3.2.1 Epoxy/μS_1+μA_1의 혼합비에 따른 전기적 절연파괴

그림. 6~그림. 7, 표 6에서는 에폭시/μS+μA 이종무기물 혼합 콤포지트의 교류절연파괴 강도 와이블플롯을 나타내었다. 와이블플롯의 형상파라미터는 측정값의 결과에 대한 기울기를 의미하는 것으로, 기울기가 크면 결과 값의 신뢰도가 높은 결과가 집중된 경우를 의미하고, 기울기가 낮으면 결과 값의 분포가 넓게 분포된 경우로 신뢰도가 낮은 경우이다. 그리고 스케일파라미터는 63.2% 교점의 결과 값으로 누적확률분포를 의미한 것이다. 또한 B10 수명의 파라미터는 누적확률분포의 최하위 10% 지점의 교점 값을 의미한 것으로, 이는 형상파라미터와 B10의 결과와는 밀접한 관계로, 기울기가 낮으면 B10 수명은 더욱더 낮은 결과를, 반대로 기울기 높으면 B10 수명의 결과는 높은 결과를 나타내게 된다. 이는 절연물의 경우 약점파괴로 이행하기 때문에 대부분 절연성능이 좋다고 하지만 결정적인 결함에 의하여 절연파괴 되는 것처럼 하위 10% 누적확률의 의미를 갖게 된 것이다.

그림. 6~그림. 7에서는 μS_1(μ Silica_1)의 입도분석에서 비표면적이 0.709m²/g, 입자의 분포는 1~35μm, 평균입자 크기는 10.72μm을 갖는 구형상의 실리카와 μA_1(μAlumina_1)는 비표면적이 1.02m²/g, 입자의 분포는 0.35~90μm, 평균입자크기는 16.95μm을 갖는 irregular shape을 갖는 마이크로 알루미나입자, 두 종류의 무기물 μSilica: μAlumina의 충진함량비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1로 혼합한 콤포지트의 교류 절연파괴강도를 측정하였다. 표 6에서 6가지 종류의 측정결과 형상파라미터 기울기가 매우 높은 결과를 나타내었다. 그리고 그림. 7에서는 스케일파라미터(63.2%)와 B10수명에 대한, 충진함량비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1의 결과를 나타내었고, 그 결과 μSilica_1 함량이 증가할 때, 역으로 μAlumina_1의 함량이 감소할 때 절연파괴 결과는 증가하였다.

성능 향상을 볼 때, 원형 ER을 기준으로 충진함량비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1의 경우 7.01, 7.19, 9.21, 19.23, 20.42%의 절연성능의 향상을 기져왔다. μS_1의 충진함량이 증가할수록 이종무기물 혼합 콤포지트의 교류절연파괴 강도의 향상을 가져왔다. 그리고 μS의 과량충진시(9:1)과 μA의 과량 충진시(1:9)의 경우, 절연성능을 비교하며 볼 때, μS의 과량 충진시 12.53% 절연파괴 성능이 향상된 결과를 나타내었다.

이유는 μS의 표면은 OH기가 존재하고, ER의 경우 OH기가 존재 함으로 수소결합(공유결합)과 같은 강한 계면의 결합력을 갖고 있다. 반대로 μA은 표면에 OH기를 갖고 있지 못하다. 그런 이유로 에폭시수지와 μA사이 계면이 약한 결합력을 갖게 된다. 이와 같은 이종의 무기물이 혼합될 때, μS의 비중은 작고 반대로 μA의 비중은 상대적으로 크기 때문에 입자의 수가 많은 차이를 가져온다. 비표면적이 μ입자들이 작지만 상대적으로 μS의 입자수가 많기 때문에 계면이 클 수가 있다. 그리고 입자의 입도분석의 경우 평균입자의 크기가 μS의 경우 작고 많은 양의 입자들이 충진되게 된다. 또한 수지와 μS무기물과의 계면의 결합력이 양호하다. 그러나 μA의 경우 계면의 결함이 불량하여 절연파괴시 전자의 이동경로로 작용할 수가 있다. 상대적으로 μS가 많으면 계면이 강하여 계면을 타고 전자의 이동을 억제하게 된다. 그런 이유로 μS의 충진함량비가 높을 때 절연파괴 강도가 높아지는 것으로 사료된다. 또한 나노와 마이크로가 혼합될 때, 절연파괴 강도가 향상되는 경우는 조직의 치밀함과 나노입자의 비표면적이 매우커셔 계면의 결합력이 양호한 결과와 유사한 경향으로 사료된다^(8,10,11).

