코로나 방전

3. 코로나 방전의 응용

코로나 방전은 비행 중 항공기 표면에 쌓이는 불필요한 정전기를 제거하여, 제어되지 않은 정전기 방전 펄스가 항공 전자 시스템 성능에 악영향을 미치는 것을 방지한다.^[5]

3. 1. 산업적 응용

• 오존 생성
• 수영장 물 소독
• 전기집진기를 이용한 폐가스 흐름 내 고체 오염 물질 제거, 공기 조화 시스템을 통한 공기 중 입자 제거
• 복사
• 공기 이온화 장치
• 키르리안 사진을 위한 광자 생성 (사진 필름 노출)
• 전기유체역학 추진기, 리프터 등 이온풍 장치
• 질소 레이저
• 질량 분석기 또는 이온 이동도 분광기에서 기체 시료 이온화 후 분석
• 이온화 바를 이용한 정전기 방지 장치 (정전기 중화)
• 강제 대류를 통한 전자 장치 냉각^[5]

3. 2. 기타 응용

• 항공기가 비행할 때 표면에 쌓이는 불필요한 정전기를 제거하여, 제어되지 않은 정전기 방전 펄스가 항공 전자 시스템 성능에 나쁜 영향을 주지 않도록 한다.
• 오존 생성
• 수영장 물 소독
• 전기집진기에서 폐가스 흐름으로부터 고체 오염 물질을 제거하거나, 공기 조화 시스템에서 공기 중의 입자를 제거한다.
• 복사
• 공기 이온화 장치
• 사진 필름을 노출시키기 위한 키르리안 사진용 광자 생성
• 전기유체역학 추진기, 리프터 및 기타 이온풍 장치
• 질소 레이저
• 질량 분석기 또는 이온 이동도 분광기에서 후속 분석을 위한 기체 시료의 이온화
• 이온화 바와 같은 정전기 방지 장치를 통해 적용되는 정전기 중화
• 강제 대류에 의한 전자 장치 냉각^[5]

4. 코로나 방전으로 인한 문제점

코로나 방전은 일상생활에서 송전선 근처에서 관찰되며, 청각적 잡음과 전자적 잡음을 생성한다. 또한 전력 손실을 발생시키고, 대기 입자와 반응하여 오존과 질소 산화물을 생성한다. 송전선 주변 지역 주민들의 건강에 해로울 수 있다는 주장이 있으나, 실제 코로나 발생은 전력기기가 집중 설치된 변전소에 비해 매우 미미하다. 또한 송전선은 대부분 지상 15m 이상 높이에 설치되고 건축물과 거리를 두므로, 코로나가 주변 거주민의 건강에 영향을 준다는 것은 입증된 바 없다. 송전 설비는 코로나 방전에 의한 전력 손실을 줄이기 위해 코로나 발생을 최소화하도록 설계 및 시공된다.

코로나 방전은 정전기 방전, 뇌(lightning, 서지 전압)와 같은 상황에서도 문제가 될 수 있다.

4. 1. 전력 설비 관련 문제점

• 송전선에서의
• * 전력 손실
• * 소음
• * 전자기적 장해
• * 보라색 발광
• * 오존 생성^[6]
• * 절연 파괴
• * 자외선에 민감한 동물의 스트레스 가능성^[7]
• 변압기, 축전기, 전동기, 발전기와 같은 전기 기기 내부에서, 코로나 방전은 기기 내부의 절연을 점진적으로 손상시켜 장비 고장을 유발할 수 있다.
• O-링과 같은 탄성중합체 제품은 오존 크래킹을 겪을 수 있다.
• 상용 전압에서 작동하는 플라스틱 필름 콘덴서는 코로나 방전으로 인해 금속 박막의 국부적인 기화가 발생하여 정전 용량이 점진적으로 감소할 수 있다.^[8]

4. 2. 기타 문제점

• 송전선에서 전력 손실, 소음, 전자기 장해, 보라색 발광, 오존 생성, 절연 파괴 등을 유발한다.^[6]
• 변압기, 축전기, 전동기, 발전기와 같은 전기 기기 내부의 절연을 파괴하여 수명을 단축시킨다. 특히 O링과 같은 엘라스토머 부품은 오존 크래킹으로 손상될 수 있다.^[8]
• 고전압 사용 시 오존 생성을 최소화해야 하는 경우에도 문제가 될 수 있다.
• 정전기 방전, 뇌(lightning, 서지 전압)와 관련된 문제를 일으킬 수 있다.
• 전력 송전선 근처에서 가청 주파수 및 라디오 주파수 잡음을 발생시켜 라디오나 TV 수신에 영향을 미칠 수 있다.
• 자외선에 민감한 동물에게 스트레스를 줄 수 있다.^[7]

