KR20190001627A - 반도전층을 갖는 전력 케이블 - Google Patents

반도전층을 갖는 전력 케이블 Download PDF

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KR20190001627A KR1020170080578A KR20170080578A KR20190001627A KR 20190001627 A KR20190001627 A KR 20190001627A KR 1020170080578 A KR1020170080578 A KR 1020170080578A KR 20170080578 A KR20170080578 A KR 20170080578A KR 20190001627 A KR20190001627 A KR 20190001627A
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엘에스전선 주식회사
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Abstract

본 발명은 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 기계적·전기적 특성뿐만 아니라 표면 평활도(surface smoothness) 등 표면특성이 우수하여 절연층에 인가되는 전계의 왜곡을 억제함으로써 절연층의 두께를 감소시키는 경우에도 충분한 절연내력을 확보할 수 있는 동시에 케이블 전체 외경을 감축시킬 수 있는 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.

Description

반도전층을 갖는 전력 케이블{Power cable having a semiconductive layer formed from the same}
본 발명은 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 기계적·전기적 특성뿐만 아니라 표면 평활도(surface smoothness) 등 표면특성이 우수하여 절연층에 인가되는 전계의 왜곡을 억제함으로써 절연층의 두께를 감소시키는 경우에도 충분한 절연내력을 확보할 수 있는 동시에 케이블 전체 외경을 감축시킬 수 있는 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.
일반적인 전력 케이블은 도체를 중심으로 내부 반도전층, 절연층, 외부 반도전층, 쉬스층 등의 순서로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 내부 반도전층은 케이블 제조시 도체와 절연층 사이의 계면조도를 향상시켜 이들 사이의 공기층 형성을 억제하고, 절연저항의 구배(gradient)를 형성하여 절연층 내부의 국부적인 전계집중을 완화시켜 주는 등의 기능을 수행한다.
또한, 상기 외부 반도전층은 케이블의 차폐기능을 수행하고, 상기 절연층에 균등한 전계가 걸리도록 하는 등의 기능을 수행한다. 즉, 상기 내부 반도전층 및 상기 외부 반도전층(이하, '반도전층'이라 한다)은 케이블의 전기적·기계적 특성 강화 및 이에 따른 수명 연장의 측면에서 매우 중요한 기능을 수행한다.
관련 미국 특허 공개공보 제2010-0206607호에 개시된 바와 같이, 상기 반도전층은 케이블에 있어서 절연층 내부에서의 국부적인 전계집중 완화, 차폐기능 등을 수행하기 위해 일반적으로 금속 입자, 카본블랙 등과 같은 도전재료를 포함한다.
또한, 상기 도전재료들은 일반적으로 카본블랙 등 나노(nano) 사이즈의 미세 입자들로서 상기 반도전층을 구성하는 기재 수지 내에서 서로 응집(entanglement)하려는 경향이 있으므로, 상기 기재 수지 내에서 서로 연결되어 도전성 네트워크(conductive network)를 형성함으로써 상기 반도전층의 반도전 특성을 나타내기 위해서는, 상당한 함량, 예를 들어, 반도전층 총 중량을 기준으로 40 내지 60 중량% 정도의 함량으로 포함되어야 한다.
그러나, 상기 상당한 함량으로 포함된 도전재료는 제조되는 반도전층의 표면에 돌기(protrusions)를 유발하는 등 상기 반도전층의 표면 평활도를 저하시킴으로써, 반도전층과 절연층 사이의 빈 공간 형성 및 이로 인한 절연층 내부의 국부적인 전계집중, 절연내력 저하 등을 유발하는 문제를 갖는다.
상기 반도전층의 표면 특성 저하는 상기 반도전층을 구성하는 기재 수지가 이에 첨가되는 도전재료 등의 충전재를 균일하게 분산된 형태로 포함할 수 있는 특성, 즉 충전재 로딩성(filler loading property)이 불량할수록 더욱 두드러지고, 한편 충전재 로딩성이 우수한 기재 수지를 사용하는 경우 상기 반도전층과 접촉하는 절연층을 구성하는 기재 수지와의 이질성 때문에 이들 사이의 결합력이 저하되는 문제가 유발될 수도 있다.
