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열폭주

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1. 개요

열폭주는 온도 상승으로 반응 속도가 증가하고, 이로 인해 온도가 더욱 상승하여 반응 속도가 급증하는 현상으로, 화학 공학, 전자 공학, 배터리, 천체물리학 등 다양한 분야에서 발생한다. 화학 공학에서는 제어 불능 상태의 발열 반응을 의미하며, 냉각 시스템 고장, 믹서 고장 등이 원인이 되어 폭발 사고를 일으킬 수 있다. 전자 공학에서는 전류 쏠림 현상으로 인해 전자 부품이 과열되어 고장을 일으킬 수 있으며, 배터리에서는 리튬 이온 배터리 등의 열폭주로 인해 화재나 폭발이 발생할 수 있다. 천체물리학에서는 별 내부의 핵융합 반응이 폭주하며 발생하는 현상으로, 헬륨 섬광, 신성, X선 폭발, 초신성 등이 있다.

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열폭주
지도 정보
기본 정보
용어열폭주
영어thermal runaway
일본어熱暴走 (ねつぼうそう)
정의
정의온도가 증가함에 따라 발생하는 발열 과정의 제어 불능 상태
원인양의 열 피드백
온도 증가에 따른 반응 속도 증가
원리
메커니즘온도가 증가하면 반응 속도가 증가하고, 이는 다시 온도를 증가시키는 순환 과정
추가 설명발열 반응에서 열이 충분히 제거되지 않으면 온도 증가가 가속화됨.
특정 온도에서 열 발생률이 열 제거율을 초과하면 열폭주가 발생함.
발생 분야
발생 분야화학 공정
배터리
반도체 장치
전기 회로
화학 공정
화학 반응발열 반응
중합 반응
화학 반응기 폭주
배터리
리튬 이온 배터리과충전
단락
내부 저항에 의한 열 발생
추가 설명: 리튬 이온 배터리에서 열폭주는 화재 및 폭발의 원인이 될 수 있음
반도체
반도체 소자트랜지스터
다이오드
전력 반도체
전기 회로
전기 회로전류 과다 흐름
과도한 발열
결과
결과폭발
화재
장비 손상
환경 오염
예방
예방 방법온도 제어 시스템
냉각 시스템
안전 장치
과충전 방지 회로
품질 관리
추가 설명
중요성열폭주는 시스템의 안전성과 신뢰성을 위협할 수 있음.
열폭주를 방지하기 위한 적절한 대책을 마련하는 것이 중요함.

2. 화학 공학

화학 공학에서 열폭주를 포함하는 화학 반응은 '''열폭발'''이라고도 하며, 유기화학에서는 '''급격한 반응'''이라고 한다. 이는 발열 반응이 통제 불능 상태에 이르는 과정으로, 온도 상승으로 인해 반응 속도가 증가하고, 이로 인해 온도가 더욱 상승하여 반응 속도가 급격히 증가하는 현상이다.[1] 프랑크-카메네츠키 이론은 열폭발에 대한 단순화된 해석 모델을 제공하며, 연쇄 분지는 반응 속도의 급격한 증가로 인해 온도가 급상승할 수 있는 추가적인 양성 피드백 메커니즘이다.

화학 반응은 엔탈피 변화에 따라 발열 반응 또는 흡열 반응으로 나뉘며, 많은 반응이 고도로 발열적이므로, 여러 산업 규모 및 정유 공장 공정에서 열폭주의 위험이 어느 정도 존재한다.

열폭주는 반응 혼합물의 초기 우발적인 과열 후 고온에서 시작되는 원치 않는 발열 부반응이나 반응기 용기의 냉각 시스템 고장, 믹서 고장으로 인한 국부적인 가열, 유체 반응기에서 국부적인 혼합 불량으로 인해 열폭주 조건이 발생하는 열점 형성, 장비 부품 설치 오류 등으로 인해 발생할 수 있다.

대규모로는 실험실 규모에서처럼 "모든 시약을 주입하고 혼합하는" 것은 안전하지 않다. 반응량은 용기 크기의 세제곱에 비례하고(V ∝ r³), 열전달 면적은 크기의 제곱에 비례하기 때문이다(A ∝ r²). 따라서 열 생산 대 면적 비율은 크기에 비례하며(V/A ∝ r), 실험실에서 쉽게 빠르게 냉각될 수 있는 반응은 톤 규모에서는 위험하게 자체 가열될 수 있다.

일부 실험실 반응은 위험한 열폭주가 발생하기 쉬우므로 극한의 냉각 조건에서 수행해야 한다.

2. 1. 산업 재해

화학 공학에서 열폭주를 포함하는 화학 반응은 '''열폭발'''이라고도 하며, 유기화학에서는 '''급격한 반응'''이라고 한다. 이는 발열 반응이 통제 불능 상태에 이르는 과정으로, 온도 상승으로 인해 반응 속도가 증가하고, 이로 인해 온도가 더욱 상승하여 반응 속도가 급격히 증가하는 현상이다. 이는 산업 재해의 주요 원인이 되었는데, 특히 다음과 같은 사례가 있다.

