절연파괴강도, 체적저항률의 차이 및 각종 영향 인자: 전기 절연 물성 해석법

플라스틱 데이터시트에는 Dielectric strength, Breakdown voltage, Volume resistivity, Surface resistivity, Insulation resistance 같은 전기적 물성이 함께 표시됩니다.

이 가운데 절연파괴강도와 체적저항률은 모두 플라스틱의 절연성능을 나타내지만, 측정하려는 현상은 전혀 다릅니다.

절연파괴강도는 전압을 계속 높였을 때 절연재가 어느 전계에서 갑자기 파괴되는지를 나타냅니다. 반면 체적저항률은 비교적 낮은 직류전압을 인가했을 때 재료 내부로 흐르는 매우 작은 누설전류를 얼마나 잘 억제하는지를 나타냅니다.

따라서 체적저항률이 높다고 해서 절연파괴강도도 반드시 높다고 판단할 수 없습니다. 한 소재는 평상시 누설전류를 매우 잘 억제하지만 국부 결함이나 기포 때문에 고전압에서 쉽게 파괴될 수 있고, 다른 소재는 체적저항률이 다소 낮더라도 단시간 고전압 파괴에는 더 강할 수 있습니다.

절연파괴강도의 대표 국제시험은 IEC 60243-1:2013입니다. 이 표준은 48~62 Hz 상용주파수에서 고체 절연재의 단시간 전기적 강도를 측정합니다. 직류전압은 IEC 60243-2:2013, 1.2/50 μs 충격전압은 IEC 60243-3:2013에서 추가 요구사항을 규정합니다.

ASTM에서는 ASTM D149-25가 상용주파수에서 고체 전기절연재의 절연파괴전압과 절연파괴강도를 측정하는 현행 시험법입니다. 이 시험은 일반적으로 시편 두께방향으로 발생하는 관통파괴를 평가하며, 조건에 따라 표면을 따라 발생하는 Flashover도 다룰 수 있습니다.

체적저항률의 현행 IEC 일반시험법은 IEC 62631-3-1:2023입니다. 이 표준은 직류전압을 인가해 전기절연재의 체적저항과 체적저항률을 측정하며, 과거 IEC 60093의 내용을 개정·대체한 IEC 62631 체계에 속합니다. 표면저항률은 IEC 62631-3-2:2015에서 별도로 다룹니다.

ASTM에서는 ASTM D257-14(2021)e1이 직류 절연저항, 체적저항과 표면저항을 측정하고 시편·전극 치수로부터 체적저항률과 표면저항률을 계산하는 시험법입니다.

이번 글에서는 절연파괴강도와 체적저항률의 정의·단위·시험원리, 두 값이 서로 비례하지 않는 이유 및 온도·습도·두께·첨가제가 실제 플라스틱 절연성능에 미치는 영향을 살펴보겠습니다.

절연파괴강도와 체적저항률의 차이

절연파괴강도

절연파괴강도는 절연재가 전기적으로 파괴되기 직전까지 견딜 수 있는 전계의 크기입니다.

기본 개념식은 다음과 같습니다.

절연파괴강도 = 절연파괴전압 ÷ 시편두께

수식으로 표현하면 다음과 같습니다.

Ebd = Vbd ÷ t

Ebd: 절연파괴강도
Vbd: 절연파괴전압
t: 시편두께

대표단위:

kV/mm
MV/m
V/μm

단위환산은 다음과 같습니다.

1 kV/mm = 1 MV/m

예를 들어 두께 1 mm 시편이 20 kV에서 파괴됐다면 단순 계산한 절연파괴강도는 20 kV/mm입니다.

체적저항률

체적저항률은 전류가 재료 내부를 통과할 때 재료 자체가 제공하는 저항성을 나타냅니다.

균일한 시편에서는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

체적저항률 = 측정저항 × 전극면적 ÷ 시편두께

수식:

ρv = Rv × A ÷ t

ρv: 체적저항률
Rv: 체적저항
A: 유효 전극면적
t: 시편두께

대표단위:

Ω·m
Ω·cm

핵심 비교

구분	절연파괴강도	체적저항률
핵심 질문	얼마나 높은 전압까지 견디는가?	내부 누설전류가 얼마나 작은가?
측정현상	고전압 파괴	정상상태 또는 시간의존 누설전류
대표단위	kV/mm, MV/m	Ω·m, Ω·cm
시험전압	파괴될 때까지 증가	규정된 DC 전압
결과특성	파괴형 시험	일반적으로 비파괴형 측정
주요시험	IEC 60243-1, ASTM D149	IEC 62631-3-1, ASTM D257
설계활용	절연두께·고전압 내성	누설전류·절연저항·센서 오차

IEC 60243-1은 단시간 전기적 강도시험을, IEC 62631-3-1은 직류전압에 의한 체적저항·체적저항률 측정을 규정하므로 두 값은 서로 다른 전기적 현상을 나타냅니다.

