KR102061478B1 - 다결정 실리콘 성형체 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리올레핀계 베이스 수지 40~80중량%;
실리콘 오일 5~25중량%; 및
첨가제 15~35중량%;을 포함하는 다결정 실리콘 조성물을 150~170℃의 온도 및 15~20MPa의 압력에서 융합반응시켜 과립을 생성하는 단계를 포함하는 다결정 실리콘 절연체의 제조방법에 의해 제조되고, 선형구조를 가지며 165~175℃의 용융온도 및 350~380℃의 열분해 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 절연체를 165~180℃의 온도에서 혼합하고 110~130MPa의 압력에서 성형하는 단계를 포함하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법 및 성형체 등의 전력기기에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 재생가능한 친환경적 소재이다.

Description

다결정 실리콘 성형체 및 그의 제조방법{Polycrystalline silicon molded article and manufacturing method thereof}
본 발명은 다결정 실리콘 조성물, 이를 이용한 다결정 실리콘 절연체 및 이를 포함하는 전력기기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리올레핀계 베이스 수지에 실리콘 오일 및 첨가제를 혼합한 조성물을 다결정 융합을 통해 변성시켜 기계적 강도, 전기 특성 및 노화 방지 특성이 우수한 다결정 실리콘 절연체를 수득하고, 이를 변압기, 변성기, 개폐기 등의 전력기기에 적용하는 다결정 실리콘 조성물, 이를 이용한 다결정 실리콘 절연체 및 이를 포함하는 전력기기에 관한 것이다.
전력기기에는 중심 도체를 둘러싸거나 중심에 도체가 지나는 절연체를 사용하는데, 이는 장벽에 장착되거나 장벽과 물체와의 절연 및 장벽의 한쪽에서 다른 쪽으로 전류를 흐르게 할 의도로 사용한다. 프레임이나 외피에서 배선을 꺼내기 위한 애자 및 외함 또는 지지물과 같은 벽을 통과하면서 하나 혹은 여러 개의 도체를 절연시키는 장치로 플랜지(flange) 등과 같은 고정장치로 고정되어서 사용된다.
절연체(insulator)는 전기나 열을 전달하기 어려운 성질을 가지는 물질의 총칭으로 도자기 절연체, 유리 절연체, 복합 절연체 등이 있는데, 이들은 재활용이 불가능한 소재로서, 수명을 다한 제품은 재가공이 불가능하여 에너지 손실을 유발하고, 처리과정에서 많은 비용이 발생하며 환경오염의 주범으로 꼽히고 있다.
고전압용 전기절연체는 흔히 유리나 자기로 만든다. 이들 물질은 비교적 저렴하고 전기적으로도 물성이 우수하고 긴 유효수명을 갖는다. 그러나 이들 물질은 망가지지 쉽고 제조방법이 다양하지 않으며 설계에 있어서도 응용성이 부족하다. 전력전송이 점점 더 높은 전압을 전송할 때, 새로운 절연시스템이 개발되고 새로운 물질이 시험 및 실용화되어 왔다. 한 예로 폴리에스터(polyester)수지, 에폭시(epoxy)수지, 페놀수지 또는 우레탄수지(요소수지)와 같은 수지와 실리콘 고무(silicone rubber) 및 에틸렌프로필렌 고무(ethylenepropylene rubber, EPR) 고무 및 와 같은 탄성 중합체의 합성 절연체가 개발되고 주요 상업설비에 사용하고 있다. 그 중 유리 섬유 에폭시 코어 로드, 실리콘 고무 및 금속 이음쇠로 구성된 실리콘 고무 절연 유리섬유 절연체는 열에 강하고, 전기절연성이 우수해　가전제품 뿐만 아니라 전기/전자제품, 자동차 분야 선박 항공분야까지 등 다양하게 적용할 수 있다.
실리콘 고무의 구조는 화학식 1과 같다.
[화학식 1]
Figure 112019072091654-pat00001
여기서, R, R', R"는 C1-C6 알킬기 또는 C2-C6 알릴기이고, m 및 n는 2000~4000의 정수이다.
그러나 상기 합성 절연체는 그 분자들이 사다리 모양이나 그물모양(망상구조)의 복잡한 배열 모양을 갖고 있고 한번 성형되면 열이나 압력을 가해도 긴 분자의 사슬이 잘 끊어지지 않기 때문에 누그러지거나 녹지 않는다. 또한, 독성과 냄새가 심해서 작업의 안정성을 위해 작업시 보호안경, 보호의, 보호장갑, 보호크림 등을 사용해야 하며, 심한 냄새를 제거하기 위해서 작업실에는 국소배기시설을 설치하여 작업해야 한다.
특히 에폭시 수지는 전기 공학용 절연 시스템을 제조하는데 통상적으로 사용되는데, 열경화성 수지로 계속 열이나 압력을 가하면 화학 반응을 일으켜서 고분자화되어 딱딱하게 굳어지며, 일단 굳어진 후에는 열을 가해도 변형되지 않고 불에 녹지 않기 때문에 성형 후에는 재사용을 할 수 없고 사용 후 폐기하기 위해서는 고열로 태우는 방법밖에 없으며, 이 과정에서 여러 가지 유해 물질이 발생하여 환경에 악영향을 주고 있다.
