KR20130035298A - 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자 및 이의 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘으로 이루어진 옥외 애자 표면에 연잎표면과 같은 마이크로미터 크기의 미세 패턴을 형성하여 자기 세정력을 갖출 수 있는 소위 초발수 표면 구현이 가능한 실리콘 애자 및 이의 성형방법에 관한 것이다.

Description

초발수 표면이 구현된 실리콘 애자 및 이의 성형방법{SILICON INSULATOR WITH SELF CLEANING CAPABILITY AND THE MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 외부에 설치되는 실리콘으로 형성된 옥외 애자에 관한 것으로,

보다 구체적으로는 실리콘으로 이루어진 옥외 애자 표면에 연잎표면과 같은 마이크로미터 크기의 미세 패턴을 형성하여 자기 세정력을 갖출 수 있는 소위 초발수 표면 구현이 가능한 실리콘 애자 및 이의 성형방법에 관한 것이다.

1975년 빌헬름 바스롯 교수(독일 본 대학교 식물학자)는 고배율의 현미경으로 연잎을 관찰한 결과, 표면에 마이크로미터(100만분의 1m) 크기의 돌기들과 그 돌기들 표면에 나노미터(10억분의 1m) 크기의 섬모들이 돋아나 있는 것을 발견하였으며, 이 같은 표면구조로 인해 물방울이 붙지 않고 굴러 떨어지면서 표면을 항상 깨끗한 상태로 유지할 수 있음(소위 연잎효과라 칭함)을 처음 밝혀낸 바 있다.

즉 발수성이란 물에 젖기 어려운 성질을 의미하는데 상기 언급된 연옆 효과를 얻기 위한 초발수 표면기술은 표면의 젖음현상을 조절하기 위한 표면개질 기술의 한 분야로, 최근 많은 논의가 이루어지고 있는 실정이다.

다시 말해, 최근에는 단순히 마르크로 구조 또는 나노 구조의 제로를 넘어서 자연계에 존재하는 마이크로/나누 구조물을 모사함으로써 발수성이 보다 향상된 초발수 표면이 갖추어진 물품들을 제조하고자 하는 연구가 이루어지고 있다.

이러한 초발수 표면이 응용될 수 있는 분야는 매우 다양하며 생활전반에 폭넓게 응용될 수 있는데,

구체적으로는 태양전지의 보호막, 초발수 표면 조명 부품, 플라스틱 식품 용기, 위생 용품의 표면 뿐만 아니라, 하이테크인 바이오센서, 마이크로 플루이딕스 침 표면에도 응용되는 등 그 분야가 점차적으로 확대되고 있는 실정이다.

물론, 본 발명은 이러한 초발수 표면 구현의 적용 대상을 애자 특히, 비/바람 등의 자연 환경 노출이 되는 옥외 애자에 한정을 한 것으로

현재까지 다양한 분야에서 초발수 표면 구현이 시도되고 있으나 이를 옥외 애자에 적용하고자 하는 시도 내지 착안은 이루어지지 않고 있다.

즉 애자는 송전선이나 전기기기의 나선 부분을 절연하고 동시에 기계적으로 유지 또는 지지하기 위하여 사용되는 것으로,

용도에 따른 애자의 종류로는, 송전선용으로 사용되며 태풍 때의 파손에 견딜 수 있도록 한 현수애자, 장간애자, 내무애자가 있으며, 배전선용으로 사용되는 핀애자가 있으며, 옥내배선용으로 사용되는 놉애자, 애관, 클리트 애자가 있고, 그리고 차단기 피뢰기용으로 사용되는 지지애자 등이 있다.

이러한 애자는 상규 사용전압에 대하여 충분히 견디도록 설계하는 것은 물론이지만 계통에 발생하는 모든 이상 전압에 견디도록 설계해야 하는 것으로, 섬락이 생겨도 사고에 이르지 않도록 해야 하는 동시에 내부원인으로 인한 각종 이상전압에 대해서는 섬락사고를 일으키지 않는 것을 목표로 하여 절연설계를 해야 한다.

한편, 애자의 주재료로는 통상적으로 경질자기를 사용하고 있는데, 이러한 경질자기는 소재가 저렴하고 옥외에서 화학안정성이 좋으며 내열성과 내아크성이 우수하여 실제 절연물의 주종을 이루어 왔다.

그러나 경질자기는 충격강도가 약하고 소결시 부피감소가 커서 재질의 두께 변화폭이 큰 절연물 제작에 어려움이 있으며 최종 제품의 취성도 크다. 또한 자기 소재로는 기계적 강도를 만족하는 일체형의 큰 절연물 제조가 어려운 단점이 있다.

