KR100530554B1 - 전기·열 절연재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 중공체와 유리 복합체를 포함하는, 고열을 차단함과 동시에 전기적인 절연성을 갖는 다공성 전기·열 절연재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 미리 원하는 기공의 크기와 형상이 설계된 세라믹 중공체를 기공형성제로서 절연재 내부에 넣어 목적에 맞는 단열과 전기절연 특성을 가지는 전기·열 절연재를 제공할 수 있다.

Description

전기·열 절연재 및 그의 제조 방법{Electro-Thermal Insulator Materials and Fabrication Thereof}

본 발명은 열류의 보온 및 차단과 동시에 전기적인 누출을 막아서 외부와 열 및 전기적 절연을 함으로써 외부 시스템을 보호하기 위한 전기·열 절연재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 열적, 전기적 절연성과 더불어 가공성이 있고 강도가 높은 세라믹 중공체를 포함하는 일체형 경량 절연재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

절연재는 열류의 보온 및 차단을 목적으로 사용하는 단열재와 전기적 절연을 위하여 사용하는 전기절연재로 나눌 수 있다.

단열재는 충전형 단열재와 반사형 단열재가 있다. 단열재는 단열대상물의 안전사용온도, 주변조건, 필요한 기계적 강도, 내화성, 내약품성, 부피, 흡음, 방습 및 결로에 대한 저항치 및 가격 등 목적에 따라 다양한 종류가 있다. 충전형 단열재는 광면, 식물성 섬유, 식물성 종이, 기포 플라스틱, 석면 섬유를 혼합한 염화칼륨, 팽창 파라이트, 유리 섬유, 실리카겔, 규조토, 내화벽돌 등이 있다. 이들 물질은 내부에 공기가 다량 함유된 다공질이거나 열방사에 불투명하여 열을 차단한다. 반사형 단열재는 알루미나 박이나 알루미늄 판이 주종을 이루고 있으며 도금강판이나 알루미늄지 경우에 따라서는 금면이나 은면도 사용되며 고온에서는 특수 내열성 금속이 사용되는 데 이들의 단열성은 열방사에 대한 낮은 방사율에 기인되는 것이다.

100℃ 이하의 저온용의 플라스틱 기판, 에폭시 등 유기 절연재는 값이 싸고 가공이 쉽고 저온에서 절연성이 우수하지만 높은 온도에서는 열적인 안정성이 없고 절연파괴가 일어나기 쉽다. 고온에서 열적 안정성이 높은 알루미나, 실리카계 고밀도 무기 절연재는 강도가 높고 전기적 절연성이 좋으나 무겁고 단열효과가 떨어진다. 고순도의 유연성 쉬트(sheet) 또는 보드 타입의 무기질 절연재는 가벼우면서 열적, 전기적 절연특성을 만족시킬 수 있으나 재료가 연약하여 외부적인 충격에 비교적 약할 뿐만 아니라 다양한 형태로의 가공이 어렵다.

내부의 높은 열을 차단하고 전기를 절연하여 외부의 회로, 전자장치 등 외부시스템을 보호하기 위하여 0.5 W/m·K 이하의 낮은 열전도도와 고온에서 10¹⁰ Ohm·cm 이상의 높은 전기저항을 가지면서 복잡하고 다양한 형태로 제조할 수 있는 전기·열 절연재가 필요하다. 고온에서 효과적으로 전기 및 열을 절연하기 위해서는 재료의 물성은 물론 기공의 양, 크기 및 형상 등을 제어해야 한다. 섬유상의 절연재는 섬유에 의해 기공이 만들어지므로 기공의 크기와 양 등을 균일하면서 정밀하게 제어하는 데 어려움이 있다. 또한 금속과의 접합을 위해서는 열팽창율의 정합과 더불어 계면 반응이 억제될 수 있어야 한다.

본 발명의 목적은 미리 원하는 기공크기와 형상으로 설계된 중공형의 세라믹 분말을 기공형성제로서 충전함으로써 기공의 제어가 쉽고 다양한 형태로 제조가 가능한 절연재 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 기존의 문제점을 해결하고자 유리 복합체로 이루어진 모재와 중공형 세라믹 충전재의 구성 성분과 그 조성비의 변화를 통하여 다공구조를 갖는 절연재를 발명하였다.

