KR102288169B1 - 에폭시 수지 조성물을 사용한 이종 재료의 접합 - Google Patents

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Abstract

이종 재료를 접합하기 위한 에폭시 수지 조성물이 개시된다. 확인된 에폭시 수지 조성물은 커패시터의 금속 구성요소와 비금속 구성요소를 밀봉하는 데 사용될 수 있다. 구체적으로, 에폭시 수지 조성물은 비금속 커패시터 부싱과 금속 탱크 커버 및 금속 단자 캡 사이의 접합부에 적용될 수 있다. 일단 에폭시 수지 조성물이 경화되면, 그것은 커패시터가 처해지는 응력 및 환경 조건을 견딜 수 있는 시일을 제공할 수 있다.

Description

에폭시 수지 조성물을 사용한 이종 재료의 접합{JOINING DISSIMILAR MATERIALS USING AN EPOXY RESIN COMPOSITION}
본 명세서에 기술된 실시예는 일반적으로 에폭시 수지 조성물을 사용하여, 금속 재료와 비금속 재료와 같은 이종 재료(dissimilar material)를 접합하는 것에 관한 것이다.
금속 재료와 비금속 재료와 같은 이종 재료를 접합하는 것은 종종 다양한 기술적 문제를 나타낸다. 많은 유형의 종래의 접합 방법에 대해 저항하는 이종 재료뿐만 아니라, 형성되는 접합부조차도 상당한 응력 또는 혹독한 환경 조건을 견디지 못할 수 있다. 이들 문제는 실외에 배치되는 전기 장비에 대해 특히 그러하지만, 고온과 같은 혹독한 환경 요인이 실내 환경에서도 존재할 수 있다. 예를 들어, 커패시터 탱크(capacitor tank)의 경우에, 비금속 커패시터 부싱(capacitor bushing)을 금속 단자 캡 및 금속 탱크 커버에 접합할 필요가 있다. 커패시터 부싱은 몇 가지 기능을 수행한다. 부싱의 일차 기능은 수천 볼트의 전위에 있을 수 있는 전기 리드(lead)를 커패시터 탱크의 금속 몸체로부터 그리고 서로 격리시키는 것이다. 커패시터 부싱은 또한 커패시터의 내부에 있는 내용물을 외부 환경으로부터 격리시키는 데 사용된다. 내부 커패시터 구성요소를 외부 환경과의 접촉으로부터 보호하는 것이 필요한데, 왜냐하면 습기 또는 먼지에 의한 오염이 유전체 커패시터 유체를 열화시키고 커패시터 고장으로 이어질 수 있기 때문이다. 또한, 커패시터 부싱은 커패시터 내부의 유전체 유체를 밀봉하고, 이것이 환경으로 빠져나가는 것을 방지한다.
현재, 이들 금속 표면과 비금속 표면을 접합하는 데 사용될 수 있는 몇 가지 상이한 접근법이 존재한다. 하나의 예는 납땜이다. 커패시터 부싱을 납땜하는 것은 전형적으로 복잡한 절차를 수반하는데, 여기서 두꺼운 은-기반 페인팅된 필름의 2개의 코트(coat)가 신중하게 제어되는 공정에서 커패시터 부싱에 적용된다. 페인트의 코트는 건조되고, 이어서 커패시터 부싱이 신중하게 제어되는 조건하에서 고온에서 소성된다. 소성 공정 후에, 커패시터 부싱은 금속 구성요소에 납땜될 수 있다. 납땜 공정은 복잡하고, 노동 집약적이고, 비용이 많이 들 수 있다.
금속 표면과 비금속 표면을 접합하는 대안적인 접근법은 기계적 구성요소 및 체결구(fastener)를 사용하는 것이다. 그러나, 기계적 체결은 커패시터 탱크에 비용 및 복잡성을 부가하는 추가의 구성요소를 필요로 하며, 기계적 체결구는 몇몇 응용의 경우에 불충분한 접합부 강도를 제공할 수 있고, 그것이 혹독한 환경 조건에 노출될 때 커패시터의 수명에 걸친 기계적 응력하에서 밀봉 완전성(sealing integrity)을 상실할 수 있다.
따라서, 커패시터 탱크를 제조하는 데 사용되는 금속 구성요소와 비금속 구성요소와 같은 이종 재료를 접합하기 위한 개선된 방법에 대한 필요성이 존재한다. 구체적으로, 비용이 덜 들고 보다 단순한 공정이고, 커패시터의 수명 동안 보다 신뢰성 있는 밀봉 특성을 갖는 보다 강한 접합부를 생성하는, 금속 구성요소와 비금속 구성요소를 접합하기 위한 개선된 기술에 대한 필요성이 존재한다.
