KR20140128584A - 전력 케이블 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 재활용이 가능하여 친환경적일 뿐만 아니라, 내열성, 기계적·전기적 특성 등이 우수하고, 생산성이 우수하며, 제조 비용이 저렴한 절연 재료로부터 제조되는 절연층을 포함하는 전력케이블에 관한 것이다.

Description

전력 케이블{Power cable}
본 발명은 전력케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 재활용이 가능하여 친환경적일 뿐만 아니라, 내열성, 기계적·전기적 특성 등이 우수하고, 생산성이 우수하며, 제조 비용이 저렴한 절연 재료로부터 제조되는 절연층을 포함하는 전력케이블에 관한 것이다.
일반적인 전력케이블은 도체와 이를 감싸는 절연층을 포함하고, 고전압 또는 초고전압 케이블의 경우 상기 도체와 절연층 사이에 내부 반도전층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층 등을 추가로 포함할 수 있다.
최근, 증가하는 전력 수요에 따라 고용량 케이블의 개발이 요구되고 있으며 이를 위해서는 기계적, 전기적 특성이 우수한 절연층을 제조하기 위한 절연 재료가 필요한 상황이 되었다. 종래 상기 절연 재료를 구성하는 기재 수지로서 폴리에틸렌, 에틸렌/프로필렌 탄성 공중합체(EPR), 에틸렌/프로필렌/디엔 공중합체(EPDM) 등의 폴리올레핀계 고분자를 가교시킨 것이 일반적으로 사용되어 왔다. 이러한 종래의 가교 수지는 심지어 고온하에서도 우수한 유연성 및 만족스런 전기적·기계적 특성 등을 유지하기 때문이다.
그러나, 절연 재료를 구성하는 기재 수지로 사용되어 온 상기 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등은 가교 형태이기 때문에 상기 가교 폴리에틸렌 등의 수지로 제조된 절연층을 포함하는 케이블의 수명이 다하면 상기 절연층을 구성하는 수지의 재활용이 불가능하고 소각에 의해 폐기할 수밖에 없어 환경 친화적이지 않다. 또한, 쉬스층의 재료로서 폴리비닐클로라이드(PVC)를 사용하는 경우 이를 상기 절연 재료를 구성하는 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등으로부터 분리하는 것이 곤란하여, 소각시 유독성 염소화 물질이 생성되는 등 환경 친화적이지 않은 단점이 있다.
또한, 비가교 형태의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 이로부터 제조된 절연층을 포함하는 케이블의 수명이 다하면 상기 절연층을 구성하는 수지의 재활용이 가능한 등 환경 친화적이나, 가교 형태의 폴리에틸렌(XLPE)에 비해 내열성이 열등하여 낮은 운전온도로 인해 그 용도가 매우 제한적인 단점이 있다. 나아가, 상기 비가교 폴리에틸렌 등의 내열성 등을 개선하기 위해 카본블랙 등의 무기 입자를 첨가하는 기술이 공지되어 있으나, 상기 카본블랙의 첨가로 제조비용이 상승하고 상기 카본블랙과 수지와의 상용성, 즉 카본블랙의 수지에 대한 분산성을 해결해야 하는 등의 문제가 있어, 절연 재료의 제조공정이 복잡할 수 있다.
한편, 고분자 자체의 녹는점이 160℃ 이상으로서 가교하지 않고도 케이블의 운전온도를 110℃급으로 향상시킬 수 있는 환경 친화적인 폴리프로필렌을 기재 수지로 사용하는 것을 고려해 볼 수 있고, 여기서 폴리프로필렌이란 통상적으로 우수한 기계적 특성을 갖는 열가소성 물질로서 고결정성 이소택틱 폴리프로필렌(high crystalline isotactic polypropylene)을 의미한다.
그러나, 상기 폴리프로필렌은 결정성 고분자로서 이로 이루어진 절연층을 포함하는 케이블의 압출 공정시 용융된 상태로 도체 등에 도포된 상기 폴리프로필렌 수지의 냉각 속도에 따라 생성되는 상기 폴리프로필렌 결정의 크기가 달라지는데, 구체적으로 냉각 속도를 빠르게 하면 생산성이 증가되고 생성되는 결정의 크기가 작아져 상기 절연층의 전기적 특성이 좋아지지만, 결정화도는 낮아지므로 내열성, 기계적 강도 등은 저하되는 반면, 냉각 속도를 느리게 하면 생산성이 저하되고 생성되는 결정의 크기가 커져 상기 절연층의 전기적 특성은 저하되지만, 결정화도가 높아져 내열성, 기계적 특성 등은 향상된다. 즉, 상기 폴리프로필렌 수지를 기재 수지로 포함하는 절연층에 있어서, 전기적 특성 및 케이블의 생산성과 내열성, 기계적 특성 등을 동시에 만족시키는 것은 매우 곤란한 문제가 있다. 또한, 케이블의 생산성 및 제조되는 절연층의 전기적 특성을 향상시키기 위해 케이블의 압출 공정에서 폴리프로필렌 수지를 급냉시키는 것은 한계가 있고 어렵다.
