정전기 발생 이해

정전기(靜電氣, static electricity, electrostatic) 개념 및 정전기의 발생 원인 등에 대해 공유하고자 한다.

정전기는 전기이지만 그 특성으로 인해 업계에서는 연간 수십억 달러의 비용이 소요되는 문제를 야기한다. 

 

 

 

정전기 발생 이해

정전기란  물질 내부 또는 표면의 전하 또는 정지 상태의 전기의  불균형을 말한다 .

Static electricity is an imbalance of electric charges within or on the surface of a material or electricity at rest. 

정전기는 양전하 또는 음전하 또는 양전하와 음전하 모두로 구성될 수 있다.

 

 

정전기의 메커니즘

모든 물질은 원자로 구성되어 있다.

균형 잡힌 원자는 원자핵에 존재하는 양전하를 포함하고, 동일한 양의 음전하가 전자 형태로 이 핵 주위를 돌고 있어, 균형 잡힌 원자의 전체 전하는 0(zero)이다. 이를 " 전기적 중성 상태"라고 한다.

그러나 이 균형 잡힌 상태가 항상 유지되지는 않으며, 이 구성이 어떤 현상(충돌 등)을 계기로 이 원자에서 여러 개의 전자가 제거되거나 추가되어 전자의 불균형이 발생하는데,  이처럼 균형이 무너진 상태를 "정전기"라고 한다. 정전기를 띠는 것을 전문적으로는 "대전(帶電)된다"고 한다.

<그림 1> 충돌 시 전자의 이동

 

두 물체가 부딪힐 때, “마이너스를 잡아당기는 힘이 강한 쪽”을 향하여 다른 한쫃의 마이너스 전기가 이동한다.

 

정전기에는 플러스로 대전한 "플러스 정전기"와 마이너스로 대전한 "마이너스 정전기"가 존재하게 된다.

 

 

정전기 대전

물체가 전기를 띠는 현상을 대전현상(帶電現象) 보통은 그냥 대전(帶電, electrification 또는 charging)이라고 많이 부른다.

대전으로 인해 물체가 전기를 띠게 되면, 물체에 있는 전기는 특별한 일이 없으면 정지하여 그 물체에 계속 남아있는다.

이것을 정전기라고 하며, 대전현상은 정전기를 발생시키는 대표적인 사례이다.

정전기의 대전이란 용어는 흔히 사용하지만 이것이 발생된 정전기가 물체상에 축적되는 것을 말하며 실제로는 대전한 전하량 (대전량)이 정전기에 의한 트러블을  좌우한다.

 

물체의 저항률과 대전성의 기준은 다음 표와 같다.

<표 1> 물체의 저항률과 대전성의 기준 

 

그리고 일부 물질의 체적저항률과 비유전율은 다음 표와 같다.

<표 2> 체적저항률과 비유전율의 참고값

 

 

대전 서열

우리 주변의 모든 물체들은 플러스와 마이너스라는 2종류의 전기를 띠고 있다. 우리 인간도 마찬가지이다. 평상시에는 플러스 전기와 마이너스 전기를 같은 수만큼 띠고 있다.

그러면 어떤 물체가 플러스로 대전되고 어떤 물체가 마이너스로 대전되는 것일까?

그 성질을 알기 쉽게 표현한 것이 대전 서열이다. 다양한 물질을 마찰시킨 경우, 대전에 관한 서열이 있다는 것은 잘 알려져 있고, 양·음으로 대전되기 쉬운 순서로 열거한 것을 대전서열이라고 한다.

 

<그림 2> 물질의 대전서열

 

유리, 머리카락, Nylon과 같은 일부 물질은 전자를 빼앗겨 양전하를 띠는 경향이 있고,  Polypropylene, Vinyl (PVC), Silicon, Teflon, Silicone과 같은 재료는 전자를 얻어 음전하를 띠는 경향이 있다.

대전 서열에 표시된 2가지 재질은 거리가 멀수록 큰 정전기를 일으킨다. 대전 서열을 이용하면 해당 재질이 플러스와 마이너스 중 어느 쪽으로 대전되기 쉬운지, 발생하는 정전기가 큰지 작은지 두 가지를 알 수 있다. 정전기로 인한 문제가 발생했을 때 대전 서열을 활용하면 해결될 가능성이 있다.

 

 

도체와 절연체

정전기의 크기는 앞 항목의 대전 서열에서 설명했듯이 재질에 따라 다양하다. 모든 물체에서 발생하는 정전기는 일어나는 현상도 물체에 따라 다양하고, 이는 해당 재질에 얼마나 전기가 잘 통하는지와 관계가 있다.
우리 주변에는 전기가 잘 통하는 물체인 "도체(전도체)"와 잘 통하지 않는 물체인 "절연체"가 있다.