절연파괴전압과 절연파괴강도의 차이

절연파괴전압

시편에 전압을 높여가다가 전기적 파괴가 발생한 순간의 전압입니다.

단위:

kV

절연파괴전압은 시편두께와 시험구조에 직접 영향을 받습니다.

절연파괴강도

절연파괴전압을 시편두께로 나눈 전계값입니다.

단위:

kV/mm

계산 예시

시편두께: 2.0 mm
파괴전압: 36 kV

절연파괴강도
= 36 kV ÷ 2.0 mm
= 18 kV/mm

두께가 2배면 파괴전압도 정확히 2배일까?

항상 그렇지는 않습니다.

실제 플라스틱에서는 두께가 증가할수록 다음 가능성이 커집니다.

내부 결함 존재확률 증가
기포·이물 포함 가능성
열축적 증가
전계분포 변화
전극 가장자리 영향
국부 전도경로 증가

이 때문에 두께가 증가하면 절연파괴전압은 증가하더라도, 두께로 나눈 절연파괴강도는 낮아질 수 있습니다.

따라서 서로 다른 두께의 데이터시트 값을 단순 비교해서는 안 됩니다.

체적저항·체적저항률·절연저항의 차이

체적저항

특정 시편과 전극구조에서 측정한 실제 저항입니다.

단위:

Ω

체적저항은 다음 요소에 따라 달라집니다.

시편두께
전극면적
형상
시험전압
인가시간

체적저항률

시편치수를 보정해 재료 고유의 저항성을 비교하도록 만든 값입니다.

단위:

Ω·m 또는 Ω·cm

절연저항

실제 부품이나 절연체의 두 단자 사이에서 측정되는 전체저항입니다.

절연저항은 재료 물성뿐 아니라 다음 항목의 영향을 받습니다.

절연거리
부품형상
표면오염
수분
체결상태
전극배치
측정위치

비교표

항목	단위	형상 영향	주요 용도
체적저항	Ω	큼	시험시편 직접 측정
체적저항률	Ω·m·Ω·cm	치수보정	소재 간 비교
절연저항	Ω	매우 큼	완제품·조립체 검사

ASTM D257과 IEC 62631-3-1은 시편의 측정저항과 전극·시편 치수를 이용해 체적저항률을 산출하는 시험체계입니다.

표면저항률과 체적저항률의 차이

체적저항률은 전류가 재료의 두께방향 내부를 통과하는 것을 평가합니다.

표면저항률은 전류가 재료 표면을 따라 흐르는 것을 평가합니다.

체적전류

상부 전극
↓
플라스틱 내부
↓
하부 전극

표면전류

전극 A
→ 플라스틱 표면
→ 전극 B

비교

구분	체적저항률	표면저항률
전류경로	재료 내부	표면
주요영향	수지·필러·수분	오염·습도·표면상태
단위	Ω·m, Ω·cm	Ω 또는 Ω/□ 관행표기
IEC 시험	IEC 62631-3-1	IEC 62631-3-2
활용	절연재 내부 누설	PCB 주변·Housing 표면누설

IEC 62631-3-1:2023은 체적저항률을, IEC 62631-3-2:2015는 직류전압에 의한 표면저항과 표면저항률을 다룹니다.

절연파괴는 어떻게 발생할까?

절연재에 전계가 가해지면 소량의 전하가 이동합니다.

전계가 충분히 높아지면 전하 이동과 에너지 축적이 급격히 증가하고, 재료 내부 또는 표면에 영구적인 전도경로가 만들어질 수 있습니다.

대표적인 절연파괴 메커니즘

1. 전자적 파괴

강한 전계가 전자를 가속하고 분자결합을 손상시키며 급격한 파괴를 일으킵니다.

2. 열적 파괴

미세한 누설전류와 유전손실로 발생한 열이 충분히 방출되지 못하면 온도가 상승합니다.

온도 상승
→ 전도 증가
→ 발열 증가
→ 추가 온도 상승
→ 열폭주

3. 부분방전

공극이나 계면처럼 국부 전계가 집중되는 곳에서 반복적인 미세 방전이 발생합니다.

부분방전이 누적되면 침식과 탄화경로가 성장해 최종파괴로 이어질 수 있습니다.

4. 전기트리

고전계 부위에서 나뭇가지 형태의 미세 파괴경로가 성장하는 현상입니다.

5. 표면 Flashover

시편 내부가 아니라 전극 사이의 표면 또는 주변매질을 따라 방전이 진행됩니다.

ASTM D149는 주로 시편 두께방향 관통파괴를 평가하지만 시험배치에 따라 고체시편과 기체·액체 주변매질의 계면을 따라 발생하는 Flashover 평가에도 사용할 수 있습니다.

