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파워 릴레이란

파워 릴레이는 대체로 3A 이상의 전류를 흘릴 수 있는 릴레이 부품입니다.

릴레이는 크게 유접점 릴레이와 무접점 릴레이로 나눌 수 있는데, 파워 릴레이는 유접점 릴레이에 해당합니다. 일반적인 제어 릴레이보다 큰 전류가 흐를 것으로 예상되기 때문에 큰 전류를 견딜 수 있도록 견고한 구조로 되어 있습니다.

또한, 이러한 특성으로 인해 비정상적으로 큰 전류가 회로에 흐를 때 안전 회로용 릴레이로 내장되기도 합니다.

파워 릴레이의 사용 용도

전력계전기는 산업에서 광범위하게 사용되는 부품 중 하나입니다. 다음은 전력 계전기의 사용 용도의 일례입니다.

• 태양광 패널과 그 급전 장치의 회로
• 큰 동력을 가진 로봇 구동용
• 엘리베이터 및 건설 현장의 중장비 등의 구동용
• 전기자동차 등의 충전 설비 내
• 하이브리드 자동차의 메인 회로

파워 릴레이의 원리

파워 릴레이는 단자, 접점, 전자기 코일 등으로 구성됩니다.

1. 단자

단자는 배선과 연결되는 부분입니다. 파워 릴레이의 경우 납땜으로 배선을 고정하는 경우가 많습니다. 또한, 파워 릴레이를 단자대 유닛에 장착하고 원형 단자 등으로 단자 처리된 배선을 연결하는 경우도 있습니다.

2. 접점

접점은 전기의 통로가 되는 구동 부품입니다. 대전류용이 될수록 접점이 크거나 그 수가 많아집니다.

전기 저항을 줄이기 위해 접점에는 은합금이나 금이 사용됩니다. 은합금은 전기저항이 낮기 때문에 널리 사용됩니다. 금은 은합금보다 산화가 잘 일어나지 않는 특성이 있지만, 녹는점이 낮고 비싸기 때문에 미세부하용으로 사용됩니다된다.

파워 릴레이의 접점에는 이동식 접점과 고정식 접점이 있습니다. 고정 접점은 케이싱 등에 견고하게 고정됩니다. 가동 접점은 가동 철편과 함께 구동되어 고정 접점과 접촉하여 전기를 통하게 합니다전시킵니다.

3. 전자기 코일

전자기 코일은 전자기력으로 가동 철편을 구동하는 부품입니다. 가동 철편에는 가동 접점이 부착되어 있으며, 전자기 코일에 의한 전자기력으로 고정 접점과 접촉합니다. 전자기 코일이 비통전 상태일 때는 스프링에 의해 접점들이 서로 떨어져 있거나 접촉하고 있습니다.

파워 릴레이의 종류

전력 계전기는 크게 DC 구동 계전기와 AC 구동 계전기로 나뉩니다.

1. DC 구동 파워 릴레이

DC 구동은 코일이 직류 전원으로 구동되는 파워 릴레이로, DC 전원은 유도 전압에 강하고 저전압에서도 안정적으로 동작하는 특징이 있습니다. 릴레이 코일에는 다이오드를 연결하여 역류를 방지하는 경우가 많습니다.

규격으로는 DC5V, 12V, 24V 등이 있으며, 사용 용도에 따라 구분하여 사용합니다. 전송 거리가 길거나 제어반에서 릴레이 회로를 구성할 경우 전압이 높은 24V 전원이 사용됩니다. 본질안전 방폭을 고려한 회로에는 DC12V, 5V 등이 사용됩니다.

2. AC 구동 파워 릴레이

AC 구동은 코일이 교류 전원으로 구동하는 파워 릴레이입니다. 상용전원은 교류전원이기 때문에 직접 사용할 수 있으며, DC 사양에서 필요한 전원공급장치가 필요 없다는 장점이 있습니다.

코일 전압은 AC100V 또는 AC200V가 사용되며, AC400V 제어 회로는 이격 거리를 유지하기 어렵기 때문에 거의 사용되지 않습니다.

파워 릴레이의 기타 정보

파워 릴레이의 고장

파워 릴레이는 전자기력에 의해 기계적으로 작동하기 때문에 수명이 존재합니다. 작동 횟수의 수명은 수십만 회 정도입니다. 수명을 초과하거나 과도한 충격이 가해지면 다음과 같은 고장이 발생합니다.

1. 코일 단선
파워 릴레이 내의 전자기 코일이 단선되는 고장입니다. 코일의 단선으로 인해 모든 접점이 작동하지 않습니다. 접점 구동음이 없기 때문에 비교적 쉽게 발견할 수 있는 고장입니다.

2. 용접
파워 릴레이에 과도한 전류가 흐를 때 접점이 용착되어 개방되지 않는 고장입니다. 대형 장비의 제어로 사용하는 경우 장비가 멈추지 않기 때문에 매우 위험하며, ON과 OFF를 전환하면서 접점의 통전 여부를 확인하여 진단합니다.

3. 접점 동작 불량
릴레이 접점이 마모되거나 오염되어 전기적으로 통하지 않게 되는 고장입니다. 접점이 단락되지 않고 개방된 상태로 유지됩니다. 용접과 마찬가지로 전도도 및 전압을 확인하여 진단합니다.

4. 코일 단락
전자기 코일의 바니시가 벗겨지는 등 단락이 발생했을 때 발생하는 고장입니다. 전자기 코일에 통전할 때 제어용 전원 자체의 트립으로 알 수 있습니다.

제어 회로는 전원 릴레이를 여러 개 병렬로 연결한 경우가 많기 때문에 발견하는데 시간이 걸릴 수 있습니다.

빌드업 PCB이란?

빌드업 PCB은 여러 층으로 적층된 인쇄기판을 말합니다.

빌드업 PCB을 사용하면 작은 면적에 고밀도 기판을 사용할 수 있기 때문에 소형 기기 등에서도 다기능 제품을 만들 수 있습니다. 빌드업 기판은 도체 층과 절연체 층이 여러 층으로 쌓여 있고, 층을 관통하도록 레이저로 구멍을 뚫고 배선 가공을 하여 작은 면적의 복잡한 기판을 얻을 수 있습니다.

빌드업 기판의 등장

기판의 고밀도화에 따라 현재의 비아홀 구조만으로는 대응이 어려워졌습니다. 휴대전화의 발전으로 경량화, 소형화에 대응하는 기판이 필요하게 되었습니다. 빌드업 기판은 2000년경부터 등장하여 현재에 이르고 있습니다.

빌드업 기판은 유럽과 미국에서는 마이크로 비아(Micro-via)라는 방식으로 분류하고 있지만, 해외에서는 HDI(영문: HIGH density inter connection) Micro-via Laser-via라는 명칭으로 불리고 있습니다. 일본에서는 주로 빌드업이라는 명칭이 주류입니다. 빌드업 기판은 말 그대로 여러 층으로 적층되어 있는 인쇄기판을 말합니다.

보통 한 번의 적층(적층)으로 다층 기판을 만들 수 있는 곳을 여러 번 쌓아 올리기 때문에 공수나 비용이 증가하지만, 주로 아래 두 가지 이유로 활용도가 높아지고 있습니다.

1. 낭비되는 공간 감소

다층 기판에서 비아홀(구멍을 뚫어 다른 층과 연결하는 것)을 사용할 경우, 연결층 외에는 비아가 있기 때문에 배선을 할 수 없다. 따라서 다층 기판에서도 배선 효율이 떨어지게 됩니다.

2. 레이저로 작은 구멍을 뚫을 수 있다.

