[논문]콤팩트 부스덕트용 에폭시분체도료의 전기적.기계적 특성연구

김상현; 최진욱; 김동욱; 김현희

doi:10.4313/jkem.2009.22.3.210

문제 정의

있다[13]. 따라서 본 실험은 연 면 방전에 의한 아크방전 실험을 통해 각 시편의 표면절연 특성을 비교 검토하였다. 표 3은 에폭시 절연재료의 아크방전에 대한 실험조건을 나타내었다[14].
따라서 본 연구에서는 부스 덕트의 전기절연을 위한 에폭시 분체도료 국산 2종과 수입산 3 종을 각각 유동침적법으로 절연 코팅하여 시험시편을 제작하고 열 및 수분 열화에 따른 전기적 특성과 기계적 특성 변화를 비교 검토하였다. 이를 토대로 분체 도료의 절연특성 향상을 위한 기초 자료를 제시하였다.
본 시험에서는 기계적 영향평가를 위해 기계적스트레스와 충격 등에 대한 시험을 실시하였다. 그림 8에 기계적 굽힘에 대한 에폭시 절연체의 영향을 나타내었다.
본 실험에서는 구-평판의 준 평등전계를 구성하고 연면방전을 막기 위해 Si-Oil 내에서 AC 전압을 인가하였다. 수명실험의 데이터는 인가전압의 20 점 이상의 결과를 취했다.
본 연구에서는 국내에서 개발된 콤팩트 부스덕트용 에폭시 분체도료의 다양한 열화 조건에 따른 전기적 . 기계적 특성을 5종의 상용제품을 통해 비교, 검토하였다.
비교 검토하였다. 이를 토대로 분체 도료의 절연특성 향상을 위한 기초 자료를 제시하였다.
열적인 열화를 위해 유동침적법으로 만든 각각의 시편을 전기오븐기에 120 笆로 20 일, 40일, 60일간 유지하여 가속열화를 했으며, 수중 가속열화를 위해서는 전기 가열 용기에서 80 ℃의 수중에서 동일 기간 동안 침적시켰다. 이와같이 가속 열화된 시편들에 대한 전기적 및 기계적특성을 검토함으로써 국산 에폭시 절연재료의 특성에 대한 기초 데이터를 확보하였다.

