[논문]카본블랙내 이온성 불순물들에 따른 반도전 재료(층)의 열적특성

이용성; 최용성; 박대희; 이경용

카본블랙내 이온성 불순물들에 따른 반도전 재료(층)의 열적특성
Thermal Properties of Semiconductive Materials(Shield) by Sonic Impurities in Carbon Black 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.54 no.4, 2005년, pp.149 - 153

이용성 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부) , 최용성 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부) , 박대희 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부) , 이경용 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated thermal properties showed by changing the content of carbon black which is the component parts of semiconductive shield in underground power transmission cable. Specimens were made of sheet with the nine of those for measurement. Heat capacity (${\Delta}$H), glass transition temperature (Tg) and melting temperature (Tm) were measured by DSC (Differential Scanning Calorimetry). The ranges of measurement temperature were from -100($^{\circ}C$) to 100($^{\circ}C$), and heating rate was 4($^{\circ}C$/min). And then thermal diffusivity was measured by LFA 447. The dimension of measurement temperature was 25[$^{\circ}C$]. Glass transition temperature of specimens was showed near -25[$^{\circ}C$] and the heat capacity and the melting temperature from the DSC results were simultaneously decreased according to increasing the content of carbon black, while thermal diffusivity was increased according to increasing the content of carbon black. Because ionic impurities of carbon black having Fe, Co, Mn, Al and Zn are rapidly passed kinetic energy increasing the number of times breaking during the unit time with the near particles according to increasing vibration of particles by the applied heat energy.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 전력케이블의 수명연장 및 신뢰성 을 확보하기 위해 반도전층에 사용되고 있는 재료를 측정용 시트로 제작하여 절연열화 요인 중 한가지인 열적 특성을 알 아보았다. 우선 반도전층은 내부에 카본블랙을 함유하고 있다는 점을 착안하여 국내에서 사용되고 있는 카본블랙의 불 순물 함량을 측정하였다.
본 논문에서는 전력케이블의 신뢰성을 향상시키기 위해 반도전 수지내의 카본블랙이 함유하고 있는 이온성 불순물들 에 따른 열적 특성을 알아보았다. 그 결과, 카본블랙내에는 상당량의 불순물들이 함유되어 있음을 알 수 있었다.
마지막으로 Nano Flash Diffusivity를 이용하여 불순물들이 반도전재료의 열확산도에 미치는 영향을 측정하였다. 이와 같이 본 논문에서는 반도전 층내에 존재하는 이온성 불순물들로 인한 열적특성들을 고찰 함으로써 전력케이블내 반도전층의 성능 향상이 시급함을 강 조하고자 하였다.

제안 방법

열분석 장치인 DSC를 이용하여 반 도전 재료의 결정화도와 밀접한 관련이 있는 열용량 (AH), 이온성 불순물들이 반도전 재료에 미치는 용융온도 (Tm)와 유리전이온도 (Tg)를 측정하였다. 마지막으로 Nano Flash Diffusivity를 이용하여 불순물들이 반도전재료의 열확산도에 미치는 영향을 측정하였다. 이와 같이 본 논문에서는 반도전 층내에 존재하는 이온성 불순물들로 인한 열적특성들을 고찰 함으로써 전력케이블내 반도전층의 성능 향상이 시급함을 강 조하고자 하였다.
카본블랙의 불순물 함량을 측정하기 위해 사용된 장비는 무기 원소를 ppm 수준으로 분석하는 ICP-AES (Perkin- Elmer Instruments, Optima 3300 DV)이다. 본 실험에 사용된 시료는 분말이므로 전처리 과정을 거친 후 실험을 진행하였다.
그리고 편의상 측정용 시료를 #숫자, 기저수지를 A숫자로 명명하였다. 시트는 펠렛형의 시료를 70 ~ 100[E]의 롤러에서 5분 간 1차 혼련을 한 후 180LC]에서 20분간 200[kg/cm²]s] 압 력으로 프레싱을 하여 시트상으로 제작하였다.
표 2는 국내에서 사용되고 있는 카본블랙내 이온성 불순물의 함량을 나타낸 것이다. 아직까지 지중 송전용 전력케이블에 대한 명확한 이온성 불순물 함량의 제한치가 제시되지 않았기 때문에 22.9[kV] CN/CV-W 한전규격 [5]을 토대로 실험을 진행하였다.
우선 반도전층은 내부에 카본블랙을 함유하고 있다는 점을 착안하여 국내에서 사용되고 있는 카본블랙의 불 순물 함량을 측정하였다. 열분석 장치인 DSC를 이용하여 반 도전 재료의 결정화도와 밀접한 관련이 있는 열용량 (AH), 이온성 불순물들이 반도전 재료에 미치는 용융온도 (Tm)와 유리전이온도 (Tg)를 측정하였다. 마지막으로 Nano Flash Diffusivity를 이용하여 불순물들이 반도전재료의 열확산도에 미치는 영향을 측정하였다.
따라서, 본 논문에서는 전력케이블의 수명연장 및 신뢰성 을 확보하기 위해 반도전층에 사용되고 있는 재료를 측정용 시트로 제작하여 절연열화 요인 중 한가지인 열적 특성을 알 아보았다. 우선 반도전층은 내부에 카본블랙을 함유하고 있다는 점을 착안하여 국내에서 사용되고 있는 카본블랙의 불 순물 함량을 측정하였다. 열분석 장치인 DSC를 이용하여 반 도전 재료의 결정화도와 밀접한 관련이 있는 열용량 (AH), 이온성 불순물들이 반도전 재료에 미치는 용융온도 (Tm)와 유리전이온도 (Tg)를 측정하였다.
제논 플래시 램프는 시료 아래쪽에 위치하여 구동 되고 시료의 위쪽으로 전달되는 열은 상단부에 위치한 적외 선 센서 (IR detector)에 의해 측정된다. 측정된 데이터는 소 프트웨어에 의해 계산되어 시료의 열확산도 (Thermal Diffusivity)가 측정된다.
본 논문에서는 EVA (Ethylene Vin기 Acetate, 현대석유화 학), EEA (Ethylene Ethyl Acrylate, ATOFINA), EBA (Ethylene Buthyl Acrylate, Mitsui Dupont)를 기본재료로 사용하였는데 이들 재료의 조성비는 표 1과 같다. 표 1에서 보는 바와 같이 본 논문에서는 도전성 카본블랙의 함량을 변 수로 하였으며 그 함량은 각각 20, 30, 40[wt%]이었다. 그리고 편의상 측정용 시료를 #숫자, 기저수지를 A숫자로 명명하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 EVA (Ethylene Vin기 Acetate, 현대석유화 학), EEA (Ethylene Ethyl Acrylate, ATOFINA), EBA (Ethylene Buthyl Acrylate, Mitsui Dupont)를 기본재료로 사용하였는데 이들 재료의 조성비는 표 1과 같다. 표 1에서 보는 바와 같이 본 논문에서는 도전성 카본블랙의 함량을 변 수로 하였으며 그 함량은 각각 20, 30, 40[wt%]이었다.

