2.1 재료

HTV silicone rubber(즉, High Temperature Vulcanized Silicone Rubber: HCR)/실리카 그리고 ATH가 필러로 사용되는 두 부분의 고온가황 HTV 실리콘 고무가 기본 재료 XIAMETER TM RBB를 사용하였다. 그것은 60-80% 비닐 폴리 디메틸 실록산(vinyl polydimethyl siloxane) 과 충진제가 첨가되지 않은 비닐 함유 수지 (vinyl containing resin) 10-30%로 구성된다. ATH는 어떠한 종류의 표면 처리도하지 않은 것으로 ATH_fine 과 ATH coarse는 1μm와 18μm 두 종류가 사용되었다. 이들 ATH는 Huber에서 생산된 제품을 사용하였다. HVDC 트래킹의 경우 HVAC 전원특성과는 다르게, DC 경우 주입된 전하는 추출되지 않고 누적된 특성을 갖게 된다. 그런 이유로 AC와 마찬가지로 가장 약점이 되는 계면의 특성과 연관한 연구를 위하여 재료의 조성을 갖게 하였다. 표 1에서는 Dow Corning의 HCR 수지로서 XIAMETER TM RBB 2220-70의 기술적인 자료를 나타내었다.

2.2 HCR /ATH 콤포지트의 샘플제조

핫 프레스 샘플은 HTV 샘플로서 기본실리콘수지와 무기물이 준비되었다. 나노실리카는 7nm로서 15wt% 그리고 ATH는 1μm, 18μm 두 종류가 사용되었다. 표 2에서 나타낸 바와 같이 샘플 A는 fine ATH를 100% 그리고 샘플 B에서는 fine ATH를 50wt% +coarse ATH를 50% 혼합하였다. 그 결과 수지에 대한 ATH의 충진함량은 Sample_A(이하 S.A라 한다)의 경우 55.8wt% 그리고 Sample_B(이하 S.B라 한다)의 경우 56.5wt% 충진되었다.

이 복합 재료는 트래킹 및 침식용 샘플을 제조하였다. two- roller와 leader 그리고 Planetary 믹서를 혼합하여 제조하였다. 경화조건은 170℃×10분 동안, 스테인레스 스틸의 평판금형(120×50×6mm)을 이용하여 제조하게 되었다.

2.3 HVDC IPT(Inclined-Plate Tracking and Erosion Test

2.3.1 측정시스템 구성

트래킹 시험 설정은 DC 전원이 사용되는 것을 제외하고는 IEC 60587, ASTM D2303, IPT(inclined tracking and erosion test) 트래킹 및 침식 테스트를 준수합니다. 한 쌍의 스테인리스 전극이 편평한 직사각형 절연체 샘플 (KS C IEC 60587)이 표면에 부착됩니다. HVDC 정극성의 실험은 상부 전극에 일련의 보호 저항 (1, 10, 22, 33ｋΩ)을 통해 직류 고전압 전원에 의해 생성된 정극성이 연결되어 되며, 하부 전극은 접지에 연결되어있다. HVDC 부극성 실험은 상부전극에 부극성 전위를 갖는 것으로 정의하고 그리고 하부전극은 접지로 연결됩니다.

샘플 (125×50×6mm)은 측정 샘플표면이 아래쪽에 수평을 이루는 각도 45°로 설치됩니다. 상부 전극 아래에 고정된 여과지를 사용하여 오손 물질 (탈이온수+NH4Cl+비누제인 Triton X-100으로 만든 오손액)을 일정한 간격동안 미량의 오손 액이 그림 1에서 보여준 바처럼 전극사이 샘플 아랫방향으로 떨어뜨립니다. 오손액이 필터용지를 통하여 상부전극의 구멍으로부터 나오고 그리고 하부전극은 댐핑의 효과 없이 오손액이 흐르도록 일련의 갭을 갖게 되었다. 지정된 전극들은 절연거리를 50mm로 분리하고 연속적인 불꽃 또는 섬광(scintillation) 즉, 건조대아크(Dry Band Arc)가 발생하도록 주어진 전압이 인가되어진다.

