저항의 이해

저항이란?

저항이란 전기의 흐름을 방해하는 정도로, 전류가 흐르는 걸 방해하여 흐르는 전류량을 제한한다.
 
물질의 내부의 자유전자가 이동하게 되면 전자는 전기적 성질을 갖게 되므로, 전류의 흐름이 생긴다. 이 자유전자들은 물질의 내부를 구성하는 원자들 사이를 이동해야 되는데 이 때, 원자와 자유전자가 출동하여 운동을 방해받는다. 이러한 전자의 이동을 방해하는 것을 저항(Resistance)이라 하고, 회로도에서 사용하는 저항의 기호는 다음과 같다. 

저항기호

물질의 전기저항은 물질의 종류, 전선의 단면적, 전선의 길이, 온도 등에 의하여 차이가 생기게 된다. 또한 전자의 이동의 차이로 인해, 같은 물질이라도 단면적의 크기가 클수록 전자의 이동 공간이 커져 저항은 적게 되고, 길이가 길수록 전자가 이동하는 시간이 많이 걸리기 때문에 저항은 커지게 된다.

 

옴의 법칙 (Ohm’s Law)

 
독일의 물리학자 게오르크 옴은 전압, 전류, 저항 사이의 정량적 관계를 밝힌 옴의 법칙을 발견하였다. 이 옴의 법칙은 두 지점 사이에 나타나는 전위차에 흐르는 전류가 일정한 법칙에 따르는 것을 말한다. 두 지점 사이의 도체에 일정한 전위차가 존재할 때, 도체의 저항의 크기와 전류의 크기는 반비례한다.
 I 는 도선에 흐르는 전류로 단위는 암페어(A), V 는 도체에 양단에 걸리는 전위차로 단위는 볼트(V) 그리고 R 은 도체의 전기저항으로 단위는 옴(Ω)이다. 옴의 법칙에 대한 식은 다음과 같다.

옴의 법칙

다음 그림은 영국의 ABI사의 보드마스터 장비에 포함된 V-I 커브 트레이서를 활용하여 저항에 대한 V-I (전압-전류)특성을 측정한 화면이다. 옴의 법칙과 같이 전류의 세기는 전압에 비례하는 것을 알 수 있다. V-I(전압-전류) 측정 화면과 같이 저항 값에 따라 측정된 1차 곡선의 기울기가 변화하며, 전압이 상승함에 따라 전류의 세기도 함께 상승하는 것을 확인함으로써 전압과 전류가 비례하는 것을 알 수 있다.

[저항의 V-I(전압-전류) 특성 측정]

 

저항(저항기)의 종류

저항기는 크게 고정 저항기와 가변 저항기로 나누어지며, 사용하는 재료에 따라 탄소계와 금속계로 분류된다.

1. 고정 저항기

1.1. 탄소피막 저항기 (Carbon Film Resistor)

가장 널리 사용되는 형태의 저항으로 세라믹 로드에 탄소분말을 피막 형태로 입힌 후 나선형으로 홈을 파서 저항 값을 조절하는 방법으로 만듭니다. 이후에 저항의 펴면에 절연도장을 입히고 절연 도장의 유무에 따라 비절연형, 간이절연형, 절연형 등으로 구분하기도 합니다.
일반용으로 가격이 싸며 가장 많이 사용되며 고정밀도나 대전력이 아닌 모든 경우에 가장 널리 사용되는 형태의 저항입니다. 단, 전류의 잡음이 크기 때문에 고정밀도를 요구하는 금속피막형을 대신 사용하기도 합니다.

[탄소피막저항기]

1.2. 솔리드 저항기 (Solid Resistor)

이 저항기는 솔리드 또는 몰드 저항기라고 합니다. 탄소 분말에 저항 값 조절을 위한 혼합재를 섞고 결합제인 폴리머와 함께 그대로 성형한 형태의 저항입니다. 이러한 제작 방법에 유래하여 솔리드(Solid) 저항이라고 불립니다. 한 덩어리의 저항체로 이루어진 저항이기 때문에 정확한 정밀도를 가진 높은 저항을 만들기는 어렵지만 소형으로 고내압, 고저항의 제품을 만들기가 용이합니다. 또한, 생산 가격이 저렴하고 고주파 특성도 양호하지만 습기에 약하고 온도계수 역시 큽니다. 요즘에는 많이 생산되고 있지 않은 저항 중의 하나입니다.

