바리스터란?
바리스터는 인가하는 전압에 따라 저항값이 변하는 두 개의 전극을 가진 반도체 소자 중 하나입니다.
변화하는(Variable) + 저항(Resistor)으로 ‘변화하는 저항’이라는 뜻입니다. 따라서 비직접저항 또는 전압 의존성 저항이라고 부르기도 합니다.
전압과 전류는 비례관계가 없는 것이 특징이며, 바리스터에 걸리는 전압이 작을 때는 저항값이 높고, 전압이 클 때는 저항이 낮아집니다.
바리스터의 사용 용도
바리스터는 전압에 따라 저항값이 변합니다. 이 특성을 활용하여 정전기 등으로부터 IC 소자 등을 보호하거나 번개 서지로부터 전자기기를 보호하는 등의 목적으로 사용되기도 합니다.
만약 IC 등의 소자나 전자기기에 이상 전압이 인가되면 오작동이나 파괴로 이어질 수 있습니다. 또한 바리스터에 고전압이 인가되면 바리스터의 저항값이 낮아집니다. 이로 인해 회로에 전류가 흐르기 쉬워지고, 라인 임피던스에서 전압 강하가 발생하여 전자기기의 부하를 줄일 수 있습니다. 다른 용도로는 주로 정전기로 인한 방전 방지, 비산 방지 등이 있습니다.
1. 정전기 방전 방지
우리가 흔히 사용하는 휴대폰, 음악 플레이어, USB 등 외부 인터페이스 단자를 가진 전자기기는 정전기 차폐가 어렵기 때문에 정전기를 방지하는 부품을 사용해야 합니다. 이들은 제조상의 기술적 고도나 어려움으로 인해 정전기 방전이 발생하기 쉽고, 파괴되기 쉽기 때문입니다.
기존에는 정전기 방지를 위한 방법으로 제너다이오드라는 안정적이고 일정한 전압을 얻을 수 있는 소자를 사용하였으나, 소형화 및 저가의 적층 칩 바리스터가 개발되면서 바리스터가 사용되기 시작했습니다.
2. 비산방지
전기 모터 및 전력기기의 총칭인 전동기 중 흐르는 전류를 회전 위상에 따라 전환하고 회전축의 힘을 일정한 방향으로 유지하기 위한 기계적 정류자와 브러시를 가진 것이 정류자 전동기입니다.
정류자 전동기의 하나로 브러시라는 직접 전류가 흐르는 부품이 있는 브러시형 DC 모터가 있는데, 간헐적으로 회전하는 정류자에 의해 고전압이 발생하여 스파크가 발생하면 브러시가 마모되거나 소음이 발생하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 바리스터가 사용됩니다.
바리스터의 원리
바리스터는 산화아연을 주성분으로 하는 세라믹 반도체를 두 개의 전극으로 끼워 넣은 구조입니다. 바리스터 특성은 전류를 I, 전압을 V라고 하면 I=KV^α와 같이 나타낼 수 있습니다. 이때 K는 소자 고유의 상수이고, α는 전압 비선형 계수(α 계수)입니다.
전압 비선형 계수는 저저항에서 고저항으로 넘어가는 지점인 굴절점 이후의 곡률을 나타내는 계수입니다. 바리스터의 등가회로는 제너다이오드를 거꾸로 2개 연결한 것에 커패시터를 병렬로 연결한 회로입니다.
이를 통해 바리스터에는 커패시터 성분이 있기 때문에 바리스터에 걸리는 전압이 낮고, 바리스터가 고저항일 때는 소량의 커패시턴스가 있다는 것을 알 수 있습니다.
일정 전압까지는 높은 저항을 보여 전류를 흐르지 않는 구조로 되어 있지만, 일정 전압 이상의 부하가 걸리면 저항력보다 전압이 높아지기 때문에 양자 역학적인 터널 효과에 의해 큰 전류를 흐르게 됩니다. 따라서 소자나 전자기기에 고전압 부하가 걸렸을 때 바리스터가 정전기를 접지 등에 흘려보내는 역할을 하는 구조로 되어 있습니다.
바리스터의 기타 정보
바리스터의 특징
바리스터에는 수명이 있습니다. 바리스터에 걸리는 전압, 바리스터의 내량, 서지 파형이라고 불리는 출력을 방출한 상태와 단락시킨 상태의 결과가 규정된 선형 그래프를 바탕으로 수명을 적절히 판단할 수 있는 것을 선택해야 합니다. 규정을 크게 초과할 경우 파손이나 비산을 일으켜 부상 등을 초래할 수 있습니다.
또한 비슷한 구조로 제너다이오드가 있지만, 전류-전압 특성이 대칭으로 되어 있어 극성을 갖지 않는다는 점에서 약간의 차이가 있습니다.