절연파괴강도 시험 방법

기본 시험장치

고전압 전원
상부·하부 전극
전압상승 제어장치
전류감지기
차단회로
절연유 Bath 또는 주변매질
두께측정기
보호 enclosure

일반적인 시험순서

시편을 규정된 온도와 습도에서 전처리합니다.
시편두께를 측정합니다.
전극 사이에 시편을 배치합니다.
필요하면 절연유 등 지정매질에 침지합니다.
규정된 방식으로 전압을 증가시킵니다.
파괴 또는 규정 전류가 발생한 순간의 전압을 기록합니다.
파괴위치와 파괴형태를 확인합니다.
시편두께로 나눠 절연파괴강도를 계산합니다.

IEC 60243-1은 48~62 Hz 상용주파수에서 고체 절연재의 단시간 전기적 강도 시험법을 규정합니다. ASTM D149-25 역시 상용주파수에서 고체 절연재의 파괴전압과 절연파괴강도를 평가합니다.

전압 인가방식

대표적인 방식은 다음과 같습니다.

단시간 급상승
단계상승
서서히 연속상승
Proof Test

인가속도가 달라지면 재료가 전계에 노출되는 시간과 열축적 정도가 달라지므로 시험결과도 달라질 수 있습니다.

AC·DC·충격 절연파괴강도의 차이

AC 시험

일반적으로 상용주파수 48~62 Hz 조건에서 전압극성이 반복적으로 변합니다.

주요 영향:

유전손실
반복적인 전계반전
열발생
부분방전
전극주변 전계집중

IEC 60243-1:2013이 이 조건을 다룹니다.

DC 시험

전계방향이 일정하며 전하축적과 공간전하가 중요한 영향을 줄 수 있습니다.

IEC 60243-2:2013은 IEC 60243-1에 추가해 직류전압 시험요구사항을 규정합니다.

충격전압 시험

매우 짧은 시간 동안 높은 전압이 인가됩니다.

IEC 60243-3:2013은 1.2/50 μs 충격전압 조건의 추가요구사항을 규정합니다. ASTM에서는 ASTM D3426-19(2026)이 고체 절연재의 충격파형 파괴전압과 전기적 강도를 다룹니다.

직접 비교 금지

다음 값들은 서로 직접 비교해서는 안 됩니다.

AC 50 Hz
AC 60 Hz
DC
충격전압
단시간 시험
단계상승 시험

시험파형과 인가시간이 다르면 파괴메커니즘도 달라질 수 있습니다.

체적저항률 시험 방법

기본 시험장치

DC 전원
고저항계·Electrometer
측정전극
Guard Electrode
차폐함
온습도 제어
절연지지대
시편두께 측정장치

Guard Electrode의 역할

체적저항을 측정할 때 표면을 흐르는 누설전류가 함께 측정되면 결과가 왜곡됩니다.

Guard Electrode는 표면전류를 별도로 우회시켜 중앙전극을 통과하는 체적전류만 측정하도록 돕습니다.

일반적인 시험순서

시편을 규정조건으로 전처리합니다.
표면을 청결하게 관리합니다.
시편두께와 전극치수를 확인합니다.
시편을 측정전극 사이에 배치합니다.
규정된 DC 전압을 인가합니다.
규정시간 후 전류 또는 저항을 측정합니다.
전극면적과 시편두께를 반영해 체적저항률을 계산합니다.

IEC 62631-3-1:2023은 직류전압을 이용한 전기절연재의 체적저항 및 체적저항률 일반시험법입니다. ASTM D257-14(2021)e1은 DC 절연저항·체적저항·표면저항의 측정과 저항률 계산을 규정합니다.

체적저항률은 왜 시간에 따라 달라질까?

플라스틱에 DC 전압을 인가하면 초기전류와 일정시간 후 전류가 다를 수 있습니다.

초기전류 구성

정전용량 충전전류
분극전류
흡수전류
실제 전도전류
표면 누설전류

시간이 지나면 충전전류와 일부 분극전류가 감소하고, 상대적으로 정상상태 전도전류가 지배적이 됩니다.

따라서 전압 인가 후 측정시간이 다르면 체적저항률 결과도 달라질 수 있습니다.

데이터시트를 비교할 때는 다음을 확인해야 합니다.

인가전압
전압 인가시간
측정시간
전극구조
온도
상대습도
시편두께

체적저항률이 높으면 절연파괴강도도 높을까?

반드시 그렇지는 않습니다.

체적저항률이 평가하는 것

낮은 전계에서의 누설전류
재료 내부 전하이동 저항
이온성 불순물
수분과 온도의 영향
정상 또는 준정상 DC 거동

절연파괴강도가 평가하는 것

높은 전계에서의 최종 파괴
국부 결함
공극과 이물
전극 가장자리
열폭주
부분방전
순간적인 전기적 손상

가능한 조합

치적저항률	절연파괴강도	해석
높음	높음	우수한 기본절연 성능
높음	낮음	누설은 작지만 결함·공극에 취약
낮음	높음	평상시 누설은 크지만 단시간 파괴에는 강함
낮음	낮음	절연재로 사용제한 가능

두 물성은 상관성을 가질 수 있지만, 서로를 대체하는 지표는 아닙니다.

