정전기(공학적 관점)-

CHAPTER9. 정전기 - 정전기 : 마찰전기(Triboelectricity) 전하분리(Charge separation)에 의해 발생 1,000~10,000[V]정도 가연성가스, 인화성액체, 분진 등이 있는 곳의 점화원으로 작용 9.1 정전기 발생원리 9.1.1 일함수 : work function - 정전기 : 정지 상태의 전하에 의한 전기 - 마찰전기 : 이종 물질이 접촉된 후 서로 분리되면서 정전기발생 9.1.2 전하분리 - 물체 접촉면의 전기 이중층 형성, 전기 이중층 분리에 의한 전위상승, 분리된 전하 소멸의 3단계 과정이 연속적으로 일어날 때 발생한다 - 평상시는 전하가 존재하지만 ( +), (-)의 전하량이 같아 총 전하량은 0이 된다 - 물체 분리 시 정전용량이 감소하면 접촉전위는 수[mV]에서 수[KV]로 상승 전위 V = [V] Q : 전하량 [C], C : 정전용량 [㎌] 9.1.3 정전기 발생에 영향을 주는 요인 9.1.3.1 물체의 특성 - 정전기의 발생은 대전서열 중에서 가까운 위치에 있으면 작고, 떨어져 있으면 크다 9.1.3.2 물체의 표면상태 - 표면이 거칠면 정전기 발생이 쉽고 수분, 기름등에 오염되어 있거나 부식 되어 있으면 정전기 발생에 영향을 준다. 9.1.3.3 물체의 이력 - 정전기 발생은 처음 접촉, 분리가 일어날 때 최고로 크고 접촉, 분리가 반복되어짐에 따라 작아진다. 9.1.3.4 접촉면적 및 접촉압력 - 접촉압력이 증가하면 접촉면적도 증가하기 때문에 일반적으로 접촉압력 이 크면 정전기 발생도 크게 되는 경향이 있다 9.1.3.5 분리속도 - 분리속도가 크면 전하분리에 주어지는 에너지가 커져서 정전기 발생이 크게 되는 경향이 있다 9.2 정전기 현상 9.2.1 대전 - 비대전체가 어떤 요인(에너지)에 의하여 전하를 띄게 하는 현상 9.2.1.1 대전의 원인 - 접촉, 박리, 마찰, 충돌, 변형, 변태, 이온흡착 등에 의해서 대전하게 된다. 9.2.1.2 대전의크기를 결정하는 요인 - 접촉면적, 압력, 마찰빈도, 속도, 온도차 등에 의하여 대전의 크기가 결정 된다. 9.2.1.3 대전의 극성을 결정하는 요인 - 물질의 형태, 표면상태, 이력 등에 의해서 대전의 극성이 결정된다. 9.2.2 방전 - 대전물체에 축적되어 있는 정전기의 에너지에 의해서 대전물체 근방 공간에 있는 물질이 전이되는 현상이다 9.2.3 정전유도 - 대전물체 가까이 절연된 도체가 있으면 절연된 도체의 표면상에서 대전 물체의 전하와 반대극성의 전하가 나타나는 현상을 정전유도라 한다 - 정전유도현상에 의해 대전물체 부근에 도체가 있으면 불꽃방전이 발생 하여 이것이 착화원이 되어 화재가 발생하기도 한다. 9.2.4 역학현상 - 두 개의 작은 물체 사이에 작용하는 힘은 각각의 물체가 가지고 있는 전하량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다. F = Q₁, Q₂: 전하량 [C], r : 거리 [m] 9.3 대전종류 9.3.1 마찰대전 - 물체가 마찰을 일으킬 때 마찰에 의해서 접촉의 위치가 이동하고 전하 분리가 일어나서 정전기가 발생하는 현상이다 9.3.2 박리대전 - 상호 