본 발명의 전기·열 절연재는 기지상이 유리인 모재와 충전재로 이루어진다. 보다 구체적으로, 본 발명의 전기·열 절연재는 충전재로서 세라믹 중공체 및 모재로서 분말분산형 유리 복합체를 포함하는 다공성 복합체로 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기 다공성 전기·열 절연재의 제조 방법을 제공하며, 보다 구체적으로, 본 발명의 다공성 전기·열 절연재의 제조 방법은 40 내지 95 중량％의 유리와 5 내지 60 중량％의 무기물 분말을 증류수와 혼합하여 수계 슬러리를 제조한 후 건조하여 모재 분말을 제조하는 단계, 90 내지 70 부피％의 모재 분말을 30 내지 10 부피％의 중공 세라믹 충전재와 건식 혼합한 후 예비 성형하여 복합 성형체를 수득하는 단계, 및 복합 성형체를 소성하여 다공성 절연재를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

기지상은 전기절연과 형상유지 뿐만 아니라 전기 시스템이 작동하는 고온에서 견딜 수 있는 내열성을 가지고 있어야 한다. 또한 금속과 접합이 되어 형상을 유지하여야 하기 때문에 열팽창율, 수축율 및 계면특성이 조화를 잘 이루어야 한다.

절연재 모재의 조성설계시에 고려해야 할 사항은 균일하게 유리가 생성하는 조성영역의 설정과 더불어 열팽창계수 및 유리전이온도이다. 열팽창계수는 절연재가 금속용기와 접합될 수 있도록 재질과 정합되어야 하기 때문에 매우 중요한 인자이다.

모재는 절연재가 고온에서 형상을 유지시킬 뿐만 아니라 충전재를 결합시켜 강도를 부여한다. 그러나 이들 특성 외에도 충격, 진동에 대한 내성과 방전가스 등에 대한 화학적 내구성을 가져야 한다. 또한 고온 고전력 발생시 전기적 절연이 되어야 하기 때문에 절연파괴가 높아야 한다. 고온 절연파괴, 내충격성을 가지기 위해서는 모재 성분에서 무엇보다 알칼리 이온이 배제되어야 한다.

절연재로 섬유상의 절연랩을 사용하는 경우에는 대부분 용융 실리카를 모재로서 사용한다. 순수 용융 실리카는 용융온도가 매우 높아 일체형 절연재의 모재로 부적합하다. 따라서, 본 발명에서는 모재로서 용융온도가 전기 시스템의 작동온도에 적합하면서 전기적 절연성과 열적 절연성을 갖는 인산염 유리에 인산염 유리의 열적 안정성과 강도를 높이기 위해서 세라믹 분말 또는 금속 분말을 분산시킨 복합체를 사용할 수 있다.

본 발명의 전기·열 절연재의 일 예는 충전재인 세라믹 중공체와 모재인 분말분산형 인산염 유리로 이루어진 다공성 복합체이며, 그 상세한 구성과 제조법에 대하여 아래에 설명하나, 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

기지상인 인산염 유리는 P₂O₅-Al₂O₃-SiO₂계 유리로서, P₂O₅ 20 내지 60 중량％, Al₂O₃ 10 내지 30 중량％ 및 SiO₂ 20 내지 60 중량％의 조성범위를 가지는 유리로 구성된다. 특히, SiO₂ 35 중량％, Al₂O₃ 15 중량％ 및 SiO₂ 50 중량％ 조성의 유리가 모재 유리로서 적합하다.

모재는 유리의 고온특성과 열팽창을 조절하기 위하여 5 내지 60 중량％의 무기물 분말을 유리에 첨가하여 분산시킨 유리 복합체이다. 무기물 분말의 예로는 산화크롬, 산화티탄, 지르코니아, 알루미나, 질화규소, 탄화규소 등의 세라믹 분말 또는 백금, 크롬, 니켈, 몰리브덴 등의 분말이 있다.

