2.1 재료

Diglycidyl ether of bisphenol-A의 Epoxy resins (DGEBA, EPOKUKDO_YD_128, KUKDO. Chem. co, Korea)와 산무수물계 Me-THPA (Methyl tetrahydrophthalic Anhydride) 경화제를 사용하여 경화하였다. Epoxy Resin 특성 중 에폭시 당량 EEW(g/eq)는 184-190, Viscosity는 11,500∽13,500 (cps at 25℃), Specific Gravity는 1.17 (at 20℃)의 범용적인 기본 수지를 사용하였다. 사용된 경화제, Me-THPA의 분자식 (Molecular Formula: C9H10O3), Molecular Weight(166.17), 분자형식은 다음과 같다.

그림. 1. 경화제 Me-THPA의 분자형식

Fig. 1. Molecular format of the hardener Me-THPA

특징으로서 고순도, 경량, 저점도 그리고 광에 안정된 특성을 나타내며, 낮은 변동성 그리고 좋은 용해도를 갖으며 경화시 고온과 장시간을 요하는 경화제이다.

경화촉진제로서 제3급 아민, BDMA (화학명: BENZYL DIMETHYLAMINE), 분자식 C9H13N, 분자량(135.21)을 갖는 촉진제를 사용하였다.

이러한 재료는 고전압 전동기, 건식 변압기, CT/PT, 고압 스위치, 상호 인덕터, 라인 출력 변압기, 커패시턴스, 커패시턴스 저항 및 IC의 침지, 주조 및 권선에 널리 사용되고 있다.

2.2 나노실리카의 표면개질

헥사메틸렌 디실라잔으로 표면처리된 나노실리카

■ 1-1단계 : 헥사메틸렌 디실라잔의 분해

헥사메틸렌 디실라잔이 산성 조건에서 물과 반응하여 2개의 헥사메틸렌 실라놀이 생성된다.

■1-2단계 : 나노실리카 표면에 대한 헥사메틸렌 실라놀의 결합

1-1단계에서 생성된 (CH3)3-Si-OH가 나노실리카의 OH와 반응하여 나노실리카 표면에 결합된다.

그림. 2. 알킬기 표면처리에 의한 나노실리카의 소수성화

Fig. 2. Hydrophobicization of Nanosilica by Alkyl Surface Treatment

그림 2의 경우 좌측은 친수성 나노실리카가 물에 녹아 분산된 상태를 나타내었고, 표면개질된 나노실리카가 소수성에의해 물 표면 위에 층분리된 상태로 존재하는 것을 우측에 나타내었다. 표면처리 반응 중 나노 실리카가 물 표면에 떠오르면 반응이 완결된 것으로 판단한다.

2.3 에폭시/나노콤포지트 제조

그림. 3. Epoxy/Nano Silica Composites 제조공정

Fig. 3. Epoxy/Nano Silica Composites Manufacture process

에폭시수지와 경화제 그리고 경화촉진제 조성비는 100:80:1의 비율로 하였으며, 사용된 나노입자는 AEROSIL R 300으로서, Specific surface area(BET) 270～300(m2/g), PH Value:3.7～4.5로서, hydrophilic fumed silica를 이용하여 표면개질을 실시하여 사용하였다. 사용된 함량으로 에폭시 수지 100g당 나노입자 충진함량을 나타내었다. 제조된 샘플은 0,1,3,5,7,9phr로서 6종류의 에폭시-나노실리카 콤포지트를 제조하여 사용하였다.

2.4 특성평가

2.4.1 HVAC 절연파괴

절연파괴 실험에 사용된 시험 장치는 100 kV, 주파수 60 Hz/0.1 A 인 고전압 발생이 가능한 내전압 시험 장치를 이 용하였다. 직경 7.4 ㎜ 스테인레스 재질의 구 대 구 전극에서 수행하였고, 모든 측정 시편의 두께는 2㎜로 동일하게 적용하 였다. 절연 파괴 실험은 고전압을 발생시키는 전극을 시편과 함께 상온의 절연유 속에서 수행하였다. 시 험 시편의 규격은 100mm×100mm×2mm를 사용하였다. 인가전압의 속도는 교류 1 kV/s의 승압 속도로 시편이 관통파괴에 이를 때까지 실시하였고, 측정된 모든 절연 파괴 데이터 값은 와이블 플롯을 통하여 나타내었다.

