발명의명칭:절연체및이를포함하는전력 케이블 기술분야

[1] 본발명은절연체및이를포함하는전력케이블에 관한것이다.구체적으로,본 발명은친환경적이고,내열성및기계적강도가� �수한동시에,이들물성과 상충관계 (trade-off)에 있는유연성,굴곡성,내충격성,내한성,포설성,� ��업성 등이우수한절연체및이를포함하는전력케이블 에관한것이다.

배경기술

[2] 일반적인전력케이블은도체와이를감싸고절연 체로이루어진절연층을 포함하고,특히고전압또는초고전압전력케이� �의경우상기도체와절연층 사이에내부반도전층,상기절연층을감싸는외� �반도전층,상기외부 반도전층을감싸는쉬스층등을추가로포함할수 있다.

[3] 최근,증가하는전력수요에따라고용량케이블� �개발이요구되고있으며 이를위해서는기계적,전기적특성이우수한절� �층을제조하기위한절연체가 필요한상황이되었다.

[4] 종래상기절연체를구성하는기재수지로서폴리 에틸렌,에틸렌 /프로필렌 탄성공중합체 (EPR),에틸렌/프로필랜/디엔공중합체 (EPDM)등의

폴리올레핀계고분자를가교시킨것이일반적으 로사용되어왔다.이러한 종래의가교수지는심지어고온하에서도우수한 유연성및만족스런

전기적 ^· 기계적강도등을유지하기때문이다.

[5] 그러나,절연체를구성하는기재수지로사용되� �온상기가교

폴리에틸렌 (XLPE)등은가교형태이기때문에상기가교폴리에 틸렌등의 수지로제조된절연층을포함하는케이블등의수 명이다하면상기절연층을 구성하는수지의재활용이불가능하고소각에의 해폐기할수밖에없어환경 친화적이지않다.

[6] 또한,쉬스층의재료로서폴리비닐클로라이드 (PVC)를사용하는경우이를 상기절연재료를구성하는가교폴리에틸렌 (XLPE)등으로부터분리하는것이 곤란하여,소각시유독성염소화물질이생성되� �등환경친화적이지않은 단점이 있다.

[7] 한편,비가교형태의고밀도폴리에틸렌 (HDPE)또는저밀도

폴리에틸렌 (LDPE)은이로부터제조된절연층을포함하는케이 블등의수명이 다하면상기절연층을구성하는수지의재활용이 가능한등환경친화적이나, 가교형태의폴리에틸렌 (XLPE)에비해내열성이열등하여낮은운전온도로 인해그용도가매우제한적인단점이있다.

[8] 한편,고분자자체의용융점이 160 ^O C이상으로가교하지않고도내열성이

우수하여환경친화적인폴리프로필렌수지를기 재수지로사용하는것을 고려해볼수있다.다만,상기폴리프로필렌수지� ��이의높은강성 (rigidity)에 의한불충분한유연성,굴곡성 (flexibility)등으로인해,이로부터제조되는 절연층을포함하는케이블의포설작업시작업성 이떨어지고그용도가 제한되는문제가있다.

[9] 따라서,환경친화적이고제조비용이저렴할뿐� �아니라,내열성과기계적 강도및이들과상충관계 (trade-off)에있는유연성,굴곡성,내충격성,내한� ��, 포설성,작업성등을동시에만족시킬수있는절� �체및이를포함하는전력 케이블이절실히요구되고있는실정이다.

발명의상세한설명

기술적과제

[1이 본발명은환경친화적인절연체및이를포함하는 전력케이블을제공하는 것을목적으로한다.

[11] 또한,본발명은내열성과기계적강도및이들과� �충관계 (trade-off)에 있는 유연성 ,굴곡성，내충격성 ,내한성 ,포설성 ,작업성등을동시에만족시킬수있는 절연체및이를포함하는전력케이블을제공하는 것을목적으로한다.

과제해결수단

[12] 상기과제를해결하기위해 ,본발명은,

[13] 절연체로서,

[14] 헤테로상폴리프로필렌수지를포함하는절연조 성물로부터형성되고,

[15] 아래수학식 1에서정의된피크분율의가열전/후변화율인아� ��수학식 2의 피크분율변화율이 -50내지 50%인,절연체를제공한다.

