I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m p u t er   Science   Vo l.   1 2 ,   No .   2 ,  N o v e m b er   201 8 ,   p p .   5 2 7 ~ 5 3 3   I SS N:  2502 - 4752 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ee cs . v 1 2 .i 2 . p p 527 - 5 3 3           5 27       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / ijeec s   Ins ula tion Proper ties of  PMM A: Ti O 2  Nano dielec tri c F il m   for H ig h  Volta g e  Applica tions       M el v in Wela n  M a t hew 1 ,   L y ly   Ny l Is m a i l 2 ,   No rsa brina   Si ha b 3 ,   Ah m a d Asr i A bd   Sa ma d 4 ,   Nur  Ash i da   Sa li m 5   1 , 2, 3, 4 F a c u lt y   o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   UiT M   Ca w a n g a n   P u lau   P in a n g ,   Ja lan   P e rm a tan g   P a u h ,   1 3 5 0 0   S e b e ra n g   P e ra i,   P u lau   P in a n g   5 F a c u lt y   o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   Un iv e rsiti   T e k n o lo g i  M A RA   (U iT M ),   M a lay sia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   4 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   A u g   2 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   A u g   1 0 ,   2 0 1 8       T h is  re se a r c h   in v e stig a tes   th e   in su lati o n   p ro p e rti e s  o f   p o l y   m e th y l  m e th a c r y late   w it h   ti tan iu m   d io x i d e   ( P M M A :T iO2 )  n a n o d iele c tri c   f il m   to   b e   u se d   a s  in su lati o n   lay e r  in   h ig h   v o lt a g e   (HV )  a p p l ica ti o n s.  A C  a n d   DC   b re a k d o w n   tes t  h a s  b e e n   c o n d u c t e d   to   in v e stig a te  th e   in su latio n   p r o p e rti e s  o f   P M M A :T iO2   n a n o d iele c tri c   to   b e   u se d   a s  so l id   i n su lati o n   in   HV .   I n   t h is  re se a rc h ,   th e   P M M A :T iO2   n a n o d iele c tri c   f il m   we re   p re p a re d   b y   v a r y in g   th e   a n n e a li n g   tem p e ra tu re   (6 0 ° C  u p   to   1 8 0 ° C)  a n d   sp in   c o a ti n g   tec h n iq u e s  ww e re   u se d   to   f o r m   th e   P M M A :T iO2   n a n o c o m p o site  f il m .   T h e   in su lati o n   p ro p e rti e s  o f   th e   n a n o c o m p o site  f il m   we re   c h a ra c teriz e d   u sin g   h ig h   v o lt a g e   tes t  (DC  a n d   A C   b re a k d o w n   stre n g th )  to   i d e n ti f y   w h ich   n a n o c o m p o iste  f il m   h a s  th e   g o o d   in s u latio n   p ro p e rti e s.  In   a d d it io n ,   d if f e r e n t  ty p e s  o f   e lec tro d e s   a re   a lso   u se d   to   to   m e a su re   th e   i n su latio n   p r o p e rti e s  o f   n a n o c o m p o iste  f il m .   T h e   stru c tu ra l  p ro p e rti e s  o f   P M M A :T iO2   n a n o c o m p o site  fil m s  we re   c h a ra c teriz e d   u sin g   a to m ic  f o rc e   m icro sc o p y   ( A F M ).   Re su lt s  f ro m   HV   tes t   sh o w s  th a t  th e   a n n e a li n g   te m p e ra tu re   a ff e c ted   th e   in su latio n   p ro p e rti e s  P M M A :T iO2   n a n o c o m p o site  f il m .   B y   in c re a sin g   th e   a n n e a li n g   te m p e ra tu re ,   th e   in su lati o n   p ro p e rti e s  d e c re a se d .   F il m   a n n e a l  a t  1 2 0   o C  h a s  th e   g o o d   in su lati o n   c o m p a re   to   o th e r  tem p e r a tu re .   1 2 0   o C  a re   th e   o p ti m ize   tem p e r a tu re   to   p re p a re d   th e   P M M A : T iO2   n a n o c o m p o site  f il m s.  Re su lt   f ro m   d if fe re n t  t y p e s  o f  e lec tro d e s  sh o w   th a t  sh a rp   ti p   h a s  h ig h   DC  b re a k d o w n   stre n g th   c o m p a re   to   sp h e rica l  e le c tro d e s.   K ey w o r d s :   P MM A :T iO2   n an o co m p o s ite  f il m   HV   AC   B b r ea k d o w n   DC   b r ea k d o w n   p ar tial d is ch ar g e   Co p y rig h t  ©   2 0 1 8   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   L y l y   N y l I s m ail ,   Fac u lt y   o f   E lectr ical  E n g in ee r in g ,   UiT M  C a w a n g a n   P u la u   P in an g ,   J alan   P er m ata n g   P au h ,     1 3 5 0 0   Seb er an g   P er ai,   P u lau   P in an g .       