WO2017160009A1 - 저유전율을 갖는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블 - Google Patents

저유전율을 갖는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블 Download PDF

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유익현
양이슬
정현정
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Definitions

  • the present invention relates to a cable comprising an insulating composition having a low dielectric constant and an insulating layer formed therefrom.
  • the cable includes an insulating composition and an insulating layer formed therefrom, wherein the space charge is reduced and the overlapping impulse breaking strength when the impulse voltage overlaps when the DC voltage is applied is improved, and the low dielectric constant and the impulse breaking strength are also improved.
  • the space charge accumulated in the insulating layer increases the electric field strength near the conductor by distorting the electric field of the cable to increase the electrical stress, and consequently the overlapping impulse breakdown strength when the input pulse voltage overlaps when the DC voltage of the cable is applied. There is a problem of deterioration.
  • an insulating composition and an insulating layer formed therefrom which can extend the life of the cable by reducing the space charge of the insulating layer to improve the overlapping impulse breaking strength and reducing the overall dielectric constant to improve the impulse breaking strength of the insulating layer. Including a cable is urgent required.
  • An insulation composition comprising a base resin and inorganic nanoparticles contained in the base resin, wherein the dielectric constant of the insulation composition is less than that of the base resin.
  • the dielectric constant reduction rate (%) which is defined by Equation 1 below, provides an insulation composition, characterized in that 1% or more.
  • a is the permittivity of the base resin
  • b is the dielectric constant of the insulating composition.
  • the dielectric constant reduction rate (%) is characterized in that 2% or more, to provide an insulating composition.
  • the electric field distortion factor (%) which is defined by Equation 2 below, provides an insulation composition, characterized in that less than 150%.
  • ⁇ is the electric field (kV / mm) applied to the insulation layer specimen formed from the insulation composition
  • ⁇ is the electric field (kV / mm) distorted by the space charge distribution in the insulating composition.
  • the electric field distortion factor (%) is 120% or less, to provide an insulating composition.
  • the content of the inorganic nanoparticles is characterized in that, based on the total weight of the insulating composition, characterized in that 0.01% by weight or more, less than 1% by weight.
  • the content of the inorganic nanoparticles is 0.1 wt% or more and less than 1 wt%, and when the inorganic nanoparticles are carbon material inorganic particles, the content of the inorganic nanoparticles is 0.01 weight.
  • an insulation composition characterized in that more than 1% by weight.
  • the metal or nonmetal oxide may be at least one selected from the group consisting of magnesium oxide (MgO), zinc oxide (ZnO), silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and titanium oxide (TiO 2 ).
  • the carbon material inorganic particles include at least one selected from the group consisting of carbon black, carbon nanotubes, graphene, and silicon carbide (SiC).
  • the inorganic nanoparticles have a size of 1 to 100 nm and a cubic shape.
  • the inorganic nanoparticles provide an insulating composition, characterized in that the surface is hydrophobically surface modified.
  • the base resin provides an insulation composition, characterized in that the olefin homopolymer or copolymer resin.
  • the insulating composition characterized in that it further comprises 0.5 to 2% by weight of crosslinking agent, 0.1 to 1% by weight antioxidant and 0.1 to 1% by weight of scorch inhibitor, to provide.
  • conductors An inner semiconducting layer surrounding the conductor; An insulating layer surrounding the inner semiconductive layer and formed from the insulating composition of any one of claims 1 to 3; An outer semiconducting layer surrounding the insulating layer; And a sheath layer surrounding the outer semiconducting layer.
  • the insulation composition according to the present invention has an excellent effect of extending the life of the cable by improving the impulse breaking strength of the insulation layer formed therefrom by reducing the space charge by including a specific inorganic particles in a specific content.
  • the insulating composition according to the present invention can reduce the dielectric constant of the insulating layer formed therefrom by controlling the size of the inorganic particles to a nano size, and improve the impulse breaking strength of the insulating layer to extend the life of the cable excellent Effect.
