WO2017048070A1 - 고함량의 세라믹을 가지는 변성 pai 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 프라이머층; 프라이머층의 표면에 형성되는 것으로, 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 주절연층; 주절연층의 표면에 형성되는 것으로, 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함된 탑코팅층;을 포함하는 다층구조로 이루어지는 각형코일 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 본 발명에 따르면 각 층을 이루는 절연바니쉬 전체 중 세라믹이 고함량 포함되어 있으며, 각형 코일임에도 휨/꼬임 변형시 접착력, 크랙저항성, 고열전도성, 고윤활성, 내마모성 및 고절연성(내전압, 방전내구성)의 특성을 만족시킬 수 있는 효과 가 있다.

Description

고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법

본 발명은 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI(polyamideimide) 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도체 표면과의 접착성과 유연성이 우수하도록 glycol류가 고분자 중간에 도입된 triblock-PAI 공중합체에 졸 상태의 세라믹이 첨가된 프라이머용 하이브리드 바니쉬, 유연성과 강성률을 갖도록 고분자 내에 아미드기의 함량이 많아지게 AA(adipic acid)가 도입된 AA-PAI 또는 glycol류로 변형된 PUAI(polyurethanamideimide)에 졸 상태의 세라믹이 첨가된 주절연용 하이브리드 바니쉬, 표면장력이 낮은 실리콘으로 변성된 PDMS-PAI에 졸 상태의 세라믹이 첨가된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬가 다층 구조로 코팅되어 절연바니쉬 전체 중 세라믹이 고함량 포함되어 있으며, 각형 코일임에도 휨/꼬임 변형시 접착력, 크랙저항성, 고열전도성, 고윤활성, 내마모성 및 고절연성(내전압, 방전내구성)의 특성을 만족시킬 수 있는 고함량의 세라믹을 가지는 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

전기의 사용 이래 전기기기나 부품들의 에너지 고효율화, 소형화, 장기신뢰성 향상은 끊임없이 진행되어 왔으며, 소형화와 고효율화를 위해 도체의 각형화는 불가피하게 되고 있다.

그러나 전압이 인가되는 도체가 각형화되면 곡각 부위에 전계가 집중되어 절연신뢰성이 문제가 되므로, 극한적 절연내구성을 가지는 새로운 소재의 개발 없이는 매우 어려운데, 최근 고분자 바니쉬에 나노급 콜로이드 세라믹을 융합한 유무기 하이브리드 바니쉬소재의 적용이 시도되어 왔으나, 고분자량의 수지에 액상 콜로이드 세라믹이 고함량으로 첨가되면 금속과의 접착력이 저하되어 휨/꼬임 변형시 크랙이 발생하는 실정이다.

통상적으로 발전기나 변압기용의 각형 도체는 곡각부 반경이 0.5㎜ 이상 되게 하여 널리 사용되고 있으며, 대부분 고분자수지 단독의 절연바니쉬로 절연처리가 가능하다.

최근 1㎜² 정도의 단면적을 가진 모터코일도 소형 고집적화를 위해 각형화 필요성이 대두되고 있는데, 이때 각형 도체의 곡각부 반경이 0.3㎜ 이하가 되어야 한다. 곡각부 반경이 작아지면 곡각부 각이 날카로워지고 전계가 집중되어 세라믹이 고함량으로 첨가된 하이브리드 바니쉬의 사용이 불가피한데, 이러한 세라믹 고함량 절연바니쉬로 절연처리된 코일을 벤딩하게 되면 기계적 파손이 쉽게 발생한다는 문제점이 있다.

최근까지 하이브리드 바니쉬 절연 코일과 관련하여서 에나멜선의 내열성, 내코로나, 가공성을 향상시키는 방법과 기술에 관한 특허가 다수 출원되어 있다.

외국기술의 경우 미국 GE사 폴리에스터, 폴리아미드이미드 바니쉬에 나노 입자를 분산시켜 코로나 억제용 에나멜선을 상용화한 바 있고, 듀퐁사는 전기자동차용 전동기의 부분방전 억제용으로 무기필러를 5%정도 합성한 에나멜코일을 개발한 바 있다. 일본 히다찌케이블의 경우는 고점적형 하이브리드 절연전선을 다양하게 개발하여 최고 72%의 고점적형이 가능한 고효율 전동기를 개발 중이다. 후루가와, 히다찌케이블 등에서는 최근 나노복합기술을 기반으로 하여 인버터구동 전동기의 코로나를 억제할 수 있는 에나멜전선을 개발하였다. 주로 무기물 나노입자를 컴파운딩하는 기술에서 최근 졸겔(Sol-gel)방법이 도입되어 일본, 미국, 중국 등에서도 용해혼합방식과 슬러지 코팅방식 등이 연구되면서 양산화에 유리한 공정 개발이 많이 이루어지고 있다.

국내의 경우 기존 전동기용 권선은 폴리우레탄계(PUE), 폴리에스터계(PE), 폴리에스터이미드계(PEI) 및 폴리아미드이미드계(PAI) 등의 단일 수지를 단층 또는 이중으로 에나멜 처리하여 용도에 따라 선택할 수 있게 제작, 생산되고 있다. 최근 냉동기 또는 에어콘 컴프레셔용의 고온(200℃) 열내구형에 적합한 자기 윤활형(self lubricated type) 권선이 개발되고 있으나, 전동기 점적율 향상을 위한 기술적 접근은 아직 미진하며, 코로나 침식 내구성에 대한 적극적 대체 기술은 아직 이루어지고 있지 않다.

프레미엄급 고효율 모터나 고집적 전력기기에는 현재까지 알려진 내열등급이 가장 높은 N, C급의 PAI/PI 절연바니쉬들이 사용되고 있지만, 선진국에서는 절연바니쉬의 고성능화를 위해서 이들 소재에 세라믹을 첨가한 나노복합 절연바니쉬의 개발이 진행되어 상업적 활용이 시도되고 있다.

