[1999] 공간 전하의 산업적 응용(Industrial Application of Space Charge Measurement in Japan)

  절연체의 내부적 공간 전하 현상은 깊게 고려해봐야 할 문제 중 하나이며 공간 전하를 측정하는 방법에 관한 우수한 결과들이 현재 많이 나타나 있다(thermal pulse, thermal step, pressure wave propagation, laser-induce pressure pulse, and pulsed electroacoustic, etc). 국제 학회인 Lage High Voltage Electric System (CIGRE)에 맞춰서 새로운 공간 전하 측정 방식을 표준화하는 작업은 지속적으로 요구되어 왔다.  

  케이블의 절연에 관해서 지속적인 연구적 관심이 유지되는 동안, 광학 장비(optical devices), 정전기 방지(anti static), medical 재료 등의 새로운 물질에 관한 관심이 증가하게 되었다.

  일본에서 PEA(Pulsed Electroacoustic) 방식은 절연 물질(dielectric materials)에서 공간 전하를 측정하는 흔한 방식 중 하나이다. Figure 1은 PEA 측정 방식에 포함되는 test electrode의 모습이다. Pulsed-electroacoustic (PEA)의 방식이 공간 전하를 포함하는 샘플에 적용된다면, 공간 전하의 갑작스러운 움직임(movement)이 acoustic wave를 생성하며 이러한 wave는 샘플에서 전파된다(propagate). 전극(electrode) 아래 위치한 Piezoelectric sensor는 acoustic wave를 전기적(electri signals)로 변환하며 이는 oscilloscope에 의해 측정된다. 신호의 강도(amplitude of signal)는 전하 밀도(charge density)와 관련이 있으며 그리고 시간적 지연(delay)은 전극에서의 거리를 의미한다. 이러한 방식을 이용하여 내부 공간 전하의 분포를 확인할 수 있다. 

  기본적인 전극(electrodes)의 설치는 Figure 2에서 처럼 나타난다. 상부 전극 유닛은 High Voltage(HV: 고전압) 전극과 고 주파 신호(high frequency signals)의 반사를 예방하는 임피던스 회로로 구성되어 있다. 측정과 DC bias 전압을 위한 HV 펄스는 커플링 캐패시터를 이용함으로써 적용가능하다. 하부의 전극(lower electrode)에 위치한 piezoelectric sensor와 amplifier는 shielding box에 의해 동봉되어 있다. 또 다른 amplifier는 상업적으로 설치된다.

  Figure 3는 5kV의 전압이 0.2mm 두께의 polystyrene(PS)에 적용된 심플한 예를 보여주며 내부의 공간 전하는 존재하지 않는다. 전계(electric field)와 potential 분포는 관측된 전하 분포와 Poisson's equation을 통해 쉽게 계산 된다. 비록 PEA Space charge measurement가 많은 종류의 polymers에 적용 가능하더라도, 80%의 연구들이 polyethylen과 polyethelen-based-materials에 관해서 이야기한다. 이러한 현상에 관한 이유 중 하나는, 이에 관한 연구들이 전력 회사나 케이블 제조업 회사로부터 연구 지원을 받기 때문일 것이다. 이러한 회사들은 대학 연구기관에 공간 전하의 측정을 문의함으로써 자회사의 DC power cable의 성능을 향상하기를 원한다. DC cable은 이러한 기술을 적용함에 있어서 산업적 적용의 아주 좋은 예이다. 그러나, 일본에서의 DC 고전압 케이블은 실망스럽게도 약한 편이다. 현재, 공간 전하에 관련된 주제는 polyethylene 분야에서 점진적으로 기본적인 원리에 집중을 하며 반대로 실제 제품 개발에는 낮은 연관성을 보인다.

  케이블 절연에서 공간 전하의 지속적인 관심이 최근 새로운 물질을 사용함으로써 다시 재조명되고 있으며 이와 관련된 물질을은 광학 장비(optical device), 정전기 방지 제품(antistatic products), 그리고 medical material 등이 이에 해당된다. 

