3.2.1 에폭시/NLS 나노콤포지트의 교류절연파괴

그림. 3(a), 그림. 3(b) 그리고 표 2에서는 에폭시(Araldite B41) 기반 하에서, 나노층상실리케이트(MPE)를 충진함량 1, 3, 5phr를 혼합하여 에폭시수지가 층상실리케이트 간에 삽입되어져, 층과 층사이(inter gallery)로 층간 삽입을 유도하여 분산시켰다. 층과 층사이 간격이 좁은 상태에서는 나노분산이 잘 이루어지지 못한 경우로서 절연성능이 양호하게 평가되지 못한다. 그러나 충분한 에폭시수지가 층간사이로 삽입되어져 100nm 이상일 때, 완전한 분산이 이루어져 나노로서의 특성을 발휘할 수가 있다. 이처럼 층간삽입과 박리의 경우 소량의 나노입자의 중량에도 불구하고 절연의 성능이 우수한 결과를 가져왔다⁽²⁵⁾. 나노입자 충진함량 1, 3, 5phr 각각에 12개의 측정샘플을 제조하였고 그리고 교류고전압을 1kV/s 승압속도로 일정하게 파괴 시까지 인가하였다. 측정결과는 와이블 플롯을 이용하여 평가하였다. 표 2의 경우처럼 와이블플롯의 경우 3개의 특성 파라미터로 표현하였다. 첫째 형상파라미터(shape parameter), 둘째 스케일파라미터(scale parameter), 셋째 B10 수명으로 특성을 평가할 수 있다. 형상파라미터는 12개 샘플의 절연파괴강도 값의 분포도로 나타낸 기울기를 의미한 것이다. 기울기가 작으면 측정자료의 분포가 넓게 된 것 임을 의미한 것이며, 기울기가 크면 분포도가 매우 좁은 결과로 나타난 경우이다. 산업에서 평가시 형상파라미터가 낮으면 그 만큼 절연물의 리스크가 크다 라고 표현할 수가 있다.

또한 스케일 파라미터는 누적확률퍼센트 63.2%의 교점에서 X축에서 나타난 결과 값을 스케일파라미터라 한다.

그리고 B10 수명은 누적확률 퍼센트 10%지점의 교점에서 X축의 값을 나타낸 것이다. 이 파라미터는 중전기기 산업에서 매우 중요한 파라미터로서 12개 샘플 중 다수의 개수는 양호한 절연 값을 갖고 있지만, 2~3개 정도가 매우 낮은 결과를 얻을 때 이는 중전기기의 절연에 치명적인 결과를 가져와 결국 중전기기 전체가 불능화 되는 결과를 가져오기 때문에 중요한 것이다. 결과적으로 에폭시/나노 콤포지트의 실험결과인 그림. 3와 표 2에서, NLS 충진함량 증가에따라 교류절연파괴 결과가 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 원형에폭시 절연파괴값을 기준으로 할 때, 1 phr 충진함량의 나노콤포지트 경우 10.11% 성능이 향상되었고, 3phr의 충진함량인 경우 15.16%그리고 5phr의 경우 20.08%의 향상을 나타내었다. 이유는 다음과 같다.

나노입자의 비표면적은 마이크로입자에 비하여 상대적으로크다. 그러나 나노입자의 가장 큰 장점은 이러한 비표면적이 큰 경우 입자의 분산정도에 따라 큰 장점이 될 수 있고 상대적으로 분산이 되어지지 못할 때는 큰 단점으로 작용하게 된다. 본 연구에서는 그림. 1(a)에서 보여준 바처럼 나노층상실리케이트의 분산은 다른 실리카 및 알루미나와 같은 분산된 결과와는 다르다. 나노층상실리케이트는 유기화된 다층구조로된 형상으로 존재하지만 다층구조로된 층간사이로 에폭시 분자가 삽입되어져 층간 간격이 넓혀지게 될 때, 나노입자로서 효과를 나타나게 된다. 그러나 층간사이의 에폭시 삽입이 잘 이루어지지 못한 경우 나노입자의 뭉침의 현상을 나타나게 된다. 실험 결과 층간삽입된 에폭시 분자가 층간 사이간격을 매우 크게 하거나 또는 층과 층 사이간격을 벗어나 서로 떨어져나가는 박리의 현상을 완전한 분산이라 말할 수 있다. 이러한 나노층상실리케이트가 박리된 경우와 에폭시의 삽입의 정도가 크게 되어져 양호한 삽입과 박리가 이루어진 결과로 사료된다. 그런 이유로 나노입자의 1phr, 3phr, 5phr의 함량을 에폭시에 충진시켜 분산된 결과에 의하여 과량의 나노입자수가 증가되어져 한정된 에폭시수지 내에서 균질하게 층과 층사이 간격이 크게 부풀리어져 배열을 이루게 되어졌다. 충진 함량이 증가할수록 입자 수는 기하급수적으로 증가하게 된다. 그 결과 교류절연파괴 시 하전입자의 주입과 내제된 전하들의 이동이 제약을 받게되므로서 전하의 이동경로가 원형인 에폭시의 경우 이동의 제약이 약하고 점차로 나노층상실리케이트수가 먾아지면 계면을 따라 이동되는 전하의 어려움이 더욱더 가중되어 진다. 즉, 절연의 저항성이 더욱더 크게 되어지는 결과로 사료된다^(22,23).

