. 별도의 메모리 카드(Universal Serial Bus, USB)로 많이들 사용하죠.
셀 구조에 따라서는 NOR형과 NAND형으로 분류하는데, NOR 플래시의 경우 셀들이 병렬 연결된 구조로 데이터 유지의 신뢰성은 높은 반면에 집적도가 상대적으로 낮아 대용량화에 한계가 있고, 고속 동작에서도 불리하므로 주로 기기 안에서 프로그램을 저장하는 용도로 사용됩니다. NAND 플래시는 셀면적이 작아 대용량화에 적합하여 메모리 카드로 활발히 사용되고 있습니다.
메모리 반도체가 공급자 주도의 제품이라면 시스템 반도체는 사용자가 요구하는 제품이죠. 따라서 시스템 반도체의 종류와 용도는 더욱 다양합니다. 기본적으로는 반도체 소자에서 메모리 반도체를 제외한 나머지, 즉 비메모리 반도체를 전부 시스템 반도체로 생각해 볼 수도 있죠.
즉, 기억과 저장을 제외한 연산과 제어, 신호 처리와 감지 등의 작동을 하며 크게 묶어서 마이크로 컴포넌트와 아날로그 IC, 그리고 로직 IC로 구분할 수 있습니다. 마이크로 컴포넌트는 기기의 작동과 제어에 필요한 명령어를 담고 있죠. 컴퓨터에서 기억, 연산, 해석, 제어를 담당하는 중앙 처리 장치(Central Process Unit, CPU)가 대표적인데 이를 집적화 기술로 소형화하여 여러 전자기기 등에서 활용할 수 있도록 한 것이 마이크로프로세서(Micro Processor Unit, MPU)입니다.
이와 함께 컴퓨터 등의 그래픽을 담당하는 GPU(Graphic Processor Unit), 디지털 신호의 연산을 지원하는 DSP(Digital Signal Processor), 그리고 MPU에 메모리 기능까지 추가하여 칩 자체가 하나의 컴퓨터 역할을 하는 MCU(Micro Controller Unit)까지도 마이크로 컴포넌트의 범주에 속합니다.
아날로그 IC의 경우, 우리 주변의 자연 신호들과 같은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화하는 집적 회로이며, 넓은 의미로는 트랜스듀서(변환기)나 센서(감지소자), 이에 더하여 전력 반도체까지 포함하죠. 빛을 전기 신호로 변환하는 영상 센서, 전력을 변환하고 처리, 제어하여 최적의 전력 효율을 맞추는 PMIC(Power Management IC) 등을 일례로 들 수 있습니다.
영상 센서를 비롯한 광반도체, 광전 집적회로(Opto-Electronic IC, OEIC)의 경우 수요와 활용 가능성의 확장을 감안하여 별도로 구분하기도 합니다. 로직 IC는 AND, NAND, OR, NOR와 같은 논리 회로를 집적한 반도체입니다. 범용 IC와 전용 IC로 구분할 수 있죠. 디스플레이 화면을 작동시키는 DDIC(Display Driver IC)와 T-CON(Timing Controller), 다양한 미디어를 구동하는 미디어 IC, 설계된 하드웨어를 프로그래밍하여 구현, 검증하는 PLD(Programmable Logic Device), FPGA(Field-Programmable Gate Array) 등이 범용 로직 IC에 해당하며 전용 IC에는 디지털 TV나 스마트 모바일 기기에서 CPU 역할을 하는 AP(Application Processor)나 차량용 반도체 등이 있습니다.
데이터의 입력과 출력
이상, 정보 통신 체계에서 데이터의 흐름에 있어서 주로 데이터의 처리와 저장을 하는 시스템 반도체와 메모리를 살펴보았습니다. 이에 더하여 신호의 감지를 위한 센서, 출력 장치에 해당하는 디스플레이나 작동기에도 실리콘 반도체 소자나 부품들이 개발되어 적용되고 있죠. 특히 센서와 작동기에는 초소형 전자기계장치(Micro Electro Mechanical System, MEMS)로 불리는 기술이 대세화되고 있으며 실리콘 반도체 분야에서도 반드시 짚고 넘어가야 할 기술 영역입니다.