  • 1947년 배의 화물칸에 있던 과열된 질산암모늄으로 인한 텍사스시티 참사[1]
  • 1976년 킹스린(King's Lynn)의 건조기에서 졸레인(dinitolmide|zoalene)이 폭발한 사건[1]


프랑크-카메네츠키 이론(Frank-Kamenetskii theory)은 열폭발에 대한 단순화된 해석 모델을 제공한다. 연쇄 분지는 반응 속도의 급격한 증가로 인해 온도가 급상승할 수 있는 추가적인 양성 피드백 메커니즘이다.

많은 산업 규모 및 정유 공장 공정에서 열폭주의 위험이 어느 정도 존재한다. 여기에는 수소화분해, 수소첨가, 알킬화(SN2), 산화, 금속화, 친핵성 방향족 치환이 포함된다. 예를 들어 사이클로헥산을 사이클로헥산올과 사이클로헥사논으로, 그리고 오르토-자일렌을 프탈산 무수물로 산화하는 과정에서 반응 제어에 실패하면 치명적인 폭발로 이어질 수 있다.

열폭주는 반응 혼합물의 초기 우발적인 과열 후 고온에서 시작되는 원치 않는 발열 부반응으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 시나리오는 세베소 참사의 원인이었다. 열폭주로 인해 반응 온도가 상승하여 의도된 2,4,5-트리클로로페놀 외에도 독성이 있는 2,3,7,8-테트라클로로디벤조-''p''-다이옥신이 생성되었고, 반응기의 파열 디스크가 파열된 후 환경으로 배출되었다.[2]

열폭주는 대부분 반응기 용기의 냉각 시스템 고장으로 인해 발생한다. 믹서 고장은 국부적인 가열을 초래하여 열폭주를 시작할 수 있다. 마찬가지로, 유체 반응기에서 국부적인 혼합 불량으로 인해 열폭주 조건이 발생하는 열점이 형성되어 반응기 내용물과 촉매의 격렬한 분출을 일으킨다. 장비 부품 설치 오류도 일반적인 원인이다. 많은 화학 생산 시설은 이러한 사고 발생 시 부상 및 재산 피해의 범위를 제한하기 위한 대용량 비상 배출 시스템으로 설계되어 있다.

대규모로는 실험실 규모에서처럼 "모든 시약을 주입하고 혼합하는" 것은 안전하지 않다. 이는 반응량이 용기 크기의 세제곱에 비례하고(V ∝ r³), 열전달 면적은 크기의 제곱에 비례하기 때문이다(A ∝ r²). 따라서 열 생산 대 면적 비율은 크기에 비례한다(V/A ∝ r). 따라서 실험실에서 쉽게 빠르게 냉각될 수 있는 반응은 톤 규모에서는 위험하게 자체 가열될 수 있다. 2007년, 이러한 잘못된 절차로 인해 금속 나트륨을 사용하여 메틸사이클로펜타디엔을 금속화하는 데 사용되는 반응기가 폭발하여 4명이 사망하고 반응기 일부가 떨어진 곳까지 날아갔다.[3][4] 따라서 열폭주가 발생하기 쉬운 산업 규모의 반응은 사용 가능한 냉각 용량에 해당하는 속도로 한 가지 시약을 첨가하여 제어하는 것이 좋다.

2. 2. 반응 제어

화학 반응은 엔탈피 변화에 따라 발열 반응 또는 흡열 반응으로 나뉜다. 많은 반응이 고도로 발열적이므로, 여러 산업 규모 및 정유 공장 공정에서 열폭주의 위험이 어느 정도 존재한다. 여기에는 수소화분해, 수소첨가, 알킬화(SN2), 산화, 금속화, 친핵성 방향족 치환이 포함된다. 예를 들어 사이클로헥산을 사이클로헥산올과 사이클로헥사논으로, 그리고 오르토-자일렌을 프탈산 무수물로 산화하는 과정에서 반응 제어에 실패하면 치명적인 폭발로 이어질 수 있다.[1]

열폭주는 대부분 반응기 용기의 냉각 시스템 고장으로 인해 발생한다. 믹서 고장은 국부적인 가열을 초래하여 열폭주를 시작할 수 있다. 마찬가지로, 유체 반응기에서 국부적인 혼합 불량으로 인해 열폭주 조건이 발생하는 열점이 형성되어 반응기 내용물과 촉매의 격렬한 분출을 일으킨다. 장비 부품 설치 오류도 일반적인 원인이다. 많은 화학 생산 시설은 이러한 사고 발생 시 부상 및 재산 피해의 범위를 제한하기 위한 대용량 비상 배출 시스템으로 설계되어 있다.[1]

