정전기

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1. 개요

정전기는 전하의 불균형으로 발생하는 현상으로, 두 물질의 접촉과 분리, 또는 외부 자극에 의해 발생한다. 마찰, 압력, 온도 변화, 전하 유도 등의 다양한 요인에 의해 발생하며, 물체의 표면에 분포하는 것이 특징이다. 정전기는 불꽃 방전을 일으킬 수 있으며, 이는 전자 부품 손상, 가연성 물질 점화, 산업 현장 사고의 원인이 될 수 있다. 이러한 위험을 줄이기 위해 대전 방지제 사용, 접지, 가습, 제전 장치 설치 등 다양한 대책이 활용된다.

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정전기

2. 발생

정전기는 물체(주로 유전체)에 전하가 축적되어 대전된 상태, 또는 축적된 전하 자체를 의미한다. 전하는 전기장과 자기장에 의한 효과를 모두 가지지만, 정전기는 전기장에 의한 효과가 더 큰 경우이다.

정전기는 오래전에 발견되었으며, 기원전 600년경 탈레스가 마찰전기에 대해 기술한 기록이 있다. 전지와 전자기유도가 발견되기 전까지 '전기'는 곧 정전기를 의미했다. '동전기'라는 반대말이 있지만, 보통의 전기가 곧 동전기이므로 잘 사용되지 않는다.

흔히 마찰로 인해 대전된 전하를 정전기라고 부르지만, 마찰전기는 정전기 현상의 하나일 뿐이다. 압전효과나 번개도 정전기에 포함된다. 번개는 구름에 축적된 정전기에 의한 방전 현상이다. 일상생활에서 '정전기가 발생했다'고 표현하는 것은, 정확히는 '정전기에 의해 불꽃 방전이 일어났다'고 해야 한다.

물체에 마찰이나 강한 힘이 가해지면 음전하가 이동하여 양전하와 음전하의 균형이 깨진다. 이로 인해 각각 양전하와 음전하로 대전된 상태가 된다.^[30] 같은 종류의 전하는 서로 밀어내고(척력), 다른 종류의 전하는 서로 끌어당기는(인력) 성질을 가지며, 이러한 힘을 정전기력이라고 한다.^[30]

영어의 'electricity'(전기)라는 단어는 토마스 브라운이 1646년에 처음 사용했지만, 이는 윌리엄 길버트가 1600년에 사용한 라틴어 신조어 'electricus'에서 유래한다. 'electricus'는 13세기부터 사용되었지만, 길버트가 처음으로 '호박처럼 물건을 끌어당기는 특성(즉, '''정전기''')'이라는 의미로 사용했다. 길버트는 마찰에 의해 'effluvium'(눈에 보이지 않는 방출물)이 제거되어 물체가 물건을 끌어당기게 된다고 생각했으며, 전하 개념에는 이르지 못했다.^[31]

일본에서는 정전기 학회를 통해 정전기의 응용 방법 및 사고 방지 방법을 연구하고 있다.

이 외에도 대전된 물체에 접근(정전 유도 및 유전 분극), 물리적 응력(압전 효과), 온도 변화 (열전 효과)에 의해서도 정전기가 발생한다. 실험이나 산업 현장에서는 반데그라프 발전기와 같은 정전 발전기나 콕크로프트-월튼 회로와 같은 승압 회로를 사용하여 정전기를 이용한다. 물체에 축적된 전하는 서로 반발하기 때문에 정전기는 가장 넓게 퍼진 상태, 즉 물체의 '''표면'''에 분포하는 상태가 가장 안정적이며, 패러데이 케이지가 이를 원리로 한다.

2. 1. 접촉 유도 전하 분리 (마찰전기 효과)

전자는 접촉하거나 서로 미끄러질 때 물질 사이에서 교환될 수 있으며, 이는 마찰전기 효과로 알려져 있다. 이로 인해 한 물질은 양전하를 띠고 다른 물질은 음전하를 띠게 된다. 마찰전기 효과는 일상생활에서 관찰되는 정전기의 주요 원인이며, 서로 다른 물질을 문지르는 일반적인 고등학교 과학 시연(예: 아크릴 막대에 털 문지르기)에서도 나타난다. 접촉으로 인한 전하 분리는 머리카락을 꼿꼿하게 세우고 "정전기"를 유발한다(예: 머리카락에 문지른 풍선은 음전하를 띠게 된다. 벽 근처에 있으면, 전하를 띤 풍선은 벽의 양전하 입자에 끌리고, 중력에 거스르며 벽에 "붙을" 수 있다).^[3]

정전기로 인해 고양이 털에 붙은 스티로폼 콩. 이 효과는 옷의 정전기의 원인이기도 하다.

가장 흔한 정전기는 두 종류의 유전체(절연체)의 마찰에 의해 발생한다. 유전체를 문질렀을 때 발생하는 정전기의 부호는 물체의 조합에 따라 결정된다. 조합했을 때 양전하를 띠는 물체를 오른쪽에, 음전하를 띠는 물체를 왼쪽에 오도록 정렬하면 유전체를 일직선상에 배열할 수 있으며, 이 배열을 대전열이라고 부른다. 대전의 극성은 대전열에 의해 결정되며, 서로 다른 물질 간의 대전에서는 대전열이 멀리 떨어져 있을수록 더 커진다.^[3]

2. 2. 압력 유도 전하 분리

인가된 기계적 응력은 많은 종류의 결정과 세라믹 분자에서 전하 분리를 생성한다.

2. 3. 열 유도 전하 분리

가열은 특정 재료의 원자 또는 분자에서 전하의 분리를 생성한다. 모든 열전 재료는 압전체이기도 하다. 열과 압력에 대한 원자 또는 분자 특성은 밀접하게 관련되어 있다.

2. 4. 전하 유도 전하 분리

전기적으로 중성인 도체에 전하를 띤 물체를 가까이 가져가면 중성 물체 내에서 전하 분리가 발생한다. 이를 정전 유도라고 한다. 같은 극성의 전하는 반발하여 외부 전하로부터 멀어지는 물체 쪽으로 이동하고, 반대 극성의 전하는 인력에 의해 전하를 향하는 쪽으로 이동한다. 전기 전하 간의 상호 작용에 의한 힘은 거리가 증가함에 따라 급격히 감소하므로, 더 가까운 (반대 극성) 전하의 영향이 더 커서 두 물체는 인력을 느낀다. 물체의 일부를 주의 깊게 접지하면 전자를 영구적으로 추가하거나 제거하여 물체에 전반적이고 영구적인 전하를 남길 수 있다.

