저항 측정의 원리와 계측기 선정: 왜 모터 권선과 컨택터는 4-Wire 밀리옴미터로 측정해야 할까?

By WOOAI

2026-10-30 6 Min Read

산업 현장의 설비 보전이나 검사 장비(Test System)를 구축할 때 가장 기본이면서도 가장 빈번하게 측정 오류를 범하는 영역이 바로 저항(Resistance) 측정입니다.

단순히 테스터기(멀티미터)의 프로브 두 개를 대면 끝나는 것처럼 보이지만, 수십 밀리옴( $\text{m}\Omega$ mΩ) 이하의 미세 저항 영역으로 들어가면 이야기가 완전히 달라집니다. 오늘은 저항을 측정하는 근본적인 두 가지 원리부터 2-Wire와 4-Wire(Kelvin) 측정 방식의 결정적 차이, 그리고 정밀 DMM(Digital Multimeter)과 밀리옴미터(Milliohm Meter)를 실무에서 어떻게 구분하여 써야 하는지 알아보겠습니다.

1. 저항을 측정하는 두 가지 기본 원리

저항( $R$ )은 그 자체를 직접 읽을 수 있는 물리량이 아닙니다. 옴의 법칙( $V = I \times R$ )에 기반하여 전압이나 전류를 인가하고, 그에 따른 반응을 측정해 역산해야 합니다.

① 정전압 + 알려진 저항을 이용한 전압분배 방식 (Voltage Divider)

주로 아두이노나 PLC의 아날로그 입력 모듈, 저가형 계측 회로에서 센서(서미스터, 가변저항 등)의 저항값을 읽을 때 사용하는 방식입니다.

Resistance Measurement using Voltage Dividing

동작 원리: 정밀하게 알고 있는 기준 저항( $R_{\text{ref}}$ )과 측정하려는 미지 저항( $R_x$ )을 직렬로 연결한 뒤, 일정한 정전압( $V_{\text{in}}$ )을 인가합니다. 이후 미지 저항 양단에 걸리는 분배 전압( $V_{\text{out}}$ )을 측정하여 저항을 계산합니다. $V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \times \frac{R_x}{R_{\text{ref}} + R_x} \implies R_x = R_{\text{ref}} \times \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}} – V_{\text{out}}}$
장점: 회로 구성이 매우 간단하고 원가가 저렴합니다.
한계점 (비선형성): 수식에서 볼 수 있듯 측정 전압과 저항의 관계가 선형(Linear)이 아닙니다. $R_x$ 와 $R_{\text{ref}}$의 차이가 커질수록 ADC(아날로그-디지털 변환기)의 분해능 손실이 심해져 넓은 범위의 저항을 정밀하게 측정하기 어렵습니다.

② 정전류 인가 방식 (Constant Current Source)

현대적인 모든 계측기(DMM, 저항계)가 채택하고 있는 표준 방식입니다.

동작 원리: 내부의 고정밀 정전류원(Constant Current Source)에서 이미 알고 있는 일정한 전류( $I$ I)를 피측정물( $R_x$ Rx)에 강제로 흘려보냅니다. 그리고 피측정물 양단에서 발생하는 전압 강하( $V$ V)를 측정하여 저항을 구합니다. $R_x = \frac{V}{I}$
장점 (완벽한 선형성): 전류 $I$ I가 상수이므로, 측정되는 전압 $V$ 는 저항 $R_x$ 에 완벽하게 비례(Linear)합니다. 측정 레인지에 따라 인가 전류의 크기만 $1\text{ mA}$ , $10\text{ }\mu\text{A}$ 등으로 정밀하게 스위칭하면 수 $\text{m}\Omega$ 부터 수백 $\text{M}\Omega$ 까지 높은 정밀도로 측정할 수 있습니다.

2. 정전류 방식의 딜레마: 2-Wire vs 4-Wire (Kelvin) 측정

정전류 방식을 사용하더라도 프로브(배선)를 어떻게 연결하느냐에 따라 측정 결과의 신뢰도가 하늘과 땅 차이로 벌어집니다.

① 2-Wire (2단자) 측정 방식의 한계

일반적인 휴대용 멀티미터에서 사용하는 방식입니다. 전류를 흘려보내는 선과 전압을 측정하는 선이 하나의 프로브(2가닥)로 합쳐져 있습니다.

