2.1 재료

본 논문에 사용한 실리콘수지는 XIAMETER®RBL-1551–55P로서, 고전압 그레이드 액상실리콘 고무를 사용하였다. 2액형 타입으로, Cure conditions: 10 min×120°로 하였다. 후경화 조건은 170℃×(0, 2, 4, 6, 8hr)의 조건하에서 HVDC 전기적 절연파괴와 기계적 인장강도 특성에 근거하여 후경화 조건을 170℃×6Hr으로 결정하였다. 그리고 사용된 Nano SiC (Silicon Carbide)은 반도전성 무기물로서 평균 입도는 40 nm이고, 큐빅(cubic) 형태의 모양을 나타내었다. 제조사에 의해 제공된 SiC의 순도는 99% 이상이다.

2.2 Nano SiC 표면개질

나노 SiC의 분산성을 향상시키고 계면특성을 강화하기 위해서 비닐계 실라잔 화합물을 사용하여 나노 SiC 표면을 개질하였다. 나노 SiC는 US Research Nanomaterials, Inc. 社의 Beta type 제품을 사용하였다. SiC 표면에는 실란올 그룹과 반응할 수 있는 OH 기가 없기 때문에 SiC 표면을 개질하기 위해서는 먼저 SiC 표면을 과산화수소 (H$_2$O$_2$) 중에서 처리하여 OH기를 형성시켜야 한다.

2.1.1 1단계 : SiC 표면의 과산화수소 처리에 의한 Si-OH 형성

나노 SiC 3g을 35%의 H$_2$O$_2$ 125g에 넣고, 105℃에서 4시간 환류시키면서 반응시킨다. 이 반응에 의해 Si-C-Si 사슬이 깨어지고, Si-OH가 표면에 형성되게 된다. Si-OH의 형성 여부를 판별하기 위해서 반응이 종료된 샘플을 증류수로 세척한 후 80℃ 오븐에서 24시간 건조 후 FT-IR 분석을 시행하였으며, 그 결과는 다음 그림 1과 같다.

그림. 1. SiC 표면의 과산화수소 처리에 의한 Si-OH 형성

Fig. 1. Si-OH formation by hydrogen peroxide treatment on SiC surface

위의 그림 1에서 보는 바와 같이 미처리 나노 SiC의 IR 차트에서는 Si-C 특성피크가 600~800 cm^-1 영역에서 강하게 나타나며, 1010 cm^-1에서 Si-O 특성 피크도 같이 나타나는 것을 볼 수 있다. 원재료 제조사에서 제공한 Data Sheet에는 산소 (O)가 없는 것으로 밝히고 있지만, 실제 IR 분석을 통해서 Si-O-Si 결합이 존재한다는 것은 보관 중에 Si-C-Si가 산화되어 Si-O-Si가 생성됐다는 것을 의미한다. 이를 확인하기 위해서 미처리 SiC 화합물에 대한 EDS 분석을 통해서 원소 분석을 실시하였다. 아래 그림 2와 표 2에서와 같이 산소의 조성비가 2.81 atomic%를 갖는 것을 볼 수 있으며, 이는 시료 보관 과정에서 산화가 진행됐다는 것을 의미한다.

그림. 2. 미처리 나노 SiC의 EDS 분석

Fig. 2. EDS analysis of untreated nano SiC

표 2. 원소분석

Table 2. Elemental analysis

그렇지만, 공기 산화에 의해 생성된 Si-O는 과산화수소 처리에 의해 생성되는 Si-O와 같은 결합이기 때문에 미리 제거할 필요가 없다. 즉, 과산화수소 처리 나노 SiC의 IR 차트에서 보듯이 과산화수소 처리에 의해 Si-O 피크의 크기가 증가하는 것을 볼 수 있다.

2.1.2 2단계 : 비닐 실라잔 표면처리 나노 SiC 개발

1단계에서 제조된 나노 SiC 3g에 증류수 150g을 분산시킨 후, 초음파 처리하여 표면의 기포를 제거하였다. 그리고, 1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyl disilazane (DVDS) 3g과 HCl 2.2g을 혼합하고, 50, 60, 70℃에서 각각 5시간 씩 반응시켰다. 그리고, 이들 샘플들에 대한 FT-IR 분석을 실시하였다. 아래 그림 3에서 보는 바와 같이 2900cm^-1 정도에 실라잔에서 기인하는 CH$_2$, CH$_3$ 기가 새로 나타나는 것을 볼 수 있으며, 반응온도가 증가함에 따라 CH$_2$와 CH$_3$의 특성피크가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이로부터 반응온도가 높을수록 실라잔이 SiC 표면에 잘 결합된다는 것을 확인할 수 있었다.

