해저 케이블 보조자재의 최신 기술

추상적인

본 논문에서는 해저 케이블 보조재 분야의 최첨단 기술을 탐구합니다. 까다로운 해양 환경에서 해저 케이블의 성능, 내구성 및 신뢰성을 향상시키기 위해 이러한 소재들이 어떻게 발전하고 있는지 살펴봅니다. 새로운 소재, 제조 기술 및 기능 향상을 검토함으로써, 이러한 소재들이 더욱 효율적이고 내구성 있는 해저 케이블 시스템 개발에 어떻게 기여하는지 이해할 수 있습니다.

1. 서론

해저 케이블은 광대한 바다를 가로질러 대륙을 연결하는 세계 통신 및 전력 송전망의 중추입니다. 보조재는 이러한 케이블의 원활한 작동을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 보조재는 고압, 강한 해류, 온도 변화, 부식성 해수 등 혹독한 해양 환경으로부터 핵심 케이블 부품을 보호합니다. 또한, 해저 케이블의 설치, 유지 보수 및 모니터링을 지원합니다. 고속 데이터 전송 및 대규모 해상 발전에 대한 수요가 증가함에 따라 첨단 해저 케이블 보조재 개발이 필수적이 되었습니다.

2. 해저 케이블 보조장치용 신소재

2.1 고성능 단열재

- 나노복합체 - 변성 XLPE: 가교 폴리에틸렌(XLPE)은 오랫동안 해저 케이블 절연재로 널리 사용되어 왔습니다. 최근 연구는 나노복합체 기술을 통해 XLPE의 특성을 향상시키는 데 중점을 두고 있습니다. 예를 들어, 그래핀 옥사이드(GO) 또는 몬모릴로나이트 나노클레이와 같은 나노입자를 XLPE에 첨가하면 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 높은 종횡비와 우수한 전기적 및 기계적 특성을 가진 GO는 적절하게 분산되면 XLPE 매트릭스 내에 전도성 네트워크를 형성합니다. 이는 더 나은 전기장 제어를 위한 반도체 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 절연체의 기계적 강도도 향상시킵니다. 한 연구에 따르면 XLPE에 GO를 1~3중량% 첨가하면 인장 강도가 20~30% 증가하고 고전압 응력 하에서 전기 전도도가 감소하여 절연체의 장기적인 신뢰성이 향상되는 것으로 나타났습니다.

- 혁신적인 폴리머 블렌드: 폴리머 블렌드는 해저 케이블용 유망한 절연 재료로 떠오르고 있습니다. 서로 다른 폴리머를 블렌딩하면 각각의 장점을 결합할 수 있습니다. 예를 들어, 폴리이미드(PI)와 폴리에틸렌(PE)을 블렌딩하면 PI의 고온 내성과 PE의 유연성 및 가공성을 모두 갖춘 소재가 탄생합니다. 이 복합재는 차가운 심해수부터 해안 근처의 따뜻한 표층수까지 해양의 극심한 온도 변화를 견딜 수 있습니다. 또한 해수 및 기타 부식성 물질에 대한 내화학성이 향상되어 해저 케이블 분야에서 장기간 사용하기에 적합합니다.

2.2 고급 장갑재

- 내식성 합금: 해저 케이블의 기존 강철 외장은 해양 환경에서 부식되기 쉽습니다. 이 문제를 해결하기 위해 새로운 합금 소재가 개발되고 있습니다. 예를 들어, 크롬과 몰리브덴 함량이 높은 니켈 기반 초합금은 해수에서 뛰어난 내식성을 보입니다. 이러한 합금은 표면에 부동태 피막을 형성하여 해양 부식의 주요 원인인 염화물 이온에 대한 장벽 역할을 합니다. 내식성 외에도 이러한 합금은 높은 인장 강도와 인성을 갖추고 있어 케이블에 더 나은 기계적 보호 기능을 제공합니다. 또한, 설치 중 굽힘, 인장, 해저 충격과 같은 기계적 응력을 견딜 수 있습니다.

- 섬유 강화 복합재 외장: 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 및 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP)와 같은 섬유 강화 복합재는 해저 케이블 외장의 대체재로 각광받고 있습니다. CFRP는 높은 강도 대 중량비, 뛰어난 내식성, 그리고 우수한 피로 저항성을 제공합니다. 케이블의 전체 중량을 줄여 특히 심해 지역에서의 설치를 용이하게 합니다. 반면 GFRP는 비용 효율성이 뛰어나면서도 우수한 기계적 보호 및 내식성을 제공합니다. 이러한 복합재는 섬유 배향 및 수지 매트릭스를 조정하여 다양한 해저 케이블 적용 분야의 특정 요구 사항을 충족하도록 맞춤 제작될 수 있습니다.

2.3 뛰어난 방수 및 방습 소재

- 초흡수성 폴리머(SAP) 복합재: 해저 케이블 보조재의 중요한 기능 중 하나는 물 차단입니다. 이러한 성능을 향상시키기 위해 새로운 SAP 복합재가 개발되었습니다. 이 복합재는 물을 빠르게 흡수하여 젤 형태의 물질을 형성하여 케이블 내부로 물이 더 이상 침투하지 못하도록 합니다. 예를 들어, 폴리아크릴레이트와 보강 필러를 기반으로 한 SAP 복합재는 자체 무게의 수백 배에 달하는 물을 흡수할 수 있습니다. 실리카 나노입자와 같은 보강 필러는 젤의 기계적 강도를 향상시켜 해양의 고압 조건에서도 제자리를 유지하도록 합니다. 이는 절연 열화 및 도체 부식과 같은 물로 인한 손상으로부터 케이블 코어를 효과적으로 보호합니다.

- 소수성 및 배리어 필름: 소수성 코팅과 배리어 필름은 습기 침투를 방지하는 데 사용됩니다. 불소 중합체 또는 실리카 기반 나노복합체 기반과 같은 나노구조 소수성 코팅은 케이블 피복 또는 보조 부품에 초소수성 표면을 형성합니다. 이러한 코팅은 150° 이상의 물 접촉각을 가지므로 물방울이 쉽게 굴러 떨어지고 물이 부착 및 침투하는 것을 방지합니다. 높은 가스 차단 특성을 가진 다층 중합체 필름과 같은 배리어 필름은 수증기의 확산을 차단하는 데에도 사용됩니다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 에틸렌-비닐 알코올 공중합체(EVOH)와 같은 소재는 수증기 투과율이 낮습니다. 이러한 필름을 서로 적층하면 매우 효과적인 습기 차단 장벽을 만들 수 있습니다.

3. 혁신적인 제조 기술

3.1 정밀 압출 및 코팅 공정

- 고정밀 절연층 압출: 해저 케이블 생산에 사용되는 절연 재료의 압출 공정은 상당한 개선을 이루었습니다. 최신 압출 기계에는 고급 제어 시스템이 장착되어 있습니다. 예를 들어, 온도, 압력 및 유량 센서를 사용하는 폐쇄 루프 제어 시스템은 압출 공정을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이를 통해 XLPE 또는 기타 절연 재료가 케이블 도체 주위에 균일하게 압출되어 일관된 절연 두께를 얻을 수 있습니다. 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 활용하여 설계된 고급 압출 다이를 사용하면 용융 절연 재료의 흐름을 더욱 최적화하여 기공 및 두께 불균일과 같은 결함 발생을 줄일 수 있습니다.

- 박막 - 필름