다른 한편으로는 자기는 표면 에너지가 커서 친수특성을 가지고 있으므로 오손된 상태의 절연물 표면에 물이 적절하게 기여하게 되면 누설전류가 증가하고 부분 방전이 일어난다.

이것으로 인하여 열의 발생이 반복되면 금구, 시멘트, 자기 등의 접합부 소재간의 열팽창계수 차이가 커서 계면 탈리 현상이 나타나고 그 부위에 전계가 집중되므로 절연열화가 과속되어 절연파괴로 진행이 된다는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여 옥외용 애자 등의 절연물로 고분자 재료들이 개발되어 사용되고 있는데, 이러한 고분자 재료는 저항이 크고 절연파괴강도가 높으며 유전손실이 작고 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 대량생산이 가능하여 전기 절연재료로 값싸게 이용할 수가 있다. 다만, 고분자는 탄소를 골격으로 하는 유기물질이라 대체로 열에 약하고 내후성과 내트래킹성이 좋지 않다는 단점을 가지고 있으므로 열가소성 고분자보다는 열적, 기계적 특성이 우수한 경화성 수지들을 복합화한 합성물들이 전기절연물 분야에 주로 사용되고 있다.

초기의 고분자 재료로는 테프론, 에폭시 수지, 폴리에틸렌, 상온경화용(RTV) 실리콘 고무, 고온경화용(HTV) 실리콘 고무, EPDM, EPDM/silicon alloy, EVA, 폴리우레탄 등 여러 가지였으나, 현재는 내후성과 내트래킹성 및 성형가공성 등의 이유로 EPDM과 실리콘 고무 및 EPDM/silicon alloy 등이 주로 사용되고 있다.

따라서 상기와 같은 수지를 이용한 애자를 폴리머 애자라고 통칭하기도 하는데,

이러한 폴리머 애자 관련해서는 등록특허 제10-0480343호(2005.03.23)향상된 내구성을 갖는 폴리머 애자, 등록특허 제10-0510343호(2005.08.18)전기 절연성 및 기계적 물성이 우수한 열경화성 실리콘고무 조성물, 등록특허 제10-0699222호(2007.03.19)고압용 폴리머 애자 제조 방법 등이 개시되어 있다.

그러나 상기 언급된 등록특허 제10-0480343호는 폴리머 애자에 대한 구조를 개선하여 내구성을 향상시키기 위한 것을 목적으로 착안된 폴리머 애자이고,

등록특허 제10-0510343호는 폴리머 애자에 한정되는 것이 아니라 폴리머 애자의 재료인 실리콘 고무와 관련하여 그 조성을 변화시켜 전기 절연성과 기계적 물성이 우수한 실리콘 고무를 제공하고자 하는 것에 초점을 둔 내용으로 이하 설명될 본 발명에서 목적으로 하고 있는 실리콘 애자와는 명확히 구분이 된다.

그리고 등록특허 제10-0699222호는 역시 애자 구조와 관련된 것으로 다수 개의 스커트를 제작하여 로드에 접합시키는 고압용 애자 제조 방법에 있어 스커트 홀더에 의해 일렬로 배치된 다수 개의 스커트의 내부에 삽입되어 스커트의 내경을 일정량 증가시키는 확관 파이프가 사용됨으로써, 다수 개의 스커트가 로드의 정확한 위치에 안착되도록 하고 접착제 도포가 용이하게 이루어지므로 이종계면이 형성되지 않아 제품의 신뢰성이 향상될 수 있도록 한 고압용 애자 제조 방법에 관한 것이다.

결국 등록특허 제10-0699222호 역시 이하 초발수 표면 구현이 가능한 애자를 착안하여 유지 보수에 인력감소 및 편의성을 한층 보강된 실리콘 애자를 제고하는 것을 목적으로 하는 본 발명과는 명확한 기술적 차이가 있다.

이와 관련하여 본 발명의 실리콘 애자는 재료를 실리콘으로 사용하여 기존 자기 애자에 대한 문제점을 보완하되,

상기 실리콘 애자의 표면에 미세패턴을 형성하여 애자 표면에 먼지가 쌓이더라도 이후 비를 통해 먼지가 씻겨나가면서 또한 초발수 표면 구현으로 인해 물방울이 맺히지 않아 청소할 필요가 없는 즉 자기 세정력(Self-cleaning capability, SCC)을 갖눈 실리콘 애자를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 애자는,

표면에 미세패턴이 형성되어 자기 세정력을 갖춘 것을 특징으로 하는 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자인 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 실리콘 애자를 성형함에 있어서 성형방법은,

실리콘 애자 사출을 위한 금형제조단계와,

상기 제조된 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 미세패턴형성단계와, 그리고

상기 미세패턴이 형성된 금형으로 실리콘 애자를 성형하는 제품성형단계를 포함하여 이루어지되,

상기 미세패턴형성단계는 기계가공을 통하여 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 것임을 기술적 특징으로 한다.