제안 방법

Cu 도체에 Sn 도금을 처리한 뒤 에폭시 도막처리 된 시편을 cross cutting 용 6날 장치를 이용하여 수동으로 교차시켰으며, 이때 발생된 좌우 36 개의 cell에 접착테이프를 통해 시험하였다. 그 결과 열적 열화에 비해 수중 열화의 경우 대부분의시편에서 상대적으로 많은 cell이 탈착이 되었으며, 이는 에폭시 수지의 흡습 특성에 의한 기포 층의발생이 도막의 접착력을 현저히 떨어뜨리는 것으로판단되어진다.
표 2. DSC 및 TGA 분석.
금속기판을 전기로에서 200 ℃에서 20 분간 가열 하였으며, 이때 비접촉식 적외선 온도계를 통해 확인하였으며 온도의 오차는 ±5 % 이하였다. 가열된 기판을 수직 방향으로 유동 조에 함침 하였다.
그리고 외부 충격에 의한 에폭시 절연재료의 특성을 비교하기 위해 자유낙하를 이용한 Dupont impact 시험을 하였으며, 시험 후 표면의 형태 사진을 그림 10에 나타내었다.
. 기계적 특성을 5종의 상용제품을 통해 비교, 검토하였다.
따라서 수분에 의한 시편의 구조적, 기계적, 전기적특성 변화는 부스 덕트의 실용적 적용에 주요한 변수로 작용할 수 있으며, 실제 운전 중에서 발생 가능한 핵심적인 문제를 검토하기 위해 열적인 가속열화 및 수중 열화를 통해 각 시편의 전기 . 기계적특성을 검토하였다. 열적인 열화를 위해 유동침적법으로 만든 각각의 시편을 전기오븐기에 120 笆로 20 일, 40일, 60일간 유지하여 가속열화를 했으며, 수중 가속열화를 위해서는 전기 가열 용기에서 80 ℃의 수중에서 동일 기간 동안 침적시켰다.
가지고 있다. 따라서 각 시편의 유리전이온도를파악하기 위해 DSC(Q200, TA Instrumnets 사 USA) 분석과 분해온도 측정을 위해 TGA(Q600, TA Instruments사 USA)분석을 실행하였으며, 이에 대한 결과를 표 2에 표시한다. 각 시편의 경우온도에 대한 절연파괴 전압은 Tg 부근에서 하강하기 시작하여 온도의 증가에 대해 더욱 급격히 하락하는 경향을 보인다.
고분자가 조습한 환경에 노출될 경우 물 분자는 쉽게 고분자 매트릭스에 침투하여 밀착성과 유리전이온도를 저하시키고, 기계적 전기적 물성을 감소시킬 수 있다[7]. 따라서 수분에 의한 시편의 구조적, 기계적, 전기적특성 변화는 부스 덕트의 실용적 적용에 주요한 변수로 작용할 수 있으며, 실제 운전 중에서 발생 가능한 핵심적인 문제를 검토하기 위해 열적인 가속열화 및 수중 열화를 통해 각 시편의 전기 . 기계적특성을 검토하였다.
수명실험의 데이터는 인가전압의 20 점 이상의 결과를 취했다. 또한 각 시편의 인가전압의 경우 예상되는 절연파괴 전계 95 %~65 % 사이의 전압을 인가하여 절연파괴가 발생하는 시간을 측정하였다. 실험 결과 D 시편은 공기 중 가속 열화의 겨우 수명 특성의 기울기가 완만하게 진행함에 따라 우수한 특성을 나타내고 있으며, 수중 열화의 경우에서도 상대적으로 우수한 특성을 나타내고 있었다.
또한 에폭시 절연체의 접착력 시험을 위해 cross cut 시험을 실시하였으며, 그 결과를 그림 9에 나타내었다.
제작되었다. 밴딩 시험은 Zwick사의 Material test 1494를 사용하였으며, 하부에 고정된 시편의 받침대는 직경이 $50 mm의 원통형 고정자를 사용했으며, 고정자의 중심에서부터의 간격은 120 mm 로 두고 상부 압입자(<1)20 mm)를 10 mm/min 속도로 진행하여 시편 중심부에 기계적 stress를 가하였다. 그 결과 열화되지 않은 D 시편의 경우 750 N 의 압력과 22 mm의 변형률에서 도막의 crack과 동시에 전체 파단을 관측할 수 있었으며, 수중 60일경과된 시편의 경우 610 N의 압력과 11 mm의 변형률에서 파단이 발생하였다.
5 kV를 인가하여 표 3의 시험조건에 따라 아크방전 시간을 측정하였다. 시험은 각단계별 60 초씩 인가하여 최종 7단계까지 이루어졌다.
에폭시 분체도료의 표면에 전극 간격을 8 mm로고정시킨 후 12.5 kV를 인가하여 표 3의 시험조건에 따라 아크방전 시간을 측정하였다. 시험은 각단계별 60 초씩 인가하여 최종 7단계까지 이루어졌다.
기계적특성을 검토하였다. 열적인 열화를 위해 유동침적법으로 만든 각각의 시편을 전기오븐기에 120 笆로 20 일, 40일, 60일간 유지하여 가속열화를 했으며, 수중 가속열화를 위해서는 전기 가열 용기에서 80 ℃의 수중에서 동일 기간 동안 침적시켰다. 이와같이 가속 열화된 시편들에 대한 전기적 및 기계적특성을 검토함으로써 국산 에폭시 절연재료의 특성에 대한 기초 데이터를 확보하였다.
유동 조 하단의 주입구에서 외부 공기를 에어 콤프레셔를 통해 주입하여 유동 조 내의 에폭시 분체의 유동을 발생시킨 후 가열된 구리 기판을 수직으로 5 초간 침적 시켜 코팅하였다. 상기의 방식으로 제작된 시료는 국내외 5개사의 에폭시 분체도료를 이용하였으며, Amine계로서 기본적 물성의 특성은 표 1에 나타내었다.

