1. 서 론

가스절연개폐장치(Gas-insulated switchgear, GIS)는 컴팩트 구조, 높은 신뢰성, 우수한 절연 내력을 가지고 있어 현대 전력계통에 널리 적용되고 있다^{[1, 2]}. 그러나 제작, 운송, 설치, 유지보수 등 단계에서 이물질이 유입되면 해당 부분에 전계가 집중되어 부분방전(Partial discharge, PD)가 발생할 수 있으며, 지속 발생할 경우 절연 시스템의 열화로 절연내력이 저하되어 결국 절연파괴로 이어질 수 있다^{[3, 4]}. 따라서 GIS 설비에서 발생하는 PD를 조기에 검출하고 정확하게 측정하는 것은 치명적인 절연 사고를 예방하기 위한 상태기반 유지보수(Condition-based maintenance, CBM)에 필수적이다^[5].

PD 측정은 크게 IEC 60270에 기반한 전기적 측정법^[6]과 IEC TS 62478에 기반한 비전기적 측정법^[7]으로 나눌 수 있다. 전기적 측정법은 커플링 커패시터와 측정 임피던스를 이용하는 방식으로 신뢰성이 높은 표준 측정법으로 실제 방전량을 pC 단위로 측정할 수 있어 주로 공장 인수시험(Factory acceptance test, FAT)에 적용되어 왔다. 그러나, 제한적인 측정 대역폭, 전자기 간섭에 대한 민감성, 현장 적용을 위한 대용량 커플링 커패시터 설치의 어려움, PD 발생 위치 추정 불가 등의 한계로 인해 실제 운전 중인 GIS의 현장 진단에는 많은 제약이 있다^{[8, 9]}. 이러한 한계를 극복하기 위해 IEC TS 62478에 따른 비전기적 측정법이 주목받고 있다. 특히, 음향방출(Acoustic emission, AE) 또는 전자기파(Electromagnetic wave, EM wave)를 이용한 측정 기술은 우수한 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR), 높은 검출 감도, PD 발생 위치 추정 가능성으로 GIS 진단에 효과적으로 적용되어 오고 있다^{[10, 11]}. 그중에서 초고주파(Ultra high frequency, UHF) 방식은 PD에 의해 발생하는 EM wave의 고주파 성분을 검출하기 때문에 외부 전자기 간섭에 대해 우수한 내성을 가지고 있어, 실제 GIS 설계 및 운영에 표준 측정방법으로 적용되고 있다^{[12, 13]}. 기존 UHF 센서의 검출 성능을 향상시키기 위한 연구는 주로 센싱 전극의 직경, 두께, 구조와 같은 기하학적 설계 최적화에 집중되었다. 그러나 기존 금속 재료의 전기적·전자기적 특성에 의해 발생하는 근본적인 물리적 한계를 고려할 때, 전극 재료 자체의 물성을 개선하는 재료공학적 접근법 역시 UHF 센서의 측정 감도와 성능 향상에 중요하다.

최근에는 그래핀(Graphene)과 같은 2차원(2D) 소재가 기존 금속 재료에서는 구현하기 어려운 우수한 전기적 및 전자기적 특성을 활용할 수 있다는 점에서 센서 성능 향상을 위한 차세대 소재로 주목받고 있다^[14]. 특히, 그래핀은 높은 전기전도도 및 전하 이동도 등 우수한 전기적 특성으로 인해 다양한 센서 응용 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 하지만, 기존 연구^{[19, 24]}에서는 주로 그래핀의 전자기적 특성과 전파 특성을 이론적으로 분석하는 데에만 초점을 맞추고 있으며, 실제 UHF 센서 전극에 그래핀을 코팅하여 국제표준 절차에 따라 PD 검출 성능 향상을 실험적으로 검증한 연구는 아직 미비한 실정이다. 본 연구는 기존 이론적 연구들과 달리, 실제 UHF 센서 SS 전극에 그래핀 코팅 공정을 적용하고 CIGRE TB 525/654 및 IEC 60270에 따른 표준화된 실험을 통해 검출 성능 향상을 정량적으로 실증하였다는 점에서 차별화된다.

