폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산/폴리아닐린 다층 박막 구조 (a)상호 박막 간에 발생하는 전하이동 (b)다층 박막의 계면 (c, d)상호 계면에서 물리·화학적 반응

한국연구재단은 조지영 교수(광주과학기술원) 연구팀이 신재생 에너지로 주목 받고 있는 유연한 열전소자의 전도율을 높여 전압을 높이는 새로운 제조법을 개발했다고 밝혔다.

신재생 에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로, 열전소자는 물질에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전자와 같은 이동자는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 되며 이렇게 열에 의해 이동하는 이동자로부터 물질은 전압을 발생시킨다.

유연한 열전소자는 버려지는 열을 전기로 바꿀 수 있어 신재생 에너지원으로 최근 각광받고 있다. 유연한 열전소자는 휘어지는 특성이 있어 의복 등 일상생활에서 착용이(Wearable) 가능하고 비닐하우스에서 활용할 수 있다. 하지만 유연한 열전소자는 전기 전도도가 낮아서 전기가 잘 전달되지 않는 문제점이 있다. 연구팀은 유기 열전 소자 전기전도도와 열을 전기 에너지로 바꾸는 전환율을 높게 하여 유기 다층 박막 구조를 도입으로써 열전소자 개발이 가능함을 제시했다.

연구팀은 전기 전도도와 제벡 계수 사이에 반비례 관계가 거의 없는 유연한 유기물을 도입하고, 더 나아가 다층으로 쌓아 전기 전도도를 높였다. 또한 세계 최초로 한 층이 20나노미터(nm) 이하인 서로 섞이지 않는 서로 다른 종류의 유기 박막을 번갈아가며 쌓은 유기 다층 박막을 도입하여 소자의 전기 전도도와 효율을 동시에 향상시켰다. 

조지영 교수는 “이번 연구 결과는 그 동안 효율 향상이 어려웠던 열전소자 효율을 유연한 다층 유기물 박막이라는 새로운 소자 구조 개발을 통해 향상시킨 것이다. 의복이나 비닐하우스처럼 유연하면서도 버려지는 작은 열에너지를 전기로 전환해서 다른 소자를 충전하도록 사용하는 하베스팅 기술에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

이번 연구결과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었고, 환경과학 분야 세계적인 학술지인 에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science) 8월 31일자에 게재되었으며 표지 논문으로 선정되었다. 

뱀이나 지네라면 겁이 없는 사람도 전기에 쏘이면 깜짝 놀라서 자신도 모르게 손을 움찔한다. 그것도 예기치 않은 경우, 쇼크는 크다. 같은 전기라도 1.5볼트의 건전지인 경우 감전의 위험은 없지만 가정에 들어오고 있는 100볼트의 전기는 간단히 만질 수 없다.

100볼트에서 감전돼도 죽는 일은 적겠지만, 이것이 220볼트의 삼상교류(三相交流)라면 위험은 훨씬 커진다. 그런데 고압송전선에 곧잘 새가 앉아 있지만, 아무렇지도 않다. 어째서 감전되지 않을까. 새가 송전선에 앉아 있는 것을 보면 한 가닥의 전선에 두 발을 얹고 앉아있다. 전선의 전기 저항은 매우 적기 때문에 양쪽 발 사이의 전압은 매우 낮을 수밖에 없다. 그 때문에 새의 몸을 우회해서 흐르는 전류는 극히 적어 감전되지 않는 것이다.

전기에 쏘이면 찌릿한데, 이것은 무엇 때문일까. 이렇게 찌릿한 것은 교류전압이 60㎐로 진동하고 있기 때문일까. 직류전압에 접촉해서 실험해 보았더니, 역시 교류와 마찬가지였다. 그런데 감전사의 위험률은 전압이 높을수록 크다는 것을 알 수 있다. 그렇다면 감전사란 전압에 의한 것일까 아니면 전류에 의한 것일까. 감전은 인체의 외부에서 전압이 걸려 인체의 근육이나 내장에 전류가 흘러 들어가 상해를 주는 것을 말한다.

특히 심장에 전류가 흘러 상해를 입히면 치명적인데, 이처럼 인체에 흐르는 전류의 크기가 문제인 것이다. 보통 인체에 50㎃ 이상의 전류가 흐르면 심장을 움직이고 있는 근육이 경련을 일으켜 치사할 위험성이 있다. 도표는 인체를 통과하는 전류에 의한 반응을 나타낸 것이다. 전류의 크기에 따라 이렇게 반응도 달라진다. 인체를 흐르는 전류의 크기는 옴의 법칙을 따르므로 높은 전압에 접촉할수록 큰 전류가 흐른다. 인체의 저항은 조건에 따라 다르지만, 대략 400~2000Ω 정도라고 한다. 손발이 젖어 있으면 그만큼 저항이 적어져 위험이 높아진다.