1.   I NT RO D UCT I O N   A cc o r d in g   to   I n ter n atio n al  E l ec tr o tech n ical  C o m m is s io n ,   I E C   6 0 0 3 8 ( 2 0 0 2 ) ,   h ig h   v o lta g e  ( HV)   is   d ef in ed   as  a  s y s te m   w it h   g r ea t er   th an   1 0 0 0   V  alter n ati n g   c u r r en t  ( AC )   an d   g r ea ter   th a n   1 2 0 0   V  d ir ec t  cu r r en t  ( DC )   [ 1 ] .   I n   o r d er   to   m ain ta i n   th e  f lo w   o f   elec tr ic  c u r r en t,   in s u lato r   is   r eq u ir ed   to   in s u l ate  th e  co n d u cto r s .  I n s u lato r s   ar e  also   i m p o r tan t   t o   p r ev en t t h e  f lo w   o f   cu r r e n t t o   th e  u n d es ir ed   p ath   i n   t h e  s y s te m .   I n   HV  s y s te m ,   th e  i n s u latio n   q u a lit y   p la y s   an   i m p o r tan t  r o le  b ec au s e  it   ca n   b e  a  m aj o r   co n tr ib u tio n   to   p o w er   s y s te m   b r ea k d o w n .   Or g an ic   m a ter ial  ( OM )   o r   p o ly m er   is   w id el y   u s ed   as  s o lid   in s u latio n   i n   HV.   P o l y m er   is   a  m ater ial   th at  h as   a  m o lecu lar   s tr u ctu r e   th at  b o n d ed   to g e th er   a n d   p r o d u ce s   a   lo n g   c h ai n   o f   s tr u ct u r e.   E ac h   p o l y m er   h as   d if f er e n t  c h ar ac ter is tic s   i n   ter m s   o f   t h eir   p h y s ical  a n d   ch e m ical  s tr u c tu r e  a n d   also   i n   ter m s   o f   elec tr ica l  an d   m ec h a n ical   b eh a v io r   [ 2 ] .   T h er m o p last ics,  p o l y   a m id e,   p o l y ac r y la m id e,   p o ly ca r b o n ate,   a n d   p o ly et h y len e  ar e   ex a m p le s   o f   p o l y m er   m ater ial   th at  is   b ein g   u s ed   as  in s u latio n   in   HV  ap p licatio n s   [ 3 ] .   Desp ite  its   ad v an ta g es,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l .  1 2 ,   No .   2 ,  No v e m b er   201 8   :   5 27   –   5 3 4   528   p o ly m er   h as  d i s ad v a n ta g es  wh ich   is   lo w   d ielec tr ic  p r o p er ties .   R ec e n t  s t u d ies  s h o w   s o lu ti o n   to   o v er co m e   t h e  p r o b lem   i n   p u r e  p o l y m er   is   b y   ad d in g   f i ller   in to   p u r e  p o l y m er   m a ter ial  to   f o r m   a  n a n o co m p o s i te  m a ter ial   w h ic h   is   n a n o d ielec tr ic.   P r o p er ties   o f   n a n o d ielec tr ic   m ater ial  h as  e x h ib it  m o r e  attr ac tiv e  elec tr ical   ch ar ac ter is tic  a s   co m p ar ed   to   p o ly m er   its el f .   Na n o d ielec tr ic  is   p r ed icted   to   im p r o v e  th e  elec tr ica l   p er f o r m a n ce   o f   th e  c u r r en tl y   av ailab le  h ig h   v o ltag e  elec tr ical  in s u lat io n   s y s te m s   f o r   ex a m p le  r es is ti v e  to   p ar tial  d is ch ar g e,   h as  h i g h   p er m itti v it y   an d   lo w   lo s s   tan g en t   [ 2 0 ] ,   [ 2 5 ] - [ 2 7 ] .   I n   th is   r esear ch ,   n an o co m p o s i te   b et w ee n   p o l y   m et h y l  m etac r y late  ( P MM A )   as  a  m atr ix   a n d   titan i u m   d io x id e  ( T iO2 )   as  a   f iller   w er e  u s ed   to   f o r m   n a n o d ielec tr ic  f il m   [ 4 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 4 ] .   T iO2   as  f iller   w er e  ch o s en   d u e  to   it  is   p r o v en   to   in cr ea s ed   d ielec tr ic  p r o p er ties   o f   P MM A   m ater ial  [ 1 ] ,   [ 9 ] .   I n   th is   r esear ch ,   t h e  P MM A :T iO2   n an o d ielec tr ic  f il m   w er e  f u r th er   i n v e s ti g ate  to   b e  u s ed   as   in s u latio n   in   t h e  HV  ap p licati o n s .   