Introduction

검증 수명이 10년 이상 되는 긴 시간 동안 사용되는 기기들의 열적 환경에 대한 검증을 위해서 환경 온도를 상승시켜 시험 시간을 단축시킬 수 있는 가속열노화시험 방법을 사용한다. 가속열노화시험의 이론적인 배경은 아레니우스 방정식을 토대로 도출되었다.(1^~2) 아레니우스 방정식은 온도에 따른 화학반응율의 관계를 나타내는 방정식으로, 온도가 상승할수록 분자들의 운동에너지가 상승하기 때문에 반응율도 증가한다는 것을 수식화한 것이다. 식 (1)에 아레니우스 방정식을 제시하였다.

여기서,

r : 화학반응율(#/s) , A: 상수

E_a : 활성화에너지(eV), T : 온도(K)

k : 볼츠만 상수(1.38×10^-23 J/K)

이다.

식 (1)의 양변에 자연로그를 취하면 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 서로 다른 온도 조건 T₁과 T₂가 있을 경우 두 조건을 식 (2)에 각각 대입 후 정리하면 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

식 (1)에서 화학반응율의 역수는 화학반응시간을 의미하므로 식 (3)을 다시 정리하면 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

식 (4)에 의해 서로 다른 환경온도 및 화학반응시간 조건 간의 등가관계를 얻을 수 있다. 기기의 노화 관점에서 화학반응시간은 온도 환경에 의해 재료가 변형되는 시간으로서 기기의 노화가 진행되는 시간으로 볼 수 있다. 따라서 낮은 온도 조건에 오랜 시간 사용되는 기기의 경우 식 (4)를 통해 더 높은 온도에서 시간을 단축시켜 동일한 노화 환경을 인가하여 열노화시험을 수행할 수 있다.(3)

기기를 구성하는 부품들은 크게 금속재료와 비금속재료로 나눌 수 있다. 두 재료들이 동일한 열적 환경에 노출되었을 경우 시간의 경과에 따라 금속보다는 비금속재료가 더 빠르게 노화되어 기기의 정상 작동에 문제를 발생시킨다.(4) 따라서 기기의 열노화시험에서 주요 노화 대상은 기기를 구성하는 비금속재료의 부품들이다.

현재 일반적으로 열노화 시험기관에서 주로 적용하고 있는 가속열노화시험의 절차 및 방법은 다음과 같다.

Ⅰ. 기기의 검증 온도 및 시간 설정

Ⅱ. 기기의 비금속재료 부품리스트 작성

Ⅲ. 각 비금속재료들의 활성화에너지 값 조사

Ⅳ. 아레니우스 방정식에 I의 온도와 시간, Ⅲ의 활성화에너지 중 가장 낮은 값을 대입하여 가속열노화 환경 조건 도출(5)

Ⅴ. 비금속재료의 유리전이온도, 녹는점 및 시험시간을 고려하여 가속열노화환경 선정

위 절차에서 가장 낮은 활성화에너지 값을 사용하는 이유는 활성화에너지가 낮을수록 상대적으로 쉽게 노화가 진행되기 때문이다. 즉, 기기를 구성하는 비금속재료들의 활성화에너지가 서로 다를 경우 가장 낮은 활성화에너지 값을 사용하는 것이 가장 보수적인 환경에서 열노화 시험을 수행한 것이 된다. 가속노화시험의 환경 온도 조건을 결정할 때 비금속재료의 변형이나 손상을 방지하기 위해 유리전이온도와 녹는점을 고려하여 선정한다.(6)

만일 스위치류, 모터, 솔레노이드 액츄에이터 등의 전기기기와 같이 기기 자체에서 열이 발생할 경우 식 (5)와 같이 온도상승(∆T) 을 고려하여 아레니우스 방정식을 적용한다.

전기 기기에 일반 가속열노화시험을 적용시켜보면 다음과 같다. 해당 기기가 서로 다른 비금속재료로 이루어져 있으며 각 재료에 대한 활성화에너지 값과 최고사용온도가 표 1과 같다. 본 기기의 비금속재료는 임의로 선정하였고 활성화에너지와 최대온도 값은 재료 데이터베이스를 통해 얻었다. 일반적으로 비금속재료의 활성화에너지 값은 약 0.5 eV~3.0 eV 범위에 있으며 동일한 재료라도 제조사 및 제조환경에 따라 다르다.(7^~8)

위 전기 기기를 표 2와 같이 원자력 발전플랜트의 환경과 유사한 조건인 45 ℃ 온도에서 30년(10,950 일) 동안 사용한다고 했을 때 그리고 동일한 조건에서 기기의 자체 발열에 의해 20 ℃ 온도상승이 될 경우를 고려하여 각각 앞에서 제시한 절차와 방법에 따라 식 (4)에 대입하면 표 3과 같은 따른 다양한 가속열노화환경을 도출할 수 있다.(9) 표 3에서 가속 환경조건에서 온도가 낮을수록 온도 변화에 따라 가속시간의 변화량 및 온도상승에 의한 가속시간 증가량이 커지는 것을 알 수 있다.