3.2.2 에폭시/NLS+MS 혼합 콤포지트의 교류절연파괴

그림. 4와 표 3에서는 4종류의 에폭시기반 NLS_3phr을 에폭시수지에 충진시켜 완전한 박리를 유도하였다. 분산된 NLS_3phr 액상 콤포지트에 마이크로 실리카를 40, 50, 60, 70wt% 충진하여 혼합하였고 그리고 경화조건 140℃×16hr동안 경화 후 데시케이터에 보관하였고 필요시 샘플로 사용하였다. NLS_3phr에 마이크로 실리카입자를 혼합하여 기계적교반시 과량의 충진된 마이크로 입자와 나노입자의 전단력에 의하여 미 박리된 부분의 입자들도 완전한 박리를 가져오는 원인이 되어 그림. 2(b)의 경우처럼 완전하게 입자가 분산되는 나노/마이크로 혼합 콤포지트의 제조가 가능하게된 것이다. 4종류 샘플에 교류전압을 절연이 파괴될 때 까지 인가하였고 그리고 그 결과 와이블 플롯의 결과는 그림. 3(a)에서 나타내었고 그리고 와이블 플롯의 특성파라미터인 스케일파라미터(63.2%) 결과를 그림. 4(b)에 나타내었다. 또한 와이블 플롯된 결과의 3가지 특성 파라미터 즉, 형상파라미터, 스케일파라미터(63.2%) 그리고 B10 수명의 특성파라미터의 결과를 표 3에서 나타내었다. 이상의 그림. 4(a), 그림. 4(b)와 표 3의 결과를 종합하여 볼 때, 나노입자 NLS의 함량을 3phr로 일정하게하고 그리고 마이크로 실리카의 충진함량을 40, 50, 60, 70wt% 증가된 콤포지트의 교류절연파괴 강도는 충진함량 증가에 따라 증가된 경향을 나타내었고 그리고 형상파라미터의 결과도 대단히 높은 기울기를 나타내었기에 B10 수명의 결과도 스케일파라미터의 결과와 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이 결과의 성능향상은 원형에폭시수지를 기준으로 할 때 40wt%의 경우 15.9%의 향상, 50wt%의 경우 19.39%의 향상 , 60wt%의 경우 22.4% 향상 그리고70wt%의 경우 25.82%의 높은 절연파괴 강도의 특성 향상을 보여주었다. 이처럼 마이크로 실리카 충진함량 증가에 대한 절연파괴 강도의 향상이 거의 비례성을 갖는 이유는 다음과 같다.

에폭시/나노층상실리케이트/마이크로실리카 콤포지트의 내부 구조는 그림. 2(b)에서 보여준 바처럼 마이크로 실리카사이로 나노입자가 존재하는 구조이다. 마이크로실리카 사이나노층상실리케이트의 경우 입자와 입자사이가 완전히 떨어져 나가는 분산의 상태 즉, 박리된 상태로 볼 수 있다. 조직의 치밀성이 더욱더 강하게 된 구조가 된 것이다. 또한 나노층상실리케이트가 박리가 되면 입자의 두께가 1nm로서 길이가 50~150nm을 갖는 형상으로 에폭시 수지와 나노입자간 계면의 결합력 즉, Tanaka⁽¹⁶⁾ 3층 모델에 의하여 한층 강화가 이루어지고 또한 에폭시 OH와 마이크로 실리카의 OH기가 수소결합을 갖게 된다. 그런 이유로 상호결합력이 우수한 결과를 가져오게 된다. 그 결과 부분방전 저항성의 경우 침식이 어려워지고 , 유리전이온도의 향상을 가져오게된다. 더불어 기계적인 특성의 향상을 가져오게 된다^(20-23,26).

교류 절연파괴의 경우 마이크로 실리카와 에폭시사이 계면 결합력이 증가되어져 전하의 이동이 어렵게 되어지고 더불어 나노입자와 에폭시사이 역시 3층 모델에 의해서 또한 계면의 강화로 전자의 이동이 에폭시/나노층상실리케이트 콤포지트 보다 더욱더 강화된 저항성을 갖게 되는 결과를 가져온 결과로 사료된다.