 

PROGRESS OF THE PEA METHOD IN JAPAN

  1985년 일본에서 PEA method가 개발된 이후, 이 방식은 공간 전하를 측정하는 가장 흔한 방식으로 자리매김 했다. 많은 연구자들이 Figure 5에서 보이는 것처럼 많은 분야에 관해서 연구 성과를 달성해왔다. PEA 기술에서 resolution의 역할을 매우 중요한데, 특히 공간 전하 측정에서 강도 해상도(magnitude resolution)와 공간적 해상도(spatial resolution)의 역할이 매우 중요하다. 추가적으로, 공간 전하 측정 반복 속도 또한 중요하게 여겨진다. 해상도(resolution)는 전체적인 측정 시스템의 신호-노이즈 비율(signal to noise ratio)에 의해서 결정되기 때문에, 외부와 내부 모두에서 노이즈를 반드시 줄여야 한다(외부: 펄스 생성기로부터 유도된 노이즈/ 내부: amplifier의 열적 노이즈). 해상도 향상과 관련돼서 추가로 이야기하자면, 추가적인 기능들이 특정한 목적으로 개발되었는데, 고 전압 응용, 온도 조절, lightning unit, 소프트 웨어들이 이에 해당된다. 

IMPROVEMENT OF THE PEA METHOD

Resolution in the Thickness Direction of a Specimen

  샘플의 두께 방향에서 공간적 해상도 (acoustic 신호와 평행하는 해상도)는 acoustic signal의 넓이를 줄임으로써 향상될 수 있다. Acoustic wave가 펄스 전계(pulse electric field)의 적용으로 생성되었을때, 적용된 전계 시간에서의 길이는 나노 sec 단위로 짧아야 한다. 추가로, acoustic wave는 piezoelectric sensor에 의해 감지되며, 이 piezoelectic에 사용되는 재료는 매우 얇아야 한다. 공간적 해상도는 처음 약 100um정도이며 1994년에 5um까지 향상되었으며 최신 값은 2um이다(1999년 연구 페이퍼임). 이러한 결과들은 증발된 piezoelectric sensor를 사용함으로써 가능해졌다.

 

Resolution in the Surface Direction of a Specimen

  공간 전하의 3D 측정에서, 샘플의 표면 방향이 또한 결정된다. 처음 3D 측정은 작은 전극을 기계적으로 이동시킴으로써 수행되었으며 이를 통해 해상도가 전극의 면적에 의존적임을 확인하였다. 1996년도의 이 면적은 약 1mm^2였으며 당시 표면 해상도는 약 1mm였다. 새로운 3D PEA 시스템에서 Acoustic lens 방식은 1998년에 도입되었으며, 압력 wave propagation 방식을 사용하는 유사한 방법이 존재한다. 최근 3D PEA시스템에서 옆 측면의 해상도는 약 100um이고 해상도 깊이는 5um이다.

 

Time Resolution

  PEA measurement는 아마도 높은 반복 비율과 함께 반복되는데 이는 신호의 평균값을 목적으로 하며 변화 현상을 관측하기 위함이다. 기존의 mercury switch를 사용했을때, 신호를 매 400ms마다 측정이 가능하다. Ouput 신호의 간극은 20um까지 향상되며 이는 펄스 생서기를 위한 fast semiconductor switch를 사용함으로써 가능해진다. 따라서, 공간 전하의 빠른 변화의 진화과정을 측정 가능하게 한다. AC electric field조건하의 공간 전하는 처음 phase-resolving 시스템을 통해 측정되었으며 이는 적용된 전압의 주기에서 20개의 서로 다른 phase angle에서의 profile을 측정한다. AC field 조건에서 공간 전하 profile은 전력 주파수에서 현재 직접적으로 측정이 가능하다.

 

Signal-to-Noise Ratio

  최소 전하 밀도(minimum charge density)는 약 0.1C/m3정도를 측정할 수 있으며 이 값은 noise 감소 레벨에 의존적이다. 비록, 이는 오직 하나의 전기적 전하/10^11원자에 상응하더라도, 몇몇의 전하들은 1mm의 두께와 약 5kV/mm의 전계를 왜곡시킬 수 있다.

 

VARIOUS ARRANGEMENTS OF THE PEA METHOD HIGH-VOLTAGE SYSTEM

High Voltage System

  1994년 절연 파괴 테스트가 550kV에서 달성될 동안 고 전압 케이블의 공간 전하 측정이 Figure 6에서 처럼 새로운 방식에 의해 개발되었다. 샘플은 XLPE calbe이며 3mm 두께의 절연체를 가지고 있다. 이 테스트 동안, 전하 무리(cluster)들이 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 것이 목격되었으며 이를 packet charge라고 부른다. 고 전계 조건에서 종이 샘플의 사용을 통한 많은 방식들로 전하의 특성을 확인할 수 있다. 그리고, 이러한 현상들은 절연 파괴와 관련된다고 고려된다. 추가적으로, Figure 7에서 처럼 아주 큰 전극들이 설치되었으며 이는 약 150kV의 고전압에서 테스트되었다.