따라서, 본 논문에서는 GIS 구조에서 PD 검출 감도 및 출력 향상을 위해 기존 스테인리스강(Stainless steel, SS) 재질의 UHF 센서 전극에 그래핀을 코팅하여, 전자기적 특성과 PD 검출 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 2장에서는 그래핀의 기본 특성과 전자기적 수식, 그리고 UHF 센서용 그래핀 코팅 전극 제작 방법과 제작한 그래핀 코팅 SS를 소개하였다. 3장에서는 일반 SS와 그래핀 코팅 SS UHF 센서 검출 성능 비교를 위한 GIS 목업(Mock-up) 챔버 기반 모의 실험계와 실험 방법을 설명하였고, 4장에서는 국제규정(IEC와 CIGRE)에 따른 UHF 센서 측정 감도와 검출 특성을 분석하여 그래핀 코팅이 UHF 센서의 PD 검출 성능 향상에 미치는 영향을 평가하였고, 5장에서는 연구의 주요 결과와 그래핀 기반 UHF 센서의 적용 가능성 및 향후 연구 방향을 논의하였다.

2. 그래핀

그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 $sp^2$ 혼성결합으로 육방정계(Hexagonal) 벌집 격자(Honeycomb lattice)를 이루는 원자 한 층 두께의 얇은 2차원 물질이다. 단위격자는 서로 등가가 아닌 두 개의 부격자로 구성되고, 탄소 간 결합 길이는 약 0.142 nm이다^[15]. 그림 1은 그래핀 기본 분자구조를 나타낸 것이다.

그림 1 그래핀 기본 분자구조

Fig. 1 Basic molecular structure of the graphene

그래핀은 상온에서 저항률 약 1 $\mu\Omega\cdot\text{cm}$, 캐리어 이동도(Carrier mobility) 최대 200,000 $\text{cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$를 가지며, 저항률 약 1.7 $\mu\Omega\cdot\text{cm}$의 구리(Copper)와 비교하였을 때 캐리어 이동도가 약 6,000배에 달하는 아주 높은 전기전도도를 가진 물질이다. 비표면적은 이론적으로 2,630 $\text{m}^2/\text{g}$에 이르며, 실온에서의 열전도도는 약 5,000 $\text{W}/\text{m}\cdot\text{K}$로 보고되어 있다^{[16, 17]}.

UHF 센서를 통한 PD 신호 측정은 일반적으로 300 MHz ~ 1.5 GHz 대역의 전자기파를 측정하는 것이므로, 센서 전극의 코팅층이 이 대역에서 어떤 전기적 응답을 보이는지 규명하는 것이 중요하다. 그래핀의 표면전도도(Surface conductivity)는 쿠보(Kubo) 공식에 따라 (1)로 표현된다^{[18, 19]}.

여기에서 $e$는 전하량, $\hbar$는 축소 플랑크 상수, $E_F$는 그래핀의 페르미 준위, $\tau$는 전자 완화시간이며, 이는 캐리어 이동도 $n_c$ 및 페르미 속도 $v_F$와 (2)의 관계를 갖는다^{[20, 21]}.

본 연구에서는 300 MHz ~ 1.5 GHz 대역의 UHF 신호가 대상이기에 그래핀 상수($v_F = 10^6\text{ m/s}$, $n_c = 2\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$, $E_F = 0.1 \sim 0.5\text{ eV}$)를 (2)에 대입하면 $\tau = 0.2 \sim 1.0 \times 10^{-12}\text{s}$ 및 $\omega\tau = 10^{-4} \sim 10^{-2}$로, 그래핀이 준정적 응답 영역에 해당함이 확인되어, 값이 1보다 낮아서 준정적(Quasi-static) 저항체로 동작한다^[18]. 준정적 영역에서의 그래핀 전도도는 (3)의 근사식으로 표현할 수 있다^{[22, 23]}.

즉, UHF 대역에서의 그래핀 전도도는 허수부 서셉턴스(Susceptance) 성분은 무시할 수 있기에 실수부가 지배적으로 작용하며, 이에 따라 그래핀 코팅층의 표면 임피던스는 (4)로 표현할 수 있다.

따라서, UHF 대역에서의 그래핀 코팅층은 저항성 성분이 지배적으로 작용함을 의미하며, 이 저항 성분은 기존 UHF 전극에 병렬 층으로 구조되어 기존 전극 대비 유효 저항을 감소시켜 신호 결합 효율을 증대시킬 수 있다^[24].

