개념 발전

전자 장치(튜브를 사용한 능동 전동 부품)의 초기에는 모든 것을 전선으로 연결하여 회로를 만들었습니다. 여기서 전선은 인쇄 회로 기판(PCB)의 트레이스가 아니라, 장치의 단자와 능동 부품 및 수동 부품 모두에 납땜되는 실제 전선이었습니다. PCB는 훨씬 나중에 등장했습니다.

오늘날의 상황에서 봤을 때 이처럼 전자 회로를 배선하는 일은 거의 모든 사람이 할 수 있을 정도로 간단했습니다. 처음에는 회로가 더 간단했습니다. 최초의 라디오는 단 하나의 튜브만 필요로 했으며 납땜 기술만 있으면 충분했습니다.

이 간단한 조립 방법의 장점은 아마추어, 전문가, 전자 공학도가 납땜 도구와 전기 부품만 가지고 쉽게 실험할 수 있다는 점입니다. 이 매력적인 새로운 기술이 사람들의 호기심을 자극하면서 애호가 매거진이 초창기에 인기를 끌었습니다.

제2차 세계 대전 이후 전자 장치 키트가 새롭게 등장했습니다. 많은 회사가 해당 부품을 판매했고 완제품을 만들기 위한 부품 조립 방법을 설명한 안내 책자를 제공했습니다. 이 책자에는 조립 부품의 작동 방식과 기능을 설명하는 “작동 원리”가 포함되어 있었습니다. Heathkit, Eico, Precision 등의 회사가 이러한 키트를 생산했으며, 고유한 라디오, 오실로스코프, 텔레비전 등 많은 제품을 제작할 수 있었습니다. 전자 장치에 대해 관심을 갖고 배울 수 있는 좋은 시기였습니다.

튜브에서 트랜지스터로 전환했어도 배선은 간단했습니다. 트랜지스터를 사용하자 회로가 공간을 덜 차지했고, 페놀과 같은 비전도성 스트립에 부착된 납땜 단자 열로 구성된 단자 스트립으로 제작할 수 있었습니다. 이 시기에는 전자 장치 비용의 감소로 인해 회로가 점점 더 복잡해져 갔으며, 더욱 정교한 기능을 구현할 수 있었습니다. 하지만 이러한 복잡성이 커짐에 따라 배선을 단순화할 필요가 늘어났고 PCB가 등장하게 되었습니다.

실무자는 새로운 도구를 사용하지 않아도 되었고 필요한 노하우인 납땜 기술을 이미 갖추고 있었으므로 PCB는 가치가 있었습니다. 경우에 따라 끝부분이 좀 더 작은 납땜인두가 필요했을 뿐입니다. 이러한 초창기 PCB를 만드는 보편적인 방법은 전도성 재료가 필요한 마일라 조각에 불투명 테이프를 붙이는 것이었습니다. 포토 공정을 통해 테이프 패턴을 구리 피복 기판에 “에칭”할 수 있었습니다. PCB 제조 공정이 도입되면서 현장에서 관련 인력이 빠지게 되었는데, 고유한 PCB를 제조할 의향이 있거나 노하우를 가진 사람이 줄었기 때문입니다. 이에 대한 대안으로 비용을 지불하여 PCB 제조를 의뢰할 수 있었지만, 이러한 추가 비용으로 인해 사람들이 현장을 떠나게 되었습니다.

하지만 여러 흥미로운 신제품이 생산되었기에 PCB는 많은 사람에게 매력적인 분야로 남아 있었습니다. 전자 장치는 고도로 발달해서 상상할 수 있는 거의 모든 것을 구현할 수 있습니다. 이는 전기 공학자, 물리학자, 학생, 애호가 또는 흥미와 끈기가 충분한 사람이 연마하는 학문 분야에 큰 도움이 됩니다.

PCB가 등장한 초창기부터 PCB가 부품을 “배선”하는 보편적인 수단이 된 오늘날까지 전자 장치는 변혁의 시기를 거쳤습니다. 이산 트랜지스터에서 집적 회로(IC)로 전환했으며, IC는 전자 장치를 포함한 사전 조립 PCB의 핵심입니다. IC는 복잡한 전자 회로의 크기를 크게 줄였으며 IC의 비용은 실리콘 기판의 소비 면적에 따라 측정되는 크기에 직접 비례하므로, IC도 작아지게 되었고 전자 회로 배선에 PCB 이외의 것을 사용하는 것은 불가능한 일이 되었습니다. 물론 예외도 있지만 일반적으로는 이렇다고 볼 수 있습니다.

