전기절연재료

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전기절연재료

2008년 5월 2일 (금) 11:26:00 | 지면 발행 ( 2008년 4월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.전기절연재료㈜도시바_이마이 다카히로(今井隆浩)와세다 대학 대학원_다나카 도시카츠(田中祀捷)개요기간 에너지로 우리 생활을 지탱하는 전기에너지는 빛, 동력, 열, 정보 등 여러 가지 형태로 이용되므로 앞으로도 그 사용량이 증가될 것으로 전망된다. 또한 앞으로는 양질의 저렴한 전기에너지를 안정적으로 공급하는 것이 매우 중요하고 필수불가결해 질 것이다. 이런 전기 에너지의 공급을 담당하는 변압기·개폐장치(스위치기어) 등의 전력기기 및 송전 케이블에서는 대전력을 경제적으로 공급하면서 지구 환경을 위해 고전압·대용량화, 축소·소형화, 고(高)내구·고신뢰성을 갖춘 기능이 요구된다. 이런 전력기기 및 송전 케이블에서 절연재료가 담당하는 역할은 상당히 크므로 절연재료의 특성이 기기 및 케이블 전체의 설계를 결정하는 하나의 원인으로 작용한다.이미 전력기기 및 송전 케이블에 사용되는 절연재료는 재료 각각이 가진 특성에는 적용할 수 없고 무기입자 및 유리섬유 등과의 복합화에 의해 필요한 특성을 가지는 것이 일반적이다. 대표적인 복합재료로는 개폐장치의 절연·구조부재 등에 사용되는 무기입자를 충전시킨 주형(注型)수지 및 유리섬유강화플라스틱(GFRP)을 들 수 있다.이와 같은 복합화에 의한 재료의 고성능화 측면에 있어, 최근 나노사이즈 입자와 폴리머를 복합화한 폴리머계 나노콤포지트(Nano-Composite)가 주목 받고 있다. 폴리머계 나노콤포지트는 1987년에 도요타(豊田) 중앙연구소 연구자들이 나노사이즈의 클레이(층상점상광물)와 폴리아미드(Polyamide)를 복합화한 나노콤포지트를 발표한 것이 계기가 되어, 이후 대학 및 기업 등에서 적극적인 연구개발이 이루어지고 있다.유전(誘電)·절연재료 분야에서도 1994년 IEEE 논문지에 ‘Nanometric Dielectrics’라는 제목의 논문이 게재되었고, 그 후 2001년에는 ‘NanoDielecrics’ 개념이 발표되기도 했다. 이처럼 최근 기초 특성의 파악 및 현상 해명에 관한 많은 연구 논문이 발표됨에 따라 개발이 활발하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 또한 현재 응용 전개에 의한 나노콤포지트 절연재료의 실용화에 기대가 모아지고 있다.여기에서는 유전·절연재료로서 폴리머계 나노콤포지트에 초점을 맞춰 그 연구 동향과 실용화를 위한 방안을 소개한다. 나노콤포지트 절연재료 특성여기에서는 단독 재료로는 가질 수 없는 특성을 얻기 위해 하나 이상의 재료와 조합한 복합 재료 중 나노 규모의 보강재(나노입자)가 분산 매체인 고분자(폴리머) 안에 분산되어 있는 계를 ‘폴리머계 나노콤포지트’로 채택하고 있다.나노콤포지트의 특징은 다음과 같다.① 비교적 소량의 충전량으로 폴리머의 특성·기능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 경우가 많다.② 나노콤포지트화에 특별히 신규 재료를 사용할 필요가 없다.③ 제조 설비가 비교적 간단·저렴하다.이에 따라 나노콤포지트는 기존 기술과의 연속성을 가지고 있기 때문에 향후 공업재료로 기대된다.폴리머계 나노콤포지트로 이용되는 폴리머로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리아미드(PA), 실리콘고무(SR), 폴리이미드(PI), 에폭시수지(EP) 등이, 나노입자로는 실리카(SIO2), 알루미나(Al2O3, AlOOH), 산화티탄(TiO2), 클레이(층상점토광물) 등이 알려져 있다.