두 가지 용어가 나왔어요. 센서와 작동기. 센서는 주로 입력부에 존재하고 작동기는 출력부에 해당하죠. 센서가 신호를 감지하고 작동기는 이 신호에 따라 필요한 동작을 합니다. 센서와 작동기 공히 하나의 신호를 다른 신호로 바꿔준다는 의미에서는 같습니다.
다만, 센서의 경우 데이터를 전송하고 후속 전자기기들이 신호를 읽을 수 있게 하려면 감지된 신호를 전기적인 신호로 변환하여야겠죠. 반대로 작동기는 전기 신호가 들어가서 필요로 하는 행위들로 변환되는 것입니다. 따라서 센서와 작동기, 둘 모두를 묶어서 변환기(transducer)라고 총칭합니다. 용어 그대로 신호를 변환한다는 의미이죠. 센서의 출력은 전기적 신호, 작동기의 입력도 전기적 신호이겠죠. 센서의 입력과 작동기의 출력은 필요에 따라 달라지겠습니다.
예를 들어 누군가 이야기를 하면, 즉 음성 신호를 보내면 이를 전기 신호로 바꿔주는 변환기는 마이크로폰, 즉 센서입니다. 전기 신호들은 전파를 타고 어딘가로 보내져서 누군가가 이야기를 들을 수 있도록 다시 음성 신호로 바뀌죠. 이 변환기는 스피커로 작동기에 해당합니다. 우리가 늘 곁에 두는 스마트 폰에서 사진 촬영을 위한 카메라 센서, 말하고 들을 수 있는 마이크로폰과 스피커, 화면을 움직이거나 신호를 넣을 수 있는 터치 센서 등이 이러한 센서와 작동기들에 해당합니다.
스마트 폰에 신호를 넣어 멀리 있는 집의 문을 개폐하는 스마트 홈의 기능, 그리고 공장 굴뚝에서 뿜어 나오는 연기 성분을 측정하여 이산화질소와 같은 유해 성분들을 감지, 신고하여 환경 정화에 기여하는 착한 행동들도 변환기들, 즉 센서와 작동기들이 있기에 가능합니다. 그리고, 이러한 실리콘 웨이퍼 위에 전자 기계적으로 동작하는 센서와 작동기를 제작하는 기술이 MEMS이며 이는 실리콘 반도체의 또 다른 영역입니다.
센서와 작동기들의 상당 부분은 MEMS 기술 기반의 가공 공정과 집적회로 공정을 통하여 주로 실리콘 웨이퍼를 비롯한 반도체 기판 위에 만들어집니다.
웨이퍼 레벨의 일괄 공정 후 절단 과정을 통해 센서 칩이 되어서 소형이고(micro-), 하나의 칩 혹은 하나의 패키지 안에 온도와 습도, 가속도와 각속도 등과 같이 상호 연관성이 있는 여러 센서를 넣을 수 있고(multi-), 연관 센서들 간에 데이터를 공유하여 더욱 가치 있는 데이터들로 가공을 하고(fused-), 이에 더하여 센서 칩이나 단일 패키지 안에 집적 회로들을 설치함으로써 신호 처리와 분석을 통하여 스스로 생각하고 판단하는 기능이 더해지며(smart-, intelligent-), 궁극적으로는 센서 간 연결은 물론 데이터 전송까지 가능하게 되죠(connected-).
이처럼 센서들이 작아지고 여러 신호들의 동시 측정이 가능하고, 회로를 통하여 각각의 센서 데이터들이 변환, 처리가 되어 전송까지 이를 수 있는 이유는 반도체 공정과 MEMS 공정을 병용하여 웨이퍼 위에 센서와 작동기, 그리고 회로들을 일괄, 대량 생산할 수 있기 때문입니다(integrated).
따라서 실리콘 웨이퍼에 제작된 MEMS형 센서와 작동기에는 초소형(micro-), 복합화(multi-), 지능형(smart-, intelligent-), 그리고 집적화(integrated-)라는 형용사들이 붙어 새롭고 신선한 이름들이 붙여지고 있습니다.