2.4.2 HVDC 절연파괴

±HVDC 250kV/100mA (성민전기(주))을 갖는 직류고전압 (HVDC) 시스템을 이용하여 전기적 절연파괴강도를 측정하였다. 측정샘플은 각각의 10∽12개를 사용하였고, 샘플두께는 일정하게 2mm 두께로 균일하게 제조하였으며, 측정 후 파괴된 지점의 두께를 측정하여 전계강도(kV/2mm)를 구하였다. ±HVDC 절연파괴 측정을 위해 승압속도는 2.5kV/s로 일정하게 승압하여 파괴에 이르게 하였고, 측정전극은 구 대 구 전극을 사용하였으며, 전극에 절연유인 광유를 사용하여 관통파괴를 유도하였다. 측정결과는 와이블플롯를 이용하여 3가지 파라미터인 형상파라미터, 스케일파라미터, B10수명을 구하여 나타내었고 그리고 절연파괴 특성에 대한 해석을 실시하였다.

그림 4에서는 측정장치의 사진을 나타내었다.

그림. 4. ±250kV급 HVDC 측정시스템

Fig. 4. ±250kV Class HVDC Measurement System

2.4.3 유리전이온도(Tg)

DSC (Dynamic differential scanning calorimetry)분석은 다음과 같이 수행되어졌다. 경화된 샘플 2-3 mg을 알루미륨 펜(pan)에서 정확하게 무게가 측정하여 DSC furnace (Instrument Specialists Incorporated, DSC Infinity Series, TA Instrument Ltd, USA)내부에서 측정하였다. 그때 DSC 분석은 40 ml/min 질소환경 하에서 10°C/min의 승온율로서 수행되었다.

2.4.4 주파수 가속에 의한 전기적 트리실험 및 측정

사용된 트리 전극은 침대 평판 전극으로 오구라 쥬얼리 (Ogura Jewelry Co., Japan)로부터 구입 하였다. 그것의 직경과 길이는 각각 1mm와 60mm 였고, 팁 각도는 30 °이고 곡률 반경은 5μm이었다. 샘플의 전극은 음극부분에 도전성 페이스트를 시험편의 바닥면에 코팅하여 판상 전극을 형성하였고, 시험편크기는 45×45×6mm이며, 침과 대항전극면과의 절연거리는 3.8mm로서 구리판이 접지 된 전극으로 구성하였다.

그림 5와같이 에폭시수지 시스템의 전기적 트리 구조를 측정하기 위하여 실험장치를 설치하였다. 전기적 트리구조는 Stereo Microscope (S645T,EZscope), Digital Camera (TOUPCAM, LCMOS05100KPA) 그리고 LCD Personal Computer로 구성된, 온라인 모니터링 시스템을 이용하여 관찰하였다. 전기적 트리구조를 관찰하기 위하여 60배의 확대능력을 갖는 온라인 모니터링으로 부터 관찰하였다. 블록화된 측정시편이 실험과정에 섬락을 예방하기 위하여 광유에 채워진 상태로 실험을 실시하였다. 측정시편은 디지털카메라의 렌즈아래에 직접적으로 위치되어졌고 그리고 고전압 인가전원은 5kVA(220/50kV, 50～1000Hz) 고전압 발생장치로서, 전기트리개시로부터 파괴에 이르기까지 일정하게 15kV/1000Hz을 인가하였다. 측정시간은 5분마다 1회의 화면을 카메라로부터 모니터링 후 기록하여 개인용 컴퓨터에 자동 저장하게 된다. 그리고 절연파괴에 이르는 시간을 절연수명으로 와이블 플롯을 이용하여 분석하였다.

