답변 내역

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.반도체는 전기가 통하는 정도를 바깥에서 조절할 수 있는 물질이에요. 금속은 전자가 늘 자유롭게 움직여서 언제나 전기가 통하니, 켜고 끄는 스위치로 쓸 수가 없어요. 실리콘은 전자가 움직이려면 1.1eV 정도의 에너지 문턱(밴드갭)을 넘어야 해서 평소엔 전기가 잘 안 통하다가, 전압이나 빛, 열을 주면 통하기 시작해요. 트랜지스터는 이 성질을 이용해 0과 1을 만들어요.도핑은 이 전도성을 원하는 대로 조절하는 방법이에요. 실리콘은 최외각 전자가 4개인데, 여기에 전자가 5개인 인을 조금 넣으면 전자 하나가 남아 돌아다니고(n형), 3개인 붕소를 넣으면 전자가 빈 자리인 정공이 생겨요(p형). 실리콘 원자 수십만~수백만 개에 하나꼴로만 넣어도 전도도가 수만 배 넘게 바뀌고, 칩의 위치마다 n형과 p형을 나눠 넣어 트랜지스터를 만들어요.실리콘이 주인공이 된 이유는 여러 가지예요. 모래에서 얻을 만큼 흔하고, 불순물이 거의 없는 지름 300mm짜리 완벽한 단결정으로 키울 수 있어요. 표면을 산화시키면 생기는 이산화규소는 매우 안정된 절연막이라 트랜지스터를 만들기 좋아요. 경쟁자였던 게르마늄은 산화막이 물에 녹아버려요. 수십 년 쌓인 공정 기술도 큰 이점이에요.대체 소재도 활발히 쓰이고 연구되고 있어요. 밴드갭이 큰 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)은 높은 전압과 열에 강해서 전기차 인버터나 고속 충전기에 이미 들어가고, 갈륨비소는 통신용 고주파 칩에 쓰여요. 원자 몇 층 두께의 이황화몰리브덴 같은 2차원 소재는 실리콘으로 더 줄이기 어려운 초미세 트랜지스터 후보로 연구되고 있어요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.전류가 변하는 곳에서는 반드시 전자파가 생겨요. 스위칭 전원이 초당 수십만 번 켜졌다 꺼지고, CPU 클록이 수 GHz로 뛰면 회로 기판의 배선이 작은 안테나가 되어 전자파를 내보내요. 이 전자파가 다른 기기의 배선에 들어가면 원래 신호에 노이즈로 섞여요. 헤어드라이어를 켜면 라디오가 지직거리고, 휴대폰을 스피커 옆에 두면 뚜뚜 소리가 나는 게 이런 간섭이에요. 가정에서는 불편한 정도지만 병원 의료기기, 항공기 계기, 자동차 제어장치에서는 사고로 이어질 수 있어요.그래서 EMC 규제는 두 방향으로 기준을 둬요. 기기가 내보내는 전자파를 일정 수준 아래로 묶고, 동시에 외부 전자파를 받아도 오작동하지 않을 만큼 버티게 해요. 모든 기기가 이 두 기준을 지켜야 한 공간에서 함께 쓸 수 있어서, 국내에서는 KC 인증 항목에 포함돼 있어요.설계에서는 노이즈가 전선을 타고 퍼지는 길과 공기 중으로 퍼지는 길을 모두 막아요. 금속 케이스나 차폐 캔으로 회로를 감싸 전자파가 새거나 들어오지 못하게 하고, 전원선에는 필터를 달아요. 노트북 충전 케이블에 달린 원통형 덩어리가 고주파 노이즈를 흡수하는 페라이트 코어예요. 기판에서는 접지면을 넓게 깔고 전류가 도는 고리 면적을 작게 만들어 안테나 효과를 줄여요. 클록 주파수를 좁은 범위에서 조금씩 흔들어 에너지를 넓게 퍼뜨리는 기법으로 특정 주파수에 몰리는 전자파 세기를 낮추기도 해요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.RC 로우패스필터는 저항을 신호가 지나가는 길에 직렬로 넣고, 커패시터를 출력 단자와 접지 사이에 연결한 구조예요. 출력은 커패시터 양단의 전압이에요.커패시터는 주파수에 따라 저항처럼 작용하는 정도가 달라요. 