로봇 만들기의 기초, 저항기

[쇼핑저널 버즈] 뿌리 깊은 나무가 바람에 아니 흔들린다고 했다. 기초의 중요성을 강조하는 말이다. 모든 학습 과정이 다 그렇듯이 로봇도 기초가 중요하다. 로봇을 만들기 위해서는 기초를 잘 다져놓아야 한다. 이번호에서는 저항기에 대해 알아보자.

저항기는 전류의 흐름을 방해하는 성질을 가지고 있다. 즉 전기 흐름에 '저항(Resist)'한다는 의미에서 나온 단어다. 저항은 전기회로 안에서 전기의 흐름을 제한하여 회로 안에서의 전류(또는 전압)의 크기를 바꾼다.

전류 또는 전압의 크기를 바꾼다는 말은 저항을 통과한 전기의 흐름에서 전압 또는 전류 크기가 바뀐다는 것을 의미한다. 저항 자체가 제한하는 것은 전기의 흐름, 즉 전류지만 그 결과로 저항을 통과하면 전압이 떨어지는 결과를 가져온다.

이때 저항과 전압과 전류의 관계는 가장 기본적인 전기 공식인 V=I×R로 표시할 수 있으며 저항의 크기 단위는 Ω으로 표시하고 옴(ohm)으로 읽는다. 실제 회로에서 사용되는 저항의 범위는 0Ω에서 수M(메가)Ω에 이르기까지 다양하다.

저항의 단위와 표시 기호

부품종류	알파벳 약호	단위
저항	R	Ω (ohm)

저항의 계산회로 안에서 저항 값은 전기와 저항의 기본 법칙인 다음 식에 의해서 결정된다.

V = I×R or R= V/I = 1V/1A = 1ΩV : 전압(V)I : 전류(A)R : 저항(Ω)

1V, 1A의 전기 회로의 저항을 1Ω이라고 한다. 위의 식은 옴(ohm)의 법칙이라 불리는 식으로 전기의 세계를 지배하는 가장 중요한 법칙을 표현하고 있다.

따라서 전기가 흐르는 모든 회로는 옴의 법칙에 따르며 사용할 각 회로에서 사용되는 저항의 크기, 전압, 전류의 크기 역시 위의 식으로 계산된다.

정격전력저항에 전류가 흐르면 전압이 감소하며 이때 감소한 전압의 크기만큼 저항은 전력을 소모합니다. 이때 저항이 소모하는 전력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

W = V×I = I²×R = V²/RW : 전력(Watt)

즉 1V의 전압으로 1A의 전류가 흐르는 회로에 1Ω의 저항이 들어 있다면 그 저항은 1W의 전력을 소비하고 있는 것이다. 이 소비전력은 대부분 열로 소비되기 때문에 많은 전력을 소비하는 저항의 경우에는 별도로 방열판을 달기도 하며 저항 자체가 금속 방열판 안에 내장되어 있는 경우도 있다.■ 고정값 저항기(Fixed Resistor) 종류와 특징1) 탄소피막 저항기(Carbon Film Resistor)

가장 널리 사용되는 형태의 저항으로 세라믹 로드(ceramic rod)에 탄소분말을 피막 형태로 입힌 후 나선형으로 홈을 파서 저항 값을 조절하는 방법으로 만든다. 이후에 저항의 표면에 절연 도장을 입히고 절연 도장의 유무에 따라 비절연형, 간이절연형, 절연형 등으로 구분하기도 한다.

일반용으로 가격이 싸고 가장 많이 사용되며 고정밀도나 대전력이 아닌 모든 경우에 가장 널리 사용되는 형태의 저항이다. 단 전류 잡음이 크기 때문에 고정밀도를 요구하는 경우에는 금속피막형을 대신 사용하기도 한다.