대규모로는 실험실 규모에서처럼 "모든 시약을 주입하고 혼합하는" 것은 안전하지 않다. 이는 반응량이 용기 크기의 세제곱에 비례하고(V ∝ r³), 열전달 면적은 크기의 제곱에 비례하기 때문이다(A ∝ r²). 따라서 열 생산 대 면적 비율은 크기에 비례한다(V/A ∝ r). 즉, 실험실에서 쉽게 빠르게 냉각될 수 있는 반응은 톤 규모에서는 위험하게 자체 가열될 수 있다. 2007년, 이러한 잘못된 절차로 인해 금속 나트륨을 사용하여 메틸사이클로펜타디엔을 금속화하는 데 사용되는 반응기가 폭발하여 4명이 사망하고 반응기 일부가 멀리 떨어진 곳까지 날아갔다.[3][4] 따라서 열폭주가 발생하기 쉬운 산업 규모의 반응은 사용 가능한 냉각 용량에 해당하는 속도로 한 가지 시약을 첨가하여 제어하는 것이 좋다.

일부 실험실 반응은 위험한 열폭주가 발생하기 쉬우므로 극한의 냉각 조건에서 수행해야 한다. 예를 들어, 스웨른 산화에서 술포늄 클로라이드의 형성은 냉각 시스템(−30 °C)에서 수행해야 한다. 상온에서 반응은 폭발적인 열폭주를 일으키기 때문이다.[4]

2. 3. 반응기 설계

화학 반응은 엔탈피 변화에 따라 발열 반응 또는 흡열 반응으로 나뉜다. 많은 반응이 고도로 발열적이므로, 여러 산업 규모 및 정유 공장 공정에서 열폭주의 위험이 어느 정도 존재한다. 여기에는 수소화분해, 수소첨가, 알킬화(SN2), 산화, 금속화, 친핵성 방향족 치환이 포함된다. 예를 들어 사이클로헥산을 사이클로헥산올과 사이클로헥사논으로, 그리고 오르토-자일렌을 프탈산 무수물로 산화하는 과정에서 반응 제어에 실패하면 치명적인 폭발로 이어질 수 있다.

열폭주는 대부분 반응기 용기의 냉각 시스템 고장으로 인해 발생한다. 믹서 고장은 국부적인 가열을 초래하여 열폭주를 시작할 수 있다. 마찬가지로, 유체 반응기에서 국부적인 혼합 불량으로 인해 열폭주 조건이 발생하는 열점이 형성되어 반응기 내용물과 촉매의 격렬한 분출을 일으킨다. 장비 부품 설치 오류도 일반적인 원인이다. 많은 화학 생산 시설은 이러한 사고 발생 시 부상 및 재산 피해의 범위를 제한하기 위한 대용량 비상 배출 시스템으로 설계되어 있다.

대규모로는 실험실 규모에서처럼 "모든 시약을 주입하고 혼합하는" 것은 안전하지 않다. 이는 반응량이 용기 크기의 세제곱에 비례하고(V ∝ r³), 열전달 면적은 크기의 제곱에 비례하기 때문이다(A ∝ r²). 따라서 열 생산 대 면적 비율은 크기에 비례한다(V/A ∝ r). 따라서 실험실에서 쉽게 빠르게 냉각될 수 있는 반응은 톤 규모에서는 위험하게 자체 가열될 수 있다. 2007년, 이러한 잘못된 절차로 인해 금속 나트륨을 사용하여 메틸사이클로펜타디엔을 금속화하는 데 사용되는 반응기가 폭발하여 4명이 사망하고 반응기 일부가 약 121.92m 떨어진 곳까지 날아갔다.[3][4] 따라서 열폭주가 발생하기 쉬운 산업 규모의 반응은 사용 가능한 냉각 용량에 해당하는 속도로 한 가지 시약을 첨가하여 제어하는 것이 좋다.

일부 실험실 반응은 위험한 열폭주가 발생하기 쉬우므로 극한의 냉각 조건에서 수행해야 한다. 예를 들어, 스웨른 산화에서 술포늄 클로라이드의 형성은 -30°C 냉각 시스템에서 수행해야 한다. 상온에서 반응은 폭발적인 열폭주를 일으키기 때문이다.[4]

3. 전자 공학

일부 전자 부품은 내부 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하거나(비선형 저항의 경우) 트리거 전압이 낮아지는 특성을 보인다. 회로 조건으로 인해 이러한 상황에서 전류 흐름이 현저하게 증가하면, 증가된 전력 소비는 줄 열에 의해 온도를 더욱 높일 수 있다. 이는 악순환 또는 양의 피드백 효과를 일으켜, 때로는 전기 폭발이나 화재와 같은 고장을 일으킬 수 있다.[25] 이러한 위험을 방지하기 위해 잘 설계된 전자 시스템에는 일반적으로 열 퓨즈, 회로 차단기 또는 PTC 전류 제한기와 같은 전류 제한 보호 기능이 포함된다.