코일의 탑코팅제에서 고윤활성이 요구되어 표면에너지가 낮은 PDMS(polydimethylsiloxane)의 사용이 검토되어 왔으나, 강도가 약하고 타소재와의 접착력이 낮아 단독으로 사용하기 힘들다. 소수성(hydrophobic)인 PDMS와 극성이 강한 PI(polyimide), PA(polyamide) 및 PAI 등을 물리적으로 혼합(blending)하게 되면 macroscopic scale에서 상분리가 일어나게 된다. 하지만 서로 다른 표면에너지를 가지는 화학물질들을 공유결합을 통해 하나의 공중합체(copolymer)로 만드는 경우 이러한 상분리를 효과적으로 줄일 수 있다.

한편, 표면에너지가 낮고 유연성이 높은 실리콘과 유기분자의 공중합체는 소량을 첨가하여도 실리콘 부분이 코팅제 표면층에 노출되는 것이 용이하여 낮은 표면 장력을 얻을 수 있다는 장점을 가진다.

한편, 코일이 내장되는 전기기기나 부품의 소형화(집적도 증가)시 발열에 의해 효율이 저하되고 열열화나 방전열화로 인해 절연성능 저하가 문제되어 바니쉬의 열전도율 향상을 위해서도 세라믹이 고함량으로 첨가된 하이브리드 절연바니쉬의 사용은 불가피하다. 절연바니쉬 소재의 열전도율이나 고주파전원 및 인버터 제어기기에의 서지내구성은 세라믹의 함량이 증가함에 따라 크게 증가하기 때문에 고함량 세라믹 첨가의 상업적 중요성이 부각되고 있지만 휨/꼬임 변형시 크랙발생이 문제되어 고함량 첨가는 매우 어려운 실정이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 각형의 도체 표면에 변성 PAI에 고함량의 세라믹을 포함하는 나노하이브리드 절연바니쉬들이 프라이머층, 주절연층 및 탑코팅층의 다층 구조로 코팅됨으로써, 휨/꼬임 변형시 접착력, 크랙저항성, 고열전도성, 고윤활성, 내마모성 및 고절연성(내전압, 방전내구성)의 특성을 만족시킬 수 있는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 길이 방향으로 길게 형성되는 금속도체; 상기 금속도체의 표면에 형성되는 것으로, 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 프라이머층; 상기 프라이머층의 표면에 형성되는 것으로, 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성되어 이루어지는 주절연층; 및 상기 주절연층의 표면에 형성되는 것으로, 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 탑코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일을 기술적 요지로 한다.

바람직하게는 상기 프라이머층의 변성 폴리아미드이미드는, oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPA-oxyethylene glycol(BPA OEG) 및 adipic acid(AA) 중 어느 하나를 중심으로 양 말단에 폴리아미드이미드가 합성된 변성 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되도록 하고, 1~10wt%의 졸 상태의 세라믹이 더 포함되도록 한다.

그리고 상기 주절연층의 변성 폴리아미드이미드는, 폴리아미드이미드(PAI)에 아디프산(AA)이 합성되어 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많은 아디프산-폴리아미드이미드(AA-PAI)이거나, 글리콜류가 도입된 우레탄변성 폴리아미드이미드(PUAI, polyurethaneamideimide)의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되도록 하며, 5~25wt%의 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성되도록 한다.

더욱 바람직하게는 상기 탑코팅층의 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는, 다이블록 공중합체(PAI-PDMS) 또는 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)이고, 탑코팅층에는 10~30wt%의 졸 상태의 세라믹이 더 포함되도록 한다.

한편 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 길이 방향으로 길게 형성되는 금속도체의 표면에 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 프라이머층을 형성하는 제1단계; 상기 프라이머층의 표면에 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성되어 이루어지는 주절연층을 형성하는 제2단계; 및 상기 주절연층의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 탑코팅층을 형성하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

바람직하게는 상기 제1단계에서의 변성 폴리아미드이미드는, oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPA-oxyethylene glycol(BPA OEG) 및 adipic acid(AA) 중 어느 하나를 중심으로 양 말단에 폴리아미드이미드가 합성된 변성 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되고, 제1단계에서의 프라이머층은, 졸 상태의 세라믹이 더 포함되되, 상기 졸 상태의 세라믹은 1~10wt%의 범위로 혼합되도록 한다.

그리고 상기 제2단계의 변성 폴리아미드이미드는, 폴리아미드이미드(PAI)에 아디프산(AA)이 합성되어 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많은 아디프산-폴리아미드이미드(AA-PAI)이거나, 상기 제2단계의 변성 폴리아미드이미드는, 글리콜류가 도입된 우레탄변성 폴리아미드이미드(PUAI, polyurethaneamideimide)의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되도록 하고, 상기 제2단계의 주절연층의 졸 상태의 세라믹은, 5~25wt%로 첨가되도록 한다.

더욱 바람직하게는 상기 제3단계의 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는, 다이블록 공중합체(PAI-PDMS) 또는 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)이고, 상기 탑코팅층에는 졸 상태의 세라믹이 더 포함되되, 상기 졸 상태의 세라믹은 10~30wt%의 범위로 혼합되도록 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법은, 각기 다른 화학적 구조로 변성되어 프라이머층, 주절연층 및 탑코팅층의 고분자에 나노급의 세라믹이 고함량으로 포함된 각각의 바니쉬소재들이 각형의 도체에 연속적으로 코팅됨으로써, 휨/꼬임 변형시에도 접착력, 크랙저항성, 고열전도성, 고윤활성, 내마모성 및 고절연성(내전압, 방전내구성)의 특성을 만족하는 효과가 있다.

그리고 극한 환경에 사용되거나 절연신뢰성이 특별히 요구되는 분야에 적용되는 코일은 절연피막의 방전내구성과 열전도성 향상이 반드시 필요한데, 각형의 도체에 고함량 세라믹이 첨가된 하이브리드 바니쉬가 적용된 코일이 휨/코임 변형시 절연바니쉬에서 요구되는 제반 물성확보 외에 극한환경에서도 절연신뢰성이 우수하다는 효과가 있다.

뿐만 아니라, PAI-PDMS-PAI 공중합체를 포함하는 PAI를 탑코팅층의 절연제로 사용함으로써 윤활성을 높여 와인딩시 작업을 용이하게 하고, 모터 제조시 작은 힘에서 와인딩이 잘 되게 할 뿐만 아니라 절연피막의 손상을 낮출 수 있는 효과가 있다.