그림. 3. SiC 표면 부식에 미치는 온도의 영향

Fig. 3. Effect of temperature on SiC surface corrosion

그림. 4. 비닐 실라잔의 비닐 실란올화 반응

Fig. 4. Vinyl silanolation reaction of vinyl silazane

이에 대한 반응 메커니즘을 살펴보면, 아래 그림 4에서와 같이 먼저 한 분자의 비닐 실라잔이 물 및 염산과 반응하여 두 분자의 비닐 실란올 화합물과 염화암모늄을 생성하게 된다.

그리고, 그림 5에서와 같이 생성된 실란올 화합물은 나노 SiC의 OH와 반응하여 표면에 결합된다.

그림. 5. 비닐 실란올과 나노 SiC의 반응에 의한 SiC 표면의 개질

Fig. 5. Modification of SiC surface by reaction of vinyl silanol and nano SiC

반응이 완료된 후 시료는 톨루엔을 사용하여 2회 세척 및 원심분리를 실시하였고, 80℃에서 24시간 건조 후 실리콘에 도입한다. 결과적으로 나노 SiC의 표면이 실리콘의 성질과 유사한 특성을 갖게 되므로 분산이 용이하며, 또한 반응에 의해 가교제와 반응함으로써 계면특성이 크게 강화될 것으로 기대된다.

나노 SiC 표면에 대한 비닐 실라잔의 부착에 미치는 시간의 영향을 관찰하기 위해서 반응 온도를 70℃로 고정하고, 시간을 변경하면서 반응을 진행하였다. 아래 그림 6에서 FT-IR 차트에서 보는 바와 같이 반응시간이 증가함에 따라 2900cm^-1 정도에서 CH$_2$, CH$_3$ 기의 특성 피크가 크게 증가한다. 즉 SiC 표면에 상당량의 비닐 실라잔이 결합된 것을 의미한다.

그림. 6. SiC 표면의 비닐 실라잔 처리에 의한 개질

Fig. 6. Modification of SiC surface by vinyl silazane treatment

부착된 비닐 실라잔의 함량을 측정하기 위해서 열중량 분석을 실시하였다. 열중량 분석 온도 범위는 실온에서 600℃까지 측정하였고, 승온속도는 10℃/min의 조건에서 실시하였다. 발생 가스를 제거하고 마이크로 밸런스를 보호하기 위해서 헬륨 퍼지 가스를 30 ml/min의 유속으로 흘려보냈다. 비닐 실라잔으로 표면 처리된 유기물의 함량을 계산하기 위해서 70℃에서 5시간 표면처리한 나노 SiC를 110℃ 진공오븐에서 24시간 건조시킨 후 열중량 분석을 실시하였으며, 그 결과 아래 그림 7에서, 나노 SiC 표면에 결합된 비닐 실라잔 부착량은 3.18wt%이었다.

그림. 7. 비닐 실라잔 처리 나노 SiC의 TGA 분석 결과

Fig. 7. TGA analysis results of vinyl silazane-treated nano SiC

2.2 비닐 실라잔 처리 나노 SiC와 실리콘고무와의 화학반응에 의한 계면특성 향상

비닐 실라잔 처리 나노 SiC와 실리콘 경화제의 SiH가 화학 반응하여 공유결합이 이루어지면서 계면 특성이 향상된다. 이에 대해서 다음 그림 8에 자세히 나타내었다. 즉, 비닐기와 SiH가 백금 촉매가 존재하는 조건에서 가열되면 이중결합이 깨지면서 비닐 실라잔과 경화제 사이에 공유결합이 이루어지게 된다. 비닐기와 경화제 사이의 반응은 실리콘고무 메트릭스 수지와 경화제 사이에서 일어나는 공유결합 반응과 동일하기 때문에, 결과적으로 나노 SiC가 실리콘 매트릭스 사이에 공유결합 하에서 분산되게 되므로 계면특성이 크게 향상되어진다.

그림. 8. 나노 SiC 표면의 비닐 실라잔과 실리콘 경화제의 SiH 사이의 공유결합

Fig. 8. Covalent bond between vinyl silazane on nano SiC surface and SiH of silicone curing agent

즉, 아래 그림 9에서와 같이 각각의 나노 SiC가 실리콘 매트릭스 중에 분산되어 존재하게 되어, 실리콘/나노 SiC 콤포지트를 제조하였다.

그림. 9. 실리콘 매트릭스 중 실라잔 처리 나노 SiC의 균일한 분산

Fig. 9. Uniform dispersion of silazane-treated nano SiC in silicon matrix

2.3 (+)HVDC IPT Tracking and Erosion System

트래킹 샘플은 측정 샘플표면이 아래쪽에 수평을 이루는 각도 45°로 설치된다. 상부 전극 아래에 고정된 여과지를 사용하여 오손물질(탈이온수+NH4Cl+비누제인 Triton X-100으로 만든 오손액의 conductivity는 2.5mS/cm)을 일정한 간격동안 미량의 오손 액이 그림 10에서 보여준 것처럼 전극사이 샘플 아랫 방향으로 떨어뜨린다. 누설전류 측정은 누설전류 측정장치인 Datatec사, SEFRAM/DAS60으로 6채널, 전력분석함수 400Hz 이상, 14비트 resolution, 1Ms/s sampling rate, 100kHz bandwidth 그리고 DC, AC+DCRMS voltage measurement을 할 수 있는 레코더를 사용하였다. 측정된 결과의 자료를 볼 수 있도록 제공된 Seframviewer를 이용하여, 원하는 데이터를 얻을 수 있었다.