T h e  n an o d iele ctr ic  f il m   w er e  f ab r icate   b y   u s in g   s p i n   c o atin g   tec h n iq u e. T h e  ef f ec t  o f   a n n ea li n g   te m p er at u r e  d u r i n g   t h e  f ab r icatio n   o f   n a n o d ielec tr ic  f il m   w er e  in v esti g ate   to   id en t if y   o p tim ized   te m p er at u r e  to   f ab r icate   th e  n an o d ielec tr ic  f il m .   T h e  in s u latio n   ch ar ac ter i s t ic s   o f   n an o d ielec tr ic   f il m   w er e  in v es tig a ted   u s i n g   HV  test   w h ich   i n v o lv ed   i n   DC   an d   AC   b r ea k d o w n   test .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D   T h is   s ec tio n   ex p lai n s   i n   d etail  th e  o v er all  p r o ce d u r e  o f   th e  p r o p o s ed   r esear ch   w o r k .   T h e  f ir s t  p ar t  w il l  elab o r atel y   d escr ib e  t h e   p r ep a r atio n   o f   P MM A :T iO2   n an o co m p o s ite  f il m .   Fo ll o w ed   b y   t h at,   t h e   f o llo w in g   s ec t io n   w ill e x p lai n   o n   th e  ch ar ac ter i s tic  o f   t h e  f il m .     2 . 1 .   P re pa ra t io n o f   P M M A: T iO 2   na nco m po s it e  f il m   P MM A   p o w d er s   w it h   m o lec u lar   w e ig h t,  ( M w )   o f   1 2 0 , 0 0 0   w er e  p u r c h ased   f r o m   Si g m a  A ld r ich ,   T iO2   n an o p o w d er   b y   Ald r ich   C h e m ical s   a n d   to l u en e   f r o m   S ig m a  A ld r ic h .   T h e  P MM A:T iO2   n a n o co m p o s ite   s o lu tio n   w as  p r ep ar ed   b y   m i x in g   0 . 1 5 g   P MM A   p o w d er   w i t h   2 w t%  T iO2   n a n o p o w d er   in to   th e  g lass   b o ttle.  T h e  m i x er   w er e  d is s o lv e  i n to   5 m l  to l u en e  s o l v e n t.  T h r ee   d r o p s   o f   tr im et h o x y m et h y ls ila n e  ( T MO MS)   w er e   u s ed   as   th e   s tab ilizer   b et w e en   P MM A   an d   T iO2   n a n o p o w d er   an d   to l u en e  s o lv e n t.  T h e  s o lu tio n   w er e   s o n icate d   i n   u ltra s o n ic  at  5 0   º C   f o r   3 0   m i n u te s .   T h en ,   t h e  s o lu tio n   w as  le f t   at  r o o m   te m p er atu r e  f o r   2 4   h o u r s   b ef o r e  b ein g   s p i n   co ated   ( s p e ed   o f   1 5 0 0   r p m   f o r   6 0   s ec )   o n   a  g las s   to   f o r m   P MM A :T i O2   n a n o co m p o s ite  f il m .   T h en ,   th e  s a m p le  w a s   an n ea led   at  d if f er e n t  te m p er at u r e  ( 6 0   º C ,   9 0   º C ,   1 2 0   º C ,   1 5 0   º C   an d   1 8 0   º C )   f o r   1   h o u r   to   r estru ct u r e  th e  P MM A:T iO2   n an o co m p o s ite  f il m s   [ 9 ] .     2 . 2 .   P M M A: T iO 2   na nco m po s it e  f il m   c ha ra ct er is t ics   T h e  f il m   ch ar ac ter is tics   ar e  d iv id ed   in to   2   p ar ts :  ( 1 )   th e  s tr u ctu r al  c h ar ac ter is tic  an d   ( 2 )   I n s u latio n   ch ar ac ter is tic s .   Stru ct u r al  ch ar ac ter is tics   is   b asica ll y   to   o b tain   th e  f il m   th ick n es s   a n d   m o r p h o lo g y   o f   P MM A :T iO2   f il m .   T h e  f il m   th ic k n e s s   i s   c h ar ac ter i ze d   u s in g   s u r f ac e  p r o f iler .   T h e  f il m   m o r p h o lo g y   is   d eter m in ed   b y   ato m ic  f o r ce   m icr o s co p y   ( A FM) .     I n s u latio n   c h ar ac ter is tics   i s   b asicall y   to   o b tain   th e  s o lid   in s u latio n   p r o p er ties   o f   P MM A : T iO2   f il m .   T h e  in s u latio n   p r o p er ties   is   o b tain ed   b y   ap p l y i n g   D C   a n d   A C   b r ea k d o w n   test s   to   t h e  f il m .   D u r in g   t h i s   tes t,  t w o   t y p es   o f   elec tr o d es  ar e  u s ed   as  s h o w n   i n   Fig u r e  1   a n d   F ig u r e   2   w h ich   ar e  s p h er ical  s h ap ed   elec tr o d e  an d   s h ar p ed   tip   s h ap ed   elec tr o d e.   Vo ltag e  is   i n j ec ted   f o r   5   ti m es   o n   ea ch   s a m p le  ( f i l m ) .   A   p air   o f   n ee d le - to - p la n e  elec tr o d es  is   e m p lo y ed .   T h e  n an o co m p o s i te  f il m   i s   b ei n g   test ed   b y   u s in g   d i f f er en t   s ize   o f   elec tr o d es.  