저항 범위：1.0Ω∼100ＭΩ전력 범위：1/8, 1/4, 1/2Ｗ오차 범위：±５％, ±2％온도 계수：+350∼-1300ppm/℃

탄소피막 저항기의 특징

장점	단점
양산화에 의하여 가격 저렴사용온도 조건 내에서의 저항치 분포 양호높은 저항치를 소형으로 제조실장요구에 따라 형상선정이 가능	저항온도계수가 비교적 큼전류잡음이 심함

2) 솔리드 저항기(Solid Resistor, Composition Resistor)솔리드 저항기는 탄소 분말에 저항값 조절을 위한 혼합재를 섞고 결합제인 폴리머와 함께 그대로 성형한 형태의 저항이다. 따라서 저항기 전체가 저항값을 갖는 막대형 덩어리로 되어 있어 솔리드(Solid) 저항이라고 부르며 탄소 분말에 다른 물질을 혼합한다는 의미로 Carbon Composition Resistor라고 부르기도 한다. 국내에서는 솔리드 저항기라는 이름으로 더 많이 불린다.

한 덩어리의 저항체로 이루어진 저항이기 때문에 정확한 정밀도가 높은 저항을 만들기는 어렵지만 소형으로 고내압, 고저항의 제품을 만들기가 용이하다. 또한 생산 가격이 저렴하고 고주파 특성도 양호하지만 습기에 약하고 온도계수 역시 크다. 요즘에는 많이 생산되고 있지 않는 저항 중의 하나이다

솔리드 저항기의 특징

장점	단점
기계적으로 견고하며 가볍고 소형임제조 가능한 저항치 범위가 넓음단선불량 등의 치명적 불량이 거의 없음절연체에 의해 보호되므로 내전압이 양호함소형저항기 중에서 펄스(Pulse) 및 서지(Surge)에 강함고주파 특성이 양호함	온도·습도 의존성이 큼구성재료의 제약으로 불연화가 곤란함온도계수와 전류잡음이 비교적 큼정밀한 제품을 만들기 어려움

3) 금속피막 저항기정밀한 저항이 필요한 경우에 가장 많이 사용되는 저항기로 특히 고주파 특성이 좋으므로 디지털회로에도 널리 사용된다. 제조 방법은 세라믹 로드에 니크롬, TiN, TaN, 니켈, 크롬 등의 합금을 진공증착, 스퍼터링 등의 방법으로 필름 형태로 부착시킨 후 홈을 파서 저항 값을 조절하는 방법으로 만든다.

대량생산에도 적합하고 온도특성, 전류 잡음 등 많은 장점을 가지고 있지만 재료의 특성상 탄소피막 저항기에 비해 가격이 비싸다.

저항 범위：20Ω∼2ＭΩ전력 범위：1/8, 1/4, 1/2Ｗ오차 범위：±0.5％,１％,２％온도 계수：±25∼±250ppm/℃

금속피막저항기의 특징

장점	단점
저항온도계수가 낮음잡음이 없음내열성이 우수함경시변화가 매우 적음고주파 특성이 양호함고정밀·고안정성의 저항기 제작이 가능함	가격이 비쌈

4) 산화금속피막 저항기세라믹 로드에 금속산화물의 도전성 박막을 코팅하여 저항체를 형성하고 커팅한 후 절연·보호도장을 하여 제조한다. 소형으로 큰 전력용량의 저항기를 만들 수 있고 고온 안정성, 잡음, 주파수 특성도 우수한 저항기다. 특히 열에 강하고 소형에 많은 전류를 흘릴 수 있어 전원 회로 등에 널리 사용된다.

저항 범위：10Ω∼100ｋΩ전력 범위：0.5, 1, 2, 3Ｗ오차 범위：±２％，５％온도 계수：±200∼±350ppm/℃

산화금속피막저항기의 특징

장점	단점
소형이면서 큰 전력에 견딜 수 있음실리콘계 도료의 상용으로 내열성과 불연성이 우수함	소형이면서 큰 전력이 부하되므로 저항기의 표면온도가 높게 상승되어 주위의 타 부품에 영향을 미칠 수 있으므로 주의하여 사용해야 함단위면적당의 전력밀도가 높아 저항기의 사소한 결함이 고장으로 연결되기 쉬움온도계수가 금속피막저항기에 비하여 높음(±350ppm/℃)

5) 권선형 저항기 (Wire Wound Resistor)지금까지 앞에서 설명한 저항기는 대부분 금속 또는 탄소의 피막형이었지만 권선형 저항기는 금속 저항선을 세라믹 로드와 같은 권심에 감아서 일정한 저항 값을 갖도록 만든 저항기다.