[16] [수학식 1]

[17] 결정성부분의파수에서의흡수율피크값 무정형부분의파수매서의흡수율피크값

[18] 상기수학식 1에서,

[19] 상기결정성부분의파수에서의흡수율피크값은 상기절연체에대한 FT-IR 분석시상기절연체내의결정성부분의파수인 992 1002 cm ¹ 에서의흡수율의 피크값이고,

[2이 상기무정형부분의파수에서의흡수율피크값은 상기절연체에대한 FT-IR 분석시상기절연체내의무정형부분의파수인 。!!! - ¹ 에서의흡수율의 피크값이다.

[21] [수학식 2]

[22] 피크분율변화율 (%) =상온피크분을 -가열후피크분율 X » 상온피크분율

[23] 상기상온피크분율은상기절연체시편에대해상 온에서측정한 2020/175875 1»（：1/10公020/002656 피크분율이고,

상기가열후피크분율은상기절연체시편을대류 오븐내에서 136ᄋ ⁽ :로 일동안가열한후측정한피크분율이다.

여기서,상기피크분율변화율 (%)은 -35내지 35%인것을특징으로하는, 절연체를제공한다.

또한,상기피크분율변화율 (%)은 -20내지 20%인것을특징으로하는, 절연체를제공한다.

그리고,상기절연체는규격 ASTM D790에따라측정된상온에서의 굴곡탄성율이 50내지 1,200 MPa인것을특징으로하는,절연체를제공한다. 한편,상기절연체는 60811-5()1에 따라측정된인장강도의가열전/후 변화율인아래수학식 3의 인장강도변화율이 -25내지 25%인것을특징으로 하는,절연체를제공한다.

[수학식 3]

인장강도변화율 (%) =상온인장강도 _가열후인장강도 X ¹⁰⁰ 상온인장강도

[3 상기상온인장강도는상기 절연시편에 대해상온에서측정한인장강도이고, 상기노화인장강도는상기 절연시편을대류오븐등에서 136ᄋ (:로 일동안 가열한후측정한인장강도이다.

여기서,상기 인장강도변화율이 -20내지 20%인것을특징으로하는,절연체를 제공한다.

한편,상기절연체는 60811-5()1에 따라측정된신율의가열전/후 변화율인아래수학식 4의신율변화율이 -25내지 25%인것을특징으로하는,

] ] ] ] ] ] ] ] ] 절연체를제공한다.

479072456388

[ 22222233333335] [수학식 4]

[36] 율 =상온신율 -가열후신율 X ¹⁰⁰ 상온신율

상기상온신율은상기 절연시편에 대해상온에서측정한신율이고, 상기노화신율은상기 절연시편을대류오븐등에서 136ᄋ (:로 일동안가열한 후측정한신율이다.

[39] 여기서,상기신율변화율이 -20내지 20%인것을특징으로하는,절연체를 제공한다.

[4이 한편,상기헤테로상폴리프로필렌수지는결정� �폴리프로필렌매트릭스내에 고무상프로필렌공중합체가분산된것을특징으 로하는,절연체를제공한다.

[41] 여기서,상기결정상폴리프로필렌매트릭스는� �로필렌단독중합체나

프로필렌공중합체또는이들모두를포함하는것 을특징으로하는,절연체를 제공한다. 2020/175875 1»（：1^1{2020/002656

[42] 또한,상기고무상프로필렌공중합체는에틸렌� � 1 -부텐, 1 -펜텐,

4 -메틸- 1 -펜텐, 1 -핵센, 1 -헵텐, 1 -옥텐등의 0 _4-12 알파-올레핀으로이루어진 군으로부터선택된 1종이상의공단량체를포함하는것을특징으로� �는, 절연체를제공한다.

[43] 한편,도체및상기도체를감싸는절연층을포함� �는전력 케이블로서 ,상기 절연층은상기절연체를포함하는,전력 케이블을제공한다.

