코일

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1. 개요
2. 종류
3. 인덕턴스 공식
4. 권선 기술 (Winding technology)
5. 한국의 코일 산업
참조

1. 개요

코일은 전선을 원통형으로 감아 만든 부품으로, 작동 전류의 주파수, 기능, 형태, 코어 재료 등에 따라 다양한 종류로 분류된다. 직류, 오디오 주파수, 무선 주파수 코일로 나뉘며, 전자석, 인덕터, 변압기, 전기 기계, 변환기 코일 등 다양한 기능을 수행한다. 코일의 인덕턴스는 공식으로 계산하며, 권선 기술에 따라 권선, 코어, 탭 등의 구조를 가진다. 코일은 전자기기, 전력 시스템 등 다양한 분야에서 활용되며, 내부의 철심 유무에 따라 공심 코일과 철심 코일로 구분된다.

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코일
정의
코일	전자기학에서 회로의 구성 요소로, 일반적으로 절연된 전선을 나선형으로 감은 형태이다.
다른 이름	인덕터 권선
작동 원리
자기장 생성	전류가 코일을 통과하면 코일 주위에 자기장이 생성된다.
자기장 변화	코일을 통과하는 전류가 변하면 자기장도 변한다. 이 변화는 코일 자체에 기전력을 유도한다.
구성
기본 구성	절연된 전선 나선형 구조
코어	코일의 성능을 높이기 위해 코어 재료(예: 철, 페라이트)를 사용하기도 한다.
기능
에너지 저장	코일은 자기장 형태로 에너지를 저장할 수 있다.
전류 흐름 제어	코일은 전류의 흐름을 조절하고, 급격한 전류 변화를 억제하는 데 사용된다.
공진	코일은 커패시터와 함께 공진 회로를 구성하여 특정 주파수의 신호를 선택적으로 통과시키거나 막을 수 있다.
응용 분야
변압기	코일은 변압기의 주요 구성 요소이다.
모터	코일은 전동기와 발전기의 회전 운동을 만들어낸다.
안테나	코일은 전파를 송수신하는 안테나에 사용된다.
인덕터	코일은 인덕터로 사용되어 회로에서 전류의 흐름을 조절한다.
전자 회로	코일은 필터, 발진기 등 다양한 전자 회로에 사용된다.
인덕턴스
정의	코일에 전류가 흐를 때 발생하는 자기장이 코일 자체에 유도 기전력을 생성하는 현상을 나타내는 물리량이다.
단위	헨리 (H)
영향 요인	코일의 감은 횟수 코일의 모양과 크기 코어 재료의 투자율
패러데이 법칙
정의	코일을 통과하는 자기장의 변화는 코일에 기전력을 유도한다는 법칙이다.
수식	E = -N(dΦ/dt) (E: 유도 기전력, N: 코일의 감은 횟수, dΦ/dt: 자기장 변화율)

2. 종류

코일은 설계된 작동 전류의 주파수에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

:* ''직류'' 또는 ''DC'' 코일 또는 전자석은 권선에 안정적인 직류를 사용하여 작동한다.

:* ''오디오 주파수'' 또는 ''AF'' 코일, 인덕터 또는 변압기는 오디오 주파수 범위(20kHz 미만)의 교류를 사용하여 작동한다.

:* ''무선 주파수'' 또는 ''RF'' 코일, 인덕터 또는 변압기는 무선 주파수 범위(20kHz 초과)의 교류를 사용하여 작동한다.