3. 정전기 방전

정전기 방전은 과도한 전하가 주변 환경으로 흐르거나, 주변 환경에서 전하가 흘러들어와 중화되면서 발생하는 현상이다. 전기 충격은 전류가 인체를 통해 흐르면서 신경을 자극하여 느껴진다. 물체에 정전기로 저장된 에너지는 물체의 크기, 전기 용량, 전압, 주변 매질의 유전율에 따라 달라진다.

3. 1. 번개

번개는 정전기 방전의 극적인 자연적 예시이다. 세부 사항은 불분명하고 논쟁의 여지가 있지만, 초기 전하 분리는 폭풍 구름 내 얼음 입자 간의 접촉과 관련이 있는 것으로 생각된다. 일반적으로, 상당한 전하 축적은 낮은 전기 전도성(주변에서 움직일 수 있는 자유 전하가 매우 적음) 영역에서만 지속될 수 있으므로, 중화 전하의 흐름은 종종 공기 중의 중성 원자와 분자가 찢어져 별도의 양전하와 음전하를 형성하여 발생하며, 이 전하들은 반대 방향으로 이동하면서 전류를 형성하여 원래의 전하 축적을 중화한다. 공기 중의 정전기는 습도에 따라 일반적으로 1센티미터당 약 10,000 볼트 (/cm)에서 이러한 방식으로 파괴된다.^[9] 방전은 주변 공기를 과열시켜 밝은 섬광을 일으키고, 충격파를 생성하여 굉음을 발생시킨다. 번개는 가정에서 발생하는 정전기 방전 현상의 규모가 확대된 버전일 뿐이다. 섬광은 방전 채널의 공기가 매우 높은 온도로 가열되어 백열로 빛을 방출하기 때문에 발생한다. 천둥 소리는 과열된 공기가 팽창하면서 생성되는 충격파의 결과이다.

3. 2. 전자 부품 손상

전자 제품에 사용되는 많은 반도체 소자는 정전기에 매우 민감하며 정전기 방전에 의해 손상될 수 있다.^[8] 사람을 4,000~35,000볼트의 전압으로 충전된 100 피코패럿의 축전기로 보고, 민감한 전자 장치에 대한 정전기 방전의 영향을 모델링한다. 물체를 만질 때 이 에너지는 1마이크로초 미만에 방전된다.^[8] 총 에너지는 밀리줄 단위로 작지만, 민감한 전자 장치를 손상시킬 수 있다.^[8]

나노 장치를 취급하는 연구원은 정전기 방지 손목 띠를 반드시 착용해야 한다. 두꺼운 고무 밑창이 있는 신발을 벗고 금속 접지에 영구적으로 연결함으로써 추가적인 예방 조치를 취할 수 있다.

3. 3. 가연성 물질 점화

폴리에틸렌, ABS 수지 등 플라스틱을 생산하는 공장에서 플라스틱 분진이 정전기 불꽃에 의해 착화(着火)되어 분진폭발을 일으킨 사례가 있듯이, 정전기로 인한 불꽃은 분진폭발의 원인이 되기도 한다.^[37]

정전기 방전은 인화성 물질을 취급하는 산업에서 심각한 위험을 초래할 수 있으며, 작은 전기 불꽃으로도 폭발성 혼합물을 점화할 수 있다.^[10] 미세하게 분말화된 물질이나 낮은 전도성을 가진 액체가 파이프를 통과하거나 기계적 교반을 통해 흐르는 움직임은 정전기를 축적할 수 있다.^[11] 미세하게 분말화된 물질의 먼지 구름은 가연성 또는 폭발성이 될 수 있으며, 먼지 또는 증기 구름에서 정전기가 방전되면 폭발이 발생한다.

정전기 방전으로 인해 발생한 주요 산업 사고는 다음과 같다.

사고 장소	사고 내용
프랑스 남서부	곡물 사일로 폭발
태국	페인트 공장 폭발
캐나다	유리 섬유 성형 공장 폭발
글렌풀(오클라호마주)	저장 탱크 폭발(2003년)
데모인(아이오와주), 밸리센터(캔자스주)	이동식 탱크 충전 작업과 탱크 농장 폭발(2007년)

^[13]^[14]^[15]

가솔린, 톨루엔, 자일렌, 경유, 등유, 경질 원유와 같은 비극성 액체는 파이프 내부에서 흐를 때 정전기를 발생시킬 수 있으며, 고속 흐름 동안 전하 축적 및 유지 능력이 현저하다. 정전기 방전은 연료 증기를 점화할 수 있고,^[19] 정전기 방전 에너지가 충분히 높으면 연료 증기 및 공기 혼합물을 점화할 수 있다. 연료마다 인화성 한계가 다르며 점화하기 위해 서로 다른 수준의 정전기 방전 에너지가 필요하다.

주유소에서 가솔린 주유 중의 정전기 방전은 현재 위험 요소이며,^[20] 공항에서 항공기에 등유를 급유하는 동안에도 화재가 발생했다. 새로운 접지 기술, 전도성 물질의 사용 및 정전기 방지 첨가제의 추가는 정전기 축적을 예방하거나 안전하게 소멸시키는 데 도움이 된다.

일반적으로 흐르는 전류는 작아서 생명 기능에 영향을 미치는 경우는 적지만, 가연성 액체나 기체(가연성 증기도 포함) 또는 화약을 취급하는 장소에서 불꽃 방전이 일어나면 인화로 인한 폭발이나 화재와 같은 대형 사고로 이어질 수 있다.

3. 4. 우주 탐사

우주 환경은 습도가 매우 낮아 정전기가 아주 크게 쌓일 수 있다. 이는 우주 탐사 차량에 쓰이는 복잡한 전자 장치에 큰 위험을 초래할 수 있다. 정전기는 달과 화성으로의 계획된 임무를 수행하는 우주 비행사에게 특히 위험한데, 극도로 건조한 지형을 걸으면 많은 양의 전하가 쌓이게 되고, 귀환 시 에어록을 열려고 손을 뻗으면 큰 정전기 방전이 일어나 민감한 전자 장치를 망가뜨릴 수 있기 때문이다.