  • FIG. 1 schematically shows the cross-sectional structure of a cable according to the invention.
  • Figure 2 schematically shows the longitudinal cross-sectional structure of a cable according to the invention.
  • Figure 3 is a graph showing the results of measuring the dielectric constant for each frequency for the insulating layer specimen formed from the insulating composition according to the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the results of measuring the dielectric constant by temperature for the insulating layer specimen formed from the insulating composition according to the present invention.
  • the present invention relates to an insulating composition having a low dielectric constant.
  • the insulating composition having a low dielectric constant according to the present invention may include a base resin and inorganic nanoparticles added and dispersed in the base resin.
  • the base resin is not particularly limited and includes, for example, olefin homopolymer or copolymer resins, in particular polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene, block or random copolymer resins of ethylene or propylene and other ⁇ -olefins, thermoplastic elastomers, and the like. can do.
  • olefin homopolymer or copolymer resins in particular polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene, block or random copolymer resins of ethylene or propylene and other ⁇ -olefins, thermoplastic elastomers, and the like. can do.
  • the inorganic nanoparticles added and dispersed in the base resin may be a metal such as magnesium oxide (MgO), zinc oxide (ZnO), silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), or the like.
  • MgO magnesium oxide
  • ZnO zinc oxide
  • SiO 2 silicon oxide
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • TiO 2 titanium oxide
  • Non-metal oxides or carbon black inorganic particles such as carbon nanotubes, graphene, silicon carbide (SiC) may be included.
  • the conductors When the inorganic nanoparticles are added into the base resin, the conductors are injected into the insulating layer from the cable or trap the space charges formed by the cross-linking by-products of the insulating layer. The electric field strength in the vicinity is increased, thereby suppressing the decrease in the overlapping impulse breaking strength of the insulating layer.
  • the dielectric constant of the inorganic nanoparticles is generally larger than that of the base resin.
  • the dielectric constant of magnesium oxide as the inorganic nanoparticles is about 10
  • the dielectric constant of low density polyethylene (LDPE) as the base resin is about 2.2 to 2.3. Therefore, the dielectric constant of the insulating composition in which the inorganic nanoparticles are added to the base resin should be higher than that of the base resin.
  • the inventors of the present invention when the size of the inorganic nanoparticles is nanoscale, for example, 1 nm to 100 ⁇ m, preferably 1 to 100 nm, unlike when the inorganic particles of microscale are added, The present inventors have experimentally found that a phenomenon in which the dielectric constant of Zn is reduced from that of the base resin occurs and the impulse dielectric breakdown voltage also increases.
  • the size of the inorganic nanoparticles is nanoscale, the reason of the phenomenon in which the dielectric constant of the insulating composition is reduced than that of the base resin cannot be confirmed, but it is predicted as a result of the so-called nano effect, and also the inorganic It is predicted that the size of the nanoparticles is controlled by the nanoscale and by the interfacial stabilization inside the base resin.
  • the size of the inorganic nanoparticles is adjusted to a nanoscale to reduce the dielectric constant of the insulating composition comprising the same, and the impulse dielectric breakdown voltage of the insulating layer formed from the insulating composition is raised to increase the The effect of extending the lifespan may be induced.
  • the dielectric composition reduction rate (%) defined by Equation 1 below may be 1% or more, preferably 2% or more, and more preferably 5% or more.
  • a is the permittivity of the base resin
  • b is the dielectric constant of the insulating composition.
  • the insulation composition according to the present invention may have a field distortion factor (%) defined by Equation 2 below 150%, preferably 120% or less.
  • ⁇ is the electric field (kV / mm) applied to the insulation layer specimen formed from the insulation composition
  • ⁇ is the electric field (kV / mm) distorted by the space charge distribution in the insulating composition.
  • the electric field (kV / mm) distorted by the space charge distribution can be calculated by integrating the space charge distribution measured by the pulse electrostatic stress method using, for example, a space charge distribution measuring device.