해발은 전위, 표고차는 전압

지상의 낮은 위치에서 높은 위치로 물체를 이동시키기 위해서는 외력(外力)을 작용시켜 중력에 역행하는 일을 하지 않으면 안 된다. 이 일은 중력에 의한 위치 에너지 형태로 물체에 저장되며, 이 위치 에너지는 물체가 높을수록 커진다.

마찬가지로 전계 속에 있는 양전하를 전계와 역방향으로 움직일 때에도 정전기력에 역행해서 작업하지 않으면 안 된다. 이 작업도 또한 위치 에너지 형태로서 전하에 저장된다.

전계 속의 한 점에서 다른 한 점 P까지 정전기력에 역행해서 단위의 양전하(+1C)를 이동하는데 필요한 작업의 양을 점 P의 점에 대한 전위차(電位差) 또는 전압이라고 한다. 기준점을 무한히 먼 곳 또는 대지로 취했을 때의 전위차를 점 P의 전위라고 부른다. 또 이 기준점을 전위의 기준점이라고 한다. 전위의 기준점을 무한히 멀리하는 이유는 공간에 놓여진 대전체에 의한 전계는 무한원(無限遠)의 저쪽까지 가면, 반드시 제로가 되기 때문이다.

실용상은 기준점을 대지로 정하는데, 이것은 지구를 하나의 큰 도체로 볼 때, 지구 표면은 동등한 전위이기 때문이다.

1쿨롱의 전하를 이동시키는 데 필요한 작업이 1주일일 때, 그 전위차를 1볼트(V)라고 하는데, 전위차나 전위의 단위로서 이 볼트가 쓰인다는 것은 잘 알고 있을 것이다. 전계 내에서 전위가 같은 점을 연결해 나가면 하나의 면이 되는데, 이것을 등전위면(等電位面)이라고 한다.

전하를 등전위면에 따라 이동시키는 데 필요한 일은 제로이다. 이것으로 등전위면과 전기력선은 서로 수직으로 교차된다는 것을 알 수 있다. 이들의 관계를 지형으로 비유하면 전위는 해발에 의한 높이(또는 낮기), 전위차는 표고차, 그리고 등전위면은 등고선에 상당하는 것이 된다.

가정으로 보내지는 전기인 교류의 최대 이점은 트랜스란 변압기를 써서 전압을 자유롭게 올리거나 낮출 수 있다는 데 있다. 이 변압기는 1882년에 프랑스의 고라와 영국의 집스라는 사람에 의해서 발명됐는데, 그 원리는 패러데이가 발견한 전자유도의 법칙을 응용한 것이다.
1차 코일에 전지를 연결할 경우, 스위치를 뗐다 붙였다 할 때만 전구가 번쩍할 뿐 스위치를 그대로 붙여놨을 때는 불이 들어오지 않는다. 이것은 스위치의 개폐에 의해 1차 코일에서 만들어지는 자계가 변하고, 그로 인해 2차 코일을 통과하는 자력선이 변화해서 2차 코일에 유도기전력이 일어나기 때문이다. 이 때 2차 코일에 발생하는 유도기전력의 방향은 렌쯔의 법칙에 따른다.
반면, 1차 코일에 교류전압을 가하면 스위치를 개폐하지 않아도 전구는 불이 들어온 채로 있게 되는데, 이는 교류전압이 언제나 주기적으로 변화하기 때문이다. 이렇게 해서 1차 코일에 가한 교류 전압을 2차 코일에 전달할 수가 있다. 그 사이를 중계하는 것이 자계(자력선)다. 실제의 변압기에서는 얇은 규소강판을 겹쳐 쌓아 철심으로 하고 그 주위에 1차 코일과 2차 코일을 감는다. 또한, 변압기의 전압은 코일의 감은 수에 비례한다. 전압을 3분의 1로 낮추고 싶으면 2차 코일의 권수를 1차 코일의 3분의 1로 하면 된다.
하지만 변압기의 1차측에서 2차측으로 변압돼 전력이 전달되는 사이에 몇 퍼센트의 손실이 발생한다. 이 손실은 주로 철심(鐵心)속에서 생기는 와류전류손(渦流電流損)과 권선(卷線)의 저항에 의한 ‘주울열(熱)의 손실’이다. 와류전류손이란 자력선의 변화에 의해 철심 내부에 생기는 소용돌이 모양의 유도전류(誘導電流)에 의한 것이다. 이것을 방지하기 위해서는 얇은 규소강판을 절연해서 겹쳐 쌓으면 된다.