문제점: 정전류 $I$ 가 흐를 때 피측정물( $R_x$ )뿐만 아니라 케이블 자체의 저항( $R_{\text{lead}}$ )과 프로브 끝단이 물체에 닿는 접촉 저항( $R_{\text{contact}}$ )에도 똑같이 전류가 흐릅니다.
결과적으로 계측기 내부의 전압계가 읽는 값은 순수한 $R_x$ 의 전압 강하가 아니라 배선과 접촉부의 전압 강하까지 모두 더해진 값입니다. $R_{\text{measured}} = R_x + 2R_{\text{lead}} + 2R_{\text{contact}}$
측정하려는 저항이 $10\text{ k}\Omega$ 이라면 배선/접촉 저항 $0.2\text{ }\Omega$ 은 무시할 수 있는 수준(오차 $0.002\%$ )입니다. 하지만 측정 대상이 0.1 Ω(100 mΩ)이라면 배선 저항 때문에 측정값이 3배로 튀어버리는 치명적인 불량 판정 오류가 발생합니다.

② 4-Wire (4단자, Kelvin) 측정 방식이 완벽한 이유

이 문제를 근본적으로 해결한 것이 4-Wire(Kelvin) 측정 방식입니다. 전류를 공급하는 라인(Source / Force) 2가닥과 전압을 측정하는 라인(Sense) 2가닥을 물리적으로 완전히 분리하여 총 4가닥을 피측정물에 연결합니다.

핵심 원리: 전압을 측정하는 계측기 내부 전압계(Sense 단자)의 입력 임피던스는 보통 10 GΩ 이상으로 무한대에 가깝습니다.
임피던스가 무한대이므로, 피측정물 양단에서 분기되어 전압계로 들어가는 Sense 라인(Rlead2,Rlead3,Rlead3)과 그 접촉부에는 전류가 거의 흐르지 않습니다(Isense≈0 A).
전류가 $0\text{ A}$이므로 Sense 배선과 접촉 저항에서 발생하는 전압 강하 역시 $V = 0 \times R = 0\text{ V}$가 됩니다.
따라서 전압계는 배선 저항이나 접촉 저항의 영향을 전혀 받지 않고, 오직 피측정물(Rx) 양단에 걸리는 순수한 전압 강하만 정확하게 읽어냅니다.

3. 정밀 벤치탑 DMM의 측정 방식과 강점 (Keysight 34461A, Keithley DMM6500 등)

연구소나 양산 설비 랙에 필수로 들어가는 6.5 디지트(Digit)급 고정밀 벤치탑 DMM(예: Keysight 34461A, Keithley DMM6500)은 전면 패널에 기본으로 2-Wire와 4-Wire 단자를 모두 갖추고 있습니다.

DMM이 높은 정밀도를 구현하는 비결

초고분해능 ADC (24-bit급 이상): 6.5 디지트는 최대 $1,999,999$ 1,999,999 카운트까지 숫자를 쪼개서 읽을 수 있음을 의미합니다. 미세한 전압 변화를 극도로 정밀하게 분해합니다.
NPLC (Number of Power Line Cycles) 적분 측정: 현장의 교류 전원 노이즈( $60\text{ Hz}$ 60 Hz)를 제거하기 위해 전원 주기의 정수배 시간 동안 신호를 적분하여 측정합니다. 이를 통해 노이즈가 섞인 환경에서도 흔들림 없는 값을 얻습니다.
Offset Compensation (오프셋 보상 기능): 서로 다른 금속(구리 리드선과 주석 도금 단자 등)이 맞닿으면 온도 차에 의해 미세한 기전력(열기전력, Seebeck Effect)이 발생합니다. 고급 DMM은 전류를 흘렸을 때와 껐을 때의 전압을 각각 측정하여 빼줌으로써 이 열기전력 오차까지 제거합니다.
최고의 범용성: 저항뿐만 아니라 DC/AC 전압, 전류, 커패시턴스, 온도까지 하나의 장비로 최고 수준의 정밀도로 측정할 수 있어 다채널 스위칭 시스템에 유리합니다.

4. 미세 저항에서 DMM보다 ‘Hioki 밀리옴미터’가 압도적으로 유리한 이유

그렇다면 4-Wire 측정이 가능한 고가의 DMM(34461A 등)이 있는데도, 왜 현장에서는 굳이 Hioki RM3545, RM3548 같은 전용 밀리옴미터(저항계)를 별도로 구매해서 사용할까요?

