전자기기의 빛과 소금 수동소자

[테크월드=신동윤 기자] 수동소자(Passive component 또는 Passive element)는 공급된 전력 외에는 작동하는데 별도의 에너지가 필요하지 않은 소자를 말한다. 이는 전력 이득을 얻을 수 없으며, 에너지원의 역할을 하지도 않는다.

일반적으로 수동소자로는 RLC(Resistor, Inductor, Capacitor), 즉 저항기와 인덕터, 커패시터, 그리고 트랜스포머와 릴레이 등을 말한다.

수동소자는 신호의 전력을 증가시키거나 신호를 증폭하는 등의 기능을 갖지 않으며, 에너지를 단시 소비, 축적, 혹은 그대로 통과시키는 등 수동적인 작용만 할 뿐이다. 하지만 인덕터와 커패시터로 구성되는 LC 회로는 전기 절연체와 같은 역할을 하는 트랜스포머를 통해 공진 주파수의 전기를 저장함으로써 전류나 전압을 증가시킬 수 있다.

수동 수자는 크게 두가지 형태로 나눌 수 있다. 먼저 손실 혹은 소산을 목적으로 하는 소자로, 저항기와 같은 일정기간 동안 외부 회로의 전력을 흡수할 수 있는 용량이 없는 소자를 말한다. 두번째는 입력이나 출력 전원이 없는 무손실의 특성을 갖는 소자로 인덕터나 커패시터, 트랜스포머, 자이레이터(Gyrator) 등이 있다.

전압과 전류를 조절하는 저항기

저항기는 전기의 흐름을 방해한다는 의미해서 저항(Resistor)라는 이름을 갖는 전자부품이다. 저항은 전기 회로에서 전류의 흐름을 방해해 전압이나 전류의 크기를 바꾸는 역할을 한다. 이런 저항과 전압, 전류의 관계를 옴의 법칙이라 부르는 'V = I x R’로 표시하며, 저항의 단위는 Ω(ohm)으로 표시한다.

저항은 형태와 특성, 구현방식에 따라 수많은 방식으로 구분되면, 통상 저항기가 소모할 수 있는 최대 전력을 기준으로 규격이 지정된다. 이렇게 저항기에 따라 최대 허용전력이 다른 이유는, 저항기에서 소모되는 전력이 대부분 열 에너지로 전환되기 때문이다. 이 열 에너지 때문에 저항기의 온도가 상승하며, 허용 온도를 넘어설 경우 저항기가 타버리는 경우가 발생한다.

저항기의 규격은 저항 값과 허용 전력, 사용 온도 범위, 오차 등으로 구성된다. 저항값은 오차 범위 내에서의 대표 값을 말하며, 일반적으로 공칭 저항값이라고 부른다. 이런 공칭 저항값은 저항기의 표면에 컬러 코드로 표시하거나, 혹은 숫자로 표시돼 있다.

저항에서 소비하는 전력은 대부분이 열에너지로 바뀌기 때문에 저항은 많은 열이 나는 부품 중 하나다. 대부분의 저항은 허용 전력 내에서 사용할 경우, 충분히 발열에 견딜 수 있도록 만들어지지만, 냉각이 원활하지 않거나 외부 환경에 의해 온도가 상승할 경우 저항이 타는 경우도 있으며, 또 너무 낮은 온도에서는 외피의 피막에 균열이 발생할 수도 있다. 하지만 전자부품 중 저항은 열에 가장 강한 부품에 속하므로 일반적인 허용치 내에서라면 크게 문제를 일으키지 않는다.

하지만 한가지 주의해야 할 점은 TCR(Temperature Coefficient of Resistance. 온도계수)다. 저항기는 온도에 따라 전기저항값이 변하며, 특히 저항기의 재료에 따라 온도에 의한 저항값의 변화폭이 달라진다. 따라서 정밀한 회로를 구성할 경우에는 저항의 TCR까지 고려해야 한다.

정격전력은 사용온도 범위 내에서 연속동작 상태로 사용할 수 있는 최대 전력을 의미하지만, 실제 설계시에는 저항기에서의 발열을 고려해 2배 정도로 충분한 여유를 두는 것이 일반적이다. 또한 모든 저항기는 공칭 저항값에 대한 오차를 같이 병기한다. 이 오차는 저항값과 마찬가지로 컬러 코드로 표시하거나 저항값을 숫자로 표기할 경우에는 알파벳 문자를 사용해서 표기하기도 한다.

저항은 사용된 재료와 제조 방식이나 형태 등에 따라 다양한 종류가 있을 뿐 아니라 지속적으로 새로운 형태의 저항이 개발되고 있다.

