[편집자 주]최근 e4ds 전기전자 평생교육원은 오프라인 강좌로 ‘2025 고급 엔지니어 실무 마스터 클래스’를 개최했다. 이 강좌는 중급 과정을 이수하신 현직 개발자 및 회로 설계 실무 경험이 있는 엔지니어를 대상으로 전자회로 설계의 고급 주제와 정밀 계측 환경에서의 실전 문제를 다룬다. 이에 본지는 이번 강좌를 강의하는 신한대학교 전기전자공학과 조성재 교수와 인터뷰를 통해 강좌의 진행 방향 및 엔지니어 교육에 대해 들어봤다. 본 인터뷰는 6회 연재로 진행된다.
 

“센서 신호가 피코암페어(pA) 수준으로 내려가는 순간, 기존의 회로 설계 방식은 더 이상 통하지 않는다”

조성재 신한대학교 교수는 최근 본지와의 인터뷰에서 빛을 이용한 센서와 초저전류 측정 회로 설계의 핵심으로 ‘IV 컨버터(Current-to-Voltage Converter)’를 꼽으며, 단순한 회로 구성 이상의 근본적인 이해가 필요하다고 강조했다.

조성재 교수는 “대부분의 광 센서는 전류 출력 방식이기 때문에 IV 컨버터는 선택이 아니라 필수”라며 “왜 반드시 IV 컨버터를 써야 하는지, 그리고 어떻게 구현해야 하는지를 이해하지 못하면 측정 자체가 불가능해진다”고 말했다.

문제는 측정 대상이 되는 전류의 크기다.

나노암페어(nA), 특히 피코암페어 수준의 전류는 케이블을 타고 이동하는 과정에서 쉽게 누설된다.

조성재 교수는 “센서에서 발생한 pA급 신호를 동축 케이블로 가져오는 순간, 케이블 내부나 기판 표면을 통해 전류가 빠져나가 버린다”며 “뒤에서 아무리 증폭을 해도 이미 사라진 신호는 복구할 수 없다”고 설명했다.

이는 단순한 회로 이론이 아니라 실제 현장에서 반복적으로 발생하는 문제다.

IV 컨버터 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나는 OP AMP 선택이다.

조 교수는 “측정하려는 전류보다 OP AMP의 입력 바이어스 전류가 크면, 신호는 그대로 묻혀버린다”며 “피코암페어를 측정하려면 그보다 훨씬 작은 입력 바이어스 전류를 가진 OP AMP를 사용해야 한다”고 강조했다.

아무리 회로를 정교하게 구성해도 이 조건을 만족하지 못하면 결과는 나오지 않는다는 것이다.

또 하나의 핵심은 피드백 저항이다.

피코암페어 전류를 전압으로 변환하기 위해서는 수 기가옴(GΩ)에서 수십 기가옴에 이르는 초고저항이 필요하다.

조 교수는 “nA 전류를 1V로 만들려면 1기가옴 저항이 필요하다”며 “수백 킬로옴 가변저항을 아무리 돌려도 결과가 나올 수 없는 이유”라고 설명했다.

실제로 대학원 연구나 신규 프로젝트 현장에서 이러한 기본적인 계산을 간과해 시행착오를 겪는 사례가 적지 않다는 것이다.

반면에 고저항을 사용한다고 해서 문제가 끝나는 것은 아니다.

조성재 교수는 “1기가옴, 10기가옴 저항도 외부 환경에 노출되면 먼지나 습기 때문에 표면 저항이 변한다”며 “관리되지 않은 상태에서는 설계값을 유지할 수 없다”고 지적했다.

초저전류 회로에서는 부품 선택뿐 아니라 기판 설계, 환경 관리까지 포함한 종합적인 접근이 필요하다는 설명이다.

조 교수는 이러한 경험을 바탕으로 IV 컨버터 설계에 대한 이론과 실제를 전수하는 강의를 진행하고 있다.

연구소, 대학, 신규 프로젝트 담당자들이 이 강의를 찾는 이유도 여기에 있다.

그는 “이 강좌는 전문가를 양성하기보다는, 쉽게 경험하기 어려운 실패와 시행착오를 공유하는 데 목적이 있다”며 “40년간의 현장 경험을 통해 얻은 노하우를 알면 설계 기간을 단축하고, 제품 고장이나 리콜을 예방할 수 있다”고 말했다.

“안정적인 제품을 만드는 것이 결국 엔지니어의 경쟁력입니다.”  
조성재 교수의 말처럼, 피코암페어를 다루는 기술은 단순한 회로 설계를 넘어 엔지니어링의 철학을 묻고 있다.