<표 1>에는 나노입자가 폴리머로 균일 분산(나노콤포지트화)됨에 따라 유전·절연 특성에 주는 영향에 대해 나타낸 것이다.절연파괴 강도 및 내(耐)부분방전성의 증대 등 절연재료에 있어 필수적인 특성을 향상시킬 수 있다는 결과가 매우 흥미롭다. 나노콤포지트화 결과, 폴리머와 나노입자의 계면이 중요한 역할을 하고 있음이 추정된다. 예를 들어 폴리머 안에 직경 20㎚ 구상(球狀) 나노입자가 5중량퍼센트(wt%) 균일하게 분산되면 나노입자의 비(比)표면적은 8.4㎦/㎥, 무기입자 간 거리(대향(對向) 표면 사이)는 33㎚가 된다. 기존 절연재료에서 사용되어 왔던 약 20㎛ 입자를 폴리머에 동량(同量) 분산한 경우의 비표면적은 나노입자일 때의 1,000분의 1, 입자 간 거리는 1,000배이다. 따라서 나노콤포지트에서 폴리머·나노입자 계면의 광대함 또는 입자직경과 같은 오더(Order)로 입자가 근접하는 긴밀한 구조로 이해될 수 있다. 또 이처럼 계면이 광대하다는 점에 착안하여 각종 유전·절연현상을 설명할 수 있는 폴리머계 나노콤포지트 재료인 ‘멀티 코어 모델’도 연구 중이다.이상과 같이 폴리머로의 나노입자 분산이 재료 특성에 주는 영향은 명확해지고 있지만, 폴리머계 나노콤포지트의 용도 개척 및 실용화는 발전 도상에 있다고 할 수 있다. 그러나 나노콤포지트 절연재료의 실용을 목적으로 기업 또는 산학연이 합동하여 적극적으로 개발, 진행 중에 있다. 전력기기용 에폭시수지 나노콤포지트 절연재료 개발개폐장치(스위치기어) 등의 전력기기 분야에서는 육불화황(SF6)가스 절연을 핵심 기술로 개발해 왔다. 그러나 SF6가스가 온난화 기여율이 탄산가스보다 약 24,000배 정도 더 높은 것이 알려지자 1997년 12월 교토(京都)에서 개최된 ‘지구온난화에 관한 국제협의(COP3)’에서 배출삭감 목표 대상 가스로 추가되었다. 그리고 2005년 2월에 이러한 내용이 명시된 교토의정서가 발효되었다. 기존 전력기기에서는 제조에서 폐기에 이르기까지 SF6가스는 엄밀하게 관리되어 향후 전력유통설비의 중심이 될 것으로 여겨졌지만, 한편으로는 환경문제를 고려한 전력기기를 개발하는 것으로 SF6가스의 사용량 자체를 삭감하는 적극적인 대처방안이 추진되고 있다.

일본 ㈜도시바에서는 SF6가스를 절연매체로 사용하지 않는 환경 조화형 전력기기를 실현하기 위해 고전압 노화내성이 뛰어난 절연재료 개발을 추진하고 있다. 예를 들어 <그림 1>과 같은 고체절연 방식을 이용한 수배전용 개폐장치(주로 중간 변전소·배전용 변전소에서 사용)에서는 고전압에 사용되는 부품류(진공 밸브 등) 바깥 둘레에 에폭시수지 몰드층을 입혀 절연하기 때문에 SF6가스를 전혀 사용하지 않으므로 친환경적이다. 노화내성이 높은 절연재료로 나노콤포지트는 유망한 후보 재료이다.나노입자로 평평한 형상을 가진 층상 실리케이트 화합물을 선택하고 표면 수식제와 혼합 방법을 상세히 검토하여 에폭시수지 안에 나노입자를 균일 분산하는 것을 성공시켰다.(<그림 2> 참조)

또한 전력기기용 재료에서 가장 중요한 절연성능을 향상시킬 수 있다는 사실도 최초로 발견하였다.