많은 전자 회로에는 열 폭주를 방지하기 위한 특별한 조치가 포함되어 있다. 이는 고출력 출력 단계의 트랜지스터 바이어싱 배열에서 가장 자주 볼 수 있다. 그러나 장비가 설계된 주변 온도보다 높은 온도에서 사용되는 경우, 고온 환경이나 공기 냉각 통풍구가 막히는 등의 상황에서 열 폭주가 발생할 수 있다.[25]

1980년대까지는 열 파괴(에 의한 고장)도 열폭주라고 불리는 경우가 있었지만, 이는 열에 의한 소자 자체의 파괴가 아니므로 별개의 현상이다. 현재의 집적회로는 온도 에이징에 의해 이러한 결함이 포함된 제품을 제거하고 있으며, 이러한 고장이 허용되지 않는 장치에서는 회로가 항온조에 놓이거나, 동작과 관계없이 발열과 냉각이 일정 온도에서 균형 상태가 되도록 설계되어 있다.[25]

변형 실리콘 기술은 실리콘과 게르마늄의 합금에서 전자의 이동 속도를 빠르게 하는 기술이지만, 게르마늄은 온도에 민감하여 온도가 상승하면 회로 정수가 변화하여 정상적인 기능을 상실할 우려가 있다. 따라서 변형 실리콘 기술을 사용한 집적회로는 비교적 저온에서 작동하도록 회로 상에 온도 센서를 다수 배치하거나, 매우 강력한 냉각 장치를 병용하는 경우가 많다.[25]

3. 1. 전류 쏠림 현상

일부 전자 부품은 내부 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하거나(비선형 저항의 경우) 트리거 전압이 낮아진다. 회로 조건으로 인해 이러한 상황에서 전류 흐름이 현저하게 증가하면, 증가된 전력 소비는 줄 열에 의해 온도를 더욱 높일 수 있다. 더 큰 전류를 처리하기 위해 회로 설계자는 여러 개의 저용량 장치(예: 트랜지스터, 다이오드 또는 MOV)를 병렬로 연결할 수 있다. 이 기법은 잘 작동할 수 있지만, 전류가 모든 장치에 고르게 분배되지 않는 '''전류 쏠림'''이라는 현상에 취약하다. 일반적으로 한 장치의 저항이 약간 낮아 더 많은 전류를 소비하여 다른 장치보다 더 많이 가열되고, 그 결과 저항이 더 떨어진다. 전기 부하는 단일 장치로 집중되어 빠르게 고장난다. 따라서 장치 배열은 가장 약한 구성 요소보다 더 강력하지 않을 수 있다.

전류 쏠림 효과는 각 병렬 장치의 특성을 신중하게 일치시키거나 다른 설계 기법을 사용하여 전기 부하의 균형을 맞춤으로써 줄일 수 있다. 그러나 극한 조건에서 부하 균형을 유지하는 것은 간단하지 않을 수 있다. 전기 저항의 고유한 양의 온도 계수(PTC)를 가진 장치는 전류 쏠림에 덜 취약하지만, 열 방산이 불량하거나 다른 문제로 인해 열 폭주가 여전히 발생할 수 있다.

3. 2. 반도체

일부 전자 부품은 내부 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하거나 트리거 전압이 낮아지는 특성이 있다. 이러한 상황에서 전류 흐름이 크게 증가하면, 줄 열에 의해 온도가 더욱 높아지는 열폭주 현상이 발생할 수 있다. 이는 악순환을 일으켜 전기 폭발이나 화재와 같은 고장을 일으킬 수 있다.

실리콘은 160°C까지는 전기 저항이 온도에 따라 증가하다가 그 이상부터는 감소하기 시작하고, 용융점에 도달하면 더욱 급격히 감소하는 특이한 특성을 보인다. 이는 반도체 접합 내부 영역에서 열폭주 현상으로 이어질 수 있다. 이 임계 온도 이상으로 가열된 영역에서는 저항이 감소하여 더 많은 전류가 과열된 영역을 통해 흐르게 되고, 이는 주변 영역과 비교하여 더 많은 가열을 야기하여 온도가 더욱 증가하고 저항이 더욱 감소하게 된다. 이는 전류 집중 현상과 전류 필라멘트 형성으로 이어지며, 많은 반도체 접합 고장의 근본적인 원인 중 하나이다.[25]

바이폴라 트랜지스터는 온도 상승에 따라 전기전도성이 증가하는 성질(음의 온도계수를 가짐)을 가지고 있다. 따라서 적절한 처리를 하지 않고 사용하는 경우, 온도 상승이 발생하면 더 큰 전류가 흘러 더욱 온도를 높여 소자가 파손될 수 있다.

집적회로 제조 기술이 미숙했던 1980년대까지는 열 파괴(에 의한 고장)도 열폭주라고 불리는 경우가 있었지만, 이는 열에 의한 소자 자체의 파괴가 아니므로 별개의 현상이다.