따라서, 비가교 폴리프로필렌계 수지로 이루어져 재활용이 가능한 등 환경 친화적일 뿐만 아니라, 상기 비가교 폴리프로필렌계 수지로 이루어진 절연층을 포함하는 케이블의 생산성, 상기 절연층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 동시에 우수한 내열성, 기계적 특성 등을 동시에 달성할 수 있으며, 수지의 내열성 등을 향상시키기 위한 카본블랙 등의 첨가를 배제할 수 있어 제조공정이 간단하며 제조비용이 상대적으로 저렴한, 전력케이블용 절연 조성물 및 이로부터 제조되는 절연층을 포함하는 전력케이블이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 자체의 내열성이 우수하여 가교하지 않고도 절연층의 용도로 사용할 수 있어 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 절연 재료로부터 제조되는 절연층을 포함하는 전력케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전력 케이블의 생산성 및 상기 케이블에 포함된 절연층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 내열성, 기계적 특성 등을 동시에 달성할 수 있는 절연 재료로부터 제조되는 절연층을 포함하는 전력케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 제조 공정이 간단하고 제조 비용이 저렴한 절연 재료로부터 제조되는 절연층을 포함하는 전력케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
하나 이상의 도체, 및 상기 각각의 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 전력 케이블에 있어서, 상기 절연층은, 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함하는 기재 수지와, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 핵제(nucleating agent) 0.1 내지 0.5 중량부 및 고리형 탄화수소와 비고리형 탄화수소가 교차적으로 배열되어 있는 화학식 CnH2n (여기서, n은 20 내지 60의 정수이다)의 나프텐계 탄화수소를 포함하는 절연유 1 내지 10 중량부를 포함하는 절연 조성물로부터 제조되는, 전력 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 기재 수지는 메탈로센 촉매하에서 중합되는 비가교 프로필렌 단독중합체 및 비가교 프로필렌 공중합체를 포함하고, 상기 메탈로센 촉매하에서 중합되는 비가교 프로필렌 단독중합체와 상기 비가교 프로필렌 공중합체의 배합비는 80:20 내지 50:50인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 비가교 프로필렌 공중합체는 프로필렌 단량체와 에틸렌 단량체의 공중합체인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 에틸렌 단량체의 함량은 상기 비가교 프로필렌 공중합체를 구성하는 총 단량체의 몰 수를 기준으로 15 몰% 이하인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
한편, 상기 메탈로센 촉매하에서 중합되는 비가교 폴리프로필렌 수지의 촉매 잔량이 200 내지 700 ppm인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 핵제(nucleating agent)는 1,3:2,4-비스(3,4-디메틸디벤질리딘) 솔비톨(1,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene) Sorbitol), 비스(p-메틸디벤질리딘) 솔비톨(Bis(p-methyldibenzulidene) Sorbitol) 및 치환된 디벤질리딘 솔비톨(Substituted Dibenzylidene Sorbitol)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 절연 조성물로부터 제조되는 절연층 내의 폴리프로필렌 결정의 크기가 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
한편, 상기 나프텐계 탄화수소는 모노사이클릭 나프텐계 탄화수소인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 고리형 탄화수소의 고리가 5각형 또는 6각형인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 절연 조성물은, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 아민계, 디알킬에스테르계, 티오에스테르계 또는 페놀계 산화방지제 0.2 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
나아가, 상기 도체와 상기 절연층 사이에 배치된 내부 반도전층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층을 추가로 포함하고, 상기 내부 반도전층, 상기 외부 반도전층 및 상기 쉬스층은 상기 절연 조성물의 기재 수지와 동일한 기재 수지를 포함하는 조성물로부터 제조되는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
한편, 하나 이상의 도체, 및 상기 각각의 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 전력 케이블에 있어서, 상기 절연층은, 중합촉매 잔량이 200 내지 700 ppm이고, 결정크기가 1 내지 5 ㎛인 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함하는 절연 조성물로부터 제조되는, 전력 케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 전력케이블은 이의 절연층을 구성하는 절연 조성물이 기재 수지로서 비가교 폴리프로필렌을 포함함으로써, 상기 전력케이블은 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 전력케이블은 이의 절연층을 구성하는 절연 조성물이 특정 핵제(nucleating agent)를 포함함으로써, 상기 전력 케이블의 압출 공정시 급냉하지 않아도 상기 절연 조성물의 경화속도를 증가시킬 수 있어 상기 케이블의 생산성을 향상시킬 수 있고, 상기 절연 조성물로부터 제조되는 절연층의 전기적 특성을 향상시키기 위해 상기 절연 조성물의 기재 수지인 폴리프로필렌의 결정 크기를 제한하는 경우에도 결정화도를 함께 증가시켜 상기 절연층의 내열성, 기계적 특성 등도 동시에 향상시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
그리고, 본 발명에 따른 전력케이블은 이의 절연층을 구성하는 절연 조성물의 기재 수지인 비가교 폴리프로필렌이 메탈로센 촉매하에서 중합되는 폴리프로필렌을 포함하여 기재 수지 내의 촉매 잔량을 최소화함으로써 전기적 특성이 우수한 효과를 나타낸다.
