절연체

전기 절연 테이프

절연체(絶緣體, insulator)는 전기나 열을 전달하기 어려운 성질을 가지는 물질의 총칭이다. 전기를 통하기 쉬운 도체(전기 전도체)에 비교해서 부도체(不導體)라고도 한다. 그리고 절연체는 유전체의 성질을 갖는다. 절연체와 유전체는 실제 물질은 같지만 그 의미를 약간 다르게 사용한다. 절연 애자와 같이 절연체는 전기를 잘 통하지 않는 목적으로 많이 사용되었으나 최근에는 절연체(유전체)가 가지는 능동적인 특성을 이용하여 다양한 응용에 널리 사용되고 있다. 그래서 최근에는 절연체보다는 유전체라는 용어가 더 많이 사용된다.

역사

절연체를 이용한 최초의 전기 시스템은 전보선이다.

대량으로 사용된 최초의 유리형 절연체는 실이 꿰어있지 않은 핀홀을 포함하였다.

정의

밴드 이론에서 절연체는 반도체와 동일하게 원자가띠와 전도띠의 사이에 띠틈이 존재하는 상태나 그 상태를 나타내는 물질을 말한다. 반도체보다 띠틈이 큰것이 절연체이지만 이 차이는 명확하지 않는 경우가 있다. 통상적으로, 띠틈이 2 전자볼트 이상이면 절연체로, 미만이면 반도체로 구분한다.

절연체는 공유결합성이나 이온결합성이 큰물질에 많이 있다. 다만 예외적으로 석묵은 층내결합이 큰 공유결합이어도 준금속이다.

절연체 종류

핀 절연체

전신 또는 핀 (약 3cm 직경의 나무 또는 금속못) 등의 물리적 지지체로 전선을 분리하는 장치이다. 비전도성 재료로 보통 도자기 또는 유리로 만드는 단층 형태이며 가장 초기에 개발 된 오버 헤드 절연체로 분류된다.[1] 최대 33KV의 전력 네트워크에서 사용되며. 단일 또는 다중 핀 절연체를 하나의 물리적 지지대에 사용할 수 있지만 사용되는 절연체의 수는 전압에 따라 다르다. 또한 만약 절연체가 젖으면 외부 표면이 전도되어 절연체의 효과가 떨어진다. 그러므로 단열재는 우산 모양으로 설계되어 단열재의 하부를 비로부터 보호한다.[2] 절연체의 내부를 건조한 상태로 유지하기 위해 절연체 주위에 융기 부분이 있다.

걸쇠 절연체

초기에는 걸쇠 절연체가 변형 절연체로 사용되었고, 오늘날은 저전압 분배 라인에 사용된다. 절연체는 수평 또는 수직 위치에서 사용 되며 볼트로 폴에 직접 고정하거나 크로스 암에 고정할 수 있다. 비교적으로 과도한 전류가 흐를 때 파손 가능성이 적고 다른 전선들을 부드럽게 고정해 준다.

스트레인 절연체

변형절연체 중 하나로, 막 다른 곳이 있거나 전송선에 날카로운 모서리가 있을 때, 선은 변형되는 큰 인장 하중을 견뎌야할 때 사용된다. 그러므로 스트레인 절연체는 필요한 전기 절연 특성뿐만 아니라 상당한 기계적 강도를 가진다.

특징

자유 전자의 이동이 특히 적은 물질은 절연체로 자리 매김 하여 전기를 흐르게 할 수 없다. 고무 나 유리 등은 전기가 통하지 않는 물질이며, 절연체로 분류되어 있다. 절연체는 전자가 속박되어 자유 전자가 거의 없는 상태로 인해 상당히 높은 전압을 인가 하지 않으면 자유 전자가 발생하지 않는다. 유리· 고무는 대표적인 절연체이지만, 플라스틱, 나무, 기름 등도 절연체이고 높은 전압을 인가하지 않으면 전자가 움직이지 않는다. 전술 한 바와 같이, 순수(純水)도 절연체로 자리 매김 되고 있으며 불순물이 함유되지 않는 한 전기가 흐르지 않기 때문에 절연체로 간주 될 수 있다. 불순물은 소금에 한하지 않고 단순히 물이 더러워 져도 절연성이 손실 되어 물이 도체로 되어 버리기 때문에 주의가 필요하다. 절연체는 전기의 흐름을 막아 회로를 절연하기 위해 사용되는 재료이다. 절연체도 매우 높은 전압을 인가하면 절연이 파괴되고 전기가 흘러 버린다. 예를 들면, 공기는 전기 흐름을 절연할 수 있는 절연체이다 만, 수만 볼트의 전압을 인가하면 절연이 파괴되어 공중 방전이 절연체에서 전도체가 되어 버린다.