현재의 집적회로는 온도 에이징에 의해 이러한 결함이 포함된 제품을 제거하고 있으며, 이러한 고장이 허용되지 않는 장치에서는 회로가 항온조에 놓이거나, 동작과 관계없이 발열과 냉각이 일정 온도에서 균형 상태가 되도록 설계되어 있다.[25]

변형 실리콘 기술은 결정 격자의 크기가 다른 실리콘과 게르마늄의 합금에 의해 전자의 이동 속도를 가속하는 기술이지만, 게르마늄은 온도에 민감하여 온도가 상승하면 회로 정수가 변화하여 정상적인 기능을 상실할 우려가 있다. 따라서 변형 실리콘 기술을 사용한 집적회로는 비교적 저온에서 작동하도록 회로 상에 온도 센서를 다수 배치하거나, 매우 강력한 냉각 장치를 병용하는 경우가 많다.[25]

3. 3. 바이폴라 접합 트랜지스터 (BJT)

누설 전류(누설 전류)는 온도가 증가함에 따라 바이폴라 트랜지스터(특히 저마늄 기반 바이폴라 트랜지스터)에서 크게 증가한다. 회로 설계에 따라 이러한 누설 전류의 증가는 트랜지스터를 통과하는 전류를 증가시키고, 따라서 전력 소산을 증가시켜 컬렉터-에미터 누설 전류를 더욱 증가시킨다. 이는 AB급 증폭기의 푸시풀 단계에서 자주 관찰된다. 풀업 및 풀다운 트랜지스터가 바이어스되어 실온에서 최소한의 크로스오버 왜곡을 갖도록 설정되고 바이어스가 온도 보상되지 않으면, 온도가 상승함에 따라 두 트랜지스터 모두 점점 더 바이어스되어 전류와 전력이 더욱 증가하여 결국 하나 또는 두 장치 모두 파손될 수 있다.[25]

열 폭주를 방지하기 위한 방법은 다음과 같다.

  • BJT의 동작점을 Vce ≤ 1/2 Vcc가 되도록 유지한다.
  • 열 피드백 감지 트랜지스터 또는 기타 장치를 방열판에 장착하여 크로스오버 바이어스 전압을 제어한다. 출력 트랜지스터가 가열됨에 따라 열 피드백 트랜지스터도 가열된다. 이는 열 피드백 트랜지스터가 약간 낮은 전압에서 턴온되도록 하여 크로스오버 바이어스 전압을 낮추고 출력 트랜지스터에서 소산되는 열을 줄인다.


여러 BJT 트랜지스터가 병렬로 연결된 경우(고전류 애플리케이션에서 일반적임) 전류 독점 문제가 발생할 수 있다. 이러한 BJT의 취약성을 제어하기 위해 특별한 조치를 취해야 한다.

(효과적으로 많은 작은 트랜지스터가 병렬로 구성된) 전력 트랜지스터에서는 트랜지스터의 서로 다른 부분 간에 전류 독점이 발생하여 트랜지스터의 한 부분이 다른 부분보다 더 가열될 수 있다. 이를 세컨드 브레이크다운이라고 하며, 평균 접합 온도가 안전한 수준인 것처럼 보여도 트랜지스터 파손을 초래할 수 있다.

3. 4. 전력 MOSFET

전력 MOSFET은 온도가 올라가면 온저항이 증가하는 특성이 있다. 특정 상황에서 이 저항에서 발생하는 전력은 접합부의 온도를 더욱 높여 양의 피드백 루프를 만든다. 결과적으로 전력 MOSFET은 안정적인 동작 영역과 불안정한 동작 영역을 갖는다.[5] 그러나 온도가 올라감에 따라 온저항이 증가하는 특성은 여러 MOSFET이 병렬로 연결되었을 때 전류가 균등하게 흐르도록 돕기 때문에, 전류 쏠림 현상은 발생하지 않는다. MOSFET 트랜지스터가 히트싱크가 처리할 수 있는 것보다 더 많은 열을 발생시키면, 열폭주로 인해 트랜지스터가 손상될 수 있다. 트랜지스터 다이와 히트싱크 사이의 열 저항을 낮추면 이 문제를 어느 정도 해결할 수 있다. 열 설계 전력도 참고할 수 있다.

3. 5. 금속 산화물 바리스터 (MOV)

금속 산화물 바리스터(MOV)는 일반적으로 가열됨에 따라 저항이 낮아지는 특성을 가지고 있다. 전압 서지로부터 보호하기 위해 AC 또는 DC 전원 버스에 직접 연결하여 사용하는 경우가 많은데, 이 경우 트리거 전압이 낮아진 MOV는 치명적인 열폭주 상태에 빠질 수 있으며, 심하면 소규모 폭발이나 화재로 이어질 수 있다.[6] 이러한 사고를 방지하기 위해 일반적으로 열 퓨즈, 회로 차단기 또는 기타 전류 제한 장치를 사용하여 결함 전류를 제한한다.

3. 6. 탄탈럼 커패시터

탄탈럼 커패시터는 특정 조건에서 열폭주로 인해 스스로 파괴될 수 있다. 이 커패시터는 보통 소결탄탈럼 스펀지를 양극으로, 이산화망간을 음극으로 사용하며, 탄탈럼 스펀지 표면에 양극 산화 방식으로 생성된 산화탄탈럼 유전체 층으로 구성된다.

