저전압 DC 기반 PCB에서 오염으로 인한 점화 가능성 분석
Contamination-Induced Probable Ignition in Low-Voltage DC-Based PCBs
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Abstract
본 연구는 저전압 DC 기반의 인쇄회로기판(PCB)에서 오염으로 인한 점화 가능성을 파악하는 것이다. 이를 위해 정격전압 7.4 V DC 기반 PCB에 IEC 60112에 따라 오염을 모의하여, 점화 가능성 실험을 진행하였다. 그 결과, 저전압 DC 기반의 PCB에서 오염으로 인해 점화가 가능한 것이 확인되었다. 또한, 두 단계로 구성된 점화 메커니즘도 구하였다. 첫 번째는 전기화학반응으로 생성된 침전물이 점차 증가하면서 누설전류를 증가시키는 단계이고, 두 번째 단계는 증가된 누설전류에 의해 건조대가 형성됨으로써 트래킹 현상이 진행되는 단계였다. 이로 인해 저전압 DC 기반의 PCB도 오염에 의해 점화가 발생되는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.
Trans Abstract
In this study, we conducted an experiment for probable ignition by simulating contamination in accordance with IEC 60112 on DC-based PCB with a rated voltage 7.4 V. As a result, it was confirmed that ignition due to contamination was possible in low-voltage DC-based PCBs. In addition, the ignition mechanism could be also divided into two-steps. The first step was the stage in which the leakage current increased as the precipitates generated by the electrochemical reaction gradually increased, and In the second step, the increased leakage current leads to formation of a dry-band, ultimately resulting in the tracking phenomenon. Therefore, it was experimentally confirmed that ignition occurred due to contamination in low-voltage DC-based PCBs.
1. 서 론
자동차 및 우주항공 산업의 발전으로 인해 PCB 시장은 2021년부터 2026년까지 연평균 3.3% 이상의 성장률을 보일 것으로 예상되며, 전기차, 수소차, 하이브리드차 등 친환경차의 등장과 자동차의 안전 및 편의 장치의 증가로 전장부품의 사용이 증가하고 있다(1-5).
시스템의 디지털화 및 고기능화가 가속됨에 따라 시스템 통합 및 기능 집적화에 대한 요구도 증가하고 있다. 이러한 시스템에 사용되는 PCB는 더 작고 가벼워야 한다(6-7). 즉, 모빌리티 산업이 발전할수록, PCB의 소형화가 요구된다. 이러한 PCB는 정상상태에서 안전하지만, 차량용 PCB와 같이 고온다습한 환경에서 사용될 경우 표면이 오염됨으로써 표면 방전의 발생 가능성이 증가될 수 있다(7-12).
표면 방전은 누설전류의 형성 또는 자체적인 방전현상을 통해 PCB 사고 유발의 주요 원인으로 알려져 있다. 특히, 수소가스가 체류하는 위험 지역에서 PCB의 표면 방전 또는 누설전류의 발생은 전기적 점화원으로 작용 가능성을 높인다(13-15).
고전압을 사용하는 PCB의 경우, 신뢰성을 높이기 위해 다양한 코팅이 사용된다. 특히, 방폭 지역에서 사용되는 PCB의 경우 기밀성 증가, 연면 거리 증가, 전압 및 전류 제한도 필요하다(15-18).
반면, 공칭전압이 3.7∼7.4 V 수준인 휴대용 전자기기의 경우, 상대적으로 낮은 전압을 사용하므로 전기적 점화 위험이 크지 않다고 인식되어 왔다. 그러나, 낮은 전압에서 점화로 이어질 가능성이 있음에도 불구하고, 저전압 조건에서 오염된 PCB 등에서 점화 가능성에 대한 연구는 없다.
이에 본 연구는 7.4 V의 낮은 직류 전압을 기반으로 하는 PCB를 대상으로 오염으로 인해 점화 가능성이 존재하는지 실험적으로 확인하고자 시도하였다.