그림. 5. 전기적 트리 측정시스템

Fig. 5. Electrical Tree Measurement System

3.1 유리전이 온도 특성

그림 6에서는 Epoxy Resin(이하 ER이라함)에 Surface Modified Nano Silica(이하, SMNS이라함)를 충진시켜 균질한 분산을 실시하여 Epoxy Nano Silica Composites (이하ENSC이라함) 6종류의 샘플을 제조하였다. Tg은 에폭시수지와 무기물인 나노실리카 사이 계면결합 정도에 따라 큰 차이를 가져온다. 계면결합이 약하면 에폭시수지 말단기와 주쇄가 온도에 따라 크게 흔들리면 유리전이 온도는 낮아지고 반면 혼입된 나노실리카가 에폭시수지사이 화학적인 결합을 통하여 계면을 강하게 잡아줄 때 말단기의 움직임을 억제하는 효과로서 작용하기 때문에 유리전이온도는 향상되게 된다^[13]. 표면처리 되지 않은 나노입자의 경우 입자와 입자사이 수소결합 및 반데르발스 힘에 의해 응집되는 현상이 크게 나타날 때면 약 7nm정도 되는 나노입자 크기가 수개 및 수십개의 응집된 경우가 발생될 수 있어 일부 상대적으로 비표면적이 크게 작아지는 경우로 될 수가 있다. 그 결과 입자와 입자사이 보이드와 같이 빈공간이 되어지게 된다. 그 결과 계면의 결합력은 크게 약화되어진다. 그러나 알킬기로 나노입자의 표면을 개질시키어 입자와 입자사이 소수성의 특성을 갖도록 하게 되어, 입자간의 반발력을 갖게 되어 에폭시 수지 내 입자의 균질한 분산을 가져오게 된다. 사용된 나노실리카는 비표면적이 300m2/g으로서 매우 큰 비표면적을 갖게 되어 균질한 분산이 이루어질 때 나노입자가 온도 증가에 따라 에폭시 체인의 움직임을 크게 억제한 결과를 가져오는 것은 간접적으로 나노입자의 분산정도를 알 수가 있다.

본 연구에서 ER의 경우 Tg은 121.6℃를 얻을 수 있었고, 환경온도 증가에 따라 Tg값이 점진적으로 증가되어 Epoxy/Nano Silica-9phr Composites (ENSC-9이라함)에서 130.7℃의 결과를 얻게 되었다. ER에 비하여 9.1℃ 향상된 결과를 나타내었다. SMNS의 충진함량이 증가할수록 Tg 값의 향상은 입자수가 많을수록 에폭시 체인의 움직임을 억제하는 효과가 더욱더 큰 것이다^[8].

그림. 6. ENSC의 충진함량에따른 유리전이 온도특성

Fig. 6. Glass transition temperature characteristics according to the filling content of ENSC

3.2 HVAC 절연파괴 특성

표 1, 그림 7에서는 ENSC의 충진함량 0,1,3,5,7 phr를 균질분산시켜 제조하였고, 각각 16개의 샘플을 HVAC 승압속도 1kV/s속도로 승압시켜, 관통파괴된 측정결과를 와이블플롯으로 나타내었다. 샘플의 두께는 2mm로 일정하게 제조하였고, 광유 절연상태에서 샘플의 관통파괴를 유도하였으며, 구대구 전극형상으로 실험시스템을 구성하였다. 와이블 플롯의 2가지 특성파라미터로서 형상파라미터는 기울기를 의미하는 것으로, 측정결과 자료의 균질성을 나타낸 파라미터이다. 기울기가 낮으면, 균질성이 낮고 반대로 기울기가 크면 균질성이 큰 결과를 의미하는 것이다. 형상파라미터 결과와 B10수명과는 매우 밀접한 관계를 갖고 있다. 기울기가 낮으면, B10 수명의 경우 누적확률(%) 최하위 10%교점의 값을 의미하는 바로서, 그 결과 값이 낮게 나타나게 된다. 균질성이 낮으면 고전압 기반 전력설비에서는 약점파괴가 일어나기 때문에 취약한 부분으로 절연파괴가 발생되어 전력기기의 불능을 가져오게 된다. 90%가 아무리 휼륭한 절연을 갖고 있다 할지라도 10%정도가 취약한 경우라면 쉽게 전력기기는 위험에 노출된 결과를 가져오게 된다. 또한 스케일파라미터는 63.2%교점의 절연파괴 결과를 의미하는 것이다.

그림. 7. 표 1의 와이블플롯 스케일파라미터와 B10 수명

Fig. 7. esults of Weibull Plot Scale Parameter and B10 Life in Table 1.