3. 그래핀 코팅 UHF 센서 제작

우수한 전도성 및 높은 캐리어 이동도 특성의 그래핀을 UHF 센서에 실질적으로 구현하기 위해, 닥터 블레이드(Doctor blade)를 이용한 코팅 공정을 적용하였다. 닥터 블레이드를 이용한 공법은 연속적인 도포가 가능하며 블레이드의 간격 조절로 그래핀 코팅 두께를 비교적 정밀하게 제어할 수 있어, UHF 센싱 전극과 같이 평판 기판에 균일하게 그래핀을 도포하는 공정에 적합하다^[24]. 그래핀 코팅 센싱 전극 공정은 크게 (i) 그래핀 잉크 제조 및 표면처리, (ii) 닥터블레이드(Doctor blade)를 이용한 그래핀 용액 도포, (iii) 건조 및 열처리로 구성되어 있으며, 공정 개략도를 그림 2에 나타내었다^[25].

그래핀 잉크는 증점제(Thickening agent)인 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 유기 바인더인 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)을 정제수에 용해하여 수계 바인더 용액을 제조한 후 팽창흑연 기반 그래핀을 첨가하여 블레이드 믹서로 균일하게 혼합하여 제조하였다. 이때 CMC는 그래핀 잉크를 전단담화(Shear thinning)하여, 전단 유동 구간에서는 점도가 낮아 그래핀 잉크가 원활히 코팅되고 전단이 해제되면 점도가 회복되어 도포된 잉크의 형상이 유지되도록 한다. 또한, PVA는 유기 바인더로 그래핀 입자 간 및 그래핀과 전극 간 원활히 접착되도록 한다^[26]. 그래핀 잉크 도포 전 UHF 센싱 전극에 유기 오염물 및 수분을 제거하기 위한 표면처리를 하였다. 이후 표면처리한 전극 위에 그래핀 잉크를 도포하고 블레이드를 일정 간격으로 고정 후 천천히 이동시키면서 균일한 박막(Thin film)을 형성시켰다. 코팅된 기판은 60℃의 진공 오븐에서 약 12시간 동안 건조하여 잔류 용매를 완전히 제거하였다. 또한, 약 650℃ 아르곤(Ar) 가스로 4시간 동안 열처리하여 절연성 유기 바인더를 제거하였다.

본 연구에서는 그래핀 코팅이 UHF 센서의 PD 검출에 미치는 영향을 실험으로 분석하는데 목적이 있으므로, 닥터 블레이드 공정을 통해 안정적인 도포 가능한 두께로 제작하였다.

그림 2 그래핀 코팅 UHF 센서 제작 공정 개략도

Fig. 2 Fabrication process of graphene-coated UHF sensor

그림 3은 일반 SS의 UHF 센서와 그래핀 코팅 후의 UHF 센서의 사진과 전자현미경을 이용한 코팅 두께 측정 결과이다. 본 논문에서 사용한 UHF 센서의 센싱 전극의 두께는 코팅 전 평균 1.827 mm였고, 코팅 후 1.852 mm로, 약 25 $\mu\text{m}$ 두께로 그래핀이 코팅되었음이 확인되었다.

그림 3 UHF 센서와 전극 표면 두께: (a) 일반 SS; (b) 그래핀 코팅 SS

Fig. 3 UHF sensors and surface thickness: (a) bare SS; (b) graphene-coated SS

일반 SS UHF 센서와 그래핀 코팅 SS UHF 센서의 전극 표면을 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하고, 각 시료에 대해 에너지 분산형 x선 분광법(Energy dispersive x-ray spectroscopy, EDS)으로 표면 원소 조성의 정량을 분석하였다. 측정 조건은 가속전압 15 kV에서 2차 전자(Secondary electron, SE) 모드로 측정하였으며, 측정 환경을 그림 4에 나타내었다.

그림 4 SEM 분석을 위한 측정 환경

Fig. 4 Measurement condition for the SEM analysis

일반 SS의 센싱 전극과 그래핀 코팅 후의 센싱 전극의 SEM 측정 결과를 그림 5에 각각 나타내었으며, EDS 주요 원소 분석 결과는 표 1에 나타내었다.

