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| 직류 전원의 회로 기호도 |
1. 개요
직류(Direct current)란 전류가 흐르는 모습 중 하나로, 줄여서 DC라고 부른다.[1]
2. 상세
전류의 극성이 늘 일정하게 흐르며, 시간에 따른 극성이 변하지 않는 전기이다. 이와 반대되는 교류는 매번 극성이 변하기에 주파수가 존재하지만, 직류는 주파수가 존재하지 않는다.인류가 전기에 대해 연구하면서 교류보다 더 먼저 접하게 된 전류이다. 비록 그 당시에는 직교류라는 개념 자체가 존재하지 않았고, 전기라는 존재 자체만 인식하는 수준이었다. 화학적인 원리로 전지를 통해 전기를 얻는 것은 기원전부터 있었던 기술이지만, 그게 직류 전기라는 점은 한참 후에 알아냈다. 인류가 인위적으로 만드는 것만 존재하는 교류와는 달리 직류는 생체전기와 번개 등 자연에도 존재하는 종류의 전기이다. 인류가 본격적으로 전기를 동력으로 사용하기 시작한 전기 시대에 돌입했을 적에도 초기에는 대부분 직류를 통해 전기의 생산과 소비, 연구가 이루어졌다.
그러나 후에 교류 전기의 개념이 등장하고, 교류와 직류는 거의 동시대인 19세기에 발견되었으며, 인류가 본격적으로 전기를 사용하기 시작하면서 어느 쪽을 상용화 할 지 서로 치열한 경쟁이 일어났다. 직류상용화는 토머스 에디슨이, 교류상용화는 니콜라 테슬라가 필두가 되었던 전류 상용화를 위한 이른바 전류 전쟁이 일어나, 결국 전기 상용화는 교류의 승리로 막을 내림으로서 송변전 분야는 교류가 완전히 장악하였다.
그렇다고 해서 직류를 완전히 포기하거나 마냥 손을 놓은 것은 아니었다. 전기 송전이 교류로 정착한 이후에도 직류 기술은 나날이 발전해왔다. 각종 전력 소자와 전기를 다루는 기술의 눈부신 발달로, 직류도 초소형 변압 회로가 흔히 쓰일 수 있게 되었고, 필요하다면 수십만 볼트 이상도 만들어 낼 수 있게 되었다. 일단 현대에서도 일반적인 지역간 송전에는 교류가 주로 쓰이지만, 지상 600 km 혹은 해저/지하 50 km 이상 송전시에는 무효전력이 없는 직류 쪽의 전류량 손실이 적기 때문에, 초고압 직류 송전 HVDC[2]에 대해 많은 연구와 활용이 이뤄지고 있다. 차세대 송전법으로 기존 초고압 교류전기 송전 대비 이점이 있으며, 고부가가치 사업으로 분류된다. 특히 국토가 넓은 중국, 인도, 브라질, 오스트레일리아 등에서 사용하고 있으며, 한국에서도 한반도-제주도 간 송전의 경우 교류가 아닌 직류를 송전하고 있다.# 유럽연합에서도 교류 송전을 직류 송전 그리드로 바꾸는 것을 추진하고 있다. 2023년 HD현대에서 1 MW급 건물용 직류배전설비를 실상용화하였다. # 미래에 상용화가 기대되는 초전도 케이블 송전방식에서도 교류는 손실이 발생하기에 초전도체를 통한 직류 송전이 연구되고 있다.
철도 분야에서는 직류가 적극적으로 사용되는데, 이동 거리가 짧은 도시철도 같은 단거리 노선에서는 직류를 주로 채택한다. 또한, 직류 철도가 교류 철도에 비해 건설 비용이 저렴하다. 전 세계적으로 도시철도 분야에서는 직류가 보편적이다. 오히려 교류 전기도 병용하는 수도권 전철이 특이한 셈이다.
소형 가전 제품은 USB를 기반으로 한 직류 전기가 사용되고 있다. 대표적으로 스마트폰과 노트북, 태블릿 등이 있다.
