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고전압 전력기기용 고분자 나노 복합재료의 개발 : Polymer based nanocomposites for high voltage applications

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Authors

김용훈

Advisor
박정원
Major
공학전문대학원 응용공학과
Issue Date
2019-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공학전문대학원 응용공학과, 2019. 2. 박정원.
Abstract
The size of GIS(Gas Insulated Switchgear) has been reduced consistently in compliance with the development of technology. As a result internal stress has been increased and it requires improving the performance of components. However, optimization of processes for micro composite spacers are already saturated. Therefore, I would like to confirm the feasibility of nanocomposite spacers.
In this study, concept design, materials analysis and selection, specimen manufacturing, performance evaluation of nanocomposites were carried out. Minimizing the change of manufacturing process, entire processes for applying nanocomposite materials in GIS have been studied. Our study includes analysis of the size and shape of nanoparticles, method development for surface treatment and dispersion, process engineering to prepare nanocomposite samples and product characterization.
Direct dispersion method was used to fabricate nanocomposites. In this method, surfactant and dispersion processes are important in determining product performance. The size and shape of nanoparticles were measured by TEM and XRD. Nanoparticles are in several nanometers in diameter with gamma phase crystal structure. By carefully examining previous studies, a list of surfactant candidates was prepared. The reactivity of surfactant with epoxy was examined. From this screening oleic acid, octanoic acid and octylamine were selected. After surface treatment of the nano particles, it needs to be dissolved in solvent to mix with epoxy which has high viscosity. The solvent should not disturb the curing reaction of polymer and should be quickly removed by evaporation during manufacturing process so as not to affect the properties of final product. Therefore, the solvent was selected based on the solubility of surfactant. After surface treatment, nanoparticles were dispersed in each solvent and the average particle size was measured by DLS. Nanoparticles treated with oleic acid and hexane were selected because they showed an improved dispersion stability. And then composite samples were fabricated for evaluating properties.
According to the property evaluation result compare to the micro composites, the mechanical property of nanocomposite(1phr) was improved, but the electrical property was similar. Mechanical property was improved since the suitable surface treatment induces strong interaction between the nanoparticles and polymer. In case of electrical property, there are two mechanisms of electrical breakdown. One is due to short-term electrical avalanche and the other is due to long-term electrical treeing. Nanoparticles have the effect of interrupting electrical treeing growth. Thus, it is valid for long-term dielectric breakdown mechanism. However, the electrical property of nanocomposites was not improved significantly because they are not effective to prevent electrical avalanche. Nano composite(3phr) has lower properties than nanocomposites(1phr). This result indicates that nanoparticles can be aggregated and not dispersed properly when the contents of nanoparticles is over a certain amount limit.
Through this study, the method for selection of nano composite materials, fabrication of samples and evaluation of properties were established and the improvement of required properties was confirmed. In the future, optimization of processes, selection of additional materials and evaluation of long-term dielectric property will be conducted.
전력설비 중 하나인 GIS(Gas Insulated Switchgear)는 기술의 발전으로 그 크기가 계속해서 축소되고 있다. 그로 인해 제품 내부에 가해지는 스트레스가 커지게 되고 이를 견딜 수 있도록 부품의 성능 향상이 요구되고 있다. 하지만 현재 GIS 내부에 사용 중인 스페이서는 마이크로 복합재료로서 이미 그 성능이 최대치에 근접하였다. 따라서 최근 학계 및 산업계에서 활발하게 연구가 진행 중인 나노 복합재료 기술을 통한 부품의 성능 향상 가능성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 나노 복합재료의 개념설계, 소재 분석 및 선정, 시편 제작, 특성평가를 진행하였으며, 기존의 마이크로 복합재료 제조공정에 나노 용액 투입 과정을 추가하는 것으로 공정의 변화를 최소화하면서 성능을 높이는 것을 목표로 삼았다. 그 과정에서 나노입자의 크기, 형태를 분석하는 방법, 표면처리 및 분산성 확보 방안, 시편 제조 공정과 특성평가 방법에 대해 연구하였다.
나노입자의 분산은 Direct dispersion 방법을 사용하였고 이를 위해서는 표면 처리제의 선정과 혼합 설비 및 공정이 매우 중요하다. 가장 먼저 실험에 사용할 나노입자를 TEM과 XRD를 통해 분석하였다. 그 결과 크기는 수 nm이며 γ-phase 형태인 것을 알 수 있었다. 선행연구의 사례를 바탕으로 다수의 표면처리 후보군을 찾았고, 에폭시와의 반응성을 확인하여 Oleic acid, Octanoic acid, Otylamine을 1차로 선별하였다. 표면 처리된 나노입자들을 점도가 높은 에폭시에 잘 섞이도록 하기 위해서는 용제에 녹일 필요가 있고, 용제는 고분자의 경화 반응을 방해하지 않으면서 제조공정 중 모두 제거되어 최종 제품의 특성에 영향을 미치지 않아야 한다. 이러한 요소와 함께 표면 처리제와의 반응성을 고려하여 1차로 용제를 선별하였다. 그리고 선정된 표면 처리제들로 나노입자의 표면을 처리하여 각 용제에 분산시킨 나노 용액의 평균 입도를 DLS로 확인하였다. 그 결과를 통해 최종적으로 표면 처리제는 Oleic acid, 용제는 Hexane으로 선정하고 특성 평가를 위한 시편을 제작하였다.
마이크로 복합재료와 나노 복합재료 시편을 제조하여 특성을 비교 평가한 결과, 나노 복합재료(1phr)의 기계적 성능은 크게 향상되었으나 전기적 성능이 마이크로 복합재료와 거의 유사한 수준인 것을 확인하였다. 기계적 성능의 경우 나노입자의 표면처리가 적절하게 이루어져 나노입자와 고분자 간의 강한 상호작용에 의해 특성이 향상된 것으로 보인다. 전기적 성능의 경우 절연재료의 절연파괴에는 2가지 메커니즘이 있는데 하나는 단시간의 높은 전계 스트레스로 인한 전자사태이고 나머지는 장시간의 낮은 전계 스트레스로 인한 electrical treeing의 성장이다. 나노입자는 electrical treeing의 성장을 방해하는 효과가 있어 장시간 절연파괴 모델에는 유효하나 본 연구에서 평가한 단시간 절연파괴 모델의 전자사태를 방지하는 것에는 유효하지 않아 절연 성능의 향상이 충분히 이루어지지 않은 것으로 판단된다. 또한 나노 복합재료(3phr)의 경우 나노 복합재료(1phr)보다 특성이 오히려 저하되는 경향이 확인되었는데, 이는 나노입자의 함량이 일정량 이상 증가하게 되면 입자들끼리 서로 응집하여 적절히 분산되지 못하기 때문으로 생각된다.
이번 연구를 통해 나노 복합재료의 소재 선정, 시편 제작, 특성평가 방법을 확립하였고, 시편 실험을 통해 성능 향상 정도를 확인하였다. 앞으로는 제작 공정의 최적화, 추가 소재 선정, 장기 절연내력 평가 등을 통해 원하는 수준의 성능 향상이 이루어질 수 있도록 연구를 지속할 계획이다.
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/150875
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