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테슬라 코일

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목차

1. 개요

테슬라 코일은 낮은 전류에서 고전압을 생성하는 무선 주파수 전자 발진기이다. 스파크 갭, 트랜지스터, 사이리스터 또는 진공관을 사용하여 작동하며, 50킬로볼트에서 수백만 볼트에 이르는 출력 전압을 생성할 수 있다. 테슬라 코일은 공진 변압기의 일종으로, 1차 코일과 2차 코일의 공진을 이용하여 에너지를 일시적으로 저장하고 증폭한다. 1891년 니콜라 테슬라가 특허를 받았으며, 교육, 엔터테인먼트, 과학 연구 등 다양한 분야에서 활용된다. 오늘날에는 과학 박물관 전시, 아마추어 제작, 음악 연주 등에 사용되며, 진공 시스템 누설 감지 및 탄소 나노튜브 원격 정렬에도 활용된다.

2. 작동 원리

작동 중인 자작 테슬라 코일. 토로이드에서 나오는 브러시 방전을 보여준다. 높은 전기장은 고전압 단자 주변의 공기를 이온화시켜 전기가 다채로운 코로나 방전, 브러시 방전, 스트리머 방전 아크 형태로 공기 중으로 누설되게 한다.


테슬라 코일은 공진 유도 결합 원리를 이용하는 특수한 공진 변압기를 사용하여 낮은 전류에서 매우 높은 전압을 만들어내는 무선 주파수 전자 발진기이다.[11][13][14][15][16][17] 니콜라 테슬라의 원래 회로나 대부분의 최신 코일은 단순한 스파크 갭을 이용하여 공진 변압기에서 전기적 진동을 일으킨다. 더 정교한 설계는 트랜지스터 또는 사이리스터[13] 스위치, 또는 진공관 전자 발진기를 사용하여 공진 변압기를 구동한다(SSTC).

테슬라 코일은 크기에 따라 50 kV에서 수백만 볼트까지의 높은 출력 전압을 생성할 수 있다.[13][15][17] 이때 출력되는 교류 전압은 50 kHz에서 1 MHz 사이의 낮은 무선 주파수 대역에 속한다.[15][17] 대부분의 테슬라 코일은 짧은 시간 동안 고전압이 반복적으로 발생하는 펄스 형태의 출력을 내지만,[13] 일부 발진기 구동 방식의 코일은 연속적인 교류를 생성하기도 한다.

기본적인 스파크 여기 테슬라 코일은 고전압 공급 변압기, 1차 커패시터, 스파크 갭, 그리고 1차 코일과 2차 코일로 이루어진 공심 이중 동조 공진 변압기로 구성된다. 선택적으로 2차 코일 끝에 토로이드 형태의 금속 전극(상단 부하)을 달아 방전 현상을 제어하고 전압을 높이는 데 도움을 준다.[14][18] 작동 원리는 1차 회로(커패시터와 1차 코일)와 2차 회로(2차 코일의 기생 커패시턴스와 상단 부하의 커패시턴스)가 동일한 공진 주파수를 갖도록 조정한 뒤, 스파크 갭을 통해 1차 회로에 에너지를 순간적으로 공급하여 강력한 전기 진동을 일으키는 것이다. 이 진동 에너지가 공진 유도 결합을 통해 2차 코일로 전달되면서 매우 높은 전압으로 증폭된다.

이 과정에서 2차 코일에는 여러 개의 정재파가 형성될 수 있으며, 1차 코일과 2차 코일 사이의 자계 위상 결합 현상이 전력 전달 효율과 전압 증폭에 중요한 역할을 한다.[77] 높은 전압은 주변 공기를 이온화시켜 화려한 코로나 방전, 브러시 방전, 스트리머 방전 아크를 발생시킨다. 테슬라 코일의 작동 원리는 진행파 이론과 공진 변압기 이론 모두로 설명될 수 있으며, 2차 코일의 분포 정수 특성까지 고려하여 분석하기 어려운 경우, 이를 집중 정수 회로로 취급해도 거의 유사한 결과를 얻을 수 있다.[82]

2. 1. 구성 요소



아래에 표시된 일반적인 스파크 여기 테슬라 코일 회로는 다음과 같은 구성 요소로 구성된다.[14][18]

  • '''고전압 공급 변압기''' ''(T)'': AC 주 전압을 스파크 갭을 뛰어넘을 수 있을 만큼 충분히 높은 전압으로 승압하는 장치이다. 일반적인 전압은 5kV에서 30kV 사이이다.[18]
  • '''커패시터''' ''(C1)'': 테슬라 변압기의 1차 코일 ''L1''과 함께 동조 회로를 형성한다.
  • '''스파크 갭''' ''(SG)'': 1차 회로에서 스위치 역할을 한다.
  • '''테슬라 코일''' ''(L1, L2)'': 고출력 전압을 생성하는 공심 이중 동조 공진 변압기이다.
  • '''정전 용량 전극 (상단 부하)''' ''(E)'': 선택적으로 코일의 2차 단자에 부착되는 부드러운 금속 구 또는 토러스 형태의 전극이다. 넓은 표면적은 조기 공기 파괴 및 아크 방전을 억제하여 Q 팩터 및 출력 전압을 증가시키는 역할을 한다.

2. 2. 공진 변압기

공진 유도 결합

테슬라 코일 회로 ''(L1, L2)''에 사용되는 특수 변압기는 공진 변압기, 발진 변압기 또는 고주파(RF) 변압기라고 하며, AC 전원 회로에 사용되는 일반 변압기와는 다르게 작동한다.[19][20][21] 일반 변압기가 1차 코일에서 2차 코일로 에너지를 효율적으로 전달하도록 설계된 반면, 공진 변압기는 전기 에너지를 일시적으로 저장하도록 설계되었다. 각 코일에는 그 코일에 걸쳐진 커패시턴스가 있으며, 진동하는 전기 에너지를 저장하는 LC 회로 (공진 회로, 동조 회로)로 작동한다. 이는 튜닝 포크가 진동하는 기계적 에너지를 저장하는 방식과 유사하다. 비교적 적은 횟수로 감긴 두껍고 무거운 구리선 또는 튜브로 구성된 1차 코일 ''(L1)''은 스파크 갭 ''(SG)''을 통해 커패시터 ''(C1)''에 연결된다.[13][14] 2차 코일 ''(L2)''은 1차 코일 내부의 속이 빈 원통형에 감긴 가는 전선이 수백에서 수천 번 감겨져 있다. 2차 코일은 실제 커패시터에 연결되어 있지 않지만, 역시 LC 회로로 작동한다. ''(L2)''의 인덕턴스는 코일의 권선 간 기생 커패시턴스와 고전압 단자에 부착된 토로이드 금속 전극의 커패시턴스를 합한 분포 커패시턴스 ''(C2)''와 공진한다. 1차 및 2차 회로는 동일한 공진 주파수를 갖도록 조정되어[2] 결합 발진기처럼 작동하며 에너지를 교환한다. 각 스파크가 발생할 때 저장된 에너지는 1차 코일과 2차 코일 사이를 빠르게 왕복하며 진동한다.

코일의 특이한 설계는 고주파에서 낮은 저항 손실(높은 Q 팩터)을 달성하여 가장 큰 2차 전압을 생성하기 위한 필요성에서 비롯된다.[15]

  • 일반 전력 변압기는 코일 간의 자기 결합을 높이기 위해 철심을 사용한다. 그러나 고주파에서는 철심이 와전류 및 히스테리시스로 인해 큰 에너지 손실을 유발하므로 테슬라 코일에는 사용되지 않는다.[21]
  • 일반 변압기는 "강하게 결합"되도록 설계된다. 1차 및 2차 코일은 철심 주위에 촘촘하게 감겨 있다. 철심과 권선의 근접성 때문에 높은 상호 인덕턴스 ''(M)''를 가지며, 결합 계수는 0.95~1.0에 가까워 1차 코일의 거의 모든 자기장이 2차 코일을 통과한다.[19][21] 반면 테슬라 변압기는 "느슨하게 결합"되어 있다.[13][21] 1차 코일은 직경이 더 크고 2차 코일과 떨어져 있어[14] 상호 인덕턴스가 낮고 결합 계수는 0.05~0.2에 불과하다.[22][15] 이는 개방 회로 상태에서 1차 코일 자기장의 5%에서 20%만이 2차 코일을 통과한다는 의미이다.[13][18] 느슨한 결합은 1차와 2차 코일 사이의 에너지 교환 속도를 늦추어, 진동 에너지가 2차 회로에 더 오래 머물게 하고 1차 회로로 되돌아가 스파크에서 소모되는 것을 줄인다.
  • 각 권선은 근접 효과 손실을 줄이기 위해 단일 층으로 감는다. 1차 코일은 매우 높은 전류를 전달한다. 고주파 전류는 표피 효과로 인해 도체 표면을 따라 주로 흐르므로, 저항을 줄이기 위해 표면적이 넓은 구리 튜브나 스트립으로 만들고, 권선 사이의 간격을 두어 근접 효과 손실과 권선 간 아크 발생을 줄인다.[23][24]


출력 회로는 두 가지 형태를 가질 수 있다.

  • 단극 (Unipolar): 2차 코일의 한쪽 끝은 단일 고전압 단자에 연결되고 다른 쪽 끝은 접지된다. 이 유형은 주로 오락용으로 설계된 현대 코일에 사용된다. 1차 코일은 2차 코일의 하단, 즉 전위가 낮은 끝 근처에 위치하여 권선 간의 아크 발생을 최소화한다. 접지(지구)가 고전압의 귀환 경로 역할을 하므로, 단자에서 발생하는 스트리머 아크는 근처의 접지된 물체로 향하는 경향이 있다.
  • 쌍극 (Bipolar): 2차 코일의 양쪽 끝 모두 접지되지 않으며, 둘 다 고전압 단자로 사용된다. 1차 코일은 2차 코일의 중앙, 즉 두 고전위 단자 사이의 등거리에 위치하여 아크 발생을 방지한다.


