KR101259746B1 - 원자력 고압 케이블용 반도전층, 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트, 이를 구비한 원자력 고압 케이블, 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 케이블용 반도전층, 고압 케이블용 반도전층 시트, 이를 구비한 고압 케이블, 및 그 제조 방법을 개시한다.
본 발명에 따른 고압 케이블용 반도전층은 에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및 탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 고압 케이블의 반도전층의 베이스 매트릭스 수지로 사용되는 에틸렌비닐아세테이트에 탄소나노튜브가 첨가되어 에틸렌비닐아세테이트 및 이를 포함한 고압 케이블의 반도전층의 내방사성 및 내산화성이 현저하게 개선된다.

Description

원자력 고압 케이블용 반도전층, 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트, 이를 구비한 원자력 고압 케이블, 및 그 제조 방법{Semiconducting Composition and Sheet for Nuclear Power High Voltage Cable, Semiconducting Sheet for Nuclear Power High Voltage Cables, Nuclear Power High Voltage Cable Having the same, and Method of Manufacturing the Same}
본 발명은 원자력 고압 케이블용 반도전층, 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트, 이를 구비한 원자력 고압 케이블, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 원자력 발전소 등의 고압 케이블용 반도전층 재료로 사용되는 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate: EVA)에 싸이클로헥산을 용매로 에탄올을 응고제로 사용하여 소정량의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)를 첨가함으로써, 상기 에틸렌비닐아세테이트의 내방사성 및 내산화성이 현저하게 향상된 원자력 고압 케이블용 반도전층, 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트, 이를 구비한 원자력 고압 케이블, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 원자력 발전소는 시설 및 핵심부품들의 지속적인 사용을 고려하여 그 수명이 30년 또는 40년으로 설계되어 운용되고 있다. 원자력 발전소의 지속적인 사용에 따른 잔여수명평가에서 가장 문제가 되는 설비 중의 하나가 케이블이다. 특히, 원자력 발전소의 안전에 관련된 고압 케이블은 발전소 원자로 냉각재상실사고(loss of coolant accident: LOCA), 고에너지 배관 파단사고(high energy line break: HELB) 및 주증기 배관 파단사고(main steam line break: MSLB)와 같은 심각한 사고 환경에서도 안전에 관련되는 기기의 동작에 필요한 전원을 공급하는 중요한 역할을 하고 있다.
도 1은 원자력 발전소에 사용되는 일반적인 고압 케이블의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 원자력 발전소에서 사용되는 종래 기술의 고압 케이블(100)은 도체(110); 상기 도체(110)를 둘러싸는 에틸렌 프로필렌 고무(Ethylene Propylene Rubber: EPR) 재질의 절연체(120); 상기 도체(110)와 상기 절연체(120) 사이, 및 상기 절연체 외부에 각각 제공되는 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 재질의 내외도 반도전층(130); 및 상기 외도 반도전층(130)의 외부를 둘러싸는 클로로플렌 고무(Chloroplene Rubber: CR) 재질의 외피(jacket)(140)로 구성된다. 원자력 발전소에 설치되는 고압 케이블(100)은 발전소 가동시 저선량율의 방사선과 열의 복합환경에 노출되어 열화를 일으킨다. 일반적으로 고업 케이블(100)의 절연체(120) 및 외피(140)로 사용되는 고분자 재료의 열화가 도체(110)로 사용되는 금속 재질의 열화에 앞서 진행된다. 고분자 재료의 열화 요인은 주로 방사선 피폭과 열에 기인하는 것으로, 구체적으로는 방사선 및/또는 열에 의해 고분자 사슬의 절단으로 열화반응이 개시되어 주로 산소와 결합하는 산화반응의 형태를 취하거나, 절단된 사슬 간의 결합에 의한 가교반응의 형태를 취하는 것으로 알려져 있다. 산화반응으로 형성된 카르보닐기와 가교반응으로 인한 탄소 이중결합 등은 건전상태에 비하여 열적, 전기적 성능을 저하시키며, 가교반응으로 형성된 3차원 망상구조는 기계적 유연성을 떨어트리게 된다. 열화에 따른 이러한 분자구조의 변화로 고분자 재료는 고유의 성능이 저하되어 궁극적으로 고압 케이블(100)의 고장 발생 및 그에 따른 원자력 발전소의 사고를 일으킬 수 있다.