이와 같은 각형 코일로 제조된 전기기기나 부품은 집적도가 높아 소형화가 가능하고, 열확산성이 우수하여 에너지효율이 증대되며, 절연열화 내구성이 증가되어 수명이 늘어나 유지보수비가 적게 들어 경제적인 효과가 크다.

도 1은 졸 상태의 세라믹의 고함량 바니쉬로 절연처리된 각형 코일의 벤딩시 크랙 발생 개념도.

도 2는 폴리아미드이미드와 실리카졸 하이브리드 바니쉬 코팅막에서 세라믹 함량 증가로 인한 크랙 발생크기의 비교도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 하이브리드 바니쉬를 이용한 각형 코일의 연속코팅공정이 적용된 개발품.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 각형 코일을 적용한 모터 슬럿의 단면도.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 바니쉬로 절연처리된 3중층의 각형 코일 단면도.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리아미드이미드 수지의 구조.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AA-PAI와 PUAI의 합성 및 캡핑 scheme.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탑코팅용 하이브리드 바니쉬의 실리콘 공중합체 또는 캡핑된 폴리아미드아미드의 구조.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코팅기술로 제작된 코일 시제품의 실사도.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코일 규격시험의 표.

도 11은 기존 각형 코일 및 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다층 구조 각형 코일의 굴곡 특성 비교도.

도 12는 기존 일반 PAI 바니쉬의 특성시험 그래프.

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 복층 구조로 제작된 폴리아미드이미드 각형 코일의 특성시험 그래프.

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BPA-OEG5 PAI triblock copolymer의 화학구조.

본 발명을 기술하기에 앞서, 통상 내열성이 우수한 N, C종의 절연바니쉬소재로는 열내구성, 절연성능(내전압특성, 서지내구성), 접착성, 유연성 및 고인성 등이 우수한 폴리아미드이미드가 주로 사용되고 있다.

전기기기나 부품의 집적도를 높여 소형경량화하고 에너지 효율을 증대시키기 위하여 도체의 사각형화가 진행되고 있으며, 절연소재의 서지내구성과 열전도율 향상을 위해 수지에 나노급 세라믹의 첨가가 불가피해지고 있다.

그러나 각형의 도체에 졸 상태의 세라믹이 5wt% 이상으로 첨가된 유무기 하이브리드 절연바니쉬를 코팅처리하게 되면 휨/꼬임 변형시 금속과 바니쉬소재 간의 탈리가 발생하거나 연신과 압축을 받는 소재의 절연피막에 크랙이 발생하게 된다.

도 1은 졸 상태의 세라믹의 고함량 바니쉬로 절연처리된 각형 코일의 벤딩시 크랙 발생 개념도이다. 도 1을 참고하면, 졸 상태의 세라믹이 고함량으로 첨가된 바니쉬로 절연처리된 각형 코일의 휨 변형시 크랙 발생이 증가됨을 알 수 있다.

즉, 외곽에 코팅된 절연코팅층과 구리 표면과의 계면에서 강한 스트레스가 발생하게 되는데, 이때 수지 유연성이 부족하거나, 실리카와 수지 간 계면결합력이 취약하거나, 구리 표면과의 접착력이 약할 때, 도 1에서와 같이 절연코팅층에서의 파괴가 일어나게 된다.

코일을 이용하여 전기기기나 부품 제작시 휨 변형은 불가피하게 생기는데, 외측부위의 코팅막은 연신 스트레스를 받고 내측부위의 코팅막은 압축 스트레스를 받게 된다. 이로 말미암아, 구리 도체의 표면에 코팅되는 절연바니쉬에 첨가된 세라믹의 함량이 증가할수록 동일한 휨 변형에서도 기계적 파손이 크게 발생하여 세라믹 함량의 증대가 매우 어려워진다. 이는 세라믹의 첨가로 고분자피막의 유연성과 신율이 줄어들기 때문인데, 도체의 형상이 환형일 경우보다 각형일 경우 변형시 받는 기계적 스트레스가 더 크므로, 각형 코일의 파손이 더욱 심하게 발생하는 것으로 밝혀지고 있다.

도 2는 폴리아미드이미드와 실리카졸 하이브리드 바니쉬 코팅막에서 세라믹 함량 증가로 인한 크랙 발생크기의 비교도이다. 도 2를 참조하면, 폴리아미드이미드와 실리카졸 하이브리드 바니쉬에 실리카 함량 증가에 따라 코팅막의 크랙 발생이 증가됨을 알 수 있다.

즉 180° 벤딩 테스트의 모식도인데, 도 2와 같이 코팅된 구리쉬트를 접고 그 사이에 일정한 두께를 지니는 스페이서를 위치하게 한 다음, 충분한 압력을 가함으로써 구리쉬트가 휘어진 부분에서 스트레스가 발생하게 하는 방법이다.

이에 따라, 실험 후 구리쉬트가 휘어진 부분의 코팅층을 이미지 분석하여 크랙 발생 정도를 확인함으로써 코팅층의 구리에 대한 밀착성을 평가하게 된다. 도 2에서 보듯이 실리카 나노입자 함유량이 많아질수록 코팅층이 딱딱하게 되어(brittle) 외부 스트레스에 의하여 크랙이 발생하는데, 하이브리드 바니쉬에서 졸 상태의 세라믹의 함량이 증가함에 따라 동일한 휨 변형에도 크랙이 더욱 크게 발생하는 것을 알 수 있다.

특히, 각형 코일인 경우 환형 코일과는 달리 발생하는 스트레스가 각진 부위 인근에 집중되므로, 이러한 코팅피막의 파괴가 더욱 심각하게 발생하게 된다. 따라서 소형화 및 고점적화를 위해서는 코일의 각형화가 요구되고 전기적, 열적 특성을 향상시키기 위해서 실리카 나노입자가 고함량으로 첨가된 나노하이브리드 바니쉬소재가 불가피한데, 절연코팅막의 기계적 강도와 접착력을 향상시켜 절연층의 파손을 해결할 수 있는 기술이 매우 중요하다 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 하이브리드 바니쉬를 이용한 각형 코일의 연속코팅공정이 적용된 개발품이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 개발품인 하이브리드 바니쉬를 이용한 각형 코일도 연속코팅이 가능함을 알 수 있다.