<그림 3> (a)와 같이 바늘-평판 전극을 이용한 절연파괴 시험에서 전압 인가 후 절연파괴에 이르기까지의 시간을 비교하면 나노콤포지트는 무충전 에폭시 수지의 2배가 된다는 것이 밝혀졌다. 나노콤포지트는 <그림 3> (b)와 같이 수지 중에 긴밀하게 균일 분산된 나노입자는 노화 패스(전기 트리)가 진전되는 것을 방해하기 때문에 전기트리가 분기(分岐)된다. 분기된 각각의 트리는 선단 전계가 주위의 트리에 의해 온화되어 진전 속도가 빨라짐으로써 결과적으로 파괴에 이르기까지 시간이 길어진다고 추정된다.직류 전력 케이블용 MgO/LDPE 나노콤포지트 절연재료 개발대륙과 대륙 사이 혹은 섬과 섬 사이로 전력공급을 담당하는 해저 케이블 및 육상 장거리 송전전로에서는 직류에 의해 송전이 이루어진다. 대용량 송전에서 사용되는 직류 케이블로는 유침(油浸)절연(OF) 케이블이 주류지만, 보수 용이 및 환경 조화 측면에서 고체절연 케이블 적용이 기대된다. 그러나 전력용 케이블 절연재료로 폭넓게 이용되는 폴리에틸렌은 직류전압에서 공간 전하의 축적에 의해 절연성능이 저하된다는 것이 밝혀졌다. 그 때문에 고체절연에 의한 직류 케이블에는 높은 저항값과 공간 전하에 의한 고전계의 국재(局在)가 없는 등 직류 케이블 특유의 절연성능이 필요하다. 여기에서는 앞서 언급한 과제를 해결하여 직류 케이블용 절연재료로 적용하기 위해 개발 중인 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 나노콤포지트에 대해 소개한다.

일본 ㈜제이-파워시스템(J-Power Systems)에서는 나노사이즈의 산화마그네슘(MgO)을 분산하여 체적저항률을 높이고 고(高)전계 하에서 공간 전하량을 줄인 MgO/LDPE 나노콤포지트를 개발 중이다. <그림 4>에 MgO/LDPE 나노콤포지트 전자현미경 사진을 나타내었다. 직경 200㎚ 이하의 나노 MgO입자가 비교적 균일하게 LDPE 속에 분산되어 있음을 알 수 있다.

또한 고전계에서의 절연성능 평가로 나노 MgO입자 분산 효과를 확인할 수 있었다. 90℃에서 MgO/LDPE 나노콤포지트의 체적저항률은 나노 MgO입자를 분산시키지 않는 LDPE(무충전 LDPE)의 10배 이상이 된다는 결과가 나왔다. 그리고 공간전하 평가에서는 최대 전계에 착안하여 전압 인가 10분 후 평균 가전의존성을 비교하였다. <그림 5>와 같이, 무충전 LDPE(0phr)에서는 105㎸/㎜ 부근에서 급격하게 최대 전계가 상승하지만, MgO/LDPE 나노콤포지트(1, 5phr)에서는 뚜렷한 최대전계의 상승을 확인할 수 없었다.내(耐)인버터 서지성 에나멜선 개발최근 산업용 저전압 모터에는 에너지절감 및 보수용이성 등의 이점 때문에 인버터에 의한 가변속 구동이 급속하게 보급되고 있다. 이에 따라 인버터 소자의 스위칭과 배선 케이블의 임피던스에 기인한 과대 서지 전압(인버터 서지)에 의해 모터가 손상되는 경우가 발생하였으므로 그 절연노화 현상을 해명하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 또 인버터 서지에 의한 모터 손상으로 인해 인접한 에나멜선 사이에서 부분방전이 발생하여 절연피막이 노화 침식되었다. 이를 해결하기 위한 방법으로 부분방전에 대해 노화내성이 높은 에나멜선이 요구되어 각종 내(耐)인버터 서지성 에나멜선 개발이 진행되고 있다.