전압 인가전에 연속적인 오손액이 흐르는 길이 주어진 유속을 항상 유지되어야 하고 그래서 웨팅(wetting)과 신틸레이션(scintillation)의 연속적인 사이클을 억제하기 위한 소수성(hydro- phobic) 표면의 능력을 최소화하여야한다. 저항 R1은 전류를 제한하기 위한 저항이며, R2는 누설전류의 계측을 위한 저항이다.

IEC 60587에 따라 오손액의 전도도는 2.5mS/cm로 하였습니다. 오손액이 배출되는 상부전극에 전압(정극성 및 부극성)이 인가되고 0.6ml/min유량이 일정하게 흐르게 됩니다. 정극성 및 부극성의 HVDC전압은 4.5kV를 인가하였고, IEC 60587에서 AC 누설 전류 기반 fail 조건에 따라 60mA 이상의 전류가 2초 동안 지속된 경우입니다. 측정시간의 설치는 6시간 후에 시험이 종료됩니다.

그러나 본 연구에서 트래킹의 실험은 High Temperature Vulcanized Silicone Rubber(HTV)/ATH_55.8wt% 과 56.5wt% 콤포지트를 제조하였고, 각각의 샘플을 3개씩 준비하였다. HVDC 전원은 4.5kV로서 정극성과 부극성을 각각 측정하였다. 직렬저항기를 33kΩ에 고정하였다. 그리고 오손액의 흐름은 0.6ml/min으로 설정하여 실험을 실시하였다.

2.3.2 트래킹 및 침식 측정 및 평가

HVDC 정극성 및 부극성 IPT 측정을 위해 누설전류 측정, IPT 측정시 발생된 표면의 온도측정,IPT 측정시 발생된 방전 및 표면상태의 동영상 그리고 IPT측정 이전과 이후 침식량을 측정하게 된다.

누설전류 측정은 누설전류 측정장치인 Datatec사, SEFRAM/ DAS60으로 6채널, 전력분석함수 400Hz이상, 14비트 resolution, 1Ms/s sampling rate, 100kHz bandwidth 그리고 DC, AC+DC RMS voltage measurement을 할 수 있는 레코더를 사용하였다. 측정된 결과의 자료를 볼 수 있도록 제공된 Sefram viewer를 이용하여 원하는 데이터를 얻을 수 있다. 측정자료의 결과 값을 누설전류 최대값, 누설전류 평균값을 얻기 위하여 데이터 획득 샘플링 율은 100μS로 데이터를 계측하였다. 1초에 10000포인트의 자료가 계측된다. 1분이면 60만 포인트가 된다. 주파수로 표현하면 10kHZ이다.

6시간동안의 누설전류 자료를 분석하기 위하여 1분에 하나의 자료를 얻을 수 있도록 60만 포인트의 신호 중 가장 큰 누설전류 값인 누설전류 최대값과 60만 포인트의 진폭을 더하여 60만으로 나누어진 결과로서 누설전류 평균값을 구하였다.

표면의 방전시 온도를 측정하기 위하여, 열화상 카메라(Thermo Imager)를 사용하였다. 사용된 모델은 TI-45FT-20이고, 제작사는 FLUKE 이다. 사용온도범위는 -20~600℃이며, 온도 분해능은 0.1℃이다. 그리고 온도 정확도는 ±2℃이며, 열화상 카메라의 화소 1280*1024 화소를 갖는 시스템이다. 열화상 카메라는 1분에 1회 측정온도의 결과를 이용하였다. 열화상 케메라는 Smart View 3.14 버전 소프트웨어를 통하여 온도를 체크하게 됩니다.

영상촬영은 Sony HDR-CX240E HD Flash Camcorder를 이용하여 촬영하였고 그리고 침식량 측정을 위해 OHAUS사, Adven- turer를 이용하여 소숫점 4자리까지 측정할 수 있는 전자천칭을 이용하였다.

3.1 제조된 HCR/ATH 콤포지트의 물성평가

표 3에서는 트래킹 실험을 위해 제조된 샘플의 기계적, 전기적 특성결과를 나타내었다.

