[논문]전기 절연성능 향상을 위한 폴리머 애자의 표면 특성 연구

박용섭; 배재성; 홍병유; 이재형

doi:10.4313/jkem.2021.34.1.63

전기 절연성능 향상을 위한 폴리머 애자의 표면 특성 연구
A Study on the Surface Properties of Polymer Insulators for Improving Electrical Insulation Performance 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.34 no.1, 2021년, pp.63 - 67

박용섭 (조선이공대학교 전자과) , 배재성 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 홍병유 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 이재형 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigated the surface properties of polymer insulators to improve electrical insulation performance. First, after washing the polymer insulator in various ways, its contact angle was increased, thereby improving the hydrophobic properties and electrical insulation properties. In addition, TiO2 thin films, which have been used as a photocatalytic material and have been applied to the polymer insulator surface of to enhance the surface and electrical insulating properties. For the sputtering method, the contact angle after coating the TiO2 thin film increased with increasing RF power, but it was lower compared to that before coating, indicating that the hydrophobic properties of the surface were slightly deteriorated. Consequently, the electrical properties of the polymer-insulating material were maintained or improved after the TiO2 thin-film coating.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of electrode structure for measuring surface leakage current of polymer insulator.
표 Table 1. Sputtering process conditions for TiO₂ thin film deposition.
그림 Fig. 2. Leakage current vs. applied electric field for polymer insulator before (a) and after and (b) surface cleaning.
표 Table 2. Average contact angles of polymer insulator before and after surface cleaning.
그림 Fig. 3. Contact angles of polymer insulator surface coated with TiO₂ thin films as a function of the sputter power.
그림 Fig. 4. Contact angles of polymer insulator surface coated with TiO₂ thin films. The mixing gas ratio of Ar to O₂ was (a) 9:1 and (b) 8:2 during the sputtering process.
그림 Fig. 5. Surface morphologies of TiO₂ thin films deposited at (a) 70 W and (b) 100 W of the sputtering power.
그림 Fig. 6. SPM image (a) leakage current image and (b) average leakage current of TiO₂ thin films with MIM sample structure. The sputter power was 100 W.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기 절연성능 향상을 위한 폴리머 애 자의 표면 특성 개선 방법에 대해 연구하였다. 먼저 폴리머 애자를 다양한 방법으로 세척한 후 표면 특성과 전기적 특성을 조사한 결과, 세정 후 접촉각이 증가하여 소수성 특성이 향상되었으며 전기적 절연 특성 역시 개선됨을 알 수 있었다.
TiO₂ 계열의 소재들은 광촉매 특성을 지니고 있어 표면의 극친수 특성을 유지할 수 있게 하는 자기세정(self-cleaning) 특성을 지니고 있는 물질이며, 김서림 방지(anti-fogging)와 대전 방지(anti-static) 등을 위한 소재로써 그 기능이 탁월한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 폴리머 애자의 고유 표면 특성 기능을 유지하면서 그 성능을 향상시키기 위해 TiO₂ 물질을 표면 개선을 위한 소재로써 도입하였으며, 친수성과 전기적 절연 특성은 폴리머 애자의 가장 중요한 특성이라고 할 수 있으며, 폴리머 애 자의 하우징 역할을 할 수 있는 물리적 특성을 갖춘다면 그 활용도가 높을 것으로 판단된다. TiO₂ 박막 증착 전 기판은 증류수, 에탄올, 아세톤을 사용하여 세척하였으며 RF (radio frequency) 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 TiO₂ 박막 증착 전 초기 진공도는 3.
본 연구에서는 폴리머 애자의 표면 특성 개선을 위해 다양한 세정방법에 따른 접촉각 및 누설 전류 특성 변화를 조사하였다. 또한 절연성능 특성을 향상시키기위해 광촉매 소재로도 널리 사용되고 있는 TiO₂ 박막을 스퍼터링법(sputtering) 이용하여 폴리머 애자 표면에 증착하고 공정 조건에 따른 표면 및 전기적 특성을 조사하였다.