나아가, 본 발명에 따른 전력케이블은 이의 절연층을 구성하는 절연 조성물이 특정 절연유를 포함함으로써, 높은 강성으로 인해 유연성이 불충분한 폴리프로필렌을 기재 수지로 포함함에도 불구하고, 유연성이 개선되는 동시에 내열성, 기계적·전기적 특성 등이 유지될 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
마지막으로, 본 발명에 따른 전력케이블은 이의 절연층을 구성하는 절연 조성물이 상기 조성물의 내열성 등을 개선하기 위한 카본블랙 등의 첨가를 배제할 수 있어 제조공정이 간단하며 제조비용이 상대적으로 저렴한 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 단면구조를 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 단면구조를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 케이블의 절연층을 구성하는 절연 조성물의 편광현미경(polarized optical microscope; POM) 사진이다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 실시예를 도시한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블은 구리, 알루미늄 등의 전도성 물질로 이루어진 도체(1), 절연성 고분자로 이루어진 절연층(3), 상기 도체(1)와 상기 절연층(3) 사이에 위치하여 도체(1)와의 계면에서의 부분방전을 억제하고, 상기 도체(1)와 상기 절연층(3) 사이의 공기층을 없애주며, 국부적인 전계집중을 완화시켜 주는 등의 역할을 수행하는 내부 반도전층(2), 케이블의 차폐 역할 및 절연체에 균등한 전계가 걸리도록 하는 역할을 수행하는 외부 반도전층(4), 케이블 보호를 위한 쉬스층(5) 등을 포함할 수 있다.
상기 전력케이블의 내부 또는 외부 반도전층(2,4)은 통상의 방법으로 제조될 수 있고, 바람직하게는 전력케이블 수명 단축을 유발할 수 있는 상기 반도전층(2,4)과 절연층(3)과의 박리를 방지하도록, 상기 절연층(3)과의 우수한 접착력을 확보할 수 있는 상기 절연층(3)을 구성하는 동일한 기재 수지를 포함하는 조성물로부터 제조될 수 있다. 또한, 상기 내부 또는 외부 반도전층(2,4)은 반도전 특성을 위해 카본 블랙 같은 전도성 충전제를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력케이블의 쉬스층(5) 역시 상기 절연층(3)을 구성하는 동일한 기재 수지를 포함하는 조성물로부터 제조될 수 있다.
상기 도체(1), 절연층(3), 반도전층(2,4), 쉬스층(5) 등의 규격은 케이블의 용도, 송전압 등에 따라 다양할 수 있으며, 상기 절연층(3), 반도전층(2,4), 쉬스층(5)을 구성하는 재료는 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 전력케이블의 절연층(3)을 구성하는 절연 조성물은 기재 수지로서 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있다.
상기 비가교 폴리프로필렌 수지(이하, '폴리프로필렌' 또는 '폴리프로필렌 수지'라 한다)를 구성하는 중합체는 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌과 에틸렌 또는 탄소수 4 내지 12의 α-올레핀, 예를 들어, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 공단량체 등, 바람직하게는 에틸렌과의 공중합체를 포함할 수 있다. 프로필렌과 에틸렌을 공중합시키면 단단하면서 유연한 성질을 나타내기 때문이다. 여기서, 상기 프로필렌 단독중합체와 프로필렌 공중합체의 배합비는 예를 들어 80:20 내지 50:50일 수 있다.
상기 프로필렌 공중합체에 있어서, 공단량체의 함량은 바람직하게는 상기 프로필렌 공중합체를 구성하는 단량체 총 몰 수를 기준으로 15 몰% 이하, 바람직하게는 6 내지 7 몰%일 수 있다. 또한, 상기 프로필렌 공중합체는 프로필렌과 에틸렌 및/또는 α-올레핀이 규칙성 없이 중합된 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체일 수 있다. 그리고, 상기 폴리프로필렌은 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀을 추가로 포함할 수 있다.