상술한 바와 같이 원자력 발전소에 사용되는 종래 기술의 고압 케이블(100)의 반도전층(130)의 재료로 사용되고 있는 에틸렌비닐아세테이트는 저렴한 가격 및 우수한 전기적 특성 때문에 널리 사용되고 있지만, 취약한 내방사성 및 열적 특성을 갖고 있다.
따라서, 본 발명에서는 원자력 발전소에 사용되는 종래 기술의 고압 케이블(100)의 반도전층(130)의 재료로 사용되는 에틸렌비닐아세테이트의 단점을 개선하기 위한 새로운 방안이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원자력 발전소 등의 고압 케이블용 반도전층 재료로 사용되는 에틸렌비닐아세테이트에 싸이클로헥산을 용매로 에탄올을 응고제로 사용하여 소정량의 탄소나노튜브를 첨가함으로써, 상기 에틸렌비닐아세테이트의 내방사성 및 내산화성이 현저하게 향상된 원자력 고압 케이블용 반도전층 조성물, 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트, 이를 구비한 원자력 고압 케이블, 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층은 에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및 탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트는 에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및 탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제를 포함하되, 상기 반도전층 시트는 상기 에틸렌비닐아세테이트를 싸이클로헥산에 용해시킨 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브를 싸이클로헥산에 분산시킨 탄소나노튜브 용액을 혼합하고, 에탄올을 사용하여 응고시킨 침전물의 용매를 제거 및 건조한 후 건조된 침전물을 밀링 및 압축성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 특징에 따른 원자력 고압 케이블은 도체; 상기 도체를 둘러싸는 절연체; 상기 도체와 상기 절연체 사이, 및 상기 절연체 외부에 각각 제공되는 내외도 반도전층; 및 상기 외도 반도전층의 외부를 둘러싸는 외피를 포함하고, 상기 내외도 반도전층은 각각 에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및 탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 4 특징에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법은 a) 싸이클로헥산에 에틸렌비닐아세테이트를 용해시켜 에틸렌비닐아세테이트 용액을 얻는 단계; b) 싸이클로헥산에 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 용액을 얻는 단계; c) 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브 용액을 혼합하고, 에탄올을 사용하여 응고시켜 침전물을 생성하는 단계; d) 상기 침전물로부터 용매를 제거하는 단계; e) 상기 용매가 제거된 상기 침전물을 건조시키는 단계; 및 f) 상기 건조된 침전물을 밀링 및 압축성형하여 상기 반도전층 시트를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 원자력 고압 케이블용 반도전층, 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트, 이를 구비한 원자력 고압 케이블, 및 그 제조 방법을 사용하면 다음과 같은 장점이 달성된다.
1. 원자력 고압 케이블의 반도전층의 베이스 매트릭스 수지로 사용되는 에틸렌비닐아세테이트에 탄소나노튜브가 첨가되어 에틸렌비닐아세테이트 및 이를 포함한 원자력 고압 케이블의 반도전층의 내방사성 및 내산화성이 현저하게 개선된다.
2. 반도전층의 내방사성 및 내산화성이 현저하게 개선되므로, 원자력 고압 케이블의 고장 발생 가능성이 현저하게 줄어들고, 수명이 연장된다.
3. 원자력 발전소의 사고 발생 가능성이 현저하게 줄어든다.
도 1은 원자력 발전소에 사용되는 일반적인 원자력 고압 케이블의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 100℃에서 방사선에 조사되지 않은 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이다.
도2b는 100℃에서 50 kGy의 방사선에 조사된 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이다.