이와 관련하여, 미국 특허 제7,982,537호는 도전재료(conductive material)로서 탄소나노튜브(carbon nano tube; CNT)를 포함하는 도전성 고분자 복합재가 개시되어 있다. 상기 탄소나노튜브는 종횡비가 큰 형상, 예를 들어, 단면 직경이 6 내지 8 nm인 반면 길이가 300 ㎛를 초과하는 형상을 갖고 있어, 종래의 카본 블랙 등의 플레이트(plate), 플레이크(flake) 형상에 비해 상대적으로 소량의 함량으로 도전성 네트워크를 형성할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 탄소나노튜브는 앞서 기술한 바와 같이 종횡비가 큰 형상을 가지므로 반도전층을 구성하는 기재 수지 내에서 서로 실타래처럼 얽혀 분산이 어렵고 이러한 미분산에 의해 반도전층 표면에 돌기, 특히 심각한 전계집중을 유발할 수 있는 크게 돌출된 돌기, 예를 들어 돌기 폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기가 발생함으로써 반도전층과 절연층 사이의 빈 공간 형성 및 이로 인한 전계집중에 의한 절연내력 저하 등을 유발하게 되고, 결과적으로 이러한 절연내력 저하를 감안하여 절연층의 두께를 증가시켜야 하거나, 절연층의 두께를 증가시키지 않으면 전력 케이블의 수명이 단축되는 문제가 있다.
기계적·전기적 특성뿐만 아니라 표면 평활도(surface smoothness) 등 표면특성이 우수하여 절연층에 인가되는 전계의 왜곡을 억제함으로써 절연층의 두께를 감소시키는 경우에도 충분한 절연내력을 확보할 수 있는 동시에 케이블 전체 외경을 감축시킬 수 있는 반도전층을 갖는 전력 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 기계적·전기적 특성뿐만 아니라 표면 평활도 등 표면특성이 우수하여 절연층에 인가되는 전계의 왜곡을 억제할 수 있는 반도전층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 절연층의 두께를 감소시키는 경우에도 충분한 절연내력을 확보할 수 있는 동시에 케이블 전체 외경을 감축시킬 수 있는 반도전층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
하나 이상의 도체, 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 및 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층을 포함하고, 상기 내부 반도전층은 기재 수지 및 도전성 충전재를 포함하는 반도전성 조성물로부터 형성되고, 상기 도전성 충전재는 탄소나노튜브(CNT)를 포함하고, 상기 탄소나노튜브(CNT)는 직경이 0.5 내지 50 nm이고 길이가 10 내지 500 ㎛이고, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은, 상기 반도전성 조성물의 총 중량을 기준으로, 2 내지 20 중량%이고, 상기 내부 반도전층의 표면에 형성되고 최대폭이 50 내지 500 ㎛이며 최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기의 단위면적당 갯수가 20개/㎡ 미만인, 전력 케이블.