탄탈럼 산화물 층에 약한 부분이 있으면 전압 스파이크 중에 유전 파괴가 발생할 수 있다. 이로 인해 탄탈럼 스펀지가 이산화망간과 직접 접촉하게 되고, 누설 전류가 증가하여 국부적인 발열이 일어난다. 보통은 흡열 화학 반응을 통해 산화망간(III)을 생성하고 탄탈럼 산화물 유전체 층을 재생시키는 자가 치유가 일어난다.

그러나 고장 지점에서 발생하는 에너지가 충분히 크면, 금속 탄탈럼이 연료, 이산화망간이 산화제 역할을 하는 테르밋 반응과 유사한 자기 지속적인 발열 반응이 시작될 수 있다. 이 반응은 커패시터를 파괴하고 연기나 화염을 발생시킬 수 있다.[7]

따라서 탄탈럼 커패시터는 소신호 회로에는 자유롭게 사용할 수 있지만, 고전력 회로에서는 열폭주를 방지하기 위한 설계에 신중해야 한다.

3. 7. 디지털 논리

누설 전류는 온도가 증가함에 따라 증가한다. 드물게, 이는 디지털 회로에서 열 폭주로 이어질 수 있다. 누설 전류는 일반적으로 전체 전력 소비의 작은 부분을 차지하므로 전력 증가는 상당히 미미하기 때문에 이는 일반적인 문제가 아니다. 예를 들어 애슬론 64(Athlon 64)의 경우, 전력 소모는 섭씨 30도마다 약 10% 증가한다.[8] TDP가 100W인 장치의 경우, 열 폭주가 발생하려면 방열판의 열 저항이 3 K/W(켈빈/와트)를 초과해야 하는데, 이는 기본 애슬론 64 방열판보다 약 6배 나쁘다. (기본 애슬론 64 방열판은 0.34 K/W로 평가되지만, 실제 환경에 대한 열 저항은 다소 더 높다.) 어쨌든, 0.5~1 K/W를 초과하는 열 저항을 가진 부적절한 방열판은 열 폭주 효과가 없더라도 100W 장치의 파손을 초래할 것이다.

4. 배터리

충전식 배터리 중 일부는 부적절하게 취급되거나 결함이 있는 상태로 제조된 경우 열폭주를 겪어 과열될 수 있다. 밀봉된 전지는 안전 배출구가 과부하되거나 작동하지 않을 경우 폭발할 수 있다.[9] 기전력이 음의 온도 계수를 갖는 이차전지(예: 밀폐형 니켈-카드뮴 축전지)를 정전압 충전하면 온도 상승에 따라 기전력이 저하되어 충전 전류가 증가하고, 그로 인해 더욱 온도 상승을 초래하는 양의 되먹임(정귀환)의 위험이 있다.

4. 1. 리튬 이온 배터리 문제

충전식 배터리 중 일부는 부적절하게 취급되거나 결함이 있는 상태로 제조된 경우 열폭주를 겪어 과열될 수 있다. 밀봉된 전지는 안전 배출구가 과부하되거나 작동하지 않을 경우 폭발할 수 있다.[9] 특히 리튬 이온 배터리, 그 중에서도 리튬 폴리머 배터리 형태가 열폭주에 취약하다. 신문에는 휴대전화 폭발 사고에 대한 보도가 종종 등장한다. 2006년에는 애플, HP, 도시바, 레노버, 등 노트북 제조업체의 배터리가 화재 및 폭발 위험으로 리콜되었다.[10][11][12][13] 미국 교통부 산하 파이프라인 및 위험물 안전 관리국(PHMSA)은 특정 상황에서 불안정하기 때문에 항공기에서 특정 유형의 배터리 휴대에 대한 규정을 마련했다. 이 조치는 페덱스 항공기의 화물칸 화재 사건에 영향을 받았다.[14]

보다 안전하고 반응성이 낮은 음극(리튬 타이타네이트)과 양극(리튬 인산철) 재료를 사용하는 것이 가능한 해결책 중 하나이다. 이를 통해 많은 리튬 충전식 전지의 코발트 전극을 피하고 이온 액체 기반의 불연성 전해질을 사용한다.

최근 열폭주는 화학 반응과 전자 회로의 복합적인 원인에 의한 사례가 많이 발생하고 있다. 그 중 하나로 리튬이온전지의 이상 발열 문제 등 설계상 결함으로 인한 열 순환(열 루프)에 의한 사고가 빈번하게 발생하고 있다.

“보잉 787 배터리 문제”의 경우, 보잉 사 CEO인 제임스 맥너니는 열폭주라는 지적을 받고 “열폭주라는 것은 여러 가지 해석이 있다”[26]고 언급했다.

