2.1 시편 제작

본 연구에서 에폭시(HTS-3225, ㈜제일하이텍) 수지와 마이크로 필러를 사용하여 복합체를 제조하였다. 복합체 제작에 사용되는 필러로는 $BN$(APS≒40 [um], Purity = 99%), $SiO_2$(APS≒22 [um], Purity = 99%), $Al_2O_3$(APS≒5 [um], Purity = 99%)와 $TiO_2$(APS≒5 [um], Purity = 99%)가 고려되었다. Table 1에는 본 연구에서 제작한 시편을 제시하였으며, Table 2에는 각 시편제작의 상세 함량비를 나타내었다.

복합체의 제작은 다음과 같은 절차에 따라 수행하였다. 교반기를 이용하여 에폭시 주제, 경화제, 필러를 2000 [RPM]에서 10 [min]분간 혼합하고, 이후 –0.08 [Mpa]의 진공에서 20 [min]동안 샘플내의 기포를 제거하였다. 기포가 제거된 혼합액을 금형에 넣어 경화를 진행한다. 100 [℃]에서 4시간 동안 1차 경화를 진행하고, 120 [℃]에서 8시간 동안 2차 경화하여 지름 100 [mm], 두께 2 [mm]의 디스크형 시편을 제작하였다.

2.2 실험방법

2.2.1 경사평면법

시편 샘플의 내트래킹성을 비교하기 위해서 경사평면법을 이용하였다. 경사평면법은 IEC 60587 규격에 따라 실험을 진행하였다. 그림 2는 본 연구에서 사용한 경사평면법 시험장치의 구성도를 도식화하여 나타낸 것이다.

각 시편은 50 [mm]의 간격으로 떨어져 있는 전극 사이에 놓인다. 이때 시편의 각도는 45도이다. 5.5 [kV]의 전압을 인가하였고, 오손액은 IEC 60587 규격에 따라 0.90 [ml/min]으로 설정하였다. 시편의 내트래킹성을 평가하기 위해서 하부 전극 기준으로부터 25 [mm]의 탄화 도전로가 생성될 때까지의 시간을 비교하였다. 오손액 제작은 증류수에 NH4CL(㈜대정화학) 0.1 [wt%]와 트리톤(Triton X-100) 0.02 [wt%]를 섞어 제작하였다.

2.2.2 유전율 및 유전손실 측정

본 연구에서는 그림 3과 같이 Tettex 사의 장비(Fully Automatic capacitance and Loss Fator tan δ Precision Measuring Bridge)를 사용하여 유전율 및 유전손실을 상온에서 측정하였다.

그림. 2. 경사평면법 (a) 실험 구성도 (b) AC 내전압 시험기 (c) 경사면 장치

Fig. 2. Inclined plane test (a) Diagram of experimental setup (b) Withstanding voltage tester (c) Inclined plane device

그림. 3. 유전율 및 유전손실 측정 장치

Fig. 3. Dielectric constant and dielectric loss measuring device

2.2.3 단시간 파괴실험

IEC 60243-1의 규격에 따라 단시간 파괴실험을 수행하였으며, 그림 4에는 실험 구성도를 나타내었다. AC 절연파괴 강도를 측정하기 위한 실험장치는 AC 내전압 시험기, 실험 전극으로 구성하였다. AC 내전압 시험기의 용량은 0.5 [kVA], 최대전압은 60 [kV]이다. 실험 중에 2차 인자인 연면 방전을 방지하기 위해 시편의 주변 매질로 광유를 사용하였다. 절연파괴가 10—20 [sec]사이에 일어나도록 전압을 1 [kV/s]씩 상승시키며, 절연파괴가 발생하는 전압값을 기록하여 각 시편의 절연내력을 비교하였다.