제안 방법

0×10^-6 Torr 였고, Ar을 30 sccm의 유량으로 주입하여 증착 작업압력을 2×10^-3 Torr로 유지하였다. 4인치 크기의 원형 세라믹 TiO₂ 타깃을 사용하여, 첫 번째는 상온에서 RF 전력은 70~100 W를 변화시켰고 Ar 이용한 플라즈마를통하여 20분간 스퍼터링하여 100 nm의 두께의 TiO₂ 박막을 제조하였고, 다른 조건은 상온에서 Ar과 O₂ (Ar: O₂=9:1, 8:2)를 혼합한 플라즈마를 이용하여 27분간 스퍼터링 하여 100 nm 두께로 증착하였으며, 두 조건 모두 타깃과 기판과의 거리는 60 mm, 기판의 회전속도는 5 rpm을 유지하였다. 표 1은 TiO₂ 박막 증착에 사용된 스퍼터링 조건을 나타낸 것이다.
본 연구에서는 폴리머 애자의 고유 표면 특성 기능을 유지하면서 그 성능을 향상시키기 위해 TiO₂ 물질을 표면 개선을 위한 소재로써 도입하였으며, 친수성과 전기적 절연 특성은 폴리머 애자의 가장 중요한 특성이라고 할 수 있으며, 폴리머 애 자의 하우징 역할을 할 수 있는 물리적 특성을 갖춘다면 그 활용도가 높을 것으로 판단된다. TiO₂ 박막 증착 전 기판은 증류수, 에탄올, 아세톤을 사용하여 세척하였으며 RF (radio frequency) 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 TiO₂ 박막 증착 전 초기 진공도는 3.0×10^-6 Torr 였고, Ar을 30 sccm의 유량으로 주입하여 증착 작업압력을 2×10^-3 Torr로 유지하였다. 4인치 크기의 원형 세라믹 TiO₂ 타깃을 사용하여, 첫 번째는 상온에서 RF 전력은 70~100 W를 변화시켰고 Ar 이용한 플라즈마를통하여 20분간 스퍼터링하여 100 nm의 두께의 TiO₂ 박막을 제조하였고, 다른 조건은 상온에서 Ar과 O₂ (Ar: O₂=9:1, 8:2)를 혼합한 플라즈마를 이용하여 27분간 스퍼터링 하여 100 nm 두께로 증착하였으며, 두 조건 모두 타깃과 기판과의 거리는 60 mm, 기판의 회전속도는 5 rpm을 유지하였다.
TiO₂ 박막을 제조하기 위한 방법으로 졸겔(sol-gel) [5], 화학기상증착법(chemical vapor deposition) [2-4], 스퍼터링 법(sputtering) [6, 7], 상온 진공 분말 분사 공정(에어로졸 데포지션) 등이 사용되고 있는데, 본 연구에서는 스퍼터링 법을 이용하여 고분자 절연체인 폴리머 애자 위에 증착하였다.
또한 TiO₂ 박막의 광학적 및 전기적 특성은 UV-visible spectrophotometer (Hitachi, U 3000)과 HP 4140B가 부착된 SPM (scanning probe microscope) 장비를 이용하여 분석하였다.
먼저 폴리머 애자를 다양한 방법으로 세척한 후 표면 특성과 전기적 특성을 조사한 결과, 세정 후 접촉각이 증가하여 소수성 특성이 향상되었으며 전기적 절연 특성 역시 개선됨을 알 수 있었다. 또한 전기 절연물의 성능 향상을 위한 방안으로 광촉매 소재인 TiO₂ 박막을 적용한 폴리머 애자의 표면 및 전기 절연 특성을 조사하였다. 스퍼터법의 경우, TiO₂ 박막 코팅 후 접촉각이 RF 전력에 따라 증가하였으나, 코팅 전에 비해 낮아져 표면의 소수성 특성이 다소 저하됨을 알 수 있었다.
조사하였다. 또한 절연성능 특성을 향상시키기위해 광촉매 소재로도 널리 사용되고 있는 TiO₂ 박막을 스퍼터링법(sputtering) 이용하여 폴리머 애자 표면에 증착하고 공정 조건에 따른 표면 및 전기적 특성을 조사하였다.