즉 코팅액의 최적 점도와 다이스의 구조 제어를 통하여 편심이 없고 곡각부와 평면부의 두께편차가 최소화되도록 제조한다. 이는 프라이머용 하이브리드 바니쉬를 2~4회, 주절연용 하이브리드 바니쉬를 10~14회, 탑코팅용 하이브리드 바니쉬를 1~2회 단계적으로 코팅하여 제조된 각형 코일이며, 코팅공정에서 분리된 별도의 바니쉬 함침조의 배치에 따라 3층 구조를 연속적으로 제조할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 각형 코일을 적용한 모터 슬럿의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 코일의 집적도 증가로 동일크기와 같은 수의 도체가 들어가면 슬럿의 크기가 10~15%로 작아짐을 도시하였다.

말하자면, 코일의 집적도 증가로 동일 크기와 같은 수의 도체가 들어가면 슬럿의 크기가 작아짐(10~15%)으로써 전기기기의 크기(무게, 부피)를 줄일 수가 있으며, 동일한 크기에 코일 수를 늘려 출력을 높일 수도 있다. 동일 공간에 삽입가능한 코일 수는 구조형상 외에도 기기제조시의 코일을 어느 정도의 힘으로 감느냐에 달려 있는데, 표면의 마찰계수가 낮으면 같은 힘을 가해도 빽빽이 감을 수 있고 코일표면 재료의 파손도 막을 수 있는 장점이 있어서 고윤활 코팅소재는 중요하다할 것이다.

다시 말하여, 모터의 스테이터에 코일을 감을 때 도 4의 오른쪽에 도시된 기존 환형의 경우 형상적으로 공간을 채울 수 있는 비율이 60～70%가 가능하지만, 도 4의 왼쪽에 도시된 각형 코일을 제작하여 공간을 채우는 경우 최대 85%까지 적층이 가능하다. 이에 따라 모터 체적도 7~10% 정도 줄어들고 효율 면에서도 10~15% 정도 향상을 기대할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고함량의 세라믹을 가지는 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일에 대하여, 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 바니쉬로 절연처리된 3중층의 각형 코일 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고함량의 세라믹을 가지는 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일은 금속도체(10), 프라이머층(20), 주절연층(30) 및 탑코팅층(40)으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 금속도체(10)는 길이 방향으로 길게 형성되는 것으로, 단일 성분 또는 얼로이(합금, alloy) 등이 길이 방향으로 길게 형성된다 할 것이다.

내용인즉, 전기전도성이 우수하고 휨 변형성이 적절한 구리, 알루미늄 및 이들의 얼로이로부터 어느 하나가 선택적으로 해당될 수 있다.

이러한 금속도체(10)는 압연으로 선재를 제조한 후, 각형의 고경도 다이스를 이용하여 연신하면서 각형 모양을 형성시킬 수 있다.

본 발명의 프라이머층(20)은 금속도체(10)의 표면에 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 프라이머용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 층으로, 금속도체(10)의 표면에 프라이머용 하이브리드 절연제가 코팅되는 층이라 할 수 있다.

여기서 프라이머용 하이브리드 바니쉬는 금속과의 접착력과 유연성 확보를 위해 oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG) , BPA-oxyethylene glycol(BPA OEG) 및 AA 등으로 변성된 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체에 졸 상태의 세라믹을 1~10wt%의 함량으로 하이브리드한 바니쉬소재가 적용된다.

이때 프라이머용 하이브리드 바니쉬의 변성 폴리아미드이미드는 oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPA-oxyethylene glycol(BPA OEG) 및 AA 중 어느 하나를 중심으로, 양단에 폴리아미드이미드가 합성되는 변성 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체인 것으로, 상기와 같은 유연성 화학구조가 고분자 사슬 내에 많이 포함되면 열내구성이 저하되므로 폴리아미드이미드 분자의 분자량이 20,000~200,000 정도로 중합되고 있는 중간에 앞서 제시된 glycol들을 투입하여 triblock-PAI 공중합체 구조가 되도록 합성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 주절연층(30)은 프라이머층(20)의 표면에 아미드기가 상대적으로 많은 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 주절연용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 층이다.

여기서 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄이 포함된 변성 폴리아미드이미드는, 폴리아미드이미드(PAI)에 아디프산(AA)이 합성되어 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많은 아디프산-폴리아미드이미드(AA-PAI) 또는 클리콜류가 포함된 PUAI의 양단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 주절연용 하이브리드 바니쉬에는 5~25wt%의 졸 상태의 세라믹이 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 탑코팅층(40)은 주절연층(30)의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 10~30wt%로 혼합 형성된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 층으로, 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드 공중합체를 의미한다. 이러한 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드 공중합체는 다이블록 공중합체(PAI-PDMS), 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)를 포함한다.

고윤활-자기융착성을 가진 탑코팅 소재의 개발을 위해 낮은 표면에너지를 가지는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 폴리아미드이미드와 공유결합을 통해 공중합체(copolymer)를 만들 수 있다. 이처럼 서로 다른 표면에너지를 가지는 화학물질들을 공유결합을 통해 하나의 공중합체(copolymer)로 만드는 경우 상분리를 효과적으로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 공중합체 중에서 PAI-PDMS-PAI의 triblock copolymer의 경우 표면에 노출되는 PDMS에 의해 표면에너지가 낮아져 윤활성이 생기고 단독으로 존재하지 않기 때문에 자기융착도 가능한 특징을 가진다.

본 발명의 졸 상태의 세라믹에 사용되는 세라믹은 알루미나, 실리카, 질화붕소 또는 기타 전기절연성 세라믹이 사용된다. 즉, 변성 폴리아미드이미드, 아미드기가 상대적으로 많은 변성 폴리아미드이미드 및 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드에 각각 혼합되는 졸 상태의 세라믹은 알루미나, 실리카, 질화붕소 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 전술된 고함량의 세라믹을 가지는 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 특징과 더불어, 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다.