코일은 그 기능에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

'''전자석(Electromagnets):''' 외부 자기장을 생성하여 기계적인 힘을 가하거나^[15] 기존 자기장을 제거하는 데 사용된다.^[16]
* 솔레노이드 - 직선형의 속이 빈 나선형 전선으로 이루어진 전자석
* 헬름홀츠 코일, 맥스웰 코일 - 외부 자기장을 상쇄하는 데 사용되는 공심 코일
* 소자기 제거 코일 - 부품의 자기를 제거하는 데 사용되는 코일
'''인덕터(Inductors):''' 코일 자체의 자기장으로 전류 변화를 방해하는 역기전력을 유도하여 에너지를 저장하거나 전류 변화를 억제한다.
* 탱크 코일 - 동조 회로에 사용되는 인덕터
* 초크 코일 - 저주파 AC 또는 DC는 통과시키면서 고주파 AC는 차단하는 데 사용되는 인덕터
* 로드 코일 - 안테나에 유도 계수를 추가하여 공진을 만들거나 케이블에 신호 왜곡을 방지하기 위해 사용되는 인덕터
* 가변 인덕터 - 직렬로 연결된 두 개의 코일(외부 고정 코일과 내부 회전 가능한 코일)로 구성되며, 자기축이 같은 방향이거나 반대 방향이 되도록 회전시킬 수 있는 조정 가능한 인덕터
* 포화 리액터 - 보조 권선에 DC 제어 전압을 사용하여 코어의 포화 상태를 변경하여 AC 전력을 제어하는 데 사용되는 철심 인덕터
* 유도성 안정기 - 가스 방전 램프 회로(예: 형광등)에서 램프를 통과하는 전류를 제한하는 데 사용되는 인덕터
'''변압기(Transformers):''' 두 개 이상의 자기적으로 결합된 권선으로 구성되어 한 코일의 전류 변화가 다른 코일에 전압을 유도한다.
* 배전 변압기 - 전력망에서 전력선의 고전압을 사용자가 사용하는 저전압으로 변환하는 변압기
* 자동 변압기 - 하나의 권선만 있는 변압기
* 토로이드 변압기 - 코어가 토러스 모양
* 유도 코일 또는 진동 코일 - 1차 전류를 차단하는 진동 차단기 메커니즘을 사용하여 직류 전류로 작동할 수 있는 초기 변압기
** 점화 코일 - 내연 기관에서 연료 연소를 시작하는 점화 플러그에 고전압 펄스를 생성하는 데 사용되는 유도 코일
* 밸런 - 균형 전송선을 불균형 전송선에 정합시키는 변압기
* 바이필라 코일 - 두 개의 평행하고 가깝게 배치된 가닥으로 감긴 코일
* 오디오 변압기 - 오디오 신호와 함께 사용되는 변압기
** 하이브리드 코일 - 3개의 권선을 가진 특수한 오디오 변압기로, 전화 회로에서 2선식 회로와 4선식 회로 간 변환에 사용
'''전기 기계(Electric machines):''' 전동기와 발전기는 움직이는 자기장과 상호 작용하여 전기에너지를 기계에너지로 변환한다.
* 계자 권선 - 아마추어 권선에 작용하는 안정적인 자기장을 생성하는 철심 코일
* 아마추어 권선 - 계자 권선의 자기장에 의해 작용하여 토크를 생성하거나(모터) 전압을 유도하여 전력을 생성하는(발전기) 철심 코일
'''변환기 코일(Transducer coils):''' 시간에 따라 변하는 자기장을 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환한다.
* 센서 또는 픽업 코일 - 외부의 시간에 따라 변하는 자기장을 감지
* 유도 센서 - 자석이나 철 물체가 가까이 지나갈 때 감지하는 코일
* 헤드(기록장치) - 자기 저장 장치 매체(예: 자기 테이프 또는 하드 디스크)에 데이터를 쓰기 위해 자기장을 생성하는 데 사용되는 코일
* 유도 가열 코일 - 와전류를 유도하여 물체를 가열하는 데 사용되는 교류 코일
* 루프 안테나 - 전파를 전류로 변환하는 라디오 안테나 역할을 하는 코일
* 로고우스키 코일 - 교류 측정 장치로 사용되는 토로이달 코일
* 악기 픽업 - 일렉트릭 기타 또는 일렉트릭 베이스에서 출력 오디오 신호를 생성하는 데 사용되는 코일
* 플럭스게이트 - 자력계에 사용되는 센서 코일
* 자기 축음기 카트리지 - 바늘의 진동을 오디오 신호로 변환하는 데 코일을 사용하는 레코드 플레이어의 센서

코일(coil)에 사용하는 전선을 권선이라고 한다. 코일의 성질을 변화시키기 위해 코일 안에 넣는 강자성체 부품을 철심(磁心)이라고 한다.^[18] 철심이 없는 코일을 공심 코일(空芯コイル)이라고 한다.

