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전기 이중층 커패시터란?

전기이중층 커패시터는 전극과 전해질 계면에 형성된 전기이중층을 이용해 전하를 저장하는 커패시터로, 특히 에너지 밀도가 높은 것이 특징입니다. 에너지 밀도가 높기 때문에 니켈수소전지나 리튬이온전지와 같은 이차전지와 자주 비교되지만, 전지는 충방전 시 화학반응을 수반하는 반면 전기이중층 커패시터는 물리적인 전하의 흡착만으로 화학반응을 수반하지 않습니다.

따라서 전기이중층 커패시터는 에너지 밀도(단위 중량 또는 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양)는 이차전지에 비해 떨어지지만, 출력 밀도(순간적으로 뽑아낼 수 있는 전력의 크기)와 반복적인 충방전으로 인한 성능 저하(수명)가 매우 적다는 것이 장점입니다. 장점으로 꼽을 수 있습니다.

전기 이중층 커패시터의 사용 용도

전기이중층 커패시터는 축전 장치로 활용되고 있으며, 많은 에너지를 필요로 하는 용도로는 이차전지가 적합하지만, 빠른 충방전이 필요하고 내구성이 요구되는 곳에서는 전기이중층 커패시터가 선택되고 있습니다.

구체적으로 모바일 기기 등 전자회로의 백업용 전원, 프린터, 복사기, 전동 칫솔, 태양전지 시계 등에 사용되고 있습니다. 소행성 탐사선 ‘야부사’의 로봇 동력 시스템, 자동차 감속 시 에너지 회생에도 활용되고 있습니다.

전기 이중층 커패시터의 원리

전기이중층 커패시터는 활물질의 계면에 발생하는 전기이중층을 이용하여 커패시터로 만들어집니다. 커패시턴스 커패시턴스는 ‘C=εS/d’라는 공식으로 정의되며, 이 공식에서 커패시턴스 C를 크게 하기 위해서는 다음과 같은 대책이 필요합니다.

• 활물질의 표면적(S)을 크게 한다.
• 전기 이중층의 두께(d)를 작게 한다.
• 전해액의 유전율(ε)을 높여야 한다.

전해질은 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 등의 전해질을 유기용매에 용해시킨 것, 양극과 음극의 활물질은 활성탄이 사용되며, 정전용량을 크게 하기 위해서는 다음과 같은 대책이 필요합니다.

• 표면적이 큰(입경이 작은) 활성탄을 사용한다.
• 이온 반경이 작은 전해질 사용한다.
• 고유전율의 유기용매 사용한다.

커패시터의 충방전은 전해액 내의 양극과 음극의 이온이 각각의 전극에 흡착되면, 전해액과 전극의 계면에 전하가 짝을 이루도록 전하가 증가하는 작용을 이용하고 있습니다. 저장된 전하가 방전되면 이온이 전기이중층에서 탈착됩니다. 전기이중층 커패시터의 형태는 원통형과 적층형이 있습니다. 원통형은 양극, 음극, 분리막을 겹겹이 쌓아 원통에 넣은 후 전해액을 주입하기만 하면 되기 때문에 생산이 용이하다는 장점이 있습니다.

전기 이중층 커패시터의 기타 정보

1. 전기 이중층 커패시터의 수명

전기이중층 커패시터는 배터리와 달리 충방전 시 화학반응이 일어나지 않습니다. 이 때문에 이차전지의 경우 1000회 정도면 초기부터 용량이 크게 감소하는 반면, 전기이중층 커패시터는 원칙적으로 100만회 충방전해도 성능 저하가 거의 없는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 실제로는 다음과 같은 요인에 의해 전기이중층 커패시터의 용량이 감소합니다.

• 충방전 시 내부 저항에 의한 발열로 인해 온도 상승에 의한 열화가 발생하여 용량이 감소합니다.
• 사용 환경 온도가 10℃ 올라갈수록 열화 속도는 2배로 증가합니다. (사용환경 70℃ 이하에서)
• 사용 상한 전압 이상의 전압이 커패시터에 가해지면 전해액이 분해됩니다.
• 전기 이중층 커패시터를 사용할 때는 수명에 미치는 영향을 고려하여 온도 상승, 직렬 및 병렬로 사용하는 경우 전압 및 전류 편차 등에 주의해야 합니다.

2. 전기 이중층 커패시터의 단점

전기 이중층 커패시터의 단점은 다음과 같습니다.

드라이 업
전기 이중층 커패시터의 밀봉부에서 전해액이 외부로 증발하는 현상으로 인해 발생합니다. 이 단점은 비등점이 높은 전해액을 사용하거나 봉지부를 작게 만들면 줄일 수 있습니다.

액체 누출
밀봉하고 있는 부틸 고무가 열화되어 액체가 누출될 수 있습니다. 고무를 열화시키는 원인이 되는 수분이 내부로 침투하기 어렵도록 밀봉부를 작게 만들어 억제할 수 있습니다.

교류 회로에서 사용 불가
직류회로의 전원 백업 등 2차 전기적 사용을 전제로 하고 있기 때문에 교류회로에는 사용할 수 없습니다.

탄탈 콘덴서란?

탄탈 콘덴서는 전해 콘덴서의 일종으로, 유전체에 탄탈륨 산화물을 사용한 콘덴서입니다.

전해 커패시터란 알루미늄이나 탄탈륨 등의 산화막을 유전체로 사용한 커패시터를 말합니다. 일반적인 특징으로는 ‘커패시턴스가 큰 것’과 ‘전압의 극성이 있는 것’을 들 수 있는데, 탄탈륨 커패시터는 희소금속인 탄탈륨의 표면을 산화시켜 오산화탄탈륨(Ta2O5)을 형성하고 이를 유전체로 삼은 것입니다.

탄탈 콘덴서는 알루미늄 전해 콘덴서보다 크기가 작고 수명이 길며, 온도 변화에 강하고 주파수 특성이 좋은 특징이 있다. 반면 주재료인 탄탈륨은 매우 고가이기 때문에 커패시터로서는 상대적으로 가격이 높습니다.

또한 파손 시 전극 간 단락의 위험이 있습니다. 따라서 적절한 사용법을 지키는 것이 중요합니다.

탄탈 콘덴서의 사용 용도

탄탈 콘덴서의 용도는 매우 광범위하여 휴대폰, 컴퓨터, 게임기, 내비게이션, 오디오 기기 등 모든 전자기기에 사용되고 있습니다. 알루미늄 커패시터에 비해 고주파 특성 및 온도 특성이 우수하여 높은 주파수에서 전류를 ON-OFF하는 스위칭 전원의 평활 회로에 사용됩니다.

또한, 전원 회로의 스파이크 노이즈를 흡수하는 디커플링 커패시터도 최적의 용도 중 하나입니다. 또한, 백업 커패시터로서 일시적으로 전원을 유지하기 위한 용도로도 사용됩니다.