  • the inorganic nanoparticles may have, for example, a shape of a terrace, cubic, rod, edge-less, and the like, and in terms of interfacial stabilization within the base resin. ) Shape is preferred.
  • the base resin is hydrophobic and the surface of the inorganic nanoparticle is hydrophilic, it is preferable to modify the hydrophobicity of the surface of the inorganic nanoparticle to uniformly disperse the inorganic nanoparticle in the base resin.
  • Hydrophobic surface treatment of the inorganic nanoparticles can be carried out by coating with, for example, a fatty acid or a silane-based surface treatment agent.
  • the content of the inorganic nanoparticles may be about 0.01% by weight or more and less than 1% by weight based on the total weight of the insulating composition. Specifically, when the inorganic nanoparticles are metal or nonmetal oxides, the content may be 0.1 wt% or more and less than 1 wt%, and when the inorganic nanoparticles are carbon material nanoparticles, the content may be 0.01 wt% or more and less than 1 wt%.
  • the space charge and dielectric constant reduction effects of the insulation composition are insignificant, whereas when the content of the inorganic nanoparticles exceeds the standard, the dielectric constant reduction effect of the insulation composition is not expressed.
  • the insulating composition according to the present invention may further include other additives such as crosslinking agents, antioxidants, scorch inhibitors, etc. in addition to the inorganic nanoparticles.
  • the crosslinking agent may be different according to the crosslinking method of the insulating composition, and may include, for example, an organic peroxide such as dicumylperoxide during chemical crosslinking, and may be 0.5 to 2% by weight based on the total weight of the insulating composition. May be included.
  • the content of the crosslinking agent is less than 0.5% by weight, mechanical properties, heat resistance, and the like of the insulating layer formed from the insulating composition may be insufficient, whereas if it is more than 2% by weight, the crosslinking degree is excessive, such as scorch due to early crosslinking This can be caused.
  • the antioxidant performs a function of suppressing deterioration due to oxidation of the insulating layer formed from the insulating composition, and may include, for example, an antioxidant such as a phenol-based, quinone-based, or amine-based.
  • the content of the antioxidant may be 0.1 to 1% by weight based on the total weight of the insulating composition.
  • the scorch inhibitor functions to further secure crosslinking properties during crosslinking of the insulating composition and to suppress scorch due to long-term extrusion, and may be, for example, AMSD ( ⁇ -methylstyrene dimer).
  • the content of the scorch inhibitor may be 0.1 to 1% by weight based on the total weight of the insulating composition.
  • the present invention relates to a cable comprising an insulating layer formed from the insulating composition
  • Figures 1 and 2 schematically illustrate the cross-sectional and longitudinal cross-sectional structure of the cable, respectively.
  • the cable according to the present invention is made of a conductive material such as copper, aluminum, so as to provide a current flow path 10, the conductor 10 wraps around the conductor 10
  • the inner semiconducting layer 20 and the inner semiconducting layer 20 which relax the electric field formed by the flowing current and improve the interfacial adhesion between the conductor 10 and the insulating layer 30 to be described later
  • An insulating layer 30 formed from an insulating composition, an outer semiconducting layer 40 covering the insulating layer 30 and equalizing an electric field applied to the insulating layer 30, protecting the cable from external impact or pressure Sheath layer 50 may be included.
  • tubular insulation layer specimens having a diameter of 3 cm and a thickness of 0.5 mm were prepared therefrom. Units relating to the amount of components shown in Table 1 below are by weight.
  • LDPE Low density polyethylene
  • magnesium oxide (MgO) magnesium oxide
  • the dielectric constant was measured for 1 minute per frequency for each insulation layer specimen using the dielectric constant measuring device (manufacturer: Novocontrol Technology; product name: Broadband Dielectric Spectroscopy), and 1 ⁇ 20 °C / The dielectric constant by temperature was measured at a heating rate of min.
