용접기에 들어가는 전기, 전자 부품의 종류
용접기 하나를 제조함에 있어서 그 안에 들어가는 부품은 무궁무진하다. 굳이 개수를 세어보지 않아도 대충 짐작이 가겠지만, 분류에 따라서 크게는 수십 개에서부터 자잘하게는 수천 개에 이를 정도로 그 종류는 어마어마하다고 하겠다. 하나하나 모든 부품들이 용접기를 제조하는 것에 꼭 필요한 품목이겠지만, 그 중 아래의 다섯 가지는 없어서는 안 될 품목이라고 생각한다.  

1. SCR(Silicon-Controlled Rectifier =실리콘 제어 정류기)
3극 단방향 사이리스터를 말하며, 사이리스터(Thyristor)란 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사용되는 전력반도체 소자를 이르는 말이다. 또한 실리콘 제어정류기의 한 종류로 보기도 한다. 양극(Anode), 음극(Cathode), 게이트(Gate)의 3단자로 구성되어 있으며, 게이트에 신호가 인가되면 지속적인 게이트 전류의 공급 없이도 주회로에 역전류가 인가되거나 전류가 유지전류(Holding currrent) 이하로 떨어질 때까지 통전상태를 유지한다.
p-n-p-n 4층 구조를 가지며, 1950년대 말에 개발되어 오늘날 6,000V 이상의 전압을 견딜 수 있으며, 또한 3,000A 이상의 전류를 제어할 수 있다. 응용 범위는 고압직류(HVDC) 송전과 같은 고전력에서부터 전동기 제어, 초음파 등 고주파 응용에 이르기까지 다양하다. LASCR(Light Activated Thyristor), RCT(Reverse Conducting Thyristor), GATT(Gate Assisted Turn-off Thyristor), GTO(Gate Turn-off Thyristor), ASCR(Asymmetric Thyristor), MCT(MOS Controlled Thyristor) 등 여러 형태가 있다.
SCR의 구조는 <그림 1>처럼 나타낼 수 있는데 A, K, G는 각각 양극(Anode), 음극(Cathode), 게이트(Gate)를 나타내고, 전류는 항상 양극에서 음극으로 흐른다.

<그림 1> SCR 사이리스터 내부 구조 

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2. IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor=절연 게이트 양극성 트랜지스터)
전력용 반도체 중의 하나인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 주로 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되고 있으며, 고효율, 고속의 전력 시스템에 특히 많이 사용되고 있다. 1970년대에 전력용 MOS FET가 개발된 이후 전력용 스위치는 중전압 이하에서 사용되었고, 고속의 스위칭이 요구되는 범위에서는 MOS FET가 이용되었으며, 중~고압에서 대량 전류의 도통이 요구되는 범위에서는 바이폴러 트랜지스터나 SCR, GTO등이 쓰여져 왔다.
1980년대 초에 개발된 IGBT는 출력 특성 면에서는 바이폴러 트랜지스터 이상의 전류 능력을 지니고 있고, 입력 특성 면에서는 MOS FET와 같이 게이트 구동 특성을 가지고 있다. 따라서 IGBT는 MOS FET와 바이폴러 트랜지스터의 대체 소자로서뿐만 아니라 새로운 분야에서도 점차 사용이 확대되고 있다.
MOS는 고내압화 하면 온(On) 저항이 급속히 커지는 문제가 있어서 200V 정도가 실용의 한계로 보고 있는 반면, IGBT는 MOS에 비해 온 저항이 낮지만 MOS와 동등한 전압제어 특성을 지니고 있으며, 또한 스위칭 특성에서는 MOS보다는 비록 늦지만 바이폴러 트랜지스터나 GTO보다는 빠르다는 이점으로 중소용량의 인버터를 중심으로 산업용에서부터 일반 가정용에까지 폭 넓게 사용될 수 있다.