그림. 10. 트래킹 블록도 및 실제 시스템

Fig. 10. Tracking block diagram and actual system

측정 자료의 결과 값을 누설전류 최대값을 얻기 위하여 data acquisition sampling rate은 100μS로 데이터를 계측하였다. 1초에 10,000포인트의 자료가 계측되며, 1분이면 60만 포인트가 된다. 주파수로 표현하면 10kHz이다. 6시간 동안의 누설전류 자료를 분석하기 위하여 1 분에 하나의 자료를 얻을 수 있도록 60만 포인트의 신호 중 가장 큰 누설전류 최대값을 그래프에서 나타 내었다. 본 연구에서는 국제기준에 근거하여, “P1898 TM/D1506 Draft Standard for High Voltage Direct Current (HVDC) Composites Post Insulators”⁽¹⁴⁾, HVDC 인가전압, (+)4.5kV, 오손액의 속도는 0.25ml/min으로 설정하였다. 그리고 트래킹 및 침식의 판정기준으로 교류 누설전류의 경우 IEC 60587,KS C IEC 6087 그리고 ASTM D 2303의 경우 60mA/2s가 기준이 되어 pass 와 fail을 결정하였다. 본 연구에서도 (+)HVDC 누설전류의 경우 같은 기준으로 평가되었다.

3.1 구조적인 특성 (TEM)

SiO$_{2}$와 같은 SiC 나노필러 함량의 1~5wt% 범위에서 양호한 분산이 인정되었습니다. 결합제를 적용하지 않았더라도 응집 현상이 관찰되지 않았습니다. 위 TEM 영상(나노 SiC_1wt%, 3wt%)들은, XIAMETER ® RBL-9050-30P Liquid Silicone Rubber / 나노 SiC 복합체 중의 나노 입자 분산 상태를 보여주고 있다. 표면이 개질된 나노 SiC의 함량을 1~7wt% 범위에서 함량을 변화시켰다. TEM영상에서 보듯이 나노 SiC 충진 함량(nano_1wt%, 3wt%)에 관계없이 균일하게 분산되어 있음을 볼 수 있다. 나노 SiC가 소량 도입된 경우에도 다량의 나노 입자가 분산된 것처럼 보이는 것은 표면처리된 실리콘메트릭스에 충분히 분산된 나노입자가 분산상태에 있기에 소량의 나노 SiC가 도입되어도 다량의 나노입자가 혼입된 것처럼 보이기 때문이다.

그림. 11. 실리콘고무 /나노 SiC 분산된 콤포지트의 TEM 영상

Fig. 11. TEM image of silicone rubber/nano SiC dispersed composite

TEM에 부착된 EDS를 사용하여 원소 분석을 하여 나노 실리카와 나노 SiC를 구분하기 어려운데, 그 이유는 실리카의 구성원소는 Si와 O이고, SiC의 구성원소는 Si와 C며, 매트릭스로 사용된 실리콘도 Si, O, C로 구성되어 있기 때문이다. 따라서 나노 SiC의 분산은 HVDC 절연파괴, 내트래킹 특성 등의 평가를 통해서 간접적으로 확인하여야 한다. 고배율로 분산상태를 관찰하면 나노 실리카 및 나노 SiC 입자들이 개별적으로 분리되지 않고, 10 내지 30 개의 나노 입자로 클러스터를 형성하는 것을 볼 수 있다. 입자 일부가 응집되어진 것으로 보이지만, 외관상 입자크기는 클러스터 크기는 50~200nm인 상태로 분산되었다. 입자의 분산상태는 로딩레벨(충진함량)의 증가함에도 불구하고 실리콘고무와 나노 SiC 입자들 사이 계면의 상호작용이 양호함을 보져주고 있다.

3.2 표면개질된 Nano SiC 충진함량에따른 열전도 특성

열전도율과 나노 BN 충진함량 간의 관계를 예측하기 위해 이론적 기하 평균 모델을 S.M.Kong⁽¹⁵⁾ 연구자들은 나노 BN입자를 통한 기하학적인 평균모델을 필러의 양에 근거하여 계산된 결과를 사용하였다.