오옴의 법칙

전류, 전압, 전기저항을 하나의 관계로 정립시킨 오옴의 법칙을 전지에 꼬마 전구를 연결했을 때로 가정해 설명하면 다음과 같다. 전지 1개에 전구 2개를 연결할 경우가 A, 같은 전구를 1개만 연결한 경우가 B, 그리고 전지 2개에 전구 1개를 연결한 경우를 C라고 해보자. 전기의 밝기는 당연히 A보다도 B, B보다도 C의 순서로 밝아진다. 

이러한 관계도 물의 흐름에 비유하면 이해가 빠를 것이다. 즉, 물탱크에 연결한 파이프를 타고 흐르는 물은 파이프에 걸리는 수압이 높을수록 양이 많아진다는 점이다. 만약 파이프가 가늘어서 물의 흐름에 대한 저항이 클수록 물의 양은 적어지게 되는 것이다.

도체를 흐르는 전류의 크기는 도체의 양끝에 가해진 전압에 비례하고, 그 도체의 저항에 반비례한다는 것이 바로 오옴의 법칙이다. 

1827년 독일에서 오옴(Ohm)이란 사람이 실험에 의해서 발견한 것으로, 이 법칙은 전기의 기본법칙이며 아주 중요한 법칙으로 평가되고 있다. 

물의 흐름과 비슷한 전기의 흐름

전기의 흐름은 물의 흐름과 매우 비슷하다. 그래서 흔히 물의 흐름에 비유해서 설명하는 경우가 많다.

예를 들어 두 개의 물탱크 A와 B를 연결해서 A에 들어 있는 물을 파이프를 통해 B로 흘려 넣는다고 가정했을 때, 파이프의 콕을 열면 수위가 높은 탱크 A로부터 수위가 낮은 탱크 B로 물이 흐르지만, 양쪽 탱크의 수위가 같아지면 더 이상 흐르지 않게 된다. 

이처럼 물을 흐르게 하려는 힘은 A의 수위와 B의 수위차 즉 ‘수압’ 때문이다. 수압이 높을수록 흐르는 물은 힘이 세고 양도 많아진다. 

전기의 경우도 이와 마찬가지라고 할 수 있다. (+)전기를 가진 금속구 A와 (-)전기를 가진 금속구 B를 도선으로 연결하면 B의 전자가 A로 이동한다. 그러나 양쪽의 전자의 양이 같아지면 전자의 이동은 중지된다. 

전기의 양을 전하(電荷)라고 부르는데, 단위는 쿨롱(기호로 C)으로 표시한다. 1쿨롱은 624억의 1억 배 개의 전자의 전기량에 상당한다.

전위의 단위로는 볼트(기호는 V)가 사용된다. 전위의 기준은 대지의 전위를 0볼트라고 정하고 있다. 수위 간의 차이를 수위차라 하듯이, 전위 간의 차이를 전위차, 또는 전압이라고 한다. 따라서 전위차 및 저압의 단위도 볼트이다.

물이 흐르는 양은 매초 몇 m3로 표시하지만 전류의 크기는 매초 몇 쿨롱의 전하가 이동했는가로 표시한다. 매초 1쿨롱의 전하가 이동할 때 이것을 1암페어(기호는 A)의 전류라고 한다.

물탱크에 있어서는 파이프의 조건도 수량(水量)에 관계된다. 파이프가 가늘면 물이 흐르기 어렵고 당연히 수량도 적어진다. 또 파이프가 길거나 파이프 안쪽이 평탄하지 않고 굴곡이 심할 경우 물의 흐름은 저항을 받아 쉽게 흐를 수 없을 것이다. 

전기의 경우도 이와 비슷해서 도선의 굵기, 길이, 재질에 따라서 흐르는 전기의 양이 변한다. 이렇게 전기가 흐르기 어렵게 되는 정도를 전기저항, 또는 단순히 저항(단위는 오옴, 기호는 Ω)이라고 한다.

1월 전력 용어

■ 전압 변동률(電壓 變動率, Voltage Regulation)

발전기, 변압기 등에 부하를 접속했을 때, 부하전류에 의한 단자전압의 변화 정도를 말한다. 전압 변동률은 부하를 걸면 단자 전압이 무부하 운전상태보다 얼마만큼 감소하는지를 나타낸다. 발전기는 정격전압에 대한 단자전압 변동분의 비로, 변압기는 2차 정격전압에 대한 2차 전압 변동분의 비로 나타낸다.