도2c는 100℃에서 100 kGy의 방사선에 조사된 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이다.
도2d는 100℃에서 200 kGy의 방사선에 조사된 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 방사선에 조사되지 않은 경우의 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope: 이하 "FESEM"이라 함) 사진이다.
도 3c 및 도 3d는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 50 kGy의 방사선에 조사된 경우의 FESEM 사진이다.
도 3e 및 도 3f는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 100 kGy의 방사선에 조사된 경우의 FESEM 사진이다.
도 3g 및 도 3h는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 200 kGy의 방사선에 조사된 경우의 FESEM 사진이다.
도 4a는 방사선 조사시 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 에틸렌비닐아세테이트 수지 내에 산소의 유입경로를 가상적으로 도시한 도면이다.
도 4b는 방사선 조사시 탄소나노튜브를 첨가한 에틸렌비닐아세테이트 수지 내에 산소의 유입경로를 가상적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법을 도시한 플로우차트이다.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층은 에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및 탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 여기서, 상기 에틸렌비닐아세테이트 및 상기 탄소나노튜브의 함량비는 100 중량부 대 5.6 내지 11.1 중량부이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트는 에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및 탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제를 포함하되, 상기 반도전층 시트는 상기 에틸렌비닐아세테이트를 싸이클로헥산에 용해시킨 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브를 싸이클로헥산에 분산시킨 탄소나노튜브 용액을 혼합하고, 에탄올을 사용하여 응고시킨 침전물의 용매를 제거 및 건조한 후 건조된 침전물을 밀링 및 압축성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 에틸렌비닐아세테이트 및 상기 탄소나노튜브의 함량비는 100 중량부 대 5.6 내지 11.1 중량부이다. 또한, 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액은 상기 싸이클로헥산 1,100㎖에 상기 에틸렌비닐아세테이트 100 중량부를 용해시켜 얻어지고, 상기 탄소나노튜브 용액은 상기 싸이클로헥산 100㎖에 상기 탄소나노튜브 5.6 중량부 내지 11.1 중량부를 분산시켜 얻어진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블은 도 1에 도시된 종래 기술의 원자력 고압 케이블(100)에서 내외도 반도전층(130) 대신 본 발명의 일 실시예에 따른 반도전층이 사용된다는 점을 제외하고는 종래 기술의 원자력 고압 케이블(100)과 실질적으로 동일하다. 좀 더 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블은 도체; 상기 도체를 둘러싸는 절연체; 상기 도체와 상기 절연체 사이, 및 상기 절연체 외부에 각각 제공되는 내외도 반도전층; 및 상기 외도 반도전층의 외부를 둘러싸는 외피를 포함하고, 상기 내외도 반도전층은 각각 에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및 탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 여기서, 상기 에틸렌비닐아세테이트 및 상기 탄소나노튜브의 함량비는 100 중량부 대 5.6 내지 11.1 중량부이다.
이하에서는 원자력 고압 케이블용에 사용되는 반도전층 시트 및 그 제조 방법을 상세히 기술한다.
반도전층 시트의 제조
본 발명의 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트의 제조에 있어서, 비교실시예로 사용될 에틸렌비닐아세테이트는 탄소나노튜브를 첨가하지 않았으며, 본 발명의 실시예로 사용될 에틸렌 비닐 아세테이트는 탄소나노튜브를 첨가하였다. 본 발명의 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트를 구성하는 조성은 솔루션법을 이용하여 제조하였으며 용매는 싸이클로헥산을 그리고 응고제로는 에탄올을 사용하였다.
좀 더 구체적으로, 본 발명의 비교실시에에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트를 제조하기 위해 싸이클로헥산 1,100㎖에 에틸렌비닐아세테이트 100 중량부를 60℃, 800rpm 조건하에서 3시간 동안 교반하여 완전히 용해시켜 에틸렌비닐아세테이트 용액을 얻었다. 그 후, 에틸렌비닐아세테이트 용액을 60℃, 800rpm 조건하에서 30분 동안 교반시킨 후, 상온에서 강하게 교반하면서 에탄올 1,200㎖을 서서히 떨어트려 응고시켰고, 바닥에 침전물이 생성되는 것을 확인하였다. 그 후, 침전물로부터 여과를 통해 용매를 충분히 제거한 후, 침전물을 50℃ 진공오븐에서 168시간 동안 건조하였다.
