Characterization of EPDM/micro-Silica/micro-Silicon Carbide (SiC)/nano-hBN Composites for HVDC Insulation
본 연구는 표면 개질된 nano-hBN을 EPDM/micro-SiC 복합체에 도입하는 것이 열전도도를 유의미하게 향상시키고 HVDC 및 HVAC 절연 파괴 강도를 극대화하며, 20 phr의 nano-hBN 함량에서 정점의 전기적 성능을 달성함을 입증한다.
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고전압 직류 송전선은 현대 전력망의 조용한 동맥으로서, 막대한 양의 전기를 광활한 거리에 걸쳐 놀라운 효율로 운반합니다. 대부분의 가정에 전력을 공급하는 교류가 끊임없이 방향을 바꾸는 것과 달리, 직류는 단일하고 일정한 흐름으로 흐릅니다. 이 일정한 흐름은 케이블을 감싸는 절연 재료에 독특한 과제를 안겨줍니다. 즉, 보이지 않는 전기적 전하가 재료 내부에 갇히거나 축적되게 만드는 것입니다. 시간이 흐름에 따라 이렇게 갇힌 전하는 전기장을 왜곡하여 치명적인 고장으로 이어질 수 있는 취약 지점을 만듭니다. 그리드를 안전하게 운영하기 위해 엔지니어들은 전기를 차단할 뿐만 아니라, 이러한 갇힌 전하를 관리하고 고전압 전류에 의해 발생하는 열을 방출할 수 있는 절연체가 필요합니다. 이러한 응용 분야에 주로 사용되는 재료는 EPDM이라 불리는 질긴 고무로, 내구성과 내후성이 뛰어나기로 알려져 있지만, 그 자체만으로는 현대의 고전압 시스템이 만들어내는 강렬한 열과 전하 축적을 감당하기에 어려움이 있습니다.
중부대학교와 홍콩과학기술대학교의 연구진은 두 가지 매우 다른 종류의 분말을 혼합하여 이 고무를 개선하고자 했습니다. 연구진은 미세한 탄화규소 입자를 첨가했는데, 이 물질은 전기를 적절히 전도하여 갇힌 전하가 한곳에 뭉치지 않고 고르게 퍼지도록 돕습니다. 열 문제를 해결하기 위해, 연구진은 나노 크기의 육방정 질화붕소를 도입했습니다. 이 물질은 원자 배열이 연필심과 유사한 평평한 시트 형태를 띠고 있어 '화이트 그래파이트(백색 흑연)'라고도 불리지만, 전기적으로는 완벽한 절연체 역할을 하는 동시에 열 전도율은 매우 뛰어납니다. 문제는 이 미세한 입자들이 뭉치지 않고 고무 속에 고르게 섞이도록 하는 것이었습니다. 이를 위해 연구진은 입자의 표면을 화학적으로 처리하여 고무와 친화력을 갖게 만든 뒤, 혼합물을 함께 밀어 펴서 단단한 시트로 구워냈습니다.
이 혼합 과정의 결과는 놀라웠습니다. 연구진이 새로운 복합 재료를 테스트했을 때, 열 전도성 입자를 첨가하는 것이 재료가 전기적 스트레스를 다루는 방식에 상당한 차이를 만든다는 것을 발견했습니다. 가장 우수한 성능은 나노 크기의 질화붕소를 특정량, 즉 고무 100그램당 20그램을 첨가했을 때 나타났습니다. 이 수준에서 신소재는 정극성 테스트에서 밀리미터당 최대 95.4킬로볼트의 직류 전압을 견뎌냈으며, 이는 수정되지 않은 고무가 87.3킬로볼트에서 실패했던 것에 비해 주목할 만한 개선입니다. 이러한 개선은 부극성 테스트에서 더욱 두드러졌는데, 새로운 재료는 기존의 89.3킬로볼트와 비교하여 최대 98.2킬로볼트까지 견뎌냈습니다. 이는 두 종류의 분말 조합이 전기 전하를 분산시키고 열을 방출하는 데 모두 더 효과적인 재료를 만든다는 것을 시사합니다.
전기적 강도 외에도, 이 재료는 열을 근원지로부터 멀리 이동시키는 명확한 능력을 보여주었습니다. 연구진이 열 전도성 질화붕소의 양을 늘림에 따라 재료의 열 전달 능력도 꾸준히 상승했습니다. 테스트한 질화붕소의 양이 가장 많았을 때, 이 재료는 탄화규소만을 포함한 고무보다 열을 1.55배 더 잘 전달했습니다. 이러한 향상된 열 성능은 고전압 송전선에서 발생하는 높은 온도 아래에서 고무가 퇴화하는 것을 방지하는 데 필수적입니다. 또한 재료는 물리적 강도를 유지했습니다. 실제로 질화붕소가 더 많이 첨가될수록 인장 강도, 즉 재료를 잡아당겨 분리하는 데 필요한 힘이 기초 혼합물의 4.30메가파스칼에서 최적화된 혼합물의 4.58메가파스칼로 약간 증가했습니다. 재료가 약간 덜 신축적이 되기는 했으나, 실용적인 용도로 쓰기에 충분히 견고했습니다.
본 연구는 이 두 가지 첨가제의 양을 세밀하게 조절함으로써 고전압 직류 시스템을 위한 우수한 절연 재료를 만들 수 있음을 확인해 줍니다. 연구진은 나노 크기 질화붕소를 너무 많이 첨가하면 오히려 전기적 강도가 감소한다는 것을 발견했으며, 이는 이점이 줄어들기 전까지 추가할 수 있는 정밀한 한계치가 존재함을 나타냅니다. 고무 100그램당 20그램의 나노 입자를 포함하는 최적의 혼합물이 가장 효과적인 배합물로 나타났으며, 이는 전기적 파괴 저항, 열 관리 및 기계적 내구성 측면에서 균형 잡힌 개선을 제공했습니다. 이 연구는 미래의 고용량 전력 전송 네트워크가 요구하는 가혹한 조건을 견딜 수 있는 절연체를 개발하기 위한 구체적인 경로를 제시합니다.
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