3. 5. 오존 균열

공기 또는 산소가 있는 상태에서 정전기가 발생하면 오존이 생성될 수 있다. 오존은 고무 부품을 열화시킬 수 있으며, 많은 엘라스토머가 오존 크래킹에 민감하다. 오존에 노출되면 개스킷 및 O-링과 같은 중요한 구성 요소에 깊은 침투성 균열이 발생한다. 연료 라인도 예방 조치를 취하지 않으면 문제에 취약하다. 예방 조치에는 고무 혼합물에 항오존제를 첨가하거나 오존 저항성 엘라스토머를 사용하는 것이 포함된다. 균열된 연료 라인으로 인한 화재는 특히 전기 장비로 인해 오존이 생성될 수 있는 엔진 구획에서 차량에 문제가 되어 왔다.

4. 정전기 관련 에너지

정전기로 저장된 에너지는 물체의 크기, 전기 용량, 전압, 주변 매질의 유전율에 따라 달라진다. 일반적으로 사람을 4,000~35,000V로 충전된 100 피코패럿의 축전기로 모델링하며, 이때 에너지는 1마이크로초 미만에 방전된다.^[8] 총 에너지는 밀리줄 단위로 작지만, 민감한 전자 장치를 손상시킬 수 있다. 더 큰 물체는 더 많은 에너지를 저장하여 사람에게 위험하거나 가연성 물질에 점화될 수 있는 불꽃을 유발할 수 있다.

정전기 방전 에너지는 공식 ''E'' = ½''CV''² (''C'': 정전 용량, ''V'': 전위)로 계산된다.^[23] 한 실험에서 인체의 정전 용량을 400 피코패럿으로 추정하고 50,000 볼트 전하 방전 시 500 밀리줄의 에너지가 생성되었다.^[24] 다른 추정치는 100–300 pF 및 20,000 볼트로 최대 60 mJ 에너지를 생성한다.^[25] IEC 479-2:1987에 따르면 5000 mJ 이상 방전은 심각한 위험을 초래하며, IEC 60065는 소비자 제품의 방전 한도를 350 mJ로 규정한다.

최대 전위는 코로나 방전으로 인해 약 35–40 kV로 제한된다. 3000 볼트 미만은 일반적으로 감지할 수 없다. 인체의 최대 전위는 1~10 kV이며, 최적 조건에서는 20–25 kV에 도달할 수 있다. 낮은 상대 습도는 전하 축적을 증가시켜, 15% 습도에서 비닐 바닥을 걸으면 최대 12 kV, 80% 습도에서는 1.5 kV의 전압이 축적될 수 있다.^[26]

0.2 밀리줄 정도의 낮은 에너지로도 점화 위험이 있으며, 이러한 불꽃은 종종 인간의 감지 임계값보다 낮다.

일반적인 점화 에너지는 다음과 같다.

물질	점화 에너지
수소	0.017 mJ
탄화수소 증기	0.2–2 mJ
미세한 가연성 먼지	1–50 mJ
거친 가연성 먼지	40–1000 mJ

대부분의 전자 장치는 2~1000 나노줄 사이의 에너지로 손상될 수 있다.^[27]

연료와 공기의 가연성 혼합물 점화에는 0.2–2 밀리줄 정도의 적은 에너지가 필요하다. 일반적인 산업용 탄화수소 가스 및 용매의 최소 점화 에너지는 폭발 하한계와 폭발 상한계 사이 중간 농도에서 가장 낮다. 가연성 액체 에어로졸은 인화점보다 낮은 온도에서 점화될 수 있으며, 입자 크기에 따라 증기 또는 먼지처럼 행동한다. 에어로졸의 최소 가연성 농도는 15~50 g/m³이다. 가연성 액체 표면의 거품, 가연성 먼지 에어로졸(분진 폭발)도 점화될 수 있다. 폭발 하한계는 50~1000 g/m³이며, 미세 먼지가 더 폭발적이다. 가연성 증기와 먼지가 함께 있으면 점화 에너지가 감소하며, 공기 중 프로판 1 vol.%는 먼지 점화 에너지를 100배 줄인다. 높은 산소 함량도 점화 에너지를 낮춘다.^[28]

5. 정전기 이용

정전기는 방전 현상을 이용하는 경우와, 전하에 의한 흡인력이나 반발력을 이용하는 경우가 있다.

5. 1. 방전 현상 이용

방전 현상의 응용에서는 방전 에너지를 이용한 점화 장치가 대표적이다. 버너나 라이터 등의 가스 점화 장치도 압전 소자에 의한 정전기를 이용하고 있다.^[8] 또한, 공기 중에서의 방전은 오존 생성에 이용된다.

5. 2. 전하의 흡인력 및 반발력 이용

전하에 의한 힘은 거리의 제곱에 반비례하므로, 이를 이용하는 경우에는 대상이 세밀할수록 적합하다. 이 때문에, 가속기나 이온 엔진은 궁극적인 용도라고 할 수 있다. 산업 분야에서도 정전기식 융착, 정전 도장이나 집진 장치처럼 안개나 연기 상태의 물질(분산계나 분체)을 다루는 용도에 종종 이용되고 있으며, 소형 액추에이터나 전동기로의 응용도 있다. 정전기를 응용한 전자 부품으로는 압전 소자, 수정 진동자, 열전 소자, 콘덴서형 마이크로폰 등이 있다. 또한, 레이저 프린터나 복사기에 사용되는 감광 드럼의 원리가 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 응용 사례이다.

6. 정전기 영향

정전기는 물체에 전하가 축적(대전)되어 있는 상태를 말하며, 축적된 전하 자체를 지칭하기도 한다. 전하는 전기장과 자기장에 의한 효과를 가지지만, 정전기는 전기장에 의한 효과가 더 크다.^[30] 흔히 마찰로 인해 대전된 전하를 정전기라고 부르지만, 마찰전기는 정전기 현상의 하나일 뿐이다. 압전효과나 번개도 정전기의 예시이다. 번개는 구름에 축적된 정전기에 의해 발생하는 방전 현상이다.

