2.1 시편 제조

엔지니어링 플라스틱은 열 가소성 수지 중에서 전기/기계적 강도가 우수한 편이지만 기존 전력기기에 적용되는 에폭시에 비하여 절연/내충격/내열 성능이 상대적으로 떨어지는 특성을 보유하고 있다. 일반적으로 열가소성 플라스틱의 기계적 강도 개선을 위하여 유리섬유를 혼합하는 방법을 사용하고 있다. 하지만 전력기기 적용을 위해서는 기계적 강도 뿐만 아니라 우수한 절연내력, 내아크성 및 내화학성 등의 성능이 요구되므로, 유리섬유 함량에 따른 다양한 물성 및 성능 변화에 대한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 열 경화성 절연물을 대체하기 위한 후보군으로 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 불포화폴리에스터(UP)를 선정하였다. PA와 UP는 저압차단기와 배전반 일부에 사용되고 있어, 고압기기에의 적용 범위 확대를 위한 검토가 필요하여 선정하였다. PC는 충격 강도특성이 상대적으로 우수하여 기계적 특성이 요구되는 부분에 활용될 수 있다. 선정한 모재들은 Table 1 ∼ Table 3과 같이 유리섬유 함량에 따른 폴리아미드(PA) 4종, 폴리카보네이트(PC) 3종, 불포화 폴리에스터(UP) 2종으로 시료를 제작하였다.

PA는 2종의 주재료와 2가지 함량의 유리섬유로 구성하였으며, PC는 동일한 주재료에 유리섬유 함량만 다르게 하였다. UP의 경우 제조방법에 따라 SMC(Sheet moulding compound)와 BMC(Bulk moulding compound) 두 가지로 구별될 수 있는데 이러한 제조 공정의 차이에 따라 유리섬유의 파단 정도가 달라져 물성에 차이를 보일 수 있다.

시료는 사출성형 방법을 사용하였고, 요구되는 시험 항목(AC 절연파괴, 인장강도, 유리전이온도)에 따라 관련 표준을 참고하여 시료를 제작하였다. Fig. 1은 AC 절연 파괴 시험을 위한 시편으로 두께 1mm, 직경 100mm으로 성형하였다^[4].

Fig. 1. Shape of the specimen for the breakdown test

2.2 AC 절연파괴 시험

AC 전압에서 전기 파괴 강도 테스트는 IEC 60243-1 Electrical Strength of Insulating Materials – Test methods Methods – Part 1: Tests at Power Frequencies의 단시간 절연파괴 방법으로 수행되었다^[5]. 표준에서 안내하는 시험 조건 중 시험 결과에 가장 많은 영향을 미치는 요인은 승압속도와 파괴 기준이다. 파괴 기준은 절연 파괴가 발생했는데 장비가 trip되지 않거나 파괴가 발생하지 않았는데 누설전류에 의하여 trip되는 현상을 방지하기 위하여 시험자가 시험 조건에 따라 경험적으로 설정해야하는 값이다. 본 연구에서는 사전 시험을 통하여 절연파괴 trip 전류 1mA, 승압속도 1kV/s로 선정하였다.

Fig. 2는 AC 절연 파괴강도 측정 시스템의 개략도이다. 220V 전원을 100kV까지 승압할 수 있는 변압기를 사용하였고, 시료는 직경 10mm의 구형 전극으로 구성하였으며 시료와 전극은 실리콘 오일에 함침하여 연면 섬락을 방지하였다. 또한 전력기기의 다양한 온도에서의 절연파괴 특성을 고려하기 위하여 실리콘유의 온도를 항온 순환 장치를 이용하여 30℃, 70℃, 115℃ 로 맞추어 주었다. 이때 설정한 온도는 차단기 무부하 상태의 실온(30℃), 차단기 최대 허용온도(115℃)를 고려하였다. 시험은 동일한 조건에서 10회 이상의 시험을 수행하였으며, Weibull 분포의 척도 모수를 절연파괴 강도의 대표값으로 사용하였다.