측정결과로서, 그림 7에서 ER을 포함하여 ENSC(1,3,5,7) 증가에 따라 와이블 플롯(63.2%) 결과에서 ENSC-1phr의 결과 가장 높은 값을 얻게 되었고, 충진함량이 증가할수록 감소된 결과를 나타내었다. ER에 비하여 ENSC-1,3,5,7,의 경우 절연파괴 결과 17.68, 15.81, 12.06, 12.06% 절연내력이 향상되었고 그리고 형상 파라미터의 경우 측정결과 균질성이 매우 큰 결과(25.14∽55.71)로 자료의 신뢰도가 높았다. 이와같이 ENSC-1,3,5,7의 HVAC 절연내력이 크게 향상되고, 함량별 결과 값이 큰 차이를 나타내지 않았던 이유는 다음과 같다.

본 연구에 사용된 나노입자는 앞서 설명한바, 비표면적이 약 300m2/g으로서 입자의 평균 크기는 약 7nm로서 알킬기로서 표면을 개질하였다. Tanaka 연구자들^[9]의 나노입자 계면의 이중층 모델에서 무기물 입자표면 첫 번째 층은 단단하게 고정된 결합을 갖고 있으며, 2번째 층의 경우 에폭시수지와 결합된 느슨한 결합구조를 갖고 있다. 또한 에폭시수지와 나노실리카와의 사이에는 OH기를 갖는 구조로 수소결합을 갖게 된다.

그림. 8. 계면의 이중층 모델 ^[9]

Fig. 8. Dual layer model of the interface

ENSC-1의 경우 가장 높은 절연내력을 갖게 되는 이유는 에폭시 메트릭스내 알킬기로 표면개질된 소량의 나노입자가 첨가되어 분산이 용이하게 된다. 입자가 균질분산이 이루어지면 소량이지만 매우 큰 비표면적을 갖기 때문에 입자수가 엄청나게 메트릭스 내에 분산이 이루어진다. 더욱이 비표면적이 매우 큰 입자들이 에폭시수지와 OH결합인 수소결합으로 계면의 강화를 가져오게 된다. 그렇지만 HVAC고전압을 인가되어 에폭시수지 및 입자에 존재하는 전자와 외부로부터 주입된 전자들이 강한 에너지를 얻어 전자가 이동하지만 계면이 약한 경우 계면이 전자의 이동통로서 작용하게 된다. 그러나 계면이 강화되면 이동통로가 거의 없어지고 순수하게 외부로부터 주어진 에너지가 에폭시 수지의 체인을 절단시켜 나아가는 경우와 열적인 열화와 병행하여 파괴되는 메커니즘을 갖게 된다. 그러나 초미립자인 나노입자가 전자의 이동을 방해하는 요소로서 작용하게 되어 전자의 이동을 억제하는 결과로 절연내력의 큰 향상을 가져오게 된다. 그러나 ENSC-3,5,7로서 충진함량이 증가할수록 절연내력이 감소되는 이유는 나노입자의 비표면적이 매우 크기 때문에 일정한 양의 에폭시 메트릭스 내에 나노입자의 균질분산에 영향을 미칠 수가 있다. 이는 일부 나노입자들의 미분산의 결과를 가져와 전자의 이동을 상대적으로 자유로이 이동하는 결과가 형성될 것이다. 나노입자 2중층의 경우를 살펴본다면 나노 입자의 첨가량이 증가하면 나노입자간 거리가 좁아져 단단한 결합 층이 증가할 수도 있고 그리고 나노 입자 주위로 이동할 수 있는 고분자영역이 중첩될 수 있어 입자간 거리가 좁아지게 된다^[6,7]. 이처럼 약간의 나노입자가 뭉침이 있어도 나노입자가 에폭시 체인의 이동을 억제하는데 영향을 미치기 때문에 Tg은 향상되어지며, 반면 전자의 이동의 억제가 약한 결과 절연내력은 약간의 감소를 가져온 것이다.

3.3 HVDC 절연파괴 특성

그림 10 ~ 그림 11에서는 SMNS에 충진함량 0,1,3,5,7를 분산시켜 제조하였고, (+)HVDC 절연파괴 강도의 측정결과를 와이블플롯으로 나타내었다. 3-2절의 HVAC의 측정과 같이 구대구 전극을 구성하였고, (+)HVDC 내압기 승압속도를 2.5kV/s로 승압하여 관통파괴를 유도하였다.