3.2.2 Epoxy/μS_2+μA_1의 혼합비에 따른 전기적 절연파괴

그림. 8, 표 7에서는 μSilica_2 비표면적이 0.87m²/g, 입자분포는 1~70μm, 평균입자크기 11.53μm을 갖는 irregular shape을 갖는 μSilica_2와 μA_1(μAlumina_1)는 비표면적이 1.02m²/g, 입자의 분포는 0.35~90μm, 평균입자크기는 16.95μm을 갖는 irregular shape을 갖는 마이크로 알루미나입자이다. 두 종류의 이종 무기물을 혼합한 콤포지트, 교류 절연파괴강도 측정결과를 나타내었다.

μSilica_2와 μAlumina_1의 혼합 충진함량비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1에 대한 μSilica 충진 함량비가 증가할수록 절연파괴강도는 증가하였다. 이종무기물의 충진 함량비에 따른 성능향상은, 원형 ER을 기준으로 할 때, 6.4, 10.5, 9.3, 20.85, 21.88%의 절연파괴강도 성능이 향상되었다.

이유는 μSilica의 비중과 μAlumina 비중관계를 볼 때, 같은 중량비에서는 μS입자의 충진입자 수가 상대적으로 많아 입자간 거리를 감소시킬 수 있다. 입자간 거리가 감소하면 입자간 상호 작용하는 힘이 강하게 된다. 더불어 μSilica는 나노에 비하여 높은 비표면적을 갖고 있지 못하다. 그러나 에폭시 수지와 수소결합을 하는 단일층 구조로 μS 표면의 OH기와 에폭시 내 존재하는 OH기의 결합인 화학적인 수소결합(공유결합)층이 단단하게 결합되어질 수가 있다. 이와같이 μS 입자가 많으면 많을수록 전체적인 결합의 분포가 넓게 이루어질 수 있다.그 결과 전자의 이동을 억제하는 역할로 작용하게 된다.

그러나 그 사이에 μAlumina가 존재할 때 그들의 경우는 물리적인 결합으로 극히 미약한 상태로 존재하기 때문에 μAlumina가 과량으로 혼입될 때면, 이물질이 혼입된 것과 같은 계면의 약화로 작용할 수 있다고 사료된다. 그 결과 μS+μA 혼합 콤포지트에서 μA의 계면으로 전자의 이동통로서 역할을 할 수 있다. 그런 이유로 μA의 과량 충진시(1:9)와 μS과량충진시 (9:1)의 경우 절연파괴강도의 차이는 14.5% μS의 충진함량이 과량충진 될 때 크게 향상된 결과를 얻게 되었다.

3.2.3 Epoxy/μS_1+μA_2의 혼합비에 따른 전기적 절연파괴

그림. 10~그림. 11, 표 8에서는 μS_1 (μ Silica_2)의 입도분석에서 비표면적이 0.709m²/g, 입자의 분포는 1~35μm, 평균입자 크기는 10.72μm을 갖는 구형상의 실리카와 μA_2(μAlumina_2)는 비표면적이 1.1m²/g, 입자의 분포는 0.35~90, 평균입자크기는13.49μm을 갖는 irregular shape을 갖는 마이크로 알루미나입자이다. 두 종류의 이종무기물을 혼합한 콤포지트, 교류 절연파괴강도 측정결과를 나타내었다.

μSilica_1와 μAlumina_2의 혼합 충진함량비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1에 대한 μSilica_1 충진 함량비가 증가할수록 절연파괴강도는 증가하였다. 이종무기물의 충진 함량비에 따른 성능향상은, 원형 ER을 기준으로 할 때, 9.03, 12.20, 15.01, 16.49, 19.19%의 절연파괴강도 성능이 향상되었다.

μA의 과량 충진(1:9)과 μS의 과량 충진(9:1) 경우를 비교하여 볼 때, μS가 과량 충진된 경우 μA과량 충진된 경우 비하여 9.31% 성능이 우수함을 알 수 있었다.

일반적으로, ER에 마이크로 필러를 주입하면 절연파괴전압이 낮아진다. 그러나 마이크로 충진제의 증가에 따라 합성물의 절연파괴 전압은 고전적 관점과 반대되는 즉, 더욱더 높은 절연파괴 특성을 얻게 된 것이다⁽⁸⁾. 나노필러의 비표면적은 매우 크기 때문에, 더욱더 큰 입자크기를 갖는 경우와 비교하여 전기적 결함을 제거할 수 있는 강력한 결합력이 형성될 수 있다. 또한 나노필러는 파괴전압을 향상시키고 그리고 개시전하의 이동을 억제시키는 단단한 구조를 형성한 고분자체인과 거대분자사이 강한 결합을 형성할 수 있다. 그렇지만, 마이크로 필러의 충진은 비교적 ER와 함께 손실의 결함을 형성할 수 있다. 반면에 마이크로필러와 ER사이 손실결합은 쉽게 개시전하를 통과시키고 그리고 개시전하를 이동시키는 것을 마이크로 필러 도입으로 결함을 보상할 수 없다. 오히려 많은 전하가 만들어지고 그리고 절연파괴 강도를 낮게 한다⁽⁸⁾.