표 3에서 전기적 HVDC절연파괴 특성과 기계적인장강도 특성에서 볼 때, S.A가 S.B보다 높은 절연파괴 결과를 나타내었고 그리고 기계적인장강도 (인장강도,신율) 역시 S.A가 S.B보다 높은 성능을 나타내었다. 반면 경도는 S.A가 S.B보다 낮은 결과이다. 이는 무기물과 수지와의 계면에 영향이 큰 결과이다. 즉, S.B의 경우 ATH 18μm+1μm의 혼합된 콤포지트에서 계면의 취약함을 나타낸 경우이며, 상대적으로 1μm만의 콤포지트는 입자의 비 표면적인 넓어 양호한 계면을 갖는 것으로 평가될 수 있다.

3.2HVDC Positive and Negative Polarity 하에서 오손액의 거동에 따른 트래킹 및 침식성

그림 3에서는 DC 4.5kV 정극성이 인가된 상태에서 0.6ml/min의 속도로 오손액을 강제로 떨어뜨릴 때 약 12분정도의 시간이 소요되어졌고 그리고. 오손액이 최초로 떨어진 후 실리콘표면의 방전이 개시되는 것을 나타내었다.

그림 4에서는 건조한 상태의 표면에 누설전류로서 오손액이 흐르기 전 상태 12분 동안의 누설전류의 결과를 나타내었다. 크기는 1.66~3.16mA의 전류 특성을 나타내었다. IPT 실리콘수지 표면의 표면장력은 오손액(liquid contaminant)에 의해 표면의 젖음성(wettability)에서 본질적으로 지배적인 힘이다. 또한 접촉각은 오손액, 실리콘표면 그리고 공기에 의해 형성된 3중 계면에서 모세관(capillary) 에너지로부터 발생하고 전기장으로부터 정전에너지를 감소하게 한다. 이러한 현상을 전기습윤(electrowetting)이라고 한다. 전기습윤은 주입, 유도된 전하에 의해 계면에너지의 최소화를 통한 결과로 DC에서 지배적인 것이다^[6]. IPT의 두 전극사이로 강제적으로 흘러 보내는 오손액이 필라멘트로 가교되어 표면의 누설 전류의 전도 및 주울 가열을 초래하게 됩니다. 건식 밴드(Dry bands)에 인가된 전압이 항복 전압을 초과하면 전도성 필라멘트 및 아크에서 형성된 건조 밴드가 시작되게 된다^[3]~^[5].

그림 4에서 트래킹전압이 연속적으로 인가되어지고 트래킹 시간이 진행됨으로서 점진적으로 누설전류의 증가를 가져왔고 IPT 전극사이 HCR시편의 표면에서는 초기 단계에서, 건식 밴드 아크(dry band arcing)는 전도성 필라멘트를 따라 무작위로 형성되어지고, 그때 발생된 열은 아크에서 HCR 표면으로 옮겨져 시편의 열적열화(thermal degradation)의 원인이 되어진다. 그림 5와 같이 전극 사이에 점진적으로 검은 색의 실개천과 같은 오손액이 지나는 길이 형성된다. 트래킹 전압 인가시간이 계속되면서, 탄소 트래킹의 범위가 더 넓어지고, 방전 위치가 하부전극 쪽으로 내려가는 것이 관찰되었다. 이는 연속적인 아크성 방전에 의해 필라멘트상의 소수성이 소실되고, 필라멘트가 넓어지는 것은 오손액의 막이 더욱더 진전하기 때문으로이다. 드라이 밴드는 오손액의 막이 하부전극에 형성되기 쉽기 때문에, 건조 밴드 아크는 주로 트래킹 및 침식실험의 주요 배출 과정인 하부전극 근처에 집중되어진다. 깊은 침식재료의 분해 역시 하부전극 근처에서 일어났다.