그림. 12. 나노 SiC충진함량 증가에따른 열전도도

Fig. 12. Thermal conductivity with increasing nano SiC content

본 연구에서는 실리콘 매트릭스에 나노 SiC를 충진. 분산시켜 제조한 콤포지트를 열평형법(ASTM D5470)으로 측정된 열전도도의 결과를 표 3에 나타내었다. 열전도도의 열평형법 측정은 구리기둥(Pillar)를 사용하여 상부냉각, 하부가열(Heating)을 실시하여 열량이 평형이 되는 순간 측정결과이다. 실리콘기반 나노SiC입자의 충진함량(1,3,5,7wt%)에 따른 콤포지트를 열평형법으로 측정된 결과를 그림 12에서 나타내었다.

Toshikatsu Tanaka⁽³⁾는 나노 SiC 콤포지트의 특성 중. 열분산, 고온 내구성, 반도전성 특성 등에 의해 부분방전 저항성의 영향 보다는 내트래킹 및 침식성에관한 성능에 큰 영향을 줄 것으로 보고하였다. 콤포지트의 열전도도 (W/mK)는 열효율로 평가되었고 그리고 열효율은 주변 환경과 열에너지의 교환능력의 척도로 평가하고 있다. 이처럼, 열을 전도하는 재료는 열이 표면으로 전도되기 때문에 온도 상승률을 낮게 된다. 그에 비하여 절연 재료는 열을 제대로 전도하지 못하기 때문에 표면온도가 상당히 높게 상승하게 된다⁽¹⁸⁾. 그런 이유로 본 연구에서는 실리콘수지에 열적분산능력 및 고온에서 내구성 그리고 반도전성 무기물인 나노 SiC를 첨가하여 열적성능을 높이고 전기전도성을 강화하기 위하여 제조하게 되었다.

복합재료의 열전도도에 영향을 주는 요소들은 무기물(filler)와 매트릭스의 고유 전도도, 무기물의 적재함량(concentration)정도, 무기물의 형상과 크기에 의존한다. 무기물의 종횡비 와 무기물의 농도가 증가할 때, 임계적 농도입자들이 매트릭스 내로 스며들어 서로서로가 접촉하게 되어 전도성 네트워크가 형성되는 것이다. 이런 구조가 본질적으로 복합재료 내에서 열전도도의 특성을 나타내게 된다⁽¹⁸⁾. 실리콘메트릭스에 나노 SiC_1wt%의 충진시 열전도도에 비하여 7wt% 충진시 열전도도는 1.71배 향상되었고, 3wt% 충진시 열전도도에 비하여 7wt%의 경우 1.404배 열전도도가 높은 결과를 나타내었다.

그림 12에서 실리콘메트릭스에 나노 SiC 충진함량의 증가는 반도전성 및 열분산에 우수한 특성을 갖는 표면개질된 나노 SiC입자의 충진된 입자수가 기하급수적으로 증가되어 실리콘고무사이로 침투되어 입자와 입자사이 간격이 매우 좁아지고 그리고 더욱더 충진함량이 증가하면 입자들의 접촉이 이루어져 열전도도가 향상되는 결과를 가져오는 것으로 사료된다.

복합재료에서 열전도와 이종의 물질 내 계면 특성의 영향을 살펴본다. 더욱이 메트릭스/무기물 복합체의 계면은 비금속재료의 열전도가 재료의 온도구배를 따라 포논(phonons) 또는 격자진동에너지의 흐름에 의해 발생하게 된다. 그러므로 2개의 상(phase)을 갖는 복합시스템에서 상과상 사이 계면접촉은 매우 중요하다. 이유는 포논들은 계면에서 표면결함에 매우 민감하기 때문이다⁽²⁴⁾. 계면에서 두 물질들 사이 비호환성은 열전도에서 접촉저항의 결과로 나타난 것이다. 다른 한편으로, 그것은 필러의 입자들이 콤포지트 내에서 연속적인 열전도 경로를 형성하기 위하여 서로서로가 접촉되는 것이 무엇보다 중요하다^(19,20).

본 연구에서의 경우, 표면개질된 나노 SiC 말단기와 실리콘고무의 말단기와의 화학적 수소결합으로 강한 계면을 얻게 되었다. 그러나 실리콘고무에 약간의 응집된 나노 SiC입자 클러스터가 있지만, 대체로 균질 분산된 콤포지트로 사료된다. 나노 SiC 충진함량 1,3,5,7wt% 에 따라 측정된 열전도도는 충진함량과 열전도도가 선형적인 비례성을 갖는 결과를 가져왔다. 이는 충진입자의 균질분산과 화학적인 계면결합 강화에 의한 결과로서 얻어진 결과로 사료된다.

