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직류
직류(直流, direct current, 약자 DC)는 높은 전위에서 낮은 전위로 전선과 같은 도선을 통한 전류의 연속적인 흐름이다. 직류에서 전하는 교류(AC)와는 다르게 항상 같은 방향으로 흐른다. 따라서 직류는 전하의 방향, 극성이 항상 같다. 하지만 크기는 다를 수 있다(예: 정류회로의 출력). 직류의 옛 이름은 갈바니 전류였다. 직류는 연속전류(連續電流)라고도 한다. 영어 약자를 사용하여 간략히 DC(디씨)라고도 한다.
현재 전기의 발전, 송전, 사용 등은 교류가 이용되고 있으나 전자제품들은 대부분 직류가 이용되고 있다. 직류는 시간에 따라 전력의 변화가 없기 때문에 회로를 설계하고 해석하는데 훨씬 효율적이기 때문이다.
개요[편집]
직류는 방향이 일정한 전기의 흐름을 말한다. 일반적으로 직류의 크기가 일정할 필요는 없으나, 종종 크기가 일정한 전류만을 직류라고 부르기도 한다. 직류를 오른쪽 그림에 나타내었다. 직류의 개념은 오른쪽 그림에서처럼 흔히 건전지와 저항으로 이루어진 간단한 회로로부터 쉽게 알 수 있다. 건전지는 내부의 전해질 안에서 수명 전까지 일정한 반응량과 방향성을 가지고 일어나는 화학 반응을 이용하여 기전력을 일으키는 장치로서, 건전지의 기전력 크기와 회로의 저항 크기의 비가 바로 직류의 전류 값이 된다. 직류에 배치되는 개념으로서, 시간에 따라 전류 방향이 바뀌는 교류가 있다. 직류는 직류발전기나 건전지 등 직류전원에서 얻을 수 있고, 교류로부터 정류기를 통해 변환하여 얻을 수도 있다. 실제로 수많은 전자 제품이 교류를 받아 어댑터를 통해 낮은 전압의 직류로 변환하여 제품 내부의 회로에 이용하고 있다.
직류와 회로 요소[편집]
일정한 전위차가 저항에 인가되면 직류의 전류가 계속 흐른다. 저항값이 0인 도선에 건전지를 연결한다면 옴의 법칙에 의해 무한대의 전류가 흐를 것으로 생각할 수 있지만, 실제로는 0이 아닌 전위차를 저항값 0인 저항에 인가할 수 없다. 축전기의 경우, 직류에게는 단지 서로 떨어져 있는 두 도체 판에 불과하므로 끊어진 두 선과 같다. 따라서 축전기에 전압이 인가된 순간으로부터 축전기에 전하가 축적되는 짧은 시간 동안을 제외하면, 전류는 흐르지 않는다. 코일의 경우, 직류에게는 단지 꼬여서 자기장의 효과에 민감한 도선에 불과하다. 패러데이 전자기유도 법칙에 의하면 유도기전력이 전류 자체가 아닌 전류의 변화에 의해서만 나타나므로, 코일에 전압이 인가된 순간으로부터 전류값이 증가하는 짧은 시간 동안을 제외하면, 저항이 0인 도선과 아무런 차이가 없다.
커런트 워[편집]
커런트 워(Current War), 전류 전쟁이라고 불리는 이 단어는 흔히 1880년대 후반 미국에서 토머스 에디슨과 니콜라 테슬라가 전기 산업의 주도권을 벌인 경쟁을 의미한다. 이 경쟁은 직류와 교류 중 어떤 것을 전기 시스템 표준으로 결정할 것인지에 관한 것이었다.
에디슨은 직류(DC) 시스템의 안전성을, 테슬라는 교류(AC)의 경제성을 각각 강조했다. 당시 직류는 전기를 멀리 보내기 힘들어 전기를 소비하는 지역과 가깝게 발전소를 설치해야 했다. 반면 교류는 각 지역에서 변압기로 전압을 바꿔주기만 해면 됐다. 이와 같은 교류의 장점이 널리 퍼지면서, 변압이 용이한 테슬라의 교류는 에디슨이 장악하던 직류 시장을 매섭게 파고들었고, 교류가 전기 시장을 선점했다.
전기자동차[편집]
- 전기자동차, 교류를 직류로 바꿔 저장, 달릴 때는 다시 교류로
직류와 교류가 모두 중요하게 사용되는 기기도 있다. 바로 전기자동차이다. 전기차는 교류 전기를 직류로 변환해서 저장하고, 그 전기를 다시 교류로 바꿔 달리는데 사용한다. 한정된 전기를 효율적으로 사용하기 위해 이와 같은 번거로운 과정을 거치고 있다. 그렇다보니 전기차에는 다양한 부품들이 장착된다.