그림. 4. 절연파괴 실험 구성 (a) AC 절연파괴 실험 개략도 (b) 실험에 사용한 전극

Fig. 4. Breakdown experiment (a) Diagram of experiment for AC breakdown test (b) Electrode used for experiment

3.1 내트래킹성

그림 5는 본 연구에서 고려한 에폭시 복합체의 트래킹 시험 결과를 보여준다. $SiO_2$가 필러로 사용된 시편(SE, SAE, STE) 보다 $BN$이 필러가 사용된 시편(BE, BAE, BTE)의 트래킹 시간이 더 긴 경향성을 보였다. 또한 $TiO_2$ 입자를 추가로 첨가한 BTE 시편은 BE 시편에 비해 트래킹 시간이 약 70% 증가하였다. $Al_2O_3$ 입자를 추가로 첨가한 시편인 BAE 시편은 BE과 비교했을 때 트래킹 시간이 약 14%의 증가를 보였지만, BTE 시편에 비해서는 감소하였다.

SAE 시편의 경우, SE 시편보다 트래킹 시간이 약 27% 증가하였다. STE 시편은 SE의 시편보다 약 8%의 트래킹 시간 증가를 보여주었다. $BN$/에폭시, $SiO_2$/에폭시 마이크로 복합체에 추가로 $TiO_2$ 입자를 첨가되었을 때 내트래킹성이 증가한 것을 볼 수 있다. 반면 $Al_2O_3$ 입자를 첨가하였을 때는 $TiO_2$ 입자를 첨가하였을 때보다는 낮은 성능을 보여주었다.

한 종류의 필러만 첨가된 복합체인 BE 시편과 SE 시편을 비교할 경우에는 BE가 SE보다 2배 컸다. 필러로 사용된 $BN$이 $SiO_2$보다 내트래킹 실험에서 우수한 성능을 보여주었다. 위와 같은 시험 결과는 첨가되는 필러의 열전도도와 크기의 영향에 따른 것으로 판단된다. 재료의 내트래킹성의 경우 재료의 열전도도가 중요한 요인 중 하나이다^[14]. 누설전류가 흐름에 따라 발생되는 열 축적을 감소시키기 위해서는 절연물의 높은 열전도도가 요구된다. 높은 열전도도는 보다 빠른 열 분산에 도움을 주며 절연물의 내트래킹성 향상을 기대할 수 있다. 열전도도가 클수록 국부적인 지역의 열 축적을 방지하며 열분해를 방지한다. 따라서 필러를 첨가할 경우 열전도도가 증가하여 내트래킹성이 향상된다.

Table 3에서 나타낸 것처럼 본 연구에서 진행한 $BN$ 입자의 고유 열전도도가 $SiO_2$ 입자의 고유 열전도도보다 100배 정도 큰 것을 알 수 있으며, 이와 같은 $BN$ 입자의 우수한 열전도도 특성이 그림 5와 같은 내트래킹성 결과에 기여한 것으로 판단된다. 필러의 열전도도와 더불어 필러의 크기 역시 복합체의 열전도 성능에 영향을 끼친다. $BN$/에폭시 복합체와 $SiO_2$/에폭시 복합체에 대한 열전도도 분석에 대한 연구결과에 따르면^[15], 동일 함량비에 대해서 필러의 평균 입자 크기가 작을수록 복합체의 열전도도가 향상되는 것으로 확인되었다. 또한, $Al_2O_3$/HDPE 복합체를 대상으로 수행한 연구결과에서도 이와 유사하게 동일한 필러를 사용할 경우에도 필러의 크기가 작아질수록 복합체의 열전도도 향상 효과가 더 커짐이 보고되었다^[16]. 그림 5의 실험 결과에서 크기가 작은 입자($Al_2O_3$, $TiO_2$)를 첨가함에 따라 트래킹 시간이 증가함을 보여주었다. 입자가 작아질수록 필러의 표면적이 크게 증가하여 모체와 필러 사이의 강한 결합 효과를 나타내며 열전도 네트워크를 형성하기가 쉬워진 것으로 판단된다.

