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방전
방전(放電, discharge)는 대전체에서 외부로 전기가 방출되면서 전하를 잃는 과정이다. 반대말은 충전이다.
목차
개요
방전은 충전된 전지로부터 전류가 흘러 기전력이 감소하는 현상으로, 쉽게 말해 일상생활에서 전지가 닳는 것을 말한다. 하지만 좁은 의미로 기체 등 전기가 거의 통하지 않는 절연체가 강한 전기장 속에 있을 때, 절연성을 잃고 그 속으로 전류가 흐르는 현상을 말하는 경우가 많다.[1] 방전 응용은 고전압에서 절연물의 절연 파괴 방지 등을 하는 방전 회피와 작은 에너지 공급으로도 효율적인 방전 플라스마의 생성, 접지에 의한 인명, 시설 보호 등을 하는 방전 이용이 있다.[2]
원리
방전은 충전을 통해 음극으로 이동한 리튬이온(Li+)과 전자가 양극으로 이동하면서 에너지를 방출하는 과정이다. 이 에너지를 활용해서 스마트폰이나 전동공구 등을 동작시키거나 전기자동차도 움직일 수 있게 한다.[3] 좀 더 자세한 이차전지의 방전 과정은 먼저 충전상태에서 리튬 원자는 음극에 위치한다. 방전 시, 음극에 저장되어 있던 리튬 원자가 리튬 양이온과 전자로 분리되어 양극으로 이동한다. 리튬 원자에서 전자가 분리되는 과정이므로 산화 반응에 해당한다. 그 후 전자는 연결된 배선을 따라 이동하고 이때 전자의 이동으로 전류가 발생하여 연결된 전자기기 등인 부하에 전기를 공급한다. 리튬 양이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고 양극으로 이동된 리튬 양이온과 전자가 만나 다시 리튬원자로 결합한다. 리튬이온의 전자가 합쳐지는 과정이므로 환원 반응에 해당한다.[4]
기체 방전
기체 방전(Gas Discharge)은 전자와 기체 분자의 충돌로 발생하는 이온 쌍의 운동에 의해 일어나는 기체 내의 전기전도 현상이다. 기체 중에 놓인 두 전극 사이에 전압을 걸어 높여 가면 중성분자의 이온화가 일어나 어떤 전압값에서 전극 간 전류가 급격히 증가하며 동시에 불꽃을 내면서 방전된다. 기체 방전의 형식은 전류의 크기, 전극의 형태와 종류, 기체의 종류와 압력 등에 의해 결정되며 코로나 방전, 글로 방전, 아크 방전, 불꽃 방전 등으로 구분한다. 기체 방전은 각 기구에 따라 특징이 있으며 어느 것이나 전자의 전리 작용 외에 이온에 의한 후속 전자의 보급을 해야 하는 저속방전이다. 또한 외부적인 이온화 요인, X선이나 자외선 등에 의한 미약한 비자속방전으로서의 암류 등도 포함되며 기압에 의해서 0.001~0.00001mmHg 이하의 방전을 진공방전이라 하고, 10~20mmHg 이상의 방전을 고기압 방전이라고 한다.[5]
불꽃 방전
불꽃 방전은 전압이 어떠한 한계를 넘어 전극 간에 불꽃이 관찰되는 현상으로 불연속적인 과도한 현상의 경우를 나타낸다. 전극 간에 인가되는 전압을 올리면, 전극 사이에 존재하는 기체 분자가 고전압에 의해 가속된 전자와 충돌하여 전리되고 또한 이러한 전리에 의하여 생성된 양이온이 음극과 충돌할 때 일어나는 2차 전자방출에 의해 음극으로부터 전자가 전극 간에 공간에 공급되게 된다. 이러한 작용에 의해 생성되는 하전입자의 양이 양 전 국간 또는 주의 공간으로 손실되는 양보다 많으면 전극 사이에 흐르는 하전입자의 양은 사태처럼 증가하여 전극 사이에 대전류가 흐르게 되는 이유로 발생한다. 불꽃 방전이 지속해서 흐르면 글로우 방전이나 아크 방전으로 변한다.[6]
코로나 방전
코로나 방전은 뾰족한 침전극의 주위에 불균일한 전계가 생김에 따라 일어나는 지속적인 방전을 뜻한다. 이때 침전극 주변에 보이는 발광 부위를 코로나라고 하며 코로나 방전에 의해 흐르는 전류는 매우 작으며 기체 중에 이온을 증가시킬 수 있기 때문에 집진기 등에 응용된다. 코로나의 상태는 침전극의 전극과 전극 사이에 인가하는 전위차에 의해 상태가 변화하며 양극 측의 침전극에 발생하는 것을 정침 코로나, 음극 측의 것을 부침 코로나라고 부른다.[6] 코로나 방전에 장애가 발생하면 전력이 손실되고 코로나 펄스가 발생하여 코로나 잡음으로써 전파장애를 일으킨다. 또한, 코로나에 의한 고조파 전류 중 제3 고조파 전류는 잔류전류가 되어 소호작용을 방해하고 1선 지락 시에 건전 상의 대지 전압상승에 의한 코로나 발생은 고장점의 잔류 전류의 유효분을 증가하여 소호 능력을 저하해 소호 리액터 접지방식에 문제가 된다. 더불어 보안, 업무용 전화, 보호계전방식, 원격측정제어 등에 전력선 반송 장치를 사용하는 데 코로나에 의해 고조파가 영향을 미친다. 더불어 코로나 방전에 의한 화학작용으로 전선이나 바인더를 부식시킨다.[7]