3.3 SiC 충진함량과 트래킹 및 침식성의 침식량과의 관계

그림 13, 표 4에서는 (+)HVDC, 5kV와 오손액 0.25ml/min 조건하에서 실리콘기반 표면개질된 나노 SiC충진함량 1, 3, 5, 7wt% 콤포지트재료 각각 샘플 3개를 이용하여 트래킹 및 침식성 실험을 실시하였다. 나노 SiC 충진함량에 관하여 모두 전류에 관한 pass 또는 fail의 기준(60mA/2s)에 의하여 전체 샘플의 실험결과는 pass의 결과를 얻게 되었다. 표 3에서는 각각의 충진함량에 대하여 침식량의 결과를 나타내었다. 침식량은 각각의 충진함량 마다 3개 샘플의 평균침식량의 결과를 나타내었다. 나노 SiC의 충진함량이 증가할수록 트래킹 및 침식성 실험결과 침식량이 감소를 되는 결과를 나타내었다.

그림. 13. SiR/SiC 충진함량의 Tracking에 의한 침식량

Fig. 13. Erosion amount by tracking of SiR/SiC filling content

이와같이 표면개질된 나노 SiC 충진함량이 증가하면, 침식량이 감소하는 이유를 열전도도 측면으로 설명할 수 있다. 그림 12에서 충진함량 증가에 따라 열전도도의 향상은 실리콘에 충진된 나노 SiC 무기물의 자체 열분산 능력과 반도전성의 성질을 갖는 특장점을 갖고 있음을 알 수 있다.

열전도도는 앞서 설명한 바처럼, 열전도도가 높은 재료는 표면으로 열이 전도되기 때문에 온도상승율을 낮게 하고 이와는 반대로 열전도도가 낮은 절연재료의 경우는 열의 전도능력이 낮기 때문에 표면온도가 높게 상승하는 결과를 가져온다.

누설전류의 주울열의 영향은 시편온도에 느리게 증가되고 반면 건조대 아크방전 (Dry Band Arc Discharge; DBAD)은 국부적인 온도가 빠르게 증가하게 된다. 방전에의해 생선된 열은 시편의 표면온도가 500℃이상까지 상승하여 실리콘고무 backbone이 low chain고분자로 분해하는 원인이 되어 트래킹 및 침식을 유도하게 된다^(13,16). 온도와 열의 분산은 침식성에 매우 큰 영향을 주어진다.

열평형법으로 측정된 나노 SiC 충진함량이 낮은 때(1wt%)의 경우 열전도도는 0.077 W/m.K 이었고, 충진함량이 높은 때(7wt%)의 열전도도는 0.132W/m.K이었다. 즉, 나노 SiC 고함량 7wt%가 저함량 1wt% 충진시에 비하여 열전도도가 1.714배 높은 성능을 나타낸 것이다. 높은 열전도도를 갖는 복합재료(1wt%→7wt%)는 열전도가 잘 이루어져 재료표면의 온도를 낮게 하기 때문에 DBAD의 횟수가 줄어들게 되고 그로 인한 표면의 열적열화는 더디게 진행되게 될 것이다.

즉, 방전영역 근방의 열의 누적을 억제하고 그리고 트래킹 및 침식성을 향상시키는 열의 분산을 촉진하게 된다.

누설전류 발생펄스 수와 크기에 밀접한 관계를 갖고 있기 때문에, 발생된 누설전류의 펄스크기도 작아지고 큰 전류펄스 수도 감소하는 결과를 가져오기 때문에 트래킹 및 침식성에 의한 표면침식깊이와 침식 폭이 감소하게 된다. 그 결과 침식량이 감소하게 된다.

그러나 낮은 열전도도를 갖는 복합재료(7wt%→1wt%)의 경우 열전도도가 높은 경우에 비하여 열전도도가 낮기 때문에 재료의 표면온도가 높게 될 것이다. 높은 표면온도를 갖게 되면, 표면방전 및 DBAD 방전으로 더욱더 표면의 온도가 상승하게 된다. 표면온도가 상승하게 되면 DBAD의 횟수와 누설전류 펄스크기가 증가하게 되어 더욱더 높은 표면온도 상태가 될 것이다. 표면온도가 수백도 ℃ 온도에 이를 때, spot에서 재료의 열적분해가 가속되고 그로인한 침식은 가혹하게 진행되어져, 열적분해 및 방전으로 침식된 입자들이 주변에 쌓이게 되어 진다. 지속적인 오손액의 흐름과 표면온도가 매우 높은 고온상태에서 수분의 증발과 건조로 또 다시 강한 DBAD의 연속적인 거동이 진행되어져 결국은 침식의 깊이가 깊어지고 더불어 넓어지는 결과를 가져오게 된다. 그로 인하여 나노 SiC충진함량이 감소하게 되면 열전도도가 낮게 되어 침식량이 증가되는 결과를 가져온 것으로 사료된다.

