KR100727759B1 - 기핵제가 첨가된 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력케이블 - Google Patents

기핵제가 첨가된 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력케이블 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에틸렌계 공중합체 수지를 매트릭스 수지로 하는 통상의 반도전 조성물에 있어서, 상기 매트릭스 수지 총 100 중량부에 대하여, 기핵제가 0.5 중량부 이상 및 3 중량부 이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력 케이블을 제공한다. 본 발명에 의하여 절연 강도를 크게 강화함으로써 절연 두께를 대폭 줄이고, 이에 따라, 절연재료 자체를 줄일 수 있어 재료비를 절감할 수 있으며, 컴팩트한 전력 케이블의 제조가 가능하므로 케이블 운반용 드럼의 장조장화 및 공사 용이성을 달성할 수 있다.
초고압, 전력케이블, 반도전, 절연체, 매트릭스, 기핵제, 계면부, 라멜라

Description

기핵제가 첨가된 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력 케이블{Semiconductive compound added with nucleation agent and power cable using its compound}
도 1은 본 발명에 있어서 선형 결정도 측정 대상 영역 내의 라멜라 및 비결정 영역을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 있어서 시료제작 시 가교 후 온도를 상대적으로 급냉(a) 및 서냉(b) 처리한 경우의 라멜라 결정 성장의 효과를 각각 나타내는 TEM 사진이다.
*주요 도면 부호의 설명
la : 비결정 영역의 길이 lc : 라멜라 영역의 길이
L : 측정 대상 영역의 총 길이
본 발명은 기핵제가 첨가된 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력 케이블에 관한 것으로, 상세하게는 특히 초고전압용 절연 전력 케이블 또는 전력 기기에 사용되는 반도전 조성물에 기핵제를 첨가하여 절연 성능을 향상한 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력 케이블에 관한 것이다.
전력 케이블이나 전력 기기에 이용되는 반도전 조성물은 그 사용 특성상 우수한 전기 전도성을 가져야 한다. 또한, 압출 공정을 수행하는 경우 절연체와의 계면에서 돌기 발생이 적어야 한다. 나아가, 장기 사용 시에도 그 전기적 특성이나 기계적 특성의 저하가 없어야 하고 열화 발생도 없어야 한다.
이와 같은 반도전 조성물의 특성을 만족시키고자 종래에 일반적으로 에틸렌계 공중합체 수지, 특히 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지, 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA) 수지 또는 에틸렌부틸아크릴레이트(EBA) 수지 등을 단독 또는 블랜드하여 매트릭스 수지로 사용하고, 이에 카본 블랙, 산화방지제, 가교제, 가공성 윤활제 등을 혼합하여 반도전 조성물을 제조하였다.
예를 들어, 종래의 반도전 조성물에서는 에틸렌계 공중합체 수지를 매트릭스 수지 총 100 중량부로 하여 대략 30~80 중량부에 해당하는 카본 블랙을 첨가하고 이와 더불어 소량의 산화방지제, 가교제, 가공 윤활제 등을 첨가하였다.
그런데, 상기 종래의 반도전 조성물의 경우, 절연재료와 계면을 이루며 사용된 경우 절연 강도가 낮아 절연 두께를 두껍게 할 수밖에 없어서 절연재료 비용이 증가하며 또한 사용이 불편하여 상기 반도전 조성물을 이용한 케이블의 운반이나 시공이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.
나아가, 상기와 같이 다량의 카본 블랙을 첨가하는 경우 조성물의 점도가 급격히 증가하게 되어 반도전 조성물의 압출 시 절연체 및 반도전체 계면 상에 돌기 발생 가능성 커지게 되었고, 생성된 돌기는 절연 파괴의 개시점으로 작용하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 초고압 케이블용 반도전 조성물의 순도를 높이기 위하여 압출 시 압출 다이에 매쉬를 사용하여 반도전 조성물에 존재할 수 있는 이물질을 걸러 내어 돌기 발생 확률을 낮추는 방법이 이용되었다.
