안녕하세요. 구본민 전문가입니다.
Q. 기체는 눈에 보이지 않는데 기체가 빛을 어떻게 산란시켜요?
안녕하세요. 구본민 박사입니다.기체는 빛과의 상호작용이 거의 없다고 말할 수 있지만, 아예 없는 것은 아닙니다. 기체는 빛과 매우 미세하게 상호작용을 하며, 이 과정에서 발생하는 현상이 바로 빛의 산란입니다.하는리 푸르게 보이는 이유는 기체 분자가 빛을 산란 시키기 때문입니다. 이 현상을 레이리 산란이라고 부르는데, 이는 기체 분자들이 특정한 파장(빛의 색)에 따라 다르게 산란 시키는 과정입니다. 레이리 산란의 원리: 빛은 전자기파로, 파장이 짧을수록 더 많이 산란됩니다. 태양 빛은 다양한 파장(무지개 색을 구성하는 파장)으로 이루어져 있지만, 파장이 짧은 파란색(약 400-500nm 범위)이 대기 중의 기체 분자들에 의해 더 많이 산란됩니다. 이 산란된 빛이 여러 방향으로 퍼져 나가고, 우리가 하늘을 봤을 때 그 파란 빛이 우리 눈에 들어와 하늘이 푸르게 보이게 됩니다.파장이 긴 빛 (예: 빨간색)은 산란이 적기 때문에 대부분 직진하여 하늘보다는 태양 근처에서만 잘 보입니다. 이 때문에 해질녘에 하늘이 붉게 보이는 현상도 같은 원리로 설명됩니다.기체가 눈에 보이지 않는 이유는 기체 입자들이 개별적으로는 충분히 큰 산란이나 반사를 하지 않기 때문입니다. 하지만 기체 분자들은 빛의 특정 파장에 반응하여 산란을 일으킬 수 있을 만큼의 상호작용을 하고 있습니다. 특히, 대기 중의 기체들이 빛을 산란시키는 방식은 개별 입자가 아니라 전체 대기층에서 이루어지는 산란 효과이기 때문에, 그 결과로 하늘이 푸르게 보이는 것입니다. 정리해 보면,기체 분자들은 매우 작고 밀도가 낮아서 직접 눈에 보이지 않지만, 빛과 미세하게 상호작용하면서 산란을 일으킬 수 있습니다.특히, 레이리 산란으로 인해 짧은 파장인 파란색 빛이 대기 중에서 강하게 산란되어 하늘이 푸르게 보이는 것입니다.기체가 눈에 보이지 않는다는 것과 기체가 빛을 산란시켜 하늘이 파랗게 보인다는 사실은 다른 규모에서 일어나는 현상입니다. 즉, 개별 기체 입자는 눈에 보일 만큼 빛을 산란하지 않지만, 대기의 전체적인 효과로 인해 산란이 일어나는 것입니다.
Q. 실리콘 카바이드 전력반도체의 주요 장점
안녕하세요. 구본민 박사입니다.실리콘 카바이드(SiC)는 차세대 반도체 재료로 주목을 받고 있으며, 특히 전력 전자 소자에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. SiC는 기존의 실리콘(Si) 대비 여러면에서 우수한 특성을 지니고 있어 고성능, 고효율, 고 내구성 전력 소자에 적합합니다. SiC 반도체의 주요 장점은 다음과 같습니다. 1. 높은 전압 내성SiC는 항복 전압(breakdown voltage)이 매우 높습니다. 이는 SiC가 기존 실리콘보다 전기장을 더 잘 견딜 수 있어 고전압 애플리케이션에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있음을 의미합니다. 이 때문에 SiC는 고전압을 다루는 고전압 전력 소자에서 특히 유리합니다.2. 높은 열전도성SiC는 열전도성(thermal conductivity)이 실리콘보다 약 3배 이상 높습니다. 