저항의 종류와 특성

일반적으로 가장 많이 사용되는 탄소피막 저항기는 세라믹 봉(Ceramic Rod)를 탄소분말을 피막형태로 입힌 형태의 저항기로 가격이 저렴하고 높은 저항치를 소형으로 제조할 수 있어 높은 정밀도나 높은 전압이 아닌 대부분의 경우에 사용되는 형태다. 하지만 TCR이 커서 온도에 따라 저항값이 많이 변화하며, 전류잡음이 크기 때문에 정밀함이 요구되는 환경에는 사용하기 어렵다.

금속피막 저항기는 세라믹 봉에 니크롬이나 TiN, TaN, 니켈, 크롬 등의 합금을 필름형태로 감싼 형태의 저항으로 정밀한 저항이 필요한 경우 가장 많이 사용되는 저항기다. 특히 고주파 특성이 좋아 디지털 회로에도 널리 사용되며 대량 생산도 용이하고, 온도특성도 좋지만, 탄소피막저항에 비해 가격이 비싸다.

퓨즈형 저항기는 일정 수준 이상의 전류가 흐를 경우 전류를 차단하는 저항기로, 이상 전류를 막음으로써 회로를 보호하는 역할을 한다. 일반 저항들도 정격전압 이상이 흐를 경우 파괴되지만, 퓨즈형 저항기는 이런 특성을 더욱 강화해 만들어진 저항기다.

권선형 저항기는 세라믹 봉에 금속선을 감아 일정한 저항값을 갖도록 만들어진 저항기다. 정밀한 저항값을 만들 수 있지만, 높은 저항값을 만들기는 어렵다는 한계가 있다. 일반적으로 안전성이 매우 높은 정밀 저항기로써, 주로 계측기 등의 특수한 용도로 사용되는 경우가 많다.

시멘트 저항기와 메탈클래드 저항기는 방열 특성을 강화한 저항기로 높은 전력 상황에서의 발열을 최대한 빠르게 발산하기 위한 목적으로 만들어진다. 시멘트 저항기는 저항체를 시멘트 몰드에 넣어 만드는 저항기로 고온에 강하며, 메탈클래드 저항기는방열성을 높이기 위해 금속케이스로 몰딩한 저항기다. 주로 높은 전력을 다루는 부분에 사용된다.

후막 칩 저항기는 SMT(Surface Mount Technology) 공법에 적용하기 위해 만들어진 저항기로 세라믹 기판 위에 저항체를 후막 형태로 얹어 제조하는 방식이다. 고주파 특성이 우수하고 소형으로 만들 수 있어 컴퓨터나 스마트폰 등의 최신 디지털 기기들에는 대부분 이런 후막 칩 저항기가 들어간다고 생각하면 된다.

가변저항기와 서미스터

가변저항기는 저항값을 임의로 변경할 수 있는 저항을 말한다. 일반적으로 볼륨(Volume)이라고 부르는 대부분의 부품은 바로 이 가변 저항이다. 영어권 국가에서는 포텐셔미터라는 용어를 더 자주 사용하지만, 우리 나라에서 포텐셔미터는 보다 정밀한 정밀 가변저항기을 말하는 경우가 많다. 가변저항기는 저항체의 종류나 형태에 따라 다양한 방식으로 구분되며, 일반적인 탄소피막, 금속피막, 권선 등의 저항체 등이 사용된다.

서미스터는 저항기의 일종으로, 온도에 따라 물질의 저항이 변화하는 성질을 이용한 전기적 장치다. 열가변저항기라고도 하며, 주로 회로의 전류가 일정 이상으로 오르는 것을 방지하거나, 회로의 온도를 감지하는 센서로써 이용된다.

서미스터는 주로 폴리머나 세라믹 소재로 제작되며, 온도에 따라 저항이 증가하는 PTC(Positive Temperature Coefficient, 정특성) 서미스터와 온도가 올라가면 저항값이 감소하는 NTC(Negative Temperature Coefficient, 부특성) 서미스터로 구분된다. 일반적으로 많이 사용되는 방식은 NTC 서미스터로 체온계나 온도계, 냉온방기, 그리고 컴퓨터의 메인보드 등에 온도 센서로 널리 사용된다.

배리스터(Varistor)는 전압에 따라 저항값이 변하는 특성을 이용한 저항기로 임계전압 이하에서는 저항이 매우 높고 거의 전류가 흐르지 않지만, 입계전압을 넘어서면 저항값이 낮아져 전류를 흐르게 하는 특성을 이용해 과전압에 의한 반도체 소자의 보호나 고주파 노이즈 필터 등의 용도로 주로 사용된다.