발명의효과

[44] 본발명에 따른절연체는비가교프로필렌중합체를채택함 으로써환경

친화적이고,상기 절연체로부터 형성된절연층시편에 대한특정 피크분율의 변화율을정밀하게조절함으로써 내열성과기계적 강도가우수한동시에 이와 상충관계에유연성,굴곡성,내충격성,내한성,� �설성,작업성등을동시에 만족시킬수있는우수한효과를나타낸다.

도면의간단한설명

[45] 도 1은본발명에 따른전력 케이블의하나의실시예에관한횡단면구조를

개략적으로도시한것이다.

[46] 도 2는도 1에도시된전력 케이블의종단면구조를개략적으로도시한것이 다.

[47] 도 3은본발명에 따른실시예 1의절연체시편에 대해 적외선분광법으로

분석한결과의그래프를도시한것이다.

발명의실시를위한형태

[48] 이하,본발명의 바람직한실시예들을상세히설명하기로한다.� �러나,본

발명은여기서설명된실시예들에 한정되지 않고다른형태로구체화될수도 있다.오히려 ,여기서소개되는실시예들은개시된내용이 철저하고완전해질수 있도록,그리고당업자에게본발명의사상이충� �히 전달될수있도록하기 위해제공되는것이다.명세서 전체에걸쳐서동일한참조번호들은동일한 구성요소들을나타낸다.

[49] 도 1및 2는본발명에 따른전력 케이블의하나의실시예에관한횡단면및

종단면구조를각각도시한것이다.

[5이 도 1및 2에도시된바와같이,본발명에 따른전력 케이블은구리,알루미늄 등의 전도성물질로이루어진도체 (10)와절연성고분자등으로이루어진 절연층 (30),상기도체 (10)를감싸고상기도체 (10)와상기절연층 (30)사이의 공기층을없애주며국부적인전계집중을완화시 켜주는등의 역할을수행하는 내부반도전층 (20),케이블의차폐역할및절연층 (30)에균등한전계가걸리도록 하는역할을수행하는외부반도전층 (40),케이블보호를위한시스층 (50)등을 포함할수있다.

[51] 상기도체 (10),절연층 (30),반도전층 (20, 40),쉬스층 (50)등의규격은케이블의 용도,송전압등에따라다양할수있으며,상기절� ��층 (30),반도전층 (20, 40), 쉬스층 (50)을구성하는재료는동일하거나상이할수있� �. 2020/175875 1»（：1^1{2020/002656

[52] 상기도체 (10)는전력케이블의유연성,굴곡성,포설성,작� �성등을

향상시키는측면에서복수개의소선이연합된연 선으로이루어질수있고,특히 복수개의소선이상기도체 (10)의원주방향으로배열됨으로써형성된복수� �의 도체층을포함할수있다.

[53] 본발명에따른전력케이블의절연층 (30)은폴리프로필렌공중합체,예를들어 2개이상의상,구체적으로결정상및고무상수지� ��포함하는헤테로상 폴리프로필렌,구체적으로결정상폴리프로필� �매트릭스내에고무상 프로필렌공중합체가분산된헤테로상폴리프로 필렌수지를포함하는비가교 열가소성수지를포함하는절연체로부터형성될 수있다.

[54] 여기서,상기결정상폴리프로필렌매트릭스는� �로필렌단독중합체및/또는 프로필렌공중합체를포함할수있고,바람직하� �는프로필렌단독중합체를 포함할수있으며 ,더욱바람직하게는프로필렌단독중합체만을� �함할수있다. 상기프로필렌단독중합체는단량체종중량을기 준으로 99중량%이상, 바람직하게는 99.5중량%이상의프로필렌의중합에의해형성되� ��

폴리프로필렌을의미한다.

[55] 상기결정상폴리프로필렌매트릭스는통상적인 입체-특이지글러-나타촉매, 메탈로센족매,구속기하족매,다른유기금속또� ��배위족매하에서중합될수 있고,바람직하게는지글러-나타촉매또는메탈� ��센촉매하에서중합될수 있다.여기서,상기메탈로센은사이클로펜타디� ��과전이금속이샌드위치 구조로결합한새로운유기금속화합물인비스 (사이클로펜타이덴일)금속의 총칭으로,가장간단한구조의일반식은 M(C ₅ ) ₂ (여기서， M은끄, V, (¾므 (¾ , 1 , ¾班등)이다.상기메탈로센촉매하에서중합된� �리프로필렌은 촉매잔량이약 200내지 으로낮기때문에,상기촉매잔량에의해상기 폴리프로필렌을포함하는절연체의전기적특성 이저하되는것을억제하거나 최소화할수있다.

