1. 개요
전선( 電 線)은 전류( 전기)가 흐르도록 하는 도체로 쓰이는 선이다. 일반적으로 절연을 위해 피복에 싸여져 있으며 내부 구조에 따라 단선과 연선 등으로 나누어 진다. 연선은 단선에 비해 쉽게 끊어지지 않는 장점이 있으나 가공이 많이 들어가고 빈공간이 많이 생겨 단면적대비 전도성이 감소하는 단점이 있기에 용도에 따라 단선과 연선을 복합적으로 사용한다. 송전탑, 가공전차선, 접지선[1] 등 일부 용도에서는 피복이 없이 도체가 노출된 전선을 사용하기도 한다.영어로는 Cable ( 케이블)이라고 한다. 전력선의 외래어로, 전기가 통하지 않는 물질(예를들어 고무)로 겉을 감싼 전화선이나 전력선 같은 모든 선을 의미한다. 전신주에 달려있는 선도 케이블이고, 컴퓨터나 TV 뒤에 붙어있는 단자들도 전부 케이블이라고 부를 수 있다.
2. 소재
알칼리 금속과 같이 반응성이 높거나, 수은이나 갈륨처럼 녹는점이 낮은 금속을 제외하면 전기가 통하는 어떠한 금속도 전선으로 사용 가능하지만 일단 상업적으로 대량생산되는 전선은 구리, 알루미늄, 강철이다.구리는 금속 중 2위의 전도성을 지니며 상대적으로 저렴하다는 점 때문에 상업적인 전선 소재 중 가장 점유율이 높다. 구리 전선 중에서도 고품질 구리인 무산소동을 사용한 전선이 존재하며 이런 전선은 음향기기( 마이크 등)의 전선으로 사용된다. 알루미늄은 반응성이 높지 않은 금속[2]중 가장 가볍기에 같은 무게로 만들면 오히려 구리보다 전도성이 좋고 저렴하기에 저비용 또는 경량화가 중요한 용도에 주로 이용되고 있다. 강철은 알루미늄보다도 전도성이 낮지만, 인장력이 강하여 전봇대 간 간격을 넓힐 수 있어서 해외의 대지귀로[3] 방식 배전선이나 송전탑에 쓰이는 강철 보강 알루미늄선(ACSR; Aluminium Conductor Steel Reinforced) 내부에 사용되고 있다.
사실 가장 전도성이 높은 금속 소재는 은으로, 송전 효율이 가장 좋다는 점 하나만 보고 전선의 소재로 활용되고는 한다. 물론 은 자체가 값어치가 비싼 귀금속이며, 전도성이 구리의 1.05배로 특별히 높은 전도성을 지닌 것은 아니기에 통상적인 전력망을 구성하는 전선 소재로 활용되지는 않고[4], 오직 효율성만을 보는 고가의 AV기기나 실험장비에 쓰인다. 마찬가지의 사유로 금속 중 3위의 전도성을 지닌 금도 이론상 훌륭한 전선 소재가 될 수 있지만, 금의 전도성은 구리보다 떨어지는데다 가격은 은보다도 더 비싸기 때문에 특수 목적으로 극히 소량만 생산되고 상업적으로 제조되지는 않는다.[5]
이외에도 구리, 알루미늄 등 기존 소재에 다른 소재를 첨가하는 등 신소재로 구성된 차세대 전선들도 연구개발되고 있다. 그 예로 ACCC(Aluminium Conductor Composite Core) 전선이 있는데, ACSR 전선의 강철심을 탄소섬유와 유리섬유의 복합체로 바꾼 것이다. 이 복합체는 같은 무게의 강철보다 인장력이 우수하므로 기존 ACSR 전선과 같은 단면적과 무게를 유지하면서 더 많은 알루미늄 도체를, 그것도 알루미늄 합금보다 전도도가 높은 순알루미늄을 사용 가능하다. ACCC 전선의 장점으로는 기존 인프라에 전선만 교체해도 2배 더 많은 전력을 보낼 수 있다는 점이 있으며, 단점으로는 ACSR보다 2.5~3배 높은 비용이 있다. 이외에도 탄소섬유보다 인장력이 강한 탄소나노튜브를 알루미늄 도체의 심으로 사용하거나, 탄소나노튜브를 알루미늄과 합금해 전도도와 강도를 향상시키거나, 일반 구리보다 전도도가 높은 단결정 구리[6]를 사용하거나, 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 탄소 기반 소재를 전도체로 활용하는 것도 연구개발 혹은 구상 단계에 있다.