5. 코로나 방전 억제 기술

코로나 방전은 여러 상황에서 문제를 일으킬 수 있다. 송전선에서는 전력 손실, 소음, 전자기적 장해, 보라색 발광, 오존 생성, 절연 파괴 등의 문제가 발생할 수 있다. 변압기, 축전기, 전동기, 발전기와 같은 전기 기기 내부에서는 코로나가 절연을 파괴하고 수명을 단축시킬 수 있는데, 특히 O링(O-ring) 같은 탄성중합체 부품은 오존 크래킹으로 손상될 수 있다. 이 외에도 고전압을 사용하면서 오존 생성을 최소화해야 하는 상황, 정전기 방전, 뇌(lightning, 서지 전압) 등도 코로나 방전과 관련된 문제점이다.^[1]

5. 1. 코로나 링

5. 2. 기타 기술

• 송전선에서의
• * 전력 손실
• * 소음
• * 전자기적 장해
• * 보라색 발광
• * 오존 생성
• * 절연 파괴
• 변압기, 축전기, 전동기, 발전기와 같은 전기 기기 내부에서, 코로나가 기기 내부의 절연을 파괴하고, 수명을 단축시킨다. O링(O-ring)같은 탄성중합체 부품이 오존 크래킹으로 인한 손상을 입기 때문이다.^[1]
• 고전압을 사용하되 오존 생성을 최소화해야 하는 상황^[1]
• 정전기 방전^[1]
• 뇌(lightning, 서지 전압)^[1]

6. 코로나 방전 메커니즘

코로나 방전은 전극으로부터 높은 전위를 가진 전류가 중성 유체(보통 공기)로 흐르는 과정으로, 이 유체를 이온화하여 전극 주변에 플라스마 영역을 생성한다. 생성된 이온은 인근의 더 낮은 전위 영역으로 전하를 전달하거나, 중성 기체 분자를 형성하기 위해 재결합한다.

유체의 한 지점에서 전위 구배(전기장)가 충분히 클 경우, 그 지점의 유체가 이온화되어 전도성을 갖게 된다. 대전된 물체가 뾰족한 부분을 가지고 있다면, 그 지점 주변의 전기장 세기는 다른 곳보다 훨씬 높다. 전극 근처의 공기는 이온화될 수 있지만(부분적으로 전도성을 갖게 됨), 더 먼 영역은 그렇지 않다. 뾰족한 부분 근처의 공기가 전도성을 갖게 되면, 도체의 크기가 증가하는 효과를 갖는다. 새로운 전도성 영역이 덜 뾰족하기 때문에, 이온화는 이 국부 영역을 넘어서 확장되지 않을 수 있다. 이 이온화 및 전도성 영역 외부에서, 대전된 입자들은 서서히 반대 전하를 띤 물체를 찾아 중화된다.

코로나 방전은 종종 "단일 전극 방전"이라고 불리며, 전기 아크와 같은 "이중 전극 방전"과 대조된다.^[1][2][3] 코로나는 도체가 반대 전위의 도체로부터 충분히 떨어져 있어 아크가 그 사이를 뛰어넘을 수 없을 때만 형성된다. 기하학적 구조와 구배가 이온화된 영역이 더 낮은 전위의 다른 도체에 도달할 때까지 계속 성장하도록 하는 경우, 두 도체 사이에 저저항 전도 경로가 형성되어, 전기 스파크 또는 전기 아크가 발생한다. 전원이 계속 전류를 공급하면, 스파크는 아크라고 불리는 연속적인 방전으로 발전한다.