그러나, 상기 방법은 재료 자체가 가지고 있는 특성에 기인한 돌기 발생을 저감하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
한편, 종래에 압출 부하를 낮추고 작업 효율을 높이기 위해 저 분자량의 가공조제를 첨가하여 가공성을 향상시키는 방법이 이용되었다.
그러나, 가공조제를 다량 첨가할 경우 오히려 불순물로 작용한다는 문제점과 함께 가공조제의 첨가에 의한 가공성의 향상이 미비하여 그 실효성이 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 절연 강도를 크게 강화함으로써 절연 두께를 대폭 줄이고, 이에 따라, 절연재료 자체를 줄일 수 있어 재료비를 절감할 수 있으며, 컴팩트한 전력 케이블의 제조가 가능하므로 케이블 운반용 드럼의 장조장화 및 공사 용이성을 달성할 수 있는, 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력 케이블을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 에틸렌계 공중합체 수지를 매트릭스 수지로 하는 통상의 반도전 조성물에 있어서, 상기 매트릭스 수지 총 100 중량부에 대하여, 기핵제가 0.5 중량부 이상 및 3 중량부 이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 반도전 조성물을 제공한다.
그리고 상기 기핵제는 0.5 중량부 이상 및 1 중량부 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 에틸렌계 공중합체는 용융 지수가 15 내지 3000인 폴리에틸렌부틸아크릴레이트를 포함하되, 상기 폴리에틸렌부틸아크릴레이트의 겔 성분이 20중량% 미만인 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 절연층 및 반도전층을 포함하는 통상의 전력 케이블에 있어서, 상기 반도전층이 상기 반도전 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 케이블을 제공한다.
그리고 상기 전력 케이블은 상기 절연층 및 반도전층 사이의 계면부로부터 두께 1㎛ 이하에 있는 절연층인 계면층의 라멜라 밀도가 라멜라 밀도를 표시하기 위하여 통상적으로 사용되는 X선 산란법에 의한 Q 지수 값으로 22.9 이상이거나, 또는 상기 계면층의 라멜라 밀도가 상기 계면부로부터 두께 1㎛ 초과에 있는 절연층인 벌크층의 라멜라 밀도와 대비하여 라멜라 밀도를 표시하기 위하여 통상적으로 사용되는 X선 산란법에 의한 Q 지수 값으로 10 이상 높은 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 기핵제가 첨가된 반도전 조성물 및 이를 이용한 전력케이블을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 에틸렌계 공중합체를 매트릭스 수지로 사용하고, 기타, 산화방지제, 가교제, 카본 블랙 등을 첨가하여 사용하는 통상의 반도전 조성물에 있어서, 특히 기핵제를 첨가하도록 한다. 상기 반도전 조성물로 이루어지는 반도전층은 절연재료로 이루어지는 절연층과 계면부를 형성하는데, 상기 기핵제는 상기 계면부에서 라멜라(lamellae)의 성장을 유도한다.
상술하면, 반도전 조성물 내에 첨가된 기핵제는 케이블 제조 과정 중에서 온도 구배로 인하여 절연층과의 계면부로 확산되어 계면부에 핵 생성 역할을 수행한다. 이에 따라 절연층의 예를 들어 XLPE 절연 재료에는 라멜라가 성장하게 된다.
상기 라멜라 성장 지점(site)이 상기 계면부에 다수 존재하게 되면 라멜라 성장은 횡방향보다 종방향으로 이루어지게 되므로 상기 라멜라 구조는 절연파괴의 개시역할을 하는 전자나 홀의 충격으로부터 내성이 강한 구조를 형성하게 되어 전기적 특성을 향상하게 된다.
더욱이, 상기 조밀하게 성장된 라멜라 계면층은 밀도가 높아지므로 계면의 유전율을 높이게 되고 이로써 계면에 인가되는 스트레스를 감소시켜 전기적 성능을 더욱 높이게 된다.
