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  1. (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kiee University, Korea)



GIS spacer, Epoxy-Nano alumina composites, Epoxy-Nano-Micro alumina composites, Nano alumina surface modification, Dielectric properties

1. 서론

에폭시 기반 복합 재료는 고전압전력기기의 절연소재로 널리사용하고 있습니다. 가장 많이 이용하는 복합 절연체로서 에폭시 메트릭스 내에 마이크로 실리카와 알루미나를 과량 충진시켜 제조된 열경화성 복합체를 전력기기 응용에 따른 전기적, 열적, 기계적 특성을 맞추고 그리고 비용 절감을 위해 개발되었고 상품화 되었다.

과량의 무기물의 충진은 전기적 절연특성인 절연파괴 강도를 저하시키고 그리고 유전율을 증가 시킵니다[1]. 그런 이유로, 지난 10여년 동안 나노기술이 절연소재의 접목에 대한 관심과 연구가 진행되었고 그 결과도 절연파괴강도[2], 기계적 특성, 열적특성, 부분방전 저항성[3], 전기적트리[4] 그리고 관련된 유전특성[5-8] 등 다수 연구자들이 에폭시/나노콤포지트 특성향상의 결과를 발표하였다.

나노콤포지트의 상용화를 위해서는 아직도 많은 연구가 필요하며, 일부의 특성 향상을 가져오지만 산업체에서는 직접적인 적용을 기피하고 있다. 그렇지만 그 대안으로 최근 연구의 경향이 나노자체보다는 나노와 마이크로가 혼합된 콤포지트의 개발을 지향하고 있으며 또한 그와 관련된 많은 연구가 발표되었다[1,7,8,10]. 이유는 전기적 특성향상과 기계적특성 그리고 열적인 수축과 팽창의 결과로 크렉과 같은 발생이 발생되지 않아야하기 때문이다. 그 결과 나노/마이크로 혼합 콤포지트 관련 결과 우수한 절연소재임을 증명하고 있다.

또한 나노기술의 문제로서 균질분산과 나노입자의 응집을 피하는 분산 그리고 박리와 같은 결과를 얻기 위해서는 SiO2[9,12], AL2O3[3], MMT[6,11], TiO2, MgO 등 다양한 나노입자의 분산을 위한 방법 및 표면개질[9,13]에 대한 연구가 진행되어졌다.

최근에는 SF6절연가스를 금지하는 범세계적인 규제에 의하여 친환경 절연가스 및 그 환경에 적절한 절연소재의 개발이 진행되고 있고 또한 관련된 논의가 각각의 산업체에서 현안 문제로 인식을 하고 있는 실정이다.

본 연구에서는 향후 SF6 절연가스가 배제된 친환경 절연가스에 적용할 수 있는 GIS 변전기기용 절연소재 개발을 위하여, 에폭시기반 나노알루미나의 충진 함량에 대한 콤포지트와 나노와 마이크로알루미나가 혼합된 콤포지트 그리고 나노알루미나 입자를 표면처리 하여 충진된 나노알루미나 콤포지트 등 여러 방향으로 샘플을 제조하였다.

교류전계하에서 이와 같은 여러 가지 종류에 대한 유전특성을 평가하기 위하여 주파수 의존성을 중심으로 유전율, 유전손실 그리고 전기전도의 특성을 연구하였다.

