1. 서 론

1.1 연구 배경

2019년 소방청 화재 통계에 따르면 화재의 발화원인 중 전기적 아크(단락)에 의한 화재건수는 8,600건으로 전체 36,706중 23%를 차지하고 전체 사망자수에서도 38명으로, 14%를 차지하는 등 주요 요인으로 지목되고 있다. 또한 전기적 원인으로 인한 화재가 기계적 요인으로 인한 화재의 2배를 넘는 등 단순 부주의에 의한 화제를 제외 한다면 발화요인중 1위를 차지하고 있다.[1]

우리가 일상생활에서 사용하고 있는 전기는 항상 화재 와 감전의 위험에 노출되어 있다. 위험의 정도가 다를 뿐, 두 가지 위험에서 자유로운 전기 제품은 없다. 전기 기기 의 위험은 일반적으로 전압이 높을수록 감전의 위험이 높 으며, 사용 전류가 많을수록 화재의 위험이 높다.

특히 전기화재로 인한 화재중 설비에 필수적인 부품으 로 사용되고 있는 무접점스위치(SSR)의 발열로 인하여 기계설비의 발화로 발생하는 공장화재가 다수 발생하고 있는 실정이다. Table 1

1.2 연구 목적 및 방법

연구배경의 이유로 본 연구에서는 반도체 발열에 의 한 화재 예방을 위한 장치 개발 필요성에 의하여 SSR 반도체 소자를 병렬로 운전하는 스위치 방식과 현재 사용되는 일 반 방식과의 열발생량 및 전력 사용량의 차이를 정량적으 로 분석하여 비교분석하고자 한다.

SSR을 병렬로 이용하는 방식으로 열 에너지의 발생량 을 획기적으로 줄일 수 있다면 대 전류용 가열장치에서 발 생하는 화재를 사전에 방지하여 인적 및 물적손실을 막을 수 있어 화재예방과 산업안전에 기여할 수 있을 것으로 예 상된다. Table 2

2. 가열장치

2.1 가열장치의 개요

먼저 우리가 사용하는 일반적인 가열장치에 대하여 알 아보려 한다. 다음의 <Table 3>은 가열장치를 도식화하 여 나타낸 그림의 기호별 명칭이다.

2.2 가열장치의 다양한 형태

[Figure 1]은 가장 흔히 볼 수 있는 가열 장치이다. 간 단한 방법으로 온도 스위치와 히터로 구성되어 있으며, 가 정의 조리기구 및 간단한 가열장치에 사용된다. 기구가 간 단하고 저렴하지만 안전장치는 없어서, 사용자가 주의를 해야 한다.

[Figure 2]는 [Figure 1] 장치에 과전류 제한 장치를 추가하는 형태로, 히터 또는 주변 장치의 과전류로 인한 화재를 예방한다.

과전류 제한 장치가 있어 화재의 예방에는 효과가 있으 나 정밀한 온도 제어 및 원격 제어가 불가능하기 때문에 장비에 적용하기에는 제한적이다.

[Figure 3]은 [Figure 2]에서 온도 스위치를 온도제어 기와 스위치로 분리하고 히터 과열 보호장치를 추가하여, 히터 과열에 의한 화재를 방지하고 있다.

간단하면서도 과전류 차단기와 히터 과열에 대한 안전 장치가 있어 안전을 요구하는 곳에 사용하며, 정밀한 온도 제어 및 원격 제어가 불가능하기 때문에 장비에 적용하기 에는 제한적이다.

[Figure 4]는 [Figure 3]에서 온도 제어 장치를 센서 와 제어기 및 스위치로 분리한 형태이다.

별도의 온도 제어기를 통하여 히터의 설정 온도를 원격 제어가 가능하며 가열 대상 물체의 온도를 측정하여 온도를 제어를 함으로 정확한 온도 제어가 가능하다. 기기에서 가 장 보편적으로 사용되고 있는 방법으로 소 용량의 가열 제어 에 적합하다. 그러나 대용량에서는 제어용 스위치의 잦은 단속으로 인하여 접점의 수명이 짧아지는 단점이 있다.

