[전기 특집] 전기의 기초 지식 5부: 도체, 반도체, 절연체의 특징

[전기 특집] 전기의 기초 지식 5부: 도체, 반도체, 절연체의 특징

 

전기의 구조, 발전소로부터 가정에 보내지는 전기의 흐름, 직류와 교류의 차이 등 전기의 기초 지식에 대해 소개합니다.

 

전기는 어디에서 만들어져, 어떻게 옮겨져 오는가 하는 기본적인 전기의 구조로부터, 전기를 흘려 보내기 위한 도체와 반도체, 절연체의 차이 등 전기의 기초 지식을 배울 수 있습니다.

 

전기의 잡학 지식 외에, 오일 히터나 전기 주전자, 공기 청정기 등 가정용의 백색 가전에 대한 해설과 함께 소비 전력을 적게 억제해 전기 요금을 절약하는 똑똑한 사용법이나, 가전의 구조 및 동작 원리와 같은 기술적인 내용도 소개합니다.

 

이 시리즈에서는 전기설비의 전문 설계에 관한 기술 소개를 최소화하고, 읽기 쉽고 알기 쉬운 형식으로 정보를 제공하고자 합니다.

 

도체, 반도체, 절연체

 

 

반응형

 

 

도체, 반도체, 절연체의 특징

 

물질이 전기를 통과할 수 있는지를 기준으로 하여 "도체", "반도체", "절연체"로 구분됩니다. 전기를 잘 통과시키는 물질은 도체, 통과하지 않는 물질은 절연체입니다. 반도체는 약간 특수하며 도체와 절연체의 중간에 위치합니다.

 

전기 설비 분야에서 도체는 케이블이나 전선의 심선 부분에 사용되고, 절연체는 대지로의 누설을 방지하기 위해 케이블 주위에 피복된 보호재로서 사용됩니다.

 

반도체는 온도에 따라 도체나 절연체로 변화하는 특수한 성질을 가지고 있으며, LED 조명 등 다양한 설비에 활용되고 있습니다.

 

도체, 반도체, 절연체의 구분은 전기의 흐름 용이성, 통과 용이성에 좌우됩니다. 전기의 흐름 용이성은 자유 전자의 수와 관련이 있으며, 자유 전자의 수가 많을수록 전기는 통과하기 쉽고, 자유 전자의 수가 적을수록 전기는 통과하기 어렵습니다.

 

도체

구리나 알루미늄 등 전선에 자주 사용되는 물질을 도체라고 합니다. 자유 전자의 수가 많아 전기를 잘 통과시키는 물질로서 케이블의 심선에 사용됩니다. 금이나 은, 철 등도 도체입니다. 금속 이외의 도체로 대표적인 것에는 흑연이 있습니다. 흑연은 금속은 아니지만, 전기를 잘 통과시키는 성질이 있습니다.

 

구리나 알루미늄 등 전기가 통과하기 쉽고 저렴하고 조달이 용이한 소재는 전로를 위한 재료로 이용되고 있습니다. 대전류를 흘리는 전력 케이블, 통신 전선로가 되는 약전 케이블, 프린트 기판의 도전 부분에서도 활용되고 있습니다.

 

일반적으로 전기 저항이 적을수록 양질의 도체로 분류됩니다. 구리나 알루미늄에 비해 은은 전도율이 매우 높다는 특징을 가지고 있지만, 희소한 금속이기 때문에 많이 사용하면 제조 비용이 높아지기 때문에 대량의 전류를 흘리는 케이블의 전선로로 사용하지 않고 전자 회로나 계전기의 동작 등 소전류로 정밀한 동작을 행하는 분야에서의 이용에 한정됩니다.

 

구리는 전도율이 높고, 가공이 용이하고 비용면도 저렴하다는 특징이 있기 때문에, 대전류를 흘리는 전력 케이블의 대부분은 도체로서 구리를 선정합니다. 철은 구리·알루미늄과 비교하면 저항값이 높기 때문에 케이블의 재료로는 사용되지 않습니다.

 

알루미늄은 구리보다 전도율이 나쁘고 많은 전류를 흘릴 수 없지만 구리보다 경량이라는 이점을 살려 송전선로에 사용됩니다. 송전선은 수백 미터의 철탑 사이를 가공 부설하기 때문에 도체로서의 성능 외에 경량이고 강도가 높은 것도 마찬가지로 중요시됩니다.

 

물과 공기의 전도성

물은 일반적으로 전기를 통과하는 "도체"이지만 불순물을 전혀 포함하지 않는 순수한 물은 절연체가되어 전기가 흐르지 않습니다. 순수한 물에 식염을 섞으면 전기가 흐릅니다. 물에 식염이 녹아 이온이 전리하여 플러스극과 마이너스극으로 나뉘어 전류가 흐르고 도체가 됩니다.

 

공기라는 기체는 절연체입니다. 가장 간단한 절연은 도체를 서로 이격시키는 것입니다. 공기는 절연 성능이 매우 높고 높은 절연 성능을 확보할 수 있습니다.