밀착해 있는 물체가 벗겨질 때 전하분리가 일어나서 정전기가 발생 하는 현상이다 9.3.3 유동대전 - 액체류를 파이프 등으로 수송할 때 정전기가 발생하는 현상이다 - 액체가 파이프 등의 고체와 접촉하면 액체류 와 고체와의 계면에 전기 이중층이 형성되고 이 전기이중층을 형성하는 전하의 일부가 액체류의 유동과 함께 흐르기 때문에 정전기가 발생되는 현상이다 - 유동속도가 정전기 발생에 크게 영향을 준다 9.3.4 분출대전 - 분체류, 액체류, 기체류가 단면적이 작은 개구부(노즐, 균열등)에서 분출 할 때 마찰이 일어나서 정전기가 발생하는 현상이다 - 정전기 발생요인은 관과의 마찰뿐만 아니라 액체류, 분체류 끼리의 충돌 및 가늘게 비산해서 비말(물보라, spray)상태가 되는 것 9.3.5 충돌대전 - 분체류에 의한 입자끼리 또는 입자와 고체와의 충돌에 의해서 빠르게 접촉, 분리가 일어나기 때문에 정전기가 발생하는 현상이다 9.3.7 파괴대전 - 고체, 분체류와 같은 물체가 파괴 될 때 전하분리 또는 전하의 정부 균형 이 무너져 정전기가 발생하는 것 9.3.8 비말대전 - 공기 중에서 분출한 액체류가 미세하게 비산되어 분리하고 작은 방울로 될때 새로운 표면을 형성하기 때문에 정전기가 발생하는 현상이다 9.3.9 진동대전 : 교반대전 - 액체가 교반할 때 대전한다 - 기름을 탱크에 넣어 진동시키면 진동주파수에 따라 대전전압에 극소치가 생긴다. 이 극소부분을 제외하면 대전은 지폭이 커질수록 커지며, 진동 주기가 빨라질수록 커진다 9.3.10 기타대전 - 액체 중에 비중이 다른 타 고체, 액체, 기포 등이 분산, 흡입되어 있으면 이러한 것이 가라앉거나 올라갈 때 액체류와의 경계면에서 전기이중층 이 형성되고 정전기가 발생하는 현상을 말한다 9.4 방전 9.4.1 용어정의 - 정전기의 전기적 작용에 의해서 일어나는 전리현상 - 물체의 정전계가 공기 중의 절연파괴 전계강도 (AC 21 KV/㎝, DC30 KV/㎝ : 표준온도, 표준습도, 표준압력 하에서)에 달한 경우에 일어 나는 기체의 전리현상이다 - 방전이 일어나면 축적되어 있던 정전기에너지가 방전에너지로서 공간에 방출되어 열, 파괴음, 발광, 전자파 등으로 소비된다 9.4.2 방전현상의 종류 9.4.2.1 코로나방전 - 대기 중에서 발생하기 쉬운 방전으로 방전물체 또는 대전물체 부근의 돌기상대 끝부분에서 미약한 발광이 일어나거나 보이는 방전 9.4.2.2 브러시방전 - 대전량이 큰 대전물체(일반적으로 부도체)와 비교적 평활한 형상을 가진 접지도체와의 사이에서의 방전으로 비교적 강한 파괴임과 발광을 동반 하는 방전 9.4.2.3 불꽃방전 - 대전물체와 접지도체의 형태가 비교적 평활하고 그 간격이 적은 경우 그 공간에서 갑자기 발생하는 강한 발광이나 파괴임을 동반하는 방전 9.4.2.4 전파브러시방전 - 연면방전이라고도 하며 대전되어 있는 부도체에 접지체가 접근할 때 대전물체와 접지체 사이에서 발생하는 방전과 동시에 부도체 표면을 따라 발생하는 방전 9.5 정전기의 발화한계 9.5.1 도체 - 대전체가 도체일 경우 방전할 때 거의 대부분의 전하가 방출된다 - E = = 9.5.2 부도체의 발화한계 - 대전체가 부도체인 경우 방전이 