대부분의 규격에서는 실리콘을 "절연체"로 취급합니다. 단 한 단어, 차트에서 고른 한 가지 특성일 뿐입니다. 부품은 공장 고전압 시험을 통과하고 출하됩니다. 그리고 첫 해 동안은 데이터시트에 명시된 대로 정확하게 작동합니다.
그러던 중 해안 변전소의 고전압 종단부에서 전압 변동이 발생하기 시작했습니다. 절연 내력 시험을 통과했던 버스바 부트가 염수 분무에 3년 동안 노출된 후 표면에 탄소 통로가 생긴 것입니다. 하지만 재료 자체에는 아무런 변화가 없었습니다. 이러한 고장은 일반적인 절연 내력 시험에서는 절대 발견되지 않았는데, 그 시험은 해당 용도에 적합하지 않은 것을 측정하기 때문입니다.
실리콘은 강력한 전기 절연체입니다. 체적 저항률은 약 10¹⁴~10¹⁵ Ω·cm이고 절연 강도는 18~25 kV/mm입니다. 하지만 "절연"이라는 것은 하나의 수치가 아니라 네 가지 별개의 수치로 표현되며, 대부분의 고전압 부품 고장은 체적 파괴가 아닌 표면 트래킹으로 인해 발생합니다. 동일한 기본 폴리머를 사용하더라도 반도체 및 완전 전도성 등급 모두에 적용될 수 있으며, 전기적 특성은 실리콘 자체가 아니라 충전재 시스템에 의해 결정됩니다. 바로 이 지점에서 경계가 설정되고, 각 경계가 실제로 어떻게 검증되는지 설명합니다.
요약 보고서
- 유전 강도는 두께에 따른 수치이지 재료 상수가 아닙니다. 1mm 두께의 시편에서 23kV/mm로 평가된 등급이라고 해서 10mm 두께에서 230kV의 전압을 얻을 수 있는 것은 아닙니다. kV/mm 값은 단면 두께가 증가함에 따라 감소하고, 온도가 상승함에 따라서도 다시 감소합니다.
- 고전압 부품은 내부가 아닌 표면에서 고장이 발생합니다. 오염 환경에서의 추적 및 침식(IEC 60587)은 옥외 및 고전압 수명에 영향을 미칩니다. 실리콘은 소수성 회복 측면에서 우수하지만, 이는 전체적인 절연 강도와는 다른 특성이며 다른 시험 방식입니다.
- 필러는 전기 등급을 정의합니다. 충전재가 없는 VMQ는 10¹⁵ Ω·cm의 절연 저항을 가지며, 탄소가 첨가된 VMQ는 10⁰–10² Ω·cm의 전도 저항을 가집니다. "실리콘"이라고 명시하는 것만으로는 해당 부품이 절연성을 가지는지 또는 전도성을 가지는지에 대한 정보를 제공하지 않습니다.
"절연"의 실제 의미: 숫자 하나가 아닌 네 개
실용적인 전기 사양은 각각 고유한 테스트와 고장 모드를 가진 네 가지 특성을 구분합니다. 이들을 단일 "절연" 등급으로 취급하는 것이 대부분의 사양 미비의 원인입니다.
| 재산 | 일반적인 VMQ 범위 | 테스트 방법 | 그것이 당신에게 알려주는 것 |
|---|---|---|---|
| 체적 저항률 | 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm | ASTM D257 / IEC 60093 | 대량 차단막이 DC 누설을 얼마나 잘 차단하는가 |
| 절연 강도 | 18–25 kV/mm (박편) | ASTM D149 / IEC 60243 | 천공 전 전압 기울기 |
| 유전 상수(유전율) | 2.9–4.0 | ASTM D150 / IEC 60250 | 전하 저장; 고전압 스트레스 등급 및 RF에 중요한 요소 |
| 소산 계수(tan δ) | ~0.001–0.01 | ASTM D150 / IEC 60250 | 에어컨 사용 시 열로 손실되는 에너지; 손실량이 적을수록 좋습니다. |
| 아크 저항 | 높음 (비전도성 재를 형성함) | ASTM D495 | 표면 아크 발생 시의 동작 |
낮은 손실 계수와 안정적인 유전율 덕분에 실리콘은 RF 커넥터와 고전압 스트레스 콘에 사용됩니다. 실리콘은 전하를 예측 가능하게 저장하고 방출하며 열로 손실되는 양이 적습니다. 하지만 이러한 전체적인 수치만으로는 실제 옥외 환경에서의 표면 특성을 예측할 수 없습니다.
유전 강도는 재료 상수가 아니라 두께에 따른 수치입니다.
실리콘 데이터시트에서 가장 오해하기 쉬운 수치가 바로 이것입니다. 절연 강도는 kV/mm 단위로 표시되는데, 사람들은 이 값이 선형적으로 비례한다고 무심코 생각합니다. 하지만 그렇지 않습니다.