상기 기핵제로서 예를 들어, 글리세린 지방산 에스테르, 데카그린 지방산 에스테르 등을 사용하며, 하기 실험예로부터 알 수 있듯이, 상기 기핵제를 매트릭스 수지 총 100 중량부에 대하여 0.5 중량부 이상 및 3 중량부 이하로 첨가하는 것이 바람직하고, 0.5 중량부 이상 및 1 중량부 이하로 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 본 발명에서는 상기 에틸렌계 공중합체로서, 예를 들어, 용융지수가 상대적으로 낮은(7~1500) 폴리에틸렌부틸아크릴레이트를 주로 사용하는 한편, 용융지수가 상대적으로 높은(15~3000) 폴리에틸렌부틸아크릴레이트를 부로 사용한다.
예를 들어, 상기 주 폴리에틸렌부틸아크릴레이트 및 부 폴리에틸렌아크릴레 이트의 총 중량 100중량%에 대하여, 상기 주 폴리에틸렌부틸아크릴레이트의 중량비를 70~100중량%로 사용(즉, 부 폴리에텔렌아크릴레이트를 30중량% 이하로 사용)하는 것이 바람직하며, 상기 범위 외에서는 압출 부하가 너무 높아지게 된다.
한편, 상기 부 폴리에틸렌부틸아크릴레이트로서 겔 성분이 20중량% 미만의 값을 가지는 것을 사용하는 경우 고분자 겔 성분이 압출 시 돌기로 작용하는 것을 방지할 수 있다. 이 경우 부 폴리에틸렌부틸아크릴레이트의 중량비는 주 및 부 폴리에틸렌부틸아크릴레이트 총 100중량%에 대하여 특히 10 내지 30 중량%가 되도록 사용하는 것이 바람직하며, 상기 범위 외에서는 압출 부하가 높아지게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.
<실시예>
주로 사용되는 용융지수가 7인 폴리에틸렌부틸아크릴레이트(EBA) 80 중량부 및 부로 사용되는 용융지수가 175인 폴리에틸렌부틸아크릴레이트(EBA) 20 중량부로써 매트릭스 수지 총 100 중량부를 제조하였다.
상기 매트릭스 수지에 기핵제로서 데카글리세린 지방산을 0.5 중량부 이상 및 3 중량부 이하의 범위에서 각각 0.5 중량부(실시예1), 1 중량부(실시예2) 및 3 중량부(실시예3)로 첨가하였고, 산화방지제(IR-PS 802 및 IR1035), 카본 블랙, 가 교제(Perkadox 14S-FL)를 첨가하였다. 실시예들의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
<비교예>
상기 실시예와 같이 용융지수가 7인 폴리에틸렌부틸아크릴레이트(EBA) 80 중량부 및 용융지수가 175인 폴리에틸렌부틸아크릴레이트(EBA) 20 중량부를 사용하여 매트릭 수지 총 100 중량부를 제조하고, 이에 산화방지제, 카본 블랙, 가교제를 첨가하였다. 그러나, 실시예들과 달리 상기 기핵제를 5 중량부 첨가하거나(비교예1), 상기 기핵제를 0.1 중량부 첨가하거나(비교예2), 상기 기핵제를 아예 첨가하지 않았다(비교예3). 비교예들의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
주 EBA 80 80 80 80 80 80
부 EBA 20 20 20 20 20 20
산화방지제 1 1 1 1 1 1
카본 블랙 50 50 50 50 50 50
가교제 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
기핵제 0.5 1 3 5 0.1 0
<실험예>
상기 실시예들 및 비교예들의 반도전 조성물 각각의 특성 비교를 위해 절연 두께 0.5mm의 모델 케이블을 3중 압출을 통하여 제작하고 상기 실시예들 및 비교예들의 반도전 조성물로 상부 전극을 라운드부로 만들어 열을 가한 상태에서 상기 모델 케이블의 절연부와 접착시켰다.
이 후 절연 파괴 평균 전압(kV/mm)을 측정하고 이를 통계적 처리방법(Weibull plot)으로 정량화함으로써 평균 절연 파괴 전압을 평가하였다.