발생하더라도 축적된 모든 에너지가 방출되는 것이 아니다 -일반적으로 화재 및 폭발을 발생시키는 대전상태 1)최소착화에너지가 수십[μJ]인 가연물질의 경우 : 대전전위 : 1KV 이상, 대전전하밀도 : 1× C/㎡이상 2)최소착화에너지가 수백[μJ]인 가연물질의 경우 : 대전전위 : 5KV 이상, 대전전하밀도 : 1× C/㎡이상 - 대전하고 있는 물체에 인체가 접근했을 때 정격을 느끼는 정도의 대전상태 - 대전하고 있는 물체에 직경 30㎝이상의 접지된 금속류를 접근 시켰을때 파괴음과 발광을 동반하는 방전을 발생시키는 대전상태 - 부도체로부터 방전에너지 산출공식 E =∫Rdt = ∫IVdt = ∫dt 현상 재해․ 장해의 원인이 되는 정전기에너지 인체대전(도체) 의류대전(부도체) 폭발화재 가연성가스등의 착화에너지 10mJ 클라스인 것 1× C이상 또는 300V이상 1× C/㎡ 이상 또는 1KV이상 100mJ 클라스인 것 1× C이상 또는 1KV이상 1× C/㎡ 이상 또는 5KV이상 전기적 충격 바늘로 찔린 정도의 통증 2~3× C이상 또는 3KV이상 1× C/㎡ 이상 또는 300V이상 9.6 방전에 의한 발화 9.6.1 최소착화에너지 - 방전에 의한 발화에 기여한 에너지를 최소발화에너지(Minimum Ignition Energy) 품질명 최소착화에너지[mJ] 메탄 0.28 에탄 0.25 프로판 0.25 부탄 0.25 헥산 0.24 벤젠 0.20 메탄올 0.14 수소 0.019 아세틸렌 0.019 이황화탄소 0.009 9.6.2분말의 착화 위험성 품질명 폭발하한계농도[g/㎥] 최소착화에너지[mJ] 알루미늄 30 10 유황 35 15 석탄 40 30 에폭시수지 20 9 합성고무 30 30 폴리에틸렌 20 10 폴리프로필렌 20 25 소맥 40 40 설탕 35 30 목재 20 20 9.7 정전기 방지대책 9.7.1 고체의 대전방지 - 합성수지 및 고무류 : 대전방지제, 탄소 등이 혼입되어 있는 도전성 합성수지나 고무를 사용 하고 접지 합성수지류에 대한 대전방지제를 첨가하거나 도포하고 도전율을 향상 시킨다. - 섬유나 모류의 대전방지는 금속섬유, 유기도전성섬유 등의 도전성재료를 사용하고 접지시키거나 도포하여 도전율을 향상시킨다. - 유리, 자기류의 도전방지는 도전성유리를 사용하여 접지하거나 표면전체 또는 일부에 도전성 재료를 사용하여 접지하는 방전 및 가습, 가수 하거나 제전기에 의한 방법을 사용한다. - 종이류의 대전방지는 적절한 대전방지제를 도포하여 도전율을 향상 시키고 접지하는 방법 또는 가습, 가수하는 방법 및 제전기에 의한 방법을 사용한다. 9.7.2 액체의 대전방지 - 가연성 액체의 대전방지는 취급하는 장치, 용기, 배관 등을 부도체로 하지 않고 금속제나 도전성재료로 된 것을 사용하고 이를 접지한다 액체용 대전방지제를 혼입하여 도전율을 향상시키며 이와 밀착된 금속 을 이용하여 간접 접지한다. 