<그림 2> IGBT의 내부 구조 

IGBT의 기본적인 특성은 적용 시스템의 전압에 따른 소자 내압(Breakdown voltage)를 기본으로 하여 
1) 도통 상태의 소자 전압 강하(On-state voltage drop)인 VCE(Sat)에 의해 결정되는 정특성 
2) IGBT의 On/Off 스위칭 속도에 의해 결정되는 동특성(Dynamic characteristic)
3) 단락회로 견고성 
등으로 나뉘어 질 수 있다.
이들 관계는 상호 Trade-off 관계를 가지고 있는데 즉, 일반적으로 낮은 VCE(Sat)를 갖는 IGBT는 스위칭 오프 손실이 크고, 높은 VCE(Sat)의 IGBT는 스위치 오프 손실이 작다는 관계를 가지고 있으므로, IGBT는 적용 시스템의 동작 주파수에 따라 적절히 선택되어야 한다.
400V급 IGBT의 경우 디지털카메라의 스트로브에 적용되는 대전류, 저속의 트랜치 IGBT와 자동차 엔진 점화장치에 사용되는 점화 IGBT등이 있고, 600V급의 경우, 110V 전원을 사용하는 산업용 및 일반용 모터 구동용 인버터, 공진 인버터, UPS, SMPS등에 적용되는 단락 회로 정격 IGBT 및 고속 스위칭 IGBT등이 있으며, 1200V급 IGBT의 경우 220V 3상 전원을 사용하는 용도에 주로 사용되는데, 산업용 모터 구동 인버터에는 모듈형의 IGBT, 공진 인버터에는 단품 패키지 형태의 IGBT가 주로 사용된다. 이 외에도 전동차 구동용, FA, 직류 송전 등에 2500 ~ 6000V급의 IGBT가 적용되고 있다.

3. 트랜스포머(Transformer=변압기)
변압기(變壓器)는 유도성 전기 전도체를 통해 전기 에너지를 한 회로에서 다른 회로로 전달하는 장치를 말한다. 처음 회로의 변화하는 전류는 변화하는 자기장을 만들어 내며, 만들어진 자기장은 2차 회로에서 변화하는 전압을 유도한다. 2차 회로에 부하를 더함으로써 전압기에서 전류를 만들어 한 회로의 에너지를 다른 회로로 전달할 수 있다.
변압기를 쓰는 목적은 여러 가지인데 예를 들면 통상의 전력을 초인종이나 장난감 전기기차와 같은 저전압기구에 알맞은 전압으로 낮추거나 장거리까지 전력을 전송할 때 발전기의 출력전압을 증가시키는 데 사용한다. 변압기는 전자기유도를 이용하여 전압을 변화시킨다. 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류의 변화에 따라 자기력선(磁氣力線)이 증가, 감소하게 되면 2차 코일이라고 부르는 또 다른 코일에 전류가 유도된다. 2차 코일의 전압을 구하기 위해서는 1차 코일의 전압에 2차 코일과 1차 코일의 감은 수의 비를 곱해주면 된다.
공심(空心 air-core) 변압기는 무선주파수의 전류, 즉 무선통신에 사용되는 전류를 전달하기 위해 고안되었으며, 절연체나 절연 물질로 만든 코일 주형(鑄型) 주위에 2개 내지 그 이상의 코일이 감겨 있는 구조로 되어 있다. 가청 주파수 범위에는 철심 변압기도 유사한 기능을 가진다. 임피던스 정합 변압기는 입력단의 임피던스와 부하를 맞추어 에너지의 전달 효율을 높여주기 위해 사용된다. 또한 분리형 변압기는 장비의 일부분을 전력원으로부터 분리해 안전을 위해서 사용된다
트랜스라는 용어는 트랜스포머(Transformer)에서 비롯한 것이며, 일상 생활에서 자주 쓰인다. 또한, 도란스라는 발음은 일본식 영어로 잘못 쓰이는 단어이다.
다음 <그림 3>은 트랜스포머의 등가회로를 나타낸 것이다.
 