(+)HVDC의 경우 구대구 전극 하에서 선형적으로 (+)HVDC를 인가할 때, 전극에서 주입된 전하는 절연체에 트랩 되어져서 외부로부터 인가된 에너지가 더욱더 크면 이전에 트랩된 동극성 전하가 반발하게 되어진다. 그러나 선형적으로 인가된 에너지가 크기 때문에 누적은 계속되어진다. 국부적으로 트랩되어 누적된 공간전하는 불균질한 전계를 형성하게 된다. 그렇지만, 절연체의 내부에 충진된 나노입자의 계면에 따라 누적된 정도는 다르게 된다. 즉, 계면이 불량하면 할수록 트랩된 공간전하는 유리하게 누적되어 도전로를 형성하게 된다. 더욱이 나노입자의 뭉침과 나노보이드 및 마이크로 보이드 그리고 이물질 등에 공간전하는 누적되기 쉬운 조건이 된다.이와같은 도전로의 형성이 증가할수록 계면과 계면간의 간격이 좁아져서 불평형 전계는 더욱더 큰 불평형 전계를 형성하게 된다, 또한 외부로부터 더욱더 강한 전계가 인가될 때 공간전하는 이동할 수 있다. 이동된 공간전하가 더욱더 큰 무리의 공간전하 누적으로 진행될 수 있으며, 이와같은 일련의 과정이 단시간동안 지속적으로 진행되어, 열적현상과 전기적 불평형 전계에 의한 복합적인 결과로 절연이 파괴되는 결과를 가져온다.

본 연구에서 나노입자를 알킬기로 표면처리된 나노입자를 에폭시수지에 충진시켜 제조된 ENSC 샘플의 절연특성을 연구하였다. 알킬기로 표면처리된 나노실리카는 에폭시수지에 균질한 분산이 되도록 하였다. 측정된 절연내력의 결과 ENSC 충진함량이 0,1,3,5,7phr로 증가할수록 (+)HVDC 절연파괴 강도는 향상되었다. ER의 경우 와이블 플롯의 스케일파라미터 값은 172.68kV/2mm의 결과를 얻었다. ENSC-1, ENSC-3, ENSC-5, ENSC-7로 증가할수록, ER에 비하여 ENSC의 절연성능은 0.57, 16.4, 16.9, 28.82% 향상된 결과를 얻었다.

이유는 알킬기로 표면처리된 SMNS 입자의 충진함량이 증가할수록 균질한 분산이 선행되었고, 분산된 계면의 결합력이 에폭시수지와 나노실리카입자에 존재하는 O-H의 수소결합에의해 강화된 계면결합을 형성하였다^[12]. 그로 인해 외부로부터 주입된 공간전하가 계면에 누적이 어려워지고 비표면적이 매우 커서 나노입자들이 주입된 공간전하이동을 억제하는 효과를 나타낸 것이다^[8]. 그런 이유로 불평형 전계의 형성이 지연되어 외부 (+)HVDC 전원으로부터 선형적으로 강하게 에폭시수지에 공간전하의 주입은 열적, 전기적 메커니즘에의해 에폭시 주쇄 및 측쇄를 절단시키는 열화를 가져오게 되어 열화된 국부적인 사이트에 공간전하는 누적되어 불평형 전계를 형성하게 된다. 이와같은 일련의 과정과 일부 약간의 뭉침과 결함의 발생원이 근거가 되어 절연이 파괴된다.

그림. 9. 표 2의 와이블플롯 스케일파라미터와 B10 수명

Fig. 9. Results of Weibull Plot Scale Parameter and B10 Life in Table 2.

3.4 주파수 가속에의한 전기적 트리잉 특성

ER에 SMNS를 충진시켜 ENSC-0, ENSC-1, ENSC-3, ENSC-5, ENSC-7 샘플을 제조하였다. 충진된 ENSC에 트리침 전극을 삽입하여 트리샘플을 제조하여 전기적 트리잉 실험을 실시하였다. 인가전압 및 주파수는 가속열화를 위하여 15kV/1kHz를 선택하였고, 트리개시로부터 진전 그리고 파괴에 이르기까지 일정하게 전원을 인가하여 파괴시간을 트리수명의 자료를 와이블 플롯으로 분석하였다.