[56] 한편,상기결정상폴리프로필렌매트릭스내에� �산된고무상프로필렌

공중합체는실질적으로무정형이다.상기고무� �프로필렌공중합체는에틸렌 및 1 -부텐, 1 -펜텐, 4 -메틸- 1 -펜텐, 1 -핵센, 1 -헵텐, 1 -옥텐등의 0 _4-12

알파-올레핀으로이루어진군으로부터선택된 1종이상의공단량체를포함할수 있다.

[57] 상기고무상프로필렌공중합체는단량체프로필 렌-에틸렌고무 £11)또는 프로필렌-에틸렌디엔고무 (EPDM)일수있다.

[58] 본발명에 있어서 ,상기고무상프로필렌공중합체의입자크기는� �이크로 또는나노사이즈일수있다.상기고무상프로필� �공중합체의이러한입자 크기는상기결정상폴리프로필렌매트릭스내에 서의상기고무상프로필렌 공중합체의균일한분산을담보하고,이를포함� �는절연층의충격강도를 개선시킬수있다.또한,상기입자크기는상기입� ��에의해개시되는균열의 위험요인을감소시키면서이미형성된균열또는 크랙을중단시킬가능성을 향상시킨다.

[59] 상기헤테로상폴리프로필렌수지는비가교형태 임에도불구하고자체적인 용융점이높아충분한내열성을발휘함으로써연 속사용온도가향상된전력 케이블을제공할수있을뿐만아니라,비가교형� �이므로재활용이가능한등 환경친화적인우수한효과를나타낸다.반면,종� ��의가교형태의수지는 재활용이어려워친환경이지않을뿐만아니라,� �연층 (30)형성시가교결합 또는스코치 (scorch)가조기에발생하면균일한생산능력을발� ��할수없는등 장기압출성저하를야기할수있다.

[6이 본발명에 있어서 ,상기절연층 (30)을형성하는절연체는핵제 (nucleating

agent)를추가로포함할수있다.상기핵제는솔비� � (sorbitol)계핵제일수있다. 즉,상기핵제는솔비톨계핵제로서예를들어

1,3:2, 4 -비스 (3, 4 -디메틸디벤질리딘)솔비톨 (l,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene) Sorbitol),비스 (p-메틸디벤질리딘)솔비톨 (Bis(p-methyldibenzulidene) Sorbitol), 치환된디벤질리딘솔비톨 (Substituted Dibenzylidene Sorbitol),이들의혼합물일 수있다.

[61] 상기핵제는케이블의압출공정에서급냉하지않 아도상기비가교열가소성 수지의경화를촉진함으로써케이블의생산성을 향상시킬뿐만아니라,상기 비가교열가소성수지의경화시생성되는결정의 크기를작게,바람직하게는 1 제한함으로써,제조되는절연층의전기적특성� �향상시킬수 있고,나아가상기결정이생성되는결정화사이� �를다수개형성시킴으로써 결정화도를증가시켜상기절연층의내열성 ,기계적강도등도동시에

향상시키는우수한효과를발휘한다.

[62] 상기핵제는용융온도가높기때문에약 230 ^O C의높은온도에서사출및압출 가공을해야하며, 2이상의솔비톨계핵제를조합하여사용하는것� �

바람직하다. 2이상의서로다른솔비톨계핵제를조합하여사� �하는경우낮은 온도에서도핵제의발현성이높아질수있다.

[63] 상기핵제는상기비가교열가소성수지 100중량부를기준으로 0.1내지 0.5 중량부로포함될수있다.상기핵제의함량이 0.1중량부미만인경우큰결정 크기,예를들어, 10 를초과하는결정크기및불균일한결정분포로인 해상기 비가교열가소성수지및이를포함하는절연층의 내열성,전기적 ·기계적 강도가저하될수있는반면,상기핵제의함량이 0.5중량부를초과하는경우 너무작은결정크기,예를들어, 1 ^in미만의결정크기로인해상기결정과상기 수지의무정형부분사이의표면계면면적의증가 로상기비가교열가소성수지 및이를포함하는절연증의교류절연파괴 (AC dielectric breakdown; ACBD)특성, 임펄스 (impulse)특성등이저하될수있다.