측정된 누설 전류로부터 6시간 동안 ATH Fine(1μm)를 100% 충진분산시킨 Sample_A(55.8wt%)와 ATH Fine(1μm) 50wt%와 ATH Corse(10μm)를 혼합하여 100%로 할 때 Sample_B(56.5wt%)의 경우 열전도로 인한 열의 발산이 표면의 최대온도를 감소하는 것으로 사료된다. 그런 이유로 오손액의 증발은 상대적으로 감소되어지고 그리고 건조밴드가 줄어들어 배출량이 감소되어진다^[7]. 그와 같은 결과는 HCR 복합 재료의 트래킹 및 침식성이 개선되어 충진제 함량이 증가한 이유이다.

누설 전류의 줄 가열 효과는 시편 온도의 느린 증가를 초래할 수 있지만, 건조 대역 아크(dry band arcing)는 국부적 인 온도를 빠르게 증가시킬 수 있습니다. 표면방전에 의해 발생 된 열은 시편 표면의 온도를 500 ºC 이상으로 올릴 수 있다. 이는 실리콘 고무 주사슬(백본)이 저 사슬 고분자로 부서져 트래킹 및 침식성을 유발하는 데 충분합니다^[10]. 온도 상승과 열 방출은 침식에 큰 영향을 미칩니다.

3.3 HVDC 극성 효과

그림 4~5, 그림 6~7의 경우 6시간동안 정극성 DC와 부극성 DC의 누설전류 및 트래킹에의한 표면방전과 침식의 열화패턴을 나타내었다. 실험은 IEC 60587에 근거하여 4.5kV, 0.6ml/min 오손액을 강제로 축출하였고, 오손액의 물방울이 떨어지는 시간이 정극성과 부극성 모두 12분 후에 최초로떨어졌다. 50분정도에서는 모든 샘플들이 표면방전으로 인하여 손상을 가져왔다. 테스트 초기 단계에서도 각 극성에 따른 침식 패턴이 다릅니다. 정극성의 경우 하부전극으로부터 상부전극에 방전이 이동되어지고 그리고 전극사이에 연속적이고, 평평하고 그리고 고체의 친수성라인이 형성되는 반면, 부극성의 경우 하부전극에 트래킹이 우세하게 집중 되어졌다. 음극 주변에 foam이 형성되는데, 이는 주울 가열 하에서 오손액이 끓은 결과 일 수 있지만, 전기 분해의 부산물로서 수소 가스의 형성일 가능성이 크다 사료된다^[11]. 정극성 조건 하에서, 전극 사이에 형성된 오손액이 지나는 길이 넓어지고 HCR의 층이 친수층으로 변화되어 고체 ATH와 같은 마이크로 무기물의 층이 50분 이상에서 나타내고 있다. 그러나 부극성의 조건에서 이 고체 ATH 층은 여전히 ​​샘플의 약 절반 정도까지만 도달합니다. 그러나 정극성 DC의 경우, 접지된 하부전극에서 형성된 탄화지역이 매우 다르게 하부에서 상부전극 끝까지 또는 측면으로 탄화영역이 성장되었다.

G. P. Bruce외^[11] 연구자들은 샘플이 전도성일 때 얼마나 많은 전하가 통과하는지를 측정하였다. 아크가 발생하지 않을 때 즉, “연속적인 전도성 필라멘트가 표면상, 전도 그리고 주울열이 발생할 때 형성된“ 높은 전류시간을 포함하게 된다.

표면침식의 기여를 표면누적전하 기술을 사용하는 것은 어렵다보고 하고 있다. 그렇지만 재료의 특성차이는 확연히 알 수 있다. 역시 G. p.Bruce등 여러 연구자들은 정극성 DC가 부극성 DC 보다 침식이 심하다 보고하고 있다.

그림 8, 표 4에서는 정극성과 부극성의 누설전류의 크기를 중심으로 비교하기 위하여 나타낸 것이다.