여기서, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 직경은 1 내지 20 nm이고, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은, 상기 반도전성 조성물의 총 중량을 기준으로, 3 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 내부 반도전층의 표면에 형성되고 최대폭이 50 내지 500 ㎛이며 최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기의 단위면적당 갯수가 5개/㎡ 이하인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
한편, 상기 도전성 충전재는 상기 탄소나노튜브(CNT) 이외에 플레이크(flake) 또는 플레이트(plate) 형상의 도전성 입자를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 도전성 입자는 크기가 0.5 내지 50 ㎛이고 두께가 5 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 도전성 입자의 중량비는 99:1 내지 90:10인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 탄소나노튜브(CNT) 또는 상기 도전성 입자는 이의 표면에 수산화기(-OH), 아민기(-NH2), 카르복시기(-COOH) 및 에폭시기(-O-)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 관능기를 갖는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
한편, 상기 기재 수지는 에틸렌 에틸아크릴레이트(EEA)나 에틸렌 부틸아크릴레이트(EBA) 또는 이들의 배합물인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 기재 수지와 상기 절연층을 구성하는 기재 수지가 동일한 계열의 수지인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 반도전성 조성물은, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 가교제 0.1 내지 4 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
나아가, 상기 반도전성 조성물은, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 윤활제 0.1 내지 2 중량부 및 산화방지제 0.1 내지 2 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
한편, 상기 절연층을 감싸고 상기 반도전성 조성물로부터 형성된 외부 반도전층 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
본 발명에 따른 전력 케이블은 반도전층을 형성하는 반도전 조성물에 포함되는 도전성 입자로서 탄소나노튜브의 형상 및 함량을 정밀하게 제어함으로써 이로부터 형성도는 반도전층의 기계적·전기적 특성뿐만 아니라 표면 평활도 등 표면특성을 향상시켜 겨로가적으로 절연층에 인가되는 전계의 왜곡을 억제할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 전력 케이블은 절연층에 인가되는 전계의 왜곡을 억제함으로써 절연층의 두께를 감소시키는 경우에도 충분한 절연내력을 확보할 수 있는 동시에 케이블 전체 외경을 감축시킬 수 있는 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.
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. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
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 도전성 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)의 표면 평활도(surface smoothness)를 향상시키고 상기 도체(1)와 상기 절연층(3) 사이의 공기층을 없애주어 상기 절연층(3)에 인가되는 전계의 왜곡을 억제함으로써 상기 절연층(3) 내에서의 국부적인 전계집중을 완화시켜 주는 등의 역할을 수행하는 내부 반도전층(2), 케이블의 차폐역할 및 상기 절연층(3)에 균등한 전계가 걸리도록 하는 역할을 수행하는 외부 반도전층(4), 케이블 보호를 위한 쉬스층(5) 등을 포함할 수 있다.
상기 절연층(3)은 고분자를 기재 수지로 하는 절연 조성물로부터 제조될 수 있다. 상기 기재 수지를 구성하는 고분자는 대부분 전기 절연성 물질이므로 특별한 제한은 없다. 전기가 통하기 위해서는 양전하나 전자를 이동시킬 수 있는 이온이나 금속류와 같은 자유 전자 등이 있어야 하는데, 고분자는 탄소 간의 공유결합으로 이루어진 물질이므로 이러한 능력이 거의 없기 때문이다.
일반적으로, 고압용 또는 초고압용 케이블의 절연층(3)을 형성하는 기재 수지는 폴리에틸렌(PE; polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polyprophylene), 에틸렌 프로필렌 고무(EPR; ethylene propylene rubber) 등의 폴리올레핀이 사용될 수 있다.
상기 폴리에틸렌(PE)은 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌과 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐 등의 α-올레핀과의 공중합체를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 에틸렌 공중합체는 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체일 수 있다. 또한, 상기 폴리에틸렌은 초저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 폴리프로필렌(PP)은 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌과 에틸렌, 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐 등의 α-올레핀과의 공중합체를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 프로필렌 공중합체는 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체일 수 있다.
한편, 상기 폴리에틸렌(PE) 및 상기 폴리프로필렌(PP)은 비가교 또는 가교 수지일 수 있다. 여기서, 가교 폴리에틸렌 및 가교 폴리프로필렌은 가교제로서 실란 또는 유기 과산화물, 예를 들어, 다이큐밀퍼옥사이드(DCP) 등에 의해 제조될 수 있다. 다만, 가교 폴리에틸렌 및 가교 폴리프로필렌은 케이블의 기계적 특성이 우수한 반면, 재활용이 어려운 단점이 있고, 절연층 제조시 가교 결합 또는 스코치(scorch)가 조기에 발생하면 균일한 생산 능력을 발휘할 수 없는 등 장기 압출성 저하를 야기할 수 있으며, 아세토페논, 알파메틸스티렌 등의 가교 부산물이 절연층에서의 공간전하 축적을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 케이블의 용도에 따라 상기 가교 또는 비가교 형태의 기재 수지의 장단점을 고려하여 절연층을 제조할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반도전층(2,4)은 기재 수지 및 도전성 충전재(conductive filler)를 포함하는 반도전성 조성물로부터 제조될 수 있다.
