MLCC - ①전자소자란? - 수동소자 / 능동소자

MLCC 하면 가장 떠오르는 기업, 삼성전기가 있다. 작년부터 큰 성과로 언론에도 주목 받고 있으며, 삼성전기의 전체 매출에 40%를 MLCC 제품 하나가 담당하고 있다고 한다. 삼성전기에 대해서 가장 오해 하는 것 중 하나는 삼성전기의 "전기" 때문에 발전소에서 전기를 생산하는 기업으로 알고 있는 사람이 적지 않다. 나 또한 취업하기 전까지 삼성전기에서 정확히 무엇을 하는지 몰랐다. 삼성전기의 번개는 전기 전(電), 그리고 기계 기(機), 다시 말해서 전자 기기에 들어가는 여러 부품을 개발하는 기업으로 이해하면 될 것 같다. 우리가 사용하는 전자기기에는 다양한 전자 부품들이 많이 사용되는데, 여기서 전자부품이란 전자회로를 구성하기 위해 사용되는 부품으로서 트랜지스터, 저항기 등의 개별 부품 외에 이들을 집적하여 1개의 형태로 한 IC (integrated Circuit)도 일종의 부품으로 다뤄진다. 전자 소자는 크게 능동소자와 수동소자로 나뉠 수 있는데, 소자의 구분은 크게 "①소자가 에너지를 공급하는가?" "②소자가 에너지를 공급받는가?"에 따라 분류될 수 있다.

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먼저 전기유닛 (단위)에 대하여 간단하기 알아보고 넘어가자. 전기 단위에는 전력(와트: W), 전하(쿨롬: C), 전압(볼트: V), 커패시턴스(페럿:  F), 전기저항(옴: ohm), 전도도(지멘스: S), 전기장(웨버: Wb), 전자장 밀도(Tesla: T), 인덕터(헨리: H)로 이루어져 있다. 항상 단위를 알고 넘어가는것이 가장 중요한 것 같다. 

전기단위

 

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능동소자

수동소자 (영어로는 Passive Element 라고 부른다)는 에너지를 소비하는 소자로서 수동적으로 작동하기 때문에 독단적으로 어떠한 기능을 수행할 수 없다. 에너지를 소모, 축적, 통과시키는 기능을 가진 소자로서 소자가 만들어진 후에는 특성 변화가 없는것이 특징이다. 대표적으로는 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C), 릴레이(Relay) 등이 있다. 

수동소자

능동소자 (영어로는 Active Element 라고 부른다)는 전기 에너지를 증폭, 발진, 정류와 같은 기능을 수행하며 (전압 또는 전류와 같이 작은 신호를 사용하여 큰 출력 신호로 변화시킬 수 있는 전자 부품), 이러한 역할을 진행하기 위하여 외부로부터 전기 에너지를 공급 받아야 한다 (단독으로 사용되기 어렵다). 신호의 증폭 외에도 주파수 변환에 사용되기도 하며 수동소자가 주변에 있어야만 사용이 가능하다. 대표적으로는 연산증폭기, 다이오드, 트랜지스터가 있다. 능동소자와 수동소자를 전력 계산을 통해서도 가능하다. 하기에 수식들을 참고해보자. (＊전력: 전기회로에 의해 단위 시간당 전달되는 전기 에너지)

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▼▼▼▼▼전력에 대해 알아보기 ▼▼▼▼▼

소자에 전압이 걸려 전류가 흐르게 될 때 소자가 흡수하는 에너지는 다음과 같이 표현될 수 있다. 소자에 V만큼의 전압이 걸리고, △q 만큼의 전하가 소자를 통해 양의 단자에서 음의 단자로 이동하게 된다면, 소자가 흡수하는 에너지 △W는 전압에 전하 △q를 곱한 값이 된다. 

소자가 흡수한 에너지(W) = 전압(V) X 전하(q)

이 때, 특정량 만큼의 일이 수행될 때 소요된 시간을 △t 라고 생각했을 때, 에너지가 소비된 비율을 다음과 같이 생각할 수 있다. 

에너지가 소비된 비율

에너지가 소비된 비율은 결국 전력을 나타내기 때문에, 전력을 p로 표현을 할 때 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

전력 (i=전류)

여기서 p=vi 이기 때문에, p의 유닛(부호)는 (J/C)*( C/S), 다시 변환하면 J/S로 된다.

상기 수식들을 이용하여 간단하게 전력을 계산할 수 있게 되는데, 가령 p=vi, 식에서 사용되는 전압이 20V, 전류는 10A라고 가정하였을 때, 소비되는 전력은 20V*10A = 200W 가 된다. 200W는 양의 값이기 때문에 해당 전자기기의 소자는 "소비하는 전력", 즉 수동소자라고 할 수 있다. 

