[논문]CNT를 첨가한 전력케이블용 반도전 재료의 열적특성에 관한 연구

양훈; 국정호; 방정환; 박대희

doi:10.4313/jkem.2007.20.12.1062

CNT를 첨가한 전력케이블용 반도전 재료의 열적특성에 관한 연구
A Study on the Thermal Properties of CNT Reinforced Semiconductive Shield Materials for Power Cables 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.20 no.12, 2007년, pp.1062 - 1067

양훈 (원광대학교 재료공학과) , 국정호 (전북대학교 고분자 BK-21 BIN 융합기술 연구팀) , 방정환 (서남대학교 보건환경학과) , 박대희 (원광대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have investigated thermal properties of semiconductive shield materials for power cables. EEA (Ethylene Ethyl Acrylate) was used for base polymer and TGA (Thermal Gravimetric Analysis) and AFM (Atomic Force Microscope) were investigated with various carbon black and CNT (carbon nanotube) contents. When CNT reinforced composites and conventional composite were investigated with TGA, we knew that thermal properties of CNT reinforced composite were better than them of conventional composite. To investigate roughness, we used AFM. Before and after aging, AFM was applied and after aging, roughness was increased. As a result, suitable CNT and CB(carbon black) content is CNT:CB=50:50.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근까지 지중 송배전용 전력케이블의 품질개선 및 수명연장을 위한 전력케이블의 전기적 현상 및 제반 특성에 대한 많은 연구는 대부분 XLPE 절연층에 국한되어 이루어져 왔다 [5, 6]. 그러나 본 연구는 전력케이블의 반도전층 재료에 관한 심층적인 분석을 통해 여러가지 중요한 물성 변화를 살펴봄으로써 반도전층 재료의 역할 및 기능에 대한 새로운 인식을 고취하고자 하였다.
Ltd : purity 95 %)을사용하였다. 시편의 조성은 두 개의 충전제를 사용하였을 때의 상승효과를 알아보고자 조절 하였다.

제안 방법

TGA측정을 위해 사용된 장비 는 TA Instrument 사의 TGA 2950이었으며, TGA의 측정온도 범위는 0 ℃ ~700 笆 이 고, 승온 속도는 10 笆/min으로 하였으며, 현재 사용 중인 반도전 재료와 비교 분석하였다.
분산시켜 분산용액을 생성시켰다. 그 다음 EEA 용액과 CNT분산액을 고르게 혼합하여 침전물을 생성시키고, 침전물의 여과 및 건조과정을 거쳐 얻어진 재료를 압축하여 시트 형태로 시편을 만들었다. 그러므로 이 방법은 필요한 특성을 발현하기 위한 고분자와 충전제 외에 분산을 위한 또 다른 첨가제를 사용하지 아니하는 방법이며, 분산성이 우수하여 전력케이블의 반도전층 재료로서 열적 안정성을 만족시킬 수 있는 방법으로 생각된다.
따라서 임계함량의 제한으로부터의 유연성을 얻고자 현재 상용중인 반도전 재료와 달리 탄소나노튜브를 첨가하였다. 두 가지 충전제의 .
본 연구에서는 카본블랙과 직경과 긴 길이에 의한 큰 종횡비 (High Aspect Ratio)와 비 표면적을 가지며, 독특한 구조에서 비롯된 대칭성과 비 대칭성으로 금속성, 반도체성 이외에도 화학적 또는 열적으로 안정하며, 우수한 기계적 성질을 가지고 있는 탄소나노튜브를 사용하였다[10], 또한, 두 가지 충전제의 비슷한 성질이 합해질 때 더욱 우수한 성질을 발현하는 상승효과를 얻고자 카본블랙에 소량의 탄소나노튜브(CNT)를 첨가하는 이 중 충전시스템을 활용하였으며, 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 분산성을 향상 시킬 수 있는 용액 혼합법을 채택하였다.
두 가지 충전제의 .비슷한 성질 이합해질 때 더욱 우수한 성질을 발현하는 상승효과를 얻고자 도전성 카본블랙과 탄소나노튜브를 함께 첨가하는 이 중 충전제 시스템을 활용하였으며, 시편은 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 분산성을 향상 시킬 수 있는 용액 혼합법을 채택하여 제조하였다.
있는 방법이다. 이렇게 얻어진 재료의 열적 안정성을 평가하기 위하여 현재 사용중인 반도전 재료와 탄소나노튜브가 첨가된 시편을 열중량 분석으로 비교분석하였으며, 탄소나노튜브가 첨가된 시편의 열화전후의 표면을 조사하였다.
사용하였다. 이중 충전 시스템을 활용한 시편에 대해 열화 전과 열화 후로 구분하여 열 적용에 따른 표면 변화를 관찰하였다. 이때, 시편에 대한 열화 조건은 90 ℃에서 168 시간 이었다.
그림 2. 탄소나노튜브와 카본블랙의 함유량에 따른 열중량 분석.
표 1에서 보는 바와 같이 충전제의 함량에 따른 영향을 살펴보기 위해 5가지로 구분하여 현재 사용 중인 반도전 재료와 비교 분석하였다.