따라서 정밀한 저항값을 갖는 저항기를 만들기 용이할 뿐만 아니라 고온과 습도에도 우수한 특성을 갖는 저항기를 만들 수 있다. 안정성이 좋은 정밀저항이므로 주로 계측기 등에 많이 사용된다.

저항 범위：0.1Ω∼200ｋΩ전력 범위：1/8∼2W공칭 오차：±0.1%,１％온도 계수：±30∼±100

권선형 저항기의 특징

장점	단점
고온에 견디므로 부하전력을 크게 할 수 있음과부하에 강함온도계수가 작음잡음이 매우 적음낮은 저항값이 비교적 용이하게 얻어짐기계적으로 강한 구조임	높은 저항값을 얻기 어려움고저항의 경우 선경이 가늘어야 하므로 단선의 우려가 있음

6) 시멘트 저항기(Cement Resistor)와 메탈클래드 저항기(Metal Clad Resistor)

시멘트 저항기는 온도와 습도로부터 저항기를 보호하기 위해 저항체를 시멘트 몰드에 넣어 만든 저항기다. 이렇게 만든 저항기는 내전압 특성이 우수하며 고온에도 잘 견디므로 주로 대전력을 다루는 부분에 사용된다.

메탈래드 저항기

시멘트 저항기

또한 비슷한 대전력 저항기 중에는 메탈클래드 저항기가 있는데 방열성을 보다 높이기 위해 방열핀을 갖춘 금속 케이스에 몰딩한 저항기이다. 메탈클래드의 금속 케이스에는 주로 알루미늄 등이 사용된다.

시멘트 저항기와 메탈클래드 저항기에 사용되는 내부 저항체는 주로 권선형 저항기지만 경우에 따라서는 다른 형태의 저항체가 삽입되기도 한다.

시멘트 저항기와 메탈클래드 저항기의 특징

장점	단점
불연성임방열특성이 우수함	무거움부피가 큼

7) 후막칩 저항기(Thick Film Resistor)회로가 점점 소형화되고 부품의 대부분이 SMT(Surface Mount Technology) 공법에 의해 장착되면서 개발된 새로운 형태의 저항기다. 이러한 칩 형태의 저항기는 세라믹 기판 위에 저항체를 후막 형태로 얹어서 제조하며 지속적으로 소형화가 이루어지고 있다. 특히 고주파 특성이 우수하고 소형이므로 핸드폰, 컴퓨터 등의 최신 기기들에는 대부분 이러한 칩 형태의 저항기가 사용된다.

후막칩 저항기

후막칩 저항기의 특징

장점	단점
소형·박형으로 고밀도 실장이 가능함실장 코스트가 절감됨고주파 특성이 양호함	고가임납땜조건(온도·시간)의 관리가 필요함기판 Pattern 배선에 주의가 필요함

8) 어레이 저항기(Array Resistor)부품의 집적도를 더욱 높이기 위한 방법 중에는 아예 여러 개의 저항기를 하나의 패키지 안에 넣고 저항 네트워크를 구성하여 IC와 같은 형태를 갖는 부품도 있다. 물론 이 부품은 저항이지만 외형은 기존의 다른 저항기와 달리 단자가 여러 개 나와 있으며 칩 형태의 칩 네트워크 저항기와 다리(lead)를 갖는 일반형 어레이 저항기(Array Resistor)가 있다.

칩 네트워크 저항기

어레이 저항기

어레이 저항기의 특징

장점	단점
집적화에 의해 조립공수를 줄이고 자동조립이 용이함고밀도 실장으로 실장면적이 감소함	고가임납땜조건(온도·시간)의 관리가 필요함기판 Pattern 배선에 주의가 필요함

9) 박막형 칩 저항기(Thin Film Chip Resistor)박막형 칩 저항기는 후막형 칩 저항기와 거의 같은 모양을 가지고 있지만 저항체 막의 두께가 훨씬 얇고 저항체 금속으로 Ni-Cr계, TiN, TaN 등이 주로 사용된다. 박막형 칩 저항기는 후막형 저항기보다 저항값 허용차와 저항온도계수 특성이 정밀하고 전류 노이즈 특성, 고주파 특성이 우수하여 정밀 기기 등에 주로 사용된다.■ 저항값 읽기1) 컬러코드 읽기