최근에는 소형화가 진행되어 0.5mm 높이의 제품도 등장하여 휴대폰, PC 등의 소형화에 기여하고 있습니다.

탄탈 콘덴서의 원리

탄탈 콘덴서는 음극, 유전체, 음극의 세 가지로 구성되어 있습니다.

1. 양극

재료는 탄탈륨으로 소결된 금속 막대를 통해 전극에 연결됩니다.

2. 유전체

양극의 탄탈륨을 산화시킨 오산화탄탈륨 박막이 유전체가 됩니다. 오산화탄탈륨과 음극 사이에는 일종의 다이오드가 형성되어 역방향 바이어스가 유지되는 상태에서는 정전 용량을 갖지만, 순방향으로 전압이 인가되면 큰 전류가 흐르게 됩니다.

이것이 탄탈 콘덴서에 극성이 있는 이유입니다. 또한, 오산화탄탈륨의 층은 매우 얇기 때문에 커패시턴스를 크게 할 수 있습니다.

3. 음극

음극 재료로는 이산화망간 또는 전도성 고분자가 사용되어 전극과 전극 사이의 전도를 보장합니다. 전도성 고분자는 이산화망간보다 저항값이 작아 ESR 특성이 우수합니다.

또한 음극과 전극 사이에 은이나 흑연 등 통전용 금속을 끼워 넣어 저항을 낮추기 위해 노력하고 있습니다. 알루미늄 전해 커패시터는 전해액을 사용하는데, 전해액이 서서히 증발해 수명이 상대적으로 짧다는 단점이 있습니다. 반면, 탄탈륨 커패시터는 모두 고체 물질로 구성되어 있어 수명이 길다는 장점이 있습니다.

탄탈 콘덴서의 기타 정보

1. 사용상의 주의 사항

탄탈 콘덴서가 고장나는 주요 원인은 콘덴서의 유전체가 국부적으로 단락된 상태이기 때문입니다. 전원 라인과 같은 저임피던스 회로에 연결되면 큰 전류가 단락된 부분에 집중되어 발열이 발생하여 발화될 수 있습니다.

탄탈륨 커패시터가 한번 발화하면 화염을 내며 계속 연소하여 소손됩니다. 이 때문에 고신뢰성이 요구되는 기기나 상시 통전되는 설비를 제조하는 업체 중에는 탄탈 콘덴서 사용을 전면 금지하는 곳도 많습니다. 배터리를 전원으로 하는 휴대용 기기에서도 탄탈 콘덴서의 소손이 보고되고 있으므로, 사용 시에는 충분한 주의와 회로 검증이 필요합니다.

일반적인 대책으로는 ‘어떠한 경우에도 역전압을 인가하지 않는 것’과 ‘커패시터에 걸리는 전압에 대해 충분한 여유가 있는 정격 전압의 커패시터를 선정하는 것’의 두 가지를 들 수 있습니다. 특히 전원 회로에 채용하는 경우에는 그 전원 전압의 2배 이상, 가능하면 3배 이상의 정격 전압의 탄탈 콘덴서를 채용하는 것이 바람직합니다.

또한, 유입되는 리플 전류가 큰 경우 커패시터 내부의 발열로 인해 열화가 진행될 수 있으므로 방열에 유리한 대형 패키지를 선정하는 것도 효과적입니다.

2. 탄탈 콘덴서의 극성 표시

탄탈 콘덴서는 유극성이며, 극성을 잘못 지정하면 큰 전류가 흐르고 최악의 경우 발화할 수 있습니다. 따라서 전극의 극성 표시를 이해해야 합니다.

탄탈 콘덴서는 그 구조에 따라 칩형, 금속 케이스 밀폐형, 수지 딥형 등 3가지로 분류할 수 있는데, 이들 탄탈 콘덴서의 극성은 다음과 같이 표기합니다.

칩형
검은색 몰드 케이스 상면에 정전 용량 및 정격 전압과 함께 흰색 띠가 인쇄되어 있는데, 이 띠의 아래쪽 전극이 양극이 됩니다.

금속 케이스 밀폐형
고신뢰성이 요구되는 용도를 위한 것으로, 둥근 원통형 표면에 커패시턴스, 정격전압 등과 함께 + 기호가 인쇄되어 있습니다. 그 + 기호 쪽의 리드선이 양극입니다.

수지 딥 타입
수직형 구조이지만, 수지 표면에 정전용량, 정격 전압과 함께 + 기호가 표기되어 있습니다. +기호가 가까운 쪽의 리드선이 양극입니다. 또한, 리드선 길이가 불균등하고 음극 쪽의 리드선이 짧습니다.

또한, 같은 양극성인 알루미늄 전해 커패시터는 음극 쪽에 표시가 있으며, 탄탈 콘덴서와는 표시 방법이 다릅니다. 알루미늄 전해 커패시터에서 탄탈 콘덴서로 교체할 때는 극성을 잘못 선택하지 않도록 주의해야 합니다.

트랜지스터 어레이란?

트랜지스터 어레이는 하나의 패키지에 트랜지스터를 여러 개 배열한 부품입니다. 트랜지스터는 스위칭에 사용되는 반도체 소자이며, 어레이(array)는 배열이라는 뜻을 가진 영어 단어입니다.

이 부품의 장점은 여러 개의 출력 릴레이 등을 적은 면적으로 제어할 수 있다는 점입니다. 개별적으로 구현하면 기판 면적을 크게 설계해야 하고, 기판 패턴이 길어질 수밖에 없다. 이는 노이즈 등으로 인한 오동작을 유발하는 원인이 됩니다. 트랜지스터 어레이를 사용하면 소형, 경량화 및 노이즈에 강해져 경제성과 기능성을 향상시킬 수 있습니다.

트랜지스터 어레이의 사용 용도

트랜지스터 어레이는 마이크로컴퓨터 등에 널리 사용됩니다. 마이크로컴퓨터는 세탁기 등 가전제품에도 자주 사용되는 제어기판으로 우리 생활에 없어서는 안 될 존재입니다.

트랜지스터 어레이가 등장하기 전까지는 여러 개의 트랜지스터를 단품으로 구현했습니다. 이 방법으로는 문제가 없었지만, 트랜지스터 어레이가 등장한 후에는 공간 절약과 비용 절감이 가능해졌습니다. 또한, 패턴의 회전이 필요 없어져 설계의 번거로움이 줄어들고, 노이즈에 대한 내성이 향상되었습니다. 현재 트랜지스터 어레이는 제어 기판에서 없어서는 안 될 전자 부품입니다.

트랜지스터 어레이의 원리

트랜지스터 어레이는 앞서 언급한 바와 같이 트랜지스터를 여러 개 나란히 배치해 하나의 패키지에 담은 전자부품입니다. 트랜지스터는 반도체 소자로, P형 반도체와 N형 반도체를 3층으로 쌓은 제품으로 PNP형 트랜지스터와 NPN형 트랜지스터가 있습니다.