시편두께가 절연파괴강도에 미치는 영향

두꺼운 시편은 일반적으로 더 높은 절연파괴전압을 견딜 수 있습니다.

그러나 두께로 나눈 절연파괴강도는 오히려 낮아질 수 있습니다.

주요 원인

결함체적 증가
온도구배 증가
열방출 불리
전계불균일
공간전하 축적
파괴경로 증가
전극 가장자리 영향

데이터시트 해석 예시

소재 A:

절연파괴강도 25 kV/mm
시편두께 0.5 mm

소재 B:

절연파괴강도 20 kV/mm
시편두께 3.0 mm

소재 A의 숫자가 높다고 해서 두꺼운 실제 하우징에서도 항상 더 높은 절연파괴전압을 보장하지는 않습니다.

시험두께와 실제 부품두께를 함께 검토해야 합니다.

플라스틱 절연파괴강도의 전극구조, 절연유, 시편두께, 파괴전압 계산과 시험조건 비교방법 인포그래픽 — 절연파괴강도는 파괴전압을 시편두께로 나눈 값이지만 두께·전극·전압파형과 시험매질에 따라 달라지므로 동일한 조건에서 비교해야 합니다.

전극형상이 절연파괴 결과에 미치는 영향

전극형상은 시편 내부의 전계분포를 결정합니다.

날카로운 전극

전계집중 증가
국부파괴 가능성
낮은 파괴전압
반복성 저하 가능

둥근 전극

전계분포 완화
중앙부 관통파괴 유도
가장자리 방전 감소

전극압력

전극과 시편의 접촉압력이 달라지면 다음이 변할 수 있습니다.

공기층
접촉면적
국부응력
표면손상
전계분포

따라서 시험규격·전극형상·전극크기가 다른 자료를 직접 비교해서는 안 됩니다.

시험매질이 절연파괴강도에 미치는 영향

고전압 시험에서는 시편 외부 공기에서 먼저 방전이 발생할 수 있습니다.

이를 줄이기 위해 절연유나 다른 지정매질에 시편과 전극을 침지할 수 있습니다.

절연유 사용목적

표면 Flashover 억제
전극 가장자리 방전 감소
시편 내부파괴 유도
열방출 개선
재현성 향상

하지만 매질이 플라스틱에 침투하거나 팽윤을 일으키면 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

ASTM D149 관련 ASTM Practice는 실제 사용매질에서 시험하는 것을 선호하며, 두꺼운 절연판에서는 침지전극 사용이 특히 유리할 수 있다고 설명합니다.

온도가 전기절연 성능에 미치는 영향

온도가 상승하면 고분자 사슬과 이온의 이동성이 증가합니다.

체적저항률

일반적으로 온도가 상승하면 전하이동이 쉬워져 체적저항률이 감소할 수 있습니다.

온도 상승
→ 전하 이동성 증가
→ 누설전류 증가
→ 체적저항률 감소

절연파괴강도

온도가 상승하면 다음 현상이 복합적으로 발생할 수 있습니다.

강성 저하
열전도 변화
누설전류 증가
유전손실 증가
열폭주 가능성
산화열화
절연파괴강도 저하 가능

특히 Tg 부근이나 그 이상의 온도에서는 분자운동성이 증가해 전기·기계적 안정성이 크게 달라질 수 있습니다.

습도가 체적저항률에 미치는 영향

수분은 플라스틱 전기절연 성능을 크게 변화시킬 수 있습니다.

수분이 전도성을 높이는 이유

이동 가능한 이온 증가
극성분자 증가
표면 수분막 형성
이온성 불순물 용해
비정질영역의 전하이동 증가

흡습성 소재

PA, 일부 Polyester와 친수성 첨가제가 포함된 Compound는 상대습도 변화에 민감할 수 있습니다.

나타날 수 있는 변화

체적저항률 감소
표면저항률 급감
유전율 증가
유전손실 증가
누설전류 증가
Tracking 위험 증가

전기절연재 시험의 일반조건은 온도·상대습도·전처리시간이 중요합니다. IEC 62631-1은 고체 전기절연재의 유전·저항 특성 측정을 위한 일반지침을 제공합니다.

수분이 절연파괴강도에 미치는 영향

수분은 재료 내부 또는 표면의 전도경로를 증가시킬 수 있습니다.

영향

국부전계 재분포
전도손실 증가
발열 증가
부분방전
표면 Flashover
절연파괴강도 저하 가능

특히 다음 부품에서 중요합니다.

