#7 - 전류의 방향 : 관습적 흐름 vs 전자 흐름

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표준의 좋은 점은 선택할 수 있는 것이 너무 많다는 것입니다.  
Andrew S. Tanenbaum, computer science professor

벤자민 프랭클린이 전하의 흐름 방향(매끄러운 왁스에서 거친 양모로)에 대해 처음 추측했을 때, 그는 오늘날까지 이어지는 전기 기호의 표준을 만들어 버렸습니다. 비록 전하의 기본 단위는 전자이며, 두 물질을 문질렀을 때 실제로는 전자가 '양모에서 왁스로' 이동한다는 사실을 우리가 이미 알고 있음에도 불구하고 말입니다. 이것이 바로 전자가 '음전하(-)'를 띤다고 말하는 이유입니다. 프랭클린은 전하가 실제 움직이는 방향과 반대로 이동한다고 가정했습니다. 그 결과 그가 '음전하(전하 부족)'라고 불렀던 물체는 사실 전자가 과잉된 상태였던 것이죠.

(무슨 얘긴지 잘 모르겠다면 이것부터 읽고 오자 - 정전기)

전자의 실제 흐름 방향이 밝혀졌을 때쯤에는, 이미 과학계에 '양성(+)'과 '음성(-)'이라는 용어가 너무 깊이 뿌리내려 있어서 이를 바꾸려는 시도는 없었습니다. 물론 전자가 과잉된 상태를 '양성'이라고 부르는 것이 의미상 더 맞았겠지만 말입니다. 보시다시피 '양성'과 '음성'이라는 용어는 인간이 만든 약속일뿐, 절대적인 진리가 아닙니다. 만약 프랭클린이 전하 과잉을 '검은색', 부족을 '흰색'이라고 불렀다면, 우리는 지금쯤 "전자는 흰색 전하를 가진다"라고 말하고 있었을지도 모릅니다. (물론 그때도 왁스와 양모 사이의 전하 이동을 반대로 추측했다면 말이죠.)

하지만 우리는 보통 '양(Positive)'이라는 단어를 '남는 것(Surplus)', '음(Negative)'이라는 단어를 '모자란 것(Deficiency)'과 연관 짓습니다. 그래서 전자의 표준 표기법(전자가 많은데 '음'이라고 부르는 것)이 오히려 거꾸로 된 것처럼 느껴지기도 합니다.이 때문에 많은 엔지니어는 전하가 남는 곳을 '양(+)'으로 보는 기존 개념을 유지하고, 전류의 흐름도 이에 맞춰 표기하기로 결정했습니다. 이것이 바로 '관습적 전류 표기법(Conventional Flow Notation)'입니다.

반면, 회로 내 전자의 실제 움직임에 따라 전류의 흐름을 표시하기로 한 사람들도 있습니다. 이것이 '전자 흐름 표기법(Electron Flow Notation)'입니다.

관습적 전류 표기법은 기술적으로는 정확하지 않은 '+'와 '-' 라벨을 따라 전하의 이동을 보여줍니다. 이렇게 하면 라벨의 의미는 통하지만, 실제 전하의 이동 방향과는 반대가 됩니다. 반대로 전자 흐름 표기법은 실제 전자의 이동을 따르지만, '+'와 '-' 라벨이 거꾸로 된 것처럼 보일 수 있습니다. 그렇다면 회로에서 전하 흐름을 어떻게 정하느냐가 정말 중요할까요? 사실, 일관성만 있다면 어느 쪽이든 크게 상관없습니다. 상상 속의 전류 방향(관습적 흐름)을 따르든, 실제 방향(전자 흐름)을 따르든 회로 분석 결과는 똑같습니다. 전압, 전류, 저항, 연속성 개념은 물론이고, 앞으로 배울 옴의 법칙(2장)이나 키르히호프의 법칙(6장) 같은 수학적 계산도 어느 방식을 쓰든 동일하게 적용됩니다.