이에 앞서, 본 발명인 프라이머층(20), 주절연층(30) 및 탑코팅층(40)에 코팅되는 절연제의 근간인 폴리아미드이미드는 다음과 같이 설명될 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리아미드이미드 수지의 구조이다. 내열등급이 N, C종에 해당되는 근간인 폴리아미드이미드 수지는 도 6에서와 같은 화학적인 기본 구조를 가지고 있으며, 내열성 및 절연성이 우수하지만 수지의 강성률이 높아 세라믹을 고함량으로 첨가하면 접착성과 유연성에서 한계를 보여, 각각의 소재별로 세라믹의 고함량 첨가가 가능하고 요구되는 기능성에 맞도록 폴리아미드이미드 분자를 화학적으로 개질화시킴이 바람직함을 알 수 있다.

즉 디이소시아네이트 화합물과 산무수물 화합물을 일정한 양론비로 반응시켜 말단에 일정량의 이소시안(-NCO)기를 가지는 폴리아미드이미드를 합성하게 되는 것이다.

참고로, 디이소시아네이트 화합물은 4,4'-메틸렌비스(페닐 이소시아네이트) (4,4'-Methylenebis(phenyl isocyanate)), 2,4-메틸렌비스(페닐 이소시아네이트) (2,4-Methylenebis(phenyl isocyanate)) 및 이의 유도체들 중 어느 하나 이상을 선택적으로 사용할 수 있다. 그리고 산무수물 화합물은 TMA(Trimellitic anhydride) 및 이의 유도체들 중 어느 하나 이상을 선택적으로 사용할 수 있다.

이처럼 근간 수지인 폴리아미드이미드를 이용하여 프라이머 절연제용으로 유연고접착성의 triblock-PAI 공중합체, 주절연제용으로 고유연성의 Capped AA-PAI나 PUAI, 탑코팅 절연제용으로 고윤활성의 PDMS-PAI 등 특화된 수지를 합성하여 실란 처리된 졸 상태의 세라믹들을 하이브리드화하는 것이 바람직하며, 졸 상태의 세라믹이 고함량(10~25wt%)으로 포함된 절연바니쉬임에도 불구하고, 각각의 프라이머 절연제, 주절연제, 탑코팅 절연제가 계층적으로 코팅된 각형 코일 제조에 어려움이 없었으며, 코일에서 요구되는 제반물성을 만족시킬 수 있다.

먼저, 제1단계는 길이 방향으로 길게 형성되는 금속도체(10)의 표면에 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 프라이머용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 프라이머층(20)을 형성하는 단계이다.

즉 제1단계는 금속도체(10)의 표면에 프라이머용 하이브리드 바니쉬를 코팅하는 것으로, 프라이머용 하이브리드 바니쉬는 금속과의 접착력과 유연성 확보를 위해 oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPA-oxyethylene glycol(BPA OEG), AA 등으로 변성된 triblock-PAI 공중합체에 졸 상태의 세라믹이 1~10wt%의 함량으로 첨가된 하이브리드 바니쉬소재가 적용된다.

이와 같은 유연성 화학구조가 고분자 사슬 내에 많이 포함되면 열내구성이 저하되므로 폴리아미드이미드 분자의 분자량이 20,000~200,000으로 중합되고 있는 중간에 상기 glycol들을 투입하여 triblock-PAI 공중합체 구조가 되도록 합성하는 것이다.

이때 유연성과 접착성이 우수해야 하는 금속 계면에 형성되는 프라이머층(20)은 세라믹의 고함량 처방시 유연성과 밀착성이 취약해지므로, 콜로이드 실리카졸을 1~10wt% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 만약 졸 상태의 세라믹이 1 wt% 미만이면 열적 특성과 전기적 특성의 향상 효과가 적고, 10wt%를 초과하면 오히려 유연성과 밀착성이 취약해질 수 있기 때문이다.

다음으로, 제2단계는 프라이머층(20)의 표면에 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 주절연용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 주절연층(30)을 형성하는 단계이다.

제2단계에서 형성되는 주절연층(30)은 프라이머층(20)의 표면에 후막으로 코팅되어 기본적인 절연성과 기계적 강성률 외에 방전내구성(서지내구성)을 가져야 하는데, 고분자 단독으로는 방전내구성이 크게 부족하기 때문에 나노수준 세라믹의 고함량 복합화를 통하여 이러한 한계를 극복하게 된다.

주절연층(30)의 수지의 유연성 증가 및 주절연층(30) 내 실리카/수지 간 계면결합력 강화를 통해 세라믹의 고함량 첨가시 문제가 되는 기계적 파손을 막기 위한 고분자의 분자적 조작이 필요하다.

주절연층(30)에서는 폴리아미드이미드 수지의 분자량 및 화학구조의 조절을 통한 수지 유연성 증대 방안, 실리카 나노입자 표면처리를 통한 실리카/수지 간 계면결합력 강화로 외부 스트레스에 대한 내크랙성 향상이 요구된다.

주절연용 하이브리드 바니쉬에서 졸 상태의 세라믹의 고함량 처방시 접착성과 유연성 저하를 막기 위하여 TMA 대신에 일부 adipic acid(AA)와 글리콜류를 도입하여 폴리아미드이미드 사슬의 강성률과 유연성을 적절히 조절하고, 폴리아미드이미드 수지의 터미널 구조를 졸 상태의 세라믹의 분산안정화에 기여하는 다양한 물질들로 캡핑하게 되면 세라믹 고함량 첨가에도 바니쉬 절연재료적 물성들의 확보가 가능하다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AA-PAI와 PUAI의 합성 및 캡핑 scheme이다. 도 7을 참조하면, 주절연층(30)용 수지로 이미드기 대비 아미드기가 많은 AA-PAI 또는 우레탄이 포함된 PUAI의 합성과정 후에 알콜류, 셀루솔브류 및 1, 2차 아민류 중에서 어느 하나 이상이 캡핑됨을 나타내었다.