둘 다 평상시에는 회로에서 절연체 역할을 하지만, 중간층에 전압을 걸면 양쪽 끝층이 도체가 됩니다. 이것이 트랜지스터의 원리입니다.

트랜지스터는 주로 마이크로컴퓨터의 출력처로 사용됩니다. 2000년대 이전에는 트랜지스터 어레이에 바이폴라 트랜지스터가 널리 사용되었는데, 이는 트랜지스터의 출력 용량이 작아 모터와 같은 강전기 장치를 직접 제어할 수 없었기 때문이였습니다. 바이폴라 트랜지스터는 큰 전류를 흘릴 수 있고 노이즈에 강한 특성을 가지고 있기 때문입니다. 이를 여러 개 나열한 트랜지스터 어레이가 주류를 이루었습니다.

현재는 고속 저손실 MOSFET이 주류를 이루고 있습니다. 대부분의 트랜지스터 어레이가 MOSFET 어레이로 전환되고 있습니다.

트랜지스터 어레이의 기타 정보

1. 트랜지스터 어레이의 내부 회로

트랜지스터 어레이는 내부에 구성되는 트랜지스터의 차이에 따라 종류가 있습니다.

DMOS FET
큰 전류를 제어할 수 있고, 저전류로 사용해도 손실이 적습니다.

단일 바이폴라 트랜지스터
저전류에서 사용해도 손실이 적지만 큰 전류를 제어할 수 없습니다.

달링턴 바이폴라 트랜지스터
큰 전류를 제어할 수 있지만, 저전류에서 사용하면 손실이 발생합니다.

또한 입력 로직이 하이 액티브(입력 단자에 High 레벨을 입력하면 전류를 흘린다) 또는 로우 액티브(입력 단자에 Low 레벨을 입력하면 전류를 흘린다)의 차이도 있습니다. 릴레이 등을 구동할 때 필요한 클램프 다이오드 내장 여부 등에 따라 종류가 나뉩니다.

2. 소스형과 싱크형의 트랜지스터 어레이

트랜지스터 어레이는 출력 전류의 형태에 따라 소스형과 싱크형 두 종류가 있습니다. 소스형은 부하에 대해 플러스 극 쪽에서 접점 ON/OFF를 합니다. 트랜지스터 어레이에서 ‘부하를 향해 전류를 내뿜는’ 동작 모드가 됩니다.

반면 싱크형은 부하에 대해 접점 ON/OFF를 접지 측에서 수행합니다. 트랜지스터 어레이가 ‘부하로부터 전류를 빨아들이는’ 동작 모드가 됩니다.

3. 트랜지스터 어레이의 미사용 단자 결선

하나의 트랜지스터 어레이 안에 사용하지 않는 채널이 있는 경우의 처리는 사용하는 트랜지스터 어레이의 데이터 시트 등에 기재되어 있습니다. 제품에 따라 특히 입력 핀에 대해 ‘아무데도 연결하지 않고 방치해도 상관없다’는 제품도 있고, ‘입력 핀을 접지하라’는 제품도 있습니다.

변류기(CT센서)란?

변류기(영어: current transformer, current transformer, current transformer)는 전류의 크기를 변환하는 장치로 CT로 줄여서 부르는 경우가 많다.

변류기에 입력되는 전류의 크기를 입출력의 코일 권선 수 비율에 따라 변환하여 출력합니다. 대전류 회로나 고압 회로의 전류를 소전류로 변환하여 전류 측정이나 계전기 등에 사용됩니다.

변류기 사용 용도

변류기는 산업 및 인프라 설비 등에 널리 사용되는 기기입니다. 다음은 변류기의 사용 용도의 일례입니다.

• 상수도 펌프의 전류 모니터링
• 폐수/하수처리 펌프의 낙수 모니터링
• 변전소의 송전선로 전류 모니터링
• 발전소의 발전량 모니터링

변류기를 사용하는 목적은 회로 절연과 전류 변환입니다. 회로 절연은 대전류가 흐르는 주회로와 제어용 회로의 절연을 목적으로 하는 용도이며, 5A 정도의 소형 펌프의 전류 감시용으로도 회로 절연을 목적으로 변류기를 사용하여 전류를 감시합니다.

전류 변환은 큰 전류를 작은 전류 회로로 출력하는 용도입니다. 수천A의 전류를 제어 회로에 도입하는 것은 제어 배선이 두꺼워져 비경제적이므로 변류기로 최대 5A 정도로 변류하여 제어 및 감시합니다.

변류기의 원리

교류용 변류기는 철심과 1차 코일, 2차 코일로 구성되며, 1차 코일과 2차 코일은 각각 철심에 감겨져 있습니다.

1차 코일은 측정하고자 하는 전류 회로에 연결되는 코일로, 1차 코일에 전류가 흐르면 철심에 자속이 발생하여 2차 코일을 여기시킨다. 2차 코일은 여기된 자속의 크기에 따라 2차측으로 전류를 발생시킵니다.

2차 코일에 발생하는 전류 값은 1차 코일의 전류와 권선비에 의해 결정되며, 1차 코일의 권수가 많을수록 전류 값이 커지고, 2차 코일의 권수가 많을수록 전류 값이 작아집니다. 일반적으로 1차 코일에 흐르는 최대 허용 전류에 대해 2차 코일의 전류 값은 1A 또는 5A로 조정되어 제품화됩니다.

변류기의 종류

변류기는 권선형 변류기, 관통형 변류기 등의 종류가 있다. 다음은 변류기의 종류 중 일부입니다.

1. 권선형 변류기

권선형 변류기의 구성은 환형 철심과 입출력 코일입니다.

원리 항목에서 설명한 대로 동작합니다. 측정 회로의 전류가 커질수록 1차측의 배선 허용 전류가 커지기 때문에 주로 수A~수십A 정도의 소형 변류기에 사용됩니다. 작은 전류를 높은 정밀도로 측정할 수 있는 것이 특징입니다.

2. 관통형 변류기

관통형 변류기는 1차측 코일을 제거한 변류기입니다. 측정하고자 하는 회로 배선을 철심에 끼워 넣어 1차측 코일을 그대로 1차측 코일로 사용합니다.

수십A~수백A 이상의 대전류 회로에서는 기본적으로 관통형 변류기를 선택하며, 1차측 코일이 존재하지 않기 때문에 저렴하게 도입할 수 있습니다.

3. 직류 변류기

원리 항목에서 설명한 것은 교류 회로의 변류기입니다. 직류 회로의 경우 철심에 자속이 발생하지 않기 때문에 사용할 수 없습니다. 직류의 전류 측정에는 홀 소자를 사용한 직류 변류기를 사용합니다.