일반적으로, 일 태양에서, 본 발명은 이종 재료를 접합하기 위한 에폭시 수지 조성물의 신규한 응용에 관한 것이다. 구체적으로, 일 실시예에서, 본 발명은 절연 재료와 금속 구성요소 사이에 경화 시일(cured seal)을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 예시적인 방법은 절연 재료 및 금속 구성요소 중 하나 또는 둘 모두의 일부분에 에폭시 수지 조성물을 적용하는 단계를 포함한다. 절연 재료 및 금속 구성요소는 에폭시 수지 조성물이 절연 재료와 금속 구성요소 사이에 시일을 형성하도록 접합된다. 이어서 시일이 경화되어 경화 시일을 형성한다. 절연 재료는 유리, 세라믹, 에폭시, 글레이즈 재료(glazed material), 또는 다른 중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 에폭시 수지 조성물은 페놀 노볼락 에폭시(phenol novolac epoxy), 비스페놀 A 에폭시(bisphenol A epoxy), 또는 이들의 조합, 및 경화제(curing agent)를 포함할 수 있다. 커패시터의 예에서, 일단 시일이 경화되고 커패시터가 완전히 조립되면, 경화 시일은 커패시터 내에 배치된 하나 이상의 방향족 화합물에 노출될 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 일반적으로 2개의 이종 재료를 접합하는 에폭시 수지 조성물을 포함하는 장치에 관한 것일 수 있다. 구체적으로, 이 장치는 절연 재료, 금속 구성요소, 및 절연 재료와 금속 구성요소 사이의 경화 시일을 포함할 수 있다. 경화 시일은 페놀 노볼락 에폭시, 비스페놀 A 에폭시, 또는 이들의 조합, 및 경화제를 포함하는 에폭시 수지 조성물을 포함할 수 있다. 절연 재료는 유리, 세라믹, 에폭시, 글레이즈 재료, 또는 다른 조성물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 커패시터의 예에서, 에폭시 수지 조성물은 경화되어, 절연 재료로 제조된 커패시터 부싱(bushing)과 금속 커버 및 금속 단자 캡 사이에 경화 시일을 형성한다. 일단 커패시터가 조립되면, 경화 시일은 커패시터 내에 배치된 하나 이상의 방향족 화합물에 노출될 수 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 절연 재료와 금속 구성요소 사이에 경화 시일을 형성하기 위한 방법에 관한 것일 수 있다. 예시적인 방법은 절연 재료에 조성물의 제 1 부분을 적용하고 금속 구성요소에 조성물의 제 2 부분을 적용하는 단계를 포함한다. 절연 재료 및 금속 구성요소는, 조성물의 제 1 부분 및 제 2 부분이 조합되어 절연 재료와 금속 구성요소 사이에 에폭시 수지 조성물을 형성하도록 접합된다. 이어서 에폭시 수지 조성물이 경화되어 경화 시일을 형성한다. 절연 재료는 유리, 세라믹, 에폭시, 글레이즈 재료, 또는 다른 중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 에폭시 수지 조성물은 페놀 노볼락 에폭시, 비스페놀 A 에폭시, 또는 이들의 조합, 및 경화제를 포함할 수 있다. 커패시터의 예에서, 일단 에폭시 수지 조성물이 경화되고 커패시터가 완전히 조립되면, 경화 시일은 커패시터 내에 배치된 하나 이상의 방향족 화합물에 노출될 수 있다.
이들 및 다른 태양, 목적, 특징, 및 실시예가 하기의 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 명백할 것이다.
도면은 에폭시 수지 조성물을 사용하여 이종 재료를 접합하는 예시적인 실시예를 예시할 뿐이며, 이에 따라 그것의 범위의 제한으로 간주되어서는 안 된다. 도면에 도시된 요소 및 특징부는 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아니며, 대신에 예시적인 실시예의 원리를 명확하게 예시하는 데에 중점을 둔다. 또한, 그러한 원리를 시각적으로 전달하는 데 도움을 주기 위해 소정의 치수 또는 위치설정이 과장되어 있을 수 있다. 도면에서, 도면 부호는 유사하거나 대응하는, 그러나 반드시 동일하지는 않은, 요소를 지시한다.
도 1은 소정의 예시적인 실시예에 따른 부분 절단된 커패시터의 사시도,
도 2는 소정의 예시적인 실시예에 따른 부분 절단된 커패시터 부싱의 사시도,
도 3은 소정의 예시적인 실시예에 따른 커패시터 부싱, 탱크 톱(tank top), 금속 케이싱, 단자 캡, 및 O-링의 분해도,
도 4는 소정의 예시적인 실시예에 따른 커패시터를 조립하기 위한 예시적인 방법을 나타내는 도면,
도 5는 소정의 예시적인 실시예에 따른 세라믹 재료와 금속 재료를 접합하는 접착제의 묘사도,
도 6은 소정의 예시적인 실시예에 따른 금속 표면의 묘사로서, 좌측의 예시는 오염물질의 제거 전의, 금속 표면의 층의 화학적 조성을 나타내고, 우측의 예시는 오염물질의 제거 후의, 금속 표면의 층의 화학적 상호작용을 나타내는 도면,
도 7은 방향족 유전체 유체에 대한 노출 전과 후의, 소정의 예시적인 실시예에 따른 경화 시일의 경도의 평가를 나타내는 도면.
본 명세서에서 논의되는 예시적인 실시예는 이종 재료를 접합하기 위한 시스템, 장치, 및 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 기술된 하나의 예시적인 실시예는 에폭시 수지 조성물을 사용하여 커패시터의 금속 구성요소와 비금속 구성요소를 접합하는 것을 포함한다. 그러나, 개시된 에폭시 수지 조성물의 신규한 응용은 또한 이종 재료를 접합할 필요성이 있는 다른 유형의 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 개시된 에폭시 수지 조성물은 또한 퓨즈, 개폐기(switchgear), 조절기(regulator), 및 변압기와 같은 다른 전기 구성요소에서 발견되는 이종 재료를 접합하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 개시된 에폭시 수지 조성물의 신규한 응용은 본 명세서에서 제공되는 커패시터 예로 제한되지 않는다.
용어 "접합부"와 "경화 시일"은 본 명세서에서 상호교환적으로 사용되고, 하나의 용어는 다른 용어를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 이들 용어에는 그것의 가장 넓은 합리적인 해석이 제공되어야 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "절연 재료"는 다수의 비금속 재료를 포함하는 비금속 재료의 한 유형이지만, 소정의 비금속 재료가 효과적인 절연체는 아니다는 것이 이해되어야 한다.