장비의 발전으로 드릴보다 레이저가 더 빠른 속도로 작은 구멍을 뚫을 수 있게 되었습니다. 드릴로 구멍을 뚫을 경우 아래층을 뚫고 들어가지만, 레이저의 경우 조건을 조합하면 수지에는 구멍을 뚫고 구리 위에서 가공을 멈출 수 있습니다.

따라서 다층화 후 레이저로 구멍을 뚫고 도금을 한 후 다음 층을 빌드업하여 레이저로 가공하는 공정을 쌓아 올리는(빌드업) 방식으로 비아홀의 면적을 효율적으로 사용하여 고밀도를 구현할 수 있습니다.

빌드업 기판을 사용하면 작은 면적에 고밀도의 기판을 사용할 수 있기 때문에 소형 기기 등에서도 다기능 제품을 만들 수 있습니다. 작은 면적의 복잡한 기판을 얻을 수 있습니다.

빌드업 기판의 사용 용도

빌드업 기판은 소형, 경량 전자기기에 광범위하게 사용되고 있습니다. 빌드업 기판이 실용화된 초기에는 PC와 휴대폰에 사용되었으나, 현재는 소형 계측기기, 스마트 미터 등 IoT 기기, 디지털 카메라 모듈, PC 주변기기 등에 사용되고 있습니다.

빌드업 기판 제조 공정의 홀 가공 등의 정밀도는 규격이 정해져 있어, 빌드업 기판 제작을 의뢰할 때 어느 정도의 정밀도로 의뢰할 것인지를 정확하게 선택해야 합니다.

빌드업 기판의 공정

빌드업 기판의 제조 공정으로는 절연체층 형성, 비아 가공, 스미어 제거, 비아 도금 등이 있습니다.

1. 빌드 업 층 형성

인쇄 회로 기판 위에 절연체 층을 쌓아 올립니다. 방법은 딱딱한 재료인 프리프 레그를 사용하는 경우 필름을 사용할 수 있습니다. 프리프레그는 디지털 카메라나 스마트폰의 반도체 패키지에 사용되는 경우가 많습니다.

2. 비아 가공

기판과 기판 사이의 절연체 층에 비아라는 구멍을 뚫는 공정입니다. 현재는 레이저를 이용해 구멍을 뚫는 것이 일반적입니다.

레이저도 탄산가스나 UV-YAG 등의 종류와 파장을 사용합니다. 탄산가스는 파장이 긴 적외선으로 디지털 카메라나 스마트폰에 많이 사용되며, UV-YAG는 파장이 짧은 자외선이기 때문에 반도체 패키지 기판과 같은 고밀도 영역에 사용됩니다.

3. 수지 잔여물 제거 (데스미어)

레이저 가공으로 인해 발생한 잔여물을 스미어라고 합니다. 수지가 남아 있으면 연결이 불가능하기 때문에 제거해야 합니다. 이 공정을 데스미어라고 합니다. 스미어가 빌드업 기판에 남아있으면 연결 불량 등으로 이어질 수 있으므로 반드시 제거해야 합니다.

강력한 약품(과망간산칼륨)으로 제거해야 하지만, 최근 고속에 대응하는 수지는 제거할 수 없는 경우가 있어 플라즈마 등을 병행하는 경우도 있습니다.

4. 비아에 도금

절연체를 사이에 둔 기판끼리 회로를 연결하기 위해 비아에 도금을 합니다. 작은 구멍에 도금하기 때문에 기포가 들어가지 않도록 해야 합니다.

빌드업 기판의 기타 정보

1. 빌드업 기판의 비아 명칭

구멍의 배치 및 구조에 따라 명칭이 달라지므로 간단히 설명합니다.

• 스태거드 비아
  계단처럼 비아의 위치를 엇갈리게 배치하는 방법입니다.
• 스택 비아
  비아 위에 또 다른 비아를 쌓아 올리는 방식입니다. 모든 층에 비아가 겹쳐져 있는 것을 풀스택 비아라고 합니다.
• IVH (영문: Interstitial VIA Hole) 내부에 있는 비아 홀
  빌드 이외의 층은 상하로 연결되는 구멍을 드릴을 통해 뚫어야 합니다. 구조적으로 기판 내부에 있는 구멍이기 때문에 이런 표기가 사용됩니다. 블라인드 비아라고 부르기도 합니다. 빌드업 층과 IVH 층을 구분하여 기재하는 것이 일반적입니다.

  예) 3-6-3 빌드 표 3층 IVH 6층 빌드 뒷면 3층 총 12층

2. 빌드업 기판과 애니레이어 기판의 차이점

빌드업 기판은 코어층 양면에 배선할 층을 쌓아 올리는데, 모든 층이 빌드업 층인 경우 에를 니레이어 기판이라고 합니다.

앞서 표기법으로 보면 3-0-3(6층 애니레이어)이 되지만, 사용하지 않는 층을 0으로 하는 것은 어색하기 때문에 층수 + 애니레이어라고 표현하고 있습니다.

애니레이어 기판은 스루홀을 형성하는 코어층이 필요하지 않습니다. 빌드업 기판은 IVH 부분은 기존 기판의 도통이 되지만, 애니레이어 기판은 레이저로 뚫은 작은 직경의 비아홀만으로 각 층 사이를 자유롭게 연결할 수 있습니다.

이러한 특징의 차이로 인해 애니레이어 기판은 일반 빌드업 기판보다 고밀도가 가능하여 제품의 경박단소화가 가능합니다. 공정 수와 비용이 많아지지만, 위와 같은 이유로 스마트폰 등에 많이 사용되고 있습니다. 그림을 참고하세요.

빌드업 기판의 각 구조 명칭은 다음과 같습니다.

그림 1. 빌드업 기판의 각 구조의 명칭

3. 빌드업 기판의 재료에 대하여

현재는 일반 기판 소재와 동일한 유리섬유 소재와 주로 패키지에 사용되는 필름의 두 가지가 주류를 이루고 있습니다. 과거에는 다양한 재료가 사용되었습니다.

원래 빌드업 기판은 IBM이 자사 제품군에 대해 대형 컴퓨터 플립칩을 장착할 수 있는 기술을 개발해 온 것이 시작입니다. 그 과정에서 다양한 검토를 진행했습니다.

그 결과, 포토 비아라고 불리는 자외선 경화 수지를 이용해 노광 및 현상하는 방식을 채택했습니다. 이는 일괄적으로 비아를 형성할 수 있다는 장점이 있었습니다. 층간 두께가 필요하기 때문에 막 두께를 확보할 수 있는 커튼코터용 솔더레지스트 소재를 기반으로 개발하여 양산화에 성공했습니다. 솔더레지스트와 마찬가지로 도포하고 노광 현상 후 열로 최종 경화하여 절연층을 형성했습니다.

IBM이 시작한 이후, 저희를 포함한 각 제조사들이 개발을 진행했지만, 빛에 의한 비아 형성은 형상을 안정화시키는 것이 매우 어렵고, 또한 화학구리의 형성은 원래 광중합을 일으키는 수지이기 때문에 박리 강도와 조건 관리가 매우 어렵습니다. 강도가 약하고, 조건 관리가 매우 어렵다는 단점이 있었습니다. 또한, 현상액이 용매이고, 각종 규제가 있어 대중화될 수 있는 기술이라고 할 수 없었습니다.

이후 마이크로 비아의 형성 방법이지만, 레이저 가공 장비의 대폭적인 발전으로 비아의 가공 속도가 수십 배로 빨라지면서 빛에 의한 형성에서 레이저 가공에 의한 형성으로 바뀌게 되었습니다. 이때 RCC(Resin Coated Copper Foil: 수지 코팅 동박)가 채택되었습니다. 이는 열경화성 수지이며, 동박 위에 수지를 코팅하여 프리프레그와 같은 반경화 상태로 만든 것입니다.