한편, 에틸렌/프로필렌 탄성 공중합체(EPR) 등을 가교시킨 소재도 많이 사용되는데, 그 중에서도 XLPE(Cross-linked Polyehtylene)는 가교공정을 통해 폴리에틸렌(polyethylene, PE)의 선형의 분자구조를 3차원의 망상구조로 변환한 것으로, 기존 PE의 우수한 기계적 물성 및 내화학 특성을 보유하면서 내열성을 개선시켜 보다 고전압의 전력 케이블 절연층으로 활용되어 왔다. 종래에는 상기 XLPE 절연층의 여러 문제점을 해결하기 위해 비가교형의 친환경적인 폴리올레핀, 그 중에도 폴리프로필렌(polypropylene, PP)을 절연소재로 사용한 연구들이 많이 진행되고 있다. 폴리프로필렌은 용융온도가 160℃ 이상으로 내열성이 우수해 별도의 가교공정을 거치지 않고도 절연소재에 적용될 수 있다. 하지만 선형 가지 구조 및 좁은 분자량 분포도 특성으로 인해 용융장력(melt strength) 및 변형경화(strain hardening) 특성이 떨어져 절연소재로 실질적으로 적용하기에는 이를 보완하기 위한 별도의 처리가 요구된다. 폴리프로필렌을 포함하는 열가소성 플라스틱은 열을 가하면 녹으므로 다양하게 성형이 가능하며 재활용할 수 있다. 그러나 플라스틱은 내열성 및 내압성이 낮고 통기성, 투습성이 있고, 많고 적음이 존재하며 가열성이 있고 먼지 부착 등이 용이하고 상처가 나기 쉬우며, 먼지 부착이 용이하다는 특성이 있다.
폴리프로필렌은 높은 융점과 낮은 밀도를 갖는다. 또한, 우수한 화학적 저항성과 높은 인장 계수를 낮은 비용으로 얻을 수 있다. 이러한 이유로 플라스틱 상품의 압도적인 시장 점유율을 자랑하고 있다. 하지만, 장력 경직이 주로 요구되는 과정에서는 부족한 과정 특성을 보이기도 한다. 폴리프로필렌이 포밍(foaming), 열성형, 압출 코팅, 블로우 성형 등과 같은 정형화 과정에 사용되기 위해서는 용융의 변형 경화 현상(고용융장력의 발현)이 필수적이며 이를 개선하기 위해서는 폴리프로필렌의 개질이 필수적이다. 그 방법으로 광범위한(바이모달을 포함한) 분자량 분포(molecular weight distribution, MWD)는 이 현상을 향상시킬 수 있는 방법이지만, 그보다 폴리프로필렌 주쇄에 긴 곁가지를 추가하여 용융장력을 효율적으로 향상시키는 방법이 보다 효과적이다.
대한민국 등록특허 제0923284호, 제1311227호, 공개특허 제2015-0054808호 및 제2015-0085544호에서는 고압케이블용 절연체에 관하여 개시하고 있다. 상기 문헌에 개시된 고압용 절연체는 고압에서 절연성능은 우수하지만, XLPE를 절연층으로 사용함에 따라 폐기시 별도의 소각과정이 필요하며, 제조시 발생하는 유해가스 처리를 위한 별도의 공정이 요구되는 단점을 가지고 있다.
대한민국 공개특허 제2012-0048520호에서는 절연조성물 및 이를 포함하는 전기케이블에 관하여 개시하고 있다. 상기 문헌에서는 다층으로 구성된 절연체를 제조하고 있지만, 지글러-나타 촉매를 이용하여 제조된 폴리프로필렌을 사용하고 있으므로, 촉매잔량에 의한 전기적 특성이 저하될 가능성을 가지고 있다.
미국공개특허 제2014-0363671호에서는 중간전압 또는 고전압용 전기케이블에 관하여 개시하고 있다. 폴리올레핀에 에폭시기를 그라프팅 전자선 가교하여 절연체 조성물을 수득하고 있으나 제조비용이 높다는 단점을 가지고 있다.
이에, 본 발명자들은 종래의 복합 중합체 및 제조 공정상의 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 폴리올레핀 수지에 실리콘 오일 및 첨가제를 적정량으로 넣고 혼합하여 다결정 융합을 통해 변성시켜 수득한 다결정 실리콘 절연체 및 성형체는 선형의 분자 구조를 가짐으로써 기계적 강도가 높고, 전기 특성이 우수하며, 소수성이 좋고, 노화에 강하다는 장점을 가져 절연체나 부싱(bushing)에 적합한 전기적, 물리적 특성 및 기계적 성능을 충족시킴과 동시에 재생가능한 친환경적 소재라는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
대한민국 등록특허 제0923284호(2009.10.16), 대한민국 등록특허 제1311227호(2013.09.12), 대한민국 공개특허 제2015-0054808호(2015.05.20) 대한민국 공개특허 제2015-0085544호(2015.07.24)
본 발명의 목적은 우수한 전기적, 기계적 및 물리적 성능을 가지고, 무취 및 무독성으로 작업성이 우수하고 종래의 제품보다 사용이 편리하고 긴 수명을 가지며 노화 방지 성능이 우수한 다결정 실리콘 절연체를 제조하기 위한 다결정 실리콘 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 다결정 실리콘 조성물로 수득한 다결정 실리콘 절연체, 성형체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 다결정 실리콘 절연체를 전력기기 및 애자에 용도를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리올레핀계 베이스 수지 40~80중량%; 실리콘 오일 5~25중량%; 및 첨가제 15~35중량%;을 포함하는 다결정 실리콘 조성물을 제공한다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는 상기 첨가제는 산화방지제, 광안정화제 및 무기화합물의 혼합물일 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 산화방지제는 폐놀계, 퀴논계, 인계, 황계, 아민계 및 금속계로 구성된 군에서 하나 이상 선택될 수 있으며, 상기 퀴논계 산화방지제는 하이드로퀴논일 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 무기화합물은 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 또는 하이드로탈사이트일 수 있다.