하드 디스크의 내부에 부착된 액시얼리드형 코일. 겉면의 색을 읽어보면 이 코일은 대략 41μH의 유도 계수를 갖고 있으며 오차는 10%내외이다.(유도 계수는 36.9 ~ 45.1μH 범위를 가짐)

전선을 원통형으로 감아 만든 코일은 형태에 따라 다음과 같이 분류된다.^[11]^[12]^[13]^[14]

공심 코일(Air Core Coil): 전선을 원통 형태로 감아 내부에 빈 공간을 두거나 베이클라이드 같은 비자성체로 전선을 고정한다. 유도 계수는 작지만 내구성이 뛰어나 주로 고주파 회로에 쓰인다. 주위 물체나 코일 간격에 따라 유도 계수가 변동될 수 있다. 거미집 형태와 비슷한 '''스파이더 코일'''은 원형판 주위에 홀수각으로 깎아서 전선을 감은 평면상의 코일이다.

코어 코일(Core Coil): 막대, E자형, 북 모양 등의 코어(철심)에 권선을 감은 형태이다. 페라이트가 주로 쓰이며, 저항기와 같은 직선 모양의 양단에 리드선이 있는 코일은 '''마이크로인덕터'''(microinductor^영어)라 불린다. 고주파용 코일은 원통형 보빈(bobbin^영어)에 전선을 감고 내부 코어를 드라이버로 움직여 유도 계수를 조정할 수 있다. 대전류 전원 회로에는 변압기와 같은 규소강판을 사용한 '''초크 코일'''이 사용된다. 코어 재질로는 페라이트 외에 더스트 코어(압축 자심재)가 사용되는데, 이는 금속 분말을 절연 처리 후 가압 성형한 것이다. 더스트 코어에는 카보닐 철, 몰리브덴 파마 로이 (몰리브덴, 니켈, 철 합금), 센다스트 (규소, 알루미늄, 철 합금) 등이 있다.
원환 코일(Toroidal Coil, 링 코일): 원환 형태의 강자성체에 권선을 감은 코일이다. '''토로이덜 코어'''(toroidal core^영어)라 불리는 도넛형 코어가 사용되며, 제조사에서 공개하는 도표를 통해 코어의 투자율에 따른 권수와 유도 계수의 관계를 알 수 있다. 코일의 권수는 도넛 구멍을 지나는 전선 수를 의미한다. 누설 자속이 적고 안정성이 높아 고주파 회로에 널리 쓰인다.

코어(철심)에 사용되는 재질은 다음과 같다.

페라이트: 페라이트 코어를 사용하며, 고주파에서 코어 손실이 적다.^[13]
더스트 코어: 금속 분말을 절연 처리 후 압축 성형한 것이다.
* 카보닐 철 Fe(CO)₅
* 몰리브덴 파마 로이 (몰리브덴, 니켈, 철)
* 센다스트 (규소, 알루미늄, 철)

많은 전자석 코일은 자기장을 증가시키기 위해 중앙에 철과 같은 강자성체 재료로 된 자심(magnetic core)을 가지고 있다.^[11] 코일을 통과하는 전류는 철을 자화시키고, 자화된 재료의 자기장은 전선에 의해 생성된 자기장에 더해진다. 이것을 강자성 코어(ferromagnetic-core) 또는 철심 코일(iron-core coil)이라고 한다.^[12] 강자성체 자심은 코일의 자기장과 인덕턴스를 자심이 없을 때보다 수백 배 또는 수천 배 증가시킬 수 있다.

2. 1. 형태에 따른 분류

전선을 원통형으로 감아 만든 코일은 형태에 따라 다음과 같이 분류된다.^[11]^[12]^[13]^[14]

공심 코일(Air Core Coil): 전선을 원통 형태로 감아 내부에 빈 공간을 두거나 베이클라이드 같은 비자성체로 전선을 고정한다. 유도 계수는 작지만 내구성이 뛰어나 주로 고주파 회로에 쓰인다. 주위 물체나 코일 간격에 따라 유도 계수가 변동될 수 있다. 거미집 형태와 비슷한 '''스파이더 코일'''은 원형판 주위에 홀수각으로 깎아서 전선을 감은 평면상의 코일이다.

