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전기재료기초전기재료에서 유전재료는 절연재료에 포함되는 것이나 사용목적에 따라 구분하고 있다.
절연재료중에서 분극현상을 활용하는 콘덴서의 유전체로 사용하는 절연재료를 특별히 유전재료라고 한다. 전도도에 따른 전기재료의 분류는 다음과같다.
절연재료의 분류 및 기본특성| 무기 절연재료 | 기체 | 질소,SF6개스 | 절연파괴전압은 파셴의 법칙이 적용된다 |
|---|---|---|---|
| 액체 | 광물유 | 가연성,산화가 잘된다 | |
| 식물유 | 유기고분자와 적합성이 좋아 콘덴서에 사용된다 | ||
| 합성유 | 대부분의 절연유가 합성유이며 가연성이고 공해물질도 있다 | ||
| 고체 | 절연지, 유리섬유, 세라믹,자기,마이카, 고무 등 |
절연재료와 유전재료로 광범위하게 사용된다 |
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| 유기 절연재료 | 쇄상 화합물 |
파라핀계(포화화합물) | 분자구조가 사슬모양, 첨가제를 넣어 구조를 망상으로 병형시키는 것을 가교라고 한다 |
| 올레핀계(불포화화합물) | |||
환상 화합물 |
포화 나프텐계 | 분자구조가 환형, 불포화물은 탄소가 2중이나 3중 결합이어서 다른 화합물과의 결합이 쉽다 | |
| 불포화 나프텐계 |
전기 절연유의 특성비교| 특성 | 변압기유 | 케이블유 | 콘덴서유 | Askarels (P.C.B일종) |
실리콘유 |
|---|---|---|---|---|---|
| B.D.V (KV) 2.5mm Gap |
150 | 300 | 200 | 200-250 | 300-400 |
| 유전율 | 2.2-2.3 | 2.3-2.6 | 2.1 | 4.8 | 2-73 |
| 손실(%), 60Hz | 0.1 | 0.2 | 0.025 | 0.06 | 0.1 |
| 체적저항 (Ohm-cm) |
E12-E13 | E12-E13 | E13-E14 | 2E12 | 3E14 |
| 비중(20C) | 0.89 |
0.93 |
0.88-0.89 |
1.4 |
1.0-1.1 |
| 점도(20C) cStokes |
30 | 30 | 30 | 100-150 | 10-1000 |
| 굴절율 | 1.4820 | 1.4700 | 1.4740 | 1.6000 | 1.5500 |
| 열팽창(/deg) | 7E-4 | 7E-4 | 7E-4 | 7E-4 | 5E-4 |
| 허용수분함유율 (ppm) | 50 | 50 | 50 | 30 이하 | 30 이하 |
분자의 화학결합 [이온결합]
알칼리 금속(K, Na, Li)과 할로겐 원소(F,치, Br)의 결합형태로 양이온과 음이온이 쿨롱력으로 결합된 분자이다.[공유결합]
원자간의 전자를 공유하여 결합된 분자이다. C-H결합, 다이야몬드, 반도체의 결합형태이다.[금속결합]
자유전자에 의한 공유결합이며 전기 및 열의 양도체이다.[수소결합]
두개의 음이온이 수소이온에 의하여 결합된 특수한 분자로 H2O, H2S, 단백질분자의 결합형태이다.[반 델 왈스 결합(Van der Waals 결합)]
불활성 개스(He, Ne)의 극저온에서의 결합형태로 중성원자간에 작용하는 반 델 왈스력으로 결합한다. 결정 및 격자진동, 격자 결정에는 정(수정, 실리콘, 다이야몬드 등)과 다결정, 비결정(유리, 고무, 고분자 유기물)이 있으며 결정구조에 따라 전기적, 기계적특성이 달라진다. 유기고분자재료에서는 결정구조의 중량비를 결정화도라고 하며 결정화도가 을수록 전기적 내압성능이 좋아진다. 필름콘덴서의 가장 중요한 유전체인 Polypropylene Film의 결정화도는 60∼65 % 이다.격자진동이란 열에너지에 의하여 결정체중의 원자가 진동하는 것을 말한다. 고체가 소리를 잘 전달할수 있는 것은 음파가 격자진동에 의하여 전달되기 때문이다. 격자결함이란 정원자가 규칙정연하게 배열되지 못하고 불완전하게 구성된 결정구조를 하며 불순물, 전이, 원자동공, 격자간의 원자구조 등이 있다.
분극의 종류분극이란 전계에 의하여 전하량이 재배치 또는 변위되는 현상을 말하며 유전율이 것은 분극이 많이 형성된다는 의미이다. 분극의 종류에는 전자분극, 이온분극, 배향분극 (쌍극자 분극), 계면분극(공간전하분극)이 있다. 계면분극은 이종 유전체간의 경계면에서 일어나는 현상으로 유전체 내부의 분극현상과 차이가 있다. 분극현상은 주파수와 밀접한 관계가 있다. 가청주파수(20KHz)대를 넘으면 계면분극현상은 소멸되고, 배향분극은 무선주파수, 이온분극은 적외선, 전자분극은 자외선대에서 소멸된다.
