[논문]친환경 전기재료 적용을 위한 에폭시/세노스피어 복합재료의 전기적 특성 분석

서청원; 권정훈; 박지성; 임기조

[국내논문] 친환경 전기재료 적용을 위한 에폭시/세노스피어 복합재료의 전기적 특성 분석
Analysis of Electrical properties of Cenosphere/Epoxy Composite for Eco-friendly Insulation Material 원문보기

서청원 (충북대학교) , 권정훈 (충북대학교) , 박지성 (충북대학교) , 임기조 (충북대학교)

최근 환경오염 문제가 대두되면서 친환경 재료로 만들어진 제품에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 일반적으로 친환경재료는 기존의 재료보다 성능이 낮거나 비싼 가격 때문에 대체하기가 쉽지 않다. 세노스피어는 화력발전소에서 생성되는 부산물중 하나로 기존 재료에 첨가되는 충전재와 유사한 성분으로 구성되어 있으며, 가벼운 것이 특징이다. 본 논문에서는 화력발전소로부터 발생되는 부산물을 절연재료의 충전재로써 활용하는 방안에 대하여 연구하였다. 에폭시수지에 세노스피어 0~100[wt%]와 실리카 0~40[wt%]를 각각 첨가하여 온도변화에 따른 AC 절연파괴강도 및 유리전이온도, 열팽창율을 시험하였다. 절연파괴 실험 결과 세노스피어/에폭시 복합재료는 실리카/에폭시 복합재료에 비하여 높은 성능을 보여주었으며, 유리전이온도와 열팽창계수는 비슷하거나 좋은 성능을 보여주었다. 따라서 세노스피어는 기존에 사용되고 있는 충전재를 대체할 수 있다고 사료된다.

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문제 정의

본 논문에서는 화력발전소에서 배출되는 부산물중 세노스피어의 재활용 방안으로 전력기기에 많이 사용되는 에폭시에 세노스피어를 충전재로써 첨가하여 세노스피어/에폭시 복합재료의 전기적 특성과 열적 특성을 시험였으며, 이를 실리카/에폭시 복합재료와 비교 분석하여 전력기기에 사용되는 고체절연재료의 충전재로 활용 가능성을 검토하였으며 결과는 다음과 같다.

제안 방법

모든 절연파괴 데이터는 각 조건에서 얻어진 파괴 전압치를 파괴 강도로 환산하여 와이블 통계처리를 통하여 얻어진 scale parameter 값을 파괴강도로 정리하였다.
본 논문에서 실험을 위해 제작한 시편은 6종이며, 충전재의 효과를 비교하기 위해 충전재를 첨가하지 않은 에폭시 1종, 실리카를 첨가한 시편 2종을 제작하여 세노스피어를 첨가한 시편과 비교하였다. 표 4는 시편의 조성이다.
교류절연파괴 강도를 측정하기 위한 실험 장치는 그림 3과 같이 구성하고 온도제어기를 통하여 기름의 온도를 25[℃], 100[℃], 125[℃]로 제어하였다. 실험 전극은 스테인리스 스틸 제질의 직경 10[mm]의 구대구 전극을 제작하였으며, IEC 60243-1에 규정된 교류 절연파괴 실험방법중 단시간승압 방법으로 1[kV/s]의 승압속도로 실험을 진행하였다.
열적 특성 시험은 TMA(Thermal Mechanical Analysis)를 통하여 유리전이온도(Tg)와 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion)를 측정하였으며 온도구간은 25[℃]∼200[℃], 승온속도는 5[℃/min]으로 시험 하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 에폭시는 고온 경화용 주형수지로 상온에서 액상인 에폭시수지(bisphenol-A)와 경화제(anhydrides)를 사용하였으며 물성은 표 1에 나타내었다.
본 실험에서 사용된 충전제는 세노스피어와 실리카 2종으로 표 2, 3에 입도분석을 통한 입도와 XRF(X-ray Flourescence)를 통한 성분분석 결과를 나타내었으며, 그림 1에 광학현미경을 이용하여 관찰한 입자의 모양을 나타내었다.

이론/모형

시편의 제작은 에폭시 수지 제조사의 권장방법을 방법에 따라 제조하였으며 그림 2에 나타내었다.

성능/효과

둘 째, 각 시편은 충전재를 첨가할수록 유리전이온도는 증가하고 열팽창계수는 감소하는 경향을 보였으며, 세노스피어가 첨가된 시편이 실리카가 첨가된 시편보다 유리전이온도와 열 팽창계수가 낮게 나타났다. 따라서 세노스피어가 충전된 시편의 경우 전기적, 열적 특성은 실리카가 충전된 시편보다 우수하거나 비슷한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
둘 째, 각 시편은 충전재를 첨가할수록 유리전이온도는 증가하고 열팽창계수는 감소하는 경향을 보였으며, 세노스피어가 첨가된 시편이 실리카가 첨가된 시편보다 유리전이온도와 열 팽창계수가 낮게 나타났다. 따라서 세노스피어가 충전된 시편의 경우 전기적, 열적 특성은 실리카가 충전된 시편보다 우수하거나 비슷한 성능을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 전기적, 열적 관점에서 기존의 충진재를 대체할 수 있다고 판단되며, 환경오염을 일으키는 폐기물을 재활용함으로써 친환경을 도모 할 수 있다고 판단된다.
충진재가 포함된 시편의 경우 전체적으로 순수한 에폭시 시편보다 파괴강도가 낮았으나 세노스피어가 첨가된 시편의 경우 125[℃]에서 순수한 시편보다 강도가 높았다. 또한 같은 함량의 충진재가 첨가된 시편에서 세노스피어가 첨가된 시편이 실리카가 첨가된 시편보다 절연파괴 강도가 높게 나타났다. 이는 실리카보다 비중이 작은 세노스피어의 경우 같은 무게분율로 첨가될 경우 더 높은 부피분율로 첨가되어 복합재의 열전도도가 크게 증가하고 또한 세노스피어의 성분 중 높은 열전도도를 가지는 산화철의 영향이라 사료된다.
모든 시편에서 충진제가 첨가될수록 유리전이온도는 상승하고 열팽창 계수는 감소하는 경향을 보였다. 세노스피어가 첨가된 시편은 실리카가 첨가된 시편보다 유리전이온도와 열팽창계수가 낮게 나타났으며 그림 5에 나타내었다.
이는 고체절연파괴이론 중 열적 파괴로 사료된다. 세노스피어가 첨가된 시편이 실리카가 첨가된 시편보다 온도가 증가함에 따라 절연파괴 강도의 감소 정도가 적었다.
시편 종류에 따른 AC 절연파괴 강도는 그림 4에 나타낸 것과 같다. 전체적으로 온도가 증가할수록 절연파괴 강도는 감소하였다. 충진재가 포함된 시편의 경우 전체적으로 순수한 에폭시 시편보다 파괴강도가 낮았으나 세노스피어가 첨가된 시편의 경우 125[℃]에서 순수한 시편보다 강도가 높았다.
첫 째, AC 절연파괴 강도는 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 이는 고체절연파괴이론 중 열적 파괴로 사료된다.

후속연구

이는 전기적, 열적 관점에서 기존의 충진재를 대체할 수 있다고 판단되며, 환경오염을 일으키는 폐기물을 재활용함으로써 친환경을 도모 할 수 있다고 판단된다. 하지만 실제 전력기기에 적용하기 위해서는 기계적인 특성과 수명에 대한 추가적인 연구가 선행되어 신뢰성평가가 이루어져야할 것으로 사료된다.

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