구리 전선은 약간 산화되는 정도로는 접촉부 전도도가 크게 저하되지 않으나, 알루미늄 전선은 공기중에만 노출되어도 즉시 표면이 산화되어 절연성이 우수한 산화 알루미늄으로 변하므로 접촉저항 증가 및 화재를 유발할 우려가 있다. 또한 구리 전선과 직접 연결시 두 금속간의 이온화 경향과 열팽창계수 차이로 인해 접촉부가 더 쉽게 열화된다. 때문에 일부 국가에서는 알루미늄 전선의 건물 배선 사용을 금지하기도 하며, 이러한 위험성때문인지 국내에서도 알루미늄 전선은 일반 소비자에게 거의 판매되지 않고[7] 대부분 B2B/B2G(한전 납품) 거래만 이루어진다. 알루미늄 전선을 안전하게 배선하려면 압착부에 산화방지제를 도포하고 알루미늄 재질의 압착 단자를 사용해야 하며, 구리 등 다른 전도체와 연결시에는 한쪽은 구리, 다른 한쪽은 알루미늄으로 된 특수한 압착단자나 배선기구가 필요하다.
가정용으로 사용되는 전선은 쌩으로 금속 선을 사용하는게 아니라 피복을 입혀 활용한다. 이는 감전 방지의 목적도 있지만, 전선의 소재인 구리 자체가 무른 금속이라 잘 끊어질 수 있기 때문. 이 때문에 플라스틱 비닐 소재에 더해 나일론 섬유로 보강한 전선도 있다.[8] 일부 고급 이어폰줄, USB 케이블, HDMI, 이더넷 케이블[9] 등이 나일론으로 보강한 전선을 쓴다. 이외에도 피복을 금속 재질로 만들기도 하며, 일부는 아예 파라코드를 쓰기도 한다.
전선의 피복은 대부분 플라스틱(주로 PVC)으로 이루어져 있는데 이게 제조방식이나 사용 환경에 따라 피복이 삭아 합선이 되는 경우가 생긴다.[10] 고온, 화학물질, 자외선[11] 등에 노출되는 열악한 환경에서 쓰이는 전선의 경우 피복을 실리콘, 테플론, 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등의 다른 소재로 만들기도 한다. 이더넷 케이블, HDMI, USB 케이블 등 전선 내부에 차폐 용도의 구조물이 추가로 들어가 있는 경우도 있다.
전동기, 변압기, 전자석, 인덕터 등 코일에 사용되는 전선은 피복이 두꺼우면 곤란하므로 아주 얇은(수십 ㎛) 두께의 에나멜 피복을 입힌 에나멜선을 사용한다.
MRI, 핵융합로, 입자 가속기 등에는 초전도체 합금으로 제작된 전선이 사용된다. 전선 소재 자체가 초전도성을 띠려면 극저온이 필요하므로 전선 내부에 액체 헬륨이나 질소 등 냉각재가 흐르도록 설계되며, 냉각이 풀리거나 과전류로 인해 초전도 성질을 잃는 사고 발생시 전류가 우회해 흐를 수 있도록 구리심을 가진다.
통상 케이블은 외부에 고무와 같은 부도체로 절연되어 있는 것이 일반적이지만, 전력 송배전 선로의 경우 전압이 워낙 높아서 절연이 파괴되므로 의미가 없다. 그런데도 고압 배전 케이블이 절연되어 있는 이유는 외부 환경과의 차단으로 금속 도체 심을 부식으로부터 보호하는 것이다. 그마저도 초고압 송전선에서는 내부에 강철심이 있는 비절연 알루미늄 전선을 쓰는 경우가 흔하다. 지중화 또는 해저 케이블과 같이 유의미한 절연이 필요한 경우에는 두꺼운 피복으로 절연한다.