IC가 등장한 초창기에는 개념을 발전시키고 다중 계측기와 오실로스코프 같은 일반적인 실험용 계측 전자 장치를 디버그할 수 있었습니다. 비교적 쉽게 장치 핀에 접근하고 회로의 접합 상태를 살펴볼 수 있었지만, 고객은 대형 전자 제품보다 소형 전자 제품을 선호했습니다. 사람들은 휴대성과 향상된 기능 및 낮은 비용을 원했습니다.

전자 제품을 개발하거나 기존 전자 제품을 재설계해야 하는 가장 일반적인 이유는 크기를 줄이면서 기능을 향상하고 비용을 절감하는 것이고, 이를 위한 한 가지 방법은 더 높은 수준으로 통합하여 좀 더 많은 기능을 갖춘 IC의 형태로 제공하는 것입니다. 이 산업의 근간이 반도체 기술을 발전시키고 있습니다. 이러한 변화는 스마트폰에서 확인할 수 있는데, 오늘날의 모델은 이전 모델보다 저렴한 비용에 더 많은 기능이 탑재되어 있습니다. 비용이 더 낮아졌다는 제 의견에 반대하는 분이 있을 수 있지만, 제품 가격과 제품 비용 중 어느 관점에서 보는지가 중요할 수 있습니다. 특정 수준의 기능에 대한 비용은 더 낮고 다른 부분들이 같다면 가격은 사실상 그대로라고 볼 수 있습니다. 기본적으로 제품이 제공하는 기능이 늘어나면 제조업체에게 기꺼이 더 많은 비용을 지불할 것입니다. 결론적으로 앞서 예시로 들었던 스마트폰의 가격은 상대적으로 변하지 않았습니다.

업계는 전자 장치의 비용을 낮추고 크기를 줄이기 위해 IC 패키징을 공략했습니다. 이러한 현상은 1980년대에 급하게 시작되었고 PCB에 대한 의존도가 높아졌습니다. 사용된 패키징 기술은 표면 실장이라고 했으며, 표면 실장 기술이 사용되면서 개별 핀(즉, 단자)을 손으로 납땜하는 것이 불가능해졌습니다. 웨이브 납땜이라는 방법으로 부품을 PCB에 부착하게 되었고, 이를 통해 개념을 발전시키기 위한 PCB 개발이 필수가 되었습니다. 핀을 덮는 패키지가 있는 IC의 모든 핀을 프로빙하는 것은 더 이상 불가능합니다.

표면 실장이 등장하면서 전자 공학도와 애호가들에게는 사실상 극복할 수 없는 문제가 발생한 것입니다. 저는 1990년대 말에 마지막 Heathkit 다중 계측기를 조립했던 것으로 기억합니다. 얼마 지나지 않아 그 회사는 세계적으로 유명한 키트의 판매를 전면 중단하며 두 번 다시 키트 제공 회사로서 활동하지 않았는데, 이는 마치 영화 “라스트 모히칸”을 방불케 했습니다.

앞서 언급했듯이 전자 장치의 비용은 하락 추세에 있고, 이로 인해 전자 제품 산업에서는 지금껏 보지 못한 엄청난 일이 일어났습니다. 회로 기판 자체의 형태로 회로 기능을 구매할 수 있게 되었습니다. IC는 자체 기능이 있지만, 대부분의 경우 이 기능을 작동시키려면 다른 부품을 함께 사용해야 합니다. 이러한 부품은 전원 공급 장치 칩, 클록, 호스트 컨트롤러 등으로 구성됩니다. PCB의 형태로 완벽하게 작동하는 서브 시스템을 큰 비용을 들이지 않고 얻을 수 있습니다. 이러한 PCB에는 모듈이라는 PCB도 있고 시스템 인 패키지(SiP)라는 PCB도 있습니다.

잠재적인 고객들이 기술을 평가할 수 있도록 새로운 PCB를 제공하는 IC 생산 회사 외에 새로운 종류의 전자 장치 공급 회사가 생겨났습니다. 이들은 Mikroe(일명 Mikroelektronika), Adafruit, Seeed, SparkFun 등의 “제조 전문” 회사입니다. 이제 세계에서 가장 정교한 전자 장치를 사용해 개념을 발전시키는 것이 다시 간단해졌습니다.

맞춤형 통합 시스템을 생산하는 데 사용할 수 있는 수천 개의 전자 서브 시스템이 있습니다. 이러한 기성(COTS) 제품은 전문 조직과 아마추어 모두가 사용합니다. 저는 DigiKey에서 일하면서, 판매되는 일부 모듈에 장착된 IC와 동일한 IC도 별도로 판매된다는 사실과 초대형 회사들이 IC뿐만 아니라 IC가 포함된 모듈도 구매한다는 것을 알게 되었습니다! 또한 가장 생산적이고 비용 효율적인 방식으로 제품을 제작할 수 있는 리소스가 있는 회사가 PCB 형태의 좀 더 비싼 폼 팩터로 제품을 구매하는 이유에 대해 생각한 끝에 몇 가지를 깨닫게 되었습니다.