전자기력 통해 다양한 기능 제공하는 인덕터

인덕터는 동선을 나선 모양으로 감은 코일 형태의 전자부품으로 일반적으로 코일이라고 부른다. 전선에 전류가 흐를 때 전선 주변에 발생되는 자기장은 자기력이 되고, 이 전선을 코일처럼 감았을 때 기전력과 역기전력이 발생한다.

코일에 교류전류가 흐를 경우 코일에 발생하는 자속이 변화하며, 이 코일에 다른 코일을 가까이 하면 상호유도작용(Mutual Induction)에 의해 접근한 코일에 교류전압이 발생한다. 또한 코일이 하나만 있는 경우에도 자신이 발생하는 자속의 변화가 자신에게 영향을 주는 자기유도작용이 밠행하며, 이렇게 발생하는 유도작용의 정도를 인덕턴스(Inductance)라고 한다. 인덕턴스는 헨리(H, Henry)라는 단위를 사용하며, 매초 1A의 비율(1A/s)로 전류가 변화할 때, 다른 쪽의 코일에 1V의 기전력을 유도하는 두 코일 간의 상호 인덕턴스를 1H라고 한다.

인덕터의 종류로는 고주파의 감쇄를 위한 초크 코일이나, 코일과 커패시터를 함께 사용하는 LC회로를 이용해 특정 주파수에 동조해 신호를 주출하는 용도로도 사용된다. 이는 TV나 라디오의 동조 회로가 대표적인 사용 예이다. 또한 전원의 노이즈를 방지하기 위한 전원용 초크로 사용되기도 하며, 전압의 변환을 위한 전원 트랜스포머 등으로 사용되기도 한다. 이외에도 릴레이 내부에서 일종의 전자석의 역할을 하는 용도로 사용되기도 한다.

인덕터는 또 다른 분류 방식으로는 전선을 원통형태로 감아 원통 내부를 비우거나 비자성체로 전선을 유지하는 공심 코일, 그리고 철심이나 페라이트 등의 코어에 권선을 감은 코어 코일로 구분된다. 내부의 코일을 움직여 유도 계수를 조정하는 방식도 있다. 코어 코일의 경우에는 도넛 형태의 코어(Toroidal Core)에 권선을 감은 원환 코일 방식도 있다.

전기를 저장하는 기능의 커패시터

콘덴서(Condenser)라고도 부르는 커패시터는 전기를 저장하는 장치로, 두 도체판 이 서로 분리된 형태로 구성돼 있으며, 이 사이에 절연체가 채워진 형태를 갖는다. 각 판의 표면과 절연체의 경계 부분에 전하가 비축된다. 두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에는 -전하가, 양극에는 +전하가 유도됨에 따라 전기적 인력이 발생하면서 전기 에너지가 저장된다.

사실 콘덴서라는 명칭은 일본의 용어가 그대로 국내에 유입된 것으로 한국물리학회의 표준 용어는 ‘축전기’다. 사실 콘덴서라는 용어는 영어권 국가에서는 냉매를 압축하는 응축기라는 뜻으로 더 많이 사용된다.

커패시터는 전하를 정해진 용량만큼 저장하고 다시 이 전하를 방출하는 기능을 함으로써 직류 차단이나 교류 통과, 축전지, 필터 등의 기능을 한다. 커패시터의 전하 저장 용량은 정전용량이라고 하며 영국의 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 이름을 따서 만든 패럿(F, Farad)이라는 단위를 사용한다.

커패시터의 가장 기본적인 동작은 직류는 통과시키지 않고 교류만 통과시키는 동작이다. 직류가 가해지면 전하가 충전되고, 다시 충전된 전압과 반대되는 방향의 회로가 연결되면 방전이 이뤄진다. 이 과정을 빠른 속도로 반복하면 지속적인 충전과 방전으로 인해 교류 전류가 흐르게 된다. 이런 특성을 이용해 교류를 직류로 만드는 정류회로, 신호 전달 시간을 늦추는 지연 회로 등에 사용되며, 이외에도 일정 주파수보다 높은 신호만을 통과시키는 하이패스 필터 등의 용도로 활용된다.

커패시터의 종류는 주로 전극에 사용되는 물질에 따라 분류되며, 주로 많이 사용되는 커패시터의 종류로는 알루미늄 전해 커패시터(Aluminum Electrolytic Capacitor), 고체 탄탈 커패시터(Tantalum Capacitor), 세라믹 커패시터(Ceramic Capacitor) 등이 있다.

특히 최근에는 MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor, 적층 세라믹 커패시터)가 주파수 특성이 양호하고 소형이라는 장점 때문에 디지털 회로에서 바이패스용으로 주로 많이 사용되고 있다. MLCC는 온도 특성도 양호해 온도변화에 민감한 회로에도 많이 사용된다.