결론부터 말하면 “인가하는 측정 전류(Test Current)의 크기”와 “계측 목적의 특화성” 때문입니다. Hioki RM3545 고정밀 밀리옴미터, AI generated

Hioki RM3545 고정밀 밀리옴미터. Source: (주)오리온텍

① 측정 전류(Test Current) 스케일의 차이 → SNR(신호 대 잡음비) 확보

벤치탑 DMM (Keysight 34461A 등): 범용 장비이기 때문에 자체 발열을 억제하고 회로를 보호하기 위해 가장 낮은 저항 레인지( $100\text{ }\Omega$ 100 Ω)에서도 최대 $1\text{ mA}$ 1 mA의 아주 작은 정전류만 흘립니다.
밀리옴미터 (Hioki RM3545 등): 미세 저항 전용 장비이므로 낮은 레인지에서 $100\text{ mA}$에서 최대 $1\text{ A}$ 에 달하는 큰 정전류를 흘려보냅니다 (DMM의 100배~1,000배).

실제 계산 비교 (피측정물이 1 mΩ1\text{ m}\Omega1 mΩ일 때):

DMM (1 mA 인가 시): 발생하는 전압 $V = 1\text{ mA} \times 1\text{ m}\Omega = \mathbf{1\text{ }\mu\text{V}}$ (마이크로볼트)

밀리옴미터 (1 A 인가 시): 발생하는 전압 $V = 1\text{ A} \times 1\text{ m}\Omega = \mathbf{1\text{ mV}}$ ( $1,000\text{ }\mu\text{V}$ )

공장 현장에서 $1\text{ }\mu\text{V}$라는 극미세 전압은 주변 인버터 노이즈나 열기전력에 완전히 묻혀버려 측정값이 끝없이 흔들립니다. 반면 밀리옴미터는 $1\text{ A}$를 흘려 신호 크기를 1,000배 키워서( $1\text{ mV}$ ) 받아들이기 때문에 신호 대 잡음비(SNR)가 압도적으로 높아져 소수점 아래까지 흔들림 없는 재현성을 보여줍니다.

② Hioki 밀리옴미터만의 실무 특화 기능 (무엇을 노리고 쓰는가?)

온도 보정 기능 (Temperature Correction, TC): 구리(Copper)는 온도가 $1^\circ\text{C}$ 1∘C 올라갈 때마다 저항이 약 $0.393%$씩 증가합니다. 여름철( $35^\circ\text{C}$ 35∘C)과 겨울철( $10^\circ\text{C}$ 10∘C)에 똑같은 모터를 측정해도 저항값이 약 $10\%$ 10% 가까이 차이 나게 되어 양불 판정이 불가능해집니다. Hioki 저항계는 외부 온도 센서를 연결해 현재 온도를 읽고, 이를 기준 온도(예: 20∘C)일 때의 저항값으로 실시간 자동 환산해 줍니다.
초고속 판정 및 PLC 인터페이스 (EXT I/O): 자동화 라인에서는 택트 타임(Tact Time)이 생명입니다. 밀리옴미터는 수 $\text{ms}$ ms 내에 측정을 완료하고 내장된 비교기(Comparator)를 통해 HI / IN / LO 판정 신호를 별도의 PC 연산 없이 PLC로 즉시 출력합니다.
프로브 접촉 불량 감지 (Contact Check) 및 개방 전압 제한: 4-Wire 핀 중 하나라도 제대로 닿지 않으면 즉시 에러를 띄워 가성 불량을 막고, 민감한 부품 측정을 위해 개방 회로 전압을 $20\text{ mV}$ 이하로 제한하는 로우 파워(Low Power) 모드도 지원합니다.

비교 항목	정밀 벤치탑 DMM (Keysight 34461A 등)	전용 밀리옴미터 (Hioki RM3545 등)
최소 저항 레인지	100 Ω	10 mΩ (최소 분해능 0.01 μΩ)
최대 측정 전류	1 mA	1 A (DMM 대비 1,000배)
미세 저항 재현성	수십 mΩ 이하에서 노이즈에 취약	수 μΩ∼mΩ 영역에서도 완벽한 안정성
온도 보정 (TC)	별도 센서 측정 후 PC에서 수식 연산 필요	전용 온도 프로브 연결 시 기기 자체 자동 보정
주요 용도	다목적 전압/전류/일반 저항 정밀 계측	모터 권선, 릴레이 접점, 웰딩부, 버스바 저항 전용

5. 실무 적용 사례: 왜 현장에서는 반드시 이 원리를 이해해야 하는가?