상기 기재 수지는 통상적으로 사용되는 반도전층용 기재 수지 중 적절한 것을 선택할 수 있고, 예를 들어, 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 또는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 메틸아크릴레이트(EMA), 에틸렌 에틸아크릴레이트(EEA), 에틸렌 부틸아크릴레이트(EBA) 등의 올레핀 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리스티렌, 이들의 혼합물 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래 반도전성 조성물의 기재 수지는 기재 수지 100 중량부를 기준으로 통상 40 내지 60 중량부의 도전재료를 포함해야 하므로 충전재 로딩성(filler loading capacity)이 우수한 에티렌 에틸아크릴레이트(EEA), 에틸렌 부틸아크릴레이트(EBA) 등이 사용되어 왔으나, 이들 올레핀 공중합체는 절연층용 기재 수지와의 상용성 및 결합력이 불충분하여, 절연층(3)과 반도전층(2,4) 사이에 빈 공간이 발생하고, 이러한 빈 공간에 전계가 집중하는 등에 의해 절연파괴 및 케이블 수명 단축의 문제를 유발할 수 있다.
한편, 상기 반도전성 조성물은 도전성 충전재로서 탄소나노튜브(CNT)를 사용하기 때문에 소량의 도전성 충전재만을 포함하는 경우에도 충분한 도전성 네트워크 및 반도전 특성을 구현할 수 있으므로, 충전재 로딩성이 종래 올레핀 공중합체보다는 낮으나 절연층(3)용 기재 수지와의 상용성 및 결합력이 우수한 기재 수지, 바람직하게는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 사용할 수 있다.
상기 도전성 충전재는 앞서 기술한 바와 같이 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브(CNT)는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 튜브 모양을 이루고 있는 소재로서, 단일벽 또는 다중벽 구조를 가질 수 있으며, 다양한 단면 직경과 길이에 의한 다양한 형상을 보유할 수 있다.
그러나, 상기 탄소나노튜브(CNT)는 단면 직경에 대한 길이의 비인 종횡비가 과도하게 큰 경우 상기 기재 수지 내에서의 균일한 분산이 어려워 서로 응집하게 되고 이로써 형성되는 반도전층(2,4) 표면에 다수의 돌기를 생성할 수 있고, 결과적으로 상기 돌기에 의해 절연층(3)에 인가되는 전계의 왜곡 및 이에 의한 국부적인 전계집중에 의한 절연파괴를 유발할 수 있는 반면, 상기 종횡비가 과도하게 작은 경우 소량의 함량으로 충분한 도전성 네트워크 및 반도전 특성을 구현할 수 없는 문제가 있다.