전선 자체는 금속으로 만들지만, 감전 방지를 위해 복합 소재로 피복을 입히는 특성상 피복을 벗겨서 선만 버리는 경우가 아니라면 재활용시에는 원칙적으로 일반 쓰레기로 분류된다. 다만 전선 소재인 구리 자체가 꽤 값어치가 높은 금속인지라 전선만 전문으로 수거하는 업자들이 있고, 일부 시설에서는 아예 재활용 쓰레기를 버리는 장소에 별도로 전선을 버리는 장소를 구비해두기도 한다.
앞서 말했듯 전선의 소재인 구리 자체가 꽤 값어치가 나가는 금속인지라 전선을 훔처가는 전선 절도범이 있다.
3. 꼬임쌍선
노이즈 방지를 위해 내부의 선들을 꼬아 둔 전선을 꼬임쌍선(트위스트 페어)라고 한다. 마이크나 오디오 선들도 물론이고, 이더넷, USB, HDMI 등 고속 인터페이스에서 사용하는 선들도 대부분 꼬임쌍선이라고 보면 되며, UTP케이블이라고 불리는 이더넷 케이블 역히 대표적인 꼬임쌍선이다. 전화가 보급되던 시기 통신사들이 노면전차로 인한 노이즈를 방지하기 위해 전신주에 전선을 계속 엇갈려가며 배치하는 것에서 시작되었다.4. 규격
전선의 규격은 보통 지름 또는 단면적으로 결정한다. 주로 사용하는 규격으로는 SQmm, AWG, MCM 등이 있다.SQmm은 단순히 SQ( Square)라고도 부르며, 말 그대로 mm2 단위이다. 우리나라에서 표준으로 사용한다.
AWG(American Wire Gauge)는 미국에서 제정된 규격으로 mm가 아닌 인치를 기준으로 한다. 36 AWG를 0.005인치로, 4/0(0000) AWG를 0.46인치로 잡고 39단계로 세분화한 것이다. 4/0 AWG(107mm2) 이상의 경우 더 이상 AWG로 표현이 불가능하기 때문에 cmil(circular mil) 단위를 사용한다. 1000 cmil[12]을 1 kcmil 또는을 MCM[13]이라 부른다.
이외에 전선 내 몇가닥의 선심(Core)[14]이 있느냐에 따라 nC로 표기한다. 예를 들어, 선심이 3가닥일 경우 3C라 표기한다.
5. 피복 색상
국내의 경우 IEC의 전선 색상을 따라 활선은 갈색, 중성선은 하늘색, 접지선은 초록색+노랑색 피복을 사용한다. 삼상 전원의 경우 활선이 3개이므로 활선 전선용 색상으로 갈색에 더해 회색과 검은색을 추가로 사용한다. 과거에는 활선은 빨간색(삼상일 경우 검은색/파랑색 추가 사용), 중성선은 흰색, 접지선은 초록색을 사용하였다.북미에서 흔히 찾을 수 있는 단상 3선식 시스템에서 활선은 빨간색이나 검은색, 중성선은 흰색을 사용하며, 접지선은 초록색 혹은 나전선을 사용한다.
| IEC | 한국(과거) | 한국(한전) | 미국(120/240V) | |
| L1 (R) | 갈색 | 빨강색 | 검은색 | 검은색 |
| L2 (S) | 검은색 | 빨강색 | 흰색 | 빨강색 |
| L3 (T) | 회색 | 파랑색 | 파랑색 | 파랑색 |
| N | 파랑색[15] | 흰색 | 검은색 | 흰색 |
| E/PG | 초록-노랑 | 초록 | 초록 | 초록[16] |
직류 전원 시스템에서는 보통 +극은 빨간색, -극은 검은색 피복을 사용한다. IEC 규정에서는 +선은 갈색, -선은 회색을 사용하도록 되어 있으나, 접지에 연결되어 0V 전위를 가지는 중성선이 있을 경우 해당 선은 파랑색을 사용한다. 예를 들어 배터리 -극이 접지에 연결된 시스템이라면 +도체는 갈색이지만 -도체는 파랑색이다. 직류 3선식의 경우 세 색상의 전선이 모두 사용된다.
| IEC | 미국 | |
| + | 갈색 | 빨강색 |
| N | 파랑색 | 흰색 |
| - | 회색 | 검은색 |
6. 기타
전선을 감을 때 잘못 감으면 꼬이는데 이를 방지하기 위한 방법이 있다. 영어로는 over-under method, 우리나라 말로는 8자감기 등으로 알려져 있다. 전선 감는 방법 예시 랜선, 호스 등을 감을 때도 사용 가능.광섬유로 만들어진 광케이블 같은 것도 있다.