[Figure 5]는 [Figure 3]에서 히터 과열 보호 장치를 추가하는 방법으로 히터 또는 주변 장치의 과열로 인한 화 재를 예방한다.

별도의 온도 제어기를 통하여 히터의 설정 온도를 원격 제어가 가능하며 가열 대상 물체의 온도를 측정하여 온도 를 제어하고 별도의 과열방지 기능까지 포함 하고 있어서 정확한 온도 제어는 물론 안전까지 확보 할 수 있다, 기기 에서 사용되고 있는 방법 중 고급형으로서 소 용량의 가 열 제어에 적합하다. 그러나 대용량에서는 제어용 스위치 의 잦은 단속으로 인하여 접점의 수명이 짧아지는 단점이 있다.

[Figure 6]은 [Figure 5]에 반도체 소자를 추가하여 스위치의 수명을 연장하는 방법이다.

일반적으로 기기에 사용하는 방법 중 가장 첨단 방법 이며, 반도체 소자로 만든 무 접점 소자를 이용함으로써 아크로 인한 접점 손실이 없어 수명이 길어진다. 여기에 사용되는 반도체 소자로는 SSR(Solid State Relay), TPR(Thyrister Power Regulator)등이 사용된다.

[Figure 7]은 [Figure 6] 방법에 과열 방지 장치를 추 가하는 방법으로 히터 또는 주변 장치의 과전류로 인한 화 재를 예방한다.

3. 반도체 소자의 사용

반도체 소자는 장치의 수명을 연장하는데 이용하고, 안 전까지 요구되는 장소에 사용 한다.

3.1 반도체 스위치 고장 현상

반도체 스위치는 기계적인 스위치에 비해 아크로 인한 접점 소손과 기계적인 마모 등으로 인한 수명 한계의 원인 이 없기 때문에 사용 빈도가 계속 늘어가고 있는 추세이 다. 그러나 반도체를 사용하면서 발생 할 수 있는 부작용 도 많이 나타나고 있으며, 히터 가열에서 반도체 스위치의 고장 현상은 크게 2가지로 볼 수 있다.

첫 번째는 합선(Short)으로 고장이 나는 경우이다. 온 도 제어기에서 전력 공급 정지 신호를 보내도 소자의 합선 으로 인하여 계속 전력을 공급하기 때문에 과열의 위험이 있다.

두 번째는 단선(Open)으로 고장이 나는 경우이다. 단 순한 단선일 때에는 온도 제어기에서 전력공급 신호를 보 내도 반도체 소자의 단선으로 인하여 히터에 전력이 공급 되지 않는 상황으로 가열 물체의 온도가 내려가 생산품의 불량을 야기할 수 있다.

그러나 반도체 소자 내에서 아크가 발생하거나, 패키지 내의 Void 등으로 인하여 반도체가 폭발을 할 때에는 사 정이 다르다. 소자의 크기가 작을 때에는 큰 문제가 되지 않지만, 대 전력 소자에서는 상당한 화재 같은 상황이 나 타나게 된다.

[Figure 8]은 SSR 과열로 인한 화재현장이다.

3.2 반도체 소자 적용 원리

이론적으로 반도체 소자의 수명은 무한대이지만, 반도 체를 보조하는 주변 소자와 반도체가 동작 할 때 발생되는 열로 인하여 반도체의 수명은 짧아지게 된다. 그러므로 반 도체 소자의 수명을 연장 시키는 방법으로 가장 효과적인 방법은 소자의 온도를 낮게 유지하는 것이다.

반도체 소자는 기계적인 소자에 비해 접점에서 소비하 는 전압(Drop voltage)이 크며, 이로 인하여 많은 열이 발생한다. 반도체 소자와 기계적인 소자를 병렬로 운전을 하게 되면 대부분의 전류는 기계적인 소자로 이동을 하게 되어 SSR에서 발생하는 열은 획기적으로 줄어든다.

기계적인 소자에서 아크가 발생 하지 않도록 SSR과 제 어 장치를 적절히 조절을 하면, SSR은 아크를 제거하고, 기계적인 소자는 열을 제거하게 되어 수명은 길어지고 안 전도 확보된다. Figure 9

3.3 반도체 소자 적용 실험

먼저 기계적인 소자와 SSR을 병렬로 운전하였을 때 발 생하는 열 에너지의 변화를 관찰하기 위하여 아래와 같이 구성하고 측정하였다.