그림. 14. SiR/SiC 충진함량의 Tracking에 의한 침식량

Fig. 14. Erosion amount by tracking of SiR/SiC filling content

그림 14에서는 두 종류의 샘플 즉, 그림 14(a) 나노 SiC_1wt% 충진된 콤포지트와 그림 14(b) 나노 SiC_7wt% 충진된 콤포지트의 트래킹 및 침식성에관한 실험의 결과이다. 여기서 두 종류의 샘플 은 열전도도가 가장 낮은 SiC 충진함량 1wt% 콤포지트와 열전도도가 가장 높은 SiC 충진함량 7wt%의 트래킹 및 침식과정을 나타내었다. 같은 시간영역(그림 12(a),(b))의 38분에서 콤포지트 표면의 오손액 흐름으로 전기 습윤(electro- wetting)동안, 오손액의 물방울이 모세관 힘을 능가한 정전기력에 기인하여 3중점(air, solid, and liquid contaminant)에서 불안정한 상태를 나타내는 흐르는 오손액으로부터 추방되어진 것이다^(21,22). 1wt%, 7wt% 충진시 표면에 도전성 필름과 같은 물질의 코팅결과로 소수성이 사라지고 흐르는 오손액의 시내(rivulet)가 상부전극으로부터 하부전극까지 진행하게 된다. 이러한 오손액의 흐르는 길이 전기전도(conductance)의 원인이 된다. 1wt% 와 7wt% 경우 electrowetting의 차이를 볼 때 SiC충진함량이 적은 경우 상부에서 하부로 갈수록 넓게 검은 영역을 나타내었고 반면 SiC함량이 많은 7wt%의 경우 상대적으로 가느다란 오손액의 길을 볼 수 있다. 오손액의 젖음성의 시내길이 형성되면 이것이 도전성을 나타내어 즉시 표면방전이 개시되었다. 즉, 누설전류의 흐름이 형성되고 그로 인한 주울열의 발생이 이루어진다. 또한 DBAD전류는 오손된 층의 표면저항에 의해 제한되어진다⁽²⁹⁾. Inception Tracking Voltage (ITV: 트래킹개시전압)는 필러함량에 대체로 독립적이고, Failure로 가는 침식의 개시자로서 작용한다^(11,12). 더욱이 침식은 DBAD에 의해 분산된 열에너지에 의존적 이다^(24,25). 그림 14(a)(b)에서는 트래킹 정전압 인가120분 후의 표면 상태로서 1wt%에서는 넓고 하부전극에 근방에 집중적으로 DBAD의 결과로 침식이 진행되고 있다. 유사하게 7wt%에서도 진행된 상태로 볼 수있다. 그림 14(a)(b) 각각에 대해서 200분, 280분, 350분의 트래킹 및 침식성에 관한 실험결과의 영상을 볼 때 나노 SiC 충진함량이 1wt%에서는 침식의 정도가 강하고 그리고 침식 폭도 넓은 결과로서 침식량은 412mg이다. 그러나 7wt%에서는 침식 폭이 좁고 침식깊이는 상대적으로 얕은 결과이며, 침식량은 132.5mg이다. 침식량의 결과로 1wt%가 7wt%의 침식량에 비하여 3.17배 많은 량이 침식되었다.

위와 같이 나노 SiC충진함량이 소량과 과량의 충진함량으로 비교하여볼 때, 앞서 설명했던 바처럼 소량의 충진은 열전도도가 낮고, 과량의 충진은 열전도도가 높은 결과이다. 표면방전시 전도성에 의한 누설전류와 아크성에의한 누설전류의 결과로 트래킹 및 침식성이 진행되어진다. 전도성에 의한 누설전류의 결과로 발생된 열은 낮고 그리고 느리며, 반면에 DBAD전류에 의한 누설전류는 높고 그리고 빠른 열에너지의 주입이 발생된다. 또한 열에너지의 주입과 방출(분산)정도에 따라, 열에너지의 분산능력이 좋으며, 표면온도를 낮게 하고 반대로 분산능력이 낮으면 표면온도가 높아진다. 그로 인한 결과는 표면온도가 낮아지면 DBAD전류의 발생정도가 완화되고 반대로 표면온도가 높게 되면 DBAD전류가 크고 많은 아크성 전류가발생하여 열적인 열화의 가속으로 침식이 쉽게 진행되고 반대의 경우는 침식의 저항성이 크게 강화된 결과로 사료된다.

3.4 Tracking Leakage Current 의 펄스크기 및 펄스 수

그림 15(a)~(d)에서는 (+)HVDC_4.5kV, 오손액 속도 0.25ml/min [11-12,14], SiR/Nano SiC Composites의 트래킹 및 침식성연구에서 전압을 인가해서 HVAC 트래킹 판정기준 IEC 60587, ASTM D2303 누설전류 60mA/2s 기준과 트래킹 침식깊이 2.5mm 이하의 경우, 6시간 동안 견디면 통과도록 하였다.

