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문제 정의
- 각각의 내후성 시험방법에 따라 전처리 후 차단기 외함(housing)이 광 분해 후 어떤 변화가 일어나는지 표면의 미세구조를 확인하기 위하여 관찰하였다.
- 이러한 판정기준은 차단기의 열화과정을 실제 현장에서 쉽게 판별함으로써 사고 위험성을 사전에 미리 예측하고, 차단기 제조사들의 제품개발 및 성능평가를 위한 기초자료로 활용하기 위함이다.
제안 방법
- KYOWA사의 Drop Master DM 300을 사용하여 5 um의 사이즈로 폭로 면에 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다. 측정은 3회 실시하여 평균값을 산출하였다.
- 가속열화시험방법 중 제논아크시험방법은 온·습도 65℃, 50%에 340 nm 파장으로 0.55 w/m2 복사 조도를 조사하여 짧은 시간 안에 물리·화학적 성질의 경시변화를 조사하였다.
- 누전차단기 하우징을 Xenon-arc에 6,000 kJ까지 열화 시킨 후 광학현미경을 이용하여 조사하지 않은 standard sample과 비교하였다(그림 6). 시간에 따른 UV 변화에 따라 각 제조사마다 다른 표면손상변화를 관찰할 수 있었다.
- 누전차단기 하우징의 표준 재료가 무엇인지 확인하기 위하여 적외선 분광 분석기를 측정하여 흡수 피크를 조사하였다(그림 2). A사의 경우 C-H peak (약 2900 cm−1 ), CH2 peak (약 1460 cm−1 ) 및 CH3 peak (약 1375 cm−1 )에서 흡수가 일어나는 것으로 보아 Polypropylene임을 확인하였으며, B, C, D사의 경우는 amides의 NH group이 3100 ~ 3500 cm−1 , C-H stretching 은 약 3000 cm−1 , C = O group이 1520 ~1720 cm−1에서 확인되었으며, Nylon 계열의 재료임을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서는 가장 대중적이면서, 일반적으로 많이 사용되고 있는 누전차단기 4개 제조사를 선별하여 차단기 외함(housing)에 대한 주요고장 인자 중 태양광(자외선)을 이용하여 옥외폭로시험 90º, 37º 및 실내촉진시험(xenon)등 폭로기간에 따라서 어떤 변화들이 발생하는지 1차 판정 기준인 변색 및 광택, 접촉각 및 광학현미경을 통하여 확인하였다.
- 따라서 이러한 고장원인으로 인한 차단기 주요 열화인자를 바탕으로 시험방법을 크게 세 가지로 구분하였다.
- 시험방법은 규격 KS M ISO 4892-2로 진행하였으며, 0.35 w/m2 , 0.55 w/m2 , 0.75 w/m2의 세 가지 광량 중 0.35 w/m2의 경우 누전차단기로 조사한 결과 외함 쪽의 변화가 옥외폭로시험과 비교했을 때의 극히 미비하였고, 0.75 w/m2의 경우 차단기 외함 쪽의 burning현상으로 인해 광분해 현상을 알 수가 없기 때문에 중간 광량인 0.55 w/m2로 선택하였으며, rack 각도는 90도로 하여 설치하였다.
- 옥외폭로시험방법은 다른 각도에 따라서 그림 1과 같이 직접 폭로대에 설치하였으며, 실제 차단기가 건물 외벽에 설치되어 있는 각도와 동일하게 모사하기 위해 90도로 하여 정남향에 위치시켜 KS D 0060에 따라 서산옥외폭로시험장에 설치하여 폭로시켰으며, 37도의 경우는 90도에 비하여 약 1.5배정도 많은 자외선 양을 습득하기 때문에 선정하게 되었다.
대상 데이터
- 누전차단기는 현재 국내외 차단기 시장추세에 따라 설치 공간 및 디자인의 문제로 인한 소형화 저압차단기를 결정하여 국내 제품 중 가장 대중적이고 활용성이 높은 차단기 A사, B사, C사, D사로 선정하였으며, 차단기 하우징의 주재료는 다음과 같다.
데이터처리
- BYK Gardner사의 haze-gloss를 이용하여 조사 면을 중심으로 세 부분을 측정하였으며, 그에 따른 평균값을 계산하였다.