코어 코일(Core Coil): 막대, E자형, 북 모양 등의 코어(철심)에 권선을 감은 형태이다. 페라이트가 주로 쓰이며, 저항기와 같은 직선 모양의 양단에 리드선이 있는 코일은 '''마이크로인덕터'''(microinductor^영어)라 불린다. 고주파용 코일은 원통형 보빈(bobbin^영어)에 전선을 감고 내부 코어를 드라이버로 움직여 유도 계수를 조정할 수 있다. 대전류 전원 회로에는 변압기와 같은 규소강판을 사용한 '''초크 코일'''이 사용된다. 코어 재질로는 페라이트 외에 더스트 코어(압축 자심재)가 사용되는데, 이는 금속 분말을 절연 처리 후 가압 성형한 것이다. 더스트 코어에는 카보닐 철, 몰리브덴 파마 로이 (몰리브덴, 니켈, 철 합금), 센다스트 (규소, 알루미늄, 철 합금) 등이 있다.
원환 코일(Toroidal Coil, 링 코일): 원환 형태의 강자성체에 권선을 감은 코일이다. '''토로이덜 코어'''(toroidal core^영어)라 불리는 도넛형 코어가 사용되며, 제조사에서 공개하는 도표를 통해 코어의 투자율에 따른 권수와 유도 계수의 관계를 알 수 있다. 코일의 권수는 도넛 구멍을 지나는 전선 수를 의미한다. 누설 자속이 적고 안정성이 높아 고주파 회로에 널리 쓰인다.

2. 2. 코어 재료에 따른 분류

코어(철심)에 사용되는 재질은 다음과 같다.

페라이트: 페라이트 코어를 사용하며, 고주파에서 코어 손실이 적다.^[13]
더스트 코어: 금속 분말을 절연 처리 후 압축 성형한 것이다.
* 카보닐 철 Fe(CO)₅
* 몰리브덴 파마 로이 (몰리브덴, 니켈, 철)
* 센다스트 (규소, 알루미늄, 철)

많은 전자석 코일은 자기장을 증가시키기 위해 중앙에 철과 같은 강자성체 재료로 된 자심(magnetic core)을 가지고 있다.^[11] 코일을 통과하는 전류는 철을 자화시키고, 자화된 재료의 자기장은 전선에 의해 생성된 자기장에 더해진다. 이것을 강자성 코어(ferromagnetic-core) 또는 철심 코일(iron-core coil)이라고 한다.^[12] 강자성체 자심은 코일의 자기장과 인덕턴스를 자심이 없을 때보다 수백 배 또는 수천 배 증가시킬 수 있다.

2. 3. 기능에 따른 분류 (영어 위키백과 참고)

코일은 그 기능에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

'''전자석(Electromagnets):''' 외부 자기장을 생성하여 기계적인 힘을 가하거나^[15] 기존 자기장을 제거하는 데 사용된다.^[16]
* 솔레노이드 - 직선형의 속이 빈 나선형 전선으로 이루어진 전자석
* 헬름홀츠 코일, 맥스웰 코일 - 외부 자기장을 상쇄하는 데 사용되는 공심 코일
* 소자기 제거 코일 - 부품의 자기를 제거하는 데 사용되는 코일
'''인덕터(Inductors):''' 코일 자체의 자기장으로 전류 변화를 방해하는 역기전력을 유도하여 에너지를 저장하거나 전류 변화를 억제한다.
* 탱크 코일 - 동조 회로에 사용되는 인덕터
* 초크 코일 - 저주파 AC 또는 DC는 통과시키면서 고주파 AC는 차단하는 데 사용되는 인덕터
* 로드 코일 - 안테나에 인덕턴스를 추가하여 공진을 만들거나 케이블에 신호 왜곡을 방지하기 위해 사용되는 인덕터
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* 계자 권선 - 아마추어 권선에 작용하는 안정적인 자기장을 생성하는 철심 코일
* 아마추어 권선 - 계자 권선의 자기장에 의해 작용하여 토크를 생성하거나(모터) 전압을 유도하여 전력을 생성하는(발전기) 철심 코일
'''변환기 코일(Transducer coils):''' 시간에 따라 변하는 자기장을 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환한다.
* 센서 또는 픽업 코일 - 외부의 시간에 따라 변하는 자기장을 감지
* 유도 센서 - 자석이나 철 물체가 가까이 지나갈 때 감지하는 코일
* 헤드(기록장치) - 자기 저장 장치 매체(예: 자기 테이프 또는 하드 디스크)에 데이터를 쓰기 위해 자기장을 생성하는 데 사용되는 코일
* 유도 가열 코일 - 와전류를 유도하여 물체를 가열하는 데 사용되는 교류 코일
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3. 인덕턴스 공식

코일의 인덕턴스를 구하는 공식은 다음과 같다.

