16. 인덕터

인덕터란 무엇인가?

인덕터(Inductor)는 회로에서 자기장을 생성하고 전류 변화에 저항하는 특성을 지닌 수동 소자로, 코일 형태로 감긴 도선을 기본 구조로 한다. 전류가 흐를 때 코어(공기·철·페라이트 등) 주변에 자기장이 형성되며, 이 자기장 변화에 의해 유도기전력(전압)이 발생한다. 인덕터는 전류 변화율(δI/δt)에 비례한 전압을 만들어 급격한 전류 변화를 억제하고, 에너지를 자기장 형태로 일시 저장하는 역할을 수행한다. 콘덴서(Capacitor)와 함께 LC 필터를 구성하거나, 스위칭 전원부(SMPS)에서 에너지를 전달·평활하는 등 폭넓은 응용 범위를 갖는다.

 

1. 인덕터의 기본 원리

1) 자속과 유도기전력

코일에 전류가 흐르면, 코일 내부와 주변 공간에 자기장이 형성된다. 전류가 변화하면 자기장도 변하기 때문에, 패러데이(Faraday)의 법칙에 따라 유도기전력(induced voltage)이 발생한다. 이를 수식으로 나타내면:

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• Vl​ : 인덕터 양단에 걸리는 전압(Volt)
• L : 인덕턴스(Henry)
• dI/dt : 전류 변화율(A/s)

즉, 전류가 급격히 변하려 할수록 인덕터에 큰 전압이 생겨 전류 변화를 억제한다. 이때 인덕터는 내부에 자기 에너지를 축적하고, 외부 조건이 달라지면 다시 이를 전기 에너지로 반환한다.

2) 인덕턴스(Inductance)의 정의

인덕턴스 LLL는 코일의 물리적·자기적 특성으로, 도선의 감은 횟수(N), 코어의 투자율(μ), 코일 단면적(A), 길이(l) 등에 따라 결정된다. 일반화된 근사식은 다음과 같다:

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• 감은 횟수가 많을수록, 코어가 자화되기 쉬울수록(높은 투자율), 코일 단면적이 클수록 인덕턴스가 커진다.
• 반대로 코일 길이가 길어질수록 인덕턴스는 작아지는 경향이 있다.

2. 인덕터의 기능과 역할

1. 교류(AC) 필터링
   인덕터는 교류 성분을 통과시키기 어렵게 하고, 직류(DC)에 대해서는 비교적 저항이 작다. 따라서 스위칭 전원이나 오디오·RF 회로 등에서 노이즈 제거, 평활 역할을 수행한다. LC 필터나 LC 탱크 회로를 통해 특정 주파수를 선택하거나, 고주파 잡음을 차단하는 등에 활용된다.
2. 에너지 저장과 전력 변환
   스위칭 전원(SMPS)에서는 인덕터가 순간적으로 전류를 축적하고 방출하며, 전압 레벨 변환(DC-DC 컨버터)을 수행한다. 예컨대 강압(Buck) 회로에서는 인덕터가 스위칭 소자와 함께 동작하며 출력 전압을 낮추고, 승압(Boost) 회로에서는 인덕터를 통해 더 높은 전압을 만들어낸다.
3. 초크(Choke) 및 디코플링
   인덕터를 초크 코일(choke coil)로 사용해 높은 주파수 신호나 노이즈를 차단하거나, 전원선에 연결해 안정성을 높인다. 디코플링 캐패시터와 병렬로 구성해 저주파·고주파 노이즈를 각각 억제하기도 한다.
4. 공진 회로
   인덕터(L)와 콘덴서(C)를 병렬 혹은 직렬로 연결하면 공진 주파수가 형성된다. 무선 통신, 안테나 튜너, RF 회로 등에서 특정 주파수만 골라내는 데 쓰이며, LC 공진 회로를 통해 발진기(oscillator)를 구현하기도 한다.

3. 인덕터의 종류와 특징

1) 에어 코어(Air Core) 인덕터

코어에 자성체를 쓰지 않고, 공기(또는 비자성체)를 사용하는 코일이다. 고주파 특성이 우수하고, 큰 코어 손실이 없어 초고주파 회로나 안테나 등에 많이 사용된다. 다만 인덕턴스 값이 작고, 물리적 부피가 커지기 쉽다.

2) 철심(Ferrite Core) 인덕터

페라이트나 철분 심을 사용해 인덕턴스를 크게 얻을 수 있다. 스위칭 전원 등에서 대전류·중저주파 대역을 다룰 때 쓰이며, 코어 손실과 자기 포화 현상에 유의해야 한다.

• 토로이드(Toroid) 코어: 도넛 형태의 코어에 코일을 감아 자기 플럭스가 외부로 새지 않도록 설계해, 방사 노이즈가 적은 장점이 있다.
• EE, EI 코어: 트랜스포머 형태와 유사한 구조로, 파워 인덕터나 전원 트랜스에서 흔히 볼 수 있다.

3) 초크(Choke) 코일

노이즈 억제용으로 사용되는 인덕터를 초크 코일이라 부른다. 파워 초크, 커먼 모드 초크 등 목적에 따라 종류가 나뉜다. 커먼 모드 초크는 두 라인 간 공통 모드 노이즈를 차단하고, 디퍼런셜 모드 신호는 통과시킨다.

4) SMD 인덕터(칩 인덕터)

표면 실장(Surface Mount) 형태로 작은 패키지에 인덕터를 구현한 것이다. 모바일 기기나 소형 전자제품에 적합하며, 고주파 디커플링 또는 안테나 조정 등에 쓰인다.

