[전기전자] Impedance 임피던스는 무엇인가?

임피던스(Impedance)는 전자과라면 빼놓을 수 없는 개념입니다. 
회로를 분석하는데 있어서 Impedance(임피던스)가 꼭 필요하기 때문인데 과연 임피던스는 무엇일까요?

Impedance(임피던스)는 무엇인가?

회로가 존재를 할 때 가장 쉽게 떠올리는 변수들은 아마 V, I, R 일겁니다.
각각 회로에서 전압, 전류, 저항을 의미하죠.
이때 R 저항에 대해 생각을 해봅시다. 

저항은 결국 전류가 잘 흐리지 못하도록 방해하는 성분을 의미합니다.
저항 값이 크다면, 전류가 흐르기 어렵기 때문에 전류 값이 낮아지죠.
반대로, 저항 값이 작다면 전류가 흐르기 쉬워져 전류 값이 높아질 수 있는 것이구요.

하지만, 위와 같은 간단한 설명은 직류(DC)회로에서만 가능한 설명입니다.

결국, 교류(AC)의 경우 frequency(주파수)가 존재하여 전류의 값이 변하고
전압과 전류의 위상 차이가 발생하기 때문에 이를 고려한 개념이 필요한데, 
교류회로에서 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타내는 것인 바로 임피던스(Impedance)입니다.

그리고 임피던스는 위와 같은 Rectangular-coordinate 형태 또는 polar form으로 나타낼 수 있죠.

Impedance(임피던스)는 왜 리액턴스(X, Reactance)가 존재하는 걸까?

실수부 R(Resistance)는 교류에서의 저항과 다를바가 없으니까 쉽게 이해가 가능합니다.
그렇다면, Impedance(임피던스)는 왜 허수부(j)를 사용한 X(Reactance)성분이 존재하는 걸까요?
이유는, 회로에서 발생하는 위상 변화를 나타낼 수 있기 때문입니다.
회로에는 저항 성분 뿐만 아니라, Capacitance, Inductance 성분이 무조건 존재합니다. 
기생 성분일 수도 있고 의도적으로 배치한 소자에 의한 성분이 존재할 수 도 있죠. 
그런 용량성,유도성 리액턴스(저항)와 전압과 전류의 위상변화를 고려하기 위해서 허수부인 Reactance를 사용합니다. 
*단위는 동일하게 옴(Ω)입니다

 

Inductor 인덕터

인덕터(Inductor)는 용수철 처럼 생겼고 전류를 항상 원래 상태를 유지하려는 특성을 띄고 있습니다.
따라서, 교류 회로에서 전류에 변화가 생기게 되면 변화를 막으려는 방향으로 유도가 되죠. 

인덕터 코일을 따라 교류 전류가 흐르면 자기장이 유도되는데, 그 자기장을 억제하는 반대방향으로 자기장이 발생됩니다.
전류의 변화가 없는 직류에서는 아무런 저항성이 없겠지만, 양극과 음극을 오고가는 교류회로에서는 전류의 값이 변하기 때문에 인덕터는 저항처럼 동작할 수 있는 것입니다.
이런 저항 성분을 Inductor의 Reactance(리액턴스)라고 부릅니다. 유도성 리액턴스라고도 합니다. 

위와 같은 수식으로 XL 인덕터의 리액턴스 성분을 나타낼 수 있습니다.
f는 회로에서의 주파수를 나타내기 때문에 직류f=0일때, 값이 0인걸 알 수 있죠. 
이를 통해서도 인덕터는 직류회로일때(=전류값에 변화가 없을때)는 리액턴스 값이 0이라는 걸 유추할 수 있습니다.
반대로, 주파수가 커지게 되면 유도성 리액턴스 성분이 커지게 되겠죠.

인덕터의 위상변화는 어떻게 될까요?
앞서서 설명 드렸듯이, 인덕터는 변화하는 전류에 의해 자기장이 형성되고 그 자기장의 변화에 의해 전압이 발생합니다.
v(t) = L di(t)/dt  를 생각하셔도 좋습니다.
전류의 변화율에 비례하여 전압이 발생하는 것이죠. 
그렇기에 전압이 전류 보다 90도 느린 위상차가 발생하게 됩니다. +90º

캐패시터(Capacitor)는전압을 항상 원래 상태를 유지하려는 특성을 띄고 있습니다.
축전기 혹은, 캐패시터에서 나타나는 교류회로에서의 저항성분을 나타내는 값인 거죠.
캐패시터는 두개의 도체 판으로 이루어진 소자 입니다. 
회로에 캐패시터가 놓여져 있으면 전하들이 해당 평판에 쌓이면서 전하가 축적되게 되죠. 
결국, 직류일때 전하들이 계속해서 쌓이면서 전압이 발생하고 변화하는 전압을 억제하는 방향으로 전기장이 유도됩니다. 
이런 힘을 캐패시터의 용량 리액턴스 성분이라고 부르죠. 
Inductor와 반대로 주파수가 0으로 갈때 즉, 직류일때 엄청나게 큰 리액턴스 값을 가집니다. 
사실상 선이 끊겨있다고 봐도 될 만큼 큰 성분이죠. 
하지만, 주파수가 점점 커질 수록 오히려 캐패시터의 리액턴스는 줄어들게 됩니다. 

캐패시터의 위상변화는 어떨까요?
캐패시터는 전자의 흐름인 전류에 따라서 평판에 전하가 축적되게 되어 전압이 발생합니다. 
이렇게 발생한 전압에 의해 전류가 흐르게 되는 것이죠. 
i(t) = C dv(t)/dt  를 생각하셔도 좋습니다.
전압의 변화에 따라 전류가 유도되는 것입니다. 
그렇기에 전류가 전압보다 90도 느린 위상차가 발생하게 됩니다. -90º

*참고로, 저항은 전기에너지를 열에너지로 소모하지만, 인덕터와 캐패시터는 에너지를 소모하지 않습니다.
(단지, 전기장 혹은 자기장으로 유도되어 다른 형태로 에너지를 가지고 있을 뿐입니다)