이제 커패시터 탱크의 예를 참조한다. 도 1은 케이싱(20) 내의 하나 이상의 커패시터 권선(capacitor winding)(10)으로 구성된 커패시터(19)를 도시한다. 케이싱(20)은 유전체 유체로 충전된다. 커패시터 권선(10)으로부터의 탭(tap)(17, 18)은 커패시터 부싱(40) 및 단자 캡(42)을 통과하는 리드(lead)(도시되지 않음)에 전기적으로 함께 접합된다. 탭(17, 18)은 커패시터 구성의 몇몇 방법에서 제거될 수 있고, 전기 리드는 커패시터 권선(10)에 직접 연결될 수 있다. 도 1의 예시적인 커패시터(19)는 예를 들어 국제 전기기술 위원회(International Electrotechnical Commission, IEC) 또는 전기 전자 학회(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)에 의해 개시된 바와 같은 하나 이상의 표준, 예를 들어 IEC 60871-1:2005, 섹션 12-밀봉 시험 및/또는 IEEE 18:2012, 섹션 7.2.3-누출 시험에서의 요건을 따를 수 있다.
커패시터 권선(10)은 전형적으로 한 쌍의 이격된 금속 포일 전극 및 중간 폴리프로필렌 필름 층을 포함하여, 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 권선 전체에 걸쳐 폴리프로필렌 필름 층의 쌍이 포일 전극 층 사이에서 확인된다. 탭(17, 18)은 전극 층에 인접하게 놓이도록 커패시터 권선(10) 내로 삽입되어, 전극을 위한 전기 접속부로서의 역할을 한다. 상기에 언급된 바와 같이, 커패시터의 대안적인 실시예는 전기 리드에 연결되는 연장된 금속 층 전극을 갖도록 구성될 수 있으며, 이는 별개의 탭에 대한 필요성을 제거한다. 단자 캡(42)에서 탭(17, 18)을 외부 전기 접속부에 연결하는 전기 리드(도시되지 않음)는 커패시터(19)의 케이싱(20)으로부터 전기적으로 절연된다. 케이싱(20) 및 탱크 커버(44)는 전형적으로 스테인리스강과 같은 내구성 있는 금속 재료로부터 제조되지만, 다른 내구성 있는 비금속 재료가 또한 사용될 수 있다. 단자 캡(42)은 전형적으로 하나 이상의 금속 재료로 제조된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 단자 캡(42)은 주석으로 도금된 황동으로 제조될 수 있다.
커패시터 권선(10)은 또한 전형적으로, 예를 들어 모노벤질 톨루엔, 다이페닐 에탄, 및 다이벤질 톨루엔 중 하나 이상의 혼합물과 같은 유전체 유체 내에 침지된다. 유전체 유체는 전형적으로 소정 재료에 대해 부식 효과를 가질 수 있는 하나 이상의 방향족 유체를 포함한다. 전형적으로, 수증기가 커패시터(19)의 조립체의 부분으로서의 커패시터 권선(10)의 구성요소 및 유전체 유체로부터 제거된다.
커패시터(19) 및 유전체 유체를 물 및 다른 불순물이 부재하는 상태로 유지하기 위해, 커패시터(19)는 밀봉되어야 한다. 커패시터 시일(seal)은 햇빛에의 장기 노출, 극심한 온도 변동, 및 요소에의 노출을 포함하는 환경에의 끊임없는 노출을 견딜 수 있어야 한다. 일반적으로, 커패시터 시일은 전 세계에 걸쳐 발견되는 모든 유형의 지리학적 조건 및 기상학적 조건에 처해지는 전신주(utility pole)의 상부에 또는 변전소(electrical substation)에 존재하는 조건을 견뎌야 한다. 커패시터 시일은 일반적으로 대략 30년의 유효 수명 동안 지속될 수 있을 것으로 예상된다.
커패시터 부싱(40)이 전형적으로 세라믹, 에폭시 또는 다른 절연 재료로 구성되기 때문에, 커패시터(19)를 밀봉하는 것은 어렵다. 절연 재료는 금속 케이싱(20) 및 단자 캡(42)과 같은 금속 부품에 쉽게 접합되지 않는다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 커패시터 부싱(40)은 2곳의 위치, 즉 그것이 단자 캡(42)과 연결되는 부싱(40)의 상단부(48), 및 그것이 개구(52)를 통해 탱크 커버(44)와 연결되는 부싱(40)의 하단부(50)에서 밀봉되어야 한다. O-링(46)은, 소정 실시예에서 단자 캡(42)과 부싱(40) 사이에 포함될 수 있는 선택적인 구성요소이다. O-링(46)은 금속 단자 캡(42)과 비금속 부싱(40) 사이의 팽창 계수 및 수축 계수에 있어서의 차이를 수용하여, 재료 사이의 응력을 감소시키거나 제거할 수 있다.
이전에 당업계에서는, 에폭시 수지와 같은 중합체는 30년의 수명을 가질 것으로 전형적으로 예상되는 커패시터에 대해 필요한 적절한 강도의 시일을 달성할 수 없을 것으로 여겨졌다. 예를 들어, 그러한 중합체는 커패시터가 전형적으로 처하게 되는 응력 및 기후 조건을 견디는 것이 불가능할 수 있다. 게다가, 중합체는 커패시터 내의 유전체 유체의 방향족 성분에의 장기 노출을 견딜 수 없다고 여겨졌다.
