KR20220054062A - 탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체 - Google Patents

탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체 Download PDF

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KR20220054062A
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Abstract

본 발명은 탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 폴리올레핀으로 이루어진 고분자 기재 95.0 내지 99.999wt%; 고분자 기재 내에 분산되는 탄소나노혼 0.001 내지 5.0wt%;를 포함하여 형성되고, 폴리올레핀의 용융점 이상에서 고분자 기재 내에 탄소나노혼이 균일하게 분산되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체를 기술적 요지로 한다.

Description

탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체{Carbon nanohorn-polymer composite, electrical insulator using this}
본 발명은 탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체에 관한 것이다.
스마트 그리드(SmartGrid) 및 슈퍼 그리드(SuperGrid)로 이어지는 전력 계통 환경 변화는 국가 단위를 넘어서 전 세계 전체를 아우를 수 있는 전력 에너지의 교류 시스템을 구축할 수 있는 가능성을 제시한다.
슈퍼 그리드 구축을 위한 다양한 기술 중에서 국가 간 전력의 실제 전송을 위해 필요한 기술은 고압직류송전(HVDC)이며, 이는 기존의 교류를 활용한 전력 송전을 대체하여 송전 효율 증진, 장경간 전력 송전 능력 등의 장점을 지니고 있다.
고압직류송전의 안정성 증대를 위해서는 전력 전송을 담당하는 코어 전도체를 감싸는 고분자 절연체의 절연 성능 향상이 필수적이다. 이 때문에, 절연 성능을 향상시키기 위한 다양한 시도 중 고분자 기재를 바탕으로 다양한 종류의 나노 필러들을 분산시킨 고분자 나노 복합체 제조 기술들이 최근 많은 주목을 받고 있다.
이러한 고분자에 충진되는 필러의 종류 및 양에 따라 고분자 복합체의 전기적 특성에 막대한 영향을 주며, 이러한 변화는 보통 기술적 목적에 잘 부합하는 편이다.
특히, 종래에는 실리카, 마그네슘 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 및 징크 옥사이드와 같은 금속 산화물 나노 필러들을 혼입하여 고분자 내 공간전하 축적 억제를 통해 절연 저항 및 절연 파괴강도를 증가시키는 기술들이 개발되어 왔다.
최근에는 '직류 전력 케이블용 고분자 복합체 및 제조방법(등록번호: 10-1907325)'에서 처럼, 그래핀과 같은 탄소나노구조체를 나노 필러로 사용하여 고분자의 절연 성능을 향상시킬 수 있는 결과가 보고되기도 하였다.
하지만, 종래의 나노 필러들의 사용은 고유의 뭉침 현상이 존재하고, 이를 해결하기 위한 표면 처리 등의 부가적 공정을 거쳐야만 하는 문제점이 있었다.
한편, 다양한 탄소나노구조체 중 탄소나노혼은 탄소나노튜브와 같은 일종의 나노탄소 물질로써, 2007년 6월 프랑스 오르레앙대학(University of Orleans)과 CNRS(Centre de recherche sur la matiere divisee) 연구진이 영국, 스페인 등과의 공동 학제 연구를 통해 발견되었다.
탄소나노혼에는 관형 구조가 있으며, 단일 그래핀 시트의 탄소나노튜브와 유사하나, 원뿔 각도가 약 20°이고 튜브 직경이 2~5nm인 긴 원뿔 모양의 팁이 있고 수천 개의 탄소나노혼이 직경이 80~100nm인 구형 집합체를 형성하며, 높은 분산성 및 전도 특성을 나타낼 뿐 아니라 고유의 고차(Hierarchical) 구조에 의한 매우 큰 비표면적에 의해 가스 흡착, 커패시터, 감지, 촉매 지지체, 복합재료 및 약물 전달 시스템 캐리어 등에 잠재적 응용이 가능하다.
따라서, 이러한 구조적 장점을 바탕으로 고분자의 절연 특성을 개선하기 위한 새로운 탄소나노구조체 필러로써의 응용이 필요한 실정이고, 고분자와의 적절한 공정 제어를 통한 복합화 기술의 개발이 필수적이다.