[Figure 10]은 실험을 위하여 구성한 장치의 사진이고, <Table 4>는 시험 조건이다.

3.4 반도체 소자 적용 실험 결과

<Table 5>는 기존 방식인 [Figure 7]과 같은 방법으로 시험 조건에서 약 100분을 가동 한 후 측정한 결과이다.

이 때, SSR의 평균 전압강하는 1.32V이며 평균 전류는 69.3A로 SSR에서 소비하는 전력은 1.32(전압) × 69.3 (전류) × 3(상수) = 274.428W가 된다.

다음의 <Table 6>은 이번 연구에서 제안하는 방법인 Figure 9와 같은 방법으로 전환을 한 후 약 100분을 가동 을 한 후 측정한 결과이다.

이 때, SSR의 평균 전압강하는 0.21V이며 평균 전류는 0.7A로 SSR에서 소비하는 전력은 0.21(전압) × 0.7(전 류) × 3(상수) = 0.441 W가 되며, SSR에서 소비되는 전력을 274.428 W에서 0.441W로 획기적으로 줄일 수 가 있다.

시험 결과 SSR의 온도는 주변온도(제어기 내부온도) 보다도 낮게 유지가 되었으며, 이것은 SSR이 고장날 수 있는 환경을 획기적으로 개선하였다고 판단된다. 이렇게 하여도 화재의 위험을 완전히 없앨 수는 없지만 확률은 크 게 줄 것으로 기대된다.

기계적인 소자와 SSR을 병렬운전 하였을 때 발생하는 열에너지의 변화 및 기계적인 스위치에서 발생하는 아크 를 관찰하기 위하여 다음의 [Figure 11]과 같이 구성을 하고 관찰하였다.

여기에 사용된 시간 제어기의 역할은 ARC가 발생하는 M/C ON 이전에 SSR을 ON 하고 M/C OFF이후에 SSR 을 OFF 함으로써 ARC의 발생을 방지한다. 이를 Time Chart로 표기하면 아래 [Figure 12]와 같다.

시간 제어용 PCB를 연결한 후 동작을 하였을 때 M/C에 서 ARC가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

4. 결론

현대인의 생활은 각종 전자제품의 홍수 속에서 이루어 지고 있다. 전자제품이 인간에게 필요한 기능을 수행하기 위해서는 인간이 원하는 기능을 구현하는 제어부과 제어 부에서 만들어진 신호를 표현하는 구동부로 구분된다.

대형 구동부에서는 대 전력을 필요로 하게 되고, 대 전 력 제어용 소자에서 발생하는 열에 의하여 구동부의 수명 단축과 소손 및 화재가 발생하고 있다.

이번 연구에서는 대 전력 제어용 반도체에서 발생하는 열을 최소화 하여 반도체의 수명 연장과 소손을 방지하도 록 하기 위하여 온도 제어기의 출력을 시간 제어기를 이용 하여 SSR과 M/C의 ON시간과 OFF 시간을 적절히 제어 한 결과를 다음과 같이 도출하였다

첫째, M/C에서 발생하는 ARC 는 SSR에서 제거하여 M/C 의 수명을 연장할 수 있다.

둘째, SSR에서 발생하는 열은 M/C에서 제거함으로써 SSR의 소손을 방지할 수 있다.

셋째, SSR 의 소손을 방지하여 SSR 의 수명연장에 기 여할 수 있다.

넷째, SSR 의 주변온도를 낮춤으로써 발열에 다른 화재 발생 확률을 낮출 수 있다

본 연구결과를 바탕으로 대전류 산업설비에 적용되는 스위치 제작 시 이 연구결과를 적용하면 반도체스위치 발 열에 따른 화재를 획기적으로 감소시키는데 기여할 것으 로 판단된다.

본 논문에서 는 SSR 화재의 원인을 감소할 수 있는 결 과를 제시하였고 기타 장치의 구성 요소들에 대한 추가 연 구 및 기술개발도 수행되어야 할 것이다.