건조가 완료된 침전물은 2-롤 압연기(Two-Roll Mill)를 사용하여 15rpm으로 5분간 밀링한 후, 예열된 180℃의 프레스를 사용하여 5분간 4톤의 압력으로 압축성형을 하여 넓이 100㎜2, 두께 1㎜의 반도전층 시트 형상으로 시편 1을 제조하였다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트를 제조하기 위해 1,100㎖ 싸이클로헥산에 에틸렌비닐아세테이트 100 중량부를 60℃, 800rpm 조건하에서 3시간 동안 교반하여 완전히 용해시켜 에틸렌비닐아세테이트 용액을 얻었다. 그 후, 싸이클로헥산 100㎖에 탄소나노튜브 5.6 중량부 및 11.1 중량부를 각각 25℃, 800rpm 조건하에서 2시간 동안 교반하여 분산시켜 탄소나노튜브 용액을 얻었다. 그 후, 에틸렌비닐아세테이트 용액과 탄소나노튜브 용액을 60℃, 800rpm 조건하에서 30분 동안 교반시켜 충분히 혼합한 후, 상온에서 강하게 교반하면서 에탄올 1,200㎖을 서서히 떨어트려 응고시켰고, 바닥에 침전물이 생성되는 것을 확인하였다. 그 후, 침전물로부터 여과를 통해 용매를 충분히 제거한 후, 침전물을 50℃ 진공오븐에서 168시간 동안 건조하였다.
건조가 완료된 침전물은 2-롤 압연기(Two-Roll Mill)를 사용하여 15rpm으로 5분간 밀링한 후, 예열된 180℃의 프레스를 사용하여 5분간 4톤의 압력으로 압축성형을 하여 넓이 100㎜2, 두께 1㎜의 반도전층 시트 형상으로 시편 2 및 3을 제조하였다.
상술한 방법으로 제조된 시편 1 내지 3의 제조에 사용되는 재료의 조성이 하기 표 1에 나타나 있다.
시편 에틸렌비닐아세테이트 탄소나노튜브 싸이클로헥산 에탄올
1 100 중량부 0 1,200㎖ 1,200㎖
2 100 중량부 5.6 중량부 1,200㎖ 1,200㎖
3 100 중량부 11.1 중량부 1,200㎖ 1,200㎖
반도전층 시트의 내방사성 및 내산화성 측정
상술한 방법으로 제조된 반도전층 시트의 시편 1 내지 3 각각에 대해 방사선을 조사하지 않는 경우와 50kGy, 100kGy, 200kGy의 방사선을 5KGy/hr의 선량율로 조사(Irradiation)한 후, 반도전층 재료의 산화 및 열화에 따른 내방사성 및 내산화성을 화학발광 분석장치(Chemiluminescence Analyzer)를 사용하여 측정하였고, 탄소나노튜브의 분산성을 전계방출 주사전자현미경(FESEM)을 사용하여 측정하였다.
상술한 시편 1 내지 3의 내방사성 및 내산화성을 측정하기 위하여 사용된 화학발광 분석장치로 토호쿠 전자산업 주식회사(Tohoku Electronic Industrial Co.)의 MLA-GOLDS를 사용하여 공기 중에서 100℃의 온도로 열적 평형을 유지한 후 20분간 분자 내 전하의 탈트랩으로 인한 발광량을 매초 검지하여 발광 횟수로 표시하였다. 이러한 화학발광 분석장치는 극 미약광 (ultra weak luminescence)의 측정수단으로서 광전자증배관(PMT: photomultiplie)을 사용하여 단일 광전자 계측방식 또는 동기 단일 광전자 계측방식에 의해 소정의 게이트 타임(gate time)에서 수광량(受光量)을 광전자 펄스수로서 측정하는 장치이다. 시편 1 내지 3은 소정의 용기(cell) 내에 넣어 측정조건을 설정하고, 화학반응에 의한 발광강도의 변화를 측정하여 나타낸다.