An   alter n ati n g   cu r r e n t  i s   ap p lied   o n   th e   d if f er e n t  elec tr o d e  w h ile  th e   p lan e   elec tr o d e  is   g r o u n d ed .   T h e  p ar tial  d is ch ar g e  m ea s u r e m en t i s   ta k e n   w h ile  A C   b r ea k d o w n   v o lta g e  test   is   co n d u c ted .         Fig u r e  1 .   Hig h   v o lta g e  test   s e t   u p   f o r   s p h er ical  elec tr o d e  s h a p e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4752       I n s u la tio n   P r o p erti es o f P MM A :   TiO2   N a n o d ielec tr ic  F ilm  fo r   Hig h   V o lta g e…   ( Melvin   W e la n   Ma th ew )   529       Fig u r e  2 .   Hig h   v o lta g e  test   s e t   u p   f o r   s h ar p   tip   elec tr o d e  s h ap e       3.   RE SU L T S AN D  AN AL Y SI S   T h is   s ec tio n   w ill  d is c u s s   in   d etail  th e  f i n d in g s   co n tain e d   f r o m   t h e  ex p er i m en t  th at   h as  b ee n   co n d u cted .     3 . 1 .   Str uct ura l P ro pert ies o f   P M M A: T iO 2   na no dielect ric  f il m   Fig u r e  3   s h o w s   th e  f il m   th ick n es s   v er s u s   s u r f ac e  r o u g h n e s s   o f   P MM A :T iO2   n an o d ielec tr ic  f il m   f o r   d if f er e n t  an n ea li n g   te m p er at u r e.   A s   t h e  an n ea li n g   te m p er atu r e  is   i n cr ea s ed ,   th e  t h ic k n ess   o f   t h e  s a m p le   d ec r ea s es.  T h e  r ed u ctio n   i n   t h e  n a n o d ielec tr ic  f il m   th ic k n es s   is   d u e   to   th e   s o lu tio n   e v ap o r atio n   [ 9 ] .   T h er ef o r e,   as th e  a n n ea l in g   te m p er at u r e  i n cr ea s es,  t h e  th ick n es s   o f   t h e  P MM A :T iO₂  f il m   is   d ec r ea s es .       60 80 100 120 140 160 180 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300   F i l m   T h i ck n ess   S u r f ace  R ou g h n ess An n e a l i n g   T e m p e ra t u re   ( o C) F i l m  T h i ckne ss  (n m) 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95   Su rf a ce   R o u g h n e ss  (n m)     Fig u r e  3 .   Fil m   t h ic k n e s s   a n d   s u r f ac e  r o u g h n e s s   o f   P MM A :T iO₂  n an o co m p o s ite  f i l m   at  d i f f er en ce   an n ea li n g   te m p er atu r e       Fig u r e  4   s h o w s   th e  A FM  i m ag e s   o f   P MM A :T iO2   n an o d ielec tr ic  f il m   at  d if f er en t   an n ea li n g   te m p er atu r e.   As  an n ea li n g   te m p er at u r e  i n cr ea s es,  t h e  s u r f a ce   r o u g h n e s s   d ec r ea s es   f r o m   6 0   ℃  to   1 2 0   ℃  an d   it  in cr ea s e s   ag ai n   f r o m   1 5 0   ℃  to   1 8 0   ℃.   I t  ca n   b e  s ee n   th at ,   as  th e  an n ea l  te m p er at u r e  in cr ea s es  f r o m   6 0   ℃   to   1 2 0   ℃,   th e  s u r f ac e  r o u g h n e s s   d ec r ea s ed .   W h e n   a n n ea led   t e m p er atu r e  co n tin u e  to   in cr ea s e  u n ti l  1 4 0 ℃  an d   ab o v e,   th e  s u r f ac e  o f   P MM A : T iO2   f il m   b ec o m e  r o u g h er .   T h is   co n d it io n   is   d u e  to   th e  a g g lo m er atio n   o f   T iO2   n an o f iller .   A s   th e  te m p er atu r e   in cr ea s es,  th e  f il m   b ec o m e  d e n s e  w h ich   lead   to   ex is te n ce   o f   th e  ag g lo m er atio n   o f   p ar ticles.  Ag g lo m er atio n   ar e  th e  w h i te  p ar ticles f o r m ed   d u r in g   t h e  f ab r icatio n   p r o ce s s   [ 5 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l .  1 2 ,   No .   2 ,  No v e m b er   201 8   :   5 27   –   5 3 4   530       Fig u r e  4 .   P MM A :T iO₂  n an o co m p o s ite  f il m s   w it h   d if f er e n t a n n ea l in g   te m p er at u r e  u s i n g   AFM  ( a)   6 0 ℃  ( b )   9 0 ℃  ( c)   1 2 0 ℃  ( d )   1 5 0 ℃  ( e)   1 8 0 ℃       3 . 2 .   I ns ula t io n P ro pert ies o f   P M M A: T iO 2   na nco m po s it e  f ilm   Fig u r e  5   s h o w s   t h e  g r ap h   o f   b r ea k d o w n   v o ltag e   f o r   P MM A : T iO₂  n an o co m p o s ite   f il m   w i th   d if f er en t   an n ea l in g   te m p er at u r e.   