그림. 5. 시편 종류에 따른 트래킹 시간

Fig. 5. Tracking time for type of specimen

3.2 유전율

그림 6은 실험에서 사용된 시편의 비유전율을 측정한 결과이다. Neat 시편의 비유전율은 평균 3.18의 값을 나타내었으며, BE 시편의 경우 비유전율이 평균 3.58로 측정되었다. $BN$ 입자가 첨가되면서 에폭시 복합체의 비유전율이 에폭시 시편보다 비유전율이 증가한 것을 볼 수 있다. BAE 시편은 $Al_2O_3$ 입자가 추가로 첨가되면서 비유전율이 더 증가하였지만 BE 시편과 큰 차이를 보이진 않았다. BTE 시편의 경우 $TiO_2$ 입자를 첨가하면서 BE, BAE 시편에 비해 비유전율 값이 상승하였다. $SiO_2$ 입자를 필러로 사룡한 시편은 $BN$을 필러로 사용한 시편보다 더 큰 비유전율 값을 보여주었다. $SiO_2$를 필러로 첨가한 시편도 $TiO_2$ 입자를 첨가하였을 때 가장 비유전율이 많이 증가하였다. 필러의 첨가에 따라 발생된 비유전율의 변화는 다음과 같은 요소로 인한 것으로 판단된다.

그림. 6. 각 시편의 비유전율

Fig. 6. Relative permittivity of each specimen

필러가 첨가된 복합체의 비유전율은 식(1)과 같이 표현된다^[17].

이때, $\epsilon_{rtotal}$은 복합체의 비유전율이며, $v_{1}$과 $v_{2}$는 복합체에서 차지하는 각 물질의 부피 비이다 ($v_{1}+v_{2}=1$). $\epsilon_{r1}$과 $\epsilon_{r2}$은 각 물질의 비유전율을 의미한다. 또한 Table 4에는 각 복합체에 첨가된 필러의 유전율 값이 제시되어있다. 식(1)과 Table 4에서 볼 수 있듯이 그림 6과 같은 비유전율 값의 성능은 비유전율의 값이 큰 필러의 첨가에 따른 결과로 판단된다. 이와 같이 비유전율이 상대적으로 큰 필러가 첨가될 경우에 발생되는 복합체의 비유전율 상승은 에폭시뿐만 아니라 $TiO_2$가 첨가된 실리콘 고무 복합체에서도 보고되었다^[18]. 한편, 필러가 첨가된 복합체의 유전특성을 분석함에 있어서 계면분극의 기여 역시 고려해야 한다^[19]. 실례로, 복합체에서 계면분극 매커니즘은 $BaTiO_3$/에폭시 복합체^[20]의 유전특성을 설명하는 주요 인자로 유사 선행연구에서 고려되었다.

3.3 유전손실

그림 7은 각 시편의 유전손실을 나타내었다. Neat에서 가장 낮게 측정되었고, 필러를 첨가할수록 유전손실이 커지는 결과를 얻었다. 제 2의 필러가 추가로 첨가된 BAE 시편과 BTE 시편은 BE 시편보다 증가한 것을 보여주었다. SAE 시편과 STE 시편 또한 SE 시편보다 유전손실이 증가한 것을 볼 수 있다. 이와 같은 결과는 필러가 첨가됨에 따라 발생되는 유전율 및 전기전도 특성 변화와 관련된 것으로 판단된다.

그림 7과 같은 결과는 $SiO_2$/LDPE 복합체를 대상으로 수행된 분석결과 ^[21]과 유사하게 필러가 첨가됨에 따라 전기 쌍극자의 회전을 방해하는 요소가 많아짐에 따른 것이다. 방해요소의 증가는 필러가 전혀 첨가되지 않은 순수 시편에 비해서 외부 전계에 대해 쌍극자가 반응하는 시정수의 증가를 초래하여 이는 분극과정에서의 유전손실이 상승을 가져온다. 필러의 함량이 증가함에 따라 복합체의 유전손실이 증가하는 경향은 나노 복합체를 대상으로 한 연구 ^[22]에서도 보고되었다.

s 한편, 고분자 물질에 필러가 첨가될 경우에는 분극 매커니즘 뿐만 아니라 전하를 운반할 수 있는 캐리어의 숫자가 증가하여 복합체의 유전손실이 증가함도 고려되어야 한다^[23]. 필러의 첨가에 따라 전하의 이동도가 영향을 받는 정도는 필러의 함량비, 복합체 내의 입자간 거리, 입자가 서로 접촉할 가능성 등에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다^[23].