그림 5 SEM 측정: (a) 일반 SS; (b) 그래핀 코팅 SS

Fig. 5 SEM analysis: (a) bare SS; (b) graphene-coated SS

EDS 정량 분석 결과, 그래핀 코팅 후의 센싱 전극에는 탄소(C)가 64.75 at%로 일반 SS 전극(5.15 at%) 대비 약 12.6배로 높게 검출되었으며, 산소(O)는 기존 전극에서 거의 검출되지 않았던 반면에 24.82 at%로 신규 검출되었다. 또한, 일반 SS 전극에서는 검출되지 않았거나 극소 수준에 그쳤던 나트륨(Na)과 알루미늄(Al)이 코팅 후 시료에서는 추가로 검출되었는데, 이는 두 원소가 SS 기판이 아닌 코팅 공정에서 유래하였음을 시사한다. 나트륨은 그래핀 잉크 제조에 나트륨염 형태의 증점제(Na-CMC)를 사용하였기 때문으로 사료되며, 60℃ 진공건조 및 650℃ 아르곤 열처리 공정이 유기물 제거에는 효과적이나 무기 나트륨계 잔류물을 완전하게 제거하지 못했을 가능성이 있다. 알루미늄은 원료로 사용된 팽창흑연 내 불순물 또는 그래핀 잉크 혼합 공정 중 유입되었을 가능성이 있다. 이처럼 그래핀 코팅층에 함산소 무기 잔류물이 존재할 수 있음을 고려한다면, EDS에서 검출된 산소가 그래핀옥사이드 작용기와 같은 결합상태인지 또는 나트륨과 알루미늄 등과 결합한 무기물 형태인지는 EDS만으로는 판별할 수 없다. 이는 EDS가 원소별 총함유량을 측정하는 기법으로, 탄소의 결합상태(예, C=C, C-O, C=O 등)까지는 판별할 수 없다는 한계를 가지고 있다. 따라서 그래핀 코팅층 내 그래핀과 그래핀옥사이드의 정량적 구성비를 명확히 규명하기 위해서는 탄소 1s 스펙트럼의 화학적 이동 분석이 가능한 X선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 이용한 결합상태 분석을 후속 연구에서 추가 수행 예정이다. 또한, 그래핀 코팅층의 저항 성분이 일반 SS 전극에 병렬로 작용하여 유효 저항을 감소시킨다는 이론적 해석을 증명하기 위한 표면전도도 또는 표면저항을 4-point probe 등의 방식으로 직접 측정할 예정이다.

코팅 후의 원소 매핑 중첩(Overlay elemental mapping) 결과를 그림 6에 나타내었다. 센싱 전극의 표면 전반에 걸쳐 탄소가 균일하게 분포하는 반면, 철(Fe) 신호는 국소적으로 미세하게 검출되었다. 이에 따라, 닥터 블레이드를 이용한 그래핀 도포 공법을 통해 SS 센싱 전극 전체에 그래핀 기반 탄소 함유 코팅층이 형성되었음이 확인되었다.

그림 6 원소 매핑 중첩 이미지

Fig. 6 Photograph of overlay elemental mapping

4. 결과 및 분석

4.1 측정 감도 비교

측정 감도 비교 실험에는 GIS 절연 사고 원인 중 가장 큰 비율을 차지하는 자유입자(Free moving particle, FMP) 결함을 제작하여 사용하였다^[27]. 실험에 사용한 FMP 결함의 사진과 단면도를 그림 7에 나타내었다. FMP 결함은 오목한 접지 전극 위에 직경 1 mm의 쇠구슬(Iron ball)을 올려놓았으며, 반구형 고전압(High voltage, HV)과의 거리는 15 mm로 하였다. 결함 외에서 발생할 수 있는 전계 집중을 완화하기 위해 모든 전극과 외함의 모서리는 둥글게(Round) 처리하였으며, 결함 내부에는 $\text{SF}_6$ 가스를 0.5 MPa로 채웠다.

그림 7 자유입자 결함: (a) 사진; (b) 단면도

Fig. 7 FMP defect: (a) photograph; (b) cross-sectional diagram

그래핀 코팅에 의한 UHF 센서의 측정 감도 개선 효과를 비교하기 위하여, CIGRE TB 525^[28] 및 654^[29]에 명시된 UHF 센서의 실험실 감도 측정 절차에 따라 출력을 비교하였다.

