간단한 부품이란 없다! – 저항기 예

모든 전기 공학 커리큘럼에서 학생이 가장 먼저 배우게 되는 것 중 하나는 수동 부품(저항기, 커패시터, 인덕터)과 관련된 기본적인 법칙으로, 보통 옴의 법칙(전압은 전류와 저항의 곱, 즉 V = I × R)부터 시작합니다. 이 방정식과 함께 북미 지역 표준에 따른 회로도를 학습하게 됩니다(그림 1). 기타 지역에서는 다른 기호를 사용합니다. 이에 대해서는 다음에 자세히 다루겠습니다.

그림 1: 이 회로도에는 3가지 기본적인 수동 부품인 저항기, 커패시터, 인덕터가 나타나 있지만 해당 응용 제품에서 각 부품의 세부 사항은 나타나 있지 않습니다. (이미지 출처: Solved Problems)

저항기를 나타내는 지그재그 형태의 선을 보고 저항기의 기능을 이해한다면 "더 간단한 방법은 없을까?"라고 생각하게 됩니다. 저항기는 기본적으로 Ω 단위의 저항값 그리고 정격 전력과 같은 다른 매개변수로 정의되며, 학생들이 보는 것은 이 정도일 것입니다. 실제 연구 시에도 거의 모든 프로젝트가 저전력 및 저전압이기 때문에 저항기는 둘 중 하나의 형태를 띠는데, 그중 첫 번째는 브레드 기판에 조립하기 쉬운 "리드"("스루홀"이라고도 함)형입니다. 장치의 예로는 Stackpole Electronics RC14KT100K(그림 2)가 있습니다.

그림 2: 이러한 리드형 저항기는 취급과 브레드 기판에서의 사용이 용이합니다. (이미지 출처: Stackpole Electronics)

또 다른 형태는 Bourns CR1206-JW-104ELF(그림 3)와 같은 기본적인 "칩" 표면 실장 장치(SMD) 패키지입니다. SMD는 PC 기판 위에 장착되지만 취급 또는 프로브가 훨씬 어렵습니다.

그림 3: 크기가 훨씬 작은 이러한 표면 실장 장치는 스루홀 버전과 동일한 값의 칩 저항기이지만 수작업과 프로브가 훨씬 어렵습니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)

그리고 나서 공학 전공자가 취직하면 다양한 실제 회로를 접하게 되며 부품 명세서(BOM) 작성을 지원해야 할 수 있습니다. 이때 현실에 부딪히게 되며, 큰 충격에 휩싸이게 됩니다.

왜 그럴까요? DigiKey 검색창에 기본 검색어로 "저항기"를 입력하면, 다음과 같은 5가지 주요 카테고리의 고정값 저항기가 나타납니다.

• 칩 저항기 - 표면 실장
• 스루홀 저항기
• 섀시 실장 저항기
• 저항기 네트워크, 어레이
• 특수 저항기

이는 시작에 불과합니다. 자세히 살펴보면 훨씬 더 많은 하위 유형이 있습니다. 예를 들어 "특수 저항기"에는 고전력, 낮은 유도 용량, 전류 감지에 사용되는 밀리옴 단위 저항기뿐 아니라 수십 킬로옴 단위의 전도율이 높은 전선이 감긴 전력 관리용 저항기가 있습니다.

적합한 저항기의 선택

프로젝트에 "적합한" 저항기는 무엇일까요? 결정하기가 비교적 쉬운 경우도 있습니다. 표준 PC 기판을 사용하는 기본 저전력 저전압 설계인 경우에는 칩 저항기부터 고려하는 것이 적합할 것입니다. 이 경우에도 고려해야 할 사안들이 있습니다.

• 초기 허용 오차 범위는 ±20%, ±1% 또는 그 중간의 값으로 설정해야 할까요?
• I²R 소비 전력이 1W 미만의 작은 값을 초과하면 어떻게 될까요?
• 최대 1000ppm/⁰C에서 최저 몇 ppm/⁰C까지 가능한 저항 온도 계수(TCR)는 어떤가요?
• DC 회로에서는 문제가 되지 않을 수 있지만 수십 또는 수백 kHz 이상의 주파수에서 작동하는 회로에서는 매우 중요한 자체 유도 용량은 어떤가요?
• 여러 개의 개별 레지스터를 사용해야 할까요? 아니면 공간이 절약되고 온도 계수 추적을 제공하지만 더 복잡한 PC 기판 추적 라우팅이 필요할 수 있는 하나의 저항기 어레이를 사용해야 할까요?

세부적인 신뢰성, 내구성, 응력의 문제도 있습니다.

