KR101865267B1

KR101865267B1 - 나노카본을 포함하는 반도전성 조성물 및 이를 이용한 전력케이블 중간접속구조

Info

Publication number: KR101865267B1
Application number: KR1020170077533A
Authority: KR
Inventors: 강수빈; 최석환
Original assignee: 대한전선 주식회사
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-06-08

Abstract

본 발명의 일 실시예는 하나 이상의 엘라스토머를 포함하는 주수지; 및 평균 직경이 1㎚ 내지 10㎚이고, 평균 길이가 100㎛ 내지 500㎛이며, 종횡비(L/D)가 10,000 내지 500,000인 탄소나노튜브;를 포함하는, 반도전성 조성물을 제공한다.

Description

나노카본을 포함하는 반도전성 조성물 및 이를 이용한 전력케이블 중간접속구조{A SEMICONDUCTIVE COMPOSITION COMPRISING NANOCARBON AND A POWER CABLE INTERMEDIATE CONNECTION STRUCTURE USING THE SAME}

본 발명은 나노카본을 포함하는 반도전성 조성물 및 이를 이용한 전력케이블 중간접속구조에 관한 것이다.

통상적인 고압(high-voltage) 또는 초고압(ultrahigh-voltage) 전력케이블 접속부는 도체를 중심으로 이를 둘러싼 3층의 고분자 피복으로 구성되는 절연 코어(core)를 내부에 포함하고 있다.

이러한 3층의 고분자 피복은 중심부로부터 내부 반도전층, 절연층, 및 외부 반도전층이 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있으며, 이들 중 상기 반도전층은 도체와 절연층의 계면에서 전기장을 균일하게 분산시키는 기능을 수행한다.

이에 따라, 반도전층의 소재로는 실리콘 고무와 같은 고분자 수지를 기반으로 이에 도전성 필러, 산화방지제 등을 첨가하여 전기 전도성을 구현할 수 있는 반도전성 조성물을 사용한다.

종래 반도전성 조성물에 도전성 필러로 30~40중량%의 카본블랙을 사용하였으나, 이와 같이 과량의 카본블랙을 첨가하는 경우 전기적 특성과 강성은 증가시킬 수 있는 반면에, 충격강도나 흐름성이 저하되는 한계가 있다.

또한, 카본블랙 입자는 구형의 입자로서 상호 접촉(네트워크)을 형성하는데 불리하며, 고분자 수지와의 상용성이 낮아 이의 과량 사용은 카본블랙 입자 간 응집 및 이에 따른 반도전층의 돌기(protrusion) 형성을 유발하게 된다. 이러한 돌기는 케이블 내부에서 국부적인 전계집중을 발생시키고 이는 반도전층의 절연파괴 및 최종적으로는 케이블 전체의 파손을 초래하여 제품의 수명을 단축시키고 신뢰성을 저하시키는 문제가 있다.

한편, 상기 초고압 전력케이블 중간접속구조는 반도전층에 첨가되는 전도성 필러(conductive filler) 중 하나로 탄소나노튜브를 사용하고 있으며, 특히 정밀 제어가 요구되는 제품 특성상 상기 전도성 필러의 순도 향상이 핵심 기술이라 할 수 있다.

즉, 상기 전도성 필러에 일정 량 이상의 불순물이 존재하면 상기 반도전층과 인접한 절연층의 산화가 촉진되어 절연 특성이 저하될 수 있고, 절연층과 반도전층의 계면에 전계가 집중되어 절연 파괴가 발생할 수 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고순도 및 소량의 도전성 필러를 사용하여 돌기 발생을 억제하고 점도 특성을 개선하여 가공성을 향상시키면서도 전기적 특성이 우수한 반도전성 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은 하나 이상의 엘라스토머를 포함하는 주수지; 및 평균 직경이 1㎚ 내지 10㎚이고, 평균 길이가 100㎛ 내지 500㎛이며, 종횡비(L/D)가 10,000 내지 500,000인 탄소나노튜브;를 포함하는, 반도전성 조성물을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 상기 반도전성 조성물의 체적저항이 10³Ω·cm이하일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 반도전성 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.2 내지 5중량%일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 순도가 95%이상일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 엘라스토머는 실리콘 고무를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 엘라스토머는 에틸렌 프로필렌 다이엔 모노머 고무(EPDM)를 추가로 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 및 에틸렌 프로필렌 다이엔 모노머 고무의 비가 30~70 : 30~70일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 도체, 내부 반도전층, 절연층, 및 외부 반도전층을 포함하는 전력케이블 중간접속구조에 있어서, 상기 내부 반도전층 및 외부 반도전층 중 하나 이상이 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 반도전성 조성물로 이루어진, 전력케이블 중간접속구조를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 이상의 엘라스토머를 사용하고, 도전성 필러로 일정 규격을 가지는 탄소나노튜브를 사용함으로써 필러의 소량 첨가만으로도 반도전성 조성물에 우수한 전기적 특성을 부여할 수 있고, 반도전층의 돌기 발생을 억제하여 전력케이블 중간접속구조의 수명 특성, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