2차 코일 상에서 보이는 다양한 공진 주파수


테슬라 코일에서 2차 코일의 권선 사이에 발생하는 기생 커패시턴스와 2차 코일의 인덕턴스는 분포 정수 회로의 특성을 나타내며 지연 회로를 형성한다. 이 때문에 스파크 갭 방식에서는 2차 코일 위에 여러 정상파가 존재하게 된다. 이는 2차 코일의 1차 코일 근처(결합부)에서 방전 단자(방전구)를 향해 시간 지연을 동반하는 진행파가 존재하고, 이 진행파가 방전 단자와 결합부 사이에서 반사를 반복하며 공진하기 때문이다. 이 공진 모드는 1/4 파장 공진 모드를 기본으로 하여 여러 개 존재하므로, 테슬라 코일의 2차 코일에는 다수의 정상파(1', 2', 3', …)가 섞여 있는 상태가 된다. 또한 1차 코일과 2차 코일 사이의 결합은 느슨하지만, 2차 측 커패시턴스 성분과 공진시킴으로써 강한 결합(자계 위상 결합)이 작용한다. 이 자계 위상 결합은 1', 2', 3', …의 주파수에서 발생한다. SSTC(Solid State Tesla Coil)에서는 1' 주파수(1/4 파장 공진 모드)로 구동하여 효율적이고 강력한 방전을 얻을 수 있다.

공진 변압기 간이 등가 회로
Z: 방전 임피던스, Cs: 용량성 단자(토로이드)의 기생 커패시턴스, Ls: 단락 인덕턴스


높은 권선비(변압비)를 가진 변압기를 사용하여 고전압을 얻으려 할 때, 1차-2차 코일 간 절연 문제와 코일 구조상의 한계로 인해 결합 계수는 낮아질 수밖에 없다. 따라서 일반적으로 1차 코일과 2차 코일을 연결하는 상호 자속(주 자속) 형성이 어려워져 누설 인덕턴스가 커지고 상호 인덕턴스가 작아져 전력 전달 효율이 나빠진다. 한편, 변압기의 2차 코일에 전류가 흐르면 자기장이 발생하는데, 2차 측 회로가 공진 상태에 있을 때는 2차 코일에 반공진(병렬 공진 1)과 공진(직렬 공진 1')이 쌍으로 나타난다. 이 중 공진 주파수(직렬 공진 주파수 1')에서 1차 코일을 구동하면, 1차 회로 측의 유도성 임피던스가 급격히 감소하고, 2차 코일의 공진 전류가 만드는 자기장과 1차 코일이 만드는 자속의 위상이 동기화되어 자계 위상 결합 상태가 된다. 이는 1차 코일에서 발생한 자속이 2차 코일로 강하게 유도되어 1차-2차 사이에 매우 강한 결합이 생기는 현상이다. 이 상태가 되면 상호 자속(주 자속)이 크게 증가하여, 철심 등 별도의 장치 없이도 높은 결합 효과를 얻을 수 있다[77]。 즉, 1차 코일에 가하는 전압의 주파수가 2차 측 회로의 공진 주파수와 일치하면, 단순히 1차, 2차 코일을 적당히 가깝게 배치한 상태에서도 효율적으로 전력을 전달할 수 있다. 또한, 단락 인덕턴스 Ls와 2차 측 기생 커패시턴스 Cs의 공진으로 발생하는 자계 위상 결합에 의해 전압 상승 효과도 기대할 수 있다. 테슬라 코일에서는 1차 측에 이 공진 주파수의 교류 전압을 공급하기 위해 회전형 스파크 갭을 사용하기도 한다[78]。 회전형 스파크 갭은 불꽃 방전의 임펄스 전류를 발생시켜 광대역의 교류 에너지를 공진 회로에 공급하여 진동시킨다. 또한, 회전형 스파크 갭의 회전 속도를 조절하여 1차 코일에 가하는 주파수를 조정할 수 있다.



테슬라 코일은 공진 요소의 상당 부분이 기생 커패시턴스이기 때문에 공진 주파수가 불안정하며, 설치 환경 등에 따라 주파수를 조정해야 하는 경우가 많다. 이러한 단점을 극복하기 위해, SSTC에서는 2차 코일의 접지(GND) 측에서 발생하는 코일 전류의 위상을 기준으로 1차 코일을 구동하는 방식(전류 공진 구동)을 사용하여 방전 효과를 안정화시킨다[79][80][81]。

테슬라 코일에서는 진행파와 공진 변압기의 원리가 모두 작용하는 것으로 생각되지만, 2차 코일의 분포 정수 특성까지 고려하여 분석하기 어려운 경우에는 이를 집중 정수 회로로 취급해도[82] 거의 유사한 결과를 얻을 수 있다.

2. 3. 작동 주기

thumb에 토로이드 전극 ''E''의 접지 커패시턴스를 더한 것을 나타낸다.]]

테슬라 코일은 스파크 갭을 이용하여 공진 유도 결합 원리로 작동하는 공진 변압기를 구동시켜 고전압을 발생시키는 장치이다.[11][13][14][15][16][17] 스파크 갭 방식의 테슬라 코일은 다음과 같은 반복적인 과정을 통해 고전압 펄스를 만들어낸다.[16][18][21][25]

# 충전: 전원 변압기 ''(T)''가 커패시터 ''(C1)''를 높은 전압으로 충전한다.

# 방전 및 1차 진동: 커패시터 양단의 전압이 스파크 갭 ''(SG)''의 절연 파괴 전압에 도달하면, 스파크가 발생하여 갭의 저항이 매우 낮아진다. 이로 인해 1차 회로가 닫히고, 커패시터에 저장된 에너지가 1차 코일 ''(L1)''을 통해 빠르게 방전된다. 전류는 커패시터와 코일 사이를 앞뒤로 빠르게 흐르며, 1차 LC 회로의 공진 주파수에서 감쇠 진동하는 전류를 생성한다.

# 에너지 전달 및 2차 진동 (링업): 1차 코일의 진동하는 자기장은 패러데이 유도 법칙에 따라 2차 코일 ''(L2)''에 진동 전류를 유도한다. 1차 회로와 2차 회로는 동일한 공진 주파수를 갖도록 설계되어 에너지가 효율적으로 전달된다. 여러 번의 진동 주기를 거치면서 1차 회로의 에너지가 2차 회로로 옮겨간다. 2차 코일은 그 자체의 인덕턴스와 권선 사이의 기생 커패시턴스, 그리고 상단 부하(토로이드) ''(E)''의 커패시턴스가 더해진 총 커패시턴스 ''(C2)''와 함께 2차 LC 회로를 구성한다. 에너지가 전달됨에 따라 2차 회로의 전압 진폭은 점점 커지고("링업"), 반대로 1차 회로의 전류 진폭은 점차 감소한다. 2차 코일의 커패시턴스 ''(C2)''는 1차 커패시터 ''(C1)''보다 훨씬 작기 때문에, 에너지가 전달되면서 전압은 매우 높게 증폭된다.

# 에너지 역전달 및 감쇠 (링다운): 2차 회로의 전류가 최대에 도달하면, 다시 1차 코일에 자기장을 유도하여 에너지가 1차 회로로 되돌아가기 시작한다. 이 과정에서 2차 회로의 전압은 감소한다("링다운"). 에너지는 두 회로 사이를 빠르게 왕복하며 진동하지만, 스파크 갭에서의 열 손실과 코일 자체의 저항 때문에 전체 에너지는 점차 소멸된다.

# 스파크 소멸 (퀀칭): 스파크 갭을 통과하는 전류가 공기의 이온화 상태를 유지하기에 부족해지면 스파크가 꺼진다("퀀칭"). 이로 인해 1차 회로의 전류는 멈추지만, 2차 회로의 진동 전류는 잠시 더 지속될 수 있다.

# 재충전 및 반복: 스파크가 꺼지면 전원 변압기가 다시 커패시터 ''(C1)''를 충전하기 시작하고, 위 과정이 다시 반복된다.

이 전체 작동 주기는 매우 빠르게 일어나며, 각 스파크는 밀리초 단위의 짧은 시간 동안 지속된다. 스파크 갭은 주전원 주파수(50 또는 60 Hz)에 맞춰 초당 수십~수백 번 방전하므로, 각 스파크는 감쇠파 형태의 고전압 펄스를 생성한다.[16] 이 펄스들이 빠르게 반복되기 때문에 테슬라 코일의 출력은 연속적인 방전처럼 보이게 된다.

이론적으로 에너지 손실이 없다고 가정하면, 1차 커패시터 ''C1''에 저장된 에너지({1 \over 2}C_1V_1^2)가 모두 2차 회로의 커패시턴스 ''C2''로 전달될 때 2차 전압 ''V2''가 최대가 된다. 이때 에너지 보존 법칙({1 \over 2}C_1V_1^2 = {1 \over 2}C_2V_2^2)에 따라 최대 2차 전압은 다음과 같이 계산할 수 있다.[15][16][21]

:V_2 = V_1\sqrt{C_1 \over C_2} = V_1\sqrt{L_2 \over L_1}

여기서 ''V1''은 스파크 갭의 방전 전압이다. 2차 커패시턴스 ''C2''가 1차 커패시턴스 ''C1''보다 훨씬 작기 때문에 ''V2''는 ''V1''보다 매우 커진다.[16]

그러나 실제로는 출력 전압이 무한정 높아질 수는 없다. 전압이 특정 수준 이상으로 올라가면 고전압 단자 주변의 공기가 절연 파괴를 일으켜 전기를 통하게 된다.[16][21][23] 공기의 유전 강도 (약 30kV/cm)를 초과하는 전기장이 형성되면, 단자의 날카로운 부분에서부터 코로나 방전, 브러시 방전, 스트리머 아크 등의 형태로 공기 중으로 방전이 시작된다. 이 때문에 테슬라 코일의 최대 출력 전압은 공기 절연 파괴 전압에 의해 수백만 볼트 수준으로 제한된다.[2] 더 높은 전압을 얻기 위해서는 절연 오일 속에 코일을 담그는 등의 방법을 사용해야 한다.

2. 4. 진동 주파수

테슬라 코일의 공진 주파수는 낮은 무선 주파수 (RF) 범위, 일반적으로 50 kHz에서 1 MHz 사이에 있다.[15][17] 최대 출력 전압을 생성하기 위해 1차 및 2차 조정 회로는 서로 공진하도록 조정된다.[15][16][19] 1차 및 2차 회로의 공진 주파수 \scriptstyle f_1 및 \scriptstyle f_2는 각 회로의 인덕턴스와 정전 용량에 의해 결정된다:[15][16][19]

:f_1 = {1 \over {2\pi \sqrt {L_1 C_1}}} \qquad \qquad f_2 = {1 \over {2\pi \sqrt {L_2 C_2}}}\,

따라서 1차와 2차 사이의 공진 조건은 두 주파수가 같아지는 것이다:

:f = {1 \over {2\pi \sqrt {L_1 C_1}}} = {1 \over {2\pi \sqrt {L_2 C_2}}}\,

이는 다음 조건을 만족해야 함을 의미한다:

:L_1 C_1 = L_2 C_2\,

일반적으로 2차 회로의 인덕턴스(L2)와 정전 용량(C2)은 조정하기 어렵기 때문에, 1차 회로를 조정하여 공진 주파수를 맞춘다. 주로 1차 코일 L1에 가동 탭을 만들어 인덕턴스를 조절하는 방식으로 2차 회로와 동일한 주파수에서 공진하도록 한다.[14][18]

스파크 갭을 사용하는 방식의 경우, 스파크의 충격적인 특성 때문에 특정 주파수뿐만 아니라 광대역의 무선 잡음을 함께 생성한다. 만약 적절히 차폐되지 않으면, 이는 주변의 라디오 및 텔레비전 수신에 간섭을 일으키는 상당한 무선 주파수 간섭 (RFI)의 원인이 될 수 있다.