일반적으로 트래킹 및 침식성 실험에서는 표면 침식량과 깊이의 결과를 주로 이야기한다. 그러나 누설 전류의 성질을 조사함으로써 HCR과 같은 물질침식의 주요한 요인으로 평가 될 수 있다. 본 연구에서는 데이터 획득 샘플링 율은 100μS로 데이터를 계측하였다. 1초에 10000포인트의 자료가 계측된다. 1분이면 60만 포인트가 된다. 주파수로 표현하면 10kHZ이다. 그중 가장 큰 누설전류(Imax), 평균값, 실효값, 최소값 등을 얻게 된다. 그러나 본 논문에서는 최대값 만을 나타내었다. 측정 도중 비전도 상태에서 HCR 샘플이 소비하는 시간을 측정 한 값 과 전도상태에서 누설전류를 나타내었다^[11]. 동기화 된 비디오 및 누설 전류 트래킹을 조사한 결과, 아크가 있거나 단지 전도성 필라멘트가 있는 누설 전류 크기는 비디오 증거가 없으면 쉽게 구별 할 수 없다는 것을 알았고, 아크가 오손액 필라멘트와 직렬로 존재하기 때문에 아크는 전류 크기, 아크는 급격한 국부 가열에 의해 표면을 손상시키고 그리고 표면 온도는 ATH의 분해 또는 고온에서 실리콘수지의 분해와 같은 열화 과정이 발생할 위치를 결정하게됩니다.

물질 표면의 성질에 관련된 변화는 더 높은 표면누설전류를 촉진 할 수 있다. HCR 샘플이 도전상태에 있을 때 방전이 있거나 없을 수 있습니다. 간헐성은 이들 상태 즉, 도전성인지 또는 비도전성 상태인지의 비율을 예상 할 수 있다. 예를 들어, 오손액 유속이 증발 속도를 훨씬 초과하면 간헐성이 0% 일 때이고, 건조 대역(dry band)이 형성되지 않을 것으로 기대할 수 있다. 따라서 방전으로 인한 손상은 발생하지 않을 것이다. 이와는 반대로 간헐성이 매우 높을 때 오손액의 흐름이 낮기 때문에 아크로인한 표면손상 즉, 표면열화를 가져오게 될 것이고 아크가 안정될 만큼 충분한 전류가 없음을 의미한 것이다. 이것은 특정한 시험 조건에서 최대 표면침식에 해당된 최적의 오손액 유속이 있음을 의미합니다. 또한 오손액의 증발율이 흐르는 유량과 같으면 안정된 아크가 발생하는 것으로 예상할 수가 있다.

본 연구의 누설전류의 측정결과 정극성의 경우 6시간 동안가장 많은 누설전류 펄스크기의 최대값이 40~49m크기를 갖는 펄스수가 232개(232분) 많은 발생을 나타내었고 그리고 그 이상의 누설전류크기 50~59mA를 갖는 펄스수가 66개 (66분)를 나타내었다. 360분(360개 펄스 수)동안 82.8%의 펄스 발생을 나타낸 것이다. 이는 4.5kV, 0.6ml/min동안 지배적인 누설전류 펄스임을 알 수 있었다. 이와같은 펄스가 표면온도 및 열화에 치명적인 요인으로 평가될 수가 있다. 또한 부극성의 경우 누설전류 펄스크기가 30~39mA의 펄스 수는 269개(269분)과 20~29mA의 경우 56개(56분)이 부극성 트래킹의 누설전류 대부분의 펄스크기를 나타낸 것이다. 360분 측정시간 동안 90.2%의 펄스를 나타낸 것으로 정극성과 마찬가지로 열화에 주요한 펄스임을 나타낸 것이다.

이상의 결과로 볼 때 정극성이 부극성에 비하여 상대적으로 HCR 시편에 가혹한 환경임을 나타낸 것이며, 아크성에 의하여 표면의 온도가 더욱더 높을 수 있고 가혹한 표면의 침식을 가져올 것임을 암시하는 결과임을 알 수 있었다.