특히, 상기 탄소나노튜브의 직경, 길이, 크기 등을 일정 범위 내로 조절함으로써 반도전성 조성물의 전기적, 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있고, 점도 특성을 개선하여 가공성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 비교예에 따른 카본블랙 및 실리콘 고무를 포함하는 조성물을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 탄소나노튜브 및 실리콘 고무를 포함하는 조성물을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

반도전성 조성물

상기 반도전성 조성물의 모재가 되는 주수지로는 중간접속구조의 반도전층에 통상적으로 사용되는 수지 중 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 주수지는 하나 이상의 엘라스토머를 포함할 수 있다. 상기 엘라스토머는 통상의 고무 뿐만 아니라, 상온에서 고무와 같은 탄성을 가지고, 고온으로 가열하면 용융 가소화되어 통상의 플라스틱 성형기로 성형 가공 가능한 고분자 재료를 포함할 수 있다.

상기 엘라스토머는, 예를 들어, 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 에피클로로하이드린 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 변성 니트릴-부타디엔 고무, 클로리네이티드 폴리에틸렌 고무, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM) 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 비닐아세테이트 고무, 아크릴 고무, 히드린 고무, 비닐벤질클로라이드 스티렌-부타디엔 고무, 브로모메틸스티렌부틸 고무, 말레인산 스티렌-부타디엔 고무, 카르복실산 스티렌-부타디엔 고무, 에폭시 이소프렌 고무, 말레인산 에틸렌-프로필렌 고무, 카르복실산 니트릴-부타디엔 고무, 브로미네이티드 폴리이소부틸 이소프렌-코-파라메틸 스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethylstyrene, BIMS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 실리콘 고무를 포함할 수 있으며, 더 바람직하게는, 실리콘 고무 및 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM) 고무를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 실리콘 고무는 임의의 다른 엘라스토머에 비해 안정적인 화학 구조를 가지며, 부식성이 없고 내열성, 내한성, 절연성, 화학적 안정성, 내마모성, 광택성, 탄성 등을 균형적으로 갖추고 있다.

상기 탄소나노튜브는 부도체인 상기 주수지에 전기 전도성을 부여하기 위한 물질로, 상기 탄소나노튜브가 첨가된 조성물을 성형하여 제조된 제품, 구체적으로 전력케이블 중간접속구조 반도전층의 전기 전도성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 상기 반도전층의 돌기 형성을 억제함으로써 절연층의 두께를 감소시키고 전력케이블 중간접속구조의 수명을 연장시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 탄소나노튜브가 엘라스토머 주수지와 혼합되면, 개개의 탄소나노튜브가 수지 매트릭스 내에서 분산되고, 상호 연결됨으로써 연속적인 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이에 따라 우수한 전기 전도성을 나타낼 수 있다.

상기 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 전기방전법(Arc-discharge), 열분해법(Pyrolysis), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma chemical vapor deposition), 열화학 기상증착법(Thermal chemical vapor deposition) 등이 있으나, 합성 방법에 제한 없이 제조된 모든 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(Double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall carbon nanotube), 절두된 원뿔형의 그래핀(truncated graphene)이 다수 적층된 중공관 형태의 탄소나노섬유(cup-stacked carbon nanofiber), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 탄소나노튜브의 특성을 표현하기 위한 용어 중 "종횡비(L/D)"는 통상적으로 탄소나노튜브의 분산성이나 전기적 성질 등과 연관되어 사용되며, 이는 길이를 직경으로 나눈 값을 의미한다.

