KR101408923B1 - 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물 및 이를 이용하여 제조된 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여, 나노 탄소 입자 0.05 내지 0.5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물 및 상기 절연 재료 조성물을 이용하여 제조된 절연체를 포함하는 직류용 전력 케이블에 관한 것이다. 본 발명의 절연 재료 조성물을 이용하여 제조한 절연체를 구비하는 직류용 전력 케이블은 우수한 직류 절연파괴 강도 및 임펄스 강도를 갖는다.

Description

직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물 및 이를 이용하여 제조된 케이블{Insulation Material Composition For DC Power Cable And The DC Power Cable Using The Same}

본 발명은 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물 및 이를 이용하여 제조된 케이블에 관한 것이다.

현재 국내에서 사용되고 있는 전력 케이블은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 도체(1)를 중심으로 내부 반도전층(2), 절연층(3), 외부 반도전층(4), 납(lead) 시스층(5) 및 폴리에틸렌(PE) 시스층(6)으로 이루어져 있다.

종래부터 전력 케이블을 구성하는 절연층(3)으로서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등이 널리 사용되어 왔다. 그런데, 저밀도 폴리에틸렌 등에 의해 제조된 절연체를 포함하는 전력 케이블을 고압 송전선으로 사용할 경우 몇 가지 문제점을 발생시킨다. 그 중 최대의 문제점은, 케이블에 직류 고전압이 인가(印加)될 때 절연체에 전극으로부터의 전하 주입 및 가교 부산물의 영향으로 공간전하(space charge)가 형성되기 용이하다는 것이다. 그리고, 전력 케이블에 인가된 직류전압에 의해 절연체 내에 이와 같은 공간전하가 축적되면, 전력 케이블의 도체 근방의 전계강도가 상승하므로 케이블의 파괴전압이 저하되는 문제점이 생긴다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 산화마그네슘, 이산화티탄과 같은 금속 산화물을 공간전하 저감제로 사용하여 절연체를 제조하려는 방안이 제시되었다. 상기 금속 산화물은 통상적으로 친수성이기 때문에 소수성의 저밀도 폴리에틸렌에 분산되기 어려운 문제점이 발생하였다.

따라서, 저밀도 폴리에틸렌 등의 기본 수지에 대한 공간전하 저감제의 분산성을 개선시키는 동시에, 이들을 이용하여 제조된 절연체를 포함하는 전력 케이블에서 발생할 수 있는 공간전하를 억제할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

본 발명의 기술적 과제는 기본 수지에 대한 우수한 분산성을 갖는 공간전하 저감제를 개발하고, 이러한 기본 수지와 공간전하 저감제를 이용하여 우수한 공간전하 저감 효과를 갖는 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물은 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여, 나노 탄소 입자 0.05 내지 0.5 중량부를 포함한다.

본 발명의 절연 재료 조성물을 이용하여 제조한 절연체를 구비하는 직류용 전력 케이블은 우수한 직류 절연파괴 강도 및 임펄스 강도를 갖는다.

본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상의 이해를 돕기 위한 것이므로, 본 발명은 아래 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1a는 직류용 전력 케이블의 종단면도를 나타낸다.
도 1b는 직류용 전력 케이블의 횡단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서 1 겹의 그래파이트층으로 구성된 나노 탄소 입자의 구조를 나타낸다.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.

본 발명의 절연 재료 조성물은 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여, 나노 탄소 입자 0.05 내지 0.5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 기타 목적에 따라 상기 절연재료 조성물에 디큐밀퍼옥사이드 가교제 1 내지 4 중량부 및 산화방지제 0.1 내지 1 중량부가 더 포함될 수 있다.

본 발명의 나노 탄소 입자는 10 nm 이하의 두께와 500 nm 이하의 평균 지름을 가지며, 6 겹 이하의 그래파이트(graphite)층을 포함하는 나노 크기의 탄소입자를 의미하는 것으로서, 본 발명에서 공간전하 저감제로서의 기능을 한다. 종래 기술에서 공간전하 저감제로서 사용한 산화마그네슘, 이산화티탄과 같은 유전체성 금속 산화물에 비해, 본 발명의 금속성 입자는 더 큰 퍼텐셜 우물(potential well)을 가진다. 그 결과, 종래의 유전체성 금속 산화물을 사용한 경우에 비해, 훨씬 적은 함량의 나노 탄소 입자를 사용하여도 우수한 공간전하 저감 효과가 발휘된다. 즉, 전계 인가시 본 발명의 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지와 나노 탄소 입자의 경계에 보다 큰 퍼텐셜 우물(potential well)이 생김으로써 전하의 이동 및 축적을 억제하는 효과가 발휘된다. 특히 본 발명의 나노 탄소 입자가 2 nm 이하의 두께와 100 nm 이하의 평균 지름을 가질 때, 공간전하의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 일반적인 그래파이트는 1 mm 내지 2.5 cm의 평균 지름을 가지며 매우 단단하고 깨지기 쉬운 구조를 가지기 때문에 절연 재료 조성물에 포함되었을 때, 임펄스 강도 및 압출성 저하가 커지는 문제점이 있다. 그리고, 탄소나노튜브는 매우 큰 종횡비로 인해 부분적으로 통전(通電)의 우려가 있고, 절연 파괴 가능성이 높고, 침상형이기 때문에 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지에 분산되기 어려운 문제점이 있다. 그러나, 본 발명의 나노 탄소 입자는 10 nm 이하의 두께와 500 nm 이하의 평균 지름을 가지기 때문에, 일반적인 그래파이트나 탄소나노튜브에 비해 보다 우수한 직류 절연 파괴 강도와 임펄스 강도를 나타낸다.