바람직하게는 상기 폴리올레핀계 베이스 수지는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 다결정 실리콘 조성물을 150~170℃의 온도 및 15~20MPa의 압력에서 융합반응시켜 과립을 생성하는 단계를 포함하는 다결정 실리콘 절연체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 방법에 의해 제조되고, 선형구조를 가지며 165~175℃의 용융온도 및 350~380℃의 열분해 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 절연체을 제공한다.
또한, 상기 다결정 실리콘 절연체를 포함하는 애자를 제공한다.
바람직하게는 상기 애자는 현수애자(suspension insulator), 지지애자, LP(line post) 애자, COS 애자, 장간애자, 핀애자 또는 피뢰기 애자일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 관점에서 상기 다결정 실리콘 절연체를 포함하는 부싱(bushing)을 제공한다.
바람직하게는 상기 부싱은 변성기 부싱, 개폐기 부싱 또는 변압기 부싱일 수 있다.
또한, 상기 다결정 실리콘 절연체를 165~180℃의 온도에서 혼합하고 110~130MPa의 압력에서 성형하는 단계를 포함하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법을 제공한다.
바람직하게는 냉각 및 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체를 제공한다.
바람직하게는 상기 성형체는 필름, 시트, 불로우 성형체, 사출 성형체, 튜브, 전선 및 케이블로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 다결정 실리콘 절연체를 포함하는 전력기기를 제공한다.
바람직하게는 상기 전력기기는 변압기, 변성기 또는 개폐기일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기 절연체로서 우수한 전기적, 기계적 및 물리적 성능을 가지고, 무취 및 무독성으로 작업성이 우수하고 종래의 제품보다 사용 편의성과 긴 수명을 충족시킬 수 있으며, 수명이 다한 제품은 저비용으로 다시 재가공하여 파이프나 전선피복, 플라스틱 용기 등으로 재사용할 수 있는 에너지 절약형 친환경 제품이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 절연체의 선형 분자 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 실리콘고무의 망상구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 절연체로 제작된 현수애자를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 절연체로 제작된 핀 타입의 절연체 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 절연체로 제작된 핀 타입의 절연체의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 절연체의 난연성을 시험하기 위한 UL 인증 테스트 방법을 도시한 도면이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에 따른 폴리올레핀 수지에 실리콘 오일 및 첨가제를 적정량으로 넣고 혼합하여 다결정 융합을 통해 변성시켜 수득한 다결정 실리콘 절연체 및 성형체는 선형의 분자 구조를 가짐으로써 표면경도, 인장강도, 강성 등의 기계적 강도가 높고, 전기절연특성이 우수하며, 소수성이 좋고, 노화방지성능이 우수하여 각종 부싱과 현수애자, 절연애자, 변압기, 변성기, 개폐기 등의 전력기기에 적용가능한 친환경 소재를 제조할 수 있는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서 폴리올레핀계 베이스 수지 40~80중량%; 실리콘 오일 5~25중량%; 및 첨가제 15~35중량%;을 포함하는 다결정 실리콘 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 전단 밴드 항복 이론을 사용하여, 즉 인장 응력 작용 하에서, 고분자 화합물 중 일부 약한 부위는 응력 집중으로 인해 캐비테이션(cavitation) 스트립 모양 가변 영역이 형성되고, 재료는 이에 의해 크레이즈(craze)를 생성하며, 더 나아가 크랙(crack)으로 발전하기 때문에, 종종 중합체가 파열되는 원인이 된다. 그러나 크레이즈를 형성하려면 대량의 열량을 소모하여야 하고, 크레이즈가 적절하게 중지되어 크랙으로 진행되지 않는다면, 오히려 중합체의 파열을 지연시켜 중합체의 연성을 향상시킬 수 있다.
적정량의 실리콘 오일, 수산화알루미늄 재료를 폴리프로필렌과 혼합하면, 여러 재료들과의 상용성이 우수하고, 변성 재료의 유동성에 영향을 미치지 않으며, 가공 성형이 용이하고, 폴리프로필렌의 충격 강도를 대폭 향상시키며, 저온 연성을 개선한다는 것을 확인하였다. 아울러, 실리콘 오일은 다결정 실리콘 재료에서 천천히 석출되어, 재료 표면에 한 층의 보호막을 형성하여, 표면의 소수성과 내오염성을 향상시킨다.
