고체에서의 절연파괴

고체에서 절연 파괴를 유도하는 다양한 과정이 있다. 이 대부분의 과정은 유전 물질의 상태와 대기 조건, 습도 같은 전형적인 외부 요소에 의존한다. 

 

내부 절연 파괴 또는 전기적 절연 파괴 : 절연 파괴의 일반적 형태는 전자 사태에 의한 파괴이다. 높은 전계가 있을 때, 유전체의 전도 대역(CB; conducting band)에 있는 자유 전하는 고체 내의 다른 전자와 충돌하거나 이온화할 수 있는 충분한 에너지를 가진다. 전자는 전계의 유전 강도가 가해지고, 거리 d를 이동할 때, 에너지를 얻는다. 에너지가 대역 간극(band-gap)에서 전도 대역(conduction band)으로 여기 된다. 즉, 결합이 끊긴다. 최초의 전자와 방출 전자는 다른 원자와 충돌로 이온화돼 지속적인 전류가 흐르는 전자 사태 효과를 발생한다. 사태 때문에 생긴 초기 전도 전자는 CB에서도 존재하거나, 금속으로부터 CB로 주입된다. 이는 전계에 의해 금속 내의 페르미 에너지로부터 유전체의 CB로 열 방출을 하기 때문이다. 절연 파괴의 이런 행태는 실제적으로 결점이 없는 유전체에서만 접근 가능한 이론적인 한계치를 보일 것이다. 미세구조적 결점은 고유의 절연 파괴에 의한 제한 값보다 낮은 유전 강도를 보인다. MOS 캐패시터에서 실제로 결점이 없는 실리콘 산화막은 고유 절연 파괴를 보일 것이다. 만약 절연 파괴가 전자 사태 효과에 의해 발생하지 않는다면, 절연체 내의 평균 자유 행정이 짧기 때문일 것이다. 다른 절연 파괴 과정은 전계에 의한 방출의 결과로, 높은 전계에서 금속 전극으로부터 절연체로 전자가 무수히 주입되기 때문이다. 어떤 얇은 폴리머 필름에서 짧은 주기 동안에 절연 파괴는 터널링 주입 때문이라고 제안됐다.

 

열적 절연 파괴 : 절연체의 한정적인 전도성은 고체에서 줄(J) 열이 발생됨을 의미한다. 고주파에서, 유전 손실은 정말 중요하다. 예를 들어, 회전하는 쌍극자에 가해진 힘에 의해 행하여진 일은, 전계의 주파수가 증가하는 것만큼 자유 분자의 충돌로 인해 열을 발생시킨다. 유도 손실과 유전 손실은 유전체 내에서 열을 발생시킨다. 이렇게 발생한 열을 다른 물질로 열전도(또는 다른 방법에 의해) 시켜 제거하지 못하면, 유전체의 열은 증가하게 될 것이다. 온도의 증가는 절연체의 전도율을 증가시킨다. 전도율의 증가는 줄 열을 더 많이 발생시키고, 온도가 더욱 증가하게 된다. 열이 충분히 제한 온도 이내로 식혀지지 않으면, 고체의 여러 곳을 통해 방전이 발생할 때까지 온도와 전류가 속히 증가하는 상태가 된다. 시료의 이질성에 의해서 일부 점에서는 열이 급상승하여 녹는 경우도 있고, 물리적 침식과 화학적 부식이 일어나기도 한다. 고온인 지점에서 더 이상 열을 전도하지 못할 만큼 열 전도율이 나쁜 이질성을 가지게 된다. 고온인 지점의 국부적 절연 파괴는 반대의 전극과 연결되는 전도 경로를 만들어 절연 파괴를 시킨다. 그러나 비열은 유전체의 온도를 천천히 올라가게 하고, 절연 파괴 과정에서 온도 상승을 억제한다. 열적 파괴를 일으키는 시간은 발생된 열에 의존한다. 반대로, 절연 강도는 가해준 전계의 존속 시간에 의존한다. 높은 주파수에서, 다양한 세라믹과 유리의 절연 파괴는 열적 절연 파괴에 직접적인 관련을 가지고 있다. 열적 절연 파괴의 특징은 열적 지체, 시간, 온도에 의존한다. 열적 절연 파괴가 유전체의 온도가 증가함에 따라 발생하기 쉬워지는 것은 절연 강도가 온도에 따라 증가함을 의미한다.