선 (직선 모양이거나 곡률이 매우 작은 원호상의 도선)

:

L({\rm \mu H})=0.002l \left( 2.303 \log _{10} 4l/d -1 +\mu /4 \right)

1회 권선 코일

:

L({\rm \mu H})=4 \pi R \left( 2.303 \log _{10} 16R/d -a \right)\times 10^{-3}

여기서

d

는 도선의 직경(cm),

l

는 길이(cm),

\mu

는 주변의 투자율,

R

은 코일의 반경(cm), a는 정수(고주파에서 2.00)이다.

권수가 많은 코일의 인덕턴스는 더 복잡한 식으로 이용하여 인덕턴스를 구하는 경우가 많다.

4. 권선 기술 (Winding technology)

코일을 구성하는 와이어 또는 도체를 '''권선'''이라고 한다.^[5] 코일 중앙의 구멍을 '''코어''' 영역 또는 ''자기축''이라고 한다.^[6] 권선에서 전류가 와이어 회전 사이를 통과하는 것을 방지하기 위해 각 루프를 '''회전'''이라고 하며, 회전이 서로 닿는 부분은 플라스틱이나 에나멜과 같은 비전도성 절연 코팅으로 와이어를 절연해야 한다.^[2] 권선은 종종 플라스틱이나 다른 재료로 만들어진 ''코일 폼''에 감겨 고정된다.^[2] 와이어의 양 끝은 외부 회로에 연결된다. 권선에는 길이를 따라 추가적인 전기적 연결이 있을 수 있는데, 이것을 '''탭'''이라고 한다.^[7] 길이 중앙에 단일 탭이 있는 권선을 '''센터탭'''이라고 한다.^[8]

코일은 서로 전기적으로 절연된 여러 개의 권선을 가질 수 있다. 공통 자기축 주위에 두 개 이상의 권선이 있는 경우, 권선은 '''유도 결합''' 또는 '''자기 결합'''되었다고 한다.^[9] 한 권선을 통과하는 시간에 따라 변하는 전류는 다른 권선을 통과하는 시간에 따라 변하는 자기장을 생성하고, 이는 다른 권선에 시간에 따라 변하는 전압을 유도한다. 이것을 변압기라고 한다.^[10] 자기장을 생성하는 전류가 인가되는 권선을 ''1차 권선''이라고 하고, 다른 권선을 ''2차 권선''이라고 한다.

코일에 사용하는 전선을 권선이라고 한다. 코일의 성질을 변화시키기 위해 코일 안에 넣는 강자성체 부품을 철심(磁心)이라고 한다.^[18] 철심이 없는 코일을 공심 코일(空芯コイル)이라고 한다.

5. 한국의 코일 산업

참조

_[1] 서적 NFPA's Pocket Dictionary of Electrical Terms https://books.google[...] Jones and Hymel Tucker
_[2] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering https://books.google[...] Springer
_[3] 서적 Electronics https://books.google[...] Alpha Sciences International Ltd.
_[4] 서적 Newnes 2002 https://books.google[...] Elsevier 2002-03-04
_[5] 서적 NFPA's Pocket Dictionary of Electrical Terms https://books.google[...] Jones & Bartlett Learning, LLC 2017-01-07
_[6] 서적 Newnes Dictionary of Electronics https://books.google[...] Newnes
_[7] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering https://books.google[...] Springer Berlin Heidelberg 2017-01-07
_[8] 서적 NFPA's Pocket Dictionary of Electrical Terms https://books.google[...] Jones & Bartlett Learning, LLC 2017-01-07
_[9] 서적 Newnes Dictionary of Electronics https://books.google[...] Elsevier Science 2017-01-07
_[10] 서적 Newnes Dictionary of Electronics https://books.google[...] Elsevier Science 2017-01-07
_[11] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering https://books.google[...] Springer
_[12] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering https://books.google[...] Springer Berlin Heidelberg 2017-01-07
_[13] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering https://books.google[...] Springer Berlin Heidelberg 2017-01-07
_[14] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering https://books.google[...] Springer Berlin Heidelberg 2017-01-07
_[15] 서적 Newnes Dictionary of Electronics https://books.google[...] Elsevier Science 2017-01-07
_[16] 학술지 Bespoke magnetic field design for a magnetically shielded cold atom interferometer
_[17] 서적 文明利器電話機使用問答
_[18] 웹사이트 磁心（じしん、magnetic core） https://kotobank.jp/[...]
_[19] 서적 絵とき「機械要素」基礎のきそ
_[20] 서적 ばねの種類と用途例日刊工業新聞社

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