<그림 3> 트랜스포머의 등가회로

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4. 다이오드(Diode)
다이오드란 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 부품으로, 이런 성질을 이용하여 교류를 직류로 변환하는 정류작용이나 방송 전파 내에 포함되어 있는 음성 신호를 검파하는데 이용하기도 한다. 다이오드에는 P형 반도체와 N형 반도체가 있는데, P형 반도체는 순수 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)에 극소량의 3가 원소 인디움(In)을 혼합하면 원자 대신 3가인 인디움 원자가 게르마늄과 공유결합을 하게 되어, 이때 인디움 원자는 4가인 게르마늄 원자보다 1개의 전자가 부족하게 되므로 부족한 전자를 채우기 위해 주위에서 전자를 끌어당기는 흡인력을 나타내게 된다. 여기서 전자가 부족한 곳은 (-)전하를 가진 전자를 끌어들이려 하므로 마치 (+)전하가 있는 것과 같으나 실제로는 아무것도 없으므로 (+)전하의 성질을 띤 구멍이라는 뜻으로 정공(正孔; positive hole)이라고 한다.
또한 N형 반도체는 역시 순수 실리콘이나 게르마늄에 5가 원소인 비소(As) 혹은 같은 5가원소인 안티몬(Sb)을 혼합하면 5가인 비소가 실리콘과 공유결합을 하게 되는데 비소가 가지고 있는 5개의 전자 중 4개는 4가 원소인 실리콘과의 결합에 사용하고 나머지 1개는 결합을 할 곳이 없어 남게 되므로 그 전자는 이동하기 쉬운 불안정한 상태로 남게 되어서 이를 자유전자 혹은 과잉전자라고 한다.
이러한 불안정한 성질 때문에 순수한 진성 반도체와는 달리 비교적 전류가 흐르기 쉬운 상태가 된다. 즉 P형 반도체는 정공을, N형 반도체는 자유전자를 캐리어(Carrier)로 많이 가지고 있다고 할 수 있고, 캐리어란 전류의 운반체(Carrier)와 같은 역할을 하여 붙여진 이름이다.
다이오드는 위에서 언급한 P형 반도체와 N형 반도체를 <그림 4>와 같이 접합한 것이다.

<그림 4> 다이오드의 구조

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5. 콘덴서(Condenser)
콘덴서(Condenser)는 전기(정확히는 전하)를 저장하는 부품으로, 콘덴서(Condenser)라는 이름은 전기를 압축(Condense)한다는 의미에서 붙은 이름이지만, 영문 표기로는 Condenser 이외에 Capacitor(캐패시터)라는 표기를 많이 사용한다. 영문에서 Condenser에는 축전기라는
의미도 있지만 실제로는 냉매를 압축하는 응축기라는 뜻으로 더 많이 사용된다. 그런데, 우리나라에서 콘덴서라는 단어를 일반적으로 사용하는 이유는 일본에서 콘덴서라는 명칭을 사용하기 때문으로 사료된다.
콘덴서가 전기를 저장한다는 의미는 실제로는 전기의 전하를 저장하는 것인데, 전하를 정해진 용량만큼 저장하고 다시 이 전하를 방출하는 기능을 함으로써 직류 차단과 교류 통과, 축전지, 필터 등의 기능을 한다. 콘덴서의 용량 단위는 F(패럿 또는 파라드: Farad)이며 이것은 영국의 물리학자인 마이클 패러데이(Faraday, Michael [1791~1867])의 이름을 딴 단위이다. 이론적인 콘덴서의 동작은 <그림 5>와 같다.