상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 최고 결정화 온도가 110 내지 125℃(시차주사열량계(DSC)로 측정)인 것이 바람직하다. 상기 최고 결정화 온도가 110℃ 미만인 경우 IEC 국제 규격에서 요구하는 노화(aging) 시험 조건(135 또는 150℃)에서 상기 폴리프로필렌 단독중합체 및/또는 공중합체가 용융되거나 케이블의 연속사용 온도인 90℃ 조건을 만족할 수 없으며, 상기 최고 결정화 온도가 125℃를 초과하는 경우 냉각 중 결정화 속도가 빨라져 상온에서의 인장 신율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 중량평균 분자량(Mw)이 200,000 내지 450,000인 것이 바람직하다. 상기 중량평균 분자량(Mw)이 200,000 미만인 경우 가열 전후의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 450,000 초과인 경우 높은 점도로 인하여 가공성이 저하될 수 있다. 나아가, 상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 분자량 분포(Mw/Mn)가 2 내지 8인 것이 바람직하다. 상기 분자량 분포(Mw/Mn)가 2 미만인 경우 높은 점도로 인하여 가공성이 저하될 수 있고, 8 초과인 경우 가열 전후의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 예를 들어 용융지수가 0.01 내지 1000 dg/분(ASTM D-1238에 의해 측정됨), 녹는점(Tm)이 140 내지 175℃(시차주사열량계(DSC)에 의해 측정됨), 용융엔탈피가 30 내지 85 J/g(DSC에 의해 측정됨), 실온에서의 굴곡탄성률이 30 내지 1400 MPa, 더욱 바람직하게는 60 내지 1000 MPa(ASTM D790-00에 따라 측정됨)일 수 있다.
상기 폴리프로필렌, 즉 프로필렌 단독중합체 및/또는 공중합체는 메탈로센(metallocene) 촉매하에서 합성되는 것이 바람직하다. 상기 메탈로센은 사이클로펜타디엔과 전이금속이 샌드위치 구조로 결합한 새로운 유기금속화합물인 비스(사이클로펜타이덴일)금속의 총칭으로, 가장 간단한 구조의 일반식은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Zr, Hf 등)이다.
상기 메탈로센은 사이클로펜타디엔 금속 화합물을 티타늄, 지르코늄, 하프늄과 같은 전이 금속의 할로겐화물과 반응시킴으로써 제조할 수 있다. 상기 메탈로센의 제조 방법은 미국 특허 4,752,579, 5,017,714, 및 유럽 특허 320,762, 416,815, 537,686, 669,340, 그리고 문헌[H. H. 브린쯔징거(Brintzinger) 등; 앤드류. 캠. (Andrew, Chem.), 107 (1995년), 1255], 문헌[H. H. 브린쯔징거 등; J. 오르가노메트. 캠. (Organomet. Chem), 232 (1982년), 233] 등에 개시되어 있다.
상기 메탈로센 촉매는 이의 기본적인 특성이 리간드 스피어(ligand sphere)의 특정 치환 패턴에 의해 조직적으로 제어될 수 있어, 상기 폴리프로필렌 중합시 중합 활성, 입체선택성(stereoselective), 위치선택성(regioselectivity), 용융점 등을 제어할 수 있는 반면, 종래 폴리프로필렌 중합 촉매로 사용되어 온 지글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매는 메틸기가 같은 방향으로 정연하게 배열되는 아이소택틱(isotactic) 구조를 갖는 폴리프로필렌만을 합성할 수 있다.
또한, 상기 메탈로센 촉매는 합성된 상기 폴리프로필렌의 촉매 잔량이 낮아 상기 폴리프로필렌의 전기적 특성 저하를 유발하지 않거나 최소화하는 우수한 효과를 나타낸다. 구체적으로, 상기 메탈로센 촉매에 의해 합성된 폴리프로필렌의 경우 중합촉매 잔량이 200 내지 700 ppm에 불과하여 합성된 폴리프로필렌의 절연 성능 등의 전기적 특성이 저하되지 않거나 최소화되는 반면, 종래 지글러-나타 촉매에 의해 합성된 폴리프로필렌의 경우 촉매 잔량이 1,000 내지 3,000 ppm에 해당되어 이러한 다량의 촉매 잔량이 합성된 폴리프로필렌의 절연 성능 등의 전기적 특성을 다소 저하될 수 있다.
상기 메탈로센 촉매하에서 상기 폴리프로필렌 수지를 중합시키는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 폴리프로필렌 수지의 중합은 -60 내지 300℃의 온도에서, 0.5 내지 2,000 bar의 압력하에서, 벌크로(in bulk), 현탁액에서 또는 가스상에서, 연속적으로 또는 배치식(batchwise)으로, 하나 또는 복수의 단계로 제조될 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블에 있어서, 절연층(3)의 기재 수지인 비가교 폴리프로필렌 수지는 비가교 형태임에도 불구하고 자체적인 녹는점이 높아 충분한 내열성을 발휘함으로써 연속 사용 온도가 향상된 전력 케이블을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 비가교 형태이므로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 우수한 효과를 나타낸다.