이론을 넘어 실제 자동화 설비 및 품질 검사 현장에서 왜 2-Wire와 일반 DMM이 실패하는지 두 가지 대표적인 사례를 통해 살펴보겠습니다.

사례 ①: 모터 스테이터(Stator) 검사기의 코일 권선 저항 측정

전기차 구동 모터나 산업용 모터의 스테이터(고정자) 코일은 굵은 구리선으로 감겨 있어 상간 저항이 보통 수 $\text{m}\Omega$ mΩ에서 수백 $\text{m}\Omega$ mΩ에 불과합니다.

모터 스테이터(Stator)의 구리 코일 권선. Source: Bosca78 / Getty Images

2-Wire 측정이 절대 불가능한 이유: 스테이터 자동 검사기는 포고 핀(Pogo Pin)이나 클램프 지그를 이용해 코일 단자에 자동으로 접촉합니다. 설비 내부 제어반에서 지그까지 연결된 수 미터의 케이블 저항만 해도 $100\sim 300\text{ m}\Omega$ 이며, 포고 핀이 코일에 닿을 때의 접촉 저항은 핀의 마모도나 이물질에 따라 매번 수십 $\text{m}\Omega$ mΩ씩 널뛰기를 합니다. 2-Wire로 측정하면 코일 저항을 재는 것이 아니라 지그의 접촉 상태를 재는 꼴이 되어 전량 불량(NG)이 발생합니다.
DMM 대신 밀리옴미터를 써야만 하는 이유:
1. 접촉 저항 제거 및 온도 보정: 4-Wire 지그를 통해 접촉 저항을 완벽히 배제하고, 계절 및 공장 실내 온도에 따라 변하는 구리 코일의 저항값을 Hioki 밀리옴미터의 온도 보정(TC) 기능으로 보정해야만 코일 턴(Turn) 수 불량이나 단선/단락을 잡아낼 수 있습니다.
2. 높은 인덕턴스(Inductance, LLL) 극복: 모터 코일은 거대한 인덕터(코일)입니다. 코일에 전류를 처음 흘리면 역기전력( $V = L \frac{di}{dt}$ )이 발생하여 전류가 즉시 안정화되지 않습니다. 일반 DMM은 약한 전류( $1\text{ mA}$ )와 짧은 대기 시간 때문에 전류가 안정화되기도 전에 전압을 읽어 측정값이 출렁입니다. 반면 밀리옴미터는 강력한 전류 구동 능력과 인덕티브 부하 전용 측정 지연(Delay) 설정을 갖추고 있어 자기장이 포화된 후의 정확한 DC 저항만 깔끔하게 측정합니다.

사례 ②: 마그네틱 컨택터(Contactor) 및 릴레이 접점 저항 측정

배터리 팩의 BDU(Battery Disconnect Unit)나 산업용 분전반에 들어가는 대용량 컨택터/릴레이의 접점 저항은 보통 $1\text{ m}\Omega$ 이하(수백 $\mu\Omega$ )로 관리됩니다.

왜 4-Wire + 밀리옴미터가 필수인가?
1. 초미세 저항 영역: $0.5\text{ m}\Omega$ 수준의 저항은 DMM의 $1\text{ mA}$ 전류로는 아예 측정 자체가 불가능한 영역입니다. 최소 $1\text{ A}$ 이상의 정전류를 흘려주는 밀리옴미터를 사용해야 유효한 숫자를 읽을 수 있습니다.
2. 산화 피막(Oxide Film) 문제: 릴레이나 컨택터 접점 표면에는 공기 중 노출로 인해 눈에 보이지 않는 미세한 산화 피막이나 유막이 형성됩니다. 너무 약한 전류를 흘리면 이 피막에 가로막혀 실제보다 저항이 훨씬 높게 측정되는 오류가 생기거나, 반대로 미세 신호용 릴레이의 경우 너무 높은 전압이 걸리면 피막이 타버리면서(Wetting 현상) 불량 접점이 정상처럼 보이는 착시가 일어납니다. 전용 밀리옴미터는 접점의 종류에 맞춰 대전류 측정 모드와 산화 피막을 파괴하지 않는 저전압(20 mV 제한) 로우 파워 모드를 선택할 수 있어 정확한 접점 수명 및 불량 진단이 가능합니다.