자동차 커넥터
배터리 Module
고전압 Busbar Housing
냉각수 주변 부품
실외 전기장치
세탁기·식기세척기 부품

건조상태의 데이터만으로 고온고습 사용환경을 설계해서는 안 됩니다.

결정화도와 전기적 물성의 관계

반결정성 플라스틱의 결정영역은 분자사슬이 조밀하고 전하·수분이 이동할 수 있는 자유부피가 작습니다.

결정화도가 증가하면 다음 경향이 나타날 수 있습니다.

수분확산 감소
이온 이동경로 감소
체적저항률 증가 가능
치수안정성 증가
계면·구정경계 증가 가능

그러나 결정화가 불균일하면 계면이나 잔류응력 부근에서 전계가 집중될 수 있습니다.

따라서 결정화도와 결정균일성을 함께 봐야 합니다.

기포와 공극이 절연파괴강도를 낮추는 이유

공기의 절연특성과 플라스틱의 유전특성은 다릅니다.

플라스틱 내부에 작은 기포가 있으면 전계가 공극 주변에 집중될 수 있습니다.

진행과정

공극 내부에 높은 국부전계가 형성됩니다.
공극 내부에서 부분방전이 시작됩니다.
공극벽이 열화·침식됩니다.
탄화된 미세경로가 형성됩니다.
전기트리가 성장합니다.
최종 관통파괴가 발생합니다.

공극이 발생하는 원인

수분
휘발분
불충분한 배기
두꺼운 제품
수축공
Weld Line
압출 Die 조건
진공함침 불량
저압성형 불량

절연용 Compound에서는 기계적 물성만큼 공극률과 성형건전성이 중요합니다.

유리섬유가 전기절연 물성에 미치는 영향

유리섬유는 자체적으로 절연성이 우수할 수 있지만 Composite의 전기적 성능은 단순히 유리섬유 함량만으로 결정되지 않습니다.

긍정적 영향

치수안정성 향상
열팽창 감소
강성 증가
고온 변형 억제

부정적 영향 가능성

섬유 끝단 전계집중
수지·섬유 계면공극
섬유배향에 따른 이방성
표면노출
수분경로 형성
Weld Line 취약성

방향성

전극과 섬유배향 방향에 따라 전기적 특성이 달라질 수 있습니다.

특히 장섬유·고함량 Grade는 성형방향과 시편절취방향을 확인해야 합니다.

난연제가 전기절연 물성에 미치는 영향

전기전자용 플라스틱은 난연제가 포함되는 경우가 많습니다.

난연제는 화재안전성에는 도움을 주지만 전기적 물성에는 복합적인 영향을 줄 수 있습니다.

가능한 영향

이온성 불순물 증가
수분흡수 증가
체적저항률 감소
유전손실 증가
전극 주변 탄화
Tracking 성능 변화
절연파괴강도 변화

특히 인계·무기계·할로겐계 난연 시스템은 각각 수분·계면·탄화거동이 다르므로 실제 Grade 데이터를 확인해야 합니다.

카본블랙과 도전성 필러의 영향

카본블랙, 탄소섬유, CNT, Graphene, 금속필러는 전도경로를 형성할 수 있습니다.

Percolation 이전

필러입자가 서로 분리됨
높은 저항률 유지 가능
정전기 축적 가능

Percolation 부근

일부 입자가 연결
저항률 급격히 감소
Lot·분산 민감성 증가

Percolation 이후

연속적인 전도망 형성
체적저항률 급감
ESD·도전성 Grade화
절연재로는 사용제한

소량의 도전성 오염이나 재생재 혼입도 고절연 Grade의 체적저항률을 크게 낮출 수 있습니다.

이온성 불순물이 체적저항률을 낮추는 이유

금속이온, 촉매잔사, 염, 계면활성제와 일부 안료는 전하운반체 역할을 할 수 있습니다.

원인물질

촉매잔사
안정제 부산물
세척제
이형제
난연제 불순물
금속분진
수분
재생재 오염

문제

초기 누설전류 증가
고습조건에서 저항률 급감
전기화학적 부식
센서오차
PCB 주변 Ion Migration

전기전자용 Compound에서는 Ash와 금속함량뿐 아니라 이온크로마토그래피 기반의 추출이온 분석이 필요할 수 있습니다.

표면오염이 전기절연에 미치는 영향

부품표면에 먼지·오일·Flux·세정제·손자국이 남으면 체적저항률과 무관하게 표면누설이 증가할 수 있습니다.

주요 오염원

Mold Release
절삭유
Flux
세정제 잔사
먼지
염분
손의 땀
냉각수
난연제 Blooming

실제부품 문제

고전압 Arc
표면 Tracking
센서 오작동
절연저항 불량
누설전류 증가

따라서 완제품 전기절연 문제를 소재의 체적저항률만으로 설명해서는 안 됩니다.

절연파괴강도와 CTI는 무엇이 다른가?