국내 등록특허공보 제10-1907325호, 2018.10.04.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 용융 공정을 통해 고분자 기재 내에 탄소나노혼을 균일하게 분산시켜 절연 특성을 향상시킬 수 있는 탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체를 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 폴리올레핀으로 이루어진 고분자 기재 95.0 내지 99.999wt%; 및 상기 고분자 기재 내에 분산되는 탄소나노혼 0.001 내지 5.0wt%;를 포함하여 형성되고, 상기 폴리올레핀의 용융점 이상에서 상기 고분자 기재 내에 상기 탄소나노혼이 균일하게 분산되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노혼-고분자 복합체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 폴리올레핀은, 고밀도 또는 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에폭시, 폴리부텐, 부텐-에틸렌 공중합체 및 부텐-프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소나노혼은, 탄소나노튜브가 집합되어 고차 구조의 집합체로 형성됨으로써, 비표면적이 50 내지 100m2/g인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소나노혼은, 10 내지 500nm 범위의 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 탄소나노혼-고분자 복합체를 포함하는 전기 절연체를 제공한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 탄소나노혼-고분자 복합체에 따르면, 별도의 화학적 표면처리를 하지 않고 큰 비표면적을 갖는 탄소나노혼을 용융 공정을 통해 고분자 기재 내에 분산시키고, 탄소나노혼 고유의 매우 높은 비표면적에 의해 전기적 내구성을 향상시킴으로써, 전기적 특성이 우수한 고전압 케이블용 절연 소재로 유용하게 활용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예 3을 나타낸 5,000배율 SEM 사진.
도 2는 실시예 3을 나타낸 120,000배율 SEM 사진.
도 3은 실시예 3을 나타낸 TEM 사진.
도 4는 비교예 1을 나타낸 1,500배율 SEM 사진.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
즉 본 발명은 탄소나노혼-고분자 복합체에 관한 것으로, 폴리올레핀(polyolefine)으로 이루어진 고분자 기재 95.0 내지 99.999wt%와, 고분자 기재 내에 분산되는 탄소나노혼 0.001 내지 5.0wt%;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 있어서, 폴리올레핀은 모노머로써, 올레핀(일반식 CnH2n을 갖는 알켄으로도 불림)으로부터 중합되어 제조된 폴리머의 유형이다. 다시 말하면, 폴리올레핀은 이중결합을 1개 이상 가지고 있는 사슬 또는 고리형 불포화 탄화수소의 종합체를 뜻한다.
이러한 폴리올레핀은 고밀도 또는 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에폭시, 폴리부텐, 부텐-에틸렌 공중합체 및 부텐-프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 경우에 따라, 폴리올레핀의 가교 고분자 형태로 형성될 수도 있다.
예컨대, 폴리에틸렌(PE: polyethylene)은 에틸렌 모노머을 중합시켜 만든 폴리올레핀이고, PP라고 불리는 폴리프로필렌(polypropylene)은 프로필렌(propylene) 모노머로부터 중합된 폴리올레핀이다.
폴리올레핀으로 이루어진 고분자 기재는 앞서 기술한 바 있듯이, 복합체 총 중량 중에서 95.0 내지 99.999wt% 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 고분자 기재가 95.0wt% 미만으로 포함되면 복합체 내에서 지지체 역할을 할 수 없어 물성이 좋지 못한 단점이 있으며, 99.999wt%를 초과하여 포함되면 탄소나노혼의 양이 적어지기 때문에 복합체의 전기적 내구성 향상에 도움을 주지 못한다.
본 발명에 있어서, 탄소나노혼은 탄소나노튜브에서 파생된 탄소나노 물질의 한 종류로, 한쪽 끝이 원뿔로 닫혀있으면서 선단을 날카롭게 만든 것을 의미한다. 이러한 탄소나노혼은 서로 결합되어 달리아 꽃형태의 어셈블리를 형성하게 된다.
탄소나노혼의 경우 0.001wt% 미만으로 포함되면 복합체의 교류 절연 파괴 강도 범위와 절연 저항의 범위를 최적으로 맞출 수 없으며, 5.0wt%를 초과하면 탄소나노혼 간 뭉침 현상이 발생하여 전기적 내구성이 오히려 감소된다. 이 때문에, 탄소나노혼은 복합체 총 중량 중에서 0.001 내지 5.0wt% 범위로 포함되도록 하는 것이 바람직하다.