반면, 종래의 가교 형태의 수지는 재활용이 어려워 친환경이지 않을 뿐만 아니라, 절연층(3) 형성시 가교 결합 또는 스코치(scorch)가 조기에 발생하면 균일한 생산 능력을 발휘할 수 없는 등 장기 압출성 저하를 야기할 수 있다.
또한, 상기 비가교 폴리프로필렌 수지는 종래 지글러-나타 촉매가 아닌 메탈로센 촉매하에서 합성됨으로써 촉매 잔량이 낮아 이로부터 제조되는 절연층(3)의 절연 성능 등 전기적 특성의 손상을 회피하거나 최소화할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 전력케이블의 절연층(3)을 구성하는 절연 조성물은 상기 기재 수지 이외에 핵제(nucleating agent)를 포함한다. 상기 핵제는 솔비톨(sorbitol)계 핵제일 수 있다. 즉, 상기 핵제는 솔비톨계 핵제로서 예를 들어 1,3:2,4-비스(3,4-디메틸디벤질리딘) 솔비톨(1,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene) Sorbitol), 비스(p-메틸디벤질리딘) 솔비톨(Bis(p-methyldibenzulidene) Sorbitol), 치환된 디벤질리딘 솔비톨(Substituted Dibenzylidene Sorbitol), 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 핵제는 케이블의 압출 공정에서 급냉하지 않아도 기재 수지인 비가교 폴리프로필렌 수지의 경화를 촉진함으로써 케이블의 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 상기 비가교 폴리프로필렌 수지의 경화시 생성되는 결정의 크기를 작게, 바람직하게는 1 내지 5 ㎛로 제한함으로써, 제조되는 절연층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 나아가 상기 결정이 생성되는 결정화 사이트를 다수 개 형성시킴으로써 결정화도를 증가시켜 상기 절연층의 내열성, 기계적 특성 등도 동시에 향상시키는 우수한 효과를 발휘한다.
상기 핵제는 용융 온도가 높기 때문에 약 230℃의 높은 온도에서 사출 및 압출 가공을 해야 하며, 2 이상의 솔비톨계 핵제를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 2 이상의 서로 다른 솔비톨계 핵제를 조합하여 사용하는 경우 낮은 온도에서도 핵제의 발현성이 높아질 수 있다.
상기 핵제는 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 0.5 중량부로 상기 절연 조성물에 포함될 수 있다. 상기 핵제의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우 큰 결정 크기, 예를 들어, 5 ㎛를 초과하는 결정 크기 및 불균일한 결정 분포로 인해 상기 절연 조성물 및 이로부터 제조되는 절연층의 내열성, 전기적·기계적 특성이 저하될 수 있는 반면, 상기 핵제의 함량이 0.5 중량부를 초과하는 경우 너무 작은 결정 크기, 예를 들어, 1 ㎛ 미만의 결정 크기로 인해 상기 결정과 상기 조성물의 무정형 부분 사이의 표면 계면 면적의 증가로 상기 절연 조성물 및 이로부터 제조되는 절연층의 교류절연파괴(AC dielectric breakdown; ACBD) 특성, 임펄스 (impulse) 특성 등이 저하될 수 있다.
이와 관련하여, 도 3은 본 발명에 따른 전력 케이블의 절연층(3)을 구성하는 절연 조성물, 즉 비가교 폴리프로필렌 수지와 비가교 프로필렌/에틸렌 공중합 수지의 혼합물에 핵제 0.2 중량부를 첨가한 절연 조성물의 편광현미경(polarized optical microscope; POM) 사진으로서, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 조성물 내에 생성된 폴리프로필렌 결정의 크기는 1 내지 5 ㎛인 것으로 확인되었다.
본 발명에 따른 전력케이블의 절연층(3)을 구성하는 절연 조성물은 상기 기재 수지 이외에 특정한 절연유를 포함할 수 있다.
상기 절연유는 나프텐계 탄화수소를 포함할 수 있다. 여기서, 나프텐은 분자 내에 탄소 원자가 고리 모양으로 결합한 구조를 가진 포화탄화수소의 총칭으로서, 그 성질이 파라핀계 탄화수소와 비슷하여 사이클로파라핀이라 칭명되기도 한다. 특히, 상기 절연유는 일반 분자식이 CnH2n(여기서, n은 20 내지 60의 정수이다)인 모노사이클릭(mono-cyclic) 나프텐계 탄화수소, 즉 아래 화학식 1에 나타난 바와 같이 고리형 탄화수소와 비고리형 탄화수소가 교차적으로 배열되어 있는 구조를 갖는 나프텐계 탄화수소를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 고리형 탄화수소는 3 내지 6각형, 바람직하게는 5각형 또는 6각형일 수 있다.
