졸-겔 반응을 이용한 유무기 하이브리드 전기절연 코팅막의 제조와 특성

Abstract

실란과 실리카 졸을 졸-겔 반응시키고, 판상알루미나 입자를 첨가하여 유무기 하이브리드 코팅제를 제조하고, 코팅제 조성과 도막의 코팅 방법에 따른 코팅막의 미세구조와 전기적·열적 물성을 비교하였다. 실란의 종류 및 혼합 비율, 실리카 졸의 종류, 판상 알루미나 필러의 함량, 코팅 방법이 변수에 따라 유무기 하이브리드 코팅막의 판상 알루미나 입자 충진율, 입자의 배향, 밀도, 전기 절연 및 열전도 등의 특성 등에 미치는 영향을 연구하였다. 코팅제는 적외선분광법을 통하여 반응 시간 경과에 따라 가수분해와 축합반응에 의해 변화되는 작용기 고유의 피크를 확인하였다. 반응 시간에 따라 800 ~ 750 cm-1의 Si-O-CH3 굽힘(bending), 3700 ~ 3200 cm-1의 Si-OH 신축(stretching) 피크는 감소하고, 1000 cm-1의 Si-O-Si 신축(stretching) 피크는 증가되었다. 또한 코팅제의 적외선분광분석과 점도측정을 통하여 코팅제 제조 공정을 60 ℃, 18 시간 반응으로 설정하였다. 주사전자현미경과 집속이온빔장치를 통하여 코팅막의 미세구조를 분석하였다.열중량분석기를 통하여 코팅막의 열적안정성을 비교하고, 내전압측정기를 통하여 코팅막의 전기적 특성을 분석하였다. 절연 코팅막으로 사용되는 소재 중에서 에폭시 등의 수지로 제조한 코팅막은 세라믹보다 낮은 열적안정성과 방열특성을 가지며, 세라믹 코팅은 소성 온도가 높아 적용 조건이 제한적이다. 이 연구에서는 실리카 졸과 실란의 가수분해와 축합 반응으로 제조된 바인더에 판상 알루미나 필러를 첨가하여 인가전압 30 V, 전극간격 2 cm, 10 분 조건의 전기영동적층 통하여 두께 1 mm 이상의 코팅막을 제조하였다. 이 방법으로 MTMS와 30 wt% 알루미나 입자를 포함하여 제조한 코팅막은 600 ℃이하에서 3 %이하의 무게손실을 보이며, GPTMS와 30 wt% 알루미나를 포함한 코팅막보다 열적안정성이 좋다. 또한 TM-50과 MTMS를 전기영동적층방법으로 제조한 코팅막의 절연파괴전압은 7.2 kV이다. 절연파괴전압은 전기영동적층 방법으로 제조한 코팅막이 어플리케이터로 제조한 코팅막보다 높다. 그러나 절연파괴강도는 전기영동적층 방법으로 제조한 코팅막은 11 kV/mm, 어플리케이터로 제조한 코팅막은 62 kV/mm이다. 전기영동적층방법은 후막을 제조 할 수 있는 장점이 있으나, 도막의 치밀성을 높여 절연파과강도를 증가시킬 수 있는 조건에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.