유전완화현상분극현상의 시간 의존성을 말한다. 전압을 인가하거나 제거할때 인가나 제거순간에 분극이 형성,소멸되는 것이 아니고 일정한 시간이 지난후에 현상이 완료된다.유전완화시간은 온도가 높을수록 짧아진다.전자분극이나 이온분극은 유전완화시간이 극히 짧고, 배향분극이나 계면분극의 완화시간은 상대적으로 길다.유전체에 전압을 인가하면 순간적으로 높은전류가 흐르다가(전자,이온분극에 의한 순시충전전류), 지수함수적으로 감소하면서(배향, 계면분극에 의한 유전 수전류) 일정시간후에 일정값에 이르게 된다. 일정시간후의 전류값이 설전류이다. 절연저항 측정시 전압인가후 1분후의 값을 기준으로 하는것도 이 때문이다.유전체 손실도 유전완화현상에 의한 것이다.
전압인가시의 시간에 따른 분극도는 다음과 같다.
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윗
식에서 보는바와 같이 전압인가 순간(t=0)에는 분극도가 최고치에서
시간이 경과함에 따라 지수함수적으로 감소하게 되는 것이다.
열화현상 및 원인모든 전기,전자제품의 수명은 결국 재료의 수명에 달려 있으며 특히 절연재료의 열화로 인한 절연파괴에 의하여 수명을 다하게된다. 전기절연재료의 열화요인은 온도, 전압, 전류,압력, 진동, 습기, 화학작용, 방사선 등이다. 이러한 요인중 영향이 가장큰 열 열화와 전기적 열화, 방사선 열화에 대하여 설명한다.
열 열화 : 온도가 증가하면 누설전류가 증가하여 산화 분해 반응속도가 빨라진다. 유기절연재료의 경우 염소분자가 존재하면 산화를 동반한 열분해가 빠르게 진행된다. 전기적 열화는 부분방전 열화, Tracking 열화, Treeing 열화, 아크 열화로 구분한다. 부분방전 열화 : 전기적 취약부분에(공극, 불순물, 전극의 뾰족한 부위) 전계가 집중되어 부분방전이 발생되면서 열화가 진행되는 현상을 말한다
Tracking 열화 : 재료표면에 수분, 염분, 불순물 등이 부착되어 누설전류가 흐르면서 탄화도전로가 형성되어 절연파괴에 이르는 열화을 말한다. 내트래킹 성능을 향상시키기 하여 SIO2 나 알루미나 분말을 첨가하기도 한다.
Treeing 열화 : 유기고분자 재료의 국부적인 장소에 전계가 집중되어 나뭇가지 모양의 방전흔적을 형성하면서 절연파괴로 진전되는 열화을 말한다. 직류, 임펄스, 교류전압 순으로 전이 잘 일어나며 산소원자를 갖지 않은 재료(PP, PE 등)는 수소개스가 발생하고, 산소원자를 함유한 재료(에폭시, 아크릴 등)는 물이 검출된다.
아크 열화 : 아크 방전에 의하여 열분해가 일어나면서 탄화물이 생성되어 절연파괴가 발생되는 현상으로 탄소원자를 함유하는 고분자 재료에서 많이 발생한다.
방사선 열화 ; 유기 고분자재료에 사선을 쪼이면 분자간에 가교나 분해를 일으켜 열화되는 현상을 하며 내부 산소원자의 확산이 원인인 것으로 알려지고 있다.
고체 절연재료의 절연파괴 현상기체나 액체
절연재료는 순간적으로 절연파괴가 일어나도 복귀하는 것이 일반적이나
고체절연 재료는 복귀되지 않는 특성이 있다. 정상적인 고체 절연체에
전압을 가하면 저전계 영역에서는 옴의 법칙이 적용되나 고전계 영역에서는
전류가 급격히 증가되어 절연파괴에 이르게 된다. 온도가 상승할수록
전류증가치가 높아지며 전류 -온도 특성은
아레니우스(Arrenius)
식에 따른다.
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H : 재료의
활성화 에너지 |
고체 절연재료의 요인별 특징을 살펴보면 다음과 같다
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EO : t=∞에서의 괴전압, a : 재료정수 |
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충격전압 및 교류전압 인가시 : 유전율과 B.D.V값을 곱한 값이 낮은 유전체가 먼저 파괴된다. 즉, ε1G1＞ε2G2 이면 유전체2가 먼저 파괴된다.
직류전압 인가시 : 도전율과 B.D.V값을 곱한 값이 낮은 유전체가 먼저 절연파괴된다.
위의 내용을 잘 응용하면 복합유전체의 전위경도를 설계할때 많은 도움이 될것이다.
전극재료 필름콘덴서의 전극재료로는 Al, Zn, Cu 가 있으나 대부분 알미늄과 아연이 주로 사용된다. 알미늄은 얇은 쉬트(5∼10㎛)형태로 고압콘덴서의 전극으로 사용하고 아연은 증착필름 콘덴서의 전극으로 사용하고 있다. 증착이란 유전체필름위에 아연분자를 용융접착 시켜 전극과 유전체를 일체화시킨 형태로 대부분의 전기,전자기기용콘덴서가 증착필름콘덴서이다.