전기 통하는 절연체

AA’,AB 적층 육방정계 질화붕소의 경계면에서 형성된 전도 채널의 모습.

1949년에 '전기가 통하지 않는 절연체도 전기가 통하는 금속으로 바뀔 수 있다'는 가설이 제기돼 논란이 됐었다. 가설의 주인공은 당시 영국 케임브리지대학 물리학과 교수였던 네빌 모트 박사로 당시 학자들은 그의 주장에 코웃음을 치며 터무니없는 가설이라고 폄하했다. 얼마 후 후배 물리학자들은 여러 실험을 거치면서 모트가 주장한 가설과 비슷한 현상이 존재함을 서서히 알게 되었고 일부 과학자는 혹시나 하는 마음에 실험에 매달리기도 했지만 명쾌한 답을 구하지는 못했었다. 그러나 2005년 우리 나라 전자통신연구원(ETRI) 김현탁 박사가 마침내 네빌 모트 박사의 가설을 증명한 논문을 발표해 일약 스타과학자가 됐다. 김 박사는 1992년 일본 스쿠바 대학 박사과정 시절부터 자연에 존재하는, 모트 절연체로 알려진 100여 개 물질에 대한 연구를 해왔다. 그리고 지난 2003년 3월 25일 마침내 그 중 하나인 바나듐 옥사이드에 미세한 전압을 걸자 팽팽하게 밀고 당기던 전하 간의 균형이 순식간에 무너짐을 확인했다. 전압으로 인해 전자 하나가 밖으로 튕겨 나가면서 구멍(정공)이 생긴 것이다. 이 단계부터 바나듐 옥사이드는 전기가 통하지 않던 절연체에서 전기가 통하는 도체로 바뀌었다. 물론 전압을 가하지 않으면 전기가 통하지 않는 절연체로 다시 돌아갔다. 이는 일정한 전압을 가하면 도체로 변했다가 전압이 없으면 부도체로 바뀌는 반도체와 같은 원리다.

부분적으로 전기가 통하는 절연체 물질도 발견됐다. 이종훈 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더 팀은 2차원 절연체 물질인 육방정계 질화붕소(hBN)를 층층이 쌓아올린 물질의 경계에서 머리카락 보다 백만 배 얇은 1.5nm 두께의 전도 채널을 발견했다. 붕소(B)와 질소(N)가 육각형 벌집 모양으로 놓인 hBN은 높은 열적‧기계적‧화학적 안정성을 지닌 소재다. 투명하고 자유롭게 휘어진다는 특성도 있다. 이런 우수한 물성에도 불구하고 hBN을 전자소자에 사용하긴 어려웠다. 전기가 통하지 않기 때문이다. hBN은 지금까지 기판이나 전류의 흐름을 막기 위한 절연체 등 전자소자 분야에서 '조연' 역할을 해왔다. 연구진은 hBN을 여러 형태로 합성하는 과정에서 부분적으로 전기가 통하는 새로운 구조를 발견했다. 우선 연구진은 AA’과 AB 적층을 가지는 두 유형의 hBN을 합성했다. AA’은 위층의 육각형 모양 분자가 아래 층 육각형의 바로 위에 놓인 구조다. 반면, 위층의 육각형 분자가 엇갈려 쌓인 구조를 AB 적층 hBN이라 부른다. 이후 AA’ 적층 hBN과 AB 적층 hBN을 차례로 쌓아올린 소자를 제작했다. 두 hBN이 맞닿은 경계면에서 단원자 두께의 전자통로가 형성됐다. 이후 원자분해능 투과전자현미경(TEM) 및 이미지 시뮬레이션 분석을 통해 이 전자통로가 길쭉한 육각형 모양을 띄고 있다는 것도 확인했다.

참고자료

• 〈절연체〉, 《위키백과》
• KISTI의 과학향기, 〈전기 안 통하던 절연체가 도체로 변신?〉, 《한겨레》, 2005-10-04
• 권예슬, 〈‘전기 통하는 절연체’ 찾았다〉, 《리서치뉴스》

같이 보기

• 절연
• 도체
• 부도체
• 반도체

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