● “도전성(Conductive)”이라 함은 전하의 흐름을 허용하는 능력을 말하며, 일반적으로 도전율 10^4 pS/m 이상(또는 저항률 10^8 Ωm 이하)을 의미한다.
● “반도전성(Semi-conductive)”이라 함은 도전율이 10^2에서 10^4 pS/m 사이(또는 저항률이 10^8에서 10^10 Ωm 사이)인 것을 말한다.
● “비도전성(Anti-conductive)”이라 함은 도전율이 10^2 pS/m 미만(또는 저항률이 10^10 Ωm 초과)인 것을 말한다.

앞서 설명한 것처럼 두 물체가 도체건 절연체건 상관없이 부딪히면 정전기가 발생한다. 다만 발생한 정전기의 성질은 도체인지 절연체인지에 따라 아래와 같은 차이가 있다.

 

1. 도체에 발생한 정전기의 이동

대전된 "도체"인 경우에는 그대로 두면 대전 상태가 유지되지만 "어스(접지)"를 하면 즉시 정전기가 없는 원래의 상태로 되돌아가는 특성이 있다.

즉, 도체는  어스로 연결하면 물체는 정전기가 없는 전기적으로 안정된 상태가 된다.
"어스(접지)" 란 도체를 땅(지구)과 연결하는 행위 또는 땅(지구)과 연결된 장비를 의미한다.

* 지구는 매우 크고 전기적으로 안정된 도체이다. 

도체는 어스로 접속되어 있으면 정전기가 발생해도 금방 어스를 통해 빠져나가기 때문에 대전된 상태가 계속해서 유지되지 않지만, 어스로 연결되지 않은 경우에는 빠져나갈 곳이 없으므로 정전기가 축적된 상태가 계속해서 유지된다.

 

2. 절연에 발생한 정전기의 이동

절연체에 정전기가 발생한 경우, 도체의 경우와 다른 경과를 거친다. 절연체는 전기가 잘 통하지 않기 때문에 어스를 접속해도 축적된 정전기가 빠져나가지 않기 때문에 정전기를 없애기 위해서는 별도의 대책이 필요하다.

 

 

정전기 발생의 메커니즘

1. 정전기 발생에 영향을 주는 요인

정전기의 발생 메카니즘 정전기 발생에 영향을 주는 요인으로는 주로 다음과 같은 것들을 들 수 있다.

a) 물체의 특성 : 물체의 재질에 따라 다름 (상기의 대전 서열 참조)

b) 물체의 표면상태 :  표면 거칠기, 오염시 발생량 증가

c) 물체의 이력 : 초기상태에서 발생량 증가

d) 접촉 면적 및 압력 : 면적 및 압력 크고 높을수록 증가

e) 분리속도 : 속도 빠르면 발생량 증가

 

 

2. 전하의 생성

정전기는 물체 위의 양이나 음 전하의 불균형에 수반해 나타나는 과잉 전하로, 일반적으로 ２가지 물체의 마찰 등의 상대 운동으로 인해 발생한다.
물체는 같은 종류 또는 다른 종류일 수 있고 액체, 고체, 기체 등 모든 형상에서 발생한다.

 

a) 물질의 접촉면에서 발생하는 전하는 그림 3과 같이 고체 표면과 접촉하는 액체, 고체와 고체가 접촉하는 경우 전하가 많이 발생하며, 불순물이 없는 가스가 고체표면을 타고 흐를 때에는 전하가 거의 발생하지 않는다.

a) 절연체의 움직임에 의한 전하 발생	b) 분리에 의한 전하 발생

<그림 3>  일반적인 정전기 전하 발생의 예

b) 도체가 대전된 절연체 근처로 가면 절연체 표면의 전하극성에 따라 그림 4와 같이 표면에 가까운 쪽 또는 먼 쪽으로 전자가 이동한다. 이 이동된 전체 전하를 유도전하라 한다.

도체의 유도 전하는 대전된 절연체와 가장 가까운 지점에서 전계강도가 높아지 므로 코로나 국부방전이 발생한다.