일반적으로 화학발광은 전자이동에 의한 것과 과산화물의 분해에 의한 것으로 구별되는데, 후자의 예가 압도적으로 많다. 그리고 고분자의 열화에서 인정되는 화학발광은 (1) 알킬퍼옥시라디칼끼리의 반응, 및 (2) 히드로퍼옥시드의 카보닐과 물로의 분해반응에 의해 일어나는 것으로 알려져 있다.
한편, 고분자의 열화는 라디칼 반응이 산소를 사이에 두고 연쇄적으로 진행하는 자동산화 반응에 의해 일어난다. 즉 일단 라디칼이 생성되면 알킬라디칼(R), 퍼옥시라디칼(RO2), 히드로퍼옥시드(ROOH) 등의 산화물이 서서히 증가해서 열화반응이 촉진된다. 이러한 고분자의 열화 시에 생성되는 산화물로부터 극 미약광이 방사되기 때문에 이러한 화학발광의 거동을 해석함으로써 고분자의 내방사성, 내산화성, 산화방지제 효과, 및 열화도 등을 평가하는데 사용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 방사선량과 탄소나노튜브 함량에 따른 시편들의 화학발광 분석결과를 나타낸 것이다. 좀 더 구체적으로, 도 2a는 100℃에서 방사선에 조사되지 않은 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이고, 도2b는 100℃에서 50 kGy의 방사선에 조사된 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이며, 도2c는 100℃에서 100 kGy의 방사선에 조사된 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이고, 도2d는 100℃에서 200 kGy의 방사선에 조사된 시편들의 시간에 따른 라디칼 총 개수를 도시한 그래프이다.
상기 도 2a 내지 도 2d에 도시된 그래프의 방사선량과 탄소나노튜브 함량에 따른 시편 1 내지 3의 화학발광 분석 결과가 하기 표 2에 나타나 있다.
방사선량
 온도
 라디칼 총 개수 (Counts/sec)
시편 1 시편 2 시편 3
미조사 100℃ 787,996 297,449 280,561
50kGy 100℃ 4,264,423 345,293 321,301
100kGy 100℃ 7,046,175 455,778 444,225
200kGy 100℃ 9,345,981 400,455 283,209
상기 도 2a 내지 도 2 및 표 2에서 라디칼 총 개수(Counts/sec)의 값이 클수록(즉, 강도(intensity)가 증가할수록) 시편의 열화가 많이 진행되었음을 나타낸다. 도 2a 내지 도 2d 및 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시편 1 내지 3은 모두 방사선량이 증가함에 따라 강도가 증가하고 있음을 보여준다. 특히, 탄소나노튜브가 포함되지 않은 시편 1의 강도는 급격하게 증가하고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 방사선과 산소에 의해 산화된 에틸렌비닐아세테이트의 과산화물이 증가했기 때문이다. 반면에, 탄소나노튜브를 첨가한 시편 1 및 2는 시편 1에 비해 강도가 상대적으로 매우 낮은 것을 알 수 있다. 예를 들어 11.1 중량부의 탄소나노튜브를 함유하고 있는 시편 3의 경우, 탄소나노튜브가 첨가되지 않고 에틸렌비닐아세테이트만을 함유하고 있는 시편 1보다 많게는 대략 1/33배의 매우 낮은 강도를 갖는다. 이러한 결과는 에틸렌비닐아세테이트의 과산화물과 탄소나노튜브 간의 가교반응에 기인한 것으로 사료된다. 따라서, 상기 도 2a 내지 도 2 및 표 2의 결과로부터 탄소나노튜브가 산화방지제의 역할을 하여 에틸렌비닐아세테이트의 산화를 감소시키고 내방사성과 내산화성을 향상시켰음을 알 수 있다.