통신선의 경우는 고주파수를 다루다 보니 전선의 특성 임피던스에 대해 고려할 필요가 있다. 전력선의 경우는 일반적인 경우는 큰 상관이 없을 수 있지만 송전거리가 길어지게 되면 전선에서 발생하는 손실이 유의미하게 커지기 때문에 전선의 특성 임피던스를 고려해야 한다.
7. 종류
7.1. 전력선
전원공급을 위한 선. 허용전류, 전기 절연과 내구성 등 안전과 관계된 것이 중요하다.- VCTFK 전선
- VCTF 전선
- SV 전선(≒EVF 전선)
- UL 전선
- CV 전선
- IV 전선
- 에나멜 동선
- 그 외
- 여러가닥의 연동선으로 이루어진 도체를 지님.
- AC 300V 이하에서 사용하는 전선으로 잘 휘는 것이 특징이며, 가정 내에서 가장 흔히 볼 수 있다.
- 여러가닥의 동선으로 이루어진 도체를 지님.
- AC 600V 이하, DC 800V 이하에서 사용하는 전선으로 어느정도는 휘며 AC 380V, AC 440V에서 쓰기 좋아 산업 현장에서 흔히 쓰이는 전선.
- 한가닥의 동선으로 이루어진 도체를 지님.
- AC 600V 이하에서 사용하는 전선으로 내마모성 및 내후성이 뛰어나며 잘 휘지 않는다.
- 굵기가 크게 얇은 것도 존재하며, 얇은 것은 사람 힘으로는 잘 휘지만 전선 자체는 흔들림 등에 잘 휘지 않는다.
- 재질이나 특성에 따른 특정한 전선이 아닌, UL 인증을 받은 전선을 일컫는다.
- 일반적으로 시중에 팔리며 자주 사용되는 UL 전선들은 대체로 일상과 밀접한 전자제품 내에 배선용으로 쓰이는 전선으로, AC 300V 이하에서 사용 가능하며, 여러가닥의 주석도금 연동선으로 이루어진 도체를 지닌다.
- 인증의 종류에 따라 다양한 재질, 다양한 굵기와 다양한 색상, 다양한 특성과 다양한 절연성을 지니기 때문에 종류가 특히 다양하다.
- 여러가닥의 굵은 동선으로 이루어진 도체를 지님.
- 재질의 조합에 따라 다양한 종류가 존재하며(CN/CV-W 등) 그 종류에 따라 사용할 수 있는 전압의 한계가 크게 다르다.
- 일반적으로 전신주 등에서 흔히 볼 수 있는 22.9kV 특고압 전선으로 사용된다.
- 여러가닥의 동선으로 이루어진 도체를 지녔으며, 도체를 비닐로 절연한 것.
- 절연체가 비닐로 되어있어 사용 가능한 전압 한계 대비 두께가 얇은 것이 특징으로 사용처에 따라 내후성, 내열성이 높은 HIV, 연동선으로 이루어져 잘 휘는 KIV 등 여러 종류로 나뉜다.
- 한 가닥의 동선으로 이루어진 도체를 지녔으며, 얇게 에나멜로 코팅하여 절연한 것.
- 굵기가 0.x mm 짜리부터 두꺼운 것까지 다양하게 존재한다.
- 납땜 시 표면의 에나멜 코팅이 녹거나 연소되어 절연성이 파괴되므로 별도의 피복을 제거하는 과정이 필요 없고, 외부에서 힘을 가하지 않으면 휘지 않아 남땜 시 자주 이용된다.
