코로나 방전, 크룩스관, 진공관에 대해 알아보자

코로나 방전

도체 주위의 유체 이온화로 인해 발생하는 전기적 방전이다. 전위 경도(전기장의 세기)가 특정 값을 초과하지만 완전한 절연 파괴나 아크를 발생하기에는 불충분한 조건일 때 발생한다.

 

이집트 피라미드 번개 폭풍, 뾰족한 곳으로 집중되는 코로나 방전의 하나이다.

 

코로나는 공기와 같은 중성 유체 속의 높은 전위의 전극으로부터 발생한다. 주로 지속적인 전류에 의한 반응으로 유체가 전극 주위에 플라스마를 형성하도록 이온화되는 반응이다. 생성된 이온은 결국 낮은 전위인 주변 지역에 전하를 넘겨주거나 재결합하여 중성 기체 분자를 형성한다.

전위 기울기(전기장)가 유체의 임계점보다 충분히 크면 그 점에서 유체는 이온화한다. 전도성을 띠게 된다. 만약 대전된 물체에 뾰족한 점이 있다면, 그 점 주위의 공기는 다른 곳보다 높은 전위경도를 띠게 된다. 전극 주위의 공기는 부분적으로 전도성이 되어 이온화되며 더 먼 부분은 이온화되지 않는다. 그 점 주위의 공기가 전도성을 띠면, 도체의 겉보기 크기가 커지는 효과가 생긴다. 새로운 전도성 구역은 덜 뾰족하기 때문에, 지금의 구역을 넘어서 이온화가 확대되지는 않는다. 이온화되고 전도성을 띠는 구역의 밖에서는 대전 입자가 중성이 되기 위해 천천히 반대 전하의 물체를 향하게 된다.

이온화 구역이 계속해서 커질 수 있는 기하학적 조건과 전위경도 조건이 만족하면 완전한 전도성 경로가 형성되어 순간적인 스파크 또는 지속적인 아크가 발생한다.

코로나 방전에서는 보통 두 개의 비대칭 전극이 있다. 하나는 바늘이나 가는 전선의 끝처럼 뾰족하고 다른 하나는 철판이나 대지와 같이 덜 뾰족하다. 전극의 뾰족함 때문에 전극 주위에 높은 전위 기울기가 만들어지고, 플라스마가 생성된다.

코로나에는 양극 코로나와 음극 코로나가 있다. 양극과 음극 코로나의 물리적인 성질은 놀랍게도 다르다. 이러한 비대칭성은 전자와 양전하 이온의 질량 차이 때문에 비롯되는데, 그 질량 차이 때문에 오직 전자만이 보통의 온도와 압력에서 높은 수준의 이온화 비탄성 충돌을 견딜 수 있는 것이다. 이는 뾰족한 전극 전압의 극성에 따라 결정된다. 만약 평평한 전극에 비해 뾰족한 전극이 양극이라면(전위가 높다면) 양극 코로나이고, 음극이라면(전위가 낮다면) 음극 코로나이다. 

음극 코로나는 양극 코로나에 비해 훨씬 많은 오존을 생성한다. 코로나를 고려하는 중요한 이유는 코로나 반응이 일어나는 전도체 주변의 오존의 생성 때문이다. 

코로나 방전으로 인한 문제점

일상생활에서 코로나는 송전선 근처에서 볼 수 있다. 청각적 잡음과 전자적 잡음을 생성한다. 또한 전력 손실을 발생하고 대기 입자와 반응하여 오존과 질소 산화물을 생성한다. 이에 송전선이 지나가는 지역 사람들의 건강에 해로울 수 있다고 주장되고 있다. 실제 코로나의 발생은 전력기기가 집중적으로 설치된 변전소에 비해 그 크기가 매우 미미하다. 송전선은 그 높이가 대부분 지상 15m 이상에 설치되며 건축물과 상당한 거리를 두므로 송전선에 의한 코로나가 주변 거주인들의 건강에 영향을 미친다는 것은 입증된 바 없다. 송전 설비는 코로나 방전에 의한 전력손실을 줄이기 위해 코로나의 발생을 최소화하도록 설계 시공된다. 코로나에 의한 전자적 잡음은 라디오나 TV의 수신에 영향을 미치기도 한다.

