3.1 탄화 진행 과정

실험은 모두 10회에 걸쳐 진행되었다. 시험용 전극에서 발생되는 트래킹 파괴는 Figure 2와 같은 과정을 거치면서 진행되었다.

첫 번째 전해액이 적하되면, Figure 3(a)와 같이 방전이 개시되었고, 신틸레이션이 시작되었으며, 절연물 표면에 탄화도 나타나기 시작했다. 전해액의 적하 수가 증가될수록 신틸레이션은 평판 전극 보다 침 전극 주위에서 훨씬 활발하게 진행되었다. 특히, Figure 3(b)와 같이 침 전극 끝부분 바로 아래에서 강한 신틸레이션이 발생되었다. 신틸레이션에 의해 침 전극과 절연물 사이에 있는 접착제가 침식되었다. 침식은 침 전극의 빗변을 따라 평판 전극과 반대 방향으로 진행되어 갔다. 건조대도 침 전극 빗변을 따라 형성되었고, 강한 신틸레이션의 발생으로 절연보드 위의 탄화도 침 전극의 빗변을 따라 평판 전극과 반대방향으로 점차 진행되어갔다. 평균적으로 적하횟수가 8회를 넘어서면 탄화는 Figure 3(c)와 같이 침 전극 쪽에서 평판 전극 쪽으로 진행되었다. 특히 탄화는 침 전극의 양 빗변에서 평판 전극 쪽으로 진행되었다. 이때, 침 전극에서 평판 전극으로 향하는 최단 경로 상에는 탄화되지 않는 영역이 관찰 되었다. 평균 적하수가 18회를 넘기면서 Figure 3(d)와 같이 절연물 표면이 부풀어 오른 후, 트래킹 파괴로 이어졌다.

Figure 4는 트래킹 파괴가 일어난 시험용 전극에 대한 사진을 보여준다. 침 전극의 양 빗변에서 출발하여 평판 전극까지 탄화가 이어지고 있다. Figure 4에 표현된 화살표들은 침 전극에서 평판 전극으로 탄화가 진전되어 가는 경로를 표현한 것이다. 한편, Figure 3(c)에서 언급한 바와 같이 양 전극 사이에 신틸레이션으로 인한 탄화 및 침식이 매우 적거나 없는 부분(‘A’ in Figure 4)이 관찰되었다.

3.2 전계 해석

Figure 5는 실험에 사용된 전해액이 각각 시험용 전극의 전극 부분과 절연물 부분에 적하되었을 때 접촉각을 보여준다. 접촉각은 컴퓨터 소프트웨어 (ImageJ with dropsnake)를 이용하여 측정하였고, 그 값은 각각 전극 위에서 69.53°, 절연물 위에서 81.85°로 나타났다.

Figure 6은 실험에 사용된 시험용 전극에 첫 번째 전해액 적하 후 건조대가 생성 되었을 때(Figure 3(a))를 가정한 전계해석 모델과 해석 결과를 보여준다. 전해액 모델링에는 Figure 5에서 구한 접촉각이 이용되었다. 전계해석은 Ansys Maxwell 2019 R3를 사용하여 진행하였다. 3.1절에서 언급한 바와 같이 건조대는 침 전극 주변 및 평판 전극 주변에 모두 형성되었다. Figure 6(a)와 같이 적하된 전해액은 침 전극, 절연물 표면, 평판 전극 위에 각각 나뉘어 있는 모습을 보여준다. Electrolyte1은 침 전극 위에 놓여있는 전해액, Electrolyte2는 절연물 표면 위에 놓여있는 전해액, Electrolyte3은 평판 전극 위에 놓여 있는 전해액이고, Dryband1은 Electrolyte1과 Electrolyte2 사이에 존재하는 건조대, Dryband2는 Electrolyte2와 Electrolyte3 사이에 존재하는 건조대이다. 해석결과인 Figure 6(b)를 보면 전계가 침 전극의 침단에 모여 있다. 특히 벡터해석 Figure 6(c)를 보면 침 전극 침단에서 가장 강한 전계가 형성되었으며, 방향은 절연물 표면을 향하고 있다. 이 결과는 3.1절에서 언급된, 적하 초기에 침 전극의 침단과 절연물 표면 사이에서 격렬한 신틸레이션 방전이 발생한 것과 일치한다.

Figure 7은 Figure 3(b)와 같이, 침 전극 끝부분에 있는 접착제를 일부 깎아내는 방법으로 침식을 모의하고, 여기에 전해액 적하로 건조대가 형성되었을 때의 전계해석 결과를 보여준다. 침 전극 끝부분에 높은 전계가 형성되어 있지만, 그 빗변을 따라서도 상당히 높은 전계가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이 때문에 3.1절에서 언급한 바와 같이 침 전극의 빗변을 따라 평판 전극과 반대방향으로 접착제의 침식과 함께 절연물의 탄화가 점차 진행된 것으로 생각된다.

Figure 8은 Figure 3(c)와 같이, 침 전극 주변으로 탄화가 진행되었을 때를 모의한 전계해석 결과를 보여준다. 탄화물표면으로부터 전해액(Electrolyte2) 방향으로 빗변을 따라 강한 전계들이 형성되는 것을 볼 수 있다. 특히, 침 전극에서 침 빗변 부분을 따라 강한 전계가 형성되어 있다. 이 때문에 Figure 3(c)와 같이 침 전극의 빗변에서 평판 전극 쪽으로 탄화가 점차 진행되었던 것으로 생각된다.

Figure 9는 트래킹 파괴가 일어나기 직전의 시험용 전극에 대하여 전계해석을 수행한 결과를 보여준다. 침 전극과 연결된 탄화물 및 전해액과 평판 전극 사이에 형성된 건조대에서 전계강도가 가장 높게 나타났다. 이 건조대에서 발생되는 신틸레이션으로 탄화가 형성되면 침 전극과 평판 전극 사이에 탄화도전로가 완성됨으로써 트래킹 파괴로 이어진다.

Figure 9와 Figure 4를 비교해 보면, 침 전극에서 평판 전극까지 Path1과 Path2의 2가지 탄화경로를 예상할 수 있다. Path1은 침 전극의 빗변에서 출발하여 탄화된 절연물을 거쳐 평판 전극까지 이르는 경로이다. Path2는 침 전극의 침단에서 출발하여 전해액과 탄화물 등을 거쳐 평판 전극까지 이르는 경로이다. 특히, Path2는 전해액 적하지점을 경유하기 때문에 Path1에 비해 풍부한 전해액이 절연물 표면을 덮고 있다. 이 전해액 층이 도전로 역할을 대신하기 때문에 탄화나 침식이 매우 적거나 없는 부분이 발생 할 수 있다. 이 때문에 Figure 4에서 ‘A’와 같이 탄화가 덜 진행된 부분이 존재하는 것으로 분석된다.