글로 방전
글로 방전은 글로우 방전이라고도 불리며, 저압의 기체 중의 지속적인 방전 현상으로 전극 사이의 공간으로의 하전입자 공급에서 양이온이 양극에 충돌할 때 일어나는 2차 전자방출과 음극과 양극 간을 이동하는 전자에 의해 기체 분자의 전리에 의해 작용한 것이다. 전류가 증가함에 따라 아크 방전으로 변해며 방전관에 봉인된 가스의 종류에 의해서 여러 가지 색으로 발광한다.[6] 더불어 글로 방전은 가늘고 긴 저기압 방전과의 저항 또는 임피던스를 직렬로 접속하여 전극 사이에 고전계를 인가하면, 음극인 금속으로부터 전자가 방출되고 방출된 전자는 전극 간의 전위차에 의하여 양극을 향해 가속된다. 이때 공간 내의 입자들과 충돌 때문에 전리가 발생하여 방전된다. 방전이 일어나는 부분이 주로 음극 부근에서 발생하는 방전을 글로 방전이라고 하며 음극 부근에서 발생하는 방전은 네거티브 방전이라고 한다.[8]
아크 방전
아크 방전은 전극으로부터의 전자방출이 전술한 작용 이외의 것이 주가 되는 방전을 의미한다. 기체 방전의 최종 형태이며 음극으로부터의 전자방출의 형태에 따라 음극의 가열에 의해 일어나는 열전자 방출에 의한 열음극 아크와 음극 표면에 존재하는 매우 강한 전계에 의해 직접 방출되는 냉음극 아크로 나뉜다. 음극이 탄소, 텅스텐 등의 고비 점재인 경우는 열음극 아크, 철/동/수은 등의 저비점재인 경우는 냉음극 아크가 된다고 알려져 있다.[6] 또한 음극과 양극 사이는 고온의 플라스마로 연결되어 큰 전류가 흐르게 되는데 이 플라스마의 온도는 3,000도에서 6,000도로 강하게 빛나며 중성원자 스펙트럼의 광원이 된다. 양극 부근은 온도가 높기 때문에 전극 물질의 일부가 증발하여 있고 연속스펙트럼의 광원이 된다. 이러한 아크 방전이 일어나면 고온의 흰색 불꽃이 발생하는데 이러한 현상을 이용하여 금속 등을 용접할 때 사용한다.[9] 더불어 운해이앤씨㈜는 2012년 세계 최초로 아크 방전을 이용하여 실내 오염 공기의 정화 탈취, 세균 살균, 이산화탄소 제거 등의 기능을 갖춘 공기정화기를 개발하였다. 오염된 공기를 방전부에서 부분 전리 플라스마를 생성 시켜 대기 속에 공기를 전리 이온화하여 다량의 엑티브 프리 레디컬을 생성하고 산화성, 환원성, 활성종이 오염물질과 접촉하여 산화, 환원, 전자유기, 이온 유기반응을 한다. 또한, 오염물질을 분해 제거하여 오염된 공기를 정화하고, 7단계 연속 살균작용을 하여 바이러스 등 병원성 세균과 곰팡이 균등을 99% 이상 강력하게 살균한다.[10]
활용
자동차 배터리 방전
자동차 배터리의 방전 원인은 첫 번째로 온도 차로 여름에는 높은 외부 온도가 배터리에 무리를 주어 배터리 방전 및 고장의 원인이 되기도 하며 반대로 겨울에는 내부의 전해액이 얼어붙어 시동 전압이 낮아지고 시동이 걸리지 않는 경우가 발생한다. 또한 내비게이션, 블랙박스, 에어컨, 오디오부터 전조등과 와이퍼까지 배터리가 소모하는 전력량이 많아지면 많아질수록 방전도 빨라진다. 깜빡하고 라이트를 끄지 않은 경우나 블랙박스를 계속해서 사용하는 경우에도 배터리 방전의 원인이 된다. 따라서 자동차 배터리 방전을 예방하기 위해서는 배터리 단자를 확인해보면 양극과 음극에서 발생한 황산 가스로 단자 주변에 하얀 가루가 묻어 있는 경우가 있기 때문에 이 하얀 가루는 배터리의 접촉 불량을 유발할 수 있기 때문에 깨끗하게 닦아내는 것이 좋다. 단자 주변에 엔진오일을 바르면 가루가 생기는 것을 방지할 수도 있다. 또한 전기 소모량이 많은 여름과 겨울에는 시동을 바로 끄지 말고 정차 상태에서 에어컨이나 히터, 라이트를 먼저 끄고 3~5분 정도 기다린 후 시동을 꺼야 한다. 