폴리프로필렌 구조에 3차 탄소 원자가 존재하여 원료가 쉽게 노화되므로 재료의 노화방지를 위하여 노화방지 매커니즘을 연구하였다. 폴리프로필렌 재료는 중합 과정에서 주요 촉매, 보조 촉매, 첨가제 등의 금속 이온의 잔여, 반응 과정에서 유입되는 금속 불순물 등에 의한 산소 기체 환경하에서 온도, 빛과 같은 외부 요인의 영향을 받아 반응성이 큰 자유 라디칼 I·의 생성이 유도된다. 자유 라디칼 I·은 탄소사슬 R―H와 반응하여, 결과적으로 새로운 탄소 자유 라디칼 R·을 생성하여 순환을 이루며, 결과적으로 새로운 자유 라디칼이 지속적으로 생성된다. 특히, 고온의 환경하에서, 반응은 중합체 내의 자유 라디칼의 총 농도를 신속하게 증가시키고 분해반응을 가속화시켜 즉, 고분자 내부의 가교와 분해가 진행되도록 함으로써, 노화 문제를 일으킨다. 자동 산화 순환 과정 전반에서 고활성 자유 라디칼이 반응의 핵심으로 작용하기에 이들을 차단하거나 제거하면 전반 자동 산화 순환을 중단시킬 수 있다.
이를 기초로 하여 적정량의 산화방지제인 히드로퀴논을 폴리프로필렌에 넣으면, 혼합 재료의 상용성이 우수할 뿐만 아니라, 노화방지 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 페놀류 산화방지제 구조에서 페놀의 히드록시기가 오르토파라(ortho para) tert-부틸기의 전자 공여성 작용의 영향을 받아, 활성이 현저하게 증강되었으며, 활성 H·가 중합체 중의 고활성 자유 라디칼과 먼저 반응함으로써, 산화반응을 중단시켜, 다결정 실리콘 조성물의 노화방지능력을 현저하게 향상시킨다.
본 발명에 있어서, 상기 첨가제는 산화방지제, 광안정화제 및 무기화합물의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화방지제는 폐놀계, 퀴논계, 인계, 황계, 아민계 및 금속계로 구성된 군에서 하나 이상 선택될 수 있으며 상기 퀴논계 산화방지제는 하이드로퀴논인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 무기화합물은 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 또는 하이드로탈사이트인 것이 바람직하다.
상기 폴리올레핀계 베이스 수지는 바람직하게는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE) 또는 아이소택틱(isotactic) 폴리프로필렌일 수 있다.
폴리프로필렌은 포화 선형 지방족 폴리올레핀(화학식 2)으로, 분자 구조 중에 불포화 결합이 없고, 탄소 원자 사이의 공유 결합은 전부 탄소-탄소 단일 결합이므로, 이중 결합 부가 반응이 일어나지 않으며, 기타 외부 조건과 화학 반응이 일어나기 쉽지 않다. 아울러, 폴리프로필렌은 선형 구조로서, 전체 고분자는 하나의 긴 사슬과 같으며, 이러한 구조는 통상적으로 불규칙적인 덩어리 형태로 뭉치고, 연신될 경우 직선 형태로 될 수 있으므로, 우수한 연성과 가소성을 구비하고 생산 과정에서 가공 성형이 용이하고 중복 사용이 가능하며, 후속적인 폐기 재료의 처리 및 환경 보호 문제가 발생하지 않는다.
[화학식 2]
Figure 112019072091654-pat00002
화학식 2에서 n는 2000~3500의 정수이다.
폴리프로필렌은 주로 아이소택틱(isotactic), 신디오택틱(syndiotactic), 어택틱(atactic) 세 가지로 나누어지며, 다결정 실리콘 재료로 사용하는 것은 결정도가 높은 아이소택틱 폴리프로필렌이며, 이 분자 사슬에는 메틸기가 존재하여, 분자 사슬의 유연성을 감소시킴으로써, 결정도가 높고, 기계적 강도가 크지만 취성이 높고, 유연성이 나쁜 문제점이 있다.
본 발명은 다른 관점에서 상기 다결정 실리콘 조성물을 150~170℃의 온도 및 15~20MPa의 압력에서 융합반응시켜 과립을 생성하는 단계를 포함하는 다결정 실리콘 절연체의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 또 다른 관점에서 상기 방법에 의해 제조되고, 선형구조를 가지며 165~175℃의 용융온도 및 350~380℃의 열분해 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 절연체에 관한 것이다.
본 발명에 의한 다결정 실리콘 절연체의 선형 분자 구조를 도 1에 개략적으로 도시하였다. 원은 분자를 표시하고, 직선은 화학결합을 의미한다.
본 발명에 의해 고속 혼합 교반으로 다결정 실리콘 원료를 균일하게 분포하도록 한 후에 고온고압의 합금화 반응으로 입자를 생성한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서, 60중량%의 폴리프로필렌을 베이스 수지로 하여 15중량%의 실리콘 오일과 여러 가지 첨가제(5중량%의 산화방지제, 5중량%의 광안정제, 15중량%의 수산화알루미늄 등)를 혼합하여 변성시켜 다결정 실리콘 절연체를 얻으며, 변성시킨 다결정 실리콘 절연체는 기계적 강도가 높고, 전기 특성이 우수하며, 소수성이 좋고, 노화에 강하다는 장점이 있다.
