KR101414812B1 - 소수성 증착막을 포함하는 전철용 폴리머 애자 및 그 제조방법 - Google Patents

소수성 증착막을 포함하는 전철용 폴리머 애자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전철용 폴리머 애자는 폴리머 애자; 및 상기 폴리머 애자 표면에 형성된 소수성 증착막;을 포함하며, 상기 소수성 증착막은 티타늄계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전철용 폴리머 애자는 접촉각이 88° 이상인 소수성 증착막을 포함하여, 발수성 및 세척 용이성이 우수하며, 내충격성, 절연성, 내화성 등이 우수하다.

Description

소수성 증착막을 포함하는 전철용 폴리머 애자 및 그 제조방법{POLYMER INSULATOR FOR ELECTRIC RAILWAY COMPRISING HYDROPHOBIC LAYER BY SPUTTERING AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 소수성 증착막(소수성막)을 포함하는 전철용 폴리머 애자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 폴리머 애자의 표면에 티타늄계 화합물로 이루어진 소수성 증착막을 형성하여, 염분, 분진 등이 부착되는 것을 방지할 수 있는 전철용 폴리머 애자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전력계통(발전소, 변전소, 송배전 선로, 전차 선로 등)에 사용되고 있는 옥외/옥내 절연물인 애자(현수애자, 장간애자, 지지애자 등) 및 애관의 재료로는 자기(瓷器) 재료가 절연 특성 및 내구성이 우수하여 널리 사용되어 왔다. 그러나, 상기 자기 재료는 무겁고 외부충격에 부서지기 쉬워서 설치 및 유지보수 작업이 어려우며, 발수성이 적어서 표면에 각종 오손물이 부착되면 습기와 작용하여 누설전류가 흐르고, 외부섬락(外部閃絡)이 발생하여 정전사고를 일으킬 수 있다. 또한, 상기 자기 재료는 구조물의 외부 충격 또는 내부에 절연 파괴가 발생되었을 경우에는 쉽게 파괴되므로, 안전성에 문제가 있다.
이러한 자기 재료의 단점을 해결하기 위하여, 무게가 가볍고, 내충격성, 절연성, 발수성 등이 우수한 고분자의 사용이 요구되었다. 이러한 고분자로서, EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 고무, 실리콘 고무, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에폭시 수지 등이 검토되었으며, 특히, 내충격성뿐만 아니라, 내오존성, 내후성, 내열성, 절연성 등이 뛰어난 EPDM 고무가 고전압 기기 구조재의 주소재로서 많이 활용되고 있다.
그러나, 전차선로에 사용되는 애자는 터널과 같은 특수한 환경에서 사용되기 때문에 이러한 폴리머를 사용하여 애자를 제조한 경우에도, 분진, 염분 등의 부착에 의한 절연성능 저하 및 금속부의 부식이 여전히 발생하고 있으므로, 발수성 등의 개선을 통한, 내오손성, 세척 용이성 등을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 발수성이 우수한 소수성 증착막(접촉각: 88° 이상)을 포함하여 내오손성 및 세척 용이성이 우수한 전철용 폴리머 애자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내충격성, 절연성, 내화성 등이 우수한 전철용 폴리머 애자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 전철용 폴리머 애자에 관한 것이다. 상기 전철용 폴리머 애자는 폴리머 애자; 및 상기 폴리머 애자 표면에 형성된 소수성 증착막;을 포함하며, 상기 소수성 증착막은 티타늄계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체예에서, 상기 티타늄계 화합물은 산화티타늄, 질화티타늄, 산질화티타늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
구체예에서, 상기 소수성 증착막은 접촉각이 88° 이상일 수 있다.
구체예에서, 상기 소수성 증착막의 두께는 100 내지 1,000 nm일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 전철용 폴리머 애자의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 폴리머 애자의 표면에 상기 티타늄계 화합물을 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체예에서, 상기 증착은 마그네트론 반응성 스퍼터링을 이용하는 것일 수 있다.