따라서 기존 기판과 동일한 공정인 적층 공정을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 박리 강도가 우수하기 때문에 비아는 빛에 의한 형성에서 RCC의 레이저에 의한 형성으로 대체가 진행되었습니다.

전자기기의 소형화 및 소형화가 진행되면서 빌드업 기판의 용도는 확대되어 왔습니다. 그 속에서 더욱더 비용 절감 및 고밀도에 대응할 수 있는 신뢰성이 요구되었습니다.

또한, 레이저의 출력 향상 가공 기술의 대폭적인 개선으로 일반적으로 사용되는 유리섬유 소재의 가공이 가능해짐에 따라 유리섬유 소재에 대한 선호도가 크게 높아졌습니다. 휴대폰, 디지털 카메라 등 각종 모바일이 바로 이 유형입니다.

한편, LSI 패키지에서는 LSI의 고밀도화 플립칩 대응으로 고밀도 다단화 및 박형화가 요구되고 있습니다. 다단화 및 박형화 대응을 위해 층간 두께가 얇아지고, 더 작은 비아 및 표면의 평탄성이 요구되었다. 이에 대응하기 위해 필름 타입의 소재가 개발되었습니다.

회로 안에 수지를 채우기 위해 진공 라미네이터가 필수적이며, 수지 표면에 화학적 구리를 침전시키기 위해 독자적인 공정 전용 라인이 필요합니다. 따라서 대규모 설비 투자가 필요하다. 패키지 용도로는 PC 스마트폰의 MPU 대규모 LSI에 사용됩니다.

토크 모터란?

토크 모터(영어: torque motor)는 시동 토크가 크고, 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 감소하는 모터를 말합니다.

넓은 속도 범위에서 안정적인 운전을 할 수 있는 특성을 가지고 있습니다. 토크 모터는 특히 저속에서 높은 토크를 구현할 수 있어 롤러 등의 권선 장치에 사용하기에 적합한 모터입니다.

권선을 할 때 처음에는 낮은 토크와 고속 회전이 필요하지만, 권선이 진행됨에 따라 직경이 커지기 때문에 최종적으로 높은 토크와 저속 회전이 필요합니다. 부하 측의 회전수-토크의 특성 곡선과 토크 모터의 특성 곡선이 비슷하기 때문에 토크 모터는 권선에 적합한 모터라고 할 수 있습니다.

토크 모터의 사용 용도

토크 모터는 일정한 속도로 무언가를 감는 장치에 내장되어 있는 경우가 많습니다. 예를 들어 천, 종이, 고무 등의 시트형 물건이나 금속선, 케이블, 실 등의 선형을 감는 경우 등이 있습니다.

또한, 롤용으로는 이송 롤, 각종 롤의 손실 보상용, 소형 크레인, 벨트 컨베이어 구동용 등이 있습니다. 또한, 밸브나 나사를 조이고 풀거나 문을 열고 닫을 때도 시동 토크가 필요하기 때문에 토크 모터를 사용하는 것이 적합합니다.

토크 모터의 원리

다른 모터의 회전수-토크 특성 곡선은 특정 회전수에서 정점을 찍는 산 모양인 반면, 토크 모터는 완만한 곡선을 그리며 오른쪽으로 내려가는 완만한 곡선을 그리는 것이 특징입니다. 이 특성이 바로 처짐 특성입니다.

토크 모터는 모터와 부하의 균형을 유지하기 위해 회전수가 증가함에 따라 토크는 감소하는 성질을 가지고 있습니다. 토크 모터에 가해지는 전압을 증가시키면 전압의 제곱에 비례하여 처짐 특성의 곡선은 더 오른쪽으로 기울어진 기울기를 가진 곡선으로 이동합니다. 따라서 전압 조정기와 함께 사용하면 애플리케이션에 따라 처짐 특성을 튜닝할 수 있습니다.

또한, 부하 토크가 일정한 경우, 인가 전압을 조정하면 회전 속도를 변화시킬 수 있습니다. 각속도가 일정한 회전 운동에 걸리는 토크를 정토크라고 하며, 토크 모터는 정토크를 필요로 하는 권선 동작 등에 적합합니다. 또한 시동 토크가 크기 때문에 시동 전류가 작기 때문에 자주 시동과 정지를 반복하는 동작에 적합한 모터입니다.

토크 모터의 기타 정보

토크 모터를 브레이크로 사용하는 방법
권취기구의 장력을 일정하게 유지하기 위해 권취측뿐만 아니라 권취측에도 토크 모터를 사용함으로써 미세한 조정이 가능합니다. 이 경우 토크 모터의 특징인 브레이크 특성을 이용할 수 있습니다. 제동 특성에는 다음 두 가지가 있습니다.

1. 역상 브레이크

교류 전압을 인가하여 회전 자기장의 방향과 반대 방향으로 회전시켰을 때의 토크 특성을 브레이크에 이용합니다. 역상 제동 특성을 이용한 사용법은 토크 모터 시동 시 토크보다 큰 토크로 반대 방향으로 회전시킬 때의 토크를 이용하는 방법입니다.

토크 모터는 일정한 제동력을 발생시키면서 회전 자력과 반대 방향으로 회전합니다. 회전수가 0부터 제동력이 발생하기 때문에 정지 시에도 장력을 필요로 하는 경우 등에 적합한 모터입니다.

2. 직류 브레이크

직류 전압을 인가하여 자기장에 의해 정지 상태의 모터를 회전시켰을 때의 토크 특성을 브레이크에 이용합니다. 한류 브레이크의 사용법은 정방향, 역방향 어느 방향으로 회전해도 동일한 제동력을 얻을 수 있는 현상을 이용하는 방식입니다.

회전수가 0일 때는 제동력이 0이지만, 회전수가 증가함에 따라 제동력이 증가하여 고속 영역에서 안정화됩니다. 이 특성을 이용하는 것은 고속 회전 시 안정된 장력을 필요로 하는 경우나 정회전 역회전 시 장력이 필요한 경우 등입니다.

다이오드 모듈이란?

다이오드 모듈은 다이오드를 여러 개 나란히 배치하여 전기의 통전 및 차단을 제어하는 반도체 정류 소자입니다.

다이오드 모듈은 전기 회로의 한 방향으로만 전류가 흐르도록 제어할 수 있는 특성이 있어 일반적으로 회로 설계 시 릴레이 부품으로 많이 사용됩니다.

거동이 비슷한 소자로는 사이리스터나 트라이액 등이 있습니다. 구현하고자 하는 처리에 따라 이들 모듈을 구분하여 사용합니다.

다이오드 모듈의 사용 용도

다이오드 모듈은 산업용 제품에서 광범위하게 사용되는 부품입니다. 다음은 다이오드 모듈의 사용 용도의 일례입니다.

• 직류 모터용 전원
• 인버터용 전원
• 배터리 충방전용 제어장치
• 파워 서플라이 내부

다이오드를 사용하면 교류전원의 전류를 한 방향으로만 추출할 수 있기 때문에 직류전원 내부에 널리 사용됩니다. 평활 커패시터 등과 함께 사용하면 교류 전류를 직류 전류로 변환할 수 있습니다.

다이오드 모듈의 원리

그림 1. 다이오드 내부 구조

다이오드 모듈의 원리를 이해하기 위해서는 다이오드의 구조를 이해해야 합니다. 다이오드의 내부 구조는 n형 반도체와 p형 반도체가 교대로 층층이 연결되어 있으며, 양극 측에서 음극 측으로 전압이 가해지면 전도됩니다. 반면, 반대 방향으로 전압이 가해지면 내부의 n형 반도체와 p형 반도체가 서로 멀어지는 방향으로 전하가 이동하게 되어 전류가 흐르지 않습니다.

이 특성을 이용하여 한 방향으로만 전기가 흐르는 정립 소자로 사용할 수 있습니다.