  • Each permittivity measurement result is as shown in FIGS. 3 and 4, respectively.
  • the insulating compositions of Examples 1 and 2 according to the present invention have a reduced dielectric constant than that of the base resin, even though the dielectric composition contains inorganic nanoparticles having a higher dielectric constant than that of the base resin.
  • the impulse dielectric breakdown voltage was also excellent, and the overlapping impulse dielectric breakdown voltage was also increased due to the excellent electric field reduction effect of 120% or less.
  • the insulating composition of Comparative Example 1 did not contain inorganic nanoparticles, so that the electric field distortion was 150% or more, and thus the space charge was accumulated, thereby reducing the overlapping impulse dielectric breakdown voltage, and the insulating composition of Comparative Example 2 It was confirmed that the silver inorganic nanoparticles were added in excess of the reference to increase the dielectric constant and greatly reduced the impulse dielectric breakdown voltage.

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Abstract

본 발명은 저유전율을 갖는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 공간전하가 저감되는 동시에 이와 상충된계에 있는 임펄스 절연파괴 강도도 향상되는 저유전율을 갖는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블에 관한 것이다.

Description

저유전율을 갖는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블
본 발명은 저유전율을 갖는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 공간전하가 저감되어 직류 전압 인가시 임펄스 전압이 중첩될 때의 중첩 임펄스 파괴강도가 향상되는 동시에 저유전율 및 임펄스 파괴강도도 향상되는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블에 관한 것이다.
종래 전력 케이블은 직류 고전압이 인가되는 경우 도체로부터 절연층에 전하가 주입되거나 상기 절연층의 가교 부산물의 영향으로 상기 절연층 내에 공간전하(space charge)가 용이하게 형성된다.
상기 절연층 내에 축적된 공간전하는 케이블의 전기장을 왜곡시켜 전기적 스트레스를 증가시킴으로써 상기 도체 근방의 전계강도를 상승시키고, 결과적으로 케이블의 직류 전압 인가시 입펄스 전압이 중첩될 때의 중첩 임펄스 파괴강도를 저하시키는 문제가 있다.
종래 전력 케이블의 절연층에 무기 입자를 첨가하여 상기 절연층 내의 공간전하를 트랩핑(trapping)함으로써 이를 저감시키는 기술이 공지되어 있다. 그러나, 상기 무기 입자는 상기 절연층을 구성하는 고분자 수지에 비해 유전율이 높기 때문에 상기 절연층을 구성하는 고분자 수지에 상기 무기 입자가 첨가되는 경우 상기 절연층의 전체 유전율이 상승하게 되고, 상기 절연층의 임펄스 파괴강도가 저하되는 문제가 있다.
따라서, 절연층의 공간전하를 저감시켜 중첩 임펄스 파괴강도를 향상시키는 동시에 전체 유전율을 감축시켜 상기 절연층의 임펄스 파괴강도를 향상시킴으로써 케이블의 수명을 연장시킬 수 있는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 공간전하를 저감시켜 중첩 임펄스 파괴강도를 향상시킴으로써 케이블의 수명을 연장시킬 수 있는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 유전율을 감축시키는 동시에 임펄스 파괴강도를 향상시킴으로써 케이블의 수명을 연장시킬 수 있는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
절연 조성물로서, 베이스 수지 및 상기 베이스 수지 내에 포함된 무기 나노 입자를 포함하고, 상기 절연 조성물의 유전율이 상기 베이스 수지의 유전율보다 작은, 절연 조성물을 제공한다.
여기서, 아래 수학식 1로 정의되는 유전율 감소율(%)이 1% 이상인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
[수학식 1]
유전율 감소율(%)=[(a-b)/a]*100
상기 수학식 1에서,
a는 베이스 수지의 유전율이고,
b는 절연 조성물의 유전율이다.