본 발명자들은 상기 탄소나노튜브(CNT)의 단면 직경과 길이 그리고 함량이 특정 수치범위를 만족하는 경우 소량의 함량으로 반도전층(2,4) 내에 충분한 도전성 네트워크 및 반도전 특성을 구현하는 동시에, 절연층(3)에 인가되는 전계의 왜곡을 유발하는 돌기의 갯수를 현저히 감소시킬 수 있음을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
또한, 본 발명자들은 반도전층(2,4) 표면에 생성되는 돌기 중 예를 들어 돌기의 최대폭이 50 내지 500 ㎛이고 이러한 최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기, 즉 더욱 돌출된 돌기가 절연층(3)에 인가되는 전계의 극심한 왜곡을 유발함을 발견하고 상기 탄소나노튜브(CNT)의 형상 및 함량을 조절함으로써 상기 전계의 극심한 왜곡을 유발하는 상기 더욱 돌출된 돌기의 생성을 단위면적당 20개/㎡ 미만, 더욱 바람직하게는 5개/㎡ 이하로 억제될 수 있음을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
여기서, 상기 돌기의 폭은 상기 돌기의 꼭지점, 즉 돌기의 최상점을 지나는 직선과 상기 돌기 둘레가 만나는 2점 사이의 직선거리를 의미하고, 상기 돌기의 최대폭은 상기 2점 사이의 직선거리 중 최대값을 의미한다. 또한, 상기 돌기의 높이는 상기 돌기의 꼭지점까지의 수직 높이를 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 직경은 0.5 내지 50 nm, 바람직하게는 1 내지 20 nm, 더욱 바람직하게는 6 내지 8 nm이고, 길이는 10 내지 500 ㎛, 바람직하게는 200 내지 300 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 2 내지 20 중량부, 바람직하게는 3 내지 10 중량부일 수 있다.
이로써, 상기 반도전층(2,4) 내에 충분한 도전성 네트워크 및 반도전 특성이 구현되는 동시에 상기 탄소나노튜브(CNT)의 응집에 의한 상기 반도전층(2,4) 표면의 돌기 형성과 이로 인한 절연층(3)에서의 전계 왜곡을 억제시킬 수 있다. 나아가, 절연층(3)에서의 전계 왜곡을 억제시킬 수 있기 때문에 절연층(3)의 두께를 감소시키는 경우에도 충분한 절연내력을 확보할 수 있게 된다. 여기서, 상기 절연층(3)의 두께는 10% 이상, 바람직하게는 15% 이상 감축시킬 수 있다.
상기 도전성 충전재는 상기 탄소나노튜브(CNT)와 선(line) 접촉에 의해 결합하는 다른 도전성 입자, 바람직하게는 플레이크(flake) 또는 플레이트(plate) 형상의 도전성 입자, 예를 들어, 금속플레이크, 금속플레이트, 탄소나노플레이트, 탄소나노플레이트 등을 추가로 포함할 수 있다.
상기 플레이크 또는 플레이트 형상의 도전성 입자는 0.5 내지 50 ㎛, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 ㎛의 크기와 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 50 nm, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 nm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, 상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 다른 도전성 입자의 중량비는 예를 들어 99:1 내지 90:10일 수 있고, 이로써 상기 도전성 충전재는 상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 다른 도전성 입자 사이의 접촉 면적을 최대로 하여 접촉면에서의 접촉 저항을 최소화함으로써 추가로 상기 반도전층(2,4)의 반도전 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 또는 상기 다른 도전성 입자는 이의 표면에 수산화기(-OH), 아민기(-NH2), 카르복시기(-COOH), 에폭시기(-O-) 등의 관능기를 가질 수 있다. 이러한 관능기들은 탄소나노튜브(CNT) 등의 합성시 생성될 수 있고, 합성 후 추가적인 공정에 의해 도입될 수도 있다.
이러한 관능기들은 비닐트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란, 또는 이들의 유도체와 같은 실란; 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세린, 또는 이들의 유도체와 같은 다가알코올; 및 옥살산, 프로판이산, 부탄이산, 또는 이들의 유도체와 같은 폴리카르복실산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 결합제와 화학 결합함으로써 상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 다른 도전성 입자를 결합시킬 수 있다.
