PMIC
스마트폰 출현으로 시장성 더욱 확대
일상생활에서 대표적인 휴대형 기기라고 한다면 가장 먼저 휴대폰을 떠올릴 것이다. 전 국민이 하나씩 소지할 만큼 필수품목으로 자리잡은 휴대폰이 오늘날과 같은 편이성과 휴대성을 가진 세월의 역사는 사실 생각만큼 오래되지 않았다. 10년을 조금 넘겼을 뿐이다.
그러나 이제는 휴대폰뿐만 아니라 MP3, PMP, PND, 게임기, 미니노트북, 거기에다 디지털 카메라까지 손에 들거나 또는 가방에 넣고 다녀야 할 휴대형 기기들이 사방에 넘쳐나고 있다. 어디에서든 즐거움을 느끼고 정보를 찾고 외로움을 털어버리려는 유혹이 휴대형 기기들의 범람을 안겨준 것이다.
휴대형 기기는 작고 가벼워야 하며 무엇보다 오랫동안 사용할 수 있어야 했기에 점차 작아지는 부품들과 높아져만 가는 고집적화에 맞춰 소형화(슬림화)와 경량화 흐름이 물 흐르듯 이어져 왔다. 배터리 또한 현재 주종을 이루고 있는 리튬이온 배터리의 밀도를 높여 수명시간을 늘리는데 안간힘을 써 왔다. 또한 수많은 다양한 제품들이 명멸해 가면서 이제는 새로운 디자인에 대한 욕구보다 다양한 기능이 하나의 기기에 통합되기를 바라는 것이 현주소이기도 하다. 오늘날의 이런 분위기는 관련 제조업체들의 공장 라인에서도 엿볼 수 있다. '보이스 전용' 휴대폰의 물량증가가 향후 동결 또는 마이너스로 점쳐지는 것과는 달리 스마트폰은 모델수의 확대에 따라 자연스레 물량증가가 예상되고 있다. 그러나 스마트폰이라 하더라도 휴대형이기에 가질 수 밖에 없는 태생적 한계가 바로 사용시간이다. 한정된 배터리의 에너지를 얼마나 효율적으로 이용해 얼마나 오랫동안 자신의 휴대형 기기를 사용할 수 있느냐는 곧 소비자의 선택에 있어 중요한 고려사항이 될 것이며, 이 문제는 전력반도체 메이커가 살아남기 위한 필요조건이 된다.
쮔 배터리 수명 연장이 살아남기 위한 조건
전력반도체는 디지털 디바이스에 필요한 전원을 만들어 주는 역할을 하는 것으로 모든 전자기기에는 반드시 들어가는 소자이다. 그러나 벽 전원을 통해 전원을 공급받는 것에 비해 휴대형 기기에 사용되는 전력반도체는 상대적으로 효율과 크기가 중요하기에 이를 향상시키기 위한 노력은 치열하기까지 하다. 모든 전자기기에 들어가는 소자인 만큼 그 수요가 막대하기에 많은 반도체 메이커들이 전력반도체 제품을 내놓고 있지만 기술과 노하우가 있어야 시장에서 그 제품의 품질을 인정받는다고 업계 관계자들은 입을 모은다. 특히 아날로그 기술이 뒷받침되어야 하는 만큼 회사의 아날로그 역사도 무시 못 한다는 것이 공통된 의견이다.
과거부터 전력반도체는 지속적인 통합을 이뤄오고 있다. PMIC는 DC/DC컨버터와 LDO 등으로 구성된 하나의 칩으로, 단품 소자들의 집적을 통한 효율향상 보다 사이즈를 줄이는 것에 더 큰 이유를 두고 있다. 휴대형 기기가 다기능화, 멀티미디어화 되는 추세에서 새로운 기능의 추가는 곧 폼팩터의 확장을 염려해야 한다. 기존의 PMIC로는 새로운 기능이 추가될 때마다 곧바로 이를 적용시킬 수가 없어 단품 소자를 통해 전원을 공급해야 했다. 기존의 다른 부분을 줄이지 않는 한 전원 소자를 위한 공간을 마련하려면 당연히 PCB의 면적은 넓어질 수 밖에 없는데 이는 휴대형 기기에 치명적인 약점이 되고 만다. 이에 대해 리니어 테크놀로지의 김태현 이사는 "PMIC는 새로운 기술보다 있는 기술을 한 칩으로 통합하는 개념이다 보니 한칩에 집적시키는 기술을 어떻게 조화시키느냐가 관건"이라고 말한다. 과도한 집적으로 인한 각 소자 간의 간섭이나 집적 이후 발생하는 예기치 못한 부작용을 최소화하기 위해서는 개발 노하우가 필요하다는 것이다. 이에 대해 TI코리아의 한철 이사는 "과도한 집적으로 인한 트레이드 오프는 피할 수 없는 문제"라면서 그렇지만 "통합은 분명한 트렌드"라고 못 박는다. 또한 PMIC의 집적화는 사이즈를 줄이는 것 외에도 단품에서 지원하지 못하는 디지털적인 컨트롤 기능을 지원할 수 있다는 점에서 유의미하다. "PMIC에서는 통합적인 컨트롤이 이뤄지다보니 효율적인 전력관리가 가능하고, 최근에는 통화만 하는 것이 아니라 동영상을 보는 등 여러 기능들을 사용하기 때문에 그만큼 전압 종류도 다양하다. 그래서 통합이 필요하고 유연성을 높이는 것이 중요하다"고 내셔널세미컨덕터의 김치영 부장은 말한다.