그림. 7. 각 시편의 유전손실

Fig. 7. Dielectric loss of each specimen

이와 같은 경향성은 복합체 내부를 구성하는 물질 간의 비유전율 차이 및 복합체 내에서의 전자이동 특성 변화에 따른 것으로 설명할 수 있다. 그림 8의 절연내력 결과에 따르면 유전율 값이 에폭시 모체와 비교적 유사한 수준인 $BN$이 첨가된 시편들의 절연파괴 전계 값이 $SiO_2$가 첨가된 시편들에 비해서 높음을 알 수 있다. 복합체를 구성하는 입자간의 비유전율 차이가 클수록 전계집중 현상이 보다 심하게 발생하게 되며, 이는 절연내력의 감소를 야기한다. 에폭시 모체와의 비유전율 차이가 상대적으로 큰 $TiO_2$와 $Al_2O_3$ 입자가 추가로 첨가된 시편(BAE, BTE, SAE, STE)의 절연내력은 해당 필러가 첨가되지 않은 시편보다 작은 것으로 측정되었다. 한편, ^[25]에서는 $BN$이 함량이 증가함에 따라 $BN$/에폭시 복합체의 표면저항과 부피저항 모두 감소하는 경향을 보였으며, ^[26]의 연구에서는 나노 복합체의 경우에는 마이크로 복합체에 비해서 우수한 절연내력을 보였다. 나노 복합체에 비해서 마이크로 복합체에서는 느슨한 계면 구조 및 다양한 결함(defect)의 영향으로 설명하였다. 이와 같은 분석결과는 이종의 마이크로 필러가 첨가된 에폭시 복합체의 개발시에 참고할 사항으로 판단된다. 전력기기에 사용되는 절연재료의 경우에는 다양한 요구조건을 만족해야 하기 때문에 최적의 필러 조합 선택시에 필러 추가에 따른 다양한 성능 변화 경향에 대해 검토가 필요하다.

그림. 8. 각 시편의 절연파괴 전계

Fig. 8. Breakdown field of each specimens

1. 혼합 복합체의 내트래킹성

$BN$을 첨가한 시편이 $SiO_2$를 첨가한 시편보다 트래킹이 발생하는 시간이 증가하였으며, 이는 사용된 필러의 열전도도가 트래킹 시간에 큰 영향을 끼쳤다. 국부적인 열 축적을 방해하는데 필러가 큰 작용을 하였으며, 내트래킹성 향상에 기여를 한 것으로 보인다. 필러 입자의 열전도도가 클수록 내트래킹성의 향상을 기대할 수 있다.

2. 필러 혼합에 따른 유전특성

필러를 첨가할 경우 Neat 시편보다 복합체에서 유전율이 증가하였다. 본 연구에서 사용된 모든 복합체에서 Neat 시편보다 더 높은 유전율 값을 얻었으며, 유전손실 또한 증가하였다. 단일 복합체보다 혼합 복합체에서 비유전율과 유전손실 모두 증가하는 경향을 보였다.

3. 혼합 복합체의 절연내력

필러의 종류에 따라 절연내력이 감소하는 크기는 달랐지만, 필러의 첨가는 에폭시 절연물의 절연내력을 감소시켰다. 필러 함량이 증가할수록 절연내력이 감소함을 보였다. 특히, 모체와 필러간의 유전특성 차이에 대한 고려가 필요하다.

필러의 함량이 증가할수록 절연내력은 꾸준히 감소하지만, 내트래킹성은 일정수준 이상의 필러 함량에서 향상 폭이 줄어든다. 따라서 필러의 농도는 절연내력과 내트래킹성의 증감비를 고려하여 함량비를 결정해야 한다. 이러한 추가 필러의 첨가는 내트래킹성 향상에 큰 기여를 하였다. 쉽게 외부에 노출되는 환경에서 사용될 경우, 표면에서 발생하는 트래킹을 억제하여 절연물의 고장을 방지할 뿐만 아니라 기대수명향상을 기대할 수 있다. 본 실험에서 제 2의 필러로 기본 필러($BN$, $SiO_2$)보다 상대적으로 크기가 작은 마이크로 필러($TiO_2$, $Al_2O_3$)를 사용하였다. 필러의 종류와 크기가 복합체에 미치는 영향을 알아보기 위한 연구로서, 제 2의 필러로 다양한 크기의 마이크로 필러와 나노 필러를 첨가하여 복합체의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해 추가적인 연구를 진행할 계획이다.