반면에 마이크로필러 자체에 의해 도입된 결함은 많은 개시전하를 도입하는 것과 같다. 더욱이 마이크로 필러와 ER사이 계면은 마이크로필러와 ER사이 전기적 결함조건을 열화 시키는 전계강도를 더욱더 높게 하고 그리고 기본적인 ER지의 절연파괴강도를 낮게 하는 개시전하를 더욱더 많이 생산하는 확률을 높이게 된다. 마이크로 필러의 충진함량이 높으면 높을수록 마이크로필러와 ER사이 관계를 강하게 할 수 있고 그리고 절연파괴강도의 향상의 결과와 절연파괴 강도를 낮게 하는 결함을 제거 할 수 있다 사료된다.

3.2.4 Epoxy/μS_2:μA_2의 혼합비에 따른 전기적 절연파괴

그림. 12~13, 표 9에서는 μSilica_2 비표면적이 0.87m²/g, 입자분포는 1~70μm, 평균입자크기 11.53μm을 갖는 irregular shape을 갖는 μSilica_2와 μA_2( μAlumina_2)는 비표면적이 1.1 m²/g, 입자의 분포는 0.35~90, 평균입자크기는 13.49μm을 갖는 irregular shape을 갖는 마이크로 알루미나입자이다. 두 종류의 이종무기물을 혼합한 콤포지트, 교류 절연파괴강도 측정결과를 나타내었다.

그림. 13

μSilica_2와 μAlumina_2의 혼합 충진함량비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1에 대한 μSilica_2 충진 함량비가 증가할수록 절연파괴강도는 증가하였다. 이종무기물의 충진 함량비에 따른 성능향상은, 원형 ER을 기준으로 할 때, -1.32, 6.56, 9.55, 16.11, 20.47%의 절연파괴강도 성능이 향상되었다. 결과를 토대로 볼 때, μA충진 함량비가 가장 큰 1:9의 경우 원형 ER수지에 비하여 오히려 감소되는 결과를 나타내었다. 그러나 μS_2의 충진함량비가 최대로 충진된 1:9의 경우와 비교 하면 22.09% μS_2 과량 충진시 절연파괴 강도가 크게 향상되었다.

나노알루미나와 마이크로알루미나가 혼합된 절연시스템 구조에서, 절연파괴 강도가 증가하게 된다. 이유는 인가된 가속전계에 의하여 전자들로부터 에너지를 포획하고 그리고 분산시키는 역할을 하기 때문에 나노알루미나의 첨가에 기인하여 절연파괴 강도의 향상을 가져온다⁽¹²⁾. 그러므로, 나노입자의 충진함량이 높으면 높을수록 전자사태의 파괴 지연을 가져오게 된다⁽¹³⁾. 그러나 μA_2의 충진함량이 과량인 상태 (1:9)의 경우 입자의 평균크기는 13.49μm로서 계면의 상태에 따라 절연파괴강도는 크게 다르게 된다. 과량의 μA_2 입자 충진으로, ER/μA_2 콤포지트 계면과의 결합력이 매우 약한 상태이다. 그런 이유에서 상대적으로 μS_2의 충진함량은 적고 과량 μA_2 충진으로 결함을 갖는 무기물을 혼합하는 경우와 같다. 그 결과 μA_2의 입자와 수지사이 계면결합이 약하기 때문에 가속된 전계 하에서 전자의 에너지를 억제할 수 있는 경우가 없기 때문에 가장 쉽게 전자가 이동할 수 있는 통로인 계면으로 이동하여 절연파괴가 발생되는 것으로 사료된다. 그런 이유로 절연파괴강도가 낮게 되는 이유로 사료된다. 그러나 μS_2가 고함량 충진될 때, 이와는 크게 다른 결과를 나타낸 것이다. 즉, μS_2의 충진함량이 과량 충진된 (9:1)인 콤포지트 경우 22.09%의 절연파괴 강도가 향상되었다. 이유는 μA-2의 충진함량비가 낮기 때문에 결함은 상대적으로 낮은 상태이며, μS_2의 과량의 충진으로 계면이 강화된 분포가 매우 넓게 분포하여 가속된 전계 하에서 가속된 전자의 억제를 μS_2가 역할을 하게 되어 절연파괴 강도가 향상된 것으로 사료된다.