여기서, 상기 결합제의 함량은 상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 다른 도전성 입자를 포함하는 도전성 충전재 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 15 중량부일 수 있다. 상기 결합제의 함량이 1 중량부 미만인 경우, 상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 다른 도전성 입자 사이의 화학 결합이 불충분할 수 있고, 20 중량부 초과인 경우 상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 다른 도전성 입자, 또는 상기 탄소나노튜브(CNT)들 사이의 과도한 화학 결합에 의해 상기 반도전층(2,4)의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
상기 탄소나노튜브(CNT)가 다른 도전성 입자와의 선 접촉(line contact)에 의한 결합을 매개로 연결됨으로써 형성된 도전성 충전재의 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 도전성 충전재는 상기 탄소나노튜브(CNT) 및 상기 다른 도전성 입자를 각각 에탄올, 프로판올, 부탄올, 톨루엔, NMP(N-mehyl-pyrrolidone), THF(tetrahydrofuran), 아세톤, 사이클로헥산, 헥산 등의 유기 용매에 분산시킨 후, 이들을 혼합하면서 상기 결합제를 첨가함으로써 제조할 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브(CNT) 및 상기 다른 도전성 입자는 이의 분산성을 개선하기 위해 계면활성제와 함께 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 반도전층(2,4)을 형성하기 위해, 상기 기재 수지와 상기 도전성 충전재를 포함하는 반도전성 조성물을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는, 상기 도전성 충전재를 Hybridizer (제조사 : Nara Machinery), Nobilta (제조사 : Hosokawa Micron), Q-mix (Mitsui Mining) 등의 장비를 이용하여 상기 기재 수지 입자의 표면에 도입함으로써 상기 반도전성 조성물을 제조할 수 있고, 이러한 경우 상기 도전성 충전재의 상기 기재 수지 내에서의 분산성을 추가로 개선시킬 수 있다.
여기서, 상기 도전성 충전재의 함량은 상기 반도전성 조성물 총 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%, 바람직하게는 2 내지 10 중량%일 수 있다. 상기 도전성 충전재의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우 충분한 반도전 특성을 나타낼 수 없고, 20 중량%를 초과하는 경우 상기 도전성 충전재의 고함량으로 제조비용이 증가할 수 있으며, 10 중량%를 초과하는 경우, 형성되는 반도전층의 표면 평활도가 저하될 수 있다.
상기 반도전성 조성물은 상기 기재 수지의 가교를 위한 가교제, 상기 기재 수지 내에서의 상기 도전성 충전재의 분산성 개선을 위한 계면활성제, 반도전층 형성을 위한 가공성 개선을 위한 윤활제, 반도전층 산화 억제에 의한 케이블 수명 연장을 위한 산화방지제 등의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 가교제의 종류는 특별히 제한되지 않고 사용되는 기재 수지에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 예를 들어, 디큐밀 퍼옥사이드(DCP), 디(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠 등의 과산화물일 수 있다. 여기서, 상기 가교제의 함량은 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 4 중량부, 바람직하게는 0.5 내지 2 중량부일 수 있다. 상기 가교제를 첨가하는 경우 아세토페논, 알파메틸스티렌 등의 가교 부산물이 생성되어 상기 반도전층(2,4)의 전기적 특성을 저하시킬 수 있으나, 본 발명은 상기 도전성 충전재를 소량만 포함함으로써 이에 따라 상기 가교제의 함량을 통상 가교제의 함량인 기재 수지 100 중량부당 10 중량부에 비해 현저히 소량인 0.1 내지 4 중량부만을 사용함으로써 가교 부산물 생성 및 이로 인한 전기적 특성 저하의 문제를 회피하거나 최소화할 수 있다.
상기 계면활성제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 도데실황산나트륨(SDS; sodium dodecyl sulfate), 글리콜산 에톡실레이트 4-노닐페닐 에테르(GAENPE; glycolic acid ethoxylate 4-nonylphenyl ether), n-라우로일사르코신염 등의 음이온성 계면활성제, 브롬화 도데실트리메틸암모늄(DTAB; dodecyltrimethylammonium bromide) 등의 양이온성 계면활성제, Triton X-45, Triton X-114, Triton X-100 등의 비이온성 계면활성제, 또는 이들의 배합물일 수 있다. 여기서, 상기 계면활성제의 함량은 상기 도전성 충전재 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 2 내지 5 중량부일 수 있다.
또한, 상기 윤활제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 스테아릴 스테아레이트, erucamide, 또는 스테아르산 등의 지방산 등을 이용할 수 있고, 여기서, 상기 윤활제의 함량은 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부일 수 있다.