측정 감도 비교를 위한 실험계 구성을 그림 8에 나타내었다. 동일한 두 개의 UHF 센서를 준비하여 GIS 모의 챔버(Mock-up chamber)에 1,000 mm 이격 거리의 개별 구획(Compartment)에 각각 설치하였다. 첫 번째 구획에는 그림 7에서 설명한 FMP 결함을 위치시켰다. IEC 60270에 따른 전기적 측정법을 이용하여 5 pC의 PD를 발생시켰을 때, 두 번째 구획에 설치된 UHF 센서의 출력 신호를 기록하였다. 이어서 수십 ns 이하의 상승시간을 가지는 표준 PD 펄스 발생장치(UPG 620, Omicron Corporation, Austria)를 이용하여 PD 펄스를 첫 번째 구획에 설치된 UHF 센서에 주입하였으며, 두 번째 구획에 설치된 UHF 센서의 출력이 실제 PD 결함모델인 FMP 결함에 의한 첫 번째 구획 UHF 센서의 출력과 일치할 때까지 주입되는 표준 PD 펄스를 증가시켰다. 본 실험계 구성에서 4 V의 표준 PD 펄스가 두 번째 구획에 설치된 UHF 센서에서 FMP 결함에서 발생한 5 pC의 실제 PD 신호와 동등한 출력을 나타내는 것으로 확인되었다. 이러한 출력 등가성은 일반 SS UHF 센서와 그래핀 코팅 SS UHF 센서 전극 간 출력 감도 비교를 위한 정량적 기준을 제공한다.

그림 8 출력 감도 비교를 위한 실험계 구성

Fig. 8 Experimental setup for the measurement sensitivity comparison

앞서 언급한 것과 같이 실제 FMP 결함에서 발생하는 5 pC와 동일한 출력을 보인 4 V부터 10 V까지의 표준 PD 펄스를 인가하였다. 그림 9와 그림 10은 각각 표준 PD 펄스에 따른 일반 SS UHF 센서와 그래핀 코팅 SS UHF 센서의 출력 파형을 나타낸 것이다.

4 V의 표준 PD 펄스 인가 시 최대 출력전압은 일반 SS UHF 센서는 19.8 mV, 그래핀 코팅 SS UHF 센서는 22.7 mV로 검출되었으며, 10 V의 표준 PD 펄스 인가 시 UHF 센서의 최대 출력전압은 일반 SS UHF 센서는 52.3 mV, 그래핀 코팅 SS UHF 센서는 55.5 mV로 검출되었다.

표준 PD 펄스 4 ~ 10 V에서 UHF 센서 출력값을 20회 이상 측정하여 평균값을 비교한 결과를 그림 11에 나타내었다. 해당 표준 PD 펄스 범위에서의 UHF 센서 출력은 그래핀 코팅된 SS가 일반 SS 보다 평균적으로 약 8.5% 높게 검출되었다.

그림 9 4 V 표준 PD 펄스에서의 UHF 센서 측정 파형: (a) 일반 SS; (b) 그래핀 코팅 SS

Fig. 9 Waveforms measured using UHF sensors at 4 V calibration PD pulse: (a) bare SS; (b) graphene-coated SS

그림 10 10 V 표준 PD 펄스에서의 UHF 센서 측정 파형: (a) 일반 SS; (b) 그래핀 코팅 SS

Fig. 10 Waveforms measured using UHF sensors at 10 V calibration PD pulse: (a) bare SS; (b) graphene-coated SS

그림 11 표준 PD 펄스에 따른 평균 출력전압 비교

Fig. 11 Comparison of average output voltages in accordance with calibration PD pulses

4.2 PD 모의실험

본 PD 모의실험에는 대표적인 GIS의 두 가지 PD 결함모델인 3장에서 사용하였던 FMP 결함과 금속돌출(Metal protrusion, MP) 결함을 사용하였다^[30]. MP 결함은 그림 12에 나타낸 것과 같이, 곡률반경 5 $\mu\text{m}$의 오구라 침(Ogura needle)을 구형 접지전극에 설치하였고, 고전압측 평판 전극과 오구라침 간 간격은 10 mm로 세팅하였다. FMP 결함과 동일하게 MP 결함 내부에는 $\text{SF}_6$ 절연가스를 0.5 MPa로 채웠다. PD 펄스는 각 결함모델의 방전개시전압(Discharge inception voltage, DIV)의 120%에서 측정하였으며, 방전이 안정화(Stabilization)된 후에 취득하였다.