• 정상적인 사용 및 다소 비정상적인 사용 시 저항기에는 어떤 내부 및 외부의 작동 조건이 발생할까요?
• AEC-Q200 사양 "Stress Test Qualification for Passive Components(수동 부품에 대한 응력 테스트 자격)"¹을 충족해야 하는 자동차 응용 분야에 사용될 저항기인가요? 그렇다면 0~4까지의 다섯 단계의 온도 등급 중 어떤 등급인가요?
• "Military Directives, Handbooks and Standards Related to Reliability(신뢰성에 관한 군사 지침, 핸드북, 표준)"²에 명시된 여러 군사 관련 신뢰성 기준은 어떤가요?

여러 대기업에서는 전문성을 지닌 "부품 엔지니어"를 고용하여 최고 사양을 능가하는 응용 분야에 선별된 부품의 적합성을 평가하고 있습니다. 이러한 엔지니어는 설계 및 디버그의 "창작" 부분에 관여하지 않기 때문에 큰 인정을 받지 못하는 경우가 종종 있습니다. 하지만 설계 초기 단계에서 이들과 협력하지 않으면 후회하게 될 수 있습니다. 이들은 "제품이 현장에서 극단적인 온도, 습도, 진동, 염수 분무, ESD, EMI/RF 등(하나 이상 선택)에 노출되는 경우에 대비해 이러저러한 것들을 고려했는지" 질문함으로써 가능한 함정에 대해 경고해 줄 수 있습니다.

예를 들어 KOA Speer Electronics의 평판형 칩 저항기 RK73-RT 제품군이 있습니다(그림 4). 이 제품군은 AEC-Q200 기준을 충족할 뿐 아니라 황화 방지 기능이 우수한 내부 상단 전극 소재 사용을 통한 황화 방지 특성, 메탈 글레이즈 후막을 통한 뛰어난 내열 및 내후성, 3단 전극 구조를 통한 높은 신뢰성을 제공합니다(그림 5). 이 저항기는 "그저 특이한" 저항기가 아닙니다. AEC-Q200 등급과 기타 요인으로 인해 수요가 매우 큽니다.

그림 4:KOA Speer Electronics 평판형 칩 저항기 RK73-RT 제품군은 일반적인 칩 저항기처럼 보일 수 있지만 역시 AEC-Q200 기준을 충족하고 외부 위험에 대한 방지 기능을 제공합니다. (이미지 출처: KOA Speer Electronics)

그림 5: KOA Speer Electronics RK73-RT 제품군에 속하는 저항기의 성능은 소재, 설계, 제조 기법의 조합을 통해 완성됩니다. (이미지 출처: KOA Speer Electronics)

무지와 때로는 오만으로 인해 부품 선정을 지나치게 간단하게 생각하기가 쉽습니다. 수년 전, 주요한 기계적 설계가 포함된 대규모 소재 테스트 시스템을 만드는 회사에서 일하고 있을 당시, 한 선임 기계 엔지니어(ME)가 빔 구조 중 하나에 장기적인 문제가 발생할 수 있음을 우려했습니다. 그에 대해 전기 엔지니어(EE) 중 한 명이, "그게 뭐가 중요해? 알루미늄 압출품으로 지지하면 되지."라고 대답했습니다. ME는 사무실로 들어가서 모든 업계 표준 알루미늄 압출품이 프로파일, 인장 강도, 메짐성, 내식성, 기타 요인과 함께 수록된 두꺼운 책을 가지고 돌아왔습니다. 그는 탁자 위에 책을 던지고 EE에게 말했습니다. "좋아! 그렇게 간단하다면, 네가 골라 봐."

결론

여기서 교훈은 명백합니다. "간단해 보이는" 부품 하나하나, 심지어 기본적인 저항기에도 고려해야 할 사항이 많다는 점입니다. 일부 설계의 경우, 허용 오차 범위, 전력, 크기, 운영 조건에 대한 핵심 사양이 비교적 낮아 매우 기본적인 저항기로 충분한 경우도 있습니다. 하지만 이러한 경우를 제외하면 평가에서 또는 더 심각하게는 현장에서 설계의 성패를 판가름할 수 있는 2중, 3중의 사양이 많습니다.

이 문제를 해결하기 위해서는 교육부터 시작해야 합니다. 이 주제에 관해 검색하기만 해도 다양한 글과 응용 참고 사항을 찾을 수 있습니다. 벤더 응용 참고 사항도 유용한 자료입니다. 벤더의 자료에 대해 편견을 가진 사람들도 있을 수 있지만, 훌륭한 엔지니어라면 벤더에서 제공하는 자료들로부터 유용한 정보를 골라낼 수 있어야 합니다. 유통업체 응용 엔지니어도 폭넓은 시야뿐 아니라 다양한 고객층과의 협력을 통한 경험을 보유하고 있기 때문에 유용하게 활용할 수 있습니다. 멈추고, 질문하고, 보고, 들으십시오. 그러면 문제를 방지할 수 있을 것입니다.

참고 자료:

1 – http://www.aecouncil.com/Documents/AEC_Q200_Rev_D_Base_Document.pdf

2 – https://www.weibull.com/knowledge/milhdbk.htm