2. 실험장치 및 방법
실험에 사용된 시료는 Figure 1(a)에 보이는 바와 같이 길이 30 mm, 너비 20 mm, 두께 1.635 mm의 copper clad laminate (CCL, 동박 두께 0.035 mm, 절연층 두께 1.6 mm)에 Figure 1(b)와 같이 원형의 전극을 인쇄하는 방법으로 제작되었다. IEC 60079 등의 규정에 따라 직경이 26.5 mm인 두 개의 반원이 0.5 mm의 간격으로 서로 마주 볼 수 있게 인쇄됨으로써, 시료의 두 전극 사이의 최소 간격이 0.5 mm가 될 수 있도록 하였다. 두 개의 반원형 전극은 각각 전원의 +단자와 –단자에 연결하였다. 전원의 +단자와 연결된 반원형 전극을 “+전극”, –단자와 연결된 반원형 전극을 “–전극”이라고 칭하였다.
Experiment setup diagram.
Figure 1(c)는, 저전압 DC 전원이 사용되는 PCB가 습기나 먼지 등으로 오염되었을 경우, 이로 인한 점화 가능성을 구명하기 위한 실험 회로도이다. 전원으로 7.4 V의 직류전원공급 장치가 사용되었으며, 여기에 시료가 직렬로 연결되었다. 전압 및 전류 파형은 디지털 스토리지 오실로스코프(DSO, Teledyne Lecroy, Wavesurfer 4104 HD 1 GHz (5 GS/s))를 사용하여 측정되었다. 전압 파형은 DSO의 Ch. 1에서 측정되었으며, 전류 파형은 전류 프로브(Tektronix, TCP312A, AC/DC 전류 프로브)와 증폭기(Tektronix, TCPA 300 amplifier)를 사용하여 DSO의 Ch. 2에서 측정되었다. 또한, 누설전류 측정을 위해 전압계와 전류계가 각각 Figure 1(c)와 같이 사용되었다.
실험은 메탄올로 세척되어 실온에서 48 h 이상 건조된 시료가 사용되었다. 오염물은 IEC 60112의 규정에 따라 0.2%의 NH4Cl 수용액(이하 전해액)으로 모의되었고, 자동적하장치를 통해 두 전극의 중심점(Figure 1(b)의 “ⓧ”)에 10 μL를 적하하며 시작되었다. 전해액은 30 s 간격으로 적하되었으며, 시료표면에서 화염이 발생될 때까지 실험이 진행되었다. 실험진행에 따른 시료 표면의 온도변화는 열화상 카메라(Fluke Ti480U)를 사용하여 1 s 간격으로 측정되었다.
3. 실험결과 및 고찰
Figure 2는 저전압 DC 기반의 PCB에서 오염으로 인한 점화 가능성을 확인하기 위해 진행한 실험에서 시간의 경과에 따른 두 전극 중심부 표면의 온도변화를 열화상 카메라로 측정한 결과를 보여준다. 전해액 적하 후, 다음 적하 전까지 건조대가 생성되는 경우와 생성되지 않는 경우에 따라 크게 두 부분으로 나눌 수 있었다.
Typical example of temperature change due to leakage current on the surface in low voltage DC based a contaminated PCB.
Figure 2의 실험의 경우 28번째 적하 때까지 건조대가 생성되지 않았다. 이 단계(이하, Step_II)는 전해액 브리지를 통해 전류가 흐르면서 두 전극 사이에 전기화학 반응이 점차 활발하게 발생되는 특징을 보였다.
29번째 적하부터 전해액 브리지(bridge)에 건조대(dry-band) 형성이 시작되었다. 즉, 전극 간에 브리지가 형성되면 누설전류로 인해 줄열(Joule heating)이 발생되고, 특정영역이 건조(건조대)되면서 방전이 시작된다. 이로 인해 절연물 표면에 탄화도전로가 형성되는 트래킹 현상이 관찰되는 단계(이하, Step_II)로 이행되며, 최종적으로 점화로 이어졌다.
Figure 2의 실험을 9회 반복한 결과 Figure 3과 같이 Step_I는 평균 24.3 적하에서 시작되었고, 점화는 평균 37.3 적하에서 발생되었다.
Duration of Step_I and Step_II (Number of droplet).