기공을 임의적으로 조절하기 위한 기공 형성제로서 사용한 충전재는 속이 빈 중공 구상의 분말로서, 도 1에서 보인 중공 구상입자는 본 발명에서 절연제의 기공형성제로 사용한 한 예를 보인 것으로 평균 입자 크기가 약 70 ㎛인 세라믹 중공체이다. 절연재의 기공형성을 위해 첨가되는 충전재는 절연재의 사용온도에 따라 평균 입자 크기를 결정하며, 절연재의 목적하는 강도에 따라 그 충전재의 종류를 결정할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 충전재의 예로는 실리카, 알루미나 등의 세라믹 중공체가 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

전기·열 절연재는 모재인 10 내지 70 부피％의 유리 복합체에 30 내지 90 부피％의 세라믹 중공체를 혼합하여 예비 성형한 후 100 내지 1100℃로 소성하여 제조한 복합체를 포함한다. 성형과정에서 성형체의 강도 개선 및 800℃ 이하의 저온 소성을 위하여 성형 전의 혼합단계에서 폴리비닐 알콜, 메틸 셀룰로오스, 에폭시 등의 유기 결합제 또는 실리카졸, 알루미나졸, 티타니아 졸, 알루미노실리케이트계 졸 등의 액상 무기 졸을 혼합하거나 또는 성형후 상기한 액상 유기 졸 또는 액상 무기 졸을 성형체에 침투시켜 제조할 수 있다. 충전재의 양에 따라 차이가 날 수 있지만, 특히 액상 무기결합제를 사용하면 예를 들어 실리카 졸을 넣어 800℃ 이하로 소성하여 제조한 복합체는 거의 소성수축이 없어 정밀한 형상과 치수를 갖는 절연재로 제조될 수 있다. 또한 금속과의 접합 또는 동시소성도 가능하다.

본 발명에 따른 다공성 절연재는 300℃ 이하에서는 거의 수축되지 않으며, 900℃까지도 작은 수축율을 나타낸다. 유리 복합체로 이루어진 모재와 충전재의 복합체 자체는 600℃까지 소성하여도 수축이 일어나지 않지만 단단한 소결체를 얻을 수 없는 반면, 무기 결합제인 액상 무기 졸을 첨가하면 절연재의 구조를 치밀하게 촉진하여 저온 소성에 의해서도 절연재의 강도를 높일 수 있다.

절연재는 형상을 유지하고 충격에 견디기 위해서 강도를 가져야 하지만 가장 중요한 특성은 낮은 밀도와 낮은 열전도도를 가지는 것이 요구된다. 본 발명에서는 절연재의 모재 및 중공형 충전재의 물성설계와 미세구조의 제어를 통하여 다공성 절연재를 제조할 수 있고, 초기 원료분말의 크기와 형상을 이용하여 최종 소결체의 기공크기 및 분포와 기공율을 제어함으로써 절연재의 요구물성에 대응할 수 있다.

하기 실시예는 본 발명이 실행되는 방법을 예시하지만 이로써 본 발명이 제한되지는 않는다. 상기 설명내용에 비추어 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위 내에서, 본 발명은 본원에서 설명된 것과 다르게도 실행될 수 있다.

<실시예 1>

먼저, 모재 유리는 SiO₂ 35 중량%, Al₂O₃ 15 중량% 및 P₂O₅ 50 중량%인 혼합분말을 1600℃에서 5 시간 동안 용융한 후 급냉하여 제조하였다. P₂O₅-Al₂O ₃-SiO₂계 모재 유리 분말을 90분간 미분쇄하여 얻은 인산염 유리 70 중량％와 산화크롬 30 중량％를 칭량한 다음, 증류수와 혼합하여 수계 슬러리를 만들고 교반한 후 건조하여 모재 분말을 제조하였다. 제조된 모재 분말 70 부피％와 중공 세라믹 충전재(밀도 0.25 cc/g, 평균입도 70 ㎛) 30 부피％를 건식 혼합하고 여기에 액상 무기 결합제인 실리카 졸을 넣고 혼합 및 건조한 다음 금형 내에 장입하고 가압 성형하였다. 얻은 복합성형체를 전기로에 넣고 600℃에서 소성하여 다공성 절연재를 제조하였다.

<실시예 2>

실시예 1에서 전술한 방법으로 실행하되, 모재 분말 50 부피％와 충전재 50 부피％를 건식 혼합하여 다공성 절연재를 제조하였다.

<실시예 3>

실시예 1에서 전술한 방법으로 실행하되, 모재 분말 40 부피％와 충전재 60 부피％를 건식 혼합하여 다공성 절연재를 제조하였다.