또한, 상기 유전율 감소율(%)이 2% 이상인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
한편, 아래 수학식 2로 정의되는 전계외곡인자(%)가 150% 미만인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
[수학식 2]
전계 왜곡 인자(%)=α/β
상기 수학식 2에서,
α는 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편에 인가된 전계(kV/mm)이고,
β는 절연 조성물 내의 공간전하 분포에 의해 왜곡된 전계(kV/mm)이다.
여기서, 상기 전계 왜곡 인자(%)가 120% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 무기 나노 입자의 함량은 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 이상 1 중량% 미만인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 무기 나노 입자가 금속 또는 비금속 산화물인 경우 상기 무기 나노 입자의 함량은 0.1 중량% 이상 1 중량% 미만이고, 상기 무기 나노 입자가 탄소소재 무기 입자인 경우 상기 무기 나노 입자의 함량은 0.01 중량% 이상 1 중량% 미만인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
또한, 상기 금속 또는 비금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화티타늄(TiO2)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 탄소소재 무기 입자는 카본블랙, 카본나노튜브, 그래핀 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 무기 나노 입자는 크기가 1 내지 100 nm이고, 형상이 큐빅(cubic) 형상인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
나아가, 상기 무기 나노 입자는 표면이 소수성으로 표면 개질된 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
또한, 상기 베이스 수지는 올레핀 단독 중합체 또는 공중합체 수지인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로, 가교제 0.5 내지 2 중량%, 산화방지제 0.1 내지 1 중량% 및 스코치(scorch) 억제제 0.1 내지 1 중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
한편, 도체; 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 감싸고 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 절연 조성물로부터 형성된 절연층; 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층; 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 시스층을 포함하는, 케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 절연 조성물은 특정 무기 입자를 특정 함량으로 포함하여 공간전하를 저감시킴으로써 이로부터 형성되는 절연층의 중첩 임펄스 파괴강도를 향상시켜 케이블의 수명을 연장시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 절연 조성물은 무기 입자의 크기를 나노 사이즈로 제어함으로써 이로부터 형성되는 절연층의 유전율을 저감시키고, 상기 절연층의 임펄스 파괴강도를 향상시켜 케이블의 수명을 연장시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 케이블의 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 케이블의 종단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편에 대해 주파수별 유전율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편에 대해 온도별 유전율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
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.
본 발명은 저유전율을 갖는 절연 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 저유전율을 갖는 절연 조성물은 베이스 수지 및 상기 베이스 수지 내에 첨가되어 분산된 무기 나노 입자를 포함할 수 있다.
상기 베이스 수지는 특별히 제한되지 않고 예를 들어 올레핀 단독 중합체 또는 공중합체 수지, 특히 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 에틸렌 또는 프로필렌과 다른 α-올레핀의 블록 또는 랜덤 공중합 수지, 또는 열가소성 엘라스토머 등을 포함할 수 있다.
상기 베이스 수지 내에 첨가되어 분산된 무기 나노 입자는 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2) 등의 금속 또는 비금속 산화물 또는 카본블랙, 카본나노튜브, 그래핀, 탄화규소(SiC) 등의 탄소소재 무기 입자를 포함할 수 있다.
상기 무기 나노 입자는 상기 베이스 수지 내에 첨가되는 경우 케이블의 도체로부터 절연층으로 주입되거나 절연층의 가교 부산물에 의해 형성된 공간전하(space charge)를 트랩핑(trapping)함으로써, 상기 공간전하에 의해 상기 도체 근방의 전계강도가 상승되고 이로써 상기 절연층의 중첩 임펄스 파괴강도가 저하되는 것을 억제하는 기능을 수행한다.
나아가, 상기 무기 나노 입자의 유전율은 일반적으로 상기 베이스 수지의 유전율에 비해 크다. 예를 들어, 상기 무기 나노 입자로서 산화마그네슘의 유전율은 약 10인 반면, 상기 베이스 수지로서 저밀도폴리에틸렌(LDPE)의 유전율은 약 2.2 내지 2.3이다. 따라서, 상기 베이스 수지에 상기 무기 나노 입자를 첨가한 상기 절연 조성물의 유전율은 상기 베이스 수지의 유전율보다 높아야 한다.