특히 탄소나노혼은 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브와 같은 탄소나노구조체가 집합된 집합체로써, 고유의 고차 구조를 갖는 특징이 있다. 이러한 특징에 의해 탄소나노혼은 50 내지 100m2/g의 비표면적 범위를 가질 수 있다. 만약 탄소나노혼의 비표면적이 50m2/g 미만이면 고분자 기재와 탄소나노혼 간의 계면에 충분한 접촉력을 제공하지 못해 탄소나노혼의 분산을 방해하게 된다. 반대로, 탄소나노혼의 비표면적이 100m2/g을 초과하면 고분자 기재와 탄소나노혼의 계면에서 접촉은 충분히 될 수 있으나, 비표면적이 너무 커서 부반응이 야기되어 오히려 탄소나노혼-고분자 복합체의 전기적 절연 특성이 급격하게 저하되어 전기 절연체에 적용할 수 없는 단점이 있다. 따라서 탄소나노혼의 비표면적은 50 내지 100m2/g 범위인 것이 바람직하다.
또한 탄소나노혼은 그 크기가 10 내지 500nm로 형성될 수 있다. 탄소나노혼의 크기가 10nm 미만이면 고분자 기재 내에서의 분산성에는 유리할 수 있으나, 전기적 절연 특성 향상 기여에는 다소 미미한 효과를 보이고, 500nm를 초과하면 고분자 기재 내에서의 분산성이 균일하지 못하여, 결국 원하는 절연 저항값을 얻을 수 없는 단점이 있다.
본 발명에 있어서, 탄소나노혼-고분자 복합체는 고분자 기재인 폴리올레핀의 용융점 이상의 온도에서 고분자 기재가 용융되면서 고분자 기재와 탄소나노혼이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
폴리올레핀의 용융점은 상술한 폴리올레핀의 용융점에 해당될 수 있는 바, 폴리올레핀의 용융점을 100~200℃ 범위일 수 있다. 만약 100℃ 미만인 조건에서는 폴리올레핀이 용융되는데 까지 많이 시간이 소요되어 생산 측면에서 효율적이지 못하고, 200℃를 초과하는 조건에서는 너무 높은 온도로 인해 폴리올레핀의 물성 변형을 초래하기 때문에 바람직하지 않다. 예컨대 폴리에틸렌의 용융점은 약 110~140℃일 수 있으며, 폴리프로필렌의 용융점은 약 165~175℃일 수 있다.
상술한 바와 같이 용융 혼합 공정을 통해 고분자 기재 내에 탄소나노혼이 분산 형성되는 복합체는 우수한 교류 절연 파괴 강도(AC dielectric breakdown strength) 및 절연 저항을 통한 전기적 절연 특성을 가지게 된다.
내전압 특성을 나타내는 절연 파괴 강도는 그 값이 높을수록 우수한 절연성을 의미하는데, 고분자 기재와 탄소나노혼의 함량 조절을 통해 달성된다. 즉 고분자 기재가 95.0 내지 99.999wt%이고, 탄소나노혼이 0.001 내지 5.0wt%가 됨으로 인해 최적의 절연 파괴 강도를 달성할 수 있게 된다. 이에 따른 교류 절연 파괴 강도는 최소 105kV/mm 이상이 될 수 있다.
또한 절연 저항의 경우, 0.5E18Ω*㎝ 이상이 되어야 충분한 절연성을 확보할 수 있다. 이는, 고분자 기재를 95.0 내지 99.999wt%로 하고, 탄소나노혼을 0.001 내지 5.0wt%로 함으로 인해 절연 저항을 최소 0.5E18Ω*㎝ 이상으로 달성하게 되는 것이다.
정리하면, 본 발명은 탄소나노혼-고분자 복합체에 관한 것으로, 폴리올레핀으로 이루어진 고분자 기재 95.0 내지 99.999wt%와, 고분자 기재 내에 분산되는 탄소나노혼 0.001 내지 5.0wt%를 포함하여, 절연 저항이 0.5E18Ω*㎝ 이상인 전기적 절연 특성을 가질 수 있게 된다.