상기 종횡비가 일정 값 미만이면 탄소나노튜브의 분산성은 향상될 수 있으나 도전성 네트워크 형성이 용이하지 않아 전기적 성질이 저하될 수 있고, 이와 반대로 일정 값 초과이면 전기적 성질은 향상될 수 있으나 탄소나노튜브의 분산성이 저하될 수 있다.

이에 따라, 상기 종횡비와 관련하여 상기 탄소나노튜브로 평균 직경이 1㎚ 내지 10㎚, 바람직하게는 6㎚ 내지 8㎚이고, 평균 길이가 100㎛ 내지 500㎛, 바람직하게는 200㎛ 내지 300㎛인 것을 사용하여 분산성과 전기적 성질 간의 밸런스를 유지할 수 있다.

즉, 상기 탄소나노튜브의 평균 직경이 1㎚ 미만이거나 평균 길이가 500㎛ 초과인 경우 탄소나노튜브의 분산성이 저하될 수 있고, 이는 결과적으로 탄소나노튜브 간 응집 현상을 유발하여 전력케이블 중간접속구조 반도전층의 돌기 형성 및 이에 따른 최종 제품의 신뢰성 저하를 초래할 수 있다.

반면, 상기 탄소나노튜브의 평균 직경이 10㎚ 초과이거나 평균 길이가 100㎛ 미만이면 형성되는 도전성 네트워크의 밀도가 낮아 전기적 성질 향상 효과가 미약할 수 있다.

종래 상기 탄소나노튜브에 비해 상대적으로 낮은 종횡비의 탄소나노튜브를 도전성 필러로 적용한 반도전성 조성물이 제안된 바 있으나, 이는 탄소나노튜브의 분산성을 충분히 개선시키지 못해 초고압 전력케이블 중간접속구조에 적용 시 전기적 성질이 미흡하고, 전력케이블 중간접속구조의 파손을 유발하는 등 수명 단축의 문제가 있었다.

이에 대해, 상기와 같은 범위로 탄소나노튜브의 길이와 직경, 즉 종횡비를 제어함으로써 이를 포함하는 반도전성 조성물을 전력케이블 중간접속구조에 적용하는 경우, 전기적 성질 및 표면 평활도를 개선하여 전력케이블 중간접속구조의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어 "표면 평활도"는 전력케이블 중간접속구조의 반도전층에 형성되는 돌기의 개수로부터 측정될 수 있는 파라미터로, 단위면적당 상기 돌기의 개수가 적을수록 표면 평활도가 우수한 것을 의미한다.

또한, 반도전성 조성물의 물성의 특징을 나타내기 위한 용어로 “체적저항”은 통상적으로 주어진 순수한 물질의 고유저항을 의미한다.

이에 따라, 상기 체적저항의 수치가 10³Ω·cm 초과이면 발열이 커지면서 손실되는 전력이 많아지고, 이에 따라, 케이블 중간접속구조의 파손을 유발하는 등 수명 단축의 문제가 있다.

상기 탄소나노튜브는 반도전성 조성물의 전기적, 기계적 성질에 영향을 미칠 수 있으므로, 그 함량을 일정 범위 내로 조절하여 사용할 수 있고, 구체적으로 상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 반도전성 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.2 내지 5중량%일 수 있다.

상기 탄소나노튜브의 함량이 0.2중량% 미만이면 전력케이블 중간접속구조 내의 체적저항 효과가 저하될 수 있으며, 전계집중을 완화시키기 위해 요구되는 전기 전도성을 상기 조성물에 부여할 수 없고, 5중량% 초과이면 탄소나노튜브 간 응집에 따른 돌기 형성 및 조성물의 기계적 물성 저하를 유발할 수 있다.

상기 탄소나노튜브의 순도는 95% 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 98%이상일 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 금속 촉매 입자를 이용하여 기상 합성에 의해 제조되고, 여기서 사용된 금속 촉매 입자는 일반적으로 분리되지 않고 합성된 탄소나노튜브와 함께 제공된다.

상기 탄소나노튜브는 상기 금속 촉매 입자에서 유래된 미량의 금속 성분, 산소 등을 포함하며, 상기 탄소나노튜브의 순도는 상기 탄소나노튜브 중 상기 금속 성분, 산소와 같은 성분을 제외한 순수한 탄소나노튜브의 중량% 또는 부피%, 바람직하게는, 중량%를 가리킨다. 상기 순도가 95% 미만이면, 초고압 전력케이블 중간접속구조의 반도전층에 적용 시 국부적인 전계집중 현상이 발생할 수 있고, 이는 결과적으로 절연 파괴를 유발하여 케이블의 수명을 단축시킬 수 있다.