CTI는 Comparative Tracking Index입니다.

습윤 오염조건에서 플라스틱 표면에 반복적인 전압을 가했을 때 Tracking에 얼마나 잘 견디는지를 평가합니다.

비교

항목	절연파괴강도	CTI
파괴위치	주로 시편 두께 내부	표면
조건	고전압 전계	오염액·반복방전
주요용도	절연두께	연면거리·표면추적
결과	kV/mm	V 등급값

절연파괴강도가 높아도 CTI가 낮을 수 있습니다.

고전압 커넥터와 전장부품에서는 두 값 모두 확인해야 합니다.

절연파괴강도와 유전율의 차이

유전율은 전기장 안에서 재료가 전기적 에너지를 저장하고 분극되는 정도입니다.

절연파괴강도

파괴 한계
고전압 내성
단위 kV/mm

유전율

전기장에 대한 분극
Capacitor 용량
고주파 신호 특성
무차원 상대유전율

유전율이 낮다고 절연파괴강도가 반드시 높지는 않습니다.

절연파괴강도와 유전손실의 차이

유전손실은 AC 전기장에서 전기에너지가 열로 손실되는 정도입니다.

대표적인 지표:

Dissipation factor
Loss tangent
tan δ

유전손실이 크면 고주파 또는 고전압 AC 환경에서 발열이 증가하고 열적 절연파괴 위험이 커질 수 있습니다.

따라서 고주파 전자부품에서는 절연파괴강도뿐 아니라 유전율과 유전손실을 함께 확인해야 합니다.

실제 전기부품 설계에서 소재값만으로 충분하지 않은 이유

데이터시트의 절연파괴강도와 체적저항률은 규격 시험편의 결과입니다.

실제부품은 다음 요소가 추가됩니다.

복잡한 전극형상
금속 Insert
Sharp Edge
Rib·Boss
Weld Line
두께편차
기포
오염
습도
고온
진동
반복전압
부분방전
조립응력

따라서 부품절연 성능은 소재값보다 낮을 수 있습니다.

절연두께 계산 방법

단순 초기계산은 다음과 같이 할 수 있습니다.

필요 절연두께
= 사용전압 × 안전계수
÷ 허용설계전계

하지만 데이터시트 절연파괴강도를 그대로 허용설계전계로 사용하면 안 됩니다.

안전여유가 필요한 이유

시편두께 차이
온도·습도
재료편차
장기전압
Surge
제조결함
노화
부분방전
오염
안전규격 요구

실제 설계에서는 해당 제품규격의 절연협조, 공간거리, 연면거리, 과전압 Category와 Pollution Degree를 함께 적용해야 합니다.

체적저항률로 누설전류를 추정하는 방법

균일한 평판형 절연재를 단순화하면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

R = ρv × t ÷ A

누설전류:

I = V ÷ R

결합하면 다음과 같습니다.

I = V × A ÷ (ρv × t)

I: 누설전류
V: 인가전압
A: 전극면적
ρv: 체적저항률
t: 절연두께

계산 예시

체적저항률: 10¹⁴ Ω·m
시편두께: 1 mm = 0.001 m
전극면적: 100 cm² = 0.01 m²
전압: 1,000 V

저항:

R = 10¹⁴ × 0.001 ÷ 0.01
= 10¹³ Ω

누설전류:

I = 1,000 ÷ 10¹³
= 10⁻¹⁰ A
= 0.1 nA

이 계산은 균일재료·균일전계·표면누설 무시를 가정한 이론값입니다. 실제부품에서는 표면오염과 가장자리 전계가 더 큰 영향을 줄 수 있습니다.

데이터시트에서 전기적 물성을 읽는 방법

예시

Dielectric strength:
22 kV/mm
IEC 60243-1
1 mm specimen
oil immersion

Volume resistivity:
1 × 10¹⁴ Ω·m
IEC 62631-3-1
500 V, 60 s
23℃, 50% RH

이 데이터는 다음을 의미합니다.

절연파괴강도는 AC 상용주파수 조건
두께 1 mm 시편
절연유 안에서 측정
체적저항률은 DC 500 V
전압 인가 60초 후 측정
23℃·50% RH 조건

확인순서

절연파괴전압인지 강도인지 구분합니다.
kV와 kV/mm를 구분합니다.
시편두께를 확인합니다.
AC·DC·Impulse를 구분합니다.
전압상승방식을 확인합니다.
전극형상과 매질을 확인합니다.
체적저항과 체적저항률을 구분합니다.
시험전압과 측정시간을 확인합니다.
온도·습도와 전처리를 확인합니다.
건조·조습 Grade 상태를 확인합니다.
필러·난연제 함량을 확인합니다.
대푯값인지 보증최솟값인지 확인합니다.

Grade 비교에서 흔히 발생하는 오류

오류 1. kV와 kV/mm 혼동

절연파괴전압과 절연파괴강도는 다른 값입니다.