대부분의 전기 엔지니어와 공학 교과서는 관습적 전류 표기법을 따릅니다. 반면 전자 흐름 표기법은 입문서(이 책을 포함해서)나 전문 과학자들, 특히 물질 내 전자의 실제 움직임을 중요하게 다루는 고체 물리학자들의 책에서 주로 볼 수 있습니다.결국 어떤 표기법을 쓸지는 특정 집단이 어떤 방식이 더 편하다고 생각했느냐에 따른 '문화적 선호'의 문제입니다. 대부분의 회로 분석에서는 전하 흐름의 물리적 정확성이 중요하지 않기 때문에, 두 방식 중 무엇을 선택할지는 거의 취향 차이라고 봐도 무방합니다.

편극 장치와 다이오드

많은 전기 장치는 전류 방향에 상관없이 똑같이 작동합니다. 이를 '비편극성(Nonpolarization)' 장치라고 합니다. 예를 들어, 백열전구(필라멘트가 달아올라 빛을 내는 전구), 스위치, 전선 등은 전류가 어느 방향으로 흐르든 아무 문제 없이 작동합니다. 심지어 방향이 1초에 수십 번 바뀌는 교류(AC)에서도 잘 작동하죠. 반대로 전류의 방향에 따라 작동 방식이 달라지는 장치를 '편극 장치(Polarized Device)'라고 합니다.

전기 회로에는 이런 편극 장치들이 아주 많습니다. 대부분은 반도체 물질로 만들어지며(이 책 시리즈 3권에서 자세히 다룹니다), 회로도에서 고유한 기호를 가집니다. 예상하시겠지만, 편극 장치의 기호에는 보통 화살표가 포함되어 있어 전류가 흘러야 할 '올바른 방향'을 알려줍니다. 바로 이 지점에서 관습적 흐름과 전자 흐름의 표기 차이가 중요해집니다. 오래전부터 엔지니어들은 관습적 흐름을 '표준'으로 정했고, 전기 장치와 기호 역시 그들이 만들었습니다. 그래서 모든 전기 부품의 화살표 기호는 '관습적 전류 방향'을 가리킵니다. 즉, 실제 전자가 흐르는 방향과는 반대를 가리키고 있다는 뜻입니다.

편극 장치의 가장 좋은 예는 '다이오드(Diode)'입니다. 다이오드는 전기를 한쪽으로만 흐르게 하는 '일방향 밸브'입니다. (배관의 체크 밸브와 같습니다.) 이상적으로 다이오드는 정해진 방향으로는 전류를 뻥 뚫린 길처럼 잘 통하게 하지만, 반대 방향으로는 꽉 막힌 벽처럼 흐름을 차단합니다. 다이오드의 기호는 이렇게 생겼습니다.

배터리와 램프가 있는 회로에 연결하면 이렇게 작동합니다.

다이오드가 전류가 흐르는 올바른 방향을 향하고 있으면 램프에 불이 들어옵니다. 반대로 연결하면 다이오드는 회로가 끊어진 것처럼 전자의 흐름을 막아버려 램프가 켜지지 않습니다.

이때 회로의 전류를 관습적 전류 표기법으로 표시하면, 다이오드의 화살표 기호가 아주 직관적으로 이해됩니다. 삼각형 화살촉이 전하 흐름의 방향(양극에서 음극으로)과 일치하기 때문입니다.

하지만 실제 전자의 이동 방향인 전자 흐름 표기법을 사용하면, 다이오드의 화살표가 마치 역주행하는 것처럼 보입니다.

이런 이유 하나만으로도 많은 사람이 관습적 전류 표기법을 선호합니다. 다른 이유 다 제쳐두고, 다이오드 같은 반도체 부품의 기호를 이해하기가 훨씬 편하니까요. 반면 어떤 사람들은 매번 "전자가 실제로는 반대로 움직인다는 걸 기억하세요"라고 설명하는 번거로움을 피하기 위해, 처음부터 전자의 실제 이동 방향을 보여주는 것을 선택하기도 합니다.