쮔 스마트폰 등장으로 PMIC 통합해야
한편 업계에서는 PMIC의 통합을 더 이상 전원 소자들에 국한해 얘기하지 않는다. 오디오 코덱은 물론 스마트폰의 등장으로 두 개의 베이스밴드를 지원할 통합된 PMIC를 당장의 과제로 보고 있다. 기존 휴대폰에서는 베이스밴드 칩이 하나였기에 PMIC도 하나면 충분했다. 그러나 스마트폰에서는 통신용 베이스밴드 칩 외에도 모바일용 운영체제를 위한 애플리케이션 프로세서용 PMIC도 필요해진다. 즉 두 개의 PMIC가 필요해진 것이다. 전체 솔루션 사이즈가 커질 수 밖에 없는 요소이다. 전력반도체 업계에서는 이를 해결하기 위해 두 개의 PMIC를 통합하려는 움직임을 보여왔고 맥심에서는 이미 관련 제품을 시장에 선보였다. 현재 국내 대기업에서 개발하는 스마트폰 단말기에 납품하고 있다는 것이 맥심 하성일 차장의 언급이다.
이처럼 PMIC는 단순히 부품 소자 몇 개만을 통합하려는 움직임에서 벗어나 시스템 레벨 측면에서 전체적 효율성을 향상시키고 가능한 한 모든 부품을 PMIC에 통합하려는 당위성을 설파하고 있다. "PMIC의 타깃은 디스크리트를 없애는 것"이라는 맥심 하성일 차장의 말처럼 향후 휴대폰 단말기의 PCB 위에는 프로세서와 PMIC, 그리고 한 두 개의 소자만 덩그러니 놓여있을 것이다.
앞서 말했다시피 각 부품의 집적을 통한 전체적 솔루션 사이즈의 소형화는 PMIC의 존재이유 중 가장 커다란 부분이다. 그렇기에 PMIC 자체도 칩 크기를 외면할 수 없다. 칩 사이즈를 줄이려면 무엇보다 공정 개선이 필요한데 전력반도체는 CMOS 공정과 바이폴라 공정으로 생산된다. 그중 휴대형 기기를 위한 저전압용 전력반도체는 CMOS 공정으로 이뤄진다. CMOS 공정은 바이폴라 공정과 달리 FET로 구성돼 있고 전압 드라이브 방식이기 때문에 전류 소모가 작아 저전력 제품에 강점을 갖고 있다. 이런 공정상의 차이 때문에 전력반도체가 어느 공정 하에서만 생산된다는 설명은 부적절하다. 시장에 따라 공정이 적용된다고 볼 수 있다.
지금은 업체별로 CMOS 공정 외에도 BiCMOS, BiCDMOS 등 기존의 프로세스를 향상시킨 공정들을 선보이고 있다. 내셔널의 경우 제품에 따라 CMOS7 또는 CMOS9 등 디지털 특장점이나 선폭에 따라 알맞은 공정을 선택해 제품에 적용하고 있으며, 맥심은 저전력 IC와 고전력 IC를 하나의 웨이퍼 상에서 가공할 수 있는 기술인 BiCDMOS 프로세스를 자사 제품 절반 이상에 적용하고 있다고 한다. TI의 경우 LBC7이라는 공정을 적용하고 있는데 전력 제품군이 크게 포터블 분야와 대형 시스템 분야로 나뉘는 TI에서는 포터블용 전력반도체는 모두 LBC7 공정에 의해 생산된다고 한다. 이 공정을 통해 채널당 마이크로 암페어 정도의 저전류 소모를 이룰 수 있다는 것이 한철 이사의 설명이다.