코로나 방전은 도체 표면의 전기장(전위 구배)이 임계값인 유체의 유전 강도를 초과할 때만 형성된다. 해수면 압력 101 kPa의 공기에서 임계값은 약 30 kV/cm이다.^[1] 그러나 이 값은 압력에 따라 감소하므로, 고도가 높을수록 코로나 방전이 더 큰 문제가 된다.^[4] 코로나 방전은 일반적으로 날카로운 모서리, 돌출된 점, 금속 표면의 가장자리 또는 작은 직경의 와이어와 같이 전극의 심하게 곡률이 큰 영역에서 형성된다. 높은 곡률은 이러한 위치에서 높은 전위 구배를 야기하여 공기가 고장나고 그곳에 플라스마가 먼저 형성된다. 공기 중의 뾰족한 점에서는 2~6 kV의 전위에서 코로나가 시작될 수 있다.^[2] 코로나 형성을 억제하기 위해, 고전압 장비의 단자는 공 또는 토러스와 같은 매끄럽고 큰 직경의 둥근 모양으로 설계된다. 코로나 링은 고전압 송전선의 절연체에 종종 추가된다.

코로나는 ''양극성'' 또는 ''음극성''일 수 있다. 이는 심하게 곡률이 큰 전극의 전압 극성에 따라 결정된다. 곡률이 큰 전극이 평평한 전극에 대해 양극이면, ''양극 코로나''를, 음극이면 ''음극 코로나''를 갖는다. 양극 및 음극 코로나의 물리는 현저하게 다르다. 이러한 비대칭성은 전자와 양으로 대전된 이온 사이의 질량 차이가 크기 때문이며, 전자만이 일반적인 온도와 압력에서 상당한 이온화 비탄성 충돌을 겪을 수 있다.

코로나를 고려하는 중요한 이유 중 하나는 공기 중에서 코로나 과정을 겪고 있는 도체 주변에서 오존이 생성되기 때문이다. 음극 코로나는 양극 코로나보다 훨씬 더 많은 오존을 생성한다.

전극으로부터 특정 거리에서 전기장은 전자가 충돌할 때 원자를 이온화할 만큼 충분한 에너지를 제공하지 못한다. 이것이 코로나의 바깥쪽 가장자리이다.

6. 1. 전자 사태 (Electron Avalanche)

전기장은 이러한 반대 전하를 띤 입자들을 반대 방향으로 가속시켜 분리하고 재결합을 방지하며 각각에 운동 에너지를 부여한다. 전자는 질량 대 전하 비율이 훨씬 높기 때문에 양이온보다 더 높은 속도로 가속된다. 충분한 에너지를 얻은 전자는 다른 원자와 충돌하여 이온화시키고, 이 과정에서 또 다른 전자와 양이온이 생성된다. 이렇게 생성된 전자들은 다시 가속되어 다른 원자와 충돌하며 더 많은 전자/양이온 쌍을 만들고, 이는 ''전자 사태''라고 하는 연쇄 반응을 일으킨다. 양극성 코로나와 음극성 코로나 모두 전자 사태에 의존한다. 양극성 코로나에서는 모든 전자가 인근 양극으로 향해 안쪽으로 끌어당겨지고 이온은 바깥쪽으로 밀려난다. 반면 음극성 코로나에서는 이온이 안쪽으로 끌어당겨지고 전자는 바깥쪽으로 밀려난다.

코로나의 빛은 전자가 양이온과 재결합하여 중성 원자를 형성할 때 발생한다. 전자가 원래 에너지 준위로 돌아갈 때 빛의 광자를 방출하며, 이 광자는 다른 원자를 이온화하여 전자 사태를 유지하는 역할을 한다.

6. 2. 코로나 빛의 발생

코로나의 빛은 전자가 양이온과 재결합하여 중성 원자를 형성할 때 발생한다. 전자가 원래 에너지 준위로 돌아갈 때 빛의 광자를 방출한다. 방출된 광자는 다른 원자를 이온화하여 전자 사태를 유지하는 역할을 한다.^[3] 전극으로부터 특정 거리에서 전기장이 약해지면, 전자는 더 이상 원자를 이온화할 만큼 충분한 에너지를 얻지 못한다. 이 지점이 코로나의 바깥쪽 가장자리이다.

6. 3. 열역학적 특성

코로나 방전은 열역학적으로 비평형 과정이며, 비열 플라스마를 생성한다. 일반적인 전자 사태 메커니즘은 전기 아크나 스파크에서처럼 코로나 영역의 기체를 가열하고 이온화할 만큼 충분한 에너지를 방출하지 않는다. 소수의 기체 분자만이 전자 사태에 참여하여 이온화되며, 이들은 1~3eV 정도의 이온화 에너지에 가까운 에너지를 갖는다. 반면, 나머지 주변 기체는 거의 주변 온도에 머무른다.