테슬라 코일의 2차 코일은 권선 사이에 존재하는 기생 용량과 코일 자체의 인덕턴스가 분포되어 있어 분포 정수적인 특성을 가지며, 이는 일종의 지연 회로를 형성한다. 이 때문에 스파크 갭 방식에서는 2차 코일 위에 여러 개의 정재파가 동시에 존재하게 된다. 이는 2차 코일의 1차 코일 쪽 끝(결합부)에서 고전압 단자(방전극) 쪽으로 진행파가 시간 지연을 가지고 이동하고, 이 파동이 양 끝단 사이에서 반사를 반복하며 공진하기 때문이다. 이러한 공진 모드는 파장의 1/4 길이(1/4λ)에 해당하는 공진 모드를 기본으로 하여 여러 고조파 모드들이 존재하므로, 테슬라 코일의 2차 코일에는 다수의 정재파(기본파, 2차 고조파, 3차 고조파 등)가 혼재된 상태가 된다.

1차 코일과 2차 코일 사이의 결합은 일반적으로 약하게 설정되지만(소결합), 2차 측의 용량 성분과 공진 상태가 되면 자계 결합이 강해지는 효과(밀결합, 자계 조상 결합)가 나타난다. 이러한 자계 조상 결합은 기본 공진 주파수 및 그 고조파 주파수들에서 발생한다. SSTC(Solid State Tesla Coil)와 같은 현대적인 방식에서는 기본 공진 모드(1/4λ 모드)의 주파수로 회로를 구동하여 효율적이고 강력한 방전을 얻는다.

2. 5. 출력 전압



테슬라 코일은 대형 코일의 경우 50kV에서 수백만 볼트까지의 출력 전압을 생성할 수 있다.[13][15][17] 교류 출력은 낮은 무선 주파수 범위, 일반적으로 50kHz에서 1MHz 사이이다.[15][17] 일부 발진기 구동 코일은 연속적인 교류를 생성하지만 대부분의 테슬라 코일은 펄스 출력을 가지며,[13] 고전압은 무선 주파수 교류의 빠른 펄스 형태로 나타난다.

공진 변압기에서 고전압은 공진에 의해 생성되며, 출력 전압은 일반 변압기처럼 권선비에 직접 비례하지 않는다.[21][26] 출력 전압은 에너지 보존 법칙을 이용하여 근사적으로 계산할 수 있다. 스파크가 발생하는 사이클 시작 시점에 1차 회로의 모든 에너지(W_1)는 1차 커패시터 C_1에 저장된다. V_1이 스파크 갭이 파괴되는 전압(일반적으로 공급 변압기 ''T''의 최대 출력 전압에 가까움)이라면, 이 에너지는 다음과 같다.

:W_1 = {1 \over 2}C_1V_1^2\,

"링업(ring-up)" 과정 동안 이 에너지는 2차 회로로 전달된다. 스파크 및 기타 저항에서 열 손실이 발생하지만, 현대 코일에서는 에너지의 85% 이상이 2차 회로로 전달된다.[16] 2차 정현파 전압 파형의 피크(V_2)에서 2차 회로의 모든 에너지(W_2)는 2차 코일 양단 사이의 커패시턴스 C_2에 저장된다.

:W_2 = {1 \over 2}C_2V_2^2\,

에너지 손실이 없다고 가정하면 W_2\;=\;W_1이므로, 이 식들을 정리하면 2차 피크 전압은 다음과 같이 나타낼 수 있다.[15][16][21]

:V_2 = V_1\sqrt{C_1 \over C_2} = V_1\sqrt{L_2 \over L_1}.

위의 두 번째 공식은 공진 조건 L_1 C_1\;=\;L_2 C_2를 이용하여 첫 번째 공식에서 유도되었다.[21] 2차 코일의 커패시턴스(C_2)는 1차 커패시터(C_1)에 비해 매우 작기 때문에, 1차 전압(V_1)은 매우 높은 값(V_2)으로 승압된다.[16]

스트리머 아크를 생성하는 대형 코일, 수백만 볼트의 전위를 보여준다.


그러나 위에서 계산된 피크 전압은 공기 방전이 발생하지 않는 이상적인 코일에서만 달성된다. 스파크를 생성하는 엔터테인먼트용 코일 등에서는 단자의 피크 전압이 공기가 절연 파괴되어 전도성을 띠게 되는 전압으로 제한된다.[16][21][23] 각 전압 펄스 동안 출력 전압이 상승하면, 고전압 단자 주변 공기의 이온화가 시작되어 코로나 방전, 브러시 방전, 스트리머 방전 등이 발생한다. 이는 전기장 세기가 공기의 유전 강도(약 30kV/cm)를 초과할 때 일어난다. 전기장은 날카로운 지점이나 모서리에서 가장 강하므로, 공기 방전은 주로 고전압 단자의 이러한 부분에서 시작된다. 고전압 단자의 전압은 공기 절연 파괴 전압 이상으로 올라갈 수 없는데, 이는 2차 권선에서 단자로 공급되는 추가 전하가 공기 중으로 방출되기 때문이다. 따라서 개방된 테슬라 코일의 출력 전압은 공기 절연 파괴 현상으로 인해 수백만 볼트 수준으로 제한된다.[2] 하지만 절연 오일이 채워진 압력 탱크 안에 코일을 설치하면 더 높은 전압을 얻을 수도 있다.

브러시 방전을 생성하기 위해 토로이드에 부착된 뾰족한 와이어가 있는 반도체 SSTC 테슬라 코일


대부분의 테슬라 코일 설계에서는 고전압 단자에 매끄러운 구형 또는 토로이드 형태의 금속 전극을 사용한다. 이 전극은 지구를 다른 판으로 하는 커패시터의 한쪽 판 역할을 하며, 2차 코일과 함께 공진 회로를 구성한다. 토로이드는 2차 회로의 커패시턴스를 증가시켜 최대 전압을 다소 낮추는 경향이 있지만, 더 중요한 역할은 큰 곡률 반경을 가진 표면이 고전압 단자 주변의 전위 구배(전기장)를 감소시키는 것이다. 이는 코로나 링과 유사한 원리로 작용하여, 코로나 방전이나 브러시 방전 같은 조기 공기 방전이 발생하는 전압 임계값을 높인다.[27] 조기 절연 파괴와 에너지 손실을 억제하면 전압 파형의 피크 값이 더 높아질 수 있어, 최종적으로 공기 방전이 발생할 때 더 길고 인상적인 스트리머를 만들 수 있다.[21]

상단 전극이 충분히 크고 매끄럽다면, 표면의 전기장이 최대 전압에서도 공기 절연 파괴를 일으킬 만큼 강하지 않아 공기 방전이 발생하지 않을 수도 있다. 일부 엔터테인먼트용 코일에는 의도적으로 방전을 유도하기 위해 토로이드에서 돌출된 날카로운 "스파크 포인트"를 부착하기도 한다.[27]

큰 권선비(변성비)를 가진 변압기로 고전압을 얻으려 할 경우, 1차 코일과 2차 코일 사이의 절연 문제와 구조적 한계 때문에 결합 계수가 낮아지기 쉽다. 이로 인해 누설 인덕턴스가 커지고 상호 인덕턴스는 작아져 전력 전달 효율이 저하된다. 하지만 2차 코일 측 회로가 공진 상태에 있을 때, 1차 코일을 2차 회로의 공진 주파수(직렬 공진 주파수)로 구동하면 1차 회로 측의 유도성 임피던스가 급격히 감소한다. 이때 2차 코일의 공진 전류가 만드는 자기장과 1차 코일이 만드는 자기장의 위상이 동기화되는 자계 위상 결합 상태가 된다. 이 현상은 1차 코일의 자속이 2차 코일로 강하게 끌려 들어가는 효과를 만들어, 철심 없이도 높은 결합 효과를 얻게 해준다.[77] 즉, 1차 코일에 가하는 전압의 주파수가 2차 측 공진 주파수와 일치하면, 단순히 코일을 가까이 배치하는 것만으로도 효율적인 전력 전달이 가능해진다. 또한, 단락 인덕턴스 Ls와 2차 측 부유 용량 Cs의 공진에 의한 자계 위상 결합은 전압을 높이는 효과(승압 효과)도 가져온다. 테슬라 코일은 이러한 공진 주파수의 교류 전압을 얻기 위해 회전형 스파크 갭 등을 사용하며,[78] 이를 통해 불꽃 방전의 임펄스 전류를 발생시켜 광범위한 주파수의 교류를 공진 회로에 가해 진동시킨다. 회전형 갭의 회전 속도를 조절하여 1차 코일에 가하는 주파수를 미세 조정할 수도 있다.

테슬라 코일은 공진 요소의 상당 부분이 부유 용량으로 이루어져 있어 공진 주파수가 불안정하고, 설치 환경에 따라 주파수 조정이 필요하다는 단점이 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 SSTC(Solid State Tesla Coil)에서는 2차 코일의 접지(GND) 측에서 발생하는 코일 전류의 위상을 기준으로 1차 코일을 구동하는 방식(전류 공진 구동)을 사용하여 방전 효과를 안정화시킨다.[79][80][81]

2. 6. 상단 부하 또는 "토로이드" 전극



대부분의 테슬라 코일 설계는 고전압 단자에 매끄러운 구형 또는 토로이드 모양의 금속 전극을 가지고 있다. 이 전극은 상단 부하(top load) 또는 용량성 전극(capacitive electrode)이라고 불리며, 지구를 다른 판으로 하는 커패시터의 한쪽 판 역할을 한다. 이 전극은 2차 코일과 함께 공진 회로를 형성한다.