5) 가변 인덕터(Variable Inductor)

코일의 감은 수나 코어 삽입 정도를 바꿔서 인덕턴스를 조절할 수 있는 형태다. 튜너나 특수 회로에서 주파수를 미세하게 조정하는 목적으로 활용한다.

4. 인덕터의 회로적 특성과 모델

인덕터는 이상적으로 전류가 일정하게 흐르면 전압 강하가 0에 가깝지만, 실제로는 내부에 등가 직렬 저항(ESR), 코어 손실, 권선 저항 등이 존재한다. 또한 고주파 환경에서는 코일 자체가 안테나처럼 작용해 기생 커패시턴스나 방사성 노이즈 문제가 생길 수 있다. 회로 해석 시 이 같은 등가 회로 모델(R, L, C)을 고려해 주파수별 특성을 검토해야 한다.

5. 인덕터의 응용 사례

1) 스위칭 전원(SMPS)

• Buck 컨버터: 인덕터가 입력 전압과 스위칭 FET, 다이오드, 캐패시터와 연동해 출력 전압을 낮추면서도 효율적으로 전력 변환한다.
• Boost 컨버터: 인덕터를 통해 전류를 축적했다가 출력으로 방출, 입력 전압보다 높은 전압을 만든다.
• LLC, Buck-Boost, Flyback 등 다양한 토폴로지에서 인덕터와 트랜스포머가 핵심적으로 에너지를 전달한다.

2) 오디오·RF 필터

크로스오버 네트워크, 트위터·우퍼 분리 필터 등에 인덕터가 쓰인다. RF 회로에서는 LC 필터나 공진기를 구성해 원하는 주파수만 통과시키거나 반사시키는 기능을 수행한다.

3) 자동차·산업용

자동차 전장에는 노이즈가 심하므로 전원 라인에 초크를 삽입하거나, 하이브리드/전기차 배터리 관리 시스템, 모터 제어 인버터 등에 인덕터가 필수적이다. 고출력 대전류 환경에서 코어 포화와 발열에 주의해야 한다.

4) 무선 충전

일정 주파수의 자기장을 생성하고, 수신 측 코일(인덕터)이 이를 받아 전류를 생성한다. 송신·수신 코일 간 결합도가 효율을 결정하며, 코일 형상과 주파수, 공진 특성이 주도적 역할을 한다.

5) 메모리·기억소자 연구

최근에는 자성 소재를 이용해 인덕턴스를 변화시키거나, 스핀 트로닉스 기술과 결합한 차세대 메모리 소자로 발전 가능성을 연구하는 등 다양한 시도가 이뤄지고 있다.

6. 인덕터 선정 시 고려 사항

1. 인덕턴스(L) 값과 정격 전류
   회로에서 요구하는 인덕턴스 값을 만족해야 하며, 인덕터에 흐르는 최대 전류 이상을 견딜 수 있어야 한다. 전류가 너무 크면 코어 포화나 과열이 발생할 수 있다.
2. 코어 재질과 포화 특성
   페라이트, 철분 코어, 분말 코어 등 재질별로 자기 포화 자속 밀도와 손실 특성이 다르므로, 동작 주파수와 전류, 온도 조건을 종합 고려한다.
3. ESR과 주파수 응답
   인덕터는 고주파에서 ESR과 ESL(등가 직렬 인덕턴스) 문제로 인해 이상적이지 못하다. 스위칭 전원이나 RF 회로에서는 이 같은 특성이 효율과 발열, 노이즈 성능에 직결된다.
4. 물리적 크기와 방열
   대전류 인덕터일수록 권선이 굵고 코어가 커야 하며, 발열 관리를 위한 공간이 필요하다. SMD 인덕터는 소형화가 가능하지만, 정격 전류나 손실 면에서 제약이 있을 수 있다.
5. 가격과 신뢰성
   자성체 코어의 등급, 제조 공정 등에 따라 가격 차이가 크다. 산업용이나 자동차용처럼 높은 신뢰도를 요구하는 경우 인증과 테스트가 엄격하며, 제조사의 품질 보증 내역을 반드시 확인해야 한다.

7. 결론: 자기장으로 에너지를 매개하는 핵심 소자

인덕터는 회로에서 전류 변화에 저항하고 자기 에너지를 축적·방출함으로써, 스위칭 전원, 노이즈 필터, RF 공진, 무선 충전 등 다양한 응용 분야에 필수불가결한 요소다. 콘덴서와 반대되는 특성을 보이며, 서로 보완적으로 작용해 LC 필터나 공진 회로 등을 구현한다. 전자공학이 고속화, 고출력화, 소형화로 발전함에 따라, 인덕터 역시 효율과 내구성, 주파수 특성, 발열 관리 등 한층 엄격한 요구 사항을 만족해야 한다.

엔지니어 입장에서는 인덕턴스 설계, 코어 선택, 권선 방식, 정격 전류와 코어 포화, ESR·ESL 특성 등 종합적 이해를 바탕으로 인덕터를 최적화해야 한다. 무심코 선택한 인덕터 하나가 회로 전체의 노이즈, 효율, 발열, 신뢰성 등을 결정짓는 중요한 열쇠가 될 수 있기 때문이다. 앞으로도 전력 변환 기술과 무선 통신, 차량 전장 시스템이 발전함에 따라, 인덕터는 전류와 자기장을 매개하는 핵심 소자로서 꾸준히 혁신을 이어갈 전망이다.