[64] 본발명에 있어서 ,상기절연층 (30)을형성하는절연체는절연유를추가로

포함할수있다.

[65] 상기절연유는광유,합성유등을사용할수있다.� ��히,상기절연유는 디벤질톨루엔,알킬벤젠,알킬디페닐에탄같은� ��향족탄화수소화합물로 이루어진방향족계오일,파라핀계탄화수소화� �물로이루어진파라핀계오일, 나프텐계탄화수소화합물로이루어진나프텐계 오일,실리콘유등을사용할수 있다.

[66] 한편,상기절연유의함량은상기비가교열가소� �수지 100중량부를기준으로 1내지 10중량부,바람직하게는 1내지 7.5중량부일수있고,상기절연유의 함량이 W중량부초과인경우도체 (10)상에절연증 (30)을형성하는압줄 과정에서상기절연유가용출되는현상이발생하 여케이블의가공이

어려워지는문제가발생할수있다.

[67] 상기절연유는앞서기술한바와같이강성 (rigidity)이커서유연성 (flexibility)이 다소낮은폴리프로필렌수지를기재수지로하는 절연층 (30)의유연성,굴곡성 등을추가로개선함으로써케이블의포설작업을 용이하게하는동시에,상기 폴리프로필렌수지가본질적으로가지는우수한 내열성,기계적 ·전기적 특성을유지또는개선시키는탁월한효과를나타 낸다.특히,상기절연유는 상기폴리프로필렌수지가메탈로센촉매하에서 중합되는경우다소좁은 분자량분포에의해다소저하된가공성을보충하 는우수한효과를나타낸다.

[68] 본발명에 있어서 ,상기절연층 (30)을형성하는절연체는상온에서의

굴곡탄성율이 50내지 1,200 MPa (규격 ASTM D790에따라측정됨),

바람직하게는 200내지 1,000 MPa일수있다.

[69] 여기서,규격 ASTM D790에따라측정한굴곡탄성율은직육면체형상� �

절연체시편을 2개의지지대위에놓고상기 2개의지지대사이의상기절연체 시편의중간부분에하중을인가하면서절연체시 편표면에파단이발생하거나 5.0%의변형이일어나는시점에인가된하중을측� �함으로써측정할수있다. 또한,상기절연체시편의상온에서의굴곡탄성� �이 50 MPa미만인경우상기 절연층 (30)의내열성,기계적특성등이불충분할수있는� ��면, 1,200 MPa 초과인경우상기절연층 (30)의유연성,내한성,포설성,작업성등이크게� �하될 수있다.

이 본발명자들은상기절연체시편을가열전/후적� �선분광법 (FT-IR)으로

분석한결과절연체시편내의결정성부분과무정 형부분각각을나타내는 파수 (wave number)에서의톱수율의피크값비율인피크분율 (peak ratio)의 가열 (aging)전/후변화율에따라상기절연체시편의내� ��성,기계적특성, 유연성,내한성,포설성,작업성등이변화하고,� �정범위의피크분율의 변화율을만족하는경우우수한내열성및기계적 특성,그리고이와상충관계에 있는우수한유연성 ,내한성 ,포설성 ,작업성등의물성이동시에달성됨을 실험적으로확인함으로써본발명을완성하였다 .

1] 상기절연체시편내의결정성부분과무정형부분 각각을나타내는파수 (wave number)에서의톱수율의피크값비율인피크분율 (peak ratio)및가열전/후 피크분율변화율은절연체시편을채취할절연층 의제조공정,특히수지의 2020/175875 1»（：1^1{2020/002656 단량체종류및종류별개수,단량체배열및구조,� ��지의중합촉매,압출선속, 압출온도,냉각온도,냉각속도등에따라조절이� ��능하다.

[72] 수학식 1로정의될수있다.