탄소나노튜브 분산성 측정
탄소나노튜브의 분산성을 측정하기 위해 전계방출 주사전자현미경(FESEM)을 사용하였다. 시편들은 액체 질소에서 5분간 급냉 후, 절단하여 파단면을 형성한 시편을 만들었다. 일반적으로 FESEM을 사용한 탄소나노튜브의 분산성 측정 실험에서 전도성 물질을 함유하고 있는 전도성 복합재료들은 전처리 과정이 필요하지 않지만, 본 발명의 탄소나노튜브의 분산성측정 실험에서는 시편들의 더 높은 해상도를 얻기 위해 시편 2와 시편 3의 측면에 카본 페이스트(carbon paste)를 코팅하였다.
도 3a 내지 도 3g는 탄소나노튜브가 첨가된 시편들의 전계방출 주사전자현미경(FESEM) 사진이다. 좀 더 구체적으로, 도 3a 및 3b는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 방사선에 조사되지 않은 경우의 FESEM 사진이고, 도 3c 및 도 3d는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 50 kGy의 방사선에 조사된 경우의 FESEM 사진이며, 도 3e 및 도 3f는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 100 kGy의 방사선에 조사된 경우의 FESEM 사진이고, 도 3g 및 도 3h는 각각 탄소나노튜브를 혼합한 시편 2 및 시편 3에 대해 200 kGy의 방사선에 조사된 경우의 FESEM 사진이다.
도 3a 내지 도 3h를 참조하면, 시편 2는 긴 띠를 이루면서 탄소나노튜브가 분산되어 있고, 시편 3은 불규칙한 타원형과 짧은 띠를 이루며 분산되어 있음을 알 수 있다. 또한, 시편 2 및 시편 3은 대체적으로 에틸렌비닐아세테이트와 탄소나노튜브의 부피비(volume ratio)가 거의 1임을 알 수 있다. 도 3a 내지 도 3g에서 하얀색 줄무늬로 보이는 부분이 탄소나노튜브이고, 이러한 탄소나노튜브는 각 도면의 우측상단에 확대된 부분에서 알 수 있는 바와 같이 무수히 많은 다발을 형성하고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 시편 2 및 시편 3에 함유된 탄소나노튜브는 10 내지 15nm의 직경을 구비하고, 10 내지 20μm의 길이를 구비한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도전층 시트의 시편 2 및 시편 3 내에 힘유된 에틸렌비닐아세테이트 매트릭스 수지 내에 분산된 탄소나노튜브는 방사선량의 증가에 따른 산소의 유입속도를 지연시킴으로써 에틸렌비닐아세테이트의 내방사성과 내산화성을 향상시킨다.
이하에서는 탄소나노튜브의 첨가 여부에 따른 에틸렌비닐아세테이트의 산소 유입 과정을 상세히 기술한다.