다이오드 모듈의 종류

다이오드는 그 특성에 따라 다양한 종류가 있습니다.

1. 정류용 다이오드

교류 전류를 유입시켜 정류하는 다이오드입니다. 실리콘 다이오드라고도 합니다. 전기를 한 방향으로만 흐르게 하는 성질을 이용하여 전원 회로나 보호 회로에 사용됩니다.

정류용 다이오드 4개를 조합한 다이오드 브리지가 유명합니다.

2. 검파용 다이오드

전류가 작은 영역(0.1mA 정도)에서 순방향 전압 강하가 낮은 특성을 이용하여 전파에서 음성 신호를 추출하는 다이오드입니다. 라디오 등의 음성 통신에 사용됩니다.

과거에는 게르마늄 다이오드가 많이 사용되었습니다. 하지만 가격이 매우 비싸기 때문에 현재는 쇼트키 배리어 다이오드로 대체되고 있습니다.

3. 정전압 다이오드

전류가 변해도 전압이 항상 일정하게 유지되는 다이오드입니다. 제너 다이오드라고도 합니다. 역방향으로 전압을 가하면 일정한 전압으로 전기가 흐르는 제너 현상을 이용하여 과전압 보호 회로에 사용됩니다.

4. 포토다이오드

PN 접합부에서 빛을 받으면 전류와 전압이 발생하는 성질을 이용한 다이오드입니다. 광전 센서, 광통신 등에 사용되고 있습니다.

태양전지나 DVD의 요철면을 반사한 레이저 광의 판독 장치, TV 리모컨의 수신부에 사용되기도 합니다.

5. 정전류 다이오드

전압이 일정 범위 내에 있을 때 일정한 전류를 흘리는 다이오드입니다. 소정의 전압 이상을 인가하면 파손될 위험이 있습니다. 배터리의 충방전 회로나 누전차단기 등에 사용됩니다.

다이오드 모듈의 기타 정보

1. 사이리스터의 내부 구조

그림 2. 사이리스터의 내부 구조

사이리스터는 다이오드에 게이트 전극을 더한 반도체 부품으로, p형 반도체 부분에 게이트 단자가 추가되어 회로 내에 양극에서 음극으로 양의 바이어스가 걸린 상태에서 게이트 전류가 흐르면 통전하는 모듈입니다.

일단 게이트 전류가 흐르면 도통 상태를 유지하며, 이후 양극에서 음극으로 바이어스가 마이너스가 되거나 게이트 전류가 0이 될 때까지 도통 상태를 유지합니다.

또한, 사이리스터는 단방향 바이어스에서만 전도합니다. 양방향 바이어스에 대해 동작하게 하려면 사이리스터를 양방향으로 설치한 구조의 트라이액(Triac)을 사용합니다.

2. 다이오드 모듈과 파워 모듈의 차이점

다이오드와 마찬가지로 전원 회로에 사용되는 소자로 파워 모듈이 있습니다. 파워모듈도 스위치와 정류를 수행하지만, 고전압 고전력이 필요한 제품에 사용되는 것이 특징입니다.

대표적인 예로는 철도 등의 모터 회전수를 제어하는 인버터가 있습니다. 에너지 절약에 대한 대응으로 고전압 고출력을 다루는 파워 디바이스의 효율 개선은 전 세계가 주목하고 있습니다.

다이오드 모듈이란?

다이오드 모듈은 다이오드를 여러 개 나란히 배치하여 전기의 통전 및 차단을 제어하는 반도체 정류 소자입니다.

다이오드 모듈은 전기 회로의 한 방향으로만 전류가 흐르도록 제어할 수 있는 특성이 있어 일반적으로 회로 설계 시 릴레이 부품으로 많이 사용됩니다.

거동이 비슷한 소자로는 사이리스터나 트라이액 등이 있습니다. 구현하고자 하는 처리에 따라 이들 모듈을 구분하여 사용합니다.

다이오드 모듈의 사용 용도

다이오드 모듈은 산업용 제품에서 광범위하게 사용되는 부품입니다. 다음은 다이오드 모듈의 사용 용도의 일례입니다.

• 직류 모터용 전원
• 인버터용 전원
• 배터리 충방전용 제어장치
• 파워 서플라이 내부

다이오드를 사용하면 교류전원의 전류를 한 방향으로만 추출할 수 있기 때문에 직류전원 내부에 널리 사용됩니다. 평활 커패시터 등과 함께 사용하면 교류 전류를 직류 전류로 변환할 수 있습니다.

다이오드 모듈의 원리

그림 1. 다이오드 내부 구조

다이오드 모듈의 원리를 이해하기 위해서는 다이오드의 구조를 이해해야 합니다. 다이오드의 내부 구조는 n형 반도체와 p형 반도체가 교대로 층층이 연결되어 있으며, 양극 측에서 음극 측으로 전압이 가해지면 전도됩니다. 반면, 반대 방향으로 전압이 가해지면 내부의 n형 반도체와 p형 반도체가 서로 멀어지는 방향으로 전하가 이동하게 되어 전류가 흐르지 않습니다.

이 특성을 이용하여 한 방향으로만 전기가 흐르는 정립 소자로 사용할 수 있습니다.

다이오드 모듈의 종류

다이오드는 그 특성에 따라 다양한 종류가 있습니다.

1. 정류용 다이오드

교류 전류를 유입시켜 정류하는 다이오드입니다. 실리콘 다이오드라고도 합니다. 전기를 한 방향으로만 흐르게 하는 성질을 이용하여 전원 회로나 보호 회로에 사용됩니다.

정류용 다이오드 4개를 조합한 다이오드 브리지가 유명합니다.

2. 검파용 다이오드

전류가 작은 영역(0.1mA 정도)에서 순방향 전압 강하가 낮은 특성을 이용하여 전파에서 음성 신호를 추출하는 다이오드입니다. 라디오 등의 음성 통신에 사용됩니다.

과거에는 게르마늄 다이오드가 많이 사용되었습니다. 하지만 가격이 매우 비싸기 때문에 현재는 쇼트키 배리어 다이오드로 대체되고 있습니다.

3. 정전압 다이오드

전류가 변해도 전압이 항상 일정하게 유지되는 다이오드입니다. 제너 다이오드라고도 합니다. 역방향으로 전압을 가하면 일정한 전압으로 전기가 흐르는 제너 현상을 이용하여 과전압 보호 회로에 사용됩니다.

4. 포토다이오드

PN 접합부에서 빛을 받으면 전류와 전압이 발생하는 성질을 이용한 다이오드입니다. 광전 센서, 광통신 등에 사용되고 있습니다.

태양전지나 DVD의 요철면을 반사한 레이저 광의 판독 장치, TV 리모컨의 수신부에 사용되기도 합니다.

5. 정전류 다이오드

전압이 일정 범위 내에 있을 때 일정한 전류를 흘리는 다이오드입니다. 소정의 전압 이상을 인가하면 파손될 위험이 있습니다. 배터리의 충방전 회로나 누전차단기 등에 사용됩니다.

다이오드 모듈의 기타 정보

1. 사이리스터의 내부 구조

그림 2. 사이리스터의 내부 구조

사이리스터는 다이오드에 게이트 전극을 더한 반도체 부품으로, p형 반도체 부분에 게이트 단자가 추가되어 회로 내에 양극에서 음극으로 양의 바이어스가 걸린 상태에서 게이트 전류가 흐르면 통전하는 모듈입니다.

일단 게이트 전류가 흐르면 도통 상태를 유지하며, 이후 양극에서 음극으로 바이어스가 마이너스가 되거나 게이트 전류가 0이 될 때까지 도통 상태를 유지합니다.

또한, 사이리스터는 단방향 바이어스에서만 전도합니다. 양방향 바이어스에 대해 동작하게 하려면 사이리스터를 양방향으로 설치한 구조의 트라이액(Triac)을 사용합니다.