Du r i n g   t h e  te s ti n g ,   s h ar p   tip   elec tr o d e  is   u s ed .   As  t h e  a n n ea li n g   te m p er at u r e  i n cr ea s e s   f r o m   6 0 ℃  to   1 2 0 ℃,   t h e  b r ea k d o w n   v o ltag e   also   i n cr ea s e s   s i g n i f ican t l y .   Nev er t h eles s ,   w h e n   te m p er atu r e   co n tin u e  to   i n cr ea s e  f r o m   1 4 0   ℃  an d   ab o v e,   th e  d ec r e m e n ts   i n   t h e  b r ea k d o w n   v o ltag e  w er e  o b s er v ed .   T h e   d ec r em e n t  in   t h e  b r ea k d o w n   v o ltag e  is   d u e  to   th e  P MM A : T iO2   f il m   s tar t  to   p er f o r ated .   T h e  P MM A :T iO2   f il m   p er f o r ated   is   d u e  to   P M MA   m atr i x   ca n   o n l y   w it h s ta n d   a  m a x i m u m   te m p er at u r e  o f   1 5 0   ℃  [ 9 ] .   W h en   th e   f il m   s t ar t  to   p er f o r ated ,   th e  b r ea k d o w n   v o ltag e  s tar ted   to   d ec r ea s e  an d   lead   to   f il m   d e f ec t  an d   p r o v id e  p ath   f o r   v o ltag e  to   b r ea k   i n   th r o u g h   th e  in s u lato r   [ 1 0 ] .        60 80 100 120 140 160 180 12 14 16 18 20 22 24   D C   B r eak dow n   V ol t ag e   T i m e  t o  D C   B r eak dow n An n e a l i n g   T e m p e ra t u re   ( o C) D C   Bre a kd o w n   Vo l t a g e   (kV) 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300   T i me   t o   D C   Bre a kd o w n   (s)     Fig u r e  5 .   DC   B r ea k d o w n   v o lt ag e  an d   ti m e  to   DC   b r ea k w o n   o f   P MM A :T iO2   f il m   w it h   d if f er en ce   an n ea li n g   te m p er atu r e       Fig u r e  5   also   s h o w s   ti m e  ta k en   f o r   D C   b r ea k d o w n   to   o cc u r   f o r   P MM A:T iO₂  n an o co m p o s ite  f il m   w it h   d if f er en t   an n ea li n g   te m p er atu r e.   P MM A :T iO2   w it h   a n n ea l in g   te m p er at u r e  o f   6 0 ℃   is   b r ea k d o w n   i n   a   s h o r t  p er io d .   I t   to o k   f o r   ab o u t  1 2 0   s ec o n d s   to   r ea ch   th e  b r e ak d o w n .   P MM A :T iO2   an n ea l ed   at  1 2 0 ℃  h as  th e   lo n g e s t  p er io d   tak e n   to   r ea ch   b r ea k d o w n   w h ich   i s   w i th i n   2 8 0   s ec o n d s .   Ho w e v er ,   1 2 0 ℃  is   n o t  t h e  m a x i m u m   an n ea l in g   te m p er at u r e  i n   t h is   r esear ch .   T h er e  ar e  also   1 4 0 ℃  an d   1 8 0 ℃  an n ea li n g   te m p er atu r e  b u t   th is   t w o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4752       I n s u la tio n   P r o p erti es o f P MM A :   TiO2   N a n o d ielec tr ic  F ilm  fo r   Hig h   V o lta g e…   ( Melvin   W e la n   Ma th ew )   531   an n ea l in g   te m p er atu r e  h a s   a  s h o r t  b r ea k d o w n   ti m e  as  co m p ar ed   to   t h e  s a m p le  a n n ea led   a t  1 2 0 ℃.   On   to p   o f   th at,   b r ea k d o w n   ti m e  o f   ea ch   s a m p les   is   af f ec ted   b y   t h eir   a n n ea l in g   te m p er atu r e.   T h is   is   d u e  to   t h e  ef f ec t   o f   an n ea l in g   te m p er at u r e  o n   t h e  n an o s tr u ct u r e  o f   ea ch   s a m p le s .   A cc o r d in g   to   o th er   r esear ch er ,   th er e  ar e  lar g e   a g g lo m er atio n   co n tai n s   lo ts   o f   lar g e   v o id s   d e f ec t  a n d   i m p u r i ties   o n   t h e  s u r f ac e   o f   n a n o co m p o s it e   m ater ial [ 1 1 ] .   A lt h o u g h   f o r   m an y   y ea r s   n a n o co m p o s ite   r esear ch   h a s   b ee n   ca r r ied   o u t,  t h e  s u b j ec t  o n   ag g lo m er atio n   o f   n a n o p ar ticles  r e m ai n s   a n   in te n s iv e  d eb ate  [ 6 ] .   I n   co n j u n ctio n   w it h   ag g lo m er atio n ,   it  ca n   b e  r elate d   w it h   th e  s u r f ac e  r o u g h n es s   [ 1 2 ] .   