도 4a는 방사선 조사시 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 에틸렌비닐아세테이트 수지 내에 산소의 유입경로를 가상적으로 도시한 도면이고, 도 4b는 방사선 조사시 탄소나노튜브를 첨가한 에틸렌비닐아세테이트 수지 내에 산소의 유입경로를 가상적으로 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 탄소나노튜브가 첨가되지 않은 에틸렌비닐아세테이트를 함유한 반도전층에서는 산소의 유입이 자유로워서 열화가 쉽게 일어나는 반면, 탄소나노튜브가 첨가된 에틸렌비닐아세테이트를 함유한 반도전층에서는 탄소나노튜브의 강한 결합력으로 인해 산소의 유입이 차단하거나 지연된다. 따라서, 에틸렌비닐아세테이트 내에 첨가된 탄소나노튜브의 산소 유입 차단 또는 지연 기능으로 인하여 에틸렌비닐아세테이트의 내방사성과 내산화성이 향상되었음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법을 도시한 플로우차트이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법(500)은 a) 싸이클로헥산에 에틸렌비닐아세테이트를 용해시켜 에틸렌비닐아세테이트 용액을 얻는 단계(510); b) 싸이클로헥산에 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 용액을 얻는 단계(520); c) 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브 용액을 혼합하고, 에탄올을 사용하여 응고시켜 침전물을 생성하는 단계(530); d) 상기 침전물로부터 용매를 제거하는 단계(540); e) 상기 용매가 제거된 상기 침전물을 건조시키는 단계(550); 및 f) 상기 건조된 침전물을 밀링 및 압축성형하여 상기 반도전층 시트를 제조하는 단계(560)를 포함한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법(500)의 상기 단계 a)에서 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액은 상기 싸이클로헥산 1,100㎖에 상기 에틸렌비닐아세테이트 100 중량부를 용해시켜 얻어지고, 상기 단계 b)에서 상기 탄소나노튜브 용액은 상기 싸이클로헥산 100㎖에 상기 탄소나노튜브 5.6 중량부 내지 11.1 중량부를 각각 분산시켜 얻어진다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법(500)의 상기 단계 a)에서 상기 용해는 60℃, 800rpm 조건하에서 3시간 동안 교반하여 행해지고, 상기 단계 b)에서 상기 분산은 25℃, 800rpm 조건하에서 2시간 동안 교반하여 행해지며, 상기 단계 c)에서 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브 용액의 혼합은 60℃, 800rpm 조건하에서 30분 동안 교반하여 행해지고, 상기 응고는 상온에서 상기 혼합 용액을 강하게 교반을 하면서 에탄올 1,200㎖을 서서히 떨어트려 행해지며, 상기 단계 e)는 상기 침전물을 50℃ 진공오븐에서 168시간 동안 건조하여 행해지고, 상기 단계 f)에서 상기 밀링은 2-롤 압연기(Two-Roll Mill)를 사용하여 15rpm으로 5분간 행해지고, 상기 압축성형은 예열된 180℃의 프레스를 사용하여 5분간 4톤의 압력으로 행해진다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법(500)에서 상기 반도전층 시트 내에 함유된 상기 탄소나노튜브는 10 내지 15nm의 직경을 구비하고, 10 내지 20μm의 길이를 구비한다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.
100: 원자력 고압 케이블 110: 도체
120: 절연체 130: 내외도 반도전층
140: 외피

Claims (14)

  1. 원자력 고압 케이블용 반도전층에 있어서,
    에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및
    탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제
    를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브는 상기 에틸렌비닐아세테이트의 산화를 감소시켜 상기 원자력 고압 케이블용 반도전층의 내방사성과 내산화성을 향상시키는
    원자력 고압 케이블용 반도전층.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에틸렌비닐아세테이트 및 상기 탄소나노튜브의 함량비는 100 중량부 대 5.6 내지 11.1 중량부인 원자력 고압 케이블용 반도전층.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 10 내지 15nm의 직경을 구비하고, 10 내지 20μm의 길이를 구비하는 원자력 고압 케이블용 반도전층.
  4. 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트에 있어서,
    에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및
    탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제
    를 포함하되,
    상기 반도전층 시트는 상기 에틸렌비닐아세테이트를 싸이클로헥산에 용해시킨 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브를 싸이클로헥산에 분산시킨 탄소나노튜브 용액을 혼합하고, 에탄올을 사용하여 응고시킨 침전물의 용매를 제거 및 건조한 후 건조된 침전물을 밀링 및 압축성형하여 제조되는
    원자력 고압 케이블용 반도전층 시트.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 에틸렌비닐아세테이트 및 상기 탄소나노튜브의 함량비는 100 중량부 대 5.6 내지 11.1 중량부인 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 에틸렌비닐아세테이트 용액은 상기 싸이클로헥산 1,100㎖에 상기 에틸렌비닐아세테이트 100 중량부를 용해시켜 얻어지고,
    상기 탄소나노튜브 용액은 상기 싸이클로헥산 100㎖에 상기 탄소나노튜브 5.6 중량부 내지 11.1 중량부를 분산시켜 얻어지는
    원자력 고압 케이블용 반도전층 시트.