본 발명에 따르면, 소정의 에폭시 수지 조성물이 예상 밖으로 커패시터를 밀봉하기 위해 필요한 성능 특성을 제공하는 것으로 확인되었다. 특히, 경화제(curing agent)와, 페놀 노볼락 에폭시, 비스페놀 A 에폭시, 또는 두 에폭시의 조합 중 어느 하나를 포함하는 에폭시 수지 조성물이 커패시터의 금속 구성요소와 비금속 구성요소를 접합할 때 예상 밖으로 양호한 특성을 갖는 시일을 제공하는 것으로 확인되었다. 에폭시 수지 조성물의 경화제는 경질화제(hardener), 촉매, 또는 경질화제와 촉매의 조합일 수 있다. 예시적인 경화제는 시안아미드 및 다이시안다이아미드와 같은 아민-함유 경질화제를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 전술한 성분을 갖고 양호한 특성을 갖는 시일을 생성하는 구매가능한 에폭시 수지 조성물의 예는 록타이트(Loctite) E-214 HP 에폭시, 마스터본드 섭(Masterbond Sup) 10 HT 에폭시, 퍼머본드(Permabond) ES569 에폭시, 및 퍼머본드 ES550 에폭시를 포함한다.
도 4는 밀봉된 커패시터의 제조에서 개시된 에폭시 수지 조성물 중 하나를 사용하기 위한 예시적인 방법(400)을 예시한다. 예시적인 방법(400)을 참조하면, 단계 405에서, 도 3에 도시된 커패시터(19)의 구성요소가 임의의 오염물질을 제거하기 위해 세정될 수 있다. 모든 실시예에서 요구되는 것은 아니지만, 에폭시 수지 조성물이 적용될 표면으로부터 오염물질을 제거하는 것은 시일의 성능을 개선할 수 있다. 금속 및 비금속 표면으로부터 오염물질을 제거하기 위한 공정 및 클리너(cleaner)는 당업자에게 잘 알려져 있다. 그러나, 예를 들어 제조 단계의 개시 시에 구성요소 상에 오염물질이 존재하지 않는다면, 단계 405가 불필요할 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
예시적인 방법(400)의 단계 410에서, 본 명세서에 개시된 조성물 중 하나와 같은 에폭시 수지 조성물이 부싱(40)의 상단부(48) 및 하단부(50)에 적용된다. 단계 415에서, O-링(46) 및 단자 캡(42)이 부싱(40)의 상단부(48) 상에 배치된다. 앞서 언급된 바와 같이, 소정 실시예는 O-링(46)을 포함하지 않을 수 있다. 단계 420에서, 부싱(40)이 탱크 커버(44) 내의 개구(52) 내로 삽입된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 커패시터(19)와 같은 소정 커패시터의 경우, 단계 425에서, 단계 405 내지 단계 420이 탱크 커버(44) 내의 제 2 개구(52) 내로 삽입되는 제 2 부싱에 대해 반복된다. 대안적인 실시예에서, 커패시터는 2개 초과의 부싱을 가질 수 있으며, 이는 단계 405 내지 단계 420이 1회 초과로 반복될 것을 필요로 한다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 커패시터는 단일 부싱만을 가질 수 있어서, 단계 405 내지 단계 420이 반복될 필요가 없을 것이다.
일단 부싱의 쌍이 탱크 커버(44) 내로 삽입되면, 단계 430에서, 에폭시 수지 조성물이 경화된다. 경화 단계가 다양한 수단을 통해 성취될 수 있지만, 하나의 전형적인 방법은 에폭시 수지 조성물을 사전결정된 온도로 가열하는 것에 의한다. 에폭시 수지 조성물의 가열은 대류 가열, 적외선 가열, 유도 가열, 및 조사(irradiation)에 의한 가열을 비롯한 다양한 수단을 통해 수행될 수 있다. 열을 사용하여 경화시킬 때, 경화 단계는 전형적으로 에폭시 수지 조성물을 80℃ 내지 160℃의 온도로 가열하는 것을 필요로 한다. 소정의 에폭시 수지 조성물은 조성물이 약 30분 내지 약 120분 동안 80℃ 내지 160℃의 온도에 유지되는 것을 필요로 하며, 다른 실시예에서, 훨씬 더 긴 가열 기간이 경화를 위해 요구된다.
단계 435에서, 커패시터 권선(10), 탭(17, 18), 및 리드(도시되지 않음)와 같은 커패시터의 내부 구성요소가 케이싱(20) 내부에 배치된다. 단계 440에서, 리드가 단자 캡(42)에 연결된다. 마지막으로, 단계 445에서, 부싱(40)이 부착된 탱크 커버(44)가 케이싱(20)에 밀봉된다. 예시적인 방법(400)에 예시되지 않았지만, 당업자는 부싱(40)이 부착된 탱크 커버(44)가 케이싱(20)에 밀봉된 후에 유전체 유체가 전형적으로 개구 또는 충전 밸브를 통해 커패시터에 부가된다는 것을 인식할 것이다.