2. 다이오드 모듈과 파워 모듈의 차이점

다이오드와 마찬가지로 전원 회로에 사용되는 소자로 파워 모듈이 있습니다. 파워모듈도 스위치와 정류를 수행하지만, 고전압 고전력이 필요한 제품에 사용되는 것이 특징입니다.

대표적인 예로는 철도 등의 모터 회전수를 제어하는 인버터가 있습니다. 에너지 절약에 대한 대응으로 고전압 고출력을 다루는 파워 디바이스의 효율 개선은 전 세계가 주목하고 있습니다.

AC 솔레노이드란?

AC 솔레노이드는 AC 전압, 즉 교류전압을 인가하면 동작하는 솔레노이드를 일컫는 명칭입니다. 참고로 솔레노이드는 구리를 비롯한 전기를 흐르게 하기 위한 도선을 나선형으로 감은 것으로, 일반적으로 코일을 말합니다.

코일은 평면상의 것, 입체적인 것 등 권선 전반을 부르는 반면, 그 중에서도 특히 나선형으로 감은 코일을 솔레노이드 코일, 또는 줄여서 솔레노이드라고 부르고 있습니다.

AC 솔레노이드의 사용 용도

AC 솔레노이드의 사용 용도로 가장 많이 사용되는 것은 솔레노이드 밸브입니다. 솔레노이드 밸브는 그 구조상 반드시 솔레노이드 코일을 사용하기 때문에 솔레노이드 밸브 대신 솔레노이드 밸브(밸브)라고도 합니다.

솔레노이드 밸브는 주로 물이나 기름 등의 유체를 멈추거나 흐르게 하는 밸브에 사용되거나, 2방향 밸브, 3방향 밸브라고도 불리는 유체의 흐르는 방향을 전환하는 밸브에 이용되고 있으며, 가장 가까운 곳에서는 차량용 각종 액추에이터, 가정용으로는 냉장고, 에어컨, 히트펌프 온수기 등 유체의 냉열 사이클을 이용하는 기기에 많이 사용됩니다.

AC 솔레노이드의 원리

AC 솔레노이드의 원리는 전류와 자기장에 의해 발생하는 힘을 이용합니다. 이 전류와 자기장과 힘의 관계는 전자석이나 전자기 유도 현상에 의해 발생하는 기전력으로도 설명할 수 있습니다.

대부분의 사람들이 한 번쯤은 들어봤을 것이고, 물리학에서 가장 먼저 배우는 가장 유명한 전기와 자기장과 힘, 즉 전자기력에 관한 법칙인 ‘플레밍 왼손의 법칙’에서 유래한 것입니다.

자세히 설명하자면, 나선형으로 감긴 코일 안에 왼손 중지와 검지, 엄지손가락을 각각 직각 방향으로 가리켰을 때, 중지 방향으로 전류(코일)를 흐르게 하고 검지 방향으로 자속(철심이나 자석)을 만들면 엄지손가락 방향으로 힘이 발생한다는 원리입니다.

이 전류의 방향을 바꾸고 전원을 켜고 끔으로써 철심이 움직이는 물리 현상을 각종 솔레노이드 밸브 등의 액추에이터에 활용하고 있습니다. 플레밍 왼손의 법칙은 사실 솔레노이드뿐만 아니라 모터를 비롯한 모든 전기로 움직이는 액추에이터에 공통적으로 적용되는 원리입니다.

참고로 이 반대의 플레밍 오른손의 법칙은 외부에서 얻은 힘을 전기로 바꾸는 발전기의 법칙이 됩니다. 어느 쪽이든 전기와 자기장에 의해 힘이 발생한다는 전자기 유도를 이용한 것임에는 변함이 없습니다.

솔레노이드의 종류

솔레노이드가 나선형으로 감긴 코일로 전자기 유도의 법칙에 의해 인가된 전력을 철심부의 기계식 액추에이터의 구동력으로 변환한다는 점은 설명한 바와 같지만, 솔레노이드에는 AC 외에도 DC 솔레노이드가 있는데, 두 가지의 차이점에 대해 설명합니다.

1. AC 솔레노이드

AC로 인한 돌입전류가 발생하기 쉽고, 발생 소음이 비교적 크다.
돌입 전류 시 가동 철심(플런저)을 강하게 흡입하기 때문에 안정성에 문제가 있다.
작동 속도, 흡입력 등 솔레노이드 자체의 특성은 우수하다.

2. DC 솔레노이드

전류값이 일정하여 안정된 동작이 가능하다.
AC 솔레노이드와 달리 돌입전류가 없어 소음이 비교적 적다.
동작 속도가 느리고 전류와 플런저의 흡입력이 작아 솔레노이드 자체의 특성이 AC에 비해 떨어진다.
따라서 특성으로 선택할 경우 AC 솔레노이드를 선택하게 되지만, 과도한 부하가 걸리면 솔레노이드 자체가 타버릴 위험이 있으므로 온도 퓨즈나 과전류 보호 회로 등 안전 동작 대책에 대한 고려가 필요하다.

또한, 가동 철심(플런저)의 동작 형태에 따라 푸시형(코일에서 철심을 밀어내는 방식)과 풀형(코일로 철심을 끌어당기는 방식)으로 나뉩니다. 두 가지 동작을 모두 겸비한 푸시-풀 타입도 존재합니다.

특징적인 솔레노이드는 자기유지형이라는 종류도 있는데, 영구자석을 이용하여 플런저의 위치를 고정할 수 있는 솔레노이드입니다. 이 타입은 플런저를 동작시키는 순간에만 전류를 흘려주면 되고, 고정하는 동안에는 통전할 필요가 없기 때문에 전력 소비를 최대한 억제하고 싶은 용도(축전지 사용 기기 등)에 적합합니다.

한 마디로 솔레노이드라고 해도 다양한 제품 사양이 있으므로 용도에 맞는 사양을 잘 확인한 후 선택하는 것이 중요합니다.

적층 세라믹 콘덴서란?

적층 세라믹 콘덴서는 MLCC(Multi -Layer Ceramic Capacitor)라고도 불리며, 내부 전극과 유전체층이 다층으로 적층된 칩 부품 타입의 커패시터입니다. 소형화, 대용량화가 진행되고 있는 커패시터 산업에서 더욱 발전이 기대되는 제품입니다.

유전체로는 주로 티탄산 바륨이나 산화티타늄 등이 이용되며, 내부 전극과 유전체가 여러 층으로 형성되어 있습니다. 적층 수를 늘리면 커패시턴스를 크게 할 수 있어 MLCC의 소형화가 가능하다.

최근 MLCC의 주류 크기는 0603(0.6×0.3mm)과 0402(0.4×0.2mm)이다. 일부 용량 값의 경우 차세대 0201 사이즈도 이미 실현되었지만, 취급의 어려움으로 인해 아직 시장에서 널리 보급되지는 않았다.

적층 세라믹 콘덴서는 칩형과 방사형 커패시터가 있다. 다른 커패시터에 비해 고주파 임피던스, ESR(등가 직렬 저항)이 낮고 고주파 특성이 좋은 특징이 있다.

적층 세라믹 콘덴서의 종류

적층 세라믹 콘덴서는 다양한 특성을 가진 제품들이 제품화되어 있으며, 용도에 따라 크기(사이즈), 내전압, 온도 특성 등을 고려하여 채용할 품종을 결정해야 합니다. 적층 세라믹 커패시터는 특성면에서 크게 Class1, Class2의 2종류로 분류됩니다.

1. Class1

Class1은 온도 보상형이라고도 불리며, ESR이 매우 작고 커패시턴스의 온도 변화가 적고 변화도 선형적이기 때문에 비교적 쉽게 보정할 수 있습니다.