전류가 흐르는 회로에 자기장을 걸면 전류 값에 따른 전압이 발생합니다. 이를 홀 효과라고 하며, 이 원리로 전압을 출력하는 소자가 홀 소자입니다. 직류 변류기의 대부분은 홀 소자를 이용한 변류기입니다.

단, 직류의 경우 전철용과 같은 대전류 전원 공급장치가 존재합니다. 이들의 전류값은 수만A에 달하는 경우가 있어 홀소자형 변류기로는 측정하기 어렵습니다.

4. 션트 저항형 분류기

션트 저항은 전류를 측정하기 위한 저저항 저항기입니다. 저항값이 미리 정해져 있기 때문에 양단 전압을 측정하여 전류값으로 변환할 수 있습니다.

수만 A의 직류 대전류를 측정할 때는 션트 저항을 사용합니다. 대전류 회로의 션트 저항은 발열량도 크기 때문에 수냉식인 경우가 많습니다.

변류기 선택 방법

변류기는 기본적으로 1차측에 흐르는 전류 값에 따라 기기를 선정하는데, 1차측에 흐르는 최대 전류 값보다 큰 전류 사양의 변류기를 선정합니다.

또한 변류기의 2차측에는 과전류 계전기나 전류 지시계 등을 연결하여 사용합니다. 용도에 따라 2차측 전류값을 0-1A 또는 0-5A에서 선정합니다.

과전류 계전기는 변류기와 가까운 곳에 배치하는 경우가 많기 때문에 변류기의 2차측 전류 사양이 0-5A인 제품을 선정하는 경우가 많습니다. 이는 0-5A가 더 정밀하게 전류값을 측정할 수 있기 때문입니다.

한편, 전류 지시계는 변류기와 떨어져 있는 경우도 있는데, 이 경우 2차측 전류 사양을 0-1A로 설정하는 경우가 많습니다. 이는 0-1A 사양이 변류기에 필요한 전원 용량을 작게 할 수 있기 때문입니다.

RFID 시스템이란?

RFID(Radio Frequency Identification) 시스템은 전파나 전자기파를 이용하여 제품에 부착된 RFID 태그 또는 스마트 라벨이라고 불리는 태그 내의 정보를 인식하고 데이터를 읽고 쓰는 시스템입니다.

RFID 시스템의 장점은 멀리 떨어진 곳에서 동시에 여러 개의 태그를 읽을 수 있고, 데이터 수정이 용이하며, 오염된 상태에서도 판독이 가능하다는 점입니다. 정보를 인식하는 다른 시스템으로 바코드를 들 수 있지만, 바코드가 대응할 수 없는 상황에서도 사용할 수 있습니다

RFID 시스템의 사용 용도

RFID 시스템은 일련의 흐름을 확인할 수 있기 때문에 제조 공정이나 물류에 많이 사용됩니다. 공장에서 제품을 생산할 때 품질을 일정하게 유지해야 합니다. 하지만 원재료의 로트나 작업자가 다를 경우 품질에 차이가 나는 경우가 많습니다.

RFID를 도입하면 제조 조건과 품질을 데이터로 연결할 수 있기 때문에 문제가 발생했을 때 유용하게 활용할 수 있습니다. 물류에서는 입고 시 검품에 사용된다. 입고된 제품은 포장 상태에 따라 내용물이 보이지 않는 경우도 있지만, RFID는 내용물이 보이지 않더라도 한번에 검품이 가능합니다.

RFID 시스템의 원리

RFID 시스템은 리더기, RFID 태그, 데이터 처리 장비로 구성됩니다.

1. 리더기

먼저 리더라이터에서 정보를 담은 전파나 전자파를 송신 RF 태그를 향해 전송하고, RF 태그가 이를 수신하면 태그 내부에서 발생한 전력에 의해 처리가 이루어지고, 다시 태그에서 정보를 담은 전파나 전자파가 발신됩니다. 리더 라이터가 정보를 읽고 데이터 처리 장비로 전송합니다.

2. RF 태그

RF 태그에는 안테나와 마이크로칩이 포함되어 있어 태그에 저장된 정보를 비접촉식으로 읽고 쓸 수 있으며, RF 태그는 작고 저렴한 것부터 고급 기능을 갖춘 대형 태그까지 크기와 모양이 다양합니다.

3. 데이터 처리 장비

데이터 처리 장비에는 PC, 기계 자동화 컨트롤러, 안테나 냉각기 등이 있습니다. 안테나 냉각기는 RFID 안테나의 과열을 방지하는 기능이 있어 장시간 사용할 수 있습니다.

RFID는 사용하는 전파나 전자파의 주파수에 따라 분류됩니다. 주파수가 높을수록 정보 전달 속도가 빠릅니다. 반면 낮은 주파수에서는 멀리까지 안정적으로 정보를 전달할 수 있습니다.

각각 특징이 다르기 때문에 목적에 따라 주파수를 구분해 사용하는 것이 중요합니다. 최근에는 5G와 같이 정보 전달 속도가 중요시되면서 고주파 대역인 UHF 대역이 많이 사용되고 있습니다.

RFID 시스템의 기타 정보

1. RFID 사용 시 주의사항

RFID 시스템은 전파나 전자파를 이용하기 때문에 다음과 같은 사항에 주의해야 합니다.

• 금속에서 멀리 떨어뜨린다.
  특히 고주파 대역에서는 전파나 전자파에 의해 금속이 열을 발생시킬 수 있습니다. 열로 인한 악영향이 있을 수 있으므로 가까이 하지 않는 것이 좋습니다.
• RF 태그 겹치지 않기
  태그가 겹치면 간섭을 일으켜 제대로 판독이 되지 않을 수 있습니다.
• RF 태그와 리더를 너무 멀리 떨어뜨리지 않기
  RF 태그와 리더의 거리가 멀어지면 판독 정확도가 낮아져 품질이 떨어집니다. 적절한 거리에 설치해야 합니다.
• 주파수 대역 조정하기
  RFID 시스템에는 서로 다른 주파수 대역과 프로토콜이 존재하기 때문에 호환성 문제가 발생할 수 있습니다. 주파수 대역을 표준화하면 서로 다른 시스템 간의 데이터 교환이 용이해집니다.

2. RFID 시스템 활용 사례

• 소매업에서의 활용
  일본을 대표하는 한 의류 브랜드는 운영하는 브랜드숍의 내외부 2,000개 전 매장에 RFID 시스템(RFID 태그)을 도입했습니다. 초기 도입 비용은 수백억에 달한다고 하지만, 재고 관리 시간 단축, 계산 대기 시간 단축, 결품 감소 등 여러 가지 장점을 얻을 수 있어 비용 대비 효과가 매우 크다고 합니다.
• 이벤트에서의 활용
  행사장에서 매장이나 판매장 앞에 긴 줄이 생기는 경우가 많은데, RFID 시스템이 이를 방지하는 데 도움이 되는데, RFID 태그가 도입된 티켓이나 팔찌 등을 미리 배포하여 줄서기를 줄이고 구매 기회 손실을 방지할 수 있습니다.