절연체 두께가 증가함에 따라 절연 파괴 전압 구배가 감소하는데, 이는 두꺼운 절연체가 시험 중 더 많은 열을 가두기 때문이기도 하고, 절연체 내부에 공극이나 충전재 응집체가 존재할 확률이 높아지기 때문이기도 합니다. 1mm 두께에서 23kV/mm의 절연 파괴 전압을 나타내는 절연체라도 6mm 두께에서는 실질적으로 그 절반 정도의 전압/mm의 절연 파괴 전압을 나타낼 수 있습니다. 얇은 절연체의 시험 결과를 바탕으로 두꺼운 절연체를 설계하면 정격 전압 이하에서 절연 파괴가 발생하는 부품이 만들어질 수 있습니다.
생산량 수치에 영향을 미치는 두 가지 요인이 더 있습니다.
- 온도. 절연 강도는 부품이 가열될수록 감소합니다. 23°C 정격의 부트는 150°C의 버스바에 접촉할 때와는 다른 거동을 보입니다. 여기에 절연 등급의 열적 특성도 고려해야 합니다.
- 공극 및 다공성. 불완전한 탈기 또는 갇힌 플래시로 인해 발생하는 공기 방울은 부분 방전 지점이 됩니다. 이러한 공기 방울은 짧은 고온 방전을 거친 후 수개월에 걸쳐 주변 폴리머를 침식합니다.
ASTM D149 또한 IEC 60243에서는 실험실에서 단시간, 단계적 또는 저속 전압 인가 방식을 선택할 수 있도록 허용하며, 전극 형상과 주변 매질(공기 대 오일) 모두 결과에 영향을 미칩니다. 따라서 시험 조건을 고려하지 않은 절연 강도 수치는 공급업체 간에 비교할 수 없습니다.
저항률 및 전도 범위의 끝단
"실리콘"이라는 단어는 전도성에 대해 아무것도 알려주지 않습니다. Si–O 골격 충전재 종류에 따라 40년 동안의 저항률을 포괄합니다.
- VMQ 절연: 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. 부츠, 슬리브, 캡슐화에 사용되는 표준값입니다.
- 반도체 등급: ~10³–10⁶ Ω·cm의 저항값을 가지며, 고전압 케이블 종단부의 응력 등급 조정을 통해 전기장을 제어하는 데 사용됩니다.
- 전도성(카본블랙 함유): 10⁰–10² Ω·cm의 저항값을 가지며, EMI/RFI 차폐 가스켓, ESD 부품 및 실리콘 키패드의 탄소 접점 필에 사용됩니다.
전도성을 부여하는 충전재의 함량은 기계적 특성에도 변화를 줍니다. 전도성 실리콘은 일반적으로 충전재가 없는 실리콘보다 더 단단하고, 신장률이 낮으며, 압축 영구 변형 문제가 발생하기 쉽습니다. 전도성은 공짜로 얻을 수 있는 것이 아닙니다. 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 전도성 및 정전기 방지 실리콘 등급 각 충전재 함량 수준에서의 저항률 목표 및 기계적 특성 절충점을 고려합니다. ASTM D257 IEC 60093은 표면 저항과 체적 저항을 모두 다루며, 부품이 오염되면 두 저항값이 급격히 차이가 나는데, 이것이 가장 중요한 고장 모드와의 연결 고리가 됩니다.
표면 추적 및 침식: 고전압 실리콘이 실제로 실패하는 지점
옥외 고전압 부품의 수명 단축 원인은 대부분 전체적인 절연 강도가 아니라 표면 트래킹 현상입니다. 오염과 습도가 높은 환경에서 누설 전류는 드라이 밴드, 아크 등에 집중되어 표면을 가로지르는 전도성 경로를 서서히 탄화시킵니다. 이렇게 트래킹이 형성되면 전체적인 절연 저항은 더 이상 중요하지 않게 됩니다.
실리콘의 진정한 장점은 소수성, 특히 소수성 회복. 표면에 물방울이 맺히는 대신 맺히기 때문에 누설 전류가 낮게 유지됩니다. 표면이 일시적으로 젖거나 오염된 후에도 저분자량 사슬이 표면으로 이동하여 발수성을 회복합니다. 이것이 바로 실리콘 고무가 고전압 절연체 및 케이블 부속품에서 EPDM과 도자기를 대체하게 된 이유입니다. 이는 전체적인 특성이 아니라 표면 화학적 특성이며, 재료의 전반적인 소수성 특성과 관련이 있습니다.
하지만 소수성은 무한하지 않습니다. 지속적인 건식 아크 방전 시 표면이 침식되고, 트래킹 저항성은 충전재에 크게 좌우됩니다. 알루미나 삼수화물(ATH) 추적 및 침식 성능을 향상시키기 위해 특별히 첨가된 물질로, 물을 방출하고 보호 무기 잔류물을 형성합니다. 관련 시험은 위의 내용과 전혀 다릅니다.