  

 

High Temperature Systems

  Polymer (mobility and trap site)의 절연적 특성은 온도에 의존적이다. 따라서, 다양한 온도에 따라서 공간 전하의 특성을 측정하는 것은 매우 가치 있는 일로 고려된다. 종이 샘플에 관련해서, Figure 8에서 처럼 실리콘 오일 bath에서의 테스트 전극은 샘플을 가열하기 위해 사용된다. Current transformer가 파워 케이블의 ageing 조건과 동일한 조건에서 케이블의 측정을 위해 사용되었다. 기본적인 전극 세팅은 보통의 환경적 chamber에 배치될 수 있게 되었으며 이 실험은 70℃ 그리고 85% RH에서 수행되었다. Tape 또는 Band 히터는 샘플의 조사를 위함이다.

 

Lightning Unit

  실제 기능적 polymer들 사이에서, photoconductive 재료들은 복사기들, 그리고 새로운 electroluminescent display에 많이 사용된다.  이러한 제품들의 제조 공장들인 제품들이 발광에 노출되었을 때의 내부 공간 전하를 측정하고 싶어 해 왔다. 이를 성취하기 위해서, 개선된 전극을 이용하여 photoconductor가 측정되며 이때 사용된 전극은 상부에 창문이 전구와 함께 존재하며 이때 전구는 빛을 내뿜은 역할을 한다. 최근, 광학(optical fiber)은 요구된 파장의 가시광선의 제공을 위해 사용되고 있다.

 

User Interface

  PEA 시스템의 output 신호들은 반드시 디콘 볼루션(deconvolution) 과정을 거쳐 공간 전하 profile로 변환시켜야 한다. 이러한 수학적 분석은 초기에 복잡하다고 여겨졌다. 하지만 소프트웨어의 발전을 통해, 공간 전하 profile로의 변환이 매우 단순화되었다. 지난 몇 년 동안, 이러한 소프트웨어의 발전으로 인해, 공간 전하, 전계, 그리고 potential profile을 실시간으로 측정이 가능하게 되었다. 또한 공간 전하 측정에 관한 소프트웨어의 User Interface 또한 매우 크게 발전되어 사용자들이 쉽게 접근할 수 있게 되었다. 

 

PEA in Conjunction with Other Measurements

  위의 언급된 개선된 방법들은 오직 공간 전하 측정에 관한 이야기들이다. PEA 방식은 비-파괴적이기 때문에, 이러한 방식은 샘플을 다른 분석적 방식에 추가 적용하여 더 많은 정보의 획득을 가능하게 해 준다. 전하 이동과 관련돼서, 공간 전하의 측정 과정 동안, 전도 전류를 측정할 수 있다. Thermally Stimulated Current 또한 이와 관련해서 오랫동안 연구되어 왔으며 이를 통해 TSC와 공간 전하의 비교가 가능해졌다. 추가적으로 전기적 특성과 관련해서, 화학적 그리고 물리적 분석 (X-ray microanalysis) 또한 내부 공간 전하의 원점을 찾는데 유용하게 이용된다.

EXAMPLES OF INDUSTRIAL APPLICATIONS OF SPACE CHARGE MEASUREMENT

 

Epoxy Resins for Electronic and High-Voltage Insulation

  Figure 9에서 처럼 전기적 회로가 저 전압(low voltage)에서 운용되더라도, 얇은 절연체 내부에는 아주 강한 전계(strong electric field)의 존재가 가능하다. 좋은 절연 수행 능력이 비용의 절감을 위해서라도 반드시 필요한 부분이다. 절연체의 좋은 퀄리티를 유지하는 것은 매우 중요한데, 예를 들어 epoxy resin(에폭시 레신)은 많은 수의 이온 불순물을 함유하고 있으며 이는 크로마토그래피(chromatography: 색층 분석법)를 통해 확인 가능하다. 에폭시 레슨은 1kV/mm이하의 전계에서 사용되며 높은 습도와 높은 온도에서 운용된다. 만약 절연체가 20um보다 얇을 경우 (반도체의 경우), 전계의 조건에서 PEA 측정 방식의 제한된 해상도로 인해서 공간 전하 프로필을 관측하는 것은 매우 어렵다. 하지만, 전력 장비의 경우에는, 많은 종류의 절연체들이 존재하며 150um두께에서는 공간 전하가 쉽게 측정된다. 추가적으로 전기적 장비에서 절연체는 주요 연구대상이 아니지만, 이와 반대로 고 전압(high voltage)에서는 절연체는 주요 연구대상으로 여겨진다. 다시 말하자면, 고 전압에서 절연체에 존재하게 되는 공간 전하의 관한 연구와 관련된 시장은 앞으로 매우 증가 될 가능성이 높다.