이론/모형

반도전 재료내의 이온성 불순물이 각 시료의 열용량 (AH), 용융온도 (Tm) 및 유리전이온도 (Tg)에 미치는 영향을 측 정하기 위해 사용된 열 분석 장비는 DSC (TA Instrument, DSC 2920)이다. DSC의 측정온도 범위는 -100CC]에서 100 [℃]까지이고, 승온속도는 4[℃/min]이었다.
보통 DSC (시차 주사 열량겨】)는 선형온도 프로그램을 이용하게 되는데 시료 와 기준 물질 (또는 불활성 pan)을 일정한 속도로 승온/냉각 (dynamic)하거나 어떤 온도를 유지시키는 등온 (isothermal) 실험이 이루어진다. 참고로 본 실험에서는 숭온에 의해 실험 이 이루어졌다.

성능/효과

DSC 실험 결과, 유리전이온도는 -*C₂] 5[ 부근에서 나타났 으며, 카본블랙의 함량이 중가할 수록 열용량과 용융온도가 함께 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 카본블랙이 함유 하고 있는 이온성 불순물들이 외부 에너지에 의해 자극을 받아서 활발한 자유운동에너지가 중가한 결과라고 사료된다.
본 논문에서는 전력케이블의 신뢰성을 향상시키기 위해 반도전 수지내의 카본블랙이 함유하고 있는 이온성 불순물들 에 따른 열적 특성을 알아보았다. 그 결과, 카본블랙내에는 상당량의 불순물들이 함유되어 있음을 알 수 있었다. 특히, Si, Al, Na, K등의 불순물들이 상당량 검출되었다.
마지막으로 시편들의 열확산도를 측정한 결과, 카본블랙의 함량이 증가함에 따라 열확산도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해 얻을 수 있는 것은 카본블랙이 함유하고 있는 이온성 불순물들이 반도전 수지에 지대한 악 영향을 미쳐 열화를 초래할 수 있다는 것이다.
한전사양에 의하면 내부 반도전의 이온성 불순물 함량치 가 500[ppm]이하, 외부 반도전의 이온성 불순물 함량치가 1500[ppm] 이하로 제시되어 있다. 본 실험에서 카본블랙내의 불순물 총 함량이 7020.98[ppm]인 것을 확인할 수 있었다. 상당량의 불순물이 카본블랙내에 함유되어 있었으며 아직까 지 저급의 카본블랙이 국내에서 유통되고 있는 것을 알 수 있었다.
98[ppm]인 것을 확인할 수 있었다. 상당량의 불순물이 카본블랙내에 함유되어 있었으며 아직까 지 저급의 카본블랙이 국내에서 유통되고 있는 것을 알 수 있었다.
그러나 EVA와 EEA의 열확산도 차이는 크지 않음을 알 수 있다. 이와 같은 열 분석 결과를 통해 대 체적으로 EEA의 열적 안정성이 다른 시편들에 비해 우수함 을 알 수 있었다.

참고문헌 (10)

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상세보기
M. T. Shaw and S. H. Shaw,'Water Treeing in Solid Dieletrics', IEEE Trans. Elec. Ins.,Vo1.19, pp.419-452, 1993

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한재홍, 김상준, 권오형, 강희태, 서광석 '반도전층내 불순물이 전력케이블의 신뢰도에 미치는 영행', Trans. KIEE, Vol.46, No.1, 1997. 1
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강대용, 오광영, 김용주, 박대희, '절연/반도전/절연층에 있어서 유전특성과 절연파괴 현상' 한국전기전자재료학회, N.6, pp.163-166, 1998
박수진, 조기숙, M. Zaborski, L. Slusarki, '충전재-탄성체 상호작용. 6. 산소 플라즈마 처리가 카본블랙 표면특성에 미치는 영향' Elastomer, Vo1.37, No.2, pp.99-106, 2002
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한재홍, 서광석, 김상준, '에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체/에틸렌 아크릴산 공중합체 블렌드의 이온투과 및 물리적 성질', Trans. KIEE, Vol.45, No.9, 1996. 9

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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