그림. 15. SiR/Nano SiC Composites에서 Tracking and Erosion성의 누설전류 특성

Fig. 15. Leakage Current Characteristics of Tracking and Erosion in SiR/Nano SiC Composites

실험에서 설명한 바처럼, 누설전류 측정은 14비트 resolution, 1Ms/s sampling rate, 100kHz bandwidth 그리고 DC, AC+DCRMS voltage measurement을 할 수 있는 레코더를 사용하였고, data acqusition sampling rate은 100μS로 데이터를 계측하였다. 1 초에 10,000포인트의 자료가 계측되며, 1 분이면 60만 포인트가 된다. 그 중 우리가 원하는 최대값은 60만개 자료 중 가장 큰 값(최대값) 하나의 누설전류 펄스로 나타낸 것이다. 각각의 SiC 충진함량에 대한 자료는 6시간 통과된 경우 360포인트를 의 누설전류 펄스크기를 나타낸 것이다. 충진함량에대한 누설전류펄스크기에 대한 패턴은 1분동안 계측된 누설전류크기의 최대값으로서 전도성전류와 DBAD전류가 혼합된 패턴으로 트래킹 및 침식성에 있어 밀접한 상관관계를 가지고 있다.

이후 누설전류크기를 갖는 펄스 수와의 특성은 그림 16, 표 5 에서 통계처리 된 자료를 나타내었고 그리고 그림 17에서는 표 5에서 나타낸 통계결과를 2차원적인 그래프로 쉽게 보여지도록 하였다.

Nano SiC 충진함량에대한 누설전류 펄스크기를 갖는 펄스 수에 대한 경우, 충진함량이 증가하여도 표면방전 개시 전 즉, 오손액이표면필름과 같이 물방울이 떨어지기 전에서는, 누설전류 펄스크기(10mA이하)를 갖는 펄스 수는 거의 일정하였다. 이는 펌프의 일정한 속도에 의하여 필터에 수분이 저장된 상태까지, 무방전에 의한 전류를 나타낸 것이다. 이후 누설전류 크기 (10mA~20mA)의 경우 Nano SiC 충진함량에 관계없이 거의 유사한 펄스 수를 기록하였다. 그러나 20~30mA의 경우, 30~40mA의 경우가 트래킹 및 침식에 영향을 주는 주요한 DBAD전류 펄스 임을 알 수 있다.

그림. 16. SiR/SiC 충진함량의 Tracking Leakage Current크기와 펄스 수

Fig. 16. Tracking Leakage Current size and number of pulses of SiR/SiC filling content

그림. 17. SiC 충진함량에대한 360분 동안 누설전류펄스 백분율(%)

Fig. 17. Percentage of leakage current pulses for 360 minutes against SiC filling content (%)

그림 16과 표 4에서는 나노 SiC충진함량 1,3,5,7wt% 콤포지트의 360분 동안 계측된 누설전류 펄스크기를 갖는 펄스 수(360개) 중에서 20~30mA의 크기를 갖는 펄스 수의 백분율(%) 와 30~40mA의 크기를 갖는 누설전류 펄스 수의 백분율(%)의 나타내었다. 표 17에서는 표 4의 내용을 그래프로 나타낸 경우로 트래킹 및 침식성에 가장 큰 영향을 주는 요소로 누설전류 20～30mA가 차지하는 비율과 30～40mA가 차지하는 비율을 그래프에 나타내었다. 나노 SiC충진함량이 증가할수록 20～30mA의 누설전류 펄스 수는 점진적으로 증가하였다. 더불어 나노 SiC 충진함량이 증가할수록 30～40mA 누설전류 펄스 수는 역시 감소되는 결과를 가져왔다. 이와같은 이유는 아래와 같이 설명할 수가 있다.

본 연구에 사용된 나노 SiC는 실리콘 고무와 혼화되고 화학적으로 반응하여 결합할 수 있도록 표면을 개질하였다. 그 결과 계면의 강화를 가져온 상태이다. 이처럼 실리콘메트릭스에 나노 SiC입자의 밀도가 높아질수록 (충진함량이 증가할수록), 나노입자간 간격이 조밀하여져서 입자간의 접촉으로 열전도도가 향상되는 결과를 가져왔다. 이와는 반대로 나노 SiC입자 수가 적어지면(충진함량이 감소할수록), 입자간 간격이 멀어져서 열전도도가 낮아지는 결과를 가져왔다. 열전도도가 증가하면, 즉 충진함량이 증가하면 샘플표면온도가 낮아지고, 그로인한 오손액의 증발이 미약해져서 Dry band의 생성이 약해져서 간헐적으로 DBAD의 발생을 가져오게 된다. 그러나 열전도가 약해지면, 즉 충진함량이 감소하면 샘플표면의 온도가 증가하게 된다. 증가된 표면온도상태가 되면 일정한 간격으로 오손액이 흐르게 되므로 표면온도가 500℃이상일 때 오손액이 증발되어 건조대 영역이 빈번이 발생하게 된다. 즉, 트래킹에의한 침식저항성이 약해지므로 고온에의한 실리콘고무의 주쇄과 굴부적으로 분해되어 저분자량으로 변하게 된다⁽²²⁾. 열적 열화에 의해 발생된 침식의 부산물이 하부전극과 침식주변에 누적됨으로 흐르는 오손액의 일부가 저장되는 역할을 하게되고 그로인한 결과 열전도도가 높은 경우 전도성의 전류가 일부 발생할 수도 있다. 그러나 열전도도가 낮은 경우 저장된 오손액이 쉽게 건조되어 건조대 아크의 발생이 빈번하게 되고 점차적으로 침식은 증가되어 부산물의 누적이 증가되게 된다. 이와같은 결과로서 내아크성의 크기가 증가되는 결과를 가져오게 되는 것으로 사료된다.

