1) 절연파괴강도

그림. 3, 표 3에서는 고전압 중전기기인 GIS Spacer의 친환경 절연소재를 개발하기 위하여, 이종 MS와 MA 혼합비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1의 중량비로 혼합된 콤포지트를 제조하였다. 교류 전기적 절연파괴 강도의 특성평가를 위하여 와이블 플롯으로 나타내었다. 와이블풀롯의 형상파라미터는 기울기를 나타낸 것으로, 기울기가 크면 측정자료의 균질성이 우수한 결과를 그리고 기울기가 낮으면 측정결과 균질성이 떨어짐을 의미한 것이다. 스케일파라미터는 63.2%의 교점값을 의미한 것이며, B10수명은 하위 10% 지점의 교점값으로 중전기기에서 절연은 약점파괴로 모든 부분의 절연이 강하여도 왼아특정부위 약점으로 인하여 절연이 파괴에 이르게 되는 경향을 갖고 있기 때문에 B10수명은 중전기기 절연평가에 중요한 파라미터이다.

이종 혼합비에 따른 콤포지트의 절연파괴특성으로 MS:MA 혼합비율에서 MS의 충진함량비가 클수록, 반대로 MA의 충진함량비가 적을수록 교류절연파괴 강도의 증가를 가져왔다. 각각의 혼합에 따른 형상파라미터는 매우 높은 기울기를 나타내었다. 특정 함량비 1:9, 3:7, 5:5의 혼합비에서는 47.62~48.6kV/2mm 절연파괴 강도를 얻었다. 그러나 7:3, 9:1의 혼합비에서는 53.0~ 53.59kV/2mm로, 절연성능이 10.26~11.29% 향상된 결과를 얻었다. 이와같이 MS의 충진함량비가 클수록 절연파괴 강도의 향상을 가져오는 이유는 다음과 같다.

MS:MA의 혼합비가 7:3인 경우로부터 급격하게 절연파괴 성능향상 원인으로 유전율의 특성에서도 볼 수가 있다. 즉, 그림. 4(a)의 MS 충진 함량비가 작을수록 유전율이 증가하는 경향을 나타내었고, 그림. 2의 이종 무기물 복합체의 구조적인 특성인 SEM에서도 MA의 계면이 불량한 상태를 반대로 MS의 계면상태는 양호한 상태를 나타내었다.

이처럼, 절연파괴는 계면의 영향이 매우 크게 작용하고 있다. 무기물과 메트릭스 사이 계면결합력 강화에 따라 계면이 양호한 경우, 절연파괴 강도는 높고 반대로 계면이 불량한 상태인 경우, 절연파괴 강도는 낮은 결과를 가져왔다⁽⁷⁾.

이유는 에폭시 수지의 경우 O-H가 존재하며, MS의 경우 표면에 O-H가 존재하므로 두 개의 유기 및 무기물사이 수소결합(공유결합)의 발생을 가져오게 된다. 그러나 MA의 경우는 알루미나 표면에는 O-H기가 존재하지 않으므로, 에폭시 메트릭스와 무기물사이 계면결합력이 미약한 결과를 가져오게 된다. 그런 이유로 계면이 불량한 상태의 결과이다⁽⁴⁾.

다른 측면으로 볼 때, MA 및 MS의 혼합 조성비로 인하여 조직이 치밀하게 된다. 왜냐하면 MS의 비중은 2.65, MA비중은 3.94로서 중량비에따라 MS입자수가 상대적으로 많은 입자수가 충진된 상태이므로, 조직이 치밀하게 되면 입자들이 전하들을 직접적으로 통과하기 어렵게 하고, 반면 에폭시수지의 공간을 MS 입자들이 차지하는 영역이 크게 증가되어 지게 된다. 그런 이유로 전오위하의 이동이 억제되는 효과를 가져와 역으로 절연파괴강도의 향상을 가져오는 효과를 얻게 될 것으로 사료된다.

더불어, 열전도는 MS에 비하여 MA가 우수한 편으로, MA가 열전도에 영향을 주어 절연파괴 시 과도한 방전에 의해 발생되는 열이 열적열화를 완화하는 역할을 하게 되어 진다. 그런 실리카와 알루미나의 조성비가 상호보완적인 역할을 하게 되는 이유이다. 이와같이 충진함량비가 MS의 함량이 상대적으로 많은 7:3, 9:1의 경우 절연파괴 강도가 급격하게 높아지는 결과로 사료된다^(8-10).