우선 전기차 핵심 부품인 배터리는 전기를 저장하기 위해 직류 시스템이 사용된다. 교류는 배터리에 들어가더라도 빠져나가는 특성이 있어 저장이 불가능하기 때문이다. 전기차는 '탑재형충전기(OBC)'라는 부품을 이용해 상용전원(교류)을 직류로 변환해서 고전압 배터리를 충전시킨다. OBC를 통해 저장된 전기는 이동을 위해 전기모터를 구동하거나 차량 내 제어 장치 전원을 공급하는데 사용된다.
전기차를 제어하는 장치 대부분은 배터리의 직류를 그대로 사용한다. 하지만 차를 달리게 하는 전기모터 대부분은 교류를 필요로 한다. 직류 모터는 고효율, 소형화가 가능하다는 점에서 장점이 있지만 소음과 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 때문에 1,000마력을 발휘하는 전기 레이싱카 등 일부에만 탑재될 뿐, 대부분 전기차는 교류 모터가 장착된다.
배터리에 직류 형태로 저장된 전기로 교류 모터를 구동시키기 위해서는 인버터가 필요하다. 인버터는 자동차의 가속페달을 밟았을 때 고전압 리튬 배터리의 직류 전압을 교류 전압으로 변환해 구동 모터에 에너지를 공급한다. 또 감속페달을 밟을 때 전기 모터의 발전 에너지를 회수하고, 직류로 변환해 배터리를 충전시키기도 한다. 이처럼 전기에너지를 조절해 모터의 회전 속도와 토크를 제어하는 것이 인버터의 역할이다.
- 급속 충전은 직류로, 완속 충전은 교류로
차세대 전기차에서는 인버터가 통합충전시스템(ICCU)으로 한 층 업그레이드된다. 전기차가 움직이면서 발생한 운동에너지나 태양광패널 등을 통해 생산된 전기는 배터리에 저장되고, 이 에너지를 외부 전력망으로 전송할 때 ICCU가 변환과 전압을 바꾸는 역할을 하게 된다. 차세대 전기차는 양방향 충전 기능을 갖추게 되면서 전기를 생산하거나 저장이 가능한 '움직이는 발전소'가 되는 것이다. 이런 기능은 야외 활동이나 캠핑 장소에서 전자제품을 작동하는데 사용하거나, 다른 전기차를 충전하는 데에도 이용할 수 있다. 실제 현대차에 따르면 전기차 한 대에 저장된 전력은 17평 에어컨 한 대와 55인치 TV를 동시에 24시간 가량 가동할 수 있는 것으로 분석됐다.
전기차가 교류 전기만 사용하는 것은 아니다. 구동모터를 제외한 다른 전장 부품들은 12볼트(V) 직류로 작동된다. 고전압 배터리에 충전된 직류 전기를 차량 내 공조장치와 점등장치, 멀티미디어기기, 각종 차량 제어장치 등에 적합한 저전압으로 낮춰 12V 배터리에 공급해야 한다. 이때 필요한 부품이 저전압 직류변환장치(LDC)다. LDC는 기존 내연기관 차량의 발전기인 얼터네이터를 대체할 수 있다. 내연기관 차량은 12V 배터리를 충전하기 위해서 얼터네이터가 필요하다. 반면 전기차의 경우 회생제동 기능이 발전기를 대체하고, 고전압 배터리에 충전된 전력을 LDC가 전압을 낮춰 12V 배터리를 충전한다. 이런 방식은 차량 부품수를 줄이고, 구동동력을 빼앗지 않기 때문에 연비 효율 차원에서도 한층 유리하다.
전기차는 충전 방식에서도 직류와 교류 전기를 모두 사용한다. 급속 충전기는 직류 전기를 별도의 변환을 거치지 않고 배터리에 충전한다. 때문에 같은 용량을 완속 충전보다 약 8~10배 가량 빨리 충전할 수 있다. 급속 충전은 신속성이 뛰어나지만, 배터리 수명을 단축시킨다는 단점이 있다. 완속 충전은 교류 전기를 직류로 변환해서 저장하기 때문에 시간이 오래 걸린다. 대신 배터리 수명에 영향을 적게 준다는 것이 장점이다.[1]
각주[편집]
- ↑ 류종은 기자, 〈에디슨의 직류 vs 테슬라의 교류… 전기차 시대엔 둘 다 승자〉, 《한국일보》, 2021-06-04
참고자료[편집]
- 〈직류〉, 《위키백과》
- 〈직류〉, 《물리학백과》
- 류종은 기자, 〈에디슨의 직류 vs 테슬라의 교류… 전기차 시대엔 둘 다 승자〉, 《한국일보》, 2021-06-04
같이 보기[편집]