트리개시 및 진전 그리고 파괴시간은 초기트리형상에 의해 크게 지배된다. 또한 절연체 수지의 종류, 환경온도 및 나노입자의 혼입 그리고 인가전압레벨과 트리침의 형상, 선단곡률 반경 등에 의해 트리형상이 좌우되고 그로 인하여 트리파괴수명이 결정된다^[10,11][15].

그림 표 3, 그림 10에서는 트리침의 곡률반경 5μm, 절연거리 3.8mm, ENSC에 SMNS을 0,1,3,5,7phr 충진시켜 ENSC-0, ENSC-1, ENSC-3, ENSC-5, ENSC-7의 트리샘플을 제조하여 주파수 가속에 의한 트리수명을 평가하였다. 트리침선단 전계강도는 ^[14]

$E_{tip}=\dfrac{2V}{r\ln(1+\dfrac{4d}{r})}[k V/mm]$

으로 구한다. 여기서, r는 트리 침 선단 곡률반경(5μm), V는 인가전압(15kV), d는 침선단과 평판전극간거리(3.8mm), 트리침 선단 전계 강도는 781.4 kV/mm이다.

ENSC 충진함량에따른 HVAC 전기적 트리잉 실험결과 절연내력 수명평가의 와이블 플롯을 나타내었다. 측정샘플 개수는 4∽9개를 사용하였고, 절연파괴 시간의 와이블 특성파라미터 중 스케일 파리미터(63.2%)는 ER의 경우 120분을 나타내었다. 그러나 ENSC-1, ENSC-3, ENSC-5, ENSC-7 의 경우 17,400, 13000, 6551, 114분의 절연수명을 나타내었다. ER에 비하여 145, 108.3, 54.6배의 긴 절연수명을 얻게 되었다. 그러나 ENSC-7의 경우 ER에 비하여 오히려 더욱 짧은 절연수명을 기록하였다. ER에 SMNS의 충진함량이 증가할수록 장시간 전기적 트리실험의 결과 절연수명이 짧아지는 결과를 얻었다.

이처럼 ENSC-1phr의 경우와 ENSC-3,5,7phr의 증가에따라 트리절연수명이 짧아지는 이유는 다음과 같다.

전기적 트리의 가속열화를 위하여 인가전압 15kV/1kHz을 인가하였다. ER에서는 전형적인 가지형 트리로 개시되었고, 진전하였다. 그 결과 대항전극에 이르러 절연이 파괴되는 결과이다. 그러나 ENSC-1phr의 경우 트리잠복기가 길고, 초기트리 트리개시 시간이 긴 결과를 나타내었다. 가지형 트리의 개시로 트리가 개시되었고 ER에 비하여 상대적으로 작은 가지의 형성이 축방향과 측방향으로 진행되었다. 충진함량이 증가할수록 트리발생 영역이 넓어지고 더욱더 많은 잔가지의 진전을 가져왔다.

ER에 SMNS를 소량 (1phr)를 혼합한 경우 트리개시와 진전과정에서 트리잠복기가 매우 긴 시간 후에 트리개시가 되었다. 이는 1kHz의 전원주파수를 갖는 고전압(15kV)을 인가하여도 잠복기가 매우 긴 경우, 전원으로 부터 지속적인 전자의 주입이 이루어진 경우에도 트리개시가 없음은 트리침 선단에 나노입자들이 트리개시를 방해하는 경우이고, 더욱이 ER와 SMNS와 O-H기의 수소결합에 의해 계면이 강화된 상태이다. 이와같이 어느 하나라도 약화된 상태에서는 트리의 개시가 발생되게 된다. 더욱이 비표면적이 300m2/g 인 SMNS입자 들이 고른 분산을 한 상태이다. 그런 이유로 잠복기가 긴경우로 볼 수 있다. 앞서 HVAC 절연파괴 결과에서도 가장 높은 절연내력을 나타낸 이유이다. 트리개시 후 트리진전 과정에서잔가지가 많이 발생하는 것은 나노입자들이 균질분산으로 약한 계면으로 또는 장시간에 걸쳐 지속적인 전자들의 주입에의해 고에너지가 ER수지의 체인을 분해시켜 나가는 경우이다. 결국 SMNS가 트리진전을 억제하는 것으로 축방향으로 진전하지 못하고 측방향의 계면 중에서도 약한 계면으로 진전하기 때문이다.