정지해 있는 가연성 액체에 대해서는 접지 이외의 정치시간을 설정하여 야 하며 비산하고 있는 가연성 액체에 대해서는 대전을 방지할 수 없기 때문에 액체류의 정전기 발생 방지대책에 의해 재해를 방지해야 한다. - 저항률이 10¹¹~ 10¹² Ω㎝ : 정전기 대전값이 제일 크다 - 인화성 액체위험물이 정전기 대전값이 가장 큰 저항률을 갖고 있고 점화에너지 값도 낮아 화재 폭발의 원인이 되고 있다 - 인화성 액체 위험물을 취급하는 고에서는 접지, 가습, 정치시간 확보 등 다양한 정전기 축적방지 대책을 실시하여야 한다. - 불연성 액체의 대전방지도 가연성 액체의 경우와 같은 방법으로 대전을 방지하며 정지해 있는 액체에 대해서는 제전기에 의해 대전을 방지한다. 9.7.3 기체․ 미스트의 대전방지 - 청정기체는 거의 대전하지 않으나 기체 중에는 이물질이 포함되므로 기체가 유동․ 분출할 때는 이물질이 마찰 등에 의해 대전하여 기체가 대전한 것처럼 보인다. 기체의 대전방지를 위해서는 녹, 먼지, 미스트 등의 이물질을 가능한 제거해야 한다. - 수증기, 액화가스, 용제증기 등은 노즐에서 기상으로 방전하면 거의 대전 하지 않으나 액상 또는 기액 혼합 상태로 분출되면 분무대전 등에 의해 액적, 미스트로 정전기가 발생하므로 이에 대한 대전 방지법 고압방출, 분출의 방지 방출노즐은 미립화하기 어려운 형상을 채택 유동․ 분출에 사용되는 도체 및 대전염려가 있는 근접 도체는 모두 접지 9.7.4 분말의 대전방지 - 용기 벽과의 마찰, 분말끼리의 충돌, 분말의 파쇄 등에 의해 정전기가 발생하면 분말입경이 작을수록 정전기 발생이 크고, 착화에너지가 저하 한다. 즉 분진농도가 높을수록 방전이 쉽고 또한 착화가 쉽다 -분말의 대전방지 방법으로는 가습, 극성용제의 첨가로 분말의 저항을 저하, 재료의 도전성 재료 선정, 취급규모․ 속도의 제한, 분말의 지름을 크게 하는 것, 분진의 발생 ․ 비산방지, 제전기 사용 등이 있다 9.8 구체적 방지대책 9.8.1 도체의 대전 방지대책 9.8.1.1 접지 - 물체에 발생된 정전기를 대지로 누설시켜 물체에 정전기가 축적되는 것 을 방지하는 방법 9.8.1.2 본딩 - 금속물체가 절연상태로 되어 있는 경우 그 사이를 도선으로 결합하여 양자의 전위차를 없애고, 방전을 방지하기 위하여 실시한다. - 본딩을 실시할 때는 반드시 접지를 동시에 실시한다. 9.8.2 부도체의 대전 방지대책 9.8.2.1 정치시간의 확보 - 정치시간 : 접지상태에서 정전기의 발생이 끝난 후 다음 발생 때까지의 시간, 또는 정전기의 발생이 끝난 후 접지에 의해 대전된 정전기가 누설 될 때까지의 시간 - 물체의 도전율이 10⁻¹² Ω/m 보다 적은 경우에는 정치시간을 설정하더라 도 반드시 대전량이 감소한다고 할 수 없다 - 대전물체가 가연성 물질이라면 위험한 분위기를 조성하고 있거나 그 가능성이 있는 경우에는 될 수 있는 한 정치시간을 두어 대전해 있는 정전기를 대지로 누설시켜 주는 것이 바람직하다 - 정치시간 : 탱크의 종류 및 용량에 따라 15분 ~ 120분 9.8.2.2 배관 내 액체의 유속제한 - 탄화수소의 절연성 액체 이송 시 정전기 대전량은 shon-Bustio의 실험 에 의하면 유속의 1.75승에 비례한다. - 배관의 유속은 가능한 억제하여야 하며 이동용 저장탱크 주입구 주입 속도는 1m/s 이하로 하여야 한다. - 정전기 발생 억제를 배관에서의 유속제한 기준 저항률이 10¹⁰ Ω㎝미만 : 7 m/s이하 저항률이 10¹⁰ Ω㎝이상 : 관경에 따라 1~ 