본 발명은 다결정 융합을 통해 분자 방식이 에폭시와 다른 쇠사슬 모양으로 일직선(선형)화 하여 분자의 형태를 변화시킴으로써 기계적 강도가 높고 절연체로서의 전기적 물성이 탁월하며, 발수성과 노화 방지 기능 또한 겸비한 친환경 재생 경질 절연체이다.
특히, 전기 절연체에서 가장 중요한 물흡수율이 에폭시의 경우 0.15%인 반면에, 0.012% 이하이다. 내산성 및 내염기성능이 우수하며 다결정 실리콘 재료의 용융 온도는 165~175℃이고, 열분해 온도는 350~380℃이다.
강도를 가진 연질(유연성 확보)로 전도율이 좋아 도체와의 부착력이 뛰어나며, 도체와의 부착에 따른 온도의 변화에도 이완 또는 크랙(crack) 현상이 없으며 고온과 저온을 4시간 간격으로 96시간 동안 상온에서는 물론 -60 내지 50℃의 온도에서까지 시험한 결과 이상이 없다.
본 발명에 의한 다결정 실리콘 절연체는 무독, 무취, 무미, 무색으로 색깔을 다양하게 구현하여 제조된 결정성 경질 복합 재료로서, 밀도가 0.91~1.23로 무게가 가벼워 고공 작업이 용이하며 기계적 강도가 높아 파손 등의 우려가 전혀 없다. UL94 인증 기준으로 미국 안전인증(UL94)에서 권장하는 내연성(fire proofing) 및 가열성 표준인 V0 V1에 적합한 수준이다. 또한, 작업성이 매우 뛰어나며 재활용의 범위가 넓다.
본 발명에 의한 다결정 실리콘 조성물을 300℃를 초과하여 가열될 때, 수산화 알루미늄 소재는 결정수를 방출할 것이며, 동시에 반응은 대량의 열량을 흡수한다. 이는 조성물의 성분의 온도를 감소시키고, 그때 생성된 수증기는 화염 영역에서 가연성 가스를 희석시켜 연소 속도를 감소시키며, 연기(그을음)의 형성을 억제하고 양호한 난연성을 부여할 수 있는 친환경 제품이라 할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 관점에서 상기 다결정 실리콘 절연체를 포함하는 애자에 관한 것이다.
본 발명의 애자에 있어서, 현수애자(suspension insulator), 지지애자, LP(line post) 애자, COS 애자, 장간애자, 핀애자 또는 피뢰기 애자인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 현수애자는 송배전용 전기 절도용의 전선로 및 발전소와 변전소와 통신용으로 사용할 수 있다. 지지애자는 발변전소, 개폐소 및 배전실 등의 모선 및 단로기, 개폐기, 차단기 기타 전기기기의 절연지에 사용할 수 있다.
LP 애자는 선로용 지지애자로서, 특고압 가공배전선로에서 수평각도 15도 미만 개소와 내장 및 인류개소의 절연전선을 지지하는 데에 사용하고, 완철 등에 수직으로 설치하여 전선을 지지하고 전선과 금구류 사이의 절연을 목적으로 한다. LP 애자의 바람직한 실시예에서는 FRP(fiber reinforced plastics)에 본 발명의 절연체를 사용한 경량, 고강도의 가공선로 수직배열용 애자를 제조할 수 있다.
COS 애자는 어디에 쓰이는 것이냐에 따라 2종류로 나뉜다. 전력계통에서는 COS(CUT OUT SWITCH)로 FUSE를 말하고 제어회로에서는 COS(CHANGE OVER SWITCH)로 절체 S/W을 말한다.
장간애자는 애자를 금속구로 연결하지 않고 1본의 절연체로 하는 것이며, 모양은 상하캡이 있을 뿐 중간은 자기로 되어 있으며, 장경간(long span, 철탑과 철탑 사이의 간격이 긴 것)이나 해안지역에서 염전해 대책 및 코로나 방지 등의 목적으로 사용할 수 있다. 핀애자는 핀 모양으로 생겨서 완금 등에 수직으로 시설할 때 사용한다. 그리고 피뢰기 애자는 낙뇌가 떨어지는 경우 과전류로부터 애자를 보호하기 위한 수단으로 사용된다.
본 발명에 의한 상기 애자는 기존 애자, 유리, 절연체의 재질보다 전기적 특성과 기계적 성능, 물리적 특성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명의 또 다른 관점에서 상기 다결정 실리콘 절연체를 포함하는 부싱(bushing)에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 부싱은 배전계통의 변성기 부싱, 개폐기 부싱 또는 변압기 부싱인 것이 바람직하다. 계기용 변성기(Metering Out Fit, MOF)는 한전에서 전기를 공급받는 수용가 측에 설치하여 한전에서 공급받은 전기사용량을 적산하는 장치를 말한다.
또한, 본 발명은 또 다른 관점에서 상기 다결정 실리콘 절연체를 165~180℃의 온도에서 혼합하고 110~130MPa의 압력, 바람직하게는 110~125MPa의 압력에서 성형하는 단계를 포함하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다결정 실리콘 성형체의 제조방법에 있어서, 성형 단계 이후에 냉각 및 건조하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라서 성형기에 도체를 삽입할 수 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서 상기 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체에 관한 것이다.