상기 방법(400)은 본 발명에 따라 커패시터를 제조하기 위한 공정의 하나의 예일 뿐이다. 당업자는 예시적인 방법(400)에서의 단계 중 소정의 것이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 생략되거나 변경될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 단계 410 및 단계 415에 관하여, 이들 단계는 에폭시 수지 조성물이 대신에 단자 캡(42)의 내측 표면 및 탱크 커버(44) 내의 개구(52)의 내측 에지에 적용되도록 변경될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단계 410 및 단계 415는 에폭시 수지 조성물이 부싱(40)의 상단부(48) 및 하단부(50)뿐만 아니라 단자 캡(42)의 내측 표면 및 탱크 커버(44) 내의 개구(52)의 내측 에지에 적용되도록 변경될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단계 410 내지 단계 420 및 단계 445는 탱크 커버(44)가 먼저 케이싱(20)에 부착된 다음에 단계 410 내지 단계 420이 이어지도록 변경될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 에폭시 수지 조성물은 2-부분 시스템(two-part system)일 수 있으며, 여기서 조성물의 2개의 부분은 에폭시 수지 조성물을 적용하고 경화시키는 공정의 부분으로서 조합된다. 2-부분 시스템의 하나의 예로서, 에폭시 수지 조성물은 에폭시를 포함하는 제 1 부분 및 경화제를 포함하는 제 2 부분을 포함할 수 있다. 2 부분 시스템의 제 1 부분과 제 2 부분은 조성물을 부싱(40) 및/또는 단자 캡(42)의 내측 표면 및 개구(52)의 내측 에지에 적용하기 직전에 조합될 수 있다.
또 다른 대안적인 실시예에서, 2-부분 시스템은 부싱(40)이 단자 캡(42) 및 탱크 커버(44) 내의 개구(52)의 에지와 접촉하게 될 때 조합될 수 있다. 예를 들어, 2-부분 시스템의 제 1 부분이 부싱(40)의 상단부(48) 및 하단부(50)에 적용될 수 있다. 2-부분 시스템의 제 2 부분이 단자 캡(42)의 내측 표면 및 탱크 커버(44) 내의 개구(52)의 내측 에지에 적용될 수 있다. 부싱(40)이 단자 캡(42)의 내측 표면 및 개구(52)의 내측 에지와 접촉하게 될 때, 2-부분 시스템의 제 1 부분과 제 2 부분이 조합되고 경화된다. 제 1 부분은 에폭시일 수 있고 제 2 부분은 경화제일 수 있다. 대안적으로, 제 1 부분은 경화제일 수 있고 제 2 부분은 에폭시일 수 있다. 예시적인 방법(400)의 이들 및 다른 변형이 당업자에게 이해될 것이다.
하기의 표는 커패시터 응용에서의 잠재적인 사용에 대해 시험했던 다양한 구매가능한 에폭시 수지 조성물의 예에 대한 시험 데이터를 제공한다. 하기의 표가 나타내는 바와 같이, 시험된 에폭시 수지 조성물 중 소정의 것만이 커패시터 응용에서의 사용에 필요한 특성을 나타냈다. 표 1은 75℃ 내지 90℃의 고온(high temperature, HT) 및 25℃의 실온(room temperature, RT)에서 시험된 다양한 에폭시 수지 조성물에 대한 psi 단위의 랩 전단 강도(lap shear strength)를 나타낸다. 데이터가 존재하지 않는 표 1에서의 경우에, 시험을 수행하지 않았다.
번호 제품 명칭 랩 전단
(HT)(psi)		 랩 전단
(RT)(psi)
1. 쓰리엠(3M) DP420 에폭시 <800 3220
2. 쓰리엠 2216A/B 에폭시 데이터 없음 1656
3. 쓰리엠 2214 에폭시 859 데이터 없음
4. 록타이트 7387/331 아크릴 <800 3200
5. 록타이트 E-214 HP 에폭시 5099 3813
6. 델로 아메리카(Delo America) 델로몬폭스(Delomonpox) 6093 에폭시 데이터 없음 1244
7. 로드(Lord) EP-870 에폭시 데이터 없음 데이터 없음
8. 마스터본드 섭 10HT 에폭시 3782 3006.92
9. 마스터본드 EP21TDCHT 에폭시 데이터 없음 2543.88
10. 사이버본드(Cyberbond) 사이버크릴(Cybercryl) 800 아크릴 데이터 없음 1722.52
11. 퍼머본드 PT328 폴리우레탄 190 2580
12. 퍼머본드 ES578 에폭시 데이터 없음 1898.296
13. 퍼머본드 ES569 에폭시 2868 3417.24
14. 퍼머본드 ES550 에폭시 2931 3952.56
표 1이 나타내는 바와 같이, 샘플 번호 5, 샘플 번호 8, 샘플 번호 13 및 샘플 번호 14는 시험이 수행되었던 온도에서 최상의 랩 전단 강도를 제공하였다. 샘플 번호 5, 샘플 번호 8, 샘플 번호 13 및 샘플 번호 14에서 확인된 공통 특징은 아민 함유 경질화제, 및 페놀 노볼락 에폭시 또는 비스페놀 A 에폭시를 포함하는 에폭시 수지를 포함한다.
가장 양호한 특징을 보여주는 샘플에 대한 추가의 시험 데이터가 표 2(하기) 및 도 7에 나타나 있다. 방향족 유전체 유체와 경화 시일의 양립성(compatability)을 평가하기 위해, 구매가능한 유전체 유체인 방향족 유전체 유체 에디솔(Edisol) VI을 수용하는 예시적인 장치 상에서 샘플 5 및 샘플 8로부터 경화 시일을 형성하였다. 장치를 2주 동안 75℃로 가열하였다. 표 2는 가열 기간 전 (A) 및 후 (B)의, 장치 내의 방향족 유전체 유체의 소정 특성의 측정치를 보여준다.