2) 유전특성

그림. 4, 그리고 표 4, 표 5에서는 ER에 MS+MA 이종의 무기물을 혼합한 콤포지트의 유전특성 (유전율, 유전손실, 전도도)을 나타내고 있다. 그림. 4(a)와 표 3에서, 주파수 감소에 따라 유전율이 증가하는 경향을 나타내었고 그리고 이종 무기물의 충진함량 증가 (MS:MA의 충진 함량비 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1)에 따라 유전율이 감소하는 결과를 얻게 되었다.

그림. 4(b)와 표 5에서는 유전손실의 특성 결과로서, 주파수 감소에 따라 ER의 경우 감소하였고, 100Hz근방에서 다시 증가하는 결과이다. 또한 MS의 충진비율이 증가할수록 유전손실은 감소하였다^(3,9,11).

그림. 4(c)에서는 주파수 변화에 따른 이종무기물을 혼합한 콤포지트의 전도도 특성을 나타내고 있다. 주파수 감소에 따라 전도도는 감소하였고 약간의 차이는 존재하지만, MS함량이 많을수록 전도도는 감소하였다.

이상의 결과로서, MS와 MA의 이종무기물 혼합 콤포지트의 유전특성에서 충진함량 전체 70 wt% 중 MS:MA 함량비중 MS 충진함량비가 높을수록 유전율이 감소하였고, 주파수 감소에 따라 유전율이 증가하는 결과는 절연파괴의 특성과 거의 같은 결과를 얻을수 있었다. 유전특성의 경우 MS 표면에는 OH기가 존재하기 때문에 계면의 결합력이 강화되었고 그리고 MA 입자표면에는 OH기가 존재하지 않기 때문에 에폭시 메트릭스에 OH기가 존재하지만 결합력이 매우 약한 상태이다. 그런 이유로 MS 함량이 증가될수록 계면의 강화로 유전율이 감소한 것으로 사료된다^(3,7,8). 이와 같은 경우는 그림. 2의 SEM에서도 볼 수가 있다. 그리고 주파수 감소에 따라 유전율이 증가하고 있다. 이는 저파수로 갈수록 무기물과 유기물의 계면에서 나타난 계면분극에 의한 결과로 사료된다. 유전손실의 경우 각각의 충진 함량비(1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1)의 주파수 감소에따라 감소하였고, 저주파 영역인 손실의 변환점에서 다시 증가하는 경향을 나타내고 있다. 이는 계면에서 전도성에 의한 전자의 이동이 계면결함에 의하여 쉽게 이루어진 통로로 작용한 유전손실로 사료되어 진다^(9,11).

1) 인장강도

그림. 5, 표 6에서는 에폭시/MS+MA 혼합 콤포지트의 기계 적 인장강도의 특성을 나타내고 있다.

이종 혼합비에서 마이크로 실리카의 함량 비율이 높을수록 인장장도가 높게 되는 이유는 다음과 같다.

인장강도 측정에서 가장 중요한 부분은 인장 시 샘플의 판단의 개시점이 매우 중요하다. 마이크로 및 나노 보이드의 존재, 분산 시 미 분산된 영역으로 입자들의 뭉침 현상의 존재, 입자와 수지사이 계면의 약화, 망상구조가 잘 이루어지지 못한 경화제/수지 그리고 필러의 과량첨가로 인하여 경화반응을 억제하게 하는 경우, 그런 원인이 가교밀도 약화로 인한 결함으로 작용될 수가 있다⁽⁷⁾. 그러나 그에 대한 가능한 원인으로 사료될 수 있는 것은 계면의 약화를 둘 수가 있을 것이다. 즉, MS 및 MA의 혼합비로 제조된 콤포지트의 경우 대체로 실리카의 표면에는 OH기가 존재하고 있고 그리고 에폭시 수지에서도 OH기가 존재하여 유기/무기물질의 수소결합이 일어나게 됩니다. 일반적으로 수소결합은 O(산소), N(질소), F(플루오르) 등 전기음성도가 강한 2개의 원자 사이에 수소원자가 들어감으로써 생기는 강한 분자 간 인력을 일반적으로 수소결합이라 합니다⁽⁷⁾. 즉 수소결합은 보통 다른 분자간 인력보다 강하기 때문에 결합이라 부르며, 전기음성도는 전자를 당기는 힘이 매우 강하여 수소와 산소가 결합할 경우 수소는 전자가 1 개밖에 없는데, 산소는 전자를 매우 강하게 당기게 되고, 수소는 전자를 거의 빼앗기고 (+)전하를 띠게 됩니다. 그 때 옆에 다른 분자가 다가옵니다. 다른 분자에 있는 산소 원자는 그 분자의 수소로부터 전자를 당겨온 상태이기 때문에 (–)전하를 띱니다. 이와 같은 결합의 원리로 에폭시수지와 무기물인 마이크로 실리카의 계면결합을 강하게 하여 기계적 인장강도를 높이게 한다. 그러나 마이크로 알루미나의 경우 입자표면에 OH기를 갖고 있지 못하여 계면의 결합이 상대적으로 약하게 된다. 그런 이유로 알루미나의 양이 많아지면 기계적 인장강도가 낮아지는 역할을 하게 된다⁽¹²⁾.