SMNS의 충진함량을 증가될 때, 트리잠복기의 시간이 짧아지고 트리개시 시간이 빠르게 발생되는 이유는 소량의 SMNS가 충진될 때 Tanaka 연구자들^[9]의 설명처럼, 나노입자와 입자간 간격이 충분한 상태로서 분산이 이루어지기 때문에 더욱더 균질한 분산과 계면의 강화를 가져와서 트리 진전을 억제하는 역할을 하였다. 그러나 SMNS 충진함량이 ENSC-5, ENSC-7phr로 증가 될 때 나노입자들이 너무 큰 비표면적을 갖기 때문에 나노입자와 입자간 사이가 좁아져서 표면처리된 나노입자들의 첫 번째 층과 두 번째 층사이로 층간이 중첩된 현상이 발생될 수 있다. 입자들의 층간중첩이 발생되면 오히려 계면의 약화를 가져올 수가 있다. 그런 이유로 과량의 나노입자의 충진은 일정한 ER양 내에 과량의 SMNS가 충진되어 분산될 수 있는 영역이 매우 좁은 결과가 되어, 오히려 계면이 전자의 이동 통로가 된 경우이다. 그런 이유로 넓은 영역으로 가지들이 진전하는 것은 약화된 계면들의 도전로가 되어 절연파괴에 이르게 된다. 이처럼 과량의 나노입자 충진 결과 트리의 진전의 억제보다 트리의 진전을 위한 도전로의 발생을 가져오는 것이다.

그림. 10. 트리수명 결과의 와이블플롯 특성파리터값

Fig. 10. Weibull Plot Characteristic Parameter Values ​​of Tree Lifetime Results

1. 유리전이온도 특성

유리전이온도를 통하여 에폭시 수지 내 SMNS의 분산을 알 수 있었고, 충진함량 증가에 따라 유리전이온도의 상승은 에폭시 수지의 체인의 거동을 억제하는 역할로 나노입자가 작용하였다.

2. HVAC 단시간 절연파괴 특성

HVAC 단시간 절연파괴의 결과, ENSC-0,1,3,5,7절연내력은 ER에 비하여 17.68, 15.81, 12.06, 12.06%의 절연성능이 향상되었다. 이는 알킬기로 표면처리된 SMNS가 균질분산 되어 전자의 이동을 억제하는 역할로 과량의 충진 시에도 절연내력을 유지하는 결과를 가져왔다. 특히 소량인 1 phr의 충진시 가장 향상된 결과를 얻게 되었다. 향후 중전기기 절연소재로 적용될 수 있음을 나타낸 것이다.

3. (+)HVDC 단시간 절연파괴 특성

(+)HVDC 단시간 절연내력의 결과, ER에 비하여 ENSC-1,3,5,7phr의 절연성능은 0.57, 16.4, 16.9, 28.82% 향상된 결과를 얻었다. SMNS의 충진함량 증가에따라 (+)HVDC 절연내력은 향상되었다. 가장 충진함량이 높은 ENSC-7phr에서 가장 높은 절연내력을 얻었다. HVAC와는 상반된 특성을 나타내었다. 이는 공간전하의 주입과 이동을 SMNC가 억제하는 역활로 작용하였음을 알 수 있었다.

4. 주파수 가속된 장시간 전기적 트리잉 특성

주파수 가속열화를 위하여 인가전원(15kV/1kHz)을 사용하였고, ENSC-0,1,3,5,7phr의 샘플을 이용하여 전기적 트리잉 신뢰성평가 결과 ER에 비하여 ENSC-1의 경우 145배의 절연수명을 얻었다. 또한 SMNS의 충진함량 증가에따라 HVAC의 경향으로 절연수명이 감소되었다. 이는 과량의 SMNC 양에 의하여 오히려 입자와 입자간 간격이 좁아져서 오히려 계면의 중첩에 의해 계면의 약화에 영향을 주는 것으로 사료된다.

이상의 결론을 바탕으로 고전압기반 중전기기 절연소재로서 표면처리된 나노실리카를 파이롯트로 제조가 가능하여, 실용적으로 산업에 적용하기 위한 에폭시/나노-마이크로실리카 연구를 지속적으로 진행할 것이다.