그러나, 본 발명자들은 상기 무기 나노 입자의 크기가 나노스케일, 예를 들어, 1 nm 내지 100 ㎛, 바람직하게는 1 내지 100 nm인 경우에는 마이크로스케일의 무기 입자를 첨가한 경우와 달리 오히려 상기 절연 조성물의 유전율이 상기 베이스 수지의 유전율보다 감축되는 현상이 일어나고, 또한 임펄스 절연파괴전압도 상승하는 것을 실험적으로 밝혀 본 발명을 완성하였다.
상기 무기 나노 입자의 크기가 나노스케일인 경우 상기 절연 조성물의 유전율이 상기 베이스 수지의 유전율보다 감축되는 현상의 이유는 확인할 수 없으나, 소위 나노 효과(nano effect)에 의한 결과로 예측되고, 또한 상기 무기 나노 입자의 크기가 나노스케일로 조절됨으로써 상기 베이스 수지 내부의 계면 안정화에 의한 것으로 예측된다.
즉, 상기 무기 나노 입자의 크기가 나노스케일로 조절됨으로써 이를 포함하는 상기 절연 조성물의 유전율이 감축되고, 상기 절연 조성물로부터 형성되는 절연층의 임펄스 절연파괴전압이 상승하여 상기 절연층을 포함하는 케이블의 수명이 연장되는 효과가 유발될 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 절연 조성물은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 유전율 감소율(%)이 1% 이상, 바람직하게는 2% 이상, 더욱 바람직하게는 5% 이상일 수 있다.
[수학식 1]
유전율 감소율(%)=[(a-b)/a]*100
상기 수학식 1에서,
a는 베이스 수지의 유전율이고,
b는 절연 조성물의 유전율이다.
또한, 본 발명에 따른 절연 조성물은 아래 수학식 2에 의해 정의되는 전계 왜곡 인자(%)가 150% 미만, 바람직하게는 120% 이하일 수 있다.
[수학식 2]
전계 왜곡 인자(%)=α/β
상기 수학식 2에서,
α는 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편에 인가된 전계(kV/mm)이고,
β는 절연 조성물 내의 공간전하 분포에 의해 왜곡된 전계(kV/mm)이다.
상기 공간전하 분포에 의해 왜곡된 전계(kV/mm)는 예를 들어 공간전하분포 측정장치를 이용하여 펄스정전응력법으로 측정한 공간전하분포를 적분하여 계산할 수 있다.
상기 무기 나노 입자는 예를 들어 테라스(terrace), 큐빅(cubic), 로드(rod), 엣지리스(edge-less) 등의 형상을 가질 수 있고, 상기 베이스 수지 내부의 계면 안정화 관점에서 큐빅(cubic) 형상이 바람직하다.
일반적으로 상기 베이스 수지는 소수성이고 상기 무기 나노 입자의 표면은 친수성이기 때문에 상기 무기 나노 입자를 상기 베이스 수지 내에서 균일하게 분산시키기 위해서는 상기 무기 나노 입자의 표면을 소수성을 개질하는 것이 바람직하다. 상기 무기 나노 입자의 소수성 표면처리는 예를 들어 지방산 또는 실란계 표면처리제로 코팅함으로써 수행될 수 있다.
상기 무기 나노 입자의 함량은 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 약 0.01 중량% 이상 1 중량% 미만일 수 있다. 구체적으로, 상기 무기 나노 입자가 금속 또는 비금속 산화물인 경우 함량은 0.1 중량% 이상 1 중량% 미만이고, 상기 무기 나노 입자가 탄소소재 나노 입자인 경우 0.01 중량% 이상 1 중량% 미만일 수 있다.
