소음 없애고… 식물 키우고… 우리집 ‘만능 일꾼’ 반도체

열전 반도체, 냉장고 냉매 없애 진동 ‘뚝’
LED 파장 이용 무공해 식물생장 도와
스마트폰 센서·자율차 시신경 역할도

요즘 한국 경제를 떠받들고 있는 제품으로 반도체를 꼽을 수 있다. 반도체라고 하면 보통 D램, 낸드 등 메모리를 떠올리게 된다. 하지만 대부분이 전자제품에 탑재되어 있는 반도체의 종류는 매우 다양하다. 최근에는 신기한 기능을 가진 반도체들도 제품에 탑재되어 나오고 있다.

반도체는 게르마늄(Ge), 규소(Si) 등 도체와 부도체의 중간 영역에 있는 물질을 말한다. 부도체와 비슷한 상태로 있다가 불순물을 첨가하면 전기 전도도가 늘어나기도 하고, 전류가 일시적으로 흐르거나 방향이 바뀌는 성질이 있다. 이런 물질을 전기회로에 얹어서 필요한 전류적 특성을 얻어낼 수 있게 만든 게 전자장치 반도체다. 얹는 소자에 따라 반도체는 열을 교환하고 빛을 내거나 인식하는 등 다양한 기능으로 변주된다. LG전자는 최근 협탁 형태로 침대 머리맡에 놓고 쓸 수 있는 ‘LG오브제’ 냉장고를 출시했다. 24시간 돌아가는 냉장고가 침대 머리맡에 있으면 소음과 진동 때문에 밤잠을 제대로 들기 어려울 것이다. 하지만 이 제품은 소음이 거의 없다. 냉장고 소음의 대부분을 차지하는 컴프레서가 이 냉장고에는 없기 때문이다.

오브제 냉장고에서 컴프레서와 냉매 역할을 대신하는 물체가 바로 반도체다. 제품에는 LG이노텍이 개발한 열전 반도체 모듈이 들어갔다. 모듈은 소자에 전기를 공급해 냉각·가열을 하거나 온도 차를 이용해 전력을 생산한다. 물체 양쪽에 전류를 흘리면 전류와 함께 열이 흘러 양쪽에 온도 차이가 생기는 ‘펠티어 효과’, 반대로 양쪽 끝에 온도차를 주면 전력이 생기는 ‘제벡 효과’를 응용했다. LG이노텍 열전 반도체는 오브제에 앞서 지난해 LG전자 와인셀러 ‘미니’에도 탑재됐다.

열전 반도체로 컴프레서를 대체하면 냉장고 크기와 소음·진동을 대폭 줄일 수 있다. LG이노텍 관계자는 “냉장고 크기는 최대 40%까지 작고 얇게 만들 수 있고, 소음은 19㏈까지 낮출 수 있다”면서 “컴프레서 방식 냉장고 소음이 29㏈, 방송국 스튜디오 내 소음이 20㏈라는 점을 생각하면 소음이 거의 없다고 볼 수 있다”고 설명했다.

열전 반도체는 냉매를 압축할 필요가 없어 진동도 없다. 진동은 와인을 산화시키는 요인이기 때문에 열전 반도체는 와인셀러에 더욱 적합하기도 하다.

냉장고 외에도 열전 반도체가 쓰이는 곳은 많다. 차량과 선박 운행 중 엔진 등에서 발생해 버려지는 폐열을 전기로 변환해 활용하는 폐열발전으로 연비 향상, 유해가스·이산화탄소 저감 효과를 볼 수 있다. 광 송·수신기 등 통신용 장비에 열전 반도체를 적용하면 부품 온도를 일정하게 유지시켜 데이터 손실을 최소화할 수도 있다.

TV나 스마트폰을 통해 흔히 볼 수 있는 발광다이오드(LED) 역시 반도체의 일종이다. LED는 고해상도로 촘촘하게 설치하면 영상표시장치가 되지만, 발생하는 빛의 파장에 따라 살균, 식물생장 촉진 등에까지 다양하게 쓰인다. 태양광 스펙트럼에서 가시광선보다 짧은 자외선(UV)은 살균 효과를 낸다. UV LED는 자외선을 방출할 수 있도록 반도체 화합물을 이용해 만든 장치다. 정수기나 공기청정기, 피부미용기기 등에 광범위하게 적용되고 있다.

UV LED는 비슷한 기능을 하는 수은램프에 비해 훨씬 작은 크기로, 소형 제품이나 좁아서 살균 장치를 설치하기 어려운 곳에도 적용할 수 있다. 또 화학약품이나 중금속 없이 순수하게 빛으로만 살균하기 때문에 화학물질 유출 걱정을 할 필요도 없다.

LED에서 나오는 빛은 색깔에 따라 식물 생장에 도움이 된다. 이를 이용한 식물생장용 LED 제품이 삼성전자와 LG이노텍 등에서 다양하게 출시되고 있다. 식물생장용 LED는 색깔에 따라 다른 기능을 가진다. 자외선을 방출하는 식물생장용 LED는 식물이 안토시아닌, 루테인 등 항산화 작용을 하는 식물성 화학 성분을 많이 함유하도록 돕는다. 자주색 빛을 내는 LED는 식물의 잎을 두껍게 하고 색을 선명하게 해 준다. 파란색 계열 빛과 짙은 빨간 빛의 LED는 날씨나 환경 변화에 상관없이 광합성을 촉진시켜 생육 기간을 단축시켜 준다. 녹색 빛은 곰팡이 발생을 억제하며, 적황색 파장은 해충의 접근을 막아 준다. 삼성전자가 출시한 백색 기반 식물생장용 LED는 폭넓은 파장대의 빛을 내 식물의 고른 생장을 돕는다. 각종 센서 역시 대부분 반도체 형태다. CMOS(상보성 금속산화막 반도체) 이미지센서는 소자에 들어온 빛을 전기신호로 바꾸는 기능을 한다. 디지털카메라나 스마트폰에 들어가 필름 역할을 한다. 요즘 스마트폰 한 대에 렌즈 여러 개가 적용된 멀티 카메라폰이 유행하는데, 렌즈 여러 개가 들어갈수록 더 작으면서 성능 좋은 이미지센서가 요구된다. 특히 이런 광센서 종류는 자율주행차의 시신경 역할을 하기 때문에 4차산업 혁명 시대에 중요도와 수요가 더욱 높아질 전망이다.

전력반도체는 기기에 들어가는 여러 장치에 필요한 정격 전력을 유지해 주는 역할을 한다. 각 부품에 최소한의 전력을 공급하며 배터리 구동 시간을 늘리기 위해 많이 쓰는데 국내 생산량은 미미해 90% 이상을 수입한다.

김민석 기자 shiho@seoul.co.kr