소모 장치가 전기를 사용하는 상태에서 시동을 끄면 배터리가 완전히 충전되지 않고, 수명에도 영향을 주기 때문이다. 또한 엔진 정지 상태에서 전조등이나 오디오 등을 오래 사용하는 것도 좋지 않고 장기간 차량을 이용하지 않아도 1주일에 1회 정도 시동을 걸어 10분 정도 공회전을 시켜야 하며 블랙박스를 이용하는 경우에는 방전 방지 기능을 사용하거나 블랙박스 전용 배터리를 사용해 방전을 막아주어야 한다. 더불어 겨울에는 그늘보다는 따뜻한 곳에 주차하는 것이 바람직하고 배터리 단자 주위에 모포 등으로 감싸주어 배터리 내부 전해액이 얼지 않도록 한다.[11] 또한 2021년 4월 15일, 동신대학교 에너지융합대학 배진용 전기차 제어 전공 교수가 전기자동차 수리에 필요한 배터리 급속 방전 기술을 국내 최초로 개발했다. 급속 방전을 위해 가장 큰 저항값을 사용하는데, 이때 발생하는 높은 열을 저항 소모가 많은 물에 넣어 제어하는 것이 이번 기술의 핵심이다. 급속 방전 시 발생하는 매우 높은 열을 물로 제어하는 기술로 전기자동차의 수리와 폐차, 배터리 교환을 더 안전하고 빠르게 할 수 있고, 배터리도 방전으로 인한 손상을 최소화해 재활용할 수 있다.[12]
각주
- ↑ 〈방전〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈Discharge, Charging 방전, 충전〉, 《정보통신기술용어해설》
- ↑ 삼성SDI㈜ 스토리, 〈Operation, 배터리의 작동 원리〉, 《삼성SDI㈜ 스토리》, 2018-11-02
- ↑ 정리남 꿈꾸자인생, 〈이차전지의 충전과 방전 원리. 이것으로 끝. (리튬이온이차전지 배터리 원리!)〉, 《티스토리》, 2020-09-25
- ↑ 사이언스올, 〈기체방전(gas discharge)〉, 《사이언스올》, 2010-08-07
- ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 엠엔엠 코포레이션 공식 홈페이지 - http://www.mnmcorp.kr/new/main.php
- ↑ 건설종합기술정보, 〈코로나 방전(Corona Discharge)〉, 《건설종합기술정보》
- ↑ icecreamer, 〈글로우 방전과 아크 방전〉, 《네이버 블로그》, 2010-04-17
- ↑ 안재용, 〈아크방전?〉, 《네이버 블로그》, 2016-05-03
- ↑ 박재환 기자, 〈세계최초 ‘아크방전기술’ 적용 병원성세균 살균기 출시〉, 《약업닷컴》, 2012-07-23
- ↑ 금호타이어㈜, 〈자동차 배터리 방전 원인과 관리방법〉, 《금호타이어㈜ 공식 블로그》, 2016-10-20
- ↑ 서인주 기자, 〈국내 최초 전기차 배터리 급속 방전기술 개발〉, 《미디어에스알》, 2021-04-15
참고자료
- 〈방전〉, 《네이버 지식백과》
- 〈Discharge, Charging 방전, 충전〉, 《정보통신기술용어해설》
- 삼성SDI㈜ 스토리, 〈Operation, 배터리의 작동 원리〉, 《삼성SDI㈜ 스토리》, 2018-11-02
- 정리남 꿈꾸자인생, 〈이차전지의 충전과 방전 원리. 이것으로 끝. (리튬이온이차전지 배터리 원리!)〉, 《티스토리》, 2020-09-25
- 사이언스올, 〈기체방전(gas discharge)〉, 《사이언스올》, 2010-08-07
- 엠엔엠 코포레이션 공식 홈페이지 - http://www.mnmcorp.kr/new/main.php
- 건설종합기술정보, 〈코로나 방전(Corona Discharge)〉, 《건설종합기술정보》
- icecreamer, 〈글로우 방전과 아크 방전〉, 《네이버 블로그》, 2010-04-17
- 안재용, 〈아크방전?〉, 《네이버 블로그》, 2016-05-03
- 박재환 기자, 〈세계최초 ‘아크방전기술’ 적용 병원성세균 살균기 출시〉, 《약업닷컴》, 2012-07-23
- 금호타이어㈜, 〈자동차 배터리 방전 원인과 관리방법〉, 《금호타이어㈜ 공식 블로그》, 2016-10-20
- 서인주 기자, 〈국내 최초 전기차 배터리 급속 방전기술 개발〉, 《미디어에스알》, 2021-04-15
같이 보기