Figure pat00001
상기 화학식 1에서, 큰 원은 탄소원자, 작은 원은 수소원자이다.
상기 모노사이클릭 나프텐계 오일과 대비되는 것으로서, 일반 분자식이 CnH2n-m(여기서, n은 20 내지 60의 정수이고, m은 4 내지 8의 정수이다)이고 아래 화학식 2에 나타난 바와 같이 분자 내에 고리형 탄화수소가 서로 붙어 있는 경우, 즉 바이사이클릭(bicyclic) 또는 트리사이클릭(tricyclic) 같은 멀티사이클릭(multi-cyclic)의 구조를 갖는 절연유는 기재 수지와의 혼합성이 낮아 절연유로서의 성능이 저하되므로, 이로부터 제조되는 절연층의 기계적·전기적 특성이 저하될 수 있다.
Figure pat00002
상기 화학식 2에서, 큰 원은 탄소원자, 작은 원은 수소원자이다.
또한, 상기 절연유는 분자식 내 탄소수가 20 내지 60인 것을 특징으로 하는데, 상기 탄소수가 20 미만인 경우 낮은 분자량으로 인해 절연층의 압출시 절연유가 기화되어 분해될 수 있고, 탄소수가 60 초과인 경우 높은 분자량으로 인해 절연층의 압출시 상기 절연유가 용출되는 현상이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 전력케이블의 절연층(3)을 구성하는 절연 조성물에 있어서, 상기 절연유의 함량은 기재 수지인 비가교 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부일 수 있다. 상기 절연유의 함량이 1 중량부 미만인 경우 상기 절연 조성물에 의해 제조되는 절연층이 충분한 유연성을 가질 수 없어 케이블의 포설 작업이 용이하지 못한 등의 문제가 유발될 수 있고, 상기 절연유의 함량이 10 중량부를 초과하는 경우 절연층의 압출시 상기 절연유가 용출되는 현상이 발생하는 등 케이블의 제작 및 가공이 어려워지는 문제가 유발될 수 있다.
상기 절연유는 앞서 기술한 바와 같이 강성(rigidity)이 매우 커서 유연성(flexibility)이 낮은 폴리프로필렌 수지를 기재 수지로 하는 절연 조성물로부터 제조되는 절연층의 유연성을 개선하는 동시에, 상기 폴리프로필렌 수지가 본질적으로 가지는 우수한 내열성, 기계적·전기적 특성을 유지시키는 탁월한 효과를 나타낸다. 나아가, 상기 절연유는 방향족 탄화수소 구조를 갖는 종래의 절연유와 동일하거나 오히려 더욱 우수한 유연성, 내열성, 기계적·전기적 특성을 유발함에도 불구하고 가격은 훨씬 저렴하므로, 케이블의 제조 비용을 절감시키는 우수한 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 전력 케이블의 절연층(3)을 구성하는 절연 조성물은 산화방지제 등의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화방지제는 아민계, 디알킬에스테르계, 티오에스테르계, 페놀계 산화방지제 등을 사용할 수 있고, 예를 들어, 디스테아릴티오-프로피오네이트, 펜타에리스릴-테트라키스[3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트], [3-[3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)프로파노일옥시]-2,2-비스[3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)프로파노일옥시메틸]프로필], 3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)프로파노에이트, 티오디에틸렌 비스(3,5-디-3차 부틸-4-하이드록시하이드로신나메이트), 3,5-비스(1,1-디메틸에틸)-4-하이드록시벤젠프로피온산 옥타데실 에스테르, 프로피온산, 3,3'-티오비스-1,1'-디옥타데실 에스테르 등일 수 있다. 여기서, 상기 산화방지제의 함량은 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.2 내지 5 중량부일 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
1. 제조예
아래 표 1에 나타난 구성성분 및 이의 함량에 따라 절연 조성물을 제조하고, T-다이(die)가 부착된 30mm 단축압출기(제조사 : Royle, 미국)를 이용하여 압출한 후, 가압로(hot press)에서 2 mm 두께와 30 cm × 30 cm 크기를 갖는 시트를 각각 제조했다.