토로이드의 주된 기능은 넓고 매끄러운 표면을 통해 고전압 단자 주변의 전기장 세기(전위 구배)를 줄이는 것이다. 이는 코로나 링과 비슷한 원리로 작동하여, 공기 중 절연 파괴가 일어나 코로나 방전이나 브러시 방전이 발생하는 전압 임계값을 높인다.[27] 조기에 에너지가 손실되는 것을 막아 전압이 더 높이 상승하게 하고, 결국 방전이 일어날 때 더 길고 인상적인 스트리머를 만들 수 있게 한다.[21] 토로이드 형태는 2차 코일의 커패시턴스를 증가시켜 최대 전압을 다소 낮추는 효과도 있다.

상단 전극이 충분히 크고 매끄럽다면, 최대 전압에서도 표면의 전기장이 공기 절연 파괴를 일으킬 만큼 강하지 않아 공기 방전이 전혀 발생하지 않을 수도 있다. 일부 오락용 테슬라 코일에서는 의도적으로 방전을 유도하기 위해 토로이드에 뾰족한 금속 조각("스파크 포인트")을 부착하기도 한다.[27]

3. 테슬라 코일의 종류

"테슬라 코일"이라는 용어는 여러 종류의 고전압 공진 변압기 회로에 적용된다. 테슬라 코일 회로는 공진 변압기의 1차 코일에 전류를 공급하는 방식, 즉 '여기(excitation)' 방식에 따라 분류할 수 있다.[2][28][29]


  • 스파크 여기 또는 스파크 갭 테슬라 코일(SGTC): 이 유형은 스파크 갭을 사용하여 1차 회로를 닫아 공진 변압기의 진동을 일으킨다. 스파크 갭 방식은 높은 1차 전류를 처리해야 하는 단점이 있다. 작동 시 매우 큰 소음과 유해한 오존 가스를 발생시키며, 높은 온도로 인해 냉각 시스템이 필요할 수 있다. 또한 스파크에서 에너지가 소모되어 Q 팩터와 출력 전압이 낮아지는 문제도 있다. 니콜라 테슬라가 처음 만든 코일은 모두 이 방식으로 작동했다.
  • 정적 스파크 갭: 가장 일반적인 유형으로, 주로 오락용 코일에 사용된다. 고전압 공급 변압기에서 나오는 교류(AC) 전압으로 커패시터를 충전하고, 이 전하를 스파크 갭을 통해 방전시킨다. 스파크 발생 빈도는 전원 주파수(50 또는 60 Hz)에 따라 결정되어 조절할 수 없다. 교류의 각 반주기마다 여러 번 스파크가 발생할 수 있어, 출력 전압 펄스가 일정한 간격으로 나타나지 않을 수 있다.
  • 정적 트리거 스파크 갭: 상업 및 산업 회로에서 주로 사용된다. 직류(DC) 전원으로 커패시터를 충전하고, 별도의 오실레이터에서 생성된 고전압 펄스를 트리거 전극에 가해 스파크를 발생시킨다.[13][29] 이 방식은 스파크 발생 빈도와 여기 전압을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 상업용 스파크 갭은 종종 육불화 황과 같은 절연 가스 안에 넣어 스파크 길이를 줄이고 에너지 손실을 최소화한다.
  • 로터리 스파크 갭: 모터로 빠르게 회전하는 바퀴 주변에 전극을 배치하고, 이 전극이 고정된 전극을 지나갈 때 스파크가 발생하도록 만든 방식이다.[29] 테슬라는 자신의 대형 코일에 이 방식을 사용했으며, 오늘날에도 큰 규모의 오락용 코일에 사용된다. 전극이 빠르게 분리되면서 스파크가 신속하게 꺼지므로 더 높은 전압을 얻을 수 있다. 회전 바퀴는 보통 동기 모터로 구동되어 스파크가 교류 전원 주파수와 동기화된다. 이로 인해 매 사이클마다 교류 파형의 동일한 지점에서 스파크가 발생하여 1차 펄스가 규칙적으로 반복될 수 있다.

  • 스위치 또는 솔리드 스테이트 테슬라 코일(SSTC): 이 방식은 전력 반도체 소자(주로 사이리스터나 트랜지스터, 예: MOSFET, IGBT)를 사용하여 직류(DC) 전원 공급 장치에서 1차 코일로 전압 펄스를 스위칭한다. 이 소자들은 별도의 오실레이터 회로에 의해 제어된다.[13][29] SSTC는 스파크 갭 방식의 단점인 큰 소음, 고온 발생, 낮은 효율 문제 없이 펄스 형태의 여기를 제공한다. 전압, 주파수, 여기 파형 등을 정밀하게 제어할 수 있어 대부분의 상업, 산업, 연구 분야[13] 및 고품질 오락용 코일에 사용된다.
  • 단일 공진 솔리드 스테이트 테슬라 코일(SRSSTC): 이 회로의 1차 측에는 공진 커패시터가 없어 이중 공진 회로가 아니며, 2차 코일만 공진한다. 스위칭 트랜지스터가 1차 코일에 전류를 흘려보내 2차 공진 회로를 여기시킨다. 단일 공진 SSTC는 구조가 더 간단하지만, 일반적으로 Q 팩터가 낮아 동일 조건의 이중 공진 회로보다 저장하는 에너지가 적고 생성하는 전압도 낮다.
  • 이중 공진 솔리드 스테이트 테슬라 코일(DRSSTC): 이 회로는 스파크 여기 방식의 이중 공진 회로와 유사하다. 하지만 교류 공급 변압기 대신 직류 전원 공급 장치가 커패시터를 충전하고, 스파크 갭 대신 반도체 스위치가 커패시터와 1차 코일 사이의 회로를 연결한다.
  • 노래하는 테슬라 코일 또는 음악 테슬라 코일: 이것은 별도의 여기 방식이라기보다는, SSTC의 1차 회로를 변형하여 고전압 방전으로 간단한 음을 연주할 수 있도록 만든 것이다. 1차 코일에 가해지는 구동 전압 펄스를 오디오 주파수로 변조하면(솔리드 스테이트 "인터럽터" 회로 사용), 고전압 단자에서 나오는 아크 방전이 소리를 낸다. 현재까지는 단음이나 간단한 화음만 생성 가능하며, 복잡한 음악이나 사람 목소리를 스피커처럼 재현하지는 못한다. 소리 출력은 MIDI 인터페이스를 통해 키보드나 MIDI 파일로 제어된다. 진폭 변조(AM)와 펄스 주파수 변조(PFM) 두 가지 변조 기술이 사용된다. 주로 오락용으로 제작된다.

  • 연속파: 이 방식에서는 피드백 오실레이터가 변압기를 구동하여 RF 전류의 각 사이클마다 1차 코일에 전류 펄스를 가해 연속적인 진동을 발생시킨다.[29] 1차 공진 회로는 오실레이터의 탱크 회로 역할을 하며, 전체 회로는 무선 송신기와 유사하게 작동한다. 펄스 출력을 내는 이전 방식들과 달리, 연속적인 사인파 형태의 출력을 생성한다. 능동 소자로는 트랜지스터보다 과부하에 강한 진공관이 종종 사용된다. 일반적으로 연속파 방식은 동일한 입력 전력에서 펄스 방식보다 낮은 출력 전압을 생성한다.[29]


테슬라 코일은 사용된 전자기 코일(인덕터)의 개수에 따라서도 분류할 수 있다:[30][31]

  • '''2 코일''' 또는 '''이중 공진''' 회로: 현재 사용되는 거의 모든 테슬라 코일은 이 방식이다. 1891년 테슬라가 발명했으며, 전류 펄스가 인가되는 1차 권선과 고전압을 생성하는 2차 권선으로 구성된 2 코일 공진 변압기를 사용한다. 일반적으로 "테슬라 코일"이라고 하면 이 회로를 지칭한다.
  • '''3 코일''', '''삼중 공진''', 또는 '''확대기''' 회로: 이 회로는 테슬라가 1898년 이전에 실험을 시작하여 1899-1900년 콜로라도 스프링스 연구소에 설치하고 1902년에 특허를 받은 "확대 송신기" 회로에 기반한다.[32][33][34] 테슬라 변압기와 유사한 2 코일 공심 승압 변압기와, 이 변압기의 2차 코일에 연결된 세 번째 코일("추가" 또는 "공진기" 코일)로 구성된다. 세 번째 코일은 다른 코일과 자기적으로 결합되지 않고 직렬로 연결되어 자체 정전 용량과 공진한다. 출력은 이 세 번째 코일의 자유 단자에서 얻는다. 에너지를 저장하는 탱크 회로가 세 개 존재하여 더 복잡한 공진 특성을 보인다.[35] 주로 연구 대상으로 다뤄지며 실제 적용 사례는 거의 없다.

4. 역사



전기 진동 및 공진 공심 변압기 회로는 테슬라 이전에 이미 연구되었다.[43][42] 레이든 병을 사용하는 공진 회로는 1826년 펠릭스 사바리에 의해 발명되었고, 이후 조지프 헨리, 윌리엄 톰슨, 올리버 로지 등이 연구를 이어갔다.[44] 헨리 롤랜드는 1889년에 공진 변압기를 제작했는데,[3] 이는 테슬라 코일의 전신으로 여겨진다. 또한 일라이휴 톰슨은 테슬라가 회로를 발명할 시기에 독립적으로 유사한 회로를 발명하기도 했다.[45][46][47][36]

테슬라는 1891년 4월 25일에 자신의 테슬라 코일 회로에 대한 특허(미국 특허 454,622)를 출원했다.[48][8] 그리고 같은 해 5월 20일, 컬럼비아 대학교에서 열린 미국 전기 기술자 협회 강연("''매우 높은 주파수의 교류와 인공 조명 방식에의 적용에 대한 실험''")에서 이를 처음으로 공개 시연했다.[49][50][40] 테슬라는 이 시기에 여러 유사한 회로에 대한 특허를 받았지만, 이 특허는 고전압 1차 변압기, 축전기, 스파크 갭, 그리고 공심 "진동 변압기" 등 테슬라 코일의 모든 핵심 요소를 포함하는 최초의 것이었다.

테슬라 코일 및 관련 기술에 대한 주요 미국 특허는 다음과 같다.

특허명특허 번호날짜
전기 변압기 또는 유도 장치미국 특허 433,7021890년 8월 5일[89]
전류 생성 수단미국 특허 514,1681894년 2월 6일
전기 변압기미국 특허 593,1381897년 11월 2일
방사 에너지 활용 방법미국 특허 685,9581901년 11월 5일
신호 방식미국 특허 723,1881903년 3월 17일
신호 시스템미국 특허 725,6051903년 4월 14일
전기 에너지 전송 장치미국 특허 1,119,7321914년 12월 1일 (1902년 1월 18일 출원)


5. 현대의 테슬라 코일

전기 방전이 번개와 같은 플라스마 필라멘트를 보여주는 테슬라 코일


테슬라 코일(방전)


테라리움 내 테슬라 코일 (I)


현대의 고전압 애호가들은 보통 테슬라의 후기 설계인 2개의 코일을 사용하는 공심(air-core) 방식과 유사한 테슬라 코일을 제작한다. 이 방식은 크게 두 부분으로 나뉜다.