<그림 5> 콘덴서의 동작 원리

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두 개의 전극 사이에는 유전체라고 불리는 물질로 절연되어 있어서, 양쪽 전극에 전압이 가해지면 두 개의 전극 사이에 전하가 충전되기 시작하며 순간적으로 전류가 흐르게 된다. 하지만 전극 사이에 있는 물질에 전하가 더 이상 충전될 수 없을 때는 전류가 흐르지 않으며 다시 두 개의 전극 사이를 연결하면 충전되어 있던 전하가 회로를 따라 흐르게 된다. 이 과정을 콘덴서의 충전과 방전이라고 하며 콘덴서를 응용하는 모든 회로는 기본적으로 이 동작을 응용한 것이다. 이때 콘덴서가 충전할 수 있는 전하의 양을 정전용량(F: 패럿)이라고 하며 콘덴서의 정전용량은 콘덴서에 사용된 유전체의 종류, 전극의 넓이, 전극 사이의 간격에 의해 결정된다.
콘덴서의 기본 동작은 전하의 충전과 방전이므로 이를 이용하여 여러 가지 전기적인 동작을 하는데, 가장 기본적인 동작은 직류는 통과시키지 않고 교류만 통과시키는 동작이다. 콘덴서는 직류가 가해지면 전하가 충전되고 다시 충전된 전압과 반대되는 방향의 회로가 연결되면 방전이 일어난다. 만일, 이 과정을 빠른 속도로 반복한다면 콘덴서의 양쪽 끝에는 충전과 방전으로 인한 교류 전류가 흐르게 될 것이다. 콘덴서가 직류는 통과시키지 않고 교류만 통과 시킨다는 것은 바로 이런 동작을 가리키는 말이다.

전기, 전자 부품 산업의 중요성
전기, 전자 부품은 용접기 제조 원가 부분 및 품질 면에서도 상당히 중요한 역할을 하고 있다. “자사에서 납품하는 정도로 판단을 하건데, 한 용접기를 제조하는데 전기, 전자 부품이 60%이상은 들어간다고 추측하고 있다.” 라는 ㈜삼성우앤이 우춘택 대표의 말과 “용접기를 구성하는 품목이기 때문에 부품의 품질이 용접기 전체를 좌우한다고 해도 과언이 아니라고 생각한다. 예를 들어, 스웨터에서 한 올을 잡아 당겨도 모든 올이 다 풀리듯이 한 품목의 질이 떨어져도 용접기의 품질을 크게 하락시킬 정도로 전기, 전자 부품은 중요한 위치에 있다고 생각한다.” 라는 ㈜월드웰 한용길 상무이사의 말처럼 전기, 전자 부품은 용접기 품질 부분을 좌우할 정도로 지대한 영향력을 가지고 있다고 사료된다. 특히, 용접기 성능 부분에서 위에서 언급한 다섯 가지 품목들의 중요도가 상당한데, SCR, IGBT, 다이오드 등은 내구성에 따라 온도 센싱에 의해 차단이 되지 않은 상태에서도 오랜 시간 용접이 가능하게 해주며, 이 중 SCR은 IGBT보다 내구성이 강하다는 장점을 가진 대신 효율성 측면에서 떨어진다는 단점을 가지고 있고, IGBT는 SCR보다 주파수가 높아 고 효율성을 가졌다는 장점에 비해 무척이나 예민하여 노이즈에 약하다는 단점을 가지고 있어서 이 점에 대한 보완이 필요하다고 하겠다. 용접기는 전압을 스파크 형식으로 바꾸어서 사용하는 기기인데, 용접 재료 접점의 저항에 따라서도 사용하는 전압이 달라진다. 그래서 설계를 할 당시에 사용 전압의 측정과 함께 전류를 제어해서 필요한 만큼 사용할 수 있도록 해야 하는데 그 역할을 하는 것이 바로 트랜스포머이다. 용접기의 종류만큼이나 용접 재료의 종류도 다양하기 때문에, 모든 상황에 맞추어서 필요한 만큼 에너지 낭비 없이, 효율적으로 이용할 수 있게 하는 것이 트랜스포머이므로 이것의 중요도는 더 이상 언급하지 않아도 가히 짐작이 되리라고 사료된다.

출처: 메탈넷코리아