3] [수학식 1]

[ _74] ᅫ리1 =결정성부분의파수예서의흡수율피크값

무정형부분의파수에서의흡수율피크값

5] 상기수학식 1에서,

6] 상기결정성부분의파수에서의흡수율피크값은 상기절연체에대한 17-111 분석시상기절연체내의결정성부분의파수인 !!! - ¹ 에서의흡수율의 피크값이고,

7] 상기무정형부분의파수에서의흡수율피크값은 상기절연체에대한 17-111 분석시상기절연체내의무정형부분의파수인 。!!! - ¹ 에서의흡수율의 피크값이다.

8] 여기서,상기파수（\vave 111111 6]·）는파동에 있어서단위길이당변화하는

위상의크기를의미한다.

[79] 또한,상기절연체의가열 ）전/후상기피크분율여쇼 _¾ ）의변화율은 아래수학식 2로정의될수있다.

[8이 [수학식 2]

[81] 피크분율변화율（%） =상온피크분· _가열후피크분율 X 100 상온피크분율

[82] 상기상온피크분율은상기절연체에대해상온에 서측정한피크분율이고,

[83] 상기가열후피크분율은상기절연체를대류오븐 등에서 136ᄋ（:로 10일동안 가열한후측정한피크분율이다.

[84] 본발명에 있어서,상기피크분율변화율은 -50내지 50%,바람직하게는 -35 내지 35%,더욱바람직하게는 -20내지 20%일수있다.상기피크분율변화율이 -50%미만또는 50%초과인경우상기절연체에대한가열 !¾）시상기절연체 내의결정성부분과무정형부분의상호이동이과 도하여상태가불안정하고, 결과적으로우수한내열성및기계적특성，그리 고이와상충관계에있는우수한 유연성,내한성,포설성,작업성등의물성이동시 에달성하는것이불가능하다.

[85] 이로써,본발명에따른절연체는이의시편에대� �규격 3（：또0 60811-5（）1에 따라인장강도및신율을각각측정시상온에서의 인장강도는 1.275 1¾/ä ² 이상, 신장율은 200%이상이고,상기절연체시편을대류오븐등에� �� 136ᄋ（:로

일동안가열知 ₁ ¾）한후측정한인장강도및신장율변화율� ��각각 -25내지 25%,바람직하게는 -20내지 20%로안정적인내열성및기계적특성을보유할 수있다.

[86] [87] [실시예]

[88]

[89] 상이한단량체비율및제조공정을통해제조되어 가열전/후피크분율

변화율이상이한절연체를도체에압출하여케이 블시편 2개를제조하고각각의 케이블시편의절연층으로부터두께 1111111의절연체시편을채취하여

상온에서의인장강도및신장율을각각측정한후 상기절연체시편을대류오븐 내에서 136ᄋ（:로 일동안가열 1¾）한후가열후인장강도및신장율을각각 다시측정했다.여기서,상기절연체시편은고온� ��서절연조성물을프레스 하여두께 1111111로시편을제작하여사용하는것도가능하� �.

[9이 측정결과는아래표 1및실시예 #1에관한도 3에나타난바와같다.

[91]

[92] [표 1]

[93] 상기표 1에나타난바와같이,본발명에따른절연체시편� ��가열 1¾）전/후 피크분율변화율이낮아안정된상태를보유하여 기계적특성의가열知 1¾） 전/후변화율이낮게조절되어내열성및기계적� �성그리고이와상충관계에 있는유연성,내한성,포설성,작업성등이우수한 것으로확인되었다.

[94] 반면,가열전/후피크분율변화율이 ±50%를벗어나는비교예 1및 2의절연체 시편은불안정한상태를보유하여내열성이크게 저하되고,기계적특성이 불안정한것으로확인되었다.

[95] 본명세서는본발명의바람직한실시예를참조하 여설명하였지만,해당

기술분야의당업자는이하에서서술하는특허청 구범위에기재된본발명의 사상및영역으로부터벗어나지않는범위내에서 본발명을다양하게수정및 2020/175875 1»（：1/10公020/002656 변경실시할수있을것이다.그러므로변형된실� �가기본적으로본발명의 특허청구범위의구성요소를포함한다면모두본 발명의기술적범주에 포함된다고보아야한다.