대상 데이터

그림 2에 유동 침적법을 이용한 에폭시 분체도료의 코팅방법을 보여주고 있으며, 본 실험에 사용된 유동 조는 스테인리스 원통형의 구조물 하단에 미세한 mesh형 다공판 구조로 설계되어져 있다.
사용된 시편은 (200 m X 25 m X 4 m) 알루미늄 부스바 형태의 도체에 동일한 유동침적법을 통해 제작되었다. 밴딩 시험은 Zwick사의 Material test 1494를 사용하였으며, 하부에 고정된 시편의 받침대는 직경이 $50 mm의 원통형 고정자를 사용했으며, 고정자의 중심에서부터의 간격은 120 mm 로 두고 상부 압입자(<1)20 mm)를 10 mm/min 속도로 진행하여 시편 중심부에 기계적 stress를 가하였다.
5 초간 침적 시켜 코팅하였다. 상기의 방식으로 제작된 시료는 국내외 5개사의 에폭시 분체도료를 이용하였으며, Amine계로서 기본적 물성의 특성은 표 1에 나타내었다.
실리콘 오일에 시편을 침적시키고 전기히터를 통해 실리콘 오일과 시편의 온도를 변화시켰으몌8], 절연파괴시험은 한국산업규격任CS)에 따라 반구(4>25 mm)-평판@75 mm)전극을 사용하였다[9]. 그림에 표시된 데이터는 동일한 조건에서 10 회 이상 실험값을 최소자승법에 의해 표시하였다.
일정 크기로 절단된 구리 또는 알루미늄 기판 (100 mmxlOO mmx4 mm)을 산 세척 후 에틸알코올 (99.9 %)에 함 침하여 초음파 세척을 통해 불순물을 제거하였다. 금속기판을 전기로에서 200 ℃에서 20 분간 가열 하였으며, 이때 비접촉식 적외선 온도계를 통해 확인하였으며 온도의 오차는 ±5 % 이하였다.