구성성분 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4
기재수지1 50 80 - 50 80 50 50
기재수지2 - - 50 - - - -
기재수지3 50 20 50 50 20 50 50
핵제 0.3 0.3 0.3 - 0.3 0.3 0.3
절연유1 5 5 5 5 - 0.5 13
절연유2 - - - - 5 - -
- 기재수지 1 : 메탈로센 촉매하에서 중합된 폴리프로필렌 수지(제조사: 폴리미래; 제품명: RM5100; 용융지수(melting index, MI): 3)
- 기재수지 2 : 지글러-나타 촉매하에서 중합된 폴리프로필렌 수지(제조사: SK 종합화학; 제품명: H920Y; 용융지수(melting index, MI): 3)
- 기재수지 3 : 프로필렌-에틸렌 공중합체(제조사: SK 종합화학; 제품명: R520Y)
- 핵제 : 솔비톨계 핵제(제조사 : 밀리켄(milliken), 제품명 : NX8000)
- 절연유1 : 모노사이클릭 나프텐계 오일(C30H60) : 절연유 4호 (동남석유화학)
- 절연유2 : 멀티사이클릭 나프텐계 오일(C30H54) : 절연유 35호 (동남석유화학)
2. 물성 평가
1) 상온 기계적 물성 평가
IEC-60811-1-1 규격에 준하여 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 샘플 시트에 대하여 상온에서 인장속도 250 mm/분으로 인장강도 및 인장신율을 측정했다. 상기 규격에 따르면, 인장강도는 1.27 kgf/㎟ 이상, 인장신율은 200% 이상이어야 한다.
2) 가열 후 기계적 물성 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 샘플 시트에 대하여 150℃에서 168 시간 동안 가열 노화한 후 상기 1) 상온 기계적 물성 측정방법과 동일한 방법으로 기계적 물성을 측정했다. 여기서, 인장강도 및 인장신율의 잔율은 각각 75% 이상이어야 한다.
3) 굴곡강도 평가
IEC 60811-1-1 규격에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 샘플 시트에 대하여 굴곡강도를 측정하였으며, 낮은 수치를 보일수록 절연층 및 케이블의 유연성(flexibility) 및 포설성 등의 작업성이 우수한 것으로 간주된다.
4) 절연파괴강도 평가
ASTM D149 규격에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 샘플 시트에 대하여 절연파괴강도를 측정하였으며, 높은 수치를 보일수록 우수한 전기적 특성을 나타내는 것으로 간주된다. 상기 절연파괴강도는 실시예 및 비교예 각각에 대하여 15개의 시트를 시험하여 통계 처리했다.
앞서 기술한 시트의 물성 평가 방법에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 시트에 대하여 내열성, 굴곡성, 기계적·전기적 특성을 평가했고, 그 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
물성 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4
상온 인장강도(kgf/㎟) 1.9 2.4 2.0 1.9 2.1 2.05
측
정
불
가
상온 인장신율(%) 712 650 680 698 605 680
가열 후 인장강도 잔율(%) 85 88 90 81 100 90
가열 후 신장잔율(%) 80 76 80 79 70 60
굴곡강도(MPa) 32 33 34 35 33 42
절연파괴강도
(kV/mm)		 평균값 125.25 126.63 118.93 105.28 105.98 105.74
편차 13.62 12.86 10.40 15.40 14.98 15.12
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1에 따른 절연 시트는 종래의 지글러-나타 촉매하에서 제조된 폴리프로필렌을 기재 수지로 사용함에 따라 절연파괴강도가 실시예 1 및 2의 절연파괴강도인 125.25 kV/mm 및 126.63 kV/mm에 비해 상당히 낮은 80.93 kV/mm로 나타났고, 이는 상기 지글러-나타 촉매하에서 제조된 폴리프로필렌이 실시예 1 및 2에서 기재 수지로 사용된 메탈로센 촉매하에서 제조된 폴리프로필렌에 비해 상대적으로 다량의 촉매 잔량을 포함함으로써 제조된 절연 시트의 절연 성능 등의 전기적 물성을 저하시키는 것으로 확인되었다.
또한, 비교예 2에 따른 절연 시트는 절연파괴강도(kV/mm)가 낮은 것으로 확인되었다. 이는 상기 비교예 1의 절연 조성물이 실시예 1 및 2의 절연 조성물과는 달리 핵제를 포함하지 않으므로, 기재 수지 중 폴리프로필렌 수지의 결정 생성시 결정 사이트가 불균일하고 생성된 결정이 크기 때문이다.
그리고, 비교예 3에 따른 절연 시트는 이에 포함된 절연유(C30H60)가 멀티 사이클릭 수조를 가져 기재 수지와의 혼합성이 불충분하여 절연유 본래의 기능을 발휘하지 못해, 가열 후 신장잔율이 70%로 75% 미만인 등 기계적 특성이 불충분했고, 절연파괴강도 역시 105.98 kV/mm로 실시예 1 및 2에 비해 상당히 낮은 것으로 확인되었다.
나아가,상기 표 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1에 따른 절연 시트는 절연파괴강도(kV/mm)가 낮은 것으로 확인되었다. 이는 상기 비교예 1의 절연 조성물이 실시예 1 내지 3의 절연 조성물과는 달리 핵제를 포함하지 않으므로, 기재 수지 중 폴리프로필렌 수지의 결정 생성시 결정 사이트가 불균일하고 생성된 결정이 크기 때문이다.