<실시예 4>

실시예 1에서 전술한 방법으로 실행하되, 모재 분말 30 부피％와 충전재 70 부피％를 건식 혼합하여 다공성 절연재를 제조하였다.

<실시예 5>

실시예 1에서 전술한 방법으로 실행하되, 모재 분말 20 부피％와 충전재 80 부피％를 건식 혼합하여 다공성 절연재를 제조하였다.

<실시예 6>

실시예 1에서 전술한 방법으로 실행하되, 모재 분말 10 부피％와 충전재 90 부피％를 건식 혼합하여 다공성 절연재를 제조하였다.

<실시예 7>

실시예 1 내지 6에서 제조한 다공성 절연재에 대한 열팽창·수축에 대한 시험을 실시하였다. 다공성 절연재의 소결 특성을 알아보기 위하여 성형체에 대하여 분당 5℃의 속도로 승온하면서 열팽창 측정기 (402 C, Netz사, 독일)를 이용하여 수축율을 측정하였다. 그 시험 결과를 열팽창·수축곡선으로서 도 2에 나타내었다.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 모든 다공성 절연재는 300℃까지 거의 수축이 일어나지 않았으며, 300℃에서부터 충전재 함량이 가장 높은 90 부피％ 충전재 함유 절연재부터 수축이 일어나기 시작하였다. 수축개시온도는 80 부피％ 및 70 부피％ 충전재 함유 절연재가 400℃, 60 부피％ 충전재 함유 절연재는 550℃, 50 부피％ 및 30 부피％ 충전재 함유 절연재가 620℃이었다. 수축이 멈추는 온도는 충전재 함량이 90 부피％인 다공성 절연재의 경우 830℃에서, 충전재 함량이 80 부피％인 다공성 절연재의 경우 860℃에서, 충전재 함량이 70 부피％인 다공성 절연재의 경우 914℃에서, 충전재 함량이 60 부피％인 경우 920℃이었다. 절연재 모두가 600℃까지 0.5％ 이내의 수축만 일어났으며, 900℃까지도 2％ 미만의 작은 수축율을 나타내었다.

<실시예 8>

실시예 5에서 제조한 80 부피％ 충전재 함유 절연재를 아크릴 단량체에 함침하고 경화한 후 연마하여 그 단면을 전자 현미경으로 관찰하였다 (도 3 참조). 도 3에 나타나져 있는 바와 같이, 충전재가 상하로 고루게 분포되어 있고 서로 접촉되어 있어, 연속상을 형성한 절연재가 제조되었음을 알 수 있었다.

<실시예 9>

실시예 1 내지 6에서 제조한 다공성 절연재의 소결 밀도를 측정한 결과, 다공성 절연재의 소결 밀도가 0.6 내지 1.2 g/cm³의 범위이었다. 소결 밀도의 측정 결과를 도 4에 나타내었다.

<실시예 10>

실시예 1 내지 6에서 제조한 다공성 절연재의 열팽창 계수를 측정한 결과, 충전재의 함량에 따라 차이가 있지만 모든 다공성 절연재의 열팽창 계수는 1.20 x 10^-5 내지 1.30 x 10^-5의 수치 내이었다. 다공성 절연재의 열팽창계수는 소결체에 대하여 분당 5℃의 속도로 승온하면서 열팽창 측정기 (402 C, Netz사, 독일)를 이용하여 측정한 열팽창율로부터 구하였으며, 그 측정 결과를 도 5에 나타내었다.

<실시예 10>

실시예 1 내지 6에서 제조한 다공성 절연재의 2축 강도는 만능시험기 (4465, Instron사, 미국)를 사용하여 속도 0.3 mm/min으로 측정하였으며, 시편 크기는 Φ25 x 3 mm이었다. 2축 강도를 측정한 결과, 기공율이 높은 다공체임에도 불구하고 모든 다공성 절연재는 1 내지 5 MPa의 비교적 높은 수치를 보였다 (도 6 참조). 이 결과로부터, 실리카 졸의 첨가가 분말간의 결합력을 높여 강도를 증진시키는 효과를 가져옴을 알 수 있었다.