뿐만 아니라, 본 발명의 나노 탄소 입자는 종래의 산화마그네슘, 이산화티탄과 같은 금속 산화물에 비해 10 배 이상 가격이 저렴하기 때문에 원가 절감 효과도 기대할 수 있다.

또한, 일반적으로 절연 재료 조성물에 무기 입자가 많이 첨가될수록 연속 압출량이 감소하는 경향이 있는데, 본 발명에서는 나노 탄소 입자의 함량을 적게 포함함으로써 결과적으로 압출성도 개선시킬 수 있다. 그리고, 본 발명의 나노 탄소 입자는 10 내지 20 GPa의 인장강도를 갖기 때문에, 제조되는 절연 재료 조성물의 유리 전이온도(Tg)의 상승을 유발하여 열적 안정성이 증대되는 등의 물성 향상 효과도 기대할 수 있다.

또한, 본 발명의 나노 탄소 입자는 1.8 내지 2.2 g/cm³의 밀도를 가지는 것이 바람직하며, 이와 같이 높은 밀도로 인해 절연 재료의 기계적 강도 및 열적 특성이 개선된다. 또한, 본 발명의 나노 탄소 입자는 1 × 10^-5 내지 8 × 10^-5 Ω·cm의 전기 전도도를 가지는 것이 바람직하며, 이러한 높은 전기 전도도로 인해 상대적으로 큰 퍼텐셜 우물(potential well)을 가지게 되며, 우수한 공간전하 저감 효과가 발휘된다.

본 발명의 나노 탄소 입자의 함량과 관련하여, 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여 0.05 내지 0.5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 0.05 중량부 미만으로 포함될 경우에는 공간전하 저감 효과가 적으며, 0.5 중량부를 초과하여 포함될 경우에는 공간전하 저감 효과는 뛰어나지만 비저항의 저하로 인해 직류 절연 파괴 강도가 감소하는 문제점이 발생한다. 따라서 본 발명의 나노 탄소 입자는 상기의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 나노 탄소 입자로서, 예시적으로 1 겹의 그래파이트층으로 구성된 경우를 도 2에 나타냈다. 본 발명의 나노 탄소 입자가 2 겹 이상의 그래파이트 층으로 구성되는 경우에는, 적층되는 그래파이트층 사이의 간격이 약 0.34 nm를 이룬다.

본 발명의 산화방지제로서, 아민계, 페놀계, 황계 및 인계 산화방지제로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있다. 상기 황계 산화방지제로서, 디스테아릴 디설파이드, 디라우릴 3,3'-티오디프로피오네이트, 라우릴 스테아릴 3,3'-티오 디프로피오네이트, 디스테아릴 3,3'-티오디프로피오네이트 등이 사용될 수 있다. 상기 인계 산화방지제로서, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 디-(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트, 테트라키스(2,4-디-t-부틸페닐)4,4'-디페닐렌 디포스파이트 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 전력 케이블의 절연 재료 조성물을 이용하여 제조된 절연체는 직류용 전력 케이블의 제조시에 사용될 수 있다.

[실시예]

이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 태양 외에 여러 가지 다른 형태로 본 발명을 변경할 수 있으며, 이하 실시예는 본 발명을 예시할 따름이지 본 발명의 기술적 사상의 범위를 아래 실시예 범위로 한정하기 위한 의도라고 해석해서는 아니된다.

본 발명의 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물의 성능을 살펴보기 위하여 아래 표 1에 나타낸 조성으로 실시예와 비교예의 절연 재료 조성물을 제조하였다.

성분		실시예		비교예
		1	2	1	2	3	4
저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 함량		100 중량부
공간 전하 저감제	성분	나노 탄소 입자	나노 탄소 입자	나노 탄소 입자	무첨가	산화 마그네슘	이산화티탄
	함량	0.1 중량부	0.5 중량부	1 중량부		0.1 중량부	0.1 중량부
	D50(nm)	100	100	100		70	100
	D99(nm)	200	200	200		110	150
	순도(%)	99.95	99.95	99.95		99.95	99.95
	두께(nm)	10	10	10		-	-
가교제 함량		2 중량부
산화방지제 함량		0.5 중량부

[표에 사용한 성분의 설명]

* 산화마그네슘 : 비닐실란으로 표면개질된 정육면체형 산화마그네슘을 분쇄한 것으로서, 분산성을 개선하기 위하여 D99(단, D99는 이 입자의 최대 크기를 나타냄)가 D50(단, D50은 이 입자의 평균 크기를 나타냄)의 세 배가 넘지 않도록 혼련한 것을 사용함.