 

 

1.3. 금속피막 저항기

정밀한 저항이 필요한 경우에 가장 많이 사용되는 저항기로 특히 고주파 특성이 좋으므로 디지털 회로에 널리 사용됩니다. 제조방법은 세라믹 로드에 니크롬, TiN, TaN, 니켈, 크롭 등의 합금을 진공증착, ㅅ퍼터링등의 방법으로 필름 형태로 부착시킨 후 홈을 파서 저항 값을 조절하는 방법으로 만듭니다. 대량생산에도 적합하고 온도특성, 전류 잡음 등 많은 장점을 가지고 있지만 재료의 특성상 탄소피막 저항기에 비해 가격이 비쌉니다. 이 저항의 용도는 브리지 회로, 필터 회로 등과 같이 저항 값의 불균형이 회로의 성능에 크게 영향을 주는 경우, 아날로그의 잡음이 걱정이 되는 회로 등에 주로 사용된다. 

[금속피막 저항기]

1.4. 산화 금속피막 저항기

산화 금속 피막 저항은 사기 또는 유리 몸체에 금속류를 산화시킨 산화금속을 입힌 것으로 메탈저항과 비슷하지만 잡음 특성이 금속 피막 저항에 비해 좋지 않아서 금속 피막 저항의 저급용으로 사용된다. 일반형 오디오 기기에 폭넓게 사용되고 있으며, 열에 강한 특성을 가지고 있어서 전원회로와 같이 전류가 많이 흐르는 전원부에 많이 사용된다.

[산화금속피막 저항기]

1.5. 메탈 글래즈 저항기 (Metal Glaze Resistor)

금속 분말(RuO)과 유리 분말의 혼합물로 저항막을 만드는 저항기로 우수한 내습, 내열성을 갖는다. 하지만 고가여서, 널리 사용되기 보다는 고온이나 습도가 높은 환경에 사용되는 기기에 주로 사용된다.
 

 

1.6. 휴즈형 저항기 (Fusible Resistor)

휴즈형 저항기는 저항기의 특수한 형태의 하나로 일정한 수준 이상의 전류가 흐를 때 흐름을 차단하도록 만든 저항기입니다. 물론 다른 저항기들도 정격 전압이나 정격전력 이상의 전류가 흐를 때는 저항이 파괴되자만 그 반응 시간이나 반응 후의 전류 차단 특성을 보장하지는 않는다. 그래서 휴즈형 저항기는 이런 특성을 이용하여 특정 조건에서 전류의 흐름을 차단하도록 만든 저항이다.
 

 

1.7. 권선형 저항기 (Wire Wound Resistor)

권선형 저항기는 금속 미세한 선을 세라믹 로드와 같은 권심에 감아서 일정한 저항 값을 갖도록 만든 저항기이다. 선의 길이를 조정함으로써 정밀한 저항값을 얻을 수 있다. 전력용과 정밀용이 있는데, 주로 굵은 선을 사용하여 대전력용의 저항기로 사용되며, 선을 절연체에 코일 형태로 감아 붙이기 때문에 주파수가 높은 회로에서는 사용할 수 없다.
또한 정밀한 저항 값을 갖는 저항기를 만들기 용이하고, 고온과 습도에도 우수한 특성을 갖는 저항기를 만들 수 있다. 안정성이 좋은 정밀 저항이여서, 주로 계측기 등에 많이 사용된다.
권선형 저항기에는 시멘트 몰드에 넣어 만든 시멘트 저항기와 법랑으로 덮은 할로우 저항기 등이 있다.

[할로우 저항기와 시멘트 저항기]

 

1.8. 후막칩 저항기 (Thick Film Resistor)

회로가 점점 소형화되고 부품의 대부분이 SMT 공법에 의해 장착되면서 개발된 새로운 형태의 저항기이다. 이런한 칩 형태의 저항기는 세라믹 기판 위에 저항체를 후막 형태로 얹어서 제조하며 지속적으로 소형화가 이루어지고 있다. 소형, 박형으로 고밀도 실장이 가능하며, 고주파 특성이 우수하여 핸드폰, 컴퓨터등의 최신기기들에는 대부분 칩 형태의 저항기가 사용된다.

[후막칩 저항기]

 

1.9. 박막형 칩 저항기 (Thin Film Resistor)

박막형 칩 저항기는 후막형 칩 저항기와 거의 같은 모양을 가지고 있지만 저항체 막의 두께가 훨씬 얇고 저항체 금속으로 Ni-Cr계, TiN, TaN등이 주로 사용된다. 박막형 칩 후막 저항기보다 저항값 허용치와 저항 온도계수 특성이 정밀하고, 전류 노이즈 특성, 고주파 특성이 우수하여, 정밀 기기등에 주로 사용된다

 

 

 

1.10. 어레이 저항기 (Array Resistor)

어레이 저항은 저항 값을 가진 여러 개의 저항을 묶어 일체형으로 만든 것으로, 디지털 회로에서 주로 사용되며, LED 전류를 제어하는 경우에도 사용된다. 어레이 저항은 회로의 실장 공간이 줄어들어 편리하다는 장점이 있다.
 