T h e  r o u g h er   t h e  s u r f ac e  o f   th at  s a m p le,   t h e  s h o r te s t  th e  ti m e  tak e n   to   r ea ch   b r ea k d o w n   a n d   v ice  v er s a.   I t  ca n   b e  co n clu d ed   th at  t h e  ti m e  ta k en   f o r   ea ch   s a m p le  t o   r ea ch   b r ea k d o w n   is   af f ec ted   b y   t h e  ag g lo m er ati o n   o n   th at  s a m p le  d u e  to   a n n e alin g   p r o ce s s .   Fig u r e  6   s h o w s   a  g r ap h   o f   P MM A :T iO₂  f il m   AC   b r ea k d o w n   s tr en g t h   o n   ea c h   an n ea l in g   te m p er atu r e.   I t  tells   u s   a s   an n ea l in g   te m p er at u r e  in cr ea s es,  th e  b r ea k d o w n   s tr e n g th   also   in cr ea s e s .   T h e  in cr ea s es  o f   b r ea k d o w n   s tr en g th   i s   d u e  to   th e  r ed u ctio n   o f   P MM A :T iO₂  f il m   t h ick n e s s .   R ed u ctio n   i n   th e   b r ea k d o w n   s tr en g t h   in d icate   t h e  P MM A :T iO2   f il m   h as h ig h   r elativ e  p er m itti v it y   [ 8 ] .       60 90 120 150 180 210 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 AC   Bre a kd o w n   St re n g t h   (  x  1 e 10 )  (kV/ n m) An n e a l i n g   T e m p e ra t u re   ( o C)   Fig u r e  6 .   AC   B r ea k d o w n   s tr e n g t h   o f   P MM A :T iO2   f il m   an n ea l a t d if f er e n t te m p er at u r e       Fig u r e  7   s h o w s   DC   b r ea k d o w n   v o lta g e  ( B DV)   f o r   P MM A :T iO₂  w i th   d i f f er en t   an n ea l in g   te m p er atu r e  tes ted   b y   u s in g   t w o   d if f er e n t  t y p e s   o f   elec tr o d e.   Sp h er ical  s h ap e  an d   s h ar p   tip   elec tr o d e  is   u s ed   to   in v e s ti g ate  t h e  r ati n g   o f   b r ea k d o w n   v o ltag e  o n   a  s a m e  m a ter ial   w ith   d if f er en t  t y p e  o f   el ec tr o d e.   I t  also   ca n   b e  o b s er v ed   th at   B DV  w it h   s h ar p   tip   elec tr o d e  ex h ib it   h ig h er   v al u es   as   co m p ar ed   t o   s p h er ical  s h ap ed   elec tr o d e.   P MM A :T iO₂  an n ea led   at  6 0 ℃  h as  th e  lo w es t  B DV  an d   P MM A :T iO₂  an n ea le d   at  1 8 0 ℃  h as  th e   g r ea test   B DV  b a s ed   o n   b o th   t y p e  o f   elec tr o d e.   I n   co n clu s i o n ,   s h ar p   tip   elec tr o d e  g iv e s   g r ea ter   B DV  th a n   s p h er ical  elec tr o d e  f o r   ab o u t  t w ice  th e  lo w e s t  B DV  v alu e.   T h is   i s   b ec au s e  b r ea k d o w n   o f   p o ly m er ic  m ater ial s   d ec r ea s es  as  t h e  elec tr o d e  ar ea   in cr ea s e  b ec a u s e  o f   t h e  ele c tr ic  f ield   e n h an ce m e n t  [ 3 ] .   T h e  tr ee in g   p r o ce s s   i n   th e  v o id s   m a y   e x cited l y   i n itiat e  as th e  ar ea   u n d er   th e  elec tr o d e  is   in cr ea s es.       2 .4 2 2 .8 3 2 .8 8 3 .5 4 .1 5 .4 5 .6 4 5 .8 5 .9 60 80 100 120 140 160 180 0 1 2 3 4 5 6 7 D C   Bre a kd o w n   Vo l t a g e   (kV) An n e a l i n g   T e m p e ra t u re   ( o C)   Sh e p ri ca l   Sh a rp   T i p   Fig u r e  8 .   DC   b r ea k d o w n   v o lta g e  o f   P MM A: T iO2   f il m   w i th   elec tr o d e  s h ap es     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l .  1 2 ,   No .   2 ,  No v e m b er   201 8   :   5 27   –   5 3 4   532   P ar tial  d is c h ar g e  ( P D)   a r e  g en er all y   a  r esu lt  o f   lo ca l  elec tr ical  s tr ess   co n ce n tr atio n   in   t h e  i n s u latio n   o r   o n   t h e  s u r f ac e  o f   i n s u lati o n   an d   o f te n   ac co m p an ied   b y   t h e  e m i s s io n   o f   s o u n d , lig h t,  h ea t   o r   ch e m ica l   r ea ctio n s .   P D  ar e  s m al l  s p ar k s   th at   o cc u r   w i th in   th e   i n s u lat io n   m ed iu m .   T h ese   d is c h ar g e  d e g r ad e  th e   in s u latio n   p r o p er ties   an d   as  a  r esu lts   to   i n s u latio n   f ai lu r e.   P D  ca n   b e  in itiated   b y   v o id s   o r   o th er   im p u r ities   ex cist   in   th e   in s u latio n   s y s te m .   