본 측정을 위해 매 시험 시마다 10개의 샘플을 5회에 걸쳐 진행하였다. 또한 폴리머 애자 표면에서의 전기적 특성을 측정하기 위해 시료 표면에 그림 1에서와 같이 일정한 간격으로 패턴 된 마스크를 이용하여 금(Au) 전극을 증착하였으며, HP 4140B 장비를 이용하여 인가 전압에 따른 표면 누설 전류를 측정하였다.
스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 전기적 특성 시험을 하기 위하여 TiO₂ 박막을 절연체로 사용하여 금속- 절연체-금속(MIM) 구조로 샘플을 제작하였으며 준비되어진 샘플은 SPM (scanning probe microscope) 장치를 이용하여 그림 6과 같이 박막의 전류 흐름 이미지와 평균 누설 전류 값을 얻었다. 그림에서 확인할 수 있듯이, TiO₂ 박막의 rms 표면 거칠기 값은 평균 0.
그러나 접촉각 특성에서는 낮은 전력에서 증착된 TiO₂ 박막이 높은 스퍼터 전력에서 증착된 박막에 비해 작은 접촉각 값을 나타내었다. 접촉각 변화 원인을 조사하기 위해 EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 박막 표면의 성분 분석을 하였다. 그 결과, 스퍼터 전력이 100 W에서 70 W로 감소함에 따라 TiO₂ 박막 내 산소 농도는 86.
증착된 TiO₂ 박막의 미세구조는 XRD (X-ray diff- ractometer, Bruker, AXS D8 Discover)로 분석하였고, 박막의 표면 미세 구조는 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy, JEOL JSM-6700F) 및 AFM (atomic force microscopy)을 이용하여 측정하였다. 또한 TiO₂ 박막의 광학적 및 전기적 특성은 UV-visible spectrophotometer (Hitachi, U 3000)과 HP 4140B가 부착된 SPM (scanning probe microscope) 장비를 이용하여 분석하였다.
폴리머 애 자의 가장 중요한 특성 중 하나는 표면에서의 소수성에 있다. 표면 개질 전 폴리머 애자의 고유 표면 특성을 평가하고 표면 세정을 실시하였다. 표면 세정 방법으로는 아세톤 및 에탄올을 이용하였고, 초음파를 이용하여 15분간 세척하였다.
표면 개질 전 폴리머 애자의 고유 표면 특성을 평가하고 표면 세정을 실시하였다. 표면 세정 방법으로는 아세톤 및 에탄올을 이용하였고, 초음파를 이용하여 15분간 세척하였다. 표면 세척한 고분자 절연물의 세정 전후 표면 특성 변화를 알아보기 위한 방법으로 접촉각(contact angle) 측정 장치를 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 표면 특성 개선을 위한 고분자 절연물로 (주)평일사의 폴리머 애자를 사용하였다. 폴리머 애 자의 가장 중요한 특성 중 하나는 표면에서의 소수성에 있다.
표면 세척한 고분자 절연물의 세정 전후 표면 특성 변화를 알아보기 위한 방법으로 접촉각(contact angle) 측정 장치를 이용하였다. 본 측정을 위해 매 시험 시마다 10개의 샘플을 5회에 걸쳐 진행하였다. 또한 폴리머 애자 표면에서의 전기적 특성을 측정하기 위해 시료 표면에 그림 1에서와 같이 일정한 간격으로 패턴 된 마스크를 이용하여 금(Au) 전극을 증착하였으며, HP 4140B 장비를 이용하여 인가 전압에 따른 표면 누설 전류를 측정하였다.