이를 리액턴스라 부르고 Xc = 1/(2πfC)로 계산해요. 주파수가 낮으면 Xc가 커서 커패시터가 거의 끊긴 선처럼 행동하니, 입력 전압이 대부분 출력에 그대로 걸려요. 주파수가 높으면 Xc가 작아져 커패시터가 접지로 통하는 지름길이 되고, 고주파 성분은 출력으로 가지 못하고 접지로 빠져나가요. 저항과 커패시터가 전압을 나눠 갖는 비율이 주파수에 따라 달라지는 거예요.시간으로 보면 더 직관적이에요. 커패시터는 저항을 거쳐 충전되는 데 시간이 걸리고, 그 빠르기는 RC 값으로 정해져요. 천천히 변하는 신호는 충전이 따라갈 수 있어 출력이 입력을 잘 따라가요. 빠르게 오르내리는 신호는 채 충전되기 전에 방향이 바뀌니 출력이 거의 움직이지 않아요.경계가 되는 차단 주파수는 fc = 1/(2πRC)예요. 1kΩ과 0.1μF를 쓰면 약 1.6kHz가 되고, 이 주파수에서 출력은 입력의 약 70%예요. 그 위로는 주파수가 10배 오를 때마다 출력이 10분의 1로 줄어요. 칼로 자르듯 딱 끊기는 게 아니라 서서히 줄어들어서, 더 가파르게 걸러야 할 때는 필터를 여러 단 이어 붙이거나 인덕터·연산증폭기를 함께 써요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.충전기를 꽂아두는 것 자체가 과충전을 일으키지는 않아요. 폰 안의 충전 회로가 100%에서 충전을 끊어요. 문제는 100% 상태로 오래 머무는 것과 열이에요. 리튬이온 배터리는 가득 찬 높은 전압 상태에서 오래 있을수록, 그리고 온도가 높을수록 내부 소재가 빨리 열화돼요. 밤새 베개 밑이나 두꺼운 케이스에 넣은 채 충전하면 두 조건이 겹쳐요. 사용한 지 2년쯤 지나 충전을 500번 안팎 반복하면 원래 용량의 80% 정도로 줄어드는 게 보통이라, 최근 들어 배터리가 빨리 닳는다면 자연스러운 노화도 함께 의심해봐야 해요. 아이폰은 설정의 배터리 성능 상태, 갤럭시는 Samsung Members 앱의 진단에서 확인할 수 있고 80% 아래면 교체를 고려할 때예요.충전 습관은 20~80% 사이에서 쓰는 게 가장 좋아요. 갤럭시는 배터리 보호 기능을 켜면 80%나 85%에서 멈추고, 아이폰은 충전 한도를 80%로 설정하거나 최적화된 충전을 켜면 밤새 꽂아둬도 부담이 줄어요. 충전하면서 게임이나 영상 편집을 하면 발열과 충전이 겹쳐서 수명에 가장 나쁘고, 0%까지 자주 바닥내는 것도 피하는 게 좋아요.설정에서는 화면이 소모량이 가장 커요. 밝기를 자동으로 두고, 화면 주사율을 120Hz에서 60Hz로 낮추면 사용 시간이 눈에 띄게 늘어요. OLED 화면이면 다크 모드도 도움이 돼요. 위치 권한은 앱 사용 중에만 허용하고, 잘 안 쓰는 앱은 백그라운드 사용을 제한하세요. 신호가 약한 곳에서는 5G 대신 LTE로 두면 폰이 전파를 찾느라 쓰는 전력이 줄어요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.백열전구는 얇은 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 2,500℃ 넘게 달궈서 빛을 내요. 뜨거운 물체는 온도에 맞는 빛을 넓은 파장에 걸쳐 내는데, 이 온도에서는 대부분이 눈에 보이지 않는 적외선이에요. 들어간 전기의 90% 이상이 열로 나가고 빛이 되는 건 5% 안팎에 그쳐요.LED는 반도체 안에서 전자가 에너지가 낮은 자리(정공)로 떨어지며 그 차이만큼을 빛으로 내보내요. 에너지 차이가 반도체 재료에 따라 정해져 있어서 처음부터 원하는 가시광선 색만 골라서 내요. 흰색 LED는 파란빛에 노란 형광체를 섞어 만들고요. 그래서 60W 백열전구와 같은 밝기를 LED는 8~9W로 내요.