2. Experiment

2.1 재료

본 연구에 이용한 나노 알루미나 입자는 Aluminium Oxide Power로서 국내 Sukgyung AT Co., Ltd.산으로 SG-ALO30의 제품을 이용하였다. 상업적인 DGEBA(diglycidyl ether of bisphenol A)타입 에폭시는 상품명 Araldite CT-200을 사용하였다. 점도는 120℃에서 390~520mPs이며, 밀도는 25℃에서 1.15g/cm3 에폭시 함량(equip./kg)은 2.55~2.7이다. 경화제(hardener)는 제품명으로 HT 903으로서 실내 온도에서는 고체상체의 냄새가 나지 않는 carboxylic acid anhydride 기반 경화제이다. 융점 범위(melting range)는 128~132℃이며, 밀도는 130℃에서 1.22~1.25g/cm3이다. 산의 함량은 ≤3(%), 휘발성 함량은 0~0.2%로 외관상 백색의 파우더 형태를 갖는다. 경화제로서 사용된 carboxylic acid type (anhydride)는 중전기기 절연소재인 GIS spacer의 절연소재로서 광범위하게 사용되고 있으며, 감마상 나노 알루미나의 표면개질을 위해 비실란계(glycerol diglycidyl ether, GDE)를 사용하였다.

2.2 에폭시/나노/마이크로 혼합 콤포지트 제조

GIS Spacer 절연소재 개발을 위해 그림. 1에서 나타낸 과정을 통하여 나노알루미나의 표면처리를 실시하였다. 그리고 EP/NAC, EP/NA_1 phr+GDE_2g 첨가된 콤포지트, EP/MA_40wt%/ NA_1phr 혼합 콤포지트 그리고 EP/40, 50, 60, 70wt% 콤포지트 전체 9종류의 샘플을 제조하였고 그리고 향후 SF6을 사용하지 않은 친환경 절연가스 하에서 사용가능할 절연소재 개발을 위하여 샘플 제조하여 연구하였다.

그림. 1. 나노알루미나의 표면개질 과정

Fig. 1. Surface modification process of nano-alumina

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.3.439/fig1.png

그림. 1에서 나노알루미나 표면개질을 실시하였고, 표면 개질된 나노알루미나를 EP에 넣고 초음파와 기계식교반기를 동시에 교반하여 분산시킨 후, MA를 중량비에 따라 충진하였다. 교반은 기계식교반기를 이용하여 600 rpm/5hr 진공상태 하에서 실시하였다. 120℃하에서 경화제를 넣고 예열된 금형에 주입하여 진공탈포 과정을 걸쳐, 140℃×16hr 경화조건으로 경화를 실시하였다. 경화 후 서냉하여 샘플을 꺼내어 진공데시케이터에 보관하여 샘플로 사용하였다.

표 1. 제조된 샘플종류 및 약어정리

Table 1. Type of sample produced and Acronym

번호

Types of Composites

Abbreviation

1

Epoxy Resin

ER

2

Micro Alumina

MA

3

Nano Alumina

NA

4

Nano Alumina Composites

NAC

5

Micro Alumina Composites

MAC

6

Epoxy/Nano Alumina_1phr, 3phr Composites

ENAC

7

Epoxy/Nano Alumina_1phr + GDE_2g Addition Composites

ENAC_GDE

8

Epoxy/Nano_1phr/Micro Alumina_40wt% Composites

ENMAC

9

Epoxy/Micro Alumina_40wt% Composites

EMAC

표 1

2.3 유전 특성 측정

비유전율 측정은 주파수 범위 3μHz~3MHz인 Universal Dielectric Spectrometer로서 제조사는 Novocontrol GmbH이며, BDS 1200 모델을 사용하였다. 측정을 위해 사용된 샘플은 두께 1mm, 실제 지름 30mmφ(평판형 크기로서 50mm×50mm)을 사용하였다. 실버페이스트를 도포하여 80℃×8h 건조 후 측정에 사용하였다. 우리의 BDS시스템은 온도제어 장치가 없는 impedance spectroscopy와 conductivity 그리고 유전에 대한 일괄 공급된 시스템을 본 연구에서 사용하였다.