  • 1차 회로: 고전압 커패시터, 스파크 갭, 그리고 1차 코일로 구성된 직렬 LC(인덕턴스-커패시턴스) 탱크 회로이다.
  • 2차 회로: 2차 코일과 단자 커패시턴스(또는 "탑 로드")로 구성된 직렬 공진 회로이다.


1차 LC 회로는 2차 LC 회로와 동일한 주파수에서 공진하도록 조정된다. 1차 코일과 2차 코일은 자기적으로 결합되어, 마치 공심 변압기처럼 작동하며 이를 '이중 튜닝 공진 공심 변압기'라고 부른다. 2차 코일의 위쪽 끝은 '탑 로드'라는 단자에 연결되는데, 이는 커패시터의 한쪽 극판 역할을 하며 다른 쪽 극판은 접지(지구)가 된다.

초기의 테슬라 코일은 절연유를 사용하여 공기 중 방전을 막았기 때문에 고전압 단자에 크고 긴 절연체가 필요했다. 하지만 이후의 테슬라 코일은 전기장을 넓게 분산시켜 높은 전기적 스트레스를 줄임으로써, 별도의 절연유 없이 공기 중에서 작동할 수 있게 되었다. 오늘날 대부분의 테슬라 코일은 도넛 모양의 토로이드형 출력 단자를 사용한다. 이는 주로 회전 성형된 금속이나 유연한 알루미늄 덕트로 만들어진다. 토로이드 형태는 2차 코일 상단 주변의 높은 전기장을 제어하여, 스파크가 1차 및 2차 권선에서 멀리 떨어진 바깥쪽으로 향하도록 유도하는 데 도움을 준다.

테슬라가 "매그니파이어"(Magnifiereng)라고 불렀던 더 복잡한 형태의 테슬라 코일도 있다. 이는 3개의 코일을 사용한다.

1. 드라이버(Drivereng) 또는 마스터 발진기(Master Oscillatoreng): 더 조밀하게 결합된 공심 공진 변압기이다.

2. 추가 코일(Extra Coileng) 또는 공진기(Resonatoreng): 상대적으로 작은 코일 틀에 많은 수의 권선을 감은, 드라이버와 떨어져 있는 출력 코일이다.

3. 전송선(Transmission Lineeng): 드라이버의 2차 권선 출력단과 추가 코일의 하단을 연결하는 절연된 도체이다. 코로나 방전 손실을 줄이기 위해 보통 직경 약 2.54cm 정도의 금속 튜브로 만든다.

매그니파이어에서 세 번째 코일(추가 코일)은 드라이버와 자기적으로 직접 결합되지 않는다. 대신 RF(고주파) 에너지가 드라이버 출력에서 전송선을 통해 추가 코일의 하단으로 직접 전달되어 매우 높은 전압을 발생시킨다. 이 3 코일 시스템은 2 코일 시스템보다 자유도가 하나 더 많아 튜닝이 훨씬 복잡하다. 테슬라 매그니파이어를 포함한 다중 공진 네트워크의 과도 응답에 대한 연구가 최근에 이루어졌다.[51] 현재는 다양한 튜닝 "모드"가 알려져 있으며, 대부분의 작동 모드에서 추가 코일은 마스터 발진기와 다른 주파수로 공진하게 된다.[52]

5. 1. 1차 스위칭

테슬라 코일 회로는 공진 변압기의 1차 코일에 전류를 가하는 방식, 즉 여기(excitation) 방식에 따라 분류할 수 있다.[2][28][29]

  • 스파크 여기 또는 스파크 갭 테슬라 코일(SGTC): 이 방식은 스파크 갭을 사용하여 1차 회로를 닫아 공진 변압기의 진동을 일으킨다. 스파크 갭 방식은 높은 1차 전류를 처리해야 하므로 몇 가지 단점이 있다. 작동 시 매우 큰 소음, 유해한 오존 가스, 높은 열이 발생하여 냉각 시스템이 필요할 수 있다. 또한 스파크에서 에너지가 소모되어 Q 팩터와 출력 전압이 감소한다. 니콜라 테슬라가 만든 코일은 모두 스파크 여기 방식이었다.
  • 정적 스파크 갭: 가장 일반적인 유형으로, 고전압 공급 변압기에서 나오는 AC 전압이 커패시터를 충전하고, 이 전하가 스파크 갭을 통해 방전된다. 스파크 발생 속도는 조절할 수 없으며 전원 주파수(50 또는 60 Hz)에 따라 결정된다. 각 반주기마다 여러 번 스파크가 발생할 수 있어 출력 전압 펄스가 일정 간격으로 나타나지 않을 수 있다. 대부분의 오락용 코일에 사용된다.
  • 정적 트리거 스파크 갭: 상업 및 산업용 회로에서 주로 사용된다. DC 전압으로 커패시터를 충전하고, 별도의 발진기에서 생성된 고전압 펄스를 트리거 전극에 가해 스파크를 제어한다.[13][29] 이를 통해 스파크 속도와 여기 전압을 조절할 수 있다. 상업용 스파크 갭은 종종 육불화 황 같은 절연 가스 안에 넣어 스파크 길이를 줄이고 에너지 손실을 감소시킨다.
  • 로터리 스파크 갭: 모터로 빠르게 회전하는 바퀴 둘레에 전극을 배치하고, 이 전극이 고정된 전극을 지나갈 때 스파크가 발생하도록 만든 방식이다.[29] 테슬라가 자신의 대형 코일에 사용했으며, 오늘날에도 대형 오락용 코일에 쓰인다. 전극이 빠르게 분리되면서 스파크를 신속하게 소멸시켜 더 높은 전압을 얻을 수 있다. 회전 휠은 주로 동기전동기에 의해 구동되어 스파크가 AC 전원 주파수와 동기화되므로, 매 사이클의 동일한 지점에서 스파크가 발생하여 1차 펄스가 규칙적으로 반복될 수 있다.

  • 스위치 또는 솔리드 스테이트 테슬라 코일(SSTC): 이 방식은 솔리드 스테이트 오실레이터 회로에 의해 트리거되는 전력 반도체 소자(주로 사이리스터나 트랜지스터, 예: MOSFET, IGBT)를 사용하여 DC 전원 공급 장치에서 1차 코일로 흐르는 전압 펄스를 제어한다.[13][29] SSTC는 스파크 갭의 단점인 큰 소음, 고온, 낮은 효율 없이 펄스 형태의 여기를 제공한다. 전압, 주파수, 여기 파형을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. SSTC는 대부분의 상업, 산업, 연구 분야[13] 및 고품질 오락용 코일에 사용된다.
  • 단일 공진 솔리드 스테이트 테슬라 코일(SRSSTC): 이 회로의 1차 측에는 공진 커패시터가 없어 이중 튜닝 회로가 아니며, 2차 코일만 공진 회로를 구성한다. 스위칭 트랜지스터에서 1차 코일로 흐르는 전류가 2차 공진 회로를 여기시킨다. 구조는 더 간단하지만, 단일 공진 회로는 일반적으로 Q 팩터가 낮아 동일 조건의 이중 공진 회로보다 에너지를 적게 저장하고 낮은 전압을 생성한다.
  • 이중 공진 솔리드 스테이트 테슬라 코일(DRSSTC): 이 회로는 스파크 여기 방식의 이중 튜닝 회로와 유사하지만, AC 공급 변압기 대신 DC 전원 공급 장치가 커패시터를 충전하고, 스파크 갭 대신 반도체 스위치가 커패시터와 1차 코일 사이의 회로를 연결한다.
  • 노래하는 테슬라 코일 또는 음악 테슬라 코일: 이는 별도의 여기 방식이라기보다는 SSTC의 변형으로, 고전압 방전을 이용해 간단한 음을 연주하는 악기처럼 작동하도록 만든 것이다. 1차 코일에 가해지는 구동 전압 펄스를 오디오 주파수로 변조하면, 고전압 단자에서 나오는 아크 방전이 소리를 낸다. 현재까지는 단음이나 간단한 화음만 생성 가능하며, 복잡한 음악이나 음성을 재생하는 스피커 역할은 하지 못한다. 소리 출력은 키보드나 MIDI 파일을 통해 MIDI 인터페이스로 제어된다. 진폭 변조(AM)와 펄스 주파수 변조(PFM) 두 가지 방식이 사용되며, 주로 오락용으로 제작된다.

  • 연속파(Continuous Wave, CW): 이 방식에서는 변압기가 피드백 오실레이터에 의해 구동되어 RF 전류의 각 사이클마다 1차 코일에 전류 펄스를 공급함으로써 연속적인 진동을 만들어낸다.[29] 1차 튜닝 회로는 오실레이터의 탱크 회로 역할을 하며, 전체 구조는 무선 송신기와 유사하다. 펄스 출력을 내는 이전 방식들과 달리, 연속적인 사인파 형태의 출력을 생성한다. 전력 진공관은 트랜지스터보다 견고하고 과부하에 강해 능동 소자로 자주 사용된다. 일반적으로 연속파 방식은 동일한 입력 전력에서 펄스 방식보다 낮은 출력 전압을 생성한다.[29]


현대적인 트랜지스터나 진공관 테슬라 코일은 1차 스파크 갭을 사용하지 않는다. 대신 트랜지스터나 진공관이 1차 회로에 RF 전력을 생성하는 데 필요한 스위칭 또는 증폭 기능을 수행한다. 반도체 테슬라 코일은 가장 낮은 1차 작동 전압(보통 155~800볼트 사이)을 사용하며, 단일, 하프 브리지, 또는 풀 브리지 배열의 BJT, MOSFET, IGBT 등을 사용하여 1차 전류를 스위칭한다. 진공관 코일은 보통 1500~6000볼트 사이의 플레이트 전압으로 작동하며, 대부분의 스파크 갭 코일은 6,000~25,000볼트의 1차 전압으로 작동한다. 일반적인 트랜지스터 테슬라 코일의 1차 권선은 2차 코일의 아랫부분만 감싸는 형태이다. 이 구조에서 2차 코일은 펌프 공진기처럼 작동한다. 1차 코일은 2차 코일의 가장 아랫부분에 주기적으로 교류 전압을 '유도'하여 에너지를 전달한다(마치 그네를 적절한 타이밍에 밀어주는 것과 같다). 각 "푸시"마다 1차에서 2차 인덕턴스와 상단 부하 커패시턴스로 에너지가 전달되어 2차 출력 전압이 점차 증가하는데, 이를 '링업(ring-up)'이라고 한다. 전자 피드백 회로는 1차 발진기를 2차 코일의 변화하는 공진 주파수에 맞게 자동으로 동기화하는 데 사용되며, 이것이 상단 부하의 초기 선택 외에 유일한 튜닝 요소이다.