주절연용 하이브리드 바니쉬의 수지로써 고분자 주사슬의 변성과 고분자 터미널의 캡핑에 의해서 개질된 수지를 사용할 경우, 다양한 실란으로 표면개질된 졸 상태의 세라믹이 5~25wt% 함량으로 첨가되어도 주절연용 하이브리드 바니쉬 절연소재로써의 물성만족이 가능하다. 만약 졸 상태의 세라믹이 5wt% 미만이면 주절연용 하이브리드 바니쉬 절연소재로써의 물성을 만족시키지 못하며, 25wt%를 초과하면 오히려 물성이 저하될 우려가 있다.

주절연용 하이브리드 바니쉬의 폴리아미드이미드(프라이머용 폴리아미드이미드 포함)에는 졸 상태의 세라믹의 분산안정성, 유연성 및 밀착성 향상을 위해서 고분자 터미널의 캡핑이 필요한데, 폴리아미드이미드 수지에 적합한 캡핑제로는 알콜류, 셀루솔브류 및 12차 아민류 등이 있다.

마지막으로, 제3단계는 주절연층(30)의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 탑코팅층(40)을 형성하는 단계이다.

제3단계에서의 탑코팅층(40)은 주절연층(30)의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬를 코팅하여 형성되는 층으로, 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는 다이블록 공중합체(PAI-PDMS), 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)를 포함하는 것이 바람직하다.

즉 탑코팅용 하이브리드 바니쉬는 표면장력이 낮은 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드계 공중합체를 합성하여 사용할 수 있다. 이러한 실리콘 공중합체는 셀프본딩을 위해 폴리디메틸실록산이 내부에 포함된 것을 사용할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탑코팅용 하이브리드 바니쉬의 실리콘으로 캡핑된 폴리아미드아미드의 구조이다. 도 8을 참조하면, 폴리아미드이미드 터미널에 캡핑된 수지를 활용하면 고윤활성에 효과가 좋음을 알 수 있다.

이처럼 터미널에 수지가 캡핑된 폴리아미드이미드를 이용하여 합성된 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드계 공중합체에 세라믹입자를 혼합하여 마이크로/나노 융복합소재를 제조함으로써, 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로도 활용 가능하다. 단, 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로 활용 가능한 마이크로/나노 융복합소재는 나노-마이크로 복합체와 나노하이브리드소재의 형태가 포함될 수 있다.

이러한 각형 코일의 최외각 표면층을 형성하는 탑코팅용 하이브리드 바니쉬는, 윤활성을 가져 적용제품 제작시 작업이 용이하고 절연피막의 기계적 손상이 없이 고장력으로 와인딩 작업을 할 수가 있으므로, 고집적도를 갖는 기기제작에 유리하다.

더불어 boron nitride(BN)는 층상구조가 잘 발달 되어있어 고체 윤활성을 가지며 판상이라 절연특성이 우수하고 열전도성이 높아 전력기기 작동시 발생되는 열을 빠르게 확산시켜 전력기기 효율을 증가시킬 수 있는 절연재료이다.

도 8의 실리콘으로 캡핑된 폴리아미드이미드에 실리카 및 알루미나 외에도 BN(질화붕소) 나노졸을 이용하여 제조된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬는 고윤활성 부여가 가능하여 탑코팅제로 사용시 열전도성을 높이는 효과가 있다.

특히, 졸 상태의 세라믹 함량이 10~30wt%로 하이브리드된 고윤활성의 탑코팅제인 것이 바람직하다. 이때 졸 상태의 세라믹이 10wt% 이하인 경우 열전도성이나 절연특성이 낮고, 30wt%를 초과하면 탑코팅용 하이브리드 바니쉬의 밀착특성이 나빠진다. 이에 따라, 세라믹 함량이 전체적으로 10wt% 이상일 경우에도 코일용 절연재료로써의 물성을 만족하면서 윤활성을 가지는 각형 코일을 제조할 수 있다.

여기서 실리카/수지 계면결합력 강화를 위해서 졸 상태의 세라믹을 실란으로 표면개질을 하는 것이 바람직하다. 즉 amine, thiol, epoxide 및 carboxylic acid 등의 반응성기를 갖는 유기실란으로 세라믹 표면을 적절하게 표면처리하면 유무기 계면에서 물리적 화학적 결합이 효과적으로 형성되며, 때로는 올리고머 아미드이미드를 이용하여 분자사슬 꼬임 등의 추가적인 기계적 결합을 유도하는 방법을 이용하기도 한다.

따라서 본 발명에서의 절연소재는 고함량의 세라믹을 포함하고도 미세한 각형 금속도체(10)에 코팅되어 기계적 특성과 전기적 특성을 만족할 수 있도록, 프라이머 절연제, 주절연제 및 탑코팅 절연제 모두 폴리아미드이미드를 화학구조적으로 기능에 맞게 변성화시키고 세라믹을 고함량으로 하이브리드시킨 절연바니쉬들을 사용하여 계층적 3중 구조로 절연처리하는 각형 코일을 제조할 수 있으며, 이는 상업적으로 중요한 의미를 갖는다할 것이다.

한편, PAI계 수지/실리카졸 하이브리드 바니쉬절연 각형 코일의 시제품에 대한 설명을 해보도록 하겠다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코팅기술로 제작된 코일 시제품의 전기적 특성평가용 시험편의 실사도이다. 도 9를 참고하면, PAI계 수지/실리카졸 하이브리드 바니쉬 절연 각형 코일을 사용하여 와인딩변형이 상당히 큰 제품을 제작하여도 전기적 특성이 잘 유지됨을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코일 규격시험의 표이다. 도 10을 참조하면, 도 9에서 제시한 고함량 세라믹 하이브리드형 다층 코팅기술로 제작된 코일 시제품에 대한 코일 규격시험(IEC 60317-58)을 실시하여 나타낸 표임을 알 수 있다.

즉, 다양한 조성의 하이브리드가 가능하여 도 10에서는 시료A의 프라이머층(세라믹 5wt%), 시료B의 주절연층(세라믹 15wt%), 시료C의 탑코팅층(세라믹 5wt%)의 조성으로 제작된 각형 코일에 대한 밀착성, 피막흠성 등의 기계적 특성과 핀홀, 절연파괴전압과 같은 전기적 특성에서 모두 기준치 이상의 우수한 특성을 나타내었다.