결함이라고 할 만큼 심각하지 않더라도 열폭주가 발생할 수 있는 요인은 여러 가지가 있다. 한 가지 예로, 기전력이 음의 온도 계수를 갖는 이차전지(예: 밀폐형 니켈-카드뮴 축전지)를 정전압 충전하면 온도 상승에 따라 기전력이 저하되어 충전 전류가 증가하고, 그로 인해 더욱 온도 상승을 초래하는 양의 되먹임(정귀환)의 위험이 있다.

4. 2. 보잉 787 배터리 문제

보잉 787 배터리 문제와 관련하여, 제임스 맥너니(James McNerney) 보잉(Boeing) 사 CEO는 열폭주라는 지적에 대해 "열폭주라는 것은 여러 가지 해석이 있다"고 언급했다.[26]

5. 천체물리학

폭주적인 열핵 반응은 항성 내부에서 핵융합이 점화될 때 발생할 수 있다. 이때 항성 상층부의 층이 가하는 중력 압력이 열압력을 크게 초과하는 조건에서 발생하며, 이는 중력 압축을 통해 온도가 급격히 상승하는 것을 가능하게 한다. 이러한 상황은 축퇴 물질을 포함하는 항성에서 발생할 수 있는데, 축퇴 물질에서는 정상적인 열압력이 아닌 전자 축퇴압이 중력에 맞서 항성을 지탱하는 주된 역할을 한다.

핵융합 반응은 온도 변화에 대응하여 항성을 안정화시키도록 자연스럽게 조절되지만, 열압력이 상층부 압력과 평형을 이룰 때, 항성은 새로운 발열 반응의 시작으로 인한 온도와 열압력의 증가에 대해 팽창하고 냉각됨으로써 반응한다. 폭주 반응은 이러한 반응이 억제될 때만 가능하다.

5. 1. 적색 거성의 헬륨 섬광

태양 질량의 0.8~2.0배 범위의 별들이 중심핵의 수소를 모두 소진하고 적색 거성이 되면, 중심핵에 축적된 헬륨은 핵융합이 시작되기 전에 축퇴 상태에 이른다. 축퇴된 핵의 질량이 약 0.45 태양 질량에 이르면 헬륨 핵융합이 시작되어 급격히 진행되는데, 이를 헬륨 섬광이라고 하며, 별의 에너지 생성률이 순간적으로 평상시의 1,000억 배까지 증가한다. 중심핵의 약 6%가 빠르게 탄소로 전환된다.[15] 몇 초 후에는 에너지 방출로 중심핵이 다시 정상적인 플라스마 상태로 돌아오지만,[16][17] 별 자체를 파괴하지는 않으며, 밝기가 즉시 변하지도 않는다. 그 후 별은 수축하여 적색 거성 단계를 벗어나 안정적인 헬륨 연소 단계로 진화를 계속한다.

5. 2. 신성

신성은 탄소-산소 백색왜성의 외층에서 급격한 수소 핵융합( CNO 순환을 통해)으로 인해 발생한다. 백색왜성이 강착 가스를 얻을 수 있는 동반성을 가지고 있다면, 물질은 왜성의 강한 중력에 의해 축퇴된 표면층에 축적될 것이다. 적절한 조건 하에서, 충분히 두꺼운 수소층은 결국 2천만 K의 온도로 가열되어 급격한 핵융합을 일으킨다. 표면층은 백색왜성에서 폭발하여 광도가 약 5만 배 증가한다. 그러나 백색왜성과 동반성은 그대로 남아 있으므로, 이 과정은 반복될 수 있다.[18] 훨씬 더 드문 유형의 신성은 핵융합이 일어나는 외층이 헬륨으로 구성될 때 발생할 수 있다.[19]

5. 3. X선 폭발

중성자별 표면에 근접한 동반성으로부터 기체가 강착되어 밀집된 물질이 축적될 수 있는데, 이는 신성(novae)으로 이어지는 과정과 유사하다. 충분히 두꺼운 수소층이 축적되면, 급격한 수소 핵융합 점화가 일어나 X선 폭발을 일으킬 수 있다. 신성과 마찬가지로, 이러한 폭발은 반복되는 경향이 있으며 헬륨 또는 심지어 탄소 핵융합에 의해 촉발될 수도 있다.[20][21] "초폭발"(superbursts)의 경우, 핵융합이 아닌 광붕괴를 통해 축적된 무거운 원자핵이 철족 원자핵으로 급격하게 붕괴하면서 폭발 에너지의 대부분에 기여할 수 있다는 주장이 제기되었다.[1]

5. 4. Ia형 초신성

Ia형 초신성은 탄소-산소 백색왜성의 중심에서 탄소 핵융합 폭주로 인해 발생한다. 거의 완전히 축퇴 물질로 구성된 백색왜성이 동반성으로부터 질량을 얻을 수 있다면, 중심부 물질의 온도와 밀도가 증가하여 별의 질량이 찬드라세카르 한계에 도달하면 탄소 핵융합이 점화된다. 이로 인해 별을 완전히 파괴하는 폭발이 발생한다. 광도는 50억 배 이상 증가한다. 추가적인 질량을 얻는 한 가지 방법은 거성(또는 주계열성) 동반성으로부터 기체를 축적하는 것이다.[22] 같은 유형의 폭발을 생성하는 두 번째이자 겉보기에는 더 일반적인 메커니즘은 두 개의 백색왜성의 합병이다.[22][23]