그러나 커패시턴스는 1pF~1μF 정도로 작은 것이 주류를 이룬다. 주로 발진 회로나 시차 회로 등 커패시턴스 변화가 바람직하지 않은 용도에 사용됩니다.

2. Class2

Class2는 강유전체형이라고도 불리며, 티타늄산 바륨을 주원료로 하여 작은 크기에서도 100μF 정도의 큰 정전 용량을 얻을 수 있습니다. 그러나 ESR이 크고, 커패시턴스의 온도 변동이 크며, DC 바이어스가 가해지면 실질적인 커패시턴스가 저하되는 등 사용 시 유의해야 할 사항이 많습니다.

따라서 Class2 적층 세라믹 커패시터를 채용하는 경우, 그 특성을 고려한 회로 설계가 필수적입니다. 주요 용도로는 전원 평활용, 디커플링 커패시터 등 커패시턴스가 다소 변화해도 영향이 적은 회로에 주로 사용됩니다.

적층 세라믹 콘덴서의 사용 용도

적층 세라믹 콘덴서는 층 수에 따라 성능을 선택할 수 있고, 라인업이 다양해 활용 범위가 넓습니다. 적층 세라믹 콘덴서는 디커플링, 커플링, 평활회로, DC/DC 컨버터의 평활용, 컴퓨터 전원, 노이즈 제거용으로 휴대폰, TV, 산업기기에 탑재되고 있습니다.

차량용은 수명이 길고 고장이 잘 나지 않는 것이 선택된다. 산업기기용으로는 고용량, 소형이 많이 사용되고 있으며 최근에는 다른 커패시터로 대체되는 추세다.

현재 주류 적층 세라믹 콘덴서의 크기는 1.0×0.5×0.5×0.5mm의 1005 사이즈나 0.6×0.3×0.3mm의 0603 사이즈로 상당히 작지만, 향후 시장에서 이미 사용되기 시작한 0402 사이즈 및 차세대 0201 사이즈와 같은 초소형 커패시터가 주류가 될 것으로 예상됩니다.

적층 세라믹 콘덴서의 원리

콘덴서의 콘덴서스 C는 유전체의 유전율 ε 및 전극 면적 S에 비례하고, 전극 간 거리 d에 반비례한다. 또한, 커패시터끼리 병렬로 연결하면 전체 커패시터의 커패시턴스는 각 커패시터의 커패시턴스를 합한 값과 같아집니다.

따라서 콘덴서의 콘덴서스를 높이기 위해서는 유전율이 높은 유전체를 사용하고, 전극 면적을 늘려 전극판 사이의 거리를 최대한 좁히는 것이 포인트입니다. 적층형 세라믹 커패시터는 매우 얇은 전극판을 여러 층으로 쌓아 올린 구조로, 전극판 간 거리가 가까운 커패시터를 많이 병렬로 연결한 것으로 볼 수 있습니다.

즉, 적층수 N은 콘덴서의 콘덴서스 C에 비례합니다. 따라서 적층수 N으로 용량을 크게 함으로써 적층 세라믹 커패시터는 소형화와 고용량화를 동시에 달성할 수 있습니다.

또한, 유전체에는 유전율이 매우 높은 바륨 티타네이트가 주로 사용되지만, 그 성능은 조만간 한계에 도달할 것으로 예상됩니다. 따라서 보다 우수한 유전율을 가지면서도 피로도가 낮은 소재의 개발이 기대되고 있습니다.

적층 세라믹 커패시터의 구조

전극에는 니켈, 유전체에는 주로 바륨 티타네이트가 사용됩니다. 시트 형태의 유전체에 내부 전극이 되는 니켈 페이스트를 도포하고, 그 시트를 여러 장 겹쳐서 압력을 가해 성형합니다.

이후 작게 잘라 1000℃ 정도에서 소결하고 외부 전극을 부착하면 적층형 세라믹 커패시터가 됩니다. 내부 전극이 외부 전극과 좌우로 번갈아 연결되도록 함으로써 층이 병렬로 접합된 것과 같은 상태가 됩니다.

시트 형태로 제작되기 시작하면서 효율성이 높아졌고, 소형화, 박형화가 한층 더 진화했다. 층의 수는 많게는 1000층에 이르는 것도 있습니다. 유전체에 주로 산화티타늄을 사용한 저유전율계와 티탄산 바륨을 사용한 고유전율계로 분류됩니다.

또한 커패시턴스 변화율과 온도 범위에 따라 Class1과 Class2로 분류되며, Class1은 온도 보상용, 저용량으로 신호 회로 등에 사용되며, Class2는 고유전율로 온도 계수가 커서 전원 디커플링 및 평활 회로용으로 활용됩니다.

적층 세라믹 커패시터의 기타 정보

1. 적층 세라믹 커패시터의 특징

적층 세라믹 커패시터는 온도에 따라 커패시턴스가 변동합니다. 따라서 적층 세라믹 커패시터를 선택할 때는 용량과 정격 전압뿐만 아니라 사용 환경의 온도도 고려해야 합니다.

적층 세라믹 커패시터는 전극에 니켈, 구리 등의 금속을 사용하기 때문에 등가 직렬 저항(ESR)이 낮은 것이 특징입니다. 또한 적층 세라믹 커패시터는 구조상 기생 인덕턴스(ESL)가 작아 고주파에서 사용하기에 적합하다는 특징이 있습니다.

즉, 이러한 ESR과 ESL이 작은 특징을 살려 높은 Q값을 갖는 공진 회로나 저손실 정합 회로를 형성할 수 있어, 전원부의 디커플링 용도나 노이즈 대책 용도와 함께 MLCC는 고주파 회로 제품 분야에서 없어서는 안 될 부품 중 하나입니다.

전극판의 층수를 변경하여 소용량부터 대용량까지 자유자재로 제어할 수 있습니다. 따라서 제품으로서의 적층 세라믹 커패시터는 준비된 라인업의 커패시턴스 범위가 매우 넓은 것도 특징 중 하나라고 할 수 있습니다.

2. 대용량화의 기본 기술

커패시터의 커패시턴스는 내부 전극판의 면적에 비례하여 커집니다. 적층 세라믹 커패시터의 크기를 바꾸지 않고 대용량화를 실현하기 위해서는 가능한 한 많은 전극층을 쌓아 올리는 것이 중요합니다.

일반적으로 소형화 및 대용량을 실현하기 위해서는 밀리미터 이하의 두께로 형성된 전극을 적층해야 하기 때문에 전극층의 박막화가 필수적인 기술입니다. 전극층 박막화는 유전체 원료인 산화바륨의 조정과 페이스트 형태의 내부 전극을 시트로 만들기 위한 인쇄기술이 중요합니다.

유전체는 산화바륨에 첨가제를 첨가하여 시트 형태로 인쇄한 후 소결하여 형성된 그레인이라는 미립자가 그 역할을 담당합니다. 박막화된 유전체가 충분히 기능하기 위해서는 그레인의 미세구조를 어떻게 설계하느냐가 중요합니다.

또한, 페이스트 위에 내부 전극을 얇게 인쇄하기 위해 실크스크린에서 사용되는 것과 같은 스크린 인쇄 기술이 사용됩니다. 미세 기공에서 페이스트를 압출하여 균일한 내부 전극의 얇은 층을 형성할 수 있습니다.

3. 적층 세라믹 커패시터 점유율

전자기기 세계에서 적층 세라믹 커패시터는 이제 산업의 쌀이라고 불릴 정도로 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, TV 수상기 1대당 200~300개, 스마트폰에는 1대당 1,000개 정도의 적층 세라믹 커패시터가 사용됩니다.