B. X. Du 연구에서, 나노 -BN 입자를 첨가하면 실리콘 고무 나노 복합체의 열전도도가 향상되어 방전 영역 주변의 열 축적을 억제하고 열 방출을 촉진하여 트래킹 및 침식 저항을 개선 할 수 있습니다⁽¹³⁾. 이는 본 연구에서 얻어진 결과와 일치하는 것으로 열적인 열화의 억제는 방전동안 침식을 억제하는 효과로 작용되는 것으로 사료된다.

5.1 나노 SiC (Silicon Carbide)의 표면개질

○ 나노 SiC의 분산성을 향상시키고 계면특성을 강화하기 위해서 비닐계 실라잔 화합물을 사용하여 나노 SiC 표면을 개질하였다.

○ 나노 SiC의 Si-C-Si 사슬이 깨어지고, Si-OH가 표면에 형성되도록하기 위하여 SiC 표면의 과산화수소 처리를 통하여 Si-OH 형성시키 위하여 105℃×6Hr에서 최적의 조건을 얻었다.

○ 실리콘과 SiC 표면개질된 말단기와 화학적으로 결합하여 계면의 강화를 위한 것으로, 비닐 실라잔 표면처리로 나노 SiC 표면을 개질하였다.

5.2 SiR/Nano SiC Filled Composites의 제조

○ 실란올 화합물과 나노 SiC의 OH와 반응하여 표면에 결합시킨다. 실리콘과 나노 SiC 계면특성을 강화하기 위하여 나노 SiC 표면에 대한 비닐 실라잔의 부착에 미치는 시간의 영향을 조사하여, 열중량 분석의 결과 나노 SiC 표면에 결합된 비닐 실라잔 부착량은 3.18wt%이었다.

5.3 Nano SiC 충진함량에따른 열전도 특성

○ 나노 SiC의 경우 열분산 및 반도전성 소재로서, 열전도도와 전기전도도의 향상을 위해서 사용되는 무기물입니다. 트래킹 및 침식성의 침식량과 열전도와 비례성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다.

5.4 (+)HVDC_4.5kV, 오손액 속도 0.25ml/min트래킹 및 침식

○ SiR/Nano SiC(1,3,5,7wt%) Composites의 트래킹 및 침식에 관한 실험에서, 누설전류(60mA/2s) 및 침식깊이(침식량: 25mm)에 관하여 실험결과 360분 모두가 통과되었다.

○ SiR/Nano SiC 충진함량(1,3,5,7wt%) 증가에따라 트래킹 및 침식량은 감소하였다. 열전도의 증가는 트래킹 표면방전시 발생된 열을 방출하게 되어 오히려 표면온도를 낮게 함으로, 오손된 수분의 증발을 감소시켜 dry band arc discharge 전류 크기를 감소시킨다. 그 결과 침식이 억제되는 결과를 가져왔다.

5.5 Nano SiC 충진함량에대한 누설전류 크기 및 펄스수와의 상관관계

○누설전류크기와 펄스 수는 dry band arc discharge에 의한 결과이다. 누설전류의 크기가 크게 되면 dry band arc discharge가 크게 발생되는 경우이며, 이는 SiR에 나노 SiC가 적은 함량이 충진되어 열전도가 낮아지는 결과로 표면에 오손에 의해 발생된 강력한 아크로인한 spot 온도가 열전도가 미약하여 방출하지 못하고 결국은 표면에 열적열화의 원인이 되어 표면 트래킹에 의한 침식이 이루어진 결과로 오히려 침식량이 증가되는 결과를 가져온 것으로 사료된다.

○그러나 SiR에 나노 SiC가 과량 충진되어 열전도가 높아지는 결과로, 표면에 발생된 방전으로 표면이 500℃ 이상의 높은 온도가 접촉될 때, 접촉된 열에너지의 빠른 방출은 표면의 온도를 낮게 하여 오손액의 증발을 감소시켜 dry band arc의 크기를 작게 하여 표면의 침식의 저항성으로 작용하게 된다.