3. 결과 및 검토고찰

3.1 구조적 특성

3.1.1 나노-마이크로 필러 입자의 구조 분석

그림. 2에서는 MA와 NA의 결정 구조 분석을 위해 측정한 X-Ray Diffraction(X-RD) 패턴을 나타낸 것이다. 알루미나의 주요 피크를 보면 MA는 알파상으로 존재하고, NA는 감마상으로 존재하는 것으로 나타났음. 또한 MA의 피크가 발달했기 때문에 NA보다 결정성이 더 좋은 것으로 보인다. 알루미나의 가장 안정한 결정상은 강옥(鋼玉 corundum)으로 불리는 조밀 육방정 (稠密六方晶: close-packed hexagonal crystal, HCP) 구조의 알파 알루미나로 약 1000℃~1100℃ 이상에서 생성되는 것으로 알려져 있어, MA가 NA보다 안정한 상인 것을 확인하였다.

그림. 2. MA와 NA의 X-RD 패턴

Fig. 2. X-RD pattern for MA and NA

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.3.439/fig2.png

3.1.2 MA와 NA 입자의 형태 및 평균입자 크기분석

FE-SEM과 Transmission Electron Microscopy (TEM)을 이용하여 MA와 NA 입자들의 형태와 평균 입자 크기를 분석하였다. 그림. 3(a)를 보면 MA의 평균 입자 크기는 2㎛이고 입자 모양이 균일하지 않은( irregularly shaped particle) 것을 확인할 수 있다. NA의 경우 그림. 3(b)에서 평균 입자 크기는 20㎚이고 구형에 가까운 (spherically shaped particle) 균일한 입자 모양을 확인하였다.

그림. 3. MA와 NA의 (FE-SEM 및 TEM) 영상

Fig. 3. Image for MA and NA

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.3.439/fig3.png

3.1.3 ER/NAC의 TEM 영상으로 분산

ER에서 NA 입자의 분산 정도를 TEM 영상을 통하여 조사하였다. TEM으로부터 본 응집현상은 완전하게 피할 수는 없다. 이유는 주요한 나노입자들 사이의 물리적, 화학적 힘이 혼합 과정 동안 적용된 높은 전단력보다 더욱 더 크기 때문에 완전하게 응집현상을 피할 수는 없었다. 응집된 정도의 크기는 100~200 nm이며, 전반적인 입자의 균질성은 이루어 졌다. 그림. 4(a) NA 충진함량_1 phr 그림. 4(b) NA 충진함량_3 phr로 에폭시 내부에 NA입자의 분산된 구조를 나타내었다[7].

그림. 4. EP/NAC의 TEM 영상 및 분산

Fig. 4. TEM image and dispersion of EP/NAC

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.3.439/fig4.png

3.2 ER, ENAC, ENMAC, ENA+GDE 콤포지트의 유전특성

3.2.1 ER/NAC 충진함량에 따른 유전특성

그림. 5, 표 2에서는 ER, ENAC_1phr, ENAC_3phr의 샘플을 제조하였고, 상온상태에서 주파수 0.01~1MHz 범위에서 유전특성을 측정하였다. 측정된 유전특성은 표 2(a) 유전율($\epsilon_{r}^{\prime}$), 표 2(b) 유전손실($\epsilon_{r}^{\prime \prime}$) 그리고 표 2(c) 전도도($\sigma $)의 결과를 나타내었다. $\epsilon_{r}^{\prime}$, $\epsilon_{r}^{\prime \prime}$은 주파수 감소에 따라, 유전율은 증가하였다. 상용주파수(60Hz)에서 유전율을 살펴볼 때 ER의 경우 4.18, ENAC_1phr의 경우 4.35 그리고 ENAC_3phr에서는 4.48의 결과를 얻게 되었다. 유전율 값의 크기 순서로 볼 때 ER < ENAC_1phr < ENAC_3phr의 결과를 나타내고 있다.