한편, 절연층 및 반도전층 사이의 계면부로부터 두께 1㎛ 이하에 있는 절연층, 즉, 계면층의 라멜라 밀도를 측정하기 위하여, X선 산란(X-ray scattering) 법의 브래이징(brazing) 모드(일정 각도로 표면에 X선을 조사한 후 계면층에서 반사되어 나오는 X선을 검출)로 측정을 수행하였다.
다음 [수학식1]은 통상적인 X선 산란 측정법에 의한 Q 지수를 구하는 식을 나타낸다. 상기 Q 지수를 통하여 라멜라 밀도를 알 수 있다.
Figure 112006011024963-pat00001
여기서, φs는 시료 내의 라멜라 스택의 부피 비를 나타내고, φc는 상기 라멜라 내의 결정 부분의 부피 비를 나타내며, ρc는 상기 라멜라 내의 결정 부분의 전자 밀도를 나타내고, ρa는 상기 라멜라 내의 비결정 부분의 전자 밀도를 나타낸다. 상기 φs, ρc 및 ρa는 X선 산란 측정 데이터를 통하여 직접 구할 수 있다.
한편, 상기 φc는 다음 [수학식2]의 선형 결정도를 구하는 식을 통하여 구해진다.
Figure 112006011024963-pat00002
도 1을 참조하면, 측정 대상이 되는 전체 영역의 길이(L)에 대하여, 측정 대상이 되는 전체 영역의 길이(L) 중 비결정 영역의 길이(la)를 제외한 라멜라 영역 의 길이(lc)의 비를 구할 수 있으며, 상기 비는 선형 결정도를 표시한다. 그리고, 상기 수치는 상기 라멜라 내에서의 결정 부분의 부피 비인 φc와 같다.
한편, 측정 대상이 되는 두 지점(1, 2)에서의 φc, ρc 및 ρa의 값을 같게 하면 Q1/Q2 = φs1/φs2이므로, Q 지수는 라멜라 스택의 부피 비에 대응하는 값 즉 밀도를 표시하는 것을 알 수 있다.
표 2는 실시예들 및 비교예들 각각의 반도전 조성물의 평균 파괴 전압 및 Q 지수로 표시되는 밀도를 나타낸다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
평균파괴전압 (kV/mm) 79 78 62 55 58 57
밀도 (Q지수) 25.7 32.7 22.9 - 19.8 20.7
상기 표 2로부터 알 수 있듯이, 실시예들의 경우 평균 파괴 전압이 상승하였음을 알 수 있었다. 이는 계면 부근의 라멜라 밀도가 증가하여 절연파괴의 개시전압을 높였을 뿐만 아니라 라멜라 계면부의 밀도 증가로 유전특성이 향상되었기 때문이다.
그러나, 비교예1로부터 알 수 있듯이, 5중량부 이상의 과도한 기핵제 첨가는 계면부에 첨가제 자체의 층을 형성하여 라멜라 형성에는 도움이 되지만 오히려 절연파괴 개시의 약점으로 작용함을 알 수 있었다. 또한, 비교예2나 비교예3과 같이 기핵제를 0.5 중량부 미만으로 낮게 첨가하거나 아예 첨가하지 않은 경우에 평균파괴전압이 낮은 수준으로 나타났다.
따라서, 기핵제를 0.5 중량부 이상 3 중량부 이하로, 바람직하게는 0.5 중량부 이상 1 중량부 이하로 첨가하는 것이 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다.
한편, 상기 실시예 1, 2 및 3의 경우 계면부로부터 두께 1㎛ 초과에 있는 절연층인 벌크층의 라멜라 밀도가 상기 계면층의 라멜라 밀도와 대비하여 상기한 바와 같은 X선 산란법에 의한 Q 지수 값으로 10 이상 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 상기 벌크층 및 계면층에 있어서는 라멜라의 성장 모양도 각각 확연히 차이가 나는 것을 알 수 있었다(도 2의 TEM 사진 참조).