2.1. 교류와의 변환
크게 교류를 직류로 바꾸는 컨버터와 직류를 교류 전기로 바꾸는 인버터가 있다. 여러 가지 반도체 소자들도 정류기에 포함된다. 일반적으로는 교류를 직류를 바꾸는 컨버터 정류기, 일명 어뎁터를 많이 사용하니 그 원리의 순서를 기술하자면 다음과 같다:- 우선 정류를 하기 좋은 정도로 전압과 전류를 낮춘다.
- 전압을 낮춘 교류에서 한쪽으로만 전류가 흐르도록 흐름을 통제한다. 보통 양극(플러스) 쪽으로만 흐르도록 한다. 이를 정류라고 한다.
- 정류의 원리는 간단하다. 교류는 양극(플러스)으로 흐르는 전류와, 음극(마이너스)으로 흐르는 전류가 서로 번갈아가면서 진동하듯이 왔다갔다 흐르는 것을 말하는데, 회로를 이용해서 전류가 음극으로 흐를 때는 차단하고, 양극으로 흐를 때만 흘려 보내는 것이다. 그러면 결과론적으로는 양극으로만 흐르는 전류만 나온다. 하지만 음극으로 차단될 때는 그 시간 동안 전류가 끊긴다는 문제가 있다. 즉 양극으로 흐르는 전류가 뚝뚝 끊어지며 나온다. 이 끊어지는 부분을 줄이기 위해 사용되는 것이 다이오드 4개를 이용한 브릿지 다이오드이다. 이를 사용하면 교류의 순간전압이 0V에 가까운 구간에서만 끊어진다. 또한 이마저도 3상 브릿지 정류기일 경우 끊기는 부분이 아예 없다.
- 그래서 이렇게 뚝뚝 끊기는 양극의 변화 폭을 줄인다. 이를 '평활화'라고 한다.
- 최종적으로 가전 제품에 알맞는 전압과 전류로 다시 전력을 조정한다.
이런 네 단계의 과정을 거쳐 교류 전기를 직류로 사용하는 것이다. 20세기 후반에 상용화되어 대부분의 직류전원장치를 차지하고 있는 SMPS의 경우도 저주파 교류를 직류를 거쳐 고주파 교류로 만들고, 이를 변압기에 통과시킨 뒤 위와 동일한 단계를 거친다. 또한 효율화를 위해 정류기의 다이오드를 전용 IC로 제어되는 MOSFET 트랜지스터로 대체하는 동기정류 회로를 사용하는 경우도 있다.
인버터의 경우, 트랜지스터 4개를 H자 모양으로 배치한 뒤, 대각선 방향의 트랜지스터들을 번갈아가며 동시에 켜면 구형파 혹은 계단파 형태의 교류가 얻어진다. 그러나 이는 정현파(사인파)만 사용할 수 있는 민감한 전자제품에 부적합하므로 이들을 위해서는 PWM 제어를 통해 교류 평균치에 가까운 구형파를 만들고, LC필터를 통해 정현파를 만드는 방식이 사용된다. 3상이 필요할 경우 트랜지스터 6개를 사용한다.
3. 장점
- 축전이 가능하다.
교류는 직접적으로 에너지를 저장하는게 불가능해서 주로 물리력에 저장한후 다시 물리력을 통해 발전하는 과정이[3] 필요하지만 직류는 화학/물리적 작용을 통해서 배터리나 커패시터에 저장하는것이 가능하며 별도의 변환 과정 없이 이들을 통해서 바로 출력이 가능하다. 이와 같은 아주 편리한 장점 때문에 현대의 휴대기기가 직류를 사용하는 배터리를 사용해 다닐수 있게 되었다. - 반도체와의 조합
반도체는 한쪽 방향으로만 전원이 통하는 특성상 직류전원 없이는 제대로 구동이 불가능하다. TRIAC 등 소수를 제외하면 대부분의 반도체는 교류를 제대로 제어할 수 없고 클럭으로만 받아들일 수 있기에 반도체를 사용하는 제품에는 직류전원이 필요하며 이때문에 현대의 대부분의 전자제품에는 AC/DC 파워서플라이가 내장되어 있다. - 취급이 훨씬 간단하다.