그림. 5. ER/NAC의 충진함량에 따른 유전특성

Fig. 5. Dielectric properties of ER/NAC depending on filler content

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.3.439/fig5.png

표 2. ER/NAC의 충진함량에 따른 유전특성 표

Table 2. Dielectric characteristics of ER/NAC according to filling contents

(a) permittivity($\epsilon_{r}^{\prime }$)

Frequency[Hz]

Epoxy

ENAC_1phr

ENAC_3phr

1.09×106

3.80952

4.04021

4.15849

103715

3.96312

4.16648

4.28786

9838

4.08672

4.27204

4.39714

933

4.15137

4.32755

4.45476

63

4.18715

4.35684

4.48685

1

4.22517

4.38482

4.52723

0.01

5.23465

4.49871

4.73176

(b)tandelta ($\epsilon_{r}^{\prime \prime}$)

Frequency[Hz]

Epoxy

ENAC_1phr

ENAC_3phr

1.09×106

0.02968

0.0237

0.02379

103715

0.02506

0.02048

0.02044

9838

0.01533

0.01247

0.0125

933

0.00767

0.00631

0.00648

63

0.00416

0.00314

0.00368

1

0.00538

0.00404

0.00898

0.01

0.12237

0.03365

0.18312

(c) conductivity($\sigma $)

Frequency[Hz]

Epoxy

ENAC_1phr

ENAC_3phr

1.09×106

6.88E-08

5.82E-08

6.02E-08

103715

5.73E-09

4.92E-09

5.06E-09

9838

3.43E-10

2.92E-10

3.01E-10

933

1.65E-11

1.42E-11

1.5E-11

63

6.12E-13

4.81E-13

5.82E-13

1

1.41E-14

1.1E-14

2.52E-14

0.01

-2E-15

8.42E-16

4.82E-15

ENAC_1phr와 3phr를 비교하여 볼 때, NA입자의 충진 함량이 증가할수록 유전율 값은 증가하였다.

유전율의 크기는 전기전도와 밀접한 관계를 갖고 있으며 또한 전하의 이동통로 로서의 의미를 부여할 수가 있다. 그리고 계면의 결합과도 깊은 관계를 갖고 있는 전기물성의 특성을 평가할 수 있는 파라미터이다. 이처럼 유전율 값이 작은 것은 전하의 이동이 어려워지고 이와 동반적으로 에폭시수지와 NA입자와 계면 결합정도를 유추할 수 있는 파라미터이다.

표 2(b)에서 나타낸 유전손실의 경우 약 1MHz~11Hz범위 까지는 주파수가 감소함에 따라 유전손실도 감소하는 결과를 나타내었다. 그리고 11Hz~0.01Hz 극저주파의 경우 주파수 감소에 따라 기울기가 급한 직선적으로 증가하였다. 즉, 주파수와 유전손실과의 관계는 반비례의 결과이다. 또한 주파수 변화에 따라 유전손실의 증감이 변화되는 변환점 주파수는 약 11Hz 부근에서 변환됨을 알 수 있었다. 그림. 5(c)표 2(c)에서는, 원형 및 ENAC의 충진함량변화에 따른 전도도(S/cm)의 특성을 나타내고 있다. 60Hz에서 ER, ENAC_1phr, ENAC_3phr의 전도도는 6.13×10-13, 4.8×10-13, 5.8×10--13 로서 NAC_1phr의 경우 3phr에 비하여 작은 전도도를 나타내었다. 이는 ENAC_1phr가 3phr에 비하여 계면의 결합력이 우수하여 쌍극자 배향을 억제 하는 것으로 생각된다.