Fig. 2. AC breakdown experimental setup

2.3 열, 기계적 물성 측정

유리전이온도는 Fig. 3의 시차주사열량계(2910, TA Instruments社)를 이용하여 측정하였다. 시차주사열량법(DSC, Differential Scanning Calorimetry)은 시료와 기준 물질을 동일한 온도로 가열하기 위하여 시료 단위 질량당 소요되는 전력(W/g)을 측정하는 방법이다. 시편의 열 스캔은 25℃ ∼ 250℃의 온도 범위에서 5℃/min의 속도로 승온하며 측정하였다^[6].

인장 강도 시험은 시편의 Young’s modulus를 얻기 위하여 수행하였으며, Fig. 4는 인장강도 측정용 시편과 측정 사진을 보여준다.

Fig. 3. Differential scanning calorimeter

Fig. 4. Tensile strength test specimens and tester

3.1 AC 절연파괴 시험 결과

Fig. 5는 AC 절연파괴 시험에 의한 9개 시편의 절연 강도를 보여준다. PC 시편을 제외하고는 온도가 증가함에 따라 AC 파괴강도가 감소함을 확인하였다. 온도에 따라 절연파괴 전압이 감소하는 특성은 고체 절연체의 열적 또는 기계적 파괴 메커니즘에 의한 것으로 판단된다^[7]. 각 재료의 절연파괴강도는 30℃∼115℃에서 PC > BMC ≈ SMC > PA6 > PA66 순으로 확인하였다. PC의 경우 유리 섬유의 함량이 증가함에 따라 실온에서의 절연 내력이 증가하는 특성을 보였지만, PA의 경우 유리섬유 함량이 증가함에 따라 절연파괴강도가 감소하는 특성을 보였다. 또한 PC, SMC, BMC는 온도에 따른 절연파괴강도의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 유리섬유 함유량에 따라 절연파괴 특성이 다른 이유는 재료의 결정 구조와 관련이 있을 것으로 사료된다. 비정질인 유리는 비정질 PC 수지에서 강한 결합력을 보이지만 결정질인 PA와 UP와는 결합력이 상대적으로 약하여 PA, UP의 경우 온도에 따른 절연성능의 차이가 크게 발생할 수 있다는 열구 결과가 있다^[8].

본 연구에서 고려한 재료와 기존 재료간의 절연파괴성능에 대한 비교를 위하여 기존 배전반에서 사용되는 에폭시(Huntsman社) 재료의 절연파괴값도 함께 제시하였다^[9]. PC와 PA6G15의 AC절연파괴 성능이 에폭시와 유사하거나 상회하는 특성을 확인할 수 있었다.

Fig. 6은 Weibull 분포의 형상모수(β, Shape Parameter)를 보여준다. Weibull 분포 확률지에서 β값은 기울기를 나타내며, 크기가 클수록 시험 결과의 편차가 작음을 의미한다. 평가된 형상모수를 살펴보면, PC계열이 다른 재료보다 큰 값을 보였다. 이러한 특성은 PA 복합물 구성 성분의 종류가 가장 적어 재료 내부의 균질도가 높고 결함이 적기 때문인 것으로 사료된다. 또한 온도가 증가함에 따라 β의 전체적인 경향이 감소하는 특성이 보였는데, 이것은 열에 의해 시료 내부의 부분적인 변형이 발생하여 균질도가 낮아지기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 5. AC breakdown strength – temperature characteristics

Fig. 6. Shape parameter of weibull distribution according to temperature

3.2 AC 절연파괴 강도의 온도 의존성

온도 증가에 따른 절연파괴강도의 온도 의존성에 대한 정량적 분석을 위하여 식 (1)을 이용하여 온도 의존 계수(-TDC, Temperature Dependance Coefficient)를 계산하였다. 식 (1)에서 ΔT는 온도차, EBO는 초기온도에서의 절연내력, EB는 초기온도에서 +ΔT 한 온도에서의 절연내력를 의미한다. -TDC는 온도가 증가함에 따라 절연내력이 얼만큼 감소하는지를 수치적으로 표현하는 지표이며, 그 값이 작을수록 절연재료로의 성능이 우수하다고 할 수 있다.

