고체 절연물질의 절연파괴(Breakdown of soild insulating materials)-낮은 전계 강도에서의 대전 캐리어

절연 시스템에 있어서 고체 절연 물질은 기술적인 측면에서 반드시 필요한데 가장 큰 이유 중 하나는 역학적으로 전극 또는 다른 부분들을 지탱하기 때문이다. 각각의 물질을 은 다른 성질들을 갖게 된다. 자연적 또는 인위적 합성을 통해 얻어지는 무기농과 유기농 물질들의 해당하는 것은 polyethylene(PE) 또는 epoxy resin(EP) 몰딩(mouldings) 등이 있다.

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고체 절연 물질의 적용에 앞서 선행되어야 하는 조건은 충분한 전계 강도가 필요하다는 것이며 대부분의 장치들은 전열 파괴 없이 높은 응력에서 오랜 시간 동안(몇 십 년 정도)를 견뎌내야 한다.

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전열 물질의 전계강도에 있어서 가장 중요한 요인은 온도이다. 다시 말하자면, 열의 생성과 온도의 분배는 매우 중요한 고려 사항이며 열 절연파괴(thermal break down※추후에 이야기하려 한다)을 이해 함에 있어서 특히 더 중요하다. 또한 고체 절연 시스템에서의 부분방전도 절연 파괴로 이끌 수 있기 때문에 이 부분 또한 신경 써야 한다.

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낮은 전계 강도에서의 대전 캐리어 (Charge carriers at low field strength)

자유 대전 캐리어(free charge carriers)는 고체의 절연체에서 양(+)이 온 음(-)이 온 그리고 전자(electron)로써 존재할 수 있다. 한 개의 이온을 단순화 시켜볼 때 전류 밀도(S)를 가스에 관해 유도할 수 있다.

$\overrightharpoonup{S}=\left(n_ib_iq_i+n_eb_ee\right)\overrightharpoonup{E}=k\overrightharpoonup{E}$S=(ni​bi​qi​+ne​be​e)E=kE​

$with$with​

$k=k_i+k_e$k=ki​+ke​​

$n,e\ :\ density$n,e : density​

$b:\ mobility$b: mobility​

$q:\ ch\arg e$q: charge​

$k:\ specific\ conductivity$k: specific conductivity​

절연 액체(insulating liquid)에서는 제품의 노쇠화나 전해질 불순물로부터 분리로 인해 형성된 이온들의 움직임 때문에 전도체는 이온화 상태이다. 이온화 격자와 있는 물질 안에서는, 더 높은 온도에서 열로 인해 활성화된 격자 이온들이 존재하여야 한다. 구체적인 전도율 k_i(specific conductivity)에 상응하는 부분이 이온 분리 그리고 mobility의 증가 때문에 강력하게 온도와 함께 증가한다. 수식은 다음과 같이 표현된다.

$k_i=Ae^{-\frac{W}{kT}}$ki​=Ae−WkT​​

$W:\ thermal\ activity\ energy$W: thermal activity energy​

$k:\ the\ Boltzmann\ cons\tan t$k: the Boltzmann constant​

$T:absolute\ temperature$T:absolute temperature​

$A:\ a\ proportionality\ factor$A: a proportionality factor​

Polyethylene 같은 크리스털 또는 크리스털 라인의 물질에서 발견되는 d.c. 전도율(conductivity)는 대부분 전자 전도(electron conduction)에 의해서 발생한다. 절연체 안에서, 전자들(electrons)의 허용 에너지 레벨(the permitted energy level)은 다음과 같이 나타내어지며 밴드 모델을(band model) 일 기반으로 하고 있다.

a)의 ideal insulation에서는 금지대(a forbidden zone) 의 eV 단위의 너비 △W 전자대(V: valence band)와 전도대(L: conduction band)사이에 존재한다. 전도대 L 에는 자유전자는 존자하지 않고 전도율(the conductivity)는 0이다.

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외부의 원자의 존재로 인한 격자 구조의 변동에 의해서 b)에서 보이는 것과 같이 전자들이 금지대의 트랩 H에 이주 될 가능성이 증가한다. 그리고 이 트랩 H는 전도대 바로 아랫부분에 존재한다. 이 부분으로부터 단일 전자들은 금지되를 다 가로지를 필요 없이 약간의 이동경로만을 이용하여 금지대로 이동할 수 있다.

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이 내부의 전계 방출(터널 효과)를 통해서 전도대의 존재하는 전자의수가 주목할 만하게 게 증가한다. 그리고 심지어 실온에서도 전자의 개수가 증가됨을 목격할 수 있다 (전기적 전도율이 증가됨).

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하지만, 매우 높은 퀄리티의 전자 전도 절연 물질에서는, 눈의 띌 만하게 많은 수의 전자들이 종종 열에 의해 활성화되는 것보다 전하 전송에 참여하는 듯한 모습이 보인다.

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결론적으로 말하면, 전자들은 또한 전극으로부터 외부의 전계 방사(external field emission)에 의해서 고체의 절연체로 주입될 수 있다. 그러나, 몇몇의 전자들은 최종적으로 전류 밀도를 억제하는 공간전하를 유발한다.

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출처:D. Kind, High-Voltage Insulation Technology. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2011.