본 발명의 다결정 실리콘 성형체에 있어서, 필름, 시트, 불로우 성형체, 사출 성형체, 튜브, 전선 및 케이블로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 또 다른 관점에서 상기 다결정 실리콘 절연체를 포함하는 전력기기에 관한 것이다.
본 발명의 전력기기에 있어서, 변압기, 변성기 또는 개폐기인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1: 다결정 실리콘 절연체의 제조
60중량%의 아이소택틱 폴리프로필렌, 15중량%의 실리콘 오일, 5중량%의 하이드로퀴논, 5중량%의 광안정제, 15중량%의 수산화알루미늄을 혼합한 다결정 실리콘 조성물을 150~170℃의 온도 및 15~20MPa의 압력에서 융합반응시켜 과립을 수득하여 다결정 실리콘 절연체를 제조하였다.
실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체와 대조군으로서, 도자기절연체(비교예 1), 유리절연체(비교예 2) 및 복합절연체(비교예 3)의 각각의 특성을 비교하여 표 1에 나타내었다.
항목 실시예 1 비교예 1
(도자기절연체)		 비교예 2
(유리절연체)		 비교예 3
(복합절연체)
재활용 가능 불가능 불가능 불가능
중량 도자기 또는 유리의 1/10 무거움 도자기보다 가벼움 도자기 또는 유리의 2/10
생산량 많음 적음 도자기보다 많음 많음
연면거리 변동성 변경 쉬움 변경 어려움 변경 어려움 변경 쉬움
내충격성 깨지지 않음 깨지지 않음 깨짐 깨지지 않음
열전도율 아주 좋음 나쁨 도자기보다 좋음 좋음
전기적 항복 저항 없음 고장 많음 도자기보다 적음 없음
증수성 아주 좋음 나쁨 나쁨 좋음
플래시전압 높음 낮음 도자기보다 높음 높음
구조프로세스 아주 단순함 복잡함 복잡함 단순함
조립 쉬움 어려움 어려움 쉬움
현장분포 균일함 균일하지 못함 비교적 균일함 균일함
스태핑 성능 좋음 좋음 좋음 나쁨
이온이동 존재하지 않음 존재 존재 존재하지 않음
핀 극지방 부식 부식없음 부식있음(아연추가필요) 부식있음
(아연추가필요)		 부식없음
인장강도 좋음 보통 도자기보다 좋음 보통
크립저항 좋음 좋음 좋음 비교적 나쁨
진동 피로도 좋음 나쁨 좋음 비교적 나쁨
열안정성 아주좋음 나쁨 비교적 좋음 보통
빙상방지성능 좋음 보통 비교적 좋음 착빙 후 쉽게 얼음이 됨
낙뢰방지성능 좋음 나쁨 비교적 좋음 나쁨
누전침식성능 좋음 보통 비교적 좋음 나쁨
쥐나 새가 쪼는 걸 방지 좋음 좋음 좋음 나쁨
운행판단 적회선 탐지 제로측정 육안검사 적외선 탐지
라이프 싸이클 길다 길다 길다 짧다
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 무취, 무독, 무미 등의 특성과 의약품 또는 식품 등의 용기로 재활용이 가능하며, 높은 품질을 요구하는 원재료로 다시 재활용할 수 있어 비교예 1 내지 3과 같은 폐기물 처리에 따른 비용이 발생하지 않으므로, 환경오염을 염려할 필요가 없다.
* 중량
실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 비교예 1 내지 3에 비해 매우 가볍기 때문에 작업성과 생산성이 뛰어나 원가 절감이 가능하다.
* 생산량
실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 성형이 간편하고 원재료의 특성상 생산 구조가 단순하여 비교예 1 내지 3에 비해 생산성이 높다.
* 연면 거리(creeping distance)
불꽃 방전을 일으키는 두 전극 간 거리를 고체 유전체의 표면을 따라 그 최단 거리로 나타낸 값인데 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 연면거리의 변동성이 간편하게 조정이 될 수 있다.
* 내충격성(impact resistance)
내충격성이란 충격에 견디는 성질을 말하며, 외부에서 고속으로 충격력을 가하여 파괴시킨 뒤 그때 소요된 에너지를 측정하였다. 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 탄성이 강하고 분자의 분포가 쇠사슬 형태로 모형을 이루고 있어 내충격성이 매우 강하다.
* 열전도율(conductivity)
열전도율이란 열이 흐르는 능력을 나타내는 특성량으로, 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 열전도율이 매우 좋아 높은 전기 충격에도 깨지지 않으며, 온도의 급변에도 크랙현상(금이 가는 현상)이 없고 도체와의 부착이 뛰어나며 결빙현상이 없다.
* 증수성
물기에 대한 반발력이 아주 뛰어나 표면에 물방울을 떨어뜨릴 경우 연잎에 물방울처럼 물이 뭉쳐서 떨어지는 현상이 일어난다.
* 플래시 전압
전기가 물체표면을 타고 아크현상이 생기는 전압을 말한다.
* 스태핑 성능
짓밟는 성능으로, 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 견고성이 뛰어나 깨지거나 흠이 생기지 않는다.