상기 산화방지제는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 아민계 산화방지제; 디알킬에스테르계, 디스테릴 티오디프로피오네이트, 디라우릴 티오디프로피오네이트 같은 티오에스테르계 산화방지제; 테트라키스(2,4-디-t-부틸페닐)4,4'-비페닐렌 디포스파이트, 2,2'-티오 디에틸 비스-[3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오네이트], 펜타에리트리틸-테트라키스-[3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오네이트], 4,4'-티오비스(2-메틸-6-t-부틸페놀), 2,2'-티오비스(6-t-부틸-4-메틸페놀), 트리에틸렌 글리콜-비스-[3-(3-t-부틸-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트]) 같은 페닐계 산화방지제, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 산화방지제를 사용할 수 있고, 여기서, 상기 산화방지제는 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부일 수 있다.
한편, 상기 쉬스층(5)은 상기 외부 반도전층(4)과의 상용성 및 결합력을 위해 상기 반도전층(4)의 기재 수지와 동일한 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전력 케이블을 구성하는 상기 도체(1), 내부 반도전층(2), 절연층(3), 외부 반도전층(4), 쉬스층(5) 등의 내부직경, 외부직경, 두께 등에 관한 규격은 상기 케이블의 용도, 사용전압 등에 따라 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 적절히 선택될 수 있다.
[실시예]
1. 반도전 필름 및 케이블 시편 제조예
펠렛타이저(peeletizer)가 연결된 반죽기(kneader)를 이용하여 아래 표 1에 기재된 구성성분 및 함량으로 실시예 및 비교예에 따른 반도전성 조성물을 제조했다. Haake 압출기(T-die 20×0.5 mm)를 이용하여 압출 조건(95℃-110℃-110℃-120℃, 20 rpm, 80 mesh×1개)으로 실시예 및 비교예 각각의 반도전성 조성물로부터 반도전 필름(두께 0.5 mm, 폭 20 mm)을 제조했다. pilot 설비를 이용하여 도체(1+6 연선구조, 공칭단면적 3.5SQ) 위에 실시예 및 비교예 각각의 반도전성 조성물로부터의 내부 반도전층(두께 1mm) 및 절연층(폴리에틸렌; 두께 0.2 내지 0.3 mm)을 순차적으로 형성함으로써 케이블 시편을 제조했다. 아래 표 1에 기재된 함량의 단위는 중량%이다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
기재 수지 91.6 91.6 94.1
C/B - - 5
CNT1 7.5 - -
CNT2 - 7.5 -
산화방지제 0.5 0.5 0.5
가교제 0.4 0.4 0.4
- 기재 수지 : 에틸렌 에틸아크릴레이트와 에틸렌 부틸아크릴레이트의 50:50 블렌드 수지
- CNT1 : 다중벽 탄소나노튜브(단면 직경: 6~8 nm, 길이: 200~300 ㎛)
- CNT2 : 다중벽 탄소나노튜브(단면 직경: 6~8 nm, 길이: 301~500 ㎛)
- 산화방지제 : 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트
- 가교제 : 디큐밀 퍼옥사이드
2. 물성 평가
1) 표면특성 평가
실시예 1 및 비교예 1 각각의 반도전 필름에서 최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기의 갯수를 측정했고, 측정 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
측정 넓이 돌기 최대폭(㎛) 실시예 1 비교예 1


450 cm2 		50 미만 0 0
50 이상 100 미만 0 6
100 이상 200 미만 1 2
200 이상 0 1
합계 1 9


1 m2 		50 미만 0 0
50 이상 100 미만 0 14
100 이상 200 미만 2 5
200 이상 0 2
합계 2 20
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 길이가 301 내지 500 ㎛로 종횡비가 과도한 탄소나노튜브(CNT)를 적용한 비교예 1의 반도전 필름에는 탄소나노튜브의 균일한 분산이 어렵고 극심한 전계 왜곡을 유발하는 더욱 돌출된 돌기(최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기)의 갯수가 실시예 1의 반도전 필름에 비해 현저히 증가한 것을 확인했다.