대부분의 저항은 2개의 다리(lead)가 달려 있는 원통형으로 되어 있다. 이러한 형태의 저항은 크기가 작아 숫자로 용량을 표시하기 곤란하므로 컬러코드라는 색띠로 용량을 표시한다. 그러므로 일부 저항을 제외한 저항의 수치를 읽으려면 반드시 아래에 설명하는 컬러코드를 이해하여야 한다. 컬러코드는 저항의 정밀도에 따라 4색대 또는 5색대로 되어 있으며 각각의 색상은 아래와 같은 값을 나타낸다.

4색대 저항의 경우 그림과 같이 색대가 노란색/보라색/빨강색/금색인 경우를 예로 들어 보자.

1색대 - 노란색 : 42색대 - 보라색 : 73색대 - 빨강색 : 승수 1024색대 - 금색 : 허용오차 ±5％(J)

그러므로 이 저항은 4,700Ω의 값을 가지며 허용 오차는 ±5％이다. 그런데 저항에서는 4,700Ω 이라고 표기하지 않으며 4.7kΩ이라고 한다. 5색대 저항의 경우에는 4색대보다 하나 더 많은 3자리가 저항 값을 나타내며 나머지 2자리가 승수와 허용오차를 표시한다.

그림의 5색대 저항의 값을 읽어보자. 그림의 저항 색대는 빨강색, 주황색, 보라색, 검정색, 갈색의 순이다.

1색대 - 빨강색 : 22색대 - 주황색 : 33색대 - 보라색 : 74색대 - 검정색 : 1005색대 - 갈색 : ±1％(F)

위의 저항은 237Ω의 값을 가지며 허용 오차는 ±1％다. 저항의 컬러코드를 읽다 보면 어느 쪽에서부터 색대를 읽어야 할지 혼동되는 경우가 있다.

대부분의 경우에는 조밀한 색대를 왼쪽에 두고 간격이 넓은 부분을 오른쪽으로 하여 왼쪽에서부터 색대를 읽으면 되지만 저전력형의 소형 저항의 경우에는 색대의 간격이 워낙 좁기 때문에 이와 같은 방법으로 판별하기 어려운 경우도 있다. 이 경우에는 멀티미터로 정확하게 측정하는 것이 가장 좋은 방법이다.

2) 저항값의 종류(저항값의 계열 분류)저항을 사용하다 보면 저항 값이 이상한 숫자들로 되어 있는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 47kΩ, 560Ω 등의 저항 값은 있지만 정확히 500Ω의 값을 갖는 저항은 찾아볼 수 없다.

그 이유는 저항기 생산 업체에서 생산되는 저항들이 E계열이라는 값으로 정해져 있기 때문이다. 저항의 E계열이란 KS, JIS와 같은 여러 나라의 공업규격에서 공통적으로 사용하는 규격 중의 하나로 1부터 10까지의 숫자을 10의 등비급수로 나눈 값이다. 예를 들어 E3 계열이라고 하면 다음과 같이 계산된다.

즉 E3계열의 저항이 있다면 1Ω, 2.2Ω, 4.7Ω, 10Ω, 22Ω, 47Ω, 100Ω… 과 같은 연속된 값을 갖게 된다. 그러나 실제로는 E3 계열은 사용되지 않으며 가장 일반적인 2, 5, 10%의 오차를 갖는 저항은 E24 계열의 저항 값을, 1%는 E96, 0.5% 이하의 오차를 갖는 경우에는 E192 계열의 저항 값을 갖는다. 오차가 적은 저항일수록 높은 계열을 사용하는 이유는 그만큼 종류가 많기 때문이다.

글 | 석승호(수원직업전문학교 지능형로봇과정 담임교사)[ 관련기사 ]▶ '탑 오브 더 로봇 월드' 안산동산고 로봇연구반▶ 실용 로봇 앞당긴다, 대구경북과학기술원▶ 나도 로봇이야!▶ 자명고가 로봇이라면?월간로봇(www.jejisa.kr)'IT 제품의 모든것'-Copyright ⓒ ebuzz.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지