3.1 Step_I: 건조대 생성 전 단계
Step_I은 건조대가 형성되기 전 단계로, 초반에는 두 전극 사이에 전해액 브리지가 형성된 후 검붉은 색의 침전물이 –전극 측에 부착되기 시작하여 +전극 측으로 성장하는 모습을 보여준다. 이후 전해액이 추가로 적하됨에 따라 침전물이 점차 증가하였고, 이로 인해 두 전극 사이를 흐르는 누설전류의 양이 증가하면서 줄열이 증대되었다. 이 때문에 시료 표면에 많은 양의 기포가 형성되는 특징을 보였다.
Figure 4는 첫 번째 적하 시, 관찰된 전압 및 전류 값을 보여준다. 또한, Figures 5와 6은 전해액 적하 후, 전기화학반응이 점차 진행되면서 측정된 시표 표면의 모습과 열화상 이미지를 보여준다. 또한, Figures 5(a)에서 5(c) 및 Figures 6(a)에서 6(c)는 각각 Figure 4의 ①, ② 및 ③의 시점에서 측정된 시료표면의 모습과 열분포 이미지이다.
Voltage and current waveform in the 1st droplet.
Appearance of the test sample’s surface at the 1st droplet.
Thermal image of the test sample’s surface at the 1st droplet.
Figures 5(a)에서 5(c)는 전해액 브리지가 형성된 후, 전기화학적반응에 의해 생성된 침전물이 –전극에서 발생되기 시작한 후, 점차 +전극을 향해 성장하는 것을 보여준다. 침전물이 점차 성장하여 +전극과 –전극을 연결하게 되면, 누설전류는 Figure 4와 같이 증가되었다. 이때, 온도 역시 Figure 6(a)와 같이 28 ℃에서 Figure 6(c)의 43 ℃까지 점차 상승되는 것을 확인 할 수 있었다.
Figure 7은 실험을 진행하면서 1 s 간격으로 측정한 전류파형을 보여준다. Step_I에 있어서 초기부터 중기 이후까지 대부분은 누설전류가 서서히 증가하였지만, 후반부에 이르러 급격하게 증가하는 경향을 보였다.
Typical example of leakage current variation on low voltage DC based a contaminated PCB.
또한, Figures 8(a), 8(b), 8(c)와 9(a), 9(b), 9(c)는 각각 Figure 7의 ①, ② 및 ③에서 측정된 시료 표면의 사진과 온도분포의 전형적인 예를 보여준다. Figure 8(a)와 같이 적하 수가 증가하면서 침전물의 양 또한 증가하고, “타닥”하는 소리와 함께 브리지가 다량의 기포로 둘러싸이는 현상이 관찰되었다.
Appearance of the test sample’s surface (Step_I).
Thermal image of the test sample’s surface (Step_I).
이 과정에서, Figure 9와 같이 두 전극 사이의 온도도 80 ℃까지 점차 상승하는 양상을 보였다.
즉, Step_I단계의 후반부에서는 침전물의 양이 점차 증가함에 따라 시료표면의 온도가 점차 높아졌고, 이에 따라 전해액이 일부가 증발되었다.
3.2 Step_II: 건조대 생성 단계
Step_II는 적하 수가 증가함에 따라 브리지를 구성하는 침전물의 양이 점차 증가함으로써, 브리지를 통해 흐르는 누설전류가 일시적으로 증가하여 다음 적하 전까지 건조대를 형성할 수 있게 된다. 건조대가 형성되면 미소발광방전이 발생할 수 있으며, 누설전류는 급격히 감소하게 된다.
Figure 10은 이때 측정한 전형적인 시료 표면의 모습을 보여준다. 전기화학적 반응으로 인한 +전극의 침식이 육안으로 관찰되고 있으며, 침식된 +전극의 경계면을 중심으로 건조대가 형성되었고, 이 건조대에서 미소발광방전이 발생하는 것도 볼 수 있었다.
Appearance of the test sample’s surface at the 31st droplet (Step_II).
Figure 11은 Step_II에서 측정된 전형적인 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 특히 전류파형에서는 전형적인 트래킹 현상 중 하나인 미소발광방전에 의한 펄스 성분이 활발하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 미소발광방전은 유기절연물을 도전성 탄화물로 만드는 주요 메커니즘으로 작용된다.