도 11은 기존 각형 코일 및 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다층 구조 각형 코일의 굴곡 특성 비교도이다. 도 11을 참조하면, 일반 폴리아미드이미드 바니쉬 각형 코일과 본 발명인 다층 구조의 하이브리드 각형 코일의 굴곡 특성을 비교한 실사도임을 알 수 있다.

즉 도 11에서 알 수 있듯이, 180°로 코일 끝단의 변화를 살펴보면 기존 일반 폴리아미드이미드 바니쉬의 경우 크랙이 발생하는 반면, 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 경우 끝단에 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 이는 구리 도체와 밀착성을 높여 주는 프라이머층의 효과와 주절연층의 접착성이 잘 융합된 결과로 볼 수 있다.

도 12는 기존 일반 PAI 바니쉬의 특성시험 그래프이다. 도 12-(a) 및 (b)를 참조하면, 기존 일반 PAI 바니쉬절연 환형(round) 및 각형(rectangular) 코일의 내절연 특성과 부분방전 특성을 시험한 결과임을 알 수 있다.

구체적으로, 도 12는 기존 일반 PAI 바니쉬로 코팅된 구리 도체의 환형 및 각형 코일을 모터 스테이터에 감는 작업 시, 장력을 2, 5, 10kfg로 달리하면서 코일의 전기적 특성변화를 실험한 것이다. 이처럼 일반 PAI 바니쉬의 환형 및 각형 코일 모두 3kgf 이상의 장력으로 당겨 감는 작업이 이루어지면, 내절연성과 부분방전특성이 20~30%정도 저하됨을 알 수 있다.

또한 각형의 경우 곡각지를 갖는 구조상 장력에 대한 손상이 더 크게 작용하기 때문에 그 저하 폭이 더 큰 것으로 나타난다. 이는 도 12에서도 보듯이 큰 힘으로 코일이 당겨지는 경우 코팅층의 소재 내부에 작은 크랙의 진전으로 핀홀이 만들어지면서 전기적으로 내절연성과 부분방전특성이 악화되는 결과를 나타낸다.

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 복층 구조로 제작된 폴리아미드이미드 각형 코일의 특성시험 그래프이다. 도 13을 참조하면, 하이브리드 바니쉬 절연 각형 코일의 내절연 특성시험을 나타낸 것임을 알 수 있다.

이는 도 12의 문제점을 해결하기 위해 복층 구조로 제작된 폴리아미드이미드 각형 코일에 대하여 동일한 장력의 변화에 대한 코일의 내절연성과 부분방전특성을 시험한 결과이다. 도 13에서 알 수 있듯이, 단독 폴리아미드이미드 수지 코일과 비교하여 3kfg까지의 장력에서는 내절연성의 저하는 거의 나타나지 않고, 5kgf의 장력으로 작업된 경우에도 내절연성이 5% 미만의 낮은 저하율을 갖는 개선된 내절연성을 나타냄을 알 수 있다.

이하에서는 고함량의 세라믹을 가지는 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법과 관련된 실시예를 설명하고자 한다.

(실시예 1)

프라이머용 BPA-oxyethylene glycol 변성 PAI(BPA OEG5-PAI) 합성

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BPA-OEG5 PAI triblock copolymer의 화학구조이다. 도 14를 참조하면, 프라이머용 하이브리드 바니쉬를 제조하기 위한 변성 폴리아미드이미드를 준비하는 과정임을 알 수 있다.

반응 플라스크에 용매로 NMP 55g을 넣고 질소 주입 하에, trimellitic anhydride(TMA) 0.101 mol(19.5g)과 4,4'-methylenebis(phenylisocyanate(MDI) 0.1 mol(25g)을 넣고 서서히 가열하면서 교반하여 용해시킨다.

이후, 반응 플라스크의 온도를 70℃까지 승온하여 3시간에 걸쳐 중합반응을 시킨다. 100℃까지 승온하여 계속 반응시켜 점도가 4 poise가 되면 OEG(n=5)-BPA 0.5mmol(3.34g)를 NMP 5g에 희석하여 투입하고 계속 반응시켜 10 poise에서 PGME 2g을 NMP 10g에 희석하여 반응기에 투입하여 고분자 터미널을 캡핑하면서 냉각시켰다.

이렇게 하여 고형분 35wt% BPA-OEG5-PAI를 합성하여 실리카졸과 하이브리드하는데 사용하였다. 중량평균 분자량은 60,000 정도이었으며 실리카졸 10wt%와는 하이브리드가 잘 되어 코일의 프라이머층의 하이브리드 절연재료로 사용하였다.

(실시예 2)

주절연용 Capped Amide-rich PAI 합성

반응 플라스크에 용매로 NMP 55g을 넣고 질소 주입 하에, TMA 0.081mol(15.6g), AA 0.02mol(2.9g), 4,4'-methylenebis(phenylisocyanate(MDI) 0.1mol(25g)을 넣고 서서히 가열하면서 교반하여 용해시킨다.

이후, 반응 플라스크의 온도를 80℃까지 승온하여 3시간 반응시키고 120℃까지 승온하여 계속 반응시켜 점도가 10poise가 되면 1-methoxy-2-propanol(PGME) 2g을 NMP 10g에 희석하여 반응기에 투입하여 고분자 터미널을 캡핑하면서 냉각시켰다.

이렇게 하여 고형분 35wt% AA-PAI를 합성하여 실리카졸과 하이브리드하는데 사용하였다. 중량평균 분자량은 70,000 정도였으며, 실리카졸 30wt%와는 하이브리드가 잘 되어 코일의 주절연층의 하이브리드 절연재료로 사용하였다. 도 7을 참보하면, AA가 첨가되어 합성된 AA-PAI의 합성 Scheme임을 알 수 있다.

(실시예 3)

탑코팅용 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드계 공중합체(A-B diblock copolymer)의 제조

3.67g의 PGME을 48.17g의 NMP에 녹인 용액을 준비하고 이 용액을 고형분 34%의 60,000~70,000 Da 크기의 PAI 200g에 넣은 후, PGME와 PAI용액을 80℃로 승온하고 2시간 동안 유지한다.

