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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 전기적 특성이 향상된 세라믹 코팅 소재를 적용하여 알루미늄 부스바 시편을 제작하여 TGA (ThermoGravimetric Analysis) 시험, 난연성 시험을 통해 열적 특성과 낙하 충격 시험, Cross cut 시험, 인장 시험, 굽힘 시험을 통하여 기계적 특성을 연구하였다.
제안 방법
- 열적 · 기계적 특성을 향상시키기 위하여 새로운 세라믹 물질을 첨가한 세라믹 코팅재료를 개발하였으며, 세라믹 코팅재의 분석은 국제공인시험기관인 한국고분자시험연구소에서 실시하였다.
- 시료의 열화는 제작된 시료를 전기오븐을 이용하여 120℃ 분위기에서 30일 동안 가속열화를 하였고, 열화된 시료와 열화되지 않은 시료의 전기적 특성을 비교 · 분석하였다.
- 시료의 열화는 제작된 시료를 전기오븐을 이용하여 120℃ 분위기에서 30일 동안 가속열화를 하였고, 열화된 시료와 열화되지 않은 시료의 전기적 특성을 비교 · 분석하였다. B형 시편은 그림 2에서 보듯이 부스바 절연부분 ①, ②, ③번 부분의 앞뒤 면의 절연 두께를 총 30회 특정하였으며, 최저 두께는 58㎛, 최대 두께는 120㎛, 평균 두께는 88.8㎛이다. 표 2에 각 시편 별 측정 회수와 절연 두께를 나타낸다.
- 절연체의 TGA 시험을 위해 알루미늄 부스바에서 절연체를 분리하여 7.2470mg의 절연물 시편을 적출하였다. 열 중량 분석기를 이용하여 600℃까지 10℃/min으로 온도를 상승시키면서 시편의 무게 변화를 측정하여 산화 안정성 및 열적 안정성을 분석하였다.
- 2470mg의 절연물 시편을 적출하였다. 열 중량 분석기를 이용하여 600℃까지 10℃/min으로 온도를 상승시키면서 시편의 무게 변화를 측정하여 산화 안정성 및 열적 안정성을 분석하였다. 그림 3에 TGA 시험용 시편 사진과 그림 4에 TGA 시험 결과를 나타낸다.
- 인장 시험은 인장피로시험기를 이용하여 코팅된 시편의 절연재의 인장 파단강도를 측정하는 것이다. 시험에서는 B형 시편을 인장피로시험기에 장착한 후 시편의 파단시까지 인장력을 가하여 시편과 절연재의 파단 특성을 분석하였다. 동일한 사이즈의 시편을 총 15개 제작하여 동일한 인장시험을 행하였다.
- 본 논문에서는 부스바용 세라믹 코팅제를 개발하여 두 가지 형상의 알루미늄 부스바 시료를 제작하고 TGA 시험, 난연성 시험, 낙하 충격 시험, Cross cut, 인장 시험, 굽힘 시험을 통해 열적 · 기계적 특성을 고찰한 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 시편은 두 가지 형태로 제작되었으며, 하나는 알루미늄 판(100mm×100mm×12mm)을 이용한 것과 알루미늄 부스바(165mm×20(12.5)mm×5mm)를 이용한 것이 있다.
- 그림 2에 각 시료의 절연체 두께를 측정한 부위를 나타내고 도막측정기(Model: QuaNix 4500)를 사용하였다. A형 시편은 앞면 8곳, 뒷면 8곳의 두께를 측정하였고, 측정 회수는 총 320회이다. 최저 두께는 54㎛, 최대 두께는 134㎛, 평균 두께는 90.
- 낙하 충격 시험은 듀폰충격기를 사용하여 시편을 밑단에 고정시킨 후 추를 자유낙하로 떨어뜨려 시편의 깨짐 정도를 확인하는 것이다. 본 시험에서는 추의 무게는 1,000g, 높이는 643mm이고, 외경은 각 3.9mm, 6.9mm, 9.9mm이다. 그림 7에 낙하 충격 시험 방법을 나타내고, 표 4에 낙하 시험 후 형상을 나타낸다.
- 시험에서는 B형 시편을 인장피로시험기에 장착한 후 시편의 파단시까지 인장력을 가하여 시편과 절연재의 파단 특성을 분석하였다. 동일한 사이즈의 시편을 총 15개 제작하여 동일한 인장시험을 행하였다. 그림 9에 인장 시험 방법, 그림 10에 인장 시험용 시편, 그림 11에 인장 시험 결과와 그림 12에 파단 형상을 각각 나타낸다.
이론/모형
- 난연성 시험을 실시하기 위하여 난연성시험법(KSCIEC60331)에 따라 연소 시험 장치를 사용하여 1,500℃의 열을 가열하여 절연재의 연소성 시험을 행하였다. 그림 5에 연소 시험 장치를 나타내고 그림 6에 연소 후의 절연재의 형상 사진을 보인다.
성능/효과
- TGA 시험 결과 알루미늄 부스바에 사용된 세라믹 코팅재에서 적출한 시편의 분해온도(녹는점)가 380℃로써 우수한 열적 특성을 나타내었다.
- 그림 6에 보듯이 연소 시험 장치의 화염에 대해 절연재는 전혀 연소되지 않았음을 볼 수 있다. 또한 연소 시험 시 유해성 가스가 발생하지 않아 본 절연재는 불연성으로써 열적 특성이 매우 우수하고, 화재 안정성이 탁월하다고 판단할 수 있다.
- 그림 8에 Cross cut 시험 방법과 표 5에 시험 후 형상을 나타낸다. Cross cut 시험 결과 미열화 시편과 열화 시편 모두 절연재의 박리가 전혀 일어나지 않았으며, 열화에 대해 접착력 손상이 전혀 없음을 확인할 수 있다.
- 개발된 세라믹 코팅제는 입자의 평균 크기가 약 0.5~0.6μm로 주성분이 약 30%, 용매성분이 약 55%, Cabon black 약 4%, 무기성분이 약 11%로 구성되어 있다.
- 코팅 절연재는 알루미늄 부스바에 잘 코팅되어서 인장 시험시 모재인 알루미늄에서 거의 분리되지 않았다. 알루미늄이 파단됨과 동시에 절연재가 파단 될 정도로 우수한 인장특성 및 연신율을 보였다.
- 알루미늄 부스바에 사용된 세라믹 코팅재의 분해온도(녹는점)가 380℃로써 우수한 것으로 나타났다. 연소 시험을 통하여 세라믹 코팅재는 연소하지 않고, 유해가스도 발생하지 않는 재료로 열적 특성이 매우 우수하였다.
- 낙하 충격 시험에서 세라믹 코팅재는 충격을 받아도 파단, 박리 등이 발생하지 않았고, Cross cut 시험에서도 박리가 일어나지 않아 모재인 알루미늄과 접착력이 아주 우수한 것으로 나타났다. 인장 시험에서 모재인 알루미늄 강도의 94.
- 위의 결과를 종합하였을 때 세라믹 코팅소재의 열적 · 기계적 특성은 매우 우수하다는 결론을 얻었다.
- 평균입자의 크기는 약 0.5~0.6μm로 성분구성은 주성분이 약 30%, 용매성분이 약 55%, Cabon black 약 4%, 무기성분이 약 11%이다.
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