코로나 방전 개시 전압(CIV)은 1929년에 발표된 ''피크의 법칙''으로 경험적으로 구할 수 있다. 이후 더 정밀한 공식들이 유도되었다.^[1]

7. 양극 코로나 (Positive Corona)

양극 코로나는 뾰족한 전극이 평평한 전극에 비해 전위가 높을 때, 즉 양극일 때 발생한다. 양극과 음극 코로나의 물리적 성질은 상당히 다르다. 이러한 차이는 전자와 양이온의 질량 차이에서 비롯된다. 일반적인 온도와 압력에서 전자만이 높은 수준의 이온화 비탄성 충돌을 견딜 수 있다.

코로나 반응이 일어나는 전도체 주변에서는 오존이 생성되는데, 음극 코로나가 양극 코로나보다 훨씬 많은 오존을 생성한다.^[1]

7. 1. 특성

7. 2. 메커니즘

8. 음극 코로나 (Negative Corona)

음극 코로나는 뾰족한 전극이 평평한 전극에 비해 낮은 전위(음극)를 가질 때 발생한다. 양극 코로나와 물리적 성질이 상당히 다르다. 이러한 차이는 전자와 양이온의 질량 차이에서 비롯된다. 전자는 양이온보다 훨씬 가볍기 때문에, 일반적인 온도와 압력에서 높은 수준의 비탄성 충돌을 견딜 수 있다.

음극 코로나는 불규칙한 형태로 나타나며, 전도체 표면의 특징에 따라 달라진다. 날카로운 가장자리에서 코로나 섬유 다발이 나타나기도 하며, 그 수는 전기장의 세기에 따라 달라진다.^[1] 음극 코로나는 전자가 이온화 영역을 벗어날 수 있어 플라스마가 더 넓게 퍼지기 때문에 양극 코로나보다 약간 더 크게 나타난다. 또한, 전자 밀도는 더 높지만, 전자의 에너지는 더 낮다.^[1]

2차 전자 생성 과정에서 양극 코로나와 차이가 있는데, 음극 코로나에서는 전극 표면 자체의 광전 효과가 주된 역할을 한다. 즉, 플라스마 내 원자에서 방출된 고에너지 광자가 전극 표면에서 전자를 방출시킨다. 반면, 양극 코로나에서는 플라스마 영역 주변의 기체가 2차 전자를 생성한다. 음극 코로나에서 전자는 바깥쪽으로 이동하면서 전기음성도가 높은 산소, 수증기 등의 분자와 결합하여 음이온을 생성하고, 이 음이온은 양극으로 끌려가 전기적 흐름을 완성한다.

8. 1. 특성

8. 2. 메커니즘

9. 전기풍 (Electrical Wind)

코로나 방전에서 생성된 이온화된 기체는 전기장에 의해 가속되어 기체의 움직임, 즉 전기풍(electrical wind, 코로나 풍)을 생성한다. 수백 마이크로암페어의 방전 전류와 관련된 공기의 움직임은 방전 지점에서 약 1cm 이내의 작은 촛불을 끌 수 있다. 원형 둘레를 따라 향하도록 구부러진 방사형 금속 살과 뾰족한 끝을 가진 풍차는 코로나 방전에 의해 에너지를 공급받으면 회전할 수 있는데, 이 회전은 금속 살과 끝을 둘러싸는 공간 전하(space charge) 차폐 영역 사이의 전기적 인력 차이 때문이다.^[9]

참조

_[1] 서적 Electrostatic Discharge https://books.google[...] CRC Press 2005
_[2] 서적 SFPE Handbook of Fire Protection Engineering https://books.google[...] Springer 2015
_[3] 서적 Static Electricity: Understanding, Controlling, Applying https://books.google[...] John Wiley and Sons 2017
_[4] 서적 Plasma Physics and Engineering https://books.google[...] CRC Press 2004
_[5] 학술지 Design and Experimental Evaluation of Innovative Wire-to-Plane Fins' Configuration for Atmosphere Corona-Discharge Cooling Devices 2020
_[6] 학술지 Ozone Production in the Positive DC Corona Discharge: Model and Comparison to Experiments http://link.springer[...] 2002
_[7] 웹사이트 Animals see power lines as glowing, flashing bands, research reveals https://www.theguard[...] 2014-03-12
_[8] 웹사이트 Vishay Offers C-stability in X2 Capacitors http://www.capacitor[...] 2012-06-14
_[9] 서적 Electrical Coronas University of California Press 1965