P D  ca u s es   th e   in s u lato r   to   d eter io r ate  p r o g r ess iv el y   a n d   c an   lead   to   ele ctr ical   b r ea k d o w n   [ 1 3 - 15] .   Fig u r e  9   s h o w s   th a t  t h e  P D  o f   P MM A :T iO2   f il m   a t  d if f er en t  an n ea l  te m p er atu r e.   As   an n ea l in g   te m p er at u r e  in cr ea s es  f r o m   6 0 ℃  to   1 2 0 ℃,   th e  PD  in cr ea s e  g r ad u all y .   I t  h ap p en   d u e  to   th e  s tr en g t h   o f   th e  n a n o co m p o s ite  f il m   w h ich   i s   af f ec ted   b y   th e   cr y s talli n it y   o f   P MM A   an d   T iO₂  p a r ticles     ar r an g e m en t   [ 6 ] .   C r y s talli n it y   a n d   cr y s ta llit e s   o f   a   f il m   w il l  i n cr ea s ed   w it h   a n n ea lin g   te m p er atu r e  [ 1 6 ] .  Nev er th e less ,   t h e  p ar tial  d is ch ar g e  d ec r ea s es  af ter   th e  an n ea lin g   te m p er at u r e  is   in cr ea s e d   m o r e  th a n   1 2 0 ℃  b ec au s e  o f   th e  b eh a v io r   o f   P MM A   its e l f   i n   w h ic h   it  s t ar ted   to   m elt  b et w ee n   te m p er atu r e  o f   1 5 0 ℃  to     1 6 0 ℃  [ 9 ] .       60 90 120 150 180 210 200 400 600 800 1000 1200 1400 Pa rt i a l   D i scha rg e   (p C ) An n e a l i n g   T e m p e ra t u re   ( o C)   Fig u r e  8 .   P ar tial D is ch ar g e  d at a  f o r   P MM A :T iO2   n an o co m p o s ite  f il m       4.   CO NCLU SI O N   As  co n cl u s io n ,   th e  in s u la tio n   p r o p er ties   o f   P MM A :T iO 2   n an o d ielec tr ic  f il m   w er e  s u cc es s f u ll y   ch ar ac ter ized .   An n ea lin g   te m p er atu r e  th u s   a f f ec ted   t h e  p er f o r m a n ce   o f   P MM A :T iO2   n an o d ielec tr ic  f il m   a s   in s u latio n   i n   HV.   R es u lt   s h o w   th a t  P MM A :T iO2   n a n o d ielec tr ic  f i l m   a n n ea l   at  1 2 0   o C   h as   g o o d   i n s u latio n   p r o p er ties   c o m p ar e  to   o th er   t e m p er atu r e.   W h en   th e  n an o d i elec tr ic  f il m   a n n ea l  at  te m p er atu r e  ab o v e  1 5 0 o C ,   th e  in s u latio n   p r o p er ties   d eg r ad ed   s ig n if ican tl y .   Di f f er en t  elec tr o d e  u s ed   also   af f e cted   th e  in s u lat io n   p r o p er tier   o f   n an o co m p o s ite   f il m .   Sh ar p   tip   h as  t h e  h i g h e s t  b r ea k d o w n   v o lta g e  co m p ar e  to   s h ep r ical  elec tr o d e.       ACK NO WL E D G M E NT   T h e  au t h o r s   w o u ld   li k e  to   ac k n o w led g e  U n i v er s iti   T e k n o l o g i  M AR A  C a w a n g an   P u la u   P in an g   a n d   NANO - SciT ec h   C e n tr e,   UiT M  Sh a h   A la m   f o r   p r o v id in g   u s   th e  g r an t t h e  u s e  th e ir   AFM  eq u ip m e n t.       RE F E R E NC E S   [1 ] .   IEC,   “ Ef f i c ien t  e lec tri c a l  e n e rg y   t ra n sm is sio n   a n d   d istr ib u ti o n ” ,   p .   2 4 ,   2 0 0 7 .   [2 ] .   P leş a ,   P .   N o ţi n g h e r,   S .   S c h l ö g l,   C.   S u m e re d e r,   a n d   M .   M u h r” , P r o p e rti e s  o f   P o ly m e r  Co m p o sites   Us e d   in   Hig h - V o l tag e   A p p li c a ti o n s ” ,   Po lym e rs   ( Ba se l) . ,   v o l.   8 ,   n o .   5 ,   p .   1 7 3 ,   2 0 1 6 .   [3 ] .   M .   A .   Do u a r,   A .   Be ro u a l,   a n d   X .   S o u c h e ,   “ Co m p a ra ti v e   stu d y   o f   A C  b re a k d o w n   v o lt a g e   f o r  v a rio u s  p o ly m e rs:   In f lu e n c e   o f   e lec tro d e s  sh a p e ,   th e r m a l  a n d   h y d ro th e rm a l  a g e in g , ”   ICHVE  2 0 1 4   -   2 0 1 4   In t.   Co n f.   Hig h   Vo l t.   En g .   Ap p l . ,   n o .   ii ,   p p .   0 – 3 ,   2 0 1 4 .   [4 ] .   L .   N.  Is m a il ,   S .   A .   F a ra h i y a h ,   Z.   Ha b ib a h ,   S .   H.  He rm a n ,   a n d   M .   