반대로 양의 전류가 음의 단자로 들어갈 경우, 전압은 -20V, 전류는 10A로 가정하였을 때 해당 전력값을 계산해보면, 소비되는 전력은 -20V*10A = -200W 가 된다. -200W는 음의 값이기 때문에 해당 전자기기의 소자는 에너지를 공급하는 소자 즉 능동소자라고 할 수 있다.

정리해보면, P=VI 전력의 값이 양수와 음수일 때 해당 소자가 전력을 공급 받는지, 전력을 소비하는지를 판단할 수 있으며, 전력을 공급 받을때는 수동소자, 전력을 공급 할때는 능동 소자로 이해하면 된다.  

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수동 소자에 가장 많이 사용되는 저항, 커패시터, 인덕터에 대하여 간단하게 알아보자.

저항

저항 (Resistor)은 전기의 흐름을 방해하는 정도를 나타내며, 저항값이 높으면 높을수록 전류가 흐리기가 더욱 어렵다. 일반적으로 금속과 세라믹 재료를 비교해보면 이해할 수 있는데, 금속 같은경우 전자들이 자유롭게 이동할 수 있어 저항이 낮은 편이고. 세라믹 같은 경우 강한 공유 결합으로 인해 전자들의 이동이 매우 제한적이여서 저항이 매우 높은 편이다. 저항 소자를 만들때도 재료적인 관점의 특성을 잘 이용하면 매우 효율이 높은 저항체를 만들 수 있다. 

옴의 법칙 (Ohm's Law)에 따르면, 저항은 R= V/I (ohm)으로 표기 되며, 이는 전류의 세기를 표현할 때 사용되는 법칙으로 전류의 세기는 전압에 비례하고, 저항에 반비례 한다를 뜻한다. 말 그대로, 전압이 세고 저항이 낮으면 전류가 세진다는 뜻이다. 

옴의 법칙 (Ohm's Law)

우리가 일반적으로 사용하는 전기도선은 구리를 많이 이용하지만, 물질에 결함 또는 물질의 상태가 변질 (산화)되어 전기적 특성이 저하된 경우 전자가 흐름에 있어 방해를 받게 되는데, 이 방해되는 정도를 비저항(resistivity) 으로 표기하며, 이 비저항의 역수를 전기 전도도 (conductivity)로 표기한다.

비저항과 전도도

캐패시터

캐패시터 (Capacitor)는 축전기로 불리기도 하며, 부도체 (절연체 또는 유전체)를 사이에 두고 2개의 도체로 이루어진 2단자 소자를 의미한다. 전압이 높을 때 전하를 모으고, 전압이 낮을 때 전하를 방출하는 역할을 수행하며, 전원 전압과 동일한 크기의 전위차(전압)을 유지하는 역할을 수행한다. 우리가 잘 알고있는 삼성전기의 MLCC가 여기에 속한다. Capacitor는 매우 중요한 역할을 수행하는데, 가령 전자기기의 오작동을 방지하는데 매우 효과적이며 우리가 흔히 사용하는 모든 전자기기에 탑재된다고 이해하면 될 것 같다. 

캐패시턴스 

인덕터

인덕터 (Inductor)는 유도자 라고 불리고다 하며, 전자기 유도현상에 의해 소자에 전류가 흐르면 자기장이 발생하는 것으로 자기장 형태로 에너지를 저장하는 역할을 한다. 대표적인 예로 전원 공급기, 변압기, 라디오, 텔레비전, 등이 있으며, 패러데이 법칙과 렌츠의 법칙에 의해 설명이 가능하다. 

능동 소자에 가장 많이 사용되는 트랜지스터, 다이오드, 연산증폭기에 대하여 간단하게 알아보자.

다이오드 (Diode)는 P형 반도체와 N형 반도체를 서로 접합시켜 만드는데, 한쪽 방향으로 전류를 흘리거나 반대 방향으로 전류를 차단하는 스위치 역할을 하는 소자다. 전류가 흐르는 것을 순방향 바이어스 (bias)라고 부르며, 전류가 흐르지 않는것을 역방향 바이어스라고 부른다. P형 반도체에 +, N 형 반도체에 -극이 물리면 순방향 바이어스라 부르며, 반대로 P형에 -극, N형에 +극이 물리면 역방향 바이어스라 부른다. 일상생활에 많이 사용하는 LED 또한 다이오드의 일종이다. 

P형 반도체와 N형 반도체에 대하여 잠간 살펴보자.