그리고, 비교예 2에 따른 절연 시트는 이에 포함된 절연유(C30H60)가 멀티 사이클릭 수조를 가져 기재 수지와의 혼합성이 불충분하여 절연유 본래의 기능을 발휘하지 못해, 가열 후 신장잔율이 70%로 75% 미만인 등 기계적 특성이 불충분했고, 절연파괴강도 역시 105.98 kV/mm로 실시예 1 내지 3에 비해 상당히 낮은 것으로 확인되었다.
나아가, 비교예 3에 따른 절연 시트는 이에 포함된 절연유(C30H60)의 함량이 극히 소량이므로 굴곡강도가 42 MPa로서 가장 높아 유연성, 굴곡성, 포설성이 가장 불량하였고, 절연파괴강도 역시 105.74 kV/mm로 실시예 1 내지 3에 비해 상당히 낮은 것으로 확인되었다.
그리고, 비교예 4에 따른 절연 시트는 이에 포함된 절연유(C30H60)의 함량이 과량으므로, 샘플 시트 제조를 위한 압출과정에서 절연유가 용출되어 압출기 내 미끄러짐 현상이 발생하였고, 그 결과 샘플 시트를 제조할 수 없어 물성 특정을 할 수 없었다.
반면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3는 핵제를 사용하여 기재 수지의 결정화도를 높이는 동시에 생성되는 결정 크기를 제한함으로써 내열성, 기계적 특성, 전기적 특성을 동시에 향상시키며, 특정 절연유의 첨가에 의해 우수한 유연성, 굴곡성, 포설성 등을 만족시키는 것으로 확인되었다. 다만, 실시예 3은 기재 수지로서 지글러-나타 촉매하에서 중합된 폴리프로필렌을 포함하여 실시예 1 및 2에서 메탈로센 촉매하에서 중합된 폴리프로필렌을 포함하는 경우에 비해 절연 조성물 내의 촉매 잔량이 증가하여 전기적 특성이 다소 저하됨이 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
1 : 도체 2 : 내부 반도전층
3 : 절연층 4 : 외부 반도전층
5 : 쉬스층

Claims (12)

  1. 하나 이상의 도체, 및 상기 각각의 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 전력 케이블에 있어서,
    상기 절연층은, 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함하는 기재 수지와, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 핵제(nucleating agent) 0.1 내지 0.5 중량부 및 고리형 탄화수소와 비고리형 탄화수소가 교차적으로 배열되어 있는 화학식 CnH2n (여기서, n은 20 내지 60의 정수이다)의 나프텐계 탄화수소를 포함하는 절연유 1 내지 10 중량부를 포함하는 절연 조성물로부터 제조되는, 전력 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기재 수지는 메탈로센 촉매하에서 중합되는 비가교 프로필렌 단독중합체 및 비가교 프로필렌 공중합체를 포함하고, 상기 메탈로센 촉매하에서 중합되는 비가교 프로필렌 단독중합체와 상기 비가교 프로필렌 공중합체의 배합비는 80:20 내지 50:50인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비가교 프로필렌 공중합체는 프로필렌 단량체와 에틸렌 단량체의 공중합체인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에틸렌 단량체의 함량은 상기 비가교 프로필렌 공중합체를 구성하는 총 단량체의 몰 수를 기준으로 15 몰% 이하인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메탈로센 촉매하에서 중합되는 비가교 폴리프로필렌 수지의 촉매 잔량이 200 내지 700 ppm인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핵제(nucleating agent)는 1,3:2,4-비스(3,4-디메틸디벤질리딘) 솔비톨(1,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene) Sorbitol), 비스(p-메틸디벤질리딘) 솔비톨(Bis(p-methyldibenzulidene) Sorbitol) 및 치환된 디벤질리딘 솔비톨(Substituted Dibenzylidene Sorbitol)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 절연 조성물로부터 제조되는 절연층 내의 폴리프로필렌 결정의 크기가 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나프텐계 탄화수소는 모노사이클릭 나프텐계 탄화수소인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고리형 탄화수소의 고리가 5각형 또는 6각형인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 조성물은, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 아민계, 디알킬에스테르계, 티오에스테르계 또는 페놀계 산화방지제 0.2 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도체와 상기 절연층 사이에 배치된 내부 반도전층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층을 추가로 포함하고, 상기 내부 반도전층, 상기 외부 반도전층 및 상기 쉬스층은 상기 절연 조성물의 기재 수지와 동일한 기재 수지를 포함하는 조성물로부터 제조되는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  12. 하나 이상의 도체, 및 상기 각각의 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 전력 케이블에 있어서,
    상기 절연층은, 중합촉매 잔량이 200 내지 700 ppm이고, 결정크기가 1 내지 5 ㎛인 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함하는 절연 조성물로부터 제조되는, 전력 케이블.
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