나노콤포지트에서 나노 필러와 에폭시수지사이 상호작용이 강하면, 분자 운동을 제한할 수도 있다. 그렇지만, 상호작용이 약하면, 반대적인 개념으로 분자운동을 제약할수록 없을 것이다. 즉, 에폭시수지내로 나노필러 첨가는 자유체적의 증가를 가져오는 에폭시수지의 화학적 결합력을 깨뜨릴 수도 있을 것이다[11]. NA 입자는 구상이고 그리고 크기는 20nm이다. NA 필러사이와 에폭시사이 상호적용이 강하다. 이유는 본 연구에 사용한 나노입자의 비표면적이 100±20m2/g으로서 매우 크기 때문이다. 그래서 구 형상을 갖는 작은 나노크기는 고분자 ER와 NA사이 휼륭한 결합력을 가져 수 있는 가능성 있다. 또한 분산의 영향도 크게 작용할 것으로 사료되어 1phr가 3phr에 비하여 유전손실이 작은 이유이다. 전도도는 케리어 전송과 연관이 되어있다. 즉, 전하 케리어가 전계 하에서 전송되어진다면 에너지는 주울열로 소비될 것이다. 이런 경우 유전손실($\epsilon_{r}^{\prime \prime}$)은

(1)
$\epsilon_{r}^{\prime \prime}=\frac{\sigma}{2 \pi f \epsilon_{0}}$

로서 $\epsilon_{0}$은 진공중의 유전율, f는 인가전압의 주파수를 의미한다.

저주파에서 급속하게 유전손실($\epsilon_{r}^{\prime \prime}$)이 증가하는 부분 (-)기울기를 나타낸 경우로서 이는 전기전도에 기인한 것으로 사료된다.

더욱이, 전하교환은 전극에서 일어나지 않을 때, 이종의 공간전하가 그들 표면근처에 누적되게 된다. 순차적으로 유전율($\epsilon_{r}^{\prime }$)을 증가시키는 전극에 전하밀도를 증가시키는 결과를 가져오게 된다[16]. 대항전극을 향하는 이온성 케리어의 이동이 에폭시수지 전기전도의 주요원이다.

3.2.2 ER/MA+NA 콤포지트의 유전특성

그림. 6, 표 3에서는 ER/NAC_1phr, ER/MAC_40wt%와 ER/ MA_40wt%+NA_1phr을 혼합한 콤포지트의 유전특성을 나타내고 있다. 그림. 6(a), 표 3(a)에서 주파수 감소에 따라 EMAC, EMNAC 혼합 콤포지트의 경우 유전율($\epsilon_{r}^{\prime }$)이 증가하고 있다. 각각에 대한 유전율을 살펴보면, 저주파인 1Hz의 경우 EMC_40wt% 경우 6.28 그리고 EMAC_40wt%+NA_1phr을 혼합한 콤포지트 경우 4.89의 결과를 나내었고 그리고 60Hz 주파수의 경우, EMC_40wt% 경우 5.17 그리고 EMAC_40wt% +NA_1phr을 혼합한 콤포지트 경우 4.74의 결과를 얻게 되었다. 2종류 샘플에 대한 측정주파수는 1MHz~0.01Hz 범위이다. ENAC의 경우 유전율은 4.04~4.49, EMC_40wt%의 경우 4.59~23.3 그리고 EMAC_40wt%+NA_1phr콤포지트 경우 4.40~5.72의 결과를 나타내었다. EMA와 EMNAC와 비교하면 초저주파영역으로 갈수록 매우 MAC_40wt%의 경우 매우 큰 유전율의 결과를 나타내었다.

그림. 6. ER/NA/MA 혼합된 콤포지트의 유전특성

Fig. 6. Dielectric properties of ER/NA/MA mixed composites

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.3.439/fig6.png

표 3. ENA, EMAC, ENMAC의 유전특성 표

Table 3. Dielectric characteristics Table of ENA, EMAC, and ENMAC

(a) permittivity($\epsilon_{r}^{\prime }$)

Frequency[Hz]

ENAC_1phr

ENA_40wt%

ENAC_40wt%+NA_1phr

1.09×106

4.04021

4.69

4.40113

103715

4.16648

4.82

4.50921

9838

4.27204

4.95

4.60934

933

4.32755

5.04

4.67816

63

4.35684

5.17

4.74247

1

4.38482

6.28

4.89819

0.01

4.49871

23.3

5.72377

(b) Tandelta($\epsilon_{r}^{\prime \prime}$)