3.4 HVDC 전극의 효과

그림 9에서는 정극성 DC와 부극성 DC의 트래킹 실험결과상태를 나타내었다. 전극과 물질 침식에 대한 DC 극성의 효과는 여러 연구자들에 의해 보고되었다^[8],^[11],^[12]. DC 트래킹 실험에서 모든 전극은 심하게 침식 될 수 있으며, 또한 침식이 이루어졌다. 정극성 DC은 전기분해로 인해 부극성 보다 훨씬 더 많이 침식되었다^[13]. 일반적으로 상부전극은 정극성 또는 부극성으로 전원이 인가되지만, 정극성 DC로 전원이 인가되면 금속이온을 유리시키는 전기 분해 과정이 전기 전도도를 높이는 데 기여할 수 있다. 또한 그 외 다른 가능성은 연소 아크가 전도성을 증가시키는 전기분해의 효과를 나타낸다^[14]. DC실험에서, 고온 아크에 의해 하부전극의 전기분해 및 산화로 인한 정극성의 침식에 대한 증거가 있음을 보고하였다^[13].

정극성 DC 측정은 평균 누설 전류가 더 높고 간헐적이며 더 큰 침식과 더 큰 샘플 질량 손실을 가져 오는 반면, 부극성의 경우 6시간에 대한 트래킹에서 트래킹 진전은 정극성 DC보다 짧다. 관측된 표면열화 패턴은 극성에 따라 각각의 경우에서 상당히 다름을 알 수 있었다.

3.5 HCR의 ATH 충진 조성비 효과

표 2에서는 HVDC용 초고압애자의 절연소재를 개발하기 위하여 두 종류의 HCR/ATH Composites를 선정하였고, 샘플을 제조하였다. Sample_A(S.A) 그리고 Sample_B(S.B)의 조성비는 실리콘수지, HCR(High Temperature Vulcanized Silicone Rubber)를 베이스수지로 사용하였고, S.A에서는 한 종류의 ATH(alumina trihydrate: 입자크기_1μm), 충진함량 55.8wt% 그리고 S.B에서는 두 종류의 ATH(alumina trihydrate: fine 입자크기_1μm+coarse입자_18μm), 충진함량 56.5wt%를 갖는 샘플을 사용하였고 두 종류의 밀도는 S.A의 경우 1.5[$\mathrm{g} / \mathrm{cm}^{3}$]이었고 그리고 S.B의 경우 1.72[$\mathrm{g} / \mathrm{cm}^{3}$]를 나타내었다.

그림 4의 경우 S.A 샘플의 정극성 DC의 트래킹 그리고 침식성을 실험한 결과이고, 그림 10에서는 S.B 샘플의 정극성 DC 트래킹 및 침식성을 실험한 결과의 누설전류 측정결과를 나타내었다. 실험결과 S.A의 경우는 6시간을 통과하였고 반면 S.B의 경우는 250분(4시간10분)에 60mA/2s의 IEC 60587 규정에 의하여 fail되었다.

ATH 무기물 필러의 효과는 탄소함량과 절연재의 트래킹성에 대한 강한 감수성 사이의 상관관계가 보고되었다^[15]. 산화가 없는 경우, DBA(dry band arcing)에 의해 표면이 분해된 후 하우징 물질에 탄소 잔여물이 존재하게 된다^[15]. 탄소함량을 감소시키기 위해 난연성 충진제의 첨가와 유사하게 무기 충진제의 첨가가 트래킹형성을 억제하기 위해 사용 되어지고 있다. ATH는 수화한(물을 포함한) 알루미나로서 내부산화를 촉진시켜 트래킹을 억제한다. Norman et al.^[16]에 의하면, 분광 분석은 수증기가 중합체로부터 분해된 유기그룹과 상호 작용함으로써 내부산화가 일어나서 탄소산화물 및 기체 탄화수소를 생성하는 것으로 보고되고 있다.