서보 드라이버란?

서보 드라이버는 서보 시스템에서 컨트롤러에서 설정한 값에 따라 서보 모터를 제어하기 위한 장치입니다.

서보 시스템은 고속, 정밀 제어를 위해 산업기기에 필수적인 모터 드라이브 시스템을 말하는데, 이를 실현하는 것이 서보 드라이버라고 해도 과언이 아닙니다. 서보 드라이버는 서보 모터의 부하 토크에 따라 작업을 수행하기 위한 전력을 공급하는 것이 주된 역할입니다.

크게 전력 변환을 하는 부분과 모터의 상태를 감지하고 제어 연산을 하는 부분으로 나눌 수 있습니다.

서보 드라이버의 사용 용도

서보 드라이버는 산업기기에서 공작기계에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되는 서보 시스템 내에서 모터와 짝을 이루어 사용됩니다. 예를 들어, 자동차 제조 공장의 산업용 로봇을 들 수 있습니다. 산업용 로봇은 미리 정해진 동작을 정확하게 반복하는 것이 요구되며, 그 목적에 맞게 동작을 구체화하고 있습니다.

이를 실현하기 위해서는 동작에 필요한 모터의 부하에 맞는 전력을 정확하게 공급해야 합니다. 서보 드라이버는 모터의 상태를 모니터링하면서 정확한 전력을 공급하여 정해진 위치로의 이동과 토크를 구현합니다.

이 외에도 반도체 제조장치, 의료기기 등 정밀한 동작이 요구되는 상황에서 광범위하게 사용되고 있는 실정입니다.

서보 드라이버의 원리

서보 드라이버의 원리는 모터의 제어를 매우 정밀하게 하기 위해 모터의 회전 각도, 속도, 전류 등 모터의 상태를 정밀하게 센서로 감시하면서 전기적으로 피드백하는 증폭기 동작에 있습니다. 그 증폭기 동작을 실현하기 위한 컨트롤러부는 일반적으로 PLC(Programmable Logic Controller) 등이 사용되며, 설정값의 설정과 정보의 전송이 이루어집니다.

서보 드라이버는 목표 설정값 제어를 위해 필요한 전력을 공급하지만, 보다 정확한 제어를 위해서는 서보 모터의 동작이 설정값을 달성했는지를 모니터링하고 적절한 피드백을 해야 합니다. 이를 위해 서보 드라이버에는 보통 인코더라는 센서가 내장되어 있습니다.

인코더는 모터의 각속도와 회전수를 감지하기 위해 슬릿이 있는 원반과 포토다이오드가 내장되어 있다. 원반은 모터의 로터와 연동하여 회전하기 때문에 슬릿을 통과하는 광신호를 감지하면 회전수나 속도를 모니터링할 수 있습니다.

포토다이오드에서 이러한 광신호를 감지하여 전류로 변환하여 앰프부에 피드백합니다. 증폭부는 일반적으로 PWM 방식이 사용되며, 교류를 직류로 변환한 후 임의의 주파수로 변환하여 모터를 구동합니다. 이 블록은 컨버터부와 평활회로부, 그리고 인버터부로 구성되어 있습니다. 인코더 정보는 보통 인버터부로 피드백됩니다.

서보 드라이버의 기타 정보

1. 인버터와 서보의 차이점

모터 제어라는 측면에서는 인버터와 서보 모두 동일하지만, 양자는 그 특성이 크게 다르며 그 사용 용도도 크게 두 가지로 구분됩니다.

인버터
인버터는 에어컨, 엘리베이터, 에스컬레이터 등 사회기반시설과 산업기기, 가전제품에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 특징은 모터의 속도를 제어하여 부드럽게 안정화시켜 움직이고 싶은 용도에 적합하며, 특히 저전력으로 주기적으로 연속적인 동작을 하고자 할 때 그 강점을 발휘할 수 있습니다.

서보
서보는 속도 제어를 정밀하게 조정할 수 있어 높은 정밀도가 특징입니다. 기계의 동작 위치에 대한 제어를 고속, 고정밀도로 하고자 할 때 서보를 선택하게 됩니다.

2. 서보 드라이버의 피드백 제어

서보 드라이버는 엔코더의 센서 정보를 바탕으로 폐쇄 루프 제어가 일반적으로 사용되지만, 실제로는 워크의 수축이나 축간 편차 등으로 인해 피드백 제어를 사용해도 원하는 동작에서 벗어나는 경우가 발생할 수 있습니다. 이를 위해 각종 위상 보정 기능이 제공되는 서보 드라이버가 존재합니다.

또한, 제어 타이밍에 따라서는 상승 및 하강 시간에 있어서 필요한 회전수나 위상각에 도달하기까지의 시간을 단축하고, 정상 동작 시에는 일정한 회전수를 확보하는 등, 각속도의 미세 조정이 중요한 어플리케이션도 존재합니다.

ToF 센서란?

ToF 센서(영어: time of flight sensor)는 펄스 투광한 빛이 대상물 표면에서 반사되어 돌아오기까지의 시간으로 거리를 측정하는 센서입니다.

대부분의 센서는 레이저 등에서 발산되는 적외선 등을 사용하는데, ToF 센서는 시간을 측정하여 거리로 환산하기 때문에 근거리, 원거리에 상관없이 감지 정확도를 일정하게 유지할 수 있습니다.

ToF 센서는 대상물과의 거리 측정을 비롯해 레벨 센서로서의 사용, 물체의 위치 확인 및 위치 결정, 공간 내 인원수 확인 등에 사용됩니다.

ToF 센서의 사용 용도

1. VR 및 AR 인식

ToF 센서는 대상과의 거리 측정이 정확하기 때문에 최근 화두가 되고 있는 VR(Virtual Reality)과 AR(Augmented Reality)의 인식에 활용되어 이미지를 보다 입체감 있게 표시할 수 있습니다.

2. 모니터링

ToF 센서는 레벨 센서로서 기계의 리프트량 모니터링, 탱크 내 잔량 모니터링, 창고 재고 확인, 롤 자재 잔량 확인 및 자동창고 재고 확인 등에 활용합니다.

3. 공작물 착좌 확인

생산라인에서 워크가 지그에 착석했는지 ToF 센서로 확인합니다.

4. 공간 내 인원수 파악

3차원 ToF 센서를 통해 특정 공간 내 인원을 파악할 수 있습니다. 물체까지의 거리를 데이터화하여 AI를 통해 인물을 판별하여 인원을 파악합니다.

5. 물체의 치수 및 부피 측정

3차원 ToF 센서를 사용하여 물체의 각 부분 치수를 측정하고 부피를 측정할 수 있습니다.