■ 전압 불평형(電壓 不平衡, Voltage Unbalance)

3상(三相) 교류에서 각 상(A, B, C相)에서의 전압이 동일하지 아니한 상태를 말한다. 전력계통에서 발전, 송전선 및 배전계통은 3상 간에 전압이 평형상태를 유지하고 있으므로 전압 불평형 문제가 직접적으로 발생하지는 않는다. 그러나 전기를 소비하는 말단(末端)에서는 부하형태가 각각 상이하므로 전압 불평형 문제가 야기될 수 있다. 유도전동기 등 일부 부하는 3상 부하를 사용하지만, 대부분은 단상(單相) 부하를 사용하고 또한 단상부하라고 하더라도 부하의 특성에 따라 부하의 크기 및 역률이 다를 수 있다. 이에 따라 3상 간의 전압 불평형 문제가 발생하게 되며 그 영향은 배전계통에서 송전계통으로 그리고 발전기로 파급될 수 있다. 역상전류는 전동기에 역방향 토크를 발생시켜 유효 토크를 감소시키며, 국부적인 가열현상을 초래하여 절연열화를 촉진한다. NEMA, MG 1 규격에 의하면 전압 불평형이 발생하면 일반적으로 3상 권선을 갖는 회전기는 모두 영향을 받는다고 할 수 있고, 가장 영향을 많이 받는 기기는 3상 유도전동기이다. 3.5%의 전압 불평형율은 전동기의 출력을 약 15% 정도 감소시키고, 온도를 10℃ 이상 상승시킨다.

■ 전압 붕괴(電壓 崩壞, Voltage Collapse)

전력계통에서 고장발생 및 기타 원인으로 무효전력의 수요가 많은 양이 급속하게 증가함으로써 모선 전압이 허용 가능한 한계치 이하로 저하되는 현상을 말한다. 전압 붕괴는 전력설비를 동작하게 하는 수준 이하로 모선 전압이 저하된 상태이며, 또한 더 이상 전기기기가 작동되지 않는 수준으로 전압이 저하된 상태로 대규모의 정전을 의미한다.

■ 전압(電壓, Voltage)

전기를 보내는 힘으로서 단위는 볼트(V, Volt)를 사용한다. 전압을 이해하기 위해 위치의 높낮이가 다른 두 개의 수조(水槽)와 수조 사이를 연결한 관(Pipe)을 가정해 본다. 이때 각 수조의 높이가 수위(水位)에 해당하며 전기에서는 이를 전위(電位)라고 한다. 그리고 각 수위 간의 차이를 수위차(水位差)라 하고, 전기에서는 이를 전압 또는 전위차(電位差)라고 한다. 물이 수위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 관을 통해 흐르듯이, 전기도 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전선로를 통해 흐른다. 이와 같이 전류를 흐르게 하는 힘이 전압, 즉 전위차이다. 전기사업법에서는 교류 및 직류의 전압을 저압, 고압 및 특별고압으로 구분하고 있으며, 110볼트·220볼트·380볼트는 이를 표준전압으로 규정하고 있다.

■ 전압 강하(電壓 降下, Voltage Drop)

송전단(送電端) 전압(Vs)과 수전단(受電短) 전압(Vr)의 대수적 차(Vs-Vr)를 말한다. 아래와 같은 회로에서, 전류가 흘러 저항을 통과하면 저항에는 옴의 법칙에 따라 전압이 생기게 되는데 저항으로 인해 애초의 송전단 전압이 저하되는 현상을 전압 강하라고 한다. 이 값은 교류 송전선로에서 선로의 임피던스, 어드미턴스, 부하의 크기 및 역률에 따라서 변한다. 전압 강하율은 전압강화에 대한 수전단전압과의 비율로서 나타내며, 수식으로는 [(V1-V2)/V2]×100%로 표기한다.

■ 전압 안정도(電壓 安定度, Voltage Stability)

전력계통이 정상상태에 있거나 또는 외란(Disturbance)에 의한 동요가 발생하였을 경우, 모든 모선의 전압을 규정된 범위(허용 가능한 범위) 이내로 유지할 수 있는 전력계통의 능력을 말한다. 전압 안정도는 부하 증가와 같이 전력계통에 미소한 외란이 발생한 경우의 안정도(정태안정도, Small disturbance voltage stability)와 발전기 고장 등 대규모 외란이 발생하였을 때의 안정도(과도안정도, Large-disturbance voltage stability)로 분류할 수 있다.

<자료제공 : 전력통계정보시스템 www.kpx.or.kr/epsis>