구체예에서, 상기 마그네트론 반응성 스퍼터링은 0.1 내지 10 mTorr의 압력 및 20 내지 30℃의 온도 조건에서, 20분 내지 3시간 동안 이루어지는 것일 수 있다.
구체예에서, 상기 마그네트론 반응성 스퍼터링은 타겟 물질 및 기체를 이용하며, 상기 타겟 물질로 티타늄계 화합물을 사용하고, 상기 기체로 아르곤/산소, 아르곤/질소, 아르곤/황화수소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
구체예에서, 상기 아르곤의 유량은 10 내지 1,000 sccm이고, 상기 아르곤/산소, 아르곤/질소, 아르곤/황화수소의 유량비는 15/1 내지 1/1일 수 있다.
본 발명은 폴리머 애자의 표면에 티타늄계 화합물을 증착시켜 발수성이 우수한 소수성 증착막(접촉각: 88° 이상)을 형성시킨 것으로서, 내오손성, 세척 용이성, 내충격성, 절연성, 내화성 등이 우수하여 유지보수 주기를 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 전철용 폴리머 애자는 전력계통에 사용되고 있는 옥외/옥내용 특히, 터널용 고전압 절연물(현수애자, 장간애자, 지지애자 등)로서 유용하다.
도 1은 AC 25Kv 급전선 지지용 폴리머 애자의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 DC 25Kv 급전선 지지용 폴리머 애자의 구조를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 TiO2 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 TiO2 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 TiO2 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 TiN 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 TiN 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 8은 본 발명의 실시예 6에 따른 TiN 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 9는 본 발명의 실시예 7에 따른 TiON 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 10은 본 발명의 실시예 8에 따른 TiON 소수성 증착막의 XRD 패턴.
도 11은 본 발명의 실시예 9에 따른 TiON 소수성 증착막의 XRD 패턴.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명에 따른 전철용 폴리머 애자는 특히, 전차 선로 등의 전력계통에 사용될 수 있는 옥외/옥내 고전압 절연물로서, 폴리머 애자, 및 상기 폴리머 애자 표면에 형성된 소수성 증착막(소수성막)을 포함한다. 여기서, 상기 소수성 증착막은 티타늄계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 폴리머 애자는 전력계통에 사용되는 통상의 폴리머 애자(현수애자, 장간애자, 지지애자 등)를 사용할 수 있다. 도 1은 AC 25Kv 급전선 지지용 폴리머 애자의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 DC 25Kv 급전선 지지용 폴리머 애자의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 상기 폴리머 애자로는 코어(core, 10), 하우징(housing, 20) 및 고정 금구(30)로 이루어진 폴리머 애자를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 FRP(Fiber Reinforced Polymer) 코어, EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 고무로 제조된 하우징을 포함하는 폴리머 애자를 사용할 수 있다.
본 발명에 사용되는 티타늄계 화합물로 이루어진 소수성 증착막(소수성막)은 상기 폴리머 애자의 표면에 형성되는 것으로서, 예를 들면, 티타늄계 화합물을 상기 폴리머 애자에 증착시키는 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 티타늄계 화합물로는 산화티타늄, 질화티타늄, 산질화티타늄(TiOxNy), 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 TiO2, TiN, TiON, 또는 이들의 혼합물, 더욱 바람직하게는 TiON을 사용할 수 있다.
소수성이란 물에 친화력을 가지지 않는 화학적 성질, 즉, 물을 흡수하지도 않고, 물에 잘 녹지 않으며, 침전하는 성질을 의미한다. 이를 정량적으로 정의하기 위하여 접촉각(contact angle)을 정의하게 되는데, 통상 바닥면과 바닥면 위의 물방울이 이루는 각도로 구한다. 상기 접촉각이 60° 이상이면 소수성, 30° 이하이면 친수성으로 판단한다. 통상적으로 접촉각(소수성)이 커질수록 물방울, 먼지 등이 잘 달라붙지 않는 깨끗한 표면을 얻을 수 있다. 상기 소수성 증착막은 접촉각이 88° 이상, 바람직하게는 95° 이상, 더욱 바람직하게는 100° 이상일 수 있다. 상기 범위에서, 발수성이 우수하며, 내오손성, 세척 용이성 등이 개선될 수 있다.