오류 2. 서로 다른 시편두께 비교

두께가 다르면 파괴강도도 달라질 수 있습니다.

오류 3. AC와 DC 데이터 비교

전압파형과 파괴메커니즘이 다릅니다.

오류 4. 체적저항률이 높으면 모든 절연성능이 우수하다고 판단

고전압 파괴와 표면 Tracking은 별도 물성입니다.

오류 5. 건조상태 자료만 사용

고온고습에서는 저항률이 크게 낮아질 수 있습니다.

오류 6. 표면저항률과 체적저항률 혼동

전류경로가 다릅니다.

오류 7. 실제부품 두께에 단순비례

절연파괴강도는 두께에 대해 완전한 상수로 작동하지 않을 수 있습니다.

오류 8. 난연 Grade와 비난연 Grade를 동일하게 해석

난연제와 보조제가 전도·수분거동을 바꿀 수 있습니다.

플라스틱 소재선정 시 고려해야 할 전기적 물성

고전압 커넥터

우선 확인:

절연파괴강도
CTI
체적·표면저항률
고온고습 물성
금속단자 간 연면거리
Weld Line
난연 등급
열노화 후 절연성

EV 배터리 Module

우선 확인:

DC 절연파괴
Surge·Impulse 내성
부분방전
절연저항
열전도
난연성
전해액·냉각수 내성
금속 Busbar 주변 전계집중

전기전자 Housing

우선 확인:

체적저항률
표면저항률
CTI
습도
오염
난연성
정전기 축적

Coil Bobbin·Transformer 부품

우선 확인:

AC 절연파괴
고주파 유전손실
열 등급
장기열노화
부분방전
함침재와의 적합성

센서 Housing

우선 확인:

높은 체적저항률
낮은 흡습
이온성 불순물
표면청정도
치수안정성
저전류 측정노이즈

플라스틱 전기절연 소재선정에서 사용전압, 절연파괴강도, 체적저항률, 습도, 공극, CTI와 완제품시험을 확인하는 인포그래픽 — 전기절연용 플라스틱은 절연파괴강도와 체적·표면저항률뿐 아니라 온습도, 공극, 난연제, CTI와 실제 부품의 전계집중을 함께 평가해야 합니다.

공급업체에 요청할 데이터

IEC 60243-1 또는 ASTM D149 결과
AC·DC·Impulse 구분
파괴전압과 파괴강도
시험편두께
전극형상
전압상승속도
시험매질
IEC 62631-3-1 또는 ASTM D257 결과
시험전압
측정시간
온도·상대습도
Dry·Conditioned 결과
표면저항률
유전율·유전손실
CTI
부분방전 내성
열노화 후 전기물성
습열시험 후 전기물성
Lot별 최소·최댓값
성형조건별 공극·전기특성

실무자의 인사이트

실무자의 인사이트: “절연파괴강도는 고전압 한계를, 체적저항률은 평상시 누설전류를 보여주므로 두 값 중 하나로 다른 하나를 대체할 수 없습니다.”

고객이 범하는 흔한 오류는 체적저항률이 10 ¹⁴ Ω·m 이상이라는 이유만으로 고전압 절연부품에 적합하다고 판단하는 것입니다.

체적저항률이 높아도 성형품 내부에 기포, 수축공 또는 금속이물이 있으면 절연파괴강도는 크게 낮아질 수 있습니다. 특히 두꺼운 Housing이나 Potting 부품은 중심부 공극과 냉각수축을 확인해야 합니다.

반대로 절연파괴강도가 높은 소재라도 흡습 후 표면저항률이 급감하면 고습환경에서 누설전류와 Tracking 문제가 발생할 수 있습니다.

실무적으로는 다음 순서를 권장합니다.

사용전압이 AC·DC·Impulse 중 무엇인지 정의합니다.
정상전압과 Surge 전압을 구분합니다.
절연파괴전압과 강도를 구분합니다.
실제 제품과 시험편두께 차이를 확인합니다.
체적·표면저항률을 모두 확보합니다.
고온고습 조건의 데이터를 확인합니다.
CTI와 유전손실을 함께 검토합니다.
금속 Insert·Sharp Edge의 전계집중을 해석합니다.
공극·Weld Line·오염을 관리합니다.
최종 완제품에서 절연저항·내전압·부분방전을 검증합니다.

가장 높은 절연파괴강도의 소재가 항상 최적은 아닙니다. 사용환경에서 체적저항률, 표면저항률, CTI, 난연성, 기계적 강도와 성형품의 결함관리까지 균형 있게 만족해야 합니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. 체적저항률이 높으면 절연파괴강도도 높나요?

반드시 그렇지는 않습니다. 체적저항률은 낮은 전계의 누설전류를, 절연파괴강도는 높은 전계에서의 최종파괴를 평가합니다.

