1. 전기폭발의 원리
전기폭발(Wire Explosion)은 펄스 대전류에 의해 와이어가 폭발을 일으키는 현상을 뜻한다. 이 현상은 전기에너지가 와이어에 열에너지 형태로 축적되었다가 특정 순간에 폭발적으로 방출되면서 강한 빛과 폭음을 발생시킨다. 흔히 우리 생활 속에 존재하는 전기폭발장치를 퓨즈라고 일컫는데, 퓨즈는 사용조건과 환경에 따라 폭발물질이 되기도 한다.
퓨즈는 과전류가 와이어에 흐르면서 열이 기준치 이상으로 축적되면 와이어가 녹아서 비산하여 전류의 흐름을 차단하여 소자 및 전자기계가 과전류로 의해 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다. 용융된 퓨즈 물질이 비산하여 전류의 흐름을 차단하기 위해서는 마이크로 단위의 시간이 필요하다. 그 이유는 변위에 의해서 발생하는 차이에서 방전 플라즈마가 발생하여 전기적인 연결고리를 갖기 때문이다. 만약 이러한 퓨즈물질 변위에 필요한 마이크로 단위의 시간동안에도 지속적으로 전류가 유입되어 와어증발에 필요한 온도까지 상승시키고, 나아가 액체에서 기체로 변화하는데 필요한 잠열까지도 공급된다면 와이어는 기체로 변하게 될 수도 있다. 이처럼 와이가 고체에서 고온의 증기로 상태변화를 일으키면 큰 부피로 팽창하게 된다. 만약 밀폐된 공간에서 금속 와이어의 기체화가 발생하게 되면 이상기체 방정식을 통해 이를 추정해낼 수 있다.
현재 일상생활 속의 퓨즈는 기본적으로는 전기폭발을 발생시킬 수 없다. 퓨즈가 전기 폭발을 일으키기 위해서는 퓨즈 금속의 녹는점 근처에서 상당량의 전류가 흘러야 한다. 금속 와이어를 증발시키기 위해 필요한 에너지 대부분은 녹는점에서부터 기체화 하는 과정에서 소요되기 때문이다. 그러한 조건이 충족되지 않으면 와이어는 증발하기 전에 녹아 액체상태로 비산하게 되면서 플라즈마 상태로 진전되지 못한다. 이와 같이 수백 J 의 에너지를 전달하기 위해서는 수십MW 의 파워가 필요한데, 이러한 큰 파워는 펄스파워 기술을 통해 얻을 수 있다.
전기에너지에 의해 와이어가 폭발하는 또다른 중요한 원인은 온도 상승에 의해서 저항이 증가하는 금속 고유의 성질 때문이다. 즉 금속의 온도증가에 의한 저항률의 상승은 전기 에너지의 소비를 공간적으로 와이어 부분에 집중하게 된다. 또한 시간적으로도 상태 변화가 급속히 가속되는 현상이 발생하게 된다. 즉, 와이어의 온도상승은 저항상승을 발생시키고, 저항상승이 전기에너지 소비를 가속시켜 다시 온도상승이 발생하는 과정이 반복되면서 에너지를 급속하게 와이어에 축적시키는 것이다. 이러한 급속한 에너지 축적은 결국 폭발을 일으키게 된다.
2. 응용
1) 충격파 발생
임펄스 압력을 이용하여 물체를 가속시키거나 파괴시키는 등의 응용을 할 수 있다. 알루미늄 와이어를 폭발시켜 콘크리트 블록을 파괴하는 등의 용도로 사용할 수 있다.
2) Opening Switch
적절하게 설계된 퓨즈를 이용하고 폭발시 플라즈마 발생을 효과적으로 억제하면 아주 단시간에 대전류를 차단하는 것이 가능하다. 이러한 경우 방전회로의 인턱턴스에 저장된 자기에너지가 부하에 큰 전압을 유도하게 된다.
3) Intense Soft X-ray 발생
Wire Explosion 에 의해서 발생되는 플라즈마를 통해서 대전류의 전류가 흐르게 되면 전류가 만드는 자기장에 의해 발생하는 내부려 수축하려는 전자력이 플라즈마의 팽창력보다 더 커지게 되어 플라즈마가 압축되고, 더 높은 온도와 밀도의 플라즈마로 가열되어 강력한 세기의 soft X-ray 가 발생하게 된다. 샌디아 내셔널 연구실에서는 펄스파워 발생장치에 텅스텐과 철 와이어 수십개를 병렬로 원형으로 배치하여 설치하고, 원형 내부에 중수소 팰릿(Deuterium Pellet)을 놓고 전기폭발을 발생시켜 핵융합을 일으켰다고 보고한 바 있다. 이 원리는 전기폭발로 발생한 금속 플라즈마가 수십 MA에 이르는 전류의 전자기력에 의해서 안쪽으로 힘을 받아 수축하게되면 고온의 플라즈마를 생성하게 된다. 이 플라즈마와 플라즈마에서 생성되는 고강도 X-선이 중수소 펠릿을 자극하여 초고온의 상태를 만들게 되고 이 상태에서 핵융합이 발생하게 된다.
4) 나노분말 제조
와이어의 금속물질이 증발하여 원자화 한 후 가스와 충돌하여 냉각되면 응축되어 입자가 된다. 이 때 와이어 물질이 급격히 팽창한 만큼 가스와의 충돌에 의한 냉각도 급속히 이루어지게 되므로 입자는 성장이 억제되어 수십 nm의 직경을 가지게 된다.
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