상기 무기 나노 입자의 함량이 상기 기준 미달인 경우 상기 절연 조성물의 공간전하 및 유전율 저감 효과가 미미한 반면, 상기 기준 초과인 경우에는 상기 절연 조성물의 유전율 저감 효과가 발현되지 않는다.
본 발명에 따른 절연 조성물은 상기 무기 나노 입자 이외에 가교제, 산화방지제, 스코치 억제제 등의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가교제는 상기 절연 조성물의 가교 방식에 따라 상이할 수 있고, 예를 들어, 화학 가교시 디큐밀퍼옥사이드 같은 유기과산화물을 포함할 수 있고, 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 2 중량%로 포함될 수 있다.
상기 가교제의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우 상기 절연 조성물로부터 형성되는 절연층의 기계적 특성, 내열성 등이 불충분할 수 있는 반면, 2 중량% 초과인 경우 가교도가 과도하여 조기 가교에 의한 스코치(scorch) 등이 유발될 수 있다.
상기 산화방지제는 상기 절연 조성물로부터 형성되는 절연층의 산화에 의한 열화를 억제하는 기능을 수행하고, 예를 들어, 페놀계, 퀴논계, 아민계 등의 산화방지제를 포함할 수 있다. 상기 산화방지제의 함량은 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 1 중량%일 수 있다.
상기 스코치 억제제는 상기 절연 조성물의 가교시 가교 특성의 추가 확보와 장기압출에 따른 스코치(scorch)를 억제하는 기능을 수행하고, 예를 들어 AMSD(α-메틸스티렌다이머) 등일 수 있다. 상기 스코치 억제제의 함량은 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 1 중량%일 수 있다.
본 발명은 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블에 관한 것이고, 도 1 및 2는 상기 케이블의 횡단면 및 종단면 구조를 각각 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 케이블은 구리, 알루미늄 등의 전도성 소재로 이루어져 있어 전류 흐름 경로를 제공하는 도체(10), 상기 도체(10)를 감싸고 상기 도체(10)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 전계를 완화시키고 도체(10)와 후술하는 절연층(30) 사이의 계면 밀착성을 향상시키는 내부 반도전층(20), 상기 내부 반도전층(20)을 감싸고 본 발명에 따른 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층(30), 상기 절연층(30)을 감싸고 상기 절연층(30)에 인가되는 전계를 균일하게 하는 외부 반도전층(40), 외부의 충격이나 압력으로 상기 케이블을 보호하는 시스층(50) 등을 포함할 수 있다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1에 나타난 바와 같은 구성성분 및 함량으로 실시예 및 비교예 각각의 절연 조성물을 제조한 후, 이로부터 직경 3 cm 및 두께 0.5 mm의 튜브형 절연층 시편을 제조했다. 아래 표 1에 나타난 구성성분의 함량에 관한 단위는 중량%이다.
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
베이스 수지 100 99 99.5 99.8
무기 나노 입자 0 1 0.5 0.2
- 베이스 수지 : 저밀도폴리에틸렌(LDPE)
- 무기 나노 입자 : 산화마그네슘(MgO)
2. 물성 평가
1) 유전율 측정
규격 ASTM D150에 따라 유전율 측정장치(제조사 : Novocontrol Technology; 제품명 : Broadband Dielectric Spectroscopy)를 이용하여 실시예 및 비교예 각각의 절연층 시편에 대해 주파수별 1분으로 유전율을 측정했고, 1~20℃/min의 가열 속도로 온도별 유전율을 측정했다. 각각의 유전율 측정결과는 도 3 및 4에 각각 도시된 바와 같다.