* 이산화티탄 : 비닐실란으로 표면개질된 이산화티탄을 분쇄한 것으로서, 분산성을 개선하기 위하여 D99(단, D99는 이 입자의 최대 크기를 나타냄)가 D50(단, D50은 이 입자의 평균 크기를 나타냄)의 세 배가 넘지 않도록 혼련한 것을 사용함.

* 가교제 : 디큐밀퍼옥사이드

* 산화방지제 : 테트라키스(2,4-디-t-부틸페닐)4,4'-비페닐렌 디포스파이트

물성 측정 및 평가

상기 실시예(1~2) 및 비교예(1~4)에 따르는 절연 재료 조성물을 이용하여 마스터 뱃치(Master batch) 컴파운드를 제조하고 스크루 직경이 25 mm(L/D = 60)인 2축 압출기를 사용하여 압출 공정하였다. 이에 따라 제조된 절연체를 열간 가압하여 직류 절연 파괴 강도 측정용 0.1 mm 두께의 시편과 임펄스 강도 측정용 1 mm 두께의 시트 형태의 시편을 각각 제조하고, 직류 절연 파괴 강도(ASTM D149), 임펄스 강도를 시험하여 그 결과를 아래 표 2에 정리하였다. 간략한 실험 조건은 다음과 같다.

㉠ 직류 절연 파괴 강도

90 ℃에서 직류 파괴 강도(kV)를 측정한다.

㉡ 임펄스(impulse) 강도

1 mm 두께의 시트 형태의 시편에 전극을 연결하여 50 ㎸에서 5 ㎸씩 승압하여 파괴가 될 때까지 측정하여, 임펄스 강도를 측정한다.

성분	실시예		비교예
	1	2	1	2	3	4
직류 절연 파괴 강도 (kV/mm)	120	115	50	55	80	65
임펄스 강도(kV/mm)	115	105	80	120	110	100

표 2에 정리한 바와 같은 물성 측정 결과, 본 발명의 실시예 1 내지 2의 시편은 비교예 1(과량의 나노 탄소 입자 사용), 비교예 2(공간전하 저감제를 사용하지 않음), 비교예 3(산화마그네슘 사용), 비교예 4(이산화티탄 사용)의 시편에 비해 직류 절연 파괴 강도가 다소 높았다. 즉, 적절한 함량의 나노 탄소 입자를 사용한 본 발명의 실시예 1 내지 2의 시편은 우수한 전기 절연 특성을 보인다는 것을 알 수 있다.

한편, 임펄스 강도는 공간전하 저감제로 사용한 무기 입자의 함량이 적을수록 일반적으로 우수한 경향이 있다. 따라서, 0.5 중량부의 나노 탄소 입자를 사용한 실시예 2 보다 0.1 중량부의 나노 탄소 입자를 사용한 실시예 1의 임펄스 강도가 더 우수하게 나타났다. 한편, 실시예 1, 비교예 3 및 비교예 4는 동일한 함량의 공간전하 저감제를 사용하였으나, 본 발명의 실시예 1에서 가장 우수한 임펄스 강도가 나타났다.

이와 같은 결과로부터 본 발명의 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물에 의해 제조된 절연체가 직류 절연 파괴 강도, 임펄스 강도에서 우수한 효과를 발휘할 수 있었던 것은 다음과 같은 이유 때문이다. 즉, i) 나노 탄소 입자를 공간전하 저감제로 사용하였고, ii) 상기 나노 탄소 입자를 적절한 함량으로 사용하였기 때문이다.

위와 같이 본 발명의 최적 실시예들을 개시하였다. 본 실시예를 포함하는 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아님을 밝혀 둔다.

도 1a 및 도 1b에 표시된 부호는 다음을 의미한다.
1 … 도체
2 … 내부 반도전층
3 … 절연층
4 … 외부 반도전층
5 … 납(lead) 시스층
6 … 폴리에틸렌(PE) 시스층

Claims (6)

1. 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여,
   6 겹 이하의 그래파이트(graphite)층을 포함하는 나노 탄소 입자 0.05 내지 0.5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
2. 제 1항에 있어서,
   저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여,
   디큐밀퍼옥사이드 가교제 1 내지 4 중량부; 및
   산화방지제 0.1 내지 1 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 나노 탄소 입자는 10 nm 이하의 두께와 500 nm 이하의 평균 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 나노 탄소 입자는 1.8 내지 2.2 g/cm³의 밀도와 1 × 10^-5 내지 8 × 10^-5 Ω·cm의 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
6. 제 1항 또는 제 5항의 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물을 이용하여 제조된 절연체를 포함하는 직류용 전력 케이블.

Images