Frequency[Hz]

ENAC_1phr

ENA_40wt%

ENAC_40wt%+NA_1phr

1.09×106

0.0237

0.0217

0.01915

103715

0.02048

0.02

0.01709

9838

0.01247

0.0153

0.01217

933

0.00631

0.0168

0.00906

63

0.00314

0.0697

0.00931

1

0.00404

2.08

0.02525

0.01

0.03365

6.89

0.39906

(c) conductivity($\sigma $)

Frequency[Hz]

ENAC_1phr

ENA_40wt%

ENAC_40wt%+NA_1phr

1.09×106

5.82E-08

6.19E-08

5.13E-08

103715

4.92E-09

5.56E-09

4.45E-09

9838

2.92E-10

4.14E-10

3.07E-10

933

1.42E-11

4.4E-11

2.2E-11

63

4.81E-13

1.27E-11

1.55E-12

1

1.1E-14

8.1E-12

7.68E-14

0.01

8.42E-16

8.92E-13

1.27E-14

그림. 3(b) 표 3(b)에서는 주파수에 따른 유전손실($\epsilon_{r}^{\prime \prime}$)의 결과를 나타내고 있다. ER보다 더욱더 큰 MA 필러를 ER에 주입하는 것은 콤포지트 재료의 실제적인 유전율을 증가시킨다. 그림. 6표 3(b)에서 보여준 바처럼 EMA_40wt%와 MA_40wt%+ NA_1phr를 첨가한 경우의 유전율 차이는 확연히 달랐다. 즉, MA+NA를 충진한 콤포지트의 경우가 EMAC에 비하여, 유전율과 유전손실이 낮은 이유는 MA에 비하여 NA의 계면이 매우 큰 결과로 사료된다[5]. 이와같이 큰 입자와 수지사이 상호작용이 MAC에 비하여 NAC 유전율에 중요하게 작용한 것일 수가 있다[8]. NA입자와 에폭시수지 체인과의 상호작용은 이동도를 줄이는 결과를 가져오고 그리고 NA입자가 더욱더 높은 비표면적을 갖기 때문에 전반적인 측정 샘플의 경우 유전율이 감소하였다. MA 입자의 높은 유전율과 유전손실은 모든 샘플이 똑같이 에폭시수지 내 MA에 기인한 계면 분극으로 인한 결과로 사료 된다. MA입자는 계면분극을 가져오는 공간전하형성에 결과하는 벌크 재료 내 전하 결함으로 작용 한다[14].

고주파수의 전계가 인가될 때, 고분자와 나노입자 계면에서 이들 공간전하의 표류와 누적확률이 매우 작게 된다. 이것은 전하의 낮은 이동도와 그들의 평균 변위거리가 전형적으로 짧은시간 동안 나노입자 크기보다 훨씬 작기 때문이다. 보통 계면분극의 발생은 유전특성에서 저주파수에서 관찰되어진다. 이 거리는 분자와 거시적인 길이 사이 중간정도 되는 거리로 추정된다. 계면의 현상은 이온, 전자 그리고 쌍극자 메커니즘과는 별도의 부가적인 분극 메커니즘이기 때문에 시스템 내에서 그들이 발생하는 현상은 특히 높은 MA입자의 충진함량일 때 유전율과 유전손실의 경향이 뚜렷하게 변화되는 것과 관련이 있다[15].

3.2.3 ER/NAC와 ER/NA_GDE 콤포지트 유전특성

그림. 7, 표 4에서는 ENAC_1phr 와 ENAC_1phr+GDE_2g 첨가시킨 ENAC의 유전특성을 나타내었다. 여기서 사용된 첨가제인 GDE(glycerol diglycidyl ether)는 비실란계 GDE로 표면 처리한 NA입자를 ER에 첨가하여 분산시킨 나노 콤포지트의 유전 특성을 나타낸 것이다. 저주파에서는 계면분극과 전도과정, 그리고 고주파에서는 쌍극자 분극의 영향으로 추론할 수 있다. 계면분극은 필러와 수지 사이 표면에 관계되고, 반면에 쌍극자 분극은 벌크타입 고분자가 어떻게 영향을 받고 있는지에 관한 정보를 주고 있다.