증착전극의 께는 100∼200옴스트롱 정도로 전극두께를 무시할수 있어 제품을 소형화 시킬수 있고 자기회복기능을 발휘하는 독특한 특성이 있다.
자기회복(self-healing)기능이란 유전체절연파괴가 일어나도 파괴부위의 전극이 아크열에 의하여 증발되면서 절연성능을 회복하는 기능이다.
[Al 과 Zn의 장단점 비교]
| 전극 종류 | 장 점 | 단 점 | 기 타 |
|---|---|---|---|
| 알미늄 전극 | 보관기간이 상대적으로 길다 | 산화가 되면 Al2O3 (절연체)가 되면서 전극으로의 기능을 상실한다.시간의 경과에 따른 용량감소율이 크다. | ※ 요즈음은 아연과 알미늄의 장점을 살리기 위하여 혼합증착방법이 일반적이다. (아연 95%,알미늄 5%내외) |
| 아연 전극 | 산화가 되어도 ZnO(반도체)형태로 전극의 능을 유지한다 | 습기와 반응을 잘하여 보관기간이 짧다. Zn(OH) |
증착 기술은 아연이 상대적으로 쉬우나 흡착에너지를 이기 위하여 구리나 은을 먼저 증착한후 전극재료를 증착한다. 1개의 원자는 104개의 아연 원자를 집결시킬수 있다.
일부 사용조건이 엄격한 특수용도의 콘덴서에서는 종이에 양면 증착한 것을 전극으로 사용하고 있으며 이것을 Soggy foil이라고 한다. Soggy foil의 장점은 방열성이 우수하여 악조건에서도 양호한 성능을 발휘하는 점이며 단점은 가격이 비싸다는 점이다.
참고로 전해콘덴서용 알미늄 쉬트의 두께는 20㎛정도이다. 실제로 5㎛정도의 두께가 어느정도인지 실감하기가 어려울 것이다. 가정에서 식품포장에 쓰이는 쿠킹 호일의 두께가 100㎛정도라는 것을 생각하면 어느정도 짐작이 되리라 믿는다.
유전재료[플라스틱 필름]
필름콘덴서의
유전체로는 콘덴서지와 고분자 플라스틱 필름을 사용한다. 현재 유전체로
사용되는 필름의 종류 및 특성을 사용량의 순서대로 분류하면 다음과
| 유전체 필름종류 | 비유전율 | B.D.V (VDC/mil) | 최고 허용온도 | 비 고 |
|---|---|---|---|---|
| polypropylene(PP) | 2.2 | 14,750 | 105 | 1.mil =1/1,000 inch =25.4 ㎛ 2. 필름 두께 1.0∼20㎛ |
| polyester(PET) | 3.3 | 13,250 | 85 | |
| polycarbonate(PC) | 3.0 | 4,500 | 125 | |
| polyphenylene sulfide(PPS) |
3.0 | 9,000 | 200 | |
| teflon(PTFE) | 2.1 | 7,400 | 200 |
윗 표에서의 비유전율이나 B.D.V 값은 상온, 상용주파수에서의 값이며 온도나 주파수범위가 변하면 특성도 다소 변한다는 사실을 알아야 한다. 제품제조 현장에서는 제품의 용도나 사용조건, 가격에 따라 적합한 유전체를 선택한다. 일반적인 범용 콘덴서에서는 PP가 80%, PET가 20% 정도로 대부분을 차지하고 있다. 특히 절연내력이 뛰어난 PP필름은 고압진상용 콘덴서의 주요 유전체이다. PP필름도 제품의 용도에 따라 plain type 과 rough type(필름 표면이 거칠어 절연유가 쉽게 스며들도록 한 것) 으로 구분되며 현장에서는 중요한 고려사항이다. 표면 거칠기는 SIO2 등 첨가제를 사용하여 조절이 가능하며 거친 정도에 따라 두께와 중량, 내전압성에 영향을 주게된다. 한 내용은 설계 및 제조기술 항목을 참조 바란다.
[콘덴서지]
콘덴서용 유전체로 사용되는 종이는 일반 종이와 달리 제조과정에서 특수처리를 하여 셀로로즈 점유율에 따라 밀도를 틀리게하여 유전율을 조절한다. 즈 점유율이 높을수록 밀도가 높아지며 유전율도 높다. 반면에 유전체 손실이 높아 손실에 의한 내부발열이 심해진다. 고분자 필름의 유전체 자체손실은 0.2% 이하로 무시할 정도이나 종이 유전체는 밀도에 라 1%까지 높으므로 무시할 수가 없다. 콘덴서지는 자체 제조공정 과정중 건조방식에 따라 air-dry type 과 bone-dry type 으로 구분되며 air-dry type 의 수분함유율이 높다. 콘덴서지는 필름에 비하여 불순물이 많이 포함되어 있고 내전압성도 떨어지나 절연유 흡수로 인한 공극(air void)을 제거하여 부분방전을 방지하는 효과가 뛰어나 써지전압에 대한 내력이 우수하다.
:분극평형치