또한 상기 기계가공은 다이아몬드 바이트를 통해 금형 코어에 패턴을 형성하는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기의 성형 방법 및 이에 따라 성형된 실리콘 애자에 의하면,

초발수 표면 구현에 의해 자기 세정력(Self-cleaning capability)을 얻을 수 있어 평소에 애자 표면에 먼지 등이 묻더라도 비가 오면 씻겨져 나가면서 그리고 이후 빗방울 역시 표면으로부터 붙지 않고 굴러 떨어지는바,

결국 표면이 항상 깨끗한 상태로 유지될 수 있어 청결에 대한 유지 보수가 간편해진다는 효과를 가진다.

특히 송배전 선로의 애자는 염분 또는 먼지 등이 부착하기 쉽고, 그렇게 되면 안개 등으로 습기를 머금어 절연이 열화되기 때문에 이것을 방지하기 위하여 특별히 설계된 애자를 사용하기도 하는데,

본 발명에서와 같은 초발수 표면이 구현된 애자를 사용하게 되면 역시 염분 또는 먼지가 부착되는 문제 및 더 나아가 박테리아가 서식하는 문제까지 해결할 수 있게 되어

기존 사용되고 있는 애자에 비해 상당 경제성을 갖출 수 있다는 효과를 가진다.

다음으로 이러한 실리콘 애자를 성형하기 위한 성형 방법에 있어서도 금형 코어 표면에 기계가공을 통해 미세패턴을 형성하게 되는바, 비교적 공정이 단순하고 반복 재현성이 우수하다는 효과를 가진다.

특히 애자는 설치 환경에 따라 다양한 형상이 요구될 수 있다는 점을 감안하면 본 공정에 의할 경우 구현 대상에 대한 형상 제한이 없이 가공이 가능하다는 효과를 가진다.

나아가 미세패턴이 형성된 금형을 이용한 사출성형의 방식이어서 간단한 방식으로 대량생산이 가능하다는 경제적 효과도 가진다.

도 1은 종래 실리콘 애자의 한 예를 도시한 도면.
도 2는 종래 실리콘 애자의 다른 실시예 예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 성형방법을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실리콘 애자 표면에 형성될 미세패턴에 대한 간략도면.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자 및 이의 성형 방법에 대해서 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2는 일반적으로 사용되는 폴리머 애자 즉, 실리콘 애자인 것으로 본 발명은 이러한 종래 통상적인 구조의 실리콘 애자의 표면에 미세패턴을 형성하는 것을 기술적 요지로 한다.

도 1을 참조하여 애자 구조에 대해 간략히 설명하면,

실리콘 애자(20)는 일반적으로 기계적 응력을 부여하기 위한 것으로 대개 FRP 소재의 심봉(core rod)인 로드(10)의 외주면에 대기 오염 및 자외선 등의 환경에 강한 재료로 피복되어 이루어지는 쉬스부(sheath: 22)와, 상기 쉬스부(22)와 보통 일체로 형성되는 갓(shed)으로 이루어진 스커트부(24)가 포함되어 구성된다.

다만 도 2에서와 같이 애자가 형성될 수도 있는데,

실리콘 애자는 사용전압이 높아짐에 따라 초고압선로에 사용되는 실리콘 애자도 그 길이가 길어지는데 실리콘 애자의 길이가 길어지게 되면 제조과정 중에 여러 가지 문제점이 나타날 수 있다.

즉 일단 한번의 사출로 고압용 실리콘 애자를 제고하는 것이 이종계면을 형성하지 않아 가장 신뢰성 높은 제품을 제조할 수 있지만, 고압용 애자는 그 길이가 3 ~ 7 미터에 이르기 때문에 기술적으로 로드(30)의 휨 문제를 해결하기 어렵고 실리콘 애자의 실이에 상당되는 금형과 대용량의 사출기가 반드시 필요하기 때문에 초가 투자비가 높다.