대상 데이터

본.논문에서 사용된 고분자 매트릭스로는 EEA (Ethylene Ethyl Acrylate, Dupont-Mitsui Polychemicals. Co. Ltd)를 사용하였으며, 전도성 및 기계적 강도를 부여하기 위한 충전제로 CB(Carbon Black, Iljin Nanotech. Co. Ltd), CNT(Carbon Nanotube, Iljin Nanotech. Co. Ltd : CM~95, diameter 10~15 nm, length 10~20 um, purity>95 %) 를 사용하였다. 아울러 용액 혼합 시 용매로는 Xylene (Samchun Pure Chemical Co.
Ltd : CM~95, diameter 10~15 nm, length 10~20 um, purity>95 %) 를 사용하였다. 아울러 용액 혼합 시 용매로는 Xylene (Samchun Pure Chemical Co. Ltd : purity 95 %)을사용하였다. 시편의 조성은 두 개의 충전제를 사용하였을 때의 상승효과를 알아보고자 조절 하였다.

이론/모형

AFMe 시편들의 표면 거칠기와 입체적인 표면 분석과 정량적인 값을 측정하는 데에 적합한 장비로서 Thero Microscopes사 NR-AFM을 사용하였다. 이중 충전 시스템을 활용한 시편에 대해 열화 전과 열화 후로 구분하여 열 적용에 따른 표면 변화를 관찰하였다.
반도전층 재료 시편의 분산성을 향상시키고자그림 1에서 보는 바와 같이 용액 혼합법(Solution Compounding)을 이용하였다.

성능/효과

그리고 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 잔류 중량은 8.38 wt%에서 13.11 wt%로 증가함을 볼 수 있다. 또한, 중량 손실의 감소가 끝나는 지점이 베이스 수지 내에 첨가된 탄소나노튜브와 카본블랙의 함량과 비슷한 곳임을 알 수 있다.
고분자의 종류에 따라 열분해 거동이 다르게 나타났으며, EVA의 경우 고분자 사슬 내 비닐기와 에틸렌기의 서로 다른 온도에서의 분해에 기인하여 2번의 중량감소를 나타내었다. 또한, 소량의 탄소나노튜브를 첨가함으로써 현재 사용 중인 반도전 재료에 비해 높은 열분해 개시온도를 나타내는 재료를 얻을 수 있음을 알았다. 여기서, CNT:CB=100:0인 시편이 가장 열안정성이 우수하게 나타났으므로 최적 함량비로 판단된다.

참고문헌 (13)

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A. Marcilla, J. A. Reyes-Labarta, and F. J. Sempere, 'DSC kinetic study of the transitions involved in the thermal treatment of polymers methodological considerations', Polymer, Vol. 42, No. 12, p. 5343, 2001

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