이는 SiC 기반 반도체 소자가 고온에서도 효율적으로 열을 방출할 수 있어, 발열에 의한 성능 저하를 줄이고 소자의 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이로 인해 고온 환경에서의 안정성이 뛰어나며, 추가적인 냉각 장치 없이도 동작할 수 있는 장점이 있습니다.3. 높은 스위칭 속도SiC는 전자 이동 속도(electron mobility)가 매우 빨라 스위칭 속도가 훨씬 더 빠릅니다. 이는 SiC 소자가 고속으로 스위칭하면서 전력 손실을 줄일 수 있는 큰 장점을 제공합니다. 특히 고주파 스위칭이 필요한 애플리케이션, 예를 들어 전기차(EV)나 태양광 인버터에서 SiC가 높은 효율성을 발휘할 수 있습니다.4. 고온에서의 동작SiC는 밴드갭(bandgap)이 실리콘보다 훨씬 넓습니다. 실리콘의 밴드갭이 약 1.1eV인데 반해, SiC는 약 3.2eV로 매우 넓은데, 이로 인해 고온에서도 안정적인 전기적 특성을 유지할 수 있습니다. 이 때문에 SiC 소자는 높은 온도에서 신뢰성 있게 동작할 수 있으며, 기존 실리콘 기반 소자가 작동하기 어려운 극한 환경에서도 잘 견딜 수 있습니다.5. 낮은 손실SiC 소자는 전도 손실과 스위칭 손실이 매우 낮습니다. 이는 SiC가 고효율 전력 변환을 가능하게 하며, 전력 손실을 줄이면서도 높은 효율을 유지할 수 있게 해줍니다. 이러한 특성은 특히 전력 변환기기나 전기차 충전기, 고효율 전원 공급 장치에서 중요한 역할을 합니다.6. 고전력 밀도SiC는 전력 밀도(power density)가 높습니다. 이는 동일한 크기의 소자가 더 높은 전력을 처리할 수 있다는 의미입니다. 결과적으로 SiC를 사용한 전력 시스템은 더 작고 가벼우면서도 더 높은 성능을 낼 수 있습니다. 이는 특히 전기차(EV) 배터리 관리 시스템이나 태양광 인버터처럼 크기와 무게 제한이 중요한 분야에서 유리합니다.7. 긴 수명과 높은 신뢰성SiC 기반 소자는 그 강도와 내구성 덕분에 긴 수명을 자랑합니다. 이는 고온, 고전압, 고속 스위칭 환경에서도 SiC 소자가 손상되지 않고 장기간 안정적으로 사용할 수 있음을 의미합니다. 따라서 장기적인 신뢰성이 필요한 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다.8. 에너지 효율성SiC 소자를 사용하면 전력 변환 효율이 크게 향상됩니다. 전기차(EV)와 같은 애플리케이션에서는 SiC 소자를 통해 배터리 효율이 증가하고, 주행 거리를 늘리거나 충전 시간을 단축할 수 있습니다. 또한, SiC를 사용한 태양광 발전 시스템이나 전력 변환 장치에서도 에너지 절약과 전력 비용 절감 효과를 기대할 수 있습니다.정리해 보면, SiC 반도체는 높은 전압 내성, 뛰어난 열 전도성, 빠른 스위칭 속도, 고온 동작 안정성 등 다양한 장점 덕분에 기존 실리콘 기반 전력 반도체를 대체할 차세대 기술로 주목 받고 있습니다. 이러한 특성은 전기차, 태양광 시스템, 고효율 전력 장치와 같은 다양한 응용 분야에서 효율성을 극대화 하고 신뢰성을 높이는 데 크게 기여하고 있습니다.