전력반도체는 디지털 소자에 비해 공정이나 미세함에서 그 속도의 보폭이 확연히 다르다. 디지털 코어 제품이 40나노를 오갈 때 전력반도체는 이제야 180나노 시대에 들어섰다. 이는 빠른 처리 속도나 고집적도의 메모리 성능을 요구하지 않는 기능 탓도 있지만 무엇보다 효율과 관련이 깊다. 전력반도체의 경우 패턴이 작으면 작을수록 저항치가 높아진다. 두 개의 선로에 동일한 전류가 흐른다고 했을 때 선폭이 넓은 선로에 비해 선폭이 가는 선로에 저항이 더 높은 것은 당연하다.
전력 소자에서 저항치가 높다는 것은 효율이 떨어진다는 반증이므로 이는 피해야할 요소이다. 180나노에서도 예전 350나노와 같은 효율을 낼 수 있게끔 개발과 검증을 하는데 걸린 시간은 (디지털 소자 입장에서는 굉장히 길게 보이겠지만) 무려 3~4년이다. '무어의 법칙'과 '황의 법칙'을 빌리지 않더라도 시시각각 급변하는 디지털 반도체에 비해 두 세 배 뒤떨어지는 변화인 셈이다.
다음으로 전력반도체에서 빼놓을 수 없는 것이 친환경과 관련된 소자 부분이다. 사실 RoHS나 할로겐 프리 같은 이슈는 기술적인 문제보다 환경적인 면에서 접근해야 한다. 기술의 어려움보다 비용의 문제가 더 크게 다가오기 때문이다. 관련 업계에서는 이미 시행되고 있는 RoHS나 REECH(화학물질관리법)에 대해서는 전 제품에 걸쳐 대응이 완료됐다고 밝히고 있다. 하지만 할로겐 프리 정책에 대해서는 산업계에도 준비할 유예기간이 필요하기 때문에 대부분의 회사들은 올해 말까지 모든 제품에 걸쳐 할로겐 프리를 완벽히 완료한다는 계획들을 말하고 있다.
이중 맥심은 휴대폰 부품의 경우 이미 할로겐 프리 정책을 지켜가고 있으며 그에 따른 비용 증가는 공정 개선을 통해 만회할 것이라고 밝혀 눈길을 끈다. 아울러 TI는 전 제품에 할로겐 프리 공정이 적용돼 있다고 밝히고 있다. 회사의 정책 자체가 친환경으로 결정돼 있기 때문에 비용 증가를 감수하더라도 친환경 제품을 만들려 하고 있고, 또한 고객도 그러한 제품을 요구하고 있으며 특히 (친환경 제품이 아니면)미국 시장에서는 판매조차 어렵다는 것이 한철 이사의 부연 설명이다.
PMIC의 필요성은 '효율'이란 두 글자로 압축된다. 크기의 효율이든, 비용의 효율이든 또는 전력의 효율이든 효율향상에서 비롯된 것이 PMIC이기 때문이다. 그러나 실제 PMIC로 인한 시스템 전체의 전력효율 향상은 그다지 많지 않다. 어차피 각 기능들이 사용할 전력은 정해져 있고 PMIC는 단지 개별 단품들이 공급하는 전원을 한곳에서 관리하는 것 뿐이기 때문이다. 그렇기 때문에 엔지니어들은 PMIC의 효율을 말하기에 앞서 시스템 레벨에서의 효율을 강조하곤 한다. 시스템 레벨 효율은 혼자서 해결할 수 있는 사안은 아니다. 컨수머 기기 메이커와 반도체 메이커의 공조 하에 최적의 효율이 나올 수 있다. "각 디바이스마다 특성이 다르기 때문에 그러한 특성파악은 단말기 업체와의 협업을 통해 이뤄야 한다"고 맥심 하성일 차장을 말한다. 또한 점차 증가하는 각종 멀티미디어 기능은 단지 단말기 메이커뿐만 아니라 멀티미디어 칩 제조회사와의 공조도 필요하게끔 만든다. "특정 목적을 위한 칩이 개발된다면 그 칩의 전원특성을 파악하는 것 역시 중요"하고 "협업을 통해 그것에 맞는 특화된 제품을 내 놓는다"는 것이 내셔널 김치영 부장의 설명이다.
변변한 협의조차 없이 PMIC의 개발과 단말기나 멀티미디어 칩 개발이 따로 이뤄진다면 PMIC를 통한 소형화와 효율 개선은 엇박자를 낼 수 밖에 없다. 그렇기 때문에 각 업체들은 서로의 파트너십이나 전략적 관계를 강조하며 상호 윈윈하는 시스템을 구축하고 있다.