 

a) 전계에 의한 대전	b) 도체의 유도전하

<그림 4> 유도전하에 의한 전하 발생의 예

 

 

3. 정전기의 발생종류
이처럼 정전기는 a) 접촉·분리, b) 액체 유동, c) 고체 파쇄, d) 진동(교반), e) 충돌 등으로 인해 발생한다.

a) 접촉·분리로 인한 발생

	(마찰 대전)	(박리 대전)

<그림 5> 접촉·분리로 인한 정전기 발생

 

 

b) 액체 유동으로 인한 발생

	(유동 대전)	(분출 대전)

<그림 6> 액체 유동으로 인한 정전기 발생

 

 

c) 고체의 파쇄·분열로 인한 발생

<그림 7> 고체의 파쇄·분열로 인한 정전기 발생

 

 

4. 사람의 유도대전

사람*이 걷다 보면 전하가 있는 장소에서의 접근 또는 이격 시 인체의 정전하의 재분배 현상이 발생된다.

* 사람이란 신체, 의복, 도구, 손전등, 펜 및 휴대하는 다른 물체와 함께 이들이 전기적으로 연결된 경우도 포함한다.

사람으로부터 주변 환경으로의(예를 들어, 대전물체, 바닥, 공기, 주변의 기타 다른 물체와 같이 전하 재배열의 경로가 되는 모든 것) 전하가 이동되는 경우가 아니라면, 사람이 걷는 동안 사람의 총 전하는 변하지 않는다.

 

사람의 유도대전은 다음과 같이 여러 가지 형태로 발생할 수 있다.

a) 사람이 대전된 물체와 접촉 시 전하는 물체와 사람 간에 흐르며, 사람의 도전성에 의하여 전하가 물체로부터 더 멀리 분산될 수 있다.

- 물체가 도전체인 경우, 물체 전체의 전하량 중 사람으로 이동된 만큼 감소하게 되어 양쪽 모두 동일한 전압(전위)이 된다.

- 물체가 절연체인 경우, 국부 방전이 발생되어 전하는 사람에게 분산된다. 이동하는 직물망의 경우 사람으로 국부 방전이 지속되어 도전체로부터 유사한 전하 생성이 발생되는 사례이다. 결국 사람의 전위는 직물망의 평균 전압(전위)과 같게 된다.

b) 전기적인 방전은 사람과 대전 물체 사이에서 발생한다. 전기적인 방전은 일반적으로 사람 또는 물체의 뾰족하거나 날카로운 부분 근처, 모서리 또는 가장자리 부근 등과 같이 전하가 집중된 부분에서 스파크 또는 코로나 방전이 발생한다

c) 전류가 신발을 통하여 바닥으로 통전되는 경우 신발을 통한 도전이 발생하면 전하는 사람을 벗어나 분산되며 같은 양의 전하가 대전 물체와 근접한 사람에게 도전된다. 신발이나 바닥 재질이 비도전성인 경우 전하가 성장하는데 시간이 걸리고, 사람이 그 구역을 벗어나면 전하는 소멸한다.

d) 사람이 전하 재배열의 경로 또는 구역에서 다른 사람, 구조용 강재 및 공구 상자 등과 접촉하는 경우, 사람의 접촉 행위가 전하 재배열의 범위를 넓히게 된다. 그리고 전하 재배열 경로가 없어지면 사람에게 전하는 남게 된다. 신발과 바닥의 재질이 비도전성인 경우, 사람이 대전 물체와의 접촉에서 벗어나게 되면 전하는 사람에게 남는다

e) 사람과 주변 환경의 물체 특히, 접지된 물체간의 전기적인 방전은 머리, 반지, 손톱, 도전성 재질 의류 등에서 발생할 수 있다. 코로나 방전의 경우 근처에 접지된 표면이 아니더라도 공기중에서 발생할 수 있다.

 

● 전하 재배열은 실제적으로 복잡하고 역학적이며 사람에 축적된 전하는 시간에 따라 변한다. 산업현장의 정전기 발생 위험 공정에서는 도구를 사용하거나 작업을 수행할 때 주의를 기울여야 한다. 용제 성분의 재료를 포함하는 그라비어 인쇄, 코팅 및 마무리 작업은 유도 대전으로 인하여 특히 위험을 야기할 수 있다. 정전기가 효과적으로 제거되지 않으면 공정배관에 손가락이 접촉되거나 도전성 재질의 공구를 사용하게 되면 위험해질 수 있다. 근로자와 대전 물체의 근접으로 인한 스파크 방전 발생 가능성은 높아진다.

 

Reference : 1. KESG-Ⅴ-ET-45-2014 정전기에 대한 전기안전지침

2. KOSHA 교육자료(전기안전 정전기 방지대책)

3. Keyence 기술 자료

4. https://kr.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/d0033.html