Q. 플라이백 컨버터의 기본 원리는?!?!
안녕하세요. 구본민 박사입니다.플라이백 컨버터는 스위칭 전원공급장치에서 자주 사용되는 전력 변환 회로 중 하나로, 직류 전압을 다른 직류 전압으로 변환하는 역할을 합니다. 플라이백 컨버터는 특히 절연된 전압 변환과 저전격 애플리케이션에 적합합니다. 그 기본 원리는 변압기와 에너지 저장을 결합한 방식으로 동작합니다. 1. 플라이백 컨버터의 기본 구조플라이백 컨버터는 다음 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:스위칭 소자 (보통 MOSFET): 입력 전압을 고속으로 스위칭하여 전력을 제어합니다.플라이백 변압기: 에너지를 저장하고 절연 기능을 제공하는 코어 역할을 합니다. 일반 변압기와 달리 플라이백 변압기는 에너지를 저장하고 방출하는 데 중점을 둡니다.다이오드: 스위칭 소자가 꺼졌을 때 에너지를 출력으로 전달하는 역할을 합니다.출력 필터 커패시터: 출력 전압을 평활하게 하기 위한 필터 역할을 합니다.2. 플라이백 컨버터의 동작 원리플라이백 컨버터의 동작은 크게 두 가지 단계로 나눌 수 있습니다: 스위치 온 상태와 스위치 오프 상태.1) 스위치가 온(ON)일 때MOSFET 스위칭 소자가 켜지면, 입력 전압이 변압기의 1차 코일에 인가됩니다.변압기의 1차 코일에는 자기장이 형성되고, 이 과정에서 에너지가 변압기 코어에 저장됩니다.이때, 1차 코일에 전류가 흐르면서 코어에 자기장이 축적되며, 동시에 2차 코일에서는 아무런 전류가 흐르지 않게 됩니다. 이는 다이오드가 역방향 바이어스 상태에 있기 때문입니다.2) 스위치가 오프(OFF)일 때MOSFET이 꺼지면 1차 측의 전류는 차단됩니다. 이로 인해 변압기 코어에 저장된 에너지가 방출되기 시작합니다.변압기 코어에 저장된 자기 에너지는 2차 코일로 전달되며, 다이오드가 순방향으로 바이어스되어 출력 측으로 전력을 전달합니다.이 과정에서 2차 측 코일의 전류가 흐르게 되고, 이 전류는 출력 필터 커패시터를 충전하며 부하에 전력을 공급합니다.이러한 두 단계가 매우 빠르게 반복되며, 결과적으로 직류 입력 전압을 원하는 출력 전압으로 변환하게 됩니다.3. 플라이백 변압기의 역할플라이백 컨버터의 중요한 특징 중 하나는 절연입니다. 변압기를 사용하기 때문에 입력과 출력 간에 전기적으로 절연이 되어 있어 고전압이나 감전의 위험을 방지할 수 있습니다. 또한 변압기의 권선비에 따라 출력 전압을 자유롭게 조정할 수 있습니다.승압: 변압기의 2차 코일의 권선 수가 1차 코일보다 많으면 승압 효과를 얻을 수 있습니다.강압: 2차 코일의 권선 수가 적으면 강압 효과가 발생합니다.4. 플라이백 컨버터의 장점과 단점1)장점:설계가 간단하고 부품 수가 적습니다.절연 기능을 제공하여 안전한 전력 변환이 가능합니다.다양한 입력 전압 범위를 수용할 수 있습니다.출력 전압을 다양한 수준으로 쉽게 조절할 수 있습니다.2)단점:높은 출력 전력을 처리하기에 적합하지 않으며, 대체로 저전력 애플리케이션에 사용됩니다.스위칭 과정에서 손실이 발생하여 효율이 낮아질 수 있습니다.출력 전류 리플이 크기 때문에 추가적인 필터링이 필요할 수 있습니다.5. 플라이백 컨버터의 응용플라이백 컨버터는 절연된 전력 변환이 필요한 저전력 애플리케이션에서 주로 사용됩니다. 예를 들어, 휴대폰 충전기, 소형 가전 기기의 전원 공급 장치, 전자 기기 내부의 절연된 전원 변환 회로 등에 많이 사용됩니다.정리해 보면 플라이백 컨버터는 스위칭 소자를 통해 변압기에 에너지를 저장하고, 그 에너지를 방출하는 방식으로 동작하는 전력 변환 회로입니다. 변압기를 사용해 입력과 출력을 절연할 수 있으며, 출력 전압을 손쉽게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있어 다양한 저전력 응용에서 널리 사용됩니다.