표 3의 가속환경조건들 중 표 1에서 제시한 최대온도 값을 고려하여 120 ℃의 온도에서 노화시킨다고 가정할 때, 기기의 각 부품에 대한 검증 수명을 활성화에너지를 고려하여 역으로 계산하면 표 4과 같은 결과를 얻는다. 부품 E의 활성화에너지 값인 0.8 eV를 기준으로 가속열노화환경을 계산하였기 때문에 활성화에너지가 0.8 eV를 초과하는 부품 A~D의 경우 활성화에너지 값에 따라 각 검증수명은 모두 다르며 그 값은 30년 이상이다.

여기서 검증수명과 활성화에너지와의 관계를 살펴보면 다음과 같다. 식 (4)에서의 왼쪽 항에서 t₂를 부품의 검증수명, t₁을 가속노화시간(41.86 일) 그리고 오른쪽 항에서 T₁은 가속노화온도(120 ℃), T₂는 일반환경온도(45 ℃)라고 하면 부품 A와 부품 E에 관하여 정리하면 식 (6)과 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 t_A와 t_E는 각각 부품 A와 부품 E의 검증수명이다. 두 식을 빼면 식 (8)과 같이 나타낼 수 있는데, 부품 E를 기준으로 두 부품의 검증수명 비를 초과율이라고 정의할 때 초과율과 활성화에너지는 다음과 같은 관계를 갖는다.

위 식에서 초과율은 활성화에너지의 차이에 따라 지수적으로 증가함을 알 수 있다. 기기의 발열에 의한 온도상승을 고려할 경우 해당 초과율은 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다. 앞의 식과 같이 초과율은 활성화에너지 차에 따라 지수적으로 증가하는데 온도상승 값이 커질수록 초과율 값은 낮아짐을 알 수 있다.

표 4의 결과를 이용하여 활성화에너지와 초과율의 관계를 그래프로 나타내면 그림 1과 같다. 앞에서 설명한 바와 같이 수명 초과율은 활성화에너지에 따라 지수적으로 증가하고 있으며, 20 ℃ 온도상승이 있을 경우 온도상승이 없을 때에 비해 상대적으로 수명 초과율 값은 감소하였다.

일반 가속열노화실험에서 적용하는 보수적인 계산에 의한 방법은 활성화에너지 차이에 의해 각 부품들에 인가된 열적부하 차이가 크기 때문에 실제 현장 설치된 환경에서의 열적 노화 조건과 매우 다르다. 만일 일반 가속열노화실험 후 기기의 작동성 문제가 발생하였을 경우, 다양한 원인 중 부품의 열적 내구성을 초과한 과도한 부하 및 부품별 불균일한 부하도 그 원인일 수 있다. 이러한 보수적인 시험은 비금속재료의 사용 주기를 단축시켜 유지관리 비용을 증가시키며, 제조사가 열적으로 과도한 사양의 비금속재료를 사용하게 하여 기기 단가를 증가시킬 수 있다.

그리고 앞의 120 ℃ 가속노화온도 조건에서 발열이 없을 때 노화시간은 41.86 일이지만 20℃ 온도상승을 고려하면 235.15 일로 무려 5.1 배가 증가하였다. 시험시간을 줄이기 위해서는 노화온도를 상승시켜야 하는데 부품의 최고사용온도를 초과하면 안 되기 때문에 적용하기 힘들다. 가속열노화시험은 기간이 길어질수록 비용 부담이 증가하기 때문에 단축시킬 필요가 있다.

본 연구에서는 기존 가속열노화시험 시 보수적 계산 방법으로 발생하는 부품들의 과도한 열적 부하를 줄이기 위해 새로운 가속열노화방법을 제시하였다. 또한 새로운 노화시험 방법을 통해 전기 기기의 발열로 인한 가속열노화시험 시간의 장기화 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다.

Fig. 1 
Excess ratio of qualified life for each component