일상생활에서 정전기에 의한 방전을 경험할 때, 보통 '정전기가 발생했다'고 표현하지만, 이는 '정전기에 의해 불꽃 방전이 일어났다'고 하는 것이 더 정확하다. 정전기는 방전이 일어나기 전, 마찰 등으로 물체에 축적되어 있던 전하를 의미하기 때문이다.

대전된 물체는 먼지나 티끌을 흡착하여 미관을 해칠 수 있다.

6. 1. 일상생활

전자는 접촉하거나 서로 미끄러질 때 물질 사이에서 교환될 수 있으며, 이는 마찰전기 효과로 알려져 있다. 이로 인해 한 물질은 양전하를 띠고 다른 물질은 음전하를 띠게 된다. 마찰전기 효과는 일상생활에서 관찰되는 정전기의 주요 원인이며, 서로 다른 물질을 문지르는 일반적인 고등학교 과학 시연(예: 아크릴 막대에 털 문지르기)에서도 나타난다. 접촉으로 인한 전하 분리는 머리카락을 꼿꼿하게 세우고 "정전기"를 유발한다(예: 머리카락에 문지른 풍선은 음전하를 띠게 된다. 벽 근처에 있으면, 전하를 띤 풍선은 벽의 양전하 입자에 끌리고, 중력에 거스르며 벽에 "붙을" 수 있다).^[8]

정전기와 관련된 불꽃은 과도한 전하가 주변 환경으로 또는 주변 환경에서 전하의 흐름에 의해 중화됨에 따라 정전기 방전에 의해 발생한다.

일상생활에서는 문 손잡이에 닿거나 자동차 키를 꽂을 때 방전이 일어나 통증을 느낄 수 있다.^[30] 융단 위를 걷거나, 화학 섬유로 만든 옷이 스칠 때 정전기가 발생하여 대전되는 경우가 있다. 인체 표피에서의 방전은 대개 통증을 동반하며, 화상 자국이 확인되는 경우도 있다.

생활의 혼란으로 혈액 속 음이온이 부족한 상태가 되면 자연스럽게 음전기를 불러들이는 대전 체질이 되기 쉽다는 설^[30]이 있지만, "대전 체질"이라고 할 정도의 개인차는 없다고 한다.^[32]

또한, 대전된 물체는 먼지나 티끌을 흡착하므로 미관을 해치는 등의 영향도 있다.

6. 2. 이어폰, 헤드폰

이어폰에서 미약한 감전이 발생할 가능성이 있다.^[33]^[34] 공기가 건조한 장소나, 합성 섬유 등 특정 소재를 착용한 상태에서 하드웨어에 정전기가 대전되었을 경우, 이어폰을 통해 미약한 전기 충격이 발생할 수 있다.

6. 3. 산업 현장

정전기는 산업 현장에서 다양한 문제를 일으킨다. 분진폭발의 원인이 되기도 하는데, 폴리에틸렌, ABS 수지 등 플라스틱 생산 공장에서 플라스틱 분진이 정전기 불꽃에 의해 착화되어 폭발을 일으킨 사례가 있다.^[37]

과거에는 자동차 자체가 대전되어 정전기를 유발하기도 했다. 어스 벨트를 사용하여 정전기를 방전시키는 방법이 사용되었지만, 현재는 타이어의 전도성이 높아져 이러한 문제는 거의 발생하지 않는다.

6. 3. 1. 주유소 화재 사고

가솔린과 같은 가연성 액체가 파이프 내부에서 흐르면 정전기가 발생할 수 있다. 가솔린, 톨루엔, 자일렌, 경유, 등유, 경질 원유와 같은 비극성 액체는 고속 흐름에서 전하를 축적하고 유지하는 능력이 뛰어나다. 정전기 방전은 연료 증기를 점화시킬 수 있으며,^[19] 방전 에너지가 충분히 높으면 연료 증기와 공기 혼합물을 점화할 수 있다. 연료마다 인화성 한계가 다르며 점화에 필요한 정전기 방전 에너지 수준도 다르다.

가솔린 주유 중 정전기 방전은 주유소에서 현재 위험 요소로 작용한다.^[20] 항공기에 등유를 급유하는 공항에서도 화재가 발생한 사례가 있다. 새로운 접지 기술, 전도성 물질 사용, 정전기 방지 첨가제 추가는 정전기 축적을 예방하거나 안전하게 소멸시키는 데 도움이 된다. 주유소에서 용기를 채울 때에는 화재나 폭발 위험 없이 정전기 축적이 소멸되도록 먼저 용기를 땅에 내려놓는 것이 좋다.

셀프 주유소에서는 휘발된 가연성 증기(베이퍼)가 갑자기 발화하는 현상이 발생할 수 있는데, 고객의 승하차 시 의류 등에서 축적된 정전기로 인해 발생하는 불꽃 등이 원인으로 지목되어 주의가 필요하다.^[35] 주유소 직원은 대전 방지 의류 등을 착용하여 이러한 사고 발생 가능성이 낮지만, 일반 고객은 주유 전 주유기에 부착된 방전 플레이트에 접촉하여 사고를 예방해야 한다. 2005년 일본에서는 고객이 정전기 제거 후 직원을 찾아갔다가 다시 주유를 시작했을 때 정전기가 재발생하여 정전기 방전으로 휘발유에 불이 붙는 사고가 발생하기도 했다.^[30]

6. 3. 2. 집진기 화재 사고

철분을 집진기에 흡입하는 과정에서 철분과 필터의 마찰로 인해 정전기 스파크가 발생하여 화재가 발생하는 사고가 일어나고 있다.^[30]

6. 3. 3. 가연성 혼합기 인화 사고

정전기 방전은 인화성 물질을 다루는 산업 현장에서 심각한 위험을 초래할 수 있으며, 작은 전기 불꽃으로도 폭발성 혼합물을 점화할 수 있다.^[10] 미세하게 분말화된 물질이나 낮은 전도성을 가진 액체가 파이프를 통과하거나 기계적으로 교반하면 정전기가 축적될 수 있다.^[11]

플라스틱 슈트를 따라 모래와 같은 물질의 입자가 흐르면 전하가 전달될 수 있으며, 이는 슈트에 부착된 금속 호일에 연결된 멀티미터로 측정할 수 있고, 입자 흐름에 대략 비례한다.^[12] 미세하게 분말화된 물질의 먼지 구름은 가연성 또는 폭발성이 될 수 있다. 먼지 또는 증기 구름에서 정전기가 방전되면 폭발이 발생한다. 정전기 방전으로 인해 발생한 주요 산업 사고는 다음과 같다.