Q. 전기 회로에서 무효 전력은 어떻게 발생하는지?
안녕하세요. 구본민 박사입니다.무효 전력은 전기회로에서 실제로 일을 하지 않으면서도 교류(AC) 회로 내에서 흐르게 되는 전력입니다. 주로 인덕터(코일)와 커패시터(축전기)와 같은 반응성 요소들이 있는 교류 회로에서 발생하게 됩니다. 무효전력의 발생 원리를 이해하려면, 전압과 전류의 위상차에 대한 개념이 중요합니다. 위상차와 무효 전력 : 교류 회로에서 전압과 전류는 시간이 지나면서 일정한 주기로 변화합니다. 그러나 인덕터와 커패시터 같은 반응성 소자가 있는 회로에서 전압과 전류의 변동 타이밍이 맞지 않게 되어 위상차가 생깁니다. 이 위상차로 인해 다음과 같은 상황이 발생합니다. 인덕터: 인덕터는 자기장을 형성하기 위해 전류를 소비합니다. 이때, 전류는 전압보다 뒤처지게(지연) 됩니다. 즉, 전압이 이미 변동했을 때, 전류는 그 뒤를 따라가는 형태가 됩니다.커패시터: 커패시터는 전하를 저장하기 위해 전압을 소비합니다. 이 경우 전류는 전압보다 앞서게(선행) 됩니다. 즉, 전류가 먼저 변동하고, 전압이 그 뒤를 따르게 됩니다.이와 같이 인덕터와 커패시터에서 전압과 전류가 동기화되지 않고 어긋나면, 전류의 일부가 실제로 일을 하지 않고 저장되었다가 방출되는 에너지 형태로 남게 됩니다. 이러한 에너지가 바로 무효 전력입니다.무효 전력은 일을 하지 않는 전력으로, 단위는 볼트암페어 리액티브(VAR)를 사용합니다. 실제로 유효 전력(real power)이 회로 내에서 일을 하는 전력인 반면, 무효 전력은 단순히 에너지를 임시로 저장했다가 다시 방출하는 역할을 하며, 주로 교류 회로에서 자기장이나 전기장을 형성하고 파괴하는 데 기여합니다.무효 전력은 실제로 일을 하지 않기 때문에, 효율적인 전력 사용을 방해할 수 있습니다. 전력 시스템에서 무효 전력이 너무 많이 발생하면 발전소에서 더 많은 전력을 공급해야 하며, 이는 전력 손실로 이어질 수 있습니다.무효 전력의 관리를 위해 전력 회사는 역률 개선 장치를 설치하여 회로의 무효 전력을 최소화하고, 전력 손실을 줄이려 합니다. 이러한 장치에는 주로 커패시터 뱅크가 사용됩니다. 이 장치는 인덕터가 발생시키는 무효 전력을 상쇄시키는 역할을 합니다.정리해 보면, 무효 전력은 교류 회로에서 인덕터와 커패시터와 같은 반응성 소자들이 전류와 전압의 위상을 어긋나게 하면서 발생합니다. 이때 일부 전력은 실제로 일을 하지 않고 회로 내에서 저장되었다가 방출되는 역할을 하며, 이는 시스템의 전력 효율성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
Q. 서미스터는 어떻게 온도를 감지할 수 있나요?
안녕하세요. 구본민 박사입니다.서미스터(Thermistor)는 온도에 따라 저항 값이 변하는 전자부품으로, "Thermal Resistor"의 줄임말 입니다. 온도를 감지하는 서미스터의 원리는 주로 저항값이 온도 변화에 민감하게 반응하는 반도체 재료를 사용한다는 점에서 비롯 됩니다. 서미스터는 두가지 유형으로 나눌 수 있습니다. NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient): 온도가 상승하면 저항값이 감소하는 유형입니다. 대부분의 온도 센서로 사용되는 유형입니다. NTC 서미스터는 전도성이 좋은 재료를 사용하여, 온도가 높아질수록 전자들이 더 활발하게 움직이게 되어 저항이 감소하게 됩니다.PTC 서미스터 (Positive Temperature Coefficient): 온도가 상승하면 저항값이 증가하는 유형입니다. PTC 서미스터는 주로 과전류 보호 장치에 사용됩니다. 이 유형에서는 온도가 상승함에 따라 재료의 전도성이 떨어지며 저항이 증가하게 됩니다.서미스터는 반도체 재료의 전도도가 온도 변화에 따라 크게 변하는 성질을 이용합니다. 구체적으로 말하자면, 서미스터의 재료는 온도가 변화할 때 전자들의 이동이 달라지는데, 이는 에너지 밴드 구조가 변형되면서 전도 대역의 전자 수가 달라지기 때문입니다. 이로 인해 온도가 오르거나 내릴 때 저항값이 급격하게 변하게 됩니다.온도에 따라 저항값이 달라지므로, 서미스터에 전류를 흐르게 하면 그 전류의 변화로 온도를 측정할 수 있게 됩니다. 이를 이용해 전자 기기에서는 온도 감지, 온도 조절, 과열 보호와 같은 용도로 서미스터를 사용할 수 있습니다.추가적으로, 서미스터는 구조가 간단하고 작으며, 온도 변화에 대해 매우 민감하기 때문에 여러 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.