- IEC 60587 — 경사면 추적 및 침식, 핵심 고전압 옥외 시험
- IEC 60112(CTI) — 저전압 연면거리 설계용 비교 추적 지수
- ASTM D495 — 고전압 아크 저항
옥외 부품에 대해 전체적인 절연 강도만 명시하는 팀은 고장 발생 가능성이 가장 낮은 특성을 테스트하고 고장 발생 가능성이 가장 높은 특성은 무시한 셈입니다.
노화, 부분 배출 및 느린 표류
실리콘의 전기적 특성은 유기 고무보다 넓은 온도 범위(약 -50°C ~ 200°C)에서 거의 변화 없이 유지됩니다. 이러한 안정성은 실제로 존재하며 실리콘을 선택해야 하는 중요한 이유입니다. 온도 변화는 기계적 특성에서 비롯되는 것이지, 전기적 특성 자체에서 발생하는 것은 아닙니다. 화학.
밀봉 또는 포팅 공정에서 압축 변형으로 인해 시간이 지남에 따라 미세한 틈이 생깁니다. 이러한 틈은 부분 방전 지점이 됩니다. 부분 방전은 처음부터 부품을 손상시키지는 않지만, 틈의 벽면에서 폴리머를 서서히 침식시켜 결국 방전 경로를 형성합니다. 이는 종종 공장에서 고전압 포팅 처리 후 수년이 지난 후에 발생합니다. 부품의 절연 강도가 저하된 것이 아니라, 최초 테스트에서는 볼 수 없었던 내부 형상이 형성된 것입니다. 바로 이 부분이 검증 과정에서 간과되는 부분입니다. 검증은 성형된 부품의 상태를 기준으로 하는 것이지, 가공 후의 부품을 기준으로 하는 것이 아닙니다. 숙성 및 압축.
팀들이 이것을 과소평가하는 이유
패턴은 일관적입니다. "실리콘은 절연체이다"라는 것은 사실이기 때문에 단일 이진 속성으로 취급되고 사양은 거기서 멈춥니다. 그러면 세 가지 사항이 다뤄지지 않습니다.
첫째, 절연 강도는 확장 가능한 상수로 간주되므로 두꺼운 부분은 얇은 샘플 데이터를 기반으로 설계되고 안전 여유는 조용히 사라집니다. 둘째, 벌크 절연 파괴만 테스트되는 반면, 실제 옥외 고장 모드인 표면 추적은 명시적으로 규정되지 않습니다. 이는 대부분의 구매자가 요구해야 할 기준이 다르기 때문입니다. 셋째, 부품은 성형된 상태로 인증되므로 수년에 걸쳐 발생하는 부분 방전 침식 및 압축 영구 변형과 같은 결함은 검증 과정에서 나타나지 않습니다.
이 모든 것은 무능함 때문이 아닙니다. 단지 핵심 속성은 쉽게 찾을 수 있지만, 관련 속성들은 제품 사양서 첫 페이지에 나와 있지 않다는 것입니다.
성적 확정 전에 필요한 사항
전기 등급, 충전 시스템 및 경화 과정을 확정하기 전에, 실제로 이러한 수치를 변화시키는 조건을 보내주십시오.
- 동작 전압, 파형(DC/AC/펄스) 및 연속 작동 대 과도 작동 모드
- 설계에서 가장 얇은 단열벽 부분
- 실내인지 실외인지, 오염/오염 수준 및 습도
- 해당 부품의 작동 온도 및 최고 온도
- 해당 부품이 절연체여야 하는지, 내압 등급(반도체)이어야 하는지, 아니면 전도성을 가져야 하는지에 따라 다릅니다.
- 규정 준수 목표: UL 746 (RTI), IEC 60587 추적 등급 및 등급의 화염 및 화재 거동과 관련된 모든 난연성 등급
이러한 정보를 바탕으로 표준 절연 VMQ가 적합한지, ATH가 충전된 내트래킹 등급이 필요한지, 또는 반도체 또는 전도성 화합물이 필요한지 여부를 알려드릴 수 있습니다. 전압, 벽 두께 및 환경 정보가 없으면 제가 드리는 유전율 수치는 테스트 샘플에 대한 설명일 뿐, 실제 부품에 대한 정보는 아닙니다.
참고자료 및 표준
- ASTM D149 — 고체 전기 절연 재료의 절연 파괴 전압 및 절연 강도 — ASTM 인터내셔널
- ASTM D257 — 절연 재료의 직류 저항 또는 전도도 — ASTM 인터내셔널
- ASTM D150 — 고체 전기 절연체의 교류 손실 특성 및 유전율(유전 상수) — ASTM 인터내셔널
- ASTM D495 — 고체 전기 절연체의 고전압, 저전류, 건식 아크 저항 — ASTM 인터내셔널
- IEC 60587:2022 — 절연 재료의 트래킹 및 침식 저항성 — 국제전기기술위원회
- IEC 60112 — 비교 추적 지수(CTI) — UL 솔루션
- UL 746B — 고분자 재료, 장기 물성 평가(RTI) — UL 표준 및 참여
- 삼수화물 알루미나(ATH) / 수산화알루미늄 — 난연 메커니즘 — 사이언스다이렉트 토픽