- 일반적으로 납땜 용으로 사용되는 에나멜 동선은 절연도가 높지 않아[17] 저압 회로에서 주로 사용된다.
- CTF, VVR, OW, WCT 등 다양한 사용처에 따라 다양한 전선이 존재한다.
7.2. 통신선
통신을 위한 선. 신호를 손실 없이 전달하는 것이 중요하다.- 트위스트 페어
- 이더넷 케이블
- 전화선
- 음향 케이블
- RF 케이블
- 동축 케이블
- 트윈 리드 케이블
- 트위낵스 케이블
7.3. 단자에 따른 분류
선으로 되어있는 단자만 기재. 그 외의 단자는 단자 참고.7.4. 사용처에 따른 분류
[1]
북미 등 일부 지역에서는 접지선으로 나전선을 사용한다.
[2]
반응성이 높은 금속을 포함하면
리튬이 무게 대비 전도성이 가장 높다.
[3]
Single Wire Earth Return, 한 가닥의 전선으로 송전하고,
접지를 통해 변전소와의 회로를 완성시키는 송전 방식이다. 전달 가능한 전력량이 적으므로 인구밀도가 낮은 곳에서 주로 사용된다.
[4]
2차 세계대전 당시 미국은
맨해튼 프로젝트 등을 진행하며 구리를 구하기 어려운 상황에서 은을 사용하여 전력망을 설치한 사례가 있다. 전쟁 상황이라는 특수성 때문이었기 때문에 전후 전부 회수하였다.
[5]
금은 전선의 소재보다는
PCB나
단자 접촉부에 더 많이 쓰인다. 또한 연성과 전성이 우수하여 매우 가늘게 만들 수 있으므로
집적회로 내부의 미세한 배선에 활용된다. 반도체 제조 공장에서는 톤 단위의 금 실을 보유하고 있는 경우도 있다.
[6]
일반 구리 도체의 경우 내부에 미세한 결정들이 존재하며, 결정 격자간 계면에서 추가적인 저항이 유발된다.
[7]
개인 소비 목적으로 알루미늄 전선이 반드시 필요할 경우
해외 직구를 통하거나 원예용 알루미늄 철사에
수축튜브 등으로 피복을 입혀 DIY 하는 식으로 획득 가능하다.
[8]
일명 '직조선' 혹은 '패브릭 케이블'로 불린다.
[9]
특히 Cat.8 이상
[10]
플라스틱은 열이나 유기용매에 상당히 약하다. 가정용 전선의 경우, 보통 집 철거 하기 전 까지 멀쩡히 쓰는 경우가 대부분 이지만 자동차의 경우 엔진 작동시 생기는 열기, 차량내부는 복사열로 인해 한순간에 70도 까지 치솟기 마련이고 진동이나 각종 케미컬류에 쉽게 노출돼있어(휘발유, 경유, 엔진오일, 부동액, 브레이크오일, 겨울철 염화칼슘) 전선쪽에서 문제가 발생하는 경우가 더러 있다. 정석적인 방법으로는 해당하는 부분의 와이어 하네스를 통짜로 교환하는게 최고지만, 그렇게 하면 수리 비용이 치솟다 못해 경우에 따라 차값을 상회하는 경우도 생겨서 보통은 피복재를 덧 씌우거나 손상된 부분의 전선만 교환하는 방식으로 수리한다.
[11]
특히 태양광 발전에 사용되는 배선의 경우 직사광선에 노출되는 장소에 설치되는 관계로 자외선 내성이 있는 피복만을 사용한다.
[12]
약 0.5067 mm2이다.
[13]
여기서 M은
Si 단위인 Mega(106)가 아니라
로마 숫자 M(1000)이다.
[14]
사람에 따라 도체(Conductor)라고 부르기도 한다. 단, 선심의 경우 전도성의 도체만을 일컫는 것이 아니라 도체와 도체의 피복(절연체)까지를 일컫는다.
[15]
하늘색인 경우도 있다.
[16]
비절연 전선인 경우도 있다.
[17]
약 5MΩ~10MΩ
[18]
전력 전송용
구리 전선 - HVDC, HVAC / 통신용
광섬유 케이블 -
광케이블