국가	장소	내용
프랑스 남서부	곡물 사일로	폭발
태국	페인트 공장	폭발
캐나다	유리섬유 성형 공장	폭발
미국\|오클라호마 주^영어 글렌풀	저장 탱크	폭발 (2003년)
미국\|아이오와 주^영어 디모인	이동식 탱크 충전 작업	폭발 (2007년)
미국\|아이오와 주^영어 디모인	미국\|캔자스 주^영어 밸리센터	탱크 농장	폭발 (2007년)

^[13]^[14]^[15]

액체가 정전하를 유지하는 능력은 전기 전도도에 달려 있다. 낮은 전도성을 가진 액체가 파이프라인을 통과하거나 기계적으로 교반되면 '''유동 대전'''이라고 하는 접촉 유도 전하 분리가 발생한다.^[16]^[17] 전기 전도도가 낮은(미터당 50pS 미만) 액체를 축전기라고 한다. 전도도가 50pS 이상인 액체는 비축전기라고 한다. 비축전기에서는 전하가 분리되는 속도만큼 빠르게 재결합하므로 정전하 축적이 중요하지 않다. 석유화학 산업에서 50pS은 액체에서 전하를 적절하게 제거하기 위한 권장되는 최소 전기 전도도 값이다.

등유는 미터당 1pS 미만에서 20pS까지의 전도도를 가질 수 있다. 비교를 위해, 탈이온수는 약 10μS/m의 전도도를 갖는다.^[18]

변압기유는 대형 전력 변압기 및 기타 전기 장치의 전기 절연 시스템의 일부이다. 대형 장치를 재충전하려면 민감한 변압기 절연을 손상시킬 수 있는 액체의 정전기 축전에 대한 예방 조치가 필요하다.

절연 유체에 대한 중요한 개념은 정적 완화 시간이다. 이는 RC 회로의 시정수 τ(타우)와 유사하다. 절연 재료의 경우, 이는 정적 유전 상수를 재료의 전기 전도도로 나눈 값이다. 탄화수소 유체의 경우, 18을 유체의 전기 전도도로 나누어 근사화하기도 한다. 전기 전도도가 1pS/m인 유체는 약 18초의 예상 완화 시간을 갖는다. 유체의 과잉 전하는 완화 시간의 4~5배, 즉 위 예시의 유체에 대해 90초 후에 거의 완전히 소산된다.

전하 발생은 유체 속도가 빨라지고 파이프 직경이 커짐에 따라 증가하며, 200mm 이상의 파이프에서 상당히 중요해진다. 이러한 시스템에서 정전하 발생은 유체 속도를 제한하여 가장 잘 제어할 수 있다. 영국 표준 BS PD CLC/TR 50404:2003(이전 BS-5958-Part 2) 원치 않는 정전기 제어 실무 규약은 파이프 유량 속도 제한을 규정한다. 수분 함량이 유체의 유전 상수에 큰 영향을 미치므로, 물을 함유한 탄화수소 유체에 대한 권장 속도는 초당 1미터로 제한해야 한다.

본딩 및 접지는 전하 축적을 방지하는 일반적인 방법이다. 전기 전도도가 10pS/m 미만인 유체의 경우, 본딩 및 접지는 전하 소산에 적합하지 않으며, 정전기 방지 첨가제가 필요할 수 있다.

에틸 아세테이트 소분 작업 중 정전기 방전에 의한 불꽃이 에틸 아세테이트 증기에 인화되어 확산 연소되는 사고가 발생하고 있다.^[30]

6. 3. 4. 인공위성

인공위성은 태양 활동이 활발할 때 고에너지 전자 등의 영향으로 대전되어 방전이 발생하고, 이로 인해 위성이 완전히 손상되는 경우가 있다. 이러한 피해 사례로는 1973년 DSC-II, 1982년 GOES-4, 1991년 MARCUS-A, 1997년 INSAT-2D 등이 있다. 이러한 피해를 막기 위해서는 설계 및 조립 단계에서 각 기기 및 단열 커버의 접지를 철저히 해야 한다.^[4]

7. 정전기 대책

정전기 축적을 막거나 줄이려면 창문을 열거나 가습기를 틀어 공기 중의 수분을 늘려 공기가 전기를 더 잘 통하게 하면 된다. 공기 이온화기도 같은 효과를 낼 수 있다.^[2]

정전 방전에 약한 물건은 대전 방지제로 처리하면 좋다. 대전 방지제는 표면에 전기가 잘 통하는 얇은 막을 만들어 과도한 전하가 골고루 퍼지게 한다. 섬유 유연제나 건조기 시트는 세탁기와 의류 건조기에서 옷이 서로 달라붙는 것을 막고 정전기를 없애는 대전 방지제의 일종이다.^[3]

전자 제품에 쓰이는 많은 반도체 소자는 정전기에 매우 약하다. 그래서 이런 부품들은 전기가 통하는 대전 방지 봉투에 넣어 보호한다. 이런 장치가 들어있는 회로를 다룰 때는 전기가 통하는 대전 방지 스트랩을 손목에 차고 접지하는 경우가 많다.^[4]^[5]

페인트나 밀가루 공장, 병원 등에서는 바닥과의 마찰로 인한 정전기 축적을 막기 위해 대전 방지 안전화를 신기도 한다. 이런 신발은 밑창이 전기가 잘 통한다. 대전 방지 신발은 주 전압으로부터 심각한 감전을 어느 정도 보호하는 절연 신발과는 반대 기능을 하므로 헷갈리지 않도록 주의해야 한다.^[6]