저자의 선택

이 교재 시리즈에서 저는 전자 흐름 표기법을 고수했습니다. 아이러니하게도, 이것이 제 첫 번째 선택은 아니었습니다. 제가 처음 전자공학을 배울 때는 반도체 기호의 화살표 방향 때문에 관습적 전류 표기법이 훨씬 편했습니다. 하지만 나중에 정식 교육을 받을 때 만난 강사는 전자 흐름 표기법을 강력히 고집했습니다. 심지어 관습적 흐름으로 그려진 교재의 모든 화살표를 펜으로 "올바르게(반대로)" 고쳐 그리라고 시킬 정도였으니까요.하지만 그의 고집에는 이유가 있었습니다. 그는 미 해군 전자 기술자로 20년간 근무하며 수많은 진공관(Vacuum Tube) 장비를 다뤘습니다. 트랜지스터 이전에 사용되던 진공관은 진공 상태에서 전자가 날아가는 현상을 이용해 신호를 증폭하는 장치입니다. 이 장치의 원리를 이해하는 데는 전자의 실제 흐름을 따르는 것이 훨씬 직관적이고 적합했습니다.

교육 과정을 마친 후 저는 다시 관습적 흐름 표기법으로 돌아갔습니다. 진공관은 이제 특수한 경우 외에는 거의 쓰이지 않고, 부품 기호와의 혼동을 줄이고 싶었기 때문입니다. 이 책을 집필하기 위해 자료를 모을 때만 해도, 저는 당연히 관습적 흐름 방식으로 설명할 계획이었습니다.

하지만 몇 년 후 제가 전자공학 교사가 되었을 때, 학교 커리큘럼은 이미 전자 흐름 표기법을 중심으로 짜여 있었습니다. (재미있게도, 이는 제 첫 스승이었던 그 해군 출신 교수님의 영향 때문이었지만, 그건 또 다른 긴 이야기입니다!)다른 선생님들과 다르게 가르쳐서 학생들을 혼란에 빠뜨릴 수는 없었기에, 저는 제 습관을 버리고 다시 전자의 흐름을 시각화하는 방식에 익숙해져야 했습니다. 결국 이 책이 학생들에게 유용한 자료가 되기를 바라는 마음으로, 저는 마지못해 계획을 바꾸고 모든 화살표를 '올바른(실제 전자 이동)' 방향으로 그려서 설명하기로 했습니다. 뭐, 살다 보면 어쩔 수 없이 따라야 하는 경우도 있는 법이니까요!

그래도 긍정적인 면을 찾자면(말장난을 하려는 건 아닙니다만!), 학생들이 반도체 물질의 작동 원리를 처음 배울 때는 오히려 전자 흐름 표기법을 더 선호하는 경우를 종종 봤습니다. 실제 입자의 움직임과 일치하니까요. 또한, 부품 기호에 그려진 화살표와 '반대 방향'으로 전자가 흐른다고 상상하는 습관을 들이는 것도 생각보다 그리 어렵지 않습니다. 결국 익숙해지면 어떤 표기법을 사용하든 회로의 동작을 이해하는 데는 전혀 문제가 없다는 것을 알게 되죠. 그럼에도 불구하고 가끔은 이런 상상을 해봅니다. 만약 시간을 되돌려 이 모든 혼란의 시초인 벤자민 프랭클린의 그 '잘못된 추측'을 바로잡을 수 있다면 얼마나 좋았을까요? 그때 그 자리에서 전자를 '양전하(+)', 양성자를 '음전하(-)'라고 정의했다면, 지금 우리가 겪는 이 번거로움은 훨씬 줄어들었을 텐데 말입니다.

[대부분의 이미지 출처 : Volume I - D.C.]

"이 글은 All About Circuits의 Textbook을 기반으로 공부하며 요약/정리한 글입니다. 원문의 라이선스 (CC BY-SA)를 따릅니다"