Fig. 7은 식 (1)에 의하여 계산된 –TDC 값을 보여준다. PA 계열의 시료군의 전체적인 온도 의존도가 높게 평가되었으며, 특히 70℃ ∼ 115℃ 구간에서의 의존도가 가장 높게 평가되어 –TDC 특성이 온도가 높아짐에 따라 증가하다가 감소하는 양상을 보였다. 이러한 특성은 Table 4에서 PA는 다른 시료군에 비하여 가장 낮은 유리전이온도 특성을 보인 것과 연관성이 있을 것으로 사료된다. 또한 PA의 유리전이온도는 60℃ ∼ 79℃ 범위에서 측정되었는데 재료의 상이 변하는 유리전이온도 부근에서 –TDC 값이 높게 측정된 것으로 사료된다. PA66G15의 경우 유리전이온도(75℃)보다 낮은 온도 구간 (30℃ ∼ 70℃)에서 –TDC값이 최대로 측정되었다. 이것은 본 연구의 항온 유조장치 내부의 온도 편차가 5℃ 정도 되기 때문에 온도 경계에서의 오차가 발생한 것으로 판단된다. 이러한 결과로부터 PA는 온도에 덜 민감한 옥외용 기기에 적합할 것으로 생각된다. 만약 PA의 제조 수율 및 우수한 내화학성의 이유로 옥내용에 적용해야 한다면 발열량이 적은 부품에 적용하거나 -TDC를 고려한 보다 섬세한 절연 설계가 필요할 것으로 판단된다.

SMC, BMC, PC의 경우 -TDC가 낮게 평가 되어 상대적으로 발열이 많이 발생하는 부품에 적용이 가능할 것으로 예상된다. 특히 PC 시료군의 경우 30℃ ∼115℃ 범위에서 온도 의존성이 1 이하로 매우 낮아 열가소성 플라스틱임에도 불구하고 열경화성 재료에 준하는 성능을 보여주었으며, 기존 에폭시 절연 시스템을 대체할 유력한 재료로 평가되었다.

Fig. 7. -TDC of AC breakdown strength

3.3 열, 기계적 물성 측정 결과

유리전이온도(Tg, Glass Transition Temperature)는 물질이 딱딱한 유리 상태에서 유연한 고무상태로 변하는 온도를 말하며, Tg에서 재료의 많은 물성이 변하는 특성이 있다^[10]. 특히, 이 온도에서 절연파괴 강도와 열팽창계수의 변화는 차단기 절연 설계에서 중요한 요인으로 세심한 고려가 필요하다.

Fig. 8은 유리전이온도의 측정 예시로 본 논문의 PCG0 시편에 대한 측정 결과를 보여준다. 온도 증가에 따른 소요 열량을 측정하여 급격하게 변하는 부분을 Tg 값으로 추정하는데, 초기 Heat Flow가 급격하게 감소하는 부분은 측정기의 급격한 열출력에 의한 변위전류 성분이 측정된 것으로 Tg값 추정에서 제외하였다.

Table 4는 시편별 유리전이온도 측정결과이다. PC 계열은 약 140℃ ∼ 150℃, PA 계열은 60℃∼78℃, SMC, BMC는 110℃ ∼ 120℃ 범위에서 측정되었다. 본 연구의 측정 범위에서 유리섬유의 함량과 유리전이온도 사이에 유의미한 관계는 관측할 수 없었다. 이것은 복합물의 다양한 재료 중에 유리섬유보다는 유리전이 온도가 낮은 고분자 첨가물들이 초기 Tg에 지배적으로 작용했기 때문으로 사료된다. 기저 재질에 따른 측정값을 살펴보면, 3.2절에서 절연파괴강도 온도 의존성이 낮게 측정된 SMC, BMC, PC 시편의 Tg가 높게 측정되었다. 그리고 PA의 경우 -TDC 값이 가장 큰 온도 범위에서 Tg가 측정되였다. 이러한 측정 결과는 본 논문에서 대상으로 하는 시편의 교류 절연파괴특성 시험 결과가 열파괴 메커니즘을 따르고 있음을 시사한다. 전술한 열파괴 메커니즘과 기존의 에폭시 물성을 고려해 보면, PC, SMC, BMC는 에폭시 보다 우수한 유리전이온도 및 AC 절연특성을 보유한 것으로 추론할 수 있다.

Tg 이상에서 고체 절연체의 절연 파괴 강도가 낮아지는 특성은 열파괴 특성 이외에도 전기 기계적 파괴 메커니즘과의 연관성이 있다고 알려져 있다^[7]. 전기-기계적 고장은 방정식 (2)의 관계를 갖는다^[7].