그림 12 금속돌출 결함: (a) 사진; (b) 단면도

Fig. 12 MP defect: (a) a photograph; (b) a cross-sectional diagram

실제 PD 발생 시 일반 SS UHF 센서 대비 그래핀 코팅을 적용한 UHF 센서의 PD 측정 특성을 분석하기 위하여, 그림 13의 PD 모의 실험계를 구성하였다. 최대 출력전압 20 kV 및 최대 출력전류 67 mA의 유입변압기(Model 770-5, Hipotronics, Shelton, CT, USA)를 이용하여 고전압을 인가하였으며, AC 전압조절기(AC regulator)를 이용하여 인가전압을 0.5 kV씩 상승시키면서 실험하였다. 결함모델은 GIS 모의 챔버의 첫 번째 구획의 가운데에 배치하였으며, UHF 센서들은 두 번째 구획에 서로 마주보는 형태(Face–to–face)로 설치하였다. 챔버 중심부로부터 UHF 센서 사이 거리는 각각 225 mm이다. 실제 방전량을 정확하게 분석하기 위해 IEC 60270에 따른 표준 PD 측정기(MPD 600, Omicron Corporation, Austria)를 사용하였다. UHF 센서의 출력은 최대 샘플링 속도 10 GS/s, 최대 대역폭 2 GHz의 디지털 오실로스코프(MSO 5204B, Tektronix, Beaverton, OR, USA)를 이용하여 저장하였다.

그림 13 PD 모의 실험계 구성

Fig. 13 PD simulation test setup

그림 14와 그림 15는 각각 일반 SS UHF 센서와 그래핀 코팅 SS UHF 센서를 이용하여 FMP 결함 및 MP 결함의 DIV 1.2배에서 출력 파형을 나타낸 것이다.

그림 14 FMP 결함에서의 출력 파형: (a) 일반 SS; (b) 그래핀 코팅 SS

Fig. 14 Waveforms for FMP defect: (a) bare SS; (b) graphene-coated SS

그림 15 MP 결함에서의 출력 파형: (a) 일반 SS; (b) 그래핀 코팅 SS

Fig. 15 Waveforms for MP defect: (a) bare SS; (b) graphene-coated SS

UHF 센서별 각 결함모델에서의 측정 결과를 진폭($V_{P-P}$)과 신호 대 잡음비(Signal-to-noise ratio, SNR)로 분석하여 표 2에 나타내었다. $V_{P-P}$는 출력 파형의 최댓값(Maximum magnitude)과 최솟값(Minimum magnitude)의 합으로 (5)로 계산하였고, SNR은 배경 잡음(Background noise)에 비해 최대 응답의 검출 가능성을 정량화한 것으로 (6)으로 계산하였다.

(5)

$V_{P-P}(mV) = |V_{Max}| + |V_{Min}|$

(6)

$SNR(dB) = 20\log\left(\frac{V_{peak}}{V_{noise}}\right)$

SNR 계산 시, $V_{noise}$는 펄스 도달 이전의 배경 구간(-500 ~ -100 ns)에서의 제곱평균제곱근(Root mean square, RMS) 값으로 정의하였으며, 20회 이상 반복 측정한 파형으로부터 SNR을 산출한 뒤 평균 및 표준편차를 계산하였다.

표 2 UHF 센서별 각 결함모델에서의 VP-P와 SNR

Table 2 VP-P and SNR of UHF sensors in accordance with defect models

Defect models	UHF sensors	$V_{P-P}$	SNR
FMP	Bare SS	136.9 mV	37.0 ± 1.1 dB
	Graphene-coated SS	182.7 mV	39.6 ± 0.9 dB
MP	Bare SS	16.9 mV	20.2 ± 1.0 dB
	Graphene-coated SS	25.1 mV	23.6 ± 1.1 dB