상기 실리콘 및 에틸렌 프로필렌 다이엔 모노머 고무(EPDM)의 비가 30~70 : 30~70일 수 있으며, 바람직하게는, 40~60 : 40~60일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 엘라스토머 수지 및 도전성 필러를 포함하는 반도전성 조성물은 고압 또는 초고압 전력케이블의 중간접속구조에 적용될 수 있고, 구체적으로 상기 전력케이블 중간접속구조의 구성 중 내부 반도전층 및/또는 외부 반도전층에 적용될 수 있다.

상기 반도전성 조성물은 상기 수지 내에서 도전성 필러의 분산성을 개선하기 위한 계면활성제, 가공성 개선을 위한 윤활제, 산화 억제에 따라 전력케이블의 수명 연장을 위한 산화방지제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 계면활성제로는 도데실황산소듐(SDS, sodium dodecyl sulfate), 글리콜산 에톡실레이트 4-노닐페닐에테르(GAENPE, glycolic acid ethoxylate 4-nonylphenyl ether), n-라우로일사르코신염과 같은 음이온성 계면활성제, 브롬화 도데실트리메틸암모늄(DTAB; dodecyltrimethylammoniumbromide)과 같은 양이온성 계면활성제, Triton X-45, Triton X-114, Triton X-100과 같은 비이온성 계면활성제 등을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 윤활제로는 스테아릴스테아레이트, 스테아르산과 같은 지방산 또는 그것의 염 등을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 산화방지제로는 아민계 산화방지제, 티오에스테르계 산화방지제, 페닐계 산화방지제 등을 예시할 수 있고, 바람직하게는 트리스(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트와 같은 페닐계 산화방지제를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 계면활성제, 윤활제, 및 산화방지제의 함량은 상기 반도전성 조성물의 전체 중량을 기준으로 각각 0.1 내지 5중량%일 수 있다. 이들의 함량이 0.1중량% 미만이면 각각의 사용 목적에 따른 충분한 효과가 구현되지 않을 수 있고, 5중량% 초과이면 반도전성 조성물의 기계적 물성이 저하될 수 있다.

전력케이블 중간접속구조

본 발명의 다른 일 측면은 도체, 내부 반도전층, 절연층, 및 외부 반도전층을 포함하는 전력케이블 중간접속구조에 있어서, 상기 내부 반도전층 및 외부 반도전층 중 하나 이상이 상기 반도전성 조성물로 이루어진 전력케이블 중간접속구조, 구체적으로 고압 또는 초고압 전력케이블 중간접속구조를 제공한다.

통상적으로, 초고압 전력케이블 중간접속구조 반도전층은 수지 매트릭스에 전도성 필러를 분산시킴으로써 전기 전도성을 구현할 수 있도록 제조된다. 이 때, 상기 전도성 필러로 탄소나노튜브를 사용하는 경우, 상기 탄소나노튜브가 수지 매트릭스 내에 분산되고 상호 연결됨으로써 연속적인 3차원 전도성 네트워크 구조를 형성할 수 있다.

상기 내부 반도전층은 상기 도체와 상기 절연층의 계면에서의 부분 방전을 억제할 뿐만 아니라 이들 간 공기층이 형성되는 것을 억제하며, 상기 외부 반도전층은 케이블의 차폐 및 상기 절연층에 형성되는 전계를 균등하게 분배하는 기능을 한다.

따라서, 상기 내부 반도전층 및/또는 외부 반도전층을 이루는 소재의 기계적, 전기적 특성이 이러한 기능 수행의 중추를 담당하는 것으로 볼 수 있으며, 전술한 반도전성 조성물을 이러한 반도전층에 적용함에 따라 우수한 기계적, 전기적 특성을 구현할 수 있다. 상기 반도전성 조성물에 포함되는 엘라스토머 수지 및 도전성 필러의 종류, 함량 등에 관해서는 전술한 것과 같다.

이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1

실리콘 고무 99.3중량부, 산화방지제 0.5중량부, 및 도전성 필러로 평균 직경이 6㎚이고, 평균 길이가 200㎛인 탄소나노튜브(CNT) 0.2중량부를 반죽기(kneader)에 투입 및 혼합하여 반도전성 조성물을 제조하였다.