쮔 기술차별성 강조하며 효율 향상에 주력
그러나 파트너사와의 공조를 강조하기에 앞서 선행되어야 할 것은 전력관리 측면에서의 기능성이다. PMIC와 애플리케이션 프로세서와의 유기적 통신을 통해 최적의 성능을 최소의 전력으로 동작하게끔 컨트롤 하는 것이 전력반도체 메이커들이 구현해야 하는 기술인 것이다. 시스템 사용에서 부분적으로 사용하지 않는 블록들은 스탠바이 모드로 셧다운 시키거나 동작 프로세서의 최소 전압을 측정해 그만큼의 전압만을 공급해 소비되는 전력을 줄이려는 등의 노력은 온전히 전력반도체 메이커들에게 돌아간다. 시스템 차원의 효율성을 높이기 위한 지속적인 연구개발이 반도체 메이커들에게 필요한 이유다.
한편, 정해진 용량의 배터리 전원을 이용해 가능한 한 오래 사용하고픈 바람은 PMIC 칩 개선이나 디바이스와의 최적화에만 머무르지 않는다. 각종 테크놀로지들이 최소한의 전원으로 만족할만한 성능을 유지하게끔 해 주고 있다. 몇 가지 예를 들어 보자. 리니어는 뱃 트랙이라는 기술을 통해 휴대형 배터리 충전을 개선시켜 효율을 높이고자 한다. 리니어 차저의 전압 차이를 최소화시켜 열 발생을 줄여 그만큼 효율을 높이는 것이다.
또한 입력전원을 확장시켜 전원 케이블을 이용해 어디서든 쉽게 충전할 수 있게끔 편이성을 높였다고 김태현 이사는 말한다. 내셔널은 파워와이즈 솔루션을 통해 전력효율을 유난히 강조하는 회사이다. 마케팅 자체가 파워와이즈에 초점이 맞춰져 있을 만큼 전력효율에선 자부심이 남다르다. 김치영 부장은 ALS(Ambient Light Sensing)나 DBC(Dynamic Backlight Control) 기술을 이용해 실제 그 화면에서 필요한 만큼 LCD 백라이트를 조절해 전력소비를 줄일 수 있다고 한다.
이 외에도 AVS(Adaptive Voltage Scaling)라는 기술은 동작 주파수에 따라 달라지는 코어 전압에 맞춰 전원을 공급하는 기술로 항상 최대치의 전원을 공급하는 기존의 FSV(Fixed Supply Voltage) 방식에 비해 효율 개선이 뛰어나다고 한다.
TI의 한철 이사는 '스마트 리플렉스' 기술로 이를 실현하려 한다. 전력관리 컨트롤러를 통해 실시간으로 소비되는 전력을 측정해 다이내믹하게 조절해 가는 방법으로 전력소모의 최소화에 근접해 가는 것이다. 맥심의 하성일 차장은 "우리는 효율을 저하시키는 팩터들을 찾아 없애는 방식으로 접근하고 있다"며 그 일환으로 파워 디자인을 할 때 소비전력을 낮출 수 있는 DVS(Dynamic Voltage Scale) 방식을 이용하고 있다고 한다. 또한 DC/DC컨버터의 스위칭 주파수를 높이는 만큼 외부 인덕터는 소형화 할 수 있는데 작은 작은 인덕터를 사용하면 그만큼 저항값이 낮아져 시스템 효율을 높일 수 있다고 한다. 그러나 주파수를 높이면 스위칭 손실이 증가하는데 "이러한 트레이드 오프를 최소화 시키는 것이 기술"이라고 하성일 차장은 말한다.
쮔 전체 시스템 고려해야 효율 개선가능
PMIC도 이제는 그린 개념으로 접근하고 있다. 비록 전체 디바이스 내에서 PMIC가 소모하는 소비전력은 작지만 이것마저도 낮추려 하는 것이 업계의 공통된 관심사이며 PMIC가 집적화를 이루면서도 유연성과 효율성을 강조하는 이유이다. 알다시피 단품 하나로 시스템 레벨의 효율을 높이기는 어렵다. 전체적인 시스템을 고려해야 의미 있는 효율개선이 가능해진다.
또한 현재의 리튬이온배터리가 언제까지 주종을 이룰지 알 수 없을 뿐 아니라 입력전압이나 운영전압도 변화의 흐름에 몸을 던지고 있다. 이러한 외부 환경의 변화에 따른 PMIC의 특성 변화도 고려해야 할 부분이다. 반도체 메이커뿐만 아니라 단말기 업체와 기타 칩 제조업체와의 공조가 필요한 대목이다. 그리고 스마트폰이 유행할 전망이 뚜렷해지면서 PMIC의 시장성도 점차 커져가고 있다. 기능은 많아지되 부품 수는 줄면서 PMIC에는 다양한 기능들이 집적될 것이다. 이래저래 PMIC는 기회와 도전을 한 몸에 받으며 '성장과 성숙의 단계'에 접어 들 것이다.
<김의겸 기자>
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음