2) 임펄스 절연파괴전압 측정
임펄스 절연파괴전압 측정장치(제조사 : Haefely Hipotronics)를 이용하여 실시예 및 비교예 각각의 절연층 시편에 대해 50 kV씩 10회 전압을 인가하고 절연파괴되는 전압을 임펄스 절연파괴전압으로 기록했다. 임펄스 절연파괴전압의 측정 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
3) 전계왜곡 평가
공간전하분포 측정장치를 이용하여 펄스정전응력법으로 실시예 및 비교예 각각의 절연층 시편에 대해 50 kV/mm의 전계를 인가한 후 공간전자분포를 측정하고 이를 적분하여 왜곡된 전계를 계산하고 (왜곡된 전계/50)*100의 식으로 정의되는 전계왜곡인자를 계산했다. 전계왜곡 평가 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
임펄스 절연파괴전압(kV) 1600↑ 517 1450 1600↑
전계왜곡(%) 150%↑ 105%↓ 120%↓ 120%↓
도 3 및 4, 그리고 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 절연 조성물은 베이스 수지에 비해 유전율이 큰 무기 나노 입자를 포함함에도 불구하고 베이스 수지의 유전율보다 저감된 유전율을 보유하고, 또한 임펄스 절연파괴전압도 우수한 것으로 확인된 동시에, 전계왜곡이 120% 이하로 공간전하 저감 효과도 우수하여 중첩 임펄스 절연파괴전압도 증가한 것으로 확인되었다.
반면, 비교예 1의 절연 조성물은 무기 나노 입자를 포함하지 않아 전계왜곡이 150% 이상으로 공간전하가 축적되어 있는 것으로 확인되었고, 이로써 중첩 임펄스 절연파괴전압이 저하되었을 것이며, 비교예 2의 절연 조성물은 무기 나노 입자가 기준 초과의 과량으로 첨가되어 유전율이 상승하고, 임펄스 절연파괴전압이 크게 저하된 것으로 확인되었다.
당해 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.

Claims (13)

  1. 절연 조성물로서,
    베이스 수지 및 상기 베이스 수지 내에 포함된 무기 나노 입자를 포함하고,
    상기 절연 조성물의 유전율이 상기 베이스 수지의 유전율보다 작은, 절연 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    아래 수학식 1로 정의되는 유전율 감소율(%)이 1% 이상인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
    [수학식 1]
    유전율 감소율(%)=[(a-b)/a]*100
    상기 수학식 1에서,
    a는 베이스 수지의 유전율이고,
    b는 절연 조성물의 유전율이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전율 감소율(%)이 2% 이상인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    아래 수학식 2로 정의되는 전계외곡인자(%)가 150% 미만인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
    [수학식 2]
    전계 왜곡 인자(%)=α/β
    상기 수학식 2에서,
    α는 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편에 인가된 전계(kV/mm)이고,
    β는 절연 조성물 내의 공간전하 분포에 의해 왜곡된 전계(kV/mm)이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전계 왜곡 인자(%)가 120% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 나노 입자의 함량은 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 이상 1 중량% 미만인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무기 나노 입자가 금속 또는 비금속 산화물인 경우 상기 무기 나노 입자의 함량은 0.1 중량% 이상 1 중량% 미만이고,
    상기 무기 나노 입자가 탄소소재 무기 입자인 경우 상기 무기 나노 입자의 함량은 0.01 중량% 이상 1 중량% 미만인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속 또는 비금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화티타늄(TiO2)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 탄소소재 무기 입자는 카본블랙, 카본나노튜브, 그래핀 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 나노 입자는 크기가 1 내지 100 nm이고, 형상이 큐빅(cubic) 형상인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 나노 입자는 표면이 소수성으로 표면 개질된 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 수지는 올레핀 단독 중합체 또는 공중합체 수지인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로, 가교제 0.5 내지 2 중량%, 산화방지제 0.1 내지 1 중량% 및 스코치(scorch) 억제제 0.1 내지 1 중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  13. 도체;
    상기 도체를 감싸는 내부 반도전층;
    상기 내부 반도전층을 감싸고 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 절연 조성물로부터 형성된 절연층;
    상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층; 및
    상기 외부 반도전층을 감싸는 시스층을 포함하는, 케이블.
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