Q2. 절연파괴전압과 절연파괴강도는 같은 값인가요?

아닙니다. 절연파괴전압의 단위는 kV이고, 이를 시편두께로 나눈 값이 kV/mm 단위의 절연파괴강도입니다.

Q3. 절연파괴강도가 20 kV/mm이면 2 mm 제품이 40 kV를 견디나요?

단순 계산상 가능하지만 실제로는 두께효과, 결함, 온도, 습도와 전극형상 때문에 정확히 비례하지 않을 수 있습니다.

Q4. 체적저항률과 표면저항률 중 어떤 값을 봐야 하나요?

재료 내부 누설은 체적저항률, 표면오염과 연면누설은 표면저항률이 더 관련됩니다. 실제 전기부품에서는 둘 다 필요합니다.

Q5. 습도가 높아지면 체적저항률이 낮아지나요?

흡습성 플라스틱과 이온성 첨가제가 포함된 Grade에서는 수분이 전하이동을 촉진해 저항률이 낮아질 수 있습니다.

Q6. 유리섬유 보강 Grade는 절연성이 더 좋은가요?

강성과 치수안정성에는 유리할 수 있지만 섬유 끝단, 계면공극, 배향과 수분 때문에 전기적 결과는 Grade별로 달라집니다.

Q7. 난연 Grade는 전기절연성도 우수한가요?

난연성과 전기절연성은 별도 물성입니다. 일부 난연 시스템은 수분흡수·이온성 불순물과 전기적 손실을 증가시킬 수 있습니다.

Q8. ASTM D149와 IEC 60243-1 값을 직접 비교해도 되나요?

시험전극, 전압상승방식, 주파수, 시편두께와 주변매질이 동일한 경우에만 제한적으로 비교해야 합니다. 서로 다른 조건의 수치는 직접 비교하면 안 됩니다.

결론

절연파괴강도는 플라스틱이 고전압 전계에서 최종적으로 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 한계를 나타냅니다. 단위는 일반적으로 kV/mm 또는 MV/m입니다.

체적저항률은 비교적 낮은 직류전압에서 플라스틱 내부를 흐르는 누설전류에 대한 저항성을 나타내며 단위는 Ω·m 또는 Ω·cm입니다.

IEC 60243-1:2013은 48~62 Hz 상용주파수에서 고체 절연재의 단시간 전기적 강도를 측정하고, IEC 60243-2:2013과 IEC 60243-3:2013은 각각 DC와 1.2/50 μs 충격전압 시험의 추가요구사항을 규정합니다. ASTM의 현행 상용주파수 시험은 ASTM D149-25입니다.

체적저항률의 현행 IEC 일반시험법은 IEC 62631-3-1:2023이며, 표면저항률은 IEC 62631-3-2:2015에서 다룹니다. ASTM D257-14(2021)e1은 DC 절연저항, 체적저항과 표면저항의 측정 및 저항률 계산에 사용됩니다.

최종 소재선정에서는 두 값 중 하나만 보지 말고 시험전압, 주파수, 시편두께, 전극구조, 온습도, 난연제, 수분과 성형공극을 함께 확인해야 합니다.

실제 고전압 부품은 데이터시트 물성뿐 아니라 절연거리, 연면거리, CTI, 부분방전, 완제품 내전압과 장기 고온고습시험으로 최종 검증해야 합니다.

참고문헌

IEC 60243-1:2013, Electric strength of insulating materials — Test methods — Part 1: Tests at power frequencies
48~62 Hz 상용주파수에서 고체 전기절연재의 단시간 전기적 강도 시험방법을 규정합니다.
IEC 60243-2:2013, Part 2: Additional requirements for tests using direct voltage
IEC 60243-1에 추가해 직류전압 조건의 절연파괴시험 요구사항을 규정합니다.
IEC 60243-3:2013, Part 3: Additional requirements for 1.2/50 μs impulse tests
1.2/50 μs 충격전압 조건의 절연파괴시험 추가요구사항을 규정합니다.
ASTM D149-25, Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies
상용주파수에서 고체 절연재의 파괴전압과 절연파괴강도를 측정하는 현행 ASTM 시험법입니다.
IEC 62631-3-1:2023, Dielectric and resistive properties of solid insulating materials — Part 3-1: Determination of resistive properties — Volume resistance and volume resistivity — General method
직류전압으로 고체 절연재의 체적저항과 체적저항률을 측정합니다.
IEC 62631-3-2:2015, Part 3-2: Surface resistance and surface resistivity
직류전압을 이용해 고체 절연재의 표면저항과 표면저항률을 측정합니다.
ASTM D257-14(2021)e1, Standard Test Methods for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials
DC 절연저항, 체적저항과 표면저항을 측정하고 체적·표면저항률을 계산하는 시험법입니다.

최초 작성일: 2026년 9월 11일

최종 업데이트: 2026년 9월 11일

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