또한, 상기 소수성 증착막의 두께는 예를 들면, 100 내지 1,000 nm, 바람직하게는 200 내지 900 nm, 더욱 바람직하게는 300 내지 700 nm일 수 있다. 상기 범위에서, 내충격성, 절연성, 내화성 및 발수성이 우수하며, 내오손성, 세척 용이성 등이 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 전철용 폴리머 애자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전철용 폴리머 애자의 제조방법은 상기 폴리머 애자의 표면에 상기 티타늄계 화합물을 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 증착 방법은 상기 티타늄계 화합물을 애자 표면에 증착시킬 수 있는 방법이면 크게 한정되지 않으나, 예를 들면, 마그네트론 반응성 스퍼터링(manetron reactive sputtering)(RF(radio frequency) 마그네트론 반응성 스퍼터링, DC(direct current) 마그네트론 반응성 스퍼터링, 이들의 조합 등), 바람직하게는, RF(radio frequency) 마그네트론 반응성 스퍼터링을 이용하는 것일 수 있다. 특히, 상기 마그네트론 반응성 스퍼터링을 사용할 경우, 소수성 증착막 두께를 균일하게 형성할 수 있고, 튐(spitting) 현상 및 물방울 형상 등이 형성되지 않으며, 큰 면적의 타겟(target)을 이용할 수 있어, 폴리머 애자의 소수성 증착막 형성에 바람직하다.
상기 마그네트론 반응성 스퍼터링은, 타겟 물질 및 기체를 이용하며, 상기 타겟 물질로 상기 티타늄계 화합물을 사용하고, 상기 기체로 아르곤(Ar)/산소(O2), 아르곤/질소(N2), 아르곤/황화수소(H2S), 이들의 조합 등을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 아르곤의 유량은 10 내지 1,000 sccm, 바람직하게는 15 내지 500 sccm, 더욱 바람직하게는 20 내지 100 sccm일 수 있으며, 상기 아르곤/산소, 아르곤/질소, 아르곤/황화수소의 유량비는 15/1 내지 1/1, 바람직하게는 10/1 내지 2/1, 더욱 바람직하게는 8/1 내지 4/1일 수 있다. 상기 범위에서 균일한 소수성 증착막을 얻을 수 있다.
상기 마그네트론 반응성 스퍼터링 방법은, 사용하는 폴리머 애자의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들면, 0.1 내지 10 mTorr, 바람직하게는 1 내지 5 mTorr, 더욱 바람직하게는 2 내지 3 mTorr의 압력, 및 20 내지 30℃, 바람직하게는 22 내지 27℃의 온도 조건에서, 20분 내지 3시간, 바람직하게는 30분 내지 2시간, 더욱 바람직하게는 45분 내지 2시간 동안 이루어지는 것일 수 있다. 상기 범위에서 폴리머 애자의 손상 없이, 원하는 접촉각 및 두께를 갖는 소수성 증착막을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 폴리머 애자의 제조방법은 필요에 따라, 상기 티타늄계 화합물 증착 단계 전에 폴리머 애자 세척 단계 등을 더욱 포함할 수 있으며, 티타늄계 화합물 증착 단계 후, 통상적인 소수성 패턴 형성 과정 등을 더욱 포함할 수도 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로서, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
실시예 1 내지 9
하기 표 1 및 2에 기재된 증착 조건에 따라, EPDM 고무로 제조된 폴리머 애자의 시편(2cm * 2cm)에 티타늄계 화합물을 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 증착시킴으로써 소수성 증착막을 포함하는 폴리머 애자를 제조하였다. 제조된 소수성 증착막을 포함하는 폴리머 애자의 접촉각을 접촉각 측정 장치 및 탈이온수를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 2에 나타내었다. 또한, 티타늄 화합물 소수성 증착막 형성 여부를 알기 위하여, 소수성 증착막의 X-선 회절(XRD) 패턴을 측정(XRD 2θ 61.5° 부근의 Ti peak intensity)하였으며, 그 결과를 도 1 내지 9에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