직류는 중학교 수준의 교육에서도 간단히 설명이 가능하지만 교류에 대해 제대로 이해하고 분석하기 위해서는 대학원 수준의 교육이 필요하다. 이와 같은 난이도 때문에 교류를 제대로 활용하기 위해서는 상당히 높은 수준의 교육이 필요하고 이런 문제 외에도 표피전력이나 무효전력등의 고려해야될 요소가 직류에 비해 너무 많아 머리를 쥐어 싸매게 만드는 물건이다. - 변압이 생각보다는 간단하다.
변압이 어려움을 단점으로 이야기하면서 무슨 소리인가 싶겠지만 반도체가 필요하다는 점은 반대로 반도체를 이용해 원하는 전압으로 바꾸기 쉽다는 장점도 있다. 교류는 변압기를 이용할 경우 특정 전압을 고려한 변압기가 필요하나[4] 직류는 적절한 회로만 갖춰진다면 하나의 회로에서 승압, 강압을 동시에, 내가 원하는 전압을 즉석해서 만들어내는것도 가능하다. 이런 점 때문에 일상에서 사용가능한 전압 종류가 얼마 없는 교류와 반대로 일상에서 사용되는 직류전압은 상상을 초월하는 수준으로 다양하다.
4. 단점
- 변압 난도가 매우 높다
가장 단순한 구조의 승압, 강압회로마저도 반도체 소자가 필수적으로 요구되는 구조라 변압 난도가 산으로 올라가는 경향이 있으며 특히 반도체 소자들의 내압특성이 교류 변압기의 내압특성보다 약해 송전에 필요한 수준으로 고압으로 운용하기가 매우 까다로운 경향이 있다. 이때문에 대부분의 지역에서 변압 구성요소가 더 간단한 교류송전을 사용하고 초고압 직류송전은 초장거리 혹은 해저 송전 등 아주 제한적인 용도로만 사용된다. - 극성이 있다.
일상에서 체감 가능한 가장 큰 단점. +/- 극으로 구분되어 있으며 이 둘을 정확한 방향으로 연결해야 작동한다. 1.5V 수준의 저압에서는 그냥 작동 안하는 수준에서 멈추기도 하지만 전압이 5V 이상급으로만 가도 역방향으로 연결할 경우 기기가 영구적인 손상을 입는 경우가 발생하며, 특히 예민한 반도체 소자들은 -0.5V 수준의 역전압에도 고장나기 때문에 극성구분이 매우 중요하다. 때문에 반대로 돌려꽂아도 되는 AC 플러그들과 달리, DC 플러그들은 두 극이 바뀌지 않도록 비대칭 혹은 동심원형 구조를 택하고 있다. - 차단이 어렵다
교류의 경우 1초에 50/60번 전압이 0이 되는 순간이 있어 아크가 쉽게 끊어지지만, 직류에는 이러한 부분이 없으므로 아크가 쉽게 발생된다. 따라서 동일한 기계적 스위치가 버틸 수 있는 전압이 교류보다 낮은 편이다. 때문에 직류 스위치들은 아크를 소호하는 메커니즘을 채택하거나 구조적으로 아크가 일어날 수 없는 반도체 릴레이(SSR)를 대신 사용한다. 또한 누전을 감지 및 차단하는 것도 어려우며, 고가의 특수 차단기가 필요하다.
[1] 상대되는 개념인 교류는 AC(Alternating Current).[2] High Voltage Direct current ; 초고압 직류 (송전)[3] 주로 양수발전이나 플라이휠 컨덴서 등이 대표적이다.[4] 교류도 바리악이라는 가변전압 변압기가 있긴 하나 기계식으로만 제작이 가능한 아주 특수한 장비라 부피가 크고 변환 가능 범위도 제한적이다.