의료용 케이블에서는 여러 도체, 절연체, 충전재 등이 서로 마찰하면서 마찰전기 잡음이 생길 수 있다. 이를 케이블 잡음이라고도 하는데, 이는 마찰전기 잡음이라고 부르는 것이 더 정확하다. ECG 등 미세한 신호를 측정할 때는 이런 잡음이 문제가 될 수 있다. 따라서 케이블 재료를 신중하게 고르고 설계, 처리해야 한다.^[7]

7. 1. 대전 방지 대책

정전기 축적을 막거나 줄이는 방법은 간단하다. 창문을 열거나 가습기를 틀어 공기 중의 수분을 늘리면 공기가 전기를 더 잘 통하게 된다. 공기 이온화기도 같은 효과를 낼 수 있다.^[2]

정전 방전에 약한 물건들은 대전 방지제로 처리하면 좋다. 대전 방지제는 표면에 전기가 잘 통하는 얇은 막을 만들어 과도한 전하가 골고루 퍼지게 한다. 섬유 유연제나 건조기 시트는 세탁기와 의류 건조기에서 옷이 서로 달라붙는 것을 막고 정전기를 없애는 대전 방지제의 일종이다.^[3]

전자 제품에 쓰이는 많은 반도체 소자는 정전기에 매우 약하다. 그래서 이런 부품들은 전기가 통하는 대전 방지 봉투에 넣어 보호한다. 이런 장치가 들어있는 회로를 다룰 때는 전기가 통하는 대전 방지 스트랩을 손목에 차고 접지하는 경우가 많다.^[4]^[5]

페인트나 밀가루 공장, 병원 등에서는 바닥과의 마찰로 인한 정전기 축적을 막기 위해 대전 방지 안전화를 신기도 한다. 이런 신발은 밑창이 전기가 잘 통한다. 대전 방지 신발은 감전을 막아주는 절연 신발과는 반대 기능을 하므로 헷갈리지 않도록 주의해야 한다.^[6]

의료용 케이블에서는 여러 도체, 절연체, 충전재 등이 서로 마찰하면서 마찰전기 잡음이 생길 수 있다. 이를 케이블 잡음이라고도 하는데, 이는 마찰전기 잡음이라고 부르는 것이 더 정확하다. ECG 등 미세한 신호를 측정할 때는 이런 잡음이 문제가 될 수 있다. 따라서 케이블 재료를 신중하게 고르고 설계, 처리해야 한다.^[7]

정전기 대책은 기본적으로 대전 방지가 중심이 된다.^[30] 일반 사용자를 위한 정전기 방지 용품도 판매되고 있다.^[30]

'''접지''': 접지 시설을 설치하고 대전 방지복을 착용한다.^[30]
'''대전 방지''': 가습을 하거나, 작업물을 일정 시간 동안 정지시키거나, 대전 방지제를 사용한다.^[30]
'''제전''': 제전 장치(교류식, 자기 방전식, 고주파 코로나식)를 사용한다.^[30]
'''방폭 대책''': 불활성 가스를 이용한다.^[30]

7. 2. 제전

정전기의 축적을 제거하거나 예방하는 것은 창문을 열거나 가습기를 사용하여 공기 중의 수분 함량을 높여 대기를 더욱 전도성 있게 만드는 것만큼 간단할 수 있다. 공기 이온화기도 같은 역할을 할 수 있다.^[2]

정전 방전에 특히 민감한 품목은 대전 방지제를 사용하여 처리할 수 있는데, 이는 과도한 전하가 균등하게 분산되도록 하는 전도성 표면층을 추가한다. 섬유 유연제와 건조기 시트는 세탁기와 의류 건조기에서 사용되며 정전기적 밀착을 방지하고 제거하는 데 사용되는 대전 방지제의 예이다.^[3]

전자 제품에 사용되는 많은 반도체 소자는 정전 방전에 특히 민감하다. 전도성 대전 방지 봉투는 이러한 구성 요소를 보호하는 데 일반적으로 사용된다. 이러한 장치를 포함하는 회로에서 작업하는 사람들은 종종 전도성 대전 방지 스트랩으로 접지한다.^[4]^[5]

페인트 또는 밀가루 공장과 같은 산업 환경뿐만 아니라 병원에서는 바닥과의 접촉으로 인한 정전기 축적을 방지하기 위해 대전 방지 안전화를 사용하기도 한다. 이러한 신발은 전도성이 좋은 밑창을 가지고 있다. 대전 방지 신발은 주 전압으로부터 심각한 감전을 어느 정도 보호하는 단열 신발과 혼동해서는 안 된다.^[6]

의료용 케이블 어셈블리 및 리드선 내에서 케이블이 움직이는 동안 다양한 도체, 절연 및 충전재가 서로 마찰될 때 임의의 마찰전기 잡음이 발생한다. 케이블 내에서 발생하는 잡음은 종종 취급 잡음 또는 케이블 잡음이라고 불리지만, 이러한 유형의 원치 않는 신호는 마찰전기 잡음으로 더 정확하게 설명된다. 낮은 수준의 신호를 측정할 때 케이블 또는 전선의 잡음이 문제가 될 수 있다. 예를 들어, ECG 또는 다른 의료 신호의 잡음은 정확한 진단을 어렵게 만들거나 심지어 불가능하게 만들 수 있다. 마찰전기 잡음을 허용 가능한 수준으로 유지하려면 케이블 재료를 제조할 때 신중한 재료 선택, 설계 및 처리가 필요하다.^[7]

정전기 대책은 대전 방지 대책이 기본이 된다.^[30] 일반 사용자를 위해 정전기 방지 용품 등이 판매되고 있다.^[30]

; 접지

: 접지 설비 설치 및 대전 방지복 착용 등^[30]

; 대전 방지

: 가습, 작업물의 일정 시간 정지, 대전 방지제 사용 등^[30]

; 제전

: 제전 장치(교류식, 자기 방전식, 고주파 코로나식) 사용 등^[30]

; 방폭 대책

: 불활성 가스 이용 등^[30]

7. 3. 방폭 대책

정전기 방전은 인화성 물질을 다루는 산업 현장에서 큰 위험을 일으킬 수 있으며, 작은 전기 불꽃으로도 폭발성 혼합물을 점화할 수 있다.^[10]

