전류의 길을 정해준다! 다이오드의 원리와 역할

노베이스도 이해하는 공학 이야기!

이제는 비단 공대를 졸업하지 않더라도

어떤 전공을 가지든 간에

전자와 연관된 소식을 접해야합니다.

전공자들도 당연히 어렵기 때문에,

비전공자이신 분들은 더 어렵게 느끼실 겁니다.

그래서! 노베이스도 이해할 수 있게

쉽게 쉽게 풀어썼습니다.

오늘은 먼저, 전자회로에 많이 쓰이는

다이오드의 원리와 역할을 정리해볼까합니다.

그림에서 보이시는 것이

다이오드입니다.

위에는 기호로 표시한 것이고

아래는 실제 소자입니다.

다이오드는

+극인 Anode에서

-극인 Cathode로 흐릅니다.

우리, 아무리 공학과 거리를 두고 살았어도,

전류가 +에서 -로 흐르는 건 알자네?

Anode 니 Cathode니 하는 용어는 잠시 잊더라도

전류가 화살표방향으로 흐른다는 건 머리에 박으면 끝!

그리고! 그 반대로는 흐르지 않습니다.

화살표 끝에 긴 막대기가 있죠?

저 말은 즉슨 그림에서

-->이런 방향으로는 전류가 흘러도

<--이런 방향으로는 전류가 안 흐른다는 말.

여기서부터는 조금 어려워지는 이야기.

그림만 봐도 벌써 토가 나오신다고요?

네 저도 토 나옵니다.

노베이스 친구들을 위해서

최대한 차근차근 설명을 해보겠습니다.

전자 정공의 개념부터 차근차근 집어보겠습니다

아마 전자 정공 검색하면

복잡한 그림들이 뜨면서

뭐가 또 빙빙 돌고...

자 우선 이것부터.

전자(electron)은

-의 성질을 띕니다.

이건 이유 없습니다. 외우세요.

그리고 전자가 빠져나간 자리를

정공(hole)이라고 하죠.

-가 있던 자리에

-가 빠졌다?

둘이 합쳐서 0이 되어야한다면

뭐가 들어가야죠?

바로 +!

이렇게 먼저 이해하면

전자가 -

전공이 +

라는 것이 머릿속에 어느정도는 박히실 겁니다.

그리고 전자는 정공을 메꾸는 방향으로

이동하는 성질을 지닙니다.

물이 떨어질 때 빈 공간을 채워나가듯

전자도 빈 공간을 채워나가죠.

여기서 헷갈리실 개념이

'전자의 이동은

전류의 흐름과 반대다'

라는 것입니다.

저도 학부 때 이게 뭔 소리인지

도통 몰랐습니다.

그래서 내린 결론은

'전자는 전공을 메우기 위해 이동한다'

라고 생각하시면 편할 것 같습니다.

자. 이렇게 서로다른 성질인

전자와 정공을 합쳐 놓았습니다.

지금은 t=0

아무런 움직임이 없을 때죠.

그러다 t=t1

즉, 이제 슬슬 움직임이 생기기 시작합니다.

위에서 보신 대로,

전자는 전공으로 흐른다고 했습니다.

그래서 전자는 점점 정공을 매우는데,

정공을 매운 전자는 +의 성질을 띄고

전자를 받은 정공은 -의 성질을 띕니다.

???

이건 또 뭔소리야?

쉽게 말해

-를 잃어서 +가 되고

+였는데 -를 받아 -가 되었다

이러콤 이해하고 넘어가자고요.

그리고 이 과정에서

+에서 -로 흐르는

E필드(에너지필드)가 형성이 되요

그리고 t가 무한으로 갈 때,

즉 시간이 엄청 흐를 때 입니다.

n영역(전자가 모인 영역)과

p영역(정공이 모인 영역)의

이동이 더이상 이뤄지지 않습니다.

이제는 E필드의 힘이 충분히 강해져서

전자 정공의 이동과 힘이 같아졌거든요.

그래서 더 이상 이동은 이뤄지지 않습니다.

아래보시면

|Drift|=|Diff|라고 적은 것도 이런 의미입니다.

그래서 전자의 이동이 이뤄질려면

저 힘을 넘어야하고

그 힘을 주는 전압을

'문턱전압'

(Build in potential)

이라고 부릅니다.

아~~머리아파!

정신병 걸릴 것 같아!

그러면 이 이야기는 모두 잊으셔도 됩니다.

여러분이 지금 원리보다 중요한 건

그래서 이게 어떻게 쓰이는 건지 잖아요.

다이오드를 활용한 간단한 정류기입니다.

다이오드 자체의 문턱전압이

0V라는 가정에서,

-쪽에 1v 전원이 있다면

Vin이 1v가 될 때

Vout은 1v로 흐르게 됩니다.

아래 그래프처럼

Vin이 계속 올라가도

1v를 넘어가면

계속 1v로 출력이 나옵니다.

이게 어떤 부분으로 쓰일까요?

스마트폰을 예로 들어보겠습니다.

요즘은 많이 줄어들었지만

예전에는 발열증상이 상당히 심했었죠?

P=IV

열은 간단하게, 전류와 전압의 곱입니다.

스마트폰을 고전압으로 사용할 경우

계속해서 출력값이 상승하고

그럼 발열이 점점 더 심해지겠죠?

그러다가 스마트폰이 나가버리기도 합니다.

그걸 막으려면 위의 정류기를 통해서

전압이 일정 수치가 되면 제어할 수 있게

회로를 설치하여 기기를 보호할 수 있습니다.

 

간단하게 오늘은

다이오드의 원리와

활용예시를 살펴보았습니다.

차근차근 공학지식을 접한다면

우리의 일상 제품들을

더욱 관심있게 바라보실 겁니다^^