 

전기기계적 절연 파괴와 전기 분열(electrofracture) : 반대로 대전된 두 전극 사이에 있는 유전체는, 서로 끌어당기는 압력을 받게 된다. 전압이 증가함에 따라, 압력도 증가하고 유전체는 내부 방향으로 힘을 받게 되고, 두께 d는 더 작아진다. 압력의 증가는 절연체의 탄성과 균형을 맞추어 새로운 작은 두께를 가지게 된다. 그러나, 탄성 계수가 충분히 작으면 압력은 고체만의 탄성으로 균형을 잡게 되어 다음과 같은 이유로 전기기계적 탈주가 생긴다. d가 감소함에 따라 좀 더 센 전계를 가지계 되고 전극에는 더 많은 전하가 있게 된다. 이로 인해 더 많은 압력을 받게 되고, d가 더욱 감소하며, 유전체는 압력으로 인해 플라스틱처럼 되어 흐르게 된다. 결과적으로 절연이 파괴된다. 더욱이, d가 작아져서 유전 강도는 증가하고, 이로 인해 줄 열과 유전 손실 열을 발생하게 되어 온도를 증가시키고, 탄성 계수를 낮추며 점성을 가지게 된다. 열은 기계적인 안정도에 나쁜 영향을 미치게 된다. 유전체가 기계적으로 변형하는 동안, 전계는 열적 절연 파괴 전계로 도달하게 될 가능성이 있고, 이 경우는 유전체 파괴가 기계적 변형에 의해 시작되는 기계적 절연 파괴 과정이 나리다. 또 다른 가능성은 유전체 내부의 비균질 내부의 내부 압력에 의해 틈에서 유전 파괴가 발생하기 시작하여 성장한다는 것이다. 예를 들어 불완전하거나 작은 공동은 전단 응력과 큰 국부장을 받는다. 큰 전단 응력과 큰 국부장에 의한 효과는 틈을 만들고 기계적 유전 파괴를 일으킨다. 이 과정을 전기 분열(eletrofracture)이라고 부른다. 어떤 플라스틱 폴리머는 전기기계적 절연 파괴라는 큰 약점을 가지고 특별히 온도를 낮추기 위해 노력해야 한다.

 

내부 방전 : 미세한 공동, 틈, 흠이 있는 유전체에서 부분 방전이 발생하는데, 대기상태에서 낮은 절연 강도를 가지게 한다. 예를 들어 공동이 있는 세라믹에 가해진 전계가 충분히 크면 부분 방전을 일으킨다. 빈 공간에서 방전 전류는 교류 상태에서 쉽게 나타난다. 이는 교류 상태에서 파괴 과정의 형태로 가혹한 상황을 설명해 준다. 초기의, 공동의 크기(또는 공동의 개수)는 작으므로, 부분 방전은 별로 중요하지 않을 것이다. 그러나 시간에 따라 부분 방전은 절연체를 녹이게 되고 쉽게 화학적 변형을 일으켜서 결과적으로 나무 형태의 방전은 부분 방전으로 유전체를 부식시킴으로써 나타난다. 고전압이 걸릴 때 유전체와 내부 도체와의 표면에서 작은 공간이 생긴다. 부분 방전에 의한 침식은 나무가 가지를 뻗는 것과 같다. 이 "나뭇가지"를 침식 통로(다양한 크기의 속이 빈 필라멘트)이고 이 통로에서 기체 방전이 발생해 동작하는 동안 전도 통로를 형성한다. 

 고전압 동축 케이블의 경우 유전체는 대부분 폴리머이다.. 폴리에틸렌(PE)은 인기 있는 폴리머 중의 하나이다. 전계는 안쪽 도체의 표면에서 최대이고, 이것이 표면에서 전기 나뭇가지 침식이 일어나는 이유이다. 전기 나뭇가지는 물질적으로 절연체의 외부와 내부 도체를 둘러싸고 있는 덮개나 반도체 폴리머 층에 의해 제어된다. 유동성을 좋게 하기 위해 내부 도체는 종종 다중심화 하고 꼰다. 절연체를 끌어내기 위한 압축 공정 때문에 반도체 폴리며 외장은 부도체에 결합된다. 그러므로 실제적으로 절연체와 반도체 외장과의 표면에 작은 공간은 없다. 게다가 이 반도체 폴리머 외장은 전극의 일부분이 될 수 있을 정도로 충분히 전도적이다. 도체와 주변의 반도체는 대충 같은 전압을 갖는다. 이는 반도체와 도체의 접촉면에 절연 파괴가 없음을 의미한다. 케이블을 보호하기 위해 일반적으로 바깥 피복이 있다.