미세하게 분말화된 물질이나 낮은 전도성을 가진 액체가 파이프를 통해 흐르거나 기계적으로 섞일 때 정전기가 쌓일 수 있다.^[11] 플라스틱 슈트를 따라 모래와 같은 물질의 입자가 흐르면 전하가 전달될 수 있으며, 이는 간격으로 슈트에 부착된 금속 호일에 연결된 멀티미터를 사용하여 측정할 수 있고, 입자 흐름에 비례한다.^[12] 미세하게 분말화된 물질의 먼지 구름은 가연성 또는 폭발성이 될 수 있다. 먼지나 증기 구름에서 정전기가 방전되면 폭발이 일어날 수 있다. 정전기 방전으로 인해 발생한 주요 산업 사고에는 프랑스 남서부의 곡물 사일로 폭발, 태국의 페인트 공장 폭발, 캐나다의 유리 섬유 성형 공장 폭발, 2003년 오클라호마주 글렌풀의 저장 탱크 폭발, 2007년 아이오와주 데모인 및 캔자스주 밸리센터의 이동식 탱크 충전 작업과 탱크 농장 폭발이 있다.^[13]^[14]^[15]

액체가 정전하를 유지하는 능력은 전기 전도도에 따라 달라진다. 낮은 전도성을 가진 액체가 파이프라인을 통과하거나 기계적으로 섞이면 '''유동 대전'''이라고 하는 접촉 유도 전하 분리가 발생한다.^[16]^[17] 전기 전도도가 낮은(미터당 50 피코지멘스 미만) 액체를 축전기라고 한다. 전도도가 50 pS/m 이상인 액체는 비축전기라고 한다. 비축전기에서는 전하가 분리되는 속도만큼 빠르게 재결합하므로 정전하 축적이 중요하지 않다. 석유화학 산업에서 50 pS/m은 액체에서 전하를 적절하게 제거하기 위한 권장되는 최소 전기 전도도 값이다.

등유는 미터당 1 피코지멘스 미만에서 20 pS/m까지의 전도도를 가질 수 있다. 비교를 위해, 탈이온수는 약 10,000,000 pS/m 또는 10 μS/m의 전도도를 갖는다.^[18]

변압기유는 대형 전력 변압기 및 기타 전기 장치의 전기 절연 시스템의 일부이다. 대형 장치를 다시 채울 때는 민감한 변압기 절연을 손상시킬 수 있는 액체의 정전기 축적에 대한 예방 조치가 필요하다.

절연 유체에 대한 중요한 개념은 정적 완화 시간이다. 이는 RC 회로의 시정수 τ(타우)와 유사하다. 절연 재료의 경우, 이는 정적 유전 상수를 재료의 전기 전도도로 나눈 값이다. 탄화수소 유체의 경우, 이는 때때로 18을 유체의 전기 전도도로 나누어 근사화한다. 따라서 전기 전도도가 1 pS/m인 유체는 약 18초의 예상 완화 시간을 갖는다. 유체의 과잉 전하는 완화 시간의 4~5배, 즉 위 예시의 유체에 대해 90초 후에 거의 완전히 소산된다.

전하 발생은 유체 속도가 빨라지고 파이프 직경이 커짐에 따라 증가하며, 200mm 이상의 파이프에서 상당히 중요해진다. 이러한 시스템에서 정전하 발생은 유체 속도를 제한하여 가장 잘 제어할 수 있다. 영국 표준 BS PD CLC/TR 50404:2003(이전 BS-5958-Part 2) 원치 않는 정전기 제어 실무 규약은 파이프 유량 속도 제한을 규정한다. 수분 함량이 유체의 유전 상수에 큰 영향을 미치므로, 물을 함유한 탄화수소 유체에 대한 권장 속도는 초당 1미터로 제한해야 한다.

본딩 및 접지는 전하 축적을 방지하는 일반적인 방법이다. 전기 전도도가 10 pS/m 미만인 유체의 경우, 본딩 및 접지는 전하 소산에 적합하지 않으며, 정전기 방지 첨가제가 필요할 수 있다.

정전기 대책은 대전 방지 대책이 기본이 된다.^[30] 일반 사용자를 위해 정전기 방지 용품 등이 판매되고 있다.^[30]

; 접지

: 접지 설비 설치 및 대전 방지복 착용 등.^[30]

; 대전 방지

: 가습, 작업물의 일정 시간 정지, 대전 방지제 사용 등.^[30]

; 제전

: 제전 장치(교류식, 자기 방전식, 고주파 코로나식) 사용 등.^[30]

; 방폭 대책

: 불활성 가스 이용 등.^[30]

7. 4. 제조 현장

IC 등의 반도체 부품이나 액정은 정전기에 의한 고전압으로 파괴될 우려가 있으며, 정전기로 인한 먼지 부착도 문제가 된다. 전자 기기, 반도체 소자, 전자 부품, HDD(하드 디스크 드라이브), 액정 등의 생산 현장에서는 정전기 발생 방지, 정전기 누설, 정전기 제거 및 중화를 위한 이오나이저 등 다양한 대책이 시행되고 있다.^[2]

정전 방전에 특히 민감한 품목은 대전 방지제로 처리할 수 있다. 대전 방지제는 과도한 전하가 균등하게 분산되도록 전도성 표면층을 추가한다. 섬유 유연제와 건조기 시트는 세탁기와 의류 건조기에서 정전기적 밀착을 방지하고 제거하는 데 사용되는 대전 방지제의 예이다.^[3]

전자 제품에 사용되는 많은 반도체 소자는 정전 방전에 특히 민감하다. 전도성 대전 방지 봉투는 이러한 구성 요소를 보호하는 데 일반적으로 사용된다. 이러한 장치를 포함하는 회로에서 작업하는 사람들은 종종 전도성 대전 방지 스트랩으로 접지한다.^[4]^[5]

페인트 또는 밀가루 공장과 같은 산업 환경뿐만 아니라 병원에서는 바닥과의 접촉으로 인한 정전기 축적을 방지하기 위해 대전 방지 안전화를 사용하기도 한다. 이러한 신발은 전도성이 좋은 밑창을 가지고 있다.