 

공기에 큰 전압을 인가하면 절연이 파괴되어 강한 빛과 열을 방출하면서 전류가 흐릅니다. 낙뢰에 의해 공기중에 대전압이 발생했을 경우 「아크 방전」을 수반하는 전류가 빛과 열을 내면서 대지를 향해 흐릅니다.

 

본래는 절연체로서 작용하는 「공기」도, 전압이 높아지면 절연 성능을 잃고, 도체로서 전류가 흐르게 됩니다.

 

절연체

자유 전자의 이동이 적은 물질은 절연체로 분류되어 전기를 흘릴 수 없습니다. 고무나 유리 등은 전기를 통하지 않는 물질이며, 절연체로 분류되어 있습니다.

 

절연체는 전자가 결속되어 자유 전자가 거의 없는 상태이기 때문에, 매우 높은 전압을 인가하지 않으면 자유 전자가 발생하지 않습니다. 유리 고무는 대표적인 절연체이지만 플라스틱, 나무, 기름 등도 절연체이며, 높은 전압을 인가하지 않으면 전자가 움직이지 않습니다.

 

"에보나이트"라고 불리는 경질 고무도 절연체로 널리 알려져 있습니다. 합성수지로서의 역사가 오래되어 물리 실험에서는 에보나이트 봉을 이용하여 정전기 실험이 행해지고 있습니다.

 

순수한 물도 절연체이며 불순물이 함유되어 있지 않으면 전기가 흐르지 않기 때문에 절연체로 볼 수 있습니다. 염류가 포함되어 있으면 절연성이 없어져 물이 도체가 되기 때문에 주의가 필요합니다.

 

절연체는 전기 흐름을 정지시키고 회로를 절연하는 데 사용되는 재료입니다. 전력회사가 발전한 전기는 발전소에서 변전소를 지나 각 가정이나 빌딩으로 보내지지만 전기가 대지로 흘러 들어가지 않도록 절연되어 있습니다.

 

송전선로의 절연

송전선에는 수십만 볼트라는 매우 높은 전압이 인가되고 있어 고무나 비닐에 의한 절연은 거의 효과가 없습니다. 송전선 레벨의 절연은 대지나 전선끼리와의 이격을 충분히 확보하는 「공기를 절연체로 하는」방식으로 절연하고 있습니다.

 

매우 높은 전압을 인가하면 공기의 절연이 파괴되어 전기가 흐르게 되는 것은 이미 설명한 바와 같습니다. 전압에 따라 전선끼리의 이격을 충분히 확보하면 전기가 서로의 전선으로 전해지거나 대지로 흘러가는 일은 없습니다.

 

「송전선 부근에서 연 날리기 등을 해서는 안 된다」는 것은 공기로 절연되어 있는 전선끼리 통전 상태가 되는 것을 막는 것과 연을 통해 대지에 대전류가 흘러 인체를 지나는 감전되는 사고를 막고자 하는 것입니다.

 

반도체

반도체는 도체와 절연체 모두의 특성을 가지며 온도에 따라 절연 성능이 변화하는 특수 도체로 분류됩니다.

 

실리콘은 반도체의 대표적인 물질로 저온에서는 절연체의 성질을 가지고 있어 실리콘의 온도가 상승하는 것에 자유 전자의 이동이 활발해져 전류가 흐르기 쉬워지는 성질이 있습니다. 트랜지스터나 IC의 소재로 널리 사용되는 물질입니다.

 

원래 순수한 실리콘은 전기를 흘리기 어려운 성질이 있지만 실리콘에 붕소 등 3가의 원소를 더함으로써 「p형 반도체」가 되어 결정 내부에 전자가 부족한 「정공(홀)」이 생성되어 양전하처럼 이동할 수 있어 전류가 흐릅니다.

 

비소 등 5가의 원소를 가하면 「n형 반도체」가 되어 다이오드나 트랜지스터의 원료가 됩니다. n 형 반도체는 결정 내부에 자유 전자가 있어 음전하로서의 역할을 담당하고 p 형 반도체와 마찬가지로 전류가 흐릅니다.

 

반도체는 특수한 성질이 활용되어 전자부품 재료로서 널리 이용되고 있습니다.

 

 

참고할만한 다른 자료들

 

전기의 기초 지식 - 직류와 교류의 차이 (tistory.com)

전기의 기초 지식 - 직류와 교류의 차이

전기의 기초 지식 - 와트(W)와 볼트암페어(VA)의 차이 (tistory.com)

전기의 기초 지식 - 와트(W)와 볼트암페어(VA)의 차이

전기 전선 및 케이블 관련 기초 지식 1부 (tistory.com)

전기 전선 및 케이블 관련 기초 지식 1부

전기 전선 및 케이블 관련 기초 지식 2부 (tistory.com)

전기 전선 및 케이블 관련 기초 지식 2부

전기의 기초 - 전압, 전류, 전력 (tistory.com)

전기의 기초 - 전압, 전류, 전력

전기 기초 - 옴의 법칙 (tistory.com)

전기 기초 - 옴의 법칙