로보밥

한 외국 과학정보 사이트에서 정전기 감지기라는 것을 보고 감동?을 받은 뒤 직접 만들어 보려고 관련 부품을 수소문 하던게 벌써 몇년전 입니다.  하지만 이 부품을 국내 온라인, 오프라인 소매점에서 구할 수 없었습니다. 지금도 상황은 비슷합니다.

그 부품이 바로 JFET 이라는 전계효과트랜지스터(Junction Field Effect Transistor)의 일종인인데요, 트랜지스터의 형제뻘 되는 소자이고 생긴것도 트랜지스터와 다름이 없습니다.  전자공학 서적에서도 다이오드, 트랜지스터 다음으로 소개될 정도로 매우 기초적인 전자부품임에도 부품상에서 구하기 곤란한 제품인것이 이해가 가지 않았지만, 아마도 JFET 자체보다는 MOSFET, CMOS, VFET 같은 보다 특화된 부품으로써 인기가 많은 소자라서 궂이 JFET 범용 부품으로써의 활용도가 적기때문인듯 합니다.

하지만, 전자공학 초심자들에겐 기초소자의 특성을 직접 체험하는것이 매우중요하다는 생각이 들기에 매우 아쉬운 상황입니다.
현실탓을 그만하고, 어쨌든  요즘같은 글로벌 시대에 못 구하는 부품이 어디 있겠습니까?!!  생각을 고쳐먹고 외국 사이트에서 구입했습니다.

JFET을 받자마자 정전기 감지기를 만들어 테스트 해봤는데요,
조그만 머리빗으로 2미터 이상의 거리에서 LED를 켜고 끄는 정도의(8V) 전위 변화를 감지해 낼 수 있었습니다.

회로도 대신 제작도와 동영상을 올려봅니다.   매우 단순한 회로입니다.
상세한 작동원리는 전자공학 서적에서 JFET 부분을 읽어보시거나 온라인 정보를 활용하시면 이해하 실 수 있을듯 합니다.

[그림1. 전기장 감지기 제작도]

[동영상1. 전기장 감지기 테스트]


 
실험방법:

그림1.의 제작도와 같이 회로를 구성 후,
플라스틱 머리빗을 이용하여, 머리카락을 빠르게(중요) 비벼준 후,
감지기의 안테나 방향으로 향하게한다.
머리빗을 감지기의 안테나 방향으로 향하면 LED가 어두워 지거나 꺼지게된다.
거리를 멀리 떨어져 가면서 머리빗의 방향을 바꿔가면서 감지기의 상태를 관찰한다.


작동원리:

제가 알고있는 범위내에서 간단하게 작동 원리를 소개해 드리겠습니다.
서로 마찰했을때 (-)으로 대전되기 쉬운 물질이 있고 (+)으로 대전되기 쉬운 물질 있습니다.
가령 우리의 머리카락과 머리빗을 마찰시키면, 머리카락의 전자가 머리빗으로 이동하게되고 이에따라 머리빗은 (-)전하로 대전되게됩니다.  이순간 전하의 불균형에 대응되는 전기력(장)이 형성되고, 주변공간에 영향을 끼치게 됩니다. 이힘은 이론상 무한히 퍼져나가는데요,,, 본 실험과는 큰 상관이 없지만 만약 이 머리빗을 아주 빠르게 흔든다면(가속운동한다면) 가속하는 전하에 의해 전파가 발생하고 안드로메다에 있는 미녀 외계인에게 러브콜 신호를 전송할 수 도 있을지 모릅니다. (답신이 올까요? ^^;;)

머리빗에 대전된 전압은 생각보다 매우 높은 전압입니다. 정확한 값은 저도 측정해보지 못했지만, 수백V가 넘고 수천~수만Volt에 이르는 것으로 알고 있습니다. 그렇게 높기때문에 매우 건조한 겨울날 어두운곳에서 방전되면서 불꽃이 일어나기도 하고 전자제품을 돌아가시게 하기도 하는겁니다.

JFET관련 기술서적을 보면, G(게이트 단자)와 S(소스단자)사이에 (-)전압이 걸리게되면,  D(드레인단자)와 S사이의 전류의 흐름이 방해받게 됩니다. ( 제가사용한 JFET소자는 N채널이라 위와 같고, P채널의 경우는 전압이 반대일때 흐름이 방해 받습니다.)

JFET소자마다 다르지만, MPF102의 경우, G와 S사이의 전위차가 -8Volt 가 넘으면(이를 cutoff전압이라고 함),  D와S사이에 흐르는 전류가 (거의)완전 차단되게됩니다.  이소자는 주로 스위칭용으로 사용되며, G-S전압을 조절하여 D-S전류를 ON/OFF 하는 용도로 사용됩니다. 여기서는 G-S전압에 따라  LED가 켜지거나 꺼지게 되도록 회로가 구성되어있습니다.

하지만, 본 회로에서는 G단자에 아무것도 연결되지 않았기때문에 G-S전압은 공기중의 전위에 영향을 받게 되는 상태입니다.
사실 위와 같은 상황은 주변 전기장에 영향을 많이 받기때문에 일반적인 전자회로에서는 절대로 사용되지 않는 것이지만 본 회로에서는 거꾸로 전기장을 감지하는데 역이용하는 것입니다.

본래 본회로에서 LED를 완전히 끄기 위해서 필요한 G-S전압은 약 8Volt 입니다. 즉, 실험을 통해서  2미터 떨어진 곳에서 머리빗에 대전된 고전압에 의해  JFET소자의 G와 S 단자 사이에 8Volt 이상의 전압차를 발생시켰다는 얘기입니다.  전기력이 거리의 제곱에 반비례하여 감소되는것을 볼때 엄청난 전압으로 대전된것을 (정확한 값으로 계산해내지는 못하지만) 감으로나마 알수 있게 되었습니다.

참고로, JFET의 G(Gate) 다리에 안테나 전선을 메달아 뒀는데요, 사실 안테나 선이 없이 JFET 다리만 있어도 되지만 감도를 높이기 위해서 안테나(연장전선)를 부착하였습니다.  참고사이트 자료에 의하면, 안테나 선을 충분히 길게 설치하면, 매운 건조한 공간에서 5미터 이상의 거리에서도 감지를 할 수 있다고 합니다.  춥고 건조한 겨울을 기다려 봐야겠습니다 ^^

+추가사항:
보다 그럴듯한 정전기 감지기로 사용하는 방법:  시중에 1만원이 안되는 저렴한 디지탈 멀티테스터가 많습니다. 위 감지기 회로상의 LED 양다리에 디지탈 전압계를 연결하시면, 정전기력의 변화를 아날로그(LED)적으로 보는것과 동시에 디지털(전압계수치)적으로 보실수 있습니다. 이 방법을 이용하면 매우 미세한 정전기장의 변화까지도 수치로 확인하실 수 있습니다.


+추가사항 (2010.Dec.2)
본 감지기가 9V에서만 작동하는것으로 알고 있었는데요, 실험해보니 5V전원에서도 잘 작동하는 것을 확인했습니다.  요즘 9V 건전지 가격이 터무니없이 비싸고(3천원 이상) 게다가 어뎁터까지 구해야 하므로 감지기 제작가격이 상승하게 되었는데요, 이제는 5V정도의 건전지나 어뎁터로도 실험이 가능하다는것을 참고하시기 바랍니다.


참고 사이트

2. 각종 전자/과학 실험에 대한 소개글이 있는 재밌는 사이트: 

링크