이에 상기 문제점을 해결하기 위해 쉬스(34)와 스커트(40)를 따로 성형한 후 서로 조립하고 접착하는 모듈라 방식이 소개되고 있는데, 즉 상기 모듈라 방식은 스커트(40)와 쉬스(34) 부분을 따로 성형하여 삽입하고 그 계면을 접착제를 사용하여 부착하는 방법이다.

그런데 본 발명은 어떠한 제조 방식으로 이루어지든 이러한 실리콘 애자 표면에 sub-micro 크기 이하의 미세 패턴을 성형하여 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자인 것으로 상기 도 1 및 도 2와 같은 형상 및 구조의 실리콘 애자에 한정될 필요는 없다.

다만 통상적으로 사출성형을 통해 대량생산을 가능하게 하기 위해서는 모듈라 방식을 통해 제조되는 실리콘 애자가 바람직할 것이며, 특히 미세패턴은 먼지 및 염분이 부착되기 쉬운 스커트 표면에 형성되는 것이 바람직하다 할 것이다.

다음으로 스커트를 포함하여 실리콘 애자에 미세패턴을 형성하기 위한 방법으로 다양한 방법을 고려해 볼 수 있겠는데, 본 발명에서는 금형을 통한 사출성형방식을 택하며 특히 미세패턴 형성은 기계 가공을 통해 진행하는 것이 바람직하다.

즉 본 발명에 따른 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자의 성형 방법은 금형을 통한 사출성형방식인 것으로, 금형제조단계와, 미세패턴형성단계, 그리고 제품성형단계로 이루어진다.

상기 금형제조단계는 실리콘 애자 즉 스커트와 같은 미세패턴이 필요한 부분의 사출을 위한 금형을 제작하는 단계로 일반적으로 널리 사용되고 있는 주조 등의 방법을 사용하면 된다.

다음으로 미세패턴형성단계는 제조된 금형의 코어에 미세패턴을 형성하는 단계인 것으로 기계가공(Micro-Mechanical Machining)을 통해 진행한다는 점에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

참고로 미세패턴 형상 방식과 관련하여, 플라즈마 에칭, 포토리소그래피, 레이저 용발(ablation) 가공 방법들이 소개되고 있는데,

레이저 용발 가공을 통해 금형에 미세패턴을 형성하게 되면,

현재 기술력으로는 항상 동일하게 레이저를 쏠 수 없다는 점, 레이저 포커싱시 회절 한계로 인해서 10㎛ 이하의 미세패턴 형성에 한계가 있다는 점, 특히 곡면 가공시 패턴 형성 한계가 있다는 점 등에 의해 미세패턴 재연성을 부족하다는 문제점이 있다.

다음으로 플라즈마 애칭 방법의 경우 비교적 공정이 단순하다는 장점이 있으나, 이는 통상적으로 유리 표면에 적용되는 방식인 것으로 곡면에 재현이 어려워 다양한 형상으로 구현될 수 있는 애자의 표면에 적용하기 어렵다는 문제를 가진다.

더욱이 플라즈마 애칭 방법은 금형에 직접 초발수 제작이 불가능하여 대량생산이 필요한 본 발명과 같은 애자에 대해서는 기술 접목이 실질적으로 불가능하다는 문제점이 있다.

다음으로 포토리소그래피 방법의 경우, 플라즈마 애칭 방법에서와 같이 금형에 직접적인 구현이 불가능하고, 그리고 평면 소재에 적용될 수 있는 방식으로 다양한 형상으로 제작될 수 있는 용기에 활용하기에는 불가능하다는 문제점이 있다.

또한 공정이 복잡하다는 문제점 역시 있다.

따라서 본 발명의 실리콘 애자 표면에 초발수 표면을 형성함에 있어서는 금형을 통한 사출성형을 이용하되,

기계가공 방식으로 금형코어에 미세패턴을 형성하여 상기 미세패턴이 제품 사출시 제품 표면에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

물론, 상기 기계가공방식이 기존 방식들에 비해 최적의 방식임을 강조한 것일 뿐 상기 언급된 그 외 방식들을 통한 초발수 표면 구현이 가능한 실리콘 애자 성형이 불가능하다는 것은 아니다.

그리고 상기 금형제조단계 전 또는 금형제조단계와 미세패턴형상단계 사이에 금형코어에 가공을 위한 패턴을 설계하는 패턴설계단계를 거치게 된다.

보다 구체적으로 상기 패턴설계단계는 보다 확실한 연잎 효과를 위해서 자연 관찰을 통해 연잎 표면에 대한 초발수 특성을 분석한 후 이를 기초로 초발수 패턴설계가 이루어지도록 한다.