이중 공진 반도체 테슬라 코일(DRSSTC)은 반도체 테슬라 코일의 전자 스위칭 방식과 스파크 갭 테슬라 코일의 공진 1차 회로를 결합한 형태이다. 공진 1차 회로는 1차 권선과 직렬로 커패시터를 연결하여 만들어지며, 이 조합은 2차 회로와 유사한 공진 주파수를 갖는 직렬 탱크 회로를 형성한다. 추가적인 공진 회로 때문에 수동 튜닝 조정과 적응형 튜닝 조정이 모두 필요하다. 또한, 인터럽터를 사용하여 스위칭 브리지의 듀티 사이클을 줄여 피크 전력 처리 능력을 높이는 경우가 많다. IGBT는 우수한 전력 처리 능력 덕분에 이 응용 분야에서 BJT나 MOSFET보다 선호된다. 일반적으로 전류 제한 회로를 사용하여 1차 탱크 회로의 최대 전류를 IGBT가 안전하게 스위칭할 수 있는 수준으로 제한한다. DRSSTC의 성능은 중간급 전력의 스파크 갭 테슬라 코일과 비슷할 수 있으며, 효율(입력 전력 대비 스파크 길이로 측정)은 동일한 입력 전력으로 작동하는 스파크 갭 테슬라 코일보다 훨씬 높을 수 있다.

6. 설계의 실제적인 측면

현대 고전압 애호가들은 주로 테슬라의 후기 설계인 2 코일 공심(air-core) 방식을 따라 테슬라 코일을 제작한다. 이 설계는 기본적으로 두 개의 LC 회로로 구성된다. 첫 번째는 1차 탱크 회로로, 고전압 커패시터, 스파크 갭, 그리고 1차 코일이 직렬로 연결되어 있다. 두 번째는 2차 LC 회로로, 2차 코일과 단자 커패시턴스 역할을 하는 "탑 로드(Top load)"로 이루어진 직렬 공진 회로이다. 여기서 탑 로드는 커패시터의 한쪽 극판 역할을 하며, 다른 쪽 극판은 지구(접지)가 된다.

핵심 원리는 1차 LC 회로와 2차 LC 회로를 동일한 주파수에서 공진시키는 것이다. 1차 코일과 2차 코일은 자기적으로 결합되어 이중 튜닝 공진 공심 변압기처럼 작동한다. 초기 오일 절연 테슬라 코일은 공기 중 방전을 막기 위해 큰 절연체가 필요했지만, 후기 설계에서는 전기장을 넓게 분산시켜 공기 중에서도 작동할 수 있게 되었다. 대부분의 현대 테슬라 코일은 토로이드 형태의 출력 단자를 사용하는데, 이는 스파크가 코일 권선에서 멀리 바깥쪽으로 향하도록 유도하고 2차 코일 상단 부근의 높은 전기장을 제어하는 데 유리하다.

테슬라가 "매그니파이어(Magnifier)"라고 불렀던 더 복잡한 3 코일 설계도 존재한다. 이는 상대적으로 작은 코일에 많은 회전수를 감은 출력 코일("추가 코일" 또는 공진기)과, 이를 구동하는 공심 공진 "드라이버" 변압기("마스터 발진기")로 구성된다. 드라이버의 2차 권선 하단은 접지되고, 반대쪽 끝은 절연된 도체(때로는 "전송선"이라 불림)를 통해 추가 코일의 하단에 연결된다. 이 전송선은 높은 고주파(RF) 전압으로 작동하므로, 코로나 방전 손실을 줄이기 위해 보통 직경 약 2.54cm 정도의 금속 튜브로 만들어진다. 세 번째 코일은 드라이버와 떨어져 있어 자기적으로 직접 결합되지는 않지만, RF 에너지가 드라이버에서 추가 코일로 직접 전달되어 매우 높은 전압을 발생시킨다. 이 3 코일 시스템은 2 코일 시스템보다 튜닝이 훨씬 복잡하며, 다양한 튜닝 "모드"가 존재한다.[51] 대부분의 작동 모드에서 추가 코일은 마스터 발진기와 다른 주파수로 공진하게 된다.[52]

6. 1. 고전압 생성



테슬라 코일과 같은 공진 변압기에서 고전압은 공진 현상에 의해 생성되며, 출력 전압은 일반적인 변압기처럼 단순히 권선비에 비례하지 않는다.[21][26] 출력 전압은 에너지 보존 법칙을 통해 대략적으로 계산할 수 있다. 스파크 갭에서 방전이 시작될 때, 1차 회로의 모든 에너지(W_1)는 1차 커패시터(C_1)에 저장된다. 스파크 갭이 터지는 전압을 V_1(이는 보통 공급 변압기 ''T''의 최대 출력 전압에 가깝다)이라고 하면, 저장된 에너지는 다음과 같다.

:W_1 = {1 \over 2}C_1V_1^2\,

이 에너지는 "링업(ring-up)" 과정을 통해 2차 회로로 전달된다. 스파크나 다른 저항 요소에서 일부 에너지가 열로 손실되지만, 현대적인 코일에서는 에너지의 85% 이상이 2차 회로로 전달된다.[16] 2차 회로의 전압 파형이 최고점(V_2)에 도달했을 때, 2차 회로의 모든 에너지(W_2)는 2차 코일 양단의 커패시턴스(C_2)에 저장된다.

:W_2 = {1 \over 2}C_2V_2^2\,

에너지 손실이 없다고 가정하면 W_2\;=\;W_1이므로, 두 식을 정리하면 2차 회로의 최고 전압은 다음과 같이 계산된다.[15][16][21]

:V_2 = V_1\sqrt{C_1 \over C_2} = V_1\sqrt{L_2 \over L_1}.

위 식에서 두 번째 등식은 공진 조건(L_1 C_1\;=\;L_2 C_2)으로부터 유도된다.[21] 일반적으로 2차 코일의 커패시턴스(C_2)는 1차 커패시터(C_1)에 비해 매우 작기 때문에, 1차 전압(V_1)은 매우 높은 2차 전압(V_2)으로 증폭된다.[16]

하지만 위에서 계산된 최고 전압은 공기 중에서 방전이 일어나지 않는 이상적인 경우에만 도달할 수 있다. 실제 스파크를 발생시키는 테슬라 코일의 경우, 단자의 최고 전압은 주변 공기가 절연 파괴되어 전기가 통하게 되는 전압으로 제한된다.[16][21][23] 전압이 상승함에 따라 고전압 단자 주변의 공기는 이온화되고, 전기장 세기가 공기의 유전 강도(약 30kV/cm)를 넘어서면 코로나 방전, 브러시 방전, 스트리머 방전 등이 발생하기 시작한다. 전기장은 뾰족한 부분이나 모서리에서 가장 강하기 때문에, 방전은 주로 고전압 단자의 이런 지점에서 시작된다. 일단 공기 절연이 파괴되면 전압은 더 이상 상승할 수 없는데, 추가적인 전하가 공기 중으로 방출되기 때문이다. 이 때문에 공기 중에서 작동하는 테슬라 코일의 출력 전압은 수백만 볼트 수준으로 제한되지만,[2] 절연 오일이 채워진 압력 탱크 안에 코일을 설치하면 더 높은 전압을 얻을 수 있다.

보다 현대적인 설계를 갖춘 대형 테슬라 코일은 종종 매우 높은 피크 전력 수준, 최대 수 메가와트(수백만 와트, 수천 마력에 해당)에서 작동한다. 따라서 효율성과 경제성뿐만 아니라 안전을 위해서도 주의해서 조정하고 작동해야 한다. 부적절한 튜닝으로 인해 최대 전압 지점이 단자 아래, 2차 코일을 따라 발생하면 방전(스파크)이 발생하여 코일 와이어, 지지대 또는 근처의 물체를 손상시키거나 파괴할 수 있다.

테슬라는 이 회로와 많은 다른 회로 구성(오른쪽 그림 참조)을 실험했다. 테슬라 코일 1차 권선, 스파크 갭 및 탱크 커패시터는 직렬로 연결된다. 각 회로에서 AC 공급 변압기는 전압이 스파크 갭을 파괴할 수 있을 만큼 충분해질 때까지 탱크 커패시터를 충전한다. 갭이 갑자기 점화되면서 충전된 탱크 커패시터가 1차 권선으로 방전된다. 갭이 점화되면 두 회로의 전기적 거동은 동일하다. 실험에 따르면 두 회로 모두 다른 회로에 비해 뚜렷한 성능상의 이점을 제공하지 않는다.

그러나 일반적인 회로에서 스파크 갭의 단락 동작은 고주파 진동이 공급 변압기로 '백업'되는 것을 방지한다. 대체 회로에서는 커패시터에 걸리는 고진폭 고주파 진동이 공급 변압기의 권선에도 가해진다. 이것은 턴 사이에 코로나 방전을 유발하여 변압기의 절연을 약화시키고 결국 파괴할 수 있다. 숙련된 테슬라 코일 제작자는 거의 예외 없이 상단 회로(일반적인 회로)를 사용하며, 종종 공급 변압기를 보호하기 위해 공급 변압기와 스파크 갭 사이에 저역 통과 필터(저항기 및 커패시터(RC) 네트워크)를 추가한다. 이것은 네온사인 변압기(NST)와 같이 깨지기 쉬운 고전압 권선을 사용하는 경우 특히 중요하다. 어떤 구성을 사용하든 HV 변압기는 내부 단락 인덕턴스를 통해 2차 전류를 자체적으로 제한하는 유형이어야 한다. 일반(낮은 단락 인덕턴스) 고전압 변압기는 전류를 제한하기 위해 외부 리미터(때로는 밸러스트라고 함)를 사용해야 한다. NST는 단락 전류를 안전한 수준으로 제한하기 위해 높은 단락 인덕턴스를 갖도록 설계되었다.