그림. 7. ER/NAC, ER/NA_GDE_2g 콤포지트의 유전특성

Fig. 7. Dielectric properties of ER / NAC, ER / NA_GDE_2g added composite

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.3.439/fig7.png

표 4. ENAC_1phr, ENAC_1phr+GDE_2g 첨가된 콤포지트의 유전특성 표

Table 4. Dielectric properties table of ENAC_1phr, ENAC_1phr + GDE_2g composite

(a) permittivity($\epsilon_{r}^{\prime }$)

Frequency[Hz]

Epoxy

ENAC_1phr

ENAC_1phr+GDE

1.09×106

3.80952

4.04021

3.8312

103715

3.96312

4.16648

3.95188

9838

4.08672

4.27204

4.05273

933

4.15137

4.32755

4.1048

63

4.18715

4.35684

4.13186

1

4.22517

4.38482

4.15902

0.01

4.35

4.49871

4.28752

(b) tandelta($\epsilon_{r}^{\prime \prime}$)

Frequency[Hz]

Epoxy

ENAC_1phr

ENAC_1phr+GDE

1.09×106

0.02968

0.0237

0.02402

13,715

0.02506

0.02048

0.02058

9838

0.01533

0.01247

0.0124

933

0.00767

0.00631

0.00623

63

0.00416

0.00314

0.00302

1

0.00538

0.00404

0.00521

0.01

0.12237

0.03365

0.0783

(c) conductivity ($\sigma $)

Frequency[Hz]

Epoxy

ENAC_1phr

ENAC_1phr+GDE

1.09×106

6.88E-08

5.82E-08

5.60E-08

13,715

5.73E-09

4.92E-09

4.69E-09

9838

3.43E-10

2.92E-10

2.75E-10

933

1.65E-11

1.42E-11

1.33E-11

63

6.12E-13

4.81E-13

4.39E-13

1

1.41E-14

1.10E-14

1.34E-14

0.01

6.12E-13

4.81E-13

4.39E-13

그림. 7(a)에서는 ENAC 과 ENA_GDE 콤포지트의 유전율 특성을 나타내고 있다. ER을 포함한 두 종류 ENAC의 유전율의 경우 주파수 감소에 따라 유전율($\epsilon_{r}^{\prime }$)이 증가되는 경향을 나타고 있다. ENAC_1phr와 ENAC_1phr+GED를 첨가한 콤포지트의 유전율을 비교하면, GDE_2g로 표면 처리한 ENAC_GDE의 유전율이 표면처리되지 않은 ENAC보다 낮은 유전율을 나타내고 있다. 그리고 원형 ER과 비교하여볼 때 전체 주파수 영역에서 ENAC_GDE의 경우 원형 ER보다 모두 낮은 유전율을 기록하고 있다. 유전율의 결과는 0.01Hz~1MHz 주파수 범위에서 ER의 경우, 4.35~3.80, ENAC_1phr에서는 4.49~4.04 그리고 ENAC_1phr+GDE 첨가한 콤포지트의 경우 4.28~3.83 유전율의 결과를 나타내었다. 60Hz의 경우 EP: 4.18715, ENAC_1phr: 4.35684, ENAC_1phr+GDE: 4.13186의 결과이다. GDE 표면처리한 경우 ENAC_GDE의 경우 유전율과 유전손실 그리고 전도도가 표면미처리의 경우에 비하여 모두가 낮은 이유는 GDE는 양쪽 말단에 epoxide ring과 친수성기가 달려 있는 분자량이 작은 비실란제이다. 알루미나 입자 표면은 친수성기가 많아 OH기가 달려 있는 GDE와의 친화력이 좋고 GDE 말단에 epoxide ring이 달려 있어 에폭시와도 우수한 친화력을 갖게 된다. 이런 이유로 알루미나와 에폭시 간의 빈 공간에 GDE를 붙여 에폭시수지와 나노알루미나 간의 계면접착력과 분산성이 향상될 수 있는 것이다. 이런 특성을 갖는 GDE이지만 과량이 첨가 되면 표면처리 되고 미결합된 첨가제가 역시 불순물(캐리어)로 작용하게 되어 절연파괴 및 유전특성에도 나뿐 영향을 줄 것으로 사료되어 이와같은 결과를 가져온 것이다.