본 실험예에서는 또한 시료제작 시 가교 후 온도를 상대적으로 급냉 및 서냉처리하였을 때의 라멜라 결정 성장의 효과를 살펴보았다. 도 2는 본 발명의 실험예에 있어서 시료제작 시 가교 후 온도를 상대적으로 급냉(a) 및 서냉(b) 처리한 경우의 계면 부근의 라멜라 결정 성장의 효과를 각각 나타내는 TEM 사진이다. 도 2의 TEM 사진에 있어서, 상대적으로 검은 부분은 반도전층 측이고, 상대적으로 밝은 부분이 절연층 측이며, 라멜라 구조는 얇은 실 모양의 형태로 나타나 있다. 도 2a 및 2b로부터 알 수 있듯이, 상대적으로 급냉인 경우보다 서냉인 경우 라멜라 형성 정도가 큰 것을 확인할 수 있었으며, 따라서 가교 후 냉각 시 냉각속도를 줄이는 방향으로 냉각 처리하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 반도전 조성물에 기핵제를 첨가함으로써 케이블 제조 공정 중의 온도 구배에 의하여 상기 기핵제가 절연층 및 반도전층의 계면부로 확산하게 되고 상기 계면부에서 라멜라의 성장이 가능하게 된다. 특히, 상기 계면부에서는 그 수직 방향으로 라멜라의 성장이 이루어지기 때문 에 절연층의 내측인 벌크측보다 밀도가 높은 계면층이 형성된다. 이와 같은 라멜라의 성장에 의하면 절연 파괴의 개시부가 될 가능성이 큰 비결정부가 감소하게 되어 절연 강도가 증가하며, 밀도의 증가에 따른 유전율의 증가로 단절연(ε-grading) 효과가 나타나므로 단위 절연 두께당 전기적 스트레스가 감소하여 특히 초고압 케이블에 있어서 그 절연 두께를 대폭 줄일 수 있다. 이에 따라, 절연재료 자체를 줄일 수 있어 재료비의 절감이 가능하며 컴팩트한 전력 케이블의 제조가 가능하므로 공사 용이성을 달성할 수 있다. 또한, 케이블 운반용 드럼의 장조장화가 가능하므로 케이블간 접속 개소가 감소하여 접속 자재와 공사비를 절감할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명에서는 반도전 조성물에 있어서 특히 돌기 발생을 저감하여 절연체의 절연 강도를 향상시킬 수 있다.
비록, 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 수정이나 변형을 포함한다.

Claims (5)

  1. 에틸렌계 공중합체 수지를 매트릭스 수지로 하는 통상의 반도전 조성물에 기핵제가 첨가된 것이고,
    상기 기핵제의 첨가에 의하여 절연 강도를 증가시키되, 상기 기핵제를 첨가하는 경우가 상기 기핵제를 첨가하지 않는 경우에 비하여 절연 강도가 증가되도록,
    상기 매트릭스 수지 총 100 중량부에 대하여, 기핵제가 0.5 중량부 이상 및 3 중량부 이하로 첨가된 것을 특징으로 하는 반도전 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기핵제는 0.5 중량부 이상 및 1 중량부 이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 반도전 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에틸렌계 공중합체는 용융 지수가 15 내지 3000인 폴리에틸렌부틸아크릴레이트를 포함하되, 상기 폴리에틸렌부틸아크릴레이트의 겔 성분이 20중량% 미만인 것을 특징으로 하는 반도전 조성물.
  4. 절연층 및 반도전층을 포함하는 통상의 전력 케이블에 있어서,
    상기 반도전층은 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 반도전 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전력 케이블은 상기 절연층 및 반도전층 사이의 계면부로부터 두께 1㎛ 이하에 있는 절연층인 계면층의 라멜라 밀도가 라멜라 밀도를 표시하기 위하여 통상적으로 사용되는 X선 산란법에 의한 Q 지수 값으로 22.9 이상이거나, 또는 상기 계면층의 라멜라 밀도가 상기 계면부로부터 두께 1㎛ 초과에 있는 절연층인 벌크층의 라멜라 밀도와 대비하여 라멜라 밀도를 표시하기 위하여 통상적으로 사용되는 X선 산란법에 의한 Q 지수 값으로 10 이상 높은 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010049658A (ko) * 1999-06-30 2001-06-15 조셉 에스. 바이크 케이블 반도체 쉴드

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