D1816 손실률(dissipation factor) DC 누설 표면 장력 산도 상태
규격 >60 kV <0.0010 <0.10 ㎂ >40 dyne/cm <0.10 mg KOH/g 투명함,
깨끗함
록타이트
E214HP (A)		 64 0.0008 0.03 41.8 0.003 투명함,
깨끗함
록타이트
E214HP (B)		 62 0.0007 0.02 41.6 0.003 투명함,
깨끗함
MS 10HT (A) 66 0.001 0.05 40.8 0.002 투명함,
깨끗함
MS 10HT (B) 62 0.0011 0.04 40.9 0.003 투명함,
깨끗함
특히, 표 2의 데이터는 샘플 5 및 샘플 8로부터 형성된 경화 시일이 그것이 커패시터에 사용될 수 있는 유전체 유체에 악영향을 미치지 않았다는 점에서 잘 작동했음을 보여준다. 예를 들어, 가열 기간 전 (A)와 가열 기간 2주 후 (B)의 시험 샘플의 비교는 유전체 유체의 특성에 있어서 비교적 거의 변화가 없었음을 보여준다. 표 2의 데이터는 경화 시일이 파괴 전압(breakdown voltage)(ASTM D1816을 사용하여 시험함), 손실률(ASTM D924를 사용하여 시험함), 또는 전류 누설과 같은 유전체 유체의 전기적 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않았음을 보여준다. 전류 누설을 측정하기 위한 기술은 일반적으로 당업자에게 알려져 있다. 표 2의 데이터는 또한 가열 기간 전 (A)와 가열 기간 2주 후 (B)에 수집된 데이터를 비교할 때 유전체 유체의 측정된 표면 장력, 산도, 또는 시각적 외양에 있어서 실질적인 변화가 없음을 보여준다. '규격'으로 표지된 열(row) 내의 수치는 각각의 특성에 대한 전형적인 목표 값이다.
샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14로부터 형성된 경화 시일의 경도에 대한 방향족 유체의 영향을 또한 평가하였다. 도 7은 75℃의 유전체 유체에 대한 120일간의 노출 전체에 걸친 샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14에 대한 경도 시험 데이터를 보여준다. 특히, 도 7은 방향족 유전체 유체가 방향족 유전체 유체에 대한 120일간의 노출 후에도 샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14로부터 형성된 경화 시일의 경도에 악영향을 미치지 않았음을 보여준다.
샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14를 또한 이들 샘플이 커패시터가 처해지는 혹독한 환경 조건을 견디는 것을 보장하기 위해 다른 시험을 거쳤다. 샘플이 견딘 추가의 시험은 열충격 시험, 염수 분무 시험(salt spray test), UV 시험, 응축 시험, 및 헬륨 누출 시험을 포함하였다.
표 1로부터의 샘플 5를 사용하여 부싱이 부착된 커패시터 탱크 커버를 포함하는 조립체에 대해 열충격 시험을 수행하였다. 열충격 시험은 조립체를 110℃로 가열하고 이어서 하룻밤 동안 -50℃의 온도에 유지된 챔버로 조립체를 신속하게 이동시키는 것을 포함하였다. 이어서 조립체를 실온의 룸에서 가온하고, 하중 시험을 거쳤다. 온도 변화를 겪은 샘플과 온도 변화를 겪지 않은 샘플의 시험 결과를 비교할 때 하중 시험하에서 조립체의 성능에 있어서 통계학적 차이가 없었다.
표 1로부터의 샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14를 한 조각의 스테인리스강에 적용하고, 2000시간 동안 ASTM B117에 따라 염수 분무 시험을 거쳤다. 샘플을 염수 분무에 대한 2000시간의 노출 후에 검사하였고, 박리(delamination)의 흔적, 스크랩(scrap)으로부터의 크리피지(creepage)의 흔적, 및 경화 시일의 연필 경도(pencil hardness)에 있어서의 변화가 나타나지 않았다.
표 1로부터의 샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14를 또한 한 조각의 스테인리스강에 적용하였고, 2000시간 동안 ASTM D4587에 따라 자외광 노출을 거쳤다. 자외광에 대한 2000시간의 노출 후의 샘플의 검사는 색상에 있어서의 변화를 나타냈지만, 샘플의 연필 경도에 있어서의 변화는 나타내지 않았다.
표 1로부터의 샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14를 또한 한 조각의 스테인리스강에 적용하였고, 2000시간 동안 ASTM D4586-99에 따라 응축 시험을 거쳤다. 응축에 대한 2000시간의 노출 후의 샘플의 검사는 박리의 흔적 및 경화 시일의 연필 경도에 있어서의 변화를 나타내지 않았다.
마지막으로, 표 1로부터의 에폭시 수지 샘플 5, 샘플 13 및 샘플 14로부터의 경화 시일로 제조된 예시적인 커패시터 조립체를, 헬륨 누출 시험을 거쳤다. 헬륨 누출 시험은 각각의 샘플에서 밀폐식 밀봉(hermetic seal)이 유지되었음을 나타냈다.
이제 도 5를 참조하면, 세라믹 재료(501)를 스테인리스강(509)에 접합하는 접착제(505)의 묘사가 도시된다. 도 5에 도시된 묘사는 본 명세서에 개시된 에폭시 수지 조성물과 같은 접착제(505)가 어떻게 세라믹 재료(501)와 같은 이종 재료와 스테인리스강(509)과 같은 금속 재료를 접합하는 데 사용될 수 있는지의 일반적인 예시를 제공한다. 도 5에 예시된 바와 같이, 세라믹 재료(501)는 종종 에폭시 수지 조성물이 적용되는 외측 글레이즈(glaze) 층(503)을 가질 것이다. 접합부의 반대편 면 상에서, 금속 재료(509)는 대기 중에 전형적으로 존재하는 습기에 금속 재료를 노출시킴으로써 유발되는 외측 산화 층(507)을 전형적으로 갖는다. 도 5에서의 일반화에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 에폭시 수지 조성물은 다양한 이종 재료를 접합하는 데 사용될 수 있으며, 도 1 내지 도 4와 관련하여 기술된 커패시터 예로 제한되지 않는다. 상기에 설명된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 에폭시 수지 조성물은 퓨즈, 개폐기, 조절기(regulator) 및 변압기와 같은, 응력 및 혹독한 환경 조건에 처해지는 다양한 이종 재료를 접합하는 데 사용될 수 있다.