Ru so p ,   “ Die lec tri c   a n d   p h y si c a l  p ro p e rti e s  o f   P M M A  :  T iO  2   th i n   f il m s b y   v a r y in g   T iO  2   c o n c e n trati o n , ”   p p .   2 5 9 – 2 6 2 ,   2 0 1 2 .   [5 ] .   T .   T a n a k a ,   G .   C.   M o n tan a ri,   a n d   R.   M u lh a u p t,   “ P o ly m e r  n a n o c o m p o sites   a s  d iel e c tri c s  a n d   e lec tri c a l  in su lati o n - p e rsp e c ti v e s  f o r  p ro c e ss in g   tec h n o lo g ies ,   m a teria l  c h a ra c teriz a ti o n   a n d   f u tu re   a p p li c a ti o n s,”  IE EE   T ra n s.  Die lec tr.   El e c tr.   In su l. ,   v o l.   1 1 ,   n o .   5 ,   p p .   7 6 3 – 7 8 4 ,   2 0 0 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4752       I n s u la tio n   P r o p erti es o f P MM A :   TiO2   N a n o d ielec tr ic  F ilm  fo r   Hig h   V o lta g e…   ( Melvin   W e la n   Ma th ew )   533   [6 ] .   K.  Y.  L a u ,   A .   S .   V a u g h a n ,   a n d   G .   Ch e n ,   “ Na n o d iele c tri c s :  Op p o rt u n it ies   a n d   c h a ll e n g e s,”  IEE E  E lec tr.   In su l .   M a g . ,  v o l.   3 1 ,   n o .   4 ,   p p .   4 5 – 5 4 ,   2 0 1 5 .   [7 ] .   W .   Ya n ,   Z.   J.  Ha n ,   B.   T .   P h u n g ,   F .   F a u p e l,   a n d   K.  K.  Os tri k o v ,   “ Hig h - v o lt a g e   in su latio n   o rg a n ic - in o rg a n ic  n a n o c o m p o sites   b y   p las m a   p o ly m e riza ti o n , ”   M a ter ia ls  ( Ba se l ). ,   v o l .   7 ,   n o .   1 ,   p p .   5 6 3 – 5 7 5 ,   2 0 1 4 .   [8 ] .   K.  Y.  L a u ,   N.  A .   M u h a m a d ,   N.  Ba sh ir,   Y.  Z.   A rie f ,   a n d   M .   A .   M .   P iah ,   “ M o d e li n g   o f   P o ly m e r  Na n o c o m p o sites  :  P e rm it ti v it y   v s .   El e c tri c   F ield   I n t e n sity , ”   p p .   1 4 0 – 1 4 5 ,   2 0 1 4 .   [9 ] .   L .   N.  Is m a il ,   Z.   Ha b ib a h ,   S .   H.  He r m a n ,   a n d   M .   Ru so p ,   “ Eff e c t  o f   a n n e a li n g   tem p e ra tu re   o n   e lec tri c a l  p ro p e rti e s  o f   p o ly   ( m e th y l  m e th a c r y late ):  ti tan iu m   d io x id e   n a n o c o m p o site  f il m s  u sin g   sp in   c o a ti n g   d e p o siti o n   t e c h n iq u e , ”   IOP  Co n f.   S e r.  M a ter .   S c i.   E n g . ,   v o l .   6 4 ,   p .   1 2 0 5 1 ,   2 0 1 4 .   [1 0 ] .   Y.  Uo z u m i,   Y.  Kik u c h i,   N.  F u k u m o to ,   M .   Na g a ta,  Y.  Wak i m o t o ,   a n d   T .   Yo sh im it su ,   “ Ch a ra c teristics   o f   p a rti a l   d isc h a rg e   a n d   ti m e   to   b re a k d o wn   o f   n a n o c o m p o site  e n a m e led   wire , ”   An n u .   Rep .   -   Co n f.   El e c tr.   In su l.   Die lec tr.   Ph e n o me n a ,   C EIDP ,   p p .   2 2 8 – 2 3 1 ,   2 0 0 7 .   [1 1 ] .   F .   T ian ,   Q.  L e i,   X .   Wan g ,   a n d   Y.  W a n g ,   “ In v e sti g a ti o n   o f   e l e c tri c a l  p ro p e rti e s  o f   L DP E/ Zn O  n a n o c o m p o site   d iele c tri c s,”  IEE E  T ra n s.  Die lec tr.   El e c tr.   In s u l. ,   v o l.   1 9 ,   n o .   3 ,   p p .   7 6 3 – 7 6 9 ,   2 0 1 2 .   [1 2 ] .   N.  a   El - z a h e r,   M .   S .   M e leg y ,   a n d   O.  W .   G u irg u is,   “ T h e r m a l  a n d   S tru c tu ra l  A n a ly s e s  o f   P M M A   /  T iO 2   Na n o p a rti c les   Co m p o sites , ”   Na t .   S c i. ,   v o l .   6 ,   n o .   J u ly ,   p p .   8 5 9 – 8 7 0 ,   2 0 1 4 .   [1 3 ] .   C.   M a y o u x   a n d   M .   G o ld m a n ,   “ P a rti a l  d isc h a rg e s  in   so li d   d iele c tr ics   a n d   c o ro n a   d isc h a rg e   p h e n o m e n a , ”   J .   Ap p l.   Ph y s. ,   v o l.   4 4 ,   n o .   9 ,   p p .   3 9 4 0 – 3 9 4 4 ,   1 9 7 3 .   [1 4 ] .   D.  E.   S e lv a ra j,   “ P a rt ial   d isc h a rg e   c h a ra c teristics   o f   e n a m e l  f il le d   w it h   m icro   a n d   n a n o   c o m p o site  o f   S iO2   a n d   T iO2 , ”   In t.   J .   S c i.   E n g .   Ap p l. ,   v o l.   1 ,   n o .   2 ,   p p .   9 5 – 1 0 1 ,   2 0 1 3 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.