Voltage and current waveform in the 31st droplet (Step_II).
트래킹 현상이 진행되는 Step_II에서 전해액이 적하될수록 Figure 12와 같이 도전성 탄화물이 두 전극 사이를 전기적으로 연결함으로써 PCB 표면에서 연기가 발생되며 점화가 관찰되었다.
Appearance of ignition on the test sample’s surface (38th droplet).
3.3 화학적 고찰
저전압 DC 기반의 PCB에서 오염으로 인한 두 전극 사이의 전기화학 반응 및 트래킹 현상은 PCB의 절연 파괴에 상당한 영향을 미치는 것으로 생각된다. Step_I의 경우, 건조대가 형성되지 않고, 전기화학 반응을 통해 검붉은 색의 침전물이 형성되었으며, 이 침전물이 증가함으로써 두 도체 사이 브리지의 전도도를 증가시켜 건조대를 형성할 수 있게 하였다. 건조대 형성은 미소발광방전을 만들기 위한 필수조건이며, 이때부터 트래킹 현상이 본격적으로 진행되기 시작했다.
먼저, Step_I에서 생성된 짙은 붉은색의 침전물은 Stimper와 Sachsenweger(19)의 연구에 따라 식(1)에 의해 생성된 일산화구리(Cu2O)로 생각된다.
한편, Step_II에서는 미소발광방전이 나타나기 시작하면 식(2)에 의해 생성된 구리 산화물(CuO)로 생각되는 검은색 물질이 첨가되고, 절연물는 미소발광방전에 의해 전도성 탄소로 변화되었다.
또한, 본 연구에서는 구리도 일부 침전되었는데, 이는 식(3)과 같이 전기화학적 반응을 통해 생성된 것으로 생각된다.
한편, 본 실험을 통해 생성된 최종 성분들을 X-ray diffraction (XRD) 분석을 통해 분석해 보면, Figure 13과 같이, Cu, CuO, Cu2O등 인 것으로 나타났다. 이는 Stimper와 Sachsenweger(19)의 연구에 따른 최종 생성물과 일치한다.
XRD analysis results for precipitates after the experiment.
따라서 이와 같은 전기화학적 반응으로 생성된 침전물들이 두 도체 사이를 흐르는 누설전류를 증가시킨 것으로 생각된다.
정상적으로 사용되는 저전압 DC 기반 PCB는 누설전류가 극히 미약하여 트래킹 현상이 직접 발생한다는 것을 예상하기는 쉽지 않다. 하지만 오염된 환경에서 사용될 경우, 전기화학 반응으로 인한 도전성 침전물이 두 도체 사이의 누설전류를 증가시켜 건조대를 형성하게 함으로서 트래킹 현상이 일어날 수 있는 환경을 조성할 수 있다는 것을 실험적으로 규명하였다.
4. 결 론
본 연구의 목적은 오염된 저전압 DC 기반 PCB의 점화가능성을 실험적으로 확인하는 것이었다. 이에 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 저전압 DC 기반 PCB에서 오염에 의한 점화 현상은 건조대 형성 여부에 따라 두 단계로 나눌 수 있다. 건조대가 형성되기 전 단계에서 전기화학 반응에 의해 전도성 침전물인 Cu2O와 Cu가 형성되어 두 도체 사이의 누설전류를 증가시킨다.
2. 누설전류의 증가는 건조대를 형성했다. 여기서 발생된 미소발광방전은 전기화학 반응을 통해 Cu2O를 CuO로 산화시키고, 절연물을 도전성 탄소로 변화시켰다.
3. 전기화학 반응으로 인한 침전물과 미소발광방전으로 인한 전도성 탄소의 증가는 두 전극 사이를 전기적으로 연결시켜 궁극적으로 PCB의 점화로 이어졌다.
이상의 결과는 오염 물질로 인해 저전압 DC 기반의 PCB임에도 불구하고 충분히 점화원으로 작용 될 수 있음을 보여준다.
Notes
후 기
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20224000000080).