그래핀 코팅 SS UHF 센서는 일반 SS UHF 센서보다 진폭이 FMP 결함에서는 약 33.5% 높게 검출되었고 MP 결함에서는 약 48.5% 높게 검출되었다. 또한, 두 결함 조건에서 모두 그래핀 코팅 SS UHF 센서가 일반 SS UHF 센서보다 뚜렷하게 큰 첨두값을 나타냄이 확인되었다. 이는 앞서 2장에서 나타낸 바와 같이, 그래핀 코팅층은 전극 표면저항을 감소시켜 신호 결합 효율을 개선하는데 이러한 저항성 손실 저감 메커니즘은 기존에 결합 효율이 상대적으로 낮았던 조건에서 상대적으로 더 큰 비율의 개선 효과로 나타난다. 따라서 기존에 결합 효율이 상대적으로 낮았던 MP 결함에서 그래핀 코팅에 의한 향상률이 FMP 결함에서 보다 더 크게 나타난 것으로 해석된다. 다만 결함의 형상에 따라 전극 표면에 유기되는 공간 전류 분포와 유효 경로의 변화에 대한 정량적 메커니즘 규명은 추가 연구가 필요하다.

SNR 분석에서도 그래핀 코팅 SS UHF 센서가 일반 SS UHF 센서 대비 FMP 결함에서 + 2.6 dB, MP 결함에서 + 3.4 dB 향상되었으며, 두 조건 모두 통계적으로 유의하였다(Welch‘s t-test, $p < 0.001$). 한편, 코팅 전후 $V_{noise}$는 FMP 및 MP 결함 조건 모두에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(각각 $p = 0.456$, $p = 0.274$). 이는 SNR 개선이 배경 잡음의 감소가 아니라 그래핀 코팅에 의한 신호 결합 효율증가, 즉 $V_{P-P}$ 상승에 전적으로 기인함을 보여준다. 이를 통해, 그래핀이 코팅된 전극이 일반 SS 전극에 비해 UHF 대역에서 입사되는 PD 전자기파를 더욱 효율적으로 측정할 수 있음을 의미한다.

5. 결 론

본 논문에서는 GIS 구조에서 PD 검출 감도 및 출력 향상을 위해 기존 SS 기반 UHF 센서 전극에 그래핀을 코팅하여 PD 검출 성능 향상을 실험적으로 평가하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.

1) 쿠보 공식을 이용하여 그래핀 코팅층에 대한 이론적으로 해석한 결과, 그래핀은 UHF 대역(수백 MHz~수 GHz)에서 $\omega\tau \ll 1$의 준정적(Quasi-static) 영역에 해당하여 순수 저항성 임피던스로 거동함이 확인되었으며, 이는 그래핀 코팅층이 기존 SS 전극에 병렬로 연결되어 신호 결합 효율을 향상시킬 수 있음이 확인되었다.

2) 닥터 블레이드 공정을 통해 SS 전극 위에 얇은 다층 구조의 그래핀 코팅층을 형성하였으며, SEM/EDS 분석 결과 코팅 후 탄소 함량이 5.15 at%에서 64.75 at%로 대폭 증가하여 코팅층 형성이 명확히 확인되었다.

3) CIGRE TB 525/654 절차에 따른 감도 비교 실험에서, 그래핀 코팅 SS UHF 센서는 4 ~ 10 V 표준 PD 펄스에서 일반 SS UHF 센서 대비 평균적으로 약 8.5% 높은 출력전압을 나타내었다.

4) FMP와 MP 결함모델을 이용한 PD 모의에서, 그래핀 코팅 SS UHF 센서는 첨두 전압 기준 각각 약 33.5%, 48.5% 향상된 출력을 보였으며, SNR 또한 각각 + 2.6 dB, + 3.4 dB 개선되어 그래핀 코팅이 검출 감도의 향상뿐만 아니라 신호 품질 측면에서도 통계적으로 유의미한 개선을 보였다.

본 연구는 UHF 센서 전극 재료 자체의 전자기적 물성을 개선함으로써 PD 검출 성능을 향상시킬 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 다만, 실험실 규모의 GIS 모의 챔버에서 수행되었기에, 실제 산업 현장에의 적용을 위해 (1) 그래핀 코팅 두께 및 층수에 따른 정량적 최적화, (2) 장기 운전 조건에서의 코팅층 내구성 및 접착 안정성 평가, (3) 실제 GIS 운전 환경에서의 현장 검증, (4) X선 광전자분광법(XPS)을 이용한 코팅층의 탄소-산소 결합상태 분석 및 4-point probe를 이용한 표면저항 직접 측정을 통한 코팅층의 정량적 전기전도 특성 규명 등에 대한 추가 연구를 수행할 예정이다.