  7. 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 10 내지 15nm의 직경을 구비하고, 10 내지 20μm의 길이를 구비하는 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트.
  8. 원자력 고압 케이블에 있어서,
    도체;
    상기 도체를 둘러싸는 절연체;
    상기 도체와 상기 절연체 사이, 및 상기 절연체 외부에 각각 제공되는 내외도 반도전층; 및
    상기 외도 반도전층의 외부를 둘러싸는 외피
    를 포함하고,
    상기 내외도 반도전층은 각각
    에틸렌비닐아세테이트로 구현되는 베이스 매트릭스 수지; 및
    탄소나노튜브로 구현되며, 상기 에틸렌비닐아세테이트에 첨가되는 첨가제
    를 포함하며,
    상기 탄소나노튜브는 상기 에틸렌비닐아세테이트의 산화를 감소시켜 상기 내외도 반도전층의 내방사성과 내산화성을 향상시키는
    원자력 고압 케이블.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 에틸렌비닐아세테이트 및 상기 탄소나노튜브의 함량비는 100 중량부 대 5.6 내지 11.1 중량부인 원자력 고압 케이블.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 10 내지 15nm의 직경을 구비하고, 10 내지 20μm의 길이를 구비하는 원자력 고압 케이블.
  11. 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법에 있어서,
    a) 싸이클로헥산에 에틸렌비닐아세테이트를 용해시켜 에틸렌비닐아세테이트 용액을 얻는 단계;
    b) 싸이클로헥산에 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 용액을 얻는 단계;
    c) 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브 용액을 혼합하고, 에탄올을 사용하여 응고시켜 침전물을 생성하는 단계;
    d) 상기 침전물로부터 용매를 제거하는 단계;
    e) 상기 용매가 제거된 상기 침전물을 건조시키는 단계; 및
    f) 상기 건조된 침전물을 밀링 및 압축성형하여 상기 반도전층 시트를 제조하는 단계
    를 포함하는 원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 단계 a)에서 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액은 상기 싸이클로헥산 1,100㎖에 상기 에틸렌비닐아세테이트 100 중량부를 용해시켜 얻어지고,
    상기 단계 b)에서 상기 탄소나노튜브 용액은 상기 싸이클로헥산 100㎖에 상기 탄소나노튜브 5.6 중량부 내지 11.1 중량부를 각각 분산시켜 얻어지는
    원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 단계 a)에서 상기 용해는 60℃, 800rpm 조건하에서 3시간 동안 교반하여 행해지고,
    상기 단계 b)에서 상기 분산은 25℃, 800rpm 조건하에서 2시간 동안 교반하여 행해지며,
    상기 단계 c)에서 상기 에틸렌비닐아세테이트 용액과 상기 탄소나노튜브 용액의 혼합은 60℃, 800rpm 조건하에서 30분 동안 교반하여 행해지고, 상기 응고는 상온에서 상기 혼합 용액을 강하게 교반을 하면서 에탄올 1,200㎖을 서서히 떨어트려 행해지며,
    상기 단계 e)는 상기 침전물을 50℃ 진공오븐에서 168시간 동안 건조하여 행해지며,
    상기 단계 f)에서 상기 밀링은 2-롤 압연기(Two-Roll Mill)를 사용하여 15rpm으로 5분간 행해지고, 상기 압축성형은 예열된 180℃의 프레스를 사용하여 5분간 4톤의 압력으로 행해지는
    원자력 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도전층 시트 내에 함유된 상기 탄소나노튜브는 10 내지 15nm의 직경을 구비하고, 10 내지 20μm의 길이를 구비하는 고압 케이블용 반도전층 시트 제조 방법.
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