또한, 전기자동차의 경우 1대당 15,000개 이상입니다. 이 적층세라믹 생산에서 일본 기업이 많은 점유율을 차지하고 있습니다. 조금 오래된 데이터이지만, 2017년 금액 기준 점유율 상위 4개사는 다음과 같으며, 일본 기업 3사가 세계 시장 점유율의 대부분을 차지하고 있습니다.

무라타제작소: 33.9% (2020년에는 40% 이상)
삼성전기: 18.1%, 삼성물산: 18.1
타이요유덴: 10.3
TDK: 8.4

특히 자동차에서는 고성능 적층 세라믹 커패시터가 요구되는데, 무라타제작소와 TDK가 세계 시장을 독점하고 있습니다. 적층 세라믹 커패시터는 5G 세대 스마트폰이 보급되는 2021년 이후 사용량이 더욱 늘어날 것으로 예상되어 당분간 품귀현상이 지속될 것으로 보입니다.

실린더란?

실린더는 공급된 압력을 추진력으로 증폭 변환시키는 기기입니다. 실린더의 압력원으로 사용되는 것은 공기나 기름입니다. 실린더는 파스칼의 원리를 이용한 내부 구조로 추진력을 만들어 냅니다.

실린더에 의해 증폭된 추력은 생산설비의 구동부에서 필요한 직선의 왕복운동이나 회전의 흔들림 운동에 이용되고 있습니다. 자동차, 반도체, 식품산업 등에서 활용되는 것이 공압을 구동원으로 하는 공압실린더(에어실린더)입니다.

유압을 구동원으로 하는 유압실린더는 건설기계, 중장비, 프레스 장비 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

실린더의 사용 용도

공압 실린더는 자동차, 반도체, 식품 산업 등의 생산 공장에서 많이 활용되고 있습니다. 공압 실린더를 사용하면 노동력 절감이나 자동화를 목적으로 한 공작물 이동 등을 쉽고 컴팩트하게 실현할 수 있습니다. 이 때문에 공압 실린더는 다양한 자동화 장치에 채택되어 조립, 이송 등의 동작에 활용되고 있습니다.

공압 실린더에서 사용되는 압력이 0.5MPa 정도인 경우, 직선의 왕복 운동이나 회전의 흔들림 운동 등 사람의 힘에 가까운 작업을 쉽게 구현할 수 있습니다. 반면 유압실린더는 공압실린더에 비해 훨씬 높은 추력을 얻을 수 있기 때문에 건설장비나 중장비 등 파워가 필요한 곳에 활용되고 있습니다.

실린더의 원리

실린더는 파스칼의 원리를 이용해 추력을 발생시킵니다. 실린더의 측면에 공기나 기름이 드나드는 급배기구가 배치되어 있습니다. 급배기구에서 공급된 압력은 파스칼의 원리에 의해 실린더 내부의 피스톤과 로드를 앞뒤로 움직여 추력을 발생시킵니다.

실린더의 급배기구에 공급되는 압력이 공압인 경우, 추력은 소~중 정도입니다. 유압의 경우 중~대형 추력을 얻을 수 있다. 실린더의 구조는 크게 실린더 튜브, 피스톤 로드, 앞뒤 커버로 구성됩니다.

주사기로 비유하면 바깥쪽의 통 부분이 실린더 튜브, 내부를 왕복하는 부분이 피스톤 로드입니다. 그리고 실린더의 뚜껑이 되는 부분이 앞뒤 커버가 됩니다. 또한 에어 실린더의 경우 커버 부분에 쿠션이 사용되어 구동 시 충격을 흡수하는 역할을 합니다.

또한, 실린더의 피스톤 외곽에 사용되는 것이 패킹입니다. 패킹은 실린더 측과 로드 측의 밀폐성을 유지하면서 정확한 움직임을 보장하는 역할을 합니다. 실린더의 슬라이딩이 나빠지는 원인이 바로 패킹의 손상입니다. 따라서 패킹은 유지보수 부품으로 취급되는 경우가 많습니다.

실린더의 종류

실린더 내부 공간의 명칭은 실린더 측(또는 튜브 측), 로드 측이라고 부릅니다. 로드 측은 피스톤을 구동하는 로드가 공간 내부에 있는 쪽입니다. 그리고 공간 내에 아무것도 없는 쪽이 실린더 측이 됩니다.

1. 복동 실린더

복동 실린더는 실린더 측과 로드 측 모두에 유체(공기 또는 유압이 일반적)를 채워 압력을 가하여 신장 및 수축 동작을 자유자재로 하는 방식입니다. 압력을 가하는 급배기구가 2개가 있으며, 각각의 급배기구에서 급기와 배기를 교환함으로써 피스톤의 로드가 왕복 운동합니다.

2. 단동 실린더

단동 실린더는 한쪽만 유체에 의한 압력 변동으로 구동하는 방식입니다. 압력을 가하는 급배기구가 하나 있고, 이 급배기구에 압력을 가하면 피스톤의 로드가 움직이고, 급배기구에서 압력을 빼면 로드가 되돌아갑니다.

실린더 선택 방법

실린더를 선택할 때 스트로크를 고려해야 합니다. 실린더의 스트로크는 실린더가 늘어나고 줄어드는 거리를 말합니다.

실린더가 완전히 늘어나고 완전히 수축된 위치를 실린더의 스트로크 끝이라고 합니다. 즉, 스트로크 끝은 더 이상 피스톤을 움직일 수 없게 되는 위치를 말합니다.

스트로크의 최대 거리는 실린더 튜브와 로드의 길이에 따라 결정됩니다. 하지만 재현 없이 길게 할 수 있는 것은 아닙니다. 길이에 비해 직경이 작으면 가공이 어려워지기 때문입니다. 또한 길이가 길어지면 실린더 내경과 피스톤 외경의 진원도를 유지하기가 어려워집니다. 진원도가 나쁘면 기밀성이 떨어지고, 실린더로서 정확하게 움직일 수 없게 됩니다.

또한, 스트로크에 비해 직경이 작은 경우에는 신장 시 과부하가 걸리면 실린더가 좌굴할 우려가 있다는 것이 문제입니다. 따라서 목적에 맞는 스트로크 및 직경을 선정해야 합니다.

방열판이란?

방열판(heat sink)은 냉각을 목적으로 기기에 장착하는 부품입니다. 주로 전자기기에 사용되며, 과도한 온도 상승을 방지한다. 방열판이라고도 합니다.

원리와 구조가 매우 간단하고 물리적 동작을 필요로 하지 않는다. 따라서 고장이 잘 나지 않는 장점이 있습니다.

방열판 사용 용도

방열판은 열을 발생시키는 전자 부품 등에 결합되어 사용됩니다. 대표적인 예가 컴퓨터의 CPU 냉각입니다.

CPU와 같은 전자부품은 내부에 반도체나 전도체를 사용합니다. 이들 부품은 작동 시 항상 발열이 발생하는데, 발열을 방치하면 전자제품 내부의 온도가 상승하여 주변 바니시를 녹이거나 반도체 부품을 소손시키기도 합니다. 방열판으로 이러한 발열 부품을 방열하면 과열로 인한 고장을 방지할 수 있게 됩니다.

일반적인 CPU는 방열판을 장착한 후 팬을 이용해 냉각을 합니다. 이를 세트로 묶어 CPU 쿨러라고 부릅니다.

방열판의 원리

방열판은 금속을 빗살 모양으로 배열한 구조로 되어 있습니다. 빗살 부분을 핀이라고 하는데, 빗살 모양으로 만들어 표면적을 넓혀 방열 성능을 높입니다. 방열판의 원리는 열역학 제2법칙입니다. 이는 열은 반드시 고온의 물질에서 저온의 물질로 흐른다는 아주 간단한 원리입니다.