도 6은 접합부의 금속 재료 부분의 예시적인 예시를 제공한다. 특히, 도 6은 도 5의 산화 층(507)에서 발견될 수 있는 층을 보다 상세히 도시한다. 금속 층의 베이스(base)에, 벌크 스테인리스강(609)이 있다. 벌크 스테인리스강 층(609)은 주로 금속 분자를 포함한다. 스테인리스강의 외측 층을 향해 이동하면, 그 다음 층은 분리 층(611)이다. 분리 층(611)은 벌크 스테인리스강(609)과 금속 산화물 층(613) 사이의 계면이다. 금속 산화물 층(613)은 주로 금속 산화물 분자를 포함한다. 스테인리스강으로부터 외향으로 계속하여 이동하면, 그 다음 층은 수산화물 및 수분 층(615)이다. 도 6의 우측에, 층(615)이 별개의 수산화물 층 및 별개의 수화수(hydrated water) 층을 갖는 것으로서 보다 상세히 도시된다. 마지막으로, 도 6의 층(617)은 금속 재료의 최외측 층 상에 존재할 수 있는 오일 및 오염물질을 나타낸다. 바람직하게는, 오일 및 오염물질은 에폭시 기와 수산화물 모이어티(moiety)의 상호작용을 최대화하기 위해 에폭시 수지 조성물의 적용 전에 제거된다. 당업자는 도 6의 예시는 예시적인 것이고 상이한 환경 조건에 처해지는 강철 또는 강철 이외의 금속 재료가 도 6에 예시된 것과는 상이한 산화 층을 가질 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 5에 도시된 예에서 스테인리스강(509) 반대편에 있는 접합부의 측에서, 접착제(505)(에폭시 수지)가 세라믹(501)과 같은 비금속 재료에 접합된다. 도 5에 도시된 예에서, 세라믹(501)은 금속 산화물을 전형적으로 포함하는 외측 글레이즈 층(503)을 갖는다. 도 6과 관련하여 기술된 바와 같이 에폭시 수지와 금속 층 사이에서 일어나는 접합과 유사하게, 에폭시 수지는 글레이즈 층(503) 내에 존재하는 금속 산화물과 상호작용하여 화학 결합을 형성한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 접착제(505)는 다른 재료로 제조된 글레이즈 층을 갖고서 또는 어떠한 글레이즈 층도 갖지 않고서 세라믹에 접합할 수 있다. 상기의 예는 세라믹(501)을 비금속 재료로서 언급하지만, 다른 예시적인 실시예는 에폭시로 제조된 부싱과 같은 다른 비금속 재료를 절연체로서 사용할 수 있다.
본 명세서에 개시된 에폭시 수지 조성물은 커패시터가 처해지는 혹독한 환경 조건을 견딜 수 있는, 커패시터의 이종 구성요소 사이의 시일을 제공할 수 있다. 커패시터의 예가 본 명세서에 제공되지만, 개시된 에폭시 수지 조성물은 또한 다른 유형의 장비 내의 이종 재료를 접합하기 위해 적용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예가 예시적인 실시예를 참조하여 이루어지지만, 다양한 변경이 충분히 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다는 것이 당업자에 의해 인식되어야 한다. 당업자는 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예가 임의의 구체적으로 논의된 응용으로 제한되지 않고, 본 명세서에 기술된 실시예는 예시적인 것이고 제한적인 것이 아니다는 것을 인식할 것이다. 예시적인 실시예의 설명으로부터, 그 예시적인 실시예에 개시된 요소의 등가물이 당업자에게 명백할 것이고, 본 발명을 사용하여 다른 실시예를 구성하는 방법이 당업계의 종사자에게 명백할 것이다. 따라서, 예시적인 실시예의 범위는 여기에 제한되지 않는다.