작업자는 정전기가 일어나기 어려운 복장을 하거나, 리스트 스트랩이나 정전기 방지 바닥과 정전기 방지 신발을 사용하여 신체의 일부를 전류 제한 저항 성분을 거쳐 접지에 연결하는 등의 대책을 실시한다. 일반 가정에서 PC 내부를 만질 때도, 전자 부품을 만지기 전에 케이스의 금속 부분에 접촉하여 정전기를 방전시키는 것이 안전하다. 케이스의 금속 부위를 만지는 순간은 인체의 전위와 전자 기기 케이스의 전위차가 없어지지만, 인체에 대해 아무런 정전기 대책을 하지 않은 경우, 케이스에서 손을 뗀 다음 순간에는 인체의 의복 등에 의한 마찰 대전 등의 정전기 대전이 시작되어 매우 위험하다. 전자 기기 내부 등을 손으로 만질 경우에는 반드시 인체의 정전기 대책으로서 리스트 스트랩 착용이 필수적이다. 취미로 각종 전자 회로 등을 다룰 때에도 정전기에 유의해야 하며, 어스를 위한 클립이 달린 코드를 연결하는 손목 밴드나 정전기 방지 신발(안전화) 등이 시판되고 있다.

밀가루 제조나 카본 블랙 제조에서도 분진 폭발은 정전기에 의한 것이 대부분이며 종종 큰 피해를 일으킨다.

7. 5. 분진 폭발 방지

정전기로 인한 불꽃은 분진폭발의 원인이 되기도 한다. 폴리에틸렌, ABS 수지 등 플라스틱을 생산하는 공장에서 플라스틱 분진이 정전기 불꽃에 의해 착화(着火)되어 분진폭발을 일으킨 사례가 있다.^[37]

정전기 방전은 인화성 물질을 취급하는 산업에서 심각한 위험을 초래할 수 있으며, 작은 전기 불꽃으로도 폭발성 혼합물을 점화할 수 있다.^[10] 미세하게 분말화된 물질이나 낮은 전도성을 가진 액체가 파이프를 통과하거나 기계적 교반을 통해 흐르는 움직임은 정전기를 축적할 수 있다.^[11] 미세하게 분말화된 물질의 먼지 구름은 가연성 또는 폭발성이 될 수 있다. 먼지 또는 증기 구름에서 정전기가 방전되면 폭발이 발생한다.

밀가루 제조나 카본 블랙 제조에서도 분진 폭발은 정전기에 의한 것이 대부분이며 종종 큰 피해를 일으킨다.

참조

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_[2] 웹사이트 Ionizers and Static Eliminators http://process-equip[...] GlobalSpec 2009-04-13
_[3] 웹사이트 Fabric Softener and Static http://www.newton.de[...] US Department of Energy 2009-04-13
_[4] 서적 Antistatic Bags for Parts https://books.google[...] John Wiley and Sons 2009-04-13
_[5] 서적 Antistatic Wrist Strap https://books.google[...] John Wiley and Sons 2009-04-13
_[6] 웹사이트 Safetoes: Safety Footwear http://www.safetoes.[...] Trojan Tooling 2009-04-13
_[7] 웹사이트 Triboelectric Noise in Medical Cables and Wires https://experience.m[...] 2014-08-29
_[8] 서적 Modeling of electrical overstress in integrated circuits Springer
_[9] 간행물 Theory of electrical breakdown in air
_[10] 서적 Industry Applications Society 42nd Annual Petroleum and Chemical Industry Conference
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_[12] 서적 Exploding Disk Cannons, Slimemobiles and 32 Other Projects for Saturday Science Johns Hopkins University Press
_[13] 간행물 Static electricity: concern in the pharmaceutical industry?
_[14] 뉴스 Storage Tank Explosion and Fire in Glenpool, Oklahoma https://www.ntsb.gov[...] National Transportation Safety Board 2003-04-07
_[15] 뉴스 Static Spark Ignites Flammable Liquid during Portable Tank Filling Operation http://www.csb.gov/c[...] Chemical Safety Board 2007-10-29
_[16] 간행물 Electrification of petroleum fuels https://massless.inf[...]
_[17] 간행물 Flow electrification of liquids
_[18] 문서 Aviation Fuels Technical Review Chevron Corporation
_[19] 문서 Static electricity – guidance for Plant Engineers http://www.wolfsonel[...] University of Southampton
_[20] 뉴스 CarCare – Auto Clinic https://books.google[...] 2003-04-01
_[21] 문서 'Electrostatic Effects in Pneumatic Transport: Assessment, Magnitudes and Future Direction'
_[22] 웹사이트 NASA – Crackling Planets https://science.nasa[...] 2021-02-23
_[23] 웹사이트 Nomograms for capacitive electrostatic discharge risk assessment http://www.ece.roche[...]
_[24] 웹사이트 High voltage safety: VandeGraaff Electrostatic Generator http://amasci.com/em[...] amasci.com 2010-01-27
_[25] 웹사이트 Index http://www.wolfsonel[...]
_[26] 문서 An Investigation of Human Body Electrostatic Discharge
_[27] 웹사이트 ESD Terms http://eed.gsfc.nasa[...] eed.gsfc.nasa.gov 2010-01-27
_[28] 문서 Static Electricity Guidance for Plant Engineers http://www.wolfsonel[...] Wolfson Electrostatics, University of Southampton
_[29] 웹사이트 goo辞書『静電気』 https://dictionary.g[...]
_[30] 문서 防災調査の現場から第11回日立保険サービス
_[31] 간행물 The early meaning of ''electricity'': Some ''Pseudodoxia Epidemica'' - I 1967-12-01
_[32] 웹사이트 バチッと痛い静電気　帯電体質の真実や静電気の原因・対処法を専門家に聞きました https://www.athome.c[...]
_[33] 웹사이트 Apple earbuds and static electricity https://support.appl[...] 2021-01-26
_[34] 웹사이트 iPodとiPhoneのイヤフォンから静電気 Appleが注意喚起 https://www.itmedia.[...] 2009-05-20
_[35] 뉴스 米国セルフスタンドの火災 http://www.khk-syoub[...] 危険物保安技術協会ホームページ 2011-01-01
_[36] 간행물 정전기 글로벌 세계 대백과
_[37] 논문 플라스틱 공장의 분진폭발 예방 대책 (Dust Explosion Prevention in the Plastics Industry) https://scienceon.ki[...] 1992

정전기