Parr과 Scarisbrick^[17] 등의 연구자들은 ATH에 수화된 물이 방출 될 때 탄소 잔유물을 분사시켜 표면을 깨끗하게 하고 그리하여 전도성의 경로형성을 억제하는 것으로 보고하고 있다. 또한 ATH가 HCR 복합재의 열전도도를 높이고 그리고 DBA에서 발생된 표면의 열을 수화에 의해 열을 떨어뜨리는 역할을 하기 때문에 트래킹의 침식을 억제하는 효과를 갖는 것으로 보고하고 있다. R. S. Gorur는 내부산화는 트래킹 저항을 현격하게 증가시킬 수 없다. 이유는 DBA가 약 540°C ATH가 2차분해 단계를 개시하는데 충분히 혹독하지 않기 때문으로 보고하고 있다^[18]. 그들은 HCR/ATH콤포지트의 열전도도와 수화의 물에 의한 세척 효과를 높이기 위해 ATH의 영향을 강조했다^[19]. 나노실리카로 채워진 실리콘 고무 합성물 사이에 ATH로 충전되어 열 전도성 및 내 침식성을 발휘할 수 있는 정도를 50wt% 정도로 유지하는 것이 좋은 특성을 얻을 수 있다. S.A와 S.B의 차이는 fine한 1μm ATH입자를 50wt%이상(55.8wt%)을 충진시킨 콤포지트와 거친(coarse) ATH 18μm 50%와 ATH 1μm 50%를 혼합하여 충진한 콤포지트로서, 거친 ATH를 충진함 경우 밀도는 높았다. 그러나 나노입자보다는 입자크기가 크지만 fine한 입자의 경우, 수지와 입자간 계면이 불량하여 결합력이 약하고 같은 조건하에서 트래킹 및 침식성 실험에서 열화에 더욱더 민감하게 반응한 결과이며 그 결과 침식이 훨씬 빠르게 진행되는 결과이다. 그러나 전체가 1μm이 경우 S.B의 경우보다 계면이 크고, 수지와 입자계면이 양호한 결과로 평가 될 수 있다. 그런 이유로 S.A가 S.B 보다 4.5kV, 0.6ml/min IEC 60587 규정에 의한 트래킹 및 침식실험 결과 우수한 특성을 갖는 것이다.

3.6 열전도도 효과

열전도는 $\lambda(T)=\alpha(T)\times\rho(T)\times C_{P}(T)$ (1)

$\lambda :$Thermal Conductivity, $\rho$: Bulk Density, $C_{P}:$Specific Heat, $\alpha$:Thermal Diffusivity 으로 나타낸다.

IPT 동안, 두 전극은 강제적으로 흘러 보내는 오손액이 필라멘트로 가교되어 표면의 누설 전류의 전도 및 주울 가열을 초래하게 된다. 건식 밴드(Dry bands)에 인가된 전압이 항복 전압을 초과하면 전도성 필라멘트 및 아크에서 형성된 건조 밴드가 시작되게 된다. 건식 밴드 아크(dry band arcing)는 전도성 필라멘트를 따라 무작위로 형성된다. 열은 아크에서 HCR 표면으로 옮겨져 샘플의 열분해를 유발할 수 있고 그리고 검은색의 오손액이 흐를 수 있는 친수성의 띠를 형성하게 된다. 시험이 계속되면서 탄소 트래킹이 더욱 넓어지고, 방전 위치가 바닥 전극 쪽으로 내려가게 된다. 이는 연속적인 방전에 의해 필라멘트상의 소수성이 소실되고, 필라멘트가 넓어지고 수막(water film)으로 발전하는 원인이 된다. 그러나 충진함량이 낮은 복합 재료의 방전 영역에 더 많은 열이 축적되어 축적된 열이 트래킹 및 침식성의 주요 원인이라는 것을 알 수 있었다. 따라서, 더 높은 열전도도를 갖는 시험편은 방전 영역에서 상대적으로 낮은 온도를 나타내고, 주변 영역에서는 더 높은 온도를 나타낸다. 그러나 주변 지역의 고온은 시험편의 열분해를 일으킬 정도로 높지 않았다. BN 입자의 함량이 증가함에 따라 시편의 방열이 향상되고 내식성이 증가한 결과를 얻게 된 것이다.