5. 5. 쌍불안정성 초신성

쌍불안정성 초신성은 질량이 태양의 130~250배에 달하는, 금속 함량이 낮거나 중간 정도인 거대 항성의 중심부에서 산소 핵융합이 폭주하는 결과로 발생하는 것으로 여겨진다.[24] 이론에 따르면, 이러한 항성에서는 비교적 낮은 밀도를 가진, 융합되지 않은 산소로 이루어진 거대한 핵이 형성되는데, 이 핵의 무게는 극도의 온도에 의해 생성되는 감마선의 압력에 의해 지탱된다. 핵이 더 가열됨에 따라, 감마선은 결국 충돌에 의한 붕괴가 전자-양전자 쌍으로 일어나는 데 필요한 에너지 한계를 넘게 되는데, 이 과정을 쌍생성이라고 한다. 이로 인해 핵 내부의 압력이 떨어지고, 핵이 수축하여 더 가열되면서 쌍생성이 더 많이 일어나고, 압력이 더 떨어지는 등의 과정이 반복된다. 핵은 중력 붕괴를 시작한다. 어느 시점에 폭주하는 산소 핵융합이 일어나고, 항성을 완전히 파괴할 만큼 충분한 에너지를 방출한다. 이러한 폭발은 드물어서, 아마도 10만 개의 초신성 중 하나 정도일 것이다.

참조

[1] 웹사이트 The explosion at the Dow chemical factory, King's Lynn 27 June 1976 https://web.archive.[...] Health & Safety Executive 1977-03-01
[2] 서적 Learning from Accidents https://books.google[...] Gulf Professional 2001-01-01
[3] 웹사이트 175 Times. And Then the Catastrophe https://web.archive.[...] 2009-09-18
[4] 웹사이트 How Not To Do It: Diazomethane https://www.science.[...] American Association for the Advancement of Science 2008-04-30
[5] 논문 Physics-based stability analysis of MOS transistors https://ris.utwente.[...] 2015-11-01
[6] 논문 Metal Oxide Varistor Degradation https://web.archive.[...] 2004-03-01
[7] 논문 Failure modes of tantalum capacitors made by different technologies https://web.archive.[...] 2002-01-01
[8] 웹사이트 AMD Athlon64 "Venice" http://www.lostcircu[...] 2005-05-02
[9] 논문 In-operando high-speed tomography of lithium-ion batteries during thermal runaway 2015-01-01
[10] 뉴스 Apple to recall 1.8 million notebook batteries https://money.cnn.co[...] 2006-08-24
[11] 보도자료 PC Notebook Computer Batteries Recalled Due to Fire and Burn Hazard http://www.cpsc.gov/[...] U.S. Consumer Product Safety Commission
[12] 보도자료 Lenovo and IBM Announce Recall of ThinkPad Notebook Computer Batteries Due to Fire Hazard https://web.archive.[...] U.S. Consumer Product Safety Commission 2006-09-28
[13] 뉴스 Dell laptop explodes at Japanese conference http://www.theinquir[...] 2006-06-21
[14] 웹사이트 Hazardous Materials Accident Brief — Cargo Fire Involving Lithium-Ion Batteries, Memphis, Tennessee, August 7, 2004 https://www.ntsb.gov[...] National Transportation Safety Board 2005-09-26
[15] 웹사이트 The End Of The Sun http://faculty.wcas.[...]
[16] 논문 Stellar Structure and Evolution https://web.archive.[...] 2009-09-01
[17] 논문 Three-dimensional Numerical Experimentation on the Core Helium Flash of Low-Mass Red Giants https://zenodo.org/r[...] 2006-03-01
[18] 웹사이트 Fermi detects 'shocking' surprise from supernova's little cousin http://www.physorg.c[...] 2010-08-12
[19] 논문 V445 Puppis: Helium Nova on a Massive White Dwarf 2003-12-01
[20] 논문 Carbon flashes in the heavy-element ocean on accreting neutron stars 2001-09-10
[21] 논문 Photodisintegration-triggered Nuclear Energy Release in Superbursts 2003-01-03
[22] 논문 PTF 11kx: A Type Ia Supernova with a Symbiotic Nova Progenitor 2012-08-24
[23] 웹사이트 NASA's Chandra Reveals Origin of Key Cosmic Explosions http://chandra.harva[...] Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics 2010-02-17
[24] 논문 Supernova 2007bi as a pair-instability explosion 2009-12-03
[25] 문서 Mil-Std-883G: Department of Defense Test Method Standard for Microcircuits https://landandmarit[...]
[26] 뉴스 ボーイング 「熱暴走はなかった」と主張 http://flyteam.jp/ai[...] クロゴ株式会社 2013-03-15



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