2.1 시료 준비

본 논문에서는 기존 XLPE와 친환경 절연재료 3종을 준비하고, h-BN의 영향을 평가하기 위하여 친환경 절연재료에 h-BN을 첨가한 재료 1종을 준비하였다.

친환경 절연재료로서 폴리프로필렌(PP: Polypropylene)을 대상으로 하였다. PP는 구조에 따라 3가지 유형의 PP 펠렛을 준비하였다. 프로필렌 모노머(propylene monomer)로 구성된 H-PP (Homo PP), 프로필렌과 에틸렌 모노머가 무작위로 배열된 R-PP(Random PP) 그리고 I-PP(Impact copolymer)는 프로필렌과 프로필렌 에틸렌의 혼합물로 구성되었다. 모든 PP 펠렛은 Lyondell Basell의 제품이다. 앞서 언급된 3종류의 PP 펠렛을 180℃에서 20분간 녹이고 300 ㎛ 두께의 금형을 이용하여 핫프레스(Carver)로 20분간 압착하였다. 그 후, 상온에서 30분간 냉각하였다.

또한, h-BN 충진제의 영향을 평가하기 위해 PP 3종 중 I-PP에 첨가하여 시료를 제작하였다. h-BN은 전기 절연 특성이 우수하기 때문에 PP(Polypropylene) 절연 소재의 DC 파괴강도와 공간전하 분포 등 전기적 특성을 향상시킬 것으로 예상된다. 또한, 열전도도가 높아 방열효과에 의하여 PP의 장기 열화 특성도 향상시킬 것으로 기대된다⁽³⁾.

h-BN을 N-methyl-2-pyrrolidone에서 박리하기 위해, 0.5wt%의 h-BN과 0.25wt%의 Poly(4-vinyl pyridine)을 NMP에서 혼합하였다. 박리는 Micro fluidizer에서 1,700 bar의 압력에서 5회 수행하였다. 박리 절차 후, 진공여과를 이용하여 박리된 h-BN을 수집하고 24시간동안 컨벡션 오븐에서 건조하였다. 나노 복합 유전체 재료를 준비하기 위해, acoustic mixer(Resodyn)를 이용하여 5wt% 박리된 h-BN을 PP 3종 중 I-PP 펠렛에 코팅하였다. 그리고 박리된 h-BN을 가지는 I-PP 펠렛을 twin scroll 압출기(Thermo scientific)를 이용하여 180℃에서 압출하였다. h-BN을 첨가한 I-PP필름을 앞서 PP 3종과 동일하게 핫프레스를 이용하여 평판 형태로 제작하였다.

2.2 공간전하 측정

공간전하 측정은 PEA법을 이용하여 측정하였다. PEA법은 외부에서 입력된 압력파의 전달을 이용하여 압전소자에서 검출하는 비파괴적 방법이다. 그림 1에서 PEA법의 측정원리를 나타내었다. DC 전계하에서 내부에 전하가 존재하는 시료에 펄스 전압 $V_{p}(t)$가 인가되면, 각 전극에 유기된 전하와 시료 내부의 전하에서 압력파 $p(t)$가 발생되고 각각 시료와 전극을 통과하여 전파된다. 전파된 각각의 압력파가 압전소자에 도달하면 압전효과에 의해 전압신호 $V(t)$로 출력된다. 이 전압신호를 오실로스코프를 통하여 데이터를 취득한다⁽⁴⁾.

그림 2는 공간전하 측정에서 인가된 전계 프로파일을 나타낸다. 먼저 DC전계를 인가하기 전에 기준신호(virgin signal)을 측정한 후, $V_{on}$에서 2시간 $V_{off}$에서 2시간 동안 측정하였다. 측정 간격은 $V_{on}$에서 1시간 동안은 5분 간격으로 나머지 1시간 동안은 10분 간격으로 측정하였다. $V_{off}$에서도 동일한 간격으로 측정하였다. 모든 실험은 상온에서 진행되었다.