 

절연 노화 : 작동하는 동안 절연 물질의 속성이 감소하고 결과적으로 절연 파괴가 새 유전체에서 실험적으로 측정되는 값보다 낮은 전계에서 발생한다. 노화는 일반적으로 도체 특성이 사라지는 것으로 묘사된다. 그러므로 노화는 절연체의 수명을 결정한다. 절연체의 속성이나 특성에 직접적, 간접적으로 영향을 기치는 요소가 많이 있다. 전계가 가해지지 않아도 절연체의 물리적, 화학적 특성이 상당히 변화하므로 절연체에 물리적, 화학적 노화를 발생시킨다. 온도와 기계적인 응력 진동을 조건으로 하는 절연체는 위에서 언급한 대로 구조적인 결점인 미소 균열이 유전 세기게 큰 영향을 준다. X-선과 같은 이온 발광에 의한 조사는 심한 습도, 오존, 많은 다른 외부 조건과 같은 나쁜 환경 조건에 노출되어 있다. 다양한 과정에 의해 절연체의 화학적인 구조와 특성을 감소시킨다. 이는 세라믹보다 폴리머가 더 심하다. 그렇지만 동축 전력 케이블에 고체 세라믹 절연체를 쓰지 않는다. 폴리머 절연체의 시간에 따른 산화는 다른 형태의 화학적 노화이고, 절연 특성을 감소시키는 것으로 잘 알려져 있다. 이는 절연체에 사용되는 반도체 세라믹에 다양한 반산화제를 첨가하는 이유이다. 화학적 노화 과정은 온도에 따라 가속된다. 절연체는 절연 특성이 전계에 의해 전기적 노화가 발생한다. 예를 들어서 직류장은 구조 내에서 다양한 이온을 수송하거나 분리할 수 있고, 절연체의 구조와 특성을 변화시킨다. 전기 나무는 전기 노화에 의한 것이고, 교류 전계는 내부나 표면의 작은 공동에서 계속적인 부분 방전을 일으킨다. 이는 그 주변을 침식시키고, 나무 가지처럼 부식시킨다. 잘 만들어진 절연체에선 전기 나무화는 미세 공간에 의해 조건적으로 감소시키거나 제거될 수 있다. 현재 유행하는 전기 노화의 형태는 수목화(water treeing)이고, 이는 마침내 전기 나무화로 나타낸다. 소목의 정의는 광학 현미경으로 볼 때, 물이나 액체 전해질을 포함하는 작은 수백 만개의 미세 공간으로 이루어진 산란된 무성한 다발의 형태이다. 이는 습기가 있는 곳에서 항상 발생하고 부도체이다. 이는 그 자체가 직접적인 방전을 하지 않는다는 것을 뜻한다.

 

외부 노화 : 많은 습기, 오염원의 증착, 먼지, 얼룩 등의 주위 환경에 의해 절연체의 표면이 오염되는 많은 예가 있다. 결과적으로 오염된 표면은 절연기의 일반적 절연 파괴의 강도 아래에서 전계에 의해 전극 간의 방전을 하도록 충분한 전도성을 가지고 있다. 이처럼 절연체의 표면 전체에서 유전 파괴의 형태는 표면 추적(surface tracking)이라고 한다. 절연 파괴의 종류는 많이 있다. 파괴를 일으키는 원인은 물질의 속성과 품질뿐만 아니라 작동 상태, 환경 등이 있다. 파괴전계와 파괴되는 시간과의 관계는, 짧은 시간 동안 큰 전계를 견딜 수 있는 절연체에 전계가 존재하는 기간을 길게 하면 더 낮은 전계에서도 파괴를 일으킨다. 파괴 과정은 열에 의한 변화처럼 내부로부터 절연 파괴가 며칠 동안 계속될 때, 유전체의 속성을 나쁘게 하고 결과적으로 전기 나무처럼 파괴를 일으킨다. 주어진 물질에 대해 절연 파괴 과정을 명확히 아는 것은 가능하지 않다.