여기에서는 에나멜선 절연피막을 나노콤포지트화하여 내(耐)부분방전 특성을 높인 에나멜선에 대해 소개한다.일본 히타치 마그네트 와이어㈜(Hitachi Magnet Wire)에서는 절연피막을 나노콤포지트화하여 부분방전 노화에 대해 내성을 향상시킨 내(耐)인버터 서지성 에나멜선을 개발하여 판매 중이다. <그림 6>과 같이, 하층에 폴리에스테르이미드, 상승에 폴리아미드이미드를 코팅한 내열 더블 코트선에서 하층의 폴리에스테르이미드를 나노사이즈 실리카입자를 이용해 나노콤포지트화하여 부분방전 노화에 대한 내성을 높였다.벤질알코올, 방향족(芳香族) 알킬벤젠, 저급 알코올의 3원 용매계 오르가노실리카졸을 제작하여 폴리에스테르이미드 도료에 분산한 뒤 도선에 도포하고 가열 경화하여 내부분방전성 피막을 형성한다. 전자현미경 사진에서 나노콤포지트화한 절연피막 나노실리카입자는 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다. 또 이런 내인버터 서지성 에나멜선에서 10㎑ 정현파를 인가한 경우 절연파괴에 이르기까지의 시간(V-t 특성)이 확인되었다.(<그림 7> 참조) 1.13㎸에서 절연파괴 시간은 일반 에나멜선에서는 1시간 정도로 짧았던 데 반해, 내인버터 서지성 에나멜선은 절연파괴 시간이 1,000시간 이상 정도로 길어진 것으로 밝혀졌다.

고(高)열전도 에폭시수지 절연재료 개발컴퓨터 및 휴대 정보단말기, 파워 디바이스 등이 소형·고성능화됨에 따라 기기내부에서 발생한 열을 효율적으로 외부에 방산시키는 것이 중요해졌다. 하지만 절연을 담당하는 수지부분의 열전도율은 금속 등에 비교하면 높기 때문에, 일반적으로는 열전도율이 높은 입자(금속질화물 등)를 수지로 충전하여 필요한 열전도율을 얻는다.

일본 히타치제작소(日立製作所)에서는 열전도성 입자를 수지에 충전하는 기존 방식에서 벗어나 수지내부의 고차구조를 나노레벨로 제어함으로써 열전도율을 높이는 데에 성공했다. 이 나노구조 제어에 의한 개폐수지(폴리머/폴리머 콤포지트 재료라고도 불림)는 범용 에폭시수지 약 5배의 열전도율을 보이는 것이 확인되었다.(<그림 8> 참조) 열전도율 현상을 지배하는 포논(음자)의 착란을 줄이기 위해 질서 있게 자기배열된 결정적 구조를 에폭시수지 내부에 형성하여 열전도율을 향상시킬 수 있음이 밝혀졌다.

<그림 9>와 같이, 높은 열전도율을 나타내는 결정적 구조부는 이방성(異方性)이 있지만, 이 결정적 구조부가 화학 결합에 의해 비정부(非晶部)와 결합하는 것으로 수지 전체에서는 등방적(等方的)으로 높은 열전도율을 나타낸다.마무리여기에서는 유전·절연재료로서의 폴리머계 나노콤포지트에 주목하여 그 특성과 실용성을 목적으로 한 개발에 대해 소개했다. 절연·유전재료의 나노콤포지트화는 지금까지 행해 왔던 복합에 의한 고성능화의 연장선상에 있다고도 말할 수 있다. 또한 극소량의 나노입자 분산만으로도 뛰어난 유전·절연특성이 발현되기 때문에 혁신적인 재료 기술이라고도 할 수 있다. 이 연속성과 진보성으로 인해 유전·절연재료에서 나노콤포지트 기술은 머지않아 실용화되어 환경 조화·소형화 등 많은 과제를 해결할 수 있는 코어 기술이 될 것으로 확신한다. 내인버터 서지성 에나멜선과 같이 이미 실용화되어 있는 것도 있지만, 유전·절연재료로서 폴리머계 나노콤포지트의 광범위한 분야에서 그 실용화에 대한 연구는 지금부터가 시작이다. 향후 발전이 기대된다.