실시예 2

실리콘 고무 및 탄소나노튜브의 투입량을 각각 99.0중량부 및 0.5중량부로 변경한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 반도전성 조성물을 제조하였다.

실시예 3

실리콘 고무 및 탄소나노튜브의 투입량을 각각 98.5중량부 및 1중량부로 변경한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 반도전성 조성물을 제조하였다.

실시예 4

실리콘 고무 및 탄소나노튜브의 투입량을 각각 96.5중량부 및 3중량부로 변경한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 반도전성 조성물을 제조하였다.

실시예 5

실리콘 고무 및 탄소나노튜브의 투입량을 각각 94.5중량부 및 5중량부로 변경한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 반도전성 조성물을 제조하였다.

비교예 1

실리콘 고무 및 탄소나노튜브의 투입량을 각각 99.4중량부 및 0.1중량부로 변경한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 반도전성 조성물을 제조하였다.

비교예 2

실리콘 고무 및 탄소나노튜브의 투입량을 각각 89.5중량부 및 10중량부로 변경한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 반도전성 조성물을 제조하였다.

비교예 3

탄소나노튜브 대신 카본블랙 33중량부를 투입하고, 실리콘 고무의 투입량을 66.5중량부로 변경한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 반도전성 조성물을 제조하였다.

실험예 1 : 탄소나노튜브의 함량에 따른 체적저항 측정

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에 따른 각각의 반도전성 조성물의 체적 저항을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

이 때, 체적저항(ρ)은 상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 각각의 조성물로부터 너비(W) 1㎝, 길이(T) 1㎝, 두께(L) 1㎜의 시편을 제작하고, 각 시편의 표면에 은(Ag) 페이스트를 도포하여 전극을 형성한 후, 상온, 50℃, 70℃, 및 90℃에서 측정한 저항값(R)을 아래 식에 대입하여 산출하였다. 50℃에서의 체적저항이 50Ω·㎝를 초과하거나, 90℃에서의 체적저항이 500Ω·㎝를 초과하는 경우 불충분한 반도전 특성을 나타내는 것을 의미한다.

<식>

구분	상온	50℃	70℃	90℃
실시예 1	1.7x10¹	2.4x10¹	2.1x10¹	1.9x10¹
실시예 2	1.1x10¹	1.0x10¹	0.9x10⁵	0.7x10¹
실시예 3	0.8x10¹	0.6x10¹	0.6x10¹	0.4x10¹
실시예 4	0.7x10¹	0.5x10¹	0.5x10¹	0.4x10¹
실시예 5	0.8x10¹	0.7x10¹	0.5x10¹	0.4x10¹
비교예 1	2.2x10⁵	1.8x10⁶	1.0x10⁵	4.1x10³
비교예 2	0.5x10¹	0.4x10¹	0.4x10¹	0.2x10¹
비교예 3	8.0x10¹	9.2x10¹	7.7x10¹	6.9x10¹

상기 표 1을 참고하여 전기적 특성을 살펴보면, 탄소나노튜브를 사용한 반도전성 조성물(실시예 1~5)은 카본블랙을 사용한 반도전성 조성물(비교예 3)에 비해 체적저항이 낮다. 또한, 탄소나노튜브의 함량이 실시예 1에 비해 적은 비교예 1의 경우 체적저항이 증가하여 전도성이 저하되었고, 탄소나노튜브의 함량이 실시예 5에 비해 많은 비교예 2의 경우 체적저항은 감소하였으나, 이 경우 탄소나노튜브의 분산성이 저하되어 부위별 전도성 편차가 커지고, 주수지의 함량이 상대적으로 적어짐에 따라 기계적 물성이 저하될 것으로 예상된다.

실험예 2: 탄소나노튜브의 함량에 따른 점도 특성 측정

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에 따른 각각의 반도전성 조성물의 점도을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

이 때, 점도 특성은 회전식 점도계를 이용하여 shear rate 1/s에서점도를 측정하였다. 또한, 점도가 5,000 Pa·s을 초과하는 경우 공정 간 문제가 발생할 수 있다는 것을 의미한다.

구분	단위	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교예1	비교예2	비교예3
점도	Pa·s	366	678	3,370	5,781	8,129	236	10,187	5,670

상기 표 2를 참고하여 점도 특성을 살펴보면, 전도성 필러의 함량에 따른 점도의 경향성을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 전도성 필러의 함량이 가장 작은 비교에 1의 경우 점도가 가장 적게 나타났으며, 함량이 가장 많은 비교예 3의 경우 5,000 Pa·s을 초과하여 조성물의 가공성이 저하될 수 있음을 확인하였다.