수명도 구조에서 차이가 나요. 백열전구 필라멘트는 켤 때마다 조금씩 증발해 가늘어지다 1,000시간쯤이면 끊어져요. LED는 끊어질 부품 없이 서서히 어두워지기만 해서 2만~5만 시간을 버텨요.싼 LED가 빨리 고장 나는 건 대부분 LED 칩이 아니라 전원 회로 문제예요. 가정용 교류를 직류로 바꾸는 회로에 전해 콘덴서가 들어가는데, 싼 제품은 내열 등급이 낮은 콘덴서를 써서 열에 전해액이 말라버려요. 방열판을 작게 만들거나 칩 수를 줄이고 전류를 세게 흘려 버티게 하는 경우도 많아서, 온도가 올라가며 칩과 형광체가 빨리 열화돼요. 불이 깜빡이기 시작하면 콘덴서가 수명을 다해가는 경우가 많아요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.리튬이온 배터리는 전압이 얼마인지 보면 얼마나 찼는지 알 수 있어요. 충전 칩은 배터리 셀의 전압과 흘러 들어가는 전류를 계속 재면서 충전을 두 단계로 나눠 진행해요.처음에는 일정한 전류를 밀어 넣는 정전류 단계예요. 이때 배터리 전압이 점점 올라가다가 보통 4.2V(고전압 셀은 4.4V 안팎)에 닿으면, 전압을 그 값에 고정하는 정전압 단계로 넘어가요. 전압을 고정하고 나면 배터리가 찰수록 충전기와 배터리 사이의 전압 차이가 줄어들어 전류가 저절로 줄어들어요. 컵에 물을 따를 때 처음엔 콸콸 붓다가 가득 찰 즈음 조금씩 따르는 것과 비슷해요. 전류가 처음 값의 10분의 1이나 20분의 1까지 떨어지면 칩은 완충으로 판단하고 트랜지스터 스위치를 열어 충전을 끊어요. 이후엔 폰이 어댑터 전원으로 돌아가고, 배터리 전압이 조금 떨어지면 다시 살짝 채워줘요.4.2V를 넘겨 계속 충전하면 음극 표면에 리튬 금속이 쌓이고 전해질이 분해되면서 가스와 열이 생겨요. 배터리가 부풀거나 불이 날 수 있어서 이중 안전장치를 둬요. 배터리 팩 안에 별도의 보호회로가 있어 과전압, 과전류, 온도 이상을 감지하면 충전 칩과 관계없이 회로를 차단해요. 요즘 폰에 있는 최적화 충전 기능은 80%에서 한동안 멈췄다가 기상 시간에 맞춰 마저 채워서, 높은 전압에 오래 머무는 시간을 줄여줘요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.평소 조건에서는 거의 안 섞이지만, 절대 불변은 아니에요.물과 기름이 따로 노는 건 서로 밀어내서가 아니라 물 분자끼리 너무 강하게 끌어당겨서예요. 물 분자는 한쪽이 +, 한쪽이 −를 띠어서 서로 수소 결합으로 단단히 붙어 있어요. 전기적으로 치우침이 없는 기름 분자가 끼어들면 이 결합이 끊어지니까, 물은 기름을 밀어내고 자기들끼리 뭉치는 쪽을 택해요. 그래서 기름이 따로 모여 층을 이뤄요.그런데 몇 가지 경우에는 섞여요. 먼저 아주 조금은 실제로 녹아요. 녹는 양이 0에 가까울 뿐 0은 아니에요. 두 번째는 세제 같은 유화제를 넣을 때예요. 세제 분자는 한쪽 끝은 물을, 다른 쪽 끝은 기름을 좋아해서 기름 방울을 감싸 물속에 잘게 흩어놓아요. 설거지할 때 기름기가 씻겨 나가는 게 이 원리고, 달걀노른자가 유화제 역할을 하는 마요네즈나 우유도 기름이 물속에 고르게 퍼진 상태예요. 세 번째는 온도와 압력이 아주 높을 때예요. 물을 374℃, 약 220기압 이상으로 만들면 초임계수라는 상태가 되는데, 이때는 수소 결합이 약해져서 기름과도 잘 섞여요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.스마트폰 같은 기기는 메모리와 배터리가 한정돼 있어서 큰 AI 모델을 그대로 올리기 어려워요. 파라미터 70억 개짜리 모델은 16비트로 저장하면 14GB나 돼요. 