[어레이 저항기]

 

2.가변 저항기

가변 저항기는 저항 값을 바꿀 수 있는 형태의 저항의 총칭입니다. 흔히 볼륨(Volume)이라고 부르는 단어는 신호의 양을 조절한다는 의미이지만 일반적으로 손잡이를 돌렷 저항 값을 가감하는 가변저항을 의미합니다. 영문 표기로는 potentiometer라는 단어를 더 많이 사용하지만 우리말로 포텐셔메타 라고 말할 때는 보다 정밀한 precision potentiometer를 주로 가리킵니다.
 
가변저항기의 종류에는 사용하는 저항체의 종류에 따라 탄소피막형(carbon film), 서미트형(Cermet), 권선형(wire wound) 가변저항기가 있으며 이밖에도 여러가지 신소재를 이용한 제품들이 개발되고 있습니다. 또한, 형태에 따라서는 일반적인 가변저항기와 반고정 저항기, 정밀형 가변저항기(Precision Potentiometer), IC형 가변저항기 등이 있습니다.

[가변 저항 기호]

 1. 탄소피막형 가변 저항기

가장 일반적인 형태의 가변저항기로 베이클라이트와 같은 절연기판 소재에 탄소 피막을 입혀 저항 값을 조절하고 저항기의 한쪽 전극을 탄소피막 위를 이동시켜 저항 값을 조절합니다. 가격이 비교적 저렴하며, 성능이 안정되어 있는 장점이 있습니다. 저항체의 특성은 일반적인 탄소피막 저항기와 거의 같으며 전극의 이동에 회전축을 이용하는 형태와 좌우로 이동하는 형태가 있습니다. 특히 가장 널리 사용되는 용도에는 오디오용 볼륨이나 Balancer 등이 있으며 흔히 볼륨이라고 할 때는 탄소피막형 회전축 가변저항을 의미합니다.
 

2. 서미트형 가변 저항기

세라믹을 절연체로 cermet(ceramic과 metal을 혼합한 저항체) 저항체를 이용한 정밀 가변저항입니다. Cermet은 탄소피막에 비하여 내구성이 강하고 정밀한 저항 값 조절이 가능합니다. 또한, 온도계수가 낮고, 내습성이 우수하지만 가격이 비싸므로 주로 아날로그 회로의 바이어스 조정, 레벨 미조정 회로와 같이 세밀한 조정이 필요한 곳에 사용합니다.
 

3. 권선형 가변 저항기

권선형 고정 저항기와 마찬가지로 절연체 권심에 저항선을 감아 만듭니다. 권선형이므로 대전력형을 만들기가 용이하기 때문에 주로 전류, 전력 조절용 가변저항부에 많이 사용하지만 크기가 크고 높은 저항 값을 얻기가 어렵습니다. 유도성분이 발생하기 쉬워 고주파 회로에는 적합하지 않습니다. 하지만 절연체에 의해 보호되므로 내전압이 양호하며, 온도특성이 우수하다.
 

[권선형 가변 저항기]

4. 볼륨형 가변저항

오디오 볼륨과 같은 형태인 기기의 외부에 손잡이를 장착하여 항상 조절 가능한 형태의 가변 저항을 볼륨이라는 단어로 사용한다. 또한 Volume이라는 단어 대신에 Potentiometer 또는 Attenuator라고 부르기도 한다.

[볼륨형 가변 저항기]

볼륨형 가변 저항은 대부분 탄소피막 저항체를 사용하며 사용 용도에 따라 밀폐형과 개방형이 있고 회전축을 중심으로 전극이 움직이는 형태가 가장 많이 사용된다. 좌우로 전극이 움직이는 경우에는 슬라이드 가변저항이라고 부른다.

5. 반고정 가변 저항기

반고정 저항은 볼륨형 저항과 달리 대부분 회로 기판에 직접 장착되며 회로의 동작점을 미세조정할 때 사용한다. 그래서 케이스 외부로 노출되는 손잡이가 없는 대신 일자 혹은 십자 드라이버로 조절하도록 되어 있다.
이러한 반고정 가변저항은 영문으로 trimmer potentiometer라고 부른다.  

[반고정 가변 저항기

6. 정밀 가변 저항기

정밀 가변저항(Precision Potentiometer)은 일반형 가변 저항이 1회전 또는 270°의 회전각을 갖는데 비하여 2회전 이상의 회전으로 저항값을 보다 정밀하게 조절할 수 있는 저항을 말한다. 정밀 가변저항에는 볼륨형과 반고정형이 있으며 주로 사용되는 형태는 반고정형이다. 정밀 가변저항은 고정밀도를 요구하는 회로에 사용되기 때문에 Cermet 저항체 또는 권선형 저항체가 사용된다.

 

출처 :쏭's 전자 관련 블로그 (naver.com)