실험예 3: 탄소나노튜브의 함량에 따른 기계적 특성 측정

구분	인장강도	파단신율	가열인장강도	가열파단신율	탄성계수	인열강도	경도
시험규격	KS M 6518	KS M 6518	KS M 6518	KS M 6518	KS M 6518	KS M 6518	KS M6518
단위	N/mm²	%	N/mm²	%	GPa	N/mm	-
실시예 1	7.79	527.68	5.39	412.56	0.58	22.67	38±2
실시예 2	7.76	539.47	5.37	468.34	0.60	25.48	40±1
실시예 3	7.75	547.84	5.41	438.25	0.77	24.35	50±2
실시예 4	7.54	578.94	5.42	456.34	0.76	24.29	48±1
실시예 5	7.18	584.16	5.41	465.34	0.79	21.35	45±1
비교예 1	7.25	369.68	6.74	431.95	0.56	21.52	37±1
비교예 2	5.95	426.11	5.41	394.58	0.77	18.35	52±1
비교예 3	7.79	569.99	5.43	446.83	0.49	23.85	38±2

상기 표 3을 참고하면, 도전성 필러로 카본블랙을 33중량부 포함한 조성물(비교예 3)과 도전성 필러로 탄소나노튜브를 0.2 내지 5중량부 포함한 조성물(실시예1 내지 5)에 있어서, 기계적 특성은 유사한 결과를 나타내었다. 이는 적은 양의 도전성 필러를 함유함에도 불구하고 종래 기술인 카본블랙을 함유했을 때와 차이가 크지 않는 것을 의미한다.

도 1을 참고하면, 비교예 3의 반도전성 조성물은 고무 매트릭스 내에서 카본블랙 입자가 상호 응집되어 복수의 아일랜드를 구성하며, 상기 아일랜드 중 일부는 상호 연결된 반면에 다른 일부는 상호 연결되지 않고 이격되므로, 전자 및/또는 이온의 이동 경로가 불완전하게 제공됨을 알 수 있다.

반면, 도 2를 참고하면, 일정 량의 탄소나노튜브가 고무 매트릭스 내에 분산되면, 이들이 상호 연결되어 연속적인 3차원 네트워크 구조를 형성하여 전자 및/또는 이온의 이동 경로를 제공할 뿐만 아니라, 이러한 3차원 네트워크 구조가 상기 고무 매트릭스를 지지, 보강하는 역할을 함께 수행하므로, 소량으로도 우수한 전도성 뿐만 아니라 충분한 기계적 물성을 구현할 수 있음을 알 수 있다.

이러한 결과를 통해, 종래 사용되던 카본블랙에 비해 적은 양의 도전성 필러를 사용하여 기계적 특성은 유지하면서, 보다 우수한 체적저항을 확보하였고, 또한, 점도 특성을 개선하여 가공성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

도체, 내부 반도전층, 절연층, 및 외부 반도전층을 포함하는 전력케이블 중간접속구조에 있어서,
상기 내부 반도전층 및 외부 반도전층 중 하나 이상이 반도전성 조성물로 이루어지고,
상기 반도전성 조성물은,
실리콘 고무를 포함하는 주수지; 및
평균 직경이 1㎚ 내지 10㎚이고, 평균 길이가 100㎛ 내지 500㎛이며, 종횡비(L/D)가 10,000 내지 500,000인 탄소나노튜브;를 포함하고,
상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 반도전성 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.2 내지 0.5중량%인, 전력케이블 중간접속구조.
제1항에 있어서,
상기 반도전성 조성물의 체적저항이 10³Ω·cm이하인, 전력케이블 중간접속구조.
삭제
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 순도가 95%이상인, 전력케이블 중간접속구조.
삭제
제1항에 있어서,
상기 주수지는 에틸렌 프로필렌 다이엔 모노머 고무(EPDM)를 추가로 더 포함하는, 전력케이블 중간접속구조.
제6항에 있어서,
상기 실리콘 및 에틸렌 프로필렌 다이엔 모노머 고무(EPDM)의 비가 30~70 : 30~70인, 전력케이블 중간접속구조.
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