2.3 전도전류 측정

전기전도 특성을 평가하기 위하여 ASTM-D257에서 제안된 방법을 이용한 전도전류 측정 시스템을 구축하였다. 그림 3은 전도전류 측정 시스템의 개념도를 나타낸다. 우선, 준비된 시료에 알루미늄을 증착시킨 시료를 측정용 전극 셀에 넣고 드라이 오븐 내부에 위치시켰다. 전도전류 측정은 Electrometer (Keithley 6517)를 이용하여 측정하고 노트북과 연결하여 데이터를 취득하였다.

전도전류 측정에 사용된 전계 인가 프로파일을 그림 4에 나타내었다. 40분간 전계를 인가하여 전도전류를 측정하고 10분간 접지한 후 전계를 10 kV/mm 간격으로 상승시켜 측정을 반복하였다. 공간전하 측정과 마찬가지로 상온에서 전도전류를 측정하였다. 측정 간격은 1초이다.

측정된 전류와 인가된 전계 그리고 측정 전극의 면적을 이용하여 전류밀도와 전도도를 계산할 수 있다.

여기서, $J$는 전류밀도, $I$는 측정된 전류, $A$는 측정 전극의 면적이다.

여기서, $\sigma$는 전도도, $E$는 인가된 전계이다⁽⁵⁾.

3.1 공간전하 특성

그림 5는 전계를 인가하기 전에 H-PP에서 공간전하분포의 전계의존성을 나타낸 것이다.

그림 6은 그림 5의 신호를 deconvolution 신호처리한 결과이다.

그림 6에서 보이는 것과 같이 그림 5에서 존재하였던 임펄스 응답에서의 반사파가 제거된 것을 알 수 있다. 그리고 인가된 전계에 따라 전극에 유기되는 전하량도 비례하여 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 하부전극에 유기된 전하의 측정신호로부터 반치전폭(FWHM: Full Width at Half Maximim)을 측정한 결과 약 30 ㎛의 공간분해능을 확인할 수 있었다.

그림 7은 $V_{on}$에서 각 시료에서 시간에 따른 공간전하분포를 비교한 것이다. XLPE에서는 시간이 지남에 따라 정극성 전극 부근에 음전하가 축적되는 것을 확인할 수 있었다. H-PP에서는 시료 중앙에서 양전하가 축적되고 R-PP에서는 정극성 전극 부근에 음전하가 부극성 전극 부근에는 양전하가 축적되는 것이 관찰되었다.

그림 8은 2시간 동안 DC전계를 인가한 후, $V_{off}$에서 각 시료의 공간전하 측정 신호를 deconvolution 처리한 것을 보여준다.

XLPE에서는 부극성 전극측에 동종전하(homo charge)인 음전하가 축적되고 정극성 전극 측에는 이종전하인 음전하가 축적되었다. H-PP를 제외한 친환경 절연재료들에서 부극성 전극 측에 이종전하인 양전하가 정극성 전극 측에는 이종 전하인 음전하가 축적되는 것이 관찰되었다. H-PP의 경우, 양전하가 시료 중앙에서 축적된 것이 관찰되었다.

XLPE에서 가장 많은 양이 축적되었고 모든 친환경 절연재료들은 XLPE에 비해 상대적으로 적은 양이 축적되었다. I-PP에서 가장 적은 양의 공간전하가 축적된 것을 확인할 수 있었다. H-PP의 경우, 그림 8에서 보이는 것과 같이 시료 중앙에 양전하가 축적되어 있어 공간전하 특성에서 우수하다고 평가하기 어렵다. 또한, I-PP와 I-PP(h-BN)을 비교한 결과, I-PP에 비해 I-PP(h-BN)에서 상대적으로 많은 양의 공간전하가 축적된 것을 확인할 수 있었다.