6. 스마트폰의 얼굴 인식 기능

어두운 곳에서도 물체의 상을 입체적으로 포착하여 자동 초점 기능을 향상시킬 수 있기 때문에 향후 스마트폰의 얼굴 인증 기능에 적용이 늘어날 것으로 예상됩니다.

ToF 센서의 원리

ToF 센서의 원리는 비교적 간단합니다. 먼저 센서 내 레이저 다이오드에서 변조된 근적외선 등을 투사한다. 대상물에 부딪혀 반사된 근적외선 등은 센서 내 수광소자로 되돌아오게 됩니다. 발산된 근적외선과 반사된 근적외선의 위상차를 시간차로 변환하고, 발산된 빛의 속도를 곱해 거리를 구하는 방식입니다.

위상차 측정 외에도 시간차를 직접 측정하는 방법도 있는데, ToF 센서는 거리에 상관없이 감지 정확도를 일정하게 유지할 수 있고, 어두운 환경에서도 깊이 정확도가 높아 작동이 가능하다는 점이 다른 센서보다 우수합니다.

레이저의 빛은 적외선이나 근적외선을 사용하는 경우가 많은데, 센서에 따라 다르지만 사람의 눈에 유해한 파장도 있기 때문에 용도에 따라 주의가 필요합니다.

적외선이나 근적외선 레이저의 경우 측정 지점을 눈으로 확인할 수 없습니다. 대상물에 레이저가 조사되고 있는지 확인하기 위해 별도의 스코프나 가이드 레이저 등이 필요합니다.

ToF 센서의 종류

ToF 센서에는 1DToF와 3DToF가 있습니다.

1. 1DToF 센서

1DToF 센서는 센서에서 특정 지점까지의 거리를 측정합니다. 사람 감지 센서나 액체-분말의 양을 측정하는 레벨 센서 등에 사용됩니다.

2. 3DToF 센서

3DToF 센서는 카메라와 같이 이미지로 거리 정보를 얻을 수 있습니다. 공간 전체에 있는 물체와의 거리를 측정합니다.

ToF 센서의 다른 정보

ToF 센서의 장점

1. 원거리 설치 가능
ToF 센서는 원거리에서도 정확하게 감지할 수 있기 때문에 대상물에서 멀리 떨어진 곳에 설치할 수 있습니다. 사람이나 로봇의 동선을 피해 설치할 수 있습니다. 자동차 등 큰 물체는 ToF 센서를 여러 개 설치하여 다방향으로 위치 파악이 가능합니다.

2. 설치의 자유도가 높다.
센서 자체가 작아 공간 절약형 설치가 가능합니다. 또한, 조사 방향도 상하, 수평, 대각선 등 자유롭게 선택할 수 있습니다.

3. 대상물의 표면 상태와 무관
ToF 센서는 고속으로 샘플링하여 평균화 처리하기 때문에 대상물의 색상, 재질 등에 관계없이 수광량이 부족해도 안정적으로 검출할 수 있습니다.

승강기란?

승강기는 사람이나 짐을 싣고 수직 또는 비스듬히 이동시키기 위한 장치입니다.

수평으로 이동하는 것을 승강기라고 부르기도 하지만, 일반적으로는 상하로 이동하는 것을 말합니다. 사람을 태우지 않고 짐만 승강, 운반하는 것은 리프트라고 부르기도 합니다.

사람을 싣고 수직으로 이동하는 것 중 상자형인 것은 엘리베이터, 계단식인 것은 에스컬레이터를 떠올리면 이해하기 쉽습니다. 현재 우리는 일상생활의 다양한 장면에서 승강기를 볼 수 있습니다.

승강기의 사용 용도

승강기는 사람이나 짐을 싣고 수직, 대각선 또는 수평으로 이동시키는 장치의 총칭입니다. 유압잭 등으로 짐을 싣고 이동시키는 것은 핸드 리프트 등으로도 불리며, 이동식 대차로 활용되고 있습니다.

전동식 상자형 승강기는 엘리베이터라고 하며, 화물 전용부터 사람이 타고 내릴 수 있는 것까지 다양합니다. 자동차에 승강기를 조립하여 사람이 운전 조작할 수 있도록 한 것은 지게차로 사용됩니다. 사무용 의자 등의 높낮이를 조절하는 부분에 사용되는 가스 실린더를 이용한 것도 넓은 의미의 승강기 사용 사례입니다.

승강기의 원리

승강기를 상하로 이동시키기 위한 메커니즘은 기어에 의한 것, 전동 액추에이터에 의한 것, 유압 잭이나 가스 스프링에 의한 것 등 크기나 대상물, 이동량에 따라 다양한 것이 있습니다. 가장 간단하고 친숙한 승강 메커니즘은 도르래에 의한 것입니다. 이 경우, 추나 동도르래 등을 이용해 하중을 가볍게 함으로써 소형화 및 에너지 절약을 실현하고 있습니다.

엘리베이터 등과 같이 승강기 자체가 움직이지 않고 그 자리에서 승강을 반복하는 것은 기계식, 전기식 타입이 있습니다. 핸드 리프트나 지게차처럼 승강기 자체를 다른 장소로 이동시키는 것은 기계식인 경우가 많으며, 전기식이라도 내장 배터리 등을 사용하는 것을 볼 수 있습니다.

또한 승강기는 고장 시 자유낙하를 방지하는 안전장치가 부착되어 있습니다. 이는 고장 시 인적, 물적 피해를 최소화하기 위해 반드시 필요한 사항이다. 추가 안전 대책으로 건축법, 산업안전법 등의 법으로 치수, 점검, 사용 방법 등에 대한 규제를 하고 있습니다.

승강기의 종류

승강기의 대표적인 종류는 다음과 같습니다.

1. 엘리베이터

엘리베이터는 사람이나 짐을 이동하는 데 사용됩니다. 고층 빌딩, 아파트 등 다양한 건축물에 설치되어 있어 우리 생활에 없어서는 안 될 승강기입니다. 주索(주索)이나 사슬에 매달리는 방식과 유압잭으로 구동하는 방식이 있습니다.

2. 단차해소기

단차해소기는 단차가 있는 곳에 사용됩니다. 테이블대가 단차에 따라 상하로 움직여 현관 출입구나 건물 내 단차가 있는 곳에서도 쉽게 이동할 수 있습니다. 경사로를 설치할 수 없는 좁은 장소 등에서도 활약합니다.

3. 의자형 계단 승강기

의자형 계단 승강기는 계단 오르내리기를 도와주는 승강기입니다. 공공시설이나 개인 주택의 모든 계단에 설치가 가능하며, 노약자나 거동이 불편한 사람들을 돕습니다. 의자형과 휠체어형 2종류가 있으며, 이용자의 도움 정도에 따라 선택하면 됩니다.

4. 에스컬레이터

에스컬레이터는 이동식 계단이라고도 불리며, 동력에 의해 계단이 연속적으로 승강하는 장치입니다. 시속 1.8km 정도의 속도로 이동하며, 한 단에 2명이 타면 1시간에 9,000명이 이용할 수 있다. 더 많은 사람이 이동하는 곳에 설치됩니다.