이에 따라 탄소나노혼-고분자 복합체는 별도의 화학적 표면처리를 하지 않은 탄소나노혼을 용융 공정을 통해 고분자 내에 분산시킨 복합체로써, 탄소나노혼과 고분자 간 계면에서의 전하들이 트랩됨으로 인해 전기적인 내구성 향상을 확보할 수 있으므로, 다양한 전기 절연체에 적용이 가능한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
폴리프로필렌 99.999wt%와 탄소나노혼 0.001wt%을 열간 가압 성형하여 용융 혼합된 탄소나노혼-폴리프로필렌 혼합물을 제조하고, 이를 200℃로 예열된 열간 가압 성형기에 투입하여 20MPa의 압력 하에서 10분 간 가압 성형한 후 급랭하여 시트형 샘플을 제조하였다.
<실시예 2>
폴리프로필렌 99.9wt%와 탄소나노혼 0.1wt%을 열간 가압 성형하여 용융 혼합된 탄소나노혼-폴리프로필렌 혼합물을 제조하고, 이를 200℃로 예열된 열간 가압 성형기에 투입하여 20MPa의 압력 하에서 10분 간 가압 성형한 후 급랭하여 시트형 샘플을 제조하였다.
<실시예 3>
폴리프로필렌 99.5wt%와 탄소나노혼 0.5wt%을 열간 가압 성형하여 용융 혼합된 탄소나노혼-폴리프로필렌 혼합물을 제조하고, 이를 200℃로 예열된 열간 가압 성형기에 투입하여 20MPa의 압력 하에서 10분 간 가압 성형한 후 급랭하여 시트형 샘플을 제조하였다.
<실시예 4>
폴리프로필렌 99.0wt%와 탄소나노혼 1.0wt%을 열간 가압 성형하여 용융 혼합된 탄소나노혼-폴리프로필렌 혼합물을 제조하고, 이를 200℃로 예열된 열간 가압 성형기에 투입하여 20MPa의 압력 하에서 10분 간 가압 성형한 후 급랭하여 시트형 샘플을 제조하였다.
<실시예 5>
폴리프로필렌 95.0wt%와 탄소나노혼 5.0wt%을 열간 가압 성형하여 용융 혼합된 탄소나노혼-폴리프로필렌 혼합물을 제조하고, 이를 200℃로 예열된 열간 가압 성형기에 투입하여 20MPa의 압력 하에서 10분 간 가압 성형한 후 급랭하여 시트형 샘플을 제조하였다.
<비교예 1>
탄소나노혼을 사용하지 않고, 폴리프로필렌 100wt%만을 열간 가압 성형하고, 이를 200℃로 예열된 열간 가압 성형기에 투입하여 20MPa의 압력 하에서 10분 간 가압 성형한 후 급랭하여 시트형 샘플을 제조하였다.
실시예 1 내지 5, 비교예 1에서 사용되는 폴리프로필렌과 탄소나노혼의 함량은 하기 표 1에 정리하여 나타내었다.
성분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 1
폴리프로필렌(wt%) 99.999 99.9 99.5 99.0 95.0 100
탄소나노혼(wt%) 0.001 0.1 0.5 1.0 5.0 0
도 1은 실시예 3을 5,000배율 SEM 사진으로 나타낸 것이고, 도 2는 실시예 3을 120,000배율 SEM 사진으로 나타낸 것이다. 도 1과 도 2에 나타난 바와 같이, 폴리프로필렌에 탄소나노혼이 분산된 상태를 유지하고 있음을 알 수 있다. 특히, 실시예 3을 TEM 사진으로 나타낸 도 3을 참조하면, 폴리프로필렌에 분산된 탄소나노혼의 형상이 파괴되지 않고 균일하게 존재하여 분산 안정성이 달성됨이 확인된다. 반면, 도 4는 비교예 1을 1,500배율 SEM 사진으로 나타낸 것으로, 탄소나노혼의 존재가 확인되지 않으며, 폴리프로필렌 100wt%만으로 이루어짐을 알 수 있다.