큰 권선비(변성비)의 트랜스를 사용하여 고전압을 얻으려고 할 경우, 1차-2차 코일 간의 절연 문제와 코일의 구조상, 결합 계수는 낮아질 수밖에 없다. 따라서, 일반적으로 1차 코일과 2차 코일에 쇄교하는 상호 자속(주 자속)을 형성하는 것이 어려워, 누설 인덕턴스가 커짐과 동시에 상호 인덕턴스가 너무 작아져서 전력 전달이 나빠진다. 한편, 트랜스의 2차 코일에 전류가 흐르면 그것에 의해 자계가 발생하지만, 2차 측의 계가 공진 상태에 있을 때는, 2차 코일에는 반공진(병렬 공진 1)과 공진(직렬 공진 1')이 대를 이루어 나타난다. 이 중 공진 주파수(직렬 공진 주파수 1')에서 1차 코일을 구동하면 1차 측 회로 측의 유도성 임피던스가 격감하고, 2차 코일의 공진 전류가 발생하는 자계와 1차 코일이 발생하는 자속의 자계의 위상이 동기하여 자계 위상 결합 상태가 된다. 이것은 1차 코일에서 발생하는 자속이 2차 코일로 끌려 들어가 1차-2차 사이에 매우 강한 결합이 생기는 현상이며, 이 상태가 되면 상호 자속(주 자속)이 대폭 증가하여, 철심 등으로 자속을 가두는 궁리를 하지 않아도 높은 결합 효과를 얻을 수 있다[77]。 즉, 1차 코일에 가하는 전압의 주파수가 2차 측 계의 공진 주파수이면, 본래 트랜스는 단순히 1차, 2차 코일을 적당히 가깝게 설치한 정도의 상태에서도 효율적으로 전력을 전달할 수 있다. 또한, 단락 인덕턴스 Ls와 2차 측 부유 용량 Cs와의 공진으로 일어나는 자계 위상 결합에 의해 승압 효과도 기대할 수 있다. 테슬라 코일에서는 1차 측에 가하는 이 공진 주파수의 교류 전압을 얻기 위해 회전형 갭을 사용한다[78]。 이 회전형 갭에 의해 불꽃 방전의 임펄스 전류를 발생시켜, 광대역의 교류를 공진 회로에 가하여 진동시키고 있다. 또한, 회전형 갭의 회전수를 조정함으로써 1차 코일에 가하는 주파수의 조정을 실현하고 있다.

더욱이, 테슬라 코일에서는 공진 요소의 상당 부분이 부유 용량이므로 공진 주파수가 불안정하며, 설치 상황 등에 따라 주파수를 조정할 필요가 있다. 이 단점을 극복하기 위해, SSTC에서는 2차 코일의 GND 측에 발생하는 코일 전류의 위상을 바탕으로 1차 코일을 구동하는 방법(전류 공진 구동)을 사용하여 방전 효과를 안정화시키고 있다[79][80][81]。

6. 2. 튜닝

테슬라 코일의 튜닝은 1차 탱크 회로(LC 회로)와 2차 LC 회로가 동일한 주파수에서 공진하도록 조정하는 과정이다. 1차 회로와 2차 코일은 자기적으로 결합되어 이중 튜닝 공진 공심 변압기를 형성한다.

튜닝 과정은 일반적으로 저전력 발진을 사용하여 1차 코일의 공진 주파수를 2차 코일의 공진 주파수에 맞추는 것으로 시작한다. 이후 전력을 점진적으로 높여가며 시스템이 최대 전력에서도 제대로 작동하도록 필요에 따라 재조정한다. 튜닝 중에는 상단 단자(탑 로드)에 작은 돌출부인 "브레이크아웃 범프"를 추가하여 코로나 방전이나 스파크 방전(종종 스트리머라고 불림)을 유도하기도 한다. 튜닝은 주어진 전력 수준에서 가장 긴 스트리머를 얻도록 조정함으로써 1차 코일과 2차 코일 간의 최적 주파수 일치를 찾는다. 스트리머가 발생하면 추가적인 용량성 부하(로딩)가 발생하여 테슬라 코일의 공진 주파수를 낮추는 경향이 있으므로, 실제 작동 조건을 고려하여 튜닝해야 한다.

상단 단자로는 구형보다는 토로이드 형태가 선호되는 경우가 많다. 토로이드 모양은 2차 코일 상단 주변의 높은 전기장을 제어하여 스파크가 1차 및 2차 권선에서 멀리 바깥쪽으로 향하도록 유도한다. 이는 비슷한 지름의 구형 단자보다 2차 코일 권선을 손상시키는 스트리머로부터 더 효과적으로 보호한다. 또한 토로이드는 상단 단자의 정전 용량과 스파크 브레이크아웃 전압을 비교적 독립적으로 제어할 수 있게 해준다. 토로이드의 정전 용량은 주로 주 직경(major diameter)에 의해 결정되고, 스파크 브레이크아웃 전압은 주로 부 직경(minor diameter)에 의해 결정된다.

초기 튜닝이나 설계를 용이하게 하기 위해 그리드 딥 오실레이터(GDO)가 사용되기도 한다. 2차 코일의 정확한 공진 주파수는 GDO나 다른 실험적 방법 없이는 결정하기 어려울 수 있다. 따라서 실제 제작에서는 다른 성공적인 설계를 모방하여 2차 코일을 만들거나, 사용 가능한 부품으로 먼저 2차 코일을 제작한 뒤 그 공진 주파수를 측정하여 이에 맞게 1차 코일을 설계하는 방식이 사용되기도 한다.

테슬라가 "매그니파이어"라고 부른 더 복잡한 3 코일 시스템은 2 코일 시스템보다 튜닝이 훨씬 복잡하다. 이 시스템은 구동 변압기(마스터 발진기)와 별도의 공진 코일(추가 코일)로 구성되며, 각 부분의 공진 주파수를 조절해야 한다. 다중 공진 네트워크의 과도 응답 분석을 통해 다양한 튜닝 "모드"가 가능하며, 대부분의 작동 모드에서 추가 코일은 마스터 발진기와 다른 주파수로 공진하게 된다.[51][52]

6. 3. 공중 방전



작동 중인 소형 테슬라 코일: 출력은 스파크를 생성한다. 2차 코일의 직경은 이다. 전원은 10,000 V, 60 Hz 전류 제한 공급 장치이다.


대부분의 테슬라 코일 설계는 고전압 단자에 매끄러운 구형 또는 토로이드 모양의 금속 전극을 사용한다. 이 전극은 지구를 다른 판으로 삼는 커패시터의 한쪽 판 역할을 하며, 2차 코일과 함께 공진 회로를 이룬다. 토로이드는 2차 커패시턴스를 증가시켜 최대 전압을 낮추는 경향이 있지만, 주된 효과는 큰 곡률 반경이 고전압 단자 주변의 전위 구배 (전기장)를 줄여준다는 점이다. 이는 코로나 링처럼 작용하여, 코로나 방전이나 브러시 방전 같은 공기 방전이 시작되는 전압 임계값을 높인다.[27] 이렇게 조기에 공기 절연 파괴와 에너지 손실을 억제하면, 전압 파형의 최고점에서 전압이 더 높은 값까지 상승할 수 있게 되어, 마침내 공기 방전이 일어날 때 더 길고 화려한 스트리머(streamer)를 만들 수 있다.[21]

상단 전극이 충분히 크고 매끄럽다면, 표면의 전기장이 최대 전압에서도 공기 절연 파괴를 일으킬 만큼 강해지지 않아 공기 방전이 발생하지 않을 수도 있다. 일부 오락용 코일은 방전을 유도하기 위해 토로이드에서 돌출된 날카로운 "스파크 포인트"를 가지고 있다.[27]

공중 방전을 일으키는 코일, 예를 들어 오락용으로 만들어진 코일에서 2차 코일과 토로이드의 전기 에너지는 전기적 전하, 열, 빛, 소리의 형태로 주변 공기로 전달된다. 이 과정은 커패시터를 충전하거나 방전하는 것과 비슷하지만, 테슬라 코일은 직류(DC) 대신 교류(AC)를 사용한다. 커패시터 내에서 전하 이동으로 생기는 전류를 변위 전류라고 한다. 테슬라 코일 방전은 고전압 토로이드와 주변 공기(이를 공간 전하 영역이라 함) 사이에서 전기적 전하 펄스가 빠르게 이동하면서 발생하는 변위 전류의 결과로 형성된다. 토로이드 주변의 공간 전하 영역은 눈에 보이지 않지만, 테슬라 코일 방전의 형태와 위치에 큰 영향을 미친다.

스파크 갭이 작동하면, 충전된 커패시터가 1차 권선으로 방전되면서 1차 회로가 진동하기 시작한다. 진동하는 1차 전류는 진동하는 자기장을 만들어 2차 권선에 에너지를 전달하고, 이 에너지는 토로이드 커패시턴스와 접지 사이에서 진동한다. 에너지 전달은 여러 주기에 걸쳐 일어나며, 원래 1차 측에 있던 에너지 대부분이 2차 측으로 옮겨갈 때까지 계속된다. 권선 사이의 자기 결합이 강할수록 에너지 전달에 걸리는 시간은 짧아진다. 2차 회로 내에서 에너지가 쌓이면서 토로이드의 고주파(RF) 전압 진폭은 급격히 증가하고, 토로이드 주변 공기는 유전체 파괴를 겪기 시작하며 코로나 방전을 형성한다.

2차 코일의 에너지(및 출력 전압)가 계속 증가함에 따라, 더 큰 변위 전류 펄스는 초기 파괴 지점에서 공기를 더욱 이온화하고 가열한다. 이로 인해 토로이드에서 바깥쪽으로 뻗어 나가는 매우 전도성이 높은 뜨거운 플라스마 "뿌리"가 형성되는데, 이를 리더라고 한다. 리더 내부의 플라즈마는 코로나 방전보다 훨씬 뜨겁고 전도성이 높으며, 그 특성은 전기 아크와 유사하다. 리더는 가늘어지면서 수천 개의 더 얇고 차가운 머리카락 같은 방전(스트리머라고 함)으로 갈라진다. 스트리머는 밝은 리더 끝에서 푸르스름한 '안개'처럼 보인다. 스트리머는 리더와 토로이드 사이의 전하를 인접한 공간 전하 영역으로 옮기는 역할을 한다. 수많은 스트리머에서 발생하는 변위 전류는 모두 리더로 흘러 들어가 리더를 뜨겁고 전기적으로 전도성 있게 유지하는 데 기여한다.