- 누전차단기 하우징 각각의 성분분석을 확인하기 위해 THERMO NICOLET사의 AVATAR 360을 이용하여 스펙트럼을 분석하였다.
- KYOWA사의 Drop Master DM 300을 사용하여 5 um의 사이즈로 폭로 면에 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다. 측정은 3회 실시하여 평균값을 산출하였다. 용액은 증류수를 사용하였다.
이론/모형
- KS M ISO 7724의 방법으로 하여 Gretag Macbeth 색차계를 이용하여 측정하였으며, 아래식과 같이 명도, 채도, 색상의 차이를 CIE 1976(L* a* b*)색공간의 색 좌표를 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 이러한 복합적인 요인으로 인해 차단기 외함은 물리적, 화학적 변화가 일어난다. 1차적 판정 기준은 색상의 변화와 광택의 급격한 저하로 표면에서 광분해가 일어남을 알 수 있으며, 접촉각은 열화의 진행에 따라 소수성에서 친수성으로 변함에따라 접촉각이 약 90도에서 0도로 변하는 것을 확인 할 수 있었다.
- A사의 경우 C-H peak (약 2900 cm−1 ), CH2 peak (약 1460 cm−1 ) 및 CH3 peak (약 1375 cm−1 )에서 흡수가 일어나는 것으로 보아 Polypropylene임을 확인하였으며, B, C, D사의 경우는 amides의 NH group이 3100 ~ 3500 cm−1 , C-H stretching 은 약 3000 cm−1 , C = O group이 1520 ~1720 cm−1에서 확인되었으며, Nylon 계열의 재료임을 확인하였다.
- 결론적으로 4개 제조사 중 D사가 내후성에 매우 취약하였으며, B사가 내후성이 좋다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 주 재료에 의해 기인된 것이 아니라 표면 코팅 및 색상의 차이에 의해 나타나는 것으로 판단된다.
- 내후성 시험방법에 따른 접촉각 측정 결과 평가 주기에 따라서 초기 접촉각에 비해 50%이상 떨어지는 것을 확인하였다(그림 5).
- 실내촉진시험의 경우(그림 5(a)) A, B, C의 경우 3,000 kJ이후에 접촉각이 급속히 떨어졌으며, D 사는 1,000 kJ에서 0도로 감소하였다. 대체적으로 D 사가 초기각도 80도에서 0도로 감소하였으며, 실내 촉진시험의 경우 500 kJ, 옥외폭로 90도는 270일, 옥외폭로 37도는 50일에서 급격히 감소하였다. 이러한 결과는 하우징 표면이 광 열화에 의해 균열, 첨가제들의 표면이행으로 인한 결과로 사료된다.
- 이러한 결과는 하우징 색상 및 코팅에 의한 영향으로 판단된다. 또한, 다른 경쟁사 제품보다 내후성이 가장 좋았다. 이것은 하우징 표면에 자외선 흡수제나 광 안정제 등을 사용한 것으로 사료된다.
- 또한, 하우징 표면에 코팅을 입힌 차단기가 상대적으로 D사와 같이 코팅이 없는 차단기보다 초기 광택율이 약 50% 정도 높았다. 이러한 실험결과로 보아 코팅이 유무에 따라 광택유지율의 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한, 하우징 표면에 코팅을 입힌 차단기가 상대적으로 D사와 같이 코팅이 없는 차단기보다 초기 광택율이 약 50% 정도 높았다. 이러한 실험결과로 보아 코팅이 유무에 따라 광택유지율의 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 따라서 향후 차단기 외함의 색상 및 내후성에 강한 재료를 제조하기 위해서는 어두운 계열의 색상보다는 B사와 같은 밝은 계열(gray)로 색상을 변화 시킬 필요성이 있으며, 자외선을 흡수하여 가역적인 반응을 일으켜 열화를 방지하는 자외선 흡수제나 산화에 의한 라디칼 제거제로 작용하여 자동산화를 방지하는 광안정제를 사용하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 본 연구 결과는 수용가 및 해안지역, 도서지역의 누전차단기 외함의 제품개발 및 성능평가를 위한 기초자료로 활용 될 것으로 기대하며, 자연열화에 의한 전기적 사고를 사전에 방지하기 위한 현장에서 휴대용 색차계 및 광택계를 활용할 수 있는 가장 적합한 성능평가 및 차단기 제품개발 향상에 도움이 될 것으로 판단된다.
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