5. 수하물 전용 승강기

소형 수하물 전용 승강기는 수하물 전용 승강기입니다. 비교적 작은 짐을 운반하는 승강기이기 때문에 강도 등 안전기준이 완화되어 있어 설치비용이 저렴합니다. 짐을 운반하는 다양한 작업장에서 활용되며, 기능성과 안전성뿐만 아니라 환경 부하 저감에도 기여합니다.

승강기 기타 정보

1. 승강기 가격

승강기의 가격은 크기, 구조, 기능에 따라 크게 달라집니다. 수동으로 작은 짐을 승강시키는 타입의 경우 1만 원 내외입니다. 하지만 소형이라고 해도 승강 외에 주행이 가능한 타입이나 전동식 등 기능이 늘어날수록 가격이 상승해 최소 수만 엔 정도 필요합니다.

엘리베이터 타입의 승강기는 설비 설치비용이 많이 들기 때문에 가격이 비쌉니다. 배식이나 서류용 소형화물용 승강기는 90만 원 이상, 공장 등에서 사용하는 수백 킬로미터를 승강할 수 있는 타입은 150만 원 이상입니다.

승강기에는 요양-의료시설에서 사용하는 계단용 승강기도 있습니다. 계단 가장자리에 레일을 설치하고, 거기에 설치된 의자에 앉아 계단을 오르내릴 수 있는 승강기입니다. 직선형 계단에 설치하는 승강기라면 공사기간 1일로 설치가 가능하며, 가격은 60만 원 정도입니다. 곡선형도 공사기간 1일, 가격은 120만 원 정도입니다.

승강기는 다양한 종류와 사용 용도가 있기 때문에 목적에 따라 가격이 천차만별입니다. 또한, 선택하는 기능에 따라 가격도 달라지므로 꼭 필요한 기능을 선택하는 것이 중요합니다.

2. 승강기 대여

승강기는 기능에 따라 매우 고가일 수 있다. 그래서 승강기 렌탈을 하는 업체들이 많이 있습니다. 구매와 마찬가지로 하루 만에 설치가 가능하며, 설치 전 설치 가능 여부를 상담할 수도 있습니다. 일반적으로 계단식 승강기를 대여하는 경우가 많습니다. 노약자가 있는 가정, 부상으로 계단 오르내리기가 어려운 경우 등 승강기가 필요하지만 구매까지는 원치 않는 경우, 이런 요구를 충족시켜줍니다.

직선형, 곡선형 등 종류에 따라 다르지만, 시세는 월 1~2만엔 정도다. 계약기간은 최소 계약기간을 정해놓은 업체도 있으니 주의해야 합니다. 또한, 설치 및 철거 비용으로 별도의 비용이 필요하며, 이 비용도 업체마다 다릅니다. 유지보수 비용을 무상으로 제공하는 업체도 있어, 사용 중 고장이 발생해도 대응해 주는 서비스를 받을 수 있어 안심할 수 있습니다.

CT 검사 장비란?

CT 검사 장비는 검사 대상에 빛을 조사하고 투과된 빛을 검출하여 검사 대상의 단면을 관찰 및 검사하는 장비입니다.

CT는 ‘computed tomography’의 약자로 컴퓨터에 의한 단층촬영을 의미하며, CT 검사 장비에서는 물체를 투과하는 능력이 높은 X선이 많이 사용됩니다.

CT 검사 장비의 사용 용도

CT 검사 장비는 주로 의료 분야의 검사 장비, 산업 분야에서 비파괴 검사 장비로 사용되며, CT 검사 장비를 의료용으로 사용하는 구체적인 예로는 암과 같은 종양을 찾기 위한 검사가 대표적입니다.

한편, 산업 분야에서는 CT 검사 장비로 제품의 내부 구조를 검출하여 배선의 내부 치수 측정이나 단조 제품의 내부 분석, 오차 측정, 섬유의 배열 검출 등을 하는 검사가 대표적입니다.

의료 분야에서 사용하는 경우, 인체에 과도한 피폭이 발생하지 않도록 X선 출력을 낮춰야 합니다. 하지만 산업용 용도로 사용하는 경우 X선 출력을 높여도 문제가 없으며, 의료용에 비해 더 높은 정확도의 정보를 얻을 수 있습니다.

CT 검사장치의 원리

CT 검사 장비는 검사 대상에 X선을 조사하고, 검사 대상을 투과한 X선의 강도를 감지하여 그 강도를 콘트라스트로 표현하여 영상을 생성합니다. 이를 위해 CT 검사 장비는 X선 조사 장치, 검출기, 그리고 검출된 데이터를 영상으로 변환하는 영상처리 장치로 구성됩니다.

원리는 엑스레이와 비슷하며, 물질마다 엑스레이의 흡수율(엑스레이 흡수계수)이 다르기 때문에 엑스레이를 검사 대상에 조사하면 물질에 따라 다른 투과율로 투과됩니다.

따라서 CT 검사 장비에서는 검사 대상의 부위별로 다른 투과선량을 검출합니다. 투과선량의 강도를 콘트라스트로 표현하는 영상처리를 하여 영상을 생성하는 것이 대략적인 원리입니다. 예를 들어 인체의 경우 혈관, 뼈, 장기에 따라 X선 투과율이 다르기 때문에 각각을 구분할 수 있습니다.

CT 검사장치의 구조

CT 검사 장비는 X선을 물체에 조사하여 투과되는 X선을 검출하는 장비로, X선 조사 장치, 검사 대상물 배치부, 검출기, 검출된 데이터를 영상으로 변환하는 영상처리 장치가 주요 구성이며, 3차원적인 영상을 얻기 위해서는 검사 대상에 대해 다양한 방향에서 X선을 조사해야 합니다.

의료용 CT 검사 장비와 산업용 CT 검사 장비는 조사 장치와 검출기로 구성된 검출 수단과 검사 대상의 배치부 관계가 다릅니다.

1. 의료용 CT 검사 장비

의료용 CT 검사 장비에서 검사 대상은 사람이나 동물입니다. 따라서 CT 검사 장비는 도넛형 갠트리라는 장비 중앙의 구멍 안에 검사 대상인 사람이나 동물을 올려놓는 침대가 배치되는 구조입니다. 도넛형 갠트리 안에는 X선 조사 장치(X선관)와 검출기가 상대적인 위치에 배치되어 있습니다.

X선 조사 장치와 검출기는 상대적인 위치에서 검사 대상의 주위를 회전하면서 X선 조사와 투과광량 검출(스캔)을 통해 다방향으로 데이터를 수집합니다. 또한, 베드를 갠트리의 회전축 방향으로 이동시켜 검사 대상의 다른 부위를 검사할 수 있습니다.