2) 교류 절연파괴전압 및 임펄스 파괴전압 평가
규격 IEC 60243-1에 따라 실시예 및 비교예 각각의 케이블 시편에 인가된 교류 전압을 500 V/s로 승압시키면서 절연파괴가 발생할 때의 교류 전압파괴전압을 측정했다. 또한, 임펄스 전압발생기를 이용하여 실시예 및 비교예 각각의 케이블 시편에 표준 뇌 임펄스 전압을 인가함으로써 임펄스 파괴전압을 측정했고, 구체적으로 초기 인가전압 800kV에서 50 kV씩 승압시키면서 3회 시편에 인가하여 파괴(breakdown)가 일어날 때의 전압을 측정했다. 측정 결과는 아래 표 3에 나타난 바와 같다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
교류 절연파괴전압(kV/mm) 85 60 69
임펄스 파괴전압(kV/mm) 230 195 205
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 길이가 301 내지 500 ㎛로 종횡비가 과도한 탄소나노튜브(CNT)를 적용한 반도전층을 포함하는 비교예 1의 케이블 시편은 상기 반도전층 표면에 형성된 다수의 더욱 돌출된 돌기(최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기)에 의한 전계왜곡으로 교류 절연파괴전압 및 임펄스 파괴전압이 실시예 1의 케이블 시편에 비해 현저히 저하되었고, 탄소나노튜브(CNT) 대신 카본블랙(C/B)을 적용한 반도전층을 포함하는 비교예 2의 케이블 보다도 교류 절연파괴전압 및 임펄스 파괴전압이 저하된 것을 실험적으로 확인하였다.
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,
    상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 및
    상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층을 포함하고,
    상기 내부 반도전층은 기재 수지 및 도전성 충전재를 포함하는 반도전성 조성물로부터 형성되고,
    상기 도전성 충전재는 탄소나노튜브(CNT)를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브(CNT)는 직경이 0.5 내지 50 nm이고 길이가 10 내지 500 ㎛이고,
    상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은, 상기 반도전성 조성물의 총 중량을 기준으로, 2 내지 20 중량%이고,
    상기 내부 반도전층의 표면에 형성되고 최대폭이 50 내지 500 ㎛이며 최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기의 단위면적당 갯수가 20개/㎡ 미만인, 전력 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브(CNT)의 직경은 1 내지 20 nm이고, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은, 상기 반도전성 조성물의 총 중량을 기준으로, 3 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내부 반도전층의 표면에 형성되고 최대폭이 50 내지 500 ㎛이며 최대폭의 1/2 이상의 높이를 갖는 돌기의 단위면적당 갯수가 5개/㎡ 이하인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도전성 충전재는 상기 탄소나노튜브(CNT) 이외에 플레이크(flake) 또는 플레이트(plate) 형상의 도전성 입자를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도전성 입자는 크기가 0.5 내지 50 ㎛이고 두께가 5 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 도전성 입자의 중량비는 99:1 내지 90:10인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브(CNT) 또는 상기 도전성 입자는 이의 표면에 수산화기(-OH), 아민기(-NH2), 카르복시기(-COOH) 및 에폭시기(-O-)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 관능기를 갖는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기재 수지는 에틸렌 에틸아크릴레이트(EEA)나 에틸렌 부틸아크릴레이트(EBA) 또는 이들의 배합물인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기재 수지와 상기 절연층을 구성하는 기재 수지가 동일한 계열의 수지인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도전성 조성물은, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 가교제 0.1 내지 4 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도전성 조성물은, 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로, 윤활제 0.1 내지 2 중량부 및 산화방지제 0.1 내지 2 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연층을 감싸고 상기 반도전성 조성물로부터 형성된 외부 반도전층 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
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