2) 굴곡강도

그림. 6, 표 7에서는 에폭시/MS:MA 이종 무기물의 혼합비에따른 기계적 굴곡강도의 특성을 나타내었다.

그림. 6(a)에서는 혼합비에 대한 굴곡강도의 와이블플롯을 나타내었고 그리고 그림. 6(b)에서는 굴곡강도 와이블플롯의 특성파라미터인 스케일파라미터와 B10 수명의 결과를 얻었다.

같은 혼합비에 대한 스케일파라미터와 B10수명의 차이가 작을수록 기울기가 크고, 반대로 차이가 클수록 기울기가 작은 결과를 의미한 것이다. 표 7애서는 와이블 플롯의 특성파라미터의 결과를 표로 제시하였다.

이종무기물 MS:MA 혼합 콤포지트의 기계적 굴곡강도의 특성에서 MS의 충진함량비가 증가할수록, 역으로 MA의 충진함량비가 감소할수록 굴곡강도는 증가하였다. MS 충진함량비가 가장 낮은 1:9의 경우 103.65MPa을 나타내었고, 가장 충진함량비가 높은 9:1의 경우 153.15MPa의 결과를 얻었다. 충진함량비 5:5을 넘어선 굴곡강도의 증가율이 크게 증가한 결과를 보였다. 혼합비에 대하여 MS의 최소량과 최대량의 성능의 차이는 49.5MPa로서 47.75%의 기계적 성능이 향상된 결과를 얻게 되었다.

이처럼 어느 일정한 함량비에서 MS:MA의 함량비가 5:5인 경우에서부터 증가하게 된 이유는 MS가 충진된 경우 무기물인 실리카와 유기물인 에폭시수지 간 공유결합과 같은 수소결합으로 인하여 Anchor되어 에폭시 체인의 이동도를 방해하게 되어 굴곡강도가 증가하는 원인이 되기도 한다⁽⁷⁾.

이상의 결과를 정리하여 보면, MS 입자의 경우 NS 40nm인 경우를 예를 들면, MS가 10μm의 경우라면 약 250배 작은 입자의 크기를 갖고 있다. 에폭시수지에 마이크로필러를 충진 하는 것은 순수한 에폭시 고분자수지에 불순물을 투입하는 경우와 같다. 그러나 기계적 특성은 MA 보다 MS 입자의 충진에 의해서 기계적 특성인 인장과 굴곡강도의 특성을 향상 시킬 수 있다. 소량의 마이크로 필러를 충진할 때면 입자수가 상대적으로 적기 때문에 입자간의 거리가 대단히 멀리 떨어져있게 된다. 그런 입자의 분포상태에서는 오히려 마이크로필러가 불순물로 작용하는 경향을 갖게 된다. 다시 표현하면, 기계적 결함의 시점이 되어 진다는 것이다. 그러함에 충진 함량이 증가되면 될수록 마이크로 필러 입자 간 간격이 좁아지고 계면이 상대적으로 증가하게 되고, 입자 간격이 좁아지면 수지의 영역이 감소하게 되고 반대로 기계적 특성 향상을 가져올 수 있는 무기물의 영역이 증가되어 굴곡강도 특성향상을 가져올 수가 있기 때문이다^(8,9). 그러나 기계적 특성향상의 핵심은 마이크로필러가 에폭시수지에 균질한 상태로 분산이 이루어 져야만 한다. 또한 구조적인 상태에 존재하는 MS 입자가 수지와 계면의 결합력을 크게 가질 때, 특성향상을 가져오는 것이다. MS의 비중은 2.65, MA의 비중은 3.94로서 같은 중량에서 MS의 입자수가 상대적으로 많이 충진되어져 수지와 MS의 표면 수소결합이 강하게 작용되는 결과로 사료된다. 그런 이유로 현재 상용화하여 제조된 전력기기인 GIS Spacer의 경우 MA로 구성된 콤포지트에서는 계면의 약화로 장시간 신뢰성에 노출되어 수명을 짧게 하는 원인이 된다.