또한 Tanaka 모델에 따르면, 나노필러와 수지사이 상호작용이 ENAC 주위에 두 개의 고분자 층을 형성하여, 계면결합력이 강되어 유전특성의 감소를 가져오게 된다[12].

4. 결 론

본 연구에서는 친환경 GIS Spacer용, 절연소재를 개발하기 위하여 NA 입자를 표면처리 하여 ENAC, ENMAC 혼합된 콤포지트, EMAC, ENAC 그리고 ER 등 6종류의 샘플을 제조하여, 변전용 중전기 절연소재DP 적용하기 위해, 전기적 절연 특성평가의 일환으로, 주파수 의존성에 기초한 유전특성을 연구하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.

첫째, ENAC 충진함량 변화에 따른 유전특성

ENAC의 충진함량 1phr, 3phr 유전특성에서 유전율과 유전손실 그리고 전도도 결과 주파수 감소에 따라 유전율은 증가하였고, 유전손실은 감소하였다. 다만 11Hz를 경계로 저주파영역에서는 증가하였다. 전도도의 경우 1phr의 경우 3phr에 비하여 낮은 전도성의 결과를 얻게 되었다. 이로서 전하 케리어가 전계 하에서 고함량인 경우 전송이 용이함을 알게 되었다. 이는 입자의 분산과 계면에 관계하는 요소로서, 1phr충진 시 결합력이 우수하여 쌍극자 배향을 억제하는 것으로 사료된다.

둘째, EMAC, ENMA 혼합 콤포지트의 유전특성

EMAC_40wt%의 경우와 EM_40wt%+NA_1phr 콤포지의 유전특성에 EMAC의 경우 주파수 감소에 따라 유전율이 증가되었고 유전손율도 크게 증가되었다. 그러나 NA가 혼합된 콤포지트에서는 상대적으로 낮은 유전율과 유전손실을 나타내었다. 또한 전도도의 경우 NA를 혼합한 경우 전도도가 낮은 결과를 얻었다. 이로서 저주파 및 MA의 경우 계면분극에 의한 결과로 사료된다.

셋째, 표면처리된 NA의 ENAC와 ENAC_GDE의 유전특성

NA를 비실란계 GDE로 표면처리하였고, 표면처리된 EMAC의 경우 유전특성에서 유전율은 ER, ENAC보다 유전율 값이 전체 주파수에서 낮은 값을 얻었고 그리고 유전손실 또한 낮은 결과이다. 또한 전도도의 경우 같은 결과이다. 이는 GDE는 양쪽 말단에 epoxide ring과 친수성기가 달려 있는 분자구조로 NA과 수지의 계면이 매우 강한 결합력의 결과로 사료 된다.

감사의 글

본 연구는 2018년도 중부대학교 교내연구비 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.

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저자소개

박 재 준 (Park Jae-Jun)
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1985년 광운대학교 전기공학과 학사

1987년 광운대학교 전기공학과 석사

1993년 광운대학교 전기공학과 박사

1997년~현재 중부대학교 전기전자공학과 교수

E-mail : jjpark@joongbu.ac.kr