이론/모형

표면 세정 방법으로는 아세톤 및 에탄올을 이용하였고, 초음파를 이용하여 15분간 세척하였다. 표면 세척한 고분자 절연물의 세정 전후 표면 특성 변화를 알아보기 위한 방법으로 접촉각(contact angle) 측정 장치를 이용하였다. 본 측정을 위해 매 시험 시마다 10개의 샘플을 5회에 걸쳐 진행하였다.
한편, 고분자 절연물 표면 특성 향상을 위한 방안으로 TiO₂ 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 폴리머 애자 위에 증착하였다. TiO₂ 계열의 소재들은 광촉매 특성을 지니고 있어 표면의 극친수 특성을 유지할 수 있게 하는 자기세정(self-cleaning) 특성을 지니고 있는 물질이며, 김서림 방지(anti-fogging)와 대전 방지(anti-static) 등을 위한 소재로써 그 기능이 탁월한 것으로 알려져 있다.

성능/효과

[6-9]. 결국 스퍼터 전력의 증가는 접촉각 값을 증가시켰고, 절연체 표면 에너지는 감소됨을 확인하였다.
스퍼터법의 경우, TiO₂ 박막 코팅 후 접촉각이 RF 전력에 따라 증가하였으나, 코팅 전에 비해 낮아져 표면의 소수성 특성이 다소 저하됨을 알 수 있었다. 결론적으로, TiO₂ 박막 코팅 후 고분자 절연물의 전기적인 특성은 유지되거나 향상되었다.
접촉각 변화 원인을 조사하기 위해 EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 박막 표면의 성분 분석을 하였다. 그 결과, 스퍼터 전력이 100 W에서 70 W로 감소함에 따라 TiO₂ 박막 내 산소 농도는 86.5%에서 90%로 증가함을 알 수 있었다 [6, 7].
평균 누설 전류 값을 얻었다. 그림에서 확인할 수 있듯이, TiO₂ 박막의 rms 표면 거칠기 값은 평균 0.12 nm로 매우 부드러운 표면을 나타내었으며, 박막 전체가 균일한 전류 흐름, 즉 균일한 누설 전류가 흐름을 확인할 수 있었다. 누설 전류의 평균값은 매우 낮은 23 pA로 조사되었으며, 증착된 TiO₂ 박막이 우수한 전기적 절연 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
12 nm로 매우 부드러운 표면을 나타내었으며, 박막 전체가 균일한 전류 흐름, 즉 균일한 누설 전류가 흐름을 확인할 수 있었다. 누설 전류의 평균값은 매우 낮은 23 pA로 조사되었으며, 증착된 TiO₂ 박막이 우수한 전기적 절연 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
먼저 폴리머 애자를 다양한 방법으로 세척한 후 표면 특성과 전기적 특성을 조사한 결과, 세정 후 접촉각이 증가하여 소수성 특성이 향상되었으며 전기적 절연 특성 역시 개선됨을 알 수 있었다. 또한 전기 절연물의 성능 향상을 위한 방안으로 광촉매 소재인 TiO₂ 박막을 적용한 폴리머 애자의 표면 및 전기 절연 특성을 조사하였다.
아세톤 및 에탄올로 세정한 후 접촉각은 더욱 커짐을 볼 수 있는데, 이러한 결과들로부터 표면 세정이 폴리머 애자의 소수성 특성을 개선함을 하는 것으로 알 수 있다. 특히, 에탄올을 묻힌 와이퍼를 이용한 표면 세정은 화학적 반응과 물리적인 힘이 가해져 아세톤을 이용한 표면 세정과 유사한 정도의 접촉각 증가 효과를 얻을 수 있었다.
세정 전의 경우, 시료 표면에 인가된 전계가 높아짐에 따라 누설 전류가 증가함을 볼 수 있다. 폴리머 애자는 절연체로서 낮은 누설 전류를 나타내지만, 표면에 부분적 결함인 부착된 유기물 등으로 인해 누설 전류 값이 증가한 것으로 판단되며, 한편, 표면 세정 후 고분자 절연물 표면에서 누설 전류는 인가 전계에 따라 증가하지 않고 일 정한값을 나타냄을 확인할 수 있다. 따라서 폴리머 애자의 표면 세정에 의한 오손 제거는 고분자 절연물의 전기적 특성 향상을 유도할 수 있는 방안이라고 판단된다.

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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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