성능/효과

2. 온도변화에 따른 절연내력 시험에서도 유리 전이온도 (Tg) 이전까지 7~10 %의 절연파괴 전계의 감소로 매우 안정적인 것으로 조사되었다. 시험 시편의 대부분은 Tg 근처에서 급격한 절연내력의 감소가 시작되었다.
3. 수명 특성(kr9에서도 안정적인 절연특성을 유지하였으며, 아크방전 특성의 경우, 60일 경과된열화시편에서도 안정적인 특성을 유지했다.
수중 열화시킨 시편의 경우에는 대부분의 시편이 열화기간의 경과에 따라 외형상 변화뿐만 아니라 절연파괴 전계 값도 큰 폭의 감소를 보였다. 공기 중 열화 결과와 마찬가지로 수중 열화에서도 D 시편이 열화 기간에 따른 변화폭이 가장 작았으며, C 시편의 변화폭이 가장 크게 조사되었다.
밴딩 시험은 Zwick사의 Material test 1494를 사용하였으며, 하부에 고정된 시편의 받침대는 직경이 $50 mm의 원통형 고정자를 사용했으며, 고정자의 중심에서부터의 간격은 120 mm 로 두고 상부 압입자(<1)20 mm)를 10 mm/min 속도로 진행하여 시편 중심부에 기계적 stress를 가하였다. 그 결과 열화되지 않은 D 시편의 경우 750 N 의 압력과 22 mm의 변형률에서 도막의 crack과 동시에 전체 파단을 관측할 수 있었으며, 수중 60일경과된 시편의 경우 610 N의 압력과 11 mm의 변형률에서 파단이 발생하였다. 즉 수중열화로 인해기계적 굽힘 강도가 다소 줄었으며 B 시편 역시 비슷한 경향을 보였다.
온도는 80 ℃로 유지하였다. 그 결과각 시편은 표면의 색상 변화와 더불어 열화시간이진행 될수록 기포의 형상과 개수가 변화되었다. 기포의 개수는 열화 시간에 반비례하여 비록 줄어들었지만 기포의 직경은 점점 크게 변화되었다.
5종의 에폭시 분체도료 제품의 열화에 대한 전기적 . 기계적 특성을 비교해 볼 때 국산 D 시편과 외국산 A 시편의 성능이 우수한 것으로 판단된다.
부근에서 Flash Over가 발생되었다. 또한 열화된 시편의 경우 40일을 기점으로 시편 A 및 C의 경우 급격한 감소가 발생되었고 시편C의 60일 열화시킨 경우 아크방전에 대해 매우 취약한 특성을 보였다. 그러나 시편 B, D, E의 경우 열화에 대한 큰 변화 없이 안정된 성능을 보여주었다.
특히 기포의 사이즈가 수중 열화의경우 큰 시편 日의 경우 각 cell이 독립적으로 탈착되는 것이 아니라 전체가 거의 떨어져 나감을 확인하였고, 수중열화 뿐만 아니라 열적 열화의 경 우에도 대부분 탈착되었다. 시편 D의 겨우 60 일 경과한 경우를 제외하고는 다소 우수한 특성을 보였으며, 시편 A의 경우에도 비교적 우수한 특성을 나타내었다.
시험 결과로써 열화되지 않은 초기시료의 경우 C시편이 최종 7단계(420초)까지 견디어 가장 우수한 특성을 보였으며, 다른 시편의 경우 3~4단계인 200초 부근에서 Flash Over가 발생되었다. 또한 열화된 시편의 경우 40일을 기점으로 시편 A 및 C의 경우 급격한 감소가 발생되었고 시편C의 60일 열화시킨 경우 아크방전에 대해 매우 취약한 특성을 보였다.
또한 각 시편의 인가전압의 경우 예상되는 절연파괴 전계 95 %~65 % 사이의 전압을 인가하여 절연파괴가 발생하는 시간을 측정하였다. 실험 결과 D 시편은 공기 중 가속 열화의 겨우 수명 특성의 기울기가 완만하게 진행함에 따라 우수한 특성을 나타내고 있으며, 수중 열화의 경우에서도 상대적으로 우수한 특성을 나타내고 있었다. 그리고 A 시편에서 고전계의 경우 다소 기울기가 급격히 강하되나 저전계의 경우 다소 안정된 수명 특성을 나타낸다.
그림에 표시된 데이터는 동일한 조건에서 10 회 이상 실험값을 최소자승법에 의해 표시하였다. 실험결과로써 140 ℃ 이내에서는 외국산 A시편이 절연파괴 전압이 가장 높았으며, 국내산인 D, E 시편과 외국산 C가 다소 높게 나타났으며, 다음으로 B시편순으로 조사되었다. 반면 약 150 ℃ 이상에서는 실사용 영역에서 가장 높은 절연내력을 보여준 외국산 A 시편과 국내산 D 시편의 외형상 변화와 함께 C와 E 시편의 경우 급격한 절연내력의 변화를 보였다.
공기 중에서 열화시킨 시료는 열화 기간이 경과함에 따라 대부분의 시편에서 외형상 큰 변화는 없었으나 절연파괴 전계 값은 소폭의감소를 보였다. 특히 국내산 시편은 거의 변화가발생하지 않을 정도로 우수한 특성을 보였으며, 반면 C 시편은 상대적으로 가장 큰 변화가 관찰되었다. 수중 열화시킨 시편의 경우에는 대부분의 시편이 열화기간의 경과에 따라 외형상 변화뿐만 아니라 절연파괴 전계 값도 큰 폭의 감소를 보였다.
그 결과 열적 열화에 비해 수중 열화의 경우 대부분의시편에서 상대적으로 많은 cell이 탈착이 되었으며, 이는 에폭시 수지의 흡습 특성에 의한 기포 층의발생이 도막의 접착력을 현저히 떨어뜨리는 것으로판단되어진다. 특히 기포의 사이즈가 수중 열화의경우 큰 시편 日의 경우 각 cell이 독립적으로 탈착되는 것이 아니라 전체가 거의 떨어져 나감을 확인하였고, 수중열화 뿐만 아니라 열적 열화의 경 우에도 대부분 탈착되었다. 시편 D의 겨우 60 일 경과한 경우를 제외하고는 다소 우수한 특성을 보였으며, 시편 A의 경우에도 비교적 우수한 특성을 나타내었다.

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