스파크를 생성하는 테슬라 코일의 1차 회로 스파크 갭 작동 빈도(파괴율)는 2차 회로(공진기-탑 로드)의 공진 주파수보다 느리다. 스파크 갭 스위치가 닫힐 때마다 에너지가 1차 LC 회로에서 2차 공진기로 전달되어 전압이 짧은 시간 동안 상승하고 전기 방전으로 정점에 이른다. 스파크 갭 테슬라 코일에서는 이 1차-2차 에너지 전달 과정이 입력 전압 주파수에 따라 초당 50~500번 정도의 속도로 반복된다. 이 속도에서는 이전에 형성된 리더 채널이 다음 펄스가 오기 전에 완전히 식을 시간이 없다. 따라서 연속적인 펄스에서 새로운 방전은 이전 방전이 남긴 뜨거운 경로를 따라 형성될 수 있다. 이로 인해 각 펄스마다 리더가 점진적으로 성장하여 방전의 전체 길이가 늘어난다. 반복적인 펄싱은 각 펄스 동안 테슬라 코일에서 공급되는 평균 에너지가 방전에서 손실되는 평균 에너지(주로 열)와 균형을 이룰 때까지 방전을 키운다. 이 지점에서 동적 평형 상태에 도달하고, 방전은 테슬라 코일의 출력 전력 수준에 맞는 최대 길이에 도달한다. 상승하는 고전압 고주파(RF) 엔벨로프와 반복적인 펄싱의 독특한 조합은 단순히 출력 전압만 고려했을 때 예상되는 것보다 훨씬 긴 분기형 방전을 만드는 데 이상적인 것으로 보인다. 고전압, 저에너지 방전은 필라멘트 형태의 다중 분기 방전을 생성하며, 색상은 보라색-파란색이다. 고전압, 고에너지 방전은 분기가 적고 더 두꺼우며, 창백하고 빛나는 거의 흰색에 가까운 방전을 생성한다. 이온화 정도가 높아 저에너지 방전보다 훨씬 길다. 방전 지역에서는 오존과 질소 산화물의 강한 냄새가 난다. 최대 방전 길이에 영향을 미치는 중요한 요인은 전압, 에너지, 그리고 습도가 낮거나 보통인 정지된 공기인 것으로 보인다. 펄스 형태의 저주파 RF 방전의 시작과 성장에 대한 과학적 연구는 비교적 적기 때문에, 테슬라 코일 공중 방전의 일부 측면은 직류(DC), 전력 주파수 교류(AC), 고전압 임펄스 및 번개 방전에 비해 아직 완전히 이해되지 않았다.

7. 응용 분야

오늘날 소형 테슬라 코일은 주로 엔터테인먼트 및 교육용 전시 목적으로 사용된다.[10] 이 외에도 아크 용접기의 점화 장치[53]나 과학 실험실의 고진공 시스템 누설 감지[10] 등 특수한 분야에서 활용되고 있다. 또한, 테슬라 코일의 원리는 무선 전력 전송 기술 개발에도 영향을 주었다.

7. 1. 교육 및 엔터테인먼트

''Electrum'' 조각, 세계 최대의 테슬라 코일. 제작자 에릭 오어가 속이 빈 구형 고전압 전극 안에 앉아 있는 모습이 보인다.


테슬라 코일은 과학 박물관과 전자 박람회에서 시각적인 볼거리를 제공하며, 학교와 대학의 과학 수업에서 고주파 전기의 원리를 시연하는 교육 도구로 사용된다.[4] 테슬라 코일은 불꽃 방전(코로나 방전)을 관찰하는 교재로 활용되기도 한다.

아마추어도 비교적 쉽게 제작할 수 있어 학생들의 과학 박람회 프로젝트 주제로 인기가 높으며, 전 세계 많은 취미가들이 직접 테슬라 코일을 만든다. 이들을 "코일러(coiler)"라고 부르며, 직접 만든 테슬라 코일과 고전압 장치를 전시하는 "코일링(coiling)" 컨벤션에 참여하기도 한다. 저전력 테슬라 코일은 킬리안 사진술의 고전압원으로 사용되기도 한다.

현재 세계에서 가장 큰 테슬라 코일은 Greg Leyh와 에릭 오어가 제작한 130,000와트 출력의 장치이다. 이는 Alan Gibbs가 소유하고 있으며, 뉴질랜드 오클랜드 근처 Kakanui Point의 개인 조각 공원에 설치된 약 11.58m 높이의 조각 작품 ''Electrum''의 일부이다.[54][55] Syd Klinge가 설계하고 제작한 또 다른 대형 테슬라 코일은 매년 미국 캘리포니아주에서 열리는 코첼라 밸리 뮤직 & 아트 페스티벌에서 선보인다.

초소형 테슬라 코일 (원리 응용품)


테슬라 코일은 엔터테인먼트 분야에서도 활용된다. MIDI 데이터와 제어 장치를 이용해 고출력 RF 버스트의 속도와 지속 시간(브레이크 속도)을 조절하여 음악을 연주할 수 있다. MIDI 데이터는 마이크로컨트롤러를 통해 PWM 신호로 변환되고, 이 신호가 광섬유 인터페이스를 통해 테슬라 코일로 전달되어 방전음을 제어한다. 일리노이 대학교 어바나-샴페인에서 열린 공학 오픈 하우스(EOH)에서는 테슬라 코일을 이용한 야외 음악 콘서트가 시연된 바 있다. 아이슬란드 예술가 비요크는 자신의 노래 "Thunderbolt"에서 테슬라 코일을 주요 악기로 사용했다. 음악 그룹 ArcAttack은 변조된 테슬라 코일과 특수 보호복(체인 링크 수트)을 입은 연주자를 활용하여 음악 공연을 펼친다.

2006년부터 미국의 퍼포먼스 그룹 Arc Attack은 테슬라 코일의 방전음을 이용해 악곡을 연주하는 'Singing Teslacoil' 공연을 선보이고 있다.[84][85][86] 이러한 악기화된 테슬라 코일은 '뮤지컬 테슬라 코일(Musical Tesla coil)'이라는 이름으로 Zeusaphone사에서 판매되기도 한다.[87] 2009년부터 일본의 뮤지션 히라사와 스스무가 자신의 공연에 뮤지컬 테슬라 코일을 도입했으며[88], 2011년에는 비요크가 앞서 언급한 곡 "Thunderbolt"에 이를 활용했다.

이 외에도 테슬라 코일의 원리는 다양한 분야에 응용되고 있다. 형광등 출하 검사 장치, HID 램프(CDM, HIQ)의 점등 회로(이그나이터), 액정 백라이트용 냉음극관 인버터의 변압기(소형화를 위해 페라이트 코어 사용) 등에 활용된다.[83] 또한, 1차 코일과 2차 코일 간의 낮은 결합에도 불구하고 높은 효율로 전력을 전달하는 원리(높은 공진 Q값 활용)는 무선 전력 전송 기술, 특히 전자기장 공명 방식 개발에 중요한 영감을 주었다. 따라서 무선 전력 전송 역시 테슬라 코일 원리의 응용 중 하나로 볼 수 있다.

7. 2. 진공 시스템 누설 감지기

고진공 시스템을 다루는 과학자들은 휴대용 소형 테슬라 코일을 이용해 장비, 특히 새로 만든 유리 기구에 미세한 구멍(핀홀)이 있는지 검사한다. 시스템 내부를 진공 상태로 만든 뒤, 테슬라 코일의 고전압 전극을 장비 바깥쪽에 가까이 가져간다. 진공 상태처럼 압력이 낮으면 공기가 더 쉽게 이온화되어, 대기압 상태의 공기보다 전기를 더 잘 통하게 된다. 이때 테슬라 코일에서 나온 고전압 방전은 장비 표면의 미세한 구멍을 통해 내부의 진공 공간으로 흘러 들어가 코로나 방전을 일으킨다. 이 방전 빛으로 구멍의 위치를 찾아내어, 실험에 사용하기 전에 수리(어닐링 또는 재제작)할 부분을 알 수 있다.

7. 3. 테슬라포레시스(Teslaphoresis)

2016년, 라이스 대학교 과학자들은 테슬라 코일의 자기장을 사용하여 작은 탄소 나노튜브를 회로로 원격 정렬하는 과정을 개발했으며, 이 과정을 "테슬라포레시스"라고 명명했다.[5][6]

8. 유사 과학과의 관계

테슬라 코일 애호가들 사이에서는 고주파 전류가 표피 효과라는 전자기 현상 때문에 인체 표면 근처로만 흘러 중요한 장기나 신경까지 침투하지 못하므로 감전되지 않는다는 잘못된 설명이 퍼져 있다.[65][15][68][69]

그러나 이 이론은 사실과 다르다.[70][71][72][56][66][73] 고주파 전류는 표피 효과로 인해 도체 표면을 따라 흐르는 경향이 있지만, 전류가 침투하는 깊이, 즉 표피 깊이는 물질의 비저항과 투자율, 그리고 주파수에 따라 결정된다.[74][75] 표피 효과는 테슬라 코일 주파수의 전류가 금속 도체에서는 외부 수 밀리미터로 제한되게 하지만, 인체 조직은 비저항이 훨씬 높기 때문에 전류의 표피 깊이가 훨씬 더 깊다. 인체 조직에서 테슬라 코일의 주파수(0.1 – 1 MHz) 전류가 침투하는 깊이는 대략 24cm에서 72cm (`약 22.86cm`–`약 71.12cm`)에 달한다.[75][74][56] 이는 인체의 가장 깊은 조직보다도 더 깊은 수치이므로, 표피 효과는 인체를 통과하는 전류의 경로에 거의 영향을 미치지 않는다.[73] 전류는 최소 전기 임피던스를 따르는 경로를 따라 흐르며 신체 내부를 쉽게 통과할 수 있다.[76][56][75] 실제로 장파 투열 요법이라는 의료 치료법에서는 수십 년 동안 테슬라 코일 주파수의 고주파 전류를 주의 깊게 제어하여 폐와 같은 내부 장기를 포함한 깊은 조직을 가열하는 데 사용해왔다.[76][57] 현대의 단파 투열 요법 장치는 더 높은 주파수인 27 MHz를 사용하는데, 이 주파수 역시 깊은 신체 조직을 관통할 수 있다.[71]

테슬라 코일은 "UFO의 원동력으로 사용된다"는 주장 등 유사 과학의 맥락에서 자주 언급된다. 이는 테슬라 코일의 발명가인 니콜라 테슬라가 "외계인과 교신하고 있다"와 같은 다소 기이한 발언을 남긴 것과 관련이 있는 것으로 보인다. 이 외에도 필라델피아 실험이나 해치슨 효과와 같은 도시전설이나 유사 과학적 주장과 연관되기도 한다.

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