5m/s이하 물이나 기체를 혼합한 비수용성 위험물 : 1m/s이하 이황화탄소 : 1m/s이하 9.8.2.3 가습 - 공기의 상대습도를 60~ 70%이상 유지하여 정전기 축적방지 - 습도가 높으면 물체표면에 극히 얇은 수성막이 생기고 이것에 공기 중의 CO₂가 녹아 전이되어 이를 통해 정전기가 누설됨. 9.8.2.4 제전에 의한 대전방지 - 정전기상의 부도체를 대상으로 한 대전방지대책 - 물체에 대전전하를 완전히 중화시티는 것이 아니고 정전기에 의한 재해 가 발생하지 않을 정도까지 중화시키는 것이다 - 제전기의 종류 1)전압인가식 : 고전압의 에너지에 의해 침상전극에서 방전이 발생하고 방전에 의해 ion이 생성되어 제전하는 방법 교류형(상업용주파, 고주파), 직류형, 직류펄스형 2)자기방전식 : 대전물체의 정전기에 의한 전계를 접지한 침상전극에 모으므로 그 전계에 의해 기체를 전리시켜 계전에 필요한 ion을 생성시켜 제전 하는 방법 50KV 내외의 높은 대전은 제거할 수 있으나 2KV 내외의 대전이 남는 경향이 있으므로 대전전위가 낮으면 제전이 불가능한 경우도 있다 3)방사선식 방사선의 공기전리작용을 이용하여 제전에 핑요한 ion을 만드는 제전기 방사선 동위원소가 사용되며 반감기가 길고 전리능력이 큰 α선 또는 β선이 사용되고 있다 9.8.2.5 도전성재료의 사용 - 전기저항이 높은 물질 대신 전도성이 있는 물질을 사용하여 정전기를 방지 - 도전화, 도전성 고무호스 사용 등 9.8.2.6 정전차폐 : 접지된 도체로 대전물체를 덮거나 둘러싸는 방법인데 대전 물체의 전위를 내려 방전이 난이하게 함으로써 근방에 있는 물체의 정전유도를 방지 하고 정전기의 원인이 되는 역학현상의 발생을 방지하는 효과가 있다 - 대전차폐의 기본 : 차폐재, 접지와 본딩 - 차폐재 : 금속세선의 간격이 수[㎝]의 금속망 - 차폐방법 : 가능한 대전 물체에 밀착 9.8.3 인체의 대전방지 9.8.3.1 제전복 착용 - 합성수지 작업복 입고 있을 때 대전전위 3,000[V], 벗을 때 대전전위 12,000[V] - 제전복을 착용하여 인체에 대한 정전기 축적을 방지한다 - 제전복은 중간, 중간에 일정한 간격으로 도전성 섬유를 짜 넣어 코로나 방전을 통하여 정전기 축적을 방지한다 - 제전복 착용시 대전전위 100~ 200[V] 9.8.3.2 정전화착용 - 일반 구두의 저항값 10¹² Ω에 해당되어 정전기 축적이 용이하다 - 정전화 또는 대전방지화 : 작업화 바닥의 저항값을 10⁵~ 10⁸Ω정도 9.8.3.3 손목접지대 착용 - 작업자 손목에 가요성이 있는 밴드를 차고 접지선에 연결함으로써 인체 를 접지하는 기구로 이 접지대는 1㏁정도의 저항을 직렬로 삽입하여 동전기의 누설로 인한 감전사고가 일어나지 않도록 하고 있다 9.8.4 기타 9.8.4.1 가연성 분위기의 불활성화 - 가연성 분위기를 제거함으로써 정전기를 방지하는 방법 - 질소, 탄소가스와 같은 불활성 가스를 이용하여 공기를 치환시키는 것으로 산소농도를 한계산소농도보다 낮게만 하면 된다 9.8.4.2 마찰을 적게 하는 방법 - 마찰계수가 큰 밸트 사용 - 마찰하는 두 물질의 대전서열이 가까운 것 사용 - 두 가지 물질을 모두 도전성 물질로 하는 방법