* 이온이동
분자구조 내부에서의 이온이동을 말하며 절연체 내부에 불순물이 있으면 이온이동이 쉬우나 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 불순물이 존재하지 않아 이온이동이 없다.
* 핀 극지방 부식
전기적 현상에 의해 핀 끝이 극도로 부식되는 현상이다. 비교예 1 및 2의 경우에는 심하게 부식이 발생하기 때문에 이러한 현상을 방지하기 위해 아연도금을 하지만, 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 부식이 발생하지 않기 때문에 추가로 아연도금을 할 필요가 없다.
* 인장강도
잡아당길 때의 강도를 말하며, 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 분자 모형이 쇠사슬 형태로 되어 있어 탄성이 강하고 인장강도가 아주 좋다.
* 크립저항(creep resistance)
크립저항은 고체 재료가 장기간의 외부 힘에 의한 변형에 저항하는 성질을 말한다. 그러나 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 이러한 변형 현상이 전혀 생기지 않는다.
* 진동피로도
진동을 계속 받았을 경우 파괴되는 현상을 말하는데, 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 탄성이 좋아 크랙이나 파괴 현상이 없어 전기 고속열차의 애자에도 매우 적합하다.
* 열안정성
추위와 더위에 견디는 힘을 말하며 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 열전동율과 탄성이 좋아 열안정성이 매우 뛰어나다.
* 결빙 방지 성능
표면에 얼음이 어는 현상을 말한다. 실시 예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 열전도율이 높고 물 침투율이 0.0123 정도에 해당하기 때문에 결빙현상이 전혀 발생하지 않는다.
* 낙뢰 방지 성능
번개에 맞았을 경우 저항 능력을 말하며 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 번개 저항 능력이 뛰어나다.
* 누전 침식 성능
사용중 표면에 이물질이 부착되어 누전이 발생하는 현상을 말하며, 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 먼지 및 이물질 등이 흡착되지 않아 누전이 발생하지 않는다.
* 라이프 싸이클
실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체는 항노화재 등의 첨가로 인해 적외선 등에 강하며 수명이 기존제품보다 길다.
[실험예]
UL 인증 테스트: UL 94 V0, V1 및 V2 수직 테스트 절차
(1) UL 94 V0, V1 및 V2 수직 테스트 절차로 HB 시험에 사용되는 수직 시험 같은 표본(도 7)과 같이 불타는 시간, 뚝뚝 녹아 내리는 양을 측정하였다.
(2) 보통 화염의 온도(634±5℃)에서 실시예 1에 의한 다결정 실리콘 절연체의 불꽃이 일어나는 온도는 330±10℃이고 녹기 시작하는 연화점은 155±5℃이다.
(3) V0는 연속해서 불길이 살아서 본 물질을 태운다.
(4) V1은 불을 붙인 후 화염을 분리하였을 때 불꽃이 10초 안에 소멸된다.
실시예 2: 다결정 실리콘 절연체로 현수애자(suspension insulator)의 제조
실시예 1의 다결정 실리콘 절연체로 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 현수애자를 제작하였다.
각종 전압 등급 시의 현수식 절연자의 기계적 전기적 기능을 표 2에 나타내었다. 도 4에서 H는 조립용 금속부를 포함한 길이를 나타내고, h는 절연체의 길이를 나타낸다.
제품모델 JXBW-10/70-310 JXBW-35/70-670 JXBW-66/100-940 JXBW-110/120-1240
정격 전압(kV)1 ) 10 35 66 110
정격 기계적 장력(kN)2 ) 70 70 100 120
단위 간격(mm)3 ) 310±10 670±10 940±15 1240±15
최소, 아킹거리(mm)4 ) 158 508 738 1040
연면거리(mm)5 ) 350 1015 1920 3150
전압을 이용한 건식 낙뢰 임펄스(kV)6) 95 230 410 550
습식 내전압(kV)7 ) 42 95 185 230
제품모델은 출원인이 정한 것으로 본 발명의 현수애자의 다양한 종류에 대한 것이다.
1) 정격전압: 제품을 사용하는 전기의 전압
2) 정격 기계적 장력: 인장강도와 같은 의미임
3) 단위간격: 정격 전압에 따라 각 국이 표준으로 정한 최소 이격거리
4) 최소 아킹 거리(minimum arching distance)
5) 연면거리: 절연체 물체의 표면 거리
6) 전압을 이용한 건식 낙뢰 임펄스(Impuls(Dry)): 충격 시험 전압이라고도 함. 낙뇌 현상에 견딜 수 있는지를 판단하는 기준
7)습식 내전압, AC 내전압이라고도 함.
전원주파수 내전압에는 습식내전압과 건식내전압이 있다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 다결정 실리콘 절연체로 제조된 현수식 절연자는 기계적 전기적 기능이 우수한 수준으로 확인되었다.
실시예 3: 다결정 실리콘 절연체로 핀 타입 절연체의 제조
실시예 1의 다결정 실리콘 절연체로 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 핀 타입의 절연체를 제작하였다. 핀 타입의 절연체의 전기적 성능(electrical property)에 관한 수치를 표 3에 나타내었다.