2. 산업용 CT 검사 장비

산업용 CT 검사 장비는 검사 대상이 물품이기 때문에 X선 조사 장치와 검출기는 고정되어 있고, 검사 대상을 올려놓는 스테이지가 회전하는 구조입니다. 산업용 CT 검사장비에는 X선 조사장치와 검출기를 수평방향으로 대향하는 수평조사형 CT 검사장치와 수직방향으로 대향하는 수직조사형 CT 검사장치가 있습니다.

수직 조사형 CT 검사 장비는 수평 조사형 CT 검사 장비보다 높은 높이가 필요하지만, 수평 조사형 CT 검사 장비보다 설치에 필요한 장소가 좁다는 장점이 있습니다. 반면, 수평 조사형 CT 검사기는 검사 대상을 놓는 스테이지가 수평으로 설치되기 때문에 무게가 큰 검사 대상의 배치와 회전이 용이하다는 장점이 있습니다.

또한, 산업용 CT 검사 장비에서는 장비에 X선 누설 캐비닛을 장착하여 X선을 장비 내부에 가둘 수 있기 때문에 의료용 CT 검사 장비와 같은 넓은 공간이 필요하지 않습니다.

CT 검사 장비의 기타 정보

공항 수하물용 CT 검사 장비

공항의 수하물 검사에는 기존에는 X선 검사 장비가 사용되었습니다. 최근 공항에서는 수하물의 다양화, 여행객 증가에 대한 대응, 테러 대책의 필요성 증대가 큰 과제입니다. 이에 따라 X선 검사 장비보다 분석도가 높고 검사 시간이 짧은 CT 검사 장비가 도입되고 있습니다.

공항 수하물용 CT 검사 장비는 X선 조사 장비는 수하물이 놓이는 벨트 컨베이어 아래에, 검출기는 상단에 설치한 구조입니다. 벨트 컨베이어를 통해 연속적으로 흘러 들어오는 수하물을 연속적으로 검사할 수 있습니다.

솔리드 스테이트 릴레이란?

솔리드 스테이트 릴레이는 릴레이 중 반도체를 이용한 무접점 타입을 말합니다.

릴레이는 어떤 입력 신호를 절연하여 출력하는 부품을 말합니다. 유접점형 릴레이를 기계식 릴레이, 무접점형 릴레이를 솔리드 스테이트 릴레이라고 합니다. 고응답과 수명이 길어 고정밀도의 피드백 제어가 필요한 경우에 적합합니다.

솔리드 스테이트 릴레이의 사용 용도

솔리드 스테이트 릴레이는 산업 장비에서 매우 흔한 부품입니다. 일상 생활에서 보기는 드물지만, 내장된 장비는 많이 접하고 있습니다. 다음은 몇 가지 예시입니다.

• 온도에 따라 켜지고 꺼지는 냉장고나 에어컨
• 가스 온수기 내부
• 습도에 따라 켜지고 꺼지는 가습기
• 플랜트의 구동 장치 내부
• 전력 사용량 로깅 장치의 펄스 발신기

백색가전에는 반드시 내부 기판에 사용됩니다. 높은 응답성과 긴 수명으로 인해 온-오프가 빈번하게 필요한 곳에 활용됩니다. 또한, 기계식 릴레이와 달리 슬라이딩 포인트가 존재하지 않기 때문에 노이즈에 취약한 제품에도 많이 탑재됩니다.

한편, 신호 전달에는 반도체의 발광 현상을 이용합니다. 온도 상승의 영향을 받기 때문에 열에 약하고 민감한 제품에는 적합하지 않습니다.

솔리드 스테이트 릴레이의 원리

솔리드 스테이트 릴레이는 무접점형이라고도 합니다. 이름에서 알 수 있듯이 입출력 회로는 물리적으로 분리되어 있으며, 신호의 전달은 포토커플러를 통해 이루어집니다.

입력 신호를 받아 발광 다이오드가 발광하고, 그 빛을 출력 회로의 트랜지스터가 수광하여 출력 회로가 작동합니다. 신호 전달에 빛을 사용하기 때문에 광속 수준의 높은 응답성을 가지고 있습니다. 또한, 직접 회로를 통전시키지 않기 때문에 접점 마모도 없고, 기계식 릴레이에 비해 수명이 깁니다.

또한, 입출력 회로 사이는 포토 커플러로 완전히 절연되어 있어 구조상 노이즈가 잘 발생하지 않는 특징이 있습니다.

솔리드 스테이트 릴레이 선택 방법

우선 릴레이가 필요한 회로에서 필요한 응답성과 신호 주파수를 확인합니다. 높은 응답성이 필요하지 않고 저주파수 신호 전달만 필요한 경우 기계식 릴레이가 더 저렴합니다. 다음으로 구동 전압을 선택합니다. 일반적으로 DC5~100V 또는 AC100~240V의 제어 전압이 사용됩니다. 제어 전압이 AC400V 등 특수 사양인 경우 개폐기 등을 사용합니다.

최대 사용 전류 값도 확인해야 합니다. 솔리드 스테이트 릴레이와 기계식 릴레이 모두 허용 전류 값이 설정되어 있습니다. 허용치 이상의 전류를 흘리는 것은 고장의 원인이 됩니다. 특히 솔리드 스테이트 릴레이는 반도체를 이용한 접점 구조이기 때문에 과전류를 흘리면 반도체가 손상되어 사용할 수 없게 됩니다.

마지막으로 솔리드 스테이트 릴레이가 들어갈 기판의 크기를 확인합니다. 기판의 공간이 여유롭지 않다면 더 작은 사이즈의 릴레이를 선택해야 합니다.

솔리드 스테이트 릴레이의 기타 정보

1. 솔리드 스테이트 릴레이의 유래

솔리드 스테이트(solid state)는 영어로 ‘고체 상태’라는 뜻으로, 기원은 진공관과 반도체 소자의 비교에서 비롯된 용어입니다.

진공관이 진공 분위기 속에서 전자가 이동하는 부품인 반면, 반도체는 고체 속에서 전자가 이동합니다. 이 때문에 진공관의 대명사로 반도체를 솔리드 스테이트(Solid State)라고 부르게 되었습니다. 반대로 기계적인 구동부가 없는 부품도 솔리드 스테이트라고 부르기도 합니다.

2. 솔리드 스테이트 릴레이의 단점

솔리드 스테이트 릴레이는 수명이 길고, 고속이며, 노이즈에 강하다는 장점을 설명했지만, 다음과 같은 단점도 존재합니다. 장점과 단점을 확인하면서 기계식 릴레이와 구분하여 사용해야 합니다.

• 열과 고온에 약하다.
• 전기적 충격에 약해 시동 전류가 큰 부하에 사용하기 어렵다.
• a와 b를 조합한 c접점을 사용할 수 없다.
• AC전원, DC전원 공용 릴레이가 존재하지 않는다.