저전력 스마트 센서의 출발점, 문턱전압
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MOSFET을 동작하게 만드는 문턱전압, 그리고 스마트 센서를 활용한 IoT
개요
IoT 기술은 디바이스, 네트워크, 플랫폼, 분석/소셜 비즈니스, 응용 산업 서비스로 구분된다. 스마트 센서는 빛, 온도, 압력, 터치 등의 입력을 검출하는 역할을 하는 입력 장치로서, 상황인식을 하기 위해 IoT 디바이스에 반드시 필요한 부품이다. IoT 디바이스의 핵심 기술은 지능화된 첨단 스마트 센서를 이용하여 상황인식을 할 수 있는 지능화된 사물을 구현하는 것이다. IoT 디바이스는 전기 플러그를 이용한 안정된 전원을 사용하는 경우보다 일반 배터리를 이용하거나, 에너지 하베스팅으로 전원을 공급하는 경우가 많기 때문에, 전력소모가 매우 작아야 한다. 스마트 센서는 이렇듯 IoT 디바이스에 적용되는 특성상 저전력 특성이 매우 중요하다.
스마트 센서의 전력 소모를 감소시키기 위해서 매우 적은 전류를 소모하는 회로의 개발이 중요하지만, 센서의 저전력 동작 시나리오를 개발하는 것도 매우 중요하다. 수백 MHz나 수 GHz 대역이 필요한 데이터를 주고받는 시스템의 경우, 모든 회로들이 매우 빠른 속도로 동작을 하지만, 센서의 경우는 그렇지 않다. 센서에서 검출 결과를 알려주어야 하는 주기를 리포트-레이트(reportrate)이라고 하는데, 목적에 따라 다르지만 일반적으로 요구되는 리포트-레이트는 수 ~ 수 백 Hz 수준이다. 필요한 리포트-레이트를 고려하여, 실제 센서가 동작해야 하는 시간만 전원을 공급하고, 나머지 시간에는 전원을 차단시키는 방법을 사용하면, 실제 소모되는 전력이 크게 감소된다. MOSFET, 그리고 문턱전압을 활용하면 이런 저전력 솔루션을 이뤄낼 수 있다.
MOSFET과 문턱전압(Threshold Voltage/VTH)에 대한 설명
반도체 소자인 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor/모스펫)은 걸어주는 전압에 따라 전자들이 이동하는 길이 생기거나 막히게 되면서 흐르는 전류를 조절해준다. MOSFET은 인간이 만든 생산품 중 가장 많이 팔린 제품으로, 이런 반도체의 기초가 되는 MOSFET에 대해 알아볼 필요가 있다.
MOSFET의 개념을 알기 전 MOS구조부터 알아야 한다. MOS 구조란 Metal – Oxide – Semiconductor로 금속 – 산화막 – 반도체 구조로 이루어져 있다. 즉, 금속과 반도체 사이에 부도체가 들어있는 적층 구조로 되어있다. 이때 반도체 기판이 N형이면 NMOS, P형이면 PMOS라고 부르며, Oxide는 SiO2로 전류가 통하지 않는다. 이러한 구조는 커페시터와 유사하여 MOS Capacitor라고도 부르는데, 특성을 결정짓는 파라미터로써는 산화막의 두께와, 산화막의 유전율이 중요한 파라미터로 사용된다.
MOSFET의 MOS는 앞서 언급한 내용의 Metal – Oxide – Semiconductor이고, FET은 Field Effect Transistor의 줄임말이다. 즉, 전계 효과(Field Effect)를 활용하는 트랜지스터를 뜻한다. 기본동작으로는 양쪽에 위치한 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 게이트에 인가되는 전압의 양을 통해서 조절하는 것이다. 쉽게 말해 물이 지나가는 통로를 손으로 누르고 풀어줌에 따라 흘러가는 물의 양을 조절하는 것과 같은 원리로 이해를 하면 편하다. 또한, 산화물 아래, 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있는 길을 채널이라고 한다. P기판 위에 형성이 되면 N채널 MOSFET이라 하고 N 기판 위에 형성이 되면 P 채널 MOSFET이라고 한다. N채널의 경우 소스와 드레인의 영역이 n형인 전자로 도핑되어 있다.. 전류가 흐르기 위해서는 채널층에 전자가 존재해야 한다. 반대로 P채널의 경우 소스와 드레인 사이의 채널층에는 정공이 존재해야 한다. MOSFET의 동작 핵심은 이러한 채널을 조절하여 전류를 조절하는 것이다.