그림 9에서 보이는 것과 같이 h-BN 충진제의 크기가 nano 크기가 아닌 수 ~ 수십 ㎛의 h-BN들이 많이 관찰되었다. 또한, h-BN이 고르게 분산되지 않은 것으로 판단된다. 이 h-BN의 크기와 분산도가 공간전하가 I-PP에 비하여 많은 양이 축적되는 데에 영향을 미친 것으로 생각된다.

3.2 전기전도 특성

그림 10은 XLPE에서 전도전류의 시간의존성을 보여준다. 전압이 인가되면 초기에는 순간적으로 큰 전류가 흐르고 지수적으로 감소하는 전류가 측정된 후, 정상상태에 도달하게 된다. 일반적으로 시간이 지날수록 정상상태에 가까운 전류값을 얻을 수 있으나 실험상의 어려움으로 인해 20~40분 후의 전류값을 취득하는 것이 일반적이다⁽⁵⁾. 본 연구에서는 대부분 2,000초 정도의 시간이 지나면 전류가 안정되었다고 판단하여 2,000~2,400초 사이의 전류값을 평균으로 하여 측정 전류 값을 결정하였다.

그림 11과 12는 전도전류 밀도와 전도도의 전계의존성을 나타낸 것이다. 전계가 증가할수록 전류밀도와 전도도 역시 증가하였다. 친환경 절연재료들이 XLPE에 비해 비교적 전계의존성이 낮았으며, 전류밀도와 전도도 역시 XLPE에 비해 낮은 값이 관찰되었다.

그림 13은 전도 메커니즘 분석을 위한 각 시료의 전류밀도($J$)$-$전계($E$) 특성을 나타낸다. $\log(J)-\log(E)$ 특성 곡선의 기울기를 통한 전도 메커니즘 해석은 기본적인 분석 중의 하나이다. $\log(J)-\log(E)$가 직선적인 관계를 가지고 기울기가 1이면 Ohmic 전도, 기울기가 2이면 SCLC(Space Charge Limited Current)가 주된 전도 메커니즘이 된다. 전류밀도 관계식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서, $e$는 전자의 전하량, $n_{0}$는 자유전자밀도, $\mu$는 전자의 이동도, $d$는 시료의 두께, $V$는 인가전압, $\varepsilon$은 유전율이다. 1항이 Ohmic항이고 2항이 SCLC항이다⁽⁶⁾.

그림 12에서 보이는 것과 같이, XLPE는 모든 전계 범위에서 직선적인 관계를 보이지만 기울기가 4.90이므로 Ohmic전도나 SCLC가 주된 전도 메커니즘이 아닌 것으로 판단된다. R-PP와 H-PP의 경우에도, 기울기가 각각 4.7, 3.4로 SCLC 전도의 영향을 받지 않는 것으로 판단된다. I-PP는 20kV/mm, I-PP(h-BN)에서는 40 kV/mm까지는 SCLC가 지배적이었으나 그 이상에서는 SCLC에서 멀어지는 것을 알 수 있다.

그림 14는 전극 제한형 중에서 Schottky 전도 분석을 위한 그래프이다. Schottky 전도에서 전류밀도는 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $A$는 Richardson 상수, $T$는 절대온도, $\phi_{B}$는 전극의 일함수, $\beta_{SC}$는 Schottky 상수, $k$는 Boltzmann 상수, $m$는 전자의 질량, $R$은 전자의 반사계수, $h$는 Plank 상수이다⁽⁶⁾.

$\log(J)-E^{1/2}$의 관계에서 직선적인 관계를 나타내면 Schottky 전도가 지배적이라고 할 수 있다. XLPE의 경우, 40 kV/mm까지는 Schottky 전도가 지배적이다. R-PP는 30 kV/mm, H-PP는 20 kV/mm 이상에서부터 Schottky 전도를의 영향을 받고, I-PP와 I-PP(h-BN)의 경우에는 인가된 모든 전계에서 Schottky 전도가 지배적인 것을 알 수 있다.