코로나 방전은 다음과 같은 경우에 문제점이 있다.

- 송전선에서의 전력 손실
- 소음
- 전자기적 장해
- 보라색 발광
- 오존 생성
- 절연 파괴
- 변압기, 축전기, 전동기, 발전기와 같은 전기 기기 내부에서, 코로나가 기기 내부의 절연을 파괴하고, 수명을 단축한다. O 링(O-ring) 같은 탄성중합체 부품이 오존 크래킹으로 인한 손상을 입기 때문이다.
- 고전압을 사용하되 오존 생성을 최소화해야 하는 상황
- 정전기 방전
- 뇌우(lightning, 서지 전압)

대책(코로나 링)
전기장을 넓은 범위로 퍼뜨리는 방법이다. 전기장의 경도를 코로나 임곗값보다 낮추는 환형 장치인 코로나 링으로 코로나를 억제할 수 있다.

크룩스관(윌리엄 크룩스 발명)

크룩스관(Crookes tube)은 초기의 전기 방전관이다. 크룩스관을 연구하는 과정에서 음극선과 전자가 발견되었다. 극초기의 입자 가속기라고 할 수 있다. 부분 진공 상태에 있으며 1869년 - 1875년 사이에 영국 물리학자 윌리엄 크룩스가 발명했다. 

진공관

진공관(vacuum tube, electron tube)은 진공 속에서 전자의 움직임을 제어함으로써 전기 신호를 증폭시키거나 교류를 직류로 정류하는 데 사용하는 전기 장비이다. 전자관(Electronic tube), 열전자관(Thermionic valve), 라디오 밸브(Radio valve)로 부르기도 한다.

한때 대부분의 전기 장비에 사용되었다. 현재는 더 작고 값싼 트랜지스터(반도체, 집적회로)로 대체되었다. 진공관은 높은 주파의 큰 전력을 사용하는 장비 또는 오디오 앰프 등에 일부 사용되고 있다.

현재
다이오드와 트랜지스터가 발명된 이후 진공관은 거의 사용되지 않게 되었다. 일부 트랜지스터로 대체하지 못하는 분야에서는 아직도 사용되고 있다.

높은 주파수의 큰 전력(10GHz·1킬로와트 이상)의 용도에서는 현재에도 진공관이 쓰이고 있다. AM 라디오 방송 (중파방송, 단파방송) 송신에서 100kW~1000kW급 출력을 낼 때 30kV의 고전압도 제어가 가능하기 때문에 진공관이 널리 사용된다. (FM 라디오 방송이나 디지털 방송의 경우 평균 500W~1kW로 높은 출력이 필요하지 않기 때문에 반도체가 사용되고 있다) 

트랜지스터
트랜지스터의 경우 지능형 전력 모듈(IPM) 소자의 경우 대역폭이 20kHz에 최대 작동 전압이 2kV 정도이고, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 소자는 6.6kV까지 낼 수 있으나 제어 주파수가 매우 낮다. 단, LORAN-C 시스템의 경우 트랜지스터로 출력을 높이기 위해 작은 모듈들을 병렬로 연결하여 고전류로 구동하는 방식을 사용하고 있다.

브라운관과 일본에서 발명된 진공 형광 디스플레이는 영상 출력장치로 사용된다. 강력한 전자파를 만들어내는 자전관은 레이다나 전자레인지에 쓰이고 있다. 최근엔 브라운관 대신 평면 디스플레이를 사용하게 되어 자전관이 대량 생산되는 유일한 진공관이 되었다.

오디오 앰프 진공관
진공관을 오디오 앰프의 증폭용 소자로 사용할 경우 독특한 음질을 가지게 된다. 때문에 오디오 매니아들에게 사랑을 받고 있어 고급 오디오 앰프 등 한정된 용도에서도 쓰이고 있다. 진공관을 증폭용 소자로 사용한 앰프는 트랜지스터 앰프에 비해 구조가 단순하고 만들기 쉽기 때문에, 개인이 진공관 앰프를 자작한 사례도 쉽게 찾아볼 수 있다. 오디오용 진공관은 중국 등에서는 아직도 제조가 이루어지고 있으며 일부 방송국, 의료기기용으로 극소수로 제조되기도 한다.