<시험예 1>
교류 절연 파괴 강도(AC BDV) 분석 시험
실리콘 절연유에 함침한 샘플(실시예 1 내지 5, 비교예 1)의 양단에 구형 전극을 접촉시킨 후, 1.5kV/초의 속도로 전압을 상승시키면서 인가한 후 파괴가 일어나는 시점의 교류 절연 파괴 전압을 측정하였고, 와이블(Weibull) 분포의 형상 모수를 통해 평균 교류 절연 파괴 강도(평균 AC BDV)를 계산하였다. 교류 절연 파괴 강도 분석 시험에 따른 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 1
AC BDV
(kV/mm)		 169.33 178.39 143.02 117.65 105 97
표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 5에 따른 샘플을 이용하면 AC BDV가 약 105~180kV/mm 범위에 해당됨으로써, 교류 절연 파괴 강도의 향상 효과가 확인된다. 반면, 비교예 1에서와 같이 탄소나노혼이 첨가되지 않은 폴리프로필렌에서는 실시예 1 내지 5에서와는 달리, 교류 절연 파괴 강도가 상대적으로 감소된 값을 보임이 확인된다.
절연 저항 분석 시험
Kiethley 8009 저항률 시험 고정부와 6517 electrometer를 사용하여, 샘플을 가로질러 5kV의 전압을 10분 간 인가한 후 누설 전류를 측정하였다. 이어서 저항률(R)이 다음의 관계식에 사용되며, 필름의 두께(t)를 고려하여 체적 저항이 산출되었다. R = A * V (I * t), 여기서 R은 Ω*cm 단위의 체적 저항률이며, A는 cm2 단위의 전극 면적이며, V는 전압이고 I는 Ampere 단위의 전류이며, t는 cm 단위의 필름 두께이다. 절연 저항 분석 시험에 따른 결과는 하기 표 3에 정리하여 나타내었다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 1
절연 저항
(Ω*㎝)		 4.7E17 1.2E18 4.2E18 2.6E18 8.7E17 8.6E16
표 3에서와 같이 절연 저항 관련하여, 실시예 1 내지 5에서는 높은 절연 저항값을 가지는 반면, 비교예 1의 경우 절연 저항값이 8.6E16Ω*㎝로 낮게 측정됨을 알 수 있다.
상술한 실시예 및 시험예의 결과로부터, 본 발명은 탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체에 관한 것으로, 폴리올레핀으로 이루어진 고분자 기재 95.0 내지 99.999wt%와, 고분자 기재 내에 분산되는 탄소나노혼 0.001 내지 5.0wt%를 포함하여, 폴리올레핀 용융점 이상의 온도에서 용융 혼합하여 고분자 기재 내에 탄소나노혼이 균일하게 분산됨으로써 전기적 절연 특성을 가질 수 있는데 특징이 있다.
이처럼 본 발명은 탄소나노혼에 별도의 화학적 표면처리를 하지 않고도 고분자 기내 내에서의 균일한 분산 안정성을 달성할 수 있으므로, 동력 장비, 전선 및 인쇄 회로 기판 등의 절연선에 적용할 수 있는 전기 절연체에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 폴리올레핀으로 이루어진 고분자 기재 95.0 내지 99.999wt%; 및
    상기 고분자 기재 내에 분산되는 탄소나노혼 0.001 내지 5.0wt%;를 포함하여 형성되고,
    상기 폴리올레핀의 용융점 이상에서 상기 고분자 기재 내에 상기 탄소나노혼이 균일하게 분산되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노혼-고분자 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀은,
    고밀도 또는 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에폭시, 폴리부텐, 부텐-에틸렌 공중합체 및 부텐-프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노혼-고분자 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노혼은,
    탄소나노튜브가 집합되어 고차 구조의 집합체로 형성됨으로써, 비표면적이 50 내지 100m2/g인 것을 특징으로 하는 탄소나노혼-고분자 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노혼은,
    10 내지 500nm 범위의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노혼-고분자 복합체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 탄소나노혼-고분자 복합체를 포함하는 전기 절연체.
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