첫 번째 이유는 RF 모듈의 경우 연방 통신 위원회(FCC)와 같은 관리 기관에서 “사전 인증”을 받을 수 있다는 점에서 모듈이 더 높은 가치를 지닌다는 것입니다. 규정 준수 테스트는 시간과 비용이 많이 듭니다. 두 번째 이유는 출시 기간입니다. 시장 규모를 확실히 모르는 경우 최대한 빨리 테스트하는 것이 가장 좋습니다. 시장 규모가 충분하다면 낮은 수준의 설계 방법으로 제품 비용을 줄이기 위해 재설계 과정을 거칠 수 있습니다. 세 번째 이유는 제품의 변경을 위해서입니다. 모듈식 서브 시스템을 사용하면 제품의 기능 세트와 가격대를 더 쉽게 변경할 수 있습니다. 제가 말씀드리고 싶은 부분은 만약 전자 서브 시스템이 가장 낮은 수준의 전자 장치를 설계할 수 있는 리소스가 있는 회사들에 비용 효율적이라면 아마추어와 학생들에게도 충분히 가치가 있겠지만 이게 다가 아니라는 점입니다.

모듈식 서브 시스템 환경에는 다양한 인터페이스가 있습니다. 이러한 인터페이스 중 가장 보편적인 것은 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI), 상호 집적 회로(I²C), 아날로그, 유사 아날로그 펄스 폭 변조(PWM), 범용 비동기화 송수신기(UART), 병렬이며, 이 중 병렬만 광범위하고 다양한 핀아웃이 있습니다. 모듈식 서브 시스템의 95% 이상이 병렬 인터페이스가 필요하지 않으며, 이는 서브 시스템 자체에 적은 수의 핀이 있어서 비용과 가격을 낮게 유지할 수 있다는 것을 의미합니다.

Mikroe는 위에서 언급한 인터페이스의 인기에 힘입어 MikroBUS 표준을 만들어 누구나 자유롭게 사용할 수 있도록 했습니다(그림 1 참조). IC 제조업체는 점점 더 많은 수의 서브 시스템 인터페이스를 채택하고 있습니다. 저는 Microchip이 평가 기반과 개발 기판에 MikroBUS 표준을 채택한 최초의 기업이라고 생각합니다. MikroBUS를 기반으로 한 1,000개 이상의 모듈을 사용할 수 있었기 때문입니다. 기판에 있는 MikroBUS 사이트의 수에 따라 PCB를 (재)배선하거나 조립하지 않고도 사실상 무제한의 개념을 발전시키거나 평가할 수 있습니다. MikroBUS는 현재 전기 인터페이스와 기판의 물리적 특성을 모두 명시하는 널리 인정되는 표준이므로, 거의 모든 수준의 기능과 유연한 정교함에서 개념을 저렴하게 구현하는 것이 다시 간단해졌습니다. 하지만 이게 끝이 아닙니다.

그림 1. MikroBUS 표준(이미지 출처: Mikroelektronika)

Mikroe는 개발 도구 회사이며, “Click” 기판이라고 하는 MikroBUS 표준을 사용한 기판뿐 아니라 개발 도구도 제작합니다. 이러한 개발 도구 중에 “CodeGrip”이라는 도구가 있습니다. CodeGrip에는 USB 인터페이스 외에 WiFi 인터페이스가 존재합니다. 이 중 하나를 연결해 설계상의 모든 서브 시스템을 통합하는 소프트웨어를 작성하고 디버그할 수 있습니다. WiFi에 연결한다는 것은 인터넷에 쉽게 연결할 수 있는 인터페이스가 있다는 것을 의미하는데, Mikroe는 Planet Debug라는 시스템으로 이를 이뤄냈습니다.

Planet Debug를 사용하면 인터넷이 연결된 개인용 컴퓨터에 Mikroe의 통합 개발 환경(IDE)이 설치되어 있는 경우 누구나 전 세계 어디에서든 원격 하드웨어에 액세스할 수 있습니다. 실제로 Mikroe는 사용자가 요청하는 Click 기판을 사용하여 하드웨어를 구성합니다. 이는 개념을 발전시키거나 좀 더 철저히 이해하려는 기술을 배우기 위해 자체적인 하드웨어를 개발하거나 배선할 필요가 없는 수준까지 기술이 발달했다는 것을 의미합니다.

전자 장치에 대해 관심을 갖거나 배우기 좋은 시기입니다. 제 글은 여기서 끝나지만 개념을 계속 발전시키면서 나머지 부분을 알아가는 것은 여러분의 몫입니다.