또한, 충전재의 증가에 따라 강도가 감소하지만 유리성분이 고립되는 충전재 함량 90％에서 강도가 높은 값을 보였으며, 이로부터 골격을 이루는 충전재간에도 실리카 졸이 충분한 결합력을 부여함을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터, 90％ 이상의 충전재 함유 복합체도 절연재로서 적용할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

<실시예 11>

실시예 1 내지 6에서 제조한 다공성 절연재의 상온 열전도도 및 열용량 (ULVAC SINKU RIKO, Laser Flash thermal constant analyser, TC-7000) 변화를 측정한 결과, 충전재 함량에 따라 열전도도가 1.05 W/mㆍK에서 0.29 W/mㆍK까지 조절될 수 있다는 것을 알 수 있었다. 각 측정 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었다.

본 발명의 세라믹 중공체를 이용한 다공성 절연재는 가벼우면서 강도가 높을 뿐만 아니라 전기저항이 높고 고온에서 안정하면서 열전도도가 낮은 특성을 가져, 작은 부피로도 상온 및 고온에서 전기적, 열적 차단이 필요한 전기 가열장치, 열전지 등의 절연재로서 높은 전기·열적 차단효과를 준다.

도 1은 본 발명에서 전기·열 절연재의 충전재로 사용하는 중공형 분말의 전자현미경 사진를 보여주는 그래프.

도 2는 다공성 절연재의 충전재 부피함량에 따른 열팽창 계수를 보여주는 그래프.

도 3은 중공형 충전재를 80％ 함유한 다공성 절연재를 액상 결합제인 아크릴 단량체에 함침하고 경화한 후 연마한 단면의 전자현미경 사진.

도 4는 다공성 절연재의 충전재 부피함량에 따른 소결 밀도 변화를 보여주는 그래프.

도 5는 다공성 절연재 성형체의 충전재 부피함량에 따른 열팽창곡선.

도 6은 다공성 절연재의 충전재 부피함량에 따른 2축 강도 변화를 보여주는 그래프.

도 7은 다공성 절연재의 충전재 부피함량에 따른 열전도도 변화를 보여주는 그래프.

도 8은 다공성 절연재의 충전재 부피함량에 따른 열용량 변화를 보여주는 그래프.

Claims (12)

1. 충전재로서 세라믹 중공체 및 모재로서 분말분산형 P₂O₅-Al₂O₃-SiO₂계 유리 복합체를 포함하는 다공성 복합체로 이루어진 다공성 전기·열 절연재.
2. 제1항에 있어서, 세라믹 중공체가 다공성 충전재 분말로서 기공형성제로 사용되는 것인 다공성 전기·열 절연재.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 유리 복합체가 세라믹 분말 또는 금속 분말이 혼합되어 분산되어 있는 유리 복합체인 다공성 전기·열 절연재.
5. 제1항에 있어서, 결합제를 더 포함하는 다공성 전기·열 절연재.
6. 제5항에 있어서, 상기 결합제가 폴리비닐 알콜, 메틸 셀룰로오스 및 에폭시로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 결합제인 다공성 전기·열 절연재.
7. 제5항에 있어서, 상기 결합제가 실리카졸, 알루미나졸, 티타니아 졸 및 알루미노실리케이트계 졸로 이루어진 군으로부터 선택된 액상 무기 졸인 다공성 전기·열 절연재.
8. 40 내지 95 중량％의 유리와 5 내지 60 중량％의 무기물 분말을 증류수와 혼합하여 수계 슬러리를 제조한 후 건조하여 모재 분말을 제조하는 단계, 90 내지 70 부피％의 모재 분말을 30 내지 10 부피％의 중공 세라믹 충전재와 건식 혼합한 후 예비 성형하여 복합 성형체를 수득하는 단계, 및 복합 성형체를 소성하여 다공성 절연재를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 다공성 전기·열 절연재의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 예비 성형 전의 건조 혼합 단계에서 결합제를 혼합한 후 예비 성형하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
10. 제8항에 있어서, 예비 성형 후 복합 성형체에 결합제를 침투시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 결합제가 폴리비닐 알콜, 메틸 셀룰로오스 및 에폭시로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 결합제인 방법.
12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 결합제가 실리카졸, 알루미나졸, 티타니아 졸 및 알루미노실리케이트계 졸로 이루어진 군으로부터 선택된 액상 무기 졸인 방법.