위 식에서 EB는 절연파괴 강도, Y는 영률, ε0는 진공에서의 유전율, εr는 비유전율을 의미한다.

Fig. 9는 인장강도 측정 예시로, PC 시편의 측정 결과이다. 측정 그래프에서 탄성 특성 구간의 기울기로부터 영률을 계산할 수 있다. Fig. 10은 각 시편별로 절연파괴강도와 Young’s modulus의 측정결과이며, 아래와 같은 특성을 보였다.

1) PC, PA66, SMC, BMC의 경우 동일한 주재료 내에서 유리섬유 함량에 따른 Young’s modulus와 절연파괴 특성이 비례관계를 보이고 있다.

2) PA6 재질의 경우 절연파괴 강도와 Young’s modulus가 반비례하는 특성을 보였다. 이것은 PA 복합물에 첨가된 유리섬유의 형상이 가는 실사 형태이기 때문에 사출 방향에 따라 유리섬유 배열이 달라지고 이에 따른 재료의 기계적 강도에 이방성이 부여되는데 인장강도 시편을 제작할 때 이러한 이방성을 고려하지 않아 발생한 오류로 사료된다.

3) Young’s modulus는 재료의 강성을 나타내는 지표로 절연파괴기구의 전기-기계적 파괴와 관련되어 있다. 하지만 Fig. 10에서 볼 수 있듯이 모든 시편에서 Young’s modulus와 절연강도의 비례 특성을 확인할 수 없었다. 절연파괴는 재료의 기계적 강성 외에도 전기, 화학, 열적 특성 등 여러 요인에 의하여 성능이 좌우되므로 재료 강성이라는 한 개의 모수로 절연파괴를 예측하는데에는 무리가 있어 보인다.

본 절의 결과로부터 동일 모재료내에서 유리섬유가 복합물의 강성과 절연파괴에 어느정도 기여한다는 사실을 확인하였고 제작 공정에 유의해야한다는 사실을 확인할 수 있었다.

Fig. 8. An example of Tg measurement (PCG0)

Fig. 9. An example of tensile strength measurement (PC)

Fig. 10. AC breakdown strength – young’s moduls characteristics of specimens

3.4 연구결과 제품 적용 검토

엔지니어링 플라스틱의 배전반 적용을 위해서는 전기, 기계, 열 성능 뿐만 아니라 내화학성, 내후성 등 다양한 성능을 검토해야 한다. 더 세부적으로는 절연물이 사용되는 위지에 따라 뇌충격, 부분방전, 내아크, 내트래킹, 융점, 열팽창 계수, 내충격, 내마모 등의 요소들을 고려해야 한다. 본 연구에서는 AC절연성능, 인장강도, 유리전이온도를 측정하여 일부 성능만을 평가하였다. 하지만, 엔지니어링 플라스틱과 관련된 선행 연구 결과를 참고하면 한정된 조건으로 배전반 일부에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.

PA는 PC에 비하여 절연과 열적 성능이 낮게 평가되었지만 옥외 및 저압용 기기에 적용이되고 있다. 이러한 이유는 내화학성에 관한 요인 때문이다. PC의 경우 충격강도가 우수하지만, 아세톤 등 유기용매에 취약하여 심한 경우 크랙이 발생할 수 있어 전력기기 적용에 제한이 있다. 하지만 본 연구 결과로부터 PC는 AC절연파괴 특성이 우수하고, 유리전이온도가 높아 온도에 따른 절연성능 저하가 적은 특성이 확인되었다. 이러한 데이터는 배전반 설계에 있어서 매우 중요한 정보로 활용될 수 있다. 높은 절연 내력이 필요하면서 유기용매의 접촉이 차단된 구조에는 PC가 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 또한, PA의 경우 우수한 내후성, 내화학성으로 인하여 일부 전력기기에 적용이 되고 있지만, 다른 엔지니어링 플라스틱에 비하여 절연성능과 열적 특성이 열악하여 고전계, 고열 발생 부위에 설계시 주의가 필요하다. 특히, 기존에는 PA의 절연성능에 대한 정량적 데이터가 없어서 고전계 부위에는 사용할 수 있는 근거가 없었지만, 본 연구에서 확보한 데이터는 절연 안전율을 계산하는데 활용하여 최적 설계에 활용 가능할 것으로 사료된다.