그러나 본 연구에서는 S.B가 S.A보다 열전도도가 높다. 밀도와 열확산계수가 S.A보다 S.B가 높기 때문에 열전도도가 높은 것이다. S.B의 필러의 조성비는 ATH 입자가 상대적으로 큰 18μm가 50% 함유하기 때문이며, 열확산계수가 높은 이유는 구조적으로 내부구조가 상대적으로 큰 입자사이로 1μm입자의 배열이 이루어져 치밀한 조직을 갖을 수 있기 때문이다. 그런 이유로 열확산이 용이하게 이루어진 것이다. 그 결과 S.B가 S.A보다 열전도도가 높은 이유 일 수 있다. 그러나 18μm ATH의 계면은 1μm만이 혼합된 ATH 콤포지트 계면보다 취약한 상태이다. 표 3의 결과에서 볼 때, S.A가 S.B보다 인장강도의 경우 217% 높은 결과를 나타내었고, HVDC 절연파괴 강도(BDV)의 결과에서도 9.7% 향상된 결과를 얻게 되었다. 이와 같은 결과로 볼 때, 18μm+1μm의 혼합된 ATH의 경우가 18μm ATH의 무기물과 수지와의 계면특성이 약한 결과이다. 그러나 경도는 S.B가 S.A보다 15.7%향상된 결과는 마이크로 ATH의 무기물 충진함량이 높을수록 경도는 높은 결과를 가져오는 것은 매우 일반적이다. 이로서 fine한 ATH 무기물의 충진은 Coarse+fine ATH 무기물 충진으로 열전도도의 특성보다 더 계면의 영향이 우선적임을 알 수 있다.

4.1 전기적, 기계적 물성의 특성평가

전기적 특성 평가는 HVDC 정극성 절연파괴를 실시 하였 다. S.A가 S.B보다 9.7% 향상된 결과를 얻었고 그리고 기계적 인장강도는 S.A가 S.B보다 217% 향상된 결과이다. 더불어 경도는 S.B가 S.A보다 15.7% 향상된 성능을 나타내었다. 이와같은 결과를 토대로 볼 때 S.A가 S.B보다 우수한 결과를 갖는 것은 HCR/ATH 입자의 크기와 조합에 따라 18μm ATH 입자계면의 결함으로 인하여 S.B의 특성이 낮은 결과의 결론을 얻게 되었다.

4.2 누설전류계측을 이용한 HVDC 극성의 영향

+4.5kV DC, -4.5kV DC을 인가하였고, 오손액의 속도는 0.6ml/ min을 흘러 보냈을 때 +DC와 –DC 모두 6시간을 통과하는 결과를 얻었다. 누설전류의 측정결과를 기준으로 볼 때, 정극성이 부극성에 비하여 상대적으로 HCR 시편에 가혹한 환경임을 나타내었고, 아크성에 의하여 표면의 온도가 더욱더 높을 수 있고 가혹한 표면의 침식을 가져올 것임을 암시할 수 있음의 결론을 얻었다.

4.3 누설전류 계측을 이용한 무기물 필러의 영향

SA.의 경우 Fine한 ATH입자 100%를 충진한 경우와 S.B의 경우 Fine한 입자+Coarse한 입자를 혼합한 샘플의 경우 Fine한 ATH입자를 갖는 S.A의 정극성과 부극성모두 6시간을 통과하였고 그리고 Coarse한 입자로 인한 계면 결함으로 정극성 실험에서 250분에서 fail한 결과를 얻게 되었다. 이와같은 결과를 볼 때, ATH입자가 작을수록 계면이 비표면적이 넓어 양호한 계면을 갖게 되어 트래킹 및 침식성에 영향을 주고 있다는 결론을 얻었다.

4.4 누설전류 계측과 열전도의 영향

열전도의 특성평가에서 S.B가 S.A보다 높은 결과를 얻게되었다. 그러나 S.B가 S.A보다 트래킹 및 침식성 실험에서 빠른 시간에 Fail에 이르렀다. 이는 열전도가 우수하면 표면의 아크방전에 의해 발생된 온도가 표면에 전달되어 열화의 원인이 된다. 그러나 열전도보다 계면의 결함이 트래킹 및 침식에 더욱더 큰 영향을 주는 결론을 얻게 되었다.