구 분 도 6(a) 도 6(b) 도 6(c)
미국표준등급 55-4 55-5 55-4
주요크기 A 129.5 150 181
B 140 190 191
C 88 99 140
D 68 68 85
E 25.4 25.4 25.4
F 16 20 19
정격전압 15 25 35
연면거리(mm) 360 390 508
최소브레이크다운
전압		 전원주파수 전압 건식(Dry: kV) 75 89 110
습식(Wet: kV) 50 60 75
건식 내성(Dry: kV/min) 70 70 90
습식 내성(Wet: kV/min) 40 50 70
양극 플래시 전압(Pos/kV) 110 140 160
음극형 전압(Neg/kV) 145 170 200
항복전압(kV) 160 180 200
건조 아크 거리(mm) 160 183 254
굴곡강도 13 13 13
표 3에 나타낸 바와 같이, 핀 타입의 절연체의 최소브레이크다운 전압, 파괴전압, 건조아크 거리 또는 굴곡강도 등의 전기적 성능이 우수한 수준으로 확인되었다.
A치수는 최소 절연이격거리이다.
B치수는 연면거리와 직접적으로 관련이 있는 것이다.
플레시오버되는 경우가 두가지 경우가 있다.
첫째로는 점프이다.
A치수는 점프와 관련이다.
F치수 곡률반경에 대한 것으로 빗물이나 눈등이 잘흘러내리도록 하는 것이면서 한편으로는 F는 연면거리와 관련이 있다.
즉, 경사도가 급하면 빗물이나 눈 등이 잘 흘러내리는데 반하여
연면거리가 짧아지는 불리함이 있다.
F의 경사도가 완만하면 오히려 연면거리는 늘어나지만 빗물이나 눈등의 잘 흘러내리지 않게 된다.
따라서 적당한 치수로 곡률반경을 정한다.
건식내성전압의 최소치는 70KV/mim 가 기준이다.
도6(a)처럼 설계하면 건식시 75KV를 견딘다.는 의미이다. 따라서 합격품이 되는 것으로 설계한 것이다.
도6(b)와 도6(c)도 이와 같이 해석한다.
E와 F는 전선이 거치되는 곳으로 곡률반경을 나타낸다.
도6(a)의 정격전압이 15KV 일 때에 연면거리가 360mm 일 경우가 표시되어있다.
연면거리는 전선이 거치되는 E의 영역에서 접지까지의 표면거리를 의미하는 것이다.
여기서 접지는 바닥부의 까지의 거리를 의미한다.
도6(b)는 25 KV일 때에 연면거리가 390mm 로 설계되어있다.
도6(c)는 35KV일때에 연면거리가 508mm 로 설계되어있다.
브레이크다운 전압은 주파수가 높을수록 절연 내력이 짧아진다. 따라서 주파수가 커질수록 절연거리는 커져야 한다.
플러스 오버 플러스 전압은 낙뢰를 인공적으로 만들어서 시험하는 것이다.
국제표준규격은 1.2㎲ × 50㎲를 기본 전압파형이다. 전압은 110KV로 설정한다.
플러스오버플러스전압은 전압파형이 플러스방향인 경우이고 네거티브플래시오버전압은 마이너스전압파형을 의미한다. 마이너스 전압의 경우에는 145KV인 것을 나타낸다.
항복전압은 전선에서 접지까지 플래시 오버볼테지가 도에서 각각 160,180,200KV로 설계되어있다.
건조아크거리는 전선과 전선사이의 거리를 의미한다. 또한 애자의 첫 번째 날개의 연면을 타고 나머지는 직선거리를 타게 될 때에 거리이다.
도면 6(a),6(b),6(c)에서 A거리보다는 길게 되는 각각 129.5mm,150mm,181mm에 대하여 160mm,183mm,254mm 를 견뎌야 함을 의미한다.
굴곡강도는 지진이나 태풍의 경우에도 견대내는 힘을 의미한다.
실시예 4: 다결정 실리콘 절연체로 변성기 부싱의 제조
실시예 1의 다결정 실리콘 절연체로 계기용 변성기(Metering Out Fit, MOF) 부싱을 제작하였다. 부싱(bushing)에 적합한 전기적, 물리적 특성 및 기계적 성능을 충족시킴과 동시에 재생가능한 친환경적 소재라는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 폴리올레핀계 베이스 수지 40~80중량%;
    실리콘 오일 5~25중량%; 및
    산화방지제, 광안정화제 및 무기화합물의 혼합물 15~35중량%;을 포함하는 다결정 실리콘 조성물을 150~170℃의 온도 및 15~20MPa의 압력에서 다결정 융합반응을 통해 변성시켜 수득되고, 선형의 분자 구조를 가지며 165~175℃의 용융온도 및 350~380℃의 열분해 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 절연체를 165~180℃의 온도에서 혼합하고 110~130MPa의 압력에서 성형하는 단계를 포함하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화방지제는 폐놀계, 퀴논계, 인계, 황계, 아민계 및 금속계로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 퀴논계 산화방지제는 하이드로퀴논인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 무기화합물은 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 또는 하이드로탈사이트인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폴리올레핀계 베이스 수지는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 냉각 및 건조하는 단계를 추가로 포함하는 다결정 실리콘 성형체의 제조방법.
  8. 제1항 및 3항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 성형체는 필름, 시트, 불로우 성형체, 사출 성형체, 튜브, 전선 및 케이블로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성형체.
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