즉 금형 코어에 새겨질 초발수 패턴의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 일정 주기(P)를 따라 표면에 서 특정 높이(H)와 너비(D)로 형성된 주돌기(1)와 상기 주돌기 전 표면에 걸쳐 다시 형성된 것으로 특정 높이(h)와 너비(d)로 형성된 부돌기(2)들로 이루어진다.

그리고 상기와 같이 설계된 패턴을 금형 코어에 가공하게 된다.

다음으로 미세패턴을 금형 코어에 가공하게 되는 미세패턴형성단계에서의 가공은 기계가공을 통하여 이루어짐이 바람직하고, 특히 기계가공은 다이아몬드 바이트를 통해 금형 코어에 미세 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.

이는 주지된 바와 같이 다이아몬드가 경도가 가장 높은 광물로 알려져 있는바, 금형 코어에 패턴이 보다 쉽게 형성될 수 있고 또한 다이아본드의 가공력에 따라 미세패턴 형성이 가능하여 기계가공은 다이아몬드 바이트를 이용하여 진행되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 미세패턴이 형성된 금형에 실리콘 수지를 투입하여 실리콘 사출성형이 이루어지는데,

본 발명에 사용될 열경화성 실리콘 수지는 사출성형측면에서 고유동성이 확보된 수지이며, 내열성, 전기적 특성, 내습성, 내수성, 내약품성, 내후성 및 난영성의 특징을 갖는 수지이다.

특히 우수한 절연 및 내구특성으로 인해 오래전부터 사용되어 왔으며 전기, 전자, 자동차, 의료, 스포츠 및 여러산업분야에서 응용범위가 계속적으로 확대되고 있는 실정이다.

특히 sub-micro 크기 이하의 미세패턴을 성형하기 위해서 hot-embossing, PDMS 캐스팅, UV 몰딩 등의 공정을 사용하고 있으나 이와 같은 공정은 양산성이 떨어지거나 성형 재료의 강도가 낮아 본 발명에서와 같이 외부환경으로부터 강한 내구성이 필요한 애자와 같은 제품으로서의 역할을 하지 못하고, 성형 재료의 가격이 높아 시장성을 만족시키지 못한다는 한계를 가지고 있다.

따라서 이러한 단점과 한계를 보완하여, 본 발명에서는 대량생산성이 우수한 실리콘 사출성형공정과 sub-micro 크기 이하의 미세패턴 성형에 유리한 실리콘 사출 성형의 장점을 활용하여 청정 표면 특성을 나타내는 제품을 대량으로 생산하기 위한 자기세정능을 갖는 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자 개발을 제안하고 있는 바이다.

상기와 같은 과정을 통해 표면에 초발수 미세패턴이 가공된 실리콘 애자가 제작된다.

애자의 초발수성과 관련하여, 고체 표면상에서 이루어지는 물방울의 접촉각이 발수성의 지표가 되는데, 일반적으로는 접촉각이 90°이상인 경우를 발수성 표면이라고 하고, 110°내지 150°이상이면 초발수성 표면이라고 칭한다.

그런데, 본 발명의 성형 방법에 의한 실리콘 애자 표면의 접촉각이 120°내지 130°이상인 것으로 초발수 표면 형성이 가능하게 된다.

따라서 이와 같은 초발수 표면에 의해 사출성형된 실리콘 애자의 경우에는 d오랜 사용기간과 이에 따른 외부 노출로 인해 표면에 먼지나 염분이 부착되더라도 비가 한 번 오게 되면 빗물에 의해 염문과 먼지가 씻겨나가게 되고

표면에 묻어 있던 빗방울 역시 모두 떨어지면서 항상 깨끗한 표면 상태 유지가 가능해지게 되는 것이다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 "초발수 표면이 구현된 실리콘 애자 및 이의 성형방법"에 대해 설명하였으나 본 발명은 이하 설명되는 청구범위 내에서 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 표면에 미세패턴이 형성되어 자기 세정력을 갖춘 것을 특징으로 하는 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자.
2. 제 1 항에 의한 실리콘 애자를 성형함에 있어서,
   실리콘 애자 사출을 위한 금형제조단계;
   상기 제조된 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 미세패턴형성단계; 및
   상기 미세패턴이 형성된 금형으로 실리콘 애자를 성형하는 제품성형단계를 포함하여 이루어지되,
   상기 미세패턴형성단계는 기계가공을 통하여 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 것임을 특징으로 하는 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자의 성형 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 기계가공은 다이아몬드 바이트를 통해 금형 코어에 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 초발수 표면이 구현된 실리콘 애자의 성형 방법.
   

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