이후, 온도를 실온으로 낮추고 고형분비 0.5~30%로 diamine-PDMS(Tegomer A-Si 2322, ~2600 g/mol)를 넣어 200 rpm에서 2시간 이상 교반한다.

diamine-PDMS를 바로 반응시키지 않고 PGME로 캡핑(capping)한 PAI를 1주 이상 상온 보관하는 경우 남아있는 PGME가 PAI의 모든 이소시안(-NCO)기와 모두 반응하여 폴리디메틸실록산(PDMS)과 반응할 수 없게 된다.

이상과 같이 본 발명을 통하여 각기 다른 화학적 구조로 변성되어 프라이머층, 주절연층 및 탑코팅층의 고분자에 나노급의 세라믹이 고함량으로 포함된 각각의 바니쉬소재들이 각형의 도체에 연속적으로 코팅됨으로써, 휨/꼬임 변형시에도 접착력, 크랙저항성, 고열전도성, 고윤활성, 내마모성 및 고절연성(내전압, 방전내구성)의 특성을 만족시킬 수 있다.

다시 말하여, 각형의 도체에 고함량 세라믹이 첨가된 하이브리드 바니쉬가 적용된 코일을 제조함으로써, 휨/코임 변형시 절연바니쉬에서 요구되는 제반 물성확보 외에 극한환경에서 절연신뢰성이 우수할 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.

본 발명은 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI(polyamideimide) 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도체 표면과의 접착성과 유연성이 우수하도록 glycol류가 고분자 중간에 도입된 triblock-PAI 공중합체에 졸 상태의 세라믹이 첨가된 프라이머용 하이브리드 바니쉬, 유연성과 강성률을 갖도록 고분자 내에 아미드기의 함량이 많아지게 AA(adipic acid)가 도입된 AA-PAI 또는 glycol류로 변형된 PUAI(polyurethanamideimide)에 졸 상태의 세라믹이 첨가된 주절연용 하이브리드 바니쉬, 표면장력이 낮은 실리콘으로 변성된 PDMS-PAI에 졸 상태의 세라믹이 첨가된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬가 다층 구조로 코팅되어 절연바니쉬 전체 중 세라믹이 고함량 포함되어 있으며, 각형 코일임에도 휨/꼬임 변형시 접착력, 크랙저항성, 고열전도성, 고윤활성, 내마모성 및 고절연성(내전압, 방전내구성)의 특성을 만족시킬 수 있는 고함량의 세라믹을 가지는 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일 및 이의 제조방법 분야에 이용가능하다.

Claims (18)

1. 길이 방향으로 길게 형성되는 금속도체;

   상기 금속도체의 표면에 형성되는 것으로, 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어진 프라이머층;

   상기 프라이머층의 표면에 형성되는 것으로, 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성되어 이루어진 주절연층; 및

   상기 주절연층의 표면에 형성되는 것으로, 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함되어 이루어진 탑코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
2. 제1항에 있어서,

   상기 프라이머층의 변성 폴리아미드이미드는,

   oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPA-oxyethylene glycol(BPA OEG) 및 adipic acid(AA) 중 어느 하나를 중심으로 양 말단에 폴리아미드이미드가 합성된 변성 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
3. 제1항에 있어서,

   상기 프라이머층은,

   1~10wt%의 졸 상태의 세라믹이 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는고 함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
4. 제1항에 있어서,

   상기 주절연층의 변성 폴리아미드이미드는,

   폴리아미드이미드(PAI)에 아디프산(AA)이 합성되어 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많은 아디프산-폴리아미드이미드(AA-PAI)인 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
5. 제1항에 있어서,

   상기 주절연층의 변성 폴리아미드이미드는,

   글리콜류가 도입된 우레탄변성 폴리아미드이미드(PUAI, polyurethaneamideimide)의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
6. 제1항에 있어서,

   상기 주절연층의 졸상태의 세라믹은,

   5~25wt% 첨가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
7. 제1항에 있어서,

   상기 탑코팅층의 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는,

   다이블록 공중합체(PAI-PDMS) 또는 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)인 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
8. 제1항에 있어서,

   탑코팅층은,

   10~30wt%의 졸 상태의 세라믹이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
9. 제1항, 제3항, 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 졸 상태의 세라믹은,

   알루미나, 실리카, 질화붕소 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일.
10. 길이 방향으로 길게 형성되는 금속도체의 표면에 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 프라이머층을 형성하는 제1단계;

    상기 프라이머층의 표면에 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성되어 이루어지는 주절연층을 형성하는 제2단계; 및

    상기 주절연층의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 탑코팅층을 형성하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제1단계에서의 변성 폴리아미드이미드는,

    oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPA-oxyethylene glycol(BPA OEG) 및 adipic acid(AA) 중 어느 하나를 중심으로 양 말단에 폴리아미드이미드가 합성된 변성 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
12. 제10항에 있어서,

    제1단계에서의 프라이머층은,

    졸 상태의 세라믹이 더 포함되되,

    상기 졸 상태의 세라믹은 1~10wt%의 범위로 혼합되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
13. 제10항에 있어서,

    상기 제2단계의 변성 폴리아미드이미드는,

    폴리아미드이미드(PAI)에 아디프산(AA)이 합성되어 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많은 아디프산-폴리아미드이미드(AA-PAI)인 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
14. 제10항에 있어서,

    상기 제2단계의 변성 폴리아미드이미드는,

    글리콜류가 도입된 우레탄변성 폴리아미드이미드(PUAI, polyurethaneamideimide)의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
15. 제10항에 있어서,

    상기 제2단계의 주절연층에 포함된 졸 상태의 세라믹은,

    5~25wt% 첨가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
16. 제10항에 있어서,

    상기 제3단계의 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는,

    다이블록 공중합체(PAI-PDMS) 또는 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)인 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
17. 제10항에 있어서,

    상기 제3단계의 탑코팅층은,

    졸 상태의 세라믹이 더 포함되되,

    상기 졸 상태의 세라믹은 10~30wt%의 범위로 혼합되는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.
18. 제10항, 제12항, 제15항 및 제17항 중 어느 한 한 항에 있어서,

    상기 졸 상태의 세라믹은,

    알루미나, 실리카, 질화붕소 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅된 각형 코일의 제조방법.

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