따라서 방열판만으로 운영할 경우 대기온도 이하로 낮출 수 없습니다. 따라서 소형 전자부품이나 내열온도가 높은 기기에 사용합니다. 방열판과 함께 팬이나 펌프를 이용해 강제 순환을 시키면 냉각 효율을 높일 수 있습니다.

발열량이 많은 경우에는 펠티에 소자나 히트펌프 등 냉각 효율이 더 높은 장비를 사용합니다.

방열판의 기타 정보

1. 방열판의 성능

방열판의 성능은 주로 ‘열저항’으로 표시됩니다. 열저항은 온도가 잘 전달되지 않는 정도를 나타내는 값으로, ‘어떤 물체에 1와트의 열을 가했을 때 온도가 몇도 상승하는가’를 뜻합니다. 열 저항의 단위는”K/W”또는”℃/W”입니다.

열저항은 방열판의 표면적과 소재에 따라 달라지며, 값이 작을수록 성능이 높아집니다. 표면적을 넓히는 것이 가장 효율적으로 열 저항을 줄일 수 있기 때문에 방열판은 빗살 모양이나 사다리꼴 모양으로 설계됩니다.

방열판의 성능을 나타내는 또 다른 값은 압력 손실입니다. 압력 손실은 방열판을 통과하는 공기와 냉각수의 저항을 나타내며, 값이 낮을수록 고성능입니다.

2. 방열판 재료

방열판의 재료는 열전도율이 높은 금속을 사용합니다. 알루미늄 합금이나 황동, 청동과 같은 구리 소재 또는 은, 철과 같은 금속이 사용됩니다. 구리 소재는 열전도율이 좋지만 무게가 무겁고 가격이 비싸다. 따라서 방열판 소재로 사용되는 경우는 드물다고 할 수 있습니다.

반면 알루미늄은 가볍고 저렴합니다. 알루미늄은 자체 방열성도 높아 풍량이 적은 환경에서는 알루미늄이 구리보다 더 적합한 경우도 있습니다.

방열판 소재로는 주로 알루미늄이 사용됩니다. 알루미늄으로 필요한 사양을 충족하지 못하는 경우 다른 소재를 고려할 수 있습니다.

GPIB란?

GPIB(General Purpose Interface Bus)는 정보기기 간의 신호 교환(이른바 인터페이스) 수단으로서의 통신 규격 중 하나입니다.

GPIB 케이블은 계측기 제어용 PC와 계측기 간의 연결에 자주 사용되며, GPIB는 1960년대에 고안된 휴렛팩커드(HP)사의 사내 표준에서 출발하여 1975년 미국 전기전자학회 IEEE에 승인되었고, 현재는 IEEE488 및 IEEE 488.2라는 국제 표준 규격입니다.

대부분의 계측기는 이 GPIB를 통한 정보 교환 수단을 표준으로 탑재하고 있으며, PC와 다른 정보기기를 사용하는 계측 시스템 등 모든 기기와의 통신에 범용적으로 사용되고 있습니다. 까지 연결할 수 있습니다. 단, 이 경우 전체 통신 속도는 속도가 가장 느린 장비에 따라 달라집니다.

GPIB의 사용 용도

GPIB는 PC(PC)에서 소프트웨어 제어로 동작 가능한 계측기기에 연결하여 자동 제어를 하고 평가하기 위해 기존 기종을 중심으로 광범위하게 사용되고 있습니다.

GPIB는 내노이즈성이 우수하여 신뢰성 높은 통신이 가능합니다. 제품의 특성 평가에서 기준이 되는 전기적 특성을 평가할 목적으로 (엄격한 제어가 필요한) 측정 장비에 많이 채택되고 있다. 예를 들어, 전기화학 측정이나 표면 처리 기술 등에서는 함수 발생기와 전기계를 결합하여 전위나 전류를 측정합니다.

저가형 측정기기에는 시리얼 통신인 RS-232C가 탑재되어 있는 경우가 많지만, 고급형 기기에서는 신뢰성이 높고 고속 통신이 가능한 GPIB를 채택하는 경우가 많습니다.

GPIB의 원리

GPIB의 원리는 그 편의성 확보를 위해 여러 기기를 스타 연결 또는 데이지 체인으로 연결하여 케이블만 연결하면 노이즈 내성이 우수한 측정기 상호간 고속 통신 제어가 가능하다는 점에 있다. 예를 들어, 다른 통신 규격인 RS-232C의 경우, 별도의 인터페이스를 설치하거나 스위칭 허브와 같은 것을 준비해야 한다.

이를 가능하게 하는 것은 GPIB의 특수한 커넥터 형태입니다. 플러그와 리셉터클이 일체화된 구조로, 8개의 데이터 버스와 5개의 관리 버스, 3개의 핸드셰이크 버스로 구성된 16개의 신호선으로 구성되어 있으며, GPIB를 통해 연결된 기기 중 데이터를 발신하는 기기를 ‘토커’, 수신하는 기기를 ‘리스너’라고 부릅니다. 라고 합니다.

하나의 장비가 토커와 리스너의 역할을 모두 수행할 수 있지만, 동시에 할 수는 없다. 이 경우 송신과 수신을 번갈아 가며 교대로 전환하여 통신이 이루어진다. 이러한 화자와 수신자를 지정하는 역할을 하는 기기를 컨트롤러라고 하는데, 일반적으로 PC가 이 역할을 담당한다. 컨트롤러와의 데이터 및 명령어 교환은 ASCII 형식으로 이루어집니다.

그 중 GPIB 보드가 하는 역할은 GPIB의 버스 통신선상에서 기기 간 데이터 충돌을 방지하는 기능이다. 이 역할에서 데이터를 전송할 수 있는 디바이스를 3~4대만 제한하여 실용화한 것이 GPIB 보드 컨트롤러이며, 항상 정해진 루틴 동작을 하고 있습니다.

GPIB의 기타 정보

1. LAN이나 USB와의 비교

최근에는 LAN이나 USB와 같은 통신 규격에서도 측정기의 제어가 가능한 새로운 기종이 늘어나고 있습니다. 특히 LAN에서는 GPIB의 한계인 최대 15대의 통신 접속 대수나 4m라는 측정기 간 거리 제한이 없어, 예를 들어 서로 다른 거점 간 원격 접속으로 측정 평가나 온라인 근무로 자택에서 실험실에 LAN으로 접속하여 측정 평가도 가능합니다.

반면 USB는 허브를 함께 사용하면 최대 127대까지 연결이 가능하지만, 연결이 가장 간편하고 IP 주소 등 통신에 대한 지식이 없어도 USB 케이블만 연결하면 통신 제어가 가능하다는 편리함이 매력적입니다. 다만, LAN도 USB도 측정기 업계에서는 비교적 새로운 기종의 대응이 주를 이루고 있기 때문에 기존 측정기에서는 미지원인 것도 있어 평가하고자 하는 항목과 기종에 따라 구분하여 사용할 필요가 있습니다.

통신 속도는 USB2.0이나 LAN의 고속 버스가 우수하지만, 일반적으로 측정기의 측정과 데이터 처리에 필요한 처리 속도가 속도를 좌우하는 경우가 많습니다. 특히 데이터량이 많은 스펙트럼 분석기 등에서 변조 파형 처리 등은 버스의 속도 차이가 두드러지게 나타납니다.

2. IEEE488과 IEEE488.2

IEEE488.2는 IEEE488을 포괄하는 상위 표준으로, IEEE488에서는 명령어(지령), 데이터 형식, 쿼리(질의) 등의 규정이 없고 기본적인 통신 프로토콜과 전기적, 기계적 통신 인터페이스의 사양만 규정되어 있습니다.

IEEE488.2는 IEEE488의 상위 표준으로 명령어, 데이터 포맷 등의 규정도 함께 규정되어 있어, 보다 측정기 및 정보기기 간 통신 표준의 색채가 짙어졌습니다.