Claims (24)

  1. 절연 부싱과 커패시터 탱크(capacitor tank)의 금속 탱크 커버 사이에 경화 시일(cured seal)을 형성하는 방법에 있어서,
    a. 상기 절연 부싱 및 상기 금속 탱크 커버 중 하나 또는 둘 모두의 일부분에 에폭시 수지 조성물을 적용하는 단계;
    b. 상기 에폭시 수지 조성물이 상기 절연 부싱과 상기 금속 탱크 커버 사이에 시일을 형성하도록, 상기 절연 부싱을 상기 금속 탱크 커버에 접촉시키는 단계;
    c. 상기 시일을 경화시켜 상기 경화 시일을 형성하는 단계; 및
    d. 상기 탱크 커버를 시일된 상기 절연 부싱과 함께 상기 커패시터 탱크의 케이싱에 부착하는 단계 - 상기 커패시터 탱크는 하나 이상의 방향족 화합물을 포함하는 유체를 수용함 - 를 포함하며,
    상기 절연 부싱은 유리, 세라믹, 중합체 또는 글레이즈 재료(glazed material)를 포함하고,
    상기 에폭시 수지 조성물은 페놀 노볼락 에폭시, 비스페놀 A 에폭시, 또는 이들의 조합; 및 경화제(curing agent)를 포함하며,
    상기 경화 시일은 하나 이상의 방향족 화합물을 포함하는 상기 유체에의 노출을 견디고,
    상기 커패시터 탱크는 하나 이상의 국제 전기기술 위원회(International Electrotechnical Commission) 표준 60871-1:2005, 섹션 12 및 전기 전자 학회(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 표준 18:2012, 섹션 7.2.3을 따르는
    경화 시일 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 경화제는 아민-함유 경질화제(hardener)인
    경화 시일 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 경화제는 시안아미드 또는 다이시안다이아미드인
    경화 시일 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일을 경화시키는 단계는 상기 에폭시 수지 조성물을 경화시키기 위한 온도로 상기 시일을 가열하는 단계를 포함하는
    경화 시일 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일을 경화시키는 단계는 상기 시일을 80℃ 내지 160℃로 가열하는 단계를 포함하는
    경화 시일 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일을 경화시키는 단계는, 상기 시일을 80℃ 내지 160℃로 가열하고 상기 시일을 80℃ 내지 160℃에 30분 내지 120분 동안 유지하는 단계를 포함하는
    경화 시일 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일을 경화시키는 단계는 유도 가열(induction heating)하는 단계를 포함하는
    경화 시일 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일을 경화시키는 단계는 1분 내지 10분 동안 유도 가열하는 단계를 포함하는
    경화 시일 형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물은 50% 이상의 중합체 함량의 중합체 함량을 포함하는
    경화 시일 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    단계 b 후에, 상기 시일에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는
    경화 시일 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방향족 화합물은 다이아릴 에탄, 다이아릴 메탄, 트라이아릴 메탄, 트라이아릴 에탄, 바이페닐, 모노방향족 화합물 및 나프탈렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는
    경화 시일 형성 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일은 100℃로부터 -50℃까지의 열충격을 견딜 수 있는
    경화 시일 형성 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일은 염수 분무(salt spray), 자외광, 및 100% 상대 습도 중 하나 이상에 대한 2000 시간의 노출 후에 파손을 견디는
    경화 시일 형성 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일의 경도는 하나 이상의 방향족 화합물을 포함하는 상기 유체 중에서의 120일 후에 2% 미만만큼 감소하는
    경화 시일 형성 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 경화 시일은 밀폐식(hermetic)인
    경화 시일 형성 방법.
  17. 절연 부싱, 금속 탱크 커버, 및 상기 절연 부싱과 상기 금속 탱크 커버 사이의 경화 시일을 포함하는 커패시터 탱크(capacitor tank)에 있어서,
    상기 경화 시일은 에폭시 수지 조성물을 포함하며,
    상기 커패시터 탱크는 하나 이상의 방향족 화합물을 포함하는 유체를 수용하고,
    상기 절연 부싱은 유리, 세라믹, 중합체 또는 글레이즈 재료를 포함하고,
    상기 에폭시 수지 조성물은 페놀 노볼락 에폭시, 비스페놀 A 에폭시, 또는 이들의 조합; 및 경화제를 포함하며,
    상기 경화 시일은 하나 이상의 방향족 화합물을 포함하는 상기 유체에의 노출을 견디고,
    상기 커패시터 탱크는 하나 이상의 국제 전기기술 위원회(International Electrotechnical Commission) 표준 60871-1:2005, 섹션 12 및 전기 전자 학회(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 표준 18:2012, 섹션 7.2.3을 따르는
    커패시터 탱크.
  18. 삭제
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 경화제는 아민-함유 경질화제인
    장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물은 50% 이상의 중합체 함량의 중합체 함량을 포함하는
    장치.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방향족 화합물은 다이아릴 에탄, 다이아릴 메탄, 트라이아릴 메탄, 트라이아릴 에탄, 바이페닐, 모노방향족 화합물 및 나프탈렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는
    장치.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물은 상기 에폭시 수지 조성물을 80℃ 내지 160℃로 가열하고 상기 에폭시 수지 조성물을 80℃ 내지 160℃에 30분 내지 120분 동안 유지함으로써, 또는 1분 내지 10분 동안 유도 가열함으로써 경화되는
    장치.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 경화 시일은 밀폐식인
    장치.
  24. 절연 부싱과 커패시터 탱크(capacitor tank)의 금속 탱크 커버 사이에 경화 시일을 형성하는 방법에 있어서,
    a. 상기 절연 부싱에 조성물의 제 1 부분을 적용하고 상기 금속 탱크 커버에 상기 조성물의 제 2 부분을 적용하는 단계;
    b. 상기 조성물의 제 1 부분과 제 2 부분이 조합되어 상기 절연 부싱과 상기 금속 탱크 커버 사이에 에폭시 수지 조성물을 형성하도록, 상기 절연 부싱을 상기 금속 탱크 커버에 접촉시키는 단계;
    c. 상기 에폭시 수지 조성물을 경화시켜 상기 경화 시일을 형성하는 단계; 및
    d. 상기 탱크 커버를 시일된 상기 절연 부싱과 함께 상기 커패시터 탱크의 케이싱에 부착하는 단계 - 상기 커패시터 탱크는 하나 이상의 방향족 화합물을 포함하는 유체를 수용함 - 를 포함하며,
    상기 절연 부싱은 유리, 세라믹, 중합체 또는 글레이즈 재료를 포함하고,
    상기 에폭시 수지 조성물은 페놀 노볼락 에폭시, 비스페놀 A 에폭시, 또는 이들의 조합; 및 경화제를 포함하며,
    상기 경화 시일은 하나 이상의 방향족 화합물을 포함하는 상기 유체에의 노출을 견디고,
    상기 커패시터 탱크는 하나 이상의 국제 전기기술 위원회(International Electrotechnical Commission) 표준 60871-1:2005, 섹션 12 및 전기 전자 학회(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 표준 18:2012, 섹션 7.2.3을 따르는
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