  Figure 10은 PWB에서 구리 이온의 이동을 보여준다. 에폭시 레신은 고 전압 장비에서 매우 중요한 절연 재료인데, 오직 몇몇의 연구자들만이 내부 공간 전하의 관해서 측정을 했다. 에폭시 레신이 높은 농도의 충전재로 사용되기 때문에, 처음에 acoustic signal이 왜곡현상을 겪게 될 것이라고 생각되어 왔다. 하지만, 예상과는 다르게, 매우 선명한 공간 전하 프로필이 측정되었다. 이러한 최근 연구가 누설하는 점은, 충전재와 수분이 에폭시 레신에 있어서 공간 전하 이동에 영향을 미치는 요인이라는 것이다. 같은 현상에 관한 연구가 기존의 절연 테스트 방법을 통해 이루어졌다. Gas-insulated switchgear는 두꺼운 에폭시 레신에서의 공간 전하의 관한 연구가 막 시작되었다(1999년 페이퍼).

Space Charge Related To Electrostatic Discharge

  정전기적(electrostatic) 현상은 공간 전하(space charge)와 매우 밀접하게 연관되어 있다. 특히, polyvinyl chloride(PVC) 같은 몇몇은 플라스틱 종이들은 상당히 높은 표면 potential 측정값을 보여주며 정전기적 방전(electrostatic discharge, ESD)은 이러한 물질들에서 쉽게 일어나는 편이다. 

  만약 전하(charges)들이 오직 표면에만 축적된다면 (충전의 경우), ionizer를 이용해 이러한 전하들이 제거 가능하며 ionizer는 축전된 전하에 이온들을 공급함으로써 재결합(recombination)을 강화시킨다. 만얀 전하들이 polymer 내부에 축적된다면, 이는 쉽게 줄어들기 어렵다. Figure 11은 PVC 판의 전하 프로필에 모습을 보여준다. 음극 내부 전하들이 초기에 한쪽 방향에서 목격되며 그 지점은 표면으로부터 약 100um 정도 떨어진 거리이다. 그러고 나서, 양극 전하들이 두 전극 표면에 유도된다. 샘플의 표면이 사포(sandpaper)로 제거되었을 때, 다양한 깊이에서의 공간 전하의 프로필이 Figure 11에서 처럼 나타날 수 있다. 이러한 결과가 보여주는 점은, 공정 기간 동안 초기 공간 전하가 polymer내부에 축적되면, 이는 안정화되며 즉, 표면의 potential이 유지됨으로써 EDS(정전기적 방전)이 쉽게 일어날 가능성이 높아진다. 

  잘 알려져 있듯이, ESD는 전기 회로에서 많은 문제들을 일으키는데, 이는 많은 전기 제품들의 고장이나 오작동을 일으킨다. Figure 12는 새로운 anti-static polymer(500um)이 2kV에 적용되었을 때의 공간 전하 프로필의 모습을 보여준다.

  에폭시 접착제는 딱딱하게 굳어지는 과정에서 전하(charges)를 생성하는 모습이 목격되었다. 양(+) 극 전하들은 딱딱하게 굳어지는 상황에서 생성되지만, 굳어진 이후에 공간 전하의 변화는 비행동적이다. 

 

CONCLUSION

  이 페이퍼에서는 PEA method를 이용하여 공간 전하의 측정이 산업에서 어떻게 이루어지는지를 소개했다. 절연체로 사용되는 재료들은 공간 전하에 의해서 영향을 받을 뿐만 아니라, 새로운 기능의 polymer 또한 내부 전하에 영향을 미친다. 공간 전하를 측정하는 사용자들은 적합한 실험 조건을 달성하기 위해 많은 연구들을 해왔으며 이는 다양한 재료에 적용되어 왔다. 일본에서는 현재, 공간 전하에 관한 연구들이 계속해서 확장되어 가고 있고 또한 아직도 많은 재료들이 공간 전하에 관해서 연구되어야 한다. 

 

출처:

[1] F. Kaori, “Industrial applications of space charge measurement in Japan.” IEEE Electrical Insulation Magazine, 1999.