그래서 모델을 가볍게 만드는 기술로 양자화와 지식 증류를 많이 써요.양자화는 모델 안의 숫자를 더 적은 비트로 표현하는 방법이에요. 원래 32비트나 16비트 실수로 저장된 가중치를 8비트나 4비트 정수로 바꿔요. 값의 범위를 256칸이나 16칸으로 나누고, 각 값을 가장 가까운 칸에 반올림해 넣는 방식이에요. 70억 파라미터 모델을 4비트로 바꾸면 3.5GB 정도로 줄어들고, 정수 연산은 실수 연산보다 빠르고 전력도 덜 먹어요. 신경망은 작은 오차에 둔감한 편이라 정확도 손실이 크지 않은데, 4비트 이하로 내려가면 성능 저하가 커져서 학습 단계부터 양자화를 고려해 훈련하기도 해요.지식 증류는 큰 모델(교사)이 작은 모델(학생)을 가르치는 방식이에요. 작은 모델이 정답만 배우는 게 아니라 교사 모델이 내놓은 확률 분포 전체를 따라 하도록 학습시켜요. 고양이 사진에 교사가 고양이 70%, 호랑이 20%, 개 5%라고 답했다면, 고양이가 호랑이와 닮았다는 정보까지 학생에게 전해져요. 그래서 작은 모델이 혼자 정답만으로 배울 때보다 더 좋은 성능을 내요.실제로는 두 기술을 함께 써요. 증류로 작고 똑똑한 모델을 만든 다음, 양자화로 한 번 더 줄여서 기기에 올려요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.가속도는 속력이 아니라 속도가 변하는 빠르기예요. 속도는 크기인 속력과 방향을 함께 가진 벡터라서, 속력이 그대로여도 방향이 바뀌면 속도가 변한 거예요. 원을 도는 물체는 매 순간 움직이는 방향이 바뀌니 가속도가 있어요.방향이 중심을 향하는 이유는 속도 변화를 그려보면 보여요. 원운동하는 물체의 속도는 늘 원의 접선 방향이에요. 아주 짧은 시간 간격으로 두 지점의 속도 화살표를 꼬리끼리 맞춰 놓고 그 차이를 그리면, 차이를 나타내는 화살표가 원의 중심을 향해요. 이 가속도는 늘 속도와 수직이라 방향만 틀고 속력은 늘리지도 줄이지도 않아요. 크기는 a = v²/r로, 반지름 50m 커브를 초속 20m로 도는 차는 8m/s²의 구심 가속도를 받아요. 중력가속도의 0.8배쯤 되는 값이에요.힘으로 보면 관성의 법칙과 연결돼요. 아무 힘도 받지 않는 물체는 직선으로 가려 하니, 원을 그리게 하려면 누군가 계속 안쪽으로 당겨줘야 해요. 줄에 매단 공은 줄의 장력이, 커브를 도는 차는 타이어와 도로의 마찰력이, 지구 주위를 도는 달은 중력이 그 역할을 해요. 돌리던 공의 줄을 놓으면 공은 바깥쪽으로 튕겨 나가지 않고, 놓는 순간 움직이던 접선 방향으로 곧게 날아가요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.실의 길이를 늘려야 해요. 추의 질량은 주기에 영향을 주지 않아요. 단진자의 주기는 T = 2π√(L/g)로, 실의 길이 L과 중력가속도 g로만 정해지고 식에 질량이 들어 있지 않아요.질량이 빠지는 이유는 이래요. 추를 원래 자리로 끌어당기는 힘은 중력의 성분 mg sinθ라서 질량에 비례해요. 그런데 그 힘으로 움직여야 하는 관성도 질량 m에 비례하니, 가속도를 구하면 m이 약분돼요. 무거운 공과 가벼운 공이 같은 빠르기로 떨어지는 것과 같은 원리예요.길이는 주기에 제곱근으로 들어가요. 길이를 두 배로 늘리면 주기는 √2배, 약 1.4배가 되고, 주기를 두 배로 만들려면 길이를 네 배로 늘려야 해요. 실 길이 1m인 진자는 한 번 왕복하는 데 약 2초가 걸리고, 4m로 늘리면 약 4초가 걸려요.이 식은 흔들리는 각도가 15° 이내로 작을 때 잘 맞아요. 크게 흔들면 주기가 조금 길어져요. 무거운 추는 공기 저항의 영향을 덜 받아서 오래 흔들린다는 장점이 있지만, 주기 자체를 늘리지는 못해요 :)