추가적인 설명은 다음 링크를 참고하면 좋을 듯하다.
https://www.skcareersjournal.com/2689
이렇게 전류를 조절하는 것에 필요한 것이 바로 문턱전압이다(Threshold Voltage/VTH).
문턱전압은 Threshold Voltage(Vth)라는 단어를 그대로 직역한 용어인데, 디램(D-RAM), 낸드 플래시(NAND Flash) 등의 메모리 반도체부터 시스템집적 반도체(System IC) 같은 비메모리 반도체, 또는 미래의 어떤 능동소자까지 모든 반도체에서 공통적으로 사용되는 개념이다. 방과 방 사이를 구분하는 문턱(Threshold)처럼, 문턱전압은 전류의 흐름이 변하는 전압의 임계점을 의미한다. " MOSFET에서 전류가 흐르게 되어 스위치가 켜지는 시점의 Gate 전압 "이라고 보면 되며, 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되는데 필요한 최소 Gate 전압값이다. 문턱전압 이상의 Gate 전압이 인가되면 Gate Gxide 층 아래 채널이 형성되면서 드레인 전압에 의해 전류가 흐르게 된다. 문턱전압 이상의 Gate 전압에서 전류가 exponential 하게 증가한다.
저항의 입장에서 본 문턱전압은, MOSFET 상에서 전류가 흐르지 않던 상태가 전류가 흐르는 상태로 반전되는 시점의 전위장벽인 전압이다. 전류가 흐르기 시작하면 문턱전압으로 인한 저항치는 급격히 감소한다. 한강의 댐을 예로 들어 보면 댐의 상단까지 물이 차지 않으면, 댐 반대쪽으로는 물이 흐르지 않는다. 하지만 저장된 물의 높이가 댐보다 높아지면, 물이 흘러넘쳐 반대쪽으로 흐르게 된다. 전류가 물이라면, 댐의 상단 높이가 문턱 전압(Vth)인 셈이다.
문턱전압을 넘기 전에는 트랜지스터의 입력단 저항과 출력단 저항의 크기가 거의 동등하게 높다. 문턱전압을 넘어서면, 출력단 저항이 급격히 낮아져 전류가 쉽게 흐르게 된다. 트랜지스터(Transistor)는 Trans(전하다)+Resistor(저항)의 합성어인데, 저항을 입력단에서 출력단으로 전달(Transfer)하며 저항값을 낮춘다는 뜻이다. 즉, 입력단과 출력단의 저항 차이를 조절해 적정량의 드레인 전류를 흐르게 할 수 있다는 말이다.
MOSFET에서의 문턱전압은 전류가 소스 단자에서 드레인 단자로 본격적으로 흐르는 시점의 게이트에 바이어스 된 전압이다. 게이트 전압이 문턱전압보다 크면 트랜지스터가 켜지고(ON), 문턱전압보다 낮으면 꺼지게(OFF) 된다. 트랜지스터가 꺼지면, 전류가 흐르지 않는다. 트랜지스터가 켜지면, 저항이 매우 낮은 전도(Conduction) 물질에 충분한 전류가 흐르게 된다. 트랜지스터가 켜졌을 때, 드레인 전류가 흐를 수 있는 주변 여건을 보면, 먼저 전류가 이동할 수 있는 채널이 만들어진다. 그리고 전자를 끌어당기는 드레인 전압인 +Vd가 인가되어 소스 전압이 주변보다 낮게 형성된다.
문턱전압이 너무 높으면 채널이 형성되기 위해 너무 많은 전압이 필요하여 높은 전력이 요구되고, 너무 낮으면 원치 않는 상태에서 트랜지스터가 ON 될 가능성이 존재하여 누설전류(leakage current /트랜지스터가 OFF 되어 있음에도 불구하고 흐르는 전류)가 발생할 수 있다. 따라서 문턱전압을 잘 설정하고 제어하는 것이 매우 중요하다.
모든 기술을 개발할 때마다 시행착오를 통해 공정변수와 문턱전압을 포함한 제품의 각종 파라미터가 새롭게 조정되는데 이런 과정마다 문턱전압의 값을 어떻게 설정하느냐에 따라 문턱전압과 관련 있는 파라미터들이 조정되기 때문에, 반도체에서는 문턱전압을 가장 중요한 핵심요소 중 하나로 여긴다.
위와 같은 요소들이 문턱전압에 영향을 끼치는 요소들이며, 이를 반드시 잘 고려해야만 한다.
활용 사례
문턱전압은 IoT 디바이스들이 효과적으로 구현되기 위한 필수적인 기술이라고 볼 수 있다. 반도체 소자인 MOSFET에 사용되어 저전력 솔루션이 구현 가능 해져야만 IoT 디바이스들도 단순히 데이터처리능력, 저장공간 등의 성능이 좋으면 끝나는 것이 아니라 디바이스의 소모 전력을 최소화하여 높은 전력 효율을 목표로 삼을 수 있게 된다. IoT의 급성장은 초저전력 반도체 소자기술을 요구하고 있다. 이러한 반도체 시장의 변화에 능동적으로 대응하고 변화를 주도하기 위해서는 고에너지 효율의 차세대 반도체 소자 개발이 매우 중요하다. MOSFET을 대체 혹은 보완할 차세대 초저전력 반도체 소자인 TFET 등의 연구 및 개발도 계속해서 이루어지고 있다.
IoT 디바이스를 활용하는 대표적인 사례로는 삼성의 “Smart Things”와 LG의 “ThinQ”의 국내 스마트홈 양대산맥의 두 기업이 있다. 아래의 URL 링크를 참고하거나, 검색 엔진에 해당 스마트홈 사이트를 검색하면 된다.
https://www.samsung.com/sec/smartthings/
https://www.lge.co.kr/lg-thinq
어떤 디바이스를 활용하고 있는지, 어떤 부분에서 활용되는지, 또는 AI와 어떻게 결합되어 AIoT형태로 구현이 되고 있는지를 중점적으로 보면 좋을 듯하다. 추가적으로 해외 기업들인 애플, 구글, 아마존 등의 스마트홈 서비스들을 추가적으로 찾아봐도 좋겠다.
기술과 사례에 대한 인사이트
IoT가 우리 일상에 완전히 녹아들게 될 때까지 그리 오랜 시간이 남지 않았다는 사실은 이미 모두가 알고 있다. 삼성, LG를 비롯하여 무수한 기업들이 IoT가 가져다주는 삶의 혁신과 편리함에 초점을 맞추고 있다. 이런 효용을 가져다주는 IoT 디바이스들이 특정 분야, 특정 용도에 국한되어 사용되지 않고 우리 일상 속에서도 많은 부분을 담당하게 되려면 디바이스의 전력소모를 줄이고 전력효율을 챙겨야 한다. 그런 저전력 스마트 센서의 출발점이 바로 문턱전압을 아는 것에서 나오고, 문턱전압에 영향을 주는 다양한 요인들을 확실하게 고려하여 효율적인 가정 IoT, 넘어서는 더욱 다양한 분야에까지 상용화될 수 있어야 한다.
함께 생각해 볼 만한 논점
Q1. 센서의 전력효율이 좋아져 보다 많은 곳에서 IoT를 활용할 수 있게 된다면, 일반 소비자, 특히 일반 가정에서 활용하면 좋을 것 같은 상황이 있다면?
Q2. IoT 디바이스들이 보다 상용화되지 못하고 정체되어 있다고 생각하는지? 정체되어 있다고 생각하면 부족한 전력효율 말고 어떤 문제가 있다고 생각하는지?
Reference
https://news.skhynix.co.kr/post/threshold-voltage-mosfet-operation
https://www.skcareersjournal.com/2689
http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?m_temp1=4611
https://koreascience.kr/article/JAKO201607559762961.pdf
https://koreascience.kr/article/JAKO201607559762958.pdf