타겟 물질 TiO2 TiO2 TiO2 TiN TiN TiN
작업 압력 (mTorr) 3 3 3 3 3 3
온도 (℃) 25 25 25 25 25 25
아르곤 유량 (sccm) 36.4 36.4 36.4 36.4 36.4 36.4
산소 유량 (sccm) 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
가스 비(Ar:O2) 10:1 10:1 10:1 10:1 10:1 10:1
회전 1700/h 1700/h 1700/h 1700/h 1700/h 1700/h
RF - Power 120 W 120 W 120 W 120 W 120 W 120 W
증착 시간 40분 60분 80분 30분 45분 60분
접촉각(°) 98 97 100 96 98 97
실시예 7 실시예 8 실시예 9
타겟 물질 TiO2, TIN TiO2, TIN TiO2, TIN
작업 압력 (mTorr) 3 3 3
온도 (℃) 25 25 25
아르곤 유량 (sccm) 36.4 36.4 36.4
산소 유량 (sccm) 3.5 3.5 3.5
가스 비(Ar:O2) 10:1 10:1 10:1
회전 1700/h 1700/h 1700/h
RF - Power 80 W 80 W 80 W
증착 시간 30분 45분 60분
접촉각(°) 89 101 100
상기 표 1 및 2의 결과로부터, 본 발명에 따른 전철용 폴리머애자(실시예 1 내지 9)의 경우, 접촉각이 89 내지 101°로서, 발수성, 내오손성 및 세척 용이성이 우수함을 알 수 있다. 특히, 타겟 물질로서, TiO2 및 TIN을 동시에 사용하고, 45분 이상 증착시킨 경우(실시예 8 및 9), 산질화티타늄(TiON 등) 계열의 박막을 형성하며 소수성 증착막(소수성막)의 접촉각을 평균 100.5°로 높게 증가시켰음을 알 수 있다.
상기 결과로부터, 본 발명의 전철용 폴리머 애자는 분진, 염분 등에 영향을 받는 전차 선로 등의 전력계통에 사용되는 폴리머 애자로서 유용함을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. 폴리머 애자; 및
    상기 폴리머 애자 표면에 형성된 소수성 증착막;을 포함하며,
    상기 소수성 증착막은 티타늄계 화합물을 포함하고, 상기 소수성 증착막의 두께는 100 내지 1,000 nm인 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 티타늄계 화합물은 산화티타늄, 질화티타늄, 산질화티타늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소수성 증착막은 접촉각이 88° 이상인 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자.
  4. 삭제
  5. 폴리머 애자의 표면에 티타늄계 화합물을 증착시켜 소수성 증착막을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 소수성 증착막의 두께는 100 내지 1,000 nm인 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 증착은 마그네트론 반응성 스퍼터링을 이용하는 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마그네트론 반응성 스퍼터링은 0.1 내지 10 mTorr의 압력 및 20 내지 30℃의 온도 조건에서, 20분 내지 3시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 마그네트론 반응성 스퍼터링은 타겟 물질 및 기체를 이용하며, 상기 타겟 물질은 티타늄계 화합물이고, 상기 기체는 아르곤/산소, 아르곤/질소, 아르곤/황화수소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 아르곤의 유량은 10 내지 1